Verfahren zur Verfestigung einer absorptionsfähigen, nicht stabilen Bodenoberflächenschicht, und eine nach dem Verfahren verfestigte Bodenoberflächenschicht, sowie ein Mittel zur Durchführung des Verfahrens Die Erfindung betrifft die Bodenstabilisierung. Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Verfah ren zur Verfestigung einer absorptionsfähigen, nicht stabilen Bodenoberflächenschicht sowie eine danach verfestigte Bodenoberflächenschicht, ein Mittel zur Durchführung des Verfahrens und eine Anwendung des Verfahrens..
Das Erd- und Steinmaterial wird dabei durch ein Bindemittel wirksam stabilisiert, das in, die das Strassenbett bildenden Erd- und Steinmassen ein dringt und von ihnen absorbiert wird und das diese Massen nach dem Erhärten zementartig bindet. Das flüssiges Bitumenbindemittel als solches wird im folgen den als eindringfähiges Bitumenbindemittel und die stabilisierte erhärtete Strassen- oder Erdoberfläche als stabilisierte Asphaltoberfläche bezeichnet.
Versuche im Freien und im Laboratorium haben ergeben, dass die vorherrschende Eigenschaft dieses verbesserten Bitumenmaterials sein Bindevermögen nach dem Erhärten ist und dass es richtiger als ein dringfähiges Bitumenbindemittel denn als eindrinen- des Tränkungsmittel bezeichnet wird, obwohl'-' es zweckmässig auf eine Oberfläche aufgetragen wird, als ob es ein Tränkungsmittel wäre. Deshalb wird das ver besserte Material gewöhnlich zu den Tränkungsmitteln gezählt und mit ihnen verglichen werden.
Bituminöse Tränkungsmittel werden auf Boden oberflächen auf dem Untergrund, der Fundations- schicht und der Tragschicht von Strassen und derglei chen verwendet. Das Tränken ist auf dem Untergrund und der Tragschicht von Strassen besonders notwen dig, um die Strassendecke mit dem Untergrund oder der Tragschicht richtig zu verbinden; hinzu kommt, dass das Tränken die Oberfläche des behandelten Un tergrundes oder der behandelten Tragschicht bis zu einem gewissen Grade wasserdicht und stabil macht.
Zu den bei solchen Tränkungsvorgängen verwendeten herkömmlichen Stoffen gehören Cutbacksteinkohlen- teere, Cutbacks auf der Basis eines Weichbitumens und Bitumenemulsionen auf weicher Basis. Infolge ihrer beschränkten Verfügbarkeit und ihrer verhältnismässig hohen Kosten ist die Verwendung von Steinkohlentee ren zu diesem Zweck sehr beschränkt. Die Verwen dung von Bitumenemulsionen ist ebenfalls unbedeu tend, da solche Stoffe nicht leicht absorbiert werden, ausser von grobem, porösem Material.
Die heutzutage bei weitem am meisten verwendeten Tränkungsmittel sind Cutbacks auf der Basis eines Weichbitumens. Das Asphalt Institute , die industrielle Autorität auf dem Gebiet des Bitumens, hat die Trän.kungsmittel je nach Erhärtungsgeschwindigkeit und Viskosität eingestuft, wobei sie als langsam erhärtende und mittelschnell er härtende Bitumen bezeichnet werden, deren Viskosität nach Saybolt-Furol zwischen minimal 75 Sekunden bei 25 C und 200 Sekunden bei 60 C liegt.
Die Ein dringfähigkeit der Ausgangsbitumen und des Destilla- tionsrückstandes dieser herkömmlichen Tränkungsbitu- men ist, nach dem Testverfahren D-5 der A.S.T.M. (American Society for Testing Materials, Philadelphia), grösser als 80 bei 25 C.
Die verschiedenen normalerweise verfügbaren Typen und Mischungen von Bitumentränkungsmittel sind nicht immer befriedigend, da sie verschiedenartige und oft unvorhersehbare Ergebnisse zeitigen, wenn sie. auf eine gegebene Oberfläche aufgetragen werden. Die mit dem Tränkungsmittel zu versehenden Oberflächen variieren beträchtlich. Sie können, entweder aus ausge wählten eingeführten Stoffen oder aus dem bereits vor handenen Naturboden bestehen.
Die Stoffe, die das Tränkungsmittel absorbieren sollen, können irgendeine Art von Boden oder Aggregat sein, von grobem Kies bis zu Schlamm und sogar Lehm, wobei sie auch eine Kombination von irgendwelchen dieser Stoffe ein- schliessen können. In gewissen Fällen werden die Tränkungsmittel nicht nur die Oberfläche überdecken, sondern auch in. einer gewünschten Art in das Material eindringen, um bei der Erhärtung des Tränkungsmittels damit eine feste Einheit zu bilden und es, zu stabilisie ren.
Der Stabilisierungsgrad ist jedoch bestenfalls ge ring, und bei zahlreichen Auftragungen dringen her- kömmliche Tränkungsmittel nicht wirksam in das Oberflächenmaterial ein. Wenn das die behandelte Oberfläche bildende Material das Tränkungsmittel nicht leicht absorbiert, erhärtet dieses zu einer Kruste auf der Oberfläche.
Ausser unter idealen Bedingungen ist eine Penetration von mehr als 6 mm in der Praxis schwer zu erzielen, obwohl eine wesentlich grössere Durchdringung wünschenswert wäre. überdies hat sich erwiesen, dass bei Verdünnung eines herkömmlichen Tränkungsmittels bis zu einer niedrigeren Viskosität zur Erlangung eines Eindringvermögens das dünnver teilte Weichbitumen im Tränkungsmittel nach dem Erhärten nur eine geringe oder überhaupt keine stabili sierende Wirkung hat.
Selbst bei gewissen Bodenarten, bei denen die Penetration günstig ist, weisen die her kömmlichen Tränkungsbitumen nach dem Erhärten nur ein geringes Bindevermögen auf, und es ist als ob sie die das Material bildenden Teilchen schmierten, so dass ein fauler Zustand entsteht, wobei das Material dann weich und bröckelig ist und bisweilen einen öli gen Staub bildet.
Das Tränken wurde bisher noch nie dazu verwen det, um eine fertige dauerhafte gutgebundene Strasse oder dergleichen herzustellen. Es besteht jedoch ein wirkliches Bedürfnis nach einer verbesserten Material art, die als flüssiges Tränkungsmittel aufgetragen wer den kann, und die sowohl ein gutes Eindringvermögen als auch gute Binde- und Stabilisierungseigenschaften nach dem Erhärten aufweist. Es soll möglich sein, die Bindeflüssigkeit bis zu einem Grad zu verdünnen, bei dem sie in dichte Bodenarten und Unterlagen ein dringt, ohne nach dem Erhärten ihre Wirksamkeit ein- zubüssen.
Es besteht ein besonderes Bedürfnis nach einem verbesserten Bindemittel, das durch eine Auftragung als Tränkungsmittel mit Bodenarten oder ähnlichen Unterlagen kombiniert werden kann, die durch einen Mangel an natürlichem Binde- oder zementartigen Stoffen gekennzeichnet sind, um ein Kohäsion und Festigkeit aufweisendes Endprodukt zu ergeben.
Es besteht ferner ein Bedürfnis nach einem verbesserten Bindemittel, das durch eine Auftragung als Tränkungs- mittel mit Bodenarten und Unterlagen kombiniert und von ihnen absorbiert werden kann, welche natürliche Binde- oder zementartige Stoffe enthalten, auf die Wasser eine nachteilige Wirkung ausübt, um ein End produkt zu ergeben, welches Kohäsion und Festigkeit aufweist und den Einwirkungen von Wasser gegenüber beständig ist.
Es besteht ferner ein weitverbreitetes Bedürfnis, das erst dann voll erkannt wurde, als Anwendungen in der Praxis deren Möglichkeit aufzeigten, nach der Her stellung fertiger Fahrbahn- und anderer Oberflächen durch die Auftragung auf die Oberfläche eines ein dringfähigen Bitumenbindemittels, wie wenn es eine Tränkungsflüssigkeit wäre.
Durch eine Reihe von Studien und Versuchen wurde ein verbessertes eindringfähiges Bitumenbinde- mittel entdeckt, das diese verschiedenen Bedürfnisse in einer Vielfalt verschiedener Material- und Bodenarten erfüllt. In ihrer einfachsten Anwendungsform verwen det, macht die vorliegende Erfindung sich die besonde ren Eigenschaften gewisser Gruppen von Hartbitumen typen zunutze. Die Asphaltindustrie misst die verschie denen Härtegrade von Bitumen durch Penetrationsver- suche, wonach nichterhärtete und erhärtete Stoffe als hart oder weich eingestuft werden können.
Der Härte- grad von erhärteten Bitumenmaterialien wird als dem Härtegrad des Destillationsrückstandes gleichwertig betrachtet, der durch Erhitzen des Stoffes auf 360 C gemäss den A.S.T.M.-Testverfahren D-402 erzielt wird.
Ein zweckmässiges Tränkungsmittel ist von einem Typus, dessen Destillationsrückstand eine Ein dringfähigkeit von 25 oder weniger bei 25 C aufweist, gemäss A.S.T.M.-Testverfahren D-5, wobei die Ein dringfähigkeit des Destillationsrückstandes um ca. 4 Punkte grösser ist als jene des verwendeten unver- schnittenen Ausgangsbitumens.
Bis anhin sind Hartbitumen beim Bau von Auto strassen nicht verwendet worden, und sie werden zu solchen Zwecken immer noch nicht empfohlen. Wenn sie mit anderen Methoden als aus direkter Destillation hergestellt werden, lassen sich diese Stoffe gewöhnlich nur schwer wirtschaftlich erzeugen und häufig nur schwerlich oder überhaupt nicht zu homogenen Lösun gen oder Dispersionen fluxen oder lösen. Bei den an dern Raffinierverfahren weisen die Rückstände weit variierende Eigenschaften auf, und es ist somit schwie rig, ein bestimmte einheitliche Eigenschaften aufwei sendes Produkt zu erzielen.
Wichtiger ist, dass Hartbitumen bisher nicht als Tränkungsmittel verwendet worden sind, da sowohl Hersteller als auch Verbraucher zum Schluss gekom men sind, dass solche Bitumen als Tränkungsmittel ungeeignet sind, und insbesondere da solche Bitumen in fortgeschrittenen Verwitterungs- und Abnutzungssta dien normalerweise anderen Bitumenmaterialtypen ähnlich zu sein scheinen. In der heutigen Strassenbau praxis können Materialien auf der Basis von Hartbitu men nicht verwendet werden, und zwar weder als Tränkungsmittel noch zu anderen Strassenbauzwecken.
Ausser in einem kleinen Verwendungsbereich. als Trok- kenasphalt und zur Herstellung gewisser Weichbitumen besitzen Hartbitumen an sich keinen kommerziellen Wert.
Obwohl die direkte Destillation von Bitumen seit einiger Zeit bekannt ist, ist die kommerzielle Verwen dung dieses Verfahrens in einem grossen Massstab neueren Datums. Die direkte Destillation dient in er ster Linie dazu, Schmiermittel aus gewissen Rohölen zurückzugewinnen. Das Hauptmerkmal des Verfahrens ist die Möglichkeit, schwere Öle zurückzugewinnen und zu entfernen und als Rückstand ein Hartbitumen zurückzulassen. Das Verfahren erlaubt ferner eine ge naue Kontrolle der physikalischen Eigenschaften des Bitumenrückstandes, wenn eine solche erwünscht ist.
Es hat sich darüber hinaus herausgestellt, dass in scharfem Gegensatz zu zahlreichen anderen Typen von Hartbitumen solche aus direkter Destillation sich in gewöhnlichen Erdöllösungsmitteln leicht auflösen und fluxen, ohne schlammig zu werden oder zu scheiden, wie dies bei vielen nach andern Verfahren hergestellten Bitumentypen ähnlicher Härte häufig der Fall ist.
Durch eine ausgedehnte Untersuchung mit einer Anzahl von Hartbitumen, von denen einige durch direkte Destillation und andere nach sonstigen Raffi- nierverfahren hergestellt worden waren, wurde festge stellt, dass sich alle untersuchten Bitumen aus direkter Destillation als stabilisierendes Tränkungsmittel zur Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens eig neten. wogegen sich die meisten anderen Typen als ungeeignet erwiesen. Aus einer weiteren Untersuchung ging hervor, dass die wenigen Ausnahmen gewisse wichtige Merkmale aufwiesen, die im wesentlichen die gleichen wie die der Bitumen aus direkter Destillation waren, wie dies später in Einzelheiten dargestellt wer den wird.
Daraus ergibt sich, dass zur Durchführung des er- findungsgemässen Verfahrens ein neuartiges und ver bessertes, eindringfähiges Bitumenbindemittel, das ein Hartbitumen aus direkter Destillation oder ein solches mit ähnlichen Eigenschaften enthält, mit Vorteil ver wendet wird.
Das erfindungsgemässe Verfahren zur Verfestigung einer absorptionsfähigen, nicht stabilen Bodenoberflä- chenschicht ist nun dadurch gekennzeichnet, dass man sie mit einem eindringfähigen, fliessfähigen Bindemittel besprüht, das Hartbitumen und ein Verdünnungsmittel enthält, wobei das Hartbitumen eine Eindringzahl von weniger als 25 bei 25 C und einen Erweichungspunkt in C von ungefähr 85, abzüglich des 1,
67-fachen der Eindringzahl aufweist und das Verdünnungsmittel min destens teilweise aus einem Lösungsmittel auf Erdölba sis mit einer nicht wesentlich geringeren Flüchtigkeit als derjenigen von Kerosin besteht und wobei das. Ver dünnungsmittel 30 bis 70 Volumenprozent des Binde mittels ausmacht, und dass man nach dem Eindringen des Bindemittels in die nicht stabile Bodenoberflächen schicht das Verdünnungsmittel mindestens teilweise verdunsten lässt, derart, dass mindestens der grösste Teil des Bindemittels in die Bodenoberflächenschicht eindringt und von dieser absorbiert wird und der Ver dunstungsrückstand mit dem Bodenoberflächenmaterial eine stabile Schicht bildet.
Das erfindungsgemässe, eindringfähige, fliessfähige Bindemittel zur Durchführung des Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass es ein Hartbitumen und ein Verdünnungsmittel enthält, wobei das Hartbitumen eine Eindringzahl von weniger als 25 bei 25 C und einen Erweichungspunkt in C von ungefähr 85, ab züglich des 1,67-fachen der Eindringzahl aufweist und das Verdünnungsmittel mindestens teilweise aus einem Lösungsmittel auf Erdölbasis mit einer nicht wesentlich geringeren Flüchtigkeit als derjenigen von Kerosin be steht und wobei das Verdünnungsmittel 30 bis 70 Volumenprozent des Bindemittels ausmacht.
Ein weiterer Gegenstand der Erfindung ist die Anwendung des Verfahrens zum Ausbessern und Er neuern von bituminösen Strassenbelägen, welche dadurch gekennzeichnet ist, dass man, die mit dem Bin demittel gefüllten auszubessernden Stellen vor der voll ständigen Absorption des Bitumenverdünnungsmittels durch den Strassenbelag mit Sand füllt, derart, dass mindestens ein Teil des Bitumenbindemittels vom Sand absorbiert wird und dass das Verdünnungsmittel nach Eindringen eines Teils des Bindemittels in die auszu bessernde Stelle und nach Absorption eines Teils des Bindemittels vom Sand praktisch vollständig verdun stet.
