Physicochemical approach of moisture damage susceptibility of binder-aggregate interfaces

Artículo Científico Revista Infraestructura Vial / LanammeUCR ISSN: 1409-4045 - ISSN electrónico: 2215-3705 / Volumen 19 / Número 34 / Diciembre, 2017 / p.p. 5-9 Aproximación fisicoquímica de la susceptibilidad al daño por humedad de interfaces asfaltoagregado Physicochemical approach of moisture damage susceptibility of binder-aggregate interfaces Alejandra Baldi-Sevilla José Aguiar-Moya LanammeUCR, Costa Rica. LanammeUCR, Costa Rica. Mavis L. Montero Luis Guillermo Loría-Salazar Escuela de Química. LanammeUCR, Costa Rica. Fecha de recepción: 11 de agosto de 2017 / Fecha de aprobación: 1 de septiembre de 2017 RESUMEN ABSTRACT El daño por humedad es reconocido por tener consecuencias severas en el desempeño de la mezcla asfáltica. Una de las causas del daño por humedad es la mala afinidad química de la interfaz asfalto-agregado formada cuando el primero recubre al segundo durante el proceso de mezcla. La debilidad de la interfaz puede deberse a una pobre interacción entre ambos materiales, lo que aumenta la predisposición del asfalto a ser desplazado por el agua. En este estudio, la calidad de la interfaz asfalto-agregado fue aproximada mediante la medición de la Energía Superficial de los materiales involucrados. Se tomaron como muestra dos tipos de agregado, una Caliza y una Grava de río (silícea), los cuales fueron combinados con tres asfaltos: un asfalto modificado con diatomita, un asfalto modificado con nanosílica y un asfalto control. Las combinaciones propuestas fueron evaluadas mediante indicadores fisicoquímicos relacionados con el daño por humedad como el trabajo de adhesión, el trabajo de desplazamiento y la Razón de Energía. Se encontró que la calidad de la interfaz formada depende del tipo de agregado empleado. Además, se pudo evaluar si los aditivos resultan convenientes en la reducción de la susceptibilidad a la humedad, lo cual es dependiente del tipo de agregado con el que se combinen. En general, a partir de la estimación de la Energía Superficial del asfalto y agregado pueden obtenerse indicadores relevantes en cuanto a la formación de interfaces. De esta forma, es posible la evaluación fisicoquímica de asfaltos y agregados para la selección de materiales y combinaciones resistentes ante el daño por humedad. Moisture damage is one of the most severe distresses in pavements. Among the causes of moisture damage is the poor quality of the binderaggregate interface formed during mixing. The weakness of the interface might be due to a poor interaction between materials, which increases the susceptibility of binder of being removed from the aggregate surface by water. In this study, the quality of the binder-aggregate interface was approached by means of surface energy measurements of several binder-aggregate combinations. Two different aggregate sources were investigated: a limestone and a gravel, which were combined with three asphalt binders: a diatoms-modified binder, a nanosilica-modified binder and neat binder as control. The proposed combinations were evaluated by means of physicochemical indicators related to moisture damage, such as work of adhesion, work of debonding and energy ratio. It was found that the quality of the interface is highly related to the aggregate source. Furthermore, several anti-strip additives were evaluated in terms of reduction of water susceptibility of the combinations and it was observed that their efficiency is dependent on the aggregate source with which the modified binder is combined. In summary, various parameters associated to interfaces can be obtained from surface energy measurements of binders and aggregates. This technique allows the physicochemical evaluation of binders and aggregates and the information obtained might be used as criteria for appropriate selection of water-resistant materials. PALABRAS CLAVES: energía superficial, goniometría, interfaces, daño por humedad, adhesión, diatomita, nanosílica. KEY WORDS: surface energy, interfaces, moisture damage, adhesion, diatoms, nanosilica. 5 INTRODUCCIÓN (2) El daño por humedad es una de las fallas más severas en el pavimento, especialmente en climas húmedos donde las precipitaciones son constantes durante todo el año. El agua penetra la mezcla asfáltica mediante una serie de mecanismos (Masad et al. 2007), los cuales han sido un importante objeto de estudio (Taylor y Khosla 1983; Kiggundu y Roberts 1988; Terrel y Shute 1989; Little y Jones 2002) e involucran tanto al asfalto, como al agregado y a los vacíos de la mezcla asfáltica (Cho y donde los subíndices L y S representan al líquido de prueba y al sólido de interés, respectivamente; θ es el ángulo de contacto formado entre estos dos materiales. Adhesión y Desnudamiento del Asfalto La formación de la interfaz asfalto-agregado es un proceso Bahia 2007; Caro et al. 2008). fisicoquímico que involucra la interacción de las superficies de La presencia de agua en una mezcla asfáltica provoca el es utilizada en la estimación de indicadores como la adhesión y la detrimento de sus propiedades fundamentales, dejando como resultado el debilitamiento de la cohesión del mastic asfáltico y pérdidas de adhesión entre el asfalto y el agregado (Kiggundu y Roberts 1988), principalmente. La naturaleza de estos deterioros hace del agua un catalítico para otras fallas como la deformación ambos materiales. Por esta razón, la ES del asfalto y del agregado susceptibilidad al desplazamiento del asfalto (desnudamiento) por efecto del agua. El trabajo de la adhesión (WAB) entre dos fases se estima a partir de la Ecuación 3. permanente y el agrietamiento (Cho y Kim 2010), por lo que crece la necesidad de producir combinaciones de asfalto y agregado resistentes a los efectos desfavorables de la humedad. La calidad de la interfaz asfalto-agregado formada durante la producción de una mezcla asfáltica es evaluada a partir del conocimiento de la energía superficial (ES) de los materiales involucrados. La ES permite predecir ciertas características fundamentales de la interfaz, tales como la fuerza de adhesión y la tendencia del asfalto a desprenderse de la superficie del (3) WAB = γA + γB - γAB donde γA es la energía superficial del agregado, γB es la energía superficial del asfalto y γAB es la energía de la interfaz agregado- asfalto. El desplazamiento por efecto del agua ( ) se calcula según la Ecuación 4 y es una estimación de la facilidad con la que la humedad alcanza la interfaz y desplaza al asfalto de la superficie del agregado. = γAW + γBW - γAB agregado en presencia del agua (Chen et al. 2003). (4) El parámetro de Razón de Energía (ER, por sus siglas en inglés) Energía Superficial La energía superficial es una propiedad esencial en todo material y es determinada por las interacciones fisicoquímicas que ocurren (ver Ecuación 5) cuantifica la relación entre los procesos de adhesión y desplazamiento que ocurren en la mezcla asfáltica. ER = en su superficie. La ES se divide en dos comp (...truncated)