|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
1. ¿Qué es la emulsión asfáltica? De acuerdo con la academia francesa, la emulsión se refiere a la “dispersión en forma de partículas muy finas (gotas) de un líquido en otro líquido en el que no es soluble”. Y de acuerdo con el Protocolo AMAAC PE-EA 03/2011, el efecto causado por la dispersión de uno de ellos dentro del otro en forma de partículas muy pequeñas se define como emulsificación. La emulsión asfáltica es la dispersión del asfalto en una fase acuosa mediante un compuesto químico llamado emulsificante con la aplicación de energía mecánica [1]. Según la publicación técnica 128 de la NAPA, la mayor parte de la emulsión es cemento asfáltico, típicamente entre el 55 y el 70 por ciento del peso total de la emulsión. El agua es el segundo ingrediente más grande, típicamente entre el 44 y el 29 por ciento del peso total de la emulsión. El material restante es una cantidad relativamente pequeña de un surfactante o agente emulsificante. El porcentaje de cada componente varía dependiendo de la fuente y grado del cemento asfáltico y del proceso de producción de la emulsión [2]. 2. Tipos de emulsiones Las emulsiones asfálticas se dividen en tres categorías de acuerdo con la carga eléctrica de la misma: aniónicas, catiónicas y No iónicas. - Emulsiones aniónicas: tiene una carga eléctrica negativa. Para su identificación, en Estados Unidos, si no hay letra antes del grado de la emulsión, generalmente el tipo es aniónico, mientras que en México se identifica por la letra “A”, y se coloca antes de la letra que indica la velocidad de rompimiento. - Emulsiones catiónicas: tiene una carga eléctrica positiva. Para su identificación en Estados Unidos, se coloca la letra “C” antes del grado de la emulsión, y en México, también se identifica por la letra “C” y va colocada antes de la letra que indica la velocidad de rompimiento. - Emulsiones no iónicas: No tienen carga, y generalmente no se emplean en la construcción de pavimentos. Según la norma ASTM D977-20 existen diferentes tipos de emulsiones: - Rapid-Setting (RS): Se refiere a las emulsiones de rompimiento rápido, es decir el agua se evapora rápidamente y el asfalto se adhiere a la superficie rápidamente [3]. En México se identifica por la letra “R” y se coloca antes del contenido del cemento asfáltico. - Medium-Setting (MS): Se refiere a las emulsiones de rompimiento medio. En México se identifica por la letra “M” y se coloca antes del contenido del cemento asfáltico. - Slow-Setting (SS): Se refiere a las emulsiones de Rompimiento lento. En México se identifica por la letra “L” y se coloca antes del contenido del cemento asfáltico. - Quick-Setting (QS): Se refiere a emulsiones asfálticas que están diseñadas para romperse después de su aplicación. La norma N-CMT-4-05-005/22 en México establece los tipos de emulsiones, los cuales se muestran en la tabla 1,2 y 3.
Tabla 1. Clasificación de las emulsiones asfálticas catiónicas [4]
Tabla 2. Clasificación de las emulsiones asfálticas aniónicas [4]
Tabla 3. Clasificación de las emulsiones asfálticas catiónicas modificadas con polímero [4]
3. ¿Por qué es importante medir las propiedades de las emulsiones? Conocer las propiedades de las emulsiones, es importante, ya que estas tienen un impacto directo en el desempeño y durabilidad del pavimento asfáltico. Las siguientes consideraciones fueron extraídas del Protocolo AMAAC PA-EA 03/2011 y complementadas con el libro francés de emulsiones asfálticas (traducido al español): - Viscosidad La emulsión producida debe poder ser bombeada y manipulada. Aunque esta viscosidad también debe cumplir con las especificaciones aplicables, su reología y comportamiento de flujo deben adaptarse a las condiciones de uso [1]. En emulsiones destinadas a tratamientos superficiales, una viscosidad alta permite una película más espesa que proporciona una mejor retención de los agregados y, además, un menor escurrimiento del cemento asfáltico: por el contrario, en emulsiones para mezclas asfálticas, una viscosidad menor permite mejor la dispersión de la emulsión en el agregado. [5] - Estabilidad en el almacenamiento (sedimentación) La estabilidad durante el almacenamiento de la emulsión debe ser apropiado a las condiciones que prevalecen en el trabajo. El concepto de estabilidad durante el almacenamiento comprende tres etapas (Figura 1): Durante el almacenamiento de las emulsiones en una primera etapa se produce la flotación o la sedimentación. Como flotación se conoce a la concentración del asfalto en la parte superior y a la sedimentación a la concentración en la parte inferior [5]. Posteriormente aparece la floculación, caracterizada por que los glóbulos se ponen en contacto, pero aún están protegidas parcialmente por el emulsificante y mantienen su forma; después de esta etapa aparece la coalescencia que ya es un proceso irreversible. Lo que resulta en la desaparición de la emulsión por la separación en dos fases, una acuosa y una hidrocarbonada [5]. Tras las primeras coalescencias estos fenómenos se aceleran dando lugar al rompimiento y separación de los componentes de la emulsión. Como regla general, la emulsión no debe transportarse a distancias largas. Sin embargo, puede suceder que un producto tiene que trasportarse por varios kilómetros, en todo caso, el transporte no debe afectar las características originales de la emulsión.
