ASFALTOS NATURALES Y CRUDOS PESADOS EN PAVIMENTOS
105
EL ASFALTO NATURAL COMO MATERIAL DE CONSTRUCCIÓN DE CARRETERAS Presentado Por: ROBINSON VILLAMIL ROJAS UNIVERSIDAD CATÓLICA DE COLOMBIA ESPECIALIZACIÓN EN INGENIERÍA DE PAVIMENTOS BOGOTÁ D.C. AÑO 2008
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Se establecen algunas características de los asfaltos naturales en Colombia, dentro de estos materiales se encuentran; mezclas naturales, asfaltitas y crudos pesados, así como algunas aplicaciones.
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EL ASFALTO NATURAL COMO MATERIAL DE CONSTRUCCIÓN DE
CARRETERAS
Presentado Por:
ROBINSON VILLAMIL ROJAS
UNIVERSIDAD CATÓLICA DE COLOMBIA
ESPECIALIZACIÓN EN INGENIERÍA DE PAVIMENTOS
BOGOTÁ D.C.
AÑO 2008
EL ASFALTO NATURAL COMO MATERIAL DE CONSTRUCCIÓN DE
CARRETERAS
Presentado Por:
ROBINSON VILLAMIL ROJAS
Trabajo realizado para optar al título
de Especialista en Ingeniería de Pavimentos
Presentado al Doctor:
ALFONSO MONTERO FONSECA Director Especialización Ingeniería de Pavimentos
UNIVERSIDAD CATÓLICA DE COLOMBIA
ESPECIALIZACIÓN EN INGENIERÍA DE PAVIMENTOS
BOGOTÁ D.C.
AÑO 2008
NOTAS DE ACEPTACIÓN
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Jurado
____________________ Jurado
____________________ Jurado
Bogotá D.C., Noviembre de 2008
RESUMEN
Las mezclas asfálticas naturales, las rocas asfálticas y los crudos pesados,
representan una alternativa como material de construcción de carreteras, en
este documento se podrá encontrar el resultado de la investigación sobre la
aplicación de campo y laboratorio, de ellos; mezclados, puros y como
modificante. De las diversas fuentes colombianas se tomaron; los crudos
(Cidrales, Vendeyaco y castilla), rocas asfálticas de San Alberto y mezclas
naturales (Norcacia y San pedro). Los materiales estudiados se
caracterizaron, se realizó aplicación de laboratorio usando roca asfáltica de
San Alberto, Crudo de Castilla y mezclas asfálticas naturales de Norcacia,
finalmente para la aplicación de campo, se construyeron bases estabilizadas
de pavimento en los Departamentos de Cundinamarca, con mezclas
naturales de San Pedro (6.0 Kilómetros) y en el Departamento del Meta con
Crudo de Castilla (14.5 kilómetros), obras hechas durante los años 2007 y
2008.
SUMMARY
The natural asphalt mixes, rock asphalt and heavy crude oil, representing
alternatives as road construction, materials. This document present the
results of the investigation about the from field and laboratory application of
these products mixed as well as pure and as modifiers. Crude from; Cidrales,
Vendeyaco and Castilla, rock asphalt from San Alberto and natural mixtures
from Norcacia and San Pedro were taken and characterized in the
laboratory. Finally, some stabilized bases were built during 2007 and 2008 in
the department of Cundinamarca with natural asphalt mixtures of San Pedro
(6.0 kilometers) and with Castilla crude oil (14.5 kilometers) in the department
of Meta.
TABLA DE CONTENIDO
Pág.
INTRODUCCIÓN .................................................................................................... 10
1. GENERALIDADES SOBRE LOS ASFALTOS NATURALES ...................... 12
1.1 En el mundo ........................................................................................................ 12
1.2 En Colombia ....................................................................................................... 13
2. ASPECTOS BÁSICOS DE LA QUÍMICA DE LAS MEZCLAS ASFÁLTICAS ........................................................................................................... 20
2.1 Materiales bituminosos ..................................................................................... 20
2.1.1 El cemento asfáltico ....................................................................................... 21
2.1.2 Función del cemento asfáltico ...................................................................... 25
2.1.3 Características mediadas .............................................................................. 25
2.2 Agregados minerales ........................................................................................ 28
2.2.1 Funciones del agregado mineral .................................................................. 32
2.2.2 Características medidas ................................................................................ 34
3. CLASIFICACIÓN DE LOS ASFALTOS NATURALES ................................. 36
3.1. Análisis de la clasificación de los asfaltos naturales .................................. 38
3.2 Crudos pesados ................................................................................................ 39
3.2.1 Experiencias sobre el crudo de Castilla ...................................................... 39
3.2.2 Algunas características medidas en otros crudo. ..................................... 43
3.3 Rocas asfálticas, asfaltitas o gilsonitas .......................................................... 45
3.3.1 Experiencias con la asfaltita de San Alberto ............................................ 47
3.4 Asfaltos naturales .............................................................................................. 62
3.4.1 Experiencias sobre el asfalto natural de Norcacia .................................... 62
3.4.2 Mezclas de laboratorio .................................................................................. 66
4. METODOLOGÍA DE APLICACIÓN DE LOS ASFALTOS NATURALES 68
4.1 Elementos básicos ............................................................................................ 68
4.2 Crudos pesados ................................................................................................. 69
4.2.1 Métodos de diseño ......................................................................................... 69
4.2.2 Procedimiento de uso .................................................................................... 70
4.2.3 Proceso constructivo ...................................................................................... 71
4.3 Asfaltitas .............................................................................................................. 73
4.3.1 Métodos de diseño ......................................................................................... 74
4.3.2 Procedimientos de uso .................................................................................. 74
4.3.3 Procedimiento constructivo ........................................................................... 75
4.4 Asfaltos naturales .............................................................................................. 75
4.4.1 Métodos de diseño ......................................................................................... 76
4.4.2 Procedimientos de uso .................................................................................. 77
4.4.3 Procedimiento constructivo ........................................................................... 78
5. ASPECTOS ECONÓMICOS Y SOCIALES ..................................................... 80
5.1 Evaluación financiera ........................................................................................ 80
5.2 Evaluación económica ...................................................................................... 81
5.2 Evaluación social ............................................................................................... 82
6. APLICACIÓN MATERIALES MARGINALES EN VÍAS DEL DEPARTAMENTO DE CUNDINAMARCA Y META ........................................ 83
6.1 Carretera Girardot – Cambao .......................................................................... 83
6.2 Carretera el crucero – Alto de Navajas .......................................................... 87
CONCLUSIONES ..................................................................................................... 95
RECOMENDACIONES ......................................................................................... 100
BIBLIOGRAFÍA ..................................................................................................... 103
LISTA DE FIGURAS
Pág.
Figura 1. Cuencas sedimentarias colombianas. ................................................. 15
Figura 2. Esquema coloidal de Pfeiffer ................................................................. 22
Figura 3. Modelo microestructural Sharp ............................................................. 23
Figura 4. Asfaltita en estado natural .................................................................... 46
Figura 5. Molde y enrase de la máquina de pista .............................................. 52
Figura 6. Equipo de compactación de la máquina de pista ............................... 53
Figura 7. Cámara con equipo completo de pista ............................................... 53
Figura 8. Calibración de micrómetro, muestra e inicio del ensayo ................. 54
Figura 9. Recuperación del material cementante mediante rota vapor ........... 64
Figura 10. Equipo para recuperación del material pétreo ................................ 65
Figura 11. Mapa del localización Vía Girardot – Cambao ................................. 84
Figura 12. Conformación del material y adecuación de las obras de drenaje 85
Figura 13. Asfalto natural antes y después de ser conformado y compactado ..................................................................................................................................... 85
Figura 14. Aspecto del asfalto natural suelto. ...................................................... 86
Figura 15. Corte de la estructura del pavimento Girardot - Cambao. .............. 86
Figura 16. Base granular de asfalto natural expuesta. ..................................... 87
Figura 17. Mapa El Crucero – Alto Navajas, Departamento del Meta. .......... 88
Figura 18. Material existente ................................................................................. 89
Figura 19. Obras de drenaje .................................................................................. 90
Figura 20. Sub-base granular ................................................................................ 90
Figura 21. Proceso constructivo ............................................................................ 91
Figura 22. Aspecto final de la base estabilizada ................................................ 93
Figura 23. Evolución de la base estabilizada ..................................................... 94
LISTA DE GRÁFICAS
Pág.
Gráfica 1. Variación de la viscosidad del cemento asfáltico de barranca
modificado con asfaltita. .......................................................................................... 50
Gráfica 2. Variación de la estabilidad marshall del cemento asfáltico de
barranca modificado con asfaltita .......................................................................... 51
Gráfica 3. Resultados de ensayo de la máquina de pista ................................. 56
Gráfica 4. Velocidades medias de deformación con adición de asfaltita ........ 61
LISTA DE TABLAS
Pág.
Tabla 1. Tipos de bitumenes según su origen ..................................................... 20
Tabla 2. Resultados de análisis químicos de los asfaltos colombianos .......... 24
Tabla 3. Rocas sedimentarias abundantes .......................................................... 29
Tabla 4. Clasificación de los Asfaltos Naturales según Abraham H. ............... 37
Tabla 5. Clasificación de los asfaltos naturales según Fester .......................... 37
Tabla 6. Características del crudo de castilla. ..................................................... 40
Tabla 7. Caracterización del residuo de destilación del crudo de castilla....... 42
Tabla 8. Comparación de los valores de ensayo con ensayos sobre el
cemento asfáltico de Barrancabermeja ................................................................ 43
Tabla 9. Algunas características medidas en varios crudos. ........................... 44
Tabla 10. Características de algunos tipos de asfaltitas de la empresa Gilsoil.
..................................................................................................................................... 46
Tabla 11. Variación de la consistencia del cemento asfáltico de barranca con
la adición de asfaltita de San Alberto. ................................................................... 49
Tabla 12. Variación de la viscosidad del cemento asfáltico de barranca
modificado con asfaltita. .......................................................................................... 50
Tabla 13. Variación de la estabilidad Marshall del cemento asfáltico de
barranca modificado con asfaltita. ......................................................................... 51
Tabla 14. Resultados de ensayo de la máquina de pista .................................. 55
Tabla 15. Velocidades medias de deformación cemento asfáltico de
Barrancabermeja ...................................................................................................... 57
Tabla 16. Velocidades medias de deformación cemento asfáltico de
barrancabermeja con 2% de asfaltita .................................................................... 58
Tabla 17. Velocidades medias de deformación cemento asfáltico de
Barrancabermeja con 4% de asfaltita. .................................................................. 59
Tabla 18. Velocidades medias de deformación cemento asfáltico de
Barrancabermeja con 6% de asfaltita ................................................................... 60
Tabla 19. Resultados ensayos de caracterización del ligante del asfalto
natural de norcacia ................................................................................................... 64
Tabla 20. Granulometría muestras asfalto natural de norcacia ........................ 66
Tabla 21. Resultados de ensayos sobre briquetas de asfalto natural
compactadas a diferentes temperaturas .............................................................. 67
Tabla 22. Parámetros en materiales granulares. ............................................... 70
Tabla 23. Parámetros en granulometría según mezcla. ................................... 71
Tabla 24. Temperaturas de mezcla y compactación de algunos crudos. ....... 72
Tabla 25. Procedimientos de diseño en asfaltos naturales. .............................. 76
Tabla 26. Indicadores financieros generados en el uso de materiales no convencionales. ........................................................................................................ 81
10
INTRODUCCIÓN
La actividad económica mundial y la necesidad de ocupar mejores lugares
estratégicos a escala comercial, obligan a países en desarrollo, como en el
caso Colombiano, a reducir los costos de producción en infraestructura, para
dar una mayor cobertura a la inversión de los recursos del estado. En este
sentido, las carreteras, ocupan un lugar de preponderancia en este tipo de
inversiones, de esta forma nace la necesidad de implementar procesos y
materiales más eficientes y menos costosos con los cuales las regiones más
apartadas tengan la oportunidad de acceder a corredores viales
pavimentados con los cuales sus costos de producción se reduzcan y sus
productos sean competitivos en los diferentes mercados.
De lo anterior, la investigación de materiales no convencionales, se
constituye como un elemento de crucial importancia para el desarrollo social,
las mezclas asfálticas naturales, las rocas asfálticas y los crudos pesados del
petróleo, se encuentran dentro de las fuentes potenciales para su aplicación.
Por esta razón se plantea la pregunta ¿en que consisten, como se clasifican
y de que manera pueden ser empleados los materiales asfálticos no
convencionales como material de construcción de carreteras?
El desarrollo de esta investigación está destinado a ofrecerle al lector; en
primera instancia, el límite del conocimiento acerca de estos materiales en
nuestro país, posteriormente, los resultados de las pruebas físicas, químicas
y reológicas de mezclas y aplicaciones directas en las que se emplearon y en
que medida resultarían viables para su aplicación en obra.
11
Los asfaltos naturales se han usado de diversas formas en algunos lugares
del territorio nacional, en proximidades a sus fuentes, con resultados que van
de muy buenos a pésimos. En la mayoría de los casos en forma empírica sin
ningún tipo de estudio previo, a pesar de existir alguna bibliografía
institucional a este respecto.
El Estado, por intermedio del Instituto Nacional de Vías, cuando existía la
Oficina de Investigación y Desarrollo intentó realizar un trabajo serio sobre el
tema, pero debido a los altos costos y al recorte del presupuesto del sector,
en el año 1998 – 1999, el proyecto fue declinado. Sin embargo la inquietud
quedó latente y se adelantaron algunos estudios posteriores y algunas de las
experiencias de ese proceso se plasma en el presente documento gracias a
que el autor del mismo formó parte del equipo de investigación que se
conformó en ese momento.
Esta investigación tiene como objeto describir el origen de estos materiales,
plantear los resultados encontrados en el laboratorio, respecto de la
caracterización de los materiales, determinación de cualidades físicas,
químicas y reológicas de las mezclas puras, de las mezclas combinadas con
agregados vírgenes y la adición de ellos como aditivos en los procesos de
producción de las mezclas asfálticas.
