Als Bindemittel für Strassenbeläge verwendbare bituminöse Mischung
Ein Strassenbelag wird Deformationen unterworfen, wenn der Strassenunterbau Deformationen erleidet, wie dies z. B. der Fall ist, wenn eine Strasse durch ein Fahrzeug mit hoher Achsbelastung befahren wird und der Strassenunterbau dabei elastisch deformiert wird. Solche Deformationen können verringert werden, wenn man starke Fundierungen vorsieht, aber selbstverständlich ist es erwünscht, dass der Strassenbelag sich den elastischen Deformationen des Strassenunterbaues anpassen kann. Bei Verwendung eines Bindemittels mit hohem Zug/Druck Modul werden durch die Deformationen des Strassenbelags, welche eintreten, wenn der Strassenunterbau deformiert wird, grössere Kräfte in den Belagsschichten wirksam, als es der Fall ist, wenn ein Bindemittel mit kleinerem Zug/Druck-Modul verwendet wird.
Diese grösseren Kräfte erhöhen die Gefahr von Belagsbrüchen.
Der Zug/Druck-Modul eines Bindemittels erhöht sich bei Abnahme der Temperatur; deshalb ist die Gefahr des Brechens eines Strassenbelages bei kaltem Wetter grösser.
Ein Bindemittel mit niedrigem Zug/Druck-Modul hat ein hohes Durchdringungsvermögen (IP 49/58). Die temperaturbedingte Veränderung des Durchdringungsvermögens kann durch den Durchdringungsindex, der oft Pfeiffer und van Doormaal > > -Durchdringungsindex genannt wird, gemessen werden. Dieser Durchdringungsindex wird aus dem Erweichungspunkt und der Durchdringung bei 250C bestimmt. Ein entsprechendes Nomogramm findet sich auf Seite 745 des Werkes Modern Petroleum Technology , 3. Ausgabe, 1962. Ein hoher Durchdringungsindex deutet auf eine verhältnismässig kleine Änderung des Durchdringungsvermögens bei Temperaturänderung hin.
Damit ein Bindemittel für Strassenbeläge die vorstehend erwähnten Anforderungen erfüllt, muss es
1. ein hohes Durchdringungsvermögen und
2. einen hohen Durchdringungsindex aufweisen.
Die Erfindung betrifft nun ein Petroleumbitumen, welches diese Anforderungen erfüllt.
Gegenstand der Erfindung ist eine als Bindemittel für Strassenbeläge verwendbare bituminöse Mischung, wel che dadurch gekennzeichnet ist, dass sie 50-96 Gew.-% oxydiertes Bitumen, welches einen Penetrationsindex nach Pfeiffer und van Doormaal von wenigstens +2, eine Eindringtiefe nach ASTM D5 von 10-50 mm/ 10 bei 250C und einen Erweichungspunkt nach ASTM D 36 von wenigstens 650C aufweist, und 4-50 Gew.- , wo eines
Petroleumöles, welches bei 760 mm Hg einen Anfangs siedepunkt von wenigstens 3600C aufweist, enthält.
Der Erweichungspunkt des oxydierten Bitumens (IP 58/56) liegt vorzugsweise bei etwa 900C und seine Eindringtiefe beträgt mit Vorteil etwa 40 mm/ 10. Der Penetrationsindex dieses Bitumens beträgt vorzugsweise nicht weniger als +3.
Das Petroleumöl soll vorzugsweise so beschaffen sein, dass bei einer Temperatur von 400-6000C und einem Druck von 760 mm Hg 50% überdestillieren. Dieses Petroleumöl hat bei einer Temperatur von 50 C zweckmäs sig eine Viskosität von 300-500 cSt.
Wenn das verwendete öl vorherrschend paraffinischer Art ist, hat es eine besonders vorteilhafte Wirkung auf den Penetrationsindex. Leider hat aber die Verwendung eines Öles, welches vollständig paraffinisch ist, den Nachteil, dass das fertige Gemisch schlechte Adhäsionseigenschaften aufweist.
Ein öl, welches zum Teil aromatisch und zum Teil paraffinisch ist, z.B. in gleichen Mengen, ist in bezug auf den Penetrationsindex etwas weniger vorteilhaft als ein rein paraffinisches öl, aber es verursacht keine Verschlechterung der Adhäsionseigenschaften. Die Petroleumindustrie erzeugt aromatisch-paraffinische Mischungen bei der üblichen Lösungsmittelraffinierung von Schmier ölen, wenn Ausgangsstoffe mit Lösungsmitteln wie Schwefeldioxyd, Phenol, Nitrobenzol, Furfurol, behandelt werden. Das Lösungsmittel scheidet die aromatischen Bestandteile aus dem Ausgangsstoff aus und diese werden in Form eines Öles, welches als aromatischer Extrakt) bekannt ist erhalten.
