DD213938B1 - Verfahren zur Brechzeitregulierung kationaktiver Bitumenemulsionen - Google Patents

Description

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Brechzeitregulierung kationaktiver Bitumememulsionen, die vorrangig als Bindemittel im Straßen- und Wegebau Anwendung finden.

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

Die Erhaltung uhd Erneuerung bituminöser, aber auch zementgebundener Fahrbahndecken erfolgt in zunehmendem Maße unter Verwendung von Bitumenemulsion als Bindemittel. Zur Anwendung kommen hauptsächlich anion- und kationaktive Bitumenemulsionen¹, wobei letztere aufgrund ihres guten Benetzungs-, Haft- und Abbindevermögens 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 alkalischen Medium verwendet. Die Salzbildung zwischen Aminen und anorganischen oder organischen Säuren spielt dabei eine dominierende Rolle.

Durch Anwendung verschiedener Emulgatoren und Emulgatorgemische sowie durch Zusatz anderer Stoffe können die Eigenschaften kationaktiver Emulsionen in unterschiedlichem Maße beeinflußt werden. So erfolgt beispielsweise eine Stabilisierung durch Verwendung nichtionogener Tenside oder Gemische organischer Aminbasen.

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

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

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

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

In der praktischen Anwendung führt das oft zu Problemen, vor allem bei der Herstellung von Emulsions-Mineralstoff-Mischungen, also auch bei bