Introducción
En la industria de la construcción de carreteras, las tecnologías con cementos asfálticos espumados están experimentando un crecimiento acelerado. Tan solo, en relación con su aplicación en las mezclas asfálticas tibias (WMA, por sus siglas en inglés), la tecnología del espumado de asfalto por medios mecánicos está siendo preferida por la mayoría de los contratistas en lugar de otros productos comerciales y técnicas que usan ceras, surfactantes o aditivos minerales [1]. Para tener una idea de esta tendencia, en los Estados Unidos el espumado mecánico representó en 2014 el 84,5% de los 113,8 millones de toneladas de WMA producidas en ese año y en 2015 el 72% de los 119,8 millones de toneladas. Cabe resaltar que para estos mismos años la producción de WMA correspondió a poco menos de un tercio del total de las mezclas asfálticas fabricadas en ese país [2].
Aun cuando el volumen de aplicación de los cementos asfálticos espumados ha sido enorme, todavía no se conocen bien las propiedades de la espuma y su efecto sobre el comportamiento durante la manufactura, la aplicación y el servicio de las mezclas elaboradas con ellas.
En la caracterización de las espumas de asfalto para su aplicación en la estabilización de suelos o en el reciclaje de pavimentos, se emplea tradicionalmente la técnica de la varilla graduada para medir los dos parámetros básicos que definen su calidad: la relación de expansión máxima (ERmáx, por sus siglas en inglés) y la vida media (HL, por sus siglas en inglés). La ER , se define como la relación entre el volumen máximo alcanzado por la espuma y el volumen ocupado por la misma masa de asfalto sin agua o espuma en él, mientras que la HL corresponde al tiempo -medido en segundos- que tarda la espuma en colapsar desde su máximo volumen hasta la mitad de este.
Aun cuando el método de la varilla es simple y práctico, es impreciso y sus resultados son altamente dependientes de la destreza de la persona que ejecuta las lecturas.
Reconociendo que la ERmáx y la HL no son suficientes para caracterizar una espuma de asfalto, los estudios recientes proponen determinar y evaluar la variación en el tiempo de la ER conocida como la curva de colapso o de decaimiento de la espuma (DC, por sus siglas en inglés) y la distribución del tamaño de las burbujas (BSD, por sus siglas en inglés), de tal forma que estas propiedades puedan usarse para obtener mejores indicadores de la calidad de una espuma de asfalto, como el índice de espumado (FI, por sus siglas en inglés) y la velocidad de colapso de la espuma en condición semiestable, valor de K.
También, debido a que el método tradicional de la varilla graduada presenta limitaciones, se han ideado técnicas de medida más seguras y confiables junto con los protocolos de ensayo, de tal forma que puedan implementarse para una mejor caracterización de las espumas de asfalto [3-9].
Aprovechando la experiencia de los laboratorios de suelos y pavimentos de la Escuela Colombiana de Ingeniería Julio Garavito en la caracterización de las espumas de asfalto y la capacidad del programa de Ingeniería Electrónica, se están explorando diferentes técnicas para la obtención de la DC y de la BSD de espumas de asfalto, fabricadas en planta de laboratorio WLB-10S. En este trabajo, se presentan los resultados preliminares que se han obtenido en la caracterización de espumas de asfalto, empleando tanto técnicas invasivas como el método tradicional de la varilla graduada y el ensayo de colapso de la espuma de asfalto (AFCT, por sus siglas en inglés), así como no invasivas, entre ellas, el procesamiento de imágenes y el uso de sensores infrarrojos.
Curva de colapso o curva de decaimiento
Varias investigaciones se han desarrollado con el propósito de evaluar el comportamiento de una espuma de asfalto en el tiempo y proponer parámetros que, junto con la ERmáx y la HL, permitan caracterizar la espuma y valorar el efecto de diferentes factores, entre ellos, el tipo de asfalto, la temperatura, las concentraciones de agua y de aditivos, y la presión de aire, y así lograr optimizar los procesos de fabricación y la calidad de la espuma.
La representación gráfica de la variación de la ER en el tiempo se conoce como la curva de colapso o curva de decaimiento (DC, por sus siglas en inglés) de la espuma. Diferentes modelos de comportamiento de las espumas de asfalto con el tiempo se encuentran en la literatura técnica: algunos de los modelos propuestos siguen una función exponencial (ecuación (1)), similar a la presentada por el decaimiento de isótopos [3]; otros se aproximan a una función de tipo potencial (ecuación (2)), en particular para aquellos asfaltos que presentan ER superiores a 15 [10]; y otros modelos más refinados, obtenidos mediante análisis de regresión no lineales, se ajustan a funciones potenciales de 4 parámetros (ecuación (3)) o exponenciales de tres parámetros (ecuación (4)), dependiendo del tipo de asfalto, tal y como se indica en la tabla 1 y en las figuras 1a y 1b [11].