Im folgenden werden die Erfindungen an Ausfüh rungsbeispielen näher erläutert.
In den beiliegenden Zeichnungen zeigen: Fig. 1 eine schematische Ansicht einer Versuchsan ordnung zur Bestimmung der Festigkeit ausgewählter Proben gemäss einem vom Antragsteller erdachten Verfahren; Fig.2 eine graphische Darstellung des Verhältnis ses zwischen Festigkeit und Eindringvermögen von verschiedenen bituminösen Stoffen, die zu Proben ge formt und nach der in Fig. 1 vorgeschlagenen Methode untersucht wurden;
Fig.3 eine graphische Darstellung des Verhältnis ses zwischen dem Erweichungspunkt und der Eindring- fähigkeit der verschiedenen im Versuch von Fig. 2 auf geführten Bitumentypen.
Als ein spezifisches Beispiel der Erfindung wird ein Hartbitumen aus direkter Destillation der Firma Conti- nental Oil Company, Billings (Montana), verwendet. Dieses Bitumen ist ein Nebenprodukt, das aus Rohöl von Wyoming raffiniert wird. Das Hartbitumen hat eine Eindringfähigkeit von 3 bis 5, woraus hervorgeht, dass nur ein sehr geringer Teil der öligen Bestandteile im Bitumen zurückblieb. Der Erweichungspunkt lag bei 79 C.
Es ist festzuhalten, dass dieser Punkt wesentlich unter demjenigen der meisten Bitumentypen mit einem ähnlichen Eindringvermögen liegt, die nach anderen Verfahren hergestellt werden oder von einer normalen Oxydation und Verwitterung herrühren. Dies lässt vermuten, dass ein solches Bitumen mit diesem ungewöhnlichen Verhältnis zwischen Eindringfähigkeit und Erweichungspunkt gewisse besondere Eigenschaf ten aufweisen kann, die nachstehend in Einzelheiten aufgeführt werden.
Will man ein Bitumen von ähnli cher Eindringfähigkeit nach anderen auf Hitze und Oxydation beruhenden Verfahren herstellen, so gehen die dem nachstehend dargelegten vorteilhaften Verhal ten zugrunde liegenden Merkmale verloren. Die Hitze würde das Bitumen spalten und verkoken sowie unlös liche Substanzen bilden, die durch eine verhältnismäs- sig bedeutende Erhöhung des Erweichungspunktes in Erscheinung treten.
Nicht nur hat dieses Bitumen aus direkter Destilla tion einen niedrigeren Erweichungspunkt als andere vergleichbare Bitumentypen von ähnlicher Härte, son dern es löst sich und fluxt sich leicht in gewöhnlichen Erdöllösungsmitteln.
Dieser Stoff wurde zuerst mit einer Mischung von Kerosin und Naphta verdünnt, und zwar in einem Verhältnis von 82 % Kerosin und 18 % Naphta, was eine Standardkombination darstellt. Aus praktischen Gründen enthielt das Gemisch ca. 45 Volumenprozent Verdünnungsmittel, so dass eine Vis kosität nach Saybolt-Furol von 137 Sekunden bei 50 C erzielt wurde.
In dieser Mischung kann dieses eindringfähige Bindemittel bei warmem Wetter auf normal absorbierendem Erdmaterial verwendet wer den. Das Eindringvermögen des Destillationsrückstan- des dieser Mischung betrug ungefähr 9.
Durch die Beigabe von rund fünf Prozent Kerosin, wodurch man ca. 50 % Verdünnungsmittel erhielt, wurde die Viskosität auf 41 Sekunden bei 50 C redu ziert. Diese zweite Mischung eignet sich zur Verwen dung als Tränkungsmittel bei kompaktem dichtem Bodenmaterial unter günstigen Witterungsbedingungen.
Durch eine weitere Beigabe von rund vier Prozent Kerosin, wodurch man ca. 54 % Verdünnungsmittel erhielt, wurde die Viskosität auf 26 Sekunden bei 50 C reduziert. Diese dritte Mischung eignete sich als Tränkungsmittel bei kompaktem dichtem Bodenmate rial unter ungünstigen Witterungsbedingungen.
Durch eine weitere Beigabe von rund sechs Prozent Kerosin, wodurch man ca. 60 % Verdünnungsmittel er- hielt, wurde die Viskosität auf 21 Sekunden bei 32,2 C und ca. 15 Sekunden bei 50 C reduziert.
Diese vierte Mischung eignet sich besonders zur Ver wendung als Vortränkungsmittel, dessen Hauptzweck es wäre, das Material vorzunetzen und eine ölige Phase zu bilden, um eine raschere Absorption anderer Auf- tragungen eines zähflüssigeren Tränkungsmittels zu er lauben.
