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INFORME No 10. VISCOSIDAD SAYBOLT DE ASFALTOS (INV E – 714 – 13) Y DETERMINACIÓN DE LA VISCOSIDAD DEL ASFALTO EMPLEANDO UN VISCOSÍMETRO ROTACIONAL (INV E – 717 - 13)

LP-01 CAMILO ANDRÉS AGUDELO GALLO JUAN CAMILO CORREA BRICEÑO NICOLÁS GONZÁLEZ ARIAS SANTIAGO ALBERTO RIVERA LUIS JAVIER ESTEBAN SUÁREZ RODRÍGUEZ

UNIVERSIDAD PEDAGÓGICA Y TECNOLÓGICA DE COLOMBIA FACULTAD DE INGENIERÍA ESCUELA DE INGENIERÍA CIVIL TUNJA 2019

INFORME No 10. VISCOSIDAD SAYBOLT DE ASFALTOS (INV E – 714 – 13) Y DETERMINACIÓN DE LA VISCOSIDAD DEL ASFALTO EMPLEANDO UN VISCOSÍMETRO ROTACIONAL (INV E – 717 - 13)

LP-01 CAMILO ANDRÉS AGUDELO GALLO JUAN CAMILO CORREA BRICEÑO NICOLÁS GONZÁLEZ ARIAS SANTIAGO ALBERTO RIVERA LUIS JAVIER ESTEBAN SUÁREZ RODRÍGUEZ

Laboratorio de Pavimentos

Grupo 1-1

Docente ING. CARLOS HERNANDO HIGUERA SANDOVAL Monitor FELIPE VELANDIA

Fecha de realización

13 de noviembre de 2019

Fecha de entrega

20 de noviembre de 2019

UNIVERSIDAD PEDAGÓGICA Y TECNOLÓGICA DE COLOMBIA FACULTAD DE INGENIERÍA ESCUELA DE INGENIERÍA CIVIL TUNJA 2019

CONTENIDO

1. OBJETIVOS ......................................................................................................... 6 1.1. Objetivo General ........................................................................................... 6 1.2. Objetivos específicos .................................................................................... 6 2. DESCRIPCIÓN DE LA MUESTRA ...................................................................... 7 3. PROCEDIMIENTO REALIZADO ......................................................................... 8 3.1. Viscosidad Saybolt de asfaltos (INV E – 714 – 13) ....................................... 8 1.1. Determinación de la viscosidad del asfalto empleando un viscosímetro ..... 8 rotacional (INV E – 717 - 13) ................................................................................ 8 4. DATOS Y RESULTADOS OBTENIDOS .............................................................. 9 4.1. Viscosidad Saybolt de asfaltos (INV E – 714 – 13) ..................................... 10 4.2. Determinación de la viscosidad del asfalto empleando un viscosímetro ... 10 rotacional (INV E – 717 - 13) .............................................................................. 10 5. CÁLCULOS REALIZADOS ................................................................................ 12 5.1. Viscosidad Saybolt de asfaltos (INV E – 714 – 13) ..................................... 12 5.2. Determinación de la viscosidad del asfalto empleando un viscosímetro ... 13 rotacional (INV E – 717 - 13) .............................................................................. 13 6. ANÁLISIS DE RESULTADOS............................................................................ 13 6.1. Viscosidad Saybolt de asfaltos (INV E – 714 – 13) ..................................... 13 6.2. Determinación de la viscosidad del asfalto empleando un viscosímetro ... 14 rotacional (INV E – 717 - 13) .............................................................................. 14 6.3. Gráfica de Viscosidad vs. Temperatura: ..................................................... 15 7. CONSULTA ....................................................................................................... 16 8. BIBLIOGRAFÍA .................................................................................................. 17

LISTAS ESPECIALES

Imágenes Imagen 1. Especificaciones AC 60 – 70. ................................................................. 6 Imagen 2. Montaje del viscosímetro Saybolt ........................................................... 7 Imagen 3. Montaje de viscosímetro rotacional ......................................................... 8

Tablas Tabla 1. Tiempo de flujo del ensayo ........................................................................ 9 Tabla 2. Resultados de Viscosidad Saybolt ............................................................. 9 Tabla 3. Datos Obtenidos para viscosidad por medio del viscosímetro rotacional INV E – 717 – 13............................................................................................................. 9 Tabla 4. Cálculo de viscosidad por viscosímetro rotacional promedio para 5 temperaturas .......................................................................................................... 10 Tabla 5. Resultados de Viscosidad por medio del viscosímetro rotacional ............ 10 Tabla 6. Especificaciones del asfalto líquido para riegos de imprimación ............. 12 Tabla 7. Especificaciones del cemento asfáltico .................................................... 13

Gráficas Gráfica 1. Comportamiento de la temperatura versus la viscosidad ...................... 10

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1. OBJETIVOS 1.1.