Dessen ungeachtet enthält dieser aromatische Extrakt etwa gleiche Mengen an paraffini schen wie an aromatischen Bestandteilen und diese aromatischen Extrakte sind besonders geeignet zur Herstellung der erfindungsgemässen Mischung.
Der erfindungsgemässen bituminösen Mischung können auch 0,04-10, vorzugsweise 0,2-1 Gew.-% eines natürlichen und/oder synthetischen Elastomers, welcher Latexform aufweisen und z.B. ein Alkylmethacrylat-Polymer, ein Butadien/Styrol-Mischpolymerisat oder ein Butadien/Acrylnitril Mischpolymerisat sein kann, zugemischt werden.
Der Polymerzusatz verbessert das Bindemittel hinsichtlich seiner Duktilität (IP 32/55).
Die erfindungsgemässe bituminöse Mischung kann ferner zwecks Erzeugung eines Verschnittbitumens, eines sogenannten cut-back -Bitumens in einem flüchtigen Lösungsmittel gelöst oder in einem flüchtigen Träger, z.B. Wasser, emulgiert werden.
Die Erfindung betrifft ferner die Verwendung der bituminösen Mischung zur Herstellung eines Strassenbelagmaterials durch Überziehen von körnigem, minerali schem Füllstoff mit der erfindungsgemässen Mischung.
Nachstehend werden als Beispiele zwei effindungsge- mässe bituminöse Mischungen beschrieben, welche als Bindemittel A und B bezeichnet werden.
Beide Bindemittel A und B wurden durch Zusammenmischen bei einer Temperatur von 1400C folgender Materialien hergestellt: Oxydiertes Bitumen : Dieses war ein in üblicher Weise hergestelltes, luftverblasenes Bitumen, welches folgende Eigenschaften aufwies:
Erweichungspunkt 900C
Eindringtiefe 40 mm/ 10
Penetrationsindex +5 Petroleurnök : Dieses war ein Furfurolextrakt, welcher durch Vakuumdestillation gewonnen wurde und welcher folgende Eigenschaften aufwies:
Anfänglicher Siedepunkt bei 750 mm Hg 3840C bei 760 mm Hg 50% überdestilliert bei 5000cd
Viskosität bei 500C 360 cSt Polvmetfiylacrylat : Dieses war ein polymerisierter Methacrylatester.
Die Zusammensetzungen der Bindemittel A und B sind aus der Tabelle I und einige ihrer Eigenschaften aus der Tabelle II ersichtlich.
Tabelle I Bindemittel A B Oxydiertes Bitumen 75 Gew. -% 74,7 Gew.-% Petroleumöl 25 Gew.-% 24,8 Gew.-% Polymethacrylat Keines 0,5 Gew.-%
Tabelle II Bindemittel A B Erweichungspunkt 490C 490C Eindringtiefe bei 250C 200 mm/l0 200 mm/l0 Penetrationsindex +4 +4 Duktilität 7 cm 58 cm
Wie aus der Tabelle II zu ersehen ist, hat das Binde mittel B eine viel grössere Duktilität als das Bindemittel A. Im übrigen haben die beiden Bindemittel ähnliche Eigenschaften. Vergleichsweise ist festzuhalten, dass ein durch direkte Destillation gewonnenes Bitumen mit einer Eindringtiefe von 200 mm/ 10 einen Penetrationsindex von etwa 0 aufweist.
Zwei Strassenbelagmaterialien, welche nachstehend als RSM A und RSM B bezeichnet werden, wurden durch Überziehen eines körnigen, mineralischen Materials mit 6 Gew.-%, bezogen auf dieses Material, der obenerwähnten Bindemittel A und B bei 1600C hergestellt.
RSM A wurde unter Verwendung des Bindemittels A und einer dioritisch/kalkigen Füllmasse und RSM B unter Verwendung des Bindemittels B und der gleichen Füllmasse hergestellt. Die Füllmasse hatte folgende Teil chengrössen: Teilchengrösse Gew.-% der gesamten Füllmasse 5 - 10 mm 30 2 - 5 mm 35 0,5 - 2 mm 20 0.2 - 0,5 mm 6 0,08 - 0,2 mm 2 unter 0,08 mm 7
RMS A und RSM B ergaben die aus der nachstehenden Tabelle III ersichtlichen Versuchsresultate.
