Por: Ing. Karen de Vadillo
Gerente de Control de Calidad de ASFALCA, S.A. DE C.V.
Fecha de elaboración: Agosto 2016
La viscosidad de un fluido es la medida de su resistencia a la deformación gradual mediante esfuerzo de corte o fuerza de tensión.
Imaginemos un bloque sólido (no fluido) sometido a una fuerza tangencial (por ejemplo: una goma de borrar sobre la que se sitúa la palma de la mano que empuja en dirección paralela a la mesa.) En este caso (a), el material sólido opone una resistencia a la fuerza aplicada, pero se deforma (b), tanto más cuanto menor sea su rigidez.
Si imaginamos que la goma de borrar está formada por delgadas capas unas sobre otras, el resultado de la deformación es el desplazamiento relativo de unas capas respecto de las adyacentes, tal como muestra la figura (c).
Fig. 1: Esquema del desplazamiento relativo de las capas.
En los líquidos, el pequeño rozamiento existente entre capas adyacentes se denomina viscosidad.
Fig. 2: Comparación de la fluidez del agua y la melaza debido a su diferencia de viscosidad.
Fig. 3: Efecto de la viscosidad en la fluidez de los aceites lubricantes
El dispositivo usado para la medición de la viscosidad se llama viscosímetro.
El viscosímetro Saybolt controla el calentamiento del fluido, y la viscosidad del mismo, es el tiempo que le toma al fluido para llenar un contenedor aforado.
Fig. 4: Principio en que se basa el ensayo de Viscosidad Saybolt
Este tipo de viscosímetros de galerías de flujo o vertederos, son los más comúnmente usados para el trabajo de campo de medir la viscosidad de aceites, siropes, barnices, pinturas y emulsiones asfálticas.
El viscosímetro Saybolt ha sido por mucho tiempo, el equipo estándar para la medición de la viscosidad de los productos del petróleo y la base del ensayo es similar a la de los viscosímetros capilares para asfalto.
Fig. 5: Ejemplos de viscosímetros Saybolt
El tiempo de flujo de un volumen determinado se mide a través de un orificio fijo en el fondo de la galería para representar la viscosidad del fluido.
Fig. 6 De izquierda a derecha: (a) Viscosímetro Saybolt; (b) inicio de la medición;
(c) medición; y (d) final de la medición.
Para obtener una alta exactitud el líquido dentro de la galería con su orificio están a una temperatura controlada, sumergidos en un baño termostáticamente controlado.
Hay dos tipos de orificios disponibles:
• El Universal, que reporta la viscosidad en unidades de Segundos Saybolt Universal (SSU)
• El Furol, que es el que se utiliza para las emulsiones asfálticas, y reporta la viscosidad en Segundos Saybolt Furol (SSF)
Estas unidades denotan el tiempo en segundos que se tarda en llenar una botella de 60 ml, la cual esta estandarizada para este ensayo.
Fig. 7: Esquema de funcionamiento del Viscosímetro Saybolt
Fig. 8: Medidas de las galerías de flujo del Viscosímetro Saybolt y diferencia entre la punta con orificio Universal y orificio Saybolt
Pero, porqué es importante medir la viscosidad de las emulsiones asfálticas?
Porque la trabajabilidad y la fluidez de las emulsiones está controlada por la viscosidad y el residuo asfáltico. Por ejemplo, tener la viscosidad apropiada evita el escurrimiento de la emulsión en un tratamiento superficial. Las emulsiones deben ser lo suficientemente livianas para poder ser atomizadas y lo suficientemente espesas para no fluir desde la coronilla hasta el hombro. Cuando se hacen mezclas con emulsiones asfálticas la viscosidad afectara su trabajabilidad y el espesor de la película resultante sobre el agregado.
FUNDAMENTO DEL VISCOSIMETRO ROTACIONAL
El viscosímetro rotacional es un equipo para la determinación de la viscosidad usando el principio rotacional; el cual consiste en la rotación de un cilindro o disco, conocido como geometría o husillo, sumergido en la muestra y a una velocidad constante.
