I. INTRODUCCION

El reto del perfeccionamiento de los cementos asfálticos, ya empezó en nuestro País, siendo la empresa CARLOS AMOROS HECK CONTRATISTAS GENERALES S.A., la que asume por primera vez en el Perú la producción del Asfalto Modificado con Polímeros SBS, las cuales se vienen colocando en mezclas asfálticas de Microaglomerados en la obra: Mantenimiento Periódico de la Carretera Panamericana Sur Tramo: Puente Montalvo – Puente Camiara, para lo cual se realizaron intensos estudios e investigaciones en laboratorio, para asegurar el cumplimiento de los parámetros técnicos que exigen las normas.
Los Cementos Asfálticos, se han venido utilizando en nuestro medio desde hace varios años, sabiendo de sus ventajas en sus características termoplásticas, adherencia e impermeabilidad y proporcionándoles estas propiedades conocidas a las mezclas asfálticas.
Con el aumento poblacional, las cargas por vehículo y la continuidad del tráfico aumentaron y consecuentemente, las exigencias sobre los materiales asfálticos son cada día mas severas.
Los gastos originados por las perturbaciones y retrasos ante la necesidad de reconstrucción y mantenimiento de nuestra red vial, resulta evidente que los asfaltos modificados con polímeros pueden aportar soluciones.

II. LOS LIGANTES Y LAS MEZCLAS ASFALTICAS

El ligante influye de manera significativa en el comportamiento de una mezcla asfáltica.
A altas temperaturas de servicio, puede que el ligante llegue a reblandecerse deformándose la mezcla. La aparición de ahuellamientos es más factible en pavimentos sometidos a tráfico pesado. Por lo tanto, podemos concluir que al aumentar la rigidez del ligante mediante el empleo de cementos asfálticos más duros se disminuiría la probabilidad de aparición de las deformaciones. A temperaturas de servicio bajas, el ligante se torna más rígido, perdiendo poder de resistencia a las tensiones, volviéndose frágil siendo susceptible a la fisuración. El grado de susceptibilidad a la fisuración está relacionado con su “dureza” y su capacidad para absorber las solicitaciones inducidas por el tráfico. Disminuyendo la “dureza” del ligante se minimiza el riesgo de falla por fragilidad.
Cuando el ingeniero busca comportamientos globales satisfactorios en las mezclas asfálticas, la elección del ligante adecuado para un tipo de mezcla específico, se vuelve un compromiso entre ambos extremos, deformaciones a altas temperaturas y fisuramientos por fragilidad térmica a bajas. En general, mejorando el comportamiento a altas temperaturas se influye negativamente sobre el obtenido a bajas temperaturas y viceversa. La Figura 1, muestra la relación general entre viscosidad y temperatura.

 

III. ASFALTOS MODIFICADOS CON POLIMEROS SBS

Los asfaltos modificados son la consecuencia de la interacción físico-químico de los polímeros con un cemento asfáltico, con la finalidad de mejorar su reología.
El efecto principal de añadir polímeros al cemento asfáltico, es el cambio obtenido en la relación viscosidad-temperatura, sobre todo el rango de temperaturas de servicio de las mezclas asfálticas, permitiendo mejorar de esta manera y simultáneamente, el comportamiento tanto a altas como a bajas temperaturas del ligante. La situación ideal es aquella de aquel asfalto que mantiene su consistencia en un amplio intervalo de temperatura.

La figura 2, ilustra este efecto para un tipo de asfalto modificado

 

FOTO 1. Dispersor para Modificar Asfaltos con Polímeros SBS y Planta de Producción Fija.

