DD289070A5 - Verfahren zur herstellung eines asphaltes fuer strassenbauzwecke - Google Patents

Verfahren zur herstellung eines asphaltes fuer strassenbauzwecke Download PDF

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Johannes Kreis
Werner Lier
Guenter Salewski
Wolfgang Possoegel
Gerhard Bischof
Armin Zuehlsdorf
Harry Hube
Ortwin Metz
Norbert Niklas
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Veb Hydrierwerk Zeitz,De
Veb Chemische Werke Buna,De
Veb Entwurfs- U. Ing.-Buero D. Strassenwesens Zentrallabor,De
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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Asphaltes fuer Straszenbauzwecke aus Bitumen, Polybutadienen, Schwefel, Fuellstoffen und Gesteinsmaterial. Erfindungsgemaesz wird die Aufgabe durch ein Verfahren zur Herstellung eines Asphaltes fuer Straszenbauzwecke geloest, bei dem 85 bis 94 Ma.-Teile eines auf 160 bis 230C vorgeheizten abgestimmten Mineralgemisches aus Gesteinssplitt, Sand und Fueller mit 6 bis 15 Ma.-Teile eines Gemisches bestehend aus 78 bis 98 Ma.-Teilen in % Bitumen, 2 bis 20 Ma.-Teilen in % Polybutadienen gemischt werden und das diesem Gemisch bei 160 bis 230C 0,012 bis 0,3 Ma.-Teile Schwefel hinzugefuegt und bis zu 12 Stunden geruehrt wird.{Asphalt fuer Straszenbauzwecke; Fuellstoff; Gesteinsmaterialien; Bitumen; Polybutadienen; Schwefel}

Description

Anwendungsgebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Asphalts für Strußenbauzwecke aus Bitumen, Polybutadienen, Schwefel, Füllstoffen und Gesteinsmaterialien.
Charakteristik des bekannten Standes der Technik
Asphalte für Straßenbauzwecke werden zum größten Teil aus Heißmischungen von Bitumen im Erweichungspunktbereich von 38 bis 6O0C, Gesteinsmaterialien in abgestimmten Korngrößenbereichen und Füllstoffen mit Teilchengrößen von unter 0,09mm in genau formulierten Rezepturen hergestellt.
Dj für eine Vielzahl von Anwendungsfällen, besonders für stark belastete Straßen, die von diesen Asphalten erbrachten Eigenschaften nicht ausreichen, werden im verstärkten Mal? Hochpolymere in Form von Elasten oder Plasten hinzugegeben.
Besonders gute Eigenschaften werden durch den Zusatz vonthermoplastischen Kautschuken erzielt. Die Verbesserungontreten dabei in einem auch noch bei Temperaturen unter O0C verbesserten elastischen Verhalten nach Verformungen, in einer erhöhten Alterungsbeständigkeit und erhöhtem Adhäsionsverhalten gegenüber Gesteinsmaterialien ein. Die Verbesserungen werden immer dann erzielt, wenn sich im Bitumen netzartige Strukturen des Elastomeren ausbilden. Dieses Verhalten wird besonders durch Zusätze von über 4% von Blockpolymeren aus Butadien und Styren mit Molmassen von 30000 bis 500000 erzielt.
Die Herstellung solcher Asphalte ist an die Verfügbarkeit dieser Blockpolymerisate gekoppelt. Da die Herstellung aufwendig und die Kosten hoch sind, hat es nicht an Versuchen gefehlt, auch ungeregelte Polymerisate von Elastomeren zu verwenden. Für das dargestellte Anwendungsgebiet sind dabei besonders von homogenen M'schungen aus Bitumen und Kaltpolymerisaten von Butadien und Styren gute Eigenschaften erzielbar. Einer weiten Verbreitung solcher Bindemittel sind durch den sehr hohen Herstellungsaufwand in Knetprozessen Grenzen gesetzt.
Der Zusatz beroits vulkanisierter Gummiwerkstoffe, besonders von vermahlenem oder granuliertem Altgummi ist ebenfalls bekannt.
