ES2303643T3 - Procedimiento para la fabricacion de una mezcla betun-agregado adecuada para la pavimentacion de carreteras. - Google Patents

Abstract

Un método para producir una mezcla acuosa de betún-agregado mezclando una emulsión bituminosa de tipo aceite en agua que contiene un emulsionante, un agregado mineral, agua adicional y un desemulsionante a una temperatura de 0 a 40ºC, caracterizado por que la emulsión bituminosa tiene un valor de pH entre 1 -5 y por que el emulsionante contiene una sal de un ácido fosfórico polivalente y una diamina de fórmula (Ver fórmula) en la que uno o dos de los grupos R1, R2, R4 y R5 designan un grupo hidrocarbonado de 6-22, preferiblemente 8-20 átomos de carbono, y los restantes grupos R1, R2, R4 y R5 son un grupo alquilo con 1-4 átomos de carbono, y/o un grupo - (A)sH, en el que A es un grupo alquilenoxi con 2-3 átomos de carbono, y s es un número de 1 a 4, R3 es un grupo alquileno con 2-4 átomos de carbono; y por que el desemulsionante contiene cemento hidráulico.

Description

Procedimiento para la fabricación de una mezcla betún-agregado adecuada para la pavimentación de carreteras.

La presente invención se refiere a una mezcla acuosa de betún-agregado de fraguado rápido adecuada para la pavimentación en frío de carreteras, plazas de aparcamiento, aceras y similares. La mezcla betún-agregado se prepara mezclando un agregado mineral, agua, un desemulsionante, que contiene cemento hidráulico, y una emulsión bituminosa catiónica de tipo aceite en agua, que contiene, como emulsionante, una sal de una diamina terciaria y ácido fosfórico.

Son bien conocidas en la técnica la preparación de emulsiones bituminosas catiónicas de tipo aceite en agua y la mezcla de estas emulsiones con agregados minerales inorgánicos. Cuando se mezclan los agregados minerales y la emulsión catiónica, la emulsión se "cortará" debido a la atracción entre las gotitas de betún cargadas positivamente y las superficies del agregado cargadas negativamente. Las gotitas de betún catiónicas se depositarán sobre las superficies del agregado y se unirán a los agregados por la acción electrostática de la interfase entre las gotitas de betún y los agregados. Se han sugerido como emulsionantes varias sales de ácidos y compuestos amina. Con frecuencia se usan amidoaminas, imidazolinas, tetraaminas grasas y compuestos de amonio cuaternario acidificados y mezclas de los mismos. El ácido usado es normalmente ácido clorhídrico, pero también se han usado ácidos fosfóricos y otros ácidos que contienen uno o más átomos de hidrógeno ácidos.

Al pavimentar, una práctica general hoy en día es usar una mezcladora móvil, que, en el lugar de trabajo, mezcla continuamente el agregado, el agua y la emulsión para obtener una mezcla acuosa betún-agregado y que extiende continuamente la mezcla acuosa betún-agregado sobre la superficie que se va a pavimentar. Es de esencial importancia que la mezcla tenga una consistencia adecuada para pavimentar pero también que haya un rápido aumento de la cohesión entre el betún por una parte y los agregados y la superficie cubierta por otra parte.

Así, la patente de EE.UU. 3 518 101 describe una emulsión acuosa asfáltica, que contiene, como emulsionante, una sal de un ácido polibásico seleccionado del grupo que consiste en ácido oxálico, ácido tartárico y ácido cítrico, con una diamina que contiene un grupo alquilo de aproximadamente 12 a aproximadamente 22 átomos de carbono. Los grupos amina pueden ser primarios, secundarios y/o terciarios. Sin embargo, el fraguado y el aumento de la cohesión de las mezclas de emulsión-agregado descritas en esta patente son lentas y varían también con el tipo de agregados y el tamaño de partículas de los agregados. La patente de EE.UU. 5 073 297 describe una emulsión bituminosa acuosa-agregado obtenida emulsionando betún en agua con un emulsionante catiónico particular, que es un producto de la reacción entre poliaminas modificadas con ciertos ácidos y anhídridos policarboxílicos. En la preparación de la emulsión bituminosa, se usa una disolución ácida del emulsionante. Por ejemplo, se pueden añadir ácido clorhídrico, sulfúrico y fosfórico o similares hasta que se alcanza un valor de pH por debajo de 7 y se obtiene una disolución del emulsionante transparente. El tiempo de fraguado de la suspensión es elevado y para acortar el tiempo de fraguado se describe la adición de cemento.