Finalmente y con el objeto de llevar a la práctica toda esta información
recopilada y los resultados de las pruebas de laboratorio, realizar
aplicaciones de campo en obras de pavimentación, por lo cual la última parte
de este documento trata de la aplicación de los asfaltos naturales en obras
de pavimentación para vías de los Departamentos del Meta y Cundinamarca.
12
1. GENERALIDADES SOBRE LOS ASFALTOS NATURALES
El término “asfalto natural”, se aplica a todos aquellos materiales,
encontrados en la naturaleza, que contienen alguna proporción de crudos de
petróleo en forma sólida o líquida. De aquí surge una gran cantidad de
fuentes de material que al igual que los crudos súper pesados tienen muy
poca aplicación industrial, y aún cuando contienen ciertos porcentajes de
solventes su procesamiento costoso, comparado con la baja rentabilidad que
podrían brindar los productos de refinación.
1.1 En el mundo
En muchos lugares del mundo se encuentran fuentes de materiales de esta
clase y se están empezando a ver como fuentes potenciales de energéticos
gracias a la escasez de los crudos de refinación convencional. Son muy
conocidas las minas de arena asfalto de Alberta Canadá y las fuentes del
Orinoco de Venezuela que se encuentran en bastas extensiones de tierra
ocupando muchos tipos de formaciones geológicas y combinándose con
arcillas, arenas, rocas, agua y materia orgánica circundante.
La historia tiene referencia de este material en los textos sagrados como
impermeabilizante, el arca de Noe fue recubierta con él. Existen por supuesto
grandes depósitos de crudo convencionales en el medio ambiente que han
sido acompañados por afloramientos superficiales de asfalto "natural". Los
antiguos habitantes de esas zonas emplearon las excelentes propiedades
impermeabilizantes, adhesivas y de preservación que tenia el asfalto y
rápidamente dejaban de usar este producto para su disposición final. Por
13
mas de 5.000 años el asfalto en cada una de sus formas ha sido usado como
un impermeabilizante y como agente ligante.
La civilización Sumeria en el año 3.800 AC, empleó asfalto natural y se
recuerda este como el primer uso de este producto. En Mohenjo Daro, en el
valle Indo, existen tanques de agua particularmente bien preservados los
cuales datan del 3.800 AC. En las paredes de este tanque, no solamente los
bloques de piedra fueron pegados con un asfalto "natural" sino que también
el centro de las paredes tenía "nervios" de asfalto natural.
Este mismo principio se usa actualmente en el diseño de modernos canales y
diques. Se cree que Nebuchadnezzar fue un hábil exponente del uso del
asfalto debido a que existe la evidencia que él usaba el producto para
impermeabilización de los techos de sus palacios y como un ingrediente en
sus caminos empedrados. El proceso de momificación usado por los
antiguos egipcios también testifica las cualidades preservativas del asfalto,
aunque es una materia de disputa si se usó asfalto en vez de resinas.
1.2 En Colombia
Las fuentes de asfalto natural se encuentran distribuidas por las once (11)
grandes cuencas sedimentarias con las que cuenta Colombia que ocupan un
área aproximada de 88.744.800 hectáreas, si sabemos que el área
continental colombiana es de 1.141748 km2 y 928.660 km2 de área
marítima, es decir de las 207.040.800 hectáreas con que dispone el territorio
colombiano cerca del 40% corresponde a cuencas sedimentarias en las que
14
se pueden encontrar hidrocarburos, en el mapa que se muestra a
continuación se representan las cuencas sedimentarias y las fuentes más
reconocidas de asfaltos naturales:
• Cuenca de la Guajira
• Cuenca Valle Inferior
• Cuenca Choco - Pacífico
• Cuenca Valle Medio
• Cuenca Cordillera Oriental
• Cuenca Llanos Orientales
• Cuenca Valle inferior
• Cuenca Patía
• Cuenca Amazonas
• Cuenca Putumayo
• Cuenca Ranchería - Cesar
Dentro de estas cuencas, encontramos fuentes de asfalto natural en:
Santander (Río Negro, Lebrija, San Vicente y Vélez); Putumayo (Vendeyaco,
Cedrales); Boyacá (Tuta, Pesca, Tópaga, otros), Cundinamarca (Macheta, La
Palma, Yacopí), Caquetá (Doncella, pavas, las perlas, los cuervos, Puerto
Rico, otros); Guaviare (El Capricho), Cesar (San Alberto); Caldas (Norcacia)
y Crudos pesados, en castilla, la Gloria, rubiales, Gaván. Estas son solo un
ejemplo de las diversas fuentes naturales que se diseminan por la mayor
parte de la geografía nacional, se han contabilizado cerca de cuarenta
fuentes de asfaltos naturales y varios yacimientos de crudos superpesados.
15
Figura 1. Cuencas sedimentarias colombianas.
Fuente: Investigación sobre asfaltitas. Laboratorio INVIAS. 1989
16
Mina de Norcacia (Caldas): La mina se encuentra localizada a 15 kilómetros
del Municipio de la Dorada en el Departamento de Caldas, sobre la Carretera
que conduce a Medellín por la Vía Sonsón, en el sitio denominado la Suiza,
estos materiales se vienen explotando y utilizando para la construcción de
Vías de acceso del Proyecto Hidroeléctrico de Hidromiel. Hasta el año de
1998 se habían pavimentado con este asfalto aproximadamente 30 Km, con
resultados satisfactorios presentando un buen comportamiento estructural de
la mezcla de asfalto natural para el soportar el tránsito de vehículos pesados
(camiones y tracto mulas), que trabajan en dicho Proyecto.
Mina Las Pavas (Caquetá): Localizada en el KM 54 de la Carretera Florencia
– San Vicente del Caguán, entre Paujil y Doncello. Actualmente se encuentra
en explotación y con ella se han pavimento una longitud mayor a los 400 Km.
Su afloramiento está sobre el inicio de la ladera de una zona montañosa, la
explotación se realiza a cielo abierto, el material se deja reposar tres (3) días,
según los contratistas, para su extensión y compactación que se utiliza la
motoniveladora y se compacta con equipo tradicional. De acuerdo con la
población el pavimento construido con este material lleva de 20 a 25 años y
por su aspecto se encuentra fisurado generalizado, piel de cocodrilo,
abultamientos, desplazamientos de bordes, desprendimientos con
oquedades y baches. El mantenimiento que se realiza actualmente, consiste
en un parcheo ejecutado con el mismo material.
Mina Los Cuervos (Caquetá): localizada en el KM 95 de la Carretera
Florencia – San Vicente del Caguán, en la Población de Puerto Rico.
Actualmente se encuentra en explotación y con ella se toma material para
realizar solamente mantenimiento con parcheos y para pavimentar
carreteables de veredas y pueblos Su afloramiento se localiza sobre el inicio
17
de la ladera de una zona montañosa. Su explotación se efectúa de manera
similar a la mina de las Pavas y la extensión y compactación del material se
realiza también con equipos convencionales (motoniveladora y cilindro
estático liso).
Puerto Rico (Caquetá): Localizada a la orilla sur del Río Guayas, a unos seis
(6) kilómetros río arriba de Puerto Rico.
Mina Las perlas (Caquetá): Se encuentra ubicada a 17 Km de la vía
Florencia en zona de montaña, no se ha explotado aún pero los
afloramientos de asfalto dejan ver que su potencial.
San Antonio(Caquetá): Esta situada en el Valle del Río Orteguaza a 14,5
Km, aguas arriba del Km 5 de la carretera Florencia – Puerto Rico. Aunque
se ha tenido información de su explotación, esta ha sido de mucha menor
importancia.
Mina del Capricho (Guaviare): Esta fuente de asfalto natural está constituida
por una arena asfáltica ubicada a aproximadamente a 50 Km. de la Capital
del Departamento, San José del Guaviare, cerca del caserío denominado el
Capricho y se llega a este por una trocha que va a la vereda El Cristal, de la
cantera existente se extrae material para utilizarlo de manera artesanal en
arreglo de carreteras.
Mina el Picalojo (Guaviare): Mina explotada de la misma manera y que se
encuentra en las cercanías del capricho, a 6 Kilómetros por trocha.
18
Mina de pesca (Boyacá): La beta de asfaltos naturales esta localizada a 1
kilómetro del Municipio de Pesca en el Departamento de Boyacá a cuatro (4)
horas de su Capital por la Vía Tunja - Sogamoso - Yopal, carretera
totalmente pavimentada. Se han realizado pavimentaciones con este material
en carreteras de bajo nivel de tráfico con resultados desalentadores ya que al
poco tiempo de construcción de la capa asfáltica, esta se ha levantado y aún
cuando se han intentado diferentes técnicas no se logra encontrar buenos
resultados.
Mina de San Pedro (Tolíma): La Mina de San Pedro, está ubicada a 4
kilómetros de la Carretera que va de Ibagué a Honda en el Antiguo Armero,
hoy Campo Santo. Las investigaciones realizadas sobre este material
natural, indican una extensión aproximada del área de beta de
aproximadamente 600 hectáreas, sobre la formación Honda, compuesta por
conglomerados, con tamaños máximos que oscilan entre 10 y 15 centímetros
y presenta gradaciones densas muy homogéneas en toda el área
mencionada. Desde hace más de 10 años se ha utilizado en la estructura del
pavimento, como subbase y base, en espesores entre 10 y 15 cm para vías
secundarias como SAN FELIPE-FALAN. Este material se ha empleado en la
región en un radio de aproximadamente 60 KM y actualmente se nos ha
informado, que existen programas de pavimentación en los Municipios de
Lérida, Armero, Guayabal, Fresno y Fusagasuga.
Estas son algunas de las fuentes más conocidas de asfaltos naturales y
crudos de petróleo, analizando la distribución geográfica de las fuentes tiene
cierto impacto macroeconómico en especial para aquellos lugares de la
19
geografía colombiana que presentan un difícil acceso, betas como la del
Departamento Caquetá suministra un potencial de explotación, producción y
aplicación a lugares de alta vulnerabilidad económica y política como
representa esta región.
20
2. ASPECTOS BÁSICOS DE LA QUÍMICA DE LAS MEZCLAS ASFÁLTICAS
En la elaboración de una mezcla de concreto asfáltico se emplean materiales
pétreos de gradación definida y materiales bituminosos en proporción relativa
a los agregados minerales, tanto los unos como los otros requieren un grado
determinado de procesamiento industrial.
2.1 Materiales bituminosos
Los materiales asfálticos empleados en construcción de vías proceden de
diversas fuentes que pueden ser de origen natural o materiales
transformados o industriales. Son tres fuentes las que se pueden destacar:
Tabla 1. Tipos de bitumenes según su origen
BITUMENES PRODUCTO ORIGEN APLICACIÓN EN PAVIMENTOS
ALQUITRAN Destilación del carbón
Toxico – bajo desempeño
BETUN ASFALTOS NATURALES
Lagos Aplicable en ciertos casos
Rocas
Arenas
Arcillas
CEMENTOS ASFÁLTICOS
Destilación de crudos
Empleo común
Fuente: Investigación sobre asfaltitas. Laboratorio INVIAS. 1989.
21
Alquitranes productos de la destilación del carbón y betunes naturales y
derivados del petróleo. Los asfaltos naturales se han producido a partir del
petróleo por proceso normal de evaporación de fracciones volátiles, dejando
los elementos densos solamente, pueden encontrarse como escurrimientos
superficiales en depresiones terrestres, dando origen a lagos de asfalto,
también aparecen impregnando los poros de algunas rocas, y por fenómenos
de metamorfismo se solidifican para formar rocas asfálticas, como la gilsonita
o asfaltita sólida. Así también se encuentran mezclados con elementos
minerales, como pueden ser arenas y arcillas en cantidades variables.
2.1.1 El cemento asfáltico
Los asfaltos son materiales aglomerantes de color oscuro, constituidos por
complejas cadenas de hidrocarburos de alto peso molecular, su
comportamiento físico-químico lo caracteriza como un fluido coloidal no
newtoniano, coloidal debido a que se presentan núcleos de polímeros, con
tendencia a condensarse por su afinidad polar, disueltos dentro de una
solución o fase continua de hidrocarburos de inferior masa molecular que
mantiene el estado de suspensión coloidal a los primeros. En el esquema
coloidal de Pfeiffer, los asfaltenos constituyen las micelas o fase dispersa y
los maltenos (aceites y resinas) la fase dispersante. Fig. No.2
22
Figura 2. Esquema coloidal de Pfeiffer
Fuente: León Arenas Lozano Hugo, Tecnología del Cemento Asfáltico, Editorial FAID, Tercera edición Popayán, 300 Pág. 2003
De lo anterior se presenta una influencia de los componentes del material en
el resultado final de sus propiedades, los asfaltenos brindan en aporte
mecánico de dureza, las resinas las características adherentes y los aceites
la manejabilidad del mismo.
En el modelo estructural desarrollado por el grupo SHARP se presentan dos
fases de la estructura química del asfalto, una aromática conformada por los
asfaltenos dentro de un solubilizante: los maltenos, como una fase intermedia
se encuentra las resinas que junto con los asfaltenos flotan sobre los aceites.
23
Figura 3. Modelo microestructural Sharp
Fuente: León Arenas Lozano Hugo, Tecnología del Cemento Asfáltico, Editorial FAID, Tercera edición Popayán, 300 Pág. 2003
Es claro que la disposición de los polímeros del material se hace más o
menos abierta con la temperatura, como sucede con la mayoría de los
materiales termoplásticos y en especial los visco elástico con el frío existe la
tendencia a compactarse en capas laminares.
El sistema micro estructural está conformado por moléculas de naturaleza
polar y no polar, siendo las primeras la red fuerte que le da la resistencia
relativa, las no polares el comportamiento viscoso del material.
