EVALUACIÓN DE LA OXIDACIÓN DEL ASFALTO MEXICANO RAÚL TERÁN OROZCO Departamento de Asfaltos de QUIMIKAO, México

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1 EVALUACIÓN DE LA OXIDACIÓN DEL ASFALTO MEXICANO RAÚL TERÁN OROZCO Departamento de Asfaltos de QUIMIKAO, México RESUMEN El endurecimiento, también conocido como fenómeno de oxidación es un fenómeno complejo que puede mostrarse por fisuras en la carpeta asfáltica, separación del ligante y el agregado, y migración del asfalto. Además, el endurecimiento incrementa la rigidez de la mezcla, vinculándose con las deformaciones plásticas, y posibles agrietamientos por fatiga que pueden afectar al pavimento flexible, al relacionarse directamente con la tensión-deformación al cual está sometido. Los factores que propician éste fenómeno son muy variados, entre ellos: La operación en las plantas mezcladoras, por sobre calentamiento de tanques de almacenamiento, excesivo calentamiento del asfalto al realizar la mezcla, una película asfáltica muy delgada para recubrir el agregado. Operaciones de puesta en Obra, por demoras ocurridas durante la compactación del mezcla asfáltica que originan un excesivo contenido de vacíos en la misma. Tipo de agregados, granulometría demasiado abierta, excesivo contenido de finos y áridos con alta absorción. Características del asfalto, debido a que esta constituido por moléculas orgánicas, estas reaccionan con el oxígeno del medio ambiente. De esta manera el envejecimiento del asfalto esta directamente relacionado al contacto con el aire, y más específicamente a temperatura alta en el aire, en base a la incidencia de las diferentes condiciones climáticas en las que se encuentra la carpeta asfáltica. Siendo generalmente mayor el endurecimiento en la superficie del asfalto, debido a la exposición directa a temperatura y los efectos de la luz ultravioleta. Por otra parte, las propiedades químicas y físicas de los asfaltos están en función de las variantes de composición química que presentan los asfaltos, la cuales están estrechamente relacionados con el tipo de crudo original del que provienen y su proceso de refinación. Es por ello que este trabajo estudia directamente el fenómeno de oxidación del asfalto mexicano de diferentes refinerías, analizando directamente el índice de oxidación como una relación directa entre la viscosidad del asfalto original y envejecido a 60 C. El envejecimiento forzado es realizado por el método de Película Delgada en Horno Rotatorio (RTFO) regulada por ASTM D2872 o el AASTHO T-24, y medido directamente en un Reómetro de Corte Dinámico (DSR), tanto original como envejecido. Aunado a ello la medición de la pérdida de componentes volátiles durante la oxidación forzada y su relación con la misma. 1. INTRODUCCIÓN La carpeta asfáltica es la capa superior de un pavimento flexible que proporciona la superficie de rodamiento para los vehículos y se elabora con materiales pétreos y productos asfálticos. El asfalto actúa como un agente ligante que aglutina las partículas en un masa cohesiva en forma muy efectiva y el agregado actúa como un esqueleto pétreo que aporta resistencia y rigidez al sistema, por lo que el comportamiento de esta 1

