DD291330A5 - Verfahren zur brechzeitregulierung nichtionogener und kationaktiver bitumenemulsionen - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Regulierung der Brechzeit von nichtionogener und kationaktiven Bitumenemulsionen. Durch Zusatz von Salzen von Fettsaeureamidoaminen in einem Masseanteil von 0,01 bis 15% bezogen auf das Gewicht der Mineralmasse, wird dabei die Brechzeit der Emulsion so reguliert, dasz eine optimale Homogenitaet des Gemisches waehrend der Verarbeitungszeit erhalten bleibt, die dabei hergestellten Straszenbelaege jedoch nach der Verarbeitung in kuerzester Zeit abbinden und damit befahrbar werden. Dabei kann das Verfahren zur Regulierung der Brechzeit sowohl bei niedrigen Temperaturen als auch besonders guenstig in hoeheren Temperaturbereichen angewendet werden.{Bitumenemulsionen, kationaktiv, nichtionogen; Brechzeitregulierung; Zusatz von Fettsaeureamidoaminsalzen; Straszenbau}

Description

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zu Brechzeitregulierung von nichtionogenen und kationaktiven Bitumenemulsionen bei deren Verarbeitung mit Mineralmassen im Bauwesen, insbesondere im Straßenbauwesen.

Charakteristik des bekannten Standes der Technik Zur Erhaltung und Sanierung bituminös gebundener Verkehrsflächen werden in zunehmendem Maße Bitumenemulsionen als

bituminöse Bindemittel eingesetzt.

Bei deren Verarbeitung in Verbindung mit mineralischen Gesteinsbaustoffen ist neben einer problemlosen technischen Handhabbarkeit ei 1 schnelles Abbindevermögen, verbunden mit kürzesten Sperrzeiten der betreffenden Verkehrsflächen und

damit schnellstmöglicher Wiederbefahrbarkeit von Bedeutung. Da das Brachverhalten, insbesondere der kationaktiven

Bitumenemulsionen, beim Kontakt mit den Gesteinsbaustoffen von deren Sieblinie und somit der aktiven Oberfläche, als aber

auch wesentlich von der chemischen Oberflächenbeschaffenheit der Mineralmasse abhängt, setzt man für die unterschiedlichen

Bauweisen von vornherein Bitumenemulsionen mit verschiedenem Stabilitätsgrad ein. Um Probleme während der Herstellung, des Transports und der Lagerung sowie bei der Verarbeitung der Bitumenemulsionen

sicher zu vermeiden, wird in der Praxis oft ein höherer Stabilitätsgrad, als eigentlich zur Verarbeitung nötig, angewandt.

Diese Verfahrensweise bringt den Nachteil mit sich, daß nach dem Kontakt der Bitumenemulsion mit der Mineralmasse der Brechprozeß verzögert, damit das Abbindevermögen verschlechtert und diu notwendigen Sperrzeiten wesentlich erhöht

werden.

Da der Brach- und Abbindeprozeß neben den bereits erläuterten Faktoren zudem noch stark von den herrschenden

meteorologischen Bedingungen, wie Temperatur und Luftfeuchtigkeit abhängt, ist die optimale Beherrschbarkeit des Prozessesbei Einsatz von Emulsionen mit nicht variierbarem Stabilitätsgrad sehr schwierig.

In der internationalen Praxis werden aus dem Grunde in der Regel 2 verschiedene Wege zur Brechzeitregulierung der

eingesetzten Bitumenemulsionen beschriften. Diese sind:

1. Einsatz einer Bitumenemulsion mit hohem Stabilitätsgrad unter Zugabe eines sogenannten Brechbeschleunigers zur Verringerung der Stabilität beim oder unmittelbar nach dem Vermischen mit den Gesteinsbaustoffen.

2. Verwendung einer Bitumenemulsion mit geringer Stabilität unter Zusatz eines Brechverzögerers entweder zur Mineralmasse, zur Bitumenemulsion oder zur Anfeuchtwasser vor oder während der Verarbeitung.

Die in Variante 1 eingesetzten Brechbeschleuniger arbeiten vorwiegend durch sofortige oder langsame pH-Wert-Änderung infolge Disi Nation bzw. Reaktion des zugesetzten Beschleunigers und durch diese pH-Wert-Verschiebung heraus aus dem optimalen Wirkungsbereich des Emulgators kommt es zur Stabilitätsverringerung der Emulsion und verbessertem Abbindevermögen.

