ES2892352T3

ES2892352T3 - Asfalto modificado con un nanocomposite de sbs/mwcnt y el procedimiento para su obtención

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Publication number: ES2892352T3
Application number: ES13831646T
Authority: ES
Inventors: Rangel Luz Stella Quintero; Grajales Luis Enrique Sanabria
Original assignee: Corporacion Para La Investigacion Y Desarrollo De Asfaltos En El Sector Transp E Industrial Corasfal
Current assignee: Corporacion Para La Investigacion Y Desarrollo De Asfaltos En El Sector Transp E Industrial Corasfal
Priority date: 2012-08-22
Filing date: 2013-08-21
Publication date: 2022-02-03
Anticipated expiration: 2033-08-21
Also published as: CO6630032A1; US20150184026A1; EP2889331B1; WO2014029372A3; US9353292B2; US20160289413A1; WO2014029372A2; EP2889331A4; EP2889331A2

Abstract

Esta invención está relacionada con el proceso para la modificación de un ligante asfáltico usando como aditivo un nanocomposito de: nanotubos de carbono de paredes múltiples funcionalizados dispersos en una matriz de polímero estireno-butadieno- estireno (SBS / MMWCNT). El asfalto modificado con el nanocomposito SBS/MMWCNT mejora sustancialmente su resistencia mecánica a las deformaciones y a cargas a alta temperatura; de manera que esto aumente la vida del pavimento flexible. Las mezclas asfálticas producidas con este nuevo ligante asfáltico modificado presentan una reducción importante en su ahuellamiento, se clasifican como mezclas asfálticas de alto módulo cuando se producen a partir de asfalto de dureza media (60/70) o superior y no son susceptibles a la humedad.

Description

DESCRIPCIÓN

Asfalto modificado con un nanocomposite de SBS/MWCNT y el procedimiento para su obtención

La presente invención se refiere a un método para preparar asfalto modificado con un aditivo de nanocomposite polimérico que comprende estireno-butadieno-estireno y nanotubos de carbono de pared múltiple. La presente invención se encuadra tanto en el sector de la industria química como en el responsable de construcción vial y producción de mezclas asfálticas. La aplicación de la invención es en la producción de un nuevo aditivo polimérico para la modificación de ligantes asfálticos empleados en la producción de mezclas asfálticas para la construcción de vías con pavimentos flexibles.

ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN

Un problema económico, social y ambiental en el sector de construcción de vías, es el deterioro de los pavimentos, causado principalmente por el envejecimiento, la frecuencia de carga, el volumen del tráfico y por fenómenos ambientales como los cambios bruscos de temperatura. Ante la problemática, los avances científicos han propuesto la modificación de asfaltos con polímeros.

En 1930, las investigaciones relacionaban el endurecimiento y la rigidez de la mezcla asfáltica con el envejecimiento de los asfaltos; esto generaba los problemas de grietas y deformaciones permanentes en el pavimento. Para mitigar estos problemas; en los años 60 en Italia, Francia y Alemania se llevaron a cabo las primeras modificaciones de asfalto. Esta modificación se hacía mediante la incorporación de un polímero en el asfalto para modificar la resistencia mecánica del mismo. En esa misma época, Estados Unidos realizó el primer proyecto de construcción de vías utilizando esta técnica; desde entonces, ha sido utilizada para darle estabilidad al asfalto y mejorar la resistencia mecánica de la mezcla asfáltica utilizada para la construcción de pavimentos.

En 1961 R.N. Taxler (("Asphalt: Its Composition, Properties and Uses" Hardcover - Import, 1961)), concluyó que el envejecimiento de las mezclas asfálticas se debe a la oxidación y a la pérdida de peso del asfalto en la mezcla asfáltica durante los procesos de: mezclado, compactado y tiempo de servicio como pavimento.

En 1981 Marzocchi et al. patentaron la producción de asfalto modificado con caucho por reacción química de un material bituminoso con un polímero monoaromático, para utilizarlo en techos de fibra de vidrio y pavimentos.

En 1991 Moran, et al; patentaron un método para mejorar la estabilidad de asfaltos modificados durante el almacenamiento; en esta modificación se utilizó polímeros tratados con ácidos inorgánicos; el producto obtenido se aplicó a las alfombras asfálticas utilizadas para pavimentos; mientras que en 1992 (US5095055A) patentó la modificación de asfaltos usando polímeros ramificados tratados con ácidos. Estas invenciones tienen como fin mejorar la estabilidad de los asfaltos a los cambios de temperatura durante el almacenamiento.

