REPUBLICA BOLIVARIANA DE VENEZUELA MINISTERIO DE EDUCACION UNIVERSIDAD RAFAEL URDANETA FACULTAD DE INGENIERIA ESCUELA DE INGENIERIA QUIMICA

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1 REPUBLICA BOLIVARIANA DE VENEZUELA MINISTERIO DE EDUCACION UNIVERSIDAD RAFAEL URDANETA FACULTAD DE INGENIERIA ESCUELA DE INGENIERIA QUIMICA Caracterización físico-química de ligantes empleados en la construcción de mezclas asfálticas Trabajo Especial de Grado presentado ante la Ilustre Universidad Rafael Urdaneta para optar al Titulo de Ingeniero Químico Presentado por: Moreno Zambrano, Ramón Orlando C.I V Tutor Académico: Osorio, Eudo C.I V Maracaibo, 07 Mayo 2007

2 Caracterización físico-química de ligantes empleados en la construcción de mezclas asfálticas

3 Este jurado aprueba el trabajo especial de grado titulado CARACTERIZACIÓN FÍSICO-QUÍMICA DE LIGANTES EMPLEADOS EN LA CONSTRUCCIÓN DE MEZCLAS ASFÁLTICAS, presentado por Moreno Zambrano, Ramón Orlando, portador de la cedula de identidad Nº para optar al titulo de Ingeniero Químico. Lic. Eudo Osorio C.I.: Tutor Ing. Humberto Martines C.I.: Jurado Ing. Elba Michelena C.I.: Jurado Ing. Oscar Urdaneta C.I.: Director de la Escuela de Ing. Química Ing. José Bohórquez C.I.: Decano de la Facultad de Ingeniería Maracaibo, 07 de Mayo del 2007.

4 INDICE GENERAL DEDICATORIA. V AGRADECIMIENTO... VI INDICE GENERAL... VII INDICE DE TABLAS... VIII INDICE DE FIGURAS. IX RESUMEN... X INTRODUCCION. 1 CAPITULO I. EL PROBLEMA 1.1 Planteamiento del problema Formulación del problema Objetivos de la investigación Objetivo general Objetivos específicos Justificación e importancia de la investigación Delimitación de la investigación Delimitación espacial Delimitación temporal CAPITULO II. FUNDAMENTOS TEORICOS 2.1 Antecedentes de la investigación Bases teóricas Concepto de asfalto Tipos de asfalto Asfaltos naturales Ramón Moreno ii

5 Asfalto de petróleo Origen y naturaleza del asfalto Refinación del petróleo Clasificación de los crudos Clasificación según la gravedad API (U.N.I.T.A.R., 1982) Clasificación de los crudos según su composición (tissot y welte, 1984) Clasificación del asfalto Cementos asfálticos Betumenes asfálticos Condiciones generales Usos del betún Composición del asfalto Modelo de composición del asfalto Fraccionamiento del asfalto Composición química de los maltenos Composición química de los asfaltenos Refinación del asfalto Obtención de asfalto en refinería Destilación primaria Destilación al vacío Desasfaltización con propano o butano Oxidación del asfalto Usos en ingeniería Calidad de penetración o asfaltos para pavimentos Composición de asfaltos líquidos 40 Ramón Moreno iii

6 Penetración de asfaltos líquidos Propiedades del asfalto Propiedades químicas Composición elemental de crudos convencionales tomada de Hunt (1996) Propiedades físicas del asfalto Durabilidad Adhesión y cohesión Susceptibilidad a la temperatura Endurecimiento y envejecimiento Mecánica de las mezclas agregado-asfalto Durabilidad de los asfaltos Alteración debido a los agentes atmosféricos Resistencia al agua Propiedades físicas del asfalto para pavimentos Viscosidad Penetración Punto de inflamación Ductibilidad Solubilidad Peso especifico Fallas más comunes Ahuellamiento Agrietamiento térmico Agrietamiento por fatiga Otros problemas Desprendimiento 57 Ramón Moreno iv

7 Envejecimiento Tipos de asfalto utilizados RC A Definición de términos básicos Mapa de variables. 62 CAPITULO III. MARCO METODOLOGICO 3.1 Tipo de investigación Diseño de la investigación Técnicas e instrumentos para la recolección de datos Población y muestra De la Refinería Bajo Grande RC A De SAEMA Fases de la investigación Fase I Fase II Fase III 71 CAPITULO IV. RESULTADOS. 4.1 Presentación de los resultados Objetivo # Gravedad API en Crudo.. 74 RC Contenido de azufre Ramón Moreno v

8 4.1.4 Contenido de metales S.A.R.A. 77 Objetivo Contenido de azufre Contenido de metales Método S.A.R.A. Objetivo CONCLUCIONES 85 RECOMENDACIONES BIBLIOGRAFIA 90 ANEXOS 91 INDICE DE FIGURAS Fig. 01 Asfaltos naturales 18 Fig. 02 Modelo de composición del asfalto.. 28 Fig. 03. Fraccionamiento del asfalto. 30 Fig. 04 Refinación de petróleo Fig. 05. Composición de asfaltos líquidos 40 Fig. 06 Tipos de hidrocarburos encontrados en el petróleo.. 43 Fig. 07 Tipos de hidrocarburos encontrados en el petróleo.. 43 Ramón Moreno vi

9 INDICE DE TABLAS Tabla 01. Especificaciones para los asfaltos de pavimentación. 28 Tabla II. Especificaciones para los asfaltos de pavimentación. 41 Tabla III (Composición química del asfalto). 43 Tabla IV. Mapa de variables Tabla # V Gravedad API 74 Tabla # VI Punto de inflamación 76 Tabla # VII Contenido de azufre 76 Tabla # VIII Contenido de metales 77 Tabla # IX Composición química del asfalto 78 Tabla # X Contenido de azufre.. 80 Tabla # XI Contenido de metales.. 80 Tabla # XII Composición química del asfalto.. 81 Tabla # XIII Relaciones entre asfaltos.. 82 INDICE DE GRAFICAS Grafica 01 Composición química de asfalto virgen y el recuperado con exposición real. 83 Ramón Moreno vii

10 DEDICATORIA A mi madre; Heddy Zambrano Rodríguez, por apoyarme incondicionalmente y acompañarme en todo momento, enseñándome siempre el mejor camino. ESTE LOGRO TAMBIEN ES TUYO. A mi tía; Asia Yusely Zambrano Rodríguez; por ayudar a forjar mi camino desde el principio y por ser un ejemplo a seguir hoy en día. GRACIAS POR AYUDARME A SER LO QUE HOY SOY. A mi hermana; Flor Isela Moreno Zambrano, por ayudarme y apoyarme en todo momento por difícil que fueran las circunstancias. apoyo. A mi hermano; Moisés Orlando Moreno Zambrano, por animarme y darme su A mi hijo, Moisés Orlando Moreno Rodríguez, por ser una gran fuente de motivación y a mis sobrinas Heddy y Jennifer, por apoyarme siempre y en todo momento. A Kania Vargas, por apoyarme de principio a fin, ser una fuente de inspiración y además por ser una persona tan importante en mi vida. A mi padre, mis abuelos, a Melba y todas las personas, que no pudieron estar presentes en este logro tan importante, pero donde están estoy seguro que deben estar llenos de orgullo. Ramón Orlando Moreno Zambrano Ramón Moreno viii

11 AGRADECIMIENTOS AL Departamento de investigaciones del INZIT-CICASI, por ayudarme con la selección y desarrollo del Trabajo Especial de Grado. Al Lic. Ivan Estévez y al Lic. Edgar Portillo, por ayudarme de principio a fin y guiarme en todo momento durante el desarrollo de todo mi trabajo. Al Lic. Eudo Osorio, por la colaboración en desarrollo de todo el trabajo de investigación. AL personal técnico de los laboratorios del INZIT-CICASI, por prestarme su ayuda y toda su pericia, a demás de brindarme su calor humano y ayuda incondicional. A la Universidad Rafael Urdaneta y por formarme como Ingeniero. A mis amigos (s) de la U.R.U., Miguel M., Roland, Marco, Pablo, Ricardo, Miguel S., Milton, Andy, Mariemilys, Joha, Mª Rosario, Mª Caridad, Yoli, Deisy, Ana, Adriana, Andrina gracias por todos los momentos compartidos durante la carrera, siempre los recordaré. A mis amigos Niño, José, May, Ana, Annyy, Sandra, Jonathan, Gerardo; gracias por haber depositado en mí un voto de confianza y también por haber compartido muchos momentos tan importantes de mi vida incluyendo este, muchas gracias. A todas las personas que de una u otra manera ayudaron a la realización de este proyecto. Gracias. Ramón orlando Moreno Zambrano. Ramón Moreno ix

12 RESUMEN Moreno Zambrano, Ramón Orlando; CARACTERIZACIÓN FÍSICO-QUÍMICA DE LIGANTES ASFÁLTICOS EMPLEADOS EN LA CONSTRUCCIÓN DE MEZCLAS ASFALTICAS.. Universidad Rafael Urdaneta. Facultad de Ingeniería. Escuela de Ingeniería Química. Trabajo Especial de Grado para Optar al Titulo de Ingeniero Químico. Maracaibo, El asfalto es conocido desde el principio de la civilización, pero solo hasta el año de 1905, es cuando es usado por primera vez a nivel industrial, sin embargo es necesario ampliar los estudios en la actualidad para tener un mayor aprovechamiento de los recursos naturales y un mayor rendimiento económico. En toda Venezuela y en el estado Zulia surge una problemática con respecto a la durabilidad de las carreteras. Este Problema presenta una constante preocupación de las mismas las instituciones que se encargan de la aplicación y del posterior mantenimiento. Por esa razón, el objetivo principal de este trabajo fue la caracterización físico-química de ligantes asfálticos en estado virgen y con periodos de exposición real, para poder racionalizar los recursos que se emplean en la fabricación de pavimentos. Este proyecto de investigación no determinará cual es la causa especifica del deterioro, pero establecerá los parámetros de comparación actual de un asfalto virgen ideal y como se están produciendo para luego comparar con los que esta en servicio con fallas típicas intrínsecas a la selección de los materiales. Este trabajo se fundamentó en principios regulados por las normas COVENIN y las normas ASTM. Luego de las diversas pruebas realizadas se pudo comprobar que los materiales con los que se realizaron los ensayos son de buena calidad y de estructura homogénea lo que lleva a descartar que las posibles fallas ocurran a causa del ligante y se recomienda además repetir los estudios en un tiempo aproximado de 12 meses para comparar estos resultados y ver la tendencia de los cambios que ocurren en los ligantes asfálticos cuando están expuestos a condiciones de trabajo real. Finalmente se realizaron las recomendaciones pertinentes que pueden facilitar la selección de un determinado ligante y predecir su comportamiento en el tiempo. Ramón Moreno x

13 INTRODUCCION INTRODUCCION El uso moderno del asfalto para carreteras y construcción de calles comenzó a finales del siglo pasado, y aumentó rápidamente con el surgimiento de la industria automotriz. Desde entonces la tecnología del asfalto ha dado grandes pasos. Hoy en día los, los equipos y los procedimientos para construir estructuras de pavimentos asfálticos son bastante sofisticados. En Venezuela como en todo el mundo, ha surgido una necesidad de racionalizar los recursos que están destinados a la construcción de vías de comunicación y transporte. Una regla que no ha cambiado a través de la historia es que un pavimento es tan bueno como los materiales y la calidad del proceso constructivo. Cabe destacar que en el Zulia, que es una región altamente productora de materiales asfálticos producto de la producción petrolera, sus vías de comunicación no están en concordancia con esta realidad, razón por la cual se crea incomodidad entre los usuarios y pérdidas económicas a las entidades gubernamentales que se encargan de su mantenimiento. Ramón Moreno 2

14 INTRODUCCION Sin embargo, el uso correcto de los materiales y de las técnicas de mezclado son la primordial razón que van a contribuir en la durabilidad de los pavimentos, ya que ningún equipo sofisticado conocido hasta el momento puede compensar el uso de los materiales que se vienen usando en la construcción de mezclas asfálticas. En Maracaibo el Instituto Zuliano de Investigaciones Tecnológicas, en vista de la problemática existente con la durabilidad del pavimento, se plantea la posibilidad de caracterizar las propiedades físico-químicas del ligante usado para la construcción de carreteras y así crear una base de datos que sirva como referencia a futuras investigaciones relacionadas con el tema de durabilidad y envejecimiento del pavimento. Durante el presente trabajo de investigación se desea comparar las especificaciones de diseño de los ligantes asfálticos con la realidad. De igual manera establecer relaciones con los ligantes asfálticos encontrados en núcleos tomados in situ con periodos de exposición real. Al analizar el proceso, el presente estudio tiene la finalidad de la caracterización físico-química de los ligantes empleados en la construcción de mezclas asfálticas, basada en cuatro capítulos plenamente identificados, como lo son: Ramón Moreno 3

15 INTRODUCCION 1. El Problema, que contiene el planteamiento del problema, objetivo general y objetivos específicos, justificación de la investigación y la delimitación. 2. El Marco Teórico, donde se hace referencia a los antecedentes de la investigación así como las bases teóricas sobre la cual se desarrollo el trabajo apoyando en la definición de términos básicos. 3. El Marco Metodológico, en el cual se explica el nivel de la investigación y las fases metodológicas desarrolladas para la obtención de los objetivos planteados. 4. Resultados y su análisis, donde son expuestos los resultados alcanzados de esta investigación. Ramón Moreno 4

16 CAPÍTULO I: EL PROBLEMA 1.1. Planteamiento del problema La prolongación de la vida útil de las vías de transporte ha sido una permanente preocupación de las entidades públicas a nivel nacional e internacional, que se encargan de la ejecución y del posterior mantenimiento de éstas. Los ensayos realizados sobre los materiales que racionalicen de alguna manera los costos de mantenimiento que la estructura del pavimento requiere, han traído nuevos horizontes. El asfalto que se utilizó en épocas pasadas fue el asfalto natural; el cual se encuentra en la naturaleza en forma de yacimientos que pueden explotarse sin dificultad y cuyo empleo no requiere de operaciones industriales de ningún tipo para su preparación. El asfalto en la actualidad en su mayoría, es un producto de la refinación del petróleo, que está formado por una gran variedad de hidrocarburos, que se dividen principalmente en dos grupos: asfaltenos y maltenos, estos a su vez se dividen en resinas y aceites saturados, y se podría decir, que son estos la fracción que no se destila bajo el proceso de destilación al vacío. Sin embargo, el asfalto sufre cambios debido a la temperatura y el tiempo y tiende a volverse muy rígido y frágil, perdiendo su habilidad para mantener adherido a los granos del agregado. A este fenómeno se le conoce como envejecimiento; que es la variación de las características requeridas para que coexistan en mezcla el ligante y los granos del agregado. En toda Venezuela y en el estado Zulia, ha surgido una problemática con respecto a la durabilidad y calidad de los pavimentos. A medida que pasa el tiempo se ha notado un envejecimiento prematuro del mismo causando perdidas de inversión y Ramón Moreno 6

17 CAPÍTULO I: EL PROBLEMA deterioro de la vialidad, incomodidad en los usuarios; lo cual hace necesario la implementación de controles de calidad estrictos, así como también invertir en el estudio de los componentes que serán utilizados como materia prima en la fabricación de dichas mezclas. Los cambios de temperatura así como el aumento del tráfico vehicular son factores que afectan la durabilidad de los pavimentos, pero se asume que éstos no influyen de manera significativa, ya que muchas veces los pavimentos asfálticos fallan por características intrínsecas del asfalto; lo que hace necesario la completa caracterización del material incluyendo así la determinación de las características físicoquímicas. Entre los factores que afectan la composición de los cementos asfálticos, podemos mencionar el crudo del cual proviene y al proceso de refinación empleado en las refinerías de petróleo, ya sea por destilación de crudo a presión atmosférica, destilación por vacío con o sin vapor y la refinación por solventes, caso de desasfaltado por propano o por soplado. Durante el siguiente trabajo de investigación, se desea determinar y cuantificar los componentes y algunas de las propiedades más importantes del ligante proporcionado por la Refinería Bajo Grande en estado virgen y de núcleos proporcionados por Servicio Autónomo de Ensayos a Materiales (S.A.E.M.A.), con diferentes periodos de exposición real. De acuerdo a la importancia de la composición del asfalto se desea determinar la Incidencia de las características físico-químicas del ligante en la calidad del pavimento. Ramón Moreno 7

18 CAPÍTULO I: EL PROBLEMA 1.2. Formulación del problema Durante el presente trabajo de investigación se desea determinar las propiedades físico-químicas de muestras de ligante virgen proporcionadas por la refinería Bajo Grande y del ligante de los núcleos a diferentes periodos de exposición real, para compararlas con las características de diseño y establecer relaciones entre las mismas Objetivos de la Investigación Objetivo General Caracterizar las propiedades físico-químicas del ligante que se emplea como mezcla asfáltica en caliente virgen y de muestras tomadas a tiempos de exposición real Objetivos Específicos Analizar, las propiedades físico-químicas del ligante en estado virgen proveniente de la refinería Bajo Grande. Analizar las propiedades físico-químicas del ligante de las muestras provenientes de los núcleos tomados in situ a diferentes periodos de exposición real. Establecer relaciones entre el asfalto virgen y el expuesto a condiciones de trabajo. Ramón Moreno 8

