Método y dispositivo para analizar el contenido de asfalto.

Método para analizar el contenido en asfalto de una mezcla de pavimentación bituminosa,

donde se calienta la mezcla de pavimentación bituminosa contiene áridos y un aglutinante asfáltico combustible, se quema el aglutinante asfáltico combustible y se mide la pérdida de peso resultante de la combustión del aglutinante asfáltico para determinar la cantidad de aglutinante asfáltico originalmente presente en la mezcla, caracterizado porque la muestra se expone a la radiación de un calentador infrarrojo (122) que emite una radiación de una longitud de onda infrarroja predeterminada correspondiente a los espectros de absorción del aglutinante asfáltico combustible para calentar selectivamente el aglutinante asfáltico de dicha muestra mediante transferencia de calor por radiación desde el citado calentador infrarrojo hasta que el aglutinante alcanza la temperatura correspondiente a su punto de inflamación y se inflama, calentándose el aglutinante inflamado de dicha muestra mediante transferencia de calor por radiación desde el calentador infrarrojo para quemar el aglutinante asfáltico presente en dicha muestra y los efluentes gaseosos emitidos por la misma.

Método y dispositivo para analizar el contenido de asfalto.

CAMPO DE LA INVENCIÓN

La presente invención se refiere a un método y a un dispositivo para analizar materiales, más concretamente a un método y a un dispositivo para procesar y analizar materiales compuestos que contienen asfalto, por ejemplo mezclas de pavimentación bituminosas para producir hormigón asfáltico.

ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN

El hormigón asfáltico es un material muy útil en la industria de la construcción de carreteras. Las directrices federales y estatales requieren que el hormigón asfáltico vertido con cierto espesor posea determinadas propiedades que aseguren su seguridad y rendimiento a largo plazo. Si no se cumplen estas directrices, con el tiempo la superficie de la calzada se deteriorará en caso de estar expuesta a condiciones rigurosas de calor, frío y humedad. Por ello, es necesario analizar muestras de material de la calzada de hormigón asfáltico para determinar si éste presenta la composición y las propiedades adecuadas.

En general, cuando se emplean materiales compuestos, por ejemplo una mezcla de pavimentación bituminosa, es deseable analizar la composición de los materiales antes de su instalación con el fin de que el material instalado tenga etc. Por ejemplo, es deseable que el hormigón asfáltico de "mezcla en caliente" utilizado para pavimentar carreteras, pistas de aterrizaje, etc. tenga una proporción predeterminada entre el aglutinante asfáltico y los áridos y una gradación predeterminada en cuanto al tamaño de los áridos para asegurar que el material tendrá unas propiedades de aplicación y desgaste adecuadas y uniformes.

Son conocidas las técnicas de pirólisis para llevar a cabo análisis tanto de contenido como de gradación, donde el aglutinante asfáltico de una muestra de asfalto se quema para dejar un residuo de áridos. Las técnicas de pirólisis se describen en líneas generales en "Historical Development of Asphalt Content Determination by the Ignition Method, " de Brown y col., y en "Solvent-Free, Nuclear-Free Determination of Asphalt Content and Gradation of Hot-Mix Asphalt Concrete, " de Todres y col., ASTM Journal of Testing and Evaluation, noviembre de 1994, 564-570.

De acuerdo con estas técnicas, se calienta una muestra de hormigón asfáltico para volatilizar y quemar el aglutinante asfáltico, separándose dicho aglutinante de la muestra y dejando un residuo de áridos. Sin embargo, si la temperatura es insuficiente puede no completarse la separación del aglutinante. Una temperatura excesiva puede conducir a una pérdida de áridos y a cambios de gradación inducidos por transformaciones químicos y choque térmico en los áridos. Se han desarrollado diversos aparatos de tipo horno para llevar a cabo la pirólisis del asfalto, incluyendo hornos que incorporan una báscula integrada que permite medir la muestra de hormigón asfáltico durante la pirólisis, tal como se describe, por ejemplo, en la Patente de Estados Unidos nº 5.081.046 de Schneider y col.