A partir de las referencias anteriores, es evidente que, la velocidad a la que se corta la emulsión y a la que se desarrolla una elevada cohesión entre el betún y los agregados varían esencialmente dependiendo de la temperatura y también, en menor grado, del tipo y tamaño de partículas del agregado presente en la mezcla. Además, las emulsiones preparadas a partir de betún con un bajo contenido ácido comparativamente fraguan más lentamente y desarrollan sólo lentamente la cohesión entre el betún y los agregados y entre el betún y la superficie cubierta. Un rápido fraguado y un rápido aumento de la cohesión son considerablemente ventajosos, ya que la zona pavimentada se puede abrir para el uso público poco tiempo después de que se ha realizado el trabajo.

Se ha encontrado ahora que las desventajas anteriormente mencionadas se pueden reducir esencialmente usando un sistema emulsionante y desemulsionante específico. El sistema hace posible producir una emulsión bituminosa acuosa excelente y obtener una mezcla acuosa betún-agregado adecuada para pavimentar en frío. La mezcla es de fraguado rápido y desarrolla una fuerte cohesión entre el betún y los agregados en sólo aproximadamente 15 minutos después de pavimentar.

Según la invención una mezcla acuosa de betún-agregado lista para pavimentar en frío se produce mezclando una emulsión bituminosa ácida de tipo aceite en agua que contiene un emulsionante, un agregado mineral, agua adicional y un desemulsionante a una temperatura de 0 a 40ºC, caracterizada por que la emulsión bituminosa tiene un valor de pH entre 1 y 5, preferiblemente entre 1 y 4, y por que el emulsionante contiene una sal de un ácido fosfórico polivalente y una diamina de fórmula

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en la que uno o dos de los grupos R_{1}, R_{2}, R_{4} y R_{5} designan un grupo hidrocarbonado de 6-22, preferiblemente de 8-20 átomos de carbono, y los restantes grupos R_{1}, R_{2}, R_{4} y R_{5} son grupos alquilo con 1-4, preferiblemente 1-2 átomos de carbono y/o grupos de fórmula -(A)_{s}H, en la que A es un grupo alquilenoxi con 2-3 átomos de carbono, preferiblemente etilenoxi, y s es un número de 1 a 4, preferiblemente 1, R_{3} es un grupo alquileno con 2-4 átomos de carbono, preferiblemente 3 átomos de carbono, y por que el desemulsionante contiene cemento hidráulico.

Los emulsionantes de fórmula I tienen una buena capacidad emulsionante y rápidamente desarrollan una fuerte cohesión entre los agregados y el betún cuando la emulsión bituminosa acuosa se corta con un desemulsionante que contiene el cemento hidráulico. La velocidad a la que se corta la emulsión y el desarrollo de la cohesión se pueden regular y controlar fácilmente con la cantidad de cemento hidráulico añadido. Un rápido fraguado y una fuerte cohesión se obtienen no sólo cuando el contenido ácido del betún es un contenido medio o elevado, sino también cuando el contenido ácido es bajo, por ejemplo entre 0,05 y 1 mg KOH/g de betún. El sistema emulsionante-desemulsionante es apropiado para usar en mezcladoras móviles, que, en el lugar de trabajo, mezclan continuamente agregado, agua adicional, desemulsionante y la emulsión bituminosa para formar una mezcla acuosa betún-agregado y continuamente extienden la mezcla acuosa betún-agregado sobre la superficie que se va a pavimentar. Además, el sistema emulsionante-desemulsionante se puede ajustar fácilmente según las condiciones existentes, p. ej. la temperatura, para optimizar el tiempo de mezclado y la velocidad y fuerza de cohesión de la mezcla acuosa betún-agregado.

