MXPA06001420A - Procedimiento para la fabricacion de una mezcla de bitumen-agregado adecuado para pavimento de caminos. - Google Patents
Procedimiento para la fabricacion de una mezcla de bitumen-agregado adecuado para pavimento de caminos.Info
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Abstract
La presente invencion se refiere a una mezcla acuosa de bitumen-agregado de rapido fraguado adecuada para pavimento frio de caminos, lugares de estacionamiento, banquetas y similares; la mezcla de bitumen-agregado se fabrica al mezclar un agregado mineral, agua, un demulsionante, que contiene cemento hidraulico, y una emulsion cationica de bitumen de aceite en agua, que contiene, como un emulsionante, una sal de una diamina terciaria y un acido fosforico; la diamina tiene la formula (I) (ver formula (I)) en donde uno o dos de los grupos R1, R2, R4 y R5 designan un grupo hidrocarburo de 6-22, preferiblemente de 8-20 atomos de carbono, y los grupos R1, R2, R4 y R5 restantes son un grupo alquilo con 1-4 atomos de carbono, y/o un grupo -(A)sH, en donde A es un grupo alquilenooxi con 2-3 atomos de carbono, y s es un numero de 1-4, R3 es un grupo alquileno con 2-4 atomos de carbono y n es un numero de 0-2.
Description
PROCEDIMIENTO PARA LA FABRICACION DE UNA MEZCLA DE
BITUMEN-AGREGADO ADECUADO PARA PAVIMENTO DE CAMINOS
MEMORIA DESCRIPTIVA
La presente invención se refiere a una mezcla acuosa de bitumen-agregado de rápido fraguado adecuada para pavimento frío de caminos, lugares de estacionamiento, banquetas y similares; la mezcla de bitumen-agregado se fabrica al mezclar un agregado mineral, agua, un demulsionante, que contiene cemento hidráulico, y una emulsión catiónica de bitumen de aceite en agua, que contiene, como un emulsionante, una sal de una diamina terciaria y un ácido fosfórico. Se conoce en la técnica preparar emulsiones catiónicas de aceite en agua de bitumen y mezclar estas emulsiones con agregados minerales inorgánicos. Cuando se mezclan los agregados minerales y la emulsión catiónica, la emulsión se "romperá" debido a la atracción entre las gotas de bitumen cargadas de manera positiva y las superficies de los agregados cargadas de manera negativa. Las gotas de bitumen catiónico se depositarán sobre las superficies de los agregados y se unirán a los agregados mediante la acción electrostática en la interfaz entre las gotas de bitumen y los agregados. Como emulsionantes, se han sugerido varias sales entre ácidos y compuestos amina. Con frecuencia, se utilizan amidoaminas acidificadas, imidazolinas, tetraminas grasas y compuestos de amonio cuaternario y mezclas de los mismos. El ácido utilizado por lo regular es ácido clorhídrico, pero también se han utilizado ácidos fosfóricos y otros ácidos que contienen uno o más átomos de hidrógeno del ácido. Al momento de pavimentar, actualmente es una práctica utilizar una mezcladora móvil, la cual, en el sitio de trabajo, mezcla continuamente el agregado, el agua y la emulsión para obtener una mezcla acuosa de bitumen-agregado y continuamente dispersa la mezcla acuosa de bitumen-agregado sobre la superficie que será pavimentada. Es de esencial importancia que la mezcla tenga una consistencia adecuada para pavimentar, pero que además exista una rápida formación de cohesión entre el bitumen por un lado y los agregados y la superficie cubierta por el otro. De esta manera, la patente de EUA 3 518 101 describe una emulsión de asfalto acuosa, la cual contiene, como un emulsionante, una sal de un ácido polibásico seleccionado del grupo que consiste en ácido oxálico, ácido tartárico y ácido cítrico, con una diamina que contiene un grupo alquilo de aproximadamente 12 a aproximadamente 22 átomos de carbono. Los grupos amina pueden ser primarios, secundarios y/o terciarios. Sin embargo, el fraguado y la formación de cohesión de las mezclas de emulsión-agregado descritos en esta patente son lentos y varían además con el tipo de agregados y el tamaño de partícula de los agregados. La patente de EUA 5 073 297 describe una emulsión-agregado bituminoso y acuoso que se obtiene al emulsionar bitumen en agua con un emulsionante catiónico particular, el cual es un producto de reacción entre poliaminas modificadas con ciertos ácidos policarboxílicos y anhídridos. En la preparación de la emulsión