En 2002 Zhang et. al, (Guian Wen, Yong Zhang, Yinxi Zhang, Kang Sun, Yongzhong Fan. Rheological characterization of storage-stable SBS modified asphalts, Polymer testing, 21: 295-302, 2002); en su investigación modifican el asfalto utilizando un polímero de estireno-butadieno-estireno y adición de Azufre elemental como aditivo; la incorporación del SBS y Azufre en el asfalto disminuye la fragilidad, mejora la estabilidad durante el almacenamiento del asfalto modificado y aumenta la vida útil del pavimento.

En 2007 Lan Lu et. al. (( Lan Lu, Zhen Zhou, Yong Zhang, Shifeng Wang, Yinxi Zhang. Reinforcement of styrenebutadiene-styrene triblock copolymer by multi-walled carbon nanotubes via melt mixing, Carbon, Vol. 45: 2621-2627, 2007),; en su investigación reforzaron el polímero de estireno butadieno-estireno SBS con nanotubos de carbono de pared múltiple (MWCNT) solubilizados en tetrahidrofurano para obtener un nanocomposite SBS/MWCNT con mayor resistencia mecánica que el polímero SBS convencional.

En 2009 Saeed et al (Saeed Sadeghpour Galooyak, Bahram Dabir, Ali Ehsan Nazarbeygi, Alireza Moeini. Rheological properties and storage stability of bitumen/SBS/montmorillonite composites. 3, s.l.: Elsevier, 2010, Construction and Building Materials, Vol. 24, pags. 300-307) y Shaopeng et al (Shaopeng Wu, Jingang Wang, Yuan Zhang. Preparation and properties of nanoclay/TPS/asphalt ternary binders, Materials science forum, Vols. 620-622, pags. 497-500, 2009); en sus investigaciones, estudiaron los efectos que ejercen las nanoarcillas en las propiedades reológicas del ligante asfáltico, demostrando que este nanocompuesto aumenta la rigidez y la resistencia al envejecimiento de los asfaltos.

En 1997 Eidt, Jr. et. al. patentaron (US5652284A) un nanocomposite que contiene concentraciones entre 0,1% y 15% en p/p de mineral arcilloso (mormorillonita) en asfalto, para mejorar el comportamiento de la capa inferior de rodadura y absorber el ruido producido por el tráfico.

En 2009 Menta et. al. patentaron (US7582155B2) un nanocomposite de asfalto con nanopartículas de material arcilloso; este incluye un contenido de mineral entre el 1% hasta el 15% de material arcilloso laminado; este material es útil para utilizarlo como material de recubrimiento en techos y otros accesorios.

En 2010 Guoliang Wu, et. al.; en sus investigaciones (Guoliang Wu, Li Zhou, Encai Ou, Yanyan Xie, Yuanqin Xiong, Weijian Xu. Preparation and properties of hydroxylated styrene-butadiene-styrene tri-block copolymer/multi-walled carbon nanotubes nanocomposites via covalent bond, Materials science and engineering A, Vol. 527, pag. 5280 5286, 2010); prepararon y estudiaron las propiedades de un nanocomposite de copolímero tribloque estirenobutadieno-estireno hidroxilado (HO-SBS) con nanotubos de carbono de pared múltiple funcionalizados con cloruro de acilo (MWCNTs-COCI); sus resultados demostraron que el nuevo nanocompuesto tiene estructura reticulada y alta resistencia a los disolventes.

En 2011 Berzinis (US8557908B2) patentó un método para la preparación de un nanocomposite que contiene: polímero de estireno, nanopartículas de arcillas y un emulsionante; el material obtenido mejora la rigidez y la resistencia al calor del polímero.

En 2011 Zhanping et al; en sus investigaciones (Zhaping You, Julian Mills Beale, Justin M. Foley, Samit Roy, Gregory M. Odegard, Qingli Dai, Shu Wei Goh . Nanoclay modified asphalts materials: preparation and characterization, Constrution and building materials, 25: 1072-1078, 2011) llevaron a cabo la adición de nanoarcillas en asfaltos, usando porcentajes superiores al 4% y encontraron que: a esta concentración se reduce potencialmente el ahuellamiento y el agrietamiento de la mezcla.

DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN

La modificación de asfalto con polímeros, tiene por objeto retardar el envejecimiento, la deformabilidad y susceptibilidad térmica, así como también para mejorar la resistencia mecánica a las solicitudes del tráfico, la calidad del servicio y la vida útil de un pavimento flexible.

