FACULTAD DE INGENIERÍA CIVIL ASIGNATURA DE PAVIMENTOS

LABORATORIO DE MATERIALES BITUMINOSOS

Presentado por:

KAREN BOHÓRQUEZ

JOSE LUIS DUARTE ESCALANTE LORENA MONSALVE

LUIS EDUARDO VELANDIA MAURICIO HERRERA

Presentado a:

DOCENTE: NORMA CRISTINA SOLARTE

UNIVERSIDAD PONTIFICIA BOLIVARIANA BUCARAMANGA

2015

INTRODUCCION A LOS MATERIALES BITUMINOSOS

Los materiales bituminosos son sustancias de color negro, sólidas o viscosas, dúctiles, que

se ablandan por el calor y comprenden aquellos cuyo origen son los crudos petrolíferos

como también los obtenidos por la destilación destructiva de sustancias de origen

carbonoso.

Los materiales bituminosos son mucho más comunes de lo que pensamos, en nuestra

ingeniería civil están presentes en gran cantidad de productos los cuales tienen multitud

de usos y aplicaciones en varias áreas de trabajo.

Algunos de los ejemplos más conocidos en los cuales hacen presencia los materiales

bituminosos son los productos impermeabilizantes tales como el Cemento Marino

utilizado frecuentemente para aislar de la humedad del suelo, los muros internos de los

sótanos de las viviendas; también usados para impermeabilización de jardineras. Otro

ejemplo son los mantos asfálticos, los cuales son usados generalmente en

impermeabilización de placas de techos, así como placas expuestas a la intemperie bajo

las cuales hay tránsito o agrupaciones de personas.

En nuestra asignatura de pavimentos, los materiales bituminosos son el pilar de los

pavimentos flexibles al estar compuestos por asfaltos, estos a su vez son compuestos por

derivados del petróleo los cuales se calientan a unas temperaturas adecuadas para

conformar con la ayuda de agregados, los pavimentos flexibles de nuestras vías.

OBJETIVOS

1. Conocer las características que definen el asfalto.

2. Identificar cuáles son las fuentes de los asfaltos.

3. Aprender a desarrollar los ensayos que permiten caracterizar un asfalto.

4. Aprender a interpretar los resultados de los ensayos investigados.

PREGUNTAS (PROBLEMAS) O SITUACIONES:

1. Mencione el proceso de producción del asfalto:

El proceso de producción básicamente comienza cuando se extrae el petróleo de los

pozos, de aquí se calienta, se destila, y después de extraer otros productos como gases y

otros compuestos químicos, queda lo que se conoce como betún, este se lleva a una

planta de asfaltos en la cual se calienta y se mezcla con productos que se conocen como

áridos a altas temperaturas lo cual favorece una mezcla homogénea de los dos

compuestos. Finalmente se almacena y se transporta a la obra para luego calentarlo y

aplicarlos con la ayuda de maquinaria especializada llamada Pavimentadora de Asfalto.

https://www.youtube.com/watch?v=zx0L_fzSOwg

2. Proceso del asfalto para ser colocado en Obra: El asfalto después de ser mezclado (preparado) a temperaturas moderadamente altas, se

carga mediantes tolvas en camiones o volquetas que los transportan rápidamente a una

temperatura específica para que no pierda sus propiedades y se vacía en la

Pavimentadora la cual lo imprime sobre la base granular ya lista y preparada para soportar

el asfalto y su posterior compactación hasta conseguir una carpeta de rodadura

totalmente lisa y terminada.

3. ¿Cómo conozco como interventor que el asfalto usado por el contratista cumple con la normativa?

Para que un interventor pueda estar seguro que el asfalto utilizado es el idóneo para la

tarea, es necesario que la empresa que produce el asfalto le suministre al contratista una

serie de estudios realizados al asfalto previamente en la planta de producción, varios de

estos son el tamaño de los agregados utilizados, las temperaturas a las cuales se realizó la

mezcla, entre otros los cuales se pueden resumir en los siguientes cuidados suministrados

por el proveedor:

• Las operaciones básicas en la producción de MAC (Mezcla Asfáltica Caliente) son

las mismas, independientemente del tipo de planta. Estas operaciones incluyen:

• Adecuada manipulación y almacenamiento de todos los componentes en la planta

de mezclado.