El estudio de la curva de colapso para diferentes espumas de asfalto ha dado lugar a la obtención de parámetros que, en principio, la caracterizan más apropiadamente, como son:
■ El índice de espumado (FI): definido por [3] como el área entre la curva de la ER en función del tiempo y una ER constante de 4, en que se estima se encuentran viscosidades comprendidas entre 0,2 y 0,55 Pa.s, apropiadas para realizar la mezcla de los agregados pétreos con el asfalto mientras este se encuentra en estado de espuma. Un asfalto con mayor FI es capaz de almacenar más energía en la espuma mientras está temporalmente en el rango de viscosidades de mezcla que uno con menor FI [3-5,12-13].
■ La velocidad de colapso de la espuma en condición semiestable, valor de K: obtenido tomando los datos alejados de la zona inicial de la curva de colapso que se presenta en los primeros segundos después del espumado, zona donde las burbujas son inestables. El valor de K se determina ajustando la curva de colapso a una curva de tipo exponencial de la forma ER(t) = 1 + ce-kt, para una ER medida después de 10 s de haberse iniciado el espumado del asfalto [7].
En la figura 2, se presentan varias curvas de colapso en que se puede apreciar el efecto que factores como el tipo de asfalto, la temperatura, la concentración de agua (FWC, por sus siglas en inglés) y la presión de aire tienen sobre su forma y, por supuesto, sobre las características y la calidad de la espuma [11]. Como se puede ver en esta figura, el tipo de asfalto y la FWC son los factores que tienen mayor influencia.
La evaluación de las curvas de colapso y de los parámetros asociados permite optimizar las FWC, comparar aditivos y establecer sus dosificaciones, definir si estos se usan, seleccionar asfaltos y establecer las condiciones de fabricación de la espuma, como temperatura, presión de aire y tipo de boquilla, entre otras.
Distribución del tamaño de burbujas
Al igual que las propiedades de colapso, se reconoce que la BSD y su variación en el tiempo son otros parámetros esenciales para la caracterización de una espuma de asfalto. La ER por sí sola no provee información sobre la BSD, ya que diferentes distribuciones pueden estar ocupando un igual volumen total y, por consiguiente, dar lugar a una misma ER de la espuma de asfalto.
A este respecto es importante recordar el concepto de superficie específica-área de la superficie de la partícula, en este caso de la burbuja, expresada normalmente por unidad de masa o por unidad de volumen. La superficie específica es inversamente proporcional al radio de las burbujas, es decir, que, a medida que disminuye su tamaño, se tiene una mayor superficie específica y, por tanto, más área expuesta disponible para un mejor cubrimiento de todas las partículas del agregado pétreo. Un cálculo simple permite ver que, cuando el radio de la burbuja se reduce de 5 mm a 0,25 mm, la superficie total de las burbujas que ocupan un mismo volumen total se incrementa veinte veces, mientras que la ER permanece constante.
Lo anterior explica la importancia de poder medir la BSD en una espuma de asfalto, principalmente cuando se van a usar en la elaboración de mezclas asfálticas tibias o semitibias, en las que un cubrimiento completo de los agregados por el asfalto es fundamental. Así lo han reconocido diferentes investigadores, quienes usando métodos analíticos (p. ej., la ley de Stokes) y herramientas tecnológicas, como rayos X, calorimetría de barrido diferencial, microscopios de baja potencia y principalmente cámaras de video, han medido la BSD y su variación en el tiempo, y evaluado el efecto de factores como el tipo de asfalto, la temperatura, la FWC y los aditivos sobre esta propiedad y, por consiguiente, sobre la calidad de la espuma [7,14-20].
Las conclusiones de algunos estudios muestran que a mayor temperatura aumenta el tamaño de las burbujas y que la morfología de su formación depende más del tipo de cemento asfáltico que de la temperatura [17-18], que a bajas FWC se obtienen burbujas de menor diámetro [19] y que una porción significativa de las burbujas que contribuyen a la expansión del asfalto tienen diámetros aproximados del orden de 1 mm [20]. En la figura 3, se muestra una manera de representación de las curvas de distribución de tamaño de burbujas.