Las variaciones en las características de los lugares de instalación también pueden llevar a variaciones en las condiciones de combustión. Por ejemplo, una muestra de asfalto de mezcla en caliente se puede dividir en varias muestras que se pueden procesar en hornos diferentes, incluso en hornos diferentes de lugares de ensayo diferentes. Unas condiciones de combustión variables en cualquiera de los hornos pueden conducir a resultados inexactos o no uniformes entre los hornos. Además, una combustión no óptima puede producir efectos colaterales perjudiciales, tales como mala calidad de las emisiones, formación de depósitos de hollín en el horno y en el sistema de escape y descargas gaseosas en la zona de ensayo que pueden ser nocivas para el personal y los equipos. Las cámaras de postcombustión y los filtros pueden atrapar o quemar algunos contaminantes que de otro modo se emitirían, pero siguen sin generar las características de combustión y escape en los niveles necesarios para reducir emisiones no deseadas.

En los protocolos puestos en práctica en la actualidad, las muestras de hormigón asfáltico caliente se colocan en bandejas de acero inoxidable y se introducen en un horno precalentado a temperaturas elevadas, típicamente por encima de 500º C. Dentro del horno, la muestra se calienta por transferencia de calor de conducción y convección hasta su ignición. El calentamiento de la muestra hasta la temperatura de ignición y el quemado posterior del contenido en aglutinante asfáltico puede requerir varias horas o más. Durante la combustión se mide la pérdida de peso mediante una balanza interna incorporada en el suelo del horno, determinándose el contenido final de asfalto.

Se ha descubierto ahora que estos procesos pueden ser inherentemente inexactos debido a factores tales como una combustión incompleta, una pérdida de minerales y cambios en la gradación de los áridos. Por ejemplo, durante ciertos períodos de tiempo, la temperatura del horno puede alcanzar niveles que pueden provocar la pirólisis de parte de los áridos además del aglutinante. En particular, un calentamiento considerable puede provocar miniexplosiones en el interior de los áridos, lo que conduce a que se pierdan áridos de la muestra y que se reduzca su tamaño de partícula, lo que influye negativamente en la exactitud del ensayo en su conjunto.

El documento DE 94 19 440 se refiere al ajuste de los dispositivos de calentamiento en un aparato de análisis de aglutinantes. Para ello, se puede emitir una radiación de diferente longitud de onda dependiendo del tratamiento térmico del aglutinante. Esto conduce a un mejor análisis del aglutinante y a un suministro controlado del calor. Por otro lado, dicho documento no hace ninguna mención a un calentamiento selectivo y rápido de la muestra que conduzca a una menor emisión de gases de combustión.

SUMARIO DE LA INVENCIÓN

La presente invención utiliza la transferencia de calor por radiación para pirolizar muestras de una mezcla de pavimentación bituminosa con el fin de determinar el contenido en aglutinante del asfalto. En un aspecto más específico, la presente invención utiliza un calentador por infrarrojo que emite una radiación de una longitud de onda infrarroja predeterminada correspondiente a los espectros de absorción del aglutinante asfáltico combustible de la muestra. La radiación infrarroja calienta selectivamente el aglutinante asfáltico de la muestra mediante transferencia de calor por radiación y eleva rápidamente su temperatura hasta su punto de inflamación, cuando éste se quema. A medida que el calentador por infrarrojo continúa calentando el aglutinante inflamado, el aglutinante asfáltico presente en la muestra se quema. Además, los efluentes gaseosos emitidos por el aglutinante también se queman.

La estructura molecular de un aglutinante asfáltico típico presenta dos bandas de absorción infrarroja (IR) a 3, 4 μm y 7, 0 μm. Sin embargo, los minerales típicos de los áridos son transparentes a la radiación infrarroja de longitudes de onda de 2 μm a 7 μm. Por ejemplo, el cuarzo, el olivino y la ortoclasa tienen picos de absorción a 9 μm. Mediante la irradiación de la muestra con radiaciones de longitudes de onda dentro del espectro infrarrojo, la energía se puede transferir eficiente y directamente al aglutinante asfáltico, con una influencia mínima sobre los áridos circundantes. La radiación IR emitida tiene preferentemente longitudes de onda de entre aproximadamente 2 μm y aproximadamente 7 μm, de forma especialmente preferente entre aproximadamente 2 μm y aproximadamente 4 μm, para aproximarse lo más posible a las bandas de absorción del aglutinante asfáltico. Por tanto, el calentamiento selectivo del aglutinante tiene como resultado una reducción al mínimo de la pérdida de minerales y de la degradación térmica de los áridos circundantes, así como una ignición y combustión mucho más rápida.

