Asfaltos
Asfalto
El asfalto es un hidrocarburo de color marrón oscuro a negro, altamente viscoso, producido a partir de residuos de la destilación del petróleo. Esta destilación puede ocurrir de forma natural, dando lugar a lagos de asfalto, o en una refinería de petróleo que utiliza petróleo crudo. En 2020, Estados Unidos produjo alrededor de 21 millones de toneladas de asfalto (US EIA). Las carreteras y autopistas constituyen el mayor uso del asfalto, con aproximadamente el 80 % del total (Fredonia Group). En el asfalto reforzado con fibra (HMA), el asfalto funciona como un adhesivo impermeable, termoplástico y viscoelástico. En peso, el asfalto generalmente representa entre el 4 % y el 8 % del HMA y representa entre el 25 % y el 30 % del costo de una estructura de pavimento de HMA, dependiendo del tipo y la cantidad. La industria de la pavimentación también utiliza emulsiones asfálticas, asfalto diluido y asfalto espumado.
“Asphalt cement” refers to asphalt that has been prepared for use in HMA and other paving applications. This section uses the generic term, “asphalt binder”, to represent the principal binding agent in HMA because “asphalt binder” includes asphalt cement as well as any material added to modify the original asphalt cement properties.
Propiedades físicas del asfalto
El asfalto se puede clasificar según su composición química y propiedades físicas. La industria del pavimento generalmente se basa en las propiedades físicas para caracterizar su rendimiento, aunque estas propiedades son resultado directo de su composición química. Normalmente, las propiedades físicas más importantes son:
- Durabilidad. La durabilidad mide cómo cambian las propiedades físicas del ligante asfáltico con el tiempo (a veces llamado endurecimiento por envejecimiento). En general, a medida que un ligante asfáltico envejece, su viscosidad aumenta y se vuelve más rígido y frágil. Reología. La reología es el estudio de la deformación y el flujo de materia. La deformación y el flujo del ligante asfáltico en HMA son importantes para el rendimiento del pavimento HMA. Los pavimentos HMA que se deforman y fluyen excesivamente pueden ser susceptibles a la formación de roderas y exudación, mientras que aquellos que son demasiado rígidos pueden ser susceptibles al agrietamiento por fatiga. La deformación del pavimento HMA está estrechamente relacionada con la reología del ligante asfáltico. Las propiedades reológicas del ligante asfáltico varían con la temperatura, por lo que la caracterización reológica implica dos consideraciones clave. En primer lugar, para caracterizar completamente un ligante asfáltico, se deben examinar sus propiedades reológicas en el rango de temperaturas que puede alcanzar durante su vida útil. En segundo lugar, para comparar diferentes ligantes asfálticos, se deben medir sus propiedades reológicas a una temperatura de referencia común.
- Seguridad. El cemento asfáltico, como la mayoría de los materiales, se volatiliza (emite vapor) al calentarse. A temperaturas extremadamente altas (muy superiores a las experimentadas en la fabricación y construcción de HMA), el cemento asfáltico puede liberar suficiente vapor como para aumentar la concentración de volátiles inmediatamente por encima del cemento asfáltico, hasta el punto de inflamarse (incendiarse) al exponerse a una chispa o llama abierta. Esto se denomina punto de inflamación. Por razones de seguridad, el punto de inflamación del cemento asfáltico se prueba y controla.
- Pureza. El cemento asfáltico, tal como se utiliza en la pavimentación de HMA, debe estar compuesto de betún prácticamente puro. Las impurezas no son componentes activos de la cementación y pueden perjudicar el rendimiento del asfalto.
Sistemas de calificación
Los ligantes asfálticos suelen clasificarse mediante uno o más sistemas de clasificación abreviados según sus características físicas. Estos sistemas varían de simples a complejos y representan una evolución en la capacidad de caracterizar el ligante asfáltico. Actualmente, la mayoría de las agencias estatales utilizan o planean adoptar el sistema de clasificación de rendimiento (PG) Superpave.
Clasificación de Penetración
Basado en la profundidad de penetración de una aguja estándar en una muestra de ligante asfáltico al colocarse bajo una carga de 100 g durante 5 segundos (véase la Figura 3). La prueba es sencilla y fácil de realizar, pero no mide ningún parámetro fundamental y solo permite caracterizar el ligante asfáltico a una temperatura (25 °C). Los grados de penetración se presentan como un rango de unidades de penetración (una unidad de penetración = 0,1 mm de penetración de la aguja estándar). Los ligantes asfálticos típicos utilizados en EE. UU. son 65-70 pen y 85-100 pen.
