ES2590257T3 - Procedimiento para producir composiciones bituminosas - Google Patents

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Abstract

Procedimiento para producir una composición bituminosa, incluyendo el procedimiento las etapas siguientes: (I) preparar una emulsión de betún que comprende, en peso total de la emulsión de betún: (1) betún, en una cantidad desde 50,0% a 75,0% en peso, presentando el betún un índice de penetración de desde 60 a 100; (2) un emulsionante en una cantidad desde 0,05% a 2,0% en peso; (3) agua en una cantidad desde 23,0% a 49,95% en peso; (II) calentar la emulsión de betún hasta un intervalo de temperatura de 25ºC a 95ºC; (III) calentar el árido hasta un intervalo de temperatura de 60ºC a 140ºC; y (IV) mezclar la emulsión de betún calentada y el árido calentado para proporcionar la composición bituminosa que comprende, en peso total de la composición bituminosa: (a) betún en una cantidad de 1,0% a 7,5% en peso, (b) un emulsionante en una cantidad de 0,001% a 0,2% en peso; (c) agua que se encuentra en una cantidad de 0,46% a 4,995% en peso; y (d) árido en una cantidad de 90,0% a 98,0% en peso.

Description

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estructura interna de los asfaltenos de un asfalto. Algo relevante a este argumento son referencias al hecho de que las fuerzas de dispersión de London son los contribuyentes principales a la resistencia y complejidad de la estructura de asfaltenos dentro de un asfalto dado. Esto debe considerarse cuando se utiliza el parámetro de solubilidad de Hansen más complejo en lugar de la versión de Hildebrand. Además de esto, es práctica común cuantificar la fracción de asfalteno del betún precipitando los asfaltenos de una muestra de ese asfalteno mediante la adición de o bien pentano o bien heptano. Estos dos hidrocarburos presentan parámetros de solubilidad de Hildebrand de 14,3 y 15,1 (MPa)1/2, respectivamente. En consecuencia, parámetros de solubilidad en el intervalo de 19-25 (MPa)1/2 o superior identificarán moléculas o partes de moléculas que presentan la capacidad de alterar la estructura de asfaltenos y en consecuencia fluidizar ese betún, mientras que moléculas o partes de moléculas con parámetros de solubilidad similares a los de los hidrocarburos C5-C7 presentan posibilidad de reflocular o coagular asfaltenos ya dispersados.
Desde un punto de vista molecular, la densidad de energía cohesiva o parámetro de solubilidad de una molécula se determina mediante su composición o constitución química. En consecuencia, también es una función de los materiales de partida y el procedimiento de fabricación utilizado para fabricar esa sustancia, o de manera más sucinta, la naturaleza de la sustancia específica. En el caso de emulsionantes, el parámetro de solubilidad también puede estar relacionado con el equilibrio hidrófilo-lipófilo (HLB) mediante la expresión:
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En el presente trabajo, se mostró una serie de emulsionantes para demostrar la compresibilidad y el desarrollo de resistencia temprana que se observó que era una ventaja del procedimiento de la presente invención. Se observó que esos emulsionantes presentan grupos funcionales con parámetros de solubilidad en el intervalo de 2425 (MPa)1/2 e hidrófobos en el intervalo de 8-16 (MPa)1/2 . El fallo más drástico se observó con un sistema de emulsionante con un bajo nivel de funcionalidad del tipo de requisito y el parámetro de solubilidad. El parámetro de solubilidad de todo el sistema de emulsionante estaba también bien dentro del intervalo de 30 alto a 40 bajo. Adicionalmente, la funcionalidad utilizable que estaba presente se mostró mediante estudios de modelos que están impedidos estéricamente de penetración en las regiones interfaciales de la superficie de contacto betún/agua. Por tanto, una realización preferida de la presente invención es formular las emulsiones de betún con emulsionantes compuestos por grupos funcionales y estructura que confieren la características de solubilidad requeridas (tal como se describió anteriormente) para controlar la reología interfacial dependiente de la temperatura.
Los siguientes ejemplos se proporcionan para ilustrar adicionalmente la presente invención y no debe interpretarse que limitan la invención de ninguna manera.
