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CONINFRA 2010 – 4º CONGRESO DE INFRAESTRUCTURA DE TRANSPORTES (CONINFRA 2010 - 4º TRANSPORTATION

INFRASTRUCTURE CONFERENCE) August 4th to 6th 2010

São Paulo – Brasil

04-012 ISSN 1983-3903

CONINFRA 2010 – 4º CONGRESO DE INFRAESTRUCTURA DE TRANSPORTES (CONINFRA 2010 - 4º TRANSPORTATION INFRASTRUCTURE CONFERENCE)

August 4th to 6th 2010 São Paulo - Brasil

CASOS DE APLICACIONES TÍPICAS DE ASFALTOS MODIFICADOS CON SBC (CASE OF TYPICAL APPLICATIONS OF SBC

MODIFIED ASPHALT)

Doctor en Ciencias en Ingeniería Química. Dynasol Elastómeros, S.A. de C.V. Km. 28.5 Carretera Tampico-Mante. Altamira, Tamaulipas. México. C.P. 89600. E-mail: [email protected] RESUMEN Los copolímeros de estireno-butadieno (SBC) son polímeros de los cuales se han reportado trabajos extensos en materia de modificación de asfalto para las aplicaciones de pavimentos, impermeabilización y selladores. Su preferencia en el número de trabajos e investigaciones se fundamenta en la diversidad de familias que se pueden derivar de su combinación química de los monómeros de estireno-butadieno. En este trabajo se presenta un caso de mantenimiento de un pavimento de concreto hidraúlico severamente dañado por fatiga donde se combinan tres tecnologías de aplicación de estos polímeros, desde un sello de grietas formulado con un SBS radial, donde la temperatura de ablandamiento del asfalto modificado es superior a los 100°C, pasando por una emulsión de sello de liga, donde la base principal es una emulsión de asfalto modificado con una mezcla de copolímeros SBS + SB que promueve adherencia, sello y un tamaño de partícula promedio de micelas entre 7 y 11 µm; y, finalmente una membrana de rodamiento formulada con un asfalto modificado nuevamente con SBS radial con recuperación elástica torsional mayor a 50% y grado PG 76-22. PALABRAS CLAVE: Monómeros, fatiga, micela, asfalto modificado ABSTRACT Styrene-butadiene copolymers (SBC) are polymers which have been reported widely number of technical papers about modified asphalt for paving, roofing and sealing applications. Its preference on these papers is due to diversity of chemistry combination families from styrene-butadiene monomers. In this paper, a paving maintenance case from hydraulic concrete with high fatigue failures is showed by the combination of three application technologies using these polymers,

GABRIEL HERNÁNDEZ

ZAMORA




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starting with a crack sealer formulated with radial SBS, where softening point from modified asphalt is higher than 100°C, continuing with a bond seal emulsion, where main base is a modified asphalt emulsion with the mix of SBS + SB copolymers, improving adherence, seal and average particle size of micellas from 7 to 11 µm; and, finally a road membrane formulated with radial SBS with a torsion elastic recovery higher than 50% and PG 76-22 grade. KEY WORDS: Monomers, fatigue, micella, modified asphalt




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INTRODUCCIÓN El uso de asfalto modificado con polímeros para diferentes aplicaciones dentro de los procesos de construcción de pavimentos ha sido ampliamente reportado en diferentes foros y trabajos técnicos. Sin embargo, la mayoría de estos trabajos se han especializado fundamentalmente en el uso de dicho asfalto modificado para lo que se conoce como la mezcla en caliente, es decir la mezcla del asfalto con el agregado, la cual se utiliza como principal uso para construir carpetas de rodamiento. La modificación de asfalto con polímeros ofrece muchas ventajas en el asfalto terminado, entre las cuales se pueden destacar las siguientes propiedades:

1) Incremento de la temperatura de desempeño del asfalto (Grado PG). De acuerdo a la norma SHRP-SUPERPAVE, de un asfalto virgen normal cuyo intervalo de desempeño se mueve en promedio entre 64°C por el lado superior y -6°C por el lado inferior, el cual puede mejorar para llegar hasta 82°C por el lado superior y por el lado inferior hasta -28°C.