Diese Mischungen wurden auf trockene, nasse und feuchte vorbereitete Proben von salzbehandeltem Schlamm-Lehm-Boden von verhältnismässig hoher Dichte und niedriger Porosität aufgetragen. Sie stamm ten von einem Strassenabschnitt in Weld County (Colorado). Beim Strassenbau in diesem Gebiet stösst man auf beträchtliche Schwierigkeiten, besonders weil es unmöglich ist, eine angemessene Tränkung des Un tergrunds und der Tragschicht zu erzielen.
Bei Auftra- gung der 45 0;'o Lösungsmittel enthaltenden Mischung in einer Menge von 2,3 1/m2 brauchte sie ca. acht Stunden, um bis zu einer Tiefe von ungefähr 13 mm einzudringen.
Bei der an zweiter Stelle erwähnten Mischung, die 50 0:'o Verdünnungsmittel enthielt, brauchte eine Auf- tragung von 2,31/m2 zur vollständigen Absorption rund drei Stunden; es erfolgten zusätzliche Auftragun- gen unter Verwendung von 2,31/m2, und als 81/m2 hinzugekommen und absorbiert worden waren, war der Stoff bis zu einer Gesamttiefe von mehr als 50 mm eingedrungen. Man liess diesen Stoff ungefähr zwei Wochen lang erhärten; die entstandene Kombination war dann fest und beständig und der Einwirkung von Wasser gegenüber unempfindlich.
Die an dritter und vierter Stelle erwähnten Mischungen wurden zur Bestimmung der Absorptions geschwindigkeit in Mengen von 2,31/m= auf ähnliche Oberflächen aufgetragen. Die dritte Mischung, die 54 07o Verdünnungsmittel enthielt, brauchte rund zwei Stunden, während die vierte, die 60 % Verdünnungs- mittel enthielt, ca.30 Minuten brauchte.
Bei Kerosin von einer Viskosität von neun Sekunden bei 32,2 C brauchte die Absorption von 2,31/m rund 12 Minu ten, woraus die Kompaktheit dieses :Materials hervor geht, denn bei den meisten Stoffen wird Kerosin in weniger als 30 Sekunden absorbiert.
Als weiterer Versuch wurde das durch die an zwei- ter Stelle erwähnte Mischung mit 50 % Verdünnungs- mittel verdünnte Tränkungsmittel auf eine Asphalt strassenoberfläche aufgetragen, die übermässig porös und wasserdurchlässig war.
Die Verwendung eines her kömmlichen Tränkungsmittels bei solchen Strassen oberflächentypen führt gewöhnlich zu einer Erwei chung der bituminösen Bestandteile bis zum Punkt, da die Strassenoberfläche ihre Festigkeit verliert und von den darüberrollenden Fahrzeugen deformiert wird. Das durch Tränken mit dem verbesserten Tränkungsmittel erzielte Endergebnis fiel jedoch gegenteilig aus. Die Oberfläche wurde verbessert, wobei die bituminösen Bestandteile viel kompakter und gut gebunden waren. Darüber hinaus wurde dies ohne Erweichung, sondern im Gegenteil bei einer tatsächlichen Härtung der bitu minösen Bestandteile der Strassenoberfläche zustande gebracht.
Es stellte sich heraus, dass das Hartbitumen aus direkter Destillation ein härteres und stabileres Pro dukt bildet, wenn. es von den anderen Bitumen der Strassenoberfläche absorbiert und mit ihnen amalga miert wird. Diese Erkenntnis führte zu einem weiteren Versuch, bei dem das Hartbitumentränkungsmittel aus direkter Destillation auf eine Strassenoberfläche aufge tragen wurde, deren bituminöse Bestandteile zu weich waren, um eine gute, feste Strassenoberfläche zu bil den. Nach Verdunsten des Verdünnungsmittels und Erhärten des Bitumens wurde wie gewünscht eine här- tere Strassenoberfläche erzielt.
Die tatsächlichen Ver hältnisse konnten nicht festgehalten werden, doch er gab es sich, dass jede gewünschte Proportion Verdün nungsmittel verwendet werden konnte, je nach der Porosität der Strassenoberfläche. Das Endprodukt war eine Strassenoberfläche, die nebst den üblichen Stein- und Erdmaterialien und Weichbitumen einen weiteren Bestandteil aufwies, nämlich das, darin amalgamierte Hartbitumen als Binde- und Härtungsmittel.
Die in diesem Beispiel verwendete Verdünnermi- schung bestand aus Kerosin und Naphta im bevorzug ten Verhältnis von ca. 82 0;'o Kerosin zu 18 0/0 Naphta. Es wurde festgestellt, dass das Verdünnungsmittel aus schliesslich aus Kerosin bestehen konnte, dass aber bei Verwendung von mehr als 25 'o Naphta die Erhär- tun.gsgeschwindigkeit übermässig hoch war.
Es stellte sich ferner heraus, dass die Verwendung von Diesel und Heizölen zur Erlangung einer langsam erhärtenden Verdünnermischung, wie dies bei zahlreichen Weichbi tumentypen der Fall ist, nicht von Vorteil wäre, weil diese Bodenarten, bei denen die Verdunstung nur sehr langsam vor sich geht, die Entwicklung der gewünsch ten Merkmale eines Hartbitumens nicht erlauben.
