TRABAJOS CIENTÍFICOS

Análisis del comportamiento reológico de una masilla asfáltica obtenida a partir de la resina de pino

Analysis of the rheological behaviour of the asphaltic mastic obtained from pine’s resin

 

Saray Núñez González, C.¹; C. M. González Pérez²; C. A. Quintero Silveiro³

¹ Universidad de Pinar del Río, Cuba. Dirección postal: Ave. Borrego, Edif. 68, Apto C-15, Reparto Hermanos Cruz, Pinar del Río, Cuba. CP. 20200. E-mail: saray@vrect.upr.edu.cu, Autor para la correspondencia.
² Universidad de Pinar del Río, Cuba. E-mail: c.e.maricela@vrect.upr.edu.cu
² Universidad de Pinar del Río, Cuba. E-mail: arelys@mat.upr.edu.cu

Recibido en febrero de 2011
Aceptado en agosto de 2011

 

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RESUMEN

En Cuba, el diseño de cada una de las construcciones incluye el sistema de impermeabilización de cubierta y aunque este sistema refleje de manera clara y precisa la utilización de mastiques para el sellaje de juntas, se ha identificado que por problemas de estabilidad en su producción un por ciento significativo de edificaciones se construyen sin sellar las juntas constructivas, situación que trae a colación un 61% de construcciones con problemas de filtración en el país.
Para solucionar el problema anterior se han fabricado varios tipos de masillas teniendo como componentes asfalto oxidado, aguarrasina, caucho sintético, solventes orgánicos, entre otros.
La producción de masillas no es solo insuficiente para abastecer la alta demanda existente, sino que además la ofertada presenta problemas de calidad, dados por: baja ductilidad, alta tendencia a la cristalización y presencia de solventes orgánicos dentro de su composición; que trae como consecuencia la disminución de la durabilidad del sistema de impermeabilización que la contiene. Superar las insuficiencias anteriores a partir del uso de la resina de pino natural en la composición de la masilla, constituyó la esencia de la obtención de un producto de este tipo con propiedades reológicas competitivas con las comercializadas en el país.
En la investigación que se propone, se parte del análisis químico de los componentes fundamentales de la masilla, se prepara el diseño de las posibles combinaciones caracterizándose las mismas. Por último se obtiene la masilla asfáltica que cumple con los requerimientos que establecen las normas para este tipo de producto evaluándose las propiedades reológicas del mismo.

Palabras clave: Resina de pino; Masilla asfáltica; Mastique; Selladores de junta; Impermeabilizantes.

ABSTRACT

In Cuba, the design of each construction includes the cover sealing system; although this system reflects in a very clear and precise way the use of mastiques for waterproof sealing, it has been identified that due to stability problems along its production a considerable percentage of these buildings are built with their joints unsealed. Such a situation causes that 61% of these buildings nationwide present leak problems.
To solve this problem, many mastiques have been obtained from different components such as oxidized-asphalt, turpentine, synthetic rubber, and organic solvents among others.
Today the mastic produced is not only  inadequate to meet the present demand but also offered with quality problems like low ductility, high tendency to crystallize  and the presence of organic solvents in its composition, which altogether reduce the waterproofing system durability. To overcome these drawbacks using the resin from the natural pine as the main component of the sealing mastic was the core idea in the attempt to obtain a product of asphalt mastic able to compete as to its rheological properties with those commercialized in the country.
This study starts out with the chemical analysis of the main components of the mastic; then the various potential combinations are designed and characterized; eventually the mastic that best satisfied the requirements and norms established for this kind of products is obtained and its rheological properties evaluated.

Keywords: Resins; Joint-sealing; Derived pine resins product; Waterproof; Sealing.