Da dieser Mischprozeß durch einsetzende Devulkanisationsvorgänge nahezu unbeherrschbar ist, sind auch diesem Verfahren Grenzen gesetzt. Vernetzungen von Kautschuken im Bitumen mit Schwefel, Zinkoxid und Vulkanisationsbeschleunigern sind zwar möglich, jedoch sind derartige Prozesse nicht steuerbar. Nach begonnener Vulkanisation sind die Asphalte durch die hohen Viskositäten nicht mehr verarbeitbar.
Die Verarbeitung niedrigmolekularer Flüssigkautschuke im Bitumen führte nach dem bisher bekannten Stand der Technik nurzu Erweichungen und Verschlechterung der Eigenschaften der Asphalte.
Ziel der Erfindung
Ziel der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Herstellung eines Asphalts für Straßenbauzwecke zu finden, mit dem verbesserte Gebrauchseigenschaften unter Verwendung verfügbarer und leicht verarbeitbarer Rohs'.offkomponenten erreicht werden. Neben dem bitumenspezifischen soll vor allem das gummielastische Verhalten über einen breiten Temperaturbereich, wie hohes Rückstellvermögen und hohe Durchbiegungen auch bei tiefen Temperaturen erreicht werden.
Darlegung des Wesens der Erfindung Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung eines Asphalts für Straßenbauzwecke aus Bitumen, Polybutadienen, Schwefel, Füllstoffen und Gesteinsmaterialien zu entwickeln. Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch ein Verfahren zur Herstellung eines Asphalts gelöst, bei dem aus 85 bis 94Ma.-Teile
eines auf 160 bis 25O0C vorgeheizten abgestimmten Mineralgemisches aus Gesteinssplitt, Sand und Füller, 6 bis 15Ma.-Teileeines Gemisches bestehend aus 78 bis 98Ma.-Teile in % Bitumen mit Erweichungspunkten von 35 bis 720C und Gehalten an
Harzen von mindestens 25Ma.-Teile in % und J2 bis 20Ma.-Teile von Polybutadienen mit Molmassen von 2000 bis 10000, Jodzahlen von 350 bis 450p J/100g und Viskositäten bei 20°C von 1 bis 250 Pa · s eingemischt werden und daß bei Temperaturen
von 160 bis 25O0C 0,012 bis 0,3 Ma.-Teile von Schwefel hinzugefügt und das gesamte Gemisch bis zu 12 Stunden gerührt wird.
Nach einem weiteren Kennzeichen der Erfindung wird das Asphaltbindemittel aus Bitumen, Polybutadien und Schwefel bei 120
bis 1400C vorgemischt und in einem zweiten Arbeitsgang mit dem Mineralgemisch auf 160 bis 23O0C erwärmt und bis zu 12hgerührt.
Bis zu 50 Ma.-Teile in % des Bitumenanteils können harzreiche Kohlenwasserstoffgemische der Erdölverarbeitung und bzw. oder Teere oder Peche der Steinkohlen- oder Braunkohlenvefarbeitung sein. Bis zu 50 Ma.-Teile in % des Polybutadienanteils können
hochmolekulare Synthesekautschuke sein.
Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren lassen sich überraschenderweise Asphalte mit hohen Gebrauchswerten gewinnen,
die besonders für hochbelastete Straßen, für Brückenfahrbahnen, Standplätze, im Kreuzungsbereich und für andere Sonderfällegeeignet sind. Die hohen Gebrauchswerte resultieren dabei aus den erzielten elastischen Eigenschaften des Asphalts, diegekennzeichnet sind durch hohe Durchbiegungen bei Temperaturen unter dem Gefrierpunkt, hohe Haftwerte der
Gesteinsinhaltsstoffe mit dem bei der Herstellung des Asphalts gewonnenen Bindemittel und des gesamten Asphalts auf
verschiedenen Trägerschichten und durch ein hohes Rückstellvermögen des gesamten Asphaltgemisches nach der
Verformung. Diese vorteilhaften Eigenschaften resultieren aus der Erzielung einer gummiähnlichen Elastizität des gesamten Gemisches, wie
sie von Polymerbitumen aus Compounds von Bitumen und thermoplastischen Kautschuken bekannt ist. Im erfindungsgemäßen
Verfahren werden diese Eigenschaften überraschenderweise ebenfalls erreicht, obwohl nach dem bisherigen Wissensstand
nicht erwartet werden konnte, daß die eingesetzten kurzkettigen Polybutadiene bei den erfindungsgemäßen Bedingungenüberhaupt vernetzt werden können.