Der Wert des eindrmgfähigen Bitumenbindemittels wurde durch praktische Anwendungen völlig bestätigt und veranschaulicht. Diese wurden unter Verwendung der verschiedenen Mischungen von Bitumen aus direk ter Destillation, die wie oben eingehend beschrieben von der Firma Continental Oil Company erhalten wurden, von der Empire Petroleum Company, Denver (Colo- rado), gemacht. Diese Auftragungen, die im Spätsom mer und Herbst 1961 gemacht wurden, wurden im Verlauf des Winters 1961/62 beobachtet und ihr Zu stand im Frühling 1962 aufgezeichnet.
Die erste geplante Verwendung des eindringfähigen Bindemittels war eine tiefeindringende Tränkung der Tragschicht einer Strasse. Ein salzbehandeltes Teilstück der Tragschicht der Adams County-Strasse im Norden von Strasburg (Colorado) wurde mit zwei Auftragungen des 45 % Verdünnungsmittel enthaltenden eindring- fähigen Bindemittels behandelt.
Bei einer ersten Be handlung wurde eine Menge von 1 1/m2, bei der zweiten eine solche von 1,4 1/m2 dreissig Minuten später aufge tragen. Diese behandelte Tragschicht wurde dann mit einem herkömmlichen Deckbelag aus Asphalt und Roll splitt versehen; die Strasse ist gegenwärtig in ausgezeich netem Zustand.
Bei der Verwendung dieses Materials zur Stabilisie rung der Tragschicht wurden zwei Hauptmerkmale offensichtlich. Erstens drang das Bitumen bis zu einer Tiefe von 19 mm in die Tragschicht ein, was vom Strassenbauamt des County als bemerkenswert be trachtet wurde. Zweitens war die kurze Dauer, die er forderlich war, damit das Material genügend trocknete, um eine weitere Auftragung zu ermöglichen und dann damit der Verkehr auf der Strasse wieder aufgenom men werden konnte, war bei der Verwendung von konventionellen Tränkungsmitteln noch nie dagewesen.
Auf der Adams County-Strasse östlich von Orchard Corners wurde ein Teilstück der bestehenden Asphaltfahrbahn geflickt. Diese Strasse war allgemein in einem schlechten Zustand und wies zahlreiche Schlaglöcher auf, wo die ursprüngliche Asphaltdecke verschwunden war. Das Bindemittel wurde m Mengen von 2,31/m2 bis 3,21/m= auf die Oberfläche der Strasse aufgetragen, und da diese fast sofort dem Ver kehr übergeben werden musste, wurde die Oberfläche mit Sand bestreut.
Nicht nur drang das eindringfähige Bindemittel in die alte Oberfläche der Asphaltstrasse ein, um die Oberfläche zu binden und zu erhärten, sondern es wurde noch ein unerwartetes Ergebnis er zielt, denn ein Teil des eindringfähigen Bindemittels benetzte und festigte die Sandschicht. Diese erhärtete und stabilisierte Sandschicht bildete die endgültige Decke der Strasse.
Es wurde ferner festgestellt, dass beim Füllen der Schlaglöcher mit losem Sand das ein- dring fähige Bindemittel nicht nur in die Schlaglöcher eindrang und sie ausfüllte, sondern auch in den: Sand, und dass beim Erhärten des eindringfähigen Bindemit tels die Schlaglöcher mit dem Bindemittel fest gefüllt waren. Damit wurde ein hochwirksames Schlagloch- flicksystem entwickelt, mit dem bessere Ergebnisse er zielt worden sind als mit jedem anderen bis dahin ver wendeten System.
Man beabsichtigte in einem konkreten Fall, das eindringfähige Bindemittel zur Stabilisierung der Trag schicht von Strassen und andere Schutzmaterialien, wie zum Beispiel einen bituminösen Deckbelag, zum über decken der Tragschicht zu verwenden. Ein Teilstück einer Strasse im Zentrum von Boulder (Colorado) wurde durch eine erste Auftragung von 1,81/m2 und eine zweite von 1,41/m2 für eine solche Operation vorbereitet. Infolge eines Versehens wurde der ge plante Deckbelag nicht sofort aufgetragen.
Es stellte sich heraus, dass die Strasse auch ohne Deckbelag dem dichten Verkehr ohne weiteres gewachsen war. Um die wirkliche Qualität dieses neuen Strassentypus zu be stimmen, der durch Auftragung eines eindringfähigen Bindemittels gemäss einer neuartigen Auffassung her gestellt worden war, wurde die Strasse während des strengen Winters 1961/62 dem Schwerverkehr ausge setzt; ihr Zustand wurde ausschliessend als gut befun den.
Infolgedessen planen nun die Stadt Boulder und andere Ämter den Bau und überzug von Strassen, wobei das eindringfähige Bindemittel in einem oder zwei Vorgängen lediglich auf die Strassenoberfläche gesprüht wird, die dann als vollendet betrachtet wird.
