Investigación reológica de asfalto y betún

El betún es un residuo refinado de la destilación del petróleo crudo. Se trata de una mezcla compleja que contiene muchos componentes petroquímicos distintos. El asfalto es una mezcla de betún y componentes minerales, donde el betún actúa como aglutinante. Sin embargo, en algunos países (como los Estados Unidos), los términos asfalto y betún se usan como sinónimos.

El pavimento de las rutas o el hormigón para asfalto comprenden una mezcla de materiales minerales como piedras, grava, piedras trituradas, arena, etc. con betún como aglutinador (o asfalto, según corresponda). El pavimento está generalmente expuesto a diversas condiciones climáticas y a una gran carga de tráfico. Eso significa que la reparación de carreteras representa un factor de costo considerable para las autoridades encargadas de la construcción de carreteras. Los daños comunes son la formación de ranuras en carriles o grietas a causa de la fatiga del material o del esfuerzo térmico.

Las ranuras de los carriles son consecuencia de la carga de tráfico permanente. Como consecuencia de ello, las fuerzas estructurales de la mezcla se debilitan, lo que puede llevar a una mayor deformación permanente del pavimento. Finalmente, esto puede dar lugar a efectos como la acumulación de agua sobre la carretera.   

La fatiga y el agrietamiento térmico son ocasionados por cambios estacionales de temperatura. Las microgrietas pueden presentarse, y ya no podrán subsanarse por sí mismas. Como consecuencia de ello, las grietas pueden agrandarse y fragmentos de piedra o asfalto pueden desprenderse de la superficie del pavimento debido a las fuerzas de fricción de los neumáticos; en una reacción en cadena, la penetración del agua y el hielo en invierno acelera aún más este proceso de daño, especialmente en climas de baja temperatura.  

El objetivo para la administración pública, así como también para los constructores de rutas, fabricantes de materiales de construcción e institutos de investigación, es mejorar el rendimiento y la vida útil del hormigón de asfalto. Esta meta puede lograrse si se usan materias primas de alta calidad y si se busca la textura adecuada y la correcta proporción de betún y materiales minerales para la mezcla. Estas mejoras se traducen en una mayor procesabilidad, estabilidad dimensional, resistencia a los cambios climáticos estacionales, menor persistencia de líquidos y polvo, así como un mejor comportamiento de sujeción.

El término "betún", de origen celta; significa elevación mineral o "resina terrenal". Este líquido inflamable de color marrón amarillento a negro muestra propiedades resistente y viscoelásticas a temperatura ambiente. Está compuesto por miles de compuestos de alto y bajo peso molecular, entre ellos hidrocarburos, resinas, parafinas, ceras, grasas, aceites pesados, ligninas, proteínas y asfaltenos. En contraposición al asfalto, el betún no tiene sólidos (p. ej., minerales). El betún natural comprende materiales orgánicos naturales.

El betún sirve principalmente como un aglutinante de asfalto para las mezclas de pavimento para rutas, en las que se usa para unir aditivos minerales sólidos, como la arena o las piedras pequeñas. Para ello, debe permanecer estable y no deshacerse a altas temperaturas. Por otro lado, no debe tender a fracturarse por fragilidad a bajas temperaturas.

Las propiedades reológicas del betún pueden determinarse, por ejemplo, mediante pruebas oscilatorias a temperatura variable (en el rango de T = 0 °C a +70 °C). Los polímeros sintéticos con frecuencia se usan para optimizar el comportamiento viscoelástico del pavimento. Normalmente, los componentes del betún puro tienen menos influencia en su comportamiento reológico que los polímeros sintéticos añadidos. Algunas pruebas de larga data en la industria del asfalto se llevan a cabo a una única temperatura solamente, lo que no es suficiente para un material termoplástico reológicamente complejo de este tipo como el betún. Los valores específicos tradicionales, como el punto de ablandamiento (SP) determinado con el método de anillo y bola (R&B), o valores de pluma determinados por las pruebas de penetración de aguja permiten una clasificación aproximada pero proporcionan insuficiente información sobre la calidad de un producto entregado o su idoneidad para la mayoría de las aplicaciones específicas.

