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UNIVERSIDAD DE LA COSTA DEPARTAMENTO DE CIENCIAS BÁSICAS ÁREA DE LABORATORIO DE TECNOLOGIA DE LOS MATERIALES. FACULTAD DE INGENIERÍA

ENSAYO EN EL HORNO DE LÁMINA ASFÁLTICA DELGADA EN MOVIMIENTO Luz Álvarez, Adriana Donado, Luis García, Víctor Gómez, Lina Ramírez Luis Gomez, Eddie Ruiz, Manuel Parejo, Fabián Padilla, Juan Cárdenas Ingeniería Civil. Tecnología del asfalto grupo: FD

1.

La información suministrada a continuación es de apoyo para la realización de cada uno de los ensayos elaborados: 3.1 Material bituminoso

Introducción

El cemento asfaltico es un material viscoso pegajoso utilizado como aglomerante en mezclas para la construcción de carreteras, por lo cual, este debe verse evaluado en su vida útil y anterior a su uso sometido por algunos ensayos que por lo cual identificar sus propiedades, desempeño y posibles falencias en obra.

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 productos bituminosos son materiales visco elástico y no cambian del estado sólido al estado líquido a una temperatura definida, sino que gradualmente se tornan más blandos y menos viscosos cuando la temperatura se eleva. Por esta razón, el punto de ablandamiento se debe determinar por medio de un método arbitrario fijo, pero definido que produzca resultados reproducibles y comparables.

El método realizado a continuación se refiere a la determinación del efecto del calor y del aire sobre una película de materiales asfálticos semisólidos. Los efectos de este procedimiento se determinan a partir de la medición de ciertas propiedades seleccionadas del asfalto, antes y después del ensayo. 2.

Objetivos

3.2 Asfalto. 2.1 Objetivo General Determinar el efecto del calor y el aire sobre una película de material bituminoso semi-sólido a partir de la variación (antes y después de la prueba) de algunas propiedades del asfalto.



 

Es un material viscoso, de color negro usado como aglomerante en mezclas asfálticas para la construcción de carreteras o autopistas. Este material puede ser obtenido por medio de: - Lagos naturales de asfaltos los cuales en la actualidad casi no se encuentran - Procesos de trituración de rocas asfálticas en las que el asfalto se encuentra en un 80% de sus poros - Depresiones de la corteza. Se obtienen a ciertas profundidades de la corteza y para que se de este proceso deben durar muchos años.

2.2 Objetivos Específicos Medir la susceptibilidad aproximada de la dureza o pérdida de ductilidad del cemento asfáltico. Evaluar el endurecimiento de la muestra después de verse sometido al horno. Analizar por medio de los ensayos de penetración y punto de ablandamiento cómo es el asfalto antes de ser expuesto al efecto del calor y el aire.

3.3 Características del asfalto. El asfalto es un material viscoso constituido principalmente por hidrocarburos o derivados de este. Algunas de sus características son:



- Consistencia: esta característica hace referencia a la dureza del material la que está directamente relacionada con la temperatura.

3. Fundamentos Teóricos

1

UNIVERSIDAD DE LA COSTA DEPARTAMENTO DE CIENCIAS BÁSICAS ÁREA DE LABORATORIO DE TECNOLOGIA DE LOS MATERIALES. FACULTAD DE INGENIERÍA -Durabilidad: se refiere a la capacidad que tiene el material para mantener sus condiciones de diseño óptimas a través del tiempo.

Ensayo de penetración. 

-Susceptibilidad térmica: el asfalto sufre variación de sus propiedades con la temperatura. - Pureza: esta propiedad se refiere a la calidad del material o bien sea sus componentes químicos.



- Seguridad: capacidad del material para trabajar con el sin peligro y sin riesgo de que se queme o arda en llamas debido a que es inflamable. (catarin, s.f.)



3.4 Índice de penetración.



Es un criterio para medir la susceptibilidad térmica del asfalto, para calcularlo se necesitan valores del ensayo de penetración (INV E-706) y del ensayo de punto de ablandamiento con anillo y bola (INV E-712).



Se puede calcular gráficamente utilizando el monograma (Anexo 1) o con ecuaciones.





Según el INVIAS, los cementos asfalticos se pueden clasificar en tres grupos según su índice de penetración: 





4.