2) Alta recuperación elástica, que permite evitar las roderas derivadas del tránsito vehicular. 3) Viscosidad aceptable, que permite bombearlo y manejarlo con los equipos convencionales

para el asfalto virgen. 4) Mejor agarre por fricción de los neumáticos. 5) Reducción de ruido por rodamiento comparado contra el concreto.

Este trabajo presenta diferentes aplicaciones de copolímeros de estireno-butadieno con diferente forma de estructura molecular y en diferentes aplicaciones de asfalto modificado que incluye selladores, emulsiones de asfalto modificado y agente ligante de mezcla en caliente. El objetivo principal fue dar mantenimiento a la avenida Montufar, localizada en la zona centro de la ciudad de Guatemala. Esta calle es un camino donde confluye tránsito muy alto (nivel IV de acuerdo a la clasificación mexicana de la tabla 1) y es una de las principales arterias de comunicación en Guatemala. El pavimento original era un concreto hidraúlico o mortero con 30 años de antigüedad que presenta principalmente fatiga dinámica (agrietamiento severo) y huecos provocados por el desprendimiento de fallas de concreto. El plan de mantenimiento consistió en el sellado de las grietas usando un sellador termofundible de asfalto modificado, posteriormente la aplicación de un sello de liga con una emulsión de asfalto modificado con polímero y finalmente la aplicación de una capa de rodamiento de 4 centímetros de espesor de mezcla en caliente usando un asfalto modificado con polímero y agregado de 3/8 de pulgada.




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Tabla 1.- Niveles de diseño en función del número de ejes equivalentes.

NIVEL NUMERO DE

EJES EQUIVALENTES

DESIGNACIÓN DE

TRÁNSITO

EJEMPLOS DE CARRETERAS DE USO.

I

Menor a 1,000,000

Tránsito bajo

Carreteras alimentadoras.

Carreteras estatales y municipales.

Calles urbanas.

II Entre 1,000,000

y 10,000,000

Tránsito medio

Carreteras estatales.

Vialidades urbanas.

III Entre 10,000,000

y 30,000,000

Tránsito alto

Autopistas de cuota.

Carreteras federales.

IV

Mas de 30,000,000

Tránsito muy alto

Carreteras federales troncales.

Autopistas de cuota importantes.

Vialidades suburbanas en ciudades muy grandes.

DESARROLLO La calle Montufar es una de las arterias más transitadas de la ciudad de Guatemala que atraviesa las zonas comerciales de mayor importancia de la ciudad. El pavimento original consiste de un concreto hidráulico, el cual tiene más de 30 años de haber sido colocado y aún cuando se intento dar mantenimiento la ruta presento fallas grandes entre las cuales se encontraban: huecos, fisuración por fatiga (agrietamiento severo y abundante), grietas longitudinales y transversales, algunas de estas se muestra en las figuras 1 y 2.

Figura 1.- Algunos tramos de la calle Montufar con fallas estructurales.




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Figura 2.- Fallas estructurales de la avenida Montufar después de ser limpiadas.

Para llevar a cabo el mantenimiento de la calle mencionada se propone hacer un rayado de la vía de dos milímetros de profundidad con una fresadora, se retiró el material asfáltico que alguna vez fue usado como sello y se dio limpieza de la vía con el uso de aire con objeto de dejar las fallas lo más expuestas posible como se ve en la figura 2. Como estrategia de aplicación de asfalto modificado se propone inicialmente el uso de un sellador de grietas, posteriormente se prepara una emulsión de asfalto modificado para aplicar un sello de liga que permita la adherencia entre el concreto hidráulico y el concreto asfáltico aplicado al final en una capa de rodamiento de 4 centímetros de espesor. Para cada una de las aplicaciones mencionadas se utilizaron alguno de los polímeros de tipo elastómeros termoplásticos de estireno-butadieno que se presentan en la figura 3, o combinación de ellos.

Figura 3.- Elastómeros de estireno-butadieno para formulaciones de las aplicaciones de asfalto

modificado.




