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• Tania Chaves

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Materiales Bituminosos: 1. ¿Qué son los materiales bituminosos? La palabra betún proviene de la latina bitumen, que significa pez hirviente, y la de asfalto, de la griega asphaltos, que tiene la misma acepción. Vulgarmente se designan a las sustancias de color negro sólidas y viscosas, dúctiles, que se ablandan por el calor, y si son puras se llaman betún, y cuando impregnan calizas, arcillas, pizarras, etc., se denominan rocas asfálticas, de color marrón oscuro. Modernamente se obtienen como residuos de la destilación del petróleo bruto unos productos análogos denominados betún de petróleo, de propiedades similares a los naturales; pero, no obstante, cada uno tiene características que los hacen aptos para las diversas aplicaciones. 2. ¿Cuál es la clasificación general de los materiales bituminosos? Además de los betunes naturales y el petróleo existen otros productos, como los alquitranes, de propiedades y usos análogos; existen varias terminologías. En el Congreso Internacional de Carreteras celebrado en Milán en 1926, se acordó la siguiente: • Betún • Asfalto Además, existen el alquitrán y la brea. Los alquitranes provienen de la destilación seca de productos orgánicos vegetales. 3. ¿Qué son los betunes? Son las mezclas de hidrocarburos naturales o de petróleo, sólidos, viscosos o líquidos, conteniendo una pequeña porción de productos volátiles; tienen propiedades aglomerantes y son completamente solubles en el sulfuro de carbono. 4. ¿Cuál es la clasificación de los betunes según su origen? Al betún se le atribuye el mismo origen que el petróleo y, según le hipótesis de Mendeleieff y Moissa, se formaron mediante la acción del vapor de agua sobre carburos metálicos en el interior de la tierra en las capas ígneas y luego fueron expulsadas hacia el exterior por el vapor de agua hirviendo e impregnaron las rocas blandas, como calizas, areniscas, etc. La hipótesis de Engler admite que los petróleos son el resultado de la descomposición fuera del contacto del aire de productos de origen animal y vegetal en el interior de la tierra, mediante la acción del calor y presión durante miles de años. Estos productos, probablemente ceras animales y vegetales, sufrieron putrefacción, oxidación y polimerizaciones, dando productos ricos en carbono e hidrógeno. 5. ¿Cuál es la clasificación de los betunes naturales?

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Betunes Naturales: Existen betunes muy puros, como el betún de Judea (Siria) ; la grahamita, gilsonita (América) , de una riqueza de 99,5% de solubilidad en el sulfuro de carbono; tienen un punto de fusión mayor de 125o C., pero que por muy duros carecen De ductibilidad, no pudiendo ser empleados más que diluidos para la fabricación de barnices. 6. ¿Cuáles son los compuestos resultantes del ensayo de solubilidad del betún? En los betunes se han encontrado los sigtes componentes: asfaltenos, maltenos, carbenos y resinas asfálticas o carboides. • Asfaltenos: Son cuerpos negros y amorfos que por la acción del calor aumentan de volumen; no se funden, transformándose en carbenos, perdiendo sus propiedades aglutinantes. Son los componentes más duros, comunicando a los betunes estabilidad, cuerpo y adhesividad. • Maltenos: son blandos, por contener la totalidad de la parafina del betún, comunicándole la ductilidad y plasticidad, siendo estables. • Carbenos: son cuerpos negros brillantes con gran proporción de carbono; provienen de la oxidación de los asfaltenos y resinas asfálticas. Una porción mayor de 2 por 100 hacen perder al betún la ductilidad y adhesividad, volviéndolos frágiles, no pudiendo ser empleados en pavimentación. • Carboides o resinas asfálticas: son cuerpos sólidos de color rojizo u oscuro que se ablandan por el calor aún más que los asfaltenos. Estos compuestos forman una microemulción en la que la fase continua la construyen los maltenos, y la discontinua los asfaltenos, carbenos y resinas asfálticas, y, según predominen unos u otros, hacen que los betunes sean más o menos duros, viscosos, adhesivos, etc. El sulfuro de carbono S2C disuelve a los tres primeros; el tetracloruro de carbono Cl4C a los asfaltenos y maltenos, y el éter de petróleo o aceite de nafta 88oB., solo a los maltenos. Los carboides son insolubles en todos los disolventes. 7. ¿Cuáles son las propiedades del betún? Son de color negro o marrón oscuro, pudiendo estar en estado sólido, viscoso o blando, y líquidos, a la temperatura ordinaria. Su densidad varía de 1,1 a 1,4. Los betunes sólidos tienen fractura concoidea, reblandecen hacia los 50 grados Celsius y funden de 100 a 130 grados Celsius. Arden sin dejar residuos, con llama amarilla-verdosa muy fuliginosa. Los betunes son muy estables a una temperatura de 2500 C; perdiendo menos de 1 % los calentados a 163 0 C, propiedad que lo caracteriza y diferencia de los alquitranes. Los betunes, con el tiempo, experimentan un envejecimiento, sin duda debido a una oxidación. Los rayos ultravioletas también les atacan, así como el prolongado contacto con el agua estancada y sobretodo la saturada de cal a 500

