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AVANCES EN LA IDENTIFICACIÓN QUÍMICA DE POLÍMEROS EN LAS

CARPETAS ASFÁLTICAS COLOCADAS EN CARRETERAS Bernal Vélez Luis Antonio

1, Reyes Zapata Sergio Noé

2, Amador Ramírez Patricia

3,

González Álvarez Carmen4, Cruz González Luis A.

5

1 Facultad de Ingeniería Química, BUAP.

2 Facultad de Ingeniería Química, BUAP.

3 Depto. Fisicoquímica, Facultad de Ciencias Químicas, BUAP.

4 Depto. Fisicoquímica, Facultad de Ciencias Químicas, BUAP.

5 Laboratorio Central, Asfaltos modificados, SemMaterials México.

RESUMEN

En el presente trabajo se muestra la identificación de tipo cualitativo de polímeros adicionados

al asfalto con la intención de generar datos de referencia (o patrones), implementando

herramientas de carácter físico – químico tales como: métodos de separación de componentes,

espectroscopia infrarroja y cromatografía de capa fina. En esta investigación, empleamos

ligantes asfalticos recuperados de mezclas para diseños de laboratorio, así como mezclas

colocadas en campo cuyo ligante asfaltico fue modificado con polímeros de tipo: SB, SBS y EGA,

en ambos casos.

INTRODUCIÓN

El empleo de asfaltos modificados con polímeros ha proliferado a gran velocidad para su

aplicación en pavimentos; sin embargo, algunos proveedores de dichos materiales, en México,

han incurrido en malas prácticas de forma tal que, en algunas ocasiones, la adicción de

polímeros al asfalto no se cumple o no se cuenta con la concentración necesaria para mejorar el

desempeño requerido en las especificaciones de asfaltos modificados con polímero, resultando

aun más problemático el reconocer la influencia del polímero en el asfalto cuando éste ya ha

sido colocado o tendido como parte del pavimento.

Por ello, verificar y validar que el ligante asfáltico esté modificado con polímero es un reto

técnico que va mucho más allá de las propias pruebas de calidad especificadas para ligantes

asfálticos en nuestro país. De esta forma, la puntual identificación de modificadores poliméricos

resultará en un avance para el control estricto de calidad y que fortalecerá las capacidades

técnicas de los laboratorios de control de calidad y otras dependencias de gobierno.

De esta forma, el desarrollar métodos y técnicas aptas de identificación de compuestos

químicos y materiales poliméricos que se emplean en la modificación del asfalto se vuelve una

de las prioridades altamente sustentables para los parámetros de calidad.

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OBJETIVO GENERAL

Desarrollar una metodología confiable que nos permita determinar “cualitativamente” la

presencia de polímeros empleados en la modificación de un asfalto para pavimentación.

Objetivos Particulares:

Obtener y estudiar los espectros característicos de los polímeros empleados en la

modificación de un asfalto con la técnica FTIR (espectroscopia infrarroja con ajuste de la

ecuación de transformación de Fourier).

Identificar con precisión las bandas características de los co-polimeros que son

comúnmente empleados para la modificación de propiedades del asfalto.

MARCO TEORICO

Espectroscopia de Infrarrojo

Un espectrofotómetro infrarrojo mide la frecuencia de la luz infrarroja que es absorbida por un

compuesto, puesto que los átomos involucrados en la tensión y flexión determinarán la

frecuencia. El IR se utiliza en su mayor parte para identificar la presencia de grupos funcionales

en una molécula.

Espectro Electromagnético

Se le llama espectro electromagnético al intervalo de todas las frecuencias posibles, desde cero

hasta el infinito. En la práctica, en el espectro se representan desde las bajas frecuencias de

radio hasta las altas frecuencias de los rayos gamma.

Figura 1. Regiones del espectro electromagnético.

Las distintas longitudes de onda tienen diferentes energías y las energías tienen distintos

efectos moleculares. Los rayos X provocan la ionización de las moléculas debido a su alta

energía, mientras que las microondas afectarán al movimiento rotacional de la molécula. Los

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rayos de infrarrojos provocarán vibraciones moleculares. Cuanto más elevada es la frecuencia,

más corta es la longitud de onda.

Vibraciones Moleculares

Si el enlace se alarga, aparece una fuerza restauradora que hace que los dos átomos tiendan a

juntarse hasta su longitud de enlace de equilibrio. Si el enlace se comprime, la fuerza

restauradora hace que los átomos se separen. Cuando el enlace se alarga o se comprime, y a

continuación se deja en libertad, los átomos vibran.

Figura 2. Vibraciones moleculares.

Las vibraciones moleculares dependen de las masas de los átomos. Los átomos pesados vibran

lentamente, por lo que tendrán una frecuencia más baja que los átomos más ligeros. La

frecuencia de una vibración disminuye al aumentar la masa atómica. La frecuencia también

aumenta con la energía de enlace, por lo que un doble enlace C=C tendrá una frecuencia más

elevada que un enlace sencillo C-C.

Tabla 1. Frecuencias de Tensión de Enlaces.

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Tensión y Flexión de los Enlaces

Figura 3. Diferentes movimientos presentes en las moléculas.

La tensión puede ser simétrica cuando los dos enlaces O-H se alargan al mismo tiempo. En una

tensión asimétrica un enlace O-H se alarga, mientras que el otro enlace O-H se comprime. La

flexión, también conocida como movimiento en tijereta, se produce cuando el ángulo H-O-H

disminuye y aumenta pareciendo unas tijeras.

METODOLOGÍA DESARROLLADA

DESARROLLO EXPERIMENTAL

La presente investigación se desarrolla en el análisis de los siguientes materiales:

a) Polímeros.

b) Asfaltos convencionales (clasificación AC-20).

c) Asfaltos modificados con polímero.

d) Mezclas

Y cuya preparación consistió de las siguientes etapas:

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1. Polímeros

Esta etapa consistió en realizar pruebas de espectroscópica FTIR a los diferentes tipos de

polímero con el objetivo de generar la experiencia cualitativa suficiente y así identificar las

bandas característica y las regiones de interés de los polímeros en cuestión; esto facilita

posteriores identificaciones para los casos de asfaltos modificados con polímero. La

preparación de las muestras consistió en pesar 0.5 g de cada polímero para disolverlo en 8 mL

de disulfuro de carbono (CS2), la concentración promedio de las disoluciones de polímero en

CS2 fue de 0.065 g/ml.

Los polímeros utilizados se describen en la tabla 1.

Tabla 1. Características de Polímeros Utilizados

Característica de Peso

Familia Estructura Ubicación por Pesos

Moleculares

Polímeros

LMw SB Lineal Bajo Peso Molecular

HMw SB Lineal Alto Peso Molecular

vHMw SB Lineal Muy Alto Peso Molecular

+vHMw SBS Radial Super Peso Molecular

EGA Desconocido Lineal Desconocido

Para el caso del co-polímero funcionalizado EGA se pesaron 0.737 g y se disolvieron en 5 mL de

benceno, cuya concentración final fue de 0.1474 g/ml.

2. Asfaltos convencionales (sin modificador)

La segunda etapa concierne en la caracterización e identificación de bandas en FTIR de asfaltos

convencionales tipo Ac-20 (original, después de envejecimiento en RTFO y PAV); esto permite

obtener la “huella digital” o “blanco” del asfalto sin polímero, de tal forma que al realizar una

comparativa (o superponer) los espectros de las etapas a) y b) se detecten las diferencias entre

bandas: polímero-asfalto. La preparación de las muestras fue similar a la desarrollada en la

etapa (a): se disolvieron 0.5 g de asfalto en 8 mL de CS2, cuya concentración fue de 0.065 g/ml.

3. Asfaltos Modificados con Polímero.

La tercera etapa consistió en la caracterización de asfaltos modificados con polímero (original,

después de envejecimiento en RTFO y PAV). En total se realizó el muestreo de siete muestras

de diferentes AMP y su respectiva comprobación; la preparación de las muestras consistió en

disolver 0.5 g en 8 mL de una mezcla de solventes Tolueno – Tricloroetileno (7:3), cuya

concentración fue de 0.0648 g/mL.

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4. Mezclas

En esta etapa se efectuaron lavados a corazones asfalticos procedentes de carpetas en uso

tanto de asfaltos modificados como sin modificar, con el objetivo de identificar

cualitativamente la naturaleza polimérica de dichas mezclas, basándose en la experiencia

generada a lo largo de las etapas anteriores de la investigación.

RESULTADOS.

Los resultados de las mediciones de espectroscopia FTIR se muestran en las figuras 1, 2 y 3 para

polímeros, asfalto convencional y asfalto modificado con polímero respectivamente; y

muestran el intervalo total del espectro (400 a 4000 cm-1); en las figuras 1.1, 2.1 y 3.1, se

muestran las regiones de interés (acercamiento) para identificar las bandas características de

los polímeros.

(a)

(b)

(c)

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Figura 1. Espectros FTIR de los Polímeros (a) SB LMw, (b) SB HMw y (c) EGA (400 a 4000 cm-1

).

Figura 1.1 Acercamiento a las regiones de interés de las bandas características. FTIR de los Polímeros: (a) SB

LMw, (b) SB HMw (de 1050 a 650 cm-1

) y (c) EGA (de 1750 a 650 cm-1

).

(a)

(b)

(c)

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Figura 2. Espectro IR de Ac-20 convencional.

Figura 2.1 Acercamiento a las regiones de interés de las bandas características. FTIR del Ac-20 convencional (de

1750 a 650 cm-1

).

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Figura 3. Espectros FTIR de los Asfaltos modificados con polímeros (a) SB LMw, (b) SB HMw y (c) EGA (400 a 4000

cm-1

).

a)

b)

c)

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Figura 3.1 Acercamiento a las regiones de interés de las bandas características. FTIR de los Asfaltos modificados

con polímeros: (a) SB LMw, (b) SB HMw (de 1050 a 650 cm-1

) y (c) EGA (de 1750 a 650 cm-1

).

a)

b)

c)

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Al aplica el envejecimiento por RTFO y PAV a la muestra anteriormente descrita de asfalto convencional se

observaron los siguientes resultados:

Figura 4. Acercamiento a las regiones de interés de las bandas características. FTIR del Asfalto convencional: (a)

RTFO y (b) PAV.

a)

b)

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Por otro lado al aplica el envejecimiento por RTFO y PAV a las muestras de asfalto modificado se observaron los

siguientes resultados:

Figura 5. Acercamiento a las regiones de interés de las bandas características. FTIR de los Asfaltos

modificados envejecidos por RTFO con polímeros: (a) SB LMw, (b) SB HMw (de 1050 a 650 cm-1

) y (c) EGA (de

1750 a 650 cm-1

).

a)

b)

c)

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Figura 6. Acercamiento a las regiones de interés de las bandas características. FTIR de los Asfaltos

modificados envejecidos por PAV con polímeros: (a) SB LMw (de 1050 a 650 cm-1

) y (c) EGA (de 1750 a 650 cm-1

).

Finalmente el lavado aplicado a las muestras de mezclas nos permitió observar los siguientes resultados:

Figura 7. Acercamiento a la región de interés de las bandas características. FTIR de la mezcla sin modificar con

polimeros (de 1050 – 650 cm-1

) lavada en Benceno.

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Figura 8. Acercamiento a la región de interés de las bandas características. FTIR de la mezcla modificada con

polimeros (de 1050 – 650 cm-1

) lavada en Benceno.