19 CAPÍTULO I: EL PROBLEMA 1.4. Justificación e Importancia de la investigación Las propiedades de los distintos ligantes asfálticos utilizados en la construcción de pavimentos, juegan a pesar de su proporción minoritaria en la mezcla, un papel esencial en el comportamiento del mismo, por ello es fundamental asegurar la calidad de estos productos manteniendo sus propiedades en todo momento dentro de los límites especificados. Este trabajo de investigación se hace con la intención de establecer las propiedades físico-químicas de ligante virgen provenientes las muestras de la refinería Bajo Grande y de los núcleos extraídos de mezclas asfálticas a diferentes períodos de exposición, para que sirva como referencia a futuros trabajos relacionados con los controles de calidad de las materias primas y la incidencia de las mismas en la durabilidad y envejecimiento de las mezclas asfálticas. A pesar de la gran importancia que tienen los materiales y las técnicas empleadas para el mezclado, sorprendentemente el estudio de las características físico-química y la composición química de los mismos, es ciertamente de los medios usados, el más preciso, para identificar las propiedades de cualquier sustancia. Sin embargo existen varias razones por las cuales la química no ha llegado a ser parte de los sistemas de clasificación, ya que: En la actualidad no hay una prueba normal para composición química de asfaltos que sea aceptada mutuamente por vendedores, compradores y los usuarios del material. Ramón Moreno 9

20 CAPÍTULO I: EL PROBLEMA Los ensayos existentes para analizar la composición química requieren de equipos sofisticados que no están disponibles en la mayoría de los laboratorios donde se hacen las pruebas de asfaltos. La relación entre la composición química del asfalto y su comportamiento en la estructura del pavimento es todavía incierta. Respecto a esto hay muchas preguntas por contestar. Existen normativas nacionales que tienen la tarea fundamental de regular la calidad de los materiales utilizados para la producción, construcción, medición y forma de pago de Mezclas de Concreto Asfáltico en Caliente (M.C.A.C.), producidas en Plantas en Caliente, compuestas de agregados y cemento asfáltico. Las mezclas de Concreto Asfáltico deben elaborarse según se establece en estas especificaciones. Durante éste trabajo de investigación, se desean determinar y cuantificar los componentes y algunas de las propiedades físico-químicas mas importantes del ligante en estado virgen y después de su aplicación, además de que estas pruebas no se realizan en la actualidad y establecerán un amplio marco de referencia entre las especificaciones establecidas en la norma y características encontradas en la realidad. La debida interpretación de los resultados y su posterior publicación, darán pie o soporte a futuras investigaciones, ya que durante el proceso de investigación se desarrollaran técnicas aplicadas a crudos pesados como lo son el estudio de los Iones presentes en el asfalto. Ramón Moreno 10

21 CAPÍTULO I: EL PROBLEMA 1.5. Delimitación de la Investigación Delimitación Espacial Esta investigación estuvo delimitada espacialmente en las instalaciones del los laboratorios del INZIT-CICASI. Km. 15 de la carretera a la Cañada de Urdaneta. Sector Palmarejo Viejo. Maracaibo, Venezuela. Delimitación Temporal Esta se realizó en el periodo comprendido entre los meses de octubre 2006 y abril Ramón Moreno 11

22 CAPÍTULO II: MARCO TEORICO 2.1. Antecedentes a la investigación En la búsqueda de las posibles causas de cómo la materia prima influye directamente en la calidad de las mezclas asfálticas, se han realizado numerosos trabajos de diferentes índoles, que se enfocan en la caracterización del asfalto y la influencia de la composición química del mismo. Describe Bavaresco (1994: 54), no puede el marco teórico estar bien estructurado si no se coteja con el conocimiento previamente elaborado. Los antecedentes, se refieren a la revisión de otros trabajos, en relación con esta actividad, Risquez, Fuenmayor y Pereira (1999: 22) afirman la necesidad de revisar investigaciones anteriores sobre el tema a estudiar. Fonseca Rodríguez, C., Serment Guerrero, V. y Villalobos Dávila, R., 1999, "Estudio experimental en laboratorio aplicando el método UCL en la caracterización de cementos asfálticos en México", Publicado y presentado en el 10º Congreso Iberoamericano del Asfalto, Asociación Española de Carreteras, Sevilla, España. Resumen: En los últimos 30 años en México, la investigación, el desarrollo tecnológico y la transferencia de tecnología en el área de los pavimentos asfálticos ha tenido un avance muy lento; se siguen realizando las mismas prácticas de los años 70, hoy en día obsoletas y deficientes. Este trabajo nos da una idea de cómo los métodos que se realizan hasta la fecha de su publicación., fueron victima de obsolescencia. Hoy en día se sigue trabajando en la búsqueda de nuevos y mejores métodos de investigación, así como el Ramón Moreno 13

23 CAPÍTULO II: MARCO TEORICO desarrollo de tecnología que promueva de alguna manera la implementación de técnicas mas eficientes, que las que se vienen haciendo hasta el momento. García P., Junior A., Duran C. Hugo F., en su trabajo especial de grado titulado: Verificación de la aplicabilidad de las especificaciones COVENIN concreto asfáltico (Norma provisional hasta 1997) en agregados y mezclas en caliente en los estados Portuguesa y Yaracuy. Resumen: el presente trabajo tiene por objeto, realizar la caracterización de los diferentes agregados que se utilizan para la elaboración de mezclas asfálticas en caliente y establecer una comparación de los resultados obtenidos con las normas provisionales 1997, propuestas por el instituto venezolano de asfalto (INVEAS) y su verificación de la aplicabilidad en las mezclas elaboradas por las plantas que se encuentran ubicadas en los estados Portuguesa y Yaracuy. El análisis se enfocó de manera preliminar en la caracterización de los agregados que intervienen en las mezclas diseñadas, realizando una comparación con los rangos mínimos y máximo presentados por las especificaciones covenin concreto asfáltico "norma provisional Se agruparon aquellos materiales pétreos que cumplieron con dicha normativa y también los que presentaron fallas en por lo menos un requisito, luego se elaboraron las mezclas correspondientes. Se evaluaron sus características en función de su comportamiento y tendencias de las curvas graficadas. De las seis plantas que constituyen la muestra de estudio, solo la planta Lobatera, ubicada en el estado Yaracuy, cumple con los requerimientos de la "norma provisional 1997", en cuanto a las características de los agregados y las propiedades Marshall de la mezcla elaborada. Este trabajo antes mencionado dará una idea de cuales son las normativas que son aplicables a las mezcla asfálticas así como también los resultados del estudio de una plantas ubicadas en el estado Yaracuy y Portuguesa. Da una idea de los rangos permisibles que están contempladas en la norma COVENIN Ramón Moreno 14

24 CAPÍTULO II: MARCO TEORICO También especifica cual de las plantas en estudio logro cumplir con los requerimientos mínimos de mezclado para poder cumplir con la norma Bases teóricas Bajo este concepto, se establecieron los fundamentos teóricos que sirvieron para acceder a la información respecto al problema en estudio. Tomando en cuenta las teorías particulares que existen, se puede explicar y analizar el problema en cuestión, es decir, éstas pueden contribuir con bases sólidas al problema planteado, para ello se explicaran algunas definiciones Concepto de asfalto El asfalto o betumen fue conocido alrededor del año 2500 A.C. en Egipto, aunque en esa época no se le empleaba en la construcción de caminos. El asfalto es un material sólido o semisólido de color pardo oscuro, por lo general pegajoso. Consiste en mezclas de hidrocarburos solubles en sulfuro de carbono. Los asfaltos se presentan naturalmente (con otra materia mineral o sin ella) y se obtienen también como un producto de la refinación de ciertos petróleos crudos. El término bitumen o betún (que se utiliza mas en Europa que en los Estados Unidos) es mas general que asfalto y lo aplica la ASTM a mezclas de hidrocarburos de origen natural o pirogènico, o combinaciones de ambos, frecuentemente acompañados por sus derivados no metálicos y que pueden ser gaseosos, líquidos, sólidos, semisólidos o sólidos y son completamente solubles en sulfuro de carbono. Por consiguiente el alquitrán y la brea pueden considerarse como sustancias bituminosas. Ramón Moreno 15

25 CAPÍTULO II: MARCO TEORICO Tipos de asfaltos Los asfaltos son materiales aglomerantes de color oscuro, constituidos por complejas cadenas de hidrocarburos no volátiles y de elevado peso molecular. Estos pueden tener dos orígenes; los derivados de petróleos y los naturales. Los asfaltos naturales, se han producido a partir del petróleo, pero por un proceso natural de evaporación de las fracciones volátiles, dejando las asfálticas solamente Asfaltos naturales Estos yacimientos se han producido a partir del petróleo por un proceso natural de evaporación de las fracciones volátiles, dejando las asfálticas. A este asfalto se le llama frecuentemente asfalto de lago. Los yacimientos más importantes de asfaltos naturales se encuentran en los lagos de Trinidad, en la isla de Trinidad en la costa norte de Venezuela y Lago Bermúdez Venezuela. Casi siempre se encuentran en las rocas asfálticas, que son rocas porosas saturadas de asfalto, como en Utah; Gilsonita, Arenas asfálticas Syncrudre Fort McMurray; Alberta, La Brea Tar Pits ; Los Angeles California. Velásquez, Manuel (1961), establece que; en distintos puntos de la tierra se encuentran yacimientos de diversas características en los que se presentan materiales asfálticos de tipos diversos, mezclados en proporciones variables con diversas sustancias minerales. El material encontrado en estos asfaltos varía desde asfaltos muy puros, prácticamente exentos de sustancia mineral de cualquier tipo, hasta roca arenisca levemente impregnada de asfalto. Los asfaltos pueden presentarse en la naturaleza en diversas formas, entre las que se destacan las siguientes: Ramón Moreno 16

26 CAPÍTULO II: MARCO TEORICO Fuentes: A veces se presentan en algunos lugares fuentes en las que fluye el petróleo o asfaltos de tipo líquido, generalmente en pequeña cantidad. Estas fuentes provienen, en general, de depósitos de cierta importancia de materiales de este tipo de con salida hacia el exterior por alguna grieta de la roca. Lagos: A veces fuentes como las descritas, pero de gran caudal, situadas en el fondo de las depresiones naturales, pueden dar lugar a las formaciones de asfalto como los muy conocidos en Trinidad y Venezuela. Exudaciones: Se presentan en rocas muy porosas saturadas de asfalto, de las que fluye bajo los efectos del calor o alguna presión interior. Impregnando rocas: Son bastante frecuente los yacimientos de rocas mas o menos porosas con sus poros llenos de asfalto. Fig. 01 (Asfaltos naturales) FUENTE ( Ramón Moreno 17

27 CAPÍTULO II: MARCO TEORICO Asfaltos de petróleo Los asfaltos de petróleo se obtienen principalmente como residuo de la destilación de ciertos petróleos crudos. Representan más del 90% de la producción total de asfaltos. La producción total de asfaltos de petróleo en los Estados Unidos pasa de de toneladas por año, que es aproximadamente 3% de la producción total de petróleo crudo. El contenido de asfalto del petróleo varía según su procedencia, algunos crudos, como los de Pensilvania no contienen casi ningún asfalto, como en otros los contenidos de asfalto pueden ser 20% o mas. El asfalto es un material altamente viscoso que mantiene adheridos a los granos del agregado, este asfalto le confiere a la mezcla excelentes cualidades de impermeabilidad, así como resistencia tanto a los ácidos como a las sustancias alcalinas y sales. Casi todo el asfalto usado en los Estados Unidos es producido por refinerías modernas de petróleo y es llamado asfalto de petróleo. El grado de grado de control permitido por los equipos modernos de refinería permite la producción de asfaltos con características distintas, que se prestan para usos específicos. Como resultado, se producen asfaltos para pavimentación, techado y otros usos especiales. El asfalto es considerado un sistema coloidal complejo de hidrocarburos, en el cual es difícil establecer una distinción clara entre la fase continua y la dispersa. Las primeras experiencias para describir su estructura, fueron desarrolladas por Nellensteyn en 1924, cuyo modelo fue mejorado más tarde por Pfeiffer y Saal en 1940, en base a limitados procedimientos analíticos disponibles en aquellos años. Ramón Moreno 18

28 CAPÍTULO II: MARCO TEORICO El modelo adoptado para configurar la estructura del asfalto se denomina modelo micelar, el cual provee de una razonable explicación de dicha estructura, en el cual existen dos fases; una discontinua (aromática) formada por dos asfáltenos y una continua que rodea y solubiliza a los asfáltenos, denominada maltenos. Las resinas contenidas en los maltenos son intermediarias en el asfalto, cumpliendo la misión de homogeneizar y compatibilizar a los de otra manera insoluble asfáltenos. Los maltenos y asfaltenos existen como islas flotando en el tercer componente del asfalto, los aceites Origen y naturaleza del asfalto A veces hay confusión acerca del origen del asfalto, de cómo es refinado, y como se clasifica en sus diferentes grados. Esto se debe a que el asfalto es usado para muchos propósitos. Existe una confusión similar respecto a ciertos términos relacionados con las propiedades del asfalto. Actualmente más del 90% de los asfaltos utilizados como ligantes en las mezclas asfálticas son producidos por la destilación fraccionada del crudo. Este proceso de destilación fraccionada o refinación del crudo comienza con su llegada en tanques cilíndricos, desde donde es bombeado a las unidades de destilación primaria, después de la deshidratación y desalación. El petróleo se hace circular por el interior de un horno alcanzando elevadas temperaturas, donde se vaporiza parcialmente para luego pasar a la torre atmosférica, en la cual, por diferencia de temperaturas de condensación (punto inicial y punto final), se obtiene las fracciones más livianas, como los gases de cima, la nafta, el JP-A (combustible para avión), el queroseno y el gasóleo atmosférico. Los elementos más volátiles alcanzan los niveles más altos del las torres y los más pesados no logran ascender. El crudo residual constituido por los componentes más pesados del petróleo y que no se lograron vaporizar a estas condiciones de Ramón Moreno 19

29 CAPÍTULO II: MARCO TEORICO presión y temperatura, pasan a una destilación al vacío donde se recuperan los gasóleos de vacío. En el fondo de la torre de vacío, se obtienen los residuos finales de esta destilación; que se conoce con el nombre de fondos de vacío. Si las características del crudo de alimentación son adecuadas, estos fondos de vacío son empleados directamente como asfalto para pavimentación; en caso contrario, el fondo es sometido a otros procesos. Se somete a tratamiento con disolventes de desasfaltado donde se extraen un poco más de gasóleos. Según Kirik, Raymond E. (1961), Los asfaltos de petróleo se obtienen principalmente como residuo de la destilación de ciertos crudos. Representan más de 90% de la producción total de asfaltos. La producción de asfaltos en los Estados Unidos pasa de de toneladas por año, que es aproximadamente el 3% de la producción total del petróleo crudo. El contenido de asfalto del petróleo varía según su procedencia, algunos crudos, como los de Pensilvania, no contienen ningún asfalto y en otros el contenido de asfalto puede ser el 20% o más. El petróleo se extrae de las bolsas o yacimientos que hemos descrito, perforando las capas impermeables que lo contienen, dicho por Manuel Velásquez (1961). No todos los petróleos crudos contienen asfaltos, las proporciones obtenidas son variables. Los crudos de petróleo se dividen fundamentalmente en dos grupos: crudos parafínicos y crudos asfálticos. Los crudos asfálticos son como su propio nombre lo indica, los más adecuados para la obtención de asfalto. La proporción de este material obtenida en estos crudos puede variar según su origen, pero la calidad del asfalto obtenido es siempre satisfactoria. Hay que observar que la calidad de un asfalto depende de en gran manera del crudo que se ha extraído, de tal forma que existe una verdadera producción Ramón Moreno 20

30 CAPÍTULO II: MARCO TEORICO especializada de crudos de petróleo para la producción de Asfaltos para aplicaciones determinadas. Los crudos parafínicos no contienen asfaltos en cantidades apreciables, y la calidad del que contienen no suele permitir su aprovechamiento directamente. A veces cuando no se dispone de otro crudo para la obtención de asfalto, se recurre al tratamiento de crudos parafínicos o semiparafínicos, mediante procesos de soplado que permiten la obtención de asfaltos de calidad escasamente satisfactoria, cuyo costo resulta forzosamente mas elevado que el de asfaltos obtenidos por destilación directa de crudos adecuados Refinación del petróleo El crudo de petróleo es refinado por destilación. Este es un proceso en el cual las diferentes fracciones (productos) son separadas fuera del crudo por medio de un aumento, en etapas, de la temperatura. Las fracciones livianas se separan por una destilación simple. Los destilados más livianos, usualmente llamados gasóleos, pueden ser separados solamente mediante la combinación de calor y vacío. El asfalto puede ser producido usando destilación por vacío a una temperatura aproximada de 480 ºC (900 ºF). Esta temperatura puede variar un poco, dependiendo del crudo de petróleo que este refinando, o el grado de asfalto que se este produciendo. Ramón Moreno 21