Clasificación de viscosidad
Sistema de clasificación de rendimiento (PG) Superpave
El sistema Superpave PG se desarrolló como parte de la investigación de Superpave para caracterizar con mayor precisión y precisión los ligantes asfálticos para su uso en pavimentos HMA. El sistema PG se basa en la idea de que las propiedades de un ligante asfáltico HMA deben estar relacionadas con las condiciones bajo las que se utiliza. En el caso de los ligantes asfálticos, esto implica las condiciones climáticas esperadas, así como consideraciones de envejecimiento. Por lo tanto, el sistema PG utiliza una batería común de pruebas (al igual que los antiguos sistemas de clasificación de penetración y viscosidad), pero especifica que un ligante asfáltico en particular debe superar estas pruebas a temperaturas específicas que dependen de las condiciones climáticas específicas de la zona de uso prevista. Por lo tanto, un ligante utilizado en Hawái sería diferente a uno utilizado en, por ejemplo, Alaska. La clasificación de rendimiento de Superpave se informa utilizando dos cifras: la primera es la temperatura máxima promedio del pavimento en siete días (en °C) y la segunda es la temperatura mínima de diseño del pavimento que probablemente se experimente (en °C). Por lo tanto, un PG 64-16 está diseñado para usarse donde la temperatura máxima promedio del pavimento durante siete días es de 64 °C y la temperatura mínima esperada es de -16 °C. Tenga en cuenta que estas cifras corresponden a la temperatura del pavimento, no a la temperatura del aire. El grado PG típico utilizado en Hawái es el PG 64-16. Siendo realistas, las temperaturas del pavimento en Hawái nunca bajarán a -16 °C, pero el ligante asfáltico típico utilizado cumple con esta norma, por lo que se clasifica como tal.
Modificadores de ligante asfáltico
Algunos cementos asfálticos requieren modificaciones para cumplir con las especificaciones. La modificación de cementos asfálticos se ha practicado durante más de 50 años, pero ha recibido mayor atención en la última década aproximadamente. Actualmente, existen numerosos aditivos para ligantes disponibles en el mercado. Los beneficios del cemento asfáltico modificado solo se pueden obtener mediante una selección acertada del/de los modificador(es); no todos son apropiados para todas las aplicaciones. En general, el cemento asfáltico debe modificarse para lograr las siguientes mejoras (Roberts et al., 1996[2]): Menor rigidez (o viscosidad) a las altas temperaturas asociadas con la construcción. Esto facilita el bombeo del ligante asfáltico líquido, así como la mezcla y compactación del HMA. Mayor rigidez a altas temperaturas de servicio. Esto reducirá la formación de surcos y el empuje. Menor rigidez y propiedades de relajación más rápidas a bajas temperaturas de servicio. Esto reducirá el agrietamiento térmico. Mayor adherencia entre el ligante asfáltico y el árido en presencia de humedad. Esto reducirá la probabilidad de desprendimiento. La Figura 4 muestra dos muestras de áridos de la misma fuente tras su recubrimiento con ligante asfáltico. El ligante asfáltico utilizado en la muestra de la izquierda no contiene modificador antidesgaste, lo que resultó en una adhesión prácticamente nula entre el árido y el ligante asfáltico. El ligante asfáltico utilizado en la muestra de la derecha contiene un 0,5 % (en peso del ligante asfáltico) de un modificador antidesgaste, lo que resulta en una buena adhesión entre el árido y el ligante asfáltico.
Otras formas de asfalto utilizadas en pavimentación
Además del cemento asfáltico, otros tres tipos de asfalto se utilizan de forma destacada en la industria de la pavimentación: Asfalto emulsionado. El asfalto emulsionado es una suspensión de pequeños glóbulos de cemento asfáltico en agua, asistida por un agente emulsionante (como el jabón). Las emulsiones tienen menor viscosidad que el asfalto puro (simple) y, por lo tanto, pueden utilizarse en aplicaciones a baja temperatura. Tras la aplicación de una emulsión, el agua se evapora y solo queda el cemento asfáltico. Las emulsiones se utilizan a menudo como capas de imprimación y de liga. Asfalto diluido. El asfalto diluido es una combinación de cemento asfáltico y disolvente de petróleo. Al igual que las emulsiones, los diluidos se utilizan porque su viscosidad es menor que la del asfalto puro y, por lo tanto, pueden utilizarse en aplicaciones a baja temperatura. Tras la aplicación de un diluido, el disolvente se evapora y solo queda el cemento asfáltico. Los diluidos son mucho menos comunes hoy en día porque el disolvente de petróleo es más caro que el agua y puede suponer un riesgo ambiental. Los diluidos se utilizan habitualmente como capas de imprimación y de liga. Asfalto espumado. El asfalto espumado se forma combinando ligante asfáltico caliente con pequeñas cantidades de agua fría. Al entrar en contacto con el agua fría, este se transforma en vapor, que queda atrapado en diminutas burbujas de ligante asfáltico (World Highways, 2001[3]). El resultado es una espuma asfáltica de película delgada y gran volumen. Esta espuma dura solo unos minutos, tras los cuales el ligante asfáltico recupera sus propiedades originales. El asfalto espumado puede utilizarse como ligante en la estabilización de suelos o capas de cimentación, y a menudo se emplea como agente estabilizador en el reciclaje in situ en frío (CIPR).