In dieser Tabelle sind auch die entsprechenden Resultate angegeben, welche mit einem Strassenbelagmaterial, welches nachstehend mit RSM X bezeichnet wird, erzielt wurden, welches unter Verwendung eines Bitumens mit der gleichen Eindringtiefe wie die Bindemittel A und B, das aber durch direkte Destillation im Vakuum aus einem Rohöl aus dem mittleren Osten erzeugt wurde, hergestellt wurde. Dieses Bitumen wird nachstehend als Bindemittel X bezeichnet.
Tabelle III
RSM A B X Duriez-Stabilität nass kg/cm2 24 26 34 trocken kg/cm2 24 29 32 Eintauch/ Kompressions-Verhältnis 1,009 0,9 0,97 Marshall-Stabilität kg 720 650 500 Mesnager-Versuch kg 450 425 600
Der Marshall-Stabilitäts-Versuch ist beschrieben in American Society for Test Method's handbook > y unter der Code-Nummer D1559-58T.
Ein niedrigerer Wert für den Duriez- und den Mes nager-Versuch zeigt eine höhere Flexibilität und ein höhe rer Wert für den Marshall-Versuch eine grössere mecha nische Festigkeit an. Ein höheres Eintauch/Kompres sions-Verhältnis gibt eine bessere Beziehung zwischen
Nass- und Trockeneigenschaften an.
Der Zug/Druck-Modul eines elastischen Mediums kann aus der Kenntnis der Schallgeschwindigkeit in die sem Medium abgeleitet werden. Die Schallgeschwindig keit im Bindemittel A und im Bindemittel X wurden durch eine Resonanzmethode bei 10 C gemessen. Es mag zwar ungenau sein, ein Bitumen als elastisches Me dium zu betrachten. Die Zug/Druck-Moduls, abgeleitet von der Schallgeschwindigkeit, betrugen für Bindemittel X 2,3 X 1011 Dyns/cm2, für Bindemittel A 1,3 X 1011 Dyns/cm2.
Dies bedeutet, dass für eine gegebene Deformation der Zug im Bindemittel A etwa halb so gross ist wie derjenige im Bindemittel X. Das Bindemittel X ergab ein Zug/Druck-Modul von 1,3 X 1011 Dyns/cm2 bei einer Temperatur von +11 C, d.h. bei einer um 210C höheren Temperatur.
Die Bindemittel A und B wurden geprüft, indem ein Duriez-Versuchs-Stück bis zum Brechen zusammengedrückt und unter diesem Druck während 5 Minuten belassen wurde. Diese Druckbelastung wurde bis zum Zerfall des Versuchsstückes wiederholt. Das Versuchsstück mit Bindemittel A hielt vier Zyklen, dasjenige mit Bindemittel B sechs Zyklen stand.
Der Mesnager- und der Ouriez-Versuch werden beide an einem genau kreisrunden Zylinder aus Strassendeckenmaterial, d.h. aus Bindemittel und dem körnigen, mineralischen Material, bestehend, durchgeführt, wobei der Zylinder einen Radius von 4 cm und eine axiale Länge von 9-10 cm aufweist.
Beide Versuche werden so durchgeführt, dass der Zylinder zwischen parallelen Planplatten, welche mit einer Geschwindigkeit von 1 mm/sec vorgeschoben werden, zusammengedrückt wird. Der Druck wird kontinuierlich registriert und der maximale Wert ergibt das Resultat des Versuches.
Beim Duriez-Versuch wird der Zylinder in Achsrichtung zusammengedrückt, wobei die Platten im rechten Winkel zur Achse des Zylinders stehen. Beim Mesnager-Versuch wird der Zylinder radial zusammengedrückt, wobei die Platten parallel zur Achse des Zylinders sind.
Unmittelbar vor einem Versuch wird der Zylinder während einer Woche bei einer Temperatur von 180C in Luft einer relativen Feuchtigkeit von 50% gelagert.
Im Gegensatz zu diesem Duriez-trocken-Versuch wird der Duriez-nass-Versuch mit einem Zylinder durchgeführt, welcher während einer Woche bei einer Temperatur von 180C unter Wasser gelagert wurde. Der Durieznass-Versuch ergibt üblicherweise ein etwas niedrigeres Resultat als der Duriez-trocken-Versuch. Das Nass-Resultat dividiert durch das Trocken-Resultat ergibt das Eintauch-Compressions-Verhältnis.