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1. INTRODUCCION

El agua es un agente agresor de las construcciones, degradando los materiales componentes de los cimientos, fachadas y cubiertas, pudiendo provocar a largo plazo su ruina. Existen reportes (Composan Construcción, 2006) que plantean que de cada cinco accidentes que se producen en las edificaciones, en cuatro interviene la humedad de forma más o menos directa. Resulta por tanto ineludible la búsqueda de soluciones técnicas y el manejo de nuevos productos que ayuden a los proyectistas a evitar daños y lesiones en la cubierta y obra de los edificios causadas por fallas derivadas de la falta de correcta aislación de la humedad.
El desarrollo de las técnicas constructivas a lo largo del tiempo ha llevado consigo una mejora de sus prestaciones, incorporando nuevos productos y nuevas tecnologías, todo ello encaminado hacia una mayor calidad de vida y durabilidad de las construcciones.
En Cuba se han fabricado varios tipos de masillas teniendo como componentes el asfalto oxidado, el aguarrasina, el caucho sintético, los solventes orgánicos, entre otros.
De manera general los sistemas de impermeabilización de cubiertas están compuestos por tres elementos fundamentales: un imprimante que logra compatibilizar el soporte con la manta, una masilla asfáltica para el sellaje de las juntas constructivas y una manta o lámina prefabricada que constituye el cierre del proceso de impermeabilización.
Cada uno de los componentes son importantes en el sistema y de la efectividad de su función, el modo de aplicación y la calidad de cada producto, depende la garantía del proceso de impermeabilización de cubierta.
Las masillas asfálticas son materiales pastosos y semipastosos utilizados para sellar remates de terminación de puntos singulares, juntas, etc.
El objetivo general de la investigación, que se presenta como resultado, ha sido la evaluación de las propiedades reológicas de una masilla asfáltica obtenida a partir de la combinación de resina de pino, asfalto industrial 50/70 y material de relleno.

2. FUNDAMENTACIÓN TEÓRICA

El inicio de la impermeabilización data desde que el hombre comenzó a utilizar los materiales más cercanos a su medio: las ramas de los árboles, la madera, la piedra, la arcilla, el barro etc. En su desarrollo fue preciso ir progresivamente desechando materiales primitivos y localizando otros. En esta exploración, la experiencia de no lograr  fácilmente la estanqueidad deseada debió haber influido en la búsqueda de soluciones que eviten lo que aún subsiste en las construcciones, como son las filtraciones (Santos Peraza, 1982).
La búsqueda de soluciones con materiales flexibles y ligeros, no solo para la protección de las cubiertas sino para las edificaciones en su conjunto, provocó que aparecieran los medios o sistemas de impermeabilización  a base de productos asfálticos (Núñez González et al., 2005).
En el sentido más amplio, se denomina impermeabilización al tratamiento que se aplica a una determinada superficie o elemento de una edificación para prevenir el paso del agua o la humedad a través de ella (Ministerio de la Construcción, 2000).
La cubierta es la parte del edificio que más se expone a los cambios bruscos de temperatura y a los efectos de la trepidación, por lo tanto, el sistema de impermeabilización debe tener elasticidad y plasticidad suficiente para asimilar sin agrietarse los movimientos debidos a las citadas causas.
De forma general los sistemas de impermeabilización están compuestos por:

• Aparejo, emulsión, primer imprimante o tinta: líquido de base asfáltica que se utiliza para compatibilizar el soporte base con la manta impermeable.
• Masilla asfáltica: masilla de base bituminosa utilizada para remates de terminación de puntos singulares, juntas, etc.
• Membrana, manta o lámina asfáltica: lámina asfáltica prefabricada comercializada en rollos.

Dependiendo del tipo de producto que contengan, las mismas pueden clasificarse en productos asfálticos, productos de caucho, productos de fibra sintética y productos de barro cocido.
El sistema de impermeabilización consta de varios componentes, cada uno de los cuales juega un importante papel en el proceso. Los especialista del Comité Nacional de Impermeabilización de Cuba han detectado como una falla en el proceso el hecho de que, en el momento de la impermeabilización, no se cuente con la masilla o mastique para el sellado de las juntas constructivas; en consecuencia, el proceso se lleva a cabo sin este material, lo que provoca, en la mayoría de los casos, problemas de impermeabilización en un breve periodo de tiempo (Martínez, 2006).
De lo anterior se infiere la necesidad de profundizar el análisis del comportamiento de las masillas o mastiques en los sistemas de impermeabilización del país.

Caracterización de las masillas asfálticas
Según la Norma Cubana 400 (2005) se denominan mastiques bituminosos a materiales elaborados, de consistencia más o menos pastosa, que tienen en su composición asfaltos naturales, betunes asfálticos, oxiasfaltos, con materia mineral fina (filler o carga mineral) o fibrosa. Pueden contener además, disolventes idóneos, plastificantes u otros aditivos.

