Métodos instrumentales de ensayo para la determinación de las propiedades micro-mecánicas y térmicas de los ligantes asfálticos

Abstract

Este estudio se centra en los métodos instrumentales para determinar las propiedades micro-mecánicas y térmicas de los ligantes asfálticos. Durante las últimas décadas la capacidad de analizar el ligante asfáltico utilizando diversos métodos instrumentales ha dado lugar a mejoras considerables en la comprensión de la microestructura y el comportamiento micromecánico del ligante. La composición del asfalto es una enciclopedia de química orgánica, por lo cual las teorías más recientes clasifican el asfalto como una matriz continua donde asociaciones de moléculas polares (asfaltenos y resinas) se dispersan en un fluido de moléculas de menor polaridad (aromático y saturado). Para comprender el comportamiento del asfalto y sus componentes (asfaltenos y maltenos) se analizaron los cambios morfológicos y las propiedades micro mecánicas en condiciones normales, de laboratorio a corto y largo plazo, y envejecido a largo plazo en campo, mediante el microscopio de fuerza atómica (AFM) en el modo de fuerza pulsada (PFM), el cual permite realizar mediciones nano-mecánicas al material. El análisis corresponde a una sola fuente de asfalto PG64-22, comúnmente utilizado en Costa Rica. En el análisis se observó que el equilibrio coloidal de las fracciones de asfalto se ve afectado por una pérdida significativa de componentes de bajo peso molecular, y a su vez el aire oxida el asfalto. Adicionalmente, se determinó para cada condición: la rigidez y la adhesión. Se observó que la mayor contribución en rigidez está asociada a los componentes polares, mientras que la adhesividad se asocia principalmente a componentes no polares. Sin embargo, los componentes polares también aportan a esta propiedad del asfalto. Seguidamente, para relacionar el proceso de envejecimiento con los cambios químicos, se realizó una caracterización de los componentes mediante espectroscopia infrarroja (FTJR) para cuantificar los grupos funcionales asociados a los procesos oxidativos. Desde la óptica de la termodinámica, se realizan pruebas de DSC y TGA para explicar algunos de los comportamientos micro-mecánicos de los ligantes asfálticos. Finalmente se consideró el aporte de los ensayos de ABS (Asphalt Bond Strength) y Goniometría en cuanto a pruebas de adhesión y el cálculo de la energía superficial libre.

This study focuses on the instrumental methods to determine the micro-mechanical and thermal properties of asphalt binders. During the last decades the ability to analyze the asphalt binder using diverse instrumental methods has led to considerable improvements in the understanding of the microstructure and the micromechanical behavior of the binder. The composition of asphalt is an encyclopedia of organic chemistry, whereby the most recent theories classify asphalt as a continuous matrix where polar molecules associations (asphaltenes and resins) are dispersed in a fluid of molecules of less polarity (aromatic and saturated) . To understand the behavior of asphalt and its components (asphaltenes and maltenes) morphological changes and micro mechanical properties were analyzed under normal, short and long-term laboratory conditions, and long-term aging in the field, using the Atomic Force Microscope (AFM) in the pulse force mode (PFM), which allows nano-mechanical measurements to the material. The analysis corresponds to a single source of asphalt PG64-22, commonly used in Costa Rica. In the analysis it was observed that the colloidal balance of the asphalt fractions is affected by a significant loss of low molecular weight components and, at the same time, the air oxidizes the asphalt. Additionally, stiffness and adhesion were determined for each condition. It was observed that the greater contribution in rigidity is associated to the polar components, while the adhesiveness is associated mainly to non-polar components. However, the polar components also contribute to this property of the asphalt. Then, to relate the aging process with chemical changes, a characterization of the components was performed by infrared spectroscopy (FTJR) to quantify the functional groups associated with oxidative processes. From the optics of thermodynamics, DSC and TGA tests are carried out to explain some of the micro-mechanical behaviors of asphalt binders. Finally, the contribution of the tests of ABS (Asphalt Bond Strength) and Goniometry were considered in terms of adhesion tests and the calculation of free surface energy.