Figura 1. Etapas de la separación durante el almacenamiento
- Velocidad de rompimiento y curado Ruptura significa la combinación de fenómenos en el que las gotas de la emulsión existen separadamente como individuos, este proceso es irreversible. Curado significa la combinación de fenómenos que resultan en la remoción de agua del material asfáltico, después de que la fase de ruptura ha concluido o al menos está suficientemente iniciada El proceso que se produce a partir del contacto de la emulsión con el agregado, en la primera fase se produce una absorción parcial del agua y emulsificante libre por el agregado, lo que origina una mayor concentración de glóbulos en las proximidades de éste y una desestabilización de la emulsión. Posteriormente, este proceso da como resultado la floculación y la aproximación de las partículas de asfalto a la superficie de agregado. En la segunda fase comienza la coalescencia donde se produce la formación de coágulos de asfalto, lo que implica la separación irreversible de las fases. Al final de este proceso se produce el rompimiento de la emulsión en sentido estricto, las dos fases, asfalto y agua se separan completamente. En resumen, cuando la emulsión se pone en contacto con el agregado, la emulsión debe “romper” de manera que el asfalto residual recupere sus propiedades macroscópicas y actúe como ligante del material con el que se está usado. Esta velocidad de ruptura debe adaptarse para cumplir con el tipo de aplicación definida para la emulsión. - Carga eléctrica El glóbulo de la emulsión, cuando entra en contacto con una superficie mineral, juega un papel básico en la adhesividad, por medio de una reacción química o de atracción eléctrica, En las emulsiones aniónicas (cargadas negativamente), la adhesividad activa con agregados de naturaleza electropositiva (como calizas, gabro, dolomita, basaltos y andesitas) está garantizada por la complementariedad de las cargas del agregado y de los glóbulos de asfalto. Por el contrario, la adhesividad con los agregados electronegativos (cargas del mismo signo), prácticamente no existe [5]. En las emulsiones catiónicas, cuyos glóbulos están cargados positivamente, la adhesividad activa con los agregados electronegativos (como sílice, mármol, cuarcita o granito) está garantizada por la atracción de las cargas eléctricas opuestas del agregado y de los glóbulos (Figura 2). Sin embargo, la adhesividad activa de las emulsiones catiónicas es adecuada con la mayor parte de los agregados electropositivos. Estos mecanismos de rompimiento-adherencia permiten explicar el gran desarrollo de las emulsiones catiónicas frente a las aniónicas
Figura 2. Ejemplo de una emulsión catiónica 4. Usos de las emulsiones asfálticas Las emulsiones asfálticas son extremadamente versátiles y se utilizan en una variedad de aplicaciones dentro de la construcción, mantenimiento y rehabilitación de pavimentos. En la construcción de pavimentos, las emulsiones bituminosas aseguran la durabilidad de las estructuras gracias a sus funciones de adherencia, curado y protección [6]. Según la IBEF, el mantenimiento preventivo de las capas de rodadura, las reparaciones puntuales y las intervenciones más estructurales, todas basadas en técnicas con emulsión bituminosa, son fundamentales para asegurar la conservación de las carreteras a largo plazo, garantizando además la seguridad de los usuarios. Los principales tipos de degradación en los pavimentos se mencionan a continuación: Desgaste/ pulido en la superficie de rodamiento, bajo el efecto del tráfico, la superficie de la carretera pierde gradualmente su rugosidad como resultado del pulido de las partículas. Las consecuencias son: - Pérdida de drenaje de la superficie del pavimento - Pérdida de adherencia de los vehículos. Se debe tomar acciones para poder mejorar la adherencia, de acuerdo con la IBEF, algunas de las técnicas recomendadas son: - Riegos con gravilla - Microaglomerado en frío - Mezclas bituminosas tipo concreto asfáltico con emulsión asfáltica. Grietas longitudinales, aparecen en la dirección del tránsito, son un signo de fatiga del pavimento, causado por debilidad estructural. En ausencia de un mantenimiento adecuado, las fisuras evolucionan convirtiéndose en grietas. Como consecuencia se tiene la penetración de agua en la interfaz de las capas y a través de toda la estructura del pavimento, por lo tanto, la estructura se debilita. Se recomienda asegurar la impermeabilidad. Algunas de las recomendaciones son: - Riegos con gravillas - Microaglomerado en frío - Las mezclas bituminosas tipo hormigón asfáltico con emulsión bituminosa Deformaciones o roderas, ocasionados por la acción del tránsito. La IBEF recomienda