Asfaltos y mezclas asfálticas: Conceptos y fundamentos

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According to the basic Spanish Building Standard NBE-QB-90 (2) -which establishes the requirements to be met by roofs containing bituminous materials in new construction/ enlargements and refurbishments-/ bituminous paint~ together with asphalt emulsions/ are liquid products used to prime and prepare surfaces to be weatherproofed for their capacity to improve the adherence of the weatherproofing to the substrate. In this mandatory standar~ to be superseded by NBE-IQ "roofweatherproofing; bituminous primers are classified as (Type 1) asphalt base materials and (Type 11) tar base materials. Influencia de asfaltenos y resinas en la viscosidad de petróleos bituminosos utilizables como pinturas asfálticas de imprimación Effect ofaspha/tene and resin oi/s on the viscosity ofbitumin ous petro/eum materia/s to be used as aspha/tp rimers

Los resultados obtenidos en el presente trabajo indican que la alta viscosidad del crudo Machete se explica, fundamentalmente, por su contenido en asfaltenos, componentes que causan, por sí solos, un marcado aumento de la misma; en menor medida, dicho incremento puede ser atribuido a la acción de las resinas. Por último, los maltenos influyen mucho menos sobre esta propiedad; de lo cual se concluye que el comportamiento reológico de las muestras analizadas se explica en gran parte porque los asfaltenos forman asociaciones intermoleculares en un ambiente poco polar debido a la capacidad de los grupos funcionales oxhidrilos y aminos presentes en aquéllos para establecer enlaces tipo puentes de hidrógeno. Otra conclusión es que para lograr una disminución apreciable de la viscosidad de un producto asfáltico líquido es necesario aumentar la razón de maltenos a resinas. Effect of asphaltene and resin oi/s on the viscosity of bituminous petro/eum materia/s to be used as aspha/t primers ITRD Terms: 4997: Asfalto revestido o recubierto en caliente; 6464: Calculo; 6237: En laboratorio; 9020: Evaluacion; 8072: Mexico; 9047: Mezcla; 7142: VolumetriaThe bituminous crude from the Machete/ Venezuela/ area/ which has such a fluid consistency that it falls outside the normalscope of the A5TM o-s (1) penetration tes~ exceeding the 3D-mm ceiling specified in that standar~ and can be used as an asphalt primer: Like other asphalt products/ these materials are -chemically speaking- a mix ofnumerous naphtheni~ paraffinic and aromatic hydrocarbons and heterocyc/ic compounds containing sulphur, nitrogen/ oxygen and so on. They have a dense and a malthene Ol'l phase which/ along with the natural hydrocarbons additives used in these products/ acts as a volatile fluidizer: The former is described as a mix of asphaltenes: comple~ high mo/ecular weight substances that are insolub/e in paraffinic hydrocarbons andsoluble in aromatic compounds such as benzene. The malthene oilphase/ in turn/ consists in a mix of resins and hydrocarbons and together the two constitute a colloida/system. The experiments discussed in the presentpaper were conducted to determine the effect of the proportion of asphaltenes and resin oils on the viscosity of such bituminous crude emulsions/ with a view to their use as primers. These experiments were run in a Parr batch reactor in a nitrogen atmosphere using n-heptane as a solvent. The resins were separated after the asphaltenes precipitated from the samples and subsequently from the malthene fraction obtained. The results showed that the asphaltenes account for the structural characteristics and consistency ofthe medium and the resin oils for its cohesive properties/ the malthene oils act as solvents. Last/~ the density or API gravity of Machete crude was determined as specified in standard ASTM D-2041 (15)/ using a Rice device fitted with all the necessary components: vibrato¡; vacuum pycnomete¡; vacuum pump/ filter set/ electronic scales and residual pressure manometer: a "ljN-shaped pipe closed at one end and mounted on a glass blister connected to an evacuation tank.