La susceptibilidad térmica es un fenómeno característico del asfalto, que depende de los cambios de temperatura. A temperatura ambiente, su consistencia es semisólida, se comporta como un material termoplástico; a bajas temperaturas y bajo cargas rápidas se vuelve frágil y cambia a una consistencia de sólido quebradizo, ocasionando grietas transversales y agrietamiento térmico; mientras que, a altas temperaturas y bajo cargas sostenidas, se comporta como un líquido viscoso, lo cual provoca ahuellamiento en las mezclas asfálticas del pavimento.

Por su parte los polímeros son compuestos orgánicos de alto peso molecular obtenidos a partir de la unión de monómeros por polimerización, este proceso forma una estructura de red que le confiere resistencia mecánica y mejora el desempeño del mismo. En estos materiales el aumento con la temperatura hace que se ablanden, pero al enfriarse recuperan su estado sólido, esto hace que se comporten como: termoplásticos, termoelásticos o termoelastoplasticos; por ejemplo, el SBS y el EVA son termoelastoplasticos.

El uso de polímeros, para la modificación de asfaltos busca mejorar las propiedades viscoelásticas del bitumen como: la elasticidad, la flexibilidad, la consistencia y la durabilidad, para evitar las deformaciones o fisuras en el pavimento; también mitigan las deficiencias que presenta el asfalto en sus propiedades mecánicas. La selección del polímero depende de las propiedades que se deseen mejorar y del comportamiento que se espera para el asfalto. Los modificadores poliméricos utilizados en materiales asfálticos se clasifican así:

Polímero Tipo I. Mejora el comportamiento de mezclas asfálticas tanto a altas como a bajas temperaturas. Este polímero se basa en bloques de estireno en polímeros elastoméricos radiales de tipo bibloque o tribloque, mediante configuraciones como Estireno-Butadieno-Estireno (SBS) o Estireno-Butadieno (SB), entre otras.

Polímero Tipo II. Mejora el comportamiento de mezclas asfálticas a bajas temperaturas. Este polímero se basa en polímeros elastoméricos lineales, mediante una configuración de caucho de Estireno, Butadieno-látex o Neoprenolátex. Se utilizan en pavimentos para climas fríos y templados, así como para elaborar emulsiones que se utilizann en tratamientos superficiales.

Polímero Tipo III. Mejora la resistencia a las roderas de las mezclas asfálticas, disminuye la susceptibilidad a la temperatura del cemento asfáltico y mejora su comportamiento a altas temperaturas. Se basa en un polímero de tipo elastómero, mediante configuraciones como Etil-Vinil-Acetato (EVA) o polietileno de alta o baja densidad, entre otras. Se utilizan en climas cálidos, en mezclas asfálticas para cursos estructurales de pavimentos con elevados índices de tránsito, así como para elaborar emulsiones que se usan en tratamientos superficiales.

Los polímeros de estireno-butadieno-estireno SBS y etil-vinil-acetato EVA son los materiales convencionales más comúnmente utilizados para la modificación de asfaltos. El estireno-butadieno-estireno (SBS) a bajas y altas temperaturas, optimiza las propiedades del asfalto como son: penetración, punto de ablandamiento, susceptibilidad térmica, etc. El Etil Vinil Acetato (EVA) contiene un grupo carbonilo en su estructura y mejora la rigidez y elasticidad a altas temperaturas y altas cargas.

El SBS y EVA son polímeros que, de acuerdo a su comportamiento mecánico, son preferentes para la modificación de asfaltos. Otros polímeros poco convencionales como caucho estireno butadieno (SBR), Polipropileno (PP), Poliestireno, entre otros, tienen el mismo objetivo en la modificación de asfaltos; ya que, a temperaturas elevadas, reducen la deformación permanente de la capa de rodadura de las vías como consecuencia de la frecuencia de las cargas y los cambios climáticos bruscos.