31 CAPÍTULO II: MARCO TEORICO Clasificación de los crudos La clasificación del petróleo se ha realizado atendiendo a las propiedades del crudo, las más usadas son: Clasificación según la gravedad API (U.N.I.T.A.R., 1982) Se fundamenta en los valores de gravedad específica y viscosidad a temperatura ambiente del crudo. De acuerdo a los datos, se tiene la siguiente clasificación: Crudos convencionales: Desde 52,5 hasta 25,1 API (densidad <0,904 g/cc). Crudos intermedios: Desde 25,0 hasta 20,1 API (0,904 < densidad < 0,934 g/cc). Crudos pesados: Desde 20,0 hasta 10,0 API (0,934< densidad <1,000 g/cc). Crudos extrapesados: Menores de 10,0 API (densidad > 1,000 g/cc, viscosidad máxima de cp). Arenas bituminosas: Viscosidad mayor de cp Clasificación de crudos según su composición (Tissot y Welte, 1984) La clasificación por su composición puede ser establecida sobre la base de las cuatro familias o grupos de compuestos químicos que lo conforman: hidrocarburos saturados, aromáticos, resinas y asfáltenos (abreviados como S.A.R.A., por las iniciales de los mismos). También toma en cuenta el contenido de azufre. De acuerdo a este criterio se tienen los siguientes tipos: Ramón Moreno 22

32 CAPÍTULO II: MARCO TEORICO Crudos parafínicos: Presentan una concentración de hidrocarburos saturados mayor del 50%, incluyendo principalmente alcanos normales e isoalcanos y menos de 1% de azufre. Crudos nafténicos o asfálticos: Incluyen una concentración de más de 50% de hidrocarburos saturados, un porcentaje de naftenos mayor del 40%, y menos del 1% de azufre. Esta clase incluye crudos degradados, los cuales generalmente contienen menos del 20% de n-alcanos e isoalcanos. Crudos parafínicos-nafténicos: Poseen porcentajes moderados de resinas más asfáltenos (generalmente 5-15%), además presentan una concentración de hidrocarburos saturados mayor del 50%, conteniendo tanto alcanos normales como cicloalcanos y un porcentaje de azufre menor de 1%. Crudos aromáticos-intermedios: Contienen menos de 50% de hidrocarburos saturados; el contenido de aromáticos, resinas y asfaltemos sobrepasa el 50%; estos crudos presentan una concentración de n-parafinas menor del 10% y generalmente más del 1% de azufre. Crudos aromáticos-nafténicos: Presentan concentraciones de hidrocarburos nafténicos mayor del 25 %, menos del 50 % de hidrocarburos saturados, menos de 1 % de azufre y además presentan menos del 10 % de n-parafinas. Crudos Aromáticos-Asfálticos: Presentan un porcentaje de hidrocarburos saturados menor de 50 %, menos de 10 % de n-parafinas, menos de 25 % de nafténicos y más del 1 % de azufre. Ramón Moreno 23

33 CAPÍTULO II: MARCO TEORICO Clasificación del asfalto Los asfaltos de pavimentación pueden clasificarse bajo tres tipos generales: Cemento asfáltico. Asfalto diluido (o cortado). Asfalto emulsionado. Los asfaltos diluidos y los emulsificados son usados, casi por completo, en las mezclas en frió y riego, y no se discutirán mas en este trabajo ya que el método que se analizará es el de mezcla en caliente Cementos asfálticos El pitch o fondo de vació que se obtiene en la refinería, es un cemento asfáltico de baja o alta consistencia dependiendo de las condiciones de temperatura y presión a la cual realizó la destilación. El cemento asfáltico es un ligante denso que además de sus propiedades aglomerantes, impermeabilizantes, posee características de flexibilidad, durabilidad y alta resistencia a la mayoría de los ácidos, sales y álcalis. Los cementos asfálticos están compuestos casi en su totalidad por betumenes que son solubles en disulfuro de carbono. Se designan por las letras CA y se clasifican por el grado de dureza o consistencia; la que se mide a través de ensayos analíticos de laboratorio. Ramón Moreno 24

34 CAPÍTULO II: MARCO TEORICO Betumenes asfálticos Se definen como betumenes asfálticos los ligantes hidrocarbonados sólidos o viscosos, preparados a partir de hidrocarburos naturales por destilación, oxidación o "cracking", que contienen una baja proporción de productos volátiles, poseen propiedades aglomerantes características y son esencialmente solubles en sulfuro de carbono Condiciones generales Los betunes asfálticos deberán presentar un aspecto homogéneo y estar prácticamente exentos de agua, de modo que no formen espuma cuando se calienten a la temperatura de empleo. De acuerdo con su denominación, las características de los betunes asfálticos deberán cumplir las especificaciones, características del uso y la región en la cual se piensa utilizar Usos del betún El uso del betumen como material de ingeniería data de la antigüedad, como afloramiento de las rocas Asfálticas y pozos de Alquitrán. Es usado hoy en día como: Concretos asfálticos. Techedumbres. Plásticos. Ramón Moreno 25

35 CAPÍTULO II: MARCO TEORICO Sellos Inhibidores de Corrosión Composición del asfalto Según Manuel Velásquez (1961), El estudio de la composición química de la estructura física del asfalto puede parecer innecesario para la mayor parte de los aplicadores, que suelen creer suficiente un conocimiento completo de aquellas propiedades físicas mas directamente relacionadas con la aplicación concreta a que se dediquen. Sin embargo, la experiencia demuestra que el manejo inteligente de cualquier material de construcción exige que se le conozca perfectamente, y este perfecto conocimiento solo es posible mediante el estudio completo de todas sus propiedades. Por otra parte, las propiedades físicas que más directamente interesan al aplicador esta íntimamente relacionadas con su composición y estructura, que no es posible entenderlas sin el estudio previo de estas, por somero que sea. El estudio riguroso y completo de la composición química y estructura física del asfalto es muy complicado y se sale, desde luego, de los límites de esta obra. Solo nos cabe dar una idea somera de los conocimientos actuales en este terreno, del que aun queda mucho por explicar. El asfalto como petróleo crudo, es una mezcla de un enorme número de hidrocarburos de tipos diversos, mezclados en proporciones también muy variables. Ramón Moreno 26

36 CAPÍTULO II: MARCO TEORICO La mayoría de estos hidrocarburos están presentes en petróleo crudo, pero el proceso de destilación da lugar a algunas transformaciones de carácter químico. Desde luego, los hidrocarburos que forman el asfalto son todos pesados, de molécula complicada, pues los hidrocarburos ligeros se eliminan en el proceso de destilación. Como el estudio de la composición química del asfalto en conjunto resulta bastante confuso, recurriremos al procedimiento usual de estudiar primeramente su estructura física, que permite clasificar los componentes en varias fracciones, cuya composición química se estudia separadamente. Kirk, Raymon E. dice: El asfalto es un sistema coloidal complejo de hidrocarburos, en el cual es difícil establecer una distinción clara entre la fase continua y la dispersa. Puede considerarse como una dispersión de micelas en componentes oleosos semejantes a aceites lubricantes densos, micelas peptizadas en grado variable. Las partículas dispersas se llaman asfáltenos; el contenido de asfaltenos de un asfalto se determina como porción insoluble en nafta de petróleo. Los asfáltenos son hidrocarburos de alto peso molecular (10 3 a 10 5 ), de carácter predominantemente aromático, y su razón C/H es aproximadamente 0.8 a 0.9. no se reblandecen por el calor, si no que se descomponen, se hinchan y se aglutinan. Son prácticamente insolubles en fracciones de petróleo, pero absorben del petróleo fracciones resinosas de peso molecular más bajo, que están presentes en el asfalto y actúan como el agente de dispersión para peptizar los asfaltenos. Es difícil dar una definición clara de las resinas, ya que no existe ningún método normalizado de separación, pero a menudo se separan por la absorción sobre arcilla de la solución de nafta después de precipitar los asfaltenos. Ramón Moreno 27

37 CAPÍTULO II: MARCO TEORICO Modelo de composición del asfalto Asfaltenos Maltenos >Compuestos Polares >Hidrocarburos Aromáticos >Peso molecular mayor > Precipitan como sustancias oscuras por dilución con parafinas de bajo punto de ebullición (pentano-heptano) >No polares >Hidrocarburos Alifáticos más nafténicos y Aromáticos >Peso molecular hasta >Medio continuo Tabla 01. Especificaciones para los asfaltos de pavimentación. Fuente ( Fraccionamiento del asfalto Tratando el asfalto con un hidrocarburo de bajo punto de ebullición se rompe la estructura coloidal, disolviéndose una parte del material, mientras que el resto se precipita en forma de partículas terrosas de color muy oscuro. Se llama asfaltenos a los cuerpos que precipitan, y maltenos a los que quedan disueltos. Los maltenos, a su vez, suelen dividirse en resinas y aceites. Se llaman resinas los compuestos de los maltenos con mayor poder de absorción, y aceites a los de menor poder. Se separan filtrando la dilución obtenida a través de un filtro de arcilla activada, que retiene las resinas mientras que los aceites quedan en la dilución. Los aceites pueden separarse por destilación de la disolución y las resinas lavando el filtro con un disolvente mas activo y destilando posteriormente. Ramón Moreno 28

38 CAPÍTULO II: MARCO TEORICO De este proceso de descomposición se deduce que los asfaltemos son los principales componentes del núcleo de las micelas, los aceites predominan en el líquido intermicelar y las resinas constituyen una fase intermedia entre núcleo y líquido intermicelar, pudiéndose representar el asfalto esquemáticamente de la siguiente manera: Fuente (Velásquez, Manuel (1961) Fig. 03 (Fraccionamiento del asfalto) La distinción que hemos hecho entre asfaltenos, resinas y aceites no es absoluta, ya que las proporciones varían con el solvente empleado en la precipitación de los asfaltenos y con el tipo de filtro empleado en la separación de las resinas y aceites. La mayor parte del betún está formado por asfaltenos y maltenos. Para explicar bien el comportamiento de los betunes, los comparamos con una disolución coloidal, donde las micelas son los asfaltenos y el medio de dispersión los maltenos. Ramón Moreno 29

39 CAPÍTULO II: MARCO TEORICO Cuando tenemos pocos asfaltenos (micelas) y más maltenos (medio de dispersión), tendremos una disolución coloidal de tipo sol. Cuando hay más asfaltenos y menos maltenos, tendremos una disolución coloidal de tipo gel. En este tipo de disolución, hay interacciones entre las entre las micelas y por tanto hay que hacer un esfuerzo mayor para deformarla. Es más viscosa que la anterior. Si se da como característica de un asfalto su contenido de asfaltenos, debe indicarse simultáneamente el tipo de disolvente empleado en la separación. Esto confirma el hecho real de que no existen en la composición del asfalto fronteras definidas entre fases, si no que todos sus componentes se ordenan en una transacción gradual que va desde los asfaltenos (más pesados) a los aceites (más ligeros), del mismo modo que se pase insensiblemente de un color a otro del espectro luminoso pasando por todas las gradaciones intermedias. Sin embargo, también esta es una idea excesivamente simplificada, pues a veces puede ocurrir así, pero pueden existir tipos de asfaltos en que se presente algún tipo de salto brusco, ya que no en las propiedades físicas, en la variación de estas propiedades Composición química de los maltenos Velásquez Manuel (1961), en la determinación de la composición química de los maltenos se recurre fundamentalmente a dos métodos: el análisis por combustión y el análisis de los anillos de Waterman. El análisis por combustión permite determinar la combustión (C:H) entre los números de átomo de carbono e hidrógeno presentes en el cuerpo analizado. Esta relación es índice del carácter más o menos armónico de los hidrocarburos. Así, en los hidrocarburos saturados de cadena abierta Ramón Moreno 30

40 CAPÍTULO II: MARCO TEORICO en el benceno, Lo que nos indica C H crece con el carácter aromaticote los hidrocarburos. C H En los maltenos contenidos en asfaltos residuo de la destilación del petróleo, varía de 0,65 a 0,73 en los procedentes de asfaltos oxidados, de 0,62 a 0,64. El análisis de los anillos Waterman permite determinar en una mezcla de hidrocarburos el porcentaje de átomos de carbono contenido en las estructuras aromáticas, naftènicas y parafìnicas. Separando los maltenos en fracciones de distinto punto de ebullición el análisis de los anillos permite comprobar que el porcentaje de átomos de carbono en la estructura aromático contenido en cada fracción es mayor cuanto mas alto es el punto de ebullición. Los anillos Nafténicos y cadenas parafinitas. Ramón Moreno 31

41 CAPÍTULO II: MARCO TEORICO Como hemos visto antes, los maltenos se separan por métodos físicos en resinas y aceites. Las resinas son más pesadas que los aceites, tienen un punto de ebullición más elevado y un carácter aromático Composición química de los asfaltenos El análisis de los anillos de Waterman no es aplicable a los asfaltenos, por lo que estos se han estudiado únicamente mediante análisis de combustión. También se han estudiado examinándolos por rayos X, sin que este método haya permitido a llegar a afirmaciones concluyentes. La relación C: H es superior a 0,8 en los asfaltenos de la mayoría de los asfaltos, de donde se ha deducido su carácter fuertemente aromático. En definitiva, podemos decir que los asfaltenos contienen las moléculas más pesadas del asfalto y tienen un carácter aromático muy marcado. El contenido en aromáticos decrece gradualmente en la serie asfaltenos-resinas-aceites. Los asfaltenos se componen de hidrocarburos aromáticos con pocas cadenas parafínicas y los maltenos principalmente de hidrocarburos saturados, tanto nafténicos como parafínicos, con cierto número de anillos aromáticos, elevado en las resinas pesadas y reducido en los aceites ligeros. Aparte de los hidrocarburos que hemos visto, son sus principales componentes, tanto en el asfalto natural como en el que procedente de la destilación del petróleo, se encuentran a veces trazas de oxigeno, nitrógeno, azufre y algunos otros elementes, de cuya forma de presentación sabemos poco, salvo que parte del oxigeno forma parte de los ácidos nafténicos. Los ácidos nafténicos son de la forma: Ramón Moreno 32

42 CAPÍTULO II: MARCO TEORICO y tienen gran interés por su importancia en la adhesividad del asfalto a ciertas materias y en las emulsiones del asfalto Refinación del asfalto Diferentes usos requieren diferentes tipos de asfalto. Los refinadores de crudo deben tener maneras de controlar las propiedades de los asfaltos que producen, para que estos cumplan con ciertos requisitos. Esto se logra, usualmente, mezclando varios tipos de crudo de petróleo antes de procesarlos. El hecho de poder mezclar permite al refinador combinar crudos que tienen asfaltos de características variables, para que el producto final posea exactamente las características solicitadas por el usuario. Existen dos procesos por los cuales puede ser producido un asfalto, después de que se han combinado los crudos de petróleo: destilación por vacío y extracción con solventes. Como se discutió anteriormente, la destilación por vacío consiste en separar el asfalto del crudo mediante la aplicación de calor y vacío. En el proceso de extracción con solvente, se remueven mas gasóleos del crudo, dejando así el asfalto residual. Una vez que los asfaltos han sido procesados, estos pueden ser mezclados entre sí, en ciertas proporciones, para producir grados intermedios de asfalto. Es así Ramón Moreno 33

43 CAPÍTULO II: MARCO TEORICO como un asfalto muy viscoso y uno menos viscoso pueden ser combinados para producir asfaltos de viscosidad intermedia. En resumen para producir asfaltos con características especificas, se usa el crudo de petróleo o mezclas de crudo de petróleo. El asfalto es separado de las otras fracciones del crudo por medio de destilación al vació o extracción con solventes. A veces se destila un crudo con alto contenido de asfalto y la destilación se lleva de forma que sea el asfalto obtenido el que reúna determinadas características, considerando como residuos el resto de los productos, que requerirán un tratamiento posterior para ser utilizados. Según Velásquez, Manuel (1961). En otras ocasiones, el asfalto es solo un producto secundario llevada de forma que sean otros los productos que resulten con características determinadas, y este asfalto, si ha de ser aprovechable requiere un tratamiento posterior. Fuente ( Fig. 04 Refinación de petróleo Ramón Moreno 34