Beispiele dafür sind der Zusatz von säureabspaltendon Komplexverbindungen in DE 1594762 und DE 1594764 sowie durch Anwendung von pH-Wert-Regulatoren gemäß DE 2947004.

Diese Verfahren sind von der technischen Beherrschbarkelt relativ kompliziert und besitzen den Nachteil, daß durch das Verlassen des optimalen pH-Wert-Bereiches für die Arbeltsfähigkeit dec Emulgators auch seine Wirksamkeit als Haftvermittler zwischen Bitumen- und Mineralmasse behindert oder gänzlich unmöglich gemacht wird. Schlechte Haftung, verbunden mit verringerter Lebensdauer der hergestellten Beläge können die Folge dieser Vorgehensweise sein.

Für Variante 2 werden in der Regel als Brechverzögerer Mono-, Di- oder Polyamine zur Steuerung der Brechgeschwindigkeit eingesetzt. Diese Produkte bewirken beim Kontakt mit der Mineralmasse eine Blockierung der auf der Gesteinsoberfläche befindlichen negativen Reaktionszentren und verringern auf diese Art und Weise die Reaktionsgeschwindigkeit zwischen Bitumenemulsion und Mineralmasse.

Beispiele für den Einsatz von ethoxylierten Aminen sind DD 206491 oder von quaternären Ammoniumverbindungen wie in US 4523957. Der Nachteil des Einsatzes dieser Verbindungen besteht in den zur Stabilitätserhöhung benötigten großen Mengen

an Chemikalien und damit schlechter Ökonomie.

Des weiteren wirken sie in der Regel stark selektiv in Verbindung mit Bitumenemulsionen und damit sind ihrem universellen Einsatz bei verschiedenen Emulsionstypen Grenzen gesetzt.

Weitere Möglichkeiten zur Verringerung der Reaktionsgeschwindigkeit zwischen Bitumenemulsionen und Mineralmasse und damit Brechzeitregulierung bestehen im Einsatz von Kationensalzen definierter Feldstärke und bestimmten Innenradius gemäß DD 213938 und DD 216726.

Der Nachteil dieser Variante besteht aber in der Unfähigkeit der eingesetzten Metallsalze nach Erfüllung ihrer Funktion als Blocklerer der Oberflächenreaktionszentren der Mineralmasse einen aktiven Beitrag zur Haftverbesserung zwischen Bitumen und Mineralmasse zu leisten, da ihnen eine olephile Komponente zur Bindung des Bitumens fehlt.

Des weiteren besteht der Nachteil, daß oft große Mengen zu einer wirksamen Brechzeitregulierung benötigt werden und diese großen Mengen dann bei mit steigenden Temperaturen rapide ansteigenden Reaktionsgeschwindigkeiten gar nicht mehr in der entsprechenden Gesamtmischung untergebracht werden können, ohne daß anderweitige Nachteile entstehen.

Des weiteren ist die Wirksamkeit dieser Kationsalze in der Regel auf bestimmte pH-Bereiche beschränkt.

Ziel der Erfindung

Es ist das Ziel der Erfindung, die Brechzeit von kationaktiven und nichtionogenen Bitumenemulsionen zu regulieren und damit ihre optimale Verarbeitbarkeit in Verbindung mit den verschiedensten Gesteinsbaustoffen zu sichern. Dabei sollen die eingesetzten Brechregulatoren eine hohe Universalität in bezug auf die Verarbeitung verschiedenartigsten Bitumenemulsionen aufweisen und die Verarbeitung zu qualitativ hochwertigen Straßenbelägen mit hoher Lebensdauer auch bei höheren Verarbeitungstemperaturen gewährleisten.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Brechwert kationaktiver und nichtionogener Bitumenemulsionen bei der Verarbeitung mit den verschiedensten mineralischen Gesteinsbaustoffen so zu beeinflussen, daß einerseits eine optimale Verarbeitbarkeit der entsprechenden Mischungen für den Verarbeitungszeitraum gewährleistet wird, danach aber eine maximale Haftung und Umhüllung der Mineralmassen erreicht und ein sehr schnelles Abbindevermögen der hergestellten Beläge realisiert wird und daß diese Beeinflussung auch bei erhöhten Temperaturen und mit wirtschaftlichem Materialeinsatz gewährleistet werden kann.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß der Mineralmasse und/oder der kationaktiven bzw. nichtionogenen Bitumenemulsion Salze von Fettsäureamidoaminen der allgemeinen Formel:

R₁- C-NH-CH₂-CH₂-NH-R₃ ⁺ A ~ /J \

Q R₂ '

wobei Ri ein aliphatlscher Kohlenwasserstoff rest mit 12-22, vorzugsweise 16-18 Kohlenstoffatomen, Rj und R₃ Waoserstoffatome aliphatische Kohlenwasserstoffreste bzw. Hydroxyalkylkohlenwasserstoffreste mit 1-12, vorzugsweise 1-4 Kohlenstoffatomen und A" ein Anion, vorzugsweise Cl", HSO₄, CH₃COO" oder COO" ist in Mengen von 0,01 bis 15,0 Masseanteilen in % zugesetzt werden.

Die erfindungsgemäß angewandten Fettsäureamidoaminsalze werden dabei von den aktiven Reaktionszentren der Mineralstoffoberfläche gebunden und schirmen diese zunächst von der sofortigen Reaktion mit den in der Emulsion enthaltenen Bitumenpartikeln ab.

Nach Absättigung der f roigebliebenen Restvalenzon der Mineralstoffoberfläche werden aber dann auch diese zuerst blockierten Zentren durch Bitumenpartikel belegt, wobei die chemische Struktur der Fettsäureaminsalze bedingt durch elektrostatische Wechselwirkung und günstige sterische Gegebenheiten eine feste Bindung mit hoher Dauerhaftigkeit garantiert. Ursache ist eine quasi kationaktiven Haftverbesserern adäquate Struktur der Fettsaureamid !aminsalze. Dieser Reaktionsnechanismus gewährleistet auch die hohe Universalität beim Einsatz des erfindLngsgemäßen Brechregulators, d. h. sein sicheres Funktionieren in Kombination mit den verschiedensten kationaktiven und nichtionogenen Bitumenemulsionen unabhängig vom pH-Wert und vom in der Emulsion angewandten Emulgatorsystem. Ein weiterer besonderer Vorzug der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Lösung besteht darin im Einsatz bei hohen Temperaturen, wobei sie im Straßenbau, z. B. bedingt durch besondere Witterungsverhältnisse im Hochsommer gegeben sein können.

Wie bekannt ist, hat ein Anstieg der Reaktionstemperaturen um ca. 1O⁰C etwa eine Verdoppelung bis Verdreifachung der

entsprechenden Reaktionsgeschwindigkeit zur Folge und dies« erhöhte Reaktionsgeschwindigkeit erfordert zur optimalen

Prozeßgestaltung eine Erhöhung der Menge an zugesetztem Brechregulierungsmittel. Zahlreiche Brechregulatoren geringerer Wirksamkeit sind unter diesen Bedingungen nicht sehr geeignet, den Verarbeitungsprozeß optimal zu gestalten, da die zur Brechzeitregulierung erforderlichen Mengen enorm ansteigen bzw. gar

nicht mehr unter wirtschaftlichem Stoffeinsatz realisiert werden können, währenddessen die Vorwendung des

erfindungsgemäßen Brechzeitregulators durch seine relativ geringe Cemperaturabhängigkeit auch unter diesen Bedingungennoch eine effektive Brechzeitrogulierung möglich macht.

Des weiteren ist die Kombination der erfindungsgemäß eingesetzten Fettsäureamidoaminsalze zum Zwecke der Brechzeltregulierung mit mehrwertigen Kationsalzen bzw. ihre Lösung in einem kurzkettigen, mit Wasser mischbarem

organischen Lösungsmittel möglich, wobei die Ökonomie und Universalität des Prozesses weiter gesteigert werden kann.

Anwendungsbeispiele Die Erfindung soll nachfolgend an Hand von Beispielen näher erläuteit werden. Beispiel 1 Eine kationaktive Bitumenemulsion mit einem pH-Wert von 5,0 und einem Bitumengehalt von 60 Masseanteilen in % besitzt

beim Mischen mit Quarzporphyrbrechsand 0/4 mm eine Mischzeit von 15s bis zum Festwerden des Gemisches.

Werden der Mineralmasse vor dem Mischen mit der Bitumenemulsion 0,6 Masseteile in % eines Hydrochloridsalzes des RapsöIfettsäureamidoamines zugesetzt, so steigt die Mischzeit mit der gleichen Emulsion auf 90s. Nach dem Mischen wird die Masse unter Wasserabstoß sehr schnell fest und weist durch den Additivzusatz keine Unterschiede in den Festigkeitswerten in

bezug auf die Ausgangsmasse auf.