Para determinar la viscosidad dinámica del crudo Machete, así como de los crudos sintéticos preparados, se ha utilizado un viscosímetro rotacional Haake modelo RV3 con cabezal de medición MDK y sistemas sensores SVI y SVIL Dicho aparato operó mediante preselección de la tasa de corte y las mediciones en el mismo se basan en el hecho de que la viscosidad absoluta es igual a un parámetro, previamente tabulado, dependiente del equipo empleado multiplicado por el cociente entre el valor de la escala proporcional al torque del rotor y el número de revoluciones del mismo. Antes de cada determinación de viscosidad, las muestras de crudos sintéticos a 55 oC fueron sometidas a ultrasonido durante una hora con calentamiento a fin de garantizar, en todo lo posible, la homogeneidad de dichas muestras. En la Figura 2 se representan los valores respectivos de la viscosidad frente a concentración de tres series de disoluciones de asfaltenos, resinas y, por último, del conjunto de hidrocarburos saturados y aromáticos volátiles. Las medidas se hicieron en presencia de dimetilbenceno como disolvente, cuya viscosidad a la temperatura de operación (28 OC) es de 0,64 cp. Se observa claramente que los asfaltenos tienen mucho mayor responsabilidad en los altos valores de la viscosidad de las mezclas con xileno analizadas que la de cualquiera de las otras fracciones. Desafortunadamente, debido a problemas de solubilidad, no fue posible trabajar a concentraciones de asfaltenos superiores al 16% en peso. No obstante, existía una variación exponencial de la viscosidad con la concentración de asfaltenos. También se aprecia en esta misma figura que dicha propiedad varía en menor medida con la concentración de resinas, aunque esa influencia es bastante menos pronunciada. Para finalizar, el lugar geométrico de los puntos experimentales que relacionan la concentración de los aceites malténicos con la viscosidad puede aproximarse mediante una recta de muy baja pendiente y alto grado de correlación. Asphalt primers/ which are designated with the letters PI fol/owed by a dash/ the respective roman numeral and reference (3)/ are brushed orsprayed on to the surface to be primed as a thin layer that dries to form a continuous solid film. The purpose of this layer is to bind to the underlying surface to enhance adherence and selfprotection. It should be app/ied on all areas to be weatherproofe~ including areas under nashing~ upstands and so on.

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Se trata, pues, de un material de suma importancia para el sector de la construcción por sus propiedades de consistencia, adhesividad, impermeabilidad, durabilidad y bajo costo (4). Aunque las citadas pinturas asfálticas se obtienen, generalmente, diluyendo o mezclando los betunes asfálticos semisólidos con subproductos líquidos, casi tan fluidos como el agua, obtenidos de la destilación de determinados crudos de petróleo; es posible usar directamente los petróleos asfálticos que cumplan con unas especificaciones determinadas. En tal sentido, parte del asfalto líquido que se utiliza, desde épocas pasadas, es el crudo bituminoso, el cual se encuentra en yacimientos naturales y pueden explotarse sin necesidad de operaciones industriales de ningún tipo para su preparación. Estos yacimientos se han producido a partir del petróleo por un proceso natural de evaporación de las fracciones volátiles enriqueciendo las pesadas. A este producto se le llama frecuentemente asfalto de lago. Los yacimientos más importantes de productos asfálticos líquidos naturales se explotan en el sur de los Estados Unidos de América y en el norte de Venezuela (5). viscosidades dinámicas en un intervalo de una millonésimo a mil poises. El dispositivo permite trabajar con pequeñas cantidades de muestra (aproximadamente dos gramos), cubriendo "velocidades de cizalla" desde un centésimo a 250 segundos recíprocos. Figura 3.- Viscosidades a 55 oC de distintas mezclas sintéticas a relaciones constantes de resinas a asfaltenos y de aceites a resinas. Figura 2.- Viscosidades a 28 oC de diferentes disoluciones de asfaltenos, resinas y aceites en xileno. Dos propiedades muy importantes del crudo estudiado son su viscosidad cinemática (96620 s Saybolt Furol a 55 OC) Y su elevada densidad (gravedad API igual a 9,6°), consecuencia directa de su alto tanto por ciento de resinas y asfaltenos. Disminuye con la temperatura a la que se encontraba el petróleo en su ambiente de generación, lo que implica que los yacimientos profundos, enterrados a mayores profundidades, contendrán crudos menos densos. Igualmente, la composición química del crudo Machete (porcentaje en peso) resultó ser: maltenos (77,9 %), resinas (56,9 %) Y asfaltenos (22,1 %).

