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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung
einer Asphaltzusammensetzung.
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Hintergrund der Erfindung
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Mischungen
von Bitumen und Aggregat, gewöhnlich
als Asphalt bezeichnet, werden in einer großen Vielfalt von Anwendungen
im Bauwesen, zum Beispiel als Dachmaterialien, und im Bau und Unterhalt
von Straßen
verwendet. Das Bitumen wirkt als Bindemittel, welches die einzelnen
Aggregatteilchen umgibt und sie in der Endzusammensetzung aneinander
bindet. Asphaltzusammensetzungen werden im Allgemeinen durch Mischen
von Aggregat, welches auf eine Temperatur von über 140°C erhitzt wird, mit heißem Bitumen,
und nachfolgender Anwendung der Asphaltzusammensetzung als Straße oder
auf ein Dach usw., hergestellt. Allerdings besitzen solche heißen Verfahren
der Asphaltherstellung einige Nachteile, nicht zuletzt, dass das
Erhitzen sowohl des Bitumens als auch des Aggregates auf hohe Temperaturen
energieverzehrend ist.
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Aus
diesem Grund wurde ein hoher Aufwand betrieben, um Verfahren zum
Herstellen von Asphaltzusammensetzungen zu entwickeln, welche Aggregate
bei Umgebungstemperatur ("kalte" Mischungen) oder
bei Zwischentemperaturen, d.s. Temperaturen im Bereich von 40–130°C, ("warme" Mischungen) verwenden.
Das Ziel besteht darin, die Asphaltherstellungstemperaturen zu verringern,
ohne die Leistung oder die Qualität des Asphalts zu gefährden. Solche
Verfahren lenken wegen ihres Energieeinsparungspotentials, ihrer
Einfachheit der Durchführung
und aus Gesundheits-, Sicherheits- und Umwelterwägungen viel Interesse auf sich.
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Bitumenemulsionen
sind Zweiphasensysteme, worin das Bitumen überall in der kontinuierlichen
Wasserphase in Form von sepa raten Tropfen dispergiert ist, welche
mit Hilfe eines Emulgators gebildet und in Suspension gehalten werden.
Die relativ niedrige Viskosität
von Bitumenemulsionen ermöglicht,
dass sie bei niedereren Temperaturen als nichtemulgiertes Bitumen
angewendet werden. Wenn sie mit Aggregat gemischt werden, „bricht" die Emulsion und
das Bitumen und das Wasser trennen sich, das freie Bitumen haftet
sich an das Aggregat an und das Wasser verdampft. Bitumenemulsionen
können
Mittel enthalten, um den Vorgang des Brechens zu beschleunigen und/oder
die Anhaftung der Bitumenkomponente am Aggregat zu verbessern. Beispiele
solcher Mittel umfassen Haftvermittler des Diamin-, Polyamin-, Amidoamin-
oder Imidazolin-Typs und polymerisierte Fettsäuren, die in
EP-A 416 682 als das Brech-Verhalten
einer Bitumenemulsion und die Klebfähigkeit der Bitumenkomponenten
verbessernd, beschrieben werden.
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Ein
alternativer Ansatz zum Herstellen von Asphaltzusammensetzungen
bei verringerter Temperatur ist die Verwendung eines geschäumten Bitumenbinders.
US 4,348,237 beschreibt
eine Additivzusammensetzung für
die Herstellung eines geschäumten
Bitumens, welche ein Metallstearat und ein Trägeröl umfasst. Geschäumtes Bitumen
ist durch Einspritzen eines Schäumungsmittels
wie Wasser in erhitztes Bitumen erhältlich. Beim Kontakt mit dem
heißen
Bitumen verdampft das Schäumungsmittel
und verursacht, dass das Bitumen expandiert und schäumt. Das
geschäumte
Bitumen wird dann mit Aggregat gemischt, um Asphalt zu bilden. Dies
kann entweder als diskontinuierliches oder als kontinuierliches
Verfahren ausgeführt
werden.