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Aplicación 1: Sellador de grietas de asfalto modificado termofundible. La aplicación de un sellador asfáltico para sello de grietas de un pavimento con fatiga extrema (agrietamiento severo y abundante, grietas longitudinales y transversales) se realiza típicamente con el uso de una antorcha o soplete que funde la masa asfáltica y esta se va deslizando en el estado fundido sobre la grieta a fin de que el sellador penetre y cubra toda la falla. El tipo de polímero utilizado para modificar el asfalto fue una mezcla de SBS radial con SEBS cuyas estructuras se describen en la figura 3 y las propiedades de estos materiales de forma individual se describen en la tabla 2.

Tabla 2.- Propiedades de los polímeros usados en la formulación del sellador. PROPIEDAD Método o

técnica de medición.

SBS RADIAL SEBS

Contenido de estireno en la estructura, %

peso/peso

RMN-H1 30 30

Contenido de butadieno en la estructura, %

peso/peso

RMN-H1 70 0

Contenido de fracción de etileno-butileno en

la estructura, % peso/peso

RMN-H1 0 70

Viscosidad Brookfield, cP

ASTM D4402 20,000 (a) 1,900 (b)

Principales propiedades

que imparte en el sellador

-----

- Reforzamiento. -Estabilidad mecánica en frío. -Recuperación elástica.

- Estabilidad térmica a la flama. - Flujo del sellador en estado fundido. - Adherencia del sellador a la superficie de concreto hidraúlico.

Notas: (a) Solución de polímero en tolueno con 25% de sólidos. (b) Solución de polímero en tolueno con 20% de sólidos.

Para llevar a cabo la modificación de asfalto con polímero para formular el sellador se usó un sistema de proceso como el que se describe en la figura 4, y que es el mismo que se usó para modificar el asfalto con cualquiera de los tipos de polímero mencionados en este trabajo para las diferentes aplicaciones que posteriormente se trataran. Las condiciones de mezclado para los polímeros usados en el sellador fueron: temperatura de mezclado de 190 + 5°C, a una velocidad de agitación de 1200 rpm por 5 horas en un volumen del tanque de agitación del asfalto de 30000 litros. El producto una vez modificado se enfrió a 160°C y se transfirió mediante bombeo a cuñetes de cartón prensado para ser transportados ya fríos a la zona de prueba para su aplicación.




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El polímero tipo SEBS permite que el asfalto una vez modificado y enfriado se pueda volver a fundir con una antorcha o soplete sin degradar los polímeros, pues su carácter termoplástico y saturado lo hace resistir la temperatura del la flama, y ofrece una alta estabilidad térmica como indicaron resultados de diseño hechos a nivel laboratorio que se presentan en la figura 5, donde se realizó un estudio dinámico de estabilidad térmica colocando diferentes formulaciones de sellador a 225°C en un viscosímetro Brookfield y observando el incremento acelerado de la viscosidad que indica degradación del material. Aunque los experimentos a nivel laboratorio fueron hechos a varias concentraciones se eligió para la formulación del sellador un contenido de 2% de polímero radial, 2% de polímero SEBS y 96% de asfalto grado AC-20 proveniente de la refinería de Perenco en Guatemala, y la razón de combinar el SEBS con SBS fue para optimizar costos. Las propiedades del sellador se presentan en la tabla 3 y se comparan contra el asfalto de origen.

Figura 4.- Sistema de proceso utilizado para modificar el asfalto con polímeros de estireno-butadieno.




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0

5000

10000

15000

20000

0 200 400 600 800 1000 1200 1400

Tiempo, minutos

Visc

osid

ad B

rook

field

, cP

SEBS

SBS RADIAL

ASFALTO VIRGEN

SBS RADIAL/SEBS

Figura 5.- Envejecimiento térmico de mezcla asfáltica en viscosímetro Brookfield a temperatura

constante de 225°C y concentración de polímero en asfalto de 4% peso/peso. Tabla 3.- Propiedades del sellador asfáltico para aplicación por termofundido, comparadas contra el

asfalto virgen de origen sin modificar. PROPIEDADES METODO

DE MEDICIÓN

AC-20 VIRGEN SELLADOR ASFALTICO A BASE DE SBS RADIAL +

SEBS Temperatura de

ablandamiento de anillo y bola, °C

ASTM D36 51 115

Penetración a 25°C, 1/10mm

ASTM D5 80 25

Recuperación elástica torsional, %

N-CMT-4-05-002/06

6 62

Viscosidad Brookfield a 160°C, cP

ASTM D4402

167 2967

La figura 6 presenta el sellador asfáltico aplicado sobre las grietas del concreto hidraúlico que será la base del nuevo pavimento de asfalto.