En los siguientes ejemplos, las composiciones bituminosas de emulsión de betún y árido se mezclaron o bien con una mezcladora de cubeta automatizada (ejemplo 1) o bien a mano (ejemplos 2-14). Las mezclas de emulsión de betún y árido se compactaron inmediatamente tras su preparación mientras que las mezclas estuvieron a las temperaturas de producción. Se utilizó un compactador giratorio del Programa Estratégico de Investigación de Carreteras (SHRP) (disponible comercialmente de Pine Instruments) para compactar las composiciones bituminosas en píldoras a un ángulo giratorio de 1,25º y una presión de ariete de 600 kPa utilizando 30 giros. Inmediatamente tras su compactación, las píldoras de la composición bituminosa se colocaron en un horno a 25ºC para su curado. Tras su curado, se evaluaron las píldoras para determinar su resistencia a la compresión (es decir, estabilidad de Marshall). El valor de resistencia a la compresión obtenido tras cuatro horas de curado a temperatura ambiente (25ºC) se denomina en la presente memoria “resistencia temprana”. Se utilizó un estabilómetro (disponible comercialmente de Pine Instruments) para medir la resistencia a la compresión de las muestras compactadas. Los tamaños de partícula medios de cada una de las emulsiones de betún empleadas en los siguientes ejemplos fueron inferiores a 10 micras.
El árido utilizado en los siguientes ejemplos fue granito triturado conforme a las especificaciones de granulometría y propiedades para una mezcla de pavimentación nominal de granulometría densa, de 12,7 mm (1/2 pulgada) utilizada comúnmente para la producción de superficies de rodadura de pavimentos. Todas las muestras de árido se secaron en horno (110ºC) antes de su utilización para eliminar la humedad. En los ejemplos de mezcla en frío comparativos, el árido se dejó enfriar hasta temperatura ambiente antes de mezclar con la emulsión bituminosa. En los ejemplos de mezcla en caliente comparativos, el árido se calentó hasta una temperatura en el intervalo de aproximadamente 140ºC a 160ºC antes de mezclar con betún calentado hasta una temperatura equivalente. Todas las muestras de árido clasificado eran de 1.000 gramos.
Se midió el recubrimiento utilizando una modificación del procedimiento de luminiscencia instrumental comúnmente conocido de Deneuvillers et al. Los valores de recubrimiento en los ejemplos a continuación se expresan en porcentajes, que indican el porcentaje medido de superficie de árido recubierta por betún.
Ejemplo 1
Se prepararon composiciones bituminosas mediante el siguiente procedimiento. Se prepararon emulsiones de betún
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que eran mayores que las composiciones bituminosas de mezcla en frío a base de emulsión, formuladas de manera idéntica preparadas y compactadas en condiciones de laboratorio ambientales. Adicionalmente, las composiciones bituminosas del procedimiento de la presente invención mostraron una compactación mejorada en comparación con las composiciones de mezcla en frío análogas tal como se midió mediante las alturas de las muestras de píldora.
La figura 2 muestra resultados comparables utilizando una emulsión diferente. La emulsión de betún utilizada en las evaluaciones mostradas en la figura 2 contenía el 1,0% de bwe de emulsionante (condensado de ácido graso de aceite de bogol modificado de polietilenpoliamina) al 60% de residuo de betún PG64-22 (un betún de alto rendimiento modificado con un copolímero de bloque de estireno-butadieno-estireno). De nuevo, a 25ºC, el análisis mostró el aumento de viscosidad irregular a medida que la velocidad de cizalladura aumentaba desde 0 hasta 1.000 segundos-1. A 60ºC, la viscosidad disminuyó de manera constante a medida que la velocidad de cizalladura (y la tensión de corte) aumentaban.
Ejemplo 9
Se produjeron y compactaron composiciones bituminosas utilizando el procedimiento del ejemplo 2. Se prepararon emulsiones de betún libres de disolvente utilizando como emulsionante condensado de ácido graso C16-C18 modificado y no modificado de polietilenpoliamina en dosificaciones que oscilaban entre el 1,0% y el 1,5% en peso total de la emulsión de betún (bwe). Se emplearon tres tipos de betún de alto rendimiento, disponibles comercialmente en este ejemplo: un PG64-22, un PG70-22 y un PG64-22 modificado con estireno-butadienoestireno (SBS). Se preparó cada una de las composiciones bituminosas con un contenido en betún del 4,8% en peso total del árido clasificado.