Propiedades reológicas
La reología es la rama de la física que estudia las propiedades del flujo y deformación de la materia, como la viscosidad, elasticidad, ductilidad, fragilidad (Velásquez, 1972).
La viscosidad se define como la resistencia de los fluidos a la deformación y se debe al rozamiento interno de las moléculas.
Los asfaltos, incluso los más duros, no son sólidos verdaderos y, por tanto, no puede hablarse de su punto de fusión en su estricto sentido físico. En los asfaltos, se define el punto de reblandecimiento convencional, que es la temperatura a la que el asfalto alcanza determinado estado de fluidez.
El ensayo de penetración de los asfaltos es el que usualmente se emplea para la determinación de las propiedades de fluencia de los productos asfálticos de viscosidad muy elevada.
La ductilidad puede definirse como la capacidad de un asfalto de sufrir alargamientos sin disgregación de su masa.

Masillas comercializadas en Cuba
En Cuba existen varias firmas encargadas de comercializar los materiales de la construcción como son Imeco, Escambray, Serviconst y Perdurit. En ninguno de los casos se reporta importación de masillas asfálticas, por lo que la utilización de éstas se limita solo a las cantidades que se producen en la fábrica de impermeabilizantes El Cano y que son comercializadas por Perdurit.
Los especialistas de la fábrica El Cano han producido tres tipos de masilla de base asfáltica, el Asfaltile, el Charon y el Juntimper, de las cuales solo mantienen una producción estable del Asfaltile ya que las demás producciones han sido destinadas especialmente para obras especificadas.
El caso puntual del Asfaltile es una masilla que se utiliza como componente de un sistema de impermeabilización; está compuesta además por una pintura imprimante Pintubit y una manta asfáltica denominada Lamiasfal y tiene como aplicación el sellaje de juntas constructivas.
La experiencia de comercialización y aplicación del Asfaltile como masilla selladora de los sistemas de impermeabilizados supera los 10 años, y aunque se mantiene una producción estable, presenta propiedades que limitan su efectividad para el sellado de juntas. Dentro de las principales insuficiencias y limitaciones se puede mencionar la baja ductilidad y la presencia, en su composición, de un alto contenido de solventes, por lo que al ser expuestos a la intemperie, los solventes se volatilizan, tienden a cristalizarse y, consecuentemente, se agrietan, ocasionando la permeabilidad de la masilla. Otra de las consecuencias del alto contenido de solventes en su composición está relacionada con el bajo punto de inflamación, lo cual requiere de condiciones controladas de almacenamiento (el embalaje de la misma debe ser en recipientes cerrados).

Masillas comercializadas en el mercado internacional
De acuerdo con el Catálogo Polyguard Products (2006), existe una amplia gama de masillas comercializadas en el mercado internacional. La mayoría son obtenidas a partir de cauchos sintéticos (estireno-butadieno-estireno), aditivos plastificantes, silicona, resinas epóxicas, entre otros. Dentro de los ejemplos se puede citar el Mastique Polyguard 650, utilizado fundamentalmente para proteger bordes, terminaciones de juntas, solapas y parches. Este tipo de mastique muestra un inconveniente relacionado con su bajo punto de inflamación, o también llamado punto de destello, que en un recipiente cerrado es de 41ºC, necesitando condiciones controladas de almacenamiento.

3. MATERIALES Y MÉTODOS

Se tomaron tres muestras con diferentes porcentajes de cada uno de los componentes seleccionados para la obtención de la masilla asfáltica (resina de pino, asfalto industrial 50/70 y material de relleno). Se determinaron las propiedades reológicas de cada una de las muestras de masilla a partir de las Normas Cubanas aprobadas por la Oficina de Normalización en Cuba.
Para la elaboración de las tres muestras se tuvo en cuenta la caracterización de la calidad de las muestras de resina de pino y el asfalto industrial utilizado según las Normas Cubanas y ASTM que validan internacionalmente la calidad de esos materiales.

