DE4034321A1 - Verfahren zur herstellung eines asphaltes fuer strassenbauzwecke - Google Patents

Description

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Asphalts für Straßenbauzwecke aus Bitumen, Polybutadienen, Schwefel, Füllstoffen und Gesteinsmaterialien.

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

Asphalte für Straßenbauzwecke werden zum größten Teil aus Heißmischungen von Bitumen im Erweichungspunktbereich von 38 bis 60°C, Gesteinsmaterialien in abgestimmten Korngrößenbereichen und Füllstoffen mit Teilchengrößen von unter 0,09 mm in genau formulierten Rezepturen hergestellt. Da für eine Vielzahl von Anwendungsfällen, besonders für stark belastete Straßen, die von diesen Asphalten erbrachten Eigenschaften nicht ausreichen, werden im verstärkten Maß Hochpolymere in Form von Elasten oder Plasten hinzugegeben. Besonders gute Eigenschaften werden durch den Zusatz von thermoplastischen Kautschuken erzielt. Die Verbesserungen treten dabei in einem auch noch bei Temperaturen unter 0°C verbesserten elastischen Verhalten nach Verformungen, in einer erhöhten Alterungsbeständigkeit und erhöhten Adhäsionsverhalten gegenüber Gesteinsmaterialien ein. Die Verbesserungen werden immer dann erzielt, wenn sich im Bitumen netzartigen Strukturen des Elastomeren ausbilden. Dieses Verhalten wird besonders durch Zusätze von über 4% von Blockpolymeren aus Butadien und Styren mit Molmassen von 30 000 bis 500 000 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 wird dabei besonders von homogenen Mischungen 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 bereits 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 nur zu 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 Rohstoffkomponenten 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 94 Ma-Teile eines auf 160 bis 250°C vorgeheizten abgestimmten Mineralgemisches aus Gesteinssplitt, Sand und Füller, 6 bis 15 Ma-Teile eines Gemisches bestehend aus 78 bis 98 Ma-Teile in % Bitumen mit Erweichungspunkten von 35 bis 72°C und Gehalten an Harzen von mindestens 25 Ma-Teilen in % und 2 bis 20 Ma-Teile von Polybutadienen mit Molmassen von 2000 bis 10 000, Jodzahlen von 350 bis 450 g J/100 g und Viskositäten bei 20°C von 1 bis 250 Pa · s eingemischt werden und daß bei Temperaturen von 160 bis 250°C 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 140°C vorgemischt und in einem zweiten Arbeitsgang mit dem Mineralgemisch auf 160 bis 230°C erwärmt und bis zu 12 h gerührt. Bis zu 50 Ma-Teile in % des Bitumenanteils können harzreiche Kohlenwasserstoffgemische der Erdölverarbeitung und bzw. oder Teere oder Peche der Steinkohlen- oder Braunkohlenverarbeitung 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 Sonderfälle geeignet sind. Die hohen Gebrauchswerte resultieren dabei aus den erzielten elastischen Eigenschaften des Asphalts, die gekennzeichnet 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 Bedingungen überhaupt vernetzt werden können. Die verwendeten Polybutadiene weisen Molmassen von 2000 bis 10 000, Jodzahlen von 350 bis 450 g/100 g und Viskositäten bei 20°C 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 72°C und Gehalten an Harzen von mindestens 25 Ma-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 Mineralstoffgemisch wird nach üblichen Erfahrungswerten aus Gesteinssplitt, Sand und Füller in dem jeweiligen Anwendungszweck entsprechenden Kornaufbau eingesetzt. Bis zu 50 Ma-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 Ersatz bis zu 50 Ma-Teile in % des Polybutadienanteils durch hochmolekulare Synthesekautschuke möglich. Durch diesen teilweisen Ersatz ist die Erzielung bestimmter Eigenschaften möglich. Durch harzreiche Kohlenwasserstoffkomponenten werden solche Eigenschaften wie Haft- und Klebevermögen des Bindemittels verbessert, während Zusätze von Butadien-Styren-Kopolymerisaten, die mit dem Polybutadien zusammen mit Bitumen zu einem Bindemittel durch Kneten oder intensiven Mischen verarbeitet werden, eine Verkürzung der Reaktionszeit bei der Asphaltherstellung und weitere Verbesserungen der elastischen Eigenschaften bewirken. Die Herstellung des Asphalts erfolgt in üblichen Asphaltmischanlagen mit Zwangsvermischung. 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 230°C verrührt. Nach Erhalt einer 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 Bitumenmischanlage bei 120 bis 140°C vorgemischt und dann insgesamt in den Anlagen des Straßenwesens mit dem Mineralstoffgemisch bei 160 bis 250°C verarbeitet werden.