2 carpeta esta afectado por las propiedades individuales de cada componente y por la interrelación de estos dentro del sistema. El asfalto resulta un material muy atractivo para fabricar estas carpetas de rodadura y una característica principal es su susceptibilidad térmica, la cual en algunas ocasiones puede ser una ventaja y algunas otras una desventaja. Debido a que el asfalto esta constituido por moléculas orgánicas, estas reaccionan con el oxígeno del medio ambiente. Esta reacción se llama oxidación y cambia la estructura y composición de las moléculas del asfalto. El resultado es una estructura más frágil y es la razón del término endurecimiento por oxidación o por envejecimiento. Este fenómeno ocurre en el pavimento a una velocidad relativamente baja, si bien es mucho más rápido en un clima cálido que en un clima frío. Así el endurecimiento por oxidación es estacional y es más marcado en verano que en invierno. Debido a este tipo de endurecimiento, los pavimentos viejos son más susceptibles al agrietamiento que los nuevos. Incluso, los pavimentos asfálticos nuevos pueden ser propensos a este fenómeno si no se compactan adecuadamente. En este caso, la falta de compactación origina un alto contenido de vacíos en la mezcla, lo que permite a una mayor cantidad de aire ingresar en la mezcla asfáltica y agravar el endurecimiento por oxidación (problema muy grave y constante en México). El aditivo desarrollado en este estudio facilita la compactación de la mezcla asfáltica reduciendo los vacíos en la misma. Una considerable parte del envejecimiento por oxidación ocurre antes de la colocación del asfalto: durante el mezclado en caliente y durante la etapa de colocación y compactación; en estas actividades se emplea una alta temperatura y el asfalto se encuentra adherido al agregado en forma de una película muy delgada por lo que la reacción de oxidación ocurre a una velocidad mayor. Otro tipo de endurecimiento ocurre durante el mezclado en caliente y construcción; se denomina volatilización. A altas temperaturas los componentes volátiles del asfalto se evaporan. Estos componentes volátiles (livianos del tipo aceites) ablandarían al asfalto de permanecer dentro de este. Para la evaluación del envejecimiento del asfalto durante el mezclado, colocación de la mezclas asfálticas y volatilización, se utiliza la prueba de la Película Delgada en Horno Rotatorio (RTFO), AASHTO T240, ASTM D2872. Un fenómeno llamado endurecimiento físico ha sido observado en los cementos asfálticos. Este ocurre luego de una larga exposición a bajas temperaturas y altas temperaturas, para simular este envejecimiento con el tiempo Superpave creo una prueba utilizando la cámara de envejecimiento a presión (PAV). Este ensayo expone las muestras de ligantes a la acción de calor y presión con el objeto de recrear, en cuestión de horas, años de envejecimiento en servicio del pavimento. Es importante destacar que, por propósitos de especificación, las muestras de asfaltos envejecidas en el PAV fueron previamente envejecidas en el RTFO. Consecuentemente, el residuo del ensayo PAV ha sufrido todas las condiciones a las que son expuestos los asfaltos durante la producción colocación y servicio. Sin duda un asfalto muy duro después de la prueba del PAV será un asfalto muy rígido que opone baja resistencia a la fatiga, por ello SUPERPAVE controla el agrietamiento por fatiga limitando el valor de G* sen del asfalto envejecido a presión en el PAV a un máximo de 5000 KPa, a la temperatura de ensayo. 2

