Materiales bituminosos

Betunes. Alquitranes. Emulsiones bituminosas. Características. Naturaleza. Tipos

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MATERIALES BITUMINOSOS

Son materiales aglomerantes, de naturaleza orgánica. Los betunes, junto con el barro, fueron los primeros materiales que utilizó el hombre. Estos materiales eran utilizados porque tenían buenas propiedades adhesivas, buenas características impermeables... (en países como Siria).

No llevaban tratamiento superficial. Los recogían de las superficies de los lagos(de un material consolido) y que ellos utilizaban como material aglomerante.

Betunes naturales: son aquellos que aparecen en la naturaleza. El origen de estos betunes está en los petróleos que han subido a la superficie a través de fisuras y se han depositado allí; con el tiempo los materiales mas ligeros que lo componían se evaporaron, quedando los componentes de mayor viscosidad.

Estos lagos se siguen explotando en USA y Sudamérica.

Si estos betunes, los unimos a betunes artificiales, pues les confieren mejoras en cuanto a resistencias y durabilidad.

A veces estos betunes impregnan rocas porosas y se las conoce como rocas asfálticas; y fueron el primer material bituminoso utilizado en pavimentación.(en Francia, Italia, País Vasco... podemos encontrar estas rocas)

Betún: mezcla de hidrocarburos naturales o pirogenados(aquellos que se han sometido a tratamientos de calor); y son esencialmente solubles en sulfuro de carbono o en tricluroetileno.

Características que vamos a exigir a los betunes

-Fácil puesta en obra.

-Buena adhesividad a los áridos con los que los vamos a unir.

-Buena cohesión entre las partículas, para que pueda soportar sin romperse a los esfuerzos a los que le vamos a someter.

-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 cando esta sometido a bajas temperaturas se fragilaza pudiendo llegar a romperse.

-Envejecimiento lento; para que no pierda las características con el tiempo y que así resulte más rentable el material.

-Elevada impermeabilidad.

Procedencia de los betunes

Petróleos asfálticos: Son aquellos petróleos que guardan en su interior gran cantidad de hidrocarburos cíclicos y aromáticos. Son los que van a producir mayor cantidad de betunes y de mayor calidad.

Petróleos parafínicos: Los hidrocarburos que tienen en su interior son cadenas lineales.

Petróleos semiasfálticos: Tienen contenidos intermedios de los dos anteriores.

Los betunes se obtienen de estos petróleos a partir de los siguientes procesos:

-Destilación: Para este proceso utilizamos la torre de destilación. Primero separas los éteres a temperatura ambiente; luego aportas calor a la mezcla y a distintas alturas de la torre se van separando los demás compuestos.

Al destilar los petróleos asfálticos, vamos a obtener una serie de productos:

-Oxidación: Mediante este proceso se elimina el agua y el anhídrido carbónico y se produce una polimerización del producto. Se obtienen así betunes oxidados que pierden elasticidad pero tienen gran resistencia al envejecimiento ó una importante resistencia a los cambios de temperatura(se emplean en pavimentos por ser poco dúctiles, pero que son muy adecuados como impermeabilizantes)

-Cracking: Consiste en romper las cadenas de los hidrocarburos más largas y convertirlas en hidrocarburos de cadenas más pequeñas.

Aquellos betunes que han estado sometidos a un proceso de cracking, tienen un gran envejecimiento, por tanto no son buenos para la construcción, y esto dá lugar a que los betunes obtenidos por este proceso son más baratos.

Alquitranes

Conjunto de hidrocarburos que se obtienen de la destilación de sustancias que tienen materia orgánica como la hulla, la turba, la antracita...

El alquitrán no se obtiene como producto, sino como subproductos. Normalmente estos carbones vegetales(hulla, antracita), los calentamos para que se desprendan los hidrocarburos que guardan en su interior y entonces obtenemos el gas ciudad. Este gas vá por unas tuberías, y en las tuberías encontramos un residuo viscoso que es a lo que llamamos alquitrán en bruto. Este alquitrán se le somete a un proceso de destilación, donde vamos separando aceites de distinta finura, y al final nos va a quedar sólo la brea. Con la brea y con aceites de distintas densidades, vamos a obtener el alquitrán con el que vamos a trabajar.