Objetivo General

Determinar la viscosidad de un asfalto tipo AC 60-70 mediante los ensayos de Saybolt de productos asfálticos a temperaturas específicas y la viscosidad de un ligante asfáltico a una temperatura elevada usando un viscosímetro rotacional siguiendo el procedimiento descrito en las normas INV E – 714 – 13 y INV E – 717 – 13 respectivamente. 1.2. -

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Objetivos específicos

Calcular las viscosidades Saybolt Furol y Saybolt universal del cemento asfaltico en análisis. Establecer gráficamente la temperatura de compactación y la temperatura de mezcla del cemento asfaltico mediante el ensayo con el viscosímetro rotacional. Establecer comparaciones entre los resultados obtenidos en el laboratorio y los estandarizados por la normativa del INVIAS para el tipo de producto asfaltico ensayado.

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2. DESCRIPCIÓN DE LA MUESTRA

El AC 60 -70 es definido como un asfalto son obtenido a partir del proceso de destilación fraccionada del petróleo crudo, físicamente el asfalto es un líquido viscoso o un sólido negro, consistiendo esencialmente en hidrocarburos y sus derivados principalmente del tipo nafténicos y aromáticos, el cual concretamente es un asfalto sólido a temperatura ambiente y son bombeables a partir de los 125° C así mismo son productos no contaminantes. El asfalto es un material ampliamente usado en Ingeniería civil, por sus características visco-elásticas para la pavimentación de caminos, carreteras, autopistas, aceras etc. Sus propiedades de ligante dúctil, y sus características geológicas lo hacen el material ideal para las diferentes soluciones que se necesitan hoy en la pavimentación de todo tipo de caminos. Para su aplicación se debe usar en caliente, entre 140 y 150 °C, para producir la mezcla asfáltica a usar en bases asfálticas, binder y carpetas de rodado. La temperatura optima de mezclado es la requerida para obtener una viscosidad de 2 poises, valor que puede ser obtenido en forma rápida sumando +/- 100°C a la temperatura de punto de ablandamiento del asfalto, una estimación más precisa es graficando en un Nomograma Viscosidad - temperatura diferentes valores de viscosidad vs. Temperatura. Algunas especificaciones típicas de este tipo de asfalto se muestran en la figura 1. Imagen 1. Especificaciones AC 60 – 70.

Fuente: Rojas, 2018

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3. PROCEDIMIENTO REALIZADO

3.1.

Viscosidad Saybolt de asfaltos (INV E – 714 – 13)

Se controló la temperatura del baño maría de tal manera que sea la misma para el ensayo; además se agitó la muestra la muestra hasta que esté perfectamente homogenizada y se filtró con una malla de alambre de 150μm (No 100) directamente dentro del tubo del viscosímetro. Imagen 2. Montaje del viscosímetro Saybolt

Fuente: los autores Se agito la muestra dentro del viscosímetro con el termómetro de viscosidad, con un movimiento circular, girando entre 30 y 50 vueltas por minuto hasta que la temperatura de la muestra permanezca constante en el tiempo de ensayo, se sacó el termómetro y se verificó que el matraz receptor se halle en la posición adecuada, momento en el cual se removió el corcho del viscosímetro usando el cordel que tiene unido y se puso a funcionar el cronometro, el cual se detuvo en el momento en que la parte inferior del menisco del material alcance la marca graduación del matraz receptor, donde se anotó el tiempo de flujo en segundos. 1.1.

Determinación de la viscosidad del asfalto empleando un viscosímetro rotacional (INV E – 717 - 13)

En primer lugar, se encendió el viscosímetro rotacional y la unidad de control de temperatura, en seguida se precalentó el soporte de las cápsulas para las muestras, junto con la capsula para la muestra y el vástago seleccionado, ajustando la unidad de control de temperatura a la temperatura deseada. A continuación se calentó la cantidad requerida de ligante asfaltico, la cual se ubicó en el contenedor térmico, y este se alineó con el viscosímetro, una vez hecho esto se bajó el vástago suavemente de manera que penetrara la muestra asfáltica, hasta

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que la muestra cubra la parte superior cónica, donde se llevó la muestra a la temperatura deseada en un periodo de entre 20 y 30 minutos y se ajustó la velocidad de rotación a 20rpm y el lector digital para que indique la viscosidad en pascalessegundo; en seguida se esperó a que la muestrea de asfalto se equilibrara en un periodo de 10 minutos, periodo en el cual se puso a rotar el vástago, observando su viscosidad, y una vez estabilizado este valor para realizar cualquier medida, en este proceso el par de torsión debida estar en el rango y si no, se debía cambiar el vástago y/o la velocidad. Por último, se leyó y registro el valor de la viscosidad a intervalos de un minuto por un total de tres minutos. Imagen 3. Montaje de viscosímetro rotacional

Fuente. Los autores

4. DATOS Y RESULTADOS OBTENIDOS

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4.1.

