Evaluación de los cambios químicos que experimenta el asfalto durante el proceso de envejecimiento a corto plazo y su relación con algunas propiedades físico-mecánicas

Abstract

En este trabajo se evaluaron los cambios físicos y químicos que experimenta el asfalto por efecto del envejecimiento a corto plazo (ECP) y establecieron relaciones con algunas propiedades físico-mecánicas convencionales, a partir de la auscultación del envejecimiento en campo, evaluaciones del envejecimiento según modelos de laboratorio, planteamiento de alternativas para mejorar la durabilidad de mezclas asfálticas modificadas (MAM) y verificación del desempeño de estas, en laboratorio y en campo. Se emplearon asfaltos, mezclas asfálticas y tramos experimentales. Asfaltos provistos por el Complejo Industrial Barrancabermeja (CIB), aptos para pavimentación. Mezclas asfálticas en caliente o con modificación química (MAM), densas, producidas en laboratorio y en plantas; las MAM emplearon agregados pétreos similares, asfaltos modificados (AM) diferentes, un mismo asfalto CIB base e idénticos procesos de producción. Tramos experimentales (cuatro, Bogotá) construidos con materiales convencionales, capas de rodadura con MAM y procesos constructivos similares, bajo especificaciones técnicas locales. Se evaluaron muestras de asfalto sin fraccionamiento mediante técnicas convencionales y de otras, la reometría, la termo-gravimetría, el análisis elemental, el fraccionamiento SARA, y las espectroscopias por resonancia magnética nuclear (RMN 1H y RMN 13C), de masas y por infrarrojo con reflectancia total atenuada (FTIR-ATR). Se desarrollaron nuevos esquemas para caracterizar los asfaltos (índices de variación por FTIR-ATR; química y estructuralmente por RMN). Los tramos experimentales se caracterizaron en seguimientos técnicos periódicos con métodos no destructivos. El asfalto CIB mostró algunos cambios físico-químicos por efecto del ECP: aumento en el contenido de oxígeno y reducción en los de carbono; ocurrencia simultánea de la volatilización y la oxidación; variaciones no uniformes en los carbonos cuaternarios por RMN, presencia de especies oxidadas (RMN); y presencia de regiones variantes e invariantes, para señales de especies oxidadas y cambios notables en el modelo de sustitución en fragmentos aromáticos (FTIR-ATR). El asfalto CIB fresco mostró deficiencias en la calidad para la pavimentación y el ECP simulado (TFOT y RTFOT) baja representatividad para emular el envejecimiento en campo. Los AM, las MAM y las capas de rodadura construidas con estos, y modificados con cal hidratada y con SasobitR mostraron el mejor desempeño técnico-económico. Los cambios químicos y físico-mecánicos generados por efecto del ECP en muestras de asfalto sin fraccionamiento evidenciaron la necesidad de implementar nuevas estrategias con experimentaciones más integrales, en laboratorio y campo, con ajustes a los controles existentes, válidos para la adaptación y generación apropiada de tecnología en ingeniería civil, que reconozca y controle el envejecimiento, para contribuir eficazmente al mejoramiento de la durabilidad de las obras viales.

Abstract: In this work the physical and chemical changes that the asphalt undergoes due to the effect of short-term aging (STA) were evaluated and established relationships with some conventional physical-mechanical properties, from the auscultation of aging in the field, aging evaluations according to models of laboratory, proposal of alternatives to improve the durability of modified asphalt mixtures (MAM) and verification of the performance of these, in the laboratory and in the field. Asphalts, asphalt mixtures and experimental sections were used. Asphalts provided by the Barrancabermeja Industrial Complex (CIB), suitable for paving. Asphalt mixtures in hot or with chemical modification (MAM), dense, produced in the laboratory and in plants; the MAM used similar stone aggregates, modified asphalts (AM), the same base CIB asphalt and identical production processes. Experimental sections (four, Bogotá) built with conventional materials, rolling layers with MAM and similar construction processes, under local technical specifications. Asphalt without fractionation was evaluated by conventional techniques and others, rheometry, thermogravimetry, elemental analysis, SARA fractionation, and nuclear magnetic resonance (1H and 13C NMR), mass spectroscopy and infrared with reflectance spectroscopy total attenuated (FTIR-ATR). New schemes were developed to characterize the asphalts (variation indexes by FTIR-ATR, chemically and structurally by NMR). The experimental sections were characterized in periodic technical follow-ups with non-destructive methods. The CIB asphalt showed some physical-chemical changes due to the STA effect: increase in oxygen content and reduction in carbon content; simultaneous occurrence of volatilization and oxidation; non-uniform variations in the quaternary carbons by NMR and the presence of oxidized species; presence of variant and invariant regions, for signals of oxidized species and notable changes in the substitution model in aromatic fragments (FTIR-ATR). The fresh CIB asphalt showed deficiencies in the quality for the paving and the simulated STA (TFOT and RTFOT) low representativeness to emulate the aging in the field. The AMs, the MAMs and the rolling layers constructed with these, and modified with hydrated lime and with SasobitR showed the best technical-economic performance. The chemical and physical-mechanical changes generated by the STA effect in samples of asphalt without fractionation evidenced the need to implement new strategies with more comprehensive experiments, in laboratory and field, with adjustments to existing controls, valid for the adaptation and appropriate generation of technology in civil engineering, which recognizes and controls aging, to effectively contribute to the improvement of the durability of road works.