Determinación de los parámetros técnicos de la masilla asfáltica

Determinación de la ductilidad de materiales bituminosos
La ductilidad de un producto bituminoso representa la elasticidad del mismo, lo que representa la capacidad de sufrir alargamientos sin disgregación de su masa; se cuantifica como la distancia máxima (en cm) que se retira una probeta hasta el instante de la rotura.
El ensayo se realiza, según la Norma ASTM D113 (1999), estirando los dos extremos de una probeta de muestra con una velocidad de tracción de 50 mm ± 5% por minuto, a una temperatura de 25ºC ± 0,5 ºC. Las condiciones de velocidad y temperatura se especifican según el material a analizar.

Determinación de la consistencia de materiales bituminosos. Ensayos de penetración
La penetración se define como la distancia (expresada en décimas de milímetros) que una aguja normalizada penetra verticalmente dentro de una muestra bajo condiciones especificas de carga, tiempo y temperatura.
Se definen como condiciones especificas de ensayo, una temperatura de 25ºC, durante un tiempo de 5 segundos y con una carga móvil, que incluidas la aguja y sus uniones, es igual a 100 gramos. Estas condiciones se consideran válidas y aplicables hasta valores de penetración de 350 como máximo (Norma ASTM D 5, 2006).

Determinación de la densidad
Para determinar la densidad másica de la masilla se utilizó la siguiente expresión:

ℓ = m/V

donde:
M: es la masa del cuerpo en gramos.
V: es el volumen del cuerpo en metros cúbicos.
ℓ: es la densidad másica en gramos por metros cúbicos.

Para la determinación del volumen se tomó una probeta graduada en centímetros cúbicos, se le agregó agua y luego se colocó dentro la masilla y se midió el volumen de líquido desplazado. Esto fue posible dado que la masilla no es soluble en agua y su densidad es mayor que la del agua, por lo que quedó completamente sumergida en este líquido.
La determinación de la masa se realizó con una balanza Triple Beam Balance, OHAUS, de una precisión de 0,01 g.

Determinación del punto de inflamación y combustión de los materiales bituminosos con la copa abierta Cleveland
Procediendo según la Norma ASTM D 56 (2004), se llenó la copa con el material calentado, homogenizándolo previamente hasta alcanzar la fluidez adecuada para ser vertido en la misma y en especial en los productos de elevada viscosidad, de tal forma que el tope del menisco quede exactamente enrasado al nivel de la línea o marca de llenado que posee la copa. Se encendió el mechero y se ajustó la llama de ensayo de forma tal que presente un diámetro entre 3 y 5 mm. Se aplicó el calor de manera de conseguir una velocidad inicial de aumento de la temperatura entre 14 y 17 ºC por minuto hasta una temperatura próxima a la estimada de inflamación. Posteriormente se realizó la operación de barrido con la llama de prueba sobre la muestra de ensayo, de manera suave y uniforme.
Se registró como punto de inflamación la temperatura leída en el termómetro cuando se produjo el primer destello de alguna de las pasadas de la llama en algún punto de la superficie de la muestra. No debe confundirse el verdadero destello de la inflamación con un halo azuloso que en ocasiones rodea o acompaña la llama de la muestra.

4. RESULTADOS Y DISCUSIÓN

Indicadores de calidad de la resina de Pinus caribaea var caribaea.
La resina de Pinus caribaea var. caribaea proveniente de la zona de Macurije fue caracterizada en los laboratorios del Centro de Estudios Forestales de la Universidad de Pinar del Río (Cuba), utilizando las Norma ASTM D113 (1999).
Los resultados se consignan en la Tabla 1.

Tabla 1. Indicadores de calidad de la resina

Caracterización del asfalto obtenido
Se determinaron las propiedades reológicas del asfalto en el Centro de Investigaciones del Petróleo en La Habana, arrojando los siguientes resultados:

• Consistencia medida a 25ºC, con una carga móvil de 100g en un tiempo de 5seg: 50/70.
• Punto de ablandamiento: 40-51ºC.
• Ductilidad: +100 cm
• Fluye a temperatura ambiente

Selección de la muestra
En la evaluación inicial se tuvo en cuenta las variables de temperatura de mezclado y tiempo de agitación como variables independientes. No obstante, en la simulación del proceso de obtención de la masilla en condiciones industriales, estas variables dejan de ser significativas por cuanto el proceso se realiza a temperatura de mezclado y tiempo de agitación  constante, desechándose estas variables para la selección de la muestra óptima.
Teniendo en cuenta los porcentajes de los componentes en la mezcla, se realizaron las combinaciones  posibles atendiendo a la función de cada uno de los componentes en la misma (Tabla 2).

