La importancia de las emulsiones asfálticas en la construcción de carreteras

Las emulsiones asfálticas han venido a simplificar significativamente el procedimiento de asfaltado de carreteras, ya que se aplican en frío, lo cual presenta un ahorro considerable, no nada más en la energía requerida para fundir el asfalto, sino en la maquinaria que se requiere para hacer el fundido in situ.

Por otra parte, el asfalto caliente no puede aplicarse en condiciones climáticas adversas como lluvia, alta humedad, etc., pero las emulsiones asfálticas no tienen ese problema, ya que el medio en el cual viene el asfalto es precisamente agua. Este es un factor importante, ya que elimina los posibles retrasos en la construcción de carreteras por mal tiempo.

Otra de las razones por las cuales las emulsiones asfálticas están siendo usadas ampliamente en la actualidad, es que mediante el uso de emulsificantes apropiados, se puede controlar ampliamente el tiempo de ruptura de las emulsiones, ya que es posible tener emulsiones de rompimiento rápido, lento e intermedio.

Y a todo esto, ¿qué son las emulsiones asfálticas?

¿Qué es una emulsión?

Una emulsión es una dispersión fina más o menos estabilizada de un líquido en otro, los cuales son no miscibles entre sí y están unidos por un emulsificante, emulsionante o emulgente. Las emulsiones son sistemas formados por dos fases parcial o totalmente inmiscibles, en donde una forma la llamada fase continua (o dispersante) y la otra la fase discreta (o dispersa).

¿Qué es son los emulsificantes?

Los emulsificantes son compuestos orgánicos de peso molecular relativamente elevado (entre 100 y 300); tienen una parte hidrofóbica (generalmente es una cadena hidrocarbonada ya sea lineal o cíclica) que es soluble en el medio orgánico (el asfalto) y una parte hidrofílica (generalmente es un grupo polar de tipo orgánico o inorgánico), soluble en el medio acuoso.

Las emulsiones asfálticas

En el caso de emulsiones asfálticas, los líquidos no miscibles son el agua y el asfalto. Adicionalmente se tiene el emulgente el cual se deposita en la interface entre el agua y el asfalto y estabiliza la emulsión; éste depende del tipo de emulsión que se requiera.

Las emulsiones asfálticas se comenzaron a utilizar para la construcción de caminos aunque el gran inconveniente que tuvieron fue el largo tiempo de rompimiento de la emulsión, que en la época de lluvias causaba muchos retrasos y graves problemas de construcción. Por este motivo, los asfaltos rebajados ganaron la preferencia del constructor y hasta la fecha, no han podido ser desplazados totalmente.

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Attapulgita– Un mineral único con grandes aplicaciones en las pinturas

La attapulgita es un silicato mineral de arcilla, llamado así por el área de Attapulgus Georgia donde se estudiaron los depósitos de EU inicialmente en 1935. La arcilla attapulgita es única por su estructura de cadena tridimensional que crea partículas en forma de aguja que no se aglomeran al exponerse a la humedad, en contraste con otras arcillas tixotrópicas. Esta naturaleza no aglomerante hace a la attapulgita una arcilla formadora de gel y tixótropo única, así como el producto preferido cuando la estabilidad dimensional es importante.

La attapulgita forma suspensiones de alta viscosidad estables a relativamente bajas concentraciones que se adelgazarán con la aplicación de esfuerzo cortante. Al dispersarse en un líquido, las partículas de arcilla forman una retícula que atrapa la fase líquida espesando el sistema. Al aplicar esfuerzo cortante a un líquido espesado con arcilla Attapulgita, la retícula formada por fuerzas electrostáticas se rompe y el l íquido fluye con facilidad. Una vez retirado el esfuerzo cortante las fuerzas electrostáticas originan que se forme una nueva retícula y el líquido se espese nuevamente. Este ciclo se puede repetir indefinidamente.

Formulando con Attapulgita Sistemas Acuosos: La attapulgita funciona en formulaciones acuosas iónicas y no iónicas. El desempeño óptimo de la attapulgita se logra cuando la arcilla se dispersa y mezcla en un medio a alto esfuerzo cortante. El uso de surfactantes en sistemas acuosos puede provocar sobre dispersión de attapulgita resultando en pérdida de desempeño.

Los productos de attapulgita se agregan por lo general directamente a la mezcla en la etapa del proceso a alta velocidad. Si no hay etapa de alto esfuerzo cortante en el proceso principal la attapulgita se puede preparar como un pre-gel utilizando una pequeña cantidad del sistema solvente acuoso. Los pre-geles se preparan típicamente a un 10 – 15 porciento en peso de arcilla en el vehículo acuoso. Esta mezcla pre-dispersada se agrega entonces al lote de producto.

Dependiendo de la aplicación y las propiedades de gel deseadas, se pueden variar la cantidad y tipo de arcilla attapulgita.

Las concentraciones típicas (por ciento en peso) para aplicaciones acuosas son:

Pinturas látex 1 – 3 por ciento

Pinturas texturizadas 2 – 4 por ciento

Uniones de cemento 3 – 5 por ciento

Mastiques 2 – 4 por ciento

Sistemas No-acuosos: La arcilla attapulgita es un material altamente hidrofílico y aunque se dispersa fácilmente en sistemas acuosos, requiere el uso de un surfactante cuando se usa en sistemas no-acuosos como reducciones asfálticas. Los surfactantes recomendados son catiónicos y actúan como una interfase de transición entre la arcilla y el sistema orgánico.

La relación óptima arcilla-surfactánte se determina fácilmente ajustándola experimentalmente hasta lograr máxima viscosidad. En sistemas de reducciones asfálticas la relación típica y óptima de arcilla-surfactánte está entre 8 – 12 partes de arcilla a 1 parte de surfactánte. Este rango se debe a la variación en reducciones, surfactántes y el tamaño de partícula de la arcilla attapulgita en uso.

Al trabajar en sistemas no.acuosos, el método recomendado para adicionar la arcilla es el de pre-dispersión descrito para sistemas acuosos. En reducciones asfálticas el surfactánte se debe adicionar a una porción del sistema y mezclarse vigorosamente. Después se debe adicionar la arcilla para obtener un 20 por ciento en peso de la concentración de ésta y mezclar hasta que se observe un espesamiento máximo. Finalmente, el resto de la reducción y otros ingredientes de la fórmula se adicionan y mezclan hasta lograr una consistencia uniforme.

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¿Que son las Arcillas?

Las arcillas son aquellas substancias terrosas formadas principalmente por silicatos alumínicos con materia coloidal y trozos de fragmentos de rocas, que generalmente se hacen plásticas cuando están húmedas y pétreas por la acción del fuego. Estas propiedades dan a las arcillas su utilidad, puesto que se les puede moldear en casi todas las formas, las cuales conservan después de ser sometidas a la acción del fuego. La arcilla tiene muchos otros usos además de la cerámica, principalmente en la construcción y fabricación.

La arcilla no es un mineral sino un agregado de minerales y de substancias coloidales que se han formado mediante la desintegración química de las rocas alumínicas. Está compuesta principalmente por sílice, alúmina y agua; conteniendo también otras substancias como fragmentos de rocas, de óxidos hidratados de hierro, álcalis y materiales coloidales. En esencia los minerales de la arcilla son silicatos de aluminio. En algunas arcillas los elementos alcalinos se presentan como constituyentes; en otras el magnesio, el hierro o ambos elementos sustituyen total o parcialmente al aluminio. La mayoría de las arcillas se han formado por la desintegración de rocas con un alto contenido de alúmina, a pesar de que algunas son producto del metamorfismo. Estas últimas aparecen sólo en pequeñas cantidades.

Como roca, en geología una arcilla es un material fino, terroso, natural, compuesto por los minerales arcillosos. De esta forma se incluyen, además de las arcillas propiamente dichas, las lutitas y los suelos que tengan propiedades argiláceas.

Los constituyentes químicos esenciales de los minerales de la arcilla varían no sólo en cantidad sino también en el modo en que se combina o se presentan en los diferentes minerales. Los minerales arcillosos más importantes se encuentran en el grupo de las caolinitas y de las montmorilonitas. Las arcillas esenciales de los sedimentos arcillosos son el resultado de la meteorización de rocas ígneas y metamórficas. En condiciones de escasa precipitación, el magnesio de las rocas ígneas máficas permanece en la zona de meteorización y la arcilla producida es montmorilonita. Si la precipitación es considerable, se efectúa una lixiviación completa de la roca, el magnesio es separado y el producto de la meteorización es caolinita. A partir de una roca ígnea ácida se origina illita y montmorilonita en condición de meteorización, con tal que ocurra retención de potasio y magnesio, pero se formaría caolinita de prevalecer una lixiviación excesiva.

Según el origen se puede distinguir dos categorías de arcillas: las residuales y las transportadoras, dentro de estas últimas se encuentran las (a) marinas, (b) lacustres, (c) aluviales, (d) estuarias, (e) deltaicas, (f) glaciales y (g) eólicas. Por consiguiente, desde el punto de vista geológico las arcillas tienen una distribución prácticamente universal; a pesar de ello los yacimientos de alta calidad son difíciles de localizar.

Las propiedades físicas más importantes de las arcillas son: (1) plasticidad, que permite que sea moldeada; (2) resistencia a compresión, tensión o cizallamiento; (3) retracción tanto en el secado como mientras está en el horno; (4) temperatura de cocción y vitrificación; y (5) color de calcinación, que se debe principalmente a los óxidos de hierro presentes.

La composición y su naturaleza determinan el uso y el valor de la arcilla. El cuarzo disminuye la plasticidad y la retracción, y contribuye a hacerla refractaria. La sílice en forma coloidal aumenta la plasticidad. La alúmina la hace refractaria. El óxido de hierro, al igual que el feldespato, disminuye la temperatura de fusión, actúa como fundente y también es un poderoso agente colorante. Un poco de óxido de hierro colorea intensamente la arcilla tostada, pero una gran cantidad la convierte en un producto rojo o blanco si tiene 5% menos. Según sus propiedades, las arcillas se dividen en dos grupos: el grupo cerámico y el grupo no cerámico.

El grupo cerámico comprende los siguientes productos:

Productos estructurales. Las características de las arcillas de este grupo son básicamente: resistencia en crudo y en cocción, color de calcinación, plasticidad, temperatura de cocción y encogimiento. En los productos están incluidos ladrillos, tejas, bloques, tubos de cerámica, etc.

Porcelana: Las características de este grupo de arcillas son color blanco de calcinación, que son refractarias y su alta temperatura de vitrificación. Dentro de este grupo se utilizan las arcillas denominadas caolines. Los depósitos más importantes y puros de caolines son aquellos de origen residual.

Refractarias. Las arcillas refractarias son todas aquellas que tengan un cono pirométrico equivalente superior al 19 (1.541º C). Generalmente tienen un alto porcentaje de caolinita con algo de cuarzo libre de impureza. Se utiliza en la fábrica de ladrillos y en formas especiales refractarias. Son muy importantes para usos en calderas u hornos de temperaturas relativamente bajas.

Potería. En este grupo se utilizan arcillas de cocción densa, con colores no necesariamente claros y con características aceptables de viscosidad.

Agregados de arcillas. En la elaboración de agregados para concreto se utilizan arcillas con características expansibles.

El grupo no cerámico comprende los siguientes tipos de arcillas: arcillas decolorantes; arcillas absorbentes; arcillas como material de relleno en papel, caucho, linóleo, textiles fertilizantes y otros; arcillas como pigmentos en pinturas y plásticos; arcillas como matriz en fundiciones; arcillas como lodo en perforaciones en la industria petrolera; arcilla en cemento; y arcillas para infinidad de usos industriales de menor importancia tales como catalizadores, detergentes, relleno en medicinas impermeabilizadores de suelos, coagulantes, cohetería, etc.

Las arcillas se clasifican en los tipos siguientes:

Arcillas caolines. Son arcillas residuales, las más puras, de alto porcentaje de caolinita. Son de alto grado, grano fino. Cocción en blanco. Se emplean en la manufactura de loza, porcelana y papel.