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Das
Verwenden von geschäumtem
Bitumen ist vorteilhaft, da das Schäumen von Bitumen vorübergehend
sein Volumen vergrößert und
seine Viskosität
verringert, was es ermöglicht,
das Bitumen leichter mit dem Aggregat zu mischen und gleichmäßiger darauf
zu verteilen, und es daher ermöglicht,
entweder "kalte" oder "warme" Aggregate an Stelle
der in der Asphaltherstellung gebräuchlich verwendeten heißen Aggregate
zu verwenden.
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Leider
sind nicht alle Typen von Bitumen zur Verwendung als geschäumtes Bitumen
geeignet, die Wirksamkeit eines bestimmten Bitumens hängt von
dem Ausmaß,
in welchem das Bitumen während
des Schäumens
expandiert, und von der Zeitdauer, in welcher das Bitumen als Schaum
verbleibt, bevor es sich zusammenzieht, ab. Daher wäre es vorteilhaft,
wenn es ein Mittel gäbe,
durch welches die Schäumungseigenschaften
von Bitumen verbessert werden könnten.
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Darstellung der Erfindung
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Es
wurde nun überraschenderweise
festgestellt, dass die Schäumungseigenschaften
durch Einlagern eines polymerisierten Fettsäureadditivs in das Bitumen
verbessert werden können.
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Dementsprechend
stellt die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer
Asphaltzusammensetzung zur Verfügung,
welches Verfahren das Erhitzen einer Bitumenzusammensetzung auf
eine Temperatur im Bereich von 110 bis 200°C, das Inkontaktbringen der
Bitumenzusammensetzung mit einem Schäumungsmittel, um geschäumtes Bitumen
zu ergeben, und das Mischen des geschäumten Bitumens mit Aggregat
umfasst, in welchem Verfahren die Bitumenzusammensetzung eine Bitumenkomponente
und mindestens eine polymerisierte Fettsäure umfasst.
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Detaillierte Beschreibung der Erfindung
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Im
Verfahren der vorliegenden Erfindung umfasst die Bitumenzusammensetzung
bevorzugt im Bereich von 0,1 Gew.-% bis 3,0 Gew.-%, stärker bevorzugt
von 0,1 bis 2,0 Gew.-%, noch stärker
bevorzugt von 0,5 bis 1,5 Gew.-%, und am stärksten bevorzugt von 0,75 bis
1,25 Gew.-%, der wenigstens einen polymerisierten Fettsäure.
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Polymerisierte
Fettsäuren,
insbesondere dimere und trimere Säuren, enthalten typischerweise
Alkylketten mit mehr als 4 Kohlenstoffatomen, bevorzugt wenigstens
7 Kohlenstoffatomen, und können
durch Polymerisation von ungesättigten
Fettsäuren
wie Tallölfettsäuren und
Linolsäure
erhalten werden. Dimere und trimere polymerisierte Fettsäuren können ebenfalls
durch Plasmapolymerisation hergestellt werden, zum Beispiel mit
dem Verfahren, das in
EP-A 346
999 beschrieben ist.
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Bevorzugt
umfassen die Bitumenzusammensetzungen der vorliegenden Erfindung
wenigstens eine polymerisierte Fettsäure, ausgewählt aus den Dimeren und Trimeren
einer ungesättigten
Fettsäure,
stärker
bevorzugt aus den Dimeren und Trimeren einer ungesättigten
C12-24-Fettsäure. Am stärksten bevorzugt umfasst die
wenigstens eine polymerisierte Fettsäure wenigstens eine Säure, ausgewählt aus
den Dimeren und Trimeren einer ungesättigten C18-Fettsäure. Dimere
Säuren
(C18-ungesättigte Fettsäure-Dimere) sind bekannt
und diesen wurde die Chemistry Abstracts Registry Number CAS/61788-89-4
zugeordnet. Trimere Säuren
(C18-ungesättigte Fettsäure-Dimere)
sind ebenfalls bekannt (CAS/68937-90-6). Solche polymerisierten
Fettsäuren sind
in Kirk-Otmer Encyclopedia of Chemical Technology Band 7, Seite
768 bis 782, 3. Auflage, beschrieben und Beispiele von bevorzugten
polymerisierten Fettsäuren
sind unter dem Handelsnamen "PRIPOL" von Uniqema erhältlich.