Die verwendeten Polybutadiene weisen Molmassen von 2 000 bis 10 000, Jodzahlen von 350 bis 450g/100g und Viskositäten bei
2O0C von 1 bis 250 Pa s auf. Von derartigen Produkten ist bisher bekannt, daß sie nur mit einem hohen Anteil an Schwefel unter
Beisein von Vulkanisationsbeschleunigern und Aktivatoren vernetzt werden können. Als Bitumenkomponente werden Erdölbitumen mit Erweichungspunkten von 35 bis 720C und Gehalten an Harzen von
mindestens 25Ma.-Teile in % verwendet. Der Harzanteil wird nach der Säulenchromatographie der Maltenphase an
Aluminiumoxid mit einem Gemisch gleicher Teile Aceton und Benzen durch Eluation ermittelt. Das verwendete Mincralstoffgemisch wird nach üblichen Erfahrungswerten aus Gesteinssplitt, Sand und Füller in dem jeweiligen Anwendungszweckentsprechenden Kornaufbau eingesetzt. Bis zu 60Ma.-Teile in % des Bitumenanteils können durch harzreiche Kohlenwasserstoffgemische der Erdölverarbeitung,
beispielsweise schwere Vakuumdestillate oder Produkte aus der Extraktivraffination, Teere oder Peche der Stein- oder
Braunkohlenverarbeitung ersetzt werden. Ebenso ist auch ein Einsatz bis zu 50Ma.-Teile in % des Polybutadienanteils durch
hochmolekulare Synthesekautschuke möglich. Durch diesen teilweisen Ersatz ist die Erzielung bestimmter Eigenschaftenmöglich. Durch harzreiche Kohlenwasserstoffkomponenten werden solche Eigenschaften wie Haft- und Klebevermögen des
Bindemittels verbessert, während Zusätze von Butadien-Styren-Kopolymerisaten, die mit dem Polybutadien zuammen mit Bitumen zu einem Bindemittel durch Kneten oder intensives Mischen verarbeitet werden, eine Verkürzung der Reaktionszeit bei
der Asphaltherstellung und weitere Verbesserungen der elastischen Eigenschaften bewirken.
Die Herstellung des Asphalts erfolgt in üblichen Asphaltgemischanlagen mit Zwangsvormischung. Dabei wird das vorgemischte Bindemittel aus Bitumen und Polybutadien, gegebenenfalls unter Zusatz von harzreichen Fraktionen und bzw. oder Teeren und
bzw. oder Synthesekautschuken mit dem gewählten Mineralgemisch bei Temperaturen von 160 bis 2300C verrührt. Nach Erhalteiner homogenen Mischung wird der Schwefel in Pulverform oder als zerkleinerte Blättchen hinzugefügt und bei gleichen
Temperaturen weitergerührt. Je nach den gewünschten Endeigenschaften wird das Gemisch bis zu 12 Stunden in üblicher Weise auf der Straße verarbeitet. Nach einem weiteren Kennzeichen der Erfindung kann auch das Bindemittel aus Bitumen, Polybutadien und Schwefel
gegebenenfalls unter Zusatz der anderen Bindemittelkomponenten bereits im Herstellerwerk oder in der Bitumenmischanlagebei 120 bis 14O0C vorgemischt und dann insgesamt in den Anlagen des Straßenwesens mit dem Mineralstoffgemisch bei 160 bis2500C verarbeitet werden.
