DD213938A1 - Verfahren zur brechzeitregulierung kationaktiver bitumenemulsionen - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Regulierung der Brechzeit von kationaktiven Bitumenemulsionen. Durch Zusatz von 0,001 bis 5 Ma.-% Salz, deren Kationen eine Kationenfeldstaerke Z/a hoch 2 von 0,1 bis 1,0 und eine Elektronegativitaet von 0,7 bis 2,0 besitzen, vorzugsweise im pH-Bereich von 7 bis 12, wird die Reaktion zwischen Mineralstoffen und der Emulsion verzoegert und deren Misch- und Brechzeit wird dadurch vergroessert. Diese Emulsionen koennenvorzugsweise als Bindemittel im Strassen- und Wegebau Anwendung finden.

Description

Verfahren zur Brechzeit regulierung kationaktiver Bitucenemulsionen

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Brechzeitregulzerung kationaktiver Bi Cutrenemulsionen, die vorrangig als Bindemittel im Straßen- unc /Vegebau Anwendung finaen.

Charakteristik der bekannten technischen Lesungen

Die Erhaltung und Erneuerung bituminöser, aber auch zementgebur.Gener Fahrbahndecken erfolgt in zunehmendem Maße unter Verwendung von Bitumenemulsionen als Bindemittel. Zur Anwendung kommen hauptsächlich anion- und kationaktive Bitumenemulsionen, wobei letztere aufgrund ihres guten Benetzungs-, Haft- und Abbinaeve rtrogens in vielen Fällen bevorzugt eingesetzt werden.

Unentbehrlich sind kationaktive Emulsionen für die Oberflächenbehandlung mit Direktschlämmen geworden. Herstellungsverfahren und Rezepturen für kationaktive Bitumenemulsionen sind im allgemeinen bekannt.

Als Emulgatoren und Haftvermittler werden im wesentlichen Amine und Ammoniumsalze in saurem bis neutralem, seltener auch in alkalischem Meaiur. verwendet. Die Salzbildung zwischen Ami·

nsn und anorganischen oder organischen Säuren scislt dabsi eine dcminisrsnae Roll?.

Durch Anwendung verschiecener Emulgatoren una Emulgatorgemische sowie durch Zusatz anderer Stoffe können die Eigenschaften kationaktiver Emulsionen in unterschiedlichem Kaße beeinflußt werden. So arfolgt beisoielsweise eine Stabilisierung durch Verwendung nichtionogener Tenside oder Gemische organischer Aminbasen.

Die kationaktiven Emulsionen können dadurch hinsichtlich ihrer Lager- und Transoortbeständigkeit sowie ihrer mechanischen Belastbarkeit bei der Anwendung wesentlich verbessert werden.

Nicht oder nur in sehr geringem Umfang wirken sich diese Zusätze jedoch auf das Reaktionsvernalten gegenüber Gesteinsbaustoffen aus.

Die Brechzeiten kationaktiver Direktschlämmen werden im wesentlichen durch aie verwendeten Amine und Ammoniumsalze sowie durch die Mineralstoffe bestimmt. Zur Erreichung eines definierten 3rechverhaltens ist es also erforderlich, bestimmte kationaktive Emulgatoren einzusetzen, die Emulsion auf ain geeignetes Gesteinsmaterial abzustimmen und die Schlämmerezentur genau einzuhalten.

Charakteristisch für alle kationaktiven Emulsionen ist, daß sie bei Berührung mit Mineralstoffen brechen und die positiv geladenen 3itumenteilcrer· auf die Gesteinsoberfläche aufziehen, wobei man sich diesen Vorgang als Ladungsaucgl^ich zwischen dem oositiv geladenen Bitumen und dem sauren, d. h. negativ geladenen Gestein vorstellt.

In der praktischen A.-v.vencung fünrt cas oft zu Froblemer, vor allem bei cer Herstellung von Err.ulsion3-i\ine ralstof f -Kischungen, also auch bei bituminöser. Schlämmen. Die Brechgesch/.'inaigkeit ist meist so groß, caß das Mineralstoffgemisch vor der Zugabe der kationaktiven Emulsion ir.it einem brechungsverzögernden Stoff, z. 3. einer Aminlosung, behancslt werden muß. Die Menge ces brechungsverzögernden Stoffes nuß sehr genau auf das Mineralstoffgemisch abgestimmt und auch zudosiert werden.

Schon geringe Veränderungen in der Zusammensetzung des Mineralstoff gemisches hinsichtlich Korngröße unc Körnungsgeometrie sowie ein unterscnieclichsr Feuchtigkeitsgehalt können leicht eine Unter- oder Oberdosierung des Brechungsverzögerers verursachen. U"i te !"dosis rung hat ein zu frühes Brechen der Emulsion zur Folge, eine Gberaosierung führt dazu, ca3 der Brechvorgang nicht ocer in nur geringem Umfang stattfindet und der kat'ionaktive Effekt der Emulsion, d. h. das sofortige Aufziehen ο es Bitumens auf das Gestein, verloren geht.

Die Verzögerung des Brechverganges erfolgt also im wesentlichen dadurch, daß sin Teil der aktiven Zentren des Gesteinsmaterials durch einen kationaktiven Stoff gebunden wird und so für die unmittelbare Verbindung mit Bitumen nicht mehr zur Verfügung steht. Eine Beeinflussung des emulgierten Bitumens erfolgt nicht.

Diese Art cer Brechzeitverzögerung führt also dazu, caS nur die freibleibencen Steilen ces Gesteinsmaterials mit dem Bitumen unmittelbar in Verbindung kommen können. Im Extremfall bleibt ein Kontakt ces Bitumens mit dem Mineralstoff sogar aus.

üie Verwendung brscnungsverzogarncsr Stoffe in bekannter .'/eise ermöglicht mithin bei Einsatz cefiniertar, eufeinanoer abgestimmter Ausgangsstoffs Gen KischorozeG. katicnaktive r Sirurncnsrr.ulsionen rr.it Ges tsmsbaus tof fen , setzt aber grundsätzlich die genaueste Einhaltung aller Parameter, auch unter unterschiedlichen Bedingungen, voraus. Durch ciiese in der praktischen Anwendung kaum realisierbaren Forderungen wird die Herstellung solcher Emulsions-Mineralstoff-Mischungen, insbesondere aber von bituminösen Oirsktscnlämmen, sehr erschwert und bei schwankender Qualität der Ausgangsstoffe nicht durchführbar.

Ziel der Erfindung

Es ist Ziel der Erfindung, die Brechzeit kationaktiver Bitumenemulsionen zu regulieren und damit Voraussetzungen für cie Mischbarkeit solcher Emulsionen mit unterschiedlichen Gesteinsbaustoffen zu schaffen.

Darlegung des «V'esens aer Erfindung

ts ist Aufgabe oer Erfindung, cas Brechverhalten kationaktiver Bitumenemulsion unc axe Herstellung c.er Verbindung zwischen Mineralstoff und Bitumen zeitlich zu beeinfludsen, eine maximale Umhüllung des Gesteins zu erreichen und eine schnelle Stabilisierung des Gemisches zu gewährleisten.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe cadurch gelöst, daß der kationaktiven Bitumenemulsion außer dem kationaktiven Emulga-

— 10 tor noch Kationen mit einem Ionendurchmesser> 0,6 * 10 m

in Form ihrer Salze in einem auf das Gesteinsmaterial und der Bitumenemulsion abgestimmten oH-Bereich > S zugesetzt werden.

Die Salzs können einenuigiert cer Emulsion nacntraglich zugesetzt und/ccer euren Zusatz von Säuren ocer Laugen ocer durch i^v:iscnen verschieaener Emulsionen gebilcet vveraen.

Bei aer Herstellung von Emulsions-Minerals toff-Gemischen, 'wie Bitumenschlämmen, ist auch ein Untermischen unter die Mineralstoffe und/oder der Zusatz als wäßrige Lösung möglich.

Die erfindungsgemäß anzuwendenden Kationen besitzen eins Kationenfelcstarke Z/a*¹ von 0,1 bis 1,0 und eine Elektronegativität von 0,7 bis 2,0. Die brechungsverzögsrnce Wirkung nimmt mit abnehmender Kationenfeldstärke und zunehmendem Atomradius zu.

Eine bestimmte Bedeutung kommt auch den Anioren zu. So fordern vor allem Anionbasen, also protonenakzeotierende Anionen, die Festigkeit aer Verbindung Bitumen-Gestein.

Durch Untersuchung des Reaktionsverhaltens neutraler kationaktiver Bitumenemulsionen wurde überraschenderweise gefunden, daß der Wirkungsmechanismus zwischen Gestein und Dositiviertem Bitumen nicht einfach auf dem Ladungsausgleich zwischen negativ geladenem sauren Gestein und dem oositiv geladenen Bitumenteilchen beruht, sondern auf der Bildung von Wasserstoff brücken. Auch für die Verbindung der Bitumenteilchen untereinander und damit für das Verkleben aer bitumenumhüllten Mineralstoffe zu einem festen Verband ist die Wasserstoff brück en bin dung verantwortlich,

Die Reaktion der Mineralstoffe ist einmal abhängig von der Korngröße und aar Kornungsgeometrie, d. h. Ecken unc Kanten sind aktive Zentren und besonders reaktionsfähig, uno zum anderen von den interatomaren Beziehungen der in den Mineralstoffen enthaltenen Bestandteile.

Dabei srielen die Atom- und Ionengroßen sowie cersn Ladungen unc Feldstärken eine besonoere Rolle. Vor. Beoeutung ist eoenfalls aie von aer LaGung una cerr< Rscius abhängige '.';irkung öer Katicr.sn auf die Sauerstoff anionsn. Diese .ve ca an so stark deformiert, daß an cer Gesteinaoberfläche cescncere Bedingungen in Form unbeansoruchter Elektronenbahnen auftreten, die ihrerseits EinfluG auf die Reaktionsfähigkeit haben.