3 Un elemento fundamental para comprender y predecir el desempeño a largo plazo de las mezclas asfálticas es entender su envejecimiento por oxidación y el consecuente impacto en las propiedades físicas. El envejecimiento de una mezcla se manifiesta por la pérdida de las propiedades fisicoquímicas del material. Los asfaltos sufren durante el tiempo de mezclado y servicio un proceso de oxidación debido a factores como temperatura, presión y tiempo. La oxidación es el fenómeno en el cual el oxígeno actúa sobre los constituyentes más reactivos del asfalto manifestándose principalmente como endurecimiento, pérdida de la consistencia visco elástica, fisuración y agrietamiento del asfalto. Adicionalmente, se debe decir que el envejecimiento por oxidación es particular en cada asfalto. Algunos asfaltos envejecen más rápido y se endurecen más que otros. Este hecho resulta en la necesidad de caracterizar la resistencia de los asfaltos a la oxidación, para luego tener en cuenta esta resistencia a la hora de seleccionar asfaltos para pavimentos y predecir su comportamiento en el largo plazo. Se sabe que el envejecimiento por oxidación cambia la estructura molecular de los asfalto creando moléculas más grades y polares (Husain & Anderson, 1994). Tales cambios moleculares alteran las propiedades reológicas de las mezclas asfálticas, tales como el modulo (G*) y el ángulo de fase ( ). Para evaluar el efecto del envejecimiento es necesario medir las propiedades visco elásticas lineal de muestras envejecidas y muestras originales. El efecto general del envejecimiento es un incremento del módulo y una disminución del ángulo de fase. La metodología SUPERPAVE en USA, así como El proyecto fénix en España considera que el asfalto presenta dos etapas de envejecimiento, una es durante el mezclado y colocación y compactación de la mezcla asfáltica y la otra es a largo plazo o a la intemperie. Para simular estos fenómenos de oxidación que afectan a el asfalto, se ha estudiado los cambios después una primera etapa, denominada envejecimiento RTFOT (Rolling Thin Film Oven Test). Esa etapa representa la fase de mezclado del asfalto con los áridos en planta de fabricación y el envejecimiento que afecta al ligante durante el transporte y la puesta en obra, lo que se describe como el envejecimiento a corto plazo (descrito en ingles como short-term ageing. Por otra parte, se sabe que el envejecimiento a largo plazo, simulado por el ensayo a presión (21 bares) y temperatura (100ºC) PAV (Presión Vessel Ageing), representa el efecto de oxidación y de la acción de los rayos UV que afectan a la capa de superficie de los asfaltos durante toda la vida útil del pavimento. Por esta razón se han realizado los mismos ensayos descritos, sobre los betunes después un envejecimiento PAV. En muchos países de Sudamérica se simula la etapa de oxidación del asfalto por efecto del mezclado y la compactación empleando el llamado Índice de Oxidación ó también conocido como Índice de Durabilidad (ID) y es la relación de la viscosidad a la temperatura de 60 C del asfalto envejecido en la prueba de RTFO y la viscosidad del asfalto original. La especificación para este Índice de Oxidación es de máximo 3.0 para algunos países y de máximo 3.5 para otros 2. PROCEDIEMEINTO EXPERIMENTAL El objetivo del estudio es hacer un análisis comparativo del asfalto mexicano contra los asfaltos de otros países en las dos etapas de envejecimiento, es decir en el envejecimiento a corto plazo que ocurre durante el mezclado colocación y compactación de las mezclas asfálticas y el envejecimiento a largo plazo que ocurre en la vida de servicio del pavimento. 3

4 En este estudio utilizamos muestras de asaltos de las refinerías de Salamanca, Salina Cruz y Cadereyta, así como asfaltos de USA, Colombia, Panamá, Argentina, El Salvador, Ecuador, Costa Rica y Guatemala. El estudio comienza evaluando la primera etapa de envejecimiento del asfalto que representa la fase de mezclado del mismo con los áridos en planta de fabricación y el envejecimiento que afecta al ligante durante el transporte y la puesta en obra, lo que se describe como el envejecimiento a corto plazo (descrito en ingles como short-term ageing y la prueba que se utiliza es la de la película delgada rotativa RTFOT (Rolling Thin Film Oven Test), esta técnica de envejecimiento fue desarrollada por el Departamento de Carreteras de California y se detalla en la norma AASHTO T420 (ASTM D 2872). El parámetro para comparar el nivel de oxidación del asfalto fue el índice de Durabilidad definido como la relación de la viscosidad a 60 C del asfalto después de RTFO entre la viscosidad 60 C del asfalto original más sin embargo por motivos prácticos se utiliza la viscosidad dinámica en corte [ * ] que se calcula a partir del módulo de corte complejo G* (KPa) y la frecuencia de trabajo (en Rad./seg.) utilizada en la medición del mismo por el reómetro de corte dinámico de acuerdo a: [ * ] = [ G* ] / = KPa s ( 4 y 5 ) En todo el estudio trabajamos con una frecuencia de trabajo de 10 radianes por segundo ya que fue medida a todas las muestras de asfalto la resistencia a la deformación permanente (G* / sen = 1.0 KPa como mínimo) siguiendo el método AASHTO M320 surgido del método SUPERPAVE y este utiliza una frecuencia de trabajo de 10 radianes. Primeramente se sometieron a la prueba de RTFO más de 30 muestras de asfalto AC-20 de la refinería de Salamanca del año 2008 y después más de 40 muestras de este mismo asfalto pero del año 2010, también fueron analizadas muestras de asfalto AC-20 de las refinerías de Salina Cruz y de Cadereyta así como asfaltos de USA, Colombia, Panamá, Argentina, El Salvador, Ecuador, Costa Rica y Guatemala, después se obtuvo el grado PG de todas estas muestras para calcular el módulo de corte complejo (G* a 64 C) para después calcular la viscosidad y así obtener el índice de durabilidad. Se hacen comparaciones de las viscosidades a la temperaturas entre 7 y 31 C de los asfaltos antes y después de RTFO, así como la evaluación de las componentes elástica y viscosas de estos asfaltos. Finalmente se evalúa la segunda etapa de envejecimiento a largo plazo del asfalto AC-20 de Salamanca simulada por el ensayo a presión (2 bares) y temperatura (100ºC) PAV (Presión Vessel Ageing), esta etapa de envejecimiento representa el efecto de oxidación y de la acción de los rayos UV que afectan a la capa de superficie de los asfaltos durante toda la vida útil del pavimento. 4