En el campo de la producción de nanocomposites poliméricos, los nanotubos de carbono han atraído un gran interés por sus únicas propiedades estructurales y de conducción, tales como una excelente resistencia, módulo, conductividades eléctricas y térmicas, además de su baja densidad. Tales compuestos pueden proporcionar propiedades mecánicas excepcionales y características multifuncionales, sin embargo, si estos materiales quieren utilizarse como refuerzo efectivo en composites, debe garantizarse una apropiada dispersión y un buen enlace interfacial entre los nanotubos de carbono y la matriz. Por lo tanto, el grado de eficiencia de los nanotubos de carbono en la mejora de las propiedades del medio receptor está fuertemente ligado a la dispersión de los mismos. De hecho, la dispersión homogénea de los nanotubos en el medio receptor, ya sea en estado sólido o líquido, es uno de los principales retos encontrados en el área de sus aplicaciones. Los nanotubos de carbono son un material aglomerado que se agrupa entre sí y se entrecruza; por lo tanto, la funcionalización de los nanotubos de carbono es una de las formas utilizadas para mejorar la compatibilidad de los nanotubos y el material receptor. Igualmente, la solubilidad de los nanotubos de carbono en disolventes comunes puede mejorarse por la presencia de grupos funcionales en su superficie; además que los nanotubos de carbono funcionalizados químicamente pueden producir enlaces interfaciales fuertes con muchos polímeros y, por otro lado, ayudar a reticular aún más la estructura polimérica debido a los múltiples enlaces que generan a lo largo de su superficie con el polímero matriz.

Por su parte, el asfalto se compone de dos fracciones; una de maltenos (viscosa) conformada por las parafinas, resinas y compuestos aromáticos y otra fracción sólida que contiene los asfáltenos. Esta última juega un papel importante en la compatibilidad con polímeros, ya que cuanto menor sea el contenido de asfáltenos en los asfaltos, será más afín con el polímero cuando forman estructura tipo red en el asfalto. El asfalto modificado, adquiere la capacidad de absorber los esfuerzos puesto que es más resistentes a fracturas y deformaciones, características que producen defectos físicos como: agrietamiento y ahuellamiento. Estos problemas mecánicos son frecuentes; además, son los que justifican el mejoramiento en las propiedades mecánicas de los asfaltos.

La incorporación de un polímero para la modificación de asfalto no depende únicamente de la compatibilidad química de estos, también es importante conocer el proceso de adición del polímero. El proceso, se da en dos etapas; en la primera, el polímero se dispersa en el asfalto sin ejercer efecto en las propiedades; en la segunda las partículas del polímero absorben los maltenos hinchándolos para dispersarlos, siendo esta la etapa en que tienen lugar los cambios reológicos más significativos en la mezcla; cabe notar, además, que algunos polímeros pueden reaccionar con ciertos componentes del asfalto.

Las propiedades reológicas del asfalto modificado, dependen de la composición y naturaleza de los aditivos empleados. Estas propiedades determinan las condiciones de mezclado y compactación en la preparación de la mezcla asfáltica. Un mezclado y compactación ideal se dan cuando el asfalto modificado se comporta como un material equi-viscoso a una temperatura determinada, el cual minimiza el efecto que puede causar la rigidez del ligante sobre las propiedades volumétricas de la mezcla durante el mezclado caliente in situ.

Hasta el momento, las investigaciones que se han presentado en lo que respecta a la modificación de asfaltos, muestran el uso de aditivos como: caucho, polímeros tratados con ácido, polímeros SBS con azufre, composites de nanoarcilla-polímero o nanoarcillas como aditivos para: mejorar la estabilidad del asfalto a los cambios de temperatura durante el almacenamiento, disminuir la fragilidad del asfalto, aumentar la vida útil del pavimento, aumentar la rigidez, aumentar la resistencia al envejecimiento, absorber el ruido en pavimentos, reducir potencialmente el ahuellamiento y el agrietamiento de la mezcla. No se han utilizado hasta la fecha nanocomposites poliméricos basados en nanotubos de carbono aplicados en la modificación de asfaltos, ni se ha implementado como modificador de asfalto polímero SBS nanocompuesto con nanotubos de carbono de paredes múltiples funcionalizados.

Esta invención tiene como objetivo la preparación de un nanocomposite polimérico SBS/MWCNT diseñado para usarse como modificador de un asfalto; esto tiene como fin proponer al sector de la construcción vial, pavimentos asfálticos larga-vida (basados en mezclas asfálticas de alto módulo). Además, el uso de esta invención tiene un impacto importante para la estructura vial, la cual ayuda a satisfacer de manera eficaz las necesidades de la sociedad moderna y, más aún, es un desafío para las actividades industriales y económicas, a tal punto que se considera una nueva era de revolución industrial.