24
La caracterización química del asfalto es desarrollada mediante diversos
sistemas analíticos; fraccionamiento por precipitación, por destilación,
cromatografía, análisis químico y análisis de pesos moleculares, todos
buscando composiciones en porcentaje de peso de los elementos
constitutivos del material. En la actualidad, adicionalmente se emplea, entre
otros, el análisis SARA, en el cual se determinan las cantidades de
saturados, aromáticos, resinas y asfaltenos. A manera de ejemplo
extractamos los cuadros de análisis de cementos asfálticos del Doctor Hugo
León Arenas de su libro Tecnología del Cemento Asfáltico.
Tabla 2. Resultados de análisis químicos de los asf altos colombianos
Tipo de análisis Compuesto
Tipo de cemento asfáltico
B/bermeja Cartagena Apiay
ANALISIS SARA
Saturados 23,85 25,37 21,67
Aromáticos 32,77 25,67 26,76
Resinas 31,88 36,32 30,47
Asfaltenos 10,83 12,64 21,1
RESONANCIA MAGNÉTICA
Parafinicos 35,3 36,5 35,7
Nafténicos 35,4 35,8 36,6
Aromáticos 29,3 27,7 27,7
ANALISIS ROSTLER Y STERNBERG
Bases nitrigenadas 35,2 28,5 20
Acidafinas I 9,6 18 13
Acidafinas II 27,4 29 25
Saturados 14,6 6,9 15,5
Fuente: León Arenas Lozano Hugo, Tecnología del Cemento Asfáltico, Editorial FAID, Tercera edición Popayán, 300 Pág. 2003
Estos parámetros serán útiles en el momento realizar comparaciones entre
los cementos asfálticos convencionales, los asfaltos naturales y los residuos
de destilación de los mismos, si es el caso.
25
2.1.2 Función del cemento asfáltico
Aprovechando las singulares propiedades del cemento asfáltico;
impermeabilidad, cohesividad, adherencia y capacidad para resistir esfuerzos
instantáneos y fluir bajo la acción de cargas permanentes, las funciones que
prestan en la estructura del pavimento son:
• Permitir la unión y la cohesión entre los agregados minerales para
resistir el ataque mecánico del transito
• Dar la impermeabilidad necesaria para proteger las capas
estructurales del pavimento.
• Brindar el confort y la economía a los usuarios de la vía.
• Su aporte a la durabilidad es fundamental, aparte de ser el agente
ligante e impermeabilizante aporta resistencia a la mezcla sobre los
efectos abrasivos del tránsito, de la intemperie y la variación de
temperatura ambiental.
• La cantidad de asfalto en una mezcla es uno de los factores más
importantes en la calidad del pavimento, en el diseño debe existir un
equilibrio tal, que exista el suficiente cementante para cubrir los
agregados, conformar los vacíos necesarios para el funcionamiento
final de la mezcla sin perder la estanqueidad del conjunto.
2.1.3 Características mediadas
Para determinar la viabilidad del uso de un cemento asfáltico se realizan
ensayos específicos en búsqueda de sus propiedades físicas y químicas así
como su comportamiento reológico.
Características físicas
26
Al cemento asfáltico se le hacen:
Ensayos de penetración: El cual busca medir la dureza del material para ser
penetrado a determinadas temperaturas, nos da un parámetro de
consistencia del material. (Norma INV E-706).
Ensayo de punto de ablandamiento: Con este ensayo podemos determinar
con alguna precisión la temperatura a la cual el cemento asfáltico cambia de
estado de sólido a líquido (Norma INV E-712).
Punto de inflamación: Con esta prueba conocemos la temperatura a la cual
los solventes del material se inflaman para luego generar combustión, la
filosofía de la prueba esta dirigida a la seguridad de manejo en el
calentamiento del cemento. (Norma INV E- 708/709).
Viscosidad: Es un conjunto de ensayos que permiten conocer las
viscosidades del material a diferentes temperaturas, es tal vez una de las
pruebas más importantes del material, normalmente se realiza a 60ºC y
135ºC. (Normas INV E-714 /715).
Ductilidad: Mide la capacidad del cemento para alargarse antes de romperse
cuando es estirado desde sus extremos. Normalmente a mayor ductilidad
mayor adherencia. (Norma INV E-126).
Desde el punto de vista químico podemos encontrar procedimientos de
análisis clásicos e instrumental, así:
27
Métodos clásicos de separación
• Fraccionamiento con solventes
• Absorción química
• Separación por cromatografía
• Separación por precipitación química
Métodos instrumentales
• Differential seanning colorimetry
• FTIR – Espectroscopia infrarroja por transformada de Fourier
• NMR – Resonancia magnética nuclear
• GPC – Cromatografía de gases / espectroscopia en ultravioleta /
infrarrojo
• PDA – Photodio the array detector
• Cromatografía combinada en película delgada y detector de ionización
por llama
La ASTM tiene normalizados solamente dos métodos el primero de los
cuales está descontinuado en el ámbito mundial.
• Técnica de extracción Rostler Stemberg
• Técnica de absorción Corbeta y Swarbrick
Básicamente lo que se busca con estos métodos de análisis es determinar la
composición interna del cemento asfáltico, sus partes integrantes en el
28
ámbito molecular, su concentración y naturaleza, como veremos más
adelante.
Reología
La reología es el estudio del comportamiento del material al ser solicitado
mecánicamente por esfuerzos de carga en el tiempo y como varían las
variables físicas y químicas de flujo, deformación, ductilidad, oxidación y
otros
2.2 Agregados minerales
En general se espera que la mayor parte de los agregados minerales
encontrados dentro de los mantos asfálticos y las fuentes de estos materiales
sean de origen sedimentario. Con la geografía colombiana su variabilidad en
climas y regiones naturales se presentan diversos tipos de factores físicos y
químicos que entran a afectar los suelos y las rocas en los procesos de
meteorización, transporte y depositación
Es así como tales factores formadores, físicos y/o químicos, se presentan
como simple fractura mecánica, pero en general el ataque químico es
universal y los procesos que dejan sueltos los cristales crean puntos débiles
implican el ataque ya sea en forma de disoluciones generadas por el agua,
oxidaciones en materiales ferrosos e hidratación que se da en todos los
materiales. Los factores biológicos son importantes en la fijación de
elementos del aire y la creación de carbonatos, de la misma forma las
bacterialas formadoras de sulfatos y óxidos de hierro entran a participar en la
conformación mineralógica de los suelos. En general muchos de los
procesos tienen lugar en la superficie de la corteza terrestre y dado que los
29
afloramientos de los crudos y las fuentes de los materiales estudiados se dan
en lugares y momentos coincidentes con estos fenómenos, encontramos
todos estos materiales además del agua y la materia orgánica habitual. En el
siguiente cuadro se muestran algunas de los grupos más comunes de rocas
sedimentarias que encontramos combinados con los asfaltos naturales.
Tabla 3. Rocas sedimentarias abundantes
Tipo Mineralogía Química
Areniscas Cuarzo, feldespato Dominada por el SiO2 (+K, Na, Ca, Al)
Pizarras Minerales de la arcilla, cloritas, carbonatos Al2O3 - SiO2 – H2O
Calizas Calcita, dolomita CaCO3, MgCO3
Chert Cuarzo, Hematites SiO2 (Cantidades menores de Fe2O3, MnO2)
Fosforita Apatito Fosfato de calcio
Arcillas Minerales complejos de la arcilla, Cuarzo, materiales orgánicos Al2O3 - SiO2 – H2O
Fuente: García López Manuel, Barrios Montoya Julio y Cañón Barriga Julio. Manual de Estabilidad de Taludes, Geotecnia Vial. INVIAS, Editado Escuela Colombiana de Ingeniería. Bogotá, 7998. 340Pg
Un buen porcentaje de los agregados minerales son de naturaleza
sedimentaria, pero de igual forma, se encuentran agregados metamórficos y
evidentemente rocas ígneas. Debido a la naturaleza sísmica de las
cordilleras colombianas los eventos volcánicos son comunes en el espacio y
en el tiempo con lo que afloran en la superficie líquidos magmáticos con
temperaturas que van entre los 800 y 1300ºC, tales materiales pueden
enfriarse bruscamente para formar rocas parcialmente vítreas o lentamente
para formar rocas cristalinas. En cuanto hace referencia a rocas
metamórficas que nacen de procesos tectónicos de presión y temperatura
extrema en el interior de la corteza terrestre, de igual forma tienen su
30
participación en alguna medida, en los depósitos combinados con los
materiales tratados en este documento, los agregados metamórficos están
representados en los esquistos y rocas con texturas desarrolladas y
orientadas perfectamente, por su baja rugosidad no presentan buenas
características de adherencia al ser empleados como material para los
concretos asfálticos.
En concordancia con el manual de Estabilidad de Taludes del INVIAS, en
general podemos encontrar rocas predominantes en las diferentes cordilleras
y evidente mente de acuerdo a lo cual los suelos generados en el
inpemperismo de las mismas.
Cordillera Oriental:
• Macizo de Quetame: rocas metamórficas, en especial esquistos
cloríticos y filitas
• Grupo Cáqueza: Cuarcitas, pizarras, calizas y lutitas
• Formación Une: Areniscas duras
• Grupo Villeta: Lutitas, arcillositas y limolitas
• Formación Guaduas: Arcillas y lutitas blandas, areniscas poco
cementadas
• Grupo Guadalupe: Areniscas tiernas, dura y de labor, lutitas y liditas
(Planers)
31
Cordillera Central:
Rocas Ígneas: Localizadas hacia el interior, parte central de la cordillera,
entre ellas dioritas, cuarzo – dioritas y diabasas, existen intrusiones llamadas
batolitos (como el Antioqueño y el Ibagué) formados en especial por dioritas.
Hay áreas extensas cubiertas de cenizas volcánicas y otros materiales
piroclásticos.
Rocas metamórficas: En las partes laterales de la cordillera, encajantes de la
roca ígnea, abundan los esquistos, pizarras, anfibolitas, serpentinas y el
mármol.
Rocas sedimentarias: Son menos frecuentes en esta cordillera.
Cordillera Occidental:
Rocas ígneas: Se encuentran en la parte sur hasta poco más arriba de
Popayán.
Rocas metamórficas: Esquistos, cuarcita, sobre todo la parte central, en el
grupo Dagua
Rocas Sedimentarias: En especial calizas y areniscas de la parte norte,
serranías de San Jerónimo y Baudo.1
1 García López Manuel, Barrios Montoya Julio y Cañón Barriga Julio. Manual de Estabilidad de
Taludes, Geotecnia Vial. INVIAS, Editado Escuela Colombiana de Ingeniería. Bogotá, 1998. 340Pg.
32
En general la mayor parte del territorio colombiano está conformado por una
geología relativamente joven generada por la dinámica de las placas que
afectan el movimiento y evolución del sistema montañoso de los Andes,
conformando los plegamientos del mismo. De esta forma se configuran las
zonas geológicas de conformación del territorio colombiano; Llanos
Orientales y amazonía con rocas de tipo marino y continental muy antiguas
de origen precámbrico, del orden de los 1780 millones de años, base de la
conformación de gran cantidad de rocas ígneas, metamórficas y
sedimentarias del territorio, con una gran variedad de material de origen
marino especialmente en la Cordillera Oriental. La zona central se encuentra
gran cantidad de origen ígneo, tanto Cordillera Oriental como Central
caracterizada por actividad plutónica y volcánica del Jurásico, abundan rocas
Metamórficas del Paleozoico, granitos y cuarzos. La zona occidental
conformada por basaltos, rocas de composición piroxeno – olivino y lavas
con depósitos considerables de minerales de hierro y níquel.
Con lo anterior y la gran actividad tectónica, glacial, lacustre y aluvial
conformaron la geomorfología colombiana como la conocemos actualmente y
la naturaleza mineralógica de las diversas cuencas sedimentarias que
conforman el gran porcentaje del territorio.
2.2.1 Funciones del agregado mineral
Con el cemento asfáltico como material cementante, es claro que la
estructura del concreto asfáltico serán sus agregados minerales, que
características deben tener en la mezcla final:
33
• Existe una distribución, por tamaños, en los agregados minerales que
permiten una mezcla final con óptima resistencia. La combinación de
agregado grueso y agregado fino así como de pasa 200 estructuran
una retícula adecuada bajo la cual los parámetros de; vacíos en la
mezcla, deformaciones o flujos, estabilidad o resistencia, duración,
economía de la mezcla y rugosidad son las mejores para una misma
mezcla.
• El efecto del llamado “llenante mineral” o pasa 200 es importante en la
resistencia final del concreto asfáltico resultante.
• La forma de los agregados, su dureza y textura son básicas en la
resistencia final de la mezcla; una mezcla con partículas lisas y
redondeadas tiene menos resistencia que la misma mezcla con
agregados ásperos y angulosos.
• La composición mineralógica del agregado entra a participar en la
afinidad electrónica de los materiales; cemento asfáltico y agregados,
por lo que la adherencia es menor con minerales, especialmente de
origen calizo y volcánico.
• Por razones de conford, economía de la mezcla y manejabilidad, el
tamaño máximo del agregado debe ser limitado, del orden de 3.5 cm
de diámetro.
34
2.2.2 Características medidas
Al igual que al asfalto, a los agregados se le realiza toda una serie de
ensayos para determinar la posibilidad de uso de los mismos, sus
propiedades físicas, mecánicas y algunas veces químicas de los mismos,
dentro de los ensayos básicos están:
Análisis granulométrico: Para determinar tamaño de partículas de agregados
finos y gruesos, se busca verificar el tipo y forma de la gradación. (Norma
INV E-213).
Resistencia al desgaste: Evalúa la resistencia de los materiales pétreos
gruesos a la abrasión mediante algún procedimiento de ataque, se utiliza la
máquina de los Ángeles en la cual se introducen los agregados, unas esferas
de acero de 500 gramos y al rotar el tambor de dicha máquina el agregado
es sometido a la abrasión, midiendo finalmente el porcentaje de agregado
desprendido en forma de porcentaje. (Norma INV E-218).