Para fines de comparación, se produjeron composiciones bituminosas de mezcla en frío que presentaban un contenido en betún y una granulometría de árido equivalentes. Se siguió el procedimiento de la presente invención indicado anteriormente para producir estas composiciones bituminosas de mezcla en frío con la excepción de que la emulsión de betún y el árido clasificado estaban cada uno a temperatura ambiente ambiente (23ºC) cuando se mezclaron en la cubeta.
Se midieron las propiedades físicas y de rendimiento de las composiciones bituminosas compactadas y curadas respectivas y los resultados se muestran en la tabla IX a continuación.
Tabla IX
Mezcla en frío
Presente invención
Tipo de betún
Dosificación de emulsionante (%) Altura de píldora (mm) Resistencia a la compresión Altura de píldora (mm) Resistencia a la compresión
PG64-22
1,0 65,6 4,0 kN (900 lb-f) 62,9 8,0 kN (1800 lb-f)
0,75
65,7 4,0 kN (900 lb-f) 62,7 8,0 kN (1800 lb-f)
PG70-22
0,75 65,9 6,0 kN (1350 lb-f) 62,0 11,6 kN (2600 lb-f)
Modificado con SBS
0,50 66,7 6,7 kN (1500 lb-f) 64,0 16,5 kN (3700 lb-f)
Tal como se muestra en la tabla IX, las píldoras preparadas con las composiciones bituminosas del procedimiento de la presente invención mostraron valores de resistencia a la compresión tras curar a 25ºC durante cuatro horas que eran mayores que las composiciones bituminosas de mezcla en frío a base de emulsión, formuladas de manera idéntica preparadas y compactadas en condiciones de laboratorio ambientales. Adicionalmente, las composiciones bituminosas del procedimiento de la presente invención mostraron una compactación sustancialmente mejorada en comparación con las composiciones de mezcla en frío análogas tal como se midió mediante las alturas de las muestras de píldora.
La figura 3 también muestra resultados comparables en aún otra emulsión de betún formulada de manera diferente. La emulsión de betún utilizada en las evaluaciones mostradas en la figura 3 contenía el 0,75% de bwe de emulsionante (condensado de ácido graso C16-C18 modificado y no modificado de polietilenpoliamina) al 60% de residuo de betún PG70-22.
Ejemplo 10
Se produjeron composiciones bituminosas mediante el procedimiento de la presente invención y se compactaron utilizando el procedimiento del ejemplo 2. Se prepararon emulsiones de betún libres de disolvente utilizando emulsionante de alquilaminas cuaternarias al 0,75% en peso total de la emulsión de betún (bwe). Se emplearon tres
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Tabla XVI Distribución de tamaño de partícula a temperatura elevada
Tiempo a temp.
Emulsión de betún modificada con SBR al 3% Temperaturas de almacenamiento
indicada
25ºC 60ºC 80ºC
(horas)
Mv <90% Mv <90% mv <90%
0
9,1 19,2 - - - -
48
6,6 11,5 8,4 17,0 - -
72
5,9 9,3 6,8 12,6 7,4 13,7
120
6,7 11,9 11,3 23,7 18,2 43,7
Ejemplo 16
Se produjeron también composiciones bituminosas mediante un procedimiento de la presente invención en operaciones a escala completa típicas utilizando plantas de tambor de flujo paralelo en proyectos de construcción a escala completa realizados en la República Sudafricana, donde se han desarrollado muchas nuevas tecnologías de pavimentación de asfalto en los últimos años. En la primera operación de construcción a escala completa, se prepararon emulsiones de betún libres de disolvente utilizando betún 60/70 y emulsionantes que consistían en combinaciones de condensado de polialquilenpoliamina de ácidos grasos modificados y no modificados y una o más polialquilenpoliaminas de sebo. Los porcentajes del condensado de polialquilenpoliamina de ácidos grasos modificados y no modificados oscilaban entre el 0-1,0% y los porcentajes de las polialquilenpoliaminas de sebo oscilaban entre el 0-1,0%, ambos en peso de la emulsión. Se disolvió el emulsionante en agua caliente y se trató con disolución de ácido clorhídrico para disminuir el pH hasta 2,0. Se calentó la disolución acuosa de emulsionante(s) en agua (denominada la “disolución de jabón”) hasta 55ºC y se añadió a un molino coloidal de