44 CAPÍTULO II: MARCO TEORICO Obtención de asfaltos en refinerías El crudo de petróleo es una mezcla de distintos hidrocarburos que incluyen desde gases muy livianos como el metano hasta compuestos semisólidos muy complejos, los componentes del asfalto. Para obtener este debe separarse entonces las distintas fracciones del crudo de petróleo por destilaciones que se realizan en las refinerías de petróleo Destilación primaria Es la primera operación a que se somete el crudo. Consiste en calentar el crudo en hornos tubulares hasta aproximadamente 375ºC. Los componentes livianos (nafta, kerosene, gas oil), hierven a esta temperatura y se transforman en vapor. La mezcla de vapores y líquido caliente pasa a una columna fraccionadora. El líquido o residuo de destilación primaria se junta todo en el fondo de la columna y de ahí se bombea a otras unidades de la refinería Destilación al vacío Para separar el fondo de la destilación primaria, otra fracción libre de asfaltenos y la otra con el concentrado de ellos, se recurre comúnmente a la destilación al vacío. Difiere de la destilación primaria, en que mediante equipos especiales se baja la presión (aumenta el vacío) en la columna fraccionadora, lográndose así que las fracciones pesadas hiervan a menor temperatura que aquella a la que hervían a la presión atmosférica. El producto del fondo de la columna, un residuo asfáltico más o menos duro a temperatura ambiente, se denomina residuo de vacío. De acuerdo a la Ramón Moreno 35

45 CAPÍTULO II: MARCO TEORICO cantidad de vacío que se practica en la columna de destilación, se obtendrán distintos cortes de asfaltos que ya pueden ser utilizados como cementos asfálticos Desasfaltización con propano o butano El residuo de vacío obtenido por destilación al vacío, contiene los asfaltenos dispersos en un aceite muy pesado, que, a la baja presión (alto vacío) y alta temperatura de la columna de vacío, no hierve (se destila). Una forma de separar el aceite de los asfaltenos es disolver (extraer) este aceite en gas licuado de petróleo. El proceso se denomina "desasfaltización" y el aceite muy pesado obtenido, aceite desasfaltizado. Se utiliza como solvente propano o butano líquido, a presión alta y temperaturas relativamente moderadas (70 a 120 ºC). El gas licuado extrae el aceite y queda un residuo semisólido llamado "bitumen" Oxidación del asfalto Es un proceso químico que altera la composición química del asfalto. El asfalto está constituido por una fina dispersión coloidal de asfaltenos y maltenos. Los maltenos actúan como la fase continua que dispersa a los asfaltenos. Las propiedades físicas de los asfaltos obtenidos por destilación permiten a los mismos ser dúctiles, maleables y reológicamente aptos para su utilización como materias primas para elaborar productos para el mercado vial. Al "soplar" oxígeno sobre una masa de asfalto en caliente se produce una mayor cantidad de asfaltenos en detrimento de los maltenos, ocasionando así de esta manera una mayor fragilidad, mayor resistencia a las altas temperatura y una variación de las condiciones reológicas iniciales. Fuente ( Ramón Moreno 36

46 CAPÍTULO II: MARCO TEORICO Usos en ingeniería El asfalto es un material altamente viscoso que mantiene adheridos a los granos del agregado, este asfalto le confiere a la mezcla excelentes cualidades de impermeabilidad, así como resistencia tanto a los ácidos como a las sustancias alcalinas y sales. El asfalto se presta particularmente bien para la construcción por varias razones: Proporciona una buena unión y cohesión entre agregados, incrementando por ello la resistencia con la adición de espesores relativamente pequeños. Capaz de resistir la acción mecánica de disgregación producida por las cargas de los vehículos. Impermeabiliza la estructura del pavimento, haciéndolo poco sensible a la humedad y eficaz contra la penetración del agua proveniente de las precipitaciones. Proporciona una estructura de pavimento con características flexibles. En la mayoría de los casos, al asfalto utilizado para pavimentar las calles, es el residuo de las refinerías después de haber destilado del petróleo crudo una gran cantidad de otros productos. Los usos del asfalto pueden dividirse de una manera general en industriales y de ingeniería, los últimos, que son los que estudiamos aquí son la pavimentación de caminos, según Kirik, Raymond E. (1961). En general, los asfaltos de calidad para pavimentación, se emplean cuando son económicos los métodos para los métodos de mezcla en caliente y en especial cuando es posible colocar y apisonar la mezcla en caliente. Ramón Moreno 37

47 CAPÍTULO II: MARCO TEORICO Seria imposible examinar aquí en detalle las razones para elegir uno u otro tipo de asfalto en una aplicación dada de ingeniería; entre ellas están el clima, la estación del año, el equipo disponible, las condiciones de trabajo, el tipo de agregados, la factibilidad de adquisición y las preferencias personales. En igualdad de condiciones, son preferibles lo asfaltos de calidad de pavimentación cuando pueden disponerse económicamente de agregados minerales científicamente comprobados y de la maquinaria bastante complicada que se necesita; pero los métodos relativamente sencillos que pueden emplearse con los asfaltos líquidos y sus limites de miscibilidad mas amplios con diferentes suelos y agregados hacen que sean muy empleados. En las regiones de clima cálido, como sucede en Arizona, solo puede evitarse que se endurezca y se haga quebradizo en un grado excesivo empleando aceite de curado lento. En general en los Estados Unidos los aceites de curado lento son los más empleados. El número de calidades representa la demanda de diferentes agregados de consistencia inicial para su aplicación. Los tres tipos, RC (rapad curing), MC (médium curing) y SC (slow curing), o lo que es lo mismo decir curado rápido, curado medio y curado lento, respectivamente, proporcionan diferentes velocidades de curado. Los asfaltos para usos industriales llegan de las refinerías en las formas siguientes: Calidad de penetración o asfaltos para pavimentos Asfaltos Líquidos: o Asfaltos cortados de curado rápidos (RC=rapid-curing). o Asfaltos cortados de curado medio (MC=médium-curing). o Aceites de curado lento (aceites para caminos y aceites combustibles), (SC=slowcuring). Ramón Moreno 38

48 CAPÍTULO II: MARCO TEORICO Emulsiones. Asfaltos insuflados para techar Composición de los asfaltos líquidos: La figura 01, a continuación indica de que están hechos los diferentes tipos de asfalto líquido explicando así el tipo de solvente que cada uno está fabricado. Fuente: Kirik, Raymond E. (1961) Fig. 01. Composición de asfaltos líquidos. Los cortados de curado rápido se hacen añadiendo nafta o gasolina a los asfaltos de pavimentación; los de curado medio añadiendo queroseno; los aceites de curado lento son crudos asfálticos parcialmente destilados (Curado o maduración es el desarrollo gradual después que se ha aplicado el asfalto). Ramón Moreno 39

49 CAPÍTULO II: MARCO TEORICO Penetración de los asfaltos líquidos El instituto de asfalto ha dado una serie de especificaciones normalizadas que se usan muco para las calidades de penetración y de los asfaltos líquidos, y también ha explicado en forma muy completa la derivación de las diferentes calidades. b La calidad a emplear dependerá del tipo de construcción, del clima y d la clase y la naturaleza del tráfico. Hoy se tiende a emplear las calidades mas blandas que satisfacen las calidades impuestas. c Úsese el método num. 1 con tetracloruro de carbono en vez de sulfuro de carbono. d Úsese el método aprobado por la oficina de explosivos. Fuente: Kirik, Raymond E. (1961) Tabla II. Especificaciones para los asfaltos de pavimentación. El asfalto usado en pavimentación, generalmente llamado cemento asfáltico, es un material viscoso (espeso) y pegajoso. Se adhiere fácilmente a las partículas del Ramón Moreno 40

50 CAPÍTULO II: MARCO TEORICO agregado y, por lo tanto, es un excelente cemento para unir partículas de agregado en un pavimento de mezcla en caliente. El cemento asfáltico es un excelente material impermeabilizante y no es afectado por los ácidos, los álcalis (las bases) o las sales. Esto significa que un pavimento de cemento asfáltico construido adecuadamente es impermeable y resistente a muchos tipos de daño químico. El asfalto cambia cuando es calentado y/o envejecido. Tiende a volverse duro y frágil y también a perder la capacidad a adherirse a las partículas del agregado. Estos cambios pueden ser minimizados si se comprenden las cualidades del asfalto, y se toman las medidas, durante la construcción, para garantizar que el pavimento terminado sea construido de tal manera que pueda ser retardarse el proceso de envejecimiento Propiedades del asfalto Propiedades químicas Químicamente, el petróleo está definido como una mezcla de hidrocarburos y compuestos orgánicos heteroatómicos, que contiene azufre, oxígeno, nitrógeno y trazas de metales, principalmente vanadio y níquel. La suma combinada de estos heteroátomos rara vez excede un 10 % en peso del crudo total (Escobar y Galárraga, 1987). Los hidrocarburos presentes en el petróleo pueden clasificarse en: saturados (Parafinas normales, ramificadas y cíclicas), y aromáticos (bencenos y sus derivados policondensados con o sin sustituyentes alquílicos). Entre los principales compuestos que contienen heteroátomos, se han identificado moléculas orgánicas sencillas, como benzotiofeno y sus derivados, porfirinas metálicas y sustancias orgánicas complejas, de alto peso molecular y estructuras aún no bien definidas, denominadas resinas y Ramón Moreno 41

51 CAPÍTULO II: MARCO TEORICO asfáltenos. Estos últimos dos grupos de compuestos, están constituidos por núcleos poliaromáticos condensados, unidos por cadenas las cuales pueden o no contener heteroátomos (Escobar y Galárraga, 1987). ELEMENTO CONCENTRACIÓN (% EN PESO) Carbono Hidrógeno Azufre 0,1-6 Nitrógeno 0,1-1,5 Oxígeno 0,3-1,2 Vanadio ppm Níquel ppm Fuente (Escobar y Galárraga, 1987). Tabla III (Composición química del asfalto) Composición elemental de crudos convencionales (tomada de Hunt, 1996) Fuente (Escobar y Galárraga, 1987). Fig. 07 (Tipos de hidrocarburos encontrados en el petróleo.) Ramón Moreno 42

52 CAPÍTULO II: MARCO TEORICO Velásquez, Manuel (1961) dice que: El asfalto, como el petróleo crudo es una mezcla de un enorme número de hidrocarburos de tipos diversos, mezclados en proporciones también muy variables. La mayoría de de estos hidrocarburos están presentes en el petróleo crudo, pero el proceso de destilación da también lugar a algunas transformaciones de carácter químico. Desde luego, los hidrocarburos que forman el asfalto son todos pesados, de molécula complicada, pues los hidrocarburos ligeros se eliminan en el proceso de destilación. En los asfaltos naturales, junto a hidrocarburos pesados similares a los que se encuentran en los asfaltos procedentes de la destilación de petróleo, se encuentran diversas sustancias no hidrocarbonadas. El asfalto tiene propiedades químicas únicas que lo hacen muy versátil como material para la construcción de carreteras. Básicamente, el asfalto esta compuesto para varios hidrocarburos (combinaciones moleculares de carbono e hidrógeno) y trazas de azufre, oxigeno y nitrógeno y otros elementos. El asfalto cuando es disuelto en heptano puede ser separado en dos fases principales: asfáltenos y maltenos. Los asfáltenos no se disuelven en el heptano. Los asfáltenos, una vez separados de los maltenos, son usualmente de color negro o pardo oscuro y se parecen a polvo negro de grafito. Los maltenos no se disuelven en el heptano. Son líquidos viscosos compuestos de resinas y aceites. Las resinas son por lo general, los líquidos pesados de color ámbar o pardo oscuro, mientras que los aceites son de color mas claro. Las Ramón Moreno 43

53 CAPÍTULO II: MARCO TEORICO resinas proporcionan cualidades adhesivas (pegajosidad) en el asfalto, mientras que los aceites actúan como un medio de transporte para los asfáltenos y las resinas. La proporción de asfáltenos y maltenos en el asfalto puede variar por un sinnúmero de factores, incluyendo altas temperaturas, exposición a la luz y al oxigeno, tipo de agregado usado en la mezcla del pavimento, y espesor de la película de asfalto en las películas de agregado. Las reacciones y cambios que pueden ocurrir incluyen: evaporación de los compuestos más volátiles, oxidación (combinación de moléculas de hidrocarburo con moléculas de oxigeno), poliremización (combinación de dos o más moléculas para formar una molécula mas pesada), y otros cambios químicos que puedan afectar considerablemente las propiedades del asfalto. Las resinas se convierten gradualmente en asfaltenos, durante estas reacciones, y los aceites se convierten en resinas, ocasionando un aumento en la viscosidad del asfalto. Es necesario entonces verificar los valores del aumento de la viscosidad con el envejecimiento Propiedades físicas del asfalto El asfalto es un material aglomerante, resistente, muy adhesivo, altamente impermeable y duradero; capaz de resistir altos esfuerzos instantáneos y fluir bajo acción de calor o cargas permanentes. Componente natural de la mayor parte de los petróleos, en los que existe en disolución y que se obtiene como residuo de la destilación al vacío del crudo pesado. Es una sustancia plástica que da flexibilidad controlable a las mezclas de áridos con las que se le combina usualmente. Su color varía entre el café oscuro y el negro; de consistencia sólida, semisólida o líquida, dependiendo de la temperatura a la que se exponga o por la acción de disolventes de volatilidad variable o por emulsificación. Ramón Moreno 44

54 CAPÍTULO II: MARCO TEORICO Las propiedades físicas del asfalto, de mayor importancia para el diseño, construcción y mantenimiento de carreteras son: Durabilidad. Adhesión. Susceptibilidad a la temperatura. Envejecimiento. Endurecimiento Durabilidad Es la medida de que tanto puede retener un asfalto sus características originales cuando es expuesto a procesos normales de degradación y envejecimiento. Es una propiedad juzgada principalmente a través del comportamiento del pavimento, y por consiguiente es difícil de definir solamente en términos de las propiedades del asfalto. Esto se debe a que el comportamiento del pavimento está afectado por el diseño de la mezcla, las características del agregado, la mano de obra en la construcción, y otras variables, que incluyen la misma durabilidad del asfalto. Sin embargo, existen pruebas rutinarias usadas para evaluar la durabilidad del asfalto. Estas son la Prueba de Película Delgada en Horno (TFO) y la Prueba de Película Delgada en Horno Rotatorio (RTFO). Ambas incluyen calentamiento de películas delgadas de asfalto. Ramón Moreno 45

55 CAPÍTULO II: MARCO TEORICO Adhesión y cohesión Adhesión es la capacidad del asfalto para adherirse al agregado en la mezcla de pavimentación. Cohesión es la capacidad del asfalto de mantener firmemente, en su puesto las partículas de agregado en el pavimento terminado. El ensayo de Ductibilidad no mide directamente la adhesión y la cohesión; más bien, examina una propiedad del asfalto considerada por algunos como la relación de la adhesión y la cohesión. En consecuencia, el ensayo es del tipo de califica o no califica, y solo puede indicar si la muestra es, o no, lo suficiente dúctil como para cumplir con los requisitos mínimos Susceptibilidad a la temperatura Todos los asfaltos son termoplásticos; esto es, se vuelven mas duros (más viscosos) a medida que su temperatura disminuye, y más blandos (más viscosos) a medida que su temperatura aumenta. Esta característica se conoce como susceptibilidad a la temperatura y es una de las propiedades más valiosas en un asfalto. La susceptibilidad a la temperatura varía entre asfaltos de petróleos de diferente origen, aun si los asfaltos tienen el mismo grado de consistencia. Dos asfaltos que tienen el mismo grado de penetración pero que provienen de dos crudos diferentes de origen, podrían tener a una cierta temperatura dos viscosidades diferentes. Esto se debe a que los dos asfaltos tienen diferente susceptibilidad a la temperatura. La conclusión de esto; es que, sin importar el sistema de clasificación utilizado puede haber asfaltos derivados de crudos diferentes, con diferente susceptibilidad a la temperatura. Ramón Moreno 46

56 CAPÍTULO II: MARCO TEORICO Debe entenderse que es de vida útil la importancia que un asfalto sea susceptible a la temperatura. Debe tener suficiente fluidez a las altas temperatura para que pueda cubrir las partículas del agregado durante el mezclado y así permitir que estas partículas se desplacen unas respecto a otras durante la compactación. Luego deberá volverse lo suficiente viscoso, a temperaturas normales, para mantener unidas las partículas del agregado Endurecimiento y envejecimiento Los asfaltos tienden a endurecerse en la mezcla asfáltica durante la construcción y también en el pavimento terminado. Este endurecimiento es causado principalmente por el exceso de oxidación (el asfalto combinándose con el oxigeno), el cual ocurre mas fácilmente a altas temperaturas (como las temperaturas de construcción) y en películas delgadas de asfalto (como la película que cubre las partículas del agregado. El asfalto se encuentra a altas temperaturas y en películas delgadas mientras esta revistiendo las películas del agregado mientras el mezclado. Esto hace que la oxidación y el endurecimiento más severo ocurran al momento del mezclado. No todos los asfaltos se endurecen en la misma velocidad cuando son calentados en películas delgadas. Por lo tanto, cada asfalto debe ser ensayado por separado para poder determinar sus características de envejecimiento, y así poder ajustar las técnicas constructivas para minimizar el endurecimiento. Estos ajustes incluyen mezclar el asfalto con el agregado a la temperatura más baja posible y durante el tiempo mas corto pueda obtenerse en la práctica. El envejecimiento del asfalto continúa en el pavimento después de la construcción. Una vez más, las causas principales son la oxidación y la polimerización. Ramón Moreno 47

