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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer bituminösen Mischung für Bau- zwecke aus einer Mineralmasse, mindestens einem Bindemittel aus der Gruppe Bitumen, Naturasphal- te, thermisch oder katalytisch hergestellter Rückstände aus der Erdölindustrie, Teere, Peche oder deren Gemische und Schwefel. Die erfindungsgemäss hergestellte bituminöse Mischung eignet sich besonders für den Tiefbau, insbesondere findet sie im Strassenbau Verwendung.
An Baumaterialien auf Bitumenbasis werden hohe Anforderungen gestellt, da diese sowohl hohen als auch tiefen Temperaturen widerstehen und hohen Verkehrsbelastungen standhalten müs- sen. Weiche Bitumen können bei Wärme an Oberfläche ausschwitzen und somit die Griffigkeit von
Fahrbahnbelägen verringern. Ausserdem deformieren sich mit weichen Bitumensorten hergestellte
Beläge unter Belastung, wodurch Spurrillen gebildet werden. Härtere, geblasene Bitumensorten hin- gegen besitzen geringere Haftfähigkeit und neigen bei tiefen Temperaturen vor allem nach Alterung zu Sprödigkeit. Zur Verringerung dieser Nachteile müssen ausgewählte Mineralaggregate mit bestimm- tem Kornaufbau, nach speziellen Verfahren hergestellte Bitumen oder mit Kunststoffen modifizierte
Bindemittel verwendet werden.
Gesteine mit hervorragenden Eigenschaften stehen nicht immer zur
Verfügung, so dass hohe Transportkosten zur Beschaffung dieser Materialien anfallen. Die Verwen- dung von Haftmitteln und Kunststoffen erhöht ebenfalls die Kosten modifizierter Strassenbeläge.
In der AT-PS Nr. 285425 ist ein Verfahren zur Erhöhung der Duktilität von Bitumen in einstell- barer Weise beschrieben, wobei das erhaltene Bitumen ausserdem eine grosse Plastizitätsspanne und eine gute Haftfestigkeit gegenüber Gesteinsmaterialien bei Wassereinwirkung aufweisen soll. Diese
Aufgabe wird nach dieser Patentschrift dadurch gelöst, dass das erhitzte Bitumen in an sich be- kannter Weise mit weniger als ungefähr 10 Gew.-% Schwefel vermischt wird und nach der Vermi- schung Temperaturen über etwa 1800C und auch lokale Überhitzungen vermieden werden, und dass ein Kontakt des Bitumens mit Sauerstoff möglichst weitgehend verhindert wird.
Das durch den Schwe- felzusatz verbesserte, heisse Bitumen darf nach diesem bekannten Verfahren also weder in einem
Vorratstank einer Mischanlage, noch während der Mischgutherstellung oder während des Mischgut- transportes zur Einbaustelle längere Zeit dem Luftsauerstoff ausgesetzt werden. Ausserdem kann nach diesem Verfahren eine gleichmässige Vermischung der relativ geringen Schwefelmenge im Bitumen für ein Bitumen-Zuschlagstoff-Gemisch für Strassenbauzwecke gewisse Schwierigkeiten bereiten. Deshalb wird auch vorgeschlagen, den Schwefel in Form eines Gemisches aus feinkörnigem Schwefel und einen für den Strassenbau geeigneten Zuschlagstoff dem Bitumen beizugeben.
In der DE-OS 2511560 ist ein Verfahren geoffenbart, bei dem die Herstellung des schwefelhaltigen Baustoffes auf der Grundlage von Zuschlägen und Asphalt folgendermassen durchgeführt wird.
Elementarer Schwefel wird in ein Reaktionsgefäss gefüllt und über den Schmelzpunkt erwärmt, dann wird ein Plastifizierungsmittel, z. B. Dicyclopentadien, zugesetzt, anschliessend werden dem Schwefel organische und faserige Füllstoffe zugegeben, inzwischen wird in einem andern Reaktionsgefäss der benötigte erwärmte Zuschlag gerührt und mit heissem Asphalt vermischt, und dann wird die geschmolzene, oben erwähnte Zusammensetzung auf Schwefelbasis zu dem Gemisch aus Asphalt und Zuschlägen zugesetzt.
In der DE-OS 2149676 sind Giess-Formteile aus elementarem Schwefel, Bitumen und Mineralstoffteilchen enthaltenden Gemischen beschrieben. Auf Seite 2 der Offenlegungsschrift wird ausdrücklich darauf hingewiesen, dass elementaren Schwefel enthaltende Asphaltmischungen mit einem hohen Verhältnis von Schwefel zu Bitumen sich nur schwierig mittels der üblichen Walzmassnahmen verdichten lassen. Es wird daher vorgeschlagen, auf die bisher üblichen Verdichtungsmassnahmen zu verzichten und stattdessen derartige Gemische zu vergiessen. Im weiteren wird dann die Herstellung der Giess-Formteile beschrieben.
In der DE-OS 2016568 wird ein Verfahren zur Herstellung bituminöser Einbettungen oder Betone erwähnt, das darin besteht, dass in einem geeigneten Apparat sechs Teile der Bindemittelzubereitung auf Basis weichgemachten Schwefels, Bitumens und eventuell eines Verdünnungsöls mit 100 Teilen Kies geeigneter Korngrösse gemischt werden.