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Figura 6.- Aplicación de sellador en todas las grietas del pavimento de concreto que servirá como

base. Aplicación 2: Emulsión de asfalto modificado para sello de liga. Para llevar a cabo la preparación de la emulsión de asfalto modificado con polímero primero se ablando el asfalto (proceso de fluxado) con 4% de un aditivo tipo aceite aromático, con objeto de reducir la viscosidad Brookfield del asfalto modificado final, para facilitar la elaboración de la emulsión, este proceso se realizo en un sistema como el descrito en la figura 4 por 30 minutos a 150°C. Una vez ablandado el asfalto se adicionó 2.4% peso/peso de mezcla de polímeros SBS lineal con SB dibloque en una relación porcentual de peso de 80:20, esta mezcla de polímeros presenta las características que se describen en la tabla 4. Para llevar a cabo la modificación del asfalto fluxado con polímero se usó el mismo sistema de la figura 4 del tanque de 30,000 litros provisto de calentamiento, a temperatura de 190 + 5°C y 1200 rpm por un tiempo de 3 horas de agitación. La viscosidad final del asfalto modificado a 135°C fue de 600 cP.




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Tabla 4.- Características de la mezcla de polímeros SBS + dibloque SB que se usó en la emulsión de asfalto modificado.

PROPIEDAD Método o técnica de medición.

MEZCLA DE SBS LINEAL + DIBLOQUE SB(a).

Contenido de estireno en la estructura, % peso/peso

RMN-H1 30

Contenido de butadieno en la estructura, %

peso/peso

RMN-H1 70

Viscosidad Brookfield, cP

ASTM D4402 3000 (b)

Principales propiedades que imparte en la emulsión de asfalto modificado para sello de liga.

-----

- La fracción SBS lineal favorece el reforzamiento del residuo asfáltico cuando se evapora el agua. - El dibloque SB favorece la adherencia del asfalto modificado al concreto hidraúlico. - La mezcla SBS lineal + dibloque SB favorece en su conjunto la recuperación elástica en el residuo asfáltico.

Notas: (a) La mezcla SBS Lineal + SB dibloque se obtiene en forma de pellets de forma comercial. (b) Solución de polímero en tolueno con 25% de sólidos. Una vez modificado el asfalto se llevo a cabo la formulación de la emulsión catiónica de rompimiento rápido con el uso de agentes emulsificantes tipo diamina, de acuerdo a la formulación que se presenta en la tabla 5 y el diagrama de proceso que se aplico para lograr la emulsión se muestra en la figura 7, donde se hace pasar el asfalto modificado con la solución de jabón por un molino coloidal.

Tabla 5.- Formulación utilizada para formular una emulsión catiónica de rompimiento rápido.

INGREDIENTE UNIDAD CONTENIDO FORMULACIÓN DE LA SOLUCIÓN DE JABÓN.

Agua Litros 4700 Agente emulsificante tipo diamina Kilos 49

Ácido clorhídrico a 37% de volumen (el objetivo es conseguir pH=2 en la solución de jabón)

Litros 36

FORMULACIÓN DEL ASFALTO MODIFICADO. Asfalto AC-20 % peso/peso 93.7

Polímero (mezcla SBS lineal + SB dibloque) % peso/peso 2.4 Contenido de fluxante aromático % peso/peso 3.9

PROPIEDADES DE LA EMULSIÓN DE ASFALTO MODIFICADO. Contenido de residuo asfáltico en la emulsión % peso/peso 66

Residuos retenidos en malla 20 % peso/peso 0.03 Viscosidad Saybolt Furor a 50°C segundos 103

Diámetro de partícula (micela) por microscopía Micras 7




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Figura 7.- Proceso para elaborar la emulsión de asfalto modificado.