Ausführungsbeispiele
1. In einem Gußasphaltkocher mit Mischwerk werden insgesamt 91 Ma.-Teile eines Mineralgemisches bestehend aus 21,6Ma.-Teile in % Kalksteinmehl, 13,4 Ma.-Teile in % Natursand 0/2 9,3 Ma.-Teile in % Brechsand 0/2 und 40,7 Ma.-Teile in % Splitt 2/8 mit 8,9 Ma.-Teile eines Bindemittelgemisches bestehend aus 90Ma.-Teile in % Bitumen mit einem Erweichungspunkt von 4O0C und einem Harzanteil von 40Ma.-Teile in %, der mit Hilfe eines Lösungsmittelgemisches aus gleichen Teilen Benzen und Aceton nach Abtrennen von Asphaltenen und Ölen in einer mit aktiviertem Aluminiumoxid gefüllten Säule durch Eluation ermittelt wird und 10 Ma.-Teile eines Polybutadiens mit einer Molmasse von 8500, einer Jodzahl von 380g J/100g und einer Viskosität von 180Pa · s bei 180 bis 2200C homogen vermischt. Unter laufendem Rührwerk werden 0,07 Ma.-Teile gemahlenen Schwefels hinzugefügt. Die Temperatur wird während der Reaktion zwischen 190 und 210°C gehalten.
Nach einer Stunde Reaktionszeit wird der heiße Asphalt in üblicher Form auf derStraße verarbeitet. Der entstandene Asphalt hat folgende Eigenschaften im Vergleich zu einem üblichen Guß.isphalt auf Basis von B40:
N/mm2 erfgem. Gußasphalt
mm Asphalt Basis B40
Biegezugfestigkeit bei ±0°C N/mm2 8,1 10,5
Durchbiegung bei ±0°C mm 2,4 0,3
Biegezugfestigkeit bei -15"C 21,0 30,5
Durchbiegung bei -15°C % 0,86 0,1
Rückverformung bei 20°C nach
2mm'Durchbiagung 72 5
Anzahl der Lastwechsel bei Dauer
biegeprüfung bei 50C 2,8-108 0,3 · 10"
2. In einem Rührwerk werden 63 Ma.-Teile in % Bitumen mit einem Erweichungspunkt von 680C und einem Harzanteil von 45Ma.-Teile in %, 21 Ma.-Teile in % eines harzreichen schweren Vakuumdestillats der Erdölrafiination und 15Ma.-Teile in % eines flüssigen Polybutadiens mit einer Molmasse von 2 500, einer Jodzahl von 440g J/100g und einer Viskosität bei 2O0C von 3,5Pa · s und 1,0Ma.-Teile in % Schwefel bei 120 bis 14O0C zu einem homogenen Bindemittel vorgemischt. Das Bindemittel wird flüssig transportiert. Es besitzt einen Ep von 570C, einen Brechpunkt von -18°C und eine Rückverformung von 75%. Die Herstellung des Asphaltgemisches erfolgt in einer stationären Mischanlage aus 93 Ma.-Teile Mineralstoffgemisch und7 Ma.-Teile des vorgemischten Bindemittels. Dabei beträgt der Gesamtschwefelanteil 0,07 Ma.-Teile in %. Die Asphaltmischung wird 30 Minuten bei 170 bis 19O0C gemischt und sofort verarbeitet. Der entstandene Asphalt hat folgende Eigenschaften:
Biegezugfestigkeit bei ±0°C 9,0N/mm2 Durchbiegung bei ±0"C 3,1mm
Biegezugfestigkeitbei-15"C 20,5N/mm2 Durchbiegung bei -15°C 1,1mm
Rückverformung nach 2 mm Dehnung bei 200C 65% Anzahl der Lastwechsel bei Dauerbiegeprüfung bei 50C 2,5·10β
3. Es werden nachfolgend aufgeführte Einsatzstoffe verwendet, die wie folgt charakterisiert sind:
Bitumen
Erweichungspunkt Ru.K
Harzanteil Ma.-Teile in %