La temperatura en las que se encuentra el laboratorio o lugar del ensayo son de 25° para utilizar una aguja de penetración de 100g. Se coloca la aguja en el penetrómetro y se limpia la aguja con un paño húmedo de varsol. Se suelta un poco la aguja del penetrómetro y se acerca hasta que esta toque la superficie de la muestra asfáltica sin ser penetrada. Se pone en cero el medidor del penetrómetro. Se pulsa el mecanismo que suelta la aguja para que penetre en la muestra durante 5 segundos. Se registra la lectura expresada en decima de milímetros. Se repite el procedimiento desde el paso dos hasta completar 3 intentos para hacer un resultado valido.

Los materiales y equipos utilizados son los siguientes:

IP > +1: Son cementos asfálticos con poca susceptibilidad a la temperatura, presentando cierta elasticidad y tixotropía. Se les denomina tipo gel o soplado, ya que la mayoría de los asfaltos oxidados pertenecen a este grupo. IP < -1: Cementos asfálticos con mayor susceptibilidad a la temperatura; ricos en resinas y con comportamiento algo viscoso. IP entre +1 y -1: Características intermedias entre los dos anteriores; pertenecen a este grupo la mayoría de los cementos asfálticos que se utilizan en la construcción de carreteras. (INVIAS, 2012).

Imagen 1. Penetrómetro de asfalto. Equipo utilizado para medir la consistencia de muestras bituminosas, incluye una aguja de penetración tipo ASTM.

Materiales y Métodos

Para la realización del ensayo se tuvo en cuenta los procedimientos descritos en la norma 706 07, 712-07 y 720-07 de INVIAS como se muestra a continuación:

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

Con ayuda de una espátula caliente, se enraza el asfalto en los anillos para que quede lo más liso posible. Se arma el equipo de punto de ablandamiento teniendo en cuenta que liquido utilizado dentro del frasco es agua. Se colocan las esferas sobre la placa base. Se mete el aparato en un molde lleno con agua para hacer un baño maría y se caliente uniformemente con ayuda de una estufa. Se introduce un termómetro en el centro del montaje teniendo en cuenta que este no tenga contacto con ningún otro material que no sea el agua. se anota la temperatura al momento que el producto bituminoso que rodea la bola, toque el fondo del plato de base.

Los materiales y equipos utilizados son los siguientes: Termómetro.

Imagen 3. Termómetro. Instrumento que se utiliza para medir temperaturas” normalmente para temperaturas corporales, del ambiente o de cualquier material. Imagen 5. Estufa eléctrica.

Imagen 4. Cronometro. Reloj usado para medir intervalos de tiempo. Ensayo de punto de ablandamiento.  

Imagen 6. Espátula.

Se calienta el asfalto hasta que este quede líquido, teniendo en cuenta que este no sobrepase las dos horas calentando. se vierte el producto en los anillos.

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

Luego de removidos los residuos de los recipientes de vidrio, se agita suavemente el recipiente que los contiene para logar su homogeneidad, con el debido cuidado para impedir la entrada de aire Si se está determinando el cambio de masa, se permite que los recipientes donde se encuentran las muestras destinadas a su determinación se enfríen sobre el estante durante un lapso de 60 a 180 min.

Los materiales y equipos utilizados son los siguientes: Imagen 7. Aparato de montaje. Aparato de montaje utilizado según la norma, constituido por un soporte metálico, vaso de vidrio, bolas metálicas, anillos, y una placa.

Termómetro

Ensayo de película delgada. La muestra recibida se debe hallar exenta de agua.  Se calienta la muestra dentro de un recipiente con la tapa apenas ajustada, en un horno a una temperatura que no exceda de 163° C por un tiempo necesario para hacer completamente liquida la muestra.  Se vierten 35 ± 0.5 g de la muestra dentro de cada uno de los recipientes de vidrio (2) para los ensayos de caracterización que se deben efectuar sobre el residuo.  Después de verter la muestra dentro del recipiente, se coloca éste en posición horizontal y se rota lentamente hasta completar al menos un giro completo, buscando un pre-cubrimiento de su superficie cilíndrica.  Con el horno a la temperatura de ensayo y el flujo de aire regulado a 4000 ± 200 ml/min, se colocan los recipientes que contienen el asfalto en el disco portamuestras, de manera que éste quede balanceado, completando los espacios no ocupados del portamuestras con recipientes vacíos.  Al término del período de ensayo, se sacan del horno los recipientes destinados a establecer el cambio de masa y se colocan horizontalmente en el estante

Imagen 8. Horno de envejecimiento RTFO. Se ocupa para envejecer el asfalto. Ayuda a medir los efectos del calor y aire sobre una película en movimiento de materiales asfálticos semisólidos.