So kommt es schließlich dazu, caß cie an der Oberfläche btfmalichen Bausteine aas Bestreben haben, ihre nach außen greifencen Restvalenzkräfte durch Anlagerung anderer Teilchen zu bestätigen. Die meisten Gesteinsbaustoffe binden aus diesem GrunGe an ihrer Oberfläche aus aero "Aasser mehr ocer weniger viel Frotonen.

Auch zwischen dem positiviertem Stickstoffatom des kationaktiven Emulgators und dem freien Elektronencaar aes Sauerstoffatoms an der Mineralstoffoberfläche kommt es zu einer elektrostatischen Anziehung. Diese ist Voraussetzung für das Zustandekommen aer Reaktion und führt schließlich zur Bildung der Wasserstoffbrücken.

Die erfinGungsgemäß einzusetzenden Kationen werden von den aktiven Stellen der Mineralstoffe teilweise reversibel gebunden oaer schirmen aiese ab. Dadurch wird es möglich, die Anlagerung aer positiv geladenen Bitumenteilchen und damit aen Brschvorgang zu verzögern, ohne daß die Haftfestigkeit des Bitumens am Gestein negativ beeinflußt wira.

In Kombination mit zur Wasserstoffbrückenbindung befähigten Stoffen, wie organischen Säuren, Alkoholen, Äthern, Phenolen, Amiden oaer Nitroverbindungen sowie Gemischen aus diesen Stoffen, wird die brechzeitverzogernae Wirkung oft auf ein Mehrfaches erhöht. So ergibt sich vor allem aie Möglichkeit,

zur Herstellung von Situmenscnlämmen auch minderwsrtige, eigentlich ungeeignete 3rechsande recht unterschiedlicher Kornzusammensetzung zu verwenden.

Es können so örtlich vorhandene Mineralstoffe für cie creite Anwendung der Schlämmebauweise genutzt werden. Es ist also nicht mehr notwendig, 3rechsand und Emulsion in ceis bisher bekannten Maße aufeinanaer abzustimmen.

Anwendungsbeisoiele

Die Erfindung soll nachfolgena anhand von Beisoielen näher erläutert werden.

3eisoiel 1

Über die wäßrige Phase wurden in eine kationaktive Bitumenemulsion bei deren Herstellung 0,05 Ma.-% Kaliumchlorid eineiTiulgiert. Dadurch konnte die Mischzeit der Ausgangsemulsion mit einem Quarzporphyr-Brechsand 0/4 von 21 auf 80 Sekunden erhöht werden. Der oH-Wert der Emulsion betrug 9,60. Nach dem Mischen wurde das Wasser aus der Schlämme sehr gut abgestoßen, die Schlämme war nach 30 Minuten sehr fest,

Beispiel 2

Dem für die Schiämmeherstellung verwendeten Wasser wurden, bezogen auf die Emulsionsmenge, 0,05 Ma.-% Bariumchlorid zugesetzt. Die Mischzeit der Ausgangsemulsion, die der in Beispiel i entsorach, konnte dadurch mit QuarzDorDhyr-Brecr.sard 0/4 auf 90 Sekunden erhöht wercen. Auch hier wurae eine sehr feste Schlämme bei guter Wasserabscheidung erhalten.

Beispiel 3

In eis kationaktive Emulsion wurden über die bituminöse Phase 0,5 Ma.-% Fettsäure und über die wäßrige Phase 0,2 Ma.-% Kaliumchlorid einerr.ulgiert. Dabei wurde eine Emulsion mit folgenden Eigenschaften erhalten:

Bitumengehalt 60,0 Ma.-%

Viskosität 33,4 Auslauf Sekunden

Stabilität halbstabil

Haftung

Heißwasserlagerung 95 Oberflächen-%

pH-Wert 10,45 .

Die Mischzeit erhöhte sich für diese Emulsion mit einem Quarzporphyr-Brechsand 0/4 auf über 3 Minuten. Es trat eine deutliche Verzögerung des Abbindevorganges ein, wodurch aber die Festigkeit der Schlämme nicht nachteilig beeinflußt wurde.

Claims (4)

Erfindungsanscruch

1. Verfahren zur Brechzeitregulierung kationaKtivsr Bitumenemulsionen, gekennzeichnet aaaurch, daß in-, pH-Bereich > 6, vorzugsweise 7 bis 12, C,OOi bis 5,0 Ma«-,O Salze, aeren Kationen eine Kationenfeldstärke Z/a~ von 0,1 bis 1,0 und eine Elektronegativität von 0,7 bis 2,0 besitzen, zugesetzt werden.

2. Verfahren nach Punkt 1, gekennzeichnet cadurcn, daß die Kationen an orotonenakzactierende Anionen gebunden sind.

3. Verfahren nach Punkt 1 und 2, gekennzeichnet dadurch, daS die Salze einemulgiert, nachträglich zugesetzt und/oder bei der Herstellung der Emulsions-Mineralstoff-Gemische mit eingemischt herden, vorzugsweise in Form wäßriger Lösungen„

4. Verfahren nach Punkt 1 unc 2, gekennzeichnet cacurch, daß die Salzbildung durch Zusatz von Säuren oder Laugen zu kationaktiven Emulsionen und/oder bei der Herstellung aes EmuIsions-Mineralstoff-Gemisches erfolgt.