Diaminas adecuadas de fórmula I son aquellas en las que al menos un grupo es un grupo metilo y al menos un grupo es hidroxietilo, es decir, un grupo de fórmula (A)_{s}H, en donde A es un grupo etilenoxi y s es 1. La relación entre el número promedio de grupos metilo y número promedio de grupos etilenoxi está preferiblemente entre 1:6 y 3:1. Otras diaminas adecuadas son compuestos de fórmula I, en la que los restantes grupos son todos grupos metilo, y compuestos, en los que los restantes grupos son todos grupos de fórmula (A)_{s}H, en la que A es un grupo alquilenoxi de 2-3 átomos de carbono y s es un número de 1 a 4. Preferiblemente A es un grupo etilenoxi y s es 1. También se pueden usar de manera ventajosa mezclas de compuestos, en las que los restantes grupos son sólo grupos metilo, y compuestos, en los que los restantes grupos son sólo grupos de fórmula (A)_{s}H, en la que A y s tienen los significados mencionados anteriormente. En tales mezclas la relación en peso entre los compuestos que contienen sólo grupos metilo y los compuestos que contienen sólo grupos (A)_{s}H está normalmente entre 1:10 y 10:1. Variando la relación entre el número de grupos metilo y grupos etilenoxi, se ha mostrado sorprendentemente que es posible controlar adicionalmente la cohesión y el tiempo de mezclado. Una gran cantidad de grupos metilo reduce el tiempo de mezclado y acelera el desarrollo de una elevada cohesión, mientras que la presencia de grupos etilenoxi mejora la aptitud para ser trabajado del betún y de la mezcla betún-agregado. Estas propiedades de las diferentes diaminas de fórmula I se pueden usar de manera ventajosa para adaptar el emulsionante al contenido ácido del betún y a la temperatura cuando se pavimenta.

Según la invención, el cemento hidráulico puede ser cemento Portland normal, cemento Portland de bajo calor de hidratación, cemento Portland blanco, cemento Portland de endurecimiento rápido o mezclas de los mismos. De manera adecuada el cemento hidráulico contiene 75-100% en peso de cemento Portland ordinario o cemento Portland blanco. El cemento hidráulico se puede combinar también con 0-25% en peso de sulfato de aluminio, un compuesto de alumbre, cal o yeso o mezclas de los mismos. Estas adiciones prolongan el tiempo de mezclado, lo que puede ser favorable cuando la pavimentación se lleva a cabo a temperaturas elevadas.

El agregado es un material inorgánico, que normalmente contiene un material inorgánico muy denso, tal como escoria de alto horno y minerales, p. ej. granito, piedra caliza y dolomita. La distribución de tamaño de partículas incluye de manera adecuada tanto partículas finas como gruesas. Un agregado típico tiene una distribución de tamaño de partículas, en la que todo el agregado pasa a través de un tamiz en el intervalo de tamiz de malla nº 4 a tamiz de malla nº 10, mientras que una fracción de 15-20% en peso del agregado pasa a través de un tamiz en el intervalo de tamiz de malla nº 40 a tamiz de malla nº 200 como se describe en ASTM C 136.

Tipos de betún adecuados para usar en la presente invención son los usados comunmente para pavimentar carreteras y en las técnicas de mezclado de emulsiones en frío, lechada asfáltica, microrevestimiento y similares e incluyen, pero no se limitan a, los que tienen calidad AC desde AC-15 hasta AC-35 así como los modificados con polímeros tales como SBS y EVA.

Una mezcla acuosa betún-agregado según la invención normalmente contiene

100 partes en peso de un agregado,

6-20, preferiblemente 8-15 partes en peso de betún,

0,1-3, preferiblemente 0,2-2,5 partes en peso de la sal de ácido fosfórico polivalente y una diamina de fórmula I, y

0,1-2, preferiblemente 0,2-1,5 partes en peso de cemento hidráulico.

La mezcla acuosa betún-agregado se puede producir mezclando una combinación, que contiene el agregado mineral, 5-35% de agua calculado a partir del peso de agregado y 0,1-2,0, preferiblemente 0,2-1,5% en peso de cemento hidráulico calculado a partir del peso de agregado, con 10-40% de emulsión bituminosa catiónica, ácida, de tipo aceite en agua calculado a partir del peso de agregado. Dicha emulsión bituminosa normalmente contiene 50-70% en peso de betún, 0,4-20, preferiblemente 2-14% en peso de una sal de ácido fosfórico polivalente y una diamina de fórmula I, y 21-43%, preferiblemente 25-40%, en peso de agua. La cantidad total de agua en la mezcla betún-agregado está normalmente entre 12 y 25% en peso de agregado.