• Exacta dosificación y alimentación del agregado frío que se transporta hacia el

secador.

• Calentamiento y secado efectivos del agregado a la temperatura apropiada.

• Eficaz control y recolección de polvo desde el secador.

• Apropiada dosificación, alimentación y mezclado del asfalto con los agregados

calientes.

En la mayoría de casos, el asfalto proviene de una fuente seleccionada y ensayada y es

aceptado por certificación. Sin embargo, se debe hacer un registro de todas las entradas

de ligante asfáltico a la planta. Los registros deben incluir la siguiente información:

• Grado del ligante asfáltico

• Nombre y localización del productor

• Identificación del proyecto y de la planta

• Fecha del envío

• Número del pedido

• Número de la certificación de la planta

• Cantidad de asfalto por peso o volumen calculado directamente

Cuando el volumen es calculado, se debe registrar la siguiente información:

• Identificación de la carta de calibración

• Medida inicial (antes de descargar)

• Medida final (después del descargue)

• Temperatura del asfalto cuando fue medido

• Factor de corrección de temperatura para convertir a litros a 15°C (galones a 60 °F)

• Litros equivalentes (galones) 6 / 13

• Correcta identificación de las muestras tomadas

4. ¿Qué son los asfaltos naturales. Investigue sobre ellos y cuente sobre su aplicación en Colombia o en otro país.

Los asfaltos naturales o nativos constituyen una amplia gama de productos con base

asfáltica que se encuentran en la naturaleza.

De estos productos se obtienen los aglomerantes para pavimentaciones sin necesidad de

destilación.

Los asfaltos naturales se han formado por un fenómeno de migración de

determinados petróleos naturales hacia la superficie terrestre a través de las grietas en la

corteza terrestre, apareciendo a través de fisuras y rocas porosas, seguido o combinado

con una volatización de sus componentes más ligeros y la consiguiente concentración de

los compuestos asfálticos ya existentes en el mismo; algunos se encuentran en estado casi

puro, formados mayormente por sustancias hidrocarbonadas con poca materia mineral,

aunque lo más usual es que estén mezclados con otros minerales.

Entre los asfaltos naturales que podemos considerar de mayor pureza, el más importante

por su cuantía se encuentra en Utah (EEUU), y se lo denomina Gilsonita, palabra que

deriva del nombre de quien inició su explotación comercial.

Otro importante es el asfalto Trinidad, en el lago de la isla Trinidad, cerca de la costa

venezolana, es uno de los mayores depósitos naturales conocidos de este material en el

continente americano.

https://www.youtube.com/watch?v=4VA6U0Xj-Xk

5. Es la emulsión y los asfaltos lo mismo? Explique. El término "asfalto" refiere a un líquido negro viscoso encontrado en el petróleo. Aunque

no es lo mismo, el "asfalto" es comúnmente utilizado para referirse a alquitrán. El

alquitrán es similar en apariencia, pero proviene del carbón. El término "emulsión" refiere

a una nueva tecnología en la que el asfalto se combina con otras sustancias para disminuir

el punto de fusión.

6. Qué ensayos se le realizan a una Emulsión?

6.1 Destilación

El ensaye de destilación se usa para determinar las proporciones relativas de cemento

asfáltico y agua presentes en la emulsión. Algunos grados de asfalto emulsificado, también

contienen aceites; la destilación entrega información acerca de la cantidad de este

material en la emulsión. También este ensayo permite analizar el residuo mediante

ensayos adicionales como, penetración, solubilidad y ductilidad, que son descritos en los

cementos asfálticos. Una muestra de 200 gr de emulsión se destila a 260ºC. La diferencia

al destilar una emulsión es que se usa un recipiente de hierro y anillos quemadores en vez

de un matraz de vidrio y mechero Bunsen. El equipo está diseñado para evitar los

problemas que pueden originarse con la formación de espuma al calentar la emulsión. La

temperatura final de destilación de 260ºC se mantiene durante 15 min. Con el objeto de

obtener un residuo homogéneo.

Los grados medio y rápido de las emulsiones catiónicas pueden incluir aceite en el

destilado, cuya cantidad máxima está limitada por especificaciones. El material destilado,

se recibe en una probeta graduada, incluye tanto el agua como el aceite presentes en la

emulsión. Ya que estos dos materiales se separan, las cantidades de cada uno de ellos

pueden determinarse directamente en la probeta graduada.

6.2 Carga de partícula

El ensayo de carga de partícula se hace para identificar las emulsiones catiónicas de rotura

rápida y media. Se materializa sumergiendo un par de electrodos, positivo (ánodo) y

negativo (cátodo), conectados a una fuente de corriente eléctrica continua, en una

muestra de emulsión. Luego de 30 minutos, o cuando la intensidad de corriente decrece 2

miliamperes, se observan los electrodos y se determina cual tiene una capa apreciable de

asfalto depositado. Si está en el cátodo, estamos en presencia de una emulsión asfáltica

catiónica.

6.3 Viscosidad

Se utiliza el ensayo Saybolt-Furol, para medir la consistencia de las emulsiones asfálticas.

Por conveniencia y precisión se usan dos temperaturas de ensayo, las cuales cubren el

rango de trabajo. Estas temperaturas son 25ºC y 50ºC (77 ó 122ºF). Su elección depende

de las características viscosas de la emulsión, según su tipo y grado.

Para hacer el ensayo a 25ºC se calienta una muestra hasta la temperatura de ensayo,

revolviéndola cuidadosamente. Se vacía a través de un colador en un tubo normalizado

que tiene un orificio tapado. Se saca luego el tapón y se mide el tiempo que tardan en salir

60 ml de asfalto. Este intervalo de tiempo medido en segundos, es la viscosidad de Saybolt

Furol. Cuanto más viscoso es el material, mayor es el tiempo que necesita un determinado

volumen para fluir por el orificio. Por lo tanto un incremento en el número de viscosidad

indica un aumento en la viscosidad de la emulsión.

Para el ensayo a 50ºC, se debe calentar la muestra a 50ºC ± 3ºC y se vacía colocándola en

el tubo. Se lleva a la temperatura de ensayo, se saca el tapón y se mide el tiempo, como ya

se describió antes.

6.4 Desemulsión

El ensayo de demulsibilidad o desemulsión indica la rapidez relativa a la cual los glóbulos

coloidales de asfalto en las emulsiones del tipo rápido quebrarán cuando se esparce en

delgadas capas sobre un suelo o agregado. El cloruro de calcio hace que los diminutos

glóbulos de asfalto presentes en las emulsiones asfálticas coagulen.

En este ensayo, una solución de cloruro de calcio y agua se mezcla totalmente con la

emulsión (muestra de 100gr), luego se coloca sobre un tamiz 1,4 mm para determinar

cuántos glóbulos de asfalto coagulan y se lava. Al ensayar las emulsiones CRS se usa una

solución de cloruro de calcio muy débil. Las especificaciones prescriben la concentración

de la solución y la cantidad mínima de asfalto que debe ser retenida en el tamiz 1,4mm

(Nº14). La cantidad de residuo asfáltico retenido nos da el grado de coalescencia.

Se espera que estas emulsiones tengan un alto grado de demulsibilidad ya que se desea

que quiebren inmediatamente al entrar en contacto con el agregado.

6.5 Sedimentación

El ensayo de sedimentación indica la tendencia de las partículas de asfalto a perder la

estabilidad, durante el almacenamiento de la emulsión. Detecta la propensión de los

glóbulos de asfalto a sedimentar durante el almacenamiento. Este ensayo sirve también

como indicador de la calidad de la emulsión aun cuando esta no sea almacenada. Una falla

en el ensayo de sedimentación indica que algo está mal en el proceso de emulsificación.

