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1.1 Definiciones

El asfalto es un aglomerante de naturaleza orgánica. Se pueden obtener a partir deyacimientos naturales, como hicieron los egipcios desde hace más de 5000 años, o como

resultado de la destilación del petróleo. Estrictamente hablando, el aglomerante en sí es elbitumen y se puede decir que el asfalto es la mezcla, natural o mecánica, en la cual el bitumenes asociado a una proporción sustancia de material inerte.

Por ello, el BITUMEN se refiere a una clase de sustancia amorfa, coloidal y pegajosa,compuesta principalmente de una alta masa molecular de hidrocarbonos. Se define como unlíquido viscoso o sólidos, que consiste esencialmente de hidrocarbonos y sus derivados, queson solubles en bisulfito de carbono. Son sustancialmente no volátiles y se vuelven másflexibles por acción del calor. Son de color marrón o negro y poseen propiedadesaglomerantes y repelentes al agua. Pueden ser naturales o artificiales.

La mayor parte de los bitúmenes son termoplásticos y de naturaleza coloidal. No tienen unpunto de fusión, evaporación o congelamiento específicos.

El bitumen natural llamado también brea, es duro y frágil y desde el punto de vista químico, esmás reactivo. Tiende a ser más rápidamente elástico por acción del calor y más frágiles poracción de la baja temperatura.

El bitumen derivado de la refinación del petróleo es también conocido como bitumen depetróleo y resulta ser el más usado.

1.2 Naturaleza

1.2.1 Composición química

Por definición, el bitumen es un compuesto predominantemente hidrocarbonado, con pequeñascantidades de azufre, oxígeno, nitrógeno, metales entre otros. Los constituyentes normalmenteidentificados son los que se indican en la Tabla 1.1.

Tabla 1.1 Componentes y características de los betunes de petróleo.

Nombre Características Contenido

Carboides Insolubles en CS2 y CCl4 Por debajo de 0.1%

Carbenos Insolubles en CCL4. Solubles en CS2.Su presencia es responsable de lafragilidad del betún.

Por debajo de 1.5%. Contenidosmayores al 2% determinan un betúnfrágil.

 Asfaltenos Solubles en CCl4 y CS2. Son duros y

confieren adhesividad y estabilidad albitumen.

Entre 2 y 35%

En general, el bitumen es de naturaleza coloidal, siendo la fase dispersa conformada por losasfaltenos y maltenos de alto peso molecular; la fase continua es conformada por losconstituyentes de los maltenos de bajo peso molecular.

Es posible encontrar la clasificación del bitumen por tipo, estos son como GEL y SOL:

a) Tipo Sol, son así identificados cuando los componentes de la fase dispersa puedenmoverse libremente una con respecto a la otra, lo que depende de la aromaticidad delos maltenos así como del tipo y proporción de los asfaltenos. El bitumen obtenido por

1 Tomado de los apuntes preparados por Dr. Víctor Sevilla para el curso Materiales de Construcción.

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destilación al vacío tienen un relativo bajo contenido de asfaltenos y no tienenestructura; en tal sentido, se les clasifica como SOL.

b) Tipo Gel, cuando forma una estructura y los componentes de la fase dispersa nopueden moverse libremente.

1.2.2 Tipos de crudoEl asfalto se obtiene de la destilación del petróleo, llamado también crudo, mediante procesosnaturales o artificiales. El crudo es una mezcla variable de hidrocarburos. Sus moléculas varíanen tamaño y arreglo estructural y sus componentes hidrocarbonados complementarios sontambién variables en estructura y volatilidad.

Físicamente el crudo puede variar de un líquido amarillento hasta otro viscoso y negro.Químicamente pueden variar de base parafínica, asfáltica y mixta, predominantemente. Lospetróleos de base parafínica brindan ceras y residuos semejantes; los de base asfáltica brindanbitumen libre de cera y los mixtos una cantidad variable de cera. El petróleo de base asfálticaes el responsable de los materiales para pavimentos flexibles.

Esquemáticamente, el proceso de refinación es llevado a cabo mediante un proceso continuode destilación. El principio básico es como sigue: el petróleo crudo ingresante pasa a través de

una serie de intercambiadores de calor que tienen el doble propósito de calentar y enfriar elbitumen y los destilados obtenidos del proceso. Las fracciones más ligeras como gases,gasolina, kerosene, diesel, lubricantes y otros son destilados sucesivamente, dejando unresiduo pesado que es llamado “borra”. El residuo de un crudo de base asfáltica contiene  unaalta proporción de bitumen asfáltico junto con aceites pesados y otros compuestos de muy bajavolatilidad. Los crudos de base mixta son también útiles para la obtención de asfaltos medianteun proceso adicional de extracción de solventes, que permite separar la parafina, cera y otroscomponentes no asfálticos.