Gegenstand der CH-PS Nr. 372970 ist ein Verfahren zur Herstellung von Bitumen oder bitumenhaltigen Gemischen mit verbesserten Eigenschaften, das dadurch gekennzeichnet ist, dass schwefelfreiem oder schwefelarmem Bitumen oder solchen enthaltenden Gemischen elementarer Schwefel oder schwefelhaltige Verbindungen zugesetzt werden.
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Der Zusatz erfolgt am besten, wenn das Bitumen eine Temperatur von 80 bis 2400C erreicht hat. Als vorteilhaft wird angeführt, den Schwefel zusammen mit Kautschuk, Benetzungs- und Haft- mitteln zuzusetzen.
Die FR-PS Nr. 2. 114. 256 beschreibt ein neues Verfahren zur Herstellung einer bituminösen Komposition, wobei eine oder mehrere organische Polyschwefelverbindungen, die in plastischer oder elastomerer Form vorliegen und frei von elementarem Schwefel sind, entweder direkt in das Bitumen oder zusammen mit einem Fluxöl in das Bitumen eingebracht werden.
In der Literaturstelle Bitumen-Teere-Asphalte-Peche, 8/1972, wird die seit langem bekannte
Modifikation von Bitumen mit Polymeren beschrieben.
Das erfindungsgemässe Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass man elementaren Schwefel oder durch olefinische Kohlenwasserstoffe weichgemachten Schwefel, der zusätzlich als Viskositäts- regulator mindestens eine thiophile stickstoffhaltige Verbindung enthält, und, gegebenenfalls amorphe Polymeren enthaltendes, Bindemittel, wobei man Schwefel bei einer Temperatur von 120 bis 160 C, vorzugsweise 130 bis 150 C, und das Bindemittel bei 150 bis 170 C über getrennte, auf diesen Temperaturen gehaltene Zuleitungen gleichzeitig in eine Mischkammer, welche die auf etwa
140 bis 180 C, vorzugsweise 150 bis 170 C, erwärmte Mineralmasse enthält, eindüst und gleichzeitig mit dieser vermischt.
Ein Vorteil der erfindungsgemäss hergestellten Mischung liegt darin, dass sie durch Einsatz von elementarem Schwefel oder mit olefinischem Kohlenwasserstoff weichgemachtem Schwefel auch bei hohen Temperaturen hohe Festigkeiten besitzt und geringes Fliessen aufweist, während bei tiefen
Temperaturen die elastischen Eigenschaften vor allem beim Einsatz von weichgemachtem Schwefel erhalten bleiben.
Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass auch Mineralmassen mit schlechter Kornabstufung, wie einkörnige Sande und Abfallprodukte, verwendet werden können. Dies ist von besonderer Bedeu- tung, da edles Gesteinsmaterial immer seltener wird und für die Verwendung im Hochbau vorgese- hen ist. Ausserdem ist der Transport von hochwertigem Gesteinsmaterial über weite Distanzen unwirt- schaftlich. Beim Herstellen der Mischung können als Mineralmassen bisher kaum brauchbare Zuschlag- stoffe verwendet werden. Als Zuschlagstoffe werden die bei Asphaltbelägen üblichen Gesteine und
Materialien eingesetzt. Weiters lassen sich einkörnige Sande, gebrochenes Gestein, Schotter, Füller- massen und künstliches Material, wie Rückstände aus Hochöfen (Schlacken), verwenden, wobei genau so gute Eigenschaften wie beim Einbau hochwertiger Aggregate erhalten werden.
Durch die Zugabe von Schwefel ist die Haftfestigkeit des Bindemittels sowohl auf saurem als auch basischem Gestein gleichermassen gut, so dass keine Haftvermittler benötigt werden. Ab einem bestimmten Bindemittelgehalt, der vom verwendeten Gestein abhängt, und bei einem Schwefel/Bitumen-
Verhältnis von mindestens 2 : 1, genügt zur Verdichtung der Mischung geringes Walzen oder nur
Vergiessen, wodurch insbesondere beim Einbau von Asphaltbelägen in Hanglage besondere Vorteile erzielt werden. Schliesslich wird auf Grund der hohen Tragwerte der erfindungsgemäss hergestellten
Mischung zur Erreichung der vorgeschriebenen Festigkeit nur eine geringere Schichtdicke und somit weniger Material benötigt.
Für die erfindungsgemässe Herstellung der bituminösen Mischung können sowohl Destillatbitu- men als auch geblasene Bitumen mit und ohne Verdünnungsöl verwendet werden. Ausser Erdölbitumen lassen sich auch andere thermisch oder katalytisch hergestellte Rückstände, Teere und Peche,
Asphalte oder Gemische davon einsetzen.
Die Penetration der verwendeten Rückstände soll höchstens 300 betragen, Bitumen mit einer
Penetration von 10 bis 200 werden bevorzugt. Für die Herstellung von Gussasphalt werden härtere Bitumen, wie B 40, B 20 und B 10, oder deren Gemische verwendet.
Die Eigenschaften von weichen Bitumen können durch Zugabe von amorphen Polymeren, wie ataktischem Polypropylen, verbessert werden, weil dadurch die Haftfestigkeit am Gestein und die Alterungsbeständigkeit zunehmen. Die Bruchfestigkeit bleibt auch bei tiefen Temperaturen erhalten.