bituminosa, se utiliza una solución ácida del emulsionante. Por ejemplo, se puede añadir ácido clorhídrico, sulfúrico, y fosfórico o similares, hasta que se alcance un valor de pH inferior a 7 y se obtenga una solución de emulsionante transparente. El tiempo de fraguado de la suspensión es prolongado y con el objeto de acortar el tiempo de fraguado, se describe una adición de cemento. A partir de las referencias anteriores, es evidente, que la ruptura de la emulsión y el desarrollo de una alta cohesión entre el bitumen y los agregados varía sustancialmente en relación dependiendo de la temperatura y también en un menor grado, del tipo y tamaño de partícula del agregado presente en la mezcla. Además, las emulsiones preparadas a partir de bitumen con un bajo contenido de ácido, son comparativamente lentas para fraguar y desarrollan sólo lentamente la cohesión entre el bitumen y los agregados y entre el bitumen y la superficie cubierta. Un rápido fraguado y una rápida formación de cohesión son considerablemente ventajosos, debido a que el área pavimentada puede ser abierta para uso público poco después de que se ha realizado el trabajo. Ahora se ha descubierto que las desventajas antes mencionadas se pueden reducir esencialmente al utilizar un sistema específico de emulsionante y demulsionante. El sistema hace posible producir una excelente emulsión acuosa de bitumen y obtener una mezcla acuosa de bitumen-agregado adecuada para pavimentación fría. La mezcla tiene un rápido fraguado y desarrolla una fuerte cohesión entre el bitumen y los agregados después de aproximadamente 15 minutos después de pavimentación. De acuerdo con la invención, se fabrica una mezcla acuosa de bitumen-agregado lista para pavimentación fría, al mezclar una emulsión ácida de bitumen de aceite en agua que contiene un emulsionante, un agregado mineral, agua adicional y un demulsionante a una temperatura de 0 a 40°C, caracterizado porque la emulsión de bitumen tiene un valor de pH entre 1-5, de preferencia entre 1 y 4, y porque el emulsionante contiene una sal entre un ácido fosfórico polivalente y una diamina de la fórmula R2 R4 I I Ri-N-Rs -N-Rs (I), en donde uno o dos de los grupos R-i , R2, R4 y R5 designan un grupo hidrocarburo de 6-22, preferiblemente de 8-20 átomos de carbono, y los grupos R^ R2, R4 y R5 restantes son un grupo alquilo con 1-4 átomos de carbono, y/o un grupo -(A)SH, en donde A es un grupo alquilenooxi con 2-3 átomos de carbono, y s es un número de 1-4, R3 es un grupo alquileno con 2-4 átomos de carbono y n es un número de 0-2; y porque el demulsionante contiene un cemento hidráulico. Los emulsionantes de la fórmula I tienen una buena capacidad emulsionante y rápidamente desarrollan una fuerte cohesión entre los agregados y el bitumen cuando la emulsión acuosa de bitumen se rompe con un demulsionante que contiene el cemento hidráulico. La velocidad de la ruptura de la emulsión y el desarrollo de cohesión fácilmente se pueden regular y controlar mediante la cantidad añadida del cemento hidráulico. Un fraguado rápido y una cohesión fuerte no solamente se obtienen cuando el contenido de ácido del bitumen tiene un contenido de ácido medio o alto, sino también cuando el contenido de ácido es bajo, por ejemplo entre 0.05 y 1 mg KOH/g del bitumen. El sistema de emulsionante-demulsionante es adecuado para utilizarse en mezcladoras móviles, las cuales, en el lugar de trabajo, mezclan continuamente el agregado, el agua adicional, demulsionante y la emulsión de bitumen para formar una mezcla acuosa de bitumen-agregado y continuamente dispersan la mezcla acuosa de bitumen-agregado sobre la superficie que será pavimentada. Además, el sistema de emulsionante-demulsionante se puede ajustar fácilmente de acuerdo con las condiciones existentes, por ejemplo, la temperatura, para optimizar el tiempo de mezclado y la velocidad y fuerza de la cohesión de la mezcla acuosa de bitumen-agregado. Las diaminas adecuadas de la fórmula I son aquellas, en donde por lo menos un grupo es un grupo metilo y por lo menos un grupo es hidroxietilo, es decir, un grupo de la fórmula (A)SH, en donde A es un grupo etilenooxi y s es 1. La relación entre el número promedio de grupos metilo al número promedio de grupos etilenooxi de preferencia está entre 1:6 y 3:1. Otras diaminas adecuadas