Se colocan dos muestras de 500 ml en tubos de vidrio graduados y se dejan descansar

tapados, durante 5 días. Luego se toman pequeñas muestras de las partes superior e

inferior de cada tubo, se coloca cada muestra en un recipiente y se pesa. La muestra se

calienta hasta que evapore toda el agua y luego se pesa el residuo. Los pesos obtenidos se

usan para encontrar la diferencia entre el contenido de cemento asfáltico de las porciones

superior e inferior del cilindro. Esto da una medida de la sedimentación.

6.6 Mezcla con cemento El ensayo de mezcla de cemento representa, para las emulsiones lentas, lo mismo que el

ensayo de demulsibilidad para las emulsiones rápidas.

En este ensayo se mezcla una muestra de 100 ml de emulsión diluida con agua destilada

hasta un 55% del residuo con cemento portland de alta resistencia inicial, revolviéndolos y

luego se lava sobre un tamiz 1,4mm (Nº14) y se determina la cantidad de material

retenido en el mismo. Las especificaciones generalmente limitan la cantidad de material

que puede ser retenida sobre el tamiz.

6.7 Capacidad de recubrimiento y resistencia al agua

Este ensayo tiene un triple propósito. Su objetivo es determinar la capacidad de una

emulsión asfáltica para; (1) cubrir totalmente el agregado, (2) soportar el mezclado sin

que se rompa la película formada y (3) resistir la acción de lavado del agua cuando se

completó el mezclado. Este ensayo principalmente, ayuda en la elección de emulsiones

asfálticas apropiadas para mezclar con agregados gruesos calcáreos.

Se cubre con polvo de carbonato de calcio el agregado elegido y se mezcla con la emulsión

asfáltica. Se coloca aproximadamente la mitad de la mezcla sobre un papel absorbente

para un examen visual de la superficie del agregado cubierta de emulsión asfáltica. Se lava

con agua el resto de la muestra y se enjuaga hasta que el agua salga clara. Se coloca este

material sobre un papel absorbente y se evalúa el recubrimiento.

Se cubre otra muestra de agregado con polvo de carbonato de calcio y se mezcla con una

cantidad de agua dada. Se agrega la emulsión asfáltica y se mezcla cuidadosamente. Se

hacen las mismas evaluaciones ya vistas anteriormente.

7. Hay diferencias entre el producto que se utiliza como ligante y el utilizado en la capa de rodadura?

Hay diferencias entre estos dos “materiales” algunas veces, pues el ligante puede ser

algunas veces el asfalto líquido utilizado en la capa de rodadura, pero en otras ocasiones y

dependiendo de varios factores solicitados para la vía como la duración del mismo, y

características como adherencia, resistencia, entre otras, se utiliza como ligante una

emulsión la cual además de contener asfalto líquido, posee otros compuestos químicos

que mejoran las cualidades del pavimento a mediano y largo plazo.

8. Cuál es la función del Asfalto en la Capa de Rodadura? Básicamente, el asfalto en la capa de rodadura cumple la función de impermeabilizar la vía

para que la lluvia y los depósitos de agua no ocasionen la destrucción de la misma a corto

o mediano plazo, sus características de flexibilidad, le proporcionan a la capa de rodadura

elasticidad frente a cambios en las capas compactadas inferiores debidos a

asentamientos, acumulaciones de agua, movimientos leves de terreno, entre otros. A su

vez es un material que por sus características proporciona adherencia de las llantas del

automóvil a la vía brindando seguridad para el tránsito de automotores.

9. Desde el punto de vista ambiental qué comentarios podemos realizar de la utilización del asfalto en las obras de infraestructura?

Se estima que una planta promedio con capacidad para producir 130 toneladas por hora

produce al menos 312 mil toneladas de asfalto al año, si trabajara sólo 200 de los 365 días.

Cálculos hechos en los Estados Unidos perfectamente aplicables en nuestro país, nos

dicen que una planta de ese tamaño emitiría 76.300 kilogramos de contaminantes

gaseosos por año.

No ha de sorprender que según la Agencia de Protección Ambiental (EPA) de EE.UU., las

plantas de procesamiento de asfalto y las fábricas de producción de techos con ese

material, están dentro de las principales fuentes de contaminación del aire, contándose

entre ellos con formaldehído, exano, fenol, materia orgánica policíclica y tolueno.