Ein ähnlicher Fall trat im Columbine-Flughafen in Littleton (Colorado) ein. Der Boden des Flughafenge ländes variierte von Sand bis zu Schlamm und Lehm, so dass sich der Unterhalt der Flugpisten äusserst schwierig gestaltete. Die Pistenoberfläche war nur zum Teil mit herkömmlichem Material belegt worden und befand sich in schlechtem Zustand. Man beschloss, das eindringfähige Bindemittel und anschliessend einen Deckbelag aufzutragen. Das Bindemittel wurde in einer Menge von 3,21/m2 auf die Hauptpiste und von 2,31/m2 auf die Nebenpisten in einem einzigen Vor gang aufgetragen.
Der Flugverkehr musste 48 Stunden nach der Behandlung wieder aufgenommen werden; da das durch das Bindungsmittel stabilisierte Material der Belastung durch die Flugzeuge standzuhalten schien, wurden keine weiteren Schutzbeläge angebracht. Wäh rend des Winters 1961/62 waren die Pisten einem star ken Verkehr ausgesetzt; als sie nach dieser Periode untersucht wurden, wurde ihr Zustand: als ausgezeich net befunden. Die Ergebnisse dieses Experiments wur den als neue Entwicklung in der Behandlung von Oberflächen betrachtet, denn sie waren bei einem Bruchteil der Kosten erzielt worden, die für eine Be handlung mit konventionellen Mitteln erforderlich ge wesen wären. Der Plan, die Flugpiste mit einer Schutz decke zu versehen, wurde aufgegeben.
Das eindringfähige Bindemittel wurde mit beträcht- lichem Erfolg bei spezialisierten stabilisierenden Ober flächenbehandlungen angewendet. Das Strassenbauamt des Staates Colorado verwendete das Material zum ersten Mal bei einem umfangreichen Projekt in der Nähe von Cheyenne Wells (Colorado) zur Tränkung zement behandelter Grundlagen, nachdem es zum Schluss ge kommen war, dass die herkömmlichen Bitumenträn- kungsmittel zu diesem Zwecke mehr als nutzlos seien,
dass aber mit dem eindringfähigen Bindemittel bemer kenswerte Ergebnisse erzielt würden.
Das Forstamt von Nebraska konnte seinerseits fest stellen, dass dieses Material bei einer Verwendung von bis zu 13,6 1/m2 eine tiefreichende Tränkung ermöglicht, was die bei herkömmlichen Stoffen verwendete Menge bei weitem übertrifft, und dass die Härte des Endpro dukts an jene von Beton herankommt.
In einer Behandlung zur Stabilisierung von Ober flächen, deren Zweck es war, die Erosion aufzuhalten, wurden die sandigen Hänge und andere Ufergebiete im Rio Grande Railroad Industrial Park, Blakeland (Colo- rado), mit 2,31im2 bis 3,21/m.= Bindemittel besprüht; die Penetration betrug 13 bis 19 mm, und die Oberflä che wurde erhärtet und stabilisiert. Der Zustand nach dem Winter bewies, dass die Erosion wie gewünscht aufgehalten worden war.
In den Nationalparks von Zion und Brice Canyon entdeckte man, dass das stabilisierende Bindemittel die Herstellung ausgezeichneter stabilisierter Reit- und Fusswege erlaubt und die erste Art von Tränkungsma- terial ist, das für die Verwendung zu diesem Zweck als befriedigend befunden wurde.
Es stellte sich heraus, dass bei Eindringen des ein dringfähigen Bindemittels in eine Bodentragschicht mit nachfolgender Erhärtung das Material beträchtliche Härte und Druckfestigkeit gewann und mit Heiss- mischasphalt oder sogar Portlandzement vergleichbar war. Gewisse Versuche ergaben, dass das erhärtete und stabilisierte Material in vielen Fällen eine Druckfestig keit von 70 kg/cm2 aufwies.
Aus einer solchen Festigkeit geht hervor, dass die Eigenschaften des Produkts jene eines Bindemittels und nur eines Tränkungsmittels sind. Um jedoch ein Bild vom mechanischen Verhalten des eindringfähigen Bitumenbindemittels zu erhalten, wurde eine Versuchs anordnung geschaffen, bei der Zylinder aus 20-30-gra- digem Standard Ottawa-Sand, A. S. T. M. Bezeichnung C-190, verwendet wurden. Der Sand, der überhaupt keine eigene Bindekraft besass, wurde mit verschiede nen Bitumentypen in einem Verhältnis von 2 Gew.-11/o Bitumen vermischt und dann zu Zylindern geformt.
Der in Fig. 1 der beiliegenden Zeichnung dargestellte Zylinder 10 hatte die Standardmasse von 25,4 mm Höhe und 25,4 mm Durchmesser. Er wurde in einer konventionellen Pressvorrichtung 11,12 unter regulier tem Druckanstieg von 180 kg/ min einer Belastung bis zum Bruch ausgesetzt, wodurch ihre Druckfestigkeit bestimmt wurde.
Man erhielt eine Reihe von Bitumenproben der Continental Oil Company, deren Eindringfähigkeit bei 25 C zwischen 3 und 96 lag. Beim Muster mit der grössten Eindringfähigkeit handelte es sich um ein Standardbitumen zu Strassenbauzwecken, das häufig als Ausgangsstoff für herkömmliche Tränkungsmittel verwendet wird. Das Verhältnis zwischen. Festigkeit und Eindringfähigkeit erschien als regelmässige Kurve, wobei die maximale Festigkeit bei einem Eindringver- mögen von 377 kg und bei einem solchen von 968 kg betrug.