Alquitranes que encontramos en el mercado:

AQ= Alquitranes con breas duras y aceites ligeros

BQ= Alquitranes con breas menos duras y aceites más pesados

AQ 38 46 54

BQ 30 38 46 58 62 66

El principal inconveniente es un rápido envejecimiento que conlleva un endurecimiento de la capa más externa, que se haría frágil y podría romperse e incluso desaparecer.

Betunes asfálticos de penetración

Son los residuos que hemos obtenido de la destilación de los petróleos asfálticos; y se clasifican por el ensayo de penetración.

La composición de los betunes es muy complicada, pero su composición elemental se basa en: Carbono (C) 80%-85%

Hidrógeno (H) 10%-15%

Oxígeno (O) 2%-3%

Nitrógeno (N) 0%-1%

En el ensayo de solubilidad; disolvemos los compuestos del betún y obtenemos:

-Carboides: Insolubles en S2C. Estos carboides, los tenemos en poca cantidad y se obtienen cuando han sufrido un compuesto de cracking.

-Carbenos: Solubles en S2C e insoluble en tetracloruro de carbono. Estos carbenos, pueden estar hasta en cantidades del 2%, cuando han sufrido un proceso de cracking ó de oxidación fuerte.

-Asfaltenos: Insolubles en éter de petróleo. La mayoría formados por hidrocarburos aromáticos.

-Maltenos: Solubles en todo. Son 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.

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.

Tixotropía: Consiste en calentar los betunes para poder romper las interacciones entre las micelas. Con esto conseguimos que el betún adquiera menor viscosidad y así la puesta en obra es más fácil.

Tipos de betún que hay en el mercado(de acuerdo con el ensayo de penetración)

B 20/30

B 20/40 Los números significan la penetración de la aguja; por tanto del primer tipo de

B 60/70 betún podemos decir que son los más viscosos y el último tipo los menos

B 80/100 viscosos.

B 150/200

Betunes fluidificados

Con objeto de una fácil puesta en obra, vamos a sacar derivados de los betunes para no tener que calentarlos a elevadas temperaturas e incluso para poder ponerlos en frío.

Para esto vamos a añadir unos fluidificantes a los betunes; y lo que estamos haciendo es añadir más fase continua para separar a las micelas y así disminuir la viscosidad del betún. Los fluidificantes que utilizamos son disolventes volátiles como la gasolina, el queroseno... Una vez que ponemos el betún fluidificado en la obra, el fluidificante se evapora, dejando el betún con su viscosidad inicial. (normalmente nunca se obtiene la viscosidad inicial, se obtiene una menor, al no ser que lo destilemos, entonces si obtenemos la inicial)

Cuando utilizamos la gasolina, obtenemos betunes RC (de rápido curado) y cuando utilizamos el queroseno, obtenemos los betunes MC (de medio curado)

A estos betunes fluidificados también se les conoce con el nombre de cutbacks.

Los materiales que se van a la atmósfera son contaminantes y además muy caros. Se utilizan en almacenes para fabricar emulsiones bituminosas (que son las que tienen mayor difusión)

Los áridos recubiertos de este betún, con el paso del tiempo y debido a la lluvia, a los cambios de temperatura etc, se nos empieza a desprender el betún del árido. Por este motivo empezaron a tratar de incrementar la adhesividad. Esto suele pasar en los áridos silicios, donde descubrieron que en la superficie había cargas residuales negativas, mientras que en los áridos cálcicos había cargas residuales positivas.

Ocurría lo siguiente: -----COOH + H2O! -----COO- + H+ (cadenas de ácidos grasos), que con CO3Ca la adhesividad se incrementaba, mientras que con SiO2 se repelían y por eso se separaban.

Debido a esto, incluyeron en los betunes los llamados activantes, que se definen como moléculas capaces de incrementar la adherencia con el betún.

Ácidos grasos-----

Activantes

-----NH2 + H2O!-----NH3+ + OH- (con estos hay más adherencia)

Adherencia pasiva: Aumentando las atracciones entre ligante y árido.