La resistencia generada por el producto sobre la geometría es directamente proporcional a la viscosidad. Se trata de un equipo muy versátil utilizado en laboratorio de control de calidad y líneas de producción industriales.
El viscosímetro rotacional funciona por el principio de rotación de un cilindro o bien un disco sumergido en el material que se debe probar, midiendo la fuerza de torsión necesaria para superar la resistencia viscosa de la rotación. El cilindro o disco (geometría) esta acoplado con un muelle a un motor que gira a una velocidad determinada. El ángulo de desviación del eje se mide electrónicamente dando la medida de la fuerza de torsión.
A partir de las medidas de la fuerza de torsión, se da la velocidad del eje y de sus características, el viscosímetro nos da una lectura directa de la viscosidad en centipoises (mPa.s). El equipo dispone de varias geometrías y de una gama amplia de velocidades, que permite medir viscosidades dentro de un intervalo grande.
Para cualquier líquido de viscosidad determinada, la resistencia al avance crece proporcionalmente a la velocidad de rotación de la geometría o del tamaño de la misma. El viscosímetro está construido para tener en cuenta la velocidad seleccionada y el tipo de geometría seleccionada para dar los resultados en cP. La combinación de velocidades y geometrías, permiten elegir una escala óptima para cualquier medición, dentro de la gama del aparato.
Los cambios de rango se pueden realizar utilizando la misma geometría y diferentes velocidades para determinar las propiedades reológicas de un material.
Fig. 9: Principio de funcionamiento del viscosímetro rotacional
Fig. 10: Ejemplos de geometrías para viscosímetro rotacional
De acuerdo a la Transportation Research Circular E-C182 del año 2014, desde el año 2012 se han hecho estudios de interlaboratorio donde se comparan resultados usando el Viscosímetro Saybolt y el Viscosímetro rotacional de paleta, el cual obedece a la norma ASTM D 7226 “Standard Test Method for Determining the Viscosity of Emulsified Asphalts Using a Rotational Paddle Viscometer”.
Dicho estándar apareció por primera vez en la edición 2006 del volumen 04.03 de ASTM. Actualmente la versión vigente data de la edición 2013.
Este método de ensayo usa un viscosímetro rotacional para medir la viscosidad aparente de las emulsiones asfálticas con rango entre 30 y 1500 mPa (centipoises) a 50 °C (122 °F), 25 °C u otra temperatura de referencia, y aplica a todas las emulsiones especificadas en ASTM D 977 and D 2397.
En la edición de normas ASTM del 2013 cambia la versión de la ASTM D 2397 “Standard Specification for Cationic Emulsified Asphalt” para incluir la Tabla 2 de especificaciones en la cual ya se considera al Viscosímetro rotacional de paleta para la medición de la viscosidad.
El viscosímetro rotacional digital de paleta está diseñado para medir con exactitud la viscosidad de las emulsiones asfálticas, suspensiones, combustibles marinos, aceites residuales, lechadas, pinturas y materiales similares en un rango entre 30 a 3,000 mPas. Los resultados se obtienen en menos de 30 min a temperaturas de 25°C, 40°C, 50°C, 80°C y 100°C con una exactitud de ±5% o mejor.
En este viscosímetro la geometría utilizada es una paleta estándar.
Fig. 11 De izquierda a derecha: (a) Viscosímetro rotacional digital de paleta; (b) cargando la muestra; (c) colocando la paleta y la sonda de temperatura dentro de la muestra; (d) sonda de temperatura y paleta.
ASTM desarrollo dos Estudios de Interlaboratorio (ILS) para los viscosímetros Saybolt y el digital de paleta, usando muestras de emulsiones asfálticas que normalmente se usan en la industria, incluyendo emulsiones modificadas con polímeros.
Las declaraciones de precisión fueron obtenidas de la participación de 17 laboratorios y fueron seguidas por un segundo ILS en el cual participaron otros 15 laboratorios. Los participantes incluyeron un 29% de usuarios, 47% de productores y 24% de laboratorios independientes.