De acuerdo con una realización de la presente invención, se proporciona un método para analizar el contenido en asfalto de una mezcla de pavimentación bituminosa. El método incluye los pasos de:

colocar una muestra de una mezcla de pavimentación bituminosa, que contiene áridos y un aglutinante asfáltico combustible, en un recipiente de muestras;

introducir el recipiente de muestras con la muestra de mezcla de pavimentación bituminosa en una cámara de combustión;

exponer la muestra a la radiación de un calentador infrarrojo... [Seguir leyendo]

1. Método para analizar el contenido en asfalto de una mezcla de pavimentación bituminosa, donde se calienta la mezcla de pavimentación bituminosa contiene áridos y un aglutinante asfáltico combustible, se quema el aglutinante asfáltico combustible y se mide la pérdida de peso resultante de la combustión del aglutinante asfáltico para determinar la cantidad de aglutinante asfáltico originalmente presente en la mezcla, caracterizado porque la muestra se expone a la radiación de un calentador infrarrojo (122) que emite una radiación de una longitud de onda infrarroja predeterminada correspondiente a los espectros de absorción del aglutinante asfáltico combustible para calentar selectivamente el aglutinante asfáltico de dicha muestra mediante transferencia de calor por radiación desde el citado calentador infrarrojo hasta que el aglutinante alcanza la temperatura correspondiente a su punto de inflamación y se inflama, calentándose el aglutinante inflamado de dicha muestra mediante transferencia de calor por radiación desde el calentador infrarrojo para quemar el aglutinante asfáltico presente en dicha muestra y los efluentes gaseosos emitidos por la misma.

2. Método según la reivindicación 1, caracterizado porque dicho calentador infrarrojo (122) opera a una longitud de onda de entre aproximadamente 2 y aproximadamente 7 micrómetros.

3. Método según la reivindicación 1, caracterizado porque dicho calentador infrarrojo (122) opera a una temperatura de aproximadamente 1.000º C.

4. Método según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque la muestra de la mezcla de pavimentación bituminosa se coloca en un recipiente (120) y el recipiente se introduce en una cámara de combustión (110) , incluyendo el método los pasos de disponer el calentador infrarrojo (122) por encima del recipiente para muestras (120) y orientado para que irradie radiación infrarroja en sentido descendente hacia la muestra, operar el calentador infrarrojo a una temperatura de aproximadamente 1.000º C.

5. Método según la reivindicación 4, caracterizado porque incluye el paso de calentar el calentador infrarrojo hasta dicha temperatura mediante un quemador de gas.

6. Método según la reivindicación 4, caracterizado porque incluye el paso de calentar el calentador infrarrojo hasta dicha temperatura mediante un elemento calefactor por resistencia eléctrica.

7. Método según la reivindicación 4, caracterizado porque incluye adicionalmente los pasos de permitir la entrada de un flujo de aire en la cámara de combustión a través de una entrada (109) y de descargar los efluentes gaseosos quemados de la cámara de combustión a través de una salida (111) .

8. Método según la reivindicación 7, caracterizado porque adicionalmente incluye el paso de restringir de forma regulable la entrada para controlar la entrada de aire en la cámara de combustión.

9. Método según la reivindicación 4, caracterizado porque la cámara de combustión (110) incluye un soporte (118) para recibir el recipiente para muestras, estando equipado dicho soporte con un elemento de pesaje (128) , y porque dicha muestra se pesa en este elemento de pesaje (128) tanto antes como después de la combustión de la muestra.

10. Método según la reivindicación 9, caracterizado porque incluye el paso adicional, realizado antes del citado paso de colocar el recipiente para muestras (120) con la muestra en la cámara de combustión (110) , de operar el citado calentador infrarrojo estando la cámara de combustión vacía para que el calentador infrarrojo precaliente la cámara de combustión a una temperatura no superior a 500º C.

11. Dispositivo para la pirólisis de una mezcla de pavimentación bituminosa que contiene áridos y un aglutinante asfáltico combustible, comprendiendo dicho dispositivo:

un horno (100) con un suelo (101) , una pared superior (102) y paredes laterales (103) que definen una cámara de combustión (110) ;

un soporte para muestras (118) en el interior de dicha cámara de combustión, para recibir y soportar una muestra de la mezcla de pavimentación;

una entrada de aire (109) , para permitir que la entrada de aire en la cámara de combustión;

una salida (111) , para descargar los gases de combustión de la cámara de combustión; y una fuente de radiación (122) montada dentro del citado horno, estando dicha fuente de radiación construida y dispuesta para emitir una radiación de una longitud de onda infrarroja predeterminada correspondiente a los espectros de absorción del aglutinante asfáltico combustible y orientada hacia el citado soporte para muestras, para calentar la muestra de la mezcla de pavimentación mediante transferencia de calor por radiación.