El diagrama adjunto muestra los productos obtenidos de la destilación de un petróleo de baseasfáltica. En general los residuos asfálticos incluyen aceites de baja volatilidad y en diferentescantidades que dependen de la naturaleza del crudo y el grado de destilación. La mayor partede los productos asfálticos están hechos conteniendo algo de estos aceites. La fracción que

quedaría si todos los componentes volátiles fueran separados, como el caso del llamadoasfalto duro, sería muy frágil y duro para ser empelado en pavimentos.

1.3 Clases de asfalto

Los materiales producidos de los residuos asfálticos de un petróleo de base asfáltica son:Cemento asfáltico, asfalto líquido y asfalto aireado.

1.3.1 Cemento asfáltico

Es un material semisólido, altamente viscoso, disponible en diferentes rangos de consistencia.Puede ser obtenido directamente del residuo del crudo si es de pureza y composiciónapropiada, sin embargo, es más común obtenerlo por el procesamiento del residuo del crudo, afin de extraer la parafina y aceites indeseables. Un importante uso de los cementos asfálticos

es como aglomerante de mezclas asfálticas aplicadas en caliente. Luego de que estas mezclashan sido colocadas, compactadas y adecuadamente curadas2, se obtiene un material

cementante más consistente que el cemento asfáltico original.

1.3.2 Asfalto líquido

No obstante el amplio rango de viscosidad con que pueden ser hechos, el término se aplica aaquellos asfaltos que se comportan como líquidos a temperaturas ambiente normales. Elestado líquido es obtenido:

Mezclando cemento asfáltico con destilados del petróleo, obteniéndose los llamados“cutbacks”. 

2 El curado es el proceso por el cual la mezcla asfáltica pierde parte de sus componentes volátiles. En este

caso, Pierde parte del aceite residual, por eso es más consistente al enfriar, pero no tanto que pierda su

flexibilidad. 

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  Seleccionando el residuo asfáltico del proceso de fraccionamiento, conteniendo unaadecuada cantidad de aceites ligeros.

Emulsificando el cemento asfáltico o “cutback” pesado con agua. 

a) Cutback. Son hechos mezclando el cemento asfáltico de composición adecuada con unsolvente o diluyente. Este solvente o diluyente proviene de las fracciones ligeras de l

proceso de destilación. Cuando este tipo de asfalto es expuesto a condicionesatmosféricas, el solvente se evapora, quedando el cemento asfáltico.. El período deevaporación del solvente se denomina curado. Dependiendo del solvente empleado, latemperatura ambiente, el espesor de la capa entre otros factores, varía el tiempo decurado. Los tipos de cutback se clasifican sobre la base de la velocidad de curado.

Curado Rápido (RC) Los obtenidos de cemento asfáltico con solventes muyvolátiles, como la gasolina.

Curado Medio (MC) Igual que los RC, teniendo solventes de mediana volatilidadcomo el kerosene.

Curado Lento (SC) Pueden ser obtenidos del cemento asfáltico teniendo unsolvente pesado como el petróleo diesel o bien obtenidos del mismo proceso de

ref inación donde se les conoce como “roal oils” o aceite pesado. Los cutbacks son empleados principalmente para carreteras sea como aglomerantesde diversas mezclas, parchado y tratamientos de superficies.

b) Emulsiones. Se les conoce también como asfalto frío y es aquel cemento asfálticoemulsificado en agua y un agente emulsificante. El asfalto se encuentra emulsificadoen agua, siendo esta última la fase continua. La fase discontinua está conformada porlos glóbulos de asfalto. Los glóbulos tienen cierta carga eléctrica que le da el agenteemulsificante por lo que pueden ser emulsiones aniónicas o catiónicas. Las emulsionesaniónicas son básicas en tanto que las catiónicas son ligeramente ácidas. El empleo deuna con respecto a la otra depende de la naturaleza mineralógica del agregado con elcual se vaya a empelar la emulsión; así, para los agregados silíceos se recomiendauna emulsión catiónica.

Las emulsiones pueden ser, el igual que los cutbacks, de curado rápido, medio y lento.El curado ocurre cuando el agua se evapora o la carga de los glóbulos se neutraliza ylos glóbulos de asfalto coalescen formando una película continua de cemento asfáltico.El tiempo de curado depende del emulsificante y la relación de asfalto en agua.

Las emulsiones invertidas vienen a ser aquellas en las que el medio continuo es elasfalto.