La figura 8 presenta la aplicación y tendido de la emulsión catiónica de asfalto modificado usando una petrolizadora a una razón 0.8 litros / m2 sobre el concreto hidráulico fresado y recordando que las grietas fueron cubiertas con el sellador de asfalto modificado.

Figura 8.- Tendido de la emulsión catiónica de rompimiento rápido como sello de liga.

Aplicación 3: Carpeta de rodamiento con base de asfalto modificado. Para llevar a cabo la formulación de asfalto modificado con polímero se usó un SBS radial con una estructura similar a la que se uso para el sellador, y que se presentó en la figura 3. Las características de este grado polímero SBS radial son las mismas que se describen en la tabla 2.




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Típicamente el protocolo SHRP-SUPERPAVE define las formulas (1) y (2) como opciones para el cálculo de los límites de temperatura máximo y mínimo para selección de un grado PG en particular. Para el cálculo del límite superior: Tsup = 0.9545 ( γ - 0.00618 x φ2 + 0.2289 x φ + 42.2) – 17.78 Formula (1) Para el cálculo del límite inferior: Tinf = - (0.859 x ϕ + 1.7) -10 Formula (2) Donde: Tsup = Temperatura máxima característica del pavimento a 20 centímetros de profundidad y expresada en grados centígrados. γ = Temperatura máxima del aire (temperatura promedio de las temperaturas mas cálidas del año en siete días consecutivos en grados centígrados). φ = Latitud del lugar considerado en grados sexagesimales. Tinf = Temperatura mínima característica del pavimento en grados centígrados. ϕ = Temperatura mínima absoluta anual del aire en grados centígrados. En base a las formulas anteriores se definió el diseño de un asfalto modificado para la obra grado PG 76-22. Para lograr el grado PG definido antes, se usó la formulación que se describe en la tabla 6 y el asfalto modificado resultante presento las propiedades que se describen en esta misma tabla.

Tabla 6.- Formulación de asfalto modificado para mezcla en caliente. INGREDIENTE METODO DE

MEDICIÓN CONTENIDO, % peso/peso

Asfalto AC-20 Gravimetría 97.8 SBS radial Gravimetría 2.2

PROPIEDADES DEL ASFALTO MODIFICADO. PROPIEDAD METODO VALOR

Temperatura de ablandamiento de anillo y bola, °C

ASTM D36 59

Penetración a 25°C, 1/10mm

ASTM D5 55

Viscosidad Brookfield a 135°C, cP

ASTM D 4402 1200

Recuperación elástica torsional, %

N-CMT-4-05-002/06 53

Módulo de corte reológico a 76°C, kPa

AASHTO T240 3.02

Ángulo de fase a 76°C, grados

AASHTO TP5 74




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Para llevar a cabo la modificación del asfalto se uso el mismo sistema de proceso descrito en la figura 4, calentando el polímero a 190 + 5°C, a 1200 rpm por 3 horas. El diseño de la mezcla en caliente con agregado se definió usando un agregado de basalto con granulometría de 3/8 de pulgada (9.5 milímetros) con un contenido de asfalto modificado en la mezcla de 5% peso/peso para lograr una mezcla densa. Para llevar a cabo la mezcla en caliente se uso una planta Aztec y a partir de las mediciones de viscosidad obtenidas en una curva de viscosidad versus temperatura se definió el control de temperatura de mezclado de 155°C y para la compactación de la mezcla se definió una temperatura de 137°C. La carpeta de rodamiento se definió en 4 centímetros de espesor. La compactación se manejo a partir de 137°C y antes de que la mezcla alcanzara una temperatura mínima de 115°C. La figura 9 resume el tendido de la carpeta de rodamiento.

Figura 9.- Elaboración de la mezcla en caliente y tendido de la carpeta: (a) Planta de mezclado

asfalto-agregado; b) Salida de la mezcla; c) Tendido y compactado de carpeta; y, d) Detalle de vista de carpeta de rodamiento (izquierda) y sello de liga de la emulsión (derecha).