Adherencia activa: La que nos mide la capacidad de envuelta de ese ligante. Está en función de la tensión superficial del ligante( es decir, de lo fuerte que sean las interacciones). Nos viene definida por el ángulo.

La eficacia del activante nos lo dá la resistencia. Estos se deben utilizar momentos antes de la puesta en obra. Tienen mejores resultados con los betunes fluidificados que con los de penetración, ya que estos últimos hay que calentarlos a altas temperaturas y pueden llegar a descomponer estos activantes.

Betunes fluxados

Son aquellos betunes que llevan como fluidificante aceites naturales de la destilación del alquitrán.

Estos betunes se representan por FX. En el mercado encontramos los siguientes tipos:

FX 175 (150s-200s)

FX 350 (300s-400s)

El número significa el tiempo que tarda en fluir a través de un orificio una determinada cantidad de betún.

Características de los aceites:

-Nos permiten mayor extensión de los betunes sobre el árido al bajar la tensión superficial del betún.

-Contienen fenoles que en el proceso de ionización aumenta las tensiones eléctricas del árido y presentan mayor densidad que el agua, por lo tanto tienen mayor adherencia al árido al desplazar el agua.

Betunes oxidados

Son aquellos que utilizamos para materiales impermeables, ya que no son buenos para la pavimentación porque son poco dúctiles y porque tienen una baja susceptibilidad térmica. Se representan por OA seguidos de un número que viene dado por el punto de reblandecimiento en el ensayo anillo-bola ó en el ensayo de penetración.

Emulsiones bituminosas

Es la mezcla de betún y agua, y son los materiales bituminosos más utilizados. Utilizar agua provoca un gasto mínimo, ya que es más barata que la gasolina y demás fluidificantes; además no es contaminante. La puesta en obra también se facilita; metemos el betún y el agua en un molino y lo agitamos a una enorme velocidad, de manera que el betún se rompe dando gotas que deben tener entre 3-8 y se quedan dispersas en el agua(betún-fase dispersa y agua-fase continua)

Si dejamos la emulsión en reposo, las partículas de betún empezarán a unirse dando lugar al fenómeno de la coagulación. Para que esto no se produzca vamos a utilizar los llamados emulgentes; productos que hacen que la emulsión sea estable. La función de los emulgentes es rodear todas las gotitas de la fase dispersa con iones cargados todos del mismo signo, de esta manera se produce una repulsión electroestática impidiendo así que se unan.

Solemos utilizar los siguientes emulgentes:

-Estereato sódico CH3-CH2)16-100Na. Se ioniza con el agua dando lugar a:

CH3-CH2)16-100- + Na+ Las partículas de betún quedarían cargadas negativamente dando lugar a las emulsiones aniónicas. CH3 CH3 CH3 CH3

-Bromuro de cetil trimetilamonio CH3-CH-N-Br .Cuando se ioniza: CH3-CH-N+ + Br-

CH3 CH3

Las partículas de betún quedan cargadas positivamente dando lugar a las emulsiones catiónicas.

Las emulsiones aniónicas tienen adherencia con áridos de tipo calizo y las emulsiones catiónicas con áridos silicios y con la mayoría de los áridos calizos.

Cuando echamos la emulsión en un firme, ésta se adhiere al árido y el agua se evapora. A esto lo llamamos proceso de rotura de la emulsión; y podemos decir que consta de dos fases:-mecanismo de interacciones betún-agua.

-evaporación del agua.

Tipos de emulsiones que encontramos en el mercado

Emulsiones aniónicas!EA L! rotura lenta

Emulsiones catiónicas!EC M! rotura media

R!rotura rápida

A parte de las letras, también hay un número que oscila entre 0-2, que significa la cantidad de betún.

Las EC R es obligatorio utilizarlas en capas de rodadura de las carreteras, porque hay que abrir rápidamente al tráfico.

Las L se utilizan cuando hay muchos finos.

Las emulsiones catiónicas se pueden unir con áridos silicios y cálcicos por su pH ácido, la superficie de áridos calizos, se ve atacada por el ácido y en esa superficie se forman sales cálcicas que también aumentan la adherencia. Son de las más utilizadas.