57 CAPÍTULO II: MARCO TEORICO Estos pueden ser tratados si se mantiene, en el pavimento determinado, una cantidad pequeña de vacíos (de aire) interconectados, junto con una capa gruesa de asfalto cubriendo las partículas del agregado Mecánica de las mezclas agregado-asfalto La mecánica de estas combinaciones constituye una rama muy compleja del análisis de ingeniería; la temperatura la rapidez con la que se aplica la carga afectan de una manera vital no solo el comportamiento mecánico del agregado, que es completamente distinto al del asfalto, siendo ambos muy complejos, sino también a las propiedades mecánicas del asfalto. La resistencia es mínima a temperaturas elevadas y velocidades pequeñas y es máxima a temperaturas bajas y gran rapidez. Los asfaltos que se comportan como líquidos puros aunque relativamente rígidos, bajo presiones de cargas constantes, pueden hacerse quebradizos y elásticos por defectos de choques o cargas transitorias. A 60 ºC., o más casi todos los asfaltos normales para carreteras pierden en 90%, o más, de su resistencia mecánica. Aunque es difícil la posibilidad que fallen estos materiales, en sentido de que falla o se derrumba un puente, los ingenieros procuran la eficiencia en el servicio en estos dos aspectos: 1) las mezclas inestables a normalmente altas en las carreteras se desplazan por el trafico; se forman surcos y depresiones y hay transferencia excesiva de carga firme o al material que sirve de base; 2) Las mezclas quebradizas a bajas temperaturas se agrietan bajo el trafico, crean superficies ásperas y finalmente dejan llegar el agua hasta la base, a menudo con resultados destructores. El problema de medir las tendencias de las mezclas a hacerse quebradizas y a agrietarse no ha progresado hasta encontrar solución, auque se conocen bien los métodos de prevención. Las fuerzas que producen este fenómeno son genéricamente Ramón Moreno 48

58 CAPÍTULO II: MARCO TEORICO de la índole de la fatiga y dependen no solo de la temperatura y la dureza de la mezcla empleada para hacer el pavimento, sino también de la elasticidad de los materiales subyacentes, el peso, la velocidad, la frecuencia del tráfico, etc Durabilidad de los asfaltos Alteraciones debidas a los agentes atmosféricos Los materiales bituminosos expuestos a la acción del aire y del sol se oxidan con rapidez variable. La luz ultravioleta es un factor importante para estimular la oxidación. Por otro lado, como en la práctica normal no se quitan al asfalto todos los materiales volátiles, se produce una evaporación lenta. El resultado es el endurecimiento. La oxidación en la superficie produce una película cuya estructura molecular tiende a encogerse y, por consiguiente, a producir grietas queda entonces mas expuesta a los agentes atmosféricos y se oxida a su vez y hace que se haga mas profunda la grieta, de modo que la que finalmente la base queda al descubierto, a menos que se adopten medidas para impedirlo. Sin embargo algunas carreteras construidas hace cuarenta años, en las cuales el asfalto todavía es plástico, y algunos tejados de una antigüedad parecida, muestran que esos efectos no son graves. Una medida para contrarrestar los efectos consiste en reforzar el cuerpo fluido del asfalto con el relleno de partículas minerales más gruesas que impidan la contracción y la ruptura de la película superficial. Cuando esto se hace correctamente, es poco el deterioro que se produce, aparte la formación lente de algún material soluble en agua, que se pierde gradualmente pero, con una rapidez muy pequeña en los buenos asfaltos. En las carreteras en que las partículas están muy distribuidas sobre las partículas, las grietas debidas a la contracción son muy poco visibles; pero si las películas se endurecen pierden su poder aglutinante y la superficie de la carretera se Ramón Moreno 49

59 CAPÍTULO II: MARCO TEORICO agrieta por el efecto del tráfico. Por consiguiente, la mejor protección contra el endurecimiento es emplear una mezcla tanto como de asfalto como sea posible sin que la masa se haga demasiado plástica. Esto da como resultado producir películas espesas y excluir el aire en grado considerable. Puesto que la oxidación y la evaporación son efectos superficiales, que desaparecen rápidamente a medida que aumenta la profundidad, y con rapidez bastante mayor que en la relación directa, un aumento absoluto muy pequeño en el espesor de la película puede prolongar la plasticidad del pavimento mucho mas tiempo e incluso indefinidamente Resistencia al agua El segundo en importancia de los enemigos de los materiales asfálticos es el agua, ya sea en estado liquida o vapor. Los daños producidos por el agua se deben a que una superficie mineral, si no ha sido objeto de un tratamiento especial o se usa en condiciones especiales, suele tener más afinidad por el agua que por el asfalto. Esto puede expresarse cuantitativamente por la relación del ángulo de contacto entre las interfaces agua-asfalto-mineral, que es desfavorable para el desplazamiento de agua por el asfalto sobre la superficie mineral. El remedio evidente es tratar las superficies del agregado para producir una polaridad favorable a la adherencia del asfalto, disminuir la tensión superficial del asfalto, eliminar la humedad del agregado he introducir en el asfalto componentes polares. Con arreglo a las relaciones interfasales antes mencionadas, el agua no eliminará el asfalto de una superficie mineral si una parte seca esta completamente cubierta por una película asfáltica, si la película en cuestión es impermeable. Es impermeable, hablando prácticamente, al agua líquida, pero no completamente impermeable al vapor de agua. Por consiguiente algunos creen, con bastante lógica, que el vapor de agua es más superficial que el agua líquida, con la propiedad de formar Ramón Moreno 50

60 CAPÍTULO II: MARCO TEORICO depósitos de agua liquida sobre la superficie del material debajo d una película asfáltica, que son los puntos iniciales de desguarnecimiento Propiedades físicas del asfalto para pavimentos Viscosidad Las especificaciones de los ensayos de los trabajos de pavimentación requieren, generalmente, ciertos valores de viscosidad a temperatura de 60 ºC (140 ºF) y 135 ºC (275 ºF). La viscosidad a 60 ºC (140 ºF) es la utilizada para clasificar el cemento asfáltico. Ella representa la viscosidad del cemento asfáltico a la temperatura más alta que el pavimento puede llegar a experimentar durante su servicio. La Viscosidad a 135 ºC (275 ºF) corresponde, aproximadamente, a la viscosidad del asfalto durante el mezclado y su colocación. El conocer la consistencia de un asfalto dado a estas dos temperaturas ayuda a determinar si el asfalto dado a estas dos temperaturas ayuda a determinar si el asfalto es apropiado o no para el pavimento que esta siendo diseñado. La prueba de viscosidad a 60 ºC (140) utiliza un viscosímetro de tubo capilar, el cual consiste en un tubo calibrado de vidrio que mide el flojo de asfalto. El viscosímetro es colocado en un baño de agua con temperatura controlada y es precalentado a 60 ºC (140 ºF). Luego se vierte en un extremo ancho del viscosímetro, una muestra de cemento asfáltico calentada a la misma temperatura. A temperatura de 60ºC (140ºF), es necesario aplicar un vacío parcial al extremo pequeño del tubo para pasar asfalto a través del mismo, debido a que el cemento asfáltico es muy viscoso y no puede fluir fácilmente a través de la estrecha abertura del tubo capilar. El tiempo que el asfalto toma para pasar de una marca a otra del tubo es Ramón Moreno 51

61 CAPÍTULO II: MARCO TEORICO registrado, a medida que este comienza a fluir. Este tiempo es convertido fácilmente a poises, siendo la unidad normal de medida para viscosidad de asfaltos. El ensayo de viscosidad a 135 ºC (275 ºF) es similar al ensayo descrito anteriormente; sin embargo, debe haber ciertas variaciones debido a que la temperatura es mas alta. En primer lugar, es necesario usar un aceite claro en baño con temperatura controlada debido a que el agua se evaporaría a 135ºC (275 ºF). En segundo lugar, se utiliza un viscosímetro que no requiera de la aplicación de vacío ya que el cemento asfáltico posee suficiente fluidez a 135 ºC (275 ºF). Por ultimo, la medida de la velocidad utilizada es convertida a centistokes en vez de poises, debido a que el flujo a través del tubo es inducido por gravedad y no por vacío Penetración El ensayo de penetración es otra medida de la consistencia. La prueba esta incluida en las especificaciones basadas en viscosidad para impedir para impedir que sean usados los cementos asfálticos que tengan valores inapropiados de penetración a 25 ºC (77 ºF). La prueba de penetración consiste, como primera medida, en estabilizar una muestra de cemento asfáltico a una temperatura d 25ºC (77 ºF) en un baño de agua con una temperatura controlada. Seguidamente, una aguja de dimensiones prescritas se coloca sobre la superficie de la muestra bajo una carga de 100 gramos y por un tiempo de 5 segundos exactos. La distancia que la aguja penetra en el cemento asfáltico es registrada en unidades de 0.1 mm. La cantidad de estas unidades es llamada penetración de la muestra. Ramón Moreno 52

62 CAPÍTULO II: MARCO TEORICO Punto de inflamación El punto de inflamación de un cemento asfáltico es la temperatura más baja a la cual se separan materiales volátiles de la muestra y crean un destello en presencia de una llamada llama abierta. El punto de inflamación no debe ser confundido con el punto de combustión, el cual es la temperatura más baja a la cual el cemento asfáltico se inflama y se quema. El punto de inflamación consiste, tan solo, en la combustión instantánea de las fracciones volátiles que están separando el asfalto. El punto de punto de inflamación de un cemento asfáltico se determina para identificarla temperatura máxima a la cual este puede ser manejado y almacenado sin peligro de que se inflame. Esta información es muy importante debido a que el cemento asfáltico es generalmente calentado en su almacenaje con el fin de mantener su viscosidad lo suficiente baja para que el material pueda ser bombeado. El procedimiento básico para determinar el punto de inflamación consiste en calentar, gradualmente, una muestra de cemento asfáltico en una copa de latón mientras se esta aplicando una pequeña llama sobre la superficie de la muestra. La temperatura a la cual se presentan los destellos instantáneos de vapores sobre la superficie se denomina punto de inflamación. El ensayo de copa abierta de Cleveland es el procedimiento mas comúnmente usado para determinar el punto de inflamación. Sin embargo, el ensayo Penky-Martens es a veces usado. Ambos sirven para el mismo propósito Ductilidad La ductilidad es una medida de cuanto puede ser estirada la muestra de asfalto antes de que se rompa en dos. La ductilidad es la medida mediante una prueba de extensión en donde una probeta de cemento asfáltico es extendida o estirada a una Ramón Moreno 53

63 CAPÍTULO II: MARCO TEORICO velocidad y una temperatura especifica. El estiramiento continúa hasta que el hilo de cemento asfáltico se rompa. La longitud del hilo de material en el momento del corte se mide en centímetros y se denomina ductilidad de la muestra Solubilidad El ensayo de solubilidad es un procedimiento para medir las purezas de un cemento asfáltico. Una muestra es sumergida en un solvente (tricloroetileno) en donde se disuelven sus componentes cementantes activos. Las impurezas como sales, el carbono libre y los contaminantes inorgánicos no se disuelven si no que se depositan en el fondo de la partícula. Estas impurezas insolubles son luego filtradas fuera de la solución y medidas como una proporción de la muestra original Peso especifico El Peso Específico es la proporción del peso de cualquier volumen de material al peso de un volumen igual de agua, ambos a temperatura determinada. Como ejemplo, una sustancia con poco peso especifico de 1.6 pesa 1.6 veces mas que el agua. El Peso Específico de un cemento asfáltico no se indica, normalmente, en las especificaciones de la obra. De todas maneras, hay dos maneras, hay dos razones importantes por las cuales se debe conocer el peso específico del cemento asfáltico utilizado: El asfalto se expande cuando es calentado y se contrae cuando es enfriado. Esto significa que el volumen dado de una cierta cantidad del cemento asfáltico será Ramón Moreno 54

64 CAPÍTULO II: MARCO TEORICO mayor a altas temperaturas. Las medidas del peso específico proveen un patrón para efectuar correcciones de temperatura-volumen. El peso especifico de un asfalto es esencial para la determinación del porcentaje de vacíos (espacios vacíos) de pavimento compactado. El Peso Especifico, generalmente, usando el método del picòmetro los resultados tanto como para el agua como para el asfalto, se expresan normalmente en términos de peso especifico a una temperatura dada. Esto se debe a que el peso varía con la expansión y la concentración del cemento asfáltico, a diferentes temperaturas Fallas más comunes Ahuellamiento Es la deformación permanente del pavimento asfáltico causada por la deformación plástica acumulada de cargas repetidas a elevadas temperaturas de servicio (40-65 ºC). Esta produce canales paralelos a la dirección del tráfico y se convierte en un peligro durante y después de lluvias intensas. Con respecto al ahuellamiento, es deseable tener altos pesos moleculares (más elasticidad), mayor polaridad (alta asociación), menos no polares y saturados y menos parafinas (flujo no oxidado) produce menos ahuellamiento Agrietamiento térmico Es causada cuando el asfalto es sometido a un ciclo térmico donde la temperatura alcanza un valor crítico bajo o a varios ciclos térmicos sobre esta temperatura. Las roturas aparecen por lo general en dirección perpendicular al tráfico. Ramón Moreno 55

65 CAPÍTULO II: MARCO TEORICO Es deseable tener bajos pesos moleculares menos polaridad, más no polares y saturados, menos parafinas (fase de transformación de la oxidación), menor agrietamiento térmico Agrietamiento por fatiga Es la rotura asociada la carga, esta ocurre a lo largo de la vida útil del pavimento y usualmente se traduce en un severo daño estructural del concreto asfáltico. El impacto de la química del asfalto está íntimamente ligado a la geometría del pavimento. Pavimentos delgados: son menos polares (altas deflexiones más ductilidad) y pavimentos gruesos: alta polaridad (bajas deflexiones más elasticidad) Otros problemas Desprendimiento: esto es causado por la mayor afinidad del agua hacia el agregado que hacia el asfalto Envejecimiento - endurecimiento del asfalto bajo condiciones de tiempo y temperatura. 2.3 Tipo de asfalto utilizado RC-250 Se refina en la Refinería de Bajo Grande, al Sur-este de Maracaibo. El asfalto RC-250 es una mezcla de asfalto de penetración con un destilado de petróleo muy volátil, del tipo de la gasolina, por lo cual el producto se clasifica como Asfalto de Ramón Moreno 56

66 CAPÍTULO II: MARCO TEORICO Curado Rápido. El número 250 asociado con el nombre indica la viscosidad cinemática permisible en centí-poise a 60 C (144 F). La viscosidad del producto depende del tipo de asfalto de penetración, de la volatilidad del solvente y de la proporción de los componentes A-50 Se refina en la Refinería de Bajo Grande, al Sur-este de Maracaibo. Su composición química promedio es la siguiente: asfaltenos 21.5%, resinas 34.5%, aromáticos 40.9%, saturados 3.1%, vanadio ppm, níquel 128 ppm, parafinas 1.08% y azufre 5.2%. El tipo de cemento asfáltico que actualmente se refina en Bajo Grande ha sido denominado "A-50", aun cuando realmente debería ser llamado un A- 40, de acuerdo a la Norma Covenin Su viscosidad absoluta a 60ºC es mayor a los poises. 2.4 Tiempo de vida útil del asfalto Los pavimentos de mezcla de asfalto en caliente típicamente proveen 40 a 50 años de vida útil y reciben tres recapeos que ocurren en promedio de 15 a 16 años después de su construcción; aunque su tiempo de vida útil más común para un recapeo es 18 años. En general estos análisis indican que el comportamiento de los pavimentos asfálticos han mejorado en gran medida en los últimos 10 a 15 años y los pavimentos construidos hoy en día tienen el potencial de proveer una mayor vida útil que en el pasado. Ramón Moreno 57