Las declaraciones de precisión encontradas para el Viscosímetro Saybolt se muestran en la Tabla 1, y en la Tabla 2 para el Viscosímetro rotacional de paleta:
Fig. 12: Precisión para viscosímetros Saybolt y rotacional de paleta.
La correlación de la viscosidad usando los dos tipos de viscosímetros anteriores es la más alta, comparada con otros tipo de viscosímetros rotacionales:
Fig. 13: Correlación entre el Viscosímetro Saybolt vrs Viscosímetro rotacional de paletas
VENTAJAS DEL VISCOSÍMETRO SAYBOLT
• Si tiene un medidor digital para medir la temperatura, las lecturas son más precisas y exactas.
• Se puede obtener una temperatura uniforme del baño.
• La viscosidad puede ser directamente comparada para dos o más líquidos.
DESVENTAJAS DEL VISCOSÍMETRO SAYBOLT
• La principal desventaja de los viscosímetros de tubo capilar es el error que aumenta debido a la perdida de cabeza de presión y otros parámetros.
• Los viscosímetros de galerías tienen algunas inexactitudes inherentes.
• La medida se hace rápido (5 a 6 min máximo, dependiendo del tipo de emulsión), pero la preparación de la muestra y la limpieza del equipo ocupa más del 90% del tiempo del laboratorista (aproximadamente más de 1h) para determinar la viscosidad de una muestra.
• Adicionalmente se requiere el uso de equipo auxiliar como horno o baño de agua para acondicionar la muestra.
VENTAJAS DEL VISCOSÍMETRO ROTACIONAL DE PALETAS
• Para ensayar una muestra el operador llena la copa hasta la línea de llenado, coloca la copa en la bandeja insulada, y la eleva hasta enganchar en la posición de ensayo. Un toque en el teclado inicia el ensayo.
• La mayoría de ensayos se pueden completar en menos de 30 minutos.
• No requiere la supervisión del operador una vez el ensayo ha comenzado.
• Cuando el ensayo termina la viscosidad es automáticamente calculada y mostrada en pantalla.
• La limpieza es rápida y conveniente, solo hay que remover la paleta y la copa de la muestra del sostenedor.
• Es un instrumento de estructura compacta, de gran estabilidad en las medidas y alta exactitud y precisión.
• Las mediciones pueden realizarse durante periodos prolongados.
DESVENTAJAS DEL VISCOSÍMETRO ROTACIONAL DE PALETAS
• Son equipos que requieren de conjuntos mecánicos complejos y por tanto de asistencia técnica especializada.
• Muy pocos proveedores del equipo.
• Alto costo de compra.
REFERENCIAS
Viscosímetro Saybolt http://es.slideshare.net/beerappa143/saybolt-viscometer
https://es.wikipedia.org/wiki/Viscosidad
Progress Toward Performance-Graded Emulsified Asphalt Specifications, Transportation Research Circular Number E-C182 January 2014, http://onlinepubs.trb.org/onlinepubs/circulars/ec182.pdf
https://www.scribd.com/document/118578509/Viscosity-measurement
“Characterization of Emulsified Asphalts: Present and Future”, Delmar Salomon, Pavement Performance Prediction Symposium, 2010
“New Test Method for Viscosity and Development of a Fast Residue Recovery Method for Emulsified Asphalts: Digital Paddle Viscometer (DPV) and Moisture Analyzer Balance (MAB)”, Delmar Salomon, 2013.
http://www.buenastareas.com/ensayos/Viscosimetro-Rotacional/7059340.html
http://www.hoskin.ca/catalog/index.php?main_page=product_info&products_id=1357
http://fluidos.eia.edu.co/fluidos/propiedades/viscosidad/rotacionvis.html
Designation: D 88 – 94 (Reapproved 1999) Standard Test Method for Saybolt Viscosity
Designation: D2397 – 05 Standard Specification for Cationic Emulsified Asphalt
Designation: D7226 – 11 Standard Test Method for Determining the Viscosity of Emulsified Asphalts Using a Rotational Paddle Viscometer
Designation: D7496 – 11 Standard Test Method for Viscosity of Emulsified Asphalt by Saybolt Furol Viscometer