Textura: La textura superficial tiene un efecto importante en la durabilidad del
concreto resultante, como vimos anteriormente se busca mayor rugosidad sin
importar la cantidad adicional de cementante que se emplee. (Norma INV E-
231).
Limites de consistencia: se mide la actividad de la porción fina de los
agregados mediante ensayos de límites de consistencia con los resultados
35
se puede predecir el comportamiento final del conjunto. 8Normas (INV E 125
/ 126)
Otros Ensayos realizados sobre los agregados minerales son:
Peso específico y absorción de agregados finos y gruesos (Norma INV E –
222 / 223); Porcentaje de caras fracturadas (Norma INV E-227); Índice de
aplanamiento y alargamiento (Norma INV E – 230), otros.
Son muchos los ensayos sobre agregados que van de acuerdo a las
circunstancias de uso de las mezclas resultantes, el fin último es la búsqueda
en el cumplimiento de las funciones de estos materiales en concordancia con
lo descrito en el apartado anterior de este documento.
36
3. CLASIFICACIÓN DE LOS ASFALTOS NATURALES
La clasificación de los asfaltos naturales esta determinada por el origen del
cual viene formado el material, naturalmente como cualquier otro elemento,
sometido a intemperismo y la acción geológica se encuentran varios tipos de
estructuración molecular y composición química. De esta forma se pueden
encontrar, asfaltos Nativos, sólidos o semisólidos, por ejemplo; Puros o casi
puros (Crudo del petróleo); Asociados con materia mineral (crudos
combinados con agregados) y Asfaltitas duras (Gilsonitas). Se tomarán los
crudos pesados como parte de los asfaltos naturales ya que a pesar de que
se originan por la explotación industrializada, se les somete a muy poco o
ningún proceso industrial luego de su acopio.
Desde el punto de vista de su evolución los asfaltos naturales de acuerdo a
su génesis de Abraham los crudos pasaron por; polimerización, oxidación y
supuración antes de convertirse en las diferentes formas de asfaltitas sólidas
que se conocen actualmente.
37
Tabla 4. Clasificación de los Asfaltos Naturales se gún Abraham H.
ORIGEN PROCESOS QUÍMICOS
ACCIÓN DE MATERIAL FORMADO
Petróleo Oxidación Temperatura Crudos Livianos Pesados
Polimerización Tiempo Asfaltitas Gilsonita Clase Pinch Grahamita
Condensación Catalizadores Pirobitúmenes asfálticos
Eleterita Wurilita Albertita Impsonita
Sulfuración Presión Esquistos Pirobituminosos
Etapa final
Fuente: Abraham H. , Asphalt and allied substances, Van Nostrand Company Inc, Princeton, New Jersey, USA, Sixth Edition, 1960.
Otra clasificación de los asfaltos naturales según Fester, investigador
americano, es la siguiente:
Tabla 5. Clasificación de los asfaltos naturales se gún Fester
ORIGEN PROCESOS NATURALES MATERIAL RESULTANTE
Sedimentación, compactación de materia orgánica
Petróleo Polimerización Asfaltos naturales
Condensación
Oxidación
Otros
Esquistos bituminosos
Efectos ígneos intensos a través de agua en estado hipercrítico
Asfaltitas duras
No hay interacción de oxígeno atmosférico
Fuente: Fester, G.A. Discution of document “Asphalt and alliend substances, Van Nostrand Company Inc, Princeton, New Jersey, USA, Ssixth Edition, 1960”, Proc VII R.A.A. 1963
38
Cualquiera de los procesos determina exposición de crudos a grandes
temperaturas o presiones que de una forma u otra volatilizaron diferentes
porcentajes de solventes creando materiales bituminosos más densos e
incluso petrificados que hoy conocemos como asfaltitas sólidas o esquistos
pirobituminosos.
En conclusión los materiales asfálticos, tipo asfaltitas o asfaltos naturales que
se emplean en la industria de la construcción y de los cuales se ha tenido
alguna experiencia en Colombia son:
1. Grupo I: Crudos pesados
2. Grupo II: Asfaltos naturales generados por el afloramiento de crudos y
que se encuentran mezclados en diversas proporciones con materiales
circundantes de las fuentes, agregados, material orgánico y agua.
3. Grupo III: Asfaltos naturales sólidos (Asfaltitas), producidas por efectos
tectónicos y que tienen muy poco o ningún porcentaje de solventes volátiles.
3.1. Análisis de la clasificación de los asfaltos n aturales
Teniendo en cuenta la clasificación propuesta podemos entrar a detallar cada
uno de los grupos de asfaltos naturales. Es claro que cualquiera que sea la
clase el origen es el mismo, “mezcla de sustancias químicas orgánicas
provenientes de plantas o animales microscópicos que vivieron en los mares
hace millones de años”, variando solamente las condiciones geológicas o
ambientales a las cuales fueron expuestas en el tiempo.
39
De lo anterior se espera que dentro de los materiales, especialmente los que
se encuentra aún en estado líquido, presenten tres tipos de composiciones;
crudos de base parafínica con elevadas cantidades de compuestos sencillos
parafínicos y ceras de alto peso molecular, crudos con bases nafténicas con
altos contenidos de betún, parafinas e hidrocarburos aromáticos,
combinaciones de los anteriores y lo que sí es claro, elementos químicos
disueltos de diversa índole, tipo azufre, sílice, metales, etc.
3.2 Crudos pesados
Desde hace mucho tiempo se han venido usando indistintamente como
material en diferentes etapas de la construcción. Este material es un líquido
espeso menos denso que el agua, con una densidad API menor a 202,
generalmente presentan una composición química nafténica aun cuando su
destilación genera diversos productos, en la mayoría de los casos no puede
ser explotados de la mejor manera dada su baja rentabilidad, teniéndose que
emplear de manera directa con muy poco o ningún proceso industrial. En
Colombia los más conocidos son: Crudo de Castilla; Crudo de Gaván; Crudo
de Cedrales, el primero de los cuales fue ha sido el más estudiado en el país.
3.2.1 Experiencias sobre el crudo de Castilla En la siguiente tabla se muestran las principales características del material
en pruebas que se realizaron el Laboratorio de INVIAS y en los Laboratorios
de la Escuela Colombiana de Ingeniería en el año 1999 y 2000.
2 A.P.I. American Petroleum Institute – Densidad o grados A.P.I. definida por A.P.I. = (141.5/PE) –
131.5 donde PE es el peso específico del crudo.
40
Tabla 6. Características del crudo de castilla.
ENSAYO NORMA UNIDAD RESULTADO
Gravedad a 15,6ºC ASTM D 4052 API 11,7
Densidad ASTM D 5002 Kg/m3 988,1
Punto de llama ºC 61
Punto de ignición 91
Azufre ASTM D 4294 % m 2,6
Carbón Conradson ASTM D 4530 % m 15,0
Punto de fluidez ASTM D 97 ºC 6,0
Insolubles n – C7 UOP 614 % m 14,1
Viscosidad cinemática 37,7ºC ASTM D 445 cSt 3864,0
Viscosidad cinemática 70ºC ASTM D 445 cSt 376,0
Viscosidad dinámica 20ºC Rotovisco Cp 31540,0
Viscosidad dinámica 25ºC Rotovisco Cp 19030,0
Viscosidad dinámica 30ºC Rotovisco Cp 10990,0
Viscosidad dinámica 35ºC Rotovisco Cp 6720,0
Agua y sedimento ASTM D 96 % vol 0,6
Cenizas ASTM D 482 % m 0,1
Punto de inflamación, vaso TAG abierto ASTM D 1310 ºC 15,0
Metales UOP 800
Vanadio mg/Kg 400,0
Niquel mg/Kg 96,0
Sodio mg/Kg 21,0
Hierro mg/Kg <0,7
Cobre mg/Kg <0,2
Magnesio mg/Kg <0,4
Calcio mg/Kg 1,6
Ceras % peso 3,09
Sal lb/KB * 3,6
* Libras por cada 1000 barriles Fuente: Laboratorio de INVIAS y en los Laboratorios de la Escuela Colombiana de Ingeniería en el año 1999 y 2000.
41
Como indica la tabla, el contenido de metales es relativamente alto, los
insolubles en n-C7 y el carbón Condradson, así como asfaltenos también lo
son, su fluidez es baja, a 6ºC. Dado que la gravedad API es de 11.7 se
clasifica como un crudo pesado, de acuerdo a la ponderación de
ECOPETROL, crudos de densidad API inferior a 18 se definen como
nafténicos por lo que el Crudo de Castilla es de naturaleza nafténico –
intermedio, con algún contenido de ceras. De otra parte el porcentaje de
cenizas es bajo, comparado con otros crudos. En ese momento se buscó
nuevas aplicaciones del material dado que ECOPETROL presentaba
grandes volúmenes de crudo y muy poca posibilidad de utilización del mismo.
Al realizar una destilación al crudo llegamos a un cemento asfáltico con las
características de los crudos convencionales, los resultados de las
mediciones de las características reológicas del Crudo de Castilla se
presentan a continuación:
42
Tabla 7. Caracterización del residuo de destilación del crudo de castilla.
ENSAYO NORMA UNIDAD RESIDUO DE DESTILACIÓN
Penetración a 25ºC, 5s, 100g E - 706 1/10 mm 71
Punto de reblandecimiento anillo y bola, ºC E - 712 ºC 48,4
Punto de fragilidad Gras E - 724 ºC -15
Punto de inflamación V/A E - 709 ºC 235
Ductilidad a 25ºC E - 702 cm >100
Solubilidad en triloretileno E -713 % 99,9
Contenido de agua E - 704 % 0
Contenido de asfaltenos NLT - 131 % 20
Contenido de parafinas NLT - 345 % 0,7
Viscosidad dinámica a 60ºC E - 707 Pa s 269
Viscosidad dinámica a 100ºC " Pa s 3,6
Viscosidad dinámica a 135ºC " Pa s 0,4
COMPOSICIÓN QUÍMICA
Saturados ASTM D 4124 % 17,2
Aromáticos " % 37,9
Resinas " % 23
Asfaltenos " % 22,1
ENSAYOS RESIDUUO PELICULA FINA
Variación de masa E - 721 % 0,8
Penetración a 25ºC, 5s, 100g E - 706 1/10 mm 59
Variación punto de reblandecimiento A y B E - 712 ºC 8,2
Ductilidad a 25ºC E - 702 cm 60
Fuente: Laboratorio de INVIAS y en los Laboratorios de la Escuela Colombiana de Ingeniería en el año 1999 y 2000.
43
Al comparar los resultados de los ensayos con los datos de un cemento
asfáltico como el de Barrancabermeja encontramos muchas similitudes en
sus resultados.
Tabla 8. Comparación de los valores de ensayo con e nsayos sobre el cemento asfáltico de Barrancabermeja
ENSAYO NORMA UNIDAD RESIDUO DE DESTILACIÓN BARRANCA
Penetración a 25ºC, 5s, 100g E - 706 1/10 mm 71 76
Punto de reblandecimiento anillo y bola, ºC E - 712 ºC 48,4 47,7
Índice de penetración E - 724 -0,7 -0,75
Ductilidad a 25ºC E - 702 cm >100 >100
Punto de inflamación, vaso Cleveland abierto E - 716 ºC 235 320
Peso específico a 25ºC gr/cm3 1,028 0,998
Viscosidad dinámica a 60ºC P 4928 1810
Viscosidad cinemática a 135ºC c St 428 342
COMPOSICIÓN QUÍMICA
Saturados ASTM D 4124 % 17,2 23,85
Aromáticos " % 37,9 32,77
Resinas " % 23 31,88
Asfaltenos " % 22,1 10,83
ENSAYOS RESIDUUO PELICULA FINA
Variación de masa E - 721 % 1,44 0,25
Penetración a 25ºC, 5s, 100g E - 706 1/10 mm 59 60
Variación punto de reblandecimiento A y B E - 712 ºC 8,2 9,7
Viscosidad dinámica a 60ºC P 24192 2290
Fuente: Laboratorio de INVIAS y en los Laboratorios de la Escuela Colombiana de Ingeniería en el año 1999 y 2000.
3.2.2 Algunas características medidas en otros crud o.
La tabla de datos que se muestra a continuación es el resultado de la síntesis
de resultados encontrados por la Universidad del Cauca sobre los asfaltos
naturales de la región sur del país, de la misma forma se muestran los
44
ensayos sobre los residuos de destilación de estos materiales y las pruebas
sobre los bitúmenes envejecidos, así como su composición química.
Tabla 9. Algunas características medidas en varios crudos.
Características Unidades Cedrales
Residual cedrales Vendeyaco Castilla
Residual castilla Apiay Cartagena Barranca
Solventes % 8,5 0 17
Densidad relativa Ton/m3 1,088 1064 1,019 988 1.028 1.028 1.008 0.998
Penetración 25ºC 1/10 mm 219 82 >400 300 71 70 85 76
Viscosidad a 60ºC Poises 1032 2687,5 56 4,3 4928 1800 1500 1810
Viscosidad a 135ºC cSt 256 67 428 300 220 342
Punto ablandamiento ºC 46 62,2 19,5 36 48,4 48 44,8 47,7
Punto llama ºC 150 160 61 235 238 240 320
Punto de combustión ºC 165 190 91
Ductilidad cm 11 100
Envejecidos
Penetración 25ºC 1/10 mm 46 46 144 49 42 45 49
Penetración retenida % 56 56 59 60 53 64
Viscosidad a 60ºC Poises 1166 24192 5500 3769 2290
Punto de ablandamiento ºC 74,5 74,5 43,3 +8.2 57,7 55 51,8
Perdida de masa % 5,7 5,21 9,9 1.44 0,25 0,965 0,195
Química
Saturados % 18,3 15,6 17,2 16.5 18,13 14,61 15,33
Aromáticos % 23 33,9 37,9 35.1 36,06 35,62 39,67
Resinas % 33 34,3 23 27.9 27,54 35,5 36,51
Asfaltenos % 25,7 16,2 17,2 20.5 18,27 14,27 8,5
Fuente: Laboratorio de INVIAS y en los Laboratorios de la Escuela Colombiana de Ingeniería en el año 1999 y 2000.