67 CAPÍTULO II: MARCO TEORICO 2.5. Definición de términos básicos. Agregado pétreo.- Arido compuesto de partículas duras, de forma y tamaño estables. Asfalto: El asfalto es un material negro, cementante, que varia ampliamente de consistencia, entre sólido y semisólido (sólido Blando), a temperaturas ambientales normales. Cuando se calienta lo suficiente, el asfalto se ablanda y se vuelve líquido, lo cual permite cubrir las partículas de agregado durante la producción de mezcla en caliente. Asfalto cortado.- Cemento asfáltico fluidificado con disolventes de petróleo. Su volatilidad depende del tipo de disolvente utilizado. Capa asfáltica.- Capa compuesta de una mezcla de agregados pétreos ligados con asfalto y apoyada sobre capas de sustentación. Cemento asfáltico.- Material obtenido por refinación de residuos de petróleo y que debe satisfacer los requerimientos establecidos para su uso en la construcción de pavimentos. Densidad.- Cociente entre la masa y el volumen de un material pétreo a una temperatura determinada. Se expresa normalmente en kg/m 3. Emulsión asfáltica.- Dispersión por medios mecánicos de asfalto en agua, a la cual se incorpora un emulsificador (producto necesario para la preparación de una emulsión y para mantener estable la dispersión). Ramón Moreno 58

68 CAPÍTULO II: MARCO TEORICO Granulometría de un árido.- Distribución porcentual en masa de los distintos tamaños de partículas que constituyen un árido, determinada de acuerdo con Método normalizado Agregados Pétreos: Método para tamizar y determinar la granulometría. Huecos.- Espacios vacíos entre las partículas de un pétreo. Ligante asfáltico.- Cemento basado en asfalto producido a partir de residuos de petróleo, ya sea con o sin adición de modificadores orgánicos no particulados. Asfaltenos: Insolubles en éter de petróleo. La mayoría formados por hidrocarburos aromáticos. Maltenos: Solubles en todo. Son aceites. Mezcla en caliente.- Mezcla asfáltica fabricada, extendida y compactada en caliente. Mezcla en frío.- Mezcla asfáltica que puede fabricarse, extenderse y compactarse a la temperatura ambiente. Pitch asfáltico.- Residuo que se obtiene de la destilación del petróleo y del cual se producen los diferentes tipos de asfalto. Refinación: La refinación es el proceso que se encarga de la transformación de los hidrocarburos en productos derivados. Viscosidad.- Se denomina coeficiente de viscosidad a la razón entre el esfuerzo de corte aplicado y la tasa de corte; es una medida de la resistencia del líquido a fluir y, Ramón Moreno 59

69 CAPÍTULO II: MARCO TEORICO comúnmente, se denomina viscosidad. En el Sistema Internacional, la unidad de viscosidad es el pascal segundo (Pa s); en el sistema CGS, la unidad de viscosidad es el poise (dinas/cm 2 ) y equivale a 0,1 Pa s. Frecuentemente, se usa como unidad de viscosidad el centipoise, que equivale a un milipascal segundo (1 m Pa s). Ramón Moreno 60

70 CAPÍTULO II: MARCO TEORICO 2.6. Mapa de variables Objetivo general: Caracterizar las propiedades físico-químicas del ligante que se emplea como mezcla asfáltica en caliente virgen y de muestras tomadas a tiempos de exposición real. Objetivos específicos 1.-Determinar, las propiedades físico-químicas del ligante proveniente de la refinería El Bajo. 2.-Analizar las propiedades físico-químicas del ligante de las muestras provenientes de los núcleos tomados in situ a diferentes periodos de exposición real. 3.-Establecer relaciones entre el asfalto virgen y el expuesto a condiciones de trabajo. Variable Propiedad físicoquímica. Envejecimiento del asfalto. Definición de la variable Indicadores Propiedad físicoquímica. Evaluación Grado API. de las Punto de propiedades inflamación. físicoquímicas del azufre. Contenido de asfalto virgen Contenidos de proveniente metales. de la refinería S.A.R.A. Bajo Grande. Viscosidad. Evaluación Punto de de las inflamación. propiedades Contenido de físicoquímicas del Contenidos de azufre. asfalto con metales. periodos de S.A.R.A. exposición real. Estas son las variables que afectan la durabilidad del asfalto. Cambio en las especificacion es de diseño. Técnica de Recolecció n de datos Observaci ón directa. Entrevista no estructura da. Observaci ón directa. Entrevista no estructura da. Observaci ón directa Fase F1 F2 F3 TABLA IV. Mapa de Variables Fuente Ramón Moreno (2007) Ramón Moreno 61

71 CAPÍTULO III: MARCO METODOLOGICO En este capitulo, se presenta el tipo de investigación, así como la población y las técnicas de recolección de datos que será tomada como referencia, para visualizar el alcance del planteamiento del problema y los objetivos formulados en la temática objeto de estudio. 3.1 Tipo de investigación Es importante destacar como el tipo de investigación se determinará de acuerdo con el tipo de problema a solucionar por parte del investigador, los objetivos a lograr y de la disponibilidad de todos los recursos que se necesiten para la culminación del estudio. El tipo de investigación que se utilizó para el cumplimiento de los objetivos de la Caracterización físico-química de ligantes empleados en la construcción de mezclas asfálticas, fue la descriptiva. Los estudios descriptivos buscan especificar las propiedades, las características y los perfiles de personas, grupos, comunidades, procesos, objetos o cualquier otro fenómeno que se someta a un análisis (DANKHE, 1986). Al respecto, Balestrini (2002, p. 7), sustenta que las investigaciones descriptivas tienen por objeto medir los efectos de un programa en comparación con las metas que se proponen alcanzar, a fin de contribuir a la toma de decisiones subsiguientes acerca del programa, para mejorar la programación futura. La investigación se fundamentó bajo este modelo y el objetivo principal de éste trabajo, es la identificación de los factores que pudieran afectar la duración del asfalto por medio de la caracterización físico-química de cada una de las muestras Ramón Moreno 64

72 CAPÍTULO III: MARCO METODOLOGICO proporcionadas por la refinería Bajo Grande y núcleo o coredrill extraído de pavimentos con envejecimiento. El personal especializado del área del departamento de investigación así como los laboratorios de análisis de crudo del INZIT-CICASI, aportará conocimientos que fueron de gran importancia en el desarrollo de la investigación. 3.2 Diseño de la investigación El diseño de la investigación se refiere a los pasos, etapas y estrategias, las cuales se aplican para el logro de los objetivos planteados. Según Tamayo y Tamayo (2001) el diseño consiste en el planteamiento de una serie de actividades sucesivas mostradas y organizadas, adaptadas a las particularidades de cada modalidad de investigación, para indicar los pasos y pruebas a efectuar, así como las técnicas para recolectar y analizar los datos. La investigación realizada para el cumplimiento de los objetivos de la incidencia de las características físico-químicas del ligante en la calidad del pavimento; se basa en métodos analíticos en los cuales se van a analizar las muestras, en forma directa de la realidad, como se presentan en cuestión, de muestras en estado virgen y muestras con periodo de exposición real tomadas in situ. De acuerdo con este concepto, para efectuar la caracterización físico-química de éstas muestras fue necesario trabajar en el laboratorio donde se analizan las condiciones de envejecimiento, para determinar cuales podrían ser las causas de envejecimiento prematuro de estas mezclas asfálticas, después de ser diseñadas a otros periodos de duración. Ramón Moreno 65

73 CAPÍTULO III: MARCO METODOLOGICO 3.3 Técnicas e instrumentos para la recolección de información. Para todo tipo de investigación se dispone de técnicas y diversos tipos de instrumentos que permiten medir las variables a estudiar, en algunos casos, pueden combinarse varias técnicas e instrumentos de recolección de información. La técnica de recolección de datos se realizó mediante una observación directa de pruebas de laboratorio las cuales permitieron un análisis preciso de la data requerida, en donde podemos decir que la observación directa según Arias (2.006) p 70, Es aquella que además de realizarse en correspondencia con unos objetivos, utiliza una guía diseñada previamente, en la que se especifican los elementos que serán observados. Hernández, Fernández y Baptista (1.998, p. 234), afirman que luego de haber seleccionado el diseño de investigación apropiado y la muestra adecuada de acuerdo con el problema de estudio, la siguiente etapa es la recolección de datos pertinentes sobre las variables involucradas en la investigación, la cual implica tres actividades estrechamente vinculadas entre sí, que son seleccionar un instrumento de medición, aplicarlo y preparar las mediciones obtenidas. En relación a las técnicas de observación Balestrini (2002, p. 146), señala que aquellos que se dedican a la observación de la realidad, exigen respuestas directas de los sujetos estudiados; donde se interrogan a las personas en entrevistas orales o por escrito con uso de encuestas, cuestionarios o medidas de actitudes. Según Méndez (2002) las técnicas e instrumentos de recolección de datos son las herramientas en las cuales se basa el investigador para captar el comportamiento de la categoría objeto de estudio. Sobre la base de las ideas expuestas, se deduce Ramón Moreno 66

74 CAPÍTULO III: MARCO METODOLOGICO como las técnicas utilizadas en la presente investigación; según Risques, Fuenmayor y Pereira en (1999) fueron: La observación directa: Consiste en una técnica para observar y recoger datos mediante su propia observación, donde la información recolectada es extraída directamente de los textos, documentos, publicaciones, para luego ser analizadas. La técnica de lectura evaluativo: Utilizada para realizar lecturas críticas, es decir, aquella la cual no solo permite comprender el mensaje del autor si no también valorarlo. En cuanto a esta técnica, es muy utilizada en el presente proyecto, por cuanto la información se recolecta, se analiza y se evalúa, para luego exponer un juicio crítico de la misma. La técnica de resumen lógico: Consiste en condenar de manera lógica las ideas de un texto de acuerdo con su importancia y con las relaciones existentes entre ellas. Esta es utilizada a lo largo del presente estudio, por cuanto el mismo tiene una secuencia lógica guiada por el objetivo general de la misma. Adicionalmente a esto, para poder cumplir con el objetivo principal de la investigación, se realizó una observación simple para hacer un reconocimiento de la situación actual de los procedimientos aplicados. Aunado a esto se realizaron una serie de entrevistas al personal especializado sobre los conocimientos técnicos y teóricos de los procedimientos que se efectúan en los mismos, lo que sirvió de gran ayuda para el desarrollo del trabajo de investigación. La técnica de recolección seleccionada será la observación directa la cual permite recoger toda la información, a través de la observación. Debido a esto, toda la información proviene de los resultados de ensayos de laboratorio, de los manuales de Ramón Moreno 67

75 CAPÍTULO III: MARCO METODOLOGICO los métodos estandarizados ASTM y la normativa COVENIN en esta área, facilitados por INZIT-CICASI. Aunado a toda la ayuda profesional prestada por los expertos en materia de Geoquímica por parte de la misma institución. El instrumento utilizado; fue el análisis de los resultados de los ensayos obtenidos a muestras en estado virgen y muestras a diferentes tiempo de exposición real. 3.4 Población de la investigación. En concordancia con esta definición, Tamayo y Tamayo (2000) enuncia que la población es la totalidad de un fenómeno de estudio, incluye la totalidad de unidades de análisis o entidades de población que integran dicho fenómeno un conjunto N de entidades que participan de una característica. Se tomo como población las Muestras de asfalto proporcionadas por: De a refinería de Bajo Grande Asfalto RC-250: para la evaluación de esta muestra se tomaron en cuenta las siguientes pruebas: Gravedad API. Punto de inflamación. Contenido de Azufre. Contenido de Metales. S.A.R.A Ramón Moreno 68

76 CAPÍTULO III: MARCO METODOLOGICO Asfalto A-50: para la evaluación de esta muestra se tomaron en cuenta las siguientes pruebas. Gravedad API. Punto de inflamación. Contenido de Azufre. Contenido de Metales. S.A.R.A De SAEMA (Servicio Autónomo de ensayos a materiales): Núcleos: extraídos de pavimentos con problema de envejecimiento prematuro. Para la evaluación de esta muestra se tomaron en cuenta las siguientes pruebas: SARA Contenido de Azufre Contenido de metales 3.5 Fases de la i investigación Con el objeto de poseer una estrategia útil para llevar a cabo el estudio para determinar la Incidencia de las características físico-químicas del ligante en la calidad del pavimento, esta investigación ha a sido dividida en varias etapas o fases, siguiendo una planificación metodológica diseñada por el autor, al hecho de no existir una metodología especifica para este tipo de investigación. Esta consta de tres fases: Ramón Moreno 69

77 CAPÍTULO III: MARCO METODOLOGICO Para lograr los objetivos específicos de este estudio y por ende, el objetivo general de esta investigación, este proyecto fue realizado en etapas, de las cuales se describe a continuación: Fase I. En esta fase de la investigación se analizaron las muestras de ligantes asfálticos provenientes de la refinería de Bajo Grande, con diferentes Grados de Penetración como lo son el RC-250 y A-50 en estado virgen, tal cual como es comercializado a las plantas mezcladoras de asfalto en caliente; el cual será de gran ayuda para establecer las relaciones entre las características de diseño con las reales; además de esto permitirá realizar comparaciones con las características del asfalto envejecido que será de gran utilidad para la investigación Fase II. En esta fase de la investigación se analizaran muestras de núcleos extraídos de pavimentos que presentan problemas de durabilidad y un envejecimiento distinto al de diseño. Para ello se requiere de una preparación exhaustiva de la muestra para separar las dos fases presentes en el mismo, como los son la fase orgánica (el ligante) y la fase inorgánica (el agregado mineral); para realizar posteriormente el análisis Fase III Ya en este punto de la investigación, se procedió a realizar un análisis de cada prueba realizada mediante una serie de comparaciones con las especificaciones de Ramón Moreno 70

78 CAPÍTULO III: MARCO METODOLOGICO diseño, de cada uno de los materiales que forman parte de la mezcla asfáltica, que nos ayudaran a reflejar conclusiones obtenidas sobre el problema en estudio. Ramón Moreno 71

79 CAPÍTULO IV: RESULTADOS DE LA INVESTIGACION 4.1 Presentación de los resultados Los resultados expuestos a continuación, se organizan a través de un esquema, según lo definido en la primera parte de esta investigación (Capitulo I, Objetivos Específicos), cada punto de dicho esquema corresponde al análisis e interpretación de los indicadores especificados para cada objetivo especifico. El objetivo principal de esta investigación es: Caracterizar las propiedades físico-químicas del ligante que se emplea como mezcla asfáltica en caliente virgen y de muestras tomadas a diferentes tiempos de exposición real, para luego comparar éstas características y establecer como influyen en la durabilidad de las mezclas asfálticas. Objetivo 1: Determinar, las propiedades físico-químicas del ligante proveniente de la refinería Bajo Grande. En el primer objetivo, que fue: Determinar las propiedades físico-químicas del ligante proveniente de la Refinería Bajo Grande, se realizó una revisión a cada uno de los procedimientos que se usan en la actualidad, para caracterizar crudos, donde se estableció en entrevistas no estructuradas, la manera más apropiada para realizar los ensayos pertinentes. El ligante proviene de la Refinería Bajo Grande y en vista que sus características físico-químicas dependen del crudo del cual previene, estas propiedades suelen variar con el tiempo, razón por la cual se hizo necesario el estudió. Allí se que se realizaron las siguientes pruebas, obteniendo los siguientes resultados: Ramón Moreno 73

80 CAPÍTULO IV: RESULTADOS DE LA INVESTIGACION Gravedad API en Crudo Las siglas "API" son un acrónimo de las palabras American Petroleum Institute (Instituto Americano del Petróleo), que es el Instituto que regula todo lo relativo al petróleo y sus derivados. Como referencia, el Grado API del agua es igual a 10. Este método aplica para la determinación de la gravedad API de petróleo crudo o sus derivados, manejados como líquidos en el laboratorio, utilizando como instrumento un hidrómetro de vidrios, termómetro y cilindros. Según Norma ASTM-D Rev El cilindro usado donde se colocó la muestra, fue de vidrio, ya que en éste se pueden observar las muestras y todo el proceso de medición. Procedimiento experimental Se llenó el cilindro de vidrio hasta el aforo, con muestra de RC-250 en estado virgen. Para éste ensayo se utilizó un hidrómetro con un rango de 20-30, se introdujo dentro del cilindro y se esperó 5 min. hasta que se estabilizara y se tomo medición. El valor obtenido se refiere a la gravedad API a condiciones de temperatura del laboratorio. Luego se corrigió el rango con el correspondiente valor de las tablas corregidas para temperatura de 60 ºF usando las tablas 5 A o 5 B de la Guía D-1250 de la ASTM. El valor obtenido es reportado en la siguiente tabla. Ramón Moreno 74

81 CAPÍTULO IV: RESULTADOS DE LA INVESTIGACION - RC-250: Tabla # V Gravedad API CODIGO TIPO DE RANGO DEL TEMPERATURA GRAVEDAD GRAVEDAD DE MUESTRA MUESTRA HIDROMETRO ºF ºC API ESPECIFICA ASFALTO RC ,9 0,96 Fuente Moreno Ramón (2007). Calculo de la gravedad específica: G. Esp = 141, 5 ( 131, 5 + API ) Ecuación I Según la clasificación según la gravedad API (U.N.I.T.A.R., 1982). La cual se fundamenta en los valores de gravedad específica y viscosidad a temperatura de 60 ºC. De a cuerdo a los resultados obtenidos se puede decir que la muestra en cuestión es un: Crudo pesado: Desde 20,0 hasta 10,0 API (0,934< densidad <1,000 g/cc). - A-50 crudo es un: Para el caso ésta muestra se estableció según la misma clasificación que el Ramón Moreno 75