Untersuchungen an erfindungsgemäss hergestellten Mischungen haben ergeben, dass bei gleichzeitiger Modifikation des Bitumens, insbesondere mit Schwefel, nur im wesentlichen amorphe Polymeren weitere Verbesserungen des Bindemittels bewirken. Die Menge der im wesentlichen amorphen Polymeren kann bis etwa 30%, bezogen auf Bitumen, betragen. Die maximale Zugabemenge an amorphen Poly-
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meren, z. B. ataktischem Polypropylen, ist durch die Löslichkeit der Polymeren im Bitumen be- grenzt, welche von der Art des Bitumens und der des amorphen Polymeren abhängt. Zur Herstel- lung von polymermodifiziertem Bitumen setzt man in Verdünnungsöl gequollenes Polymeres oder Poly- meres in Form von Flocken, Granulat oder Schnitzel bei 150 bis 170 C direkt dem Bindemittel zu.
Die Menge des bituminösen Bindemittels in den Schwefel/Bindemittel-Mischungen oder Schwefel/
Polymer-modifizierten Bindemittelmischungen soll vorzugsweise 2 bis 9 Gew.-%, bezogen auf die
Mineralmasse, betragen. Die geringste Menge an Bindemittel (Bitumen) wird durch die Art des
Gesteins und die zugegebene Schwefelmenge bestimmt, da bei sehr geringem Gesamtbindemittelgehalt und geringem Bitumenanteil das eingebaute Mischgut zu starr und spröde wird.
Die zugegebene Schwefelmenge kann 40%, bezogen auf bituminöse Bindemittel, bis das Doppelte an Bitumen oder modifiziertem Bitumen betragen. Bei weniger als 40% Schwefel werden hohe Festig- keit und geringere Fliesswerte nicht im erwünschten Ausmass erreicht. Bei zu viel Schwefel leidet die Flexibilität der bituminösen Mischung und Verdichtungsprobleme können auftreten.
Bei Schwefelkonzentrationen über 50%, bezogen auf Gesamtbindemittel, ist es empfehlenswert, an Stelle von elementarem Schwefel einen mit olefinischen Kohlenwasserstoffen weichgemachten Schwe- fel einzusetzen, wodurch die Verarbeitung bei niederen Temperaturen erleichtert wird und Baustoffe mit besserem Frost/Tau-Verhalten erhalten werden. Diese Vorteile durch Verwendung von plastifi- ziertem Schwefel sind in der DE-OS 2511560 wiedergegeben. Vorteilhaft wird Schwefel, der mit maxi- mal 10% olefinischen Kohlenwasserstoffen modifiziert ist, eingesetzt. Als olefinische Kohlenwasser- stoffe werden vorzugsweise Dicyclopentadien, Cyclooctadien, Cyclodecatrien, Dipenten, Styrol, Vinyl- cyclohexen oder Gemische daraus eingesetzt.
Ein Nachteil bei Verwendung von modifiziertem Schwe- fel liegt jedoch daran, dass wegen der exothermen Reaktion von olefinischen Kohlenwasserstoffen mit Schwefel die Reaktionstemperatur bei grösseren Ansätzen schwer zu kontrollieren ist und da- durch die Viskosität so weit ansteigen kann, dass das Produkt nicht mehr verarbeitbar wird. Um diesen grossen Nachteil zu vermeiden, wird erfindungsgemäss zum Regulieren der Viskosität eine stickstoffhaltige, thiophile Verbindung eingesetzt. Als thiophile, stickstoffhaltige Verbindung verwendet man insbesondere Amine, Diamine, Alkanolamine oder Amide, vorzugsweise in einer Menge von 0, 1 bis 3%, insbesondere 0, 1 bis 2%, bezogen auf Schwefel.
In Tabelle 1 sind die Viskositäten von mit DCP plastifiziertem Schwefel wiedergegeben. Es ist daraus ersichtlich, dass Dibutylamin die Viskosität der Mischung, die jeweils unter gleichen Bedingungen hergestellt wurde, stark reduziert, und dass andere basische Verbindungen, wie ZnCOa. Zn (OH), oder Ca (OH)., keinen derartigen Effekt aufweisen.
Die Haftung von Bitumen am Gestein wird durch Zugabe von Schwefel prinzipiell verbessert, erfordert jedoch bei bestimmten Gesteinen eine Schwefelkonzentration von über 50%, bezogen auf Gesamtbindemittel, um im Duschtest eine 100%ige Bedeckung nach 5 h Beregnungsdauer zu erhalten. Im Rahmen von Untersuchungen wurde gefunden, dass auch bei geringerer Schwefelkonzentration eine praktisch vollständige Haftung zu erzielen ist, wenn das bituminöse Bindemittel zusätzlich mit amorphen Polymeren modifiziert wird.
Die Basizität und Azidität der Mineralmasse hat keinen merklichen Einfluss auf die Haftfestigkeit des Bindemittels. Während bei der alleinigen Verwendung von Bitumen als Bindemittel bei sauren Gesteinen manchmal Haftvermittler zugesetzt werden müssen, haften mit Schwefel modifizierte Bitumen auf basischem und saurem Gestein sehr gut.
Tabelle 2 zeigt, dass durch Zugabe von Schwefel eine Verbesserung der Haftung an Granulit gegenüber alleiniger Verwendung von Bitumen erreicht wird. Bei Schwefelkonzentrationen um 50% wird durch Zugabe von wenigen Prozenten ataktischem Polypropylen ein 100%iger Bedeckungsgrad erhalten.