Ausführungsbeispiele Beispiel 1

In einem Gußasphaltkocher mit Mischwerk werden insgesamt 91 Ma-Teile in % eines Mineralgemisches bestehend aus 21,6 Ma-Teile in % Kalksteinmehl, 13,4 Ma-Teile in % Natursand 0/2, 9,3 Ma-Teile in % Brechsand 0/2 und 46,7 Ma-Teile in % Splitt 2/8 mit 8,9 Ma-Teile in % eines Bindemittelgemisches bestehend aus 90 Ma-Teile in % Bitumen mit einem Erweichungspunkt von 40°C und einem Harzanteil von 40 Ma-Teile in %, der mit Hilfe eines Lösungsmittelgemisches aus gleichen Teilen Benzen und Aceton nach Abtrennen von Asphaltenen und Ölen in einer mit aktiviertem Aluminiumoxid gefüllte Säule durch Eluation ermittelt wird und 10 Ma-Teile in % eines Polybutadiens mit einer Molmasse von 8500, einer Jodzahl von 380 g J/100 g und einer Viskosität von 180 Pa · s bei 180 bis 220°C homogen vermischt. Unter laufendem Rührwerk werden 0,07 Ma-Teile in % 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 der Straße verarbeitet. Der entstandene Asphalt hat folgende Eigenschaften im Vergleich zu einem üblichen Gußasphalt auf Basis von B 40:

Beispiel 2

In einem Rührwerk werden 63 Ma-Teile in % Bitumen mit einem Erweichungspunkt von 68°C und einem Harzanteil von 45 Ma-Teile in %, 21 Ma-Teile in % eines harzreichen schweren Vakuumdestillats der Erdölraffination und 15 Ma-Teile in % eines flüssigen Polybutadiens mit einer Molmasse von 2500, einer Jodzahl von 440 g J/100 g und einer Viskosität bei 20°C von 3,5 Pa · s und 1,0 Ma-Teile in % Schwefel bei 120 bis 140°C zu einem homogenen Bindemittel vorgemischt. Das Bindemittel wird flüssig transportiert. Es besitzt einen Ep von 57°C, einen Brechpunkt von -18°C und eine Rückverformung von 75%. Die Herstellung des Asphaltgemisches erfolgt in einer stationären Mischanlage aus 93 Ma-Teile Mineralstoffgemisch und 7 Ma-Teile in % des vorgemischten Bindemittels. Dabei beträgt der Gesamtschwefelanteil 0,07 Ma-Teile in %. Die Asphaltmischung wird 30 Minuten bei 170 bis 190°C gemischt und sofort verarbeitet. Der entstandene Asphalt hat folgende Eigenschaften:

Biegezugfestigkeit bei ± 0°C
9,0 N/mm²
Durchbiegung bei ± 0°C	3,1 mm
Biegezugfestigkeit bei -15°C	20,5 N/mm²
Durchbiegung bei -15°C	1,1 mm
Rückverformung nach 2 mm Dehnung bei 20°C	65%
Anzahl der Lastwechsel bei Dauerbiegeprüfung bei 5°C	2,5 · 10⁶

Beispiel 3

Es werden nachfolgend aufgeführte Einsatzstoffe verwendet, die wie folgt charakterisiert sind:

Entsprechend Beispiel 1 oder 2 werden unter Verwendung der genannten Komponenten unter den angegebenen Verfahrensbedingungen folgende Eigenschaften erzielt.

Claims (4)

1. Verfahren zur Herstellung eines Asphalts für Straßenbauzwecke aus Bitumen, Polybutadien, Schwefel, Füllstoffen und Gesteinsmaterialien, dadurch gekennzeichnet, daß in 85 bis 94 Ma-Teilen eines auf 160 bis 230°C vorgeheizten abgestimmten Mineralgemisches aus Gesteinssplitt, Sand und Füller 6 bis 15 Ma-Teile eines Gemisches bestehend aus 78 bis 98 Ma-Teile in % Bitumen mit Erweichungspunkten von 35 bis 72°C und Gehalten an Harzen von mindestens 25 Ma-Teilen in % und 2 bis 20 Ma-Teile in % von Polybutadienen mit numerischen Molmassen von 2000 bis 10 000, Jodzahlen von 350 bis 450 g J/100 g und Viskositäten bei 20°C von 1 bis 250 Pa · s eingemischt werden und daß bei Temperaturen von 160 bis 230°C 0,012 bis 0,3 Ma-Teile Schwefel hinzugefügt und das gesamte Gemisch bis zu 12 Stunden gerührt wird.

2. Verfahren nach Punkt 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Asphaltbindemittel aus Bitumen, Polybutadienen und Schwefel bei 120 bis 140°C vorgemischt wird und in einem zweiten Arbeitsgang mit dem Mineralgemisch auf 160 bis 230°C erhitzt und bis zu 12 Stunden gerührt wird.

3. Verfahren nach Punkt 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß bis zu 50 Ma-Teile in % des Bitumenanteils harzreiche Kohlenwasserstoffgemische der Erdölverabeitung und bzw. oder Peche oder Teere der Stein- oder Braunkohlenverarbeitung sind.

4. Verfahren nach Punkt 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, daß bis zu 50 Ma-Teile in % des Polybutadienanteils hochmolekulare Synthesekautschuke sind.