Materiales que mejoran las características de los betunes

-Filler: Son materiales finamente pulverizados, con una gran superficie, como pueden ser cenizas volantes, carbón, materiales de tipo calizo...

Las mejoras que producen en el betún son el elevar su viscosidad, rebajar la susceptibilidad térmica y un envejecimiento más lento.

Estos materiales lo que hacen es atrapar los aceites y los van soltando a medida que el betún los vá evaporando; por tanto se mantiene por más tiempo la densidad inicial y no envejece tan rápido.

-Polímeros: Uno de los más utilizados es el SBS. Lo que hace es provocar dentro del betún una red tridimensional, y esto implica que mejore su cohesión permitiendo soportar mayores cargas con mayores tiempos de duración y en ámbitos más amplios de temperatura.

Actualmente se está estudiando la posibilidad de utilizar neumáticos reciclados finamente pulverizados para mejorar las características de los betunes, pero tiene un gran inconveniente, su oposición a la trituración, por eso todavía no se utiliza mucho.

Propiedades de los betunes

-Homogeneidad: La característica que nos permite estudiarla es la densidad; ya que en un material homogéneo no varía mucho la densidad. Esta homogeneidad la sabemos a través del ensayo del picnómetro.

-Viscosidad: Definida para un líquido como la resistencia que se opone a la fluencia de ese líquido.

Para determinarla hay muchos ensayos, pero uno de ellos es el ensayo de Saybolt-Furol; que consiste en:

Un recipiente sumergido en un baño termo estático a una temperatura de

25°C, introducimos el material bituminoso, y se calcula el tiempo que

tarda en fluir por el orificio de 60cc una determinada cantidad de betún.

Por tanto la viscosidad viene medida en segundos.

La viscosidad está muy unida con la temperatura, y la mayor o menor facilidad de rebajarla con la temperatura se conoce como el índice de viscosidad que podemos definir como el porcentaje de disminución de la viscosidad cuando se aumenta 1°C la temperatura.

La viscosidad de un betún disminuye con el aumento de la temperatura. La forma de la función viscosidad-temperatura es muy variable dependiendo de la constitución de cada betún. La susceptibilidad de un producto bituminoso indica la sensibilidad que presenta a variar su viscosidad por elevación de la temperatura. La susceptibilidad es mayor en los alquitranes y menor en los betunes oxidados.

-Penetración: El ensayo de penetración ya lo hemos visto anteriormente. Este ensayo también nos sirve para poder clasificar en tres grupos a los materiales viscosos a temperatura ambiente: -Líquidos

-Semisólidos

-Sólidos

-Punto de reblandecimiento: Los productos bituminosos no son sólidos verdaderos, por lo que no presentan un punto de fusión definido. Se define un punto de reblandecimiento convencional que es la temperatura a la que adquiere una fluidez determinada. Se establece únicamente con fines comparativos. Se suele medir por el ensayo anillo-bola(AB)

Se echa el material y se deja a temperatura ambiente, luego lo metemos en

un baño termo estático a 25°C. Luego colocamos una bola de acero sobre la probeta de betún y empezamos a calentarlo. El betún se vá haciendo cada

vez menos consistente hasta que la bola llega al fondo. Una vez llegada al fondo anotamos la temperatura.

Otra forma es a través del índice de penetración. La susceptibilidad es una propiedad que habla de las características que cambian según la temperatura. A través de una formula sacamos la temperatura de reblandecimiento. Para betunes utilizados para firmes este valor se encuentra entre ±1; aquellos con gran susceptibilidad térmica tienen valores menores de 1 y los que tienen gran susceptibilidad térmica, valores mayores de 1.

-Ductibilidad: Es la capacidad que poseen los materiales de deformarse por alargamiento sin que su masa se disgregue. Como los betunes van a estar sometidos a esfuerzos, pues vamos a rechazar aquellos que no sean dúctiles.

El ensayo consiste en meter el material en moldes que tienen partes móviles. Vamos estirando de las partes móviles con una velocidad determinada hasta que se rompa el material. Esta ductibilidad se define por la longitud que llega antes de romperse.

Cuanto más viscoso sea un material, más dúctil será.