Tienen los mismos usos que los indicados para los cutbacks, pero con ventajascomparativas con respecto a la aplicación. Los asfaltos fríos o emulsiones son menosdependientes de las condiciones del medio ambiente, requieren menos infraestructurapara su colocación en obra, demandan menos energía y son menos nocivos al medioambiente y el personal.

1.3.3 Asfalto aireado

El asfalto aireado es el asfalto obtenido insuflando aire al residuo asfáltico al tiempo que escalentado. Este tratamiento brinda un material con una temperatura de ablandamiento superiora la requerida por el cemento asfáltico (50°C) que determina varias aplicaciones en la industriay la construcción. En la construcción se emplea para techos, juntas, reservorios, canales yrecubrimiento de tuberías.

1.4 Propiedades

Entre las propiedades más importantes del betún se tienen la adhesión, la cohesión, laconsistencia, la viscosidad y el envejecimiento.

En los materiales bituminosos, la viscosidad disminuye conforme aumenta la temperatura,

razón por la cual quedan englobados como susceptibles a la temperatura.

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La exposición a una elevada temperatura o el efecto del paso del tiempo a temperatura normalpuede significar el cambio de la consistencia de un material bituminoso por la alteración de sucomposición. Los cambios en la composición pueden ser causados por la evaporación deciertos componentes volátiles, cambios químicos debido a las influencias externas como laoxidación o la acción de rayos ultravioleta o por la reorganización interna de las moléculas dehidrocarbono.

El envejecimiento engloba este proceso, como un proceso de oxidación natural, donde elasfalto pierde elasticidad al perder volátiles. Contribuyen en él los rayos ultravioleta y el aguaestancada. Los cambios ocurridos en el material por efecto del envejecimiento pueden sermotivo de cambios en el comportamiento del material en las condiciones de campo.

Como se ha dicho antes, la respuesta del material a las influencias externas varía con lacomposición del betún y cuando la composición es compleja, la determinación de una solapropiedad no permite definir y predecir el comportamiento del material. Por tal razón, serequieren de varios ensayos.

Los ensayos para materiales bituminosos son básicamente empíricos y algunos inclusive hastade procedimiento arbitrario. Reviste por tanto singular importancia seguir meticulosamente losprocedimientos descritos a fin de obtener resultados comparables así como consistentes.

1.4.1 Características físicas

Entre éstas, dos revisten importancia la densidad y punto de inflamación.

a) La densidad o densidad relativa. Esta característica de los asfaltos es determinada porel método del picnómetro y es empleada para cementos asfálticos y cutbacks. Lanorma ASTM D70 ó D2170 y D3142 son las recomendadas para cemento asfáltico ycutbacks respectivamente. La densidad relativa de los cementos asfálticos varía entre1.0 y 1.05 en tanto que los asfaltos líquidos, dependiendo de la cantidad de diluyentes,entre 0.92 y algo más de 1.0

b) Punto de inflamación. Esta prueba que se realiza a fin de determinar la temperatura ala cual el material puede ser calentado sin que se inflame y por tanto, no se conviertaen un peligro para el personal. El ensayo se realiza colocando asalto en un depósito de

bronce y una pequeña llama sobre la superficie hasta que suficiente vapor se libera ygenera la llama. EL punto de inflamación varía entre 285°C para un bitumen duro y30°C para un bitumen líquido. La norma ASTM D92 describe el procedimiento a seguirpara determinar el punto de inflamación de cementos asfálticos y asfaltos líquidos decurado lento. La norma ASTM D1310 es empleado para asfaltos líquidos de curadorápido.

1.4.2 Composición

Se tiene diferentes ensayos normalizados que tienen como propósito determinar el contenidode bitumen, cantidad de solvente y/o presencia de material inerte o indeseable del materialbituminosos recién obtenido. Por otra parte, hay ensayos desarrollados a fin de determinar elcambio en la composición que experimenta el material por la temperatura requerida para su

reblandecimiento. Estos ensayos usualmente van acompañados con otros ensayos a fin dedeterminar otras propiedades del material ya alterado. En resumen, los ensayos puedenagruparse en los siguientes:

a) Ensayo de solubilidad (ASTM D2042). El contenido de bitumen presente en unamuestra de material asfáltico. Se recomienda para el cemento asfáltico y el materialremanente de la destilación de diluyentes de los asfaltos líquidos o material remanentede las emulsiones luego de la evaporación del agua.

b) Ensayo de destilación (ASTM D402 y ASTM D244). Se aplica en asfaltos líquidos, paradeterminar las cantidades relativas de éstos. Una norma se aplica en asfaltos líquidosdel tipo cutbaks y da una medida de la volatilidad de la fracción evaporable y unalcance de las características del tiempo de curado. El material remanente a unatemperatura de 360°C es considerado como cemento asfáltico. La otra norma se aplica

en asfaltos emulsificados y se obtienen las cantidades de componentes oleosos de laemulsión.