son compuestos de la fórmula I, en donde los grupos restantes son todos grupos metilo, y compuestos, en donde los grupos restantes son todos grupos de la fórmula (A)SH, en donde A es un grupo alquilenooxi de 2-3 átomos de carbono y s es un número de 1-4. De preferencia, A es un grupo etilenooxi y s es 1. También se pueden utilizar de manera ventajosa, mezclas de compuestos, en donde los grupos restantes solamente son grupos metilo, y compuestos, en donde los grupos restantes solamente son grupos de la fórmula (A)SH, en donde A y s tienen los significados mencionados anteriormente. En tales mezclas, la relación en peso entre los compuestos que contienen solamente grupos metilo y los compuestos que contienen solamente los grupos (A)SH normalmente están entre 1 :10 y 10:1. Al variar la relación entre el número de grupos metilo y grupos etilenooxi, también se ha demostrado de manera sorprendente que es posible controlar adicionalmente la cohesión y el tiempo de mezclado. Una cantidad elevada de grupos metilo acorta el tiempo de mezclado y acelera el desarrollo de una alta cohesión, mientras que la presencia de grupos etilenooxi mejora la capacidad de trabajo del bitumen y de la mezcla de bitumen-agregado. Estas propiedades de las diferentes diaminas de la fórmula I se pueden utilizar de manera ventajosa con el fin de adaptar el emulsionante al contenido de ácido del bitumen y a la temperatura al momento de la pavimentación. De acuerdo con la invención, el cemento hidráulico puede ser cemento Portland ordinario, cemento Portland bajo en calor, cemento Portland blanco, cemento Portland de rápido endurecimiento, o mezclas de los mismos. De manera conveniente, el cemento hidráulico contiene 75-100% en peso de cemento Portland ordinario o cemento Portland blanco. El cemento hidráulico también se puede combinar con 0-25% en peso de sulfato de aluminio, y un compuesto de alumbre, cal o yeso o mezclas de los mismos. Estas adiciones prolongan el tiempo de mezclado, lo cual puede ser favorable cuando la pavimentación se lleva a cabo a temperaturas elevadas. El agregado es un material inorgánico, el cual normalmente contiene un material inorgánico densamente graduado, tal como escoria de altos hornos y minerales, por ejemplo, granito, piedra caliza y dolomita. La distribución de tamaño de partícula incluye convenientemente tanto partículas finas como más gruesas. Un agregado típico tiene una distribución de tamaño de partícula, en donde la cantidad completa del agregado pasa a través de un tamiz en el intervalo de un tamiz de malla No. 4 a un tamiz de malla No. 10, mientras que una fracción de 15-20% en peso del agregado pasa a través de un tamiz en el intervalo de un tamiz de malla No. 40 a No. 200, descrito en ASTM C 136. Los tipos adecuados de bitumen para uso en la presente invención son aquellos comúnmente utilizados en la pavimentación de caminos y en las técnicas de mezcla de emulsión fría, sello por suspensión, microformación de superficies y similares e incluyen pero no se limitan a aquellos que tienen un grado AC de AC- 5 a AC-35, así como aquellos modificados con polímeros tales como SBS y EVA. Una mezcla acuosa de bitumen-agregado de acuerdo con la invención, normalmente contiene: 100 partes en peso de un agregado; 6-20, preferiblemente 8-15 partes en peso de bitumen;
0.1-3, preferiblemente 0.2-2.5 partes en peso de la sal entre el ácido fosfórico polivalente y la diamina de la fórmula I; y 0.1-2, preferiblemente 0.2-1.5 partes en peso de cemento hidráulico. La mezcla acuosa de bitumen-agregado se puede producir al mezclar una combinación, que contiene el agregado mineral, 5-35% de agua calculada sobre el peso del agregado y 0.1-2.0, de preferencia 0.2-1.5% en peso de cemento hidráulico calculado sobre el peso del agregado, con 10-40% de la emulsión catiónica, acida de aceite en agua de bitumen calculado sobre el peso del agregado. Dicha emulsión de bitumen normalmente contiene 50-70% en peso de bitumen, 0.4-20, de preferencia 2-14% en peso de una sal entre un ácido fosfórico polivalente y una diamina de la fórmula I, y 21-43%, de preferencia, 25-40% en peso de agua. La cantidad total de agua en la mezcla de bitumen-agregado normalmente está entre 2 y 25% en peso del agregado. Además otros componentes pueden estar presenten en la