5 3. RESULTADOS Y COMENTARIOS 3.1. Índice de Durabilidad del asfalto AC-20 de Salamanca en el año La gráfica de la figura 1 muestra los resultados del Índice de Durabilidad de las diferentes muestras del asfalto AC-20 de Salamanca obtenidas en el año 2008, tal como podemos observar el Índice de Durabilidad promedio fue menor de 4.0, cumpliendo con la especificación de máximo 4.0 propia de algunos países, pero no cumple donde la especificación es de máximo 3.5 Figura 1 Índice de Durabilidad de diferentes muestras de asfalto AC-20 de la refinería de Salamanca obtenidas en el año Índice de Durabilidad del asfalto AC-20 de Salamanca en el año La gráfica de la figura 2 muestra los resultados del Índice de Durabilidad de las diferentes muestras del asfalto AC-20 de Salamanca obtenidas en el año 2010, tal como podemos observar el Índice de Durabilidad promedio fue de 7.0, estando muy lejos de las especificaciones de Máximo 4.0 y 3.5, lo cual significa que en el año 2010 se produjo un asfalto muy susceptible a reaccionar con el oxígeno. Figura 2 Índice de Durabilidad de diferentes muestras de asfalto AC-20 de la refinería de Salamanca obtenidas en el año

6 3.3. Índice de Durabilidad del asfalto AC-20 de Salina Cruz en el año La gráfica de la figura 3 muestra los resultados del Índice de Durabilidad de las diferentes muestras del asfalto AC-20 de Salina Cruz obtenidas en el año 2010, tal como podemos observar el Índice de Durabilidad promedio fue de 5.2, estando fuera de las especificaciones de Máximo 4.0 y 3.5, lo cual significa que en el año 2010 se produjo un asfalto susceptible a reaccionar con el oxígeno. Figura 3 Índice de Durabilidad de diferentes muestras de asfalto AC-20 de la refinería de Salina Cruz obtenidas en el año Índice de Durabilidad del asfalto AC-20 de Cadereyta en el año La gráfica de la figura 4 muestra los resultados del Índice de Durabilidad de dos diferentes muestras del asfalto AC-20 de Cadereyta obtenidas en el año 2010, tal como podemos observar el Índice de Durabilidad promedio de una de las muestras fue de 5.2, estando fuera de las especificaciones de Máximo 4.0 y 3.5, lo cual significa que en el año 2010 se produjo un asfalto susceptible a reaccionar con el oxígeno. Figura 4 Índice de Durabilidad de diferentes muestras de asfalto AC-20 de la refinería de Cadereyta obtenidas en el año