tipo Atomix. El árido era una andesita nominal de 9,5 mm con relaves de minería. El contenido en P-200 en el árido era del 7,5%. Se diluyó la emulsión hasta el 50% de residuo de betún antes de la inyección en una planta de tambor paralelo. Se bombeó suficiente emulsión en la mezcladora de tambor para producir una composición bituminosa que presentaba el 5,4% de betún en peso del árido. No se emitió polvo del colector de polvo en la mezcladora de tambor durante el transcurso de la producción a escala completa de la composición bituminosa. La temperatura de las muestras de la composición bituminosa a escala de producción según esta invención oscilaba entre 80-120ºC. Se almacenó la mezcla bituminosa en un silo de almacenamiento de asfalto de mezcla en caliente sin calentar, convencional. Tras aproximadamente dieciocho horas de almacenamiento en el silo, se descargó la composición bituminosa en camiones basculantes de 15 ton convencionales. Los camiones descargaron la mezcla en una pavimentadora de mezcla en caliente convencional que distribuyó la mezcla en profundidades de 19 mm a 76 mm (de 0,75 a 3 pulgadas) y anchuras de 2,44 m a 3,66 m (de ocho a doce pies) según prácticas de construcción de tendido convencionales. No se observó adherencia de la composición bituminosa en las bases de los camiones basculantes o en las partes movibles o regla maestra de la pavimentadora de mezcla en caliente. Se utilizaron rodillos de ruedas de acero de tres puntos (13 ton) como compactadoras de demolición, seguido por rodillos neumáticos (20 ton) para terminar la compactación. Las condiciones climáticas en el momento del tendido, construcción y compactación eran de aproximadamente 18ºC con una ligera llovizna y una velocidad del viento de 3,1 a 4,9 m/s (7-11 millas por hora). Apenas eran visibles grietas transversales o longitudinales, no se observaron desmoronamiento del borde, formación de roderas o agrietamiento una hora tras la producción o tras 14 meses de servicio con tráfico diario pesado que consistía en camiones basculantes de mezcla en caliente y grava.
Ejemplo 17
Se produjeron también composiciones bituminosas de la presente invención mediante un procedimiento de la presente invención a escala de fabricación en plantas de tambor de flujo paralelo en un segundo proyecto de campo en la República Sudafricana, donde se han desarrollado muchas nuevas tecnologías de pavimentación de asfalto. En el segundo trabajo de construcción a escala completa, se prepararon emulsiones de betún libres de disolvente utilizando betún 80/100 y emulsionantes que consistían en combinaciones de condensado de polialquilenpoliamina de ácidos grasos modificados y no modificados y una o más polialquilenpoliaminas de sebo. Los porcentajes del condensado de polialquilenpoliamina de ácidos grasos modificados y no modificados oscilaban entre el 0-0,30% y los porcentajes de las polialquilenpoliaminas de sebo oscilaban entre el 0-0,30%, ambos en peso de la emulsión. Se disolvió el emulsionante en agua caliente y se trató con disolución de ácido clorhídrico para disminuir el pH hasta 2,0. Se calentó la disolución acuosa de emulsionante(s) en agua (denominada la “disolución de jabón”) hasta 55ºC y se añadió a un molino coloidal de tipo Atomix. El árido era un basalto nominal de 19 mm. El contenido en P-200 en el árido era de aproximadamente el 7,0%. Se produjo la emulsión al 68% de residuo de betún. Se bombeó suficiente emulsión en la mezcladora de tambor para producir una composición bituminosa que presentaba el 5,0% de betún en peso del árido. No se emitió polvo del colector de polvo en la mezcladora de tambor durante el transcurso de la producción a escala completa de la composición bituminosa. La temperatura de las muestras de la composición bituminosa a escala de producción producidas según la presente invención oscilaba entre 60-120ºC. Se almacenó la mezcla bituminosa brevemente en un silo de almacenamiento de asfalto de mezcla en caliente sin calentar,
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