IV. VENTAJAS DE MODIFICAR EL CEMENTO ASFALTICO CON POLIMEROS

  1. Disminuye la susceptibilidad térmica.
  2. Se obtienen mezclas más rígidas a altas temperaturas de servicio reduciendo el ahuellamiento.
  3. Se obtienen mezclas más dúctiles a bajas temperaturas de servicio reduciendo el fisuramiento.
  4. Disminuye la exudación del asfalto: por la mayor viscosidad de la mezcla, su menor tendencia a fluir y su mayor elasticidad.
  5. Mayor elasticidad: debido a los polímeros de cadenas largas.
  6. Mayor adherencia: debido a los polímeros de cadenas cortas.
  7. Mayor cohesión: el polímero refuerza la cohesión de la mezcla.
  8. Mejora la trabajabilidad y la compactación: por la acción lubricante del polímero.
  9. Mejor impermeabilización: en los sellados bituminosos, pues absorbe mejor los esfuerzos tangenciales, evitando la propagación de las fisuras.
  10. Mayor resistencia al envejecimiento: mantiene las propiedades del ligante, pues los sitios más activos del asfalto son ocupados por el polímero.
  11. Mayor durabilidad: los ensayos de envejecimiento acelerado en laboratorio, demuestran su excelente resistencia al cambio de sus propiedades características.
  12. Mejora la vida útil de las mezclas: menos trabajos de conservación.
  13. Permiten mayor espesor de la película de asfalto sobre el agregado.
  14. Mayor resistencia ante los derrames de combustibles.
  15. Aumenta el módulo de la mezcla: Permite la reducción de hasta el 20% de los espesores por su mayor módulo.
  16. Mayor resistencia a la flexión en la cara inferior de las capas de mezclas asfálticas.

 

FOTO 2. Comportamiento de una Mezcla Asfáltica con Polímeros y Convencional ante Tráfico Pesado.

V. COMPATIBILIDAD Y ESTABILIDAD AL ALMACENAMIENTO

Para que los asfaltos modificados con polímeros SBS cumplan con su función, es necesario que exista una compatibilidad adecuada entre el cemento asfáltico base y el polímero que lo modifica. En caso contrario se corre el riesgo de que el polímero rompa el equilibrio coloidal del ligante y merme las propiedades que se pretendían ver acrecentadas.
Muchas veces se confunde la compatibilidad ligante/polímero con la estabilidad al almacenamiento. Estos dos conceptos son completamente diferentes aunque en algunos casos puedan estar relacionados. Existen asfaltos modificados compatibles y estables al almacenamiento; asfalto modificado compatible e inestable al almacenamiento y asfalto modificado incompatible. Estos conceptos son fundamentales a la hora de fabricar un asfalto modificado y se analiza la importancia de este parámetro en el comportamiento posterior del asfalto modificado con polímeros.
Desde un punto de vista termodinámico, un ligante y un polímero son compatibles cuando son miscibles, es decir, pueden mezclarse de tal forma que constituyan una sola fase. Esta capacidad de mezclado depende tanto de la composición química del betún, como de la del polímero así como de las condiciones en las que se haya realizado el mezclado. También depende de la composición de la mezcla ligante/polímero, es frecuente encontrarse con que un determinado ligante y un determinado polímero pueden mezclarse formando una sola fase en una proporción 95/5, mientras que si se incrementa la proporción de polímero se formen dos fases.
Desde un punto de vista práctico, la compatibilidad entre un ligante y un polímero significa que ambos se pueden mezclar para formar un producto homogéneo, en que las propiedades se encuentren mejoradas con respecto a las del cemento asfáltico base y en el que la mezcla se puede manipular sin precauciones excesivas.
Normalmente los cementos asfálticos y los polímeros son incompatibles, y al mezclar un polímero y un ligante existe una separación de fases. Para evitar dicha separación de fases es necesario utilizar compatibilizantes para cambiar la naturaleza química del ligante y sistemas especiales de fabricación.
Con los sistemas especiales de fabricación se realiza una dispersión muy fina del polímero en el ligante de tal forma que microscópicamente se trata de una mezcla homogénea, aunque microscópicamente, utilizando un microscopio de fluorescencia, pueden apreciarse dos fases.

FOTO 4. Vistas a través del microscopio de fluorescencia.

Microscopio de Fluorescencia Asfalto Modificado Parcialmente Disperso Asfalto Modificado Disperso

 