Bei Anwendung der gleichen Emulsion und einem Zusatz von 6,0 Masseanteilen in % wird die Schlämme über 180s mischbar,

ohne daß das Abbindeverhalten wesentlich verschlechtert wird.

Beispiel 2 Eine nichtionogene Bitumenemulsion mit einem Bitumengehalt von 63 Masseanteilen in %, einem pH-Wert von 6,7 enthält als Emulgator ein oxethyliertes Nonylphenol. Beim Mischen mit Quarzporphyrsplitt 5/8mm wird eine Mischzsit von 40s bis zum Brechen der Emulsion erreicht. Benetzt man dagegen den Splitt vor dem Mischen mit der Emulsion mit einer Lösung des Stearinfettsäureamidoaminacetats in

iso-Propanol in einer Menge von 2,5 Masseanteilen in % Acetat bezogen auf die Mineralmasse, so läßt sich die M'·' hung aus

Splitt und Emulsion 2min ohne Bruch der Emulsion homogen verarbeiten. Die daraus hergestellten Beläge zeigen eine gute Haftung und guten Zusammenarbeit und sind wasserresistent. Beispiel 3

Die kationaktive Bitumenemulsion analog Beisp. 1 wird mit Brechsand 0/4 mm gemischt, nachdem dieser mit 0,3 Masseanteilen in % einer Lösung aus 60 Masseanteilen in % eines Rapsölsäureamidoaminformiates, 10 Masseanteilen in % Kalziumchlorid und 10 Masseanteilen in % Isopropanol vorbenetzt wurde. Die Mischzeit nach dieser Vorbehandlung steigt von 15s auf 120s an, wobei in der erstarrten Masse ein guter Haftverbund und keine Empfindlichkeit gegen Nässe festgestellt werden. Eine mindestens gleichgroße Mischzeiterhöhung wird erhalten, wenn an Stelle des Kalziumchlorides Fe(III)-ChIoHd, Al(lll)-Chlorid bzw. Magnesiumchlorid verwendet werden.

Beispiel 4

Mischt man eine kation&ktive Bitumenemulsion, die als Emulgator ein Talgfettsäurediamin enthält, mit einem Splittbrechsand 0/18mm, so ergibt sich eine Mischzeit von 20s. Durch den Zusatz von Rapsölsäureamidoaminhydrochlorid, in einer Menge von 14,0 Masseanteilen in % zur Mineralmasse resultiort eine Mischzeit von > 60s.

Claims (4)

1. Verfahren zur Brechzeitregulierung nichtionogener und kationaktiver Bitumenemulsionen, gekennzeichnet dadurch, daß bei deren Verarbeitung mit Mineralmassen Salze von Fettsäureamidoaminen der allgemeinen Formel

R₁ - C - NH - CH₂ - NH - R₃

R₂

in den Mengen von 0,01-15,0 Masseanteilen in % bezogen auf das Gewicht der eingesetzten Mineralmasse,verwendet werden und wobei

Ri ein aliphatischer Kohlenwasserstoffrest mit 12-12, vorzugsweise 16-18 Kohlenstoffatomen, R2 u. R₃ aliphatische Kohlenwasserstoffreste oder Hydroxyalkylkohlenwasserstoffreste mit 1-12 vorzugsweise 1-4 Kohlenstoffatomen bzw. nur einem Wasserstoffatom A ein Anion, vorzugsweise Cl", HSO₄", CH₃COCT oder COO" ist.

2. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß die betreffenden Fettsäureamidoaminsalze in kurzkettigen und mit Wassermischbaren organischen Lösungsmitteln gelöst werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1 u. 2, gekennzeichnet dadurch, daß die betreffenden Fettsäureamidoaminsalze bzw. deren organische Lösungen in Kombination mit anorganischen Kationen, vorzugsweise Ca²⁺, Mg²⁺, Al³⁺, Fe³⁺ in Mengen von 0,01-8,0 Masseanteilen in % bezogen auf das Gewicht der verwendeten Mineralmasse angewendet werden.

4. Verfahren nach Anspruch 1-4, gekennzeichnet dadurch, daß die verwendeten Brechzeitregulatoren der Bitumenemulsion und/oder der Mineralmasse dirok^!. zugesetzt werden.