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Wenn
die Bitumenzusammensetzung der vorliegenden Erfindung wenigstens
eine polymerisierte Fettsäure,
ausgewählt
aus den Dimeren und Trimeren einer ungesättigten Fettsäure, umfasst,
wird bevorzugt, dass das Gewichtsverhältnis von Dimer-Säure zu Trimer-Säure im Bereich
von 5:1 bis 1:2 liegt.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung liegt das Gewichtsverhältnis von Dimer-Säure zu Trimer-Säure im Bereich von 2:1 bis
1:2 und in einem besonders bevor zugten Aspekt dieser Ausführungsform
liegt das Gewichtsverhältnis
von Dimer-Säure
zu Trimer-Säure
im Bereich von 3:2 bis 2:3. Ein Beispiel einer bevorzugten polymerisierten
Fettsäure
gemäß dieser
Ausführungsform
ist unter dem Handelsnamen "PRIPOL
1045" von Uniqema
erhältlich.
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In
einer anderen bevorzugten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung liegt das Gewichtsverhältnis von
Dimer-Säure
zu Trimer-Säure
im Bereich von 5:1 bis 3:1. Ein Beispiel einer bevorzugten polymerisierten
Fettsäure
gemäß dieser
Ausführungsform
ist unter dem Handelsnamen "PRIPOL
1017" von Uniqema
erhältlich.
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Die
in der vorliegenden Erfindung verwendeten Bitumenkomponenten können ein
Rückstand
aus der Destillation von Rohöl,
ein gecrackter Rückstand,
natürlich
vorkommendes Bitumen oder eine Mischung von verschiedenen Bitumentypen
sein. Beispiele von Bitumen, die in der vorliegenden Erfindung geeignet
verwendet werden können,
umfassen Destillations- oder "straight
run"-Bitumen, Fällungsbitumen,
z.B. Propanbitumen, oxidiertes oder geblasenes Bitumen oder Mischungen
davon. Andere Bitumen, die verwendet werden können, umfassen Mischungen von
einem oder mehreren dieser Bitumen mit Streckmitteln wie Erdölextrakten, -destillaten
oder -rückständen, und Ölen.
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Die
vorliegende Erfindung ist besonders vorteilhaft, wenn dabei nicht-naphthenisches
Bitumen verwendet wird. Unter nicht-naphthenischem Bitumen wird ein Bitumen
verstanden, das eine Gesamtsäurezahl von
weniger als 1 mg KOH/g, stärker
bevorzugt weniger als 0,1 mg KOH/g, besitzt. Solches Bitumen ist
aus dem Stand der Technik als paraffinisches Bitumen bekannt.
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Die
Penetration der in der vorliegenden Erfindung verwendeten Bitumenkomponente
kann weitgehend in Abhängigkeit
von Typ der Anwendung, in welcher die Asphaltzusammensetzung verwendet werden
soll, variieren. Im Allgemeinen wird die Penetration geeignet im
Bereich von 40 bis 200 dmm, stärker
geeignet von 50 bis 100 dmm (gemessen gemäß EN 1426) betragen. Allerdings,
wenn die Asphaltzusammensetzung beispielsweise für Straßenanwendungen in kaltem Klima
verwendet werden soll, kann Bitumen mit einer Penetration von bis
zu 430 dmm verwendet werden. Alternativ, wenn das geschäumte Bindemittel
der vorliegenden Erfindung als Hart-Bindemittelkomponente verwendet
werden soll, zum Beispiel wie in dem in
WO 01/62852 beschrieben Verfahren,
kann die Bitumenkomponente eine Penetration, die so niedrig wie
10 dmm ist, besitzen.
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Ähnlich wie
die Penetration kann der Erweichungspunkt der Bitumenkomponente
weitgehend variieren. Geeignet kann der Erweichungspunkt im Bereich
von 35 bis 130°C,
stärker
geeignet von 40 bis 70°C
(gemessen entsprechend EN 1427) liegen.