Materiales y condiciones de fabricación de las espumas
En este estudio, se evaluaron las características de espumado de cuatro cementos asfálticos clasificados por grado de penetración 60/70 y 80/100, procedentes de Apiay (A) y de Barrancabermeja (B). Las características generales de los cementos asfálticos se resumen en la tabla 2.
Característica | A 60/70 | A 80/100 | B 60/70 | B 80/100 |
---|---|---|---|---|
Penentración (0,1 mm) | 68 | 83 | 63 | 96 |
Punto de ablandamiento (ºC) | 50,6 | 49 | 50 | 48 |
Índice de penetración | -0,3 | -0,17 | -0.65 | -0,01 |
Viscosidad absoluta (P) | 3250 | 2020 | 3290 | 1780 |
Pérdida de masa (%) | 0,5157 | 0,6357 | 0,2979 | 0,7255 |
Fuente: Elaboración propia.
Las espumas de asfalto fueron fabricadas en planta piloto WLB-10S a temperaturas de 140°C y 160°C, usando FWC del 2,5 y del 3,5%, bajo una presión de aire constante de 3,5 bares.
Técnicas de medida invasivas
Método de la varilla graduada
La técnica consiste en introducir dentro de un recipiente de sección conocida que contiene la espuma una varilla metálica para registrar en ella la longitud en la que queda impregnada con asfalto. La varilla está graduada con varios segmentos metálicos que se encuentran separados entre sí de manera uniforme, tal y como se puede apreciar en la figura 4. La distancia de separación entre graduaciones corresponde a un número de veces la altura del asfalto sin espumar, lo que permite establecer la ER . Por observación directa, el operador de la varilla indicará los instantes en que la espuma alcanzó la altura máxima y colapsó hasta la mitad de esta, de tal forma que el tiempo, en segundos, transcurrido entre estos corresponde a la HL.
Ensayo de colapso de la espuma de asfalto
El AFCT fue propuesto por [5] para determinar la DC de las espumas de asfalto. Es un ensayo, en el que, basados en principios elementales de la física, una esfera cubierta por una película de asfalto y suspendida de un sistema de poleas con un contrapeso, al entrar en contacto con la superficie de la espuma, se adhiere a esta siguiendo la misma trayectoria de su caída durante el colapso [15]. Mediante grabación de video, se registra el desplazamiento horizontal que presenta un indicador colocado sobre una escala que, de acuerdo con la configuración del sistema, será igual al desplazamiento vertical que experimenta la esfera en su descenso con la espuma de asfalto. El análisis del desplazamiento del indicador en las imágenes capturadas en el video, a los intervalos de tiempo deseados -en este estudio cada 0,5 s-, permitirá construir la curva de colapso de la espuma ensayada. Por la geometría y la capacidad del sistema, el tiempo total de análisis es de 20 s y la masa de asfalto inyectada para espumado es de 100 g.
En las figuras 5a y 5b, se muestra la configuración geométrica y los elementos del sistema ideado por [5]; y en la figura 5c, una imagen del sistema adaptado en este estudio. Las curvas de colapso, para los asfaltos identificados como A80-100, B60-70 y B80-100 bajo las condiciones de temperatura (140°C y 160°C) y FWC (2,5 y 3,5%) evaluadas, se pueden apreciar en los gráficos de la figura 6. No se incluyen los resultados de la espuma de asfalto A60-70, debido a que para las condiciones de ensayo su expansión superó la capacidad del recipiente de medida.
En la tabla 3, se resumen los resultados de RE , y HL, obtenidos por las técnicas de medida mencionadas hasta acá. Se incluye el FI calculado asumiendo un decaimiento de la espuma exponencial, tal como el propuesto por [3-4] y el producto HL*ERmáx , que también sirve como un indicador de la calidad de la espuma, cuando las curvas se apartan del modelo exponencial.