Schwefel kann in jeder Modifikation eingesetzt werden, da er unter den Mischbedingungen geschmolzen vorliegt. Sowohl Frasch-Schwefel als auch Schwefel aus der Entschwefelung von Erdölprodukten und Kohlen lassen sich verwenden. Schwefel kann in fester oder flüssiger Form zudosiert werden, bevorzugt wird jedoch die Zugabe von flüssigem Schwefel.
Durch olefinische Kohlenwasserstoffe weichgemachter Schwefel ist plastischer oder nicht modifizierter Schwefel ; die bituminösen Mischungen werden dadurch bei tiefen Temperaturen besser verarbeitbar und verdichtbar. Zum Weichmachen genügen maximal 10% olefinische Kohlenwasserstoffe,
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bezogen auf Schwefel. wobei Temperaturen zwischen 130 und 140 C einzuhalten sind. Zur Reaktion- beschleunigung können als Katalysatoren Amine verwendet werden.
Bei Herstellung der bituminösen Mischungen muss berücksichtigt werden, dass für die Errei- chung optimaler Eigenschaften des Mischgutes ein optimaler Gesamtbindemittelgehalt notwendig ist, welcher je nach Hohlraum und Kornaufbau der Mineralmischung 6 bis 20% beträgt und noch vom
Verhältnis Schwefel/Bitumen abhängt. Für Sande mit Hohlraumgehalten von 30 bis 35% werden 8 bis 16% Gesamtbindemittel benötigt, um optimale Tragwerte zu erzielen. In Gesteinsmischungen mit optimalem Kornaufbau genügen wesentlich weniger Bindemittel zur Erreichung ausserordentlich hoher
Tragwerte und niedriger Fliesswerte. Zu viel Bindemittel könnte hier zu einer Überfettung des Gemi- sches führen, wodurch sich der Schwefel vom Bitumen trennt.
Die bituminösen Mischungen werden dadurch hergestellt, dass man ohne vorheriges Dispergie- ren Schwefel und Bitumen durch getrennte Zuleitungen in die Mischkammer eindüst und gleichzeitig mit dem Gestein vermischt. Dadurch erübrigt sich der Einsatz einer zusätzlichen Dispergieranlage, wie dies z. B. nach dem Verfahren der DE-OS 2336128 der Fall ist, wo Schwefel und Bitumen vor der Vermischung mit dem Gestein dispergiert werden müssen und wo nur Probekörper mit begrenztem
Schwefelgehalt und damit niedrigerem Tragwert hergestellt werden können. Weiters besitzen die
Dispersionen geringe Stabilität, die auch durch Dispergierhilfsmittel (DE-OS 2554415) nur gering- fügig verbesserbar ist.
Durch das erfindungsgemässe Verfahren ist die Verwendung herkömmlicher
Mischanlagen ohne merkliche Umrüstung möglich, und die volle Durchsatzleistung der Anlage bleibt erhalten. Durch die geringe Kontaktzeit von Schwefel mit Bitumen wird sogar bei Überschreitung der maximal zulässigen Temperatur von 160 C Schwefelwasserstoff nur in geringen Mengen freige- setzt.
Die Erfindung betrifft auch eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemässen Verfah- rens mit einer Mischkammer, an die jeweils eine Leitung zum Zuführen von Schwefel und Bindemit- tel angeschlossen ist, und die eine Öffnung zum Eintragen einer Mineralmasse sowie eine Öffnung zum Austragen des Mischgutes aufweist. Die Vorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass in der
Leitung zum Zuführen von Schwefel und in der Leitung zum Zuführen von Bindemittel jeweils ein Dosierorgan, insbesondere Ventil, vorgesehen ist, welche Dosierorgane zwecks gleichzeitiger Betäti- gung an eine gemeinsame Steuereinrichtung angeschlossen sind. Bei einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemässen Vorrichtung ist die gemeinsame Steuereinrichtung mit einem Durchflussmengenzähler gekoppelt, der in der Leitung zum Zuführen von Schwefel angeordnet ist.
Ein weiteres vorzugsweises Merkmal besteht darin, dass die Leitung zum Zuführen von Schwefel und bzw. oder die Leitung zum Zuführen von Bindemittel beheizbar ausgebildet sind bzw. ist.
Nach dem erfindungsgemässen Verfahren wird flüssiger Schwefel aus einem Tank über eine Pumpe in die Mischkammer eingedüst. Die erforderliche Schwefelmenge wird durch Messung des zugegebenen Schwefelvolumens ermittelt. Die Zudosierung von flüssigem Schwefel aus dem Tank ist mit dem Beginn der Bitumenzugabe gekoppelt. Nach Zugabe der erwünschten Mengen werden die Leitungen für Schwefel und Bitumen durch Ventile separat geschlossen. In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel des Schwefelsystems einer Schwefelasphaltmischanlage schematisch dargestellt.