En el método de la presente invención se modifica un asfalto con nanocomposite polimérico estireno-butadienoestireno SBS con nanotubos de carbono de paredes múltiples funcionalizados (MWCNT). La preparación y la funcionalización de un nanocomposite polimérico SBS diseñado para usarse como modificador de asfalto, la modificación del asfalto y la evaluación de algunas propiedades reológicas de los asfaltos modificados, permiten conocer la influencia del nanocompuesto polimérico de SBS/MWCNT en dichas propiedades. El asfalto se modifica con un nanocomposite polimérico que permite obtener un asfalto apto para producir mezclas de alto módulo a partir de un bitumen de dureza media, útil en la construcción de pavimentos larga vida.

Según la presente invención, el asfalto a modificar se trata como un asfalto base. Para la modificación del asfalto base se obtiene inicialmente el polímero nanocomposite polimérico (SBS/MWCNT s) para luego ser mezclado con el asfalto base así:

1. En una realización preferente de la invención el nanocomposite polimérico se obtiene de un polímero SBS en forma de pellets o migas, nanotubos de carbono de paredes múltiples funcionalizados (MWCNTs) y uno o más disolventes.

2. Los nanotubos de carbono de paredes múltiples deben tener un diámetro que oscila entre los 5-50 nm y una longitud entre 1-30 pm. El solvente empleado puede ser xilenos, tolueno, acetona, tetrahidrofurano, cloroformo, ciclohexano, etanol, metanol, propanol, dimetilformamida, o una combinación de los mismos. Los nanotubos de carbono de pared múltiple empleados en la preparación del nanocomposite (MWCNT) pueden ser funcionalizados con grupos hidroxilo, MWCNT-OH, con grupos de ácido carboxílico, MWCNT-COOH, con grupos amino, MWCNT-Amina, con fenol, MWCNT-Fenol, o con grupos alquilo.

3. La preparación del aditivo de nanocomposite SBS/MWCNT se realiza empleando ultrasonidos y agitación mecánica (proceso de "solution casting"). Los MWCNT se dispersan inicialmente en un solvente mediante ultrasonidos y/o agitación mecánica, mientras tanto, los pellets/migas de SBS se disuelven en un disolvente empleando agitación mecánica.

4. Las soluciones preparadas de SBS y MWCNT según el paso 3; se deben mezclar mediante ultrasonidos y agitación mecánica. La solución homogenizada se somete a evaporación del solvente, mediante un rotavapor, un secador, un evaporador, un sistema de destilación al vacío o algún otro medio que permita la evaporación del solvente hasta que la solución se torne viscosa.

5. La solución viscosa homogénea de SBS/MWCNT del paso 4, se sirve sobre platos, tiras metálicas o bandas transportadoras, de vidrio o cualquier material que sea químicamente estable con el solvente utilizado; y debe introducirse en un horno de vacío u horno de convección a una temperatura entre 30°C y 100°C, hasta obtener la evaporación del solvente remanente y las láminas secas del nanocomposite polimérico. Posteriormente, las láminas de polímero se cortan para obtener piezas con una dimensión máxima entre 0,2cm y 4cm.

6. La preparación del aditivo SBS convencional se realiza a partir de pellets/migas del polímero que se disuelven en un disolvente para obtener una mezcla homogénea, la cual se introduce en un rotavapor, un evaporador, un secador, un sistema de destilación al vacío u algún otro medio que permita la evaporación del solvente hasta que la solución se torne viscosa; de este modo se crean películas del polímero SBS puro según el procedimiento indicado en los pasos 4 y 5. Después de preparadas las láminas del aditivo SBS/MWCNt , se procede a modificar el asfalto. Las muestras de asfalto modificado con SBS se preparan por medio de agitación mecánica.

Por ello, un primer aspecto de la presente invención se refiere a un método para preparar asfalto modificado con un aditivo de nanocomposite, polimérico que comprende un nanocomposite de estireno-butadieno-estireno y nanotubos de carbono de pared múltiple SBS/MWCNT caracterizado por que comprende las siguientes etapas:

1) preparar un aditivo de nanocomposite polimérico, donde el polímero de estireno-butadieno-estireno está en forma de pellets o migas y los nanotubos de carbono de pared múltiple (MWCNT) tienen un diámetro entre 5-50 nm y una longitud entre 1-30 pm y están funcionalizados con grupos hidroxilo, con grupos de ácidos carboxílicos, con grupos amino, con fenol o con grupos alquilos mediante

a) dispersar nanotubos de carbono de pared múltiple en un disolvente mediante ultrasonidos y/o agitación mecánica, donde el disolvente se selecciona entre xilenos, tolueno, acetona, tetrahidrofurano, cloroformo, ciclohexano, etanol, metanol, propanol, dimetilformamida o una combinación de los mismos, y donde la relación de peso disolvente/polímero es de entre 1 y 20 y la relación de peso disolvente/MWCNT es de entre 10 y 10000;

b) disolver un polímero de estireno-butadieno-estireno en un disolvente mediante agitación mecánica; c) mezclar la dispersión de nanotubos de carbono de pared múltiple de la etapa a) con la solución de estireno-butadieno-estireno de la etapa b) mediante ultrasonidos y/o agitación mecánica; y

d) evaporar el disolvente de la mezcla obtenida en la etapa (c); y

2) mezclar el aditivo de nanocomposite polimérico seco con el asfalto base mediante agitación mecánica.

En una realización preferente del método de la invención la etapa (d) se lleva a cabo mediante

(d1) evaporación mediante un rotavapor, un secador, un evaporador, un sistema de destilación a vacío o algún otro medio que permita la evaporación del solvente hasta que la solución se torne viscosa,

(d2) servir la solución viscosa homogénea de SBS/MWCNT obtenida sobre platos, tiras metálicas o bandas transportadoras de vidrio u cualquier material que sea químicamente estable con el solvente utilizado (d3) introducir las láminas obtenidas en (d2) en un horno de vacío u horno de convección a una temperatura entre 30°C - 100°C.

En otra realización preferente del método de la invención éste comprende una etapa adicional (e) de cortar las láminas de nanocomposite SBS/MMWCNT en piezas con una dimensión máxima de 0,2 cm - 4 cm, donde preferiblemente la etapa (2) se lleva a cabo mediante

(i) calentamiento del asfalto base a una temperatura entre 100°C y 200°C,

(ii) adicionar las piezas del aditivo de nanocomposite polimérico seco obtenidas en la etapa (d) o (e) sobre el fluido de asfalto base obtenido en (i) y

(iii) llevar a cabo agitación mecánica.

BREVE DESCRIPCIÓN DE LAS FIGURAS

Figura 1. Curvas reológicas del asfalto acondicionado y los asfaltos modificados.

Figura 2. Curvas reológicas del asfalto acondicionado y los asfaltos modificados, luego del envejecimiento RTFOT.

Figura 3. Resultados de pérdida de masa del ensayo de envejecimiento RTFOT para los asfaltos modificados. EJEMPLOS

En la presente invención se describe un método de preparación de un nanocomposite polimérico de SBS/MWCNT (polímero estireno-butadieno-estireno/nanotubos de carbono de paredes múltiples funcionalizados) empleado para modificar un asfalto de penetración media, y también describe el procedimiento de modificación del asfalto, el cual no requiere del uso de maquinaria adicional a la que emplean las plantas productoras de asfalto modificado con polímero. La modificación de asfalto con nanocomposite polimérico permite obtener un asfalto apto para producir mezclas de alto módulo, a partir de un bitumen de dureza media que permite producir, además, mezclas asfálticas que no son sensibles a la humedad.

Ejemplo 1. Se modificó un asfalto 60/70 con nanocomposite polimérico SBS/MWCNT, en el que los MWCNT eran MWCNT-OH (nanotubos de carbono de paredes múltiples funcionalizados con grupos hidroxilo), de acuerdo al proceso relatado en la presente invención, y se caracterizó mediante los ensayos de viscosidad, envejecimiento RTFOT y deformación "Múltiple Stress Creep and Recovery" (MSCR).

Ejemplo 2. Los ensayos de viscosidad se realizaron empleando un Reómetro de Corte Dinámico (DSR) AR-2000ex con accesorio de platos paralelos de 25 mm de diámetro. Las mediciones se tomaron a temperaturas de 60°C, 80°C, 100°C, 120°C y 140°C. Los resultados obtenidos se muestran en la figura 1.

Ejemplo 3. En la figura 1 se reportan las gráficas de las curvas reológicas del asfalto acondicionado y los asfaltos modificados, resultantes de las mediciones de viscosidad; estos muestran que la viscosidad de los asfaltos modificados fue la misma para cada una de las diferentes concentraciones, para el polímero convencional o el nanocomposite polimérico.