45
3.3 Rocas asfálticas, asfaltitas o gilsonitas
El segundo grupo de asfaltos naturales, la asfaltita, es un material en estado
sólido compuesto por hidrocarburos de alto peso molecular, se han producido
gracias a efectos ígneos intensos sin la inclusión en oxigeno en el proceso,
se presenta en la naturaleza en forma de estratos que van de centímetros a
decenas de metros de espesor, su punto de fusión es algo variable, dada la
condición sólida del material su composición química, es básicamente
asfaltenos es decir compuestos orgánicos de alto peso molecular (103 a 105
UMA), conformados por anillos aromáticos que a temperatura ambiente
conforman una especie de estructura cristalina plana con inclusión de
algunos gránulos de metales como níquel, vanadio, azufre y otros.
En las prácticas realizadas con el material, es supremamente complicado
emplearlo como bitumen dentro de la mezcla ya que, de una parte, los
puntos de fusión son extremadamente altos y la composición química, como
veremos más adelante, no es la más adecuada para que nos sirva de ligante
bituminoso.
Algunos datos extractados del manual de gilsonita GILSOIL de los Estados
Unidos nos muestran de las características medidas sobre este material así:
46
Tabla 10. Características de algunos tipos de asfal titas de la empresa Gilsoil.
ASFALTITA RAYA
PESO ESPECÍFICO
(g/cm3)
PUNTO DE ABLANDAMIENTO
(ºC) SOLUBILIDAD
EN CS2 % CARBENOS % CARBON FIJO
%
Gilsonita Marrón 1,03 - 1,10 110 - 180 98 0 - 0,5 10 - 20
Glase Pinch Negra 1,10 - 1,15 110 - 180 95 0 - 1,0 20 - 30
Grahamita Negra 1,15 - 1,20 180 - 320 45 - 100 0 - 0,8 30 - 50
Fuente: Laboratorio de INVIAS y en los Laboratorios de la Escuela Colombiana de Ingeniería en el año 1999 y 2000.
En esta tabla podemos apreciar la variación de algunas características físicas
del material de acuerdo a su grado de metamorfización, siendo cada vez mas
dura de acuerdo a su punto de ablandamiento.
Figura 4. Asfaltita en estado natural
Fuente: Laboratorio de INVIAS y en los Laboratorios de la Escuela Colombiana de Ingeniería en el año 1999 y 2000.
47
3.3.1 Experiencias con la asfaltita de San Alberto
Se tomaron muestras de la fuente de asfaltitas de la Mina de San Alberto en
el departamento del Cesar, se midieron algunas de sus propiedades físicas
como:
• Raya: Negra
• Peso específico: 1.10 g/cm3
• Punto de ablandamiento: 251ºC
• Solubilidad en sulfuro de carbono: 98%
Este tipo de material se ha empleado en Colombia en construcción de tramos
experimentales modificando el cemento asfáltico en las mezclas, es el caso
de la rehabilitación del tramo Puerta del Hierro – Magangue, en la Concesión
Buga – Tulúa, dando como resultado mejoras en la estabilidad de las
mezclas adicionadas con ella.
Para el caso que nos ocupa, se realizaron varias pruebas de mezclas en
diferentes porcentajes de adición de asfaltita, con el uso de Crudo de Castilla
y Cemento Asfáltico de Barrancabermeja estos resultados se muestran a
continuación.
Las asfaltitas carecen de una serie de propiedades mínimas, si se tiene en
cuenta que la mayor parte de los componentes resinosos y los aceites
desaparecieron en los procesos de litificación del material. Durante la fase de
ensayos efectuada sobre las asfaltitas de la Mina de San Alberto en el
48
Departamento de Cesar, se pudo verificar su capacidad polar para
mantenerse aglomerada sobre sí, es decir, la roca sometida a la molienda
para luego ser adicionada al cemento asfáltico, al cabo de unos días el polvo
fino (pasado por el tamiz No. 100) se granulaba formando masas de material
medianamente compactas, con el objeto de buscar algún tipo de disolución
entre los solventes del Crudo de Castilla y el polvo de la asfaltita de San
Alberto, se realizaron mezclas de los dos materiales tanto en frío como en
caliente con 2, 4, 6 y 8% de asfaltita sobre el Crudo y con temperaturas
variables desde los 80º a los 150ºC. No se genero un cambio significativo en
las propiedades del crudo, aparte de la evaporación normal de solventes
debido a los cambios de temperatura, el único valor que presentó un cambio
significativo fue el punto de inflamación que llego a 315ºC.
En resumen esta experiencia nos llevo a concluir:
• Aumento de consistencia del crudo con el aumento de la adición de la
asfaltita.
• Un notorio aumento en el punto de chispa y llama del material crudo.
• Tanto en frío como en caliente y luego de pasados varios días la asfaltita
formaba los gránulos depositándose en la parte inferior del recipiente.
• Las mezclas con materiales granulares y la elaboración de briquetas de
prueba con el material, en ningún caso, no generó la suficiente estabilidad
para pensar en realizar algún tipo de diseño ni aplicación distinta a la que
se realiza eventualmente con el Crudo de Castilla convencional.
Posteriormente se realizaron mezclas y se cambió el Crudo de Castilla por
Cemento asfáltico de Barrancabermeja con una adición de 4 y 8% de asfaltita
49
en forma de polvo pasa por el tamiz No. 100, Los resultados encontrados
fueron los siguientes:
Tabla 11. Variación de la consistencia del cemento asfáltico de barranca con la adición de asfaltita de San Alberto.
Ensayos
Cemento Asfáltico
De Barranca Asfaltita
(4%) Asfaltita (8%) Penetración a 25ºC (100g 5seg) 1/10 mm 71.0 42 30
Punto de Ablandamiento, ºC 48.4 56 61
Índice de Penetración -0.75 -0.30 -0.20
Ductilidad a 25 ºC, (5 cm/min) cm +100 +100 +100
Viscosidad Dinámica a 60 ºC (poises) 1.810 5.110 10.950
Solubilidad en Sulfuro de Carbono (%) 99.8 99.8 99.8
Fuente: El autor
Vemos como el material aumenta su dureza de 71 décimas de milímetros a
42 con 4% y a 30 con 8% de asfaltita, de la misma forma el punto de
ablandamiento aumenta, su índice de penetración y su viscosidad, de esta
forma el comportamiento a cambios de temperatura mejora al mejorar su
susceptibilidad térmica, los resultados de estabilidad posteriores nos
permiten verificar el aumento de la estabilidad Marshall en la adición.
La susceptibilidad térmica se determinó mediante el índice de penetración
teniendo en cuenta que el cemento asfáltico es el mismo, cambiando simple
mente la agregación en porcentaje de asfaltita.
Se realizaron diseños Marshall con cemento asfáltico de Barrancabermeja
dando como resultado:
50
Tabla 12. Variación de la viscosidad del cemento a sfáltico de barranca modificado con asfaltita.
% Asfaltita Viscosidad dinámica a 60ºC (P)
0 1810
2 2811
4 4356
6 7580
Fuente: El autor.
Gráfica 1. Variación de la viscosidad del cemento a sfáltico de barranca modificado con asfaltita.
Fuente: El autor
51
Tabla 13. Variación de la estabilidad Marshall del cemento asfáltico de barranca modificado con asfaltita.
% Asfaltita Estabilidad Marshall
(Kg) 0 835 2 871 4 933 6 1015
Fuente: El autor
Gráfica 2. Variación de la estabilidad marshall del cemento asfáltico de barranca modificado con asfaltita
Fuente: El autor
Se realizaron ensayos de ahuellamiento mediante el uso de la máquina de
pista, (Norma INVIAS E-756) preparándose muestras de material con los
mismos porcentajes de asfaltita, 0, 2, 4 y 6% respectivamente, molida y
pasada por el tamiz ·No. 100, el procedimiento seguido fue el siguiente:
52
1. Mediante los datos encontrados en el ensayo Marshall, peso unitario, se
prepararon probetas en los moldes dedicados para tal fin, volumen de 30 x
30 x 5 cm3
Figura 5. Molde y enrase de la máquina de pista
Fuente: El autor
2. La preparación de los agregados es similar al ensayo Marshall, varían las
cantidades debido al tamaño del molde, temperaturas de mezcla y
compactación, en función de la viscosidad.
3. La mezcla vaciada en el molde (precalentado e instalado en el sitio) es
compactada mediante el respectivo dispositivo. En primera instancia 75
segundos, luego se desmonta el collar sustituyéndose por dispositivos
angulares y se repite el proceso en tres periodos girándolo un total de 360º.
53
Figura 6. Equipo de compactación de la máquina de p ista
Fuente: El autor
4. las probetas se dejan enfriar de 12 a 24 horas antes de ser ensayadas.
5. Temperatura de ensayo: 60 +/- 1ºC
6. Presión de contacto de la rueda: 9 +/- 0.25 Kg/cm2
7. La probeta se introduce en la cámara 4 horas antes del ensayo a 60ºC
Figura 7. Cámara con equipo completo de pista
Fuente: El autor
54
8. Se deja pasar la rueda tres veces para que consiga un asentamiento
adecuado, se gradúa el micrómetro, se pone el cronómetro en ceros, se
cierra la cámara da inicio al ensayo, tomando lecturas de acuerdo a lo
establecido, 1, 3 y 5 minutos, luego de cinco en cinco hasta completar 45
minutos y finalmente cada 15 hasta los 120 minutos.
9. Con los registros se determinan valores medios de deformación y se
calcula la velocidad de deformación.
Figura 8. Calibración de micrómetro, muestra e ini cio del ensayo
Fuente: El autor
Bajo este parámetro, los resultados de los ensayos de la máquina de pista fueron
los siguientes:
55
Tabla 14. Resultados de ensayo de la máquina de pis ta
Tiempo (min)
Resultados finales de velocidad de ahuellamiento para varios % de asfaltita en (�/min) (60°C)
0 2 4 6
1 150 135 130 125
3 250 240 240 230
5 300 278 276 266
10 320 296 292 282
15 380 325 348 336
20 400 372 368 354
25 480 442 436 422
30 660 608 602 580
35 560 522 516 498
40 380 350 346 334
45 153 141 140 135
60 87 80 79 77
75 67 61 61 58
90 40 37 37 37
105 20 18 17 16
120 20 18 17 16
Fuente: El autor
56
Gráfica 3. Resultados de ensayo de la máquina de pi sta
Fuente: El autor
De acuerdo a las Especificaciones Generales de Construcción del Instituto Nacional
de Vías, La resistencia a la deformación plástica, mediante el ensayo de pista de
laboratorio (INV E-756), en el intervalo de ciento cinco (105) a ciento veinte (120)
minutos no podrá ser mayor a 15 �m/min, para mezclas empleadas en zonas con
temperaturas medias anuales mayores de 24°C y 20 �m/min, para regiones con
temperaturas medias anuales hasta de 24°C.
Como vemos la muestra del asfalto proveniente de la Refinería de Barrancabermeja
no cumpliría para temperaturas mayores de 24°C y es tá en el límite de la
especificación para temperaturas menores de 24°C.
57
Las velocidades medias de deformación son las siguientes:
Tabla 15. Velocidades medias de deformación cemento asfáltico de Barrancabermeja
Tiempo (min)
Ahuellamiento (1/100 mm)
Ahuellamiento (micras)
� Tiempo (min)
� Deform.
(�)
Vel. media de def. (�/min)
1 0 0 2 300 150,0
3 30 300 2 500 250,0
5 80 800 5 1500 300,0
10 230 2300 5 1600 320,0
15 390 3900 5 1900 380,0
20 580 5800 5 2000 400,0
25 780 7800 5 2400 480,0
30 1020 10200 5 3300 660,0
35 1350 13500 5 2800 560,0
40 1630 16300 5 1900 380,0
45 1820 18200 15 2300 153,3
60 2050 20500 15 1300 86,7
75 2180 21800 15 1000 66,7
90 2280 22800 15 600 40,0
105 2340 23400 15 300 20,0
Fuente: El autor
58
Tabla 16. Velocidades medias de deformación cemento asfáltico de barrancabermeja con 2% de asfaltita
Tiempo (min)
Ahuellamiento (1/100 mm)
Ahuellamiento (micras)
� Tiempo
(min)
� Deform.
(�)
Vel. media de def. (�/min)
1 0 0 2 270 135,0
3 27 270 2 480 240,0
5 75 750 5 1390 278,0
10 214 2140 5 1480 296,0
15 362 3620 5 1760 352,0
20 538 5380 5 1860 372,0
25 724 7240 5 2210 442,0
30 945 9450 5 3040 608,0
35 1249 12490 5 2610 522,0
40 1510 15100 5 1750 350,0
45 1685 16850 15 2120 141,3
60 1897 18970 15 1210 80,7
75 2018 20180 15 920 61,3
90 2110 21100 15 550 36,7
105 2165 21650 15 270 18,0
120 2192 21920 15 300 18,0
Fuente: El autor
59
Tabla 17 . Velocidades medias de deformación cemento asfált ico de Barrancabermeja con 4% de asfaltita.
Tiempo (min)
Ahuellamiento (1/100 mm)
Ahuellamiento (micras)
� Tiempo (min)
� Deform.
(�)
Vel. media de def. (�/min)
1 0 0 2 260 130,0
3 26 260 2 480 240,0
5 74 740 5 1380 276,0
10 212 2120 5 1460 292,0
15 358 3580 5 1740 348,0
20 532 5320 5 1840 368,0
25 716 7160 5 2180 436,0
30 934 9340 5 3010 602,0
35 1235 12350 5 2580 516,0
40 1493 14930 5 1730 346,0
45 1666 16660 15 2100 140,0
60 1876 18760 15 1190 79,3
75 1995 19950 15 910 60,7
90 2086 20860 15 560 37,3
105 2142 21420 15 260 17,3
120 2168 21680 15 300 17,3
Fuente: El autor
60
Tabla 18. Velocidades medias de deformación cemento asfáltico de Barrancabermeja con 6% de asfaltita
Tiempo (min)
Ahuellamiento (1/100 mm)
Ahuellamiento (micras)
� Tiempo (min)
� Deform.