-Fragilidad: Esta propiedad es importante para materiales impermeabilizantes. Se dá cuando el material se hace excesivamente viscoso, se hace frágil, no aguanta esfuerzos y se rompe. Tenemos que determinar a que temperaturas el material se hace frágil, para ello:

ponemos una lámina metálica y encima se pone el betún en una capa de 0,5 de espesor. Vamos bajando la temperatura a una determinada velocidad a la vez que vamos presionando. Llega un momento en el que la lámina se hace frágil y empiezan a aparecer fisuras; en este momento apuntamos la temperatura, y es a la que llamamos temperatura de fragilidad.

-Solubilidad: Esta propiedad nos define si el material es puro o no. A través del tricloruroetano ó S2C podemos ver si es soluble o no. Al disolver la sustancia, sólo podemos permitir un 0,5% de residuos. Este ensayo también nos permite conocer si hay partículas de carbono y así poder saber si el alquitrán está adulterado.

También podemos saber si se a utilizado la cantidad de betún que hemos dicho de la siguiente manera: cogemos un firme y lo pesamos; quitamos el betún y lo volvemos a pesar; la diferencia de peso nos dará el betún utilizado.

-Pérdida por calentamiento: La evaporación de parte de los materiales más volátiles puede provocar algún cambio en las características de los betunes. Esta propiedad nos permite saber si al calentar el material nos van a cambiar o no las características.

El ensayo consiste en poner el material en una estufa durante 5 horas a 163°C y posteriormente hacer sobre ese material los ensayos de penetración, de viscosidad, punto de reblandecimiento... una vez obtenidos los resultados los comparamos con 1 patrón que no ha sido calentado en la estufa. De esta manera podemos conocer la mayor o menor variación de las características de ese material.

-Contenido de agua: Hay que controlarla, ya que puede dar problemas dando una pérdida de homogeneidad. El ensayo consiste en una destilación. Primero se fluidifica el material y luego se destila, lo vamos condensando y vemos la cantidad de agua.

Los ensayos para betunes fluidificados están destinados a conocer el punto de inflamación de los gases de ese betún para poder trabajar con la mayor precaución. Se calienta el betún en un vaso abierto e iremos acercando una llama por la boca hasta que se inflamen los gases que se están desprendiendo; a esa temperatura la llamamos temperatura de inflamación.

Los ensayos de las emulsiones bituminosas están destinados para conocer sus componentes y para ver su granulometría. Lo sabemos por varios procedimientos:

-Procedimiento de sedimentación: Se extrae la muestra y se mete en un vaso de 500cc y se deja 5 días en reposo. Las partículas de betún tienden a irse al fondo. Al cabo de 5 días se toman muestras de la parte superior y de la inferior y vemos el contenido de betún. Luego hacemos una diferencia en porcentaje que nos dá la sedimentación. Cuánto mayor sea más peligro hay.

-Procedimiento de tamizado: Separamos a través de un tamiz las partículas gruesas y así vemos si hay principio de rotura. En caso de rotura lenta vamos a controlar que la emulsión permanezca durante un tiempo determinado en estado de emulsión; para ello unimos la emulsión con cemento de manera que garanticemos que esa emulsión es lenta cuando no se produce la rotura al ponerse inmediatamente en contacto con las partículas de cemento.

-Ensayo de homogeneidad: Controla la granulometría de las partículas.

Inconvenientes de los materiales bituminosos

Tienen una baja durabilidad, es decir, que se alteran fácilmente con las acciones atmosféricas como la lluvia, ascensos y descensos de la temperatura, rayos ultravioletas...

(Este es el mayor inconveniente frente a los firmes de hormigón)

El control del aumento ó descenso del envejecimiento se realiza en las llamadas cámaras de envejecimiento, donde se trata de hacer soportar al material de forma acelerada reacciones con lluvia, cambios térmicos... Se hacen varios ciclos y al final se comparan las características de penetración, densidad, punto de reblandecimiento... con un patrón que no ha sido sometido.

Otra forma es analizando el contenido en grupos carbonilos antes y después de someterlos a esos ciclos y así también obtenemos una idea del aumento ó descenso del envejecimiento.