CARACTERÍSTICAS DE ESPUMA DE ASFALTO POR MÉTODO | ||||||||||||
Tipo de | Método de | Contenido de | T = 140 °C | T = 160 °C | ||||||||
Asfalto | medición | Agua (%) | Expansión ER | V. Media (s) HL | C | Indice de Espumado (s) | Producto HL*ER | Expansión ER | V. Media (s) HL | C | Indice de Espumado (s) | Producto HL*ER |
A 60/70 | Varilla | 2,5 | 25 | 20,7 | 0,84 | 683 | 518 | 29 | 17,8 | 0,74 | 790 | 521 |
Graduada | 3,5 | 24 | 24,7 | 0,86 | 717 | 594 | 32 | 12,8 | 0,70 | 741 | 404 | |
Mecánico | 2,5 | NP | NP | NP | NP | NP | NP | NP | NP | NP | NP | |
AFCT | 3,5 | NP | NP | NP | NP | NP | NP | NP | NP | NP | NP | |
A 80/100 | Varilla | 2,5 | 16 | 18,2 | 0,79 | 361 | 298 | 32 | 9,8 | 0,68 | 682 | 317 |
Graduada | 3,5 | 18 | 20,5 | 0,80 | 438 | 369 | 33 | 11,4 | 0,75 | 714 | 372 | |
Mecánico | 2,5 | 34 | 5,6 | 0,93 | 208 | 189 | 36 | 3,5 | 0,89 | 155 | 126 | |
AFCT | 3,5 | 27 | 5,2 | 0,98 | 269 | 292 | 39 | 3,5 | 0,89 | 171 | 136 | |
B 60/70 | Varilla | 2,5 | 23 | 12,8 | 0,75 | 480 | 289 | 20 | 8,6 | 0,65 | 365 | 170 |
Graduada | 3,5 | 21 | 14,2 | 0,78 | 452 | 298 | 27 | 11,6 | 0,71 | 572 | 308 | |
Mecánico | 2,5 | 24 | 4,5 | 0,92 | 109 | 108 | 26 | 3,0 | 0,88 | 88 | 77 | |
AFCT | 3,5 | 26 | 4,1 | 0,91 | 113 | 108 | 35 | 5,0 | 0,93 | 197 | 175 | |
B 80/100 | Varilla | 2,5 | 23 | 13,4 | 0,79 | 479 | 302 | 26 | 9,3 | 0,68 | 516 | 242 |
Graduada | 3,5 | 21 | 16,9 | 0,80 | 488 | 354 | 28 | 11,3 | 0,75 | 577 | 309 | |
Mecánico | 2,5 | 38 | 6,5 | 0,95 | 276 | 249 | 42 | 5,0 | 0,92 | 251 | 211 | |
AFCT | 3,5 | 42 | 8,5 | 0,98 | 395 | 359 | 42 | 3,0 | 0,91 | 168 | 126 |
NP: La espuma superó la capacidad del recipiente de medida.
Fuente: Elaboración propia.
Técnicas de medida no invasivas
Análisis de imágenes
En este estudio, la técnica de análisis de imágenes está siendo aplicada inicialmente para determinar la BSD que se presenta en la superficie de la espuma de asfalto, en diferentes instantes, durante su colapso. Se ha seleccionado un dispositivo móvil con posibilidad de tomar videos en alta definición con una cámara de 8 MP, a una altura de 1 m del recipiente en el que se vierte la espuma, sin necesidad de cambiar la forma convencional de iluminación que se tiene en el laboratorio.
Como método de clasificación de las burbujas de acuerdo con su tamaño, se usa una técnica no lineal basada en la lingüística: la lógica difusa. Esta técnica se fundamenta en reglas de inferencia del tipo modus ponens (Si antecedente Entonces consecuencia) [21]. En estas reglas, se pueden usar diversas características de la imagen segmentada, como el área estimada, el perímetro o la similitud con figuras geométricas como círculos o elipses.
En la figura 7, se presentan los pasos para el procesamiento de la imagen de la parte central del recipiente que contiene la espuma, en un instante cercano al momento en el que se alcanza la expansión máxima, y en la figura 8 se puede ver el resultado del análisis de acuerdo con la clasificación de tamaños de burbuja establecida, a partir de la que es posible obtener los resultados que se presentan en la tabla 4.
Sensor infrarrojo
Para la obtención de la DC mediante una técnica no invasiva, se utilizó un sensor infrarrojo ubicado directamente bajo la boquilla de espumado que se encuentra en la planta WLB-10S. El sistema consta, básicamente, de un computador de placa reducida (Raspberry Pi) y un sensor infrarrojo con un rango de 15 a 100 cm, que apunta a una sección del recipiente donde se realiza la descarga de la espuma (figura 9). Este sistema a su vez está subdividido en un sistema de calibración, uno de registro de valores y uno de procesamiento y presentación de resultados.
El sistema de calibración se realiza previamente a los ensayos, consistente en preparar el sistema para transformar los valores analógicos arrojados por el sensor en un valor que indique la distancia de la espuma con respecto al sensor. Para esta calibración, se realizó el promedio de 500 capturas de valores por cada medida (15 a 100 cm), lo que dio como resultado un archivo de calibración que será usado en las etapas siguientes.