Viscosidad Saybolt de asfaltos (INV E – 714 – 13)

Se determinó el tiempo desde que se retira el corcho del viscosímetro hasta que la parte inferior del menisco alcanzó la marca de gradación del matraz receptor. Se obtuvo entonces el tiempo de flujo mostrado en la tabla 1 Tabla 1. Tiempo de flujo del ensayo Tiempo de flujo 2:30.7 150.6 Unidades min : seg seg Fuente: Los autores Los resultados se presentan en la tabla 2 Tabla 2. Resultados de Viscosidad Saybolt Tiempo (seg)

Factor de Correccion del Viscosimetro F

Viscosidad Saybolt Furol a 60 ° C (sSF)

Viscosidad Saybolt Universal a 60 ° C

150.6

1

150.6

1506

Fuente: Los autores 4.2.

Determinación de la viscosidad del asfalto empleando un viscosímetro rotacional (INV E – 717 - 13)

Los datos tomados en el laboratorio fueron los siguientes: Tabla 3. Datos Obtenidos para viscosidad por medio del viscosímetro rotacional INV E – 717 – 13 VISCOCIDAD (Cp)

PRUEBA 1

2

3

4

5

temperatura (°C)

80

100

120

140

160

1 min

22125

3875

940

312.5

130

2 min

21625

3750

915

305

127.5

3 min

21125

3625

890

297.5

125

Fuente: Los autores Los resultados obtenidos se presentan en las tablas 4 y 5

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Tabla 4. Cálculo de viscosidad por viscosímetro rotacional promedio para 5 temperaturas VISCOCIDAD (Pa-s)

PRUEBA 1

2

3

4

5

temperatura (°C)

80

100

120

140

160

1 min

22.125

3.875

0.94

0.3125

0.13

2 min

21.625

3.75

0.915

0.305

0.1275

3 min

21.125

3.625

0.89

0.2975

0.125

Promedio

21.625

3.75

0.915

0.305

0.1275

Fuente: Los autores Tabla 5. Resultados de Viscosidad por medio del viscosímetro rotacional VISCOCIDAD (Pa-s)

PRUEBA 1

2

3

4

5

temperatura (°C)

80

100

120

140

160

Promedio

21.625

3.75

0.915

0.305

0.1275

Fuente: Los autores

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Gráfica 1. Comportamiento de la temperatura versus la viscosidad

Fuente: Autores De la gráfica 1 se obtuvo que la temperatura de compactación es de 143 °C y que la temperatura de mezcla para cemento asfáltico es de 152 °C 5. CÁLCULOS REALIZADOS 5.1.

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Viscosidad Saybolt de asfaltos (INV E – 714 – 13)

Viscosidad Saybolt Furol 𝑉𝑖𝑠𝑐𝑜𝑠𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑆𝑎𝑦𝑏𝑜𝑙𝑡 𝐹𝑢𝑟𝑜𝑙 = (𝑇𝑖𝑒𝑚𝑝𝑜 𝑒𝑛 𝑠𝑒𝑔) ∗ 𝐹 𝑉𝑖𝑠𝑐𝑜𝑠𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑆𝑎𝑦𝑏𝑜𝑙𝑡 𝐹𝑢𝑟𝑜𝑙 = (150.6) ∗ 1 𝑉𝑖𝑠𝑐𝑜𝑠𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑆𝑎𝑦𝑏𝑜𝑙𝑡 𝐹𝑢𝑟𝑜𝑙 = 150.6

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Viscosidad Saybolt Universal

𝑉𝑖𝑠𝑐𝑜𝑠𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑆𝑎𝑦𝑏𝑜𝑙𝑡 𝑈𝑛𝑖𝑣𝑒𝑟𝑠𝑎𝑙 = (𝑉𝑖𝑠𝑐𝑜𝑠𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑆𝑎𝑦𝑏𝑜𝑙𝑡 𝐹𝑢𝑟𝑜𝑙) ∗ 10 𝑉𝑖𝑠𝑐𝑜𝑠𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑆𝑎𝑦𝑏𝑜𝑙𝑡 𝑈𝑛𝑖𝑣𝑒𝑟𝑠𝑎𝑙 = 150.6 ∗ 10

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𝑉𝑖𝑠𝑐𝑜𝑠𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑆𝑎𝑦𝑏𝑜𝑙𝑡 𝑈𝑛𝑖𝑣𝑒𝑟𝑠𝑎𝑙 = 1506

5.2.