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c) Ensayo de presencia de agua (ASTM D95). Determina el contenido de agua porencima de cierta cantidad. Su presencia puede generar espuma al sobrepasar los100°C, poniendo en riesgo el personal.

d) Ensayo de carga de la partícula (ASTM D244). Permite determinar si la emulsión escatiónica o aniónica. Se determina sumergiendo en la emulsión dos electrodos, unopositivo y otro negativo y aplicando corriente. Si al término de un determinado tiempo el

cátodo ha acumulado considerable cantidad de emulsión, se considera catiónica.

1.4.3 Consistencia

El concepto de consistencia en los asfaltos está asociado con el grado de resistencia a unadeformación, continua o permanente. Debido a las dificultades prácticas para medirla enmateriales asfálticos semisólidos, se han desarrollado medidas arbitrarias, como la resistenciaa la penetración o extrusión.

a) Ensayo de Penetración (ASTM D5). Consiste en observar la penetración ocurrida en 60seg. De una aguja sobre una masa de peso prefijado a una temperatura de 25°C. Lasimplicidad del ensayo lo ha hecho muy popular, siendo impropio para asfaltos líquidoso muy blandos o susceptibles a la temperatura.

b) Punto de Reblandecimiento (ASTM D2398 ó D36). Conocido también como el métododel anillo y la bola, consiste en determinar la temperatura a la cual una masa esféricade material bituminoso colocado en unos anillos con una bola de acero sobre ésta,cede al peso de la misma conforme se incrementa la temperatura.

La viscosidad, estrictamente hablando, viene a ser la expresión básica de la consistencia.Como la viscosidad varía con la temperatura en los materiales bituminosos, la medida de laviscosidad no puede ser obtenida a una determinada temperatura, sino en más de una. Lastemperaturas usualmente usadas para los ensayos son: 25, 50, 60, 135, 260 y 360°C.

Los ensayos buscan evaluar condiciones de obra o temperaturas de mezcla, proporcionandoinformación cuantitativa de la susceptibilidad del material bituminoso a la temperatura. Seemplean para caracterizar los grados de material asfáltico, así como para evaluar el materialluego de simular condiciones de obra.

La viscosidad puede ser absoluta o relativa. La primera es también conocida como laviscosidad dinámica y la segunda, como cinemática. Dependiendo del tipo específico de asfaltoy la temperatura de ensayo, se pueden usar diferentes tipos de viscosímetros. Cada unoconsidera la medida del tiempo del fluido a una presión y temperatura determinada.

a) ASTM D2171, viscosidad dinámica, aplicada para cementos asfálticos y cutbacks, auna temperatura de 60°C.

b) ASTM D2170, viscosidad cinemática, para mezclas asfálticas en caliente, a 135°C.

c) ASTM D244 y E102 (Saybolt Furol), para emulsiones asfálticas en general, a 25°C ó50°C.

d) ASTM D1754, película delgada, para evaluar condiciones de mezcla en planta para

mezclas asfálticas en caliente. Una muestra de pequeño volumen es colocada en unplato de diámetro fijado y colocado en el horno con base giratoria a 163°C por 5 horas.Se determina la variación de viscosidad, penetración y solubilidad o ductilidad de lamuestra antes y después del ensayo.

1.4.4 Estabilidad

Los ensayos de estabilidad son exclusivamente aplicados a las emulsiones asfálticas. En tantoque las emulsiones son suspensiones de glóbulos de asfalto en agua, por diferentes causaspueden tender a desemulsificarse, pudiendo ocurrir durante el almacenamiento o durante lamezcla. Se aplica la norma ASTM D244.

1.4.5 Ductilidad

Una propiedad deseable en una mezcla asfáltica aplicada por capas es la capacidad desoportar flexión sin fisuraciones. A pesar que la ductilidad es un requerimiento del cemento

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asfáltico y asfalto líquido, esto no es suficiente para garantizarla en una mezcla asfáltica. Lanorma ASTM D113 precisa los procedimientos a seguir para esa determinación.

Referencias

Sevilla, Víctor. Materiales aglomerantes. Apuntes de clase. Universidad de Piura. 1996.

 A biref introduction to Asphalt ans some of its uses. Manual MS-5, The Asphalt Institute,College Park Md, USA, 1977.

Francken, L. Apuntes de clase, Vrije Universities Brussel, Bruselas, 1985.

Larson, T. Concretos de Cemento Portland y Asfálticos, Ed. CECSA, México, 1965.

Orus, Felix. Materiales de Construcción. Ed. Dossat, Madrid, 1965.