El sistema de registro (o captura) de valores consiste en el almacenamiento de las medidas de distancia y tiempo de muestra. En este sistema, por cada valor almacenado, se toma el promedio de cinco capturas, tomando la marca de tiempo en la tercera de ellas. El resultado final es la captura de aproximadamente 20 muestras por segundo, y la generación de un archivo que incluye los datos de distancia y tiempo de muestra. Finalmente, el sistema de procesamiento y presentación de resultados lee los datos obtenidos en el proceso de captura, y hace un tratamiento que consiste en invertir los datos, para que la gráfica se vea ascendente (de manera similar al ascenso de la espuma). Esta primera versión presenta una gráfica con el total de los valores capturados, y una gráfica con secciones limitadas, en que se cree están los datos de interés, además presenta el punto máximo, y otros datos que dan alguna información para el análisis posterior (figura 9).
Análisis de resultados
Técnicas invasivas
Las curvas de colapso obtenidas con el AFCT se apartan del modelo de comportamiento de tipo exponencial propuesto por [3], como puede apreciarse en la figura 10. En general, las expansiones medidas son superiores a la definida por el modelo para tiempos inferiores a la HL, invirtiéndose el comportamiento una vez superado este instante. Por otro lado, para varios de los asfaltos analizados, en especial para la temperatura de 140°C, se obtienen espumas que presentan curvas de colapso escalonadas, con una expansión que se mantiene relativamente constante en un intervalo de tiempo, como también se muestra en la figura 10.
Al comparar los resultados de la ERmáx y la HL obtenidos con las técnicas de medida invasivas, se aprecia claramente el efecto que sobre ellas tiene la masa de asfalto que se espuma, 500 g cuando se emplea la varilla graduada y 100 g en el AFCT, así como el tamaño de los recipientes en los que se realizan las medidas. Aun cuando el número de ensayos son actualmente limitados, en principio, no se presenta una correlación directa entre los resultados de estas dos pruebas y la tendencia general es a obtener mayores ER y menores HL con el ensayo AFCT.
Técnicas de medida no invasivas
En la etapa inicial del estudio, tanto el análisis de imágenes para determinar la BSD como la técnica de medida con sensor infrarrojo para la obtención de la DC de las espumas de asfalto arrojan resultados que se consideran satisfactorios, pero no definitivos.
En el sistema con el sensor infrarrojo implementado, se presentan gráficas ilustrativas del ensayo, cuya forma es acorde con el comportamiento de la espuma; sin embargo, algunos valores numéricos son dudosos. Se cree que existen diversos problemas que afectan la lectura del sensor, entre ellos, la forma de dispersión de la espuma.
Conclusiones y recomendaciones
Muchos de los protocolos de ensayo usados para caracterizar las espumas que se fabrican en diferentes industrias se encuentran contemplados en las normas ASTM. Sin embargo, estos no resultan aplicables para la evaluación de las espumas de asfalto debido a la naturaleza opaca de este, a las altas temperaturas que se manejan en su producción y a que debido a la disminución de la temperatura la velocidad de disipación de la espuma es variable con el tiempo.
La medida de las propiedades de las espumas de asfalto apunta a la aplicación de técnicas no invasivas, como las que emplean imágenes de video, el uso de láser o de infrarrojos, diseñadas de tal forma para que sean sencillas, se minimicen los protocolos de ensayo, sean aplicables tanto para efectuar medidas en campo como en laboratorio, con equipos de fácil consecución y bajo costo, con la suficiente sensibilidad para detectar diferencias en las medidas y, finalmente, pero no menos importante, para que sean seguras para los operadores.
Aun cuando el objetivo principal del estudio no es evaluar la calidad de las espumas de asfalto usadas para probar las diferentes técnicas, los resultados confirman la influencia que tienen el tipo de asfalto, la FWC y la temperatura en la calidad de las espumas.
El método de la varilla graduada es útil para determinar la ERmáx y la HL, pero no permite conocer la estabilidad de la espuma con el tiempo. Para este propósito, podría complementarse la caracterización de la espuma con el AFCT, que, aun cuando no correlaciona directamente con el método tradicional, resulta simple de implementar y sus resultados pueden servir también como indicadores de la calidad de la espuma.
Las técnicas de análisis de imágenes para determinar la BSD y de infrarrojos para obtener las curvas de colapso, que se están implementando en este estudio, colaborarán con una caracterización más completa de las espumas de asfalto y con evaluar el efecto de diferentes parámetros sobre su calidad.