En cuanto al compatibilizante, su adición es necesaria para evitar que se rompa el equilibrio coloidal del ligante como consecuencia de la presencia del polímero.
La compatibilidad de las mezclas ligante/polímero puede medirse por Calorimetría Diferencial de Barrido, ya que termodinámicamente la existencia de compatibilidad entre dos materiales puede determinarse por la aproximación de los valores de las temperaturas de transición vítrea (Tg) de ambos.
La Tg es una propiedad de los materiales amorfos. Es la temperatura a la cual aparecen cambios sustanciales en la textura física del material que de un material vítreo y relativamente denso, se transforma en un material flexible, blando y de naturaleza elástica. En las mezclas binarias, la mezcla de dos tipos de segmentos provoca que la transición se produzca a las temperaturas intermedias de los componentes de la mezcla. En este caso la mezcla puede considerarse compatible.
Por el contrario, la mezcla de dos materiales, que se segregan en fases diferentes, muestra dos regiones de transición vítrea, a las temperaturas que corresponden a los componentes no mezclados. En este caso la mezcla es incompatible.
En los casos intermedios, donde la mezcla es parcial, o hay fases enriquecidas en uno de los componentes, pueden observarse desplazamientos respecto a las temperaturas de transición vítrea de los componentes por separado, aunque se siguen detectando las transiciones de ambos componentes.
Cuando microscópicamente el polímero no esta disuelto en el ligante si no solamente disperso, existe una tendencia durante el almacenamiento a que el polímero se desplace hacia la superficie del ligante. La velocidad de este desplazamiento será menor a medida que el polímero disperso en el ligante presente un tamaño menor.
Cuando el polímero esta perfectamente disperso en los aceites del ligante, al contrario que en los sistemas incompatibles y se mantiene la estructura de la dispersión. El resultado es que mediante sistemas mecánicos se puede volver a homogenizar la mezcla del ligante/polímero de tal forma que tanto la parte superior como la inferior del tanque de almacenamiento presentan la misma concentración.
La utilización de ligantes sin compatibilizantes, conduce a la rotura del equilibrio coloidal del ligante. Es un proceso irreversible y se produce una separación de todos los componentes del ligante, de tal forma que los asfaltenos precipitan y el polímero aparece en la superficie del tanque de almacenamiento. Existe un gran incremento en la viscosidad que hace la mezcla ligante/polímero inmanejable en muy poco tiempo.
Para asegurar la compatibilidad de una mezcla ligante/polímero será suficiente un análisis de estabilidad al almacenamiento junto con un estudio por imágenes de su microestructura

FOTO 5. Análisis de Estabilidad al Almacenamiento.

VI. COMPOTAMIENTO EN SERVICIO

CON ASFALTO SIN MODIFICAR CON ASFALTO MODIFICADO
I. Envejecimiento

La primera diferencia significativa entre asfaltos modificados con polímeros compatibles e incompatibles se muestra en el envejecimiento. Los asfaltos modificados compatibles presentan una mayor resistencia al envejecimiento que los no compatibles.
Para realizar estos análisis se ensayan los asfaltos modificados después de simular la oxidación de los asfaltos puros durante la fase de la fabricación con el RTFOT el asfalto modificado incompatible presentara una Penetración retenida menor, un mayor incremento de anillo y bola y una ductilidad a 5ºC menor que los betunes compatibles.

2. Mezclas Asfálticas

Donde más se pone de manifiesto la importancia de utilizar sistemas compatibles para la fabricación de asfaltos modificados con polímeros es en la Cohesión de las Mezclas Asfálticas. Uno de los sistemas que pueden utilizarse para evaluar la cohesión que imparte el ligante a las mezclas asfálticas es aplicar el ensayo Cántabro a las mezclas asfálticas. Las mezclas asfálticas producidas con asfaltos modificados compatibles, presenta pérdidas al Cántabro, tanto en seco, como después de inmersión, menores que las mezclas producidas con asfaltos modificados incompatibles, independientemente que el ligante sea estable al almacenamiento o no.
Las mismas conclusiones se obtienen cuando se someten las probetas al ensayo de Tracción Indirecta (Compresión Diametral). La resistencia que proveen los asfaltos compatibles son mayores a los asfaltos incompatibles, independientemente de que sean o no estables al almacenamiento.

FOTO 7. Ensayos de Punto de Ablandamiento y Penetración.
FOTO 8. Ensayos de Viscosidad Brookfield y Recuperación Elástica lineal.
FOTO 9. Ensayos de Recuperación Elástica por Torsión y de Película Delgada Rodante en Horno RTFOT.

 

VII. NORMATIVAS DE LOS ASFALTOS MODIFICADOS CON POLIMEROS

Propiedades Físicas para Asfaltos Modificados con Polímeros de Tipo I según ASTM D 5976

 

 

Propiedades Físicas para Asfaltos Modificados con Polímeros de Tipo IV según ASTM D 5892

 

 

 

 

Especificaciones para Asfaltos Modificados con Polímeros SBS según norma AASHTO