Imagen 9. Balanza digital.

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Datos y Cálculos

Punto de ablandam iento °C

antes desp ués

46 47

Penetra ción *(0,1 mm) a 25°C 54 45

Índice de penetra ción -2 -2

Tabla 1. Datos de punto de ablandamiento, penetración e índice de penetración antes y después del envejecimiento. Con la ayuda del monograma anterior el cual se puede apreciar mejor en los anexos (grafica 1) se permitió calcular el Ip para una penetración de 54mm y un punto de ablandamiento de 46°C. El resultado fue de aproximadamente Ip= -2

El fundamento del método de obtención del Ip se basa en admitir, primero, que a la temperatura del punto de ablandamiento (anillo y bola) la penetración de un cemento asfáltico es de 800 x 0.1 mm, segundo, que los valores de la penetración en función de la temperatura se representan por una línea recta, cuya pendiente A y, tercero, atribuirle un Ip cero a un cemento asfáltico con una penetración de 200 x 0.1 mm a 25 °C y un punto de ablandamiento a 40° C.

Cálculos del índice de penetración después del envejecimiento 𝐴=

log(45) − log(800) = 0,0568 25 − 47

𝐼𝑝 = 𝐼𝑝 = 𝐴=

20 − 500 ∗ 𝐴 1 + 50 ∗ 𝐴

20 − 500 ∗ 0,0568 = −2,19 1 + 50 ∗ 0,0568 𝐼𝑝 = −2

𝑙𝑜𝑔10𝑃1 − 𝑙𝑜𝑔10𝑃2 𝑡1 − 𝑡2

Donde 𝑃1 : 𝑝𝑒𝑛𝑒𝑡𝑟𝑎𝑐𝑖𝑜𝑛 𝑎 25°𝐶 𝑃2 : 𝑝𝑒𝑛𝑒𝑡𝑟𝑎𝑐𝑖𝑜𝑛 𝑎 40°𝐶 𝐴: 𝑝𝑒𝑛𝑑𝑖𝑒𝑛𝑡𝑒 𝑡: 𝑡𝑒𝑚𝑝𝑒𝑟𝑎𝑡𝑢𝑟𝑎 Cálculos del índice de penetración antes del envejecimiento

𝐴=

log(54) − log(800) = 0,0557 25 − 46

𝐼𝑝 =

20 − 500 ∗ 0,0557 = −2,079 1 + 50 ∗ 0,0557

Con la ayuda del monograma anterior el cual se puede apreciar mejor en los anexos (grafica 2) se permitió calcular el Ip para una penetración de 45mm y un punto de ablandamiento de 47°C. El resultado fue de aproximadamente Ip= -2

𝐼𝑝 = −2

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UNIVERSIDAD DE LA COSTA DEPARTAMENTO DE CIENCIAS BÁSICAS ÁREA DE LABORATORIO DE TECNOLOGIA DE LOS MATERIALES. FACULTAD DE INGENIERÍA ∆𝑇(°𝐶) = 47 − 46 = 1°𝐶 

Pérdida de masa 6.

Discusión y análisis.

𝑚1 = 74.4 𝑘𝑔 A continuación, se presentarán las discusiones de cada uno de los ensayos elaborados.

𝑚2 = 78.8 𝑘𝑔 𝑚1𝑒 = 68.5 𝑘𝑔

Se busca analizar los cambios producidos en las propiedades del asfalto durante el proceso convencional del mezclado en caliente, mediante la medición de la viscosidad y pérdida de masa. Pero para un análisis más profundo se analiza nuevamente la muestra luego del envejecimiento, realizando nuevamente los ensayos de penetración y punto de ablandamiento.

𝑚2𝑒 = 74.3 𝑘𝑔 Diferencias de masa ∆𝑚1 = 74.4 𝑘𝑔 − 68.5 𝑘𝑔 = 5.9 𝑘𝑔 ∆𝑚2 = 78.8 𝑘𝑔 − 74.3 𝑘𝑔 = 4.5 𝑘𝑔

Se puede apreciar que el punto de ablandamiento aumento un 1°C, dejando ver que requiere de una temperatura un poco más alta para mostrar cambios en su viscosidad y en consecuencia cumple con lo establecido en la norma.