A 37 B 52 C 70 Polybutadien numerische Molmasse 30 41 48 Jodzahl g/100g Stock punkt «c Viskosität bei 200C Pa s
I Il HI Kohlenwasser stoffgemisch 2050 8000 9800 Erweichungs punkt R u. K 0C 440 390 355 25 15 Styrenanteil Ma.-Teile in % 1,2 200 248 Harzanteil Ma.-Teile
1. Vakuumdestillat der Erdölraffination 2. Steinkohlenweichpech 42 3. Braunkohlentieftempe- raturteer - Hochmolekulare numerische Synthesekautschuke Molmasse 31 33 28
a) SB-Warmkautschuk 50000
b) SB-Kaltkautschuk 95000
c) cis-Polybutadien 60000
27 24
Entsprechend Beispiel 1 oder 2 werden unter Verwendung der genannten Komponenten unter den angegebenen Verfahrensbedingungen folgende Eigenschaften erzielt:
Einsatzstoff β dee Bindemittel* Ma.-Teile in % 94 93 93 67,1 80,2 67,1 75 96 90
Bitumen A 88 20
B
C 10 10 10
Polybutadien I 5 5 5
Il 22 2 5
III 12 9
Kohlenwasserstoff 1 22 1
2
3 1
Synthesekautschuk a 2 2
b 2 2,0 5
C 0,9 0,8 0,9 12
Schwefel Ma.-Teile auf 100 Ma.-Teile 0,5 0,8 0,6 1.5 1,5 1,5 160 1,0 0,2
Bindemittel 0,7 1 0,5 5 190 190 190 6 10
Mischzeit h 4 200 200 190 6,1 180 170
Mischtemperatur°C 230 5,5 7,8 8,7 8,7
Eigenschaften des Asphalts 7,5 7,5 6,1 10,0 11,1 9,0 1,5 5,1 8,5
Biegezugfestigkeit bei O0C N/mm2 4,9 10,8 11,0 11,0 2,7 2,0 1,2 0,4 7,9 12,0
Biegezugfestigkeit bei-15°C N/mm2 9,9 3,1 3,5 1,5 0,7 0,5 0,3 1,0 3,5
Durchbiegung bei O0C mm 2,5 1,5 1,6 0,5 0,3 1,4
Durchbiegung bei -150C mm 0,9

Claims (4)

1. Verfahren zur Herstellung eines Asphalts für Straßenbauzwecke aus Bitumen, Polybutadienen, Schwefel, Füllstoffen und Gesteinsmaterialien, dadurch gekennzeichnet, daß in 85 bis 94Ma.-Teilen eines auf 160 bis 2300C vorgeheizten abgestimmten Mineralgemisches aus Gesteinssplitt, Sand und Füller 6 bis 15Ma.-Teile eines Gemisches bestehend aus 78 bis 98Ma.-Teile in % Bitumen mit Erweichungspunkten von 35 bis 72°C und Gehalten an Harzen von mindestens 25Ma.-Teilen in % und 2 bis 20Ma.-Teile von Polybutadienen mit numerischen Molmassen von 2000 bis 10000, Jodzahlen von 350 bis 450g J/100g und Viskositäten bei 200C von 1 bis 250Pa · seingemischt werden und daß bei Temperaturen von 160 bis 2300C 0,012 bis O,3Ma.-Teile Schwefel hinzugefügt und das gesamte Gemisch bis zu 12 Stunden gerührt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Asphaltbindemittel aus Bitumen, Polybutadienen und Schwefel bei 120 bis 1400C vorgemischt wird und in einem zweiten Arbeitsgang mit dem Mineralgemisch auf 160 bis 23O0C erhitzt und bis zu 12 Stunden gerührt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß bis zu 50 Ma.-Teile in % des Bitumenanteils harzreiche Kohlenwasserstoffgemische der Erdölverarbeitung und bzw. oder Peche oder Teere der Stein- oder Braunkohlenverarbeitung sind.
4. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß bis zu 50 Ma.-Teile in % des Polybutadienanteils hochmolekulare Synthesekautschuke sind.
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