Die wirkliche Kompression wird immer bei einer Temperatur von 180C durchgeführt.
Die Abkürzung IP, (IP , gefolgt von einer Zahl, welche in der Beschreibung verwendet wird, gibt die Code
Nummer eines Versuches an, welcher im Werk The British Institute of Petroleum's handbook Test methods beschrieben ist.
Bituminous mixture that can be used as a binder for road surfaces
A road surface is subjected to deformations when the road sub-base suffers deformations, as z. B. is the case when a road is driven by a vehicle with a high axle load and the road substructure is elastically deformed. Such deformations can be reduced if one provides strong foundations, but of course it is desirable that the road surface can adapt to the elastic deformations of the road sub-structure. When using a binder with a high tension / pressure module, the deformations of the road surface which occur when the road sub-base is deformed result in greater forces acting in the pavement layers than is the case when a binder with a smaller tension / compression module is used becomes.
These greater forces increase the risk of pavement breakage.
The tension / compression modulus of a binder increases as the temperature decreases; therefore, the risk of a road surface breaking in cold weather is greater.
A binding agent with a low tension / compression module has a high penetration capacity (IP 49/58). The temperature-related change in the penetration capacity can be measured by the penetration index, which is often called the Pfeiffer and van Doormaal>> penetration index. This penetration index is determined from the softening point and the penetration at 250C. A corresponding nomogram can be found on page 745 of Modern Petroleum Technology, 3rd edition, 1962. A high penetration index indicates a relatively small change in penetration capacity with a change in temperature.
In order for a binder for road surfaces to meet the requirements mentioned above, it must
1. high penetration and
2. have a high penetration index.
The invention now relates to a petroleum bitumen which meets these requirements.
The invention relates to a bituminous mixture which can be used as a binder for road surfaces, which is characterized in that it contains 50-96% by weight of oxidized bitumen, which has a penetration index according to Pfeiffer and van Doormaal of at least +2, a penetration depth according to ASTM D5 of 10-50 mm / 10 at 250C and a softening point according to ASTM D 36 of at least 650C, and 4-50 wt. Where one
Petroleum oil, which at 760 mm Hg has an initial boiling point of at least 3600C contains.
The softening point of the oxidized bitumen (IP 58/56) is preferably around 900C and its penetration depth is advantageously around 40 mm / 10. The penetration index of this bitumen is preferably not less than +3.
The petroleum oil should preferably be such that 50% distill over at a temperature of 400-6000C and a pressure of 760 mm Hg. This petroleum oil expediently has a viscosity of 300-500 cSt at a temperature of 50 C.
When the oil used is predominantly paraffinic in nature, it has a particularly beneficial effect on the penetration index. Unfortunately, the use of an oil which is completely paraffinic has the disadvantage that the finished mixture has poor adhesion properties.
An oil which is partly aromatic and partly paraffinic, e.g. in equal amounts, it is somewhat less advantageous in terms of penetration index than a pure paraffinic oil, but it does not cause any deterioration in the adhesive properties. The petroleum industry produces aromatic-paraffinic mixtures in the usual solvent refining of lubricating oils when starting materials are treated with solvents such as sulfur dioxide, phenol, nitrobenzene, furfural. The solvent separates the aromatic components from the starting material and these are obtained in the form of an oil, which is known as aromatic extract.
Regardless of this, this aromatic extract contains approximately the same amounts of paraffini's as of aromatic constituents and these aromatic extracts are particularly suitable for the preparation of the mixture according to the invention.
The bituminous mixture according to the invention can also contain 0.04-10, preferably 0.2-1% by weight of a natural and / or synthetic elastomer which is in the form of a latex and e.g. an alkyl methacrylate polymer, a butadiene / styrene mixed polymer or a butadiene / acrylonitrile mixed polymer can be admixed.
The addition of polymers improves the binding agent's ductility (IP 32/55).
The bituminous mixture according to the invention can furthermore be dissolved in a volatile solvent or in a volatile carrier, for the purpose of producing a cut-back bitumen, a so-called cut-back bitumen. Water, to be emulsified.
The invention also relates to the use of the bituminous mixture for producing a road surface material by coating granular, mineral filler with the mixture according to the invention.
Two examples of bituminous mixtures according to the invention, which are designated as binders A and B, are described below as examples.