Además, las labores de transporte y almacenamiento hacen que se liberen “compuestos

orgánicos volálites, hidrocarburos aromáticos policíclicos y partículas condensadas muy

finas”.

Asimismo, pueden producir humos, gases y vapores conteniendo sustancias letalmente

tóxicas, como el sulfuro de hidrógeno, arsénico, benceno, cadmio y se cita como muy

peligrosos la presencia en el procesamiento de solventes como tolueno, xileno y nafta,

además de estireno, asbestos, sílice y hule reciclado.

En resumen, los daños que el asfalto produce al medio ambiente, están relacionados con

su producción y todos los químicos que se producen con él. Los daños más frecuentes los

reciben los operarios y en general el personal que trabaja en esta área y que está

constantemente en contacto con su producción.

10. Qué otros materiales pueden reemplazar el asfalto? Es bien sabido que algunos países están cambiando sus vías en asfalto por vías

compuestas por celdas solares las cuales tienen el doble propósito de absorber y

almacenar energía solar con fines energéticos para una región, y a la vez sirven como un

pavimento articulado para el tránsito de vehículos.

Existen otras alternativas como el PolyPavement el cual es un líquido que solidifica la

tierra. Personal de planta física o un contratista-urbanismo pueden aplicarlo. Es posible

utilizarlo sobre suelos naturales existentes, suelos decorativos como el granito triturado, o

arena fina adecuada. Polypavement no modifica el color natural del suelo. El Pavimento

de Tierra Natural ofrece una resistencia dos veces mayor que el asfalto. Es resistente a la

lluvia, a vehículos de carga pesada y es de bajo mantenimiento. Puede usarse en diversos

tipos de proyectos según las especificaciones requeridas: zonas de tráfico peatonal,

estacionamientos, carreteras de servicio, etc.

Los pavimentos articulados conformados por adoquines, están en un mercado creciente

de utilización debido a su fácil reparación o reemplazo según sea la necesidad.

Las losas de concreto conforman el pavimento rígido el cual proporciona una alternativa

altamente durable para una vía, desafortunadamente los altos costos de materiales, la

necesidad de un tratamiento de juntas excelente y los requisitos tan estrictos de

compactación hacen de este sistema un medio usado solo cuando se necesita algo muy

específico sobre él.

11. Investigue sobre cómo se caracteriza el asfalto con la metodología superpave.

Anexo el método SUPERPAVE.

PROCEDIMIENTO DEL LABORATORIO

Se efectuaron 4 ensayos de laboratorio con el fin de hallar ciertas características de los

materiales bituminosos:

1. Ensayo de Ignición y llama.

2. Ensayo de Peso Específico.

3. Ensayo de Penetración.

4. Ensayo de Ablandamiento.

1. ENSAYO DE IGNICIÓN Y LLAMA:

Este ensayo tiene por objeto determinar los puntos de ignición y de llama, mediante la

copa abierta de Cleveland de productos de petróleo y de otros Líquidos.

Resumen del ensayo

La copa del ensayo se llena con la muestra hasta un nivel especificado. Se aumenta

rápidamente la temperatura inicial de la muestra y luego a una rata constante y lenta, a

medida que se aproxima al punto de ignición. A intervalos de tiempo especificados se pasa

una pequeña llama de ensayo a través de la copa. La temperatura más baja a la cual la

aplicación de la llama de ensayo haga que se incendien los vapores que se encuentran por

encima de la superficie del líquido, se toma como el punto de ignición. Para determinar el

punto de llama, se continúa la aplicación de la llama de ensayo hasta cuando ésta haga

que el aceite se queme por lo menos durante 5 segundos.

Se hallaron los siguientes datos:

Punto de Ignición : 210°C Punto de Llama : 302°C

2. ENSAYO DE PESO ESPECÍFICO: Procedimiento

- En una probeta se vierte un determinado volumen de agua.

- En una balanza se debe pesar una bolita de asfalto previamente elaborada y se

anota esta cantidad en gramos.