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Gemäß dem Verfahren
der vorliegenden Erfindung kann die Bitumenzusammensetzung zusätzlich andere,
in Asphaltzusammensetzungen als nützlich bekannte, Additivtypen
umfassen. Beispiele umfassen Polymere, z.B. Ethylen-Vinylacetat-Copolymer
(EVA), Polyolefine und konjugierte Dien-Kautschuke und Styrol-Blockcopolymere,
wie Styrol-Butadien-Styrol- und Styrol-Isopren-Styrol-Blockcopolymere;
Wachsadditive, wie Fischer-Tropsch
Wachse und Ethylen-bis-stearamid; und Haftverbesserer, wie Alkylamidoamin-Additive, wie
sie beispielsweise unter dem Handelsnamen "WETFIX I" von Akzo Nobel erhältlich sind.
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Im
Verfahren der vorliegenden Erfindung wird die Bitumenzusammensetzung
mit einem Schäumungsmittel
in Kontakt gebracht, um das Schäumen
des Bitumens zu verursachen. Das Schäumungsmittel kann jedwedes
Material oder jedwede Mischung von Materialien sein, die das Schäumen der
erhitzten Bitumenzusammensetzung hervorruft. Dennoch wird bevorzugt,
dass das Schäumungsmittel
eine Flüssigkeit
ist, welche die Eigenschaft besitzt, ein ho hes Verhältnis von
Dampf zur Originalflüssigkeit
auszubilden, wenn sie über
ihren Siedepunkt erhitzt wird. Während
das Schäumungsmittel
ein Alkohol sein kann, wie Ethanol oder n- oder Isopropanol, wird am stärksten bevorzugt
Wasser als Schäumungsmittel
verwendet, da es weniger teuer und sicherer ist.
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Im
Allgemeinen ist es nicht notwendig, dass das Schäumungsmittel vor dem Kontakt
mit der Bitumenzusammensetzung erhitzt oder gekühlt wird, und wenn das Schäumungsmittel
Wasser ist, liegt seine Temperatur geeignet im Bereich von 5 bis
30°C.
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Bevorzugt
wird die Bitumenkomponente auf eine Temperatur im Bereich von 120
bis 190°C,
stärker bevorzugt
im Bereich von 150 bis 180°C
erhitzt, bevor sie mit dem Schäumungsmittel
in Kontakt gebracht wird.
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Die
Menge an eingesetztem Schäumungsmittel
ist nicht entscheidend, vorausgesetzt sie reicht aus, das Schäumen der
Bitumenzusammensetzung hervorzurufen. Dennoch kann die Menge des
Schäumungsmittels
gewöhnlich
im Bereich von 0,5 bis 20 Gewichtsteilen pro 100 Teile der Bitumenzusammensetzung,
stärker bevorzugt
im Bereich von 1 bis 10 Teilen, und am stärksten bevorzugt im Bereich
von 1 bis 5 Teilen liegen.
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In
der vorliegenden Erfindung können
die Bitumenzusammensetzung und das Schäumungsmittel mit jedweder praktischen
Maßnahme
in Kontakt gebracht werden, solange der Kontakt das Schäumen des
Bitumens verursacht. Verfahren, mit welchen die erhitzte Bitumenzusammensetzung
mit dem Schäumungsmittel in
Kontakt gebracht werden kann, um das Bitumen zu schäumen, sind
aus dem Stand der Technik bekannt. Beispiele für geeignete Schäumungsverfahren
werden im Australischen Patent 433003 und in
US 5,788,755 beschrieben.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
werden die Bitumenzusammensetzung und das Schäumungsmittel geeignet durch
gleichzeitiges Einspritzen der Bitumenzusammensetzung und des Schäumungsmittels
in eine Expansionskammer in Kontakt gebracht. Zusätzlich zum
Schäumungsmittel
kann auch ein Gas (z.B. Luft) gleichzeitig mit dem Schäumungsmittel
eingespritzt werden, um das Schäumen
zu erleichtern.
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In
der vorliegenden Erfindung wird die Bitumenzusammensetzung, sobald
sie geschäumt
wurde, mit Aggregat gemischt, um eine Asphaltzusammensetzung zu
bilden. Dies erfolgt bevor sich der Bitumenschaum zusammenzieht.