CONCLUSIONES La construcción y mantenimiento de pavimentos exige el uso de diferentes alternativas que ofrezcan calidad y costo óptimo. En este trabajo se presentan alternativas para re-encarpetar un pavimento que originalmente era de concreto hidráulico, el cual se mantuvo como base para una nueva carpeta de rodamiento pero ahora en base a concreto asfáltico.




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La decisión se considera porque el concreto hidráulico de origen presenta diferentes fallas estructurales siendo fatiga dinámica o piel de cocodrilo la que mayormente se observaba. Con objeto de no remover el pavimento de concreto con fallas, se usa como primera medida de mantenimiento el sellado de las grietas y hoyos con un sellador termofundible que presenta alta resistencia a la temperatura de aplicación de la flama que proviene de una antorcha o soplete. Para que el asfalto obtenga estas características de resistencia térmica se utiliza una mezcla de polímeros tipo SBS radial y SEBS; siendo este último el que imparte las características de resistencia térmica y el primero complementa las propiedades ofreciendo resistencia mecánica y recuperación elástica al sellador. Como segunda medida de mantenimiento sobre el concreto con las fallas selladas se coloco una emulsión de rompimiento rápido formulada con un asfalto modificado con un SBS lineal. Típicamente el asfalto cuando se modifica con polímeros incrementa su viscosidad; sin embargo, se uso un aditivo fluxante aromático para ablandar el asfalto modificado formulado que permitió mantener baja viscosidad sin afectar las propiedades de la emulsión. Esta emulsión se uso para formar un sello superficial del pavimento de concreto que sellara el total de fallas (microfallas) que pudieran haber quedado después de la aplicación del sellador, y a la vez servir como medio ligante o adherente de la carpeta de rodamiento de concreto asfáltico. Dado que esta mezcla asfáltica también iba a usar un asfalto modificado, la afinidad es mayor cuando se tiende la liga con una emulsión de asfalto modificado con polímeros de la misma naturaleza. La carpeta de rodamiento se formulo para compactar una mezcla densa formulada con agregado tipo basalto de granulometría de 3/8 de pulgada. En este trabajo se define que el asfalto utilizado se formule con un SBS radial para alcanzar un grado PG 76-22 la cual se formulo a 155°C y se compacto a una temperatura inicial de 137°C evitando terminar la compactación por debajo de 115°C. Las temperaturas de mezclado y compactación se obtienen del gráfico de viscosidad versus temperatura que resulta de la caracterización del asfalto modificado mediante la medición de viscosidad Brookfield con tres puntos de temperatura. Se mencionan los detalles más importantes del proceso para modificar el asfalto y para llevarlo al estado de emulsión de rompimiento rápido; así como las formulaciones. En resumen, el trabajo que se presenta expone la experiencia de tres formas de uso del asfalto modificado con copolímeros de estireno-butadieno para reconstruir una vialidad de alto tránsito, ofreciendo ventajas no solo económicas sino algunas otras que se pudieron apreciar durante la obra como: reconstrucción más rápido en comparación con la demolición, remoción y colocación de nuevo concreto hidráulico, apertura rápida al tráfico (toda la obra se concreto en una noche de trabajo) y reducción notable del ruido por rodamiento una vez abierto el tráfico. BIBLIOGRAFÍA Diseño de mezclas asfálticas de granulometría densa de alto desempeño, Protocolo AMAAC, Asociación mexicana del asfalto, Octubre 2008. www.amaac.org.mx




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ASPHALT INSTITUTE. Principios de construcción de pavimentos de mezcla asfáltica en caliente. Lexington, Kentucky, USA 1992.

LEWANDOWSKI, L.H., Polymer modification of paving asphalt binders, Rubber chemistry and technology, 67 (1994).

ASPHALT INSTITUTE. Basic asphalt emulsion manual, , Lexington, Kentucky, USA 2008.

PEN WU S., Pang L., Lian T.M., et al, Construction and building materials, 23 (2009). Páginas 1005 – 1010.

AIREY, G.D., Fuel, 82 (2003). Páginas 1709 – 1719.

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