(�)
Vel. media de def. (�/min)
1 0 0 2 250 125,0
3 25 250 2 460 230,0
5 71 710 5 1330 266,0
10 204 2040 5 1410 282,0
15 345 3450 5 1680 336,0
20 513 5130 5 1770 354,0
25 690 6900 5 2110 422,0
30 901 9010 5 2900 580,0
35 1191 11910 5 2490 498,0
40 1440 14400 5 1670 334,0
45 1607 16070 15 2030 135,3
60 1810 18100 15 1150 76,7
75 1925 19250 15 870 58,0
90 2012 20120 15 550 36,7
105 2067 20670 15 250 16,7
120 2092 20920 15 300 16,7
Fuente: El autor
61
Gráfica 4. Velocidades medias de deformación con ad ición de asfaltita
VELOCIDAD DE DEFORMACIÓN Vs % ASFALTITA
-100
0
100
200
300
400
500
600
700
0 5 10 15 20
Vel
ocid
ad (
µµ µµ/m
in)
0% de asfaltita
2% de asfaltita
4% de asfaltita
6% de asfaltita
Fuente: El autor
En conclusión la adicionar asfaltita sólida de la Mina de San Alberto (Cesar),
sobre el Cemento asfáltico de Barrancabermeja nos generó los siguientes
resultados finales:
• Aumento en los valores de Estabilidad Marshall
• Menor susceptibilidad térmica, mejorando así el desempeño en un
rango amplio de condiciones climáticas
• Menores ahuellamientos medidos en la máquina de pista del INVIAS,
con la consiguiente consecuencia de mejorar las condiciones de
trabajo para cementos asfálticos empleados en climas cálidos, es
62
decir tendiendo al límite de tolerancia de 15 �m/min para
temperaturas superiores a los 24°C.
• Una pequeña disminución en la velocidad de deformación.
• Mejor adherencia asfalto-agregado
3.4 Asfaltos naturales
El tercer grupo está constituido por los asfaltos naturales, caracterizados por
ser una mezcla de crudo, materiales inertes, materia orgánica y agua en
diferentes proporciones, en este caso el crudo es un bitumen que afloró a la
superficie a causa de cambios de posición de los estratos geológicos debidos
al tectonismo y que se mezcló con los materiales circundantes. Es así como
se encuentran fuentes de material en diferentes condiciones con porcentajes
de crudo que van de muy escasa hasta lagos de asfalto con muy poca
contaminación.
En el laboratorio de INVIAS se realizaron ensayos sobre asfaltos naturales
de diversas fuentes, como son; Norcacia (Caldas), Pavas (Caquetá) y el de
Pesca (Boyacá), veamos a continuación a manera de ejemplo las
experiencias sobre los asfaltos naturales.
3.4.1 Experiencias sobre el asfalto natural de Norc acia
El procedimiento realizado sobre el material fue el siguiente:
63
• Se tomo una muestra a la cual se le realizó una extracción con la cual
se determinó el porcentaje de agregado mineral y de crudo de la
mezcla natural.
• Se realizaron ensayos de granulometría a varias muestras, se tomaron
pesos específicos y se clasificó el material granular.
• Se hicieron unas briquetas de prueba para determinar que
consistencia presentaba los especímenes a diferente temperatura,
midiéndose Densidad Bulk, porcentaje de vacíos, estabilidad Marshall
y flujo.
• Se determinó la estabilidad remanente de las briquetas
• Se adicionó cemento asfáltico en forma de emulsión para luego medir
densidades y resistencias.
Clasificación del cemento asfáltico:
Se realizó recuperación del material cementante mediante destilación (Norma
INV E-783). Este procedimiento busca extraer el ligante de una mezcla de
concreto asfáltico para su caracterización mediante la disolución de la misma
con el uso de un solvente orgánico de alta concentración. Para el caso que
nos ocupa se empleo dicrorometano a 95%, cuyo punto de ebullición está
entre 39 y 41ºC, a esta temperatura su toxicidad es bastante elevada por lo
que es necesario extremar las medidas de seguridad, la muerte de una
persona es generada al inhalar este solvente durante un minuto.
64
Figura 9. Recuperación del material cementante medi ante rota vapor
Fuente: El autor
Las características del cemento asfáltico recuperado son las siguientes:
Tabla 19. Resultados ensayos de caracterización de l ligante del asfalto natural de norcacia
Característica medida
Resultados
Muestra 1 Muestra 2 Muestra 3 Promedio
% asfalto 6,43 6,51 6,56 6,50
Penetración 27 31 36 31,33
P ablandamiento ºC 53,5 52,6 51,8 52,63
V.S.F.a 135ºC 124,6 121,2 126,9 124,23
Viscosidad a 60ºC 4790 4355 4159 4434,67
Fuente: El autor
65
Clasificación de agregados pétreos:
Figura 10. Equipo para recuperación del material p étreo
Fuente: El autor
La recuperación de los agregados pétreos del asfalto natural se realizo
mediante una extracción (ensayo INV E – 732 Método A). Es claro que la
confiabilidad no puede ser del 100%, dado que los agregados están
impregnados con el bitumen desde hace miles de años y el procedimiento
alcanza a desnaturalizar, especialmente la fracción fina de la gradación, así
como la centrifugada podrá afectar en alguna medida es estado natural de
los agregados, teniendo en cuenta lo anterior, los resultados encontrados
fueron:
66
Granulometría
Tabla 20. Granulometría muestras asfalto natural de norcacia
TAMIZ PORCENTAJE QUE PASA
Normal Alterno Muestra 1 Muestra 2 Muestra 3 Promedio
37.5 mm 1 ½”
25.0 mm 1”
19.0 mm ¾” 100 100 100 100
12.5 mm ½” 98 95 94 96
9.5 mm 3/8” 84 86 88 86
4.75 mm No. 4 67 62 60 63
2.36 mm No. 8 18 22 19 20
300 m No. 50 7 9 8 8
75 m No. 200 3 4 6 4
Fuente: El autor
La clasificación del material granular fue una arena tipo SW, con un peso
específico de agregado grueso de 2567 g/cm3 y un peso específico de
agregado fino de 2513 g/cm3.
3.4.2 Mezclas de laboratorio
Con el objeto de verificar las propiedades del material como mezcla asfáltica
se realizaron trabajos de compactación en frió y a diferentes temperaturas
para observar el comportamiento del mismo.
En cuanto a las briquetas de prueba se realizaron a diferentes temperaturas
así:
67
Tabla 21. Resultados de ensayos sobre briquetas de asfalto natural compactadas a diferentes temperaturas
Temperatura (ºC)
Densidad Bulk (g/cm3) Vacíos (%)
Estabilidad (Kg)
Flujo (1/10 mm)
Estabilidad remanente (%)
15,0 0
60,0 1.834,0 21,9 150,0 46,6
90,0 1.952,0 16,8 375,0 39,8 120,0 2.066,0 12,0 740,0 34,7 51,5 150,0 2.101,0 10,5 1.059,0 33,0 37,1
Fuente: El autor
A temperatura ambiente las briquetas no tienen ninguna cohesión y se
deforman con su propio peso, se empiezan a generar resultados cuando la
temperatura de calentamiento del material se sube a los 60ºC.
Las variables densidad y estabilidad aumentan, como se indica en la tabla,
mientras que el porcentaje de vacíos disminuye al igual que el flujo,
haciéndose más rígida la mezcla, la estabilidad remanente medida sobre las
probetas elaboradas con mezcla a 120 y 150 ºC disminuye. Las experiencias
de pavimentación con el material son bastante buenas, teniendo presente las
mediciones realizadas, ECOPETROL, pavimento varios kilómetros en las
zonas de influencia de la empresa en la Dorada, con resultados bastante
buenos.
68
4. METODOLOGÍA DE APLICACIÓN DE LOS ASFALTOS NATURA LES
Para generar parámetros de uso de los diversos materiales en la
construcción de estructuras de pavimento seguiremos con la sub división
planteada desde el inicio del documento, tres grupos; Crudos pesados,
asfaltitas sólidas y asfaltos naturales. Es de vital importancia que se tenga en
cuenta que el empleo de las mezclas fabricadas con estos materiales, en su
mayoría, son aplicables a vías de bajos y medios niveles de tránsito y en
algunas etapas de la construcción de vías de altos niveles de tránsito.
4.1 Elementos básicos
Para los fines evaluados en este documento la aplicación específica del
material está dirigida a las vías secundarias y terciarias, especialmente en lo
que hace referencia a áreas rurales donde es necesario un costo moderado
en materiales y una buena disposición de los mismos, no sin ello sacrificar
las propiedades de la construcción resultante en calidad y duración. El único
material no convencional que se aplica a vías primarias es la asfaltita sólida
como veremos más adelante.
De otra parte y en lo posible estos materiales deben ser colocados con la
menor cantidad de maquinaria especializada, mezclas en obra y en frío, aún
cuando algunos requieren cierto grado de procesamiento su aplicación
redunda en mejores resultados y menores costos de construcción.
69
Al querer emplear cualquier tipo material, en especial mezclas naturales o
asfaltitas sólidas debemos realizar procedimientos de ensayo sobre los
materiales de las fuentes, es decir la entidad, alcaldía, municipio o junta
comunitaria debe asegurar que el material de la fuente tenga las propiedades
adecuadas para su empleo o buscar emplearlo de la manera más apropiada
posible y eso solo se consigue con la realización de unos ensayos de
laboratorio.
4.2 Crudos pesados
Como se pudo ver en los apartes anteriores, los crudos pesados al ser
destilados generan asfaltos similares a los convencionalmente empleados en
pavimentación, debido a lo cual, los métodos de diseño y resultados son
análogos a los materiales convencionales. Al emplear los crudos de manera
directa se deben tener en cuenta algunas observaciones, entre las cuales
tenemos:
4.2.1 Métodos de diseño
Los métodos de diseño están enmarcados dentro de los márgenes de los
asfaltos líquidos, con la diferencia que la naturaleza de los solventes, que es
la que nos genera inconvenientes, debe ser adecuadamente manejada.
La dosificación de mezclas se basa en el cálculo de la superficie específica
como es el caso del método de Duriez, los métodos Marshall para asfaltos
líquidos y el Hubbard Field. Las mezclas asfálticas encontradas mediante
estos procedimientos dependen de la calidad de los agregados, del
procedimiento de trabajo y de las condiciones de servicio para las cuales se
construya.
70
4.2.2 Procedimiento de uso
Es recomendable emplear este tipo de materiales en climas cálidos, secos,
topografía regular, tráficos moderados a bajos y equipo convencional.
Este tipo de material se aplica en mezclas de rodadura; para bermas;
revestimientos en cunetas y bermas; vías peatonales, ciclo rutas y canchas
deportivas; para estabilización de suelos y afirmados y para riegos de
imprimación, liga y protección. Por la cantidad de solventes volátiles la
seguridad en el manejo esta determinada por la temperatura de llama, que
como vimos va de 60ºC para el Crudo de Castilla, hasta 150ºC para el Crudo
de Cedrales, de igual forma Rubiales tiene una temperatura de llama de
90ºC, La Gloria de 98ºC y Vendeyaco 160ºC .En lo que respecta a los
parámetros de los materiales en cuanto a normas de ensayo, gradaciones y
demás, tenemos:
Tabla 22. Parámetros en materiales granulares.
Ensayo Norma Tolerancia
Equivalente de arena INV E 133 Mínimo 50%
Durabilidad o Solidez INV E 220 Máximo 12%
Desgaste en la máquina de los Ángeles INV E 218/219 Máximo 35%
Adherencia Stripping INV E 737 Mínimo 95%
Coeficiente de Pulimento acelerado INV E 232 Mínimo 0.45
Índices de aplanamiento y Alargamiento INV E 230 Máximo 30%
Partículas fracturadas INV E 227 Mínimo 75%
Materia orgánica No debe tener
Fuente: Tomado de estudios y archivos sobre normalización de crudos y asfaltos naturales de CORASFALTOS – SENA – ECOPETROL ICP – MINA SAN PEDRO – TEXPAR ENERGY INC. –INVIAS – MPI. Bucaramanga 2004.
71
Granulometrías
Tabla 23. Parámetros en granulometría según mezcla .
Espesor de capa cm >6 4-6 <4
Porcentaje que pasa MDF – 1 MDF – 2 MDF – 3
Normal Alterno
37.5 mm 1 ½” 100 - -
25.0 mm 1” 80 – 95 100 -
19.0 mm ¾” - 80 – 95 100
12.5 mm ½” 62 – 77 - 80 – 95
9.5 mm 3/8” 60 – 75 -
4.75 mm No. 4 45 – 60 47 – 62 50 – 65
2.36 mm No. 8 35 – 50 35 – 50 35 – 50
300 nm No. 50 13 – 23 13 – 23 13 – 23
75 nm No. 200 3 – 8 3 – 8 3 – 8
Fuente: Tomado de estudios y archivos sobre normalización de crudos y asfaltos naturales de CORASFALTOS – SENA – ECOPETROL ICP – MINA SAN PEDRO – TEXPAR ENERGY INC. –INVIAS – MPI. Bucaramanga 2004.
4.2.3 Proceso constructivo
El mezclado se realiza mediante motoniveladora, el crudo se adiciona con la
ayuda de un carro tanque irrigador. Se pueden emplear, igualmente, un
rastrillo agrícola si no existe la motoniveladora.
El aspecto de la mezcla ha de ser homogéneo, los agregados deben estar
completamente cubiertos por el cemento asfáltico. De la misma forma se
debe evitar el desarrollo de acumulaciones de material, grumos y que la
mezcla muestre una buena manejabilidad.