Ejemplo 4. Las curvas reológicas que se muestran en la figura 2 reportan las mediciones de viscosidad realizadas al asfalto acondicionado y los asfaltos modificados después del envejecimiento RTFOT. En este caso, puede observarse un comportamiento diferente en la muestra de asfalto modificado con 7% de nanocompomposite polimérico SBS/MWCNT-OH, la cual exhibió un aumento mayor en su viscosidad en comparación del cambio mostrado con la muestra de asfalto modificado con 7% de polímero SBS convencional. Los asfaltos modificados con 3% de polímero y nanocomposite polimérico siguieron presentando aproximadamente la misma viscosidad; en el ligante asfáltico modificado con 5% de nanocomposite polimérico se observa un leve aumento en su viscosidad en comparación con el ligante modificado con 5% de polímero convencional. Esto podría indicar que durante el proceso de envejecimiento RTFOT, que simularía la oxidación y acondicionamiento que sufre el ligante asfáltico durante la preparación de la mezcla asfáltica, se podrían generar una serie de interacciones del nanocomposite polimérico en el asfalto que refuerzan la estructura de red polimérica disminuyendo así la susceptibilidad térmica del ligante cuando este se adiciona a concentraciones superiores a un 5% en peso.

Ejemplo 5. El ensayo de envejecimiento RTFOT se utiliza para determinar el grado de envejecimiento y la pérdida de masa del asfalto al someterlo a una temperatura de 163 °C en película rotatoria durante 85 minutos, que simula el envejecimiento que sufre el ligante bajo las condiciones de preparación de la mezcla asfáltica en caliente. La figura 3 muestra los resultados de este ensayo.

Ejemplo 6. La Figura 3 muestra los resultados del ensayo de RTFOT. La pérdida de masa en RTFOT fue menor para el asfalto acondicionado y aumentó con la concentración de polímero en los ligantes, pero fue inferior para todos los bitúmenes modificados con el nanocomposite polimérico que, con el polímero puro, la principal diferencia se encontró para el asfalto modificado con 7% de nanocomposite polimérico, el cual exhibió alrededor de un 40% de menor pérdida de masa que el modificado con 7% de polímero convencional. En este caso, se evidencia que a altas temperaturas el asfalto modificado con nanocomposite polimérico SBS presenta características de "nanofluido", gracias a que los nanotubos de carbono tienen propiedades térmicas de difusión excepcionales y esto hace que un asfalto que contenga una buena dispersión de nanotubos de carbono mejore sus propiedades, ya que dispersan el calor mejor, más rápido, y de una manera más eficiente. Por lo tanto, un asfalto modificado con polímero SBS-MWCNT es menos susceptible al envejecimiento térmico.

Ejemplo 7. Los ensayos de MSCR "Múltiple Stress Creep and Recovery". En las tablas del 1 al 4 se muestran los resultados de los ensayos MSCR realizados a los asfaltos modificados envejecidos en RTFOT y su clasificación de acuerdo a las especificaciones para el ensayo de MSCR.

Ejemplo 8. Los ensayos de MSCR mostraron que la deformación no recuperable (non- recoverable compliance JNR) disminuye con el aumento en la concentración del polímero convencional y del nanocomposite polimérico, mientras que la Recuperación elástica aumenta con el aumento en la concentración de modificadores a todas las temperaturas evaluadas, y ambas propiedades exhiben aproximadamente la misma magnitud cuando el asfalto se modifica con cualquiera de estos materiales a concentraciones hasta de un 5%. A mayor concentración de nanocomposite polimérico o polímero convencional en el asfalto, la deformación no-recuperable JNR del bitumen modificado con el nanocomposite polimérico está entre un 35-45% menor que la JNR del bitumen modificado con el polímero convencional, siendo el primero menos deformable (más rígido); además, el bitumen modificado con 7% de nanocomposite polimérico no es sensible a las cargas a temperaturas hasta de 82°C, mientras que el bitumen modificado con 7% de polímero convencional es sensible a las cargas a temperaturas de 76°C y superiores. Estos resultados permiten apreciar una mayor rigidez en el asfalto modificado con 7% de nanocomposite SBS, a pesar de su menor pérdida de peso en comparación con el asfalto modificado con SBS convencional.

Ejemplo 9. La tabla 5 muestra los resultados de los ensayos de deformación acumulada en mezclas asfálticas preparadas con asfalto 60/70, asfalto 60/70 modificado con SBS y asfalto 60/70 modificado con SBS nanocomposite SBS/MWCNT-OH. La deformación acumulada para la mezcla asfáltica preparada con el ligante nanocomposite es inferior en más de un 30% a la sufrida por la mezcla asfáltica preparada con el ligante modificado con SBS e inferior en más de un 60% a la sufrida por la mezcla asfáltica fabricada con el asfalto 60/70.