Vorrichtungen zum Mischen von geschäumtem Bitumen und Aggregat
sind aus dem Stand der Technik gut bekannt.
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Das
Verfahren der vorliegenden Erfindung kann geeignet zur Herstellung
von Asphaltzusammensetzungen für
einen weiten Bereich von Anwendungen, einschließlich Pflasteranwendungen,
als Gussasphalt, und in industriellen Anwendungen verwendet werden.
Allerdings ist die vorliegende Erfindung besonders zur Herstellung
von Straßen-,
Flugplatzoberflächen
und Autoparkplätzen
usw. geeignet. Daher liegt die bevorzugte Verwendung der vorliegenden
Erfindung in der Herstellung von Asphalt für Pflasteranwendungen.
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Für die Fachleute
versteht sich, dass eine große
Vielfalt von Aggregattypen und Größenverteilungen im Verfahren
der vorliegende Erfindung angewendet werden können, dabei variieren Typ und
Mischung des Aggregates mit der Anwendung, für welche der Asphalt verwendet
werden soll. Wenn allerdings die Asphaltzusammensetzung zur Verwendung
in Pflasteranwendungen vorgesehen ist, wird bevorzugt, dass das
Aggregat eine Mischung aus Füllstoffen
(Teilchen, die eine Teilchengröße von weniger
als 63 Mikrometer besitzen); Sand (Teilchen, die eine Teilchengröße im Bereich
von 63 Mikrometer bis 2 mm besitzen); und Steinen (Teilchengröße von größer als
2 mm, bevorzugt im Bereich von 2 mm bis 22 mm) umfasst.
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Die
Menge an Bitumenzusammensetzung in den Asphaltzusammensetzungen
der vorliegenden Erfindung wird auch in Abhängigkeit von der Anwendung,
für welche
der Asphalt verwendet werden soll, variieren, allerdings umfassen
die Asphaltzusammensetzungen der vorliegenden Erfindung bevorzugt
im Bereich von 1 bis 20 Gew.-% Bitumenzusammensetzung, stärker bevorzugt
im Bereich von 2 bis 10 Gew.-% bezogen auf die gesamte Asphaltzusammensetzung.
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Es
ist ein interessantes Merkmal der vorliegenden Erfindung, dass die
Asphaltzusammensetzungen leicht ohne die Verwendung von sehr heißem Aggregat
hergestellt werden können.
Dem gemäß ist in
einer bevorzugten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung die hergestellte Asphaltzusammensetzung
eine kalte Mischung, worin das geschäumte Bitumen mit dem nicht
erhitzten Aggregat (d.h. das Aggregat besitzt eine Temperatur im
Bereich von 5 bis 30°C)
gemischt wird. In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform
ist die hergestellte Asphaltzusammensetzung eine warme Mischung,
worin das geschäumte
Bitumen mit einem Aggregat gemischt wird, welches auf eine Temperatur
im Bereich von 31 bis 130°C,
bevorzugt 40 bis 100°C
erwärmt
wurde.
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Das
Verfahren der vorliegenden Erfindung kann entweder in einer diskontinuierlichen
oder einer kontinuierlichen Weise betrieben werden.
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Die
vorliegende Erfindung sieht ferner die Verwendung von wenigstens
einer polymerisierten Fettsäure
als Bitumenschaumverbesserndes Additiv vor.
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Die
vorliegende Erfindung wird mittels der nachstehenden erläuternden
Beispiele weiter klar werden.
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In
den nachstehenden Beispielen wurden Bitumenproben unter Verwendung
einer Laborschäumungsanlage
geprüft.