Research has shown that a number offactors is responsible for viscosity in such f1uids. According to the literature on complex coated macadam/ viscosity follows certain general trends.· it declines with increasing temperature (17)/ rises with growing pressure or density (18) and is highly dependent on the molecular structure of the components. In this vein/ in hydrocarbons the greater the molecular weight and/or the more cyclic the structure/ the higher are the viscosity values. This can be explained by the greater f1exibility or deformability of molecules with larger numbers of degrees of freedom (19). In this respect; the presence of certain functional groups able to form Agure 2 shows the respective viscosity -concentration curves for three series of solutions- asphaltenel resins and the group of saturated and volatile aromatic hydrocarbons. The measurements were taken in the presence of dimethylbenzene as the solvenC whose viscosity at the working temperature (28 OC) is 0.64 cp. The high viscosity values in the xylene mixes analyzed were clearly due to the asphaltenes much more than to any of the other fractions. For reasons of solubilit)/¡ howeve¡; it was unfortunately not possible to work at asphaltene concentrations of over 16% by weight. Nonetheles~ viscosity was observed to vary exponentially with asphaltene concentration. The figure shows that viscosity also varied with resin concentrationl but much less acutely. Finall~ the geometric distribution of the experimental points relating malthene oil concentration to viscosity nearly exactly defines a very slightly sloping and hlghly correlated stralght line. puentes de hidrógeno, que dan lugar a asociaciones intermoleculares de bastante tamaño, provoca un incremento importante de la viscosidad (19). More specifical/~ the Venezuelan crude along the Orinoco strip (Machete area) is characterized by high viscosity and a high aromatic and asphaltene content. These nonrefinable and economical/y unattractive liquid materials/ regarded to be "slow cured naturalasphalts; can be readily applied in open areas as primer coats with excel/ent penetration propertie~ with no need for heating to high temperatures or even at al/. Volatile solvents (gasoline/ kerosene...) are usual/y added to enhance their nuidity. When the fluidized produc~ with viscosity values offrom La microestructura de los crudos sintéticos estudiados queda definida entonces por la cantidad de micelas, su distribución de tamaños y por las interacciones fisicoquímicas entre ellas. La fracción de los asfaltenos se presenta a modo de láminas paralelas unidas por fuerzas fisicoquímicas y compuestas por núcleos aromáticos condensados sustituidos por grupos alifáticos, nafténicos y heterocíclicos (21). Las resinas poseen estructuras parecidas a las de los asfaltenos pero tienen menor tamaño y una proporción mayor de cadenas parafínicas como sustituyentes de los anillos aromáticos. A causa de ello, las resinas son una fase de polaridad intermedia que sirven como interfase entre los asfaltenos polares, a los que recubren, dando lugar a las mencionadas micelas, y el resto de la matriz del medio oleoso que, generalmente, posee una alta relación entre parafinas y aromáticos no polares (22). Los asfaltenos precipitarían de no ser por la presencia de esta capa de resinas que los rodean (23).The graph in Figure 3 plots the log of viscosity values against the log ofthe weightedpercentage ofasphaltenes in two series ofsynthetic crude oils at 55 oC These samples were preparedfrom the fractions separated from Machete crude in such a way that the resin-malthene and asphaltene-resin ratios were constant The information obtained shows that the viscosity of these resin- and asphaltene-containing solutions is significantlygreater than would be expected on the grounds of the patterns observed previously for the two substances alone. Similar/~ the effect of the proportion of asphaltenes on the viscosity ofthese mixes is greater than their effect in the absence of the resins. Summarizing/ for al/ the foregoing/ the higher the asphaltene and resin content in a bituminous colloidal so/ution/ the more viscous it will be. Consequent/~ some manner of f/uidizer must be added for the crude studied to meet the requirements /aid down in Spanish standard UNE 104.32 4 for al/ asphal t-base primer s used in weatherproofing. Por último, la densidad o gravedad API del crudo Machete se determinó, según norma ASTM D-2041 (15), utilizando un dispositivo Rice que incluía un conjunto de elementos necesarios: vibrador, picnómetro de vacío, bomba de vacío, juego de filtración, balanza electrónica y un manómetro de presión residual compuesto de un tubo en "U" cerrado en un extremo y montado sobre una cúpula de vidrio conectada al recipiente de vacío.