Ejemplo 10. La tabla 6 muestra los resultados de los ensayos de módulos dinámicos en mezclas asfálticas preparadas con asfalto 60/70, asfalto 60/70 modificado con SBS y asfalto 60/70 modificado con SBS nanocomposite SBS/MWCNT-OH. El módulo dinámico promedio para la mezcla asfáltica preparada con el ligante nanocomposite permite que ésta sea clasificada como una Mezcla de Alto Módulo (}10MPa), éste sea superior en más de un 20% al valor localizado para la mezcla asfáltica preparada con el ligante modificado con SBS y superior en más de un 50% que el valor encontrado para la mezcla asfáltica fabricada con el asfalto 60/70.

Ejemplo 11. La tabla 7 muestra los resultados de los ensayos de susceptibilidad a la humedad en mezclas asfálticas preparadas con asfalto 60/70, asfalto 60/70 modificado con SBS y asfalto 60/70 modificado con SBS nanocomposite SBS/MWCNT-OH. El resultado indica que la mezcla asfáltica preparada con el ligante nanocomposite no es susceptible al deterioro por humedad, al igual que la mezcla asfáltica preparada con el ligante modificado con SBS, por lo tanto, los nanomateriales presentes en el asfalto nanocomposite no ejercen un efecto negativo en la interfase asfalto - agregado pétreo.

Tabla 1. Especificaciones de desempeño del Ensayo MSCR a 64°C.

Tabla 2. Especificaciones de desempeño del Ensayo MSCR a 70°C.

Tabla 3. Especificaciones de desempeño del Ensayo MSCR a 76°C.

Tabla 4. Especificaciones de desempeño del Ensayo MSCR a 82 °C.

Tabla 5. Deformación acumulada de las mezclas asfálticas evaluadas

Tabla 6. Módulos dinámicos de las mezclas asfálticas evaluadas

Tabla 7. Susceptibilidad a la humedad de las mezclas asfálticas evaluadas

Claims

REIVINDICACIONES

1. Un método para preparar asfalto modificado con un aditivo de nanocomposite, polimérico que comprende un nanocomposite de estireno-butadieno-estireno y nanotubos de carbono de pared múltiple SBS/MWCNT caracterizado por que comprende las siguientes etapas:

b) disolver un polímero de estireno-butadieno-estireno en un disolvente mediante agitación mecánica c) mezclar la dispersión de nanotubos de carbono de pared múltiple de la etapa a) con la solución de estireno-butadieno-estireno de la etapa b) mediante ultrasonidos y/o agitación mecánica; y

d) evaporar el disolvente de la mezcla obtenida en la etapa (c); y

2. El método para preparar asfalto modificado con nanocomposite SBS/MWCNT según la reivindicación 1, caracterizado por que, en la etapa (a) los nanotubos funcionalizados MWCNT se dispersan en el solvente mediante la aplicación de ultrasonidos durante un periodo no superior a 24 horas.

3. El método para preparar asfalto modificado con nanocomposite SBS/MWCNT, según la reivindicación 2, caracterizado por que la etapa (c) se lleva a cabo mediante ultrasonidos y/o agitación mecánica, por un periodo no superior a 4 horas.

4. El método para preparar asfalto modificado con nanocomposite SBS/MWCNT, según la reivindicación 3, caracterizado por que la etapa (d) se lleva a cabo mediante

5. El método para preparar asfalto modificado con nanocomposite SBS/MWCNT, según la reivindicación 4, caracterizado por que comprende una etapa adicional (e) de cortar las láminas de nanocomposite SBS/MMWCNT en piezas con una dimensión máxima de 0,2 cm - 4 cm.

6. El método para preparar asfalto modificado con nanocomposite SBS/MWCNT, según la reivindicación 5, caracterizado por que la etapa (2) se lleva a cabo mediante

(i) calentamiento del asfalto base a una temperatura entre 100°C y 200°C,

(iii) llevar a cabo agitación mecánica.

7. El método para preparar asfalto modificado con nanocomposite SBS/MWCNT, según la reivindicación 6, caracterizado por que en la etapa (iii) se lleva a cabo una agitación mecánica durante un período comprendido entre 0,5 a 7 horas.

8. El procedimiento para preparar asfalto modificado con nanocomposite SBS/MWCNT, según la reivindicación 7, caracterizado por que la concentración de aditivo de nanocomposite polimérico en el asfalto es de entre 3 - 7 %.