DISCUSIÓN DE RESULTADOS

1. En el presente trabajo de investigación se han determinado las regiones características

de los polimeros pertenecientes a la familia SB (estireno - butadieno) en el espectro de

IR, donde se han identificado tres bandas esenciales, que son: 699 cm-1

correspondiente al poliestireno, 966 cm-1 y 911 cm-1 para el polibutadieno.

2. Se identificaron las principales bandas propias del asfalto convencional (AC-20). Las

cuales aparecieron en los números de onda aproximados a: 1030, 874, 814, 746 y 722

cm-1.

3. Se hizo plena identificación de los asfaltos sin modificar observando la carencia de las

bandas descritas en el punto número 1).

4. Se identificaron los asfaltos modificados, observando la presencia de las bandas

correspondientes a los polimeros descritos en el punto número 1).

5. En las figuras 7 y 8 de las mezclas en el apartado de resultados del presente trabajo, se

observa que las bandas resaltadas de color negro corresponden al asfalto, las rojas al

poliestireno y el color azul al polibutadieno. Con lo que se puede concluir que el

espectro de la figura 8 corresponde a una mezcla modificada con polímero.

Nota: La banda resaltada en color verde se ha podido observar que presenta un incremento en

la absorbancia cuando el asfalto es modificado con polímero.

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CONCLUSIONES

Componente n (cm-1) λ (cm) Ѵ (seg-1) ε (ergs) E (ergs) E (kcal*mol-1)

PS 699 0.0014306 2.10E+13 1.39E-13 8.36E+10 1.997043

750 0.0013333 2.25E+13 1.49E-13 8.97E+10 2.14275

PB

993 0.0010071 2.98E+13 1.97E-13 1.19E+11 2.837001

966 0.0010352 2.90E+13 1.92E-13 1.16E+11 2.759862

911 0.0010977 2.73E+13 1.81E-13 1.09E+11 2.602727

(rango) 730 0.0013699 2.19E+13 1.45E-13 8.73E+10 2.08561

650 0.0015385 1.95E+13 1.29E-13 7.77E+10 1.85705

Asfalto

1030 0.0009709 3.09E+13 2.05E-13 1.23E+11 2.94271

874 0.0011442 2.62E+13 1.74E-13 1.05E+11 2.497018

814 0.0012285 2.44E+13 1.62E-13 9.74E+10 2.325598

746 0.0013405 2.24E+13 1.48E-13 8.92E+10 2.131322

722 0.001385 2.16E+13 1.43E-13 8.64E+10 2.062754

n = Numero de Onda

λ = Longitud de Onda

Ѵ = Frecuencia

c = 3.00E+10 cm*seg-1

c

1n

hh == 6.62E-27 erg * seg Cte. Planck

εε == Energía de un Fotón

*h NE *

N = 6.02E+23 Número de Avogadro

E = Energía Correspondiente a un Número de Avogadro

BIBLIOGRAFÍA

[1] Streitwieser Adrew Junior, Heathcock Clayton H, Química Orgánica, 3ed

Mc Graw Hill, Capítulo 15.

[2] Pretsch E, Bühlmann P, Affolter C, Herrera A, Martínez R, Determinación Estructural de Compuestos Orgánicos,

Masson S.A, Reimpresión 2002, Capitulo 6.

[3] Masson J-F, Pelletier L, Collins P, Rapid FTIR method for quantification of styrene – butadiene type copolymers

in bitumen, NRCC-43151, Journal of Applied Polymer Science, V. 79, no. 5, 2001, pp. 1034 – 1041.

[4] Blanco M, Maspoch S, Villarroya I, Peralta X, González J. M, Torres J, Determination of the penetration value of

bitumens by near infrared spectroscopy, DOI:10.1039/b0041211, The Journal Royal Society of Chemistry 2000,

Analyst, 2000, 125, 1823 – 1828.