Esta prueba requiere un reómetro de asfalto que incorpore un dispositivo de control de temperatura Peltier para geometrías de cilindros concéntricos.

Para que el aglutinante de betún o asfalto sea adecuado a las exigencias especiales, tal como para el pavimento de rutas, con frecuencia se mezcla con polímeros para formar un denominado betún modificado por polímero (PMB). En comparación con el betún común, el PMB es más cohesivo a las partículas minerales y el rango de temperatura entre el punto de ablandamiento y el punto de fragilidad es más amplio. Muestra mejor recuperación estructural después de la remoción de una carga y es más resistente a la fatiga del material. Además, el PMB muestra mejor resistencia al agua, y rigidez y durabilidad más altas. El PMB se utiliza comúnmente en áreas con una carga de tráfico extraordinariamente alta; por ejemplo, en puentes y en hormigón asfáltico de celdas abiertas que se utiliza para reducir el ruido de conducción.

El objetivo principal de mezclar el betún con polímeros es ampliar su rango de ductilidad, haciéndolo más rígido a altas temperaturas y más blando a temperaturas bajas. Los aditivos pueden comprender hasta el siete por ciento del betún. Los aditivos comunes son mezclas de polímeros termoplásticos, tales como estireno-butadieno-estireno (SBS), etileno-acetato de vinilo (EVA) o caucho molido para neumáticos (GTR). Las pruebas reológicas pueden emplearse para determinar el comportamiento en función de la temperatura del PMB al calentarse o fundirse, por ejemplo, mediante pruebas de temperatura utilizando un reómetro oscilatorio. Si bien el porcentaje del polímero agregado es bastante pequeño en relación con el betún, una curva de temperatura describe claramente la fuerte influencia de las moléculas del polímero en el comportamiento viscoelástico de la mezcla.

Esta prueba requiere un reómetro para asfaltos que incorpore un dispositivo de control de temperatura Peltier para geometrías de cilindros concéntricos.

Todos los años, la cantidad creciente de vehículos en las carreteras de los países industrializados y en desarrollo genera millones de neumáticos usados. El uso de caucho para neumáticos en la producción de asfalto para la construcción de carreteras no solo contribuye a reducir el impacto medioambiental de los neumáticos usados, sino que, además, modifica de forma fructífera las propiedades del asfalto para la construcción de carreteras. Entre los beneficios cabe mencionar superficies de carretera más duraderas, mantenimiento reducido de la carretera, menor ruido en la carretera y distancias de frenado más cortas. Tal vez como era de esperar, el asfalto modificado con caucho se ha convertido en el mayor mercado de neumáticos usados, y consume aproximadamente 12 millones de neumáticos al año. California y Arizona utilizan la mayor cantidad de asfalto modificado con caucho en la construcción de carreteras (más del 80% del asfalto utilizado es asfalto de caucho), aunque los asfaltos de caucho pueden ser diseñados para rendir en todo tipo de clima. 

Los fabricantes de asfalto deben ser capaces de medir el comportamiento viscoelástico dependiente de la temperatura asfalto para clasificar el material y predecir su rendimiento. Estas mediciones se pueden realizar con un reómetro dinámico de cizalla, que se puede usar para asfalto modificado con caucho con partículas de hasta 2 mm de diámetro. En general, el agregado de caucho para neumáticos mejora significativamente las propiedades reológicas del asfalto, lo que puede percibirse como un aumento de la rigidez y elasticidad del material, en comparación con el asfalto puro para pavimentación.

Esta prueba requiere un reómetro para asfaltos que incorpore un dispositivo de control de temperatura Peltier para geometrías de cilindro concéntrico.