emplear algunas técnicas, dependiendo la magnitud de deformación: - Grava-emulsión - Microaglomerado en frío - Las mezclas bituminosas tipo concreto asfáltico con emulsión bituminosa En caso de que a deformación sea de origen estructural se recomienda el uso de: - Grava-emulsión - Reciclado en frío con emulsión. Baches, que son depresiones o huecos en la superficie de la carretera, causados por la pérdida de materiales de una o más capas estructurales. Los baches pueden ocasionar daños a los vehículos y representar un peligro para la seguridad vial. Se recomienda realizar reparaciones de emergencia para impedir la rápida degradación del pavimento, que se ocasiona por la penetración del agua en la interfaz de la capa y a través de la estructura. Las técnicas empleadas según la IBBEF es el uso de - Grava-emulsión - Mezclas en frío - Las mezclas bituminosas tipo concreto asfáltico con emulsión bituminosa De acuerdo con las técnicas existe dos familias en las emulsiones asfálticas: para aplicaciones en riego de liga y para la fabricación de mezclas [6]: - Emulsiones para aplicación de riego o Riegos con gravillas o Imprimación o Curado y sellado o Riegos de adherencia o Riegos de sellado con engravillado (Scrub seals) o Riegos de sellado (Fog seals) - Emulsiones para fabricación de mezclas o Grava-emulsión o Microaglomerados o Mezclas en frío o Mezclas bituminosas tipo concreto asfáltico con emulsión bituminosa o Reciclado en frío con emulsión A continuación, se detallan algunos: - Riego de Liga (Tack Coat): Los riegos de liga con emulsiones asfálticas son tratamientos que se utilizan para unir una capa subyacente existente con otra capa superior [7]. El riego de liga y el vínculo posterior creado entre las capas permiten que las diversas capas dentro de una estructura de pavimento actúen como un sistema compuesto, con el objetivo de lograr una estructura de pavimento unificada. Se aplica entre capas de pavimento para promover la adherencia entre la capa existente y la nueva capa de asfalto. La carencia de una liga asfáltica puede originar fallas prematuras tales como grietas por deslizamiento y delaminaciones, y agrietamientos por fatiga. - Mezclas en Frío (Cold Mix Asphalt): Algunas de las características de las mezclas asfálticas en frio es que se usa exclusivamente como carpetas de rodamiento, la mezcla se produce de agregados específicamente seleccionados para este propósito. Todas las fracciones del agregado se cubren por completo. Las emulsiones se mezclan con agregados a temperatura ambiente para crear mezclas en frío, que se pueden usar para reparaciones de pavimento y en situaciones donde el asfalto caliente no es práctico. - Microaglomerados Una técnica que emplea emulsiones modificadas para crear una capa delgada con propiedades mejoradas, ideal para restaurar la superficie del pavimento y mejorar la resistencia al deslizamiento. Según la recomendación AMAAC REA 118/2017, el microaglomerado en frío, consiste en una mezcla de emulsión asfáltica modificada con polímero, agregado mineral, agua, aditivos y fibras cuando así se requiera, mezclados y distribuidos uniformemente, de acuerdo con lo solicitado en el proyecto, sobre una superficie previamente preparada. El microaglomerado en frío se aplica como una capa homogénea, que se adhiere firmemente a la superficie del pavimento preexistente y proporciona una textura antideslizante a lo largo de su vida útil [8]. El microaglomerado se clasifica por su tiempo de ruptura y apertura al tránsito en: Microaglomerado de rompimiento controlado rápido (en la norma SICT se identifica como ECCR-62P) el cual permite la apertura al tránsito en un tiempo máximo de 60 minutos. Microaglomerado de rompimiento controlado lento (en la norma SICT se identifica como ECCL-62P) el cual permite la apertura al tránsito en un tiempo máximo de 240 min. Las limitaciones que se pueden presentar es que no corrige las grietas reflectivas, fallas estructurales o fallas por humedad. No tiene aporte estructural. - Riego de Impregnación (Prime Coat): Según la recomendación AMAAC REA 11/2012, el riego de impregnación consiste en la aplicación de un material asfaltico (emulsión) sobre una capa de base o sub-base constitutiva de un pavimento, cuya función es impermeabilizar, estabilizar la superficie y favorecer la adhesión entre esta capa y la siguiente [9]. Aplicado sobre bases no tratadas para preparar la superficie y promover la unión con la capa superior de asfalto. Las emulsiones asfálticas para esta aplicación deberán ser capaces de penetrar relativamente rápido los primeros milímetros de una capa, sin que exista asfalto residual en exceso. Si la emulsión tiene una viscosidad poco apropiada al