Arcillas grasas. Son arcillas muy plásticas y untuosas. Cocción en blanco. Se emplean en la manufactura de loza.

Arcillas refractarias. Son arcillas que contienen poco óxido metálico y álcalis, y pueden resistir temperaturas elevadas sin desagregarse, por cuya razón se usan en la construcción de hornos, crisoles, estufas y obras similares.

Arcillas de alfarería. Son arcillas semirefractarias de fuerte acción y muy semejantes a las arcillas refractarias. Se emplean en alfarería y cerámica.

Arcillas para ladrillos y tejas. Constituyen el tipo más corriente. Son de bajo valor. Se emplean en todas partes para estos productos. Al ser sometidas a la acción del fuego adquieren un color rojo.

Las arcillas comerciales o arcillas empleadas como material crudo en las construcciones están entre los más importantes recursos minerales no metálicos. El valor de estas arcillas está estrechamente relacionado con sus composiciones mineralógicas y químicas, especialmente las arcillas que contienen los minerales caolinita, montmorilonita, illita y atapulgita, La presencia de otros minerales o impurezas de sales solubles restringe sus usos. Las impurezas más comunes son cuarzo, carbonatos, óxido de hierro, sulfatos y feldespato.

Las arcillas comerciales son:

Arcillas caoliníticas. Las que contienen un gran porcentaje del mineral caolinita. Varias arcillas comerciales están compuestas predominantemente de caolinita; estas son: arcilla china, arcillas esferoidales, arcillas refractarias y arcillas duras que se emplean en la manufactura de cerámica (alfarería, porcelana, refractarios), papel, pintura, plásticos, insecticidas, catalizadores y tinta; en la industria eléctrica, etc.

Arcilla china. Son caolines blancos de gran calidad. Se emplean en la manufactura de cerámica (alfarería, refractarias y porcelana), papeles, pintura, plásticos, insecticidas, catalizadores y tinta.

Arcilla dura. Es una arcilla refractaria compuesta esencialmente de caolinita, pero es plástica.

Arcilla diáspora. Es una arcilla compuesta de diáspora y caolinita. La diáspora es un óxido de aluminio hidratado con 85% de Al2O3 y 15% de agua. Es muy dura y muy refractaria. Se emplea casi exclusivamente en la industria refractaria.

Arcillas esferoidales. Compuestas principalmente de caolinita pero de color más oscuro que el caolín. Se emplean en la manufactura de cerámica donde no prevalece el color blanco.

Arcillas refractarias. Compuestas de caolinita, con pequeñas cantidades de impurezas como illita y cuarzo. Soportan temperaturas de 1500ºC o más. Se emplean en revestimientos de hornos, vasijas para productos químicos, crisoles, retortas, equipos para fundición, ladrillos refractarios, etc.

Arcillas de atapulgita. Son silicato de aluminio y magnesio hidratados. Se emplean para descolorar y en el refinado de aceites minerales y vegetales y cera.

Arcillas mixtas. La mayoría de las arcillas contienen mezclas en diferentes proporciones de caolinita, montmorilonita, illita y atapulgita, La industria de estructurales de arcilla es el mayor consumidor de este tipo de arcilla. Con ellas se fabrican ladrillos, tejas, conductos de agua, baldosas, desagües, albañales, bloques, etc.

La arcilla y sus productos tienen tantos usos que es difícil hacer una lista completa de ellos. A manera general, podemos decir que la arcilla se usa en cerámica, porcelana, jarros, ornamentos, tejas, telas impermeables, linóleo, papel, jabón y ladrillos. En los diferentes edificios se emplean para ladrillo de construcción, tejas para techos, tubos para conducción de aguas limpias y negras, baldosas, revestimientos, etc. En la industria eléctrica se utiliza en cajas para enchufes, aisladores, conmutadores, etc. En refractarios para revestir hornos, vasijas para productos químicos, crisoles, retortas, etc. Otros usos son arenas de fundición, ruedas de esmeril, balastos cemento, filtrado de aceite, fabricación de papel y muchos otros de menor importancia.

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