82 CAPÍTULO IV: RESULTADOS DE LA INVESTIGACION Crudos Extrapesados: Menores de 10,0 API (densidad > 1,000 g/cc, viscosidad máxima de cp) Punto de inflamación Esta es una prueba de seguridad que se realiza para conocer a que temperatura provoca flama el material asfáltico según la norma ASTM D-9290 (Revisión ASTM 1996). El punto de inflamación o punto de chispa, indica la temperatura a la que puede calentarse el material, sin peligro de inflamación en presencia de llama libre. Esta temperatura, usualmente, es muy inferior a aquella a la que el material ardería en su punto de fuego. Por lo tanto, éste análisis sirve como prueba de seguridad en la operación de las plantas asfálticas en caliente. Procedimiento experimental Se llenó la copa con las dos muestra RC-250 y A-50, hasta que el tope del menisco cubriera la línea de llenado. Se encendió la llama y se ajusto un diámetro de la misma de más o menos 3,5 mm. Se le aplico calor en forma gradual, produciendo un aumento de temperatura de 5 grados por minuto aproximadamente. Faltando 28 ºC para alcanzar la temperatura de punto de inflamación de diseño, se aplicó la llama cada 2 ºC, se le hizo pasar la llama, a través del centro de la copa en ángulo recto al diámetro que pasa por el termómetro. Se determino el punto de inflamación a la temperatura a la cual al pasar la llama, se observo el primer destello luego para comprobar si esa temperatura es la Ramón Moreno 76

83 CAPÍTULO IV: RESULTADOS DE LA INVESTIGACION correcta se espero 5 seg. Y se pasó nuevamente la llama para verificar si se producía el mismo destello. La misma se realizo por separado para cada una de las dos muestras provenientes de la Refinería de Bajo grande, con dos grados de penetración diferentes como lo son el RC-250 y el A-50, obteniendo los siguientes resultados. Tabla # VI Punto de inflamación CODIGO TIPO DE COPA COPA CERRADA ABIERTA DE MUESTRA MUESTRA (ºC) (ºC) RC A Fuente Moreno, Ramón (2006) Contenido de azufre El contenido de azufre depende del origen del crudo y del proceso de refinación. El bajo contenido de azufre, minimiza los efectos de la corrosión generada por los residuos que el podría dejar en los equipos que se emplean las plantas de mezclado del ligante con el agregado mineral, cuando este alcanza temperaturas de 175 ºC, garantizando un mínimo de depósitos y escoria adherida en los componentes del mezclador. Ramón Moreno 77

84 CAPÍTULO IV: RESULTADOS DE LA INVESTIGACION Procedimiento experimental Luego de pesada la muestra, se le agrego un acelerador para mezclas de hidrocarburos en estado sólido. Se introdujo la muestra en equipo y por combustión se calcinaron las muestras y luego por diferencias de peso y con relación a la muestra estudiada el equipo reporta los siguientes resultados. Este ensayo se realizó a las muestras de RC-50 y A-50, repitiendo los ensayos por duplicado y reportando los valores promedios entre las dos muestras, obteniéndose los siguientes para resultados: Tabla # VII Contenido de azufre CODIGO DE LA MUESTRA TIPO DE MUESTRA PESO DE MUESTRA % DE AZUFRE RC-250 0,0847 4, A ,9905 Fuente Moreno Ramón (2007) Contenido de metales Con respecto al contenido de metales se realizaron los ensayos con un Espectrofotómetro de Absorción Atómica realizando ensayos para el Vanadio y el Níquel. Se preparó la muestra, calcinando totalmente los hidrocarburos volátiles presentes en la misma, posteriormente se llevó al horno a una temperatura de 600 ºC por un tiempo de tres (3) horas. Luego se digesto las cenizas obtenidas en el horno con Ramón Moreno 78

85 CAPÍTULO IV: RESULTADOS DE LA INVESTIGACION 10 ml ácido clorhídrico y 10 ml de acido sulfúrico con un grado analitico, aumentando la temperatura para facilitar las condiciones en las que se de la reacción, para finalmente agregar 10 ml de acido nítrico hasta que se produjo una reducción considerable de la mezcla. En último se trasvaso a balones de 50 ml y se aforo con agua destilada. Las muestras se repitieron por duplicado y se les realizó la lectura en el espectrofotómetro de Absorción atómica y se reporto el valor promedio. Obteniendo los siguientes resultados: Tabla # VIII Contenido de metales CONTENIDO DE CODIGO DE PESO DE TIPO DE METALES LA MUESTRA VANADIO NIQUEL MUESTRA MUESTRA (ppm) (ppm) RC A Fuente Moreno Ramón (2007). PPM (Leídos)*V. muestra PPM= gr. de muestra Ecuación II S.A.R.A Separación y cuantificación de los asfaltenos y maltenos, a través de los métodos ASTM D y ASTM : Ramón Moreno 79

86 CAPÍTULO IV: RESULTADOS DE LA INVESTIGACION Una vez deshidratado el crudo (ver p. 46) se tomó alrededor de 1 gr de la muestra deshidratada y se sometió a reflujo continuo con aproximadamente 30 ml de n-heptano por tiempo de una hora, hasta lograr una mezcla homogénea. Luego se colocaron las muestras en un cuarto oscuro por un tiempo de 2 horas aproximadamente, para promover la precipitación de los asfaltenos de manera adecuada. Tabla IX: Porcentaje de maltenos y asfaltenos en las muestras. TIPO DE Código MUESTRA CICASI %Maltenos %Asfaltenos RC ,18 17,8 A ,4 17,5 Fuente: Ramón, Moreno (2007). Para la separación de las fracciones se utilizo la técnica, cromatografía de absorción-desorción empacada con Silica Gel, en donde primero se inyecta la muestra de maltenos (15 gotas aproximadamente en la columna y se hace pasar todo el producto por la columna añadiendo solventes específicos con grado de reacción, para cada fracción: separando así los saturados con hexano, los aromáticos con tolueno y las resinas con diclorometano. En último se evaporó los solventes y se pesó cada una de las fracciones obteniéndose como resultados los siguientes valores: Ramón Moreno 80

87 CAPÍTULO IV: RESULTADOS DE LA INVESTIGACION Tabla # X Composición química del asfalto Tipo de Muestra Peso de Muestra Saturados (%) Aromáticos (%) Resinas (%) RC-250 1, A-50 1, Fuente Moreno Ramón (2007). Objetivo # 2: Analizar las propiedades físico-químicas del ligante de las muestras provenientes de los núcleos obtenidas in situ a diferentes periodos de exposición real. En el segundo objetivo, que es: Analizar las propiedades físico-químicas del ligante de las muestras provenientes de los núcleos obtenidas in situ a diferentes periodos de exposición real, se realizó una revisión a cada uno de los procedimientos que sigue el INZIT-SICASI, para caracterizar muestras con crudos y minerales, donde se estableció en entrevistas no estructuradas, con el licenciado Edgar portillo y personal técnico del los laboratorios del INZIT-CICASI la manera mas apropiada para realizar los ensayos pertinentes. La muestra proviene de un pavimentos con problemas, y el ligante que se utilizo en dicha muestra también proviene de la refinería de Bajo grande, puesto que sus características físico-químicas dependen del crudo del cual previene, estas propiedades suelen variar con el tiempo, razón por la cual se hizo necesario el estudió. Las muestra de mezcla asfáltica tomada in situ, para la determinación de las características de la mezcla, tenia un área aproximada de tres pulgadas cubría toda la profundidad de la capa asfáltica que fue objeto de estudio. Posteriormente a esto, Ramón Moreno 81

88 CAPÍTULO IV: RESULTADOS DE LA INVESTIGACION procedió a la limpieza de la muestra, que no es más, que la separación de la fase orgánica de la inorgánica, utilizando como solvente universal para los hidrocarburos el diclorometano, en grado analítico. Seguidamente se hizo necesaria la utilización de una campana de seguridad con un equipo de soxhlet para la separación posterior de las dos fases, durante este ensayo se colocó en reflujo la muestra con solvente, la cual en un sistema cerrado, haciendo sifón, por un tiempo aproximado de 18 horas; logrando así recuperar la parte orgánica. Para la verificación de la recuperación con la luz una lámpara ultravioleta se observó la no existencia de materia orgánica se realizaron las siguientes pruebas, arrojando los siguientes resultados: Contenido de azufre El contenido de azufre depende del origen del crudo y del proceso de refinación. Para este ensayo se utilizó la misma metodología que para la Fase I. Este ensayo se realizó a las muestras de RC-50 y A-50 obteniéndose los siguientes resultados: Tabla # XI Contenido de azufre CODIGO DE LA MUESTRA TIPO DE MUESTRA PESO DE MUESTRA % DE AZUFRE Núcleo ,0896 Fuente Moreno Ramón (2007) Contenido de metales Con respecto al contenido de metales se realizaron los ensayos con un Espectrofotómetro de Absorción Atómica realizando ensayos para el Vanadio y el Ramón Moreno 82

89 CAPÍTULO IV: RESULTADOS DE LA INVESTIGACION Níquel, repitiendo el mismo procedimiento de la fase I obteniendo los siguientes resultados: Tabla # XII Contenido de metales CODIGO DE LA MUESTRA TIPO DE MUESTRA PESO DE MUESTRA VANADIO PPM NIQUEL PPM Núcleo-01 0, ,62 123,83 Fuente Moreno Ramón (2007). PPM (Leídos)*V. muestra PPM= gr. de muestra Ecuación II S.A.R.A Para la separación de las fracciones se utilizo la técnica, cromatografía de absorción-deserción empacada con Silica Gel, en donde primero se precipitan los asfaltemos con n-heptano, luego se inyecta cierta cantidad de muestra en la columna y se hace pasar todo el producto por la columna añadiendo solventes específicos para cada fracción: separando los saturados con hexano, los aromáticos con tolueno y las resinas con diclorometano. El procedimiento utilizado fue el mismo que el de la Fase I y se obtuvieron los valores respectivos para el porcentaje de asfaltemos y maltenos. Ramón Moreno 83

90 CAPÍTULO IV: RESULTADOS DE LA INVESTIGACION Tabla XIII: Porcentaje de maltenos y asfaltenos en las muestras. TIPO DE Código %Maltenos %Asfaltenos MUESTRA CICASI Núcleo Fuente Ramón Moreno (2007) En último se evaporó los solventes y se pesó cada una de las fracciones obteniéndose como resultados los siguientes valores: Tabla # XIV Composición química del asfalto Tipo de Muestra Peso de Muestra Asfaltenos (%) Saturados (%) Aromáticos (%) Resinas (%) NUCLEO 1 1, Fuente Moreno Ramón (2007). Objetivo # 3: Establecer relaciones entre el asfalto virgen y el expuesto a condiciones de trabajo; con respecto a las características de degradación y envejecimiento. En el tercer y ultimo objetivo, que es: Establecer relaciones entre el asfalto virgen y el expuesto a condiciones de trabajo; con respecto a las características de degradación y envejecimiento, se realizo un estudio de las características de ligantes Ramón Moreno 84

91 CAPÍTULO IV: RESULTADOS DE LA INVESTIGACION en estado virgen y los ligantes recuperados de núcleos tomados con períodos de exposición y degradación real y tiene como objetivo profundizar la caracterización del ligante del pavimento en servicio, donde se establecerán en que medida la composición o el comportamiento del mismo es un factor determinante para el deterioro del pavimento. En ese sentido el estudio de investigación permitió determinar la estructura química actual del asfalto, así como los cambios producidos dentro de esa estructura. De acuerdo a la investigación científica para analizar el mecanismo de oxidación de los asfaltos, se ha encontrado que existen unos principios básicos en dicho fenómeno: la cantidad de los componentes saturados no cambian significativamente; de la fracción de aromáticos se producen resinas y asfaltenos. El incremento en la cantidad del grupo de resinas y asfaltenos después de la oxidación es prácticamente la misma que la disminución en la cantidad de los grupos aromáticos. Tabla # XIV Relaciones entre asfaltos En esta fase se tomó en cuenta los valores obtenidos en la fase I y Fase II, y se colocaron los valores recopilados de las referencias bibliográficas para los parámetros de diseño de un ligante asfáltico idóneo. Ramón Moreno 85

92 CAPÍTULO IV: RESULTADOS DE LA INVESTIGACION Ensayo Punto de Inflamación Copa Abierta (ºC) (1) Parámetros de diseño (A-50) (2) Resultados (RC-250) (3) Resultados (RC-250) (4) Resultados Núcleo No aplica Asfaltenos (%) 21,5 17, Resinas (%) 34, Aromáticos (%) 40, Saturados (%) 3, Vanadio (ppm) 1, , , ,62 Níkel (ppm) ,15 131,94 123,83 Azufre (%) 5,2 4,79 5,99 6,08 Fuente Ramón Moreno (2007) Ramón Moreno 86

93 CAPÍTULO IV: RESULTADOS DE LA INVESTIGACION Grafica 01 Composición química de asfalto virgen y el recuperado con exposición real. % Composición Química 40,9 34,5 35,23 29,83 28,8 21,5 26,18 30,82 25,5 30,5 17,817,3 15,7 17,32 17,17 3,1 Asfalteno Saturados Aromaticos Resinas Fracciones Virgen RC-250 A-50 Nucleo-01 Fuente Ramón Moreno (2007) Ramón Moreno 87

94 CONCLUSIONES Luego de cubrir los objetivos planteados en este estudio para la Caracterización de los ligantes asfálticos empleados para la construcción de carreteras, se llegan a las siguientes conclusiones: Los valores obtenidos de los ensayos de gravedad API para el RC-250 cumplen con los requerimientos de diseño que especifican mientras que para el A-50 se observó que a temperatura ambiente es sólido, característica que es típica de crudos extrapesados con gravedades API <10, Mientras que para el ligante recuperado del núcleo en estudio no se realizó este ensayo, ya que por el tiempo real de exposición, sufre perdida de la fracciones volátiles. Lo que quiere decir que para los dos la gravedad API a 60 ºF (15,56 ºC), están en el rango de los hidrocarburos combustibles industriales y que oscilan entre API. Los valores de los ensayos de punto de inflamación para los ligantes asfálticos están cercanos de las condiciones de diseño, presentando una variación mínima para el caso del RC-250 y en el rango para el A-50, presentando valores aceptables para su manipulación y transporte. Esta prueba no aplica para el ligante recuperado del núcleo en estudio, ya que, en su caso este se considera que con el paso del tiempo, éste ha perdido todas sus fracciones volátiles. El contenido de azufre en la las muestras estudiadas de RC-250, no superan el valor de diseño que debe estar por el 5,2 % pero para caso A-50 y del núcleo estudiado, estos sobrepasan el valor de diseño, reportando valores de 5.99 % y 6.01% respectivamente, lo que representa que este debe ser un indicador importante para el estudio de las posibles causas de la perdida de durabilidad del asfalto, ya que durante el proceso de mezclado éstos alcanzan temperaturas de 170 ºC pudiendo paulatinamente formar sulfóxidos que aumentan la rigidez del cemento asfáltico. Ramón Moreno 89

95 CONCLUSIONES Se observó que el contenido de metales las los diferentes ligantes asfálticos en estado virgen, están relativamente en el rango de las especificaciones de diseño. En cambio el ligante con tiempo de exposición real esta por debajo del de las especificaciones de diseño lo que nos hace plantear la hipótesis que parte de esos metales han sufrido transformación con el trascurrir del tiempo y que posiblemente fueron victimas de la oxidación, causadas por las condiciones meteorológicas. Los resultados del estudio efectuado para la caracterización físico-química del cemento asfáltico recuperado de la mezcla asfáltica, en el presente trabajo, ha sido un elemento sumamente valioso para la evaluación del pavimento, al dar una explicación del estado actual del ligante y las que debe tener un ligante asfáltico ideal. En los resultados que se obtuvieron se observa efectivamente que los valores encontrados en los ensayos de separación química correspondientes al asfalto en servicio (columnas 2,3 y 4, tabla # XIV), presentan la tendencia indicada por la literatura técnica, si se comparan con los resultados correspondientes a un asfalto virgen (columna 1). Se observó así que la cantidad de saturados era prácticamente similar en orden de magnitud, mientras que la cantidad de aromáticos presentaba un decrecimiento sustancial (de 40.9% a 17.32%), de acuerdo al principio básico de oxidación por la deshidrogenización de dichos compuestos. Consecuentemente se observó el incremento de la fracción de resinas y asfaltenos. Es decir, los resultados indicaron que el asfalto de la carpeta estudiada presentaban características compatibles con un proceso de oxidación claramente definido. El contraste de los resultados de la caracterización química del ligante, con sus propiedades físicas fue totalmente consistente. Ramón Moreno 90