Determinación de la viscosidad del asfalto empleando un viscosímetro rotacional (INV E – 717 - 13)

Se convirtieron las unidades que arroja el viscosímetro rotacional en cP (centropoise) a Pa-s multiplicando cada valor por 0.001 •

Conversión 0.001 𝑃𝑎 − 𝑠 𝑠

•

Calculo de Viscosidad Promedio 𝑉𝑖𝑠𝑐𝑜𝑠𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑃𝑟𝑜𝑚 = 𝑉𝑖𝑠𝑐𝑜𝑠𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑃𝑟𝑜𝑚 = 21.625 𝑃𝑎 − 𝑠 6. ANÁLISIS DE RESULTADOS 6.1.

Viscosidad Saybolt de asfaltos (INV E – 714 – 13)

De acuerdo con las especificaciones de la norma INVIAS 2013 para las especificaciones del asfalto líquido para riegos de imprimación (véase Tabla No. 6), la muestra de asfalto de tipo AC 60-70 utilizada en el ensayo de viscosidad Saybolt NO cumple con el rango establecido de para dicha variable (75seg - 150seg). Aunque el valor de la viscosidad Saybolt de la muestra de asfalto fue de 150,6 segundos, dicho resultado sobrepasa ligeramente el valor máximo permitido (por alrededor de 0,6 segundos). Esto demuestra que la muestra de asfalto consiste en un material ligeramente más viscoso de lo requerido por las especificaciones. A partir de dicha observación, se puede concluir que el asfalto sometido al ensayo NO puede ser utilizado para la elaboración de un riego de imprimación. Recordemos que dicho valor está supeditado a la alteración de las propiedades químicas, físicas y mecánicas del asfalto de ensayo, en donde estos atributos son modificados debido al aumento de la temperatura generando que la viscosidad del asfalto aumente o disminuya. De esta manera, el conocimiento del valor de la

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viscosidad Saybolt es vital para caracterizar productos de petróleo y para establecer la uniformidad de los embarques y las fuentes de suministro, por ejemplo. Tabla 6. Especificaciones del asfalto líquido para riegos de imprimación

Fuente: Especificaciones generales de construcción de carreteras INV E 2013. 6.2.

Determinación de la viscosidad del asfalto empleando un viscosímetro rotacional (INV E – 717 - 13)

De acuerdo con las especificaciones de la norma INVIAS 2013 para las especificaciones del cemento asfáltico (véase Tabla No. 7), la muestra de asfalto de tipo AC 60-70 utilizada en el ensayo de viscosidad por medio del viscosímetro rotacional SI cumple con el valor mínimo de dicha viscosidad (0 poises) para cada una de las 5 pruebas a las diferentes temperaturas de 80, 100, 120, 140 y 160°C. Así pues, en el caso de este ensayo se pudo determinar la fluidez del asfalto sometido a diferentes temperaturas en donde se calculó la viscosidad absoluta definida como la relación entre el esfuerzo cortante aplicado por el vástago y la deformación por corte calculada. De esta manera, se puede deducir que la viscosidad y la temperatura presentan una tendencia inversamente proporcional. Esto se pudo constatar dado que para la prueba No.1 (T=80°C) se tuvo una viscosidad promedio de 21,625 Pa-s, mientras que para la prueba No. 5 (T=160°C) se obtuvo un valor de 0.1275 Pa-s en donde la velocidad de rotación es mayor.

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Tabla 7. Especificaciones del cemento asfáltico

Fuente: Especificaciones generales de construcción de carreteras INV E 2013. 6.3. Gráfica de Viscosidad vs. Temperatura: En lo referente a la gráfica No. 1 de Viscosidad vs. Temperatura realizada anteriormente para el asfalto de ensayo, se determinó la susceptibilidad térmica de la muestra de asfalto para la construcción de una obra de pavimento en cuanto al cálculo de la temperatura de compactación y de mezclado de dicho cemento asfáltico. Así pues, según las recomendaciones de la norma INV E 753-13 (‘’Gráfica Viscosidad-Temperatura para cementos asfálticos’’), se cumple que las temperaturas para el ensayo son mayores de 60°C en donde la gráfica es adecuada para representar el comportamiento viscoso que tiene el cemento asfáltico. Así pues, para la gráfica de viscosidad (en escala logarítmica) se tiene una valor de 0,28 Pa-s para la compactación con una temperatura resultante de compactación de 143°C así como una viscosidad de 0,17 Pa-s con una temperatura resultante de