72
Es preciso que en los lugares de almacenamiento, los materiales deben estar
completamente protegidos de la humedad.
El procedimiento de extendido se hace mediante equipos convencionales;
motoniveladora, reglas metálicas o de madera y palas. El sitio debe estar
completamente seco.
En el proceso de compactación las capas se densifican de los bordes hacia
adentro y en las curvas con peralte del borde inferior hacia arriba. Este
procedimiento requiere el uso de equipos de compactación convencionales;
compactador de ruedas, liso, vibratorio, su acción debe ser alternativa; con
vibración y sin vibración. Los tramos de prueba nos dan los parámetros para
realizar este trabajo.
Los datos que se muestran a continuación se extractaron de experiencias de
laboratorio de la Universidad del Cauca sobre aplicación de Crudos de
petróleo en diseño de mezclas para pavimentación.
Tabla 24. Temperaturas de mezcla y compactación de algunos crudos.
TEMPERATURAS MANEJO Castilla La Gloria Cedral Rubiales
MEZCLA (°C) 75-81 126-130 74-78 39-43
COMPACTACIÓN (°C) 65-69 118-121 66-70 32-35
Fuente: Universidad del Cauca. Aplicación de Crudos de petróleo en diseño de mezclas para pavimentación 2000.
73
4.3 Asfaltitas
Las rocas asfálticas o asfaltitas duras, modifican el concreto asfáltico
incrementando los valores de estabilidad y disminuyendo el flujo de las
mezclas a las que se les incorpora el material se deben emplear en
pequeñas cantidades y mediante el uso de rejuvenecedores dado que se le
está adicionando a la mezcla un porcentaje de asfaltenos que de una u otra
forma es un material bituminoso envejecido, sin rastros de aceites o resinas
en su constitución.
Aun cuando es preciso aclarar que el hallazgo de una fuente de material de
esta naturaleza sería de gran beneficio para cualquier zona de nuestro país
ya que la aplicación industrial de las asfaltitas duras es universal. Durante los
estudios realizados en el Laboratorio se logro verificar algunos
comportamientos termodinámicos conseguidos con el material, como por
ejemplo al adicionarle asfaltita al Crudo de Castilla su punto de Inflamación y
combustión aumentaban en más de cincuenta grados centígrados, de la
misma forma sucede con los cementos asfálticos convencionales, esta
propiedad es utilizada para aplicaciones que se extiende a:
Aditivo en explotaciones petroleras
Elaboración de pinturas y barnices especiales
Elaboración de tintas y tinturas
Aditivo, junto al carbón, en arenas de moldeo metalúrgico
En elaboración de explosivos
74
En electricidad, equipos de abrasión, baterías, materiales termoplásticos y en
vías.
4.3.1 Métodos de diseño
No existe un método especial ya que la asfaltita se considera como un aditivo
que puede ser incorporado tanto al cemento asfáltico como a los agregados
minerales, con lo cual no es necesario variar los métodos convencionales
para el diseño de las mezclas.
4.3.2 Procedimientos de uso
El rango de agregación del material va del 2% al 8%, aún cuando se requiere
profundizar el estudio de este aditivo ya que en la construcción de tramo de
prueba para la rehabilitación de la carretera Puerta del Hierro Magangue y en
la Concesión Buga – Tulúa en el año 2000, se presentaron inconvenientes en
la planta dado que el cemento asfáltico empleado en esa oportunidad requirió
de una mayor temperatura para ser manejado dentro de la planta.
Es claro que al poder clarificar el comportamiento termodinámico de las
asfaltitas y su relación con la reología de los asfaltos podremos, a futuro,
conocer hasta que punto el material nos da muchas mayores ventajas que
las que conocemos hoy en día.
El uso adecuado de la asfaltita genera:
Estabilidades Marshall apreciablemente mayores, que generan mayor
capacidad de soporte y pavimentos más durables.
75
Mejores características de adherencia asfalto – agregado, dando mejores
respuestas al ataque ambiental, especialmente del agua.
Menores susceptibilidades térmicas con lo cual amplia la confianza en la
variabilidad climática.
4.3.3 Procedimiento constructivo
En el laboratorio pudimos encontrar que la asfaltita sólida puede ser
adicionada tanto a los agregados como al propio cemento asfáltico, pero
debido a los inconvenientes generados al ser adicionada al bitumen, es mejor
agregarla como parte del material granular, aun cuando no actúa de la misma
forma también genera grandes beneficios.
El material es un poco más exigente en cuanto al empleo, ya que nos
debemos apoyar en los resultados de los diseños, de los ensayos de
laboratorio y tramos de prueba para conseguir los mejores resultados.
De lo anterior los procedimientos constructivos no varían si se tiene en
cuenta que es preciso, para plantas convencionales o trabajos en frío,
adicionar la asfaltita como uno mas de los agregados minerales.
4.4 Asfaltos naturales
El siguiente es el procedimiento para el empleo de un asfalto natural tipo
Norcacia, pesca, Caquetá y otros en los cuales el crudo está combinado con
agregados, materia orgánica y agua.
76
4.4.1 Métodos de diseño
Mediante el ensayo de Inmersión Compresión podemos determinar los
porcentajes óptimos de ligante, empleando el procedimiento descrito en la
Norma INV E-738, con un juego mínimo de seis briquetas elaboradas con
mezclas asfálticas, con porcentajes de ligante que se incrementan de uno en
uno en valor porcentual.
Este procedimiento debe garantizar valores de resistencia y comportamiento
mecánico que debe están dentro de los procedimientos de las normas de
inmersión compresión y del diseño Marshall.
Tabla 25. Procedimientos de diseño en asfaltos natu rales.
ENSAYO DE INMERSIÓN - COMPRESIÓN
Parámetro Unidad Valores Mínimos
Resistencia Seca (Rs) Kg/cm2 15 20
Resistencia húmeda (Rh) Kg/cm2 10 15
Resistencia conservada (Rc) % 66 75
Proyección TPD Años 10 10
No. De vehículos No. < 700 > 700
DISEÑO MARSHALL
Parámetro Unidad Valores Mínimos
Golpes por cara No. 75 75
Estabilidad Kg 600 600
Vacíos con aire % 4 a 8 4 a 8
Flujo mm 2 a 4 2 a 4
Fuente: El autor
77
4.4.2 Procedimientos de uso
Para el uso de un asfalto natural en particular deben realizasen los ensayos
previstos en los parámetros anteriormente enumerados, que prevean una
caracterización de materiales granulares y cemento asfáltico
En el proceso de transporte, explotación y almacenamiento debe estar
previsto que algunos de estos materiales deben someterse a un proceso
previo de curado en el cual, en especial, el agua debe dejarse evaporar en
un periodo entre quince y treinta días, según sea el porcentaje de humedad
del material. Se debe tener en cuenta que este material puede presentar
segregación por lo que su transporte y almacenamiento debe tener en cuenta
estas circunstancias.
Usualmente se pueden emplear aditivos para mejorar condiciones de
adherencia o cualquier otra característica física o química cuidando siempre
estar dentro de los parámetros de construcción.
Se ha observado que la modificación de estos materiales puede ser posible,
pero en caso de agregar mayor cantidad de bitumen o agregados los
resultados atenúan las bondades del material puro, los tramos de prueba
para la aplicación del material son muy importantes sabiendo que la mezcla
es sensible a la adición de materiales convencionales sin el uso de
mejoradotes.
78
4.4.3 Procedimiento constructivo
El mezclado del material puede realizarse con la ayuda de un mezclador
mecánico tipo motoniveladora, en caso de adicionarse otros materiales, esta
adición se hará en este proceso y el bitumen, si es el caso, mediante carro
tanque irrigador. Se pueden emplear, igualmente, un rastrillo agrícola si no
existe la motoniveladora.
El porcentaje máximo de humedad es el 3%, como vimos en los capítulos
anteriores, en especial si se requiere el empleo de otro bitumen.
En todo caso debemos buscar una mezcla homogénea, en especial cuando
se han adicionado agregados, los cuales deben estar completamente
cubiertos por el cemento asfáltico. De la misma forma se debe evitar el
desarrollo de acumulaciones de material, grumos y que la mezcla muestre
una buena manejabilidad.
Es preciso que en los lugares de almacenamiento, los materiales deben estar
completamente protegidos de la humedad.
El procedimiento de extendido se hace mediante equipos convencionales;
motoniveladora, reglas metálicas o de madera y palas. El sitio debe estar
completamente seco.
79
El proceso de compactación es muy importante, sus capas se compactan de
los bordes hacia adentro y en las curvas con peralte del borde inferior hacia
arriba. Este procedimiento requiere el uso de equipos de compactación
convencionales; compactador de ruedas, liso, vibratorio, su acción debe ser
alternativa; con vibración y sin vibración. Los tramos de prueba nos dan los
parámetros para realizar este trabajo. El objetivo de la compactación es
alcanzar el 95% de la densidad Marshall.
80
5. ASPECTOS ECONÓMICOS Y SOCIALES
Es evidente que al emplear materiales regionales con bajos costos de
producción, transporte e instalación estos indicadores mejoran de manera
ostensible, más si se tiene en cuenta que tanto volúmenes de transporte
como de construcción son absolutamente considerables en la construcción,
rehabilitación o mantenimiento de una vía. Veamos a continuación algunos
de los elementos respecto de la parte económica - financiera y social de los
proyectos que involucren el uso de los materiales estudiados.
5.1 Evaluación financiera
Teniendo en cuenta, como primera medida, que para mejorar una carretera
se requiere la inversión de grandes cantidades de recursos y en segundo
lugar con el nivel de tránsito tan escaso que se presenta en la gran mayoría
de vías de segundo y tercer orden; los indicadores financieros de relación
beneficio / costo y tasa interna de retorno son absolutamente adversos para
la inversión en infraestructura de este tipo.
En este orden de ideas la relación beneficio costo siempre será mayor a 1 y
los valores de la TIR supremamente altos y de esta forma la distribución de
las inversiones para mejoramiento de la red vial tendrá un ámbito de
81
aplicación mucho mayor si se compara con inversiones parciales mediante el
empleo de los materiales convencionales.
Un claro ejemplo de este tipo es la evaluación financiera realizada por
CORASFALTOS, en las experiencias tenidas en varios municipios
colombianos en los que se opto por pavimentar con asfaltos naturales, en la
tabla que se muestra a continuación se comparan las razones financieras
sociales TIR y relación beneficio costo en proyectos en los que se empleó
material no convencional como alternativa de construcción vial.
Tabla 26. Indicadores financieros generados en el uso de materiales no convencionales.
Proyecto viales con materiales regionales TIR
BENEFICIO/COSTO
San Agustín 275 6,7
Municipio de pesca 600 7,6
Armero 70 3,5
Fuente: El autor
5.2 Evaluación económica
Como primera mediada cualquiera que sea la intervención en una carretera
secundaria o terciaria redunda en mejores posibilidades de desarrollo para
las comunidades pertenecientes a la región, el ahorro en costos de operación
vehicular, se revierte en mayores utilidades en la producción y
comercialización de sus productos y el conjunto de la suma de los valores
agregados de beneficios incrementa el producto interno sectorial de la región
mejorando la distribución del ingreso y brindado un mayor bienestar.
82
Al mejorar el ingreso de los habitantes de las regiones apartadas de los
centros industriales y comerciales, es decir de las ciudades capitales y los
puertos, posibilitan al campesino para mejorar sus condiciones de vida
habilitándolo para permitirse la compra de bienes que no puede tener en
condiciones de marginalidad, o en otras palabras se extiende la posibilidad
de consumo con lo cual se genera mejora en las condiciones económicas de
la región, fuentes de empleo, inversión, diversificación de los bienes y
desarrollo.
5.2 Evaluación social
Teniendo en cuenta el impacto económico sobre los habitantes es claro que
la redistribución del ingreso y el valor de las metas deseables aumenta,
impactando de manera positiva el conjunto total de la comunidad. De esta
forma se incrementa una rentabilidad desde el punto de vista de los objetivos
de desarrollo del estado.
83
6. APLICACIÓN MATERIALES MARGINALES EN VÍAS DEL DEPARTAMENTO DE CUNDINAMARCA Y META
En este capitulo se plasma la aplicación de procesos constructivos,
materiales y métodos de diseño expuestos en las diferentes fases de la
presente investigación.
6.1 Carretera Girardot – Cambao
Realizado mediante el Contrato SOP -V-238-2007, de la Secretaría de Obras
Públicas de la Gobernación de Cundinamarca, los datos del contrato son los
siguientes:
Inversión: $3.272.500.000.oo.
Contratista: Suárez y Silva Ltda.
Plazo: 8 meses
Objeto: ESTUDIOS, DISEÑOS, CONSTRUCCIÓN,
MEJORAMIENTO, REHABILITACIÓN Y PAVIMENTACIÓN DE LA RED VIAL
DE TRONCALES Y RED COLECTORA A CARGO DEL DEPARTAMENTO
DE CUNDINAMARCA (TRONCAL DEL MAGDALENA, SECTOR GIRARDOT
– CAMBAO, DEPARTAMENTO DE CUNDINAMARCA). REHABILITACIÓN
APROXIMADA DE 6 KMS.
84
Figura 11. Mapa del localización Vía Girardot – Cam bao
Fuente: El autor
La estructura del pavimento existente, se sometió al proceso de reciclaje y el
diseño determinó una capa de 0.30 m de sub base granular, constituido por
material virgen en un 60% y 40% de material reciclado, 0.25 m de asfalto
natural de la Mina de San Pedro, como base granular y 0.08 m de concreto
asfáltico tipo MDC-2.
El registro fotográfico muestra el aspecto del material en sus diferentes fases,
así:
85
Figura 12. Conformación del material y adecuación d e las obras de drenaje
Fuente: El autor
Figura 13. Asfalto natural antes y después de ser c onformado y compactado
Fuente: El autor
86
Figura 14. Aspecto del asfalto natural suelto.