También pueden estar presentes otros componentes en la mezcla betún-agregado y en la emulsión bituminosa. Así, la emulsión bituminosa puede contener otros emulsionante que sean tensioactivos no iónicos o catiónicos, que contengan al menos un grupo hidrocarbonado de 6-22 átomos de carbono, preferiblemente 8-22 átomos de carbono, tal como compuestos amida, compuestos amida que contengan etilenoxi, amidoaminas acidificadas, amidoaminas que contengan etilenoxi, imidazolinas, tetraaminas y compuestos de amonio cuaternario y mezclas de los mismos. Ejemplos específicos de otros emulsionantes son sales entre ácidos, de manera adecuada ácidos polivalentes, tales como ácido fosfórico polivalente, y un compuesto imidazolina de fórmula

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en la que R es un grupo alquilo de 5-21, preferiblemente 7-19 átomos de carbono y n es un número de 0 a 3; o un compuesto amidoamina de fórmula

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en la que uno o dos de los grupos R_{1}, R_{2}, R_{3} y R_{4} es un grupo acilo de 6-22, preferiblemente 8-20 átomos de carbono y los restantes grupos R_{1}, R_{2}, R_{3} y R_{4} son grupos alquilo inferior de 1-4 átomos de carbono, preferiblemente metilo, hidroxietilo, hidroxipropilo o hidrógeno y n es un número de 1 a 4, con la condición de que al menos un átomo de nitrógeno sea parte de un grupo amino. La mezcla betún agregado también puede contener un aglutinante orgánico adicional, por ejemplo un látex, seleccionado del grupo que consiste en SBR, policloropreno y látex natural y mezclas de los mismos. El látex se puede incorporar en la emulsión bituminosa o directamente en la mezcla. Puede ser necesario usar látex de calidad catiónico o no iónico compatible con la emulsión, como es bien conocido en la técnica de formulación de emulsiones. El aglutinante de tipo látex puede comunicar propiedades deseables a la mezcla curada incluyendo mejor durabilidad. La mezcla betún agregado también puede contener otros componentes tales como fibras y pigmentos.

Ejemplo

Se prepararon varias mezclas acuosas betún-agregado mezclando a) 15 partes en peso de una emulsión bituminosa acuosa de tipo aceite en agua que contenía 9,75 partes en peso de betún, 0,53 partes en peso de un látex, si lo contenía, y un emulsionante de acuerdo con la Tabla 1, b) 100 partes en peso de un agregado de granito, con unas proporciones según ASTM C 136, c) 9 partes en peso de agua, y d) cemento Portland normal según la Tabla 1. Los emulsionantes usados en la preparación fueron los siguientes.

Emulsionante A

Una sal de trimetil propilendiamina de sebo y ácido ortofosfórico

Emulsionante B

Una sal de tri(hidroxietil)oleil propilendiamina y ácido ortofosfórico

Emulsionante C

Una sal de ácido clorhídrico y el producto de reacción entre 50% en peso de ácido graso de talloil y 50% en peso de tetraetilenpentamina

Emulsionante D

50% en peso de una sal de ácido ortofosfórico y el producto de reacción entre cantidades iguales de ácido graso de talloil y tetraetilenpentamina y 50% en peso de una sal de ácido ortofosfórico y el producto de reacción entre cantidades iguales de ácido graso de talloil y 3-(dimetilamino)propilamina.

El pH de las emulsiones que contenían los emulsionantes A, B y D se ajustó con ácido ortofosfórico hasta los valores de pH dados en la Tabla 1, mientras que el valor de pH de las emulsiones que sólo contenían emulsionante C se ajustó con ácido clorhídrico.

Durante la preparación, el tiempo de mezclado se registró según el procedimiento "TB-113 Trial Mix Procedure for Slurry Seal Systems" de International Slurry Surfacing Association; en "Design Technical Bulletins". Inmediatamente después de mezclar, una superficie se cubría con las mezclas acuosas betún-agregado a diferentes temperaturas con una de máquina de asfaltado de laboratorio. Los valores de cohesión, kg-c, para cada cubierta, se determinaron según el método de ensayo "TB-139, Test Method for Classify Emulsified Asphalt Aggregate Mixture System by modified Cohesion Tester Measurement of Set and Cure Characteristics" en "Design Technical Bulletins". Los resultados obtenidos se muestran en la Tabla 2.