- Se mete esta bolita ya pesada dentro de la probeta y se observa el valor que ha

aumentado con esta bolita dentro, se resta el valor inicial con el del volumen final

y se obtiene cuanto volumen ocupa esta bola de asfalto.

Se obtuvieron los siguientes datos:

Se realizaron 4 pruebas con los siguientes datos:

W1(g) V inicial(cm3) V final(cm3) Densidad (g/ cm3)

PRUEBA 1 21.1 100 121 1.005

PRUEBA 2 16.6 101 120 0.874

PRUEBA 3 18.0 100 119 0.947

PRUEBA 4 32.7 105 135 1.090

PROMEDIO 0.979 (g/cm3)

3. ENSAYO DE PENETRACIÓN Se define como la distancia, expresada en décimas de milímetro hasta la cual una aguja

normalizada penetra verticalmente en el material en condiciones definidas de carga,

tiempo y temperatura.

Los datos obtenidos al finalizar el ensayo fueron:

PRUEBA 1: 82mm PRUEBA 2: 85mm PRUEBA 3: 83mm

4. ENSAYO DE ABLANDAMIENTO Resumen del método Dos discos horizontales de material bituminoso, fundidos entre anillos de bronce, se

calientan a una rata controlada en un baño líquido, mientras cada uno de ellos soporta

una bola de acero. El punto de ablandamiento se considera como el valor promedio de las

temperaturas, a la cuales los dos discos se ablandan lo suficiente, para permitir que cada

bola envuelta en material bituminoso, caiga desde una distancia de 25 mm.

La prueba arrojó un Valor de 46°C como la temperatura de ablandamiento.

OBSERVACIONES Y CONCLUSIONES

• El punto de ignición y llama vio afectado por uno de los requisitos que

recomendaba la práctica en la norma y no se pudo cumplir, este fue que la brisa

existente en el espacio de trabajo exterior, ocasionó dificultades en la prueba

apagando constantemente el piloto de gas. Se recomienda optimizar el espacio de

trabajo para futuras prácticas de ignición y llama.

• Hubo un margen de error del 2% en la prueba del peso específico del material

bituminoso, este se puede producir porque las bolitas de asfalto no tenían la forma

óptima ni el acabado idóneo para la prueba, también puede haberse producido

por las aproximaciones de lectura de pesos y volúmenes en los instrumentos de

medida.

• Siendo que la prueba de ignición y llama se efectuó dos veces en días diferentes, se

observó una disminución de 10°C en la temperatura de ignición en el día donde

hubo presencia de vientos del exterior en el proceso.

• Debido a que los valores en mm de la profundidad de Penetración fueron muy

cercanos el uno al otro, observamos que la prueba fue bien ejecutada y que los

materiales preparados para la prueba estaban en buenas condiciones de

preparación.

• En muestras de materiales bituminosos con asfaltos de mayor densidad, las

profundidades de penetración son menores en el ensayo respectivo.

• Los resultados que arrojan estas 4 pruebas tienen connotaciones de seguridad

para los pavimentos flexibles ya instalados en las vías, es decir, que el

conocimiento de los resultados de estas pruebas nos arrojan datos valiosos sobre

la seguridad que brinda el asfalto examinado una vez está instalado en la vía.

• Un asfalto con un ensayo de penetración con profundidades bajas, traduce en un

asfalto denso, lo cual nos refleja que la prueba de ablandamiento debe arrojar

tiempos mayores a los promedios.

• El éxito de la prueba de ignición y llama va de la mano con el estado del asfalto, la

limpieza del mismo, la antigüedad de este producto, entre otras.

• Un ensayo de ablandamiento que arroje temperaturas altas, nos dará una

confianza mayor en el momento de convertir este asfalto en un pavimento flexible

pues soportará mayores temperaturas en el sitio de impresión.

BIBLIOGRAFÍA

Control de Calidad en Mezclas Asfálticas Calientes: Pdf de la Universidad de los Andes

http://www.construmatica.com/construpedia/Asfalto_Natural

http://www.ehowenespanol.com/asfalto-vs-emulsion-selladora-calzadas-info_217003/

http://www3.ucn.cl/FacultadesInstitutos/laboratorio/ensemasfm7.htm