Both binders A and B were produced by mixing the following materials together at a temperature of 1400C: Oxidized bitumen: This was a conventionally produced, air-blown bitumen, which had the following properties:
Softening point 900C
Penetration depth 40 mm / 10
Penetration index +5 petroleum oil: This was a furfural extract which was obtained by vacuum distillation and which had the following properties:
Initial boiling point at 750 mm Hg 3840C at 760 mm Hg 50% distilled over at 5000cd
Viscosity at 500 ° C. 360 cSt Polyvinyl Acrylate: This was a polymerized methacrylate ester.
The compositions of binders A and B can be seen from Table I and some of their properties from Table II.
Table I Binder A B Oxidized bitumen 75% by weight 74.7% by weight Petroleum oil 25% by weight 24.8% by weight Polymethacrylate None 0.5% by weight
Table II Binder A B Softening point 490C 490C penetration depth at 250C 200 mm / 10 200 mm / 10 penetration index +4 +4 ductility 7 cm 58 cm
As can be seen from Table II, the binder B has a much greater ductility than the binder A. Otherwise, the two binders have similar properties. By way of comparison, it should be noted that a bitumen obtained by direct distillation with a penetration depth of 200 mm / 10 has a penetration index of around 0.
Two pavement materials, hereinafter referred to as RSM A and RSM B, were prepared by coating a granular, mineral material with 6% by weight, based on this material, of the above-mentioned binders A and B at 160.degree.
RSM A was made using Binder A and a dioritic / chalky filler and RSM B was made using Binder B and the same filler. The filling compound had the following particle sizes: Particle size% by weight of the total filling compound 5 - 10 mm 30 2 - 5 mm 35 0.5 - 2 mm 20 0.2 - 0.5 mm 6 0.08 - 0.2 mm 2 below 0 .08 mm 7
RMS A and RSM B gave the test results shown in Table III below.
This table also shows the corresponding results which were achieved with a road surface material, which will be referred to below as RSM X, which was produced using a bitumen with the same penetration depth as binders A and B, but by direct distillation in vacuo a crude oil produced in the Middle East. This bitumen is referred to as Binder X in the following.
Table III
RSM A B X Duriez stability wet kg / cm2 24 26 34 dry kg / cm2 24 29 32 Immersion / compression ratio 1.009 0.9 0.97 Marshall stability kg 720 650 500 Mesnager experiment kg 450 425 600
The Marshall stability test is described in the American Society for Test Method's handbook> y under the code number D1559-58T.
A lower value for the Duriez and the Mesnager test indicates greater flexibility and a higher value for the Marshall test shows greater mechanical strength. A higher immersion / compression ratio gives a better relationship between
Wet and dry properties.
The tension / compression module of an elastic medium can be derived from knowledge of the speed of sound in this medium. The speed of sound in Binder A and Binder X were measured at 10 C by a resonance method. It may be imprecise to regard bitumen as an elastic medium. The tension / compression modulus, derived from the speed of sound, was 2.3 X 1011 Dyns / cm2 for binder A and 1.3 X 1011 Dyns / cm2 for binder.
This means that for a given deformation, the tension in binder A is about half as great as that in binder X. Binder X gave a tensile / compression module of 1.3 × 10 11 dynes / cm2 at a temperature of +11 ° C , ie at a temperature 210C higher.
Binders A and B were tested by compressing a Duriez test piece until it broke and leaving it under this pressure for 5 minutes. This pressure load was repeated until the test piece disintegrated. The test piece with binder A withstood four cycles, the one with binder B six cycles.
The Mesnager and Ouriez experiments are both carried out on an exactly circular cylinder made of road surface material, i.e. consisting of binder and the granular, mineral material, the cylinder having a radius of 4 cm and an axial length of 9-10 cm.
Both tests are carried out in such a way that the cylinder is pressed together between parallel plane plates which are advanced at a speed of 1 mm / sec. The pressure is registered continuously and the maximum value gives the result of the experiment.
In the Duriez test, the cylinder is compressed in the axial direction, with the plates being at right angles to the axis of the cylinder. In the Mesnager test, the cylinder is compressed radially with the plates parallel to the axis of the cylinder.
Immediately before a test, the cylinder is stored for one week at a temperature of 180 ° C. in air with a relative humidity of 50%.
In contrast to this Duriez dry test, the Duriez wet test is carried out with a cylinder which has been stored under water for a week at a temperature of 180C. The Duriez wet test usually gives a slightly lower result than the Duriez dry test. The wet result divided by the dry result gives the immersion compression ratio.
The real compression is always carried out at a temperature of 180C.
The abbreviation IP, (IP followed by a number, which is used in the description, gives the code
Number of an experiment which is described in The British Institute of Petroleum's handbook Test methods.