Correlaciones entre índices/indicadores químicos y reológicos del envejecimiento del ligante asfáltico a altas temperaturas

Por qué el envejecimiento de las carreteras importa a todo el mundo

Cualquiera que haya circulado por un pavimento con surcos o grietas ha experimentado lo que ocurre cuando las carreteras envejecen. En el núcleo de cada vía de asfalto hay un material pegajoso, similar al alquitrán, llamado ligante, que une las piedras. Tras años de sol, calor y aire, este ligante se endurece y se vuelve más frágil, cambiando el comportamiento de la carretera bajo el tráfico. Este estudio explora cómo los cambios químicos dentro del ligante se manifiestan como variaciones en su flujo y rigidez, con el objetivo de facilitar la predicción de cuándo las carreteras se formarán surcos o grietas y cómo gestionar los materiales reciclados con mayor seguridad.

Cómo cambia el asfalto con el tiempo y el tráfico

El ligante asfáltico está compuesto por muchas moléculas orgánicas diferentes que reaccionan con el oxígeno del aire. Durante el mezclado y el extendido, el ligante se expone a altas temperaturas y al aire, lo que provoca una primera oleada de envejecimiento que ya endurece el pavimento nuevo antes de que pase el tráfico. Luego, a lo largo de años de servicio, continúa un envejecimiento más lento bajo la acción combinada del calor, el oxígeno, la luz solar y la humedad. Este proceso a largo plazo aumenta aún más la rigidez: las carreteras pueden resistir mejor la formación de surcos permanentes a temperaturas altas en verano, pero también se vuelven menos flexibles y más propensas a la fatiga y a las grietas por frío. Con el cambio climático trayendo más olas de calor y con el uso creciente de pavimento de asfalto recuperado (RAP), comprender este equilibrio entre un envejecimiento “bueno” y uno “malo” se ha vuelto cada vez más importante.

Sondeando la química y la sensación del ligante

Los investigadores estudiaron tres ligantes asfálticos comunes de diferentes grados de blandura y los sometieron a envejecimientos a corto y largo plazo controlados en laboratorio. Utilizaron un horno de película delgada en rotación para imitar el calentamiento y la exposición al aire durante el mezclado, y luego uno a tres ciclos en un vaso de envejecimiento a presión para simular años de envejecimiento en servicio. Para seguir los cambios químicos, emplearon luz infrarroja para medir el crecimiento de grupos ricos en oxígeno que se forman a medida que el ligante se oxida. Estas señales se combinaron en un único “índice de envejecimiento” que aumenta conforme la química del ligante se aleja de su estado inicial. En paralelo, midieron qué tan fácilmente fluye y se deforma el ligante a altas temperaturas usando instrumentos que torsionan o hacen rotar pequeñas muestras, extrayendo magnitudes relacionadas con la viscosidad, la rigidez bajo cargas oscilantes y modelos viscoelásticos más detallados.

La primera etapa hace la mayor parte del daño

En los tres ligantes, todos los indicadores de envejecimiento se movieron en la misma dirección: aumentó la oxidación química, subió la rigidez a altas temperaturas y creció la resistencia del ligante al flujo. El salto fue especialmente pronunciado después del primer ciclo de envejecimiento a largo plazo; los ciclos posteriores siguieron incrementando el envejecimiento pero en cantidades menores. Este patrón se observó en el índice basado en infrarrojos, en la llamada viscosidad a cizallamiento cero que representa cómo fluiría el ligante ante una carga muy lenta, y en un parámetro de afloramiento ampliamente utilizado que refleja cuánto resistirá un pavimento las depresiones permanentes en la huella de la rueda. Parámetros de un modelo viscoelástico avanzado, que describen cómo el ligante pasa de un comportamiento elástico a uno viscoso, también aumentaron de forma sistemática con el envejecimiento y resultaron ser sensibles al proceso de endurecimiento.

Patrones sencillos vinculan la química con el rendimiento

Al comparar todas las mediciones, el equipo encontró relaciones claras y matemáticamente sencillas entre los indicadores químicos y mecánicos. Para un grado de ligante dado, el índice de envejecimiento por infrarrojos aumentó de forma lineal con el logaritmo de la viscosidad a cizallamiento cero y con un parámetro clave del modelo que da forma a la curva de rigidez. El parámetro de afloramiento mostró una fuerte conexión de ley de potencias con el índice químico y un vínculo exponencial con la viscosidad a cizallamiento cero. La viscosidad rotacional a altas temperaturas —que es relativamente fácil y común de medir en la práctica— se alineó estrechamente con el parámetro de afloramiento en todos los ligantes probados y también se relacionó de forma sólida con la medida de viscosidad más compleja. Estas tendencias se mantuvieron de manera consistente dentro de cada grado de ligante, y algunas, como la relación entre la viscosidad simple y la rigidez frente al afloramiento, siguieron siendo fuertes incluso al combinar todos los grados procedentes de la misma fuente de crudo.

Convertir tendencias en herramientas prácticas

Para un lector no especialista, el mensaje clave es que la misma química de oxidación que endurece lentamente los ligantes de carreteras deja una huella clara en cómo esos ligantes fluyen y se deforman bajo carga. Al mostrar que un tipo de medida (por ejemplo, una prueba rápida de viscosidad) sigue de manera fiable a otras (como espectros químicos detallados o modelos avanzados de rigidez) dentro de una familia de ligantes, este trabajo sienta las bases para controles más simples y basados en datos sobre el envejecimiento de las carreteras. Los ingenieros podrían calibrar estas líneas de tendencia con unas pocas mediciones y luego usar pruebas más accesibles como sustitutas de otras más difíciles o costosas. En última instancia, eso puede ayudar a las agencias de carreteras a diseñar pavimentos, elegir contenidos de RAP y planificar el mantenimiento de formas que equilibren la resistencia al afloramiento frente al riesgo de agrietamiento, prolongando la vida del pavimento y aprovechando mejor los materiales.

Cita: Taheri, A., Khodaii, A. & Hajikarimi, P. Correlations among chemical and rheological aging indices/indicators of asphalt binder at high temperatures. Sci Rep 16, 9186 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-40007-6

Palabras clave: envejecimiento del asfalto, durabilidad de pavimentos, oxidación del ligante, reología, asfalto reciclado