7 3.5. Índice de Durabilidad del asfalto AC-20 de USA en el año La gráfica de la figura 5 muestra los resultados del Índice de Durabilidad de las diferentes muestras del asfalto AC-20 de USA obtenidas en el año 2010, tal como podemos observar el Índice de Durabilidad promedio fue menor de 3.0, cumpliendo con la especificación de máximo 4.0 y de máximo 3.5. Figura 5 Índice de Durabilidad de diferentes muestras de asfalto AC-20 de USA obtenidas en el año Índice de Durabilidad del asfalto AC-20 de diversos países en el año La gráfica de la figura 5 muestra los resultados del Índice de Durabilidad de las diferentes muestras del asfalto AC-20 de diversos países obtenidas en el año 2010, tal como podemos observar el Índice de Durabilidad promedio fue menor de 4.0, cumpliendo con la especificación de máximo 4.0 en la mayoría de estos países. Figura 6 Índice de Durabilidad de diferentes muestras de asfalto AC-20 de diversos países obtenidas en el año

8 3.7. Comparación del Índice de Durabilidad del asfalto AC-20 de diversos países. La gráfica de la figura 7 muestra los resultados del Índice de Durabilidad de las diferentes muestras del asfalto AC-20 de diversos países obtenidas en el año 2010, tal como podemos observar el Índice de Durabilidad promedio del asfalto mexicano es el más alto demostrando que el mismo es muy susceptible a la oxidación. Figura 6 Comparación del Índice de Durabilidad de diferentes muestras de asfalto AC-20 de diversos países Aumento de la viscosidad del asfalto a bajas temperaturas después de RTFO. En la gráfica mostrada en la figura 8 podemos observar el incremento de la viscosidad a las temperaturas entre 7 y 31 C del asfalto AC-20 de Salamanca después de la prueba de RTFO, incluso al compararla con una muestra de asfalto tipo AC-20 de Colombia, observamos que esta muestra de asfalto tiene más viscosidad que el AC-20 de Salamanca antes de RTFO, pero después de RTFO observamos que la viscosidad del asfalto colombiano es menor que la del AC-20 de Salamanca significando que el asfalto mexicano es más susceptible a la oxidación tal como lo indica el índice de Durabilidad. Figura 8 Incremento de la viscosidad a las temperaturas entre 7 y 31 C del asfalto AC-20 de Salamanca y de Colombia después de la prueba de RTFO. 8

9 3.9.Evaluación de las propiedades reológicas del asfalto AC-20 de Salamanca antes y después de la prueba de RTFO. Utilizando el Reómetro de Corte Dinámico (DSR) se evaluó el grado PG del asfalto AC-20 de Salamanca y en la figura 9 podemos observar el comportamiento promedio de este asfalto que antes de la prueba de RTFO tiene en grado PG de 64 y después de RTFO tiene un grado PG de 76, esto significa un desfasamiento de 2 grados en la escala de clasificación PG indicándonos que las propiedades del asfalto cambian mucho después de la RTFO endureciendo el asfalto haciéndolo más resistente a la deformación permanente pero más sensible a la fisuración por fatiga. Este desfasamiento del grado PG entre el asfalto original y el asfalto oxidado en RTFO tiene una relación con el índice de durabilidad (un índice de Durabilidad alto indica que el asfalto se oxida y hay desfasamiento del grado PG antes y después de RTFO).. Figura 9 Desfasamiento del grado PG del asfalto AC-20 de Salamanca debido a la oxidación en la prueba de RTFO. Al analizar las propiedades reólogicas de asfaltos de otros países nos damos cuenta que no hay desfasamiento del grado PG del asfalto antes y después de RTFO, es decir, el asfalto original es PG 64 y después de RTFO es PG 64 y de nuevo esto tiene una relación con el índice de Durabilidad (un índice de Durabilidad bajo indica que el asfalto no se oxida y no hay desfasamiento del grado PG antes y después de RTFO). Figura 10 Evaluación del grado PG a altas temperaturas antes y después de RTFO a asfaltos de otros países. 9