Tabla 2. Características de las muestras analizadas

Dentro de las desventajas que presenta el asfalto para ser utilizado en estado natural como impermeabilizante se encuentra la propiedad que tiene de oxidarse a altas temperaturas, de tal modo que las moléculas al reaccionar con el oxigeno ocasiona que la estructura del ligante se haga más dura y frágil lo que se conoce como "envejecimiento por oxidación".
Teniendo en cuenta que nuestro país es de clima tropical, el análisis del comportamiento de las muestras se realizó a temperatura ambiente y a pendientes de un 3% (Tabla 3).

Tabla 3. Análisis de la fluidez y consistencia a temperatura ambiente

Se comprobó que una de las mezclas obtenidas, en este caso la muestra 4, de una proporción mayor de asfalto, fluía a temperatura ambiente. La muestra 5 resultó de una dureza extrema por la composición alta de fibra de asbesto. Ambas muestras dejaron de ser consideradas por poseer estas deficiencias técnicas.
Las tres muestras restantes fueron caracterizadas, arrojando los resultados que se muestran en la Tabla 4.

Tabla 4. Caracterización de las muestras obtenidas

Los resultados de las caracterizaciones arrojan como conclusión que la muestra que cumple con los requisitos es la muestra 2. Se compararon estos resultados con los datos técnicos de las masillas fabricadas en el país (Tabla 5).

Tabla 5. Comparación de los parámetros técnicos de la masilla desarrollada (RESAFAL) con sus homólogos comerciales.

Como se puede apreciar los parámetros de calidad de la masilla asfáltica obtenida a partir de la resina de pino son comparables con los parámetros de las masillas fabricadas en el país. Dentro de las principales ventajas que tiene este producto respecto a los demás está la de ser obtenida a partir de la resina de pino, un producto forestal renovable y de producción nacional al igual que los demás componentes. Tiene un punto de inflamación superior lo que significa que tiene un mayor rango para evaluar las condiciones de almacenamiento. El valor de la ductilidad es superior, lo que representa una mayor capacidad de sufrir alargamiento sin disgregarse su masa. Por último, la aplicación en caliente garantiza la total penetración de la masilla en la junta donde se aplica.

5. CONCLUSIONES

• A partir de la resina de Pinus caribaea var. caribaea es posible obtener una masilla asfáltica para el sellado de juntas constructivas como componente de los sistemas de impermeabilización de cubierta partiendo de la  combinación de 48-50% de resina de Pinus caribaea var caribaea, 32-34% de asfalto industrial  de penetración 50/70, 8-10% de talco industrial y 4-6% de fibra de asbesto.
  
• La masilla tiene un valor de penetración de 107 dmm, una densidad de 1,10 g/cm3, una ductilidad de 13 cm, un punto de reblandecimiento de 48 ºC, un punto de inflamación de 79,4 ºC y una permeabilidad de 0,0001 milidarcys, propiedades reológicas comparables a las comercializables en el mercado internacional.
  
• El producto fue evaluado en condiciones de aplicación, para lo cual se valoró el comportamiento a la intemperie y en el sellado de juntas. El mismo se mantuvo de forma estable a la exposición directa con baja tendencia a ampollarse, al agrietamiento o a fluir espontáneamente en pendientes suaves; además presenta excelentes condiciones de penetración en caliente y suficiente plasticidad para absorber movimientos entre los elementos de la estructura. Todos estos parámetros son comparables con los comercializados en el mercado nacional e internacional.

AGRADECIMIENTOS
Al Centro de Investigación del Petróleo en Cuba que asumió parte de los análisis de laboratorio realizados al producto de la investigación.

6. REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS

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11. Velásquez, M. 1972. "Asfaltos". Edición revolucionaria. Instituto Cubano del libro. La Habana.         [ Links ]