Flüssiger Schwefel wird aus einem isolierten Schwefel-Tankwagen einem beheizten und isolierten Tank oder andern Behälter, der auf etwa 130 bis 1500C gehalten wird, über ein Ventil - -2-- von einer Pumpe --3-- angesaugt. Der Tankwagen oder Behälter besitzt am unteren Teil einen Ausflussstutzen, an dem eine beheizte Leitung mit Ventil und einer Pumpe angeschlossen ist. Von der Pumpe führt die beheizte und isolierte Leitung --5-- zu der Mischkammer --7--. Über der Mischkammer --7-- sind eine oder mehrere Düsen angebracht, durch die der flüssige Schwefel auf das Mineralaggregat aufgesprüht wird. In die Leitung von der Pumpe --3-- ist ein Durchfluss-Zähler - und ein Absperrventil --6-- eingebaut. Bei Pumpen ohne Rückführung wird an Stelle des Absperrventils ein isoliertes Dreiwegventil verwendet.
Das ist notwendig, um den Schwefel durch eine in der Figur nicht eingezeichnete Rückführleitung in den Schwefelbehälter zurückzuführen, wenn keine Dosierung des Schwefels zum Gestein in der Mischkammer erfolgt.
Das Bitumen wird der Mischkammer --7-- über eine Leitung --8--, in der ein Ventil --9-angeordnet ist, zugeführt. Die Mineralmasse wird über eine Öffnung --11-- in die Mischkammer - eingebracht.
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Mittels des Durchflusszählers --4-- wird das zudosierte Schwefelvolumen ermittelt. Die Zudosierung von Schwefel erfolgt nach Einbringen der Mineralaggregate durch die Öffnung --11-- in den Mischtrog --7--, gleichzeitig mit der Bitumenzugabe durch Öffnen des Ventils --6--. Nach Zugabe der
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--4--,- beendet wird.
Das Mischgut wird durch eine Öffnung --12-- aus der Mischkammer --7-- ausgetragen.
Die Beibeheizung des Schwefelbehälters und der Schwefelleitungen erfolgt entweder durch eine Leitung von der direkten Beheizung des Bitumentanks oder durch eine indirekte Heizung aus einer zusätzlichen Wärmequelle, wobei als Wärmeübertragungsmedium bevorzugt Thermalöl verwendet wird. Als zusätzliche Wärmequelle kann ein Flammrohrkessel verwendet werden, der von einem Behälter mit flüssigem oder gasförmigem Brennstoff versorgt wird.
Mischgut mit hohem Schwefelgehalt muss mit Temperaturen von 130 bis 140 C eingebaut und verdichtet werden. Es soll nicht zu weit abgekühlt werden, um ein Zerstören des Kristallgefüges des Schwefels beim Verdichten zu vermeiden.
Bei Schwefelkonzentrationen unter 50% und Gesamtbindemittelgehalten über 10% oder bei Verwendung von mit olefinischen Kohlenwasserstoffen weichgemachtem Schwefel kann auch bei Temperaturen
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blosse Verdichtungswirkung des Festigers verlegt werden.
Durch Variation des Gesamtbindemittelgehaltes, des Verhältnisses Schwefel zu Bitumen und des Kornaufbaues von Mineralaggregaten sowie der Verdichtungsart können Mischgutqualitäten für verschiedenste Verwendungen erzeugt werden.
Aus Mischungen mit einem Schwefel/Bitumen-Verhältnis von 1 : 1 bis 2 : 1 können sogar mit einkörnigen Sanden Tragschichten eingebaut werden, die höchsten Verkehrsbelastungen standhalten. Trotz höherer Hohlraumgehalte als in Mischungen ohne Schwefel, auf Grund der Kontraktion von Schwefel bei Übergang von flüssiger in feste Form, besitzen schwefelhaltige Mischungen ausgezeichnete Tragwerte und minimale Wasserdurchlässigkeit.
Marshallteste :
Mineralstoffe wurden in einem Mischapparat bei 140 C mit heissem Bitumen und mit flüssigem Schwefel 5 bis 10 min lang gut durchgearbeitet. Von den verschiedenen Mischgütern, die bei 130 bis 140 C verdichtet wurden, wurden die Marshall-Kenngrössen nach DIN 1996, Blatt 11, bestimmt.
Tabelle 3 zeigt die Kennzahlen von Probekörpern aus einkörnigen Sanden mit unterschiedlichem Bindemittelgehalt. Es zeigt sich, dass durch Modifikation mit Schwefel die Stabilität von Mischgut aus Sanden beträchtlich erhöht werden kann.
Die Verbesserung der Eigenschaften ist aber nicht nur auf solche Mineralaggregate beschränkt, die ohne Schwefel kaum brauchbar sind. Auch bei Mineralstoffen mit optimalem Kornaufbau sind die Kenndaten gegenüber Proben ohne Schwefel verbessert. Tabelle 4 zeigt die Ergebnisse von Mischungen mit optimalem Kornaufbau.
Die Verdichtungswilligkeit wurde an schwefelhaltigen Prüfkörpern bei verschiedenen Verdichtungstemperaturen mit unterschiedlicher Schlagzahl geprüft. Die Abhängigkeit der Verdichtungstemperatur ist bei je 50 Schlägen in Tabelle 5 wiedergegeben. Die günstigste Verdichtungstemperatur liegt bei 130 bis 150 C. In diesem Temperaturbereich sind für Mischungen aus einkörnigen Sanden, entsprechend Tabelle 3, mit einem Bindemittelgehalt bis 20% und einem Schwefel/Bitumen-Verhältnis bis 2 : 1 Verdichtungen in der Grössenordnung von 30 bis 70 Schlägen optimal. Bei einem grösseren Schwefel/Bitumen-Verhältnis und Bindemittelgehalten über 18% können die Mischungen auch vergossen werden.