mezcla de bitumen-agregado y en la emulsión de bitumen. De esta manera, la emulsión de bitumen puede contener otros emulsionantes los cuales son agentes tensioactivos no iónicos o catiónicos, que contienen por lo menos un grupo hidrocarburo de 6-22 átomos de carbono, de preferencia 8-22 átomos de carbono, tales como compuestos amida, compuestos amida que contienen etilenooxi, amidoaminas acidificadas, amidoaminas que contienen etilenooxi, ¡midazolinas, tetraminas y compuestos de amonio cuaternario, y mezclas de los mismos. Ejemplos específicos de otros emulsionantes son sales entre ácidos, ácidos convenientemente polivalentes, tales como un ácido fosfórico polivalente, y un compuesto imidazolina de la fórmula CH2-CH2 I I W N — CH2CH2 (NHCH2CH2 ) aNHa \\ / c I R
en donde R es un grupo alquilo de 5-21, de preferencia 7-19 átomos de carbono y n es un número de 0-3; o un compuesto amidoamina de la fórmula
I I
en donde uno o dos de los grupos R-i , R2, R3 y R4 es un grupo acilo de 6-22, de preferencia 8-20 átomos de carbono y los grupos restantes R1 ( R2, R3 y R4 son grupos alquilo inferior de 1-4 átomos de carbono, de preferencia metilo, hidroxietilo, hidroxipropilo o hidrógeno y n es un número de 1 a 4, con la condición de que por lo menos un átomo de nitrógeno sea una parte de un grupo amina. La mezcla de bitumen-agregado también puede contener un aglutinante orgánico adicional, por ejemplo un látex, seleccionado del grupo que consiste en SBR, policloropreno y látex natural y mezclas de los mismos. El látex puede ser incorporado en la emulsión de bitumen o directamente en la mezcla. Puede ser necesario utilizar grados catiónicos o no iónicos de látex compatibles con la emulsión, como se conoce en la técnica de formulación de emulsiones. El aglutinante de látex puede impartir propiedades aconsejables a la mezcla curada, incluyendo durabilidad mejorada. La mezcla de bitumen-agregado puede contener además otros componentes tales como fibras y pigmentos.
EJEMPLO
Se prepararon varias mezclas acuosas de bitumen-agregado ai mezclar a) 15 partes en peso de una emulsión acuosa de bitumen de aceite en agua que contiene 9.75 partes en peso de bitumen, 0.53 partes en peso de un látex, si acaso, y un emulsionante de acuerdo con el cuadro 1 , b) 100 partes en peso de un agregado de granito, proporcionado de acuerdo con ASTM C 136, c) 9 partes en peso de agua, y d) cemento Portland ordinario de acuerdo con el cuadro 1. Los emulsionantes utilizados en la preparación fueron los siguientes: Emulsionante A Una sal entre sebo trimetil propilendiamina y ácido ortofosfórico Emulsionante B Una sal entre tri(hidroxietil)oleil propilendiamina y ácido fosfórico Emulsionante C Una sal entre ácido clorhídrico y el producto de reacción entre 50% en peso de ácido graso de aceite de madera y 50% en peso de etraetilenpentamina Emulsionante D 50% en peso de una sal entre ácido ortofosfórico y el producto de reacción entre cantidades iguales de ácido graso de aceite de madera y tetraetilenpentamina y 50% en peso de una sal entre ácido ortofosfórico y el producto de reacción entre cantidades iguales de ácido graso de aceite de madera y 3-(dimetilamino)propilamina. El pH de las emulsiones que contienen los emulsionantes A, B y D se ajustó con ácidos ortofosfóricos a los valores de pH dados en el cuadro 1, mientras que el valor de pH de emulsiones que solamente contienen el emulsionante C se ajustó con ácido clorhídrico. Durante la preparación, el tiempo de mezclado se registró de acuerdo con la Asociación Internacional de Revestimiento con Suspensión (International Slurry Surfacing Association); Design Technical Bulletins (Boletines Técnicos de Diseño), Procedimiento de Mezcla de Ensayo TB-113 para Sistemas de Sellado con Suspensión. Inmediatamente después de mezclado, se cubrió una superficie con las mezclas acuosas de bitumen-agregado a diferentes temperaturas con una máquina de asfaltado de laboratorio. Se determinaron los valores de cohesión, kg-c, para cada cubierta de acuerdo con los Boletines Técnicos de Diseño, TB-139, Método de Prueba para Clasificar Sistemas de Mezclas Emulsionadas de Agregado para Asfalto a través de la Medición modificada del Probador de Cohesión de Características de Fraguado y Cura. Los resultados obtenidos se muestran en el cuadro 2.