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TABLA 1 Composición de mezclas acuosas betún agregado

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TABLA 2 Tiempo de mezclado y valores de cohesión de las mezclas a diferentes temperaturas

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Las mezclas acuosas betún-agregado deben tener tiempos de mezclado por encima de 60 segundos, de manera adecuada por encima de 90 segundos, y generar rápidamente un elevado valor de cohesión de manera adecuada de 23 kg-c o superior. A partir del ensayo es evidente que las mezclas 1-8 según la invención cumplen estas previsiones. Las mezclas de comparación I y II necesitan en general tiempos mucho mayores para desarrollar una elevada cohesión que la mezclas 1-8.

Claims (13)

1. Un método para producir una mezcla acuosa de betún-agregado mezclando una emulsión bituminosa de tipo aceite en agua que contiene un emulsionante, un agregado mineral, agua adicional y un desemulsionante a una temperatura de 0 a 40ºC, caracterizado porque la emulsión bituminosa tiene un valor de pH entre 1 -5 y por que el emulsionante contiene una sal de un ácido fosfórico polivalente y una diamina de fórmula

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en la que uno o dos de los grupos R_{1}, R_{2}, R_{4} y R_{5} designan un grupo hidrocarbonado de 6-22, preferiblemente 8-20 átomos de carbono, y los restantes grupos R_{1}, R_{2}, R_{4} y R_{5} son un grupo alquilo con 1-4 átomos de carbono, y/o un grupo - (A)_{s}H, en el que A es un grupo alquilenoxi con 2-3 átomos de carbono, y s es un número de 1 a 4, R_{3} es un grupo alquileno con 2-4 átomos de carbono; y por que el desemulsionante contiene cemento hidráulico.

2. Un método según la reivindicación 1, caracterizado porque la diamina de fórmula I contiene al menos un grupo metilo y al menos un grupo de fórmula (A)_{s}H, en la que A es etilenoxi y s es 1.

3. Un método según la reivindicación 2, caracterizado porque la relación de número promedio de grupos metilo a número promedio de grupos etilenoxi en las diaminas de fórmula I es de 1:6 a 3:1.

4. Un método según la reivindicación 1, caracterizado porque la diamina de fórmula I contiene un compuesto, en el que los restantes grupos son todos metilo, o un compuesto, en el que los restantes grupos son todos grupos de fórmula (A)_{s}H, en la que A y s tienen el significado mencionado anteriormente, o una mezcla de estos compuestos.

5. Un método según la reivindicación 4, caracterizado porque la diamina de fórmula I contiene una mezcla de los dos tipos de compuestos en una relación en peso de 1:10 a 10:1.

6. Un método según una cualquiera de las reivindicaciones 1-5, caracterizado porque la relación en peso entre la sal de diamina del emulsionante y el cemento es de 0,15-1,5.

7. Un método según una cualquiera de las reivindicaciones 1-6, caracterizado porque el ácido fosfórico es ácido ortofosfórico.

8. Un método según una cualquiera de las reivindicaciones 1-7, caracterizado porque el cemento hidráulico es un cemento Portland.

9. Un método según una cualquiera de las reivindicaciones 1-7, caracterizado porque el betún tiene un contenido ácido entre 0,05 y 1 mg KOH/g de betún.

10. Una mezcla acuosa betún-agregado, caracterizada porque contiene 100 partes en peso de un agregado, 6-20 partes en peso de betún, 0,1-3 partes en peso de la sal definida en una cualquiera de las reivindicaciones 1-7, y 0,1-2 partes en peso de cemento hidráulico.

11. Una sal de diamina, caracterizada porque es la sal definida en una cualquiera de las reivindicaciones 1-7.

12. Una emulsión bituminosa ácida de tipo aceite en agua, caracterizada porque tiene un valor de pH entre 1 y 5 y contiene 0,4-20% en peso de la sal definida en una cualquiera de las reivindicaciones 1-7.

13. Uso de la sal definida en una cualquiera de las reivindicaciones 1-7 como un emulsionante de tipo aceite en agua para betún.