Versuche in der Praxis zeigten, dass dieses Material bei einem Eindringvermögen von über 25 als eindringfähiges Bindemittel nicht befriedigen würde, und es stellte sich sofort heraus, dass, wenn ein Zylin der mit den oben angegebenen Massen einer Belastung von ungefähr 45 kg nicht standhält, das Material, aus dem es besteht, als eindringfähiges Bindemittel nicht befriedigen würde.
Als das eindringfähige Bindemittel erstmals zur Anwendung vorgeschlagen und eingeführt wurde, be wog die Anmelderin das Strassenbauamt des Staates Colorado, auch Mischungen mit Gilsonit, einem natür lichen Bitumenmaterial, das dem Bitumen aus direkter Destillation der Continental Oil Company sehr ähnli che Merkmale aufweist, versuchsweise anzuwenden.
Das Strassenbauamt verwarf den Gilsonit als zu diesem Zweck ungeeignet, weil die erprobten Stoffe nach Er härten des Gilsonits bröckelig und nicht fest genug waren.
Ein nach obiger Beschreibung hergestellter Ver suchszylinder zeigte, dass Gilsonit eine Festigkeit von nicht mehr als 22,7 kg aufwies. Dieser Versuch bestä tigte im übrigen, dass die Versuchszylinder eine Festig keit von mindestens rund 45 kg haben müssen, wenn sich das Bitumen als Bindemittel eignen soll. Eine Reihe von handelsüblichen Hartbitumen, die in der nachstehenden Tabelle aufgeführt sind, wurden dann geprüft, um die Eigenschaften eines Bitumens zu be stimmen, das als eindringfähiges Bitumenbindemittel zur Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens verwendet werden kann.
EMI0006.0019
Wie aus der obigen Tabelle und Abb. 2 klar her vorgeht, hatten die Hartbitumen aus direkter Destilla tion sowie die Vakuumbitumen eine genügende Festig keit, um den oben angegebenen Kriterium zu entspre chen. Gewisse Proben hatten sogar eine sehr grosse Festigkeit. Beinahe wie wenn sie verschiedene Materi alien wären, wiesen die durch thermische Krackung hergestellten und die luftgeblasenen Bitumentypen eine geringe Festigkeit auf, ähnlich wie Gilsonit; diese lag bei allen unter 22,7 kg.
Das Verhältnis zwischen Eindringfähigkeit und Erweichungspunkt schien der einzige Hinweis darauf zu sein, ob ein Bitumen bei Verdünnung und Verwend dung als eindringfähiges Bindemittel eine genügende Festigkeit aufweisen würde. Dieses Verhältnis ist aus Fig.3 ersichtlich. Bei den zur Verwendung als ein dringfähiges Bindemittel geeigneten Hartbitumen liegt der Erweichungspunkt zwischen 60 und 86 C. Bei den unbefriedigenden Hartbitumentypen ist er hingegen höher als 185 C.
Die befriedigenden und die unbefrie digenden Bitumentypen irgendeiner Eindringfähigkeit erscheinen als zwei Gruppen, die ca. 42 C auseinan- derliegen. Aus der Kurve über das Verhältnis zwischen Eindringfähigkeit und Erweichungspunkt geht weiter hervor, dass mit zunehmender Eindringfähigkeit von einem minimalen Wert an der Erweichungspunlkt in einem Verhältnis sinkt, bei dem der Erweichungspunkt ca.
85 C minus das 1,67-fache der Eindringfähigkeit beträgt. Wenn die Eindringfähigkeit des Bitumens zum Beispiel 10 ist, liegt der Erweichungspunkt bei ca. 68 C.
Bei der Endanalyse unter Verwendung von Hartbi tumen können die bevorzugten Mischungen für einen gegebenen Bodenmaterialtypus durch einfache Versu che zur Bestimmung der Absorptionsgeschwindigkeit, des Bindevermögens und der Undurchlässigkeit des Endprodukts rasch bestimmt werden. Es wurde festge stellt, dass Hartbitumen mit einer Eindringfähigkeit gemäss der obigen Beschreibung von weniger als 10 vorzuziehen sind, dass jedoch Bitumen mit einer Ein dringfähigkeit von bis zu 25 als Hartbitumen im Sinne der vorliegenden Erfindung verwendet werden können und dass Bitumen mit einem Verdunstungsrückstand von bis zu 30 geeignete Materialien bilden.
Während die hierin beschriebenen Proben ein Minimum von 45 % Verdünnungsmittel enthielten, wurde festgestellt, dass der Prozentsatz auf 30 redu ziert werden kann und dass bei einer hochporösen Oberfläche eine Absorption dennoch erzielt werden kann.
Während die vorliegende Erfindung in Einzelheiten beschrieben worden ist, liegt es auf der Hand, dass andere Fachleute gleichwertige Produkte und Mischun gen herstellen können, die nichtsdestoweniger im Geist und Rahmen dieser Erfindung liegen. Deshalb soll diese nicht durch die vorangehenden Beispiele be schränkt werden, sondern aus den nachstehenden An sprüchen hervorgehen.