Haftfestigkeit :
Für die Prüfung der Haftfähigkeit wurden Mischgüter aus verschiedenen Mineralstoffen der Kornstufe 8/12 mm hergestellt. 300 g des Mineralstoffes wurden mit 15 g Bindemittel gemischt und mit Wasser von 60 C besprüht. Nach 1, 3 und 5 h wurden die Proben betrachtet und die bindemit-
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telfreie Fläche des Mineralstoffes abgeschätzt. Tabelle 6 zeigt die Ergebnisse dieses Duschtests.
Das adhäsive Verhalten des Bindemittels wird durch Verwendung von Schwefel stark verbessert. Bei einem Verhältnis von Schwefel zu Bitumen von 2 : 1 zeigten die untersuchten Mineralstoffe selbst nach 5 h Beregnungsdauer noch vollständige Bedeckung.
Tabelle 1
Viskositäten von plastifiziertem Schwefel
Einfluss thiophiler Verbindungen
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<tb>
<tb> Temperatur <SEP> C <SEP> Viskosität, <SEP> cp
<tb> 120 <SEP> 140 <SEP> 160
<tb> S/DCP <SEP> 1) <SEP> 102 <SEP> 438 <SEP> > <SEP> 11550
<tb> S/DCP <SEP> DBA <SEP> 3) <SEP> 0,5% <SEP> 72 <SEP> 157 <SEP> 1450
<tb> S/DCP <SEP> Ca <SEP> (OH), <SEP> 0, <SEP> 5% <SEP> 114 <SEP> 520 <SEP> > <SEP> 13600 <SEP>
<tb> S/DCP <SEP> ZINCO..
<SEP> Zn <SEP> (OHL, <SEP> 0, <SEP> 5% <SEP> 83 <SEP> 223 <SEP> > <SEP> 13600 <SEP>
<tb> B <SEP> 40 <SEP> 1440 <SEP> 460 <SEP> 192
<tb> B <SEP> 40/S/DCP <SEP> 2) <SEP> 1210 <SEP> 405 <SEP> 202
<tb> B <SEP> 40/S/DCP <SEP> DBA <SEP> 3) <SEP> 920 <SEP> 310 <SEP> 155
<tb> B <SEP> 40 <SEP> ! <SEP> S/DCP, <SEP> Ca <SEP> (OH) <SEP> 2 <SEP> 1220 <SEP> 400 <SEP> 192
<tb> B <SEP> 40/S/DCP, <SEP> ZnCOg <SEP> 1150 <SEP> 370 <SEP> 180
<tb>
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2) Bitumen/modifizierter Schwefel-Verhältnis 1 : 1 3) DBA-Dibutylamin
Tabelle 2
Haftverhalten im Duschtest
Gestein - 8/12 WANKO Granulit
Beregnungsdauer - 1 h
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<tb>
<tb> Bedeckung <SEP> in <SEP> %
<tb> Bitumen <SEP> B <SEP> 100 <SEP> 50
<tb> B <SEP> 100/S <SEP> 1 <SEP> :
<SEP> 1 <SEP> 70
<tb> B <SEP> 100 <SEP> (mit <SEP> 10% <SEP> APP) <SEP> 80
<tb> B <SEP> 100 <SEP> (mit <SEP> 10% <SEP> APP)/S <SEP> 1 <SEP> : <SEP> 1 <SEP> 100
<tb> B <SEP> 100/S <SEP> 1 <SEP> : <SEP> 2 <SEP> 100
<tb>
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Tabelle 3 Zusammensetzung und Kenndaten
Marshalltest
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<tb>
<tb> Bitunen <SEP> Schwefel <SEP> Hohlraumgehalt <SEP> Tragwert <SEP> FlieBwert <SEP>
<tb> Gew.-% <SEP> Gew.% <SEP> 2) <SEP> Vol-% <SEP> @.10 <SEP> 0,1 <SEP> mm <SEP> 5)
<tb> B <SEP> 100 <SEP> 6 <SEP> 0 <SEP> 14, <SEP> 6 <SEP> 460 <SEP> 19, <SEP> 3 <SEP>
<tb> 3 <SEP> 3 <SEP> 16, <SEP> 8 <SEP> 1200 <SEP> 12, <SEP> 5 <SEP>
<tb> 2 <SEP> 4 <SEP> 18, <SEP> 1 <SEP> 1700 <SEP> 8, <SEP> 4 <SEP>
<tb> 4, <SEP> 5 <SEP> 4, <SEP> 5 <SEP> 13, <SEP> 0 <SEP> 1350 <SEP> 15, <SEP> 4 <SEP>
<tb> 3 <SEP> 6 <SEP> 13, <SEP> 1 <SEP> 3100 <SEP> 12,
<SEP> 2 <SEP>
<tb> 2 <SEP> 4 <SEP> 1600 <SEP> 9, <SEP> 7 <SEP>
<tb> B <SEP> 200 <SEP> 6 <SEP> 0 <SEP> 15, <SEP> 7 <SEP> 750 <SEP> 18, <SEP> 5 <SEP>
<tb> 5 <SEP> 11 <SEP> 3, <SEP> 6 <SEP> 2700 <SEP> 14, <SEP> 0 <SEP>
<tb>
1)Mineralnasse-Siebanalyse :
EMI7.2
63bezogen auf Gewicht des Mischgutes ) inklusive 5% Dicyclopentadien, bezogen auf Schwefelmenge
EMI7.3
30%Bestimmung nach Tangentennethode
Tabelle 4 Marshalltest an Probekörpern mit definiertem Kornaufbau
EMI7.4
<tb>
<tb> 8 <SEP> 100 <SEP> Schwefel <SEP> Tragwert <SEP> 2) <SEP> Fliesswert <SEP> Hohlraungehalt
<tb> Gew.-% <SEP> Gew.-% <SEP> @.10 <SEP> 0,1 <SEP> mm <SEP> % <SEP> Vol.