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mezclado de 152°C, obteniendo así las temperaturas adecuadas para la mezcla en caliente y la temperatura adecuada de compactación de la muestra ensayada. Cabe destacar que si la viscosidad del cemento asfáltico durante el mezclado es muy alta, el agregado no logrará quedar cubierto mientras que si esta es muy baja, el ligante envolverá el agregado y puede que se riegue durante el transporte de la mezcla debido a la consistencia de la misma. Por otro lado, si durante el proceso de compactación el valor de la viscosidad es muy baja, la mezcla asfáltica presentará mayor movilidad mientras que si es muy alta la mezcla asfáltica no será manejable y el incremento de la densidad durante el proceso de la compactación será muy bajo (menor densificación). De esta forma, se concluye que la gráfica de Viscosidad vs Temperatura representa la influencia y variabilidad térmica en un asfalto, estimando las temperaturas apropiadas de mezclado y compactación las cuales son vitales ya que intervienen en el comportamiento y consistencia de la estructura de pavimento al momento de su funcionamiento en donde este se enfrenta a grandes cargas de tránsito. Así pues, se tiene que la determinación de la viscosidad del asfalto empleando un viscosímetro rotacional es de gran importancia para calcular la velocidad aparente del asfalto a diferentes temperaturas de aplicación (mayores a 60°C) tal y como fue descrito en el presente ensayo de laboratorio de pavimentos.

7. CONSULTA

¿Cómo influye la viscosidad del asfalto en el comportamiento mecánico de una mezcla asfáltica? Teniendo en cuanta que la viscosidad es una propiedad de los fluidos la cual tiende a oponerse al flujo cuando a este se le aplica una fuerza. De acuerdo con esta teoría se puede decir que un asfalto el cual se opone a fluir más que otro, este presenta una mayor viscosidad que este además de que a mayor viscosidad mayor rigidez del asfalto lo cual en algunos caso puede convertirse en fragilidad lo cual no es conveniente para el uso de este material para estructuras de pavimentos flexibles ya que no estaría cumpliendo con su cometido; Otra propiedad que se ve expuesta en este tipo de asfaltos es la relación inversamente proporcional que se presenta entre la temperatura y viscosidad, ya que a mayor temperatura, menor va a ser la viscosidad del asfalto, por lo cual en este caso se calcula la temperatura de compactación y mezclado para que su uso sea el mejor y óptimo.

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¿Cuáles son los usos de ensayo de viscosidad de asfalto en el campo de las mezclas asfálticas? En muchas aplicaciones, el asfalto es calentado hasta hacerse lo suficientemente fluido para cada aplicación en particular. La siguiente tabla nos indica la viscosidad que debe tener el asfalto para una aplicación determinada. Se asume que la aplicación se llevará a cabo a la máxima viscosidad posible, es decir la mínima temperatura posible. En algunos casos, menores viscosidades pueden utilizarse, dependiendo de los materiales que se utilicen, debido a que pueden ser dañados por la temperatura excesiva.

Fuente: http://www.e-asfalto.com/propiedades/propiedades.htm. 8. BIBLIOGRAFÍA

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Norma INV E – 714 – 13. VISCOSIDAD SAYBOLT DE ASFALTOS. (2013) Instituto Nacional de Vías INVIAS. ‘Especificaciones generales de construcción de carreteras y normas de ensayo para materiales de carreteras’, Secciones 700 y 800- Materiales y mezclas asfálticas y prospección de pavimentos (primera parte), artículo INV E 714-13, Viscosidad Saybolt de asfaltos, Instituto Nacional de Vías Documentos Técnicos, p. 611. Available at: https://www.invias.gov.co/index.php/documentos-tecnicos1. Norma INV E – 717 – 13. DETERMINACIÓN DE LA VISCOSIDAD DEL ASFALTO EMPLEANDO UN VISCOSÍMETRO ROTACIONAL. (2013). Instituto Nacional de Vías INVIAS. ‘Especificaciones generales de construcción de carreteras y normas de ensayo para materiales de carreteras’, Secciones 700 y 800- Materiales y mezclas asfálticas y prospección de pavimentos (primera parte), artículo INV E 717-13, Determinación de la viscosidad del asfalto empleando el viscosímetro rotacional, Instituto Nacional de Vías Documentos Técnicos, p. 611. Available at: https://www.invias.gov.co/index.php/documentos-tecnicos1

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