Die geprüften
Proben waren wie nachstehend:
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Beispiel 1 (gemäß der Erfindung):
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Eine
Bitumenzusammensetzung, umfassend eine 70/100 paraffinische Bitumenqualität und 1
Gew.-% bezogen auf die gesamte Zusammensetzung, einer polymerisierten
C18-Fettsäure, erhältlich von Uniqema unter der
Bezeichnung "PRIPOL
1045". Die polymerisierte
Fettsäure
besaß eine
Säurezahl
(mg KOH/g) von 184–191,
einen Dimer-Gehalt von 39 bis 41 %, und einen Trimer-Gehalt von
48 bis 54 %, bestimmt mit Gaschromatographie (GC). Das paraffinische
Bitumen besaß eine
Säurezahl
von 0,0 (mg KOH/g).
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Beispiel A (Vergleich):
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Die
70/100 paraffinische Bitumenqualität des Beispiels 1, welche kein
polymerisiertes Fettsäureadditiv enthielt.
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Beispiel B (Vergleich):
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Eine
70/100 naphthenische Bitumenqualität, welche bekannt ist, gute
Schäumungseigenschaften
zu besitzen und welche eine Säurezahl
von 4,3 (mg KOH/g) besitzt.
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Die
Schäumungseigenschaften
des Bitumens wurden unter Verwendung eines "Foamlab"-Gerätes, ("Foamlab" ist ein Handelsname),
erhältlich
von Societe Auxiliaire Enterprise, geprüft.
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In
dieser Prüfung
wird eine Probe des Bitumens in ein beheiztes Gefäß eingebracht
und auf eine erforderlichen Temperatur erwärmt. Während des Erwärmens wird
das Bitumen mittels einer Pumpvorrichtung umgewälzt. Sobald das Bitumen die
richtige Temperatur aufweist, wird es über eine geregelte Einspritzdauer in
eine Expansionskammer eingespritzt. Gleichzeitig mit der Bitumeneinspritzung
wird eine Menge Wasser aus einem getrenn ten Gefäß in die Kammer eingespritzt,
welche das Schäumen
des Bitumens verursacht. Wahlweise kann auch Luft oder Gas während der
Bitumeneinspritzung in die Kammer eingespritzt werden.
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Während des
Schäumungsvorgangs
werden das maximale Expansionsverhältnis (ERM) und die Halbwertszeit
des geschäumten
Bitumens (T½)
gemessen. Das maximale Expansionsverhältnis (ERM) ist das Verhältnis des
maximalen Volumens des geschäumten
Bitumens zum Volumen des eingespritzten Bitumens. Die Halbwertszeit
(T½) des
geschäumten
Bitumens ist ein Maß dafür, wie lange
das Bitumen als Schaum verbleibt, bevor es sich zusammenzieht, und
ist die Zeitdauer, in welcher das geschäumte Bitumen von seinem maximalen
Volumen auf die Hälfte
seines maximalen Volumens abnimmt. Diese Eigenschaften wurden mittels
Videoaufzeichnung der Einspritzung, der Expansion und der nachfolgenden
Kontraktion des Bitumens und der Verwendung eines geeignet positionierten,
mit einer Einteilung versehenen Meßindikators gemessen. Aus der Analyse
der Videoaufzeichnung wurden das maximale Expansionsvolumen und
die Halbwertszeit (T½)
des geschäumten
Bitumens bestimmt.
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Die
Schäumungseigenschaften
des Bitumens des Beispiels 1 und der Vergleichsbeispiele A und B sind
in Tabelle 1 dargestellt. Die Schäumungsversuche wurden mit einer
Bitumen-Einspritzdauer von 5 Sekunden und bei einem Wasserdruck
von 4,5 bar (450 kPa) durchgeführt.
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Aus
Tabelle 1 ist ersichtlich, dass unter analogen Bedingungen das Bitumen
des Beispiels 1, umfassend ein polymerisiertes Fettsäureadditiv,
sowohl ein höheres
maximales Expansionsverhältnis
(ERM) als auch eine größere Halbwertszeit
(T½) aufweist
als das Bitumen des Vergleichsbeispiels A, welches das gleiche,
kein polymerisiertes Fettsäureadditiv
enthaltende Bitumen ist. Ferner zeigt das Bitumen des Beispiels
1 sogar bessere Schäumungseigenschaften
als das naphtenische Bitumen (Vergleichsbeispiel B), welches als gute
Schäumungseigenschaften
besitzend angesehen wird.
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