<tb>
5, <SEP> 1 <SEP> 0 <SEP> 1060 <SEP> 48 <SEP> 2, <SEP> 4 <SEP>
<tb> 23 <SEP> 6 <SEP> 2400 <SEP> 37 <SEP> 3, <SEP> 4 <SEP>
<tb> 4 <SEP> 8 <SEP> 1500 <SEP> 42 <SEP> 1, <SEP> 1 <SEP>
<tb>
EMI7.5
:10% Steinmehl
35% Brechsand 0/3
10% Splitt 2/5
15% Splitt 5/8
30% Splitt 8/12 ) Proben mit Schwefel mit 25 Schlägen verdichtet
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EMI8.2
<tb>
<tb> Verdiehtungstemperatur <SEP> Tragwert <SEP> Fliesswert <SEP> Raumdichte <SEP> Hohlraum <SEP>
<tb> OC <SEP> N.
<SEP> 10 <SEP> 0, <SEP> 1m <SEP> g/cm' <SEP> ! <SEP> Vol <SEP>
<tb> 140 <SEP> 2000 <SEP> 26 <SEP> 2, <SEP> 269 <SEP> 3, <SEP> 7 <SEP>
<tb> 120 <SEP> 1700 <SEP> 25 <SEP> 2, <SEP> 256 <SEP> 4, <SEP> 2 <SEP>
<tb> 100 <SEP> 1100 <SEP> 24 <SEP> 2, <SEP> 169 <SEP> 7, <SEP> 9 <SEP>
<tb> 80 <SEP> 340 <SEP> 24 <SEP> 2, <SEP> 074 <SEP> 11, <SEP> 9 <SEP>
<tb>
Tabelle 6 Haftverhalten in) Duschtest
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<tb>
<tb> Gesteinsmasse <SEP> Beregnungsdauer <SEP> Bedeckung <SEP> in <SEP> %
<tb> h
<tb> 8100 <SEP> BJOO/S <SEP>
<tb> J <SEP> :
<SEP> 2 <SEP>
<tb> Holli <SEP> tzer <SEP> 1 <SEP> 70 <SEP> 100
<tb> Kalk <SEP> 3 <SEP> 60 <SEP> 100
<tb> 5 <SEP> 60 <SEP> 100
<tb> Wanko <SEP> Granuli <SEP> t <SEP> 1 <SEP> 50 <SEP> 100 <SEP>
<tb> 3 <SEP> 40 <SEP> 100
<tb> 5 <SEP> 35 <SEP> 100
<tb> Feldbacher <SEP> 1 <SEP> 90 <SEP> 100
<tb> Basalt <SEP> 3 <SEP> 80 <SEP> 100
<tb> 5 <SEP> 80 <SEP> 100
<tb>
Beispiel 1 :
Dieses Beispiel erläutert die Herstellung von Schwefelasphalt-Mischgut in einer herkömmlichen Mischgutanlage (Kapazität etwa 70 t/h). Flüssiger Schwefel, der bei Entschwefelung von Erdölprodukten anfiel, wurde von einer Raffinerie über 150 km Entfernung in einem isolierten Tankwagen von 30 t Inhalt zur Mischgutanlage transportiert und mittels einer Pumpe (Type Bornemann) in die Mischkammer eingedüst.
Die Schwefel-Leitungen wurden mit Thermalöl aus der Bitumentankbeheizung auf einer Temperatur von etwa 140 C gehalten.
Als Zuschlagmaterial wurde minderes Gestein aus einem in der Nähe der Mischanlage liegenden Steinbruch verwendet, bestehend aus 70% Sand der Korngrössenverteilung 0/10 und 30% gebrochenem Material des Korns 8/18.
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Das in der Trockentrommel getrocknete Gestein wurde mit einer Temperatur von 160 bis 170 C in Chargen von 920 kg in die Mischtrommel eingebracht. Dazu kamen 47 kg Bitumen B 100 mit einer
Temperatur von 150 C ; gleichzeitig mit Öffnen des Ventils für das Bindemittel wurde das Ventil der Schwefelleitung geöffnet und 45 kg Schwefel mit einer Temperatur von 140 C wurden aus dem isolierten Tankwagen auf das Gestein gedüst. Die Zeit von der Zugabe des Gesteins in den Misch- trog bis zum Entleeren des schwefelhaltigen Mischgutes betrug etwa 1 min. Danach wurde das Misch- gut über ein Förderband in einen Silo gefördert, von wo es mit einer Temperatur von etwa 1500C auf einen LKW geladen und zur Einbaustelle transportiert wurde.