CUADRO 1 Composición de mezclas acuosas de bitumen-agregado
LA = Bajo contenido de ácido (valor ácido de 0.4 mg KOH/g de bitumen) HA = Alto contenido de ácido (valor ácido de 4.0 mg KOH/g de bitumen)
CUADRO 2 Tiempos de mezclado y valores de cohesión de las mezclas a diferentes temperaturas
NT = No Probado Las mezclas acuosas de bitumen-agregado deben tener tiempos de mezclado superiores a 60 segundos, convenientemente superiores a 90 segundos, y generar rápidamente un altó valor de cohesión conveniente de 23 kg-c o más. A partir de la prueba, es evidente que las mezclas 1-8 de acuerdo con la invención cumplen estos diseños. Las mezclas de comparación I y II necesitan en general, tiempos mucho más prolongados para desarrollar una alta cohesión que las mezclas 1-8.
Claims (10)
1.- Un método para fabricar una mezcla de bitumen-agregado al mezclar una emulsión de bitumen de aceite en agua que contiene un emulsionante, un agregado mineral, agua adicional y un demulsionante a una temperatura de 0 a 40°C, caracterizado porque la emulsión de bitumen tiene un valor de pH entre 1-5 y porque el emulsionante contiene una sal entre un ácido fosfórico polivalente y una diamina de la fórmula I I Ri -N- a -N-Rs (I), en donde uno o dos de los grupos R1 , R2, R4 y R5 designan un grupo hidrocarburo de 6-22, preferiblemente de 8-20 átomos de carbono, y los grupos R2, R4 y R5 restantes son un grupo alquilo con 1-4 átomos de carbono, y/o un grupo -(A)SH, en donde A es un grupo alquilenooxi con 2-3 átomos de carbono, y s es un número de 1-4, R3 es un grupo alquileno con 2-4 átomos de carbono y n es un número de 0-2; y porque el demulsionante contiene un cemento hidráulico.
2.- El método de conformidad con la reivindicación 1 , caracterizado además porque la diamina de la fórmula I contiene por lo menos un grupo metilo y por lo menos un grupo de la fórmula (A)SH en donde A es etilenooxi y s es .
3.- El método de conformidad con la reivindicación 2, caracterizado además porque la relación del número promedio de grupos metilo al número promedio de grupos etilenooxi en las diaminas de la fórmula I es de 1:6 a 3:1.
4.- El método de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado además porque la diamina de la fórmula I contiene un compuesto, en donde los grupos restantes son todos metilo, o un compuesto, en donde los grupos restantes son todos grupos de la fórmula (A)SH, en donde A y s tienen el significado mencionado anteriormente, o una mezcla de estos compuestos.
5. - El método de conformidad con la reivindicación 4, caracterizado además porque la diamina de la fórmula I contiene una mezcla de los dos tipos de compuestos en una relación en peso de 1:10 a 10:1.
6. - El método de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones 1-5, caracterizado además porque la relación en peso entre la sal de diamina del emulsionante y el cemento es de 0.15-1.5.
7. - El método de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones 1-6, caracterizado además porque el ácido fosfórico es ácido ortofosfórico.
8.- El método de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones 1-7, caracterizado además porque el cemento hidráulico es un cemento Portland.
9 - El método de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones 1-7, caracterizado además porque el bitumen tiene un contenido de ácido entre 0.05 y 1 mg KOH/g del bitumen.
10. - Una mezcla acuosa de bitumen-agregado, caracterizada porque contiene: 100 partes en peso de un agregado; 6-20 partes en peso de bitumen; 0.1-3 partes en peso de la sal definida en cualquiera de las reivindicaciones 1-7; y 0.1-2 partes en peso de cemento hidráulico. 1 . - Una sal de diamina, caracterizada porque es la sal definida en cualquiera de las reivindicaciones 1-7. 12.- Una emulsión ácida de bitumen de aceite en agua, caracterizada porque tiene un valor de pH entre 1 y 5 y contiene 0.4-20% en peso de la sal definida en cualquiera de las reivindicaciones 1-7. 13 - El uso de la sal definida en cualquiera de las reivindicaciones 1-7 como un emulsionante de aceite en agua para bitumen.
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