Fuente: El autor
Figura 15. Corte de la estructura del pavimento Gir ardot - Cambao.
Fuente: El autor
87
Figura 16. Base granular de asfalto natural expues ta.
Fuente: El autor
En esta foto se puede ver la base granular descubierta y la carpeta
6.2 Carretera el crucero – Alto de Navajas
Esta Vía está localizada a 12 kilómetros del Municipio de Puerto López en el
Departamento del Meta, sobre la Carretera que va de Puerto López a Puerto
Gaitán.
88
Figura 17. Mapa El Crucero – Alto Navajas, Departa mento del Meta.
Fuente: El Autor
Contrato de la Administración Municipal de Puerto López con dineros de la
Gobernación del Meta para las vías de tercer orden del Departamento.
Valor contrato de interventoría: $6.136.189.800.oo
Contratista. Maquiconstrucciones Ltda.
Representante legal: Marcos José Mafioly Cantillo
Plazo: 4.5 meses
Longitud: 14.5 Km.
Objeto: EL MEJORAMIENTO DE LA CARRETERA
CRUCE RUTA 40 (EL CRUCERO) – ESCUELA ALTO NAVAJAS, CON UNA
LONGITUD DE 14.7 KM, MEDIANTE LA CONSTRUCCIÓN DE UNA BASE
ESTABILIZADA CON CRUDO DE CASTILLA EN EL MUNICIPIO DE
PUERTO LÓPEZ - META.
89
Debido a la gran escasez de materiales granulares de buena calidad en toda
esta zona y a los costos tan elevados de transporte la Administración
Municipal y la Gobernación del Meta ha venido implementando el uso del
Crudo de castilla para mejorar las condiciones de transitabilidad de las vías
que corresponden a la red terciaria del Departamento. En este sentido se
realizó la construcción de una base estabilizada con Crudo de Castilla en una
extensión de 14.5 kilómetros de longitud.
El procedimiento fue el siguiente:
Figura 18. Material existente
Fuente: El autor
Trabajos de explanación y conformación del material existente, constituida
por una arcilla limosa de color rojo de alto grado de erosionabilidad, bajo la
cual se generan cárcavas y socavaciones en los lugares donde el agua
encuentre oquedades.
90
Figura 19. Obras de drenaje
Fuente: El autor
En este orden de ideas, las actividades preliminares se basaron en la
construcción de canales laterales, reconstrucción y adecuación de obras de
drenaje con el objeto de llevar las aguas a lugares que no afectaran la
estabilidad estructural de la vía.
Figura 20. Sub-base granular
Fuente: El autor
La estructura construida determinó un espesor de sub base granular de
material del Río Ocoa con espesores entre 0.30 m y 0.80 m, debidamente
91
conformada y compactada, al carecer de materiales y métodos de trituración,
se vio la necesidad de agregarle un porcentaje de arenas finas para
conformar una gradación cercana a la especificada INVIAS SBG-1.
Se conformó una capa de base granular estabilizada con Crudo de Castilla
de 0.10 m con la adición de un acelerarte de curado hasta alcanzar un acho
de calzada de 7.5 m y 8.00 m. con las condiciones geométricas en pendiente,
bombeos y peraltes descritos en el respectivo diseño geométrico.
Figura 21. Proceso constructivo
92
Fuente: El autor
Durante el proceso se ha podido observar que es indispensable el curado del
material, para lo cual se tienen lotes en los cuales se cura la mezcla durante
quince días antes de colocarla sobre la vía y antes de adicionar el aditivo
acelerante de curado. Las condiciones de calidad de la mezcla se
establecieron bajo los parámetros descritos en este documento para este tipo
de mezclas.
93
Figura 22. Aspecto final de la base estabilizada
Fuente: El autor
La caracterización del Crudo de Castilla determinó las siguientes
características:
Cemento asfáltico (Destilación 360°C): 83%
Solventes: 17%
Asfáltenos: 23.4%
Maltenos: 76.6%
Peso específico: 0.978 g/cm3
Densidad API: 13.5°
Punto de inflamación: 61°C
Punto de combustión: 91°C
Tamaño máximo agregado: 1.5 Pulg.
94
Figura 23. Evolución de la base estabilizada
Fuente: El autor
En el proceso, registrado en las fotografías anteriores, se puede apreciar el
circuito de construcción de la capa estabilizada con el Crudo de Castilla y
como se observa en la fotografía final de este ciclo, el aspecto de la capa,
con el crudo ya curado, pasados cinco (5) años, ofrece una superficie de
rodadura similar a un capa construida con cemento asfáltico convencional.
95
CONCLUSIONES
1. Cualquier tipo de Crudo de petróleo requiere de un determinado tiempo de
aireación y condiciones ambientales cálidas y secas para que se pueda
elaborar algún tipo de mezcla, ya que las altas temperaturas, los vientos y
en general la exposición ambiental son propicios para la evaporación de
los solventes de menor peso molecular con lo que su estado tiende a ser
más consistente. Independientemente de que cumpla o no con
condiciones de esfuerzos o deformaciones a cargas aplicadas.
2. Los crudos del petróleo, cualquiera que sea su origen, al ser destilados al
vacío, generan cementos asfálticos consistentes de calidades cercanas a
las de los cementos asfálticos convencionales que se aplican en los
concretos asfálticos convencionales.
3. Resulta ser una práctica poco segura, el empleo de crudos pesados para
elaborar mezclas asfálticas en caliente, dado su bajo punto de inflamación
y combustión, incluso en el desarrollo de las investigaciones de laboratorio
se incendian con relativa facilidad.
4. Desde el punto de vista químico, el Crudo de Castilla, presenta alrededor
de un 30% menos cantidad de compuestos saturados y resinas por lo que
las características de adherencia son inferiores a las de un asfalto
convencional.
96
5. El crudo de Castilla, con un 100% más de asfáltenos, comparado con un
cemento asfáltico convencional, generan mejores características
mecánicas, sería preciso determinar hasta que punto esta variable afecta
el comportamiento de las mezclas en servicio ya que el residuo al tener
mayor cantidad de asfaltenos, tendría un mayor envejecimiento.
6. La roca asfáltica, que no es más que cúmulos, especialmente de
asfáltenos, le brindan a las mezclas características de dureza, reflejada en
mayores estabilidades y menores deformaciones. Existe un equilibrio, que
deberá ser precisado en posteriores estudios de investigación de
materiales, bajo el cual la adición de este “agregado”, en forma de polvo,
dará mejores cualidades de resistencia con menores efectos en el
envejecimiento de las mezclas realizadas con este material.
7. Una característica observada en las mezclas de cemento asfáltico de
barranca con adición de asfaltita es un aumento considerable el punto de
chispa y llama del asfalto modificado, esta experiencia se realizó sobre el
Crudo de castilla, adicionándole un 5% de roca asfaltica y se pudo
observar un aumento de el punto de chispa y llama hasta temperaturas
cercanas a los 200°C que aumento en la medida que s e agrego mas polvo
de asfaltita. De la misma forma al observar la combinación de estos dos
materiales, Crudo y asfaltita, a diferentes temperaturas, se observó que la
roca que aglomera y se precipita al fondo de recipiente y solamente se
disuelve un pequeño porcentaje.
97
8. El Crudo de castilla, aplicado bajo las condiciones ambientales del
Municipio de Puerto López, en el Departamento del Meta, y con la
aplicación de los parámetros de mezclado determinados con las normas
descritas en estos estudios, con la salvedad de haber empleado agregado
redondeado sin triturar, presentan comportamientos aceptables y con la
adición del acelerarte de curado se puede poner al servicio, casi de
inmediato, la capa construida con este material.
9. A la fecha se han presentado algunas fallas puntuales, luego de tres
meses de construida y son debidos a disminución en el porcentaje optimo
de crudo determinado para esta capa, de otra parte se puede observar
que la exposición prolongada de la mezcla con agua genera deterioros
que se inician con la aparición de manchas blancas y desprendimientos.
Pero en general, el proceso de curado se va dando de manera regular. En
los sitios donde se excedió el porcentaje de crudo, se verifican manchas
de crudo, en forma de exudación con presencia de algo de deformación.
10. El Asfalto Natural de San Pedro, colocado como base granular de la
vía Girardot – Cambao, en el Departamento de Cundinamarca, ha
presentado, luego de varios meses, un comportamiento adecuado, no se
han presentado ningún tipo de fallas prematuras y si sirve como
impermeabilizante en las zonas laterales. La conformación geológica de el
terreno bajo el cual discurre la Carretera, está gobernado por un material
fino de río, en especial un limo que se erosiona con mucha facilidad,
gracias a la colocación del asfalto natural, en algunos sectores, los
fenómenos de socavación se han atenuado.
98
11. En las mezclas de prueba, realizadas en el laboratorio, se pudo
observar que al combinar materiales vírgenes con mezclas asfálticas
naturales, sus propiedades resultantes se reducían, al ser comparadas
con briquetas elaboradas con la mezcla asfáltica natural sin ningún tipo de
adición.
12. Indicadores financieros, TIR y B/F, presentados en investigaciones con
materiales marginales de San Agustín, Pesca y Armero, representan
resultados bastante buenos desde el punto de vista socio económico, ya
en aplicaciones, como las expuestas en este estudio en su fase de
aplicación, determinan costos un poco mayores dadas las condiciones de
exigencia requeridas para su aplicación en estos contratos, en los cuales
el control se realizó bajo los parámetros IINVIAS. A pesar de lo anterior, la
reducción de la inversión fue mayor al 40% comparado con materiales
convencionales.
13. Las prácticas y resultados de laboratorio representan dificultades, en
el sentido de que el medio ambiente bajo el cual se realizan las mezclas,
por lo menos las que han funcionado adecuadamente, debe ser adecuado
a las condiciones reales de trabajo, condiciones de humedad, temperatura
y presión. Lo anterior debido a que existen grandes discrepancias en los
resultados de laboratorio para los ensayos efectuados en el sitio de obra y
aquellos realizados en Bogotá, por ejemplo. En este orden de ideas, las
mezclas asfálticas con Crudo de Castilla o con Asfaltos Naturales no
guardan el mismo comportamiento en condiciones climáticas diferentes,
siendo extremadamente variable el comportamiento de una capa
construida, con estos materiales, en un clima cálido seco y un clima cálido
húmedo, o cálido frió.
99
14. Al observar las características de las mezclas asfálticas adicionadas
con diferentes porcentajes de roca asfáltica y mediante el uso de la
máquina de pista se pudo observar Aumento en los valores de Estabilidad
Marshall, Menor susceptibilidad térmica, mejorando así el desempeño en
un rango amplio de condiciones climáticas, Menores ahuellamientos
medidos en la máquina de pista del INVIAS, con la consiguiente
consecuencia de mejorar las condiciones de trabajo para cementos
asfálticos empleados en climas cálidos, es decir tendiendo al límite de
tolerancia de 15 �m/min para temperaturas superiores a los 24°C, Una
pequeña disminución en la velocidad de deformación, Mejor adherencia
asfalto-agregado
100
RECOMENDACIONES
1. Aun cuando hasta el momento no existen normas precisas y
parámetros de construcción claros se deben implementar
procedimientos técnicos y tecnológicos cercanos a los estudios
relacionados al tema o a las normas de construcción de carácter
institucional.
2. Los asfaltos naturales solidificados, se deben adicionar a los
agregados, preferiblemente, ya que se ha podido detectar que cuando
se involucran como aditivo del cemento asfáltico presentan tendencia
de taponamientos.
3. Dada la heterogeneidad de las mezclas asfálticas naturales y su
variación, incluso dentro da la misma fuente, es de vital importancia
realizar la caracterización periódica, tanto de agregados como del
mismo porcentaje de crudo, ya en el empleo de crudos pesados, se
presenta un poco más de homogeneidad del material, sin embargo,
existen calidades, de tal forma que, es recomendable aplicar,
especialmente el Crudo de Castilla, debido al grado de aplicación que
ha tenido en los últimos años.
4. La composición química de los asfaltos naturales y su comportamiento
reológico está directamente ligado a su origen, de la misma forma que
101
sucede con los cementos asfálticos convencionales, podemos
caracterizar estos materiales y verificar las variables que se estudian
habitualmente y diseñar las mezclas de manera apropiada; los crudos
pesados mediante el cálculo de la superficie específica método de
Duriez, los métodos Marshall para asfaltos líquidos y el Hubbard Field.
Para los asfaltos naturales hacemos uso del ensayo de Inmersión
Compresión para determinar los porcentajes óptimos de ligante,
empleando el procedimiento descrito en la Norma INV E-738, con un
juego mínimo de seis briquetas elaboradas con mezclas asfálticas,
con porcentajes de ligante que se incrementan de uno en uno en valor
porcentual.
5. El uso de asfaltos naturales y de Crudo de Castilla, en cuanto hace
referencia a la construcción se emplean máquinas simples y
económicas, las mezclas en frío requieren solamente del equipo
básico de construcción, disponible en casi cualquier municipio del
país.
6. Es de vital importancia la homogenización de las mezclas en las que
se emplee Crudo de Castilla, para asegurar buenas características de
comportamiento mecánico de las capas elaboradas con estos
materiales, adicionalmente, es importante la protección al ataque
prolongado de las aguas de escorrentía, es decir los niveles e
inclinaciones deberán ser bien definidos en la fase de estudios.
7. La mezcla asfáltica natural de San Pedro, puede ser empleada en
capas de Base y Sub base con buenos resultados, no es muy
aconsejable como superficie de rodadura, debido a que no presentan
102
un cementación fuerte y el corto tiempo en transito genera
desprendimientos de agregados, como se ha podido observar en las
mezclas que se dejaros expuestas.
8. No es práctico ni recomendable aplicar las mezclas naturales ni las
mezclas con crudos, indiscriminada mente en cualquier lugar de la
geografía colombiana, dado que su comportamiento y resultado final,
está íntimamente ligado a las condiciones prevalecientes en la zona
de trabajo.
103
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