Zum Einbau wurden ein im Stra- ssenbau üblicher Fertiger und eine Tandemwalze zum Verdichten verwendet. Zum Vergleich wurde auch Mischgut ohne Schwefel hergestellt und verlegt.
Im Marshalltest wies das schwefelhaltige Mischgut Tragwerte von 2200 N. 10 bei einem Hohl- raumgehalt von 3, 2 Vol.-% auf. Im Vergleich dazu hatte schwefelfreies Mischgut mit 5% B 100 einen
Hohlraumgehalt von 8, 8 Vol.-% und einen Tragwert von 1030 N. 10. Nach 28tägiger Wasserlagerung lag der Tragwert des schwefelhaltigen Mischgutes bei 600 bzw. 380 N. 10 bei normalem Mischgut.
Die Wasseraufnahme betrug bei Mischgut mit Schwefel 2, 2% und bei Mischgut ohne Schwefel 7, 4%.
Beispiel 2 :
Dieses Beispiel erläutert die Herstellung von schwefelhaltigem Asphaltmischgut mit modifizier- tem Schwefel, dessen Fliessverhalten duch ein Amin reguliert wurde.
In einem auf 135 bis 1400C thermostatierten Mischgefäss wurden 190 g flüssiger Schwefel vorge- legt, 100 g Dicyclopentadien wurden unter die Oberfläche des Schwefels zugegeben und 2 h reagie- ren gelassen. Danach wurden 10 g Dibutylamin zugesetzt und weitere 2 h bei 1400C gerührt. Die
Viskosität der Mischung bei 1400C betrug 157 cP gegenüber modifiziertem Schwefel ohne Aminzugabe mit 440 cP.
200 g des mit Amin modifizierten Schwefels und 120 g Bitumen B 100 wurden in einem HOBARTH-
Mixer zu 3680 g Gestein (Kornaufbau wie Beispiel 1) zugegeben und 5 min bei 1400C gemischt.
Marshall-Probekörper, hergestellt durch Verdichtung mit jeweils 50 Schlägen bei 130 bis 140 C, zeigten einen Tragwert über 3000 N. 10, einen Fliesswert von 27 (in 0, 1 mm) mit einem Hohlraumge- halt von 6, 8 Vol.-%.
Beispiel 3 :
In diesem Beispiel wird die Herstellung von schwefelhaltigem Asphaltmischgut mit modifizier- tem Bitumen aufgezeigt.
In einem Mischgefäss wurden 450 g Bitumen B 100 mit 50 g ataktischem Polypropylen APP/3E bei 170 C so lange gerührt, bis die APP-Schnitzel geschmolzen und homogen verteilt waren.
140 g dieses modifizierten Bitumens und 180 g Schwefel wurden dann in einem Hobarth-Mixer einige
Minuten mit 3680 g Gestein mit Kornaufbau analog Beispiel 1 bei 1500C vermischt. Die Biegezugfestig- keit an mit 50 Schlägen verdichteten Prismen (16 x 4 x 4 cm) ergab bei 0 C eine Biegezugfestig- keit von 581 N/cm2 bzw. bei 22 C eine Biegezugfestigkeit von 276 N/cm2.
Beispiel 4 :
Aus einer Asphaltmischanlage wurde ein Gemisch aus 963 kg Gestein mit 83, 5 kg Bitumen
B 40 und 58 kg Schwefel in einen fahrbaren Mischer gekippt und bei 150 bis 1700C gerührt.
Das Gestein hatte folgenden Kornaufbau :
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Der Anteil unter 0, 09 mm betrug 35, 7 Gew.-%.
Die Temperierung des Mischgefässes auf 150 bis 1700C erfolgte mittels eines durch Gasbrenner erwärmten Ölmantels.
Nach 2 h wurde der Mischer zu der Baustelle gefahren und der schwefelhaltige Gussasphalt in einer Werkstätte als Bodenbelag eingebaut.
Der Stempeldruck bei 22 C (nach DIN 1996, Blatt 13) betrug 0, 28 mm und nach 14 Tagen Lagerung des Gussasphaltes unter denselben Prüfbedingungen 0, 16 mm.
Für die Prüfung der Beständigkeit gegen Erdölprodukte wurden Prismen gemacht und 27 Tage bei Raumtemperatur in Gasöl und Benzin gelagert. Bei schwefelhaltigem Gussasphalt lösten sich 2, 6% in Gasöl und 7, 3% in Benzin. Im Vergleich dazu lösten sich von Gussasphaltprismen ohne Schwe-
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fel in Gasöl 39% und in Benzin waren die Prismen bereits nach einigen Stunden vollständig zer- fallen.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Verfahren zur Herstellung einer bituminösen Mischung für Bauzwecke aus einer Mineral- masse, mindestens einem Bindemittel aus der Gruppe Bitumen, Naturasphalte, thermische oder kataly- i tisch hergestellter Rückstände aus der Erdölindustrie, Teere, Peche oder deren Gemische und Schwe- fel, dadurch gekennzeichnet, dass man elementaren Schwefel oder durch olefinische Kohlenwasser- stoffe weichgemachten Schwefel, der zusätzlich als Viskositätsregulator mindestens eine thiophile stickstoffhaltige Verbindung enthält, und, gegebenenfalls amorphe Polymeren enthaltendes, Bindemit-
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erwärmte Mineralmasse enthält, eindüst und gleichzeitig mit dieser vermischt.