10 Los datos mostrados en la gráfica de la figura 11 nos permiten observar el comportamiento de la componente elástica G y la componente viscosa G del asfalto mexicano AC-20 de Salamanca a las temperaturas entre 7 y 31 C y observamos que después de la prueba de oxidación a corto plazo (RTFO) que simula la oxidación en la etapa de mezclado y colocación de la mezcla asfáltica, estas componentes incrementan su magnitud en forma significativa aumentando el endurecimiento y la viscosidad del asfalto a estas temperaturas; lo ideal sería que después de la prueba de RTFO estas componentes variaran lo menos posible para que el asfalto no se endureciera pero esto no es posible, ya que antes de la prueba de RTFO la componente viscosa G es mayor que la componente elástica G hasta los 7 C que es el punto donde se interceptan con una viscosidad de 1925 KPa s (tabla en la figura 8), a partir de este punto la componente elástica comienza a ser mayor que la viscosa ocasionando que el asfalto también comience a comportarse como un sólido frágil, pero después de la prueba de RTFO podemos observar que la temperatura donde la componente elástica y la viscosa son iguales es a los 19 C con una viscosidad de KPa s (tabla en la figura 8), a partir de esta temperatura de 19 C la componente elástica comienza a ser mayor que la elástica ocasionando que el asfalto también comience a comportarse como un sólido frágil y al ir disminuyendo la temperatura la diferencia entre las componentes elástica y viscosa es mayor y la viscosidad también se incrementa de tal forma que a los 7 C la componente elástica es mucho mayor que la viscosa con una viscosidad de 5365 KPa s (tabla en la figura 8), a estas condiciones el asfalto es muy rígido y cualquier sobrecarga en la carpeta asfáltica originará una fisuración en la misma. Figura 11.- Gráfica que muestra el comportamiento de la componente elástica G y la componente viscosa G del asfalto AC-20 de Salamanca antes y después de la prueba de RTFO. 10

11 Finalmente se evaluó el grado PG del asfalto AC-20 de Salamanca (muestra promedio del 2010) encontrando que este presenta un grado PG de 16. La siguiente figura 10 muestra estos resultados. Figura 11.- Evaluación del grado PG a bajas temperaturas de una muestra promedio del asfalto AC-20 de Salamanca 4. CONCLUSIONES El índice de Durabilidad ó Índice de oxidación del asfalto definido como la relación de la viscosidad a la temperatura de 60 C del asfalto envejecido en la prueba de RTFO y la viscosidad del asfalto original es una excelente prueba considerando como especificación un valor máximo de 3.5 para determinar el grado de oxidación de un asfalto durante la etapa de mezclado y compactación de la mezcla asfáltica. El asfalto AC-20 de Salamanca en el año 2010 presentó altos valores del Índice de Durabilidad (en promedio 7.0) indicándonos que el mismo es muy susceptible a la oxidación y presentará altas viscosidades a bajas temperaturas incrementando los problemas de fisuración por fatiga y por lo tanto una vida de servicio corta, por lo que es necesario utilizar aditivos para evitar esta oxidación e implementar una especificación para el control de la oxidación del asfalto y esta podría ser el índice de Durabilidad. El asfalto AC-20 de Salina Cruz en el año 2010 también presentó altos valores del Índice de Durabilidad (en promedio 5.2), incluso mayor que el asfalto de Guatemala que fue el que presentó mayor índice de durabilidad de los países extranjeros. El asfalto AC-20 de Salamanca en el año 2010 mostró en promedio un grado de comportamiento (PG) de 64 16, por lo que es muy importante incrementar el mismo, especialmente a bajas temperaturas puesto que para la mayoría del país de México es necesario tener un PG de 22. El endurecimiento físico del asfalto comienza en la temperatura donde la componente elástica del asfalto es igual en magnitud a la componente viscosa del mismo y esta temperatura es de 19 C en el asfalto AC-20 de la refinería de Salamanca después de la prueba de RTFO. 11