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8. ¿Cuál es la clasificación del betún según su dureza? Explicar en qué consiste el ensayo. Los betunes se clasifican por su dureza en variadas categorías. Se entiende por dureza la penetración de una aguja de 1 mm 2 de diámetro cargada con 100 gramos durante 5 segundos a 250C, y se expresa en décimas de mm. Betún duro………………………………………………………………30-60  Semiduro……………………………………………………..80100  Semiblando…………………………………………………180200  Bando…………………………………………………………..200 -300  Muy blando…………………………………………………300350 Para el afirmado de carreteras solo se usan los primeros tres La fluidificación de los betunes duros se hace agregando los productos volátiles para disminuir la viscosidad, facilitando su puesta en obra pues se evapora progresivamente una vez extendidos en los firmes, y deberán tener un punto de inflamación mayor que al que hay que calentarle para su aplicación. 9. ¿Cuáles son los ensayos del betún? •

Densidad real: Se determina a 250C, por medio de la balanza hidrostática para los que son duros a temperatura ordinaria, para lo cual se llena un molde metálico de 2 cm3 con el betún calentado a 500C, en un baño de agua y una vez frío se pesa en el aire, P1, y su sumergido P2, en agua destilada a 250 D25 =

P1 P1 – P2 Para los betunes fluidos se utiliza el picnómetro, pesándole primero vacío, P1; después, lleno de agua destilada a 250C, P2, y finalmente, lleno de betún, P3: D25 = P3 – P1 P2 – P1

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Si el betún es viscoso, se llena el picnómetro hasta su mitad, P4, y después se rellena con agua destilada, P5 D25 = P4 – P1 (P2 – P1) – (P5 – P4) Penetración: Se aprecia la consistencia del material bituminoso introduciendo una aguja de 1 mm. De diámetro, cargada con un peso de 100 gramos durante 5 segundos, en unas probetas de 55 mm. De diámetro y 35 mm. De altura, y midiendo en décimas de mm la penetración. Se utiliza un aparato denominado penetrómetro. 3

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Ductibilidad: Es el alargamiento expresado en cm. Que experimenta una probeta de un cm2 de sección hasta la rotura. Se emplea un aparato denominado ductilómetro, formado por una cubeta de sección rectangular provista de un termostato y de un dispositivo que permita producir una tracción a razón de 5 cm. por minuto. Durante el ensayo las probetas se mantienen sumergidas en un baño de agua, generalmente de 25o C, pudiéndose hacer a 4o y 40o C. Punto de reblandecimiento: Hay quien le llama de fusión, no siendo correcto, puesto que los betunes, al no ser sólidos cristalinos carecen de él, por pasar paulatinamente del estado sólido al líquido. Existen varios métodos, como el del flotador, punto de gota; pero el de uso más frecuente es el de anillo o la bola. La determinación por el procedimiento del anillo y la bola se verifica introduciendo en un vaso de vidrio alto un soporte provisto de dos anillos metálicos de 15,8 mm. De diámetro y 6 de altura, llenos de betún fundido entre los cuales y a la misma altura se sitúa un termómetro, quedando a 25,5 mm del fondo. Sobre los anillos se coloca una bola de acero de 9,5 mm de diámetro y 3,5 gramos de peso. Se llena el vaso de agua hervida y enfriada a 50C y se calienta paulatinamente a razón de 50C por minuto. El betún se reblandece, sede el peso de la bola y llega a tocar el fondo del vaso a una temperatura que es la que define el punto de reblandecimiento Punto de Inflamación: Es la temperatura a la cual se inflaman los gases desprendidos de un betún calentado progresivamente. El punto de combustión es la menor temperatura a la cual los vapores desprendidos continúa ardiendo por si solo durante 5 segundos, sin el auxilio de la llama de prueba. Pérdida de Calor: Se determina el tanto por ciento de perdidas en peso de los productos volátiles de un betún cuando se calienta durante 5 horas a 163o C. El material a ensayar se vierte en unos vasos de 55 mm de diámetro y 35 mm de altura, previamente tarados, y colocan en una estufa especial calentada a 163oC. Si el material bituminoso contiene agua, se calienta primero a 110o Centígrados y después se eleva en 15 min. a 163o C. En el caso de producirse proyecciones, se deshidrata previamente. Solubilidad en sulfuro de carbono: Para determinar el conjunto de substancias de los materiales bituminosos solubles en el sulfuro de carbono, se vierte en un matraz Erlenmeyer de 250 c.c., previamente tarado, una cantidad de betún que contenga un gramo aproximadamente soluble en S2C. Se añade después el disolvente en pequeñas porciones hasta unos 100 c.c., y agita hasta que se logre su disolución y filtra a través de un crisol de Gooch, previamente preparado, que se calcina y pesa. Si el material bituminoso contiene agua, se deshidratará previamente. Si se trata de un alquitrán fillerizado, se homogeniza primero, decanta u deja reposar cuarenta y ocho

