Determinación de la energía superficial libre de cementos asfálticos colombianos

Determining surface free energy for Colombian asphalts

La energía superficial libre (ESL) de un material se define como la energía necesaria para crear una nueva unidad de superficie en condiciones de vacío. Dicha propiedad está directamente relacionada con la resistencia a la fractura y recuperación (i.e., healing) de un material y con la capacidad de crear fuertes adhesiones con otros materiales. Adicionalmente, la calidad de la adhesión entre un cemento asfáltico y un agregado se puede evaluar mediante la cuantificación del trabajo de adhesión entre estos materiales. Este valor se puede emplear como un parámetro complementario para la selección y combinación óptima de materiales para mezclas asfálticas, así como en la modelación micromecánica de procesos de fractura y recuperación de dichas mezclas. Este documento describe una técnica de medición de la ESL de cementos asfálticos basada en el uso de la placa de Wilhelmy y reporta las primeras mediciones de ESL disponibles para los cementos asfálticos producidos en las refinerías colombianas de Barrancabermeja y Apiay. Los resultados correspondientes y la ESL de diversos agregados fueron usados para analizar las diferencias en el trabajo de adhesión de varias combinaciones de cemento asfáltico y agregado en condición seca. Dentro de los materiales analizados, el mayor trabajo de adhesión fue el producido por el cemento asfáltico de Barrancabermeja. Los resultados sugieren además que el efecto de un llenante mineral específico sobre la ESL del cemento asfáltico es particular para cada ligante asfáltico. Dicho efecto no necesariamente conlleva al incremento de la ESL del sistema cemento asfáltico-llenante mineral.

Introducción

Las mezclas asfálticas empleadas en estructuras de pavimento son materiales porosos que resultan de la combinación de agregados (i.e., roca triturada en  variados tamaños y proporciones) y cemento asfáltico. La resistencia y durabilidad de una mezcla asfáltica depende en gran medida de la calidad de la adhesión entre el cemento asfáltico y los agregados. A su vez, la adhesión entre estos  dos materiales es función de su composición mineralógica y química, de la morfología de los agregados (i.e., forma y textura) y de las condiciones en las que se realiza la mezcla. Cuando estas condiciones no son apropiadas (e.g., muy bajas o altas temperaturas, agregados húmedos o recubiertos con material granular fino), o cuando la compatibilidad entre las propiedades químicas y físicas de los componentes de las mezclas es inapropiada, la adhesión entre los dos materiales será deficiente, así como su desempeño en obra.

Existen tres teorías básicas para explicar la adhesión entre un material líquido –como el cemento asfáltico a temperatura de mezclado– y uno sólido como el agregado: 1) la adhesión física, 2) la adhesión mecánica, y 3) la adhesión química (Hefer et ál., 2005; Bhasin, 2006).