Formación y caracterización de emulsiones altamente concentradas de betún en agua

El objetivo principal de la presente tesis ha sido la preparación y caracterización de emulsiones bituminosas concentradas y altamente concentradas de betún en agua controlando el tamaño de gota. Las investigaciones y estudios llevados a cabo se dividen en las siguientes etapas: -Caracterización de la naturaleza química y coloidal de diferentes betunes. - Estudio del comportamiento fásico de tensioactivos comerciales. -Preparación y caracterización de emulsiones concentradas y altamente concentradas de betún en agua. Las investigaciones desarrolladas han permitido alcanzar las siguientes conclusiones principales: -El betún es considerado un sistema coloidal en el que se encuentras dispersos nanocristales de parafina, agregados de asfaltenos y moléculas de resina. Los nanocristales de parafina se encuentran en betunes de naturaleza parafínica y poseen tamaños alrededor de 50 nm. Estos nanocristales son de menor tamaño cuando el betún ha sido enfríado rápidamente y desaparecen a los 70ºC, temperatura de fusión de la parafina. Los agregados de asfaltenos poseen un tamaño entre 2 y 3.3 nm. Su tamaño no se ve afectado por la velocidad de enfriamiento ni por la temperatura, en el rango estudiado. -Los betunes poseen tensioactivos endógenos que difunden al agua disminuyendo la tensión superficial hasta 60 mN/m. Este valor es demasiado alto para demostrar que se trata de moléculas tensioactivas. La difusión de las moléculas amfifílicas presentes en el betún cumple el modelo de Ward y Tordai de difusión. Ajustando este modelo, se ha calculado un exceso superficial de aproximadamente 4•10-6 mol/dm2 de especies amfifílicas del betún adsorbidas en la superficie del agua. -Se determinó la tensión superficial de betún a temperaturas bajas, donde la viscosidad es muy elevada. Se determinó la tensión superficial de los siguientes betunes: 150/180 A Nafténico, 150/180 B Parafínico, 80/100 y 60/70, y se observó que la tensión superficial es prácticamente la misma en todos ellos (37 mN/m) a 25ºC. Se observó que la contribución más importante en la tensión superficial es la componente dispersiva, confirmando que el betún es un material mayoritariamente apolar. -Mediante la determinación del potencial zeta se determinó que el betún Nafténico posee una carga superficial aproximadamente de 0.29 C/m2. Ésta carga superficial es debida a la presencia de tensiaoctivos endógenos. -Se estudió el comportamiento fásico de los tensioactivos comerciales Redicote E-4875, Redicote EM-48, Redicote EM-44, Redicote E-11 HF, Ampholak 7TX, Asfier 218, Telcodinac Teide S, Telcodinac PR y Polyram L-80 y Polyram L-90. -El tamaño de gota de las emulsiones preparadas con tensioactivos comerciales disminuye al aumentar la concentración de tensioactivo. -Se obtuvieron emulsiones con tamaños de gota menores con el betún 80/100, de menor dureza que con el betún 60/70. La emulsificación es más eficiente con betunes de menor dureza dado que proporcionan una viscosidad menor a la misma temperatura. -Al aumentar la fracción de volumen de fase dispersa, el tamaño de gota disminuye. Podría ser debido a que el esfuerzo de cizalla es proporcional a la viscosidad, por lo tanto, al aumentar la viscosidad de la emulsión, manteniendo la velocidad de cizalla constante, el esfuerzo aumenta. Ello puede permitir la formación de gotas más pequeñas. -Se prepararon emulsiones al 60, 70 y 80% de betún 150/180 A cuya fase acuosa contenía quitosano como espesante. El tamaño de gota disminuye con la presencia de quitosano en el medio acuoso. Esta disminución es más acusada en emulsiones del 60% que en emulsiones del 70% y poco apreciable en emulsiones del 80%. Esta tendencia también se observó con emulsiones preparadas con poliacrilamida, el tamaño de gota disminuye con la presencia de polímero en la fase continua, aunque a concentraciones más altas de polímero se alcanza un valor de tamaño de gota prácticamente constante.Bitumen formulations have very important applications in road pavement, since bitumen allows strong surface adhesion, high internal cohesion and low water permeability. In road constructions, the conventional pavement process consists in mixing the bitumen with gravel and fillers at high temperature, generally around 120ºC-150ºC, and the hot slurry on the road. This process has economical and environmentally disadvantages, because of high energy consumption and release of toxic vapours. An alternative process for road construction makes use of highly concentrated bitumen-in-water emulsions, allowing road pavimentation at room temperature. However, this process requires a long time before road re-opening to traffic, since water evaporation is slow. This problem can be overcome by using highly concentrated bitumen-in-water emulsions, which contain less water. In this context, a technological challenge is to obtain highly concentrated bitumen emulsions with small droplet size, which are stable and form uniform bitumen layers on gravel particles. The extremely high viscosity of bitumen (≈108 cp at 25ºC) makes difficult to obtain highly concentrated emulsions with small droplets sizes. The rheological behaviour of bitumen emulsions is influenced mainly by bitumen concentration and droplet size distribution. Highly concentrated bitumen-in-water emulsions with small droplet size (< 2 μm) have been prepared by increasing the viscosity of the emulsion continuous phase, in order to have a viscosity similar to that of the dispersed phase. For this purpose, chitosan was selected as a cationic thickener, since its ability to increase water viscosity at low concentrations, and its cationic nature compatible to commonly used cationic surfactants. These results demonstrated that the droplet size could be decreased by increasing the viscosity of the continuous phase, obtaining very small droplet sizes in highly concentrated emulsions of highly viscous oils. Moreover, the droplet size could be controlled in a rather wide range