Con una simple regla de tres 𝑚1 → 100% ∆𝑚1 → %

También observamos que la penetración disminuyó 0.9 mm lo que permite asumir que aumento su viscosidad, volviéndose un asfalto más rígido a causa de los aceites evaporados durante el calentamiento.

Porcentaje de pérdida de masa ∆𝑚1 ∗ 100% 𝑚1 5.9𝑘𝑔 ∗ 100% %∆𝑚1 = = 7.9% 74.4𝑘𝑔 4.5 𝑘𝑔 ∗ 100% %∆𝑚2 = = 5.7% 78.8 𝑘𝑔 %𝑚1 =



El índice de penetración no presento variaciones significativas en ambos ensayos. Según la norma Invias 2013 índice de penetración menor a -1 corresponde a cementos asfálticos con mayor susceptibilidad a la temperatura; ricos en resinas y con comportamiento algo viscoso.

Penetración del residuo

El porcentaje de pérdida de masa para cementos asfalticos 40-50 debe ser menor o igual a 0.8% y el porcentaje de presentado en el ensayo es de 5,7% lo cual indica que habrían pérdidas significativas de volumen en proyectos a mayor escala y no cumple con la norma INVIAS 410 que indica que las perdidas no pueden ser mayor a 1%.

𝑃𝑜 → 100% 𝑃𝑟 → % 54 → 100% 45 → %

%𝑃𝑟 =

𝑃𝑟 ∗ 100% 45 ∗ 100% = 𝑃𝑜 54

El asfalto 40-50 es para climas muy cálidos y semi-cálidos según sus características, entre las cuales, la que más resalta es la poca susceptibilidad térmica debido a que su uso es en climas cálidos lo cual no concuerda con las propiedades del cemento asfaltico 40-50 por lo que se recomienda realizar nuevamente los ensayos de laboratorio.

𝑃𝑟 = 83.3% 

Punto de ablandamiento

𝑃𝑢𝑛𝑡𝑜 𝑎𝑏𝑙𝑎𝑛𝑑𝑎𝑚𝑖𝑒𝑛𝑡𝑜 𝑜 = 46°𝐶 𝑃𝑢𝑛𝑡𝑜 𝑎𝑏𝑙𝑎𝑛𝑑𝑎𝑚𝑖𝑒𝑛𝑡𝑜 𝑟 = 47°𝐶

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Conclusión

8.

Anexos

Las dos muestras al ser envejecidas muestran comportamientos similares, como la pérdida de masa y la interacción de variables intrínsecas (asfalto, película de asfalto, agregados, vacíos) y extrínsecas (temperatura, humedad, exposición… etc) que influyen en el envejecimiento como tal, sumado a que el asfalto envejecido incrementa la probabilidad de agrietamiento de las mezclas asfálticas iniciando en la superficie de la capa expuesta a las condiciones ambientales. Con base a los cálculos que se nos presentan, el asfalto perdió una gran cantidad de masa, observando que ambas muestras superaron el 5% (el máximo en prueba RTFO AC 40-50 es de 0.8%) en pérdidas y este es un factor a tener en cuenta ya que, en la ingeniería, la pavimentación usualmente es de gran escala por lo cual es un coste económico elevado en una obra real. Tabla 2. Especificaciones del invias

Por otro lado, basándonos en la tabla 2, la norma invias nos muestra los rangos permitidos que puede llegar a tener la muestra de asfalto al momento de envejecerla. Analizando los cálculos realizados y comparándolos con la tabla se puede notar que la masa 1 experimentó una mayor pérdida que la 2, ambas fueron mayor al 1% y eso llevándolo a la realidad en cantidades de asfalto que se usan para obras, representa una gran pérdida de material bituminoso. La norma INVIAS en el artículo 410 (suministro de cemento asfaltico), especifica que el valor de Penetración del residuo, en % de la penetración del asfalto original debe ser mínimo 55% para asfaltos 40-50, por consecuencia cumple con el criterio.

Tabla 3. Manual asfalto USA, uso según clasificación

El artículo 410 también especifica que el incremento del punto de ablandamiento para asfaltos 40-50 debe ser menor o igual a 8, por lo tanto, se cumple el criterio.

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Grafico 1. Índice de penetración para punto de ablandamiento 46°C y penetración de 54mm

Grafico 2. Índice de penetración para punto de ablandamiento 47°C y penetración de 45mm

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Bibliografía.

- Penetración de los materiales asfalticos (I.N.V.E -706-07) - Ensayo al horno de lámina asfáltica delgada (I.N.V. E – 721 – 07)

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