12. Dispositivo según la reivindicación 11, caracterizado porque la fuente de radiación opera a una longitud de onda predeterminada seleccionada preferentemente para transferir calor al citado aglutinante bituminoso combustible.

13. Dispositivo según la reivindicación 12, caracterizado porque la fuente de radiación (122) es un calentador infrarrojo que puede operar a una longitud de onda predeterminada correspondiente a los espectros de absorción infrarroja del citado aglutinante bituminoso combustible.

14. Dispositivo según la reivindicación 13, caracterizado porque el citado calentador infrarrojo (122) comprende un bloque (123) de un material refractario y un calentador (124) que coopera con dicho bloque refractario para calentar el bloque a una temperatura elevada, donde el bloque a dicha temperatura irradia energía en el espectro infrarrojo.

15. Dispositivo según la reivindicación 14, caracterizado porque incluye un sensor de temperatura (128) montado en el citado bloque refractario y un controlador de temperatura (124) conectado al calentador y que reacciona a dicho sensor de temperatura, para mantener el bloque refractario a una temperatura preseleccionada.

16. Dispositivo según cualquiera de las reivindicaciones 11 a 15, caracterizado porque el citado calentador (124) es un quemador de gas.

17. Dispositivo según cualquiera de las reivindicaciones 11 a 15, caracterizado porque el citado calentador (124) es un elemento calefactor por resistencia eléctrica.

18. Dispositivo según cualquiera de las reivindicaciones 11 a 15, caracterizado porque adicionalmente comprende un regulador de flujo de aire ajustable (112) que está en comunicación con la cámara de combustión y que se puede operar para controlar de forma ajustable el flujo de aire, con el fin de lograr una pirólisis esencialmente completa de los subproductos de pirólisis suspendidos en el aire.

19. Dispositivo según cualquiera de las reivindicaciones 11 a 18, caracterizado porque la fuente de radiación emite una energía de una longitud de onda de entre aproximadamente 2 y aproximadamente 7 micrómetros.

20. Dispositivo según cualquiera de las reivindicaciones 11 a 19, caracterizado porque adicionalmente incluye una bandeja para muestras (120) que se puede colocar dentro de la citada cámara de combustión sobre dicho soporte para muestras y un instrumento de pesaje (128) que coopera con el soporte para muestras para detectar los cambios de peso de la muestra que se encuentra sobre la bandeja de muestras durante la pirólisis de la mezcla de pavimentación.

21. Dispositivo según la reivindicación 20, caracterizado porque el soporte para muestras (118) comprende carriles separados entre sí dispuestos por encima del mencionado suelo y configurados para soportar la bandeja para muestras.

22. Dispositivo según la reivindicación 11, caracterizado porque

el horno incluye una puerta (113) para permitir el acceso a la cámara de combustión;

dicho soporte para mezclas (118) está configurado y dispuesto para recibir y soportar una bandeja para muestras (120) que contiene una muestra de la mezcla de pavimentación y estando previstos múltiples postes (108) soportados por dicho soporte para muestras que se extienden desde éste hacia abajo;

en el suelo (101) del horno se forman múltiples aberturas (109) y dichos postes se extienden en sentido descendente a través de estas aberturas y soportan el soporte para muestras a cierta distancia por encima del suelo del horno, definiendo dichas aberturas también una entrada de aire para permitir la entrada de aire en la cámara de combustión;

un elemento de pesaje (128) se sitúa por debajo del suelo fuera de la cámara del horno y está operativamente conectado a dichos postes para que la célula de carga detecte el peso de una muestra de la mezcla de pavimentación que se encuentra sobre la bandeja para muestras;

y dicha fuente de radiación comprende un calentador por radiación infrarroja montado dentro de la cámara de combustión junto a la pared superior, estando adaptado el calentador infrarrojo para emitir una radiación infrarroja en sentido descendente hacia la bandeja para muestras.

23. Dispositivo según la reivindicación 22, caracterizado porque el elemento de pesaje (128) es una célula de carga.