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horas antes de la filtración. Los betunes de petróleo son más de 9% de solubles en S2C. Determinación de los Asfaltenos: Los asfaltenos son los componentes de un betún soluble en un sulfuro de carbono e insoluble en la bencina ligera de petróleo (o en éter etílico). La bencina deberá tener las características que prescribe la Institution of Petroleum Technologist: Densidad a 150 C., igual a 0.68-0.69 aromáticos, no mas del 0.5%. Se obtienen resultados casi iguales empleando como disolvente el éter etílico. La operación se practica colocando unos 2 a 5 gramos de la muestra del betún en un matraz Erlenmeyer tarado y 100c.c de disolvente. Se calienta con reflujo hasta que empiece a hervir, tapa con un corcho y deja reposar doce horas, al cabo de las cuales se filtra por un crisol de Gooch. Determinación de la Parafina: La parafina es una mezcla de hidrocarburos saturados sólidos de la serie del metano desde el termino C23H28 al C35H72 aproximadamente, teniendo un punto de fusión alrededor de las 50o C. Se determina destilando 100gramos de betún y recogiendo la fracción que pasa entre 300o y 430o, y a 10 gramos de esta se trata por una mezcla de partes iguales de alcohol de 96o y éter etílico, y enfría a 20o. Se filtra a esta temperatura mediante un embudo de Büchner adecuado, disuelve el residuo en bencina y después en acetona, otra vez en bencina, evapora al baño María y pesa en una capsulita. ¿Cuál es la composición química elemental del betún?

Los betunes están formados por una mezcla de hidrocarburos cíclicos saturados derivados de los ciclanos, de elevado número de átomos de carbono de muchas series, de la sigte composición centesimal: Carbono…………………………………………….80-88 % Hidrógeno………………………………………..9-12 % Oxigeno…………………………………………….0-5 % Azufre……………………………………………….0-3 % Nitrógeno…………………………………………0-2 % 11. ¿Qué es el asfalto? Es el producto natural o compuesto, en el que el betún asfáltico sirve de aglutinante a materias minerales inertes. La palabra asfalto debe ser acompañada del origen del producto: asfalto, lacustre, asfalto en roca, etc. Generalmente son calizas las más abundantes y se suelen extraer a cielo abierto en invierno por embotarse menos las herramientas: después se machacan y pulverizan en molinos desintegradotes como los empleados en el yeso. Se tamiza finalmente, obteniéndose granos desde 3 a 1/10 mm de diámetro, de color marrón oscuro, impregnado de betún. 12.

¿Cuál es la clasificación de los asfaltos?