material granular o una velocidad de ruptura demasiado elevada, la impregnación no se realiza adecuadamente. Para este tipo de aplicación, generalmente se emplea emulsiones de rompimiento lento o “superestables” diluidas en una proporción 50/50. En la normativa de la SICT se mencionan dos tipos de emulsiones para este uso la ECI-50 y la EAI-40. La base de agregados que se impregnan no debe dejarse como tal y en muchos casos deberá cubrirse con un revestimiento superficial, por lo que el propósito final del riego de impregnación es: estabilizar los agregados superficiales de la capa compacta. Fortalecer la cohesión que ya existe. Hacer una barrera contra el agua ascendente debido a la acción de la capilaridad, posiblemente causando que el recubrimiento que deba ser aplicado después pierda su adherencia se desprenda. - Capas de rodadura con riego de sello Según la recomendación AMAAC REA 117/2014, se define como riego de sello al tratamiento superficial constituido por un riego de ligante asfáltico seguido del extendido y acomodo de una capa de material pétreo de granulometría definida. [10] Para aplicaciones múltiples el proceso se repite por una segunda o hasta una tercera vez, con el tamaño del agregado decreciendo en cada aplicación. Los principales tipos de estas aplicaciones son: - Riego simple (tratamiento monocapa): constituido por un riego de ligante asfáltico seguido del extendido y acomodo de una capa de material pétreo. - Riego doble (tratamiento bicapa): Constituido por dos aplicaciones sucesivas del ligante y de material pétreo. - Riego / tratamiento sándwich: constituido por la aplicación de riego de liga cubierto por una segunda aplicación de material pétreo. - Riego sincronizado: consiste en un riego simple o multiple aplicado con un solo equipo que coloca simultaneamnete el ligante y el agregado. - Riego sincronizado con fibra: consiste en la aplicación de un riego sincronizado simpe de ligante – fibra -ligante con un solo equipo, seguido de la aplicación de gravilla. La elección de la emulsión asfáltica depende del tipo de tratamiento superficial, el perfil del pavimento, la naturaleza del material, el medio ambiente, las condiciones climáticas durante la construcción y el tránsito. La emulsión para un tratamiento superficial invariablemente debe tener: - Un alto contenido de ligante (68%), - Una alta viscosidad, - Una alta ruptura, - Buena adhesión con los agregados del sitio de trabajo. Los riegos de sello proporcionan una capa de rodadura con características adecuadas de fricción, así mismo protege al pavimento del envejecimiento y de daños por humedad. Ayuda a corregir el desgranamiento en la superficie y oxidación de carpetas viejas. Se puede utilizar provisionalmente a la espera de una aplicación de mezcla asfáltica. Permite una apertura rápida al tránsito. Sella fisuras menores. 5. Conclusiones Las emulsiones asfálticas son una tecnología versátil y esencial en la construcción y mantenimiento de pavimentos. Se definen como la dispersión del asfalto en una fase acuosa mediante un compuesto químico llamado emulsificante con la aplicación de energía mecánica, lo que permite su manipulación, transporte y aplicación en condiciones variadas. Su composición, puede ajustarse según el tipo de pavimento y la necesidad específica de cada proyecto. Los tipos de emulsiones se clasifican principalmente según su carga eléctrica en catiónicas y aniónicas, y se distinguen también por su velocidad de rompimiento, lo que determina su tiempo de secado y curado. La medición de las propiedades de las emulsiones es crucial, como la viscosidad, la estabilidad en almacenamiento, la velocidad de rompimiento y la carga eléctrica, es fundamental para asegurar su rendimiento y durabilidad en diversas aplicaciones. Por ejemplo, una viscosidad adecuada garantiza una buena adherencia y retención de los agregados, mientras que una estabilidad en el almacenamiento garantiza que la emulsión mantenga sus propiedades a lo largo del tiempo. En cuanto a los usos, las emulsiones asfálticas son esenciales para la construcción, mantenimiento y rehabilitación de pavimentos. Son empleadas en riegos de liga, riego de impregnación, tratamientos superficiales como micro aglomerados y riegos de sello, y en la fabricación de mezclas asfálticas en frío. Estas aplicaciones ayudan a mejorar la durabilidad de los pavimentos, proporcionar una superficie de rodadura segura y proteger contra el envejecimiento prematuro debido a factores como la humedad y el tránsito. Bibliografía
LIMETA Esbeydi “Las opiniones expresadas en esta publicación son de los autores y no necesariamente reflejan los puntos de vista del Instituto Mexicano del Transporte”
|