96 CONCLUSIONES Las condiciones observadas del núcleo indicaron un grado de deterioro bastante alto. Como conclusión resaltante, se constató la no existencia de fallas del tipo deformaciones, que pudiesen indicar la fatiga de las capas granulares y/o colapso de los suelos. Los estudios de caracterización realizados durante el presente trabajo no explicaron de por si las causas de las fallas encontradas en los núcleos con problemas. De hecho, los resultados del estudio, indican más bien una estructura del ligante, bastante homogéneo y de buena calidad que se acerca bastante a las especificaciones de diseño del material. Lo que nos lleva a pensar que la falla no esta ocurriendo en la selección del material asfáltico. Debido a esta premisa, se planteó entonces la hipótesis de este pavimento esta conformado por agregado mineral con materiales de baja calidad o un mal empleo de las técnicas de mezclado en las plantas de asfalto en caliente. Ramón Moreno 91

97 RECOMENDACIONES Luego de haber realizado la Caracterización físico-químicas de ligantes usados para la construcción de pavimentos, se realizan las siguientes recomendaciones: Seleccionar las materias primas correctas para que se produzca un envejecimiento lento; y de esta manera no pierda las características con el tiempo y que así resulte más rentable el material. En las aplicaciones que no requieran el uso de ligantes asfálticos diluidos con gasolina, usar ligantes asfálticos con querosenes o aceites como medio continuo, ya que las fracciones volátiles que se van a la atmósfera, son costosos y son contaminantes. Seleccionar materiales que presenten, buena adhesividad a los agregados minerales con los que los vamos a unir. Con respecto a los agregados minerales se recomiendo la caracterización físico-química para elegir en más apropiado, por este motivo empezaron a tratar de incrementar la adhesividad. Para este particular se demostró que con CO 3 Ca la adhesividad se incrementaba, mientras que con SiO 2 se repelían y por eso se separaban. Emplear mezclas con una buena cohesión entre las partículas, para que pueda soportar sin romperse a los esfuerzos a los que le vamos a someter y baja susceptibilidad térmica; esto significa que cuando se ponga en obra tenga comportamiento plástico, ya que este material viscoso cuando se calienta puede llegar a deformarse permanentemente y cuando esta sometido a bajas temperaturas se fragiliza pudiendo llegar a romperse. La selección correcta del ligante debe estar Ramón Moreno 93

98 RECOMENDACIONES orientada hacia elevar su viscosidad, rebajar la susceptibilidad térmica y un envejecimiento más lento. Realizar nuevamente los ensayos de laboratorio para mismo tipo de núcleo que se estudio durante el trabajo de investigación, en un periodo comprendido de 6 y 12 meses para comparar si las condiciones observadas varían y en que proporción, con el aumento de periodo de exposición y condiciones de trabajo real. Establecer en un en el mismo periodo de tiempo un bio-marcador, donde se especifiquen las condiciones de la muestra para relacionar con el que se realizo durante la investigación. No someter a los ligantes asfálticos a temperaturas por encima de los 175 ºC ya que en el mismo proceso de su construcción ya comienzan los procesos de endurecimiento y envijecimiento, ya que en muchas aplicaciones, el asfalto es calentado hasta hacerse lo suficientemente fluido para cierta aplicación en particular. Realizar un estudio que involucre consideraciones con respecto al ataque químico que pudiera sufrir el asfalto, ya que, el asfalto es generalmente considerado con alta y buena resistencia al ataque a los químicos tales como ácidos, sales, álcalis, etc., en vista de que, el ataque químico sobre el asfalto es peor cuando se incrementa la temperatura, se incrementa el tiempo y se incrementa la concentración del químico, se recomienda el uso asfaltos oxidados, ya que estos son más resistentes que los asfaltos directos de penetración Ramón Moreno 94

99 RECOMENDACIONES Usar el método de caracterización química del ligante asfáltico solo en los casos en donde sea necesario confirmar la idoneidad del material. Asimismo, durante la fase de control de calidad o auditoria técnica de un pavimento en construcción, conjuntamente con la ejecución de ensayos de recuperación, para la evaluación del material presente en las capas construidas. O en forma similar al caso del presente estudio, para dilucidar racionalmente sobre las medidas de mantenimiento o rehabilitación más convenientes para pavimentos en servicio. Ramón Moreno 95

100 BIBLIOGRAFIA Serie de Manuales Nº 22 (MS-22) Principios de Construcción de Pavimentos de mezclas Asfálticas en Caliente, (1982). Asphalt Institute Velásquez, Manuel Asfaltos, (1961). Editorial Dossat, S.A. Rivera, Gustavo E. Emulsiones Asfálticas, (1987). Representaciones y Servicios de ingeniería, S.A. Kirik, Raymond E. Enciclopedia de Tecnología Química, (1961). Primera Edición en Español, Unión Tipográfica Editorial Hispano-Americana. Norma Venezolana COVENIN , Sector Construcción Especificaciones y Mediciones Parte I, Carreteras. Balestrini, M. (2002). Como se Elabora un Proyecto de Investigación. Caracas. Editorial BL Bavaresco, A. (2000), Introducción a la Investigación. Caracas: Academia Nacional de la Ciencia Sabino, C. (2002). El Proceso de Investigación: Una introducción teórico-práctica. Caracas. Tamayo y Tamayo. (2002). Metodología formal de la investigación científica. México, DF. Limusa Noriega Editores. Segunda Edición. Rev. Inst. investig. Fac. minas metal cienc. geogr v.6 n.11 Lima ene./jun Tratamiento y disposición final de residuos industriales generados en una refinería. Instituto Venezolano del Asfalto Norma INVEAS. Versión Revisada Diciembre Ramón Moreno 97

101 BIBLIOGRAFIA ( ( as=79 Ramón Moreno 98

102 ANEXOS Determinación de gravedad API Este análisis nos permite conocer las reducciones o expansiones en los crudos y sus productos debido a los cambios de temperatura, y para calcular los pesos a las cantidades de productos medidos en volúmenes. A pesar de que, por si sola la gravedad API, tiene muy poco significado como medida de la calidad de los derivados del petróleo, pero cuando se le relaciona con algunas de otras pruebas puede guiar sobre la composición química de dichos derivados. El procedimiento es el siguiente: 1.- Se coloca el cilindro, conteniendo la muestra liquida identificado con el nombre de la segregación, en un lugar libre de corrientes de aires. 2.- Seguidamente se selecciona el hidrómetro, adecuado para esa muestra para luego bajarlo suavemente. 3.- Cuando el hidrómetro se ha estabilizado en su movimiento, se procede a leer con exactitud el valor apreciable. 4.- Una vez obtenida la gravedad específica se mide la temperatura de la muestra introduciendo un termómetro. Como la gravedad API está basada en la gravedad especifica, entonces se determina de la siguiente manera: 141,5 º API = 131,5 Gravedad Especifica Una vez que se obtiene la gravedad API a una determinada temperatura se corrige a 60 F, usando la tabla de reducción de gravedad API observada a gravedad 60 F. Si el resultado obtenido mediante la ecuación de gravedad API posee decimales, entonces se le adicionan estos decimales al resultado final. Ramón Moreno 92

103 ANEXOS Procedimiento para determinar el contenido de saturados, aromáticos, resinas y Procedimiento: asfáltenos (S.A.R.A.) en muestras de crudo (astm d ). 1. Pesar entre 0.2 y 0.3 gramos de muestra, cuando el crudo es pesado y aproximadamente un (1) gramo cuando es mediano o liviano, en un cilindro de 10 ml de capacidad con su respectiva tapa. 1. Agregar n-heptano o n-hexano a la muestra contenida en el recipiente y agitar vigorosamente hasta obtener una mezcla bien homogénea. 2. Pesar un filtro limpio y seco del polímero Mixed Cellulose Ester con un diámetro de 25 mm y un tamaño de poro de 0.45 µm. 3. Colocar el filtro en un filtro-prensa que corresponda al diámetro del filtro y conectarlo a una inyectadota. 4. Agregar en la inyectadota, la mezcla de n-heptano o n-hexano con la muestra, para hacerla pasar por el sistema filtro-prensa, el filtrado obtenido, es recobrado para los análisis posteriores en el mismo cilindro de 10 ml. 5. Sacar cuidadosamente el filtro del filtro-prensa, exponerlo al medio ambiente hasta observar que el mismo este completamente seco y pesarlo. 6. Calcular el porcentaje de asfáltenos de la muestra mediante la siguiente fórmula: % Asfaltenos = (Peso del filtro con asfaltenos - Peso del filtro vacío) Peso total de la muestra Preparar una columna cromatográfica, la misma es preparada insertando en una columna de vidrio para cromatografía, un trozo de algodón, sílica gel en mayor cantidad y otro trozo de algodón; esta columna debe estar bien compactada. 7. Identificar y pesar tres (3) matraz elenmeyer bien limpios y secos; en donde se recolectara el contenido de saturados, aromáticos I y aromáticos II. 8. Colocar la columna cromatográfica en un sistema de soporte con el recipiente donde se recolectaran los saturados en su parte inferior. Ramón Moreno 92

104 ANEXOS 9. Verter el filtrado obtenido en el paso 5, junto con 15 ml de n-heptano o n-hexano, según el que se haya usado en el paso 2. Es necesario tomar el tiempo desde que se agrega este conjunto hasta que sale la primera gota de líquido por la parte inferior de la columna, con el fin de saber cuanto tiempo tarda una gota de líquido en recorrer la columna cromatográfica. 10. Una vez se haya filtrado, todo el contenido de líquido de la columna de vidrio, agregar 15 ml de una mezcla de tolueno y n-heptano o n-hexano, según el que se haya usado en el paso 2 en una proporción 3:1. Medir el tiempo desde que se agrego dicha mezcla, hasta que se alcance el tiempo obtenido en el paso anterior para cambiar el matraz elenmeyer donde se recolectaron los saturados por el de aromáticos I. 11. Después que se haya agotado el segundo contenido líquido de la columna de vidrio, agregar 15 ml de tolueno, a partir de ese momento medir el tiempo hasta que se alcance el tiempo obtenido en el paso 11 para cambiar el recipiente donde se recolectaron los aromáticos I por el de aromáticos II. 12. Al filtrarse todo el tolueno de la columna de vidrio, retirar el recipiente donde se recolectaron los aromáticos II. 13. Conectar los recipientes donde se recolectaron los saturados, aromáticos I y aromáticos II a líneas de aire seco con el objeto de evaporar totalmente el solvente contenido en ellos. 14. Pesar cada uno de estos recipientes después de evaporado el solvente y calcular en que porcentaje se encuentran presentes los componentes en la muestra a través de la siguiente formula: A - B % Saturados, Aromáticos I ó Aromáticos II = C Donde: A: Peso del recipiente con el componente (saturados, aromáticos I ó II). Ramón Moreno 92

105 ANEXOS B: Peso del recipiente vacío. C: Peso total de la muestra determinada en el paso Calcular el porcentaje (%) de Resinas mediante la siguiente fórmula: % Resinas = 100 (% Saturados + % Aromáticos I + % Aromáticos II + % Asfaltenos ) Procedimiento para la determinación den Punto de inflamación Se Llena la copa la muestra de manera que el tope del menisco este exactamente en la línea del llenado. Si se adiciona mucha muestra, remover utilizando pipeta o algún material similar, si cae muestra en el exterior del aparato, vacié, limpie y llene de nuevo. Destruya las burbujas de aire que puedan haber en la superficie de la muestra. Se calientan las muestras viscosas hasta una temperatura a la cual estén razonablemente fluidas, para vaciarlas en la copa. Sin embargo esta temperatura no debe ser mayor de 56 ºC (100 ºF) por debajo del punto de inflamación. Se enciende la llama de prueba y se ajusta el diámetro de 3,2 a 4,8 cm.; algunos montan un dispositivo de comparación. Se aplica calor de manera que la rata de incremento de temperatura sea de 14 ºC a 17 ºC (25 a 30 ºF) por minuto. Cuando la temperatura de la muestra este aproximadamente en 56 ºC (100 ºF) por debajo del punto de inflamación, disminuya el calentamiento de manera que la velocidad de incremento de temperatura en los últimos 28 ºC (50 ºF) sea de 5 ºC a 6 ºC. Ramón Moreno 92

106 ANEXOS Los últimos 28 ºC antes del punto de inflamación, aplique la llama de prueba cada vez que incrementan 2 ºC (5 ºF) en la lectura del termómetro. Se pasa la llama de prueba a través de la copa en Angulo recto al diámetro que pasa por el termómetro. Se debe aplicar la lama con un movimiento suave y continuo, ya sea en línea recta o a lo largo de de la circunferencia que tenga un radio menor 150mm. El centro de la llama de pruebe debe mover en un plano horizontal no mas de 2mm por encima del plano de la parte superior de la copa y pasando solamente en una dirección. La siguiente aplicación de la llama de prueba se pasa en la dirección opuesta. El tempo consumido en pasar la llama a través de de la copa debe ser alrededor de 1 seg. Se toma como punto de inflamación observado la temperatura a la cual cualquier punto sobre la superficie de la muestra aparezca un destello. Para determinar el punto de fuego se continúa calentando de manera que la temperatura de la muestra se incremente a una velocidad de 5 ºC a 6 ºC por minuto (9 ºF a 11 ºF por minuto). Aplicar la llama de prueba cada 2 ºC (5 ºF) hasta que la muestra se encienda y arda por lo menos 5 segundos. Esta es la temperatura de fuego observada. Referencia ASTM D-9290 Stándar Test Method for Flash and Fire point by Cleveland Open Cup. Ramón Moreno 92

107 ANEXOS atómica: Preparación de muestra y determinación de metales por absorción Las muestra son tratadas con acido para poder llevar los metales a solución para poder ser inyectados en el equipo mediante un aspersor al mechero y se quema la muestra y por medio de absorbancia se mi de el contenido del elemento que se este leyendo en ese momento. El haz de luz es generado por una lámpara especial para cada elemento. Este es un equipo, nos permite cuantificar en que cantidad se presenta un elemento en una muestra; bien sea sólida o líquida. Las muestras sólidas se llevan a medio acuoso por medio de un lixiviado o digestión de la misma, esto se realiza con un tratamiento con ácido a la muestra analizar, y donde el ácido a utilizar va a depender del tipo de muestra. Ramón Moreno 92

108 ANEXOS Fuente Ramón Moreno (2007) Proceso de evaporación de las muestras Se trabajo con un rota evaporador para la recuperación de solvente, para ser reutilizado en lavado de material de vidrio, para realizar análisis de crudo. Fuente Ramón Moreno (2007) Separación de las muestras en las dos fases presentes Para la preparación de las muestras se utiliza un solvente de bajo punto de ebullición, con un sistema de soxhlet, que se debe trabajar en una campana con Ramón Moreno 92

109 ANEXOS extracción de gases por razones de seguridad. Durante este ensayo se aplica temperatura en un calentador de tipo maya, produciendo un reflujo constante por un periodo de 18 horas, aproximadamente para luego chequear la muestra con una lámpara ultravioleta, para constatar la no existencia de compuestos orgánicos. Fuente Ramón Moreno (2007) Ramón Moreno 92

110 ANEXOS Normas COVENIN NORMAS COVENIN Ejemplo Nomenclatura: Código Año Título : Clasificación y definiciones de los esquemas y diagramas utilizados. 06 Págs. <B> No. de Páginas Categoría Servicio de Localización, Preparación y Envío Catálogo por Materia Índice Alfabético Maneras de Hacer Solicitud Hacer Solicitud Para que te sea más cómodo, antes de hacer solicitud copia los códigos en un papel aparte. 75 PETRÓLEO Y TECNOLOGÍAS ASOCIADAS (Parte II) (Véase también: Parte I) : Determinación de la estabilidad a la oxidación térmica a turbocombustibles. 44 Págs. <E> : Hidrocarburos líquidos. Medición dinámica. Control estadístico de sistemas de medición volumétrica. 111 Págs. <G> : Combustible diesel. Determinación de la calidad de ignición por el método del número de cetano. 106 Págs. <G> : Petróleo crudo y sus derivados. Tablas para medición basadas en una temperatura de referencia de 20º C. 81 Págs. <G> CERAS, MATERIALES BITUMINOSOS Y OTROS PRODUCTOS DE PETRÓLEO : Velas esteáricas. 02 Págs. <A> : Emulsiones asfálticas. Determinación de las características de recubrimiento y resistencia al agua. 10 Págs. <B> : Materiales bituminosos. Determinación del punto de reblandecimiento. Método de anillo y bola. 08 Págs. <B> : Emulsiones asfálticas. Determinación de la sedimentación. 07 Págs. <B> : Asfalto rebajado. Destilación. 14 Págs. <C> : Asfaltos. Método de ensayo para determinar el residuo de penetración específica. 11 Págs. <C> : Emulsiones asfálticas. Método de ensayo para : Emulsiones asfálticas. Determinación de la identificación según la polaridad de las partículas. homogeneidad. 06 Págs. 06 Págs. Ramón Moreno 92