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Se clasifican en: • Mastique asfáltico: Es una mezcla de asfalto en polvo con betún en caliente. La operación se practica malaxadoras o calderas cilíndricas horizontales provistas de un eje con paletas para agitar la masa. • Asfalto comprimido: se emplea el asfalto pulverizado obtenido como hemos indicado anteriormente, de mayor a menor riqueza en betún, según sea la obra a ejecutar • Asfalto Fundido: Se puede hacer a pie de obra, pero lo general es que se prepare en la fabrica la mezcla de mastique asfáltico con arena o garbancillo silicio, 1-12mm, en cantidad aproximada de 40%, transportando en vehículos previstos de hogar y agitadores, que se mueven cuando lo hace aquel. De esta forma se evitan los malos olores y la interrupción del transito. 13. ¿Cuáles son las aplicaciones más comunes del betún y el asfalto? Los betunes y asfaltos se utilizan principalmente en pavimentos en forma de asfalto comprimido y fundido o formando morteros y hormigones. 14. ¿Qué es el alquitrán? Es un producto negro y viscoso obtenido por condensación de los gases desprendidos de la destilación seca en vasija cerrada de las materias hidrocarbonadas de la hulla y madera principalmente 15. ¿Cuáles son las propiedades de los alquitranes? Propiedades de los alquitranes: las más características son las siguientes: • Viscosidad: Depende del contenido en brea y resina y deben tener la suficiente viscosidad para que, extendidos en caliente, se adhieran y aglutinen fuertemente a los áridos cuando sequen. La viscosidad de los productos bituminosos en general disminuye a medida que se eleva la temperatura, y por eso se caldean previamente a su aplicación, no debiéndose pasar de cierto limite, unos 110o C, en los alquitranes, y 150oC en los betunes, para que no se desprendan productos que son necesarios. La viscosidad es la resistencia que oponen las moléculas de un líquido al desplazamiento de unas respecto a otras. La inversa de la viscosidad es la fluidez. • Cohesión: Depende de la viscosidad y es una característica del estado coloidal de los alquitranes, y a la cual son debidas sus propiedades aglomerantes. Se puede apreciar haciéndole extender en una delgada película y rompiendo a tracción. • Adherencia: Esta condición depende del alquitrán y de la superficie pétrea a la que se adhiere, tanto mas cuanto lo sea la del árido, y este seca, pues húmedo lo rechaza. La 6

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naturaleza geológica tiene importancia para las rocas vítreas como la cuarcita; se adhiere peor que a la rugosa como la caliza. Se puede alquitranar piedra fría y húmeda añadiendo a esta una pequeña cantidad de cal, pues actúa como emulsionante. Se aprecia la adherencia impregnando el árido con alquitrán y sumergirlo en agua durante 24 horas a la temperatura ambiente. Secatividad: Depende de la cantidad de aceites volátiles que tenga un alquitrán, siendo los medios que destilan entre 170 y 230o los que proporcionan la viscosidad y solución precisa, debiéndose producir una evaporación rápida al principio, pero no debe proseguir indefinidamente. Duración: Es función de la cantidad de aceites muy pesados que contenga el alquitrán, los que destilan a temperatura superior a 300o centígrados, pues son los que le comunican la plasticidad e impiden que al secarse se vuelva frágil y rompa. Los alquitranes envejecen antes que los betunes porque sus aceites tiene mayor tensión de vapor por los segundos. Susceptibilidad: Es la variación de la viscosidad con la temperatura, siendo los alquitranes mas susceptibles que los betunes, necesitándose menos calorías para su colocación, pero tienen el inconveniente de que a baja temperatura se agrieta mas fácilmente que los betunes. Se observa que el alquitrán extendida que en la intemperie forma una película semisólida que disminuye la susceptibilidad. El alquitrán que haya de emplearse en carreteras deberá reunir las siguientes condiciones: no contener agua, pocos aceites volátiles y fenoles, porque se evaporan rápidamente. Poca naftalina, que aumenta la fluidez en pequeña proporción, pero en exceso cristaliza, evaporándose y agrietando el firme. Contener la porción de brea, carbono libre y aceites medios pesados suficientes para dar cuerpo y elasticidad, sin disminuir sus propiedades aglomerantes. ¿Cuáles son los ensayos de los alquitranes?

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Determinación de la densidad: Se práctica por el procedimiento del picnómetro, indicado en el ensayo de los betunes. Determinación del agua: Se hace destilando el alquitrán con un disolvente volátil como el xilol, que destila el 98% entre 120o y 250o C. Se pesan en una caldera metálica o en un matraz de vidrio de 500c.c 100gramos de alquitrán y añaden 100c.c de xilol. Se tapa y pone en comunicación con un refrigerante de 40 cm. de longitud, provisto de un tubo colector graduado en centímetros cúbicos y décimas. Se calienta de manera que destilen unas 5 gotas por segundo hasta que no se condense mas agua.

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Determinación de la consistencia: Por medio de una sonda, es el tiempo en segundos que tarda en sumergirse. La sonda Hutchinson esta formada por una varilla metálica de 5mm de diámetro y 225mm de longitud, provista de dos marcas separadas 50mm un flotador de 50mm de diámetro y una contera o punta, pesando en conjunto 35 gramos. El alquitrán calentado a 25o C, se vierte en un recipiente metálico de 250mm de altura y 100mm de diámetro. La sonda se sumerge lentamente hasta que llegue el flotador al alquitrán, y suelta con cuidado, anotándose el tiempo, apreciado con un cronometro, que tardan en hundirse las dos señales del vástago. Determinación de la viscosidad: Con el viscosímetro internacional de Redwood modificado, llamado también viscosímetro B.R.T.A., es el tiempo expresado en segundos que tarda en fluir 50c.c. de alquitrán por un orificio de 10mm de diámetro o 4mm para los muy fluidos a la temperatura de 30oC. El alquitrán se vierte en el depósito del viscosímetro, que tiene 110 mm de altura y 40mm de diámetro, rodeado de un baño maría, y se mantiene a 30o C. El orificio de salida esta obturado con una esfera metálica de 12,5mm de diámetro unida a una varilla que lleva un índice de 92mm hasta la que se llena de alquitrán. Debajo del orificio de salida se coloca una probeta graduada, de 100c.c., conteniendo 20c.c. de aceite mineral. Se levanta la varilla y cuelga del índice, poniéndose en marcha un cronometro cuando un liquido alcance en la probeta 25 c.c., y para al legar a los 75 c.c. Determinación del carbono libre: En los alquitranes se considera, como carbono libre, la materia orgánica insoluble en el sulfuro de carbono. La operación se practica como se ha indicado en los ensayos de betunes para determinar la solubilidad en el sulfuro de carbono. Destilación fraccionada: En este ensayo se determinan los aceites ligeros hasta 170oC, aceites medios, entre 170 a 230oC; aceites pesados, entre 230 y 270oC ; y aceites de antraceno, de 270 a 300. El aparato destilador está constituido por una caldera metálica o un matraz de Engler de 200 cc., un termómetro, un refrigerante de aire o agua y unos tubos graduados. Se pesa el recipiente destilador vacío y vierten 300 gr. de alquitrán, monta el aparato y calienta lentamente, regulándose la temperatura para que destilen unas dos gotas por minuto. A medida que se alcanzan las temperaturas indicadas se cambian los tubos graduados y pesan. Terminada la destilación se vuelve a pesar el matraz y recipiente destilador, y la diferencia con el vacío es el peso de la brea. Determinación de los fenoles: En los alquitranes se aprecian en la fracción que pasa entre 170o y 270oC. al efectuar la destilación. El ensayo se practica tomando 25 cc. de los aceites que destilan entre 170 y 230oC y 230 y 270oC,

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previamente mezclados y calentados a 50oC, y vierten sobre 25 cc de hidróxido sódico al 10% agitando un minuto, y deja en reposo en el baño a 50oC, hasta que se separan las dos capas y aprecia el aumento de volumen de la capa acuosa, que es de lo fenoles existentes en 25 cc de los aceites medios. Determinación de la naftalina: Se hace en los aceites de alquitrán que destilan entre 170 y 270oC después de la extracción de los fenoles, para lo cual se pasa a un embudo de decantación cilíndrico de 50 cc y tubo corto, calentando en una estufa de 50oC., y una vez aspiradas las dos capas se decanta la acuosa y recoge en una cápsula, enfría y filtra sobre un filtro Büchner de porcelana provisto de papel de filtro y haciendo el vacío. Se levanta el papel de filtro con el residuo, coloca sobre un disco de porcelana porosa, comprimiendo con una espátula para quitar los aceites que le impregnen, se traslada la naftalina a un vidrio de reloj, y pesa. Ensayo de envejecimiento del alquitrán: Se determina la pérdida de peso que experimenta una capa de 10mm de espesor depositada en un vaso de 55mm de diámetro y 35mm de altura, calentada a 50oC, en una estufa durante 12 días. También se puede hacer exponiendo a los rayos ultravioletas, y determinando la pérdida de viscosidad, antes V1 y después V2 y disminución de peso P, calculando el coeficiente de envejecimiento por la fórmula: K = V2 – V1 P

17. ¿Cuáles son las aplicaciones más comunes de los alquitranes? En construcción se utiliza el alquitrán en carreteras, protección de hierro y madera aplicando en caliente, en forma de pintura y como hidrófugo o impermeabilizante de paredes. El alquitrán tiene además muchas aplicaciones, pues es la base de la fabricación de los colorantes, perfumes, resinas sintéticas y explosivos modernos. 18.

¿De qué está compuesto el hormigón bituminoso?

Están constituidos por áridos, Filler y betún, mezclados, extendidos en caliente y apisonados seguidamente. La piedra puede ser dura, de tipo pórfido o cuarcita de machaqueo, por formar, apisonada, un conjunto más rígido e indeformable que el árido rodado; éste debe aproximarse a la curva teórica de Fuller. Según Duriez, la granulometría media de un buen hormigón bituminoso es la siguiente: Gravilla 20/5 mm………………………….50% Arena Gruesa 5/0.3 mm……………….30% Arena Fina 0.3/0.1 mm………………....13% Filler