Estudio experimental sobre el proceso de diseño, formulación y fabricación en fase inversa de emulsiones concentradas monomodales y bimodales de betún en agua

Abstract

Els lligants bituminosos són els materials més versàtils, pràctics i manejables que s’utilitzen en la construcció de carreteres. Són materials cohesius, impermeabilitzants, flexibles i dúctils les propietats del quals canvien principalment per acció de la temperatura i la velocitat de les carregues aplicades. Aquestes propietats els converteixen en materials difícilment substituïbles. Les tècniques actuals de fabricació de mescles asfàltiques, conegudes comunament com a mescles asfàltiques en calent, utilitzen com a lligant betum asfàltic. Aquestes tècniques s’anomenen tècniques en calent perquè es treballen a temperatures molt altes, 180-200ºC per als àrids i 150-170ºC pel betum asfàltic. Aquestes altes temperatures comporten que el sector de la pavimentació estigui subjecte a nivells molt alts d’emissions de CO2. Cada cop més, els esforços dels tècnics i experts en la matèria estan enfocats en la reducció d’aquestes temperatures, i en conseqüència la disminució de Tn de CO2, contribuint així a que els mescles asfàltiques siguin tècniques més amigables amb el medi ambient. En aquest sentit apareixen les emulsions asfàltiques. El objectiu principal que persegueixen es la capacitat de poder moure un lligant hidrocarbonat molt pesat i viscós com és el betum a temperatura ambient. Les primeres emulsions asfàltiques neixen als anys 20 i s’utilitzen principalment com a regs asfàltics i mescles en fred. La necessitat de canviar la tècnica de pavimentació de carreteres fa que hi hagi una creixent investigació en les emulsions bituminoses. Per tal de poder ser utilitzades en mescles, les emulsions han de tenir un contingut de aigua molt baix, o el que es el mateix, una concentració de betum residual molt alt. En aquest punt apareixent les emulsions concentrades o les emulsions altament concentrades de betum en aigua. Aquest tipus de emulsions fa necessaris nous sistemes de fabricació, diferents als convencionals del molins col·loïdals, com el procés HIPR (High Internal Phase Ratio) proposat en aquesta tesis. No obstant les emulsions concentrades tenen un handicap important, són molt viscoses i per tant difícils de bombejar i emprar en obra. Una manera de disminuir aquesta viscositat es fabricant emulsions bimodals. El desenvolupament de aquesta tesis esta enfocada en la publicació de 4 articles científics relacionats amb el tema de la formulació d’emulsions concentrades de betum en aigua utilitzant el procés HIPR. Un primer article, dedicat al estat del art de la tècnica, un segon article enfocat en estudiar els paràmetres de control de formulació que influencien en la mida final de gota de la emulsió. Un tercer article on s’estudia la viscositat d’aquest tipus d’emulsions i s’incorpora la formulació d’emulsions bimodals i finalment, un quart article, on s’estudia la estabilitat a l’emmagatzematge.

Los ligantes bituminosos son los materiales más versátiles, prácticos y manejables que se utilizan en la construcción de carreteras. Son materiales cohesivos, impermeabilizantes, flexibles y dúctiles las propiedades de los cuales cambian principalmente por acción de la temperatura y la velocidad de las cargas aplicadas. Estas propiedades los convierten en materiales difícilmente sustituibles. Las técnicas actuales de fabricación de mezclas asfálticas, conocidas comúnmente como mezclas asfálticas en caliente, utilizan como ligante betún asfáltico. Estas técnicas se denominan técnicas en caliente porque se trabaja a temperaturas muy altas, 180-200ºC para los áridos y 150-170ºC para el betún asfáltico. Estas altas temperaturas conllevan que el sector de la pavimentación este sujeto a niveles muy altos de emisiones de CO2. Cada vez más, los esfuerzos de los técnicos y expertos en la materia están enfocados en reducir estas altas temperaturas y disminuir las Tn de CO2 emitidas, contribuyendo así a que las mezclas asfálticas sean técnicas más amigables con el medio ambiente. En este sentido aparecen las emulsiones asfálticas. El objetivo principal que persiguen es la capacidad de poder mover un ligante hidrocarbonado muy pesado y viscoso como es el betún a temperatura ambiente. Les primeras emulsiones datan de los años 20 y se utilizaban principalmente en riegos asfalticos y mezclas en frio. La necesidad de cambiar la técnica de pavimentación de carreteras hace que haiga una creciente investigación en las emulsiones bituminosas. Para poder ser utilizadas en mezclas, las emulsiones han de tener un contenido de agua muy bajo, o lo que es lo mismo, una concentración de betún residual muy alto. En este punto aparecen las emulsiones concentradas o altamente concentradas de betún en agua. Este tipo de emulsiones hacen necesarios nuevos sistemas de fabricación, diferentes a los convencionales molinos coloidales, como el proceso HIPR (High Internal Phase Ratio) propuesto en esta tesis. Sin embargo, las emulsiones concentradas tienen un hándicap importante, son muy viscosas y por lo tanto serán difíciles de bombear y utilizar en obra. Una manera sencilla de disminuir esta viscosidad es fabricando emulsiones bimodales. El desarrollo de esta tesis está enfocada en la publicación de 4 artículos científicos relacionados con el tema de la formulación de emulsiones concentradas de betún en agua utilizando el proceso HIPR. Un primer artículo, dedicado al estado del arte de la técnica, un segundo artículo enfocado en estudiar los parámetros de control de formulación que influyen en el tamaño final de gota de la emulsión. Un tercer artículo donde se estudia la viscosidad de este tipo de emulsiones y se incorpora la formulación de emulsiones bimodales y finalmente, un cuarto artículo, donde se estudia la estabilidad al almacenamiento.

Bituminous binders are the most versatile, practical and manageable materials used in road construction. They are sticky, waterproof, flexible, and ductile materials. Their properties change mainly by the action of temperature and speed of the applied loads. These properties make them difficult to replace by other materials. Current techniques for manufacturing asphalt mixtures, commonly known as hot mix asphalt, use bitumen as binder. These techniques are called hot techniques because they work at very high temperatures, 180-200 °C for the aggregates and 150-170 °C for the asphalt bitumen. These high temperatures lead to the paving sector be subject to very high levels of CO2 emissions. Increasingly, the efforts of technical people and skilled in the art are focused on reducing these high temperatures and lowing the tons of CO2 emitted, contributing to asphalt mixes techniques be more friendly to the environment. Therefore the asphalt emulsions appear. The main objective pursued is the ability to move a very heavy, viscous hydrocarbon, such as bitumen binder, at room temperature. First emulsions were produced the 20s and were mainly used in tack coats and cold mix asphalt. The need to change the paving techniques increases the research in bituminous emulsions. To be used in mixtures, emulsions must have very low water content, or what is the same, high concentration bitumen residual content. Here is where the concentrated and highly concentrated bitumen emulsions appear. Therefore, new manufacturing systems to produce such emulsions become necessary. Manufacturing systems different from conventional colloid mills, such as HIPR (High Internal Phase Ratio) method proposed in this thesis. However, concentrated emulsions have an important handicap, are very viscous and therefore will be difficult to pump and use on site. A simple way to decrease this viscosity is by manufacturing bimodal emulsions. The development of this thesis is focused on 4 scientific publications related to the formulation of concentrated bitumen in water emulsions using the HIPR method. A first article, dedicated to the state of the art of the technique, a second article focused on studying the formulation control parameters that influence the final drop size of the emulsion. A third article was the viscosity of this type of emulsions is studied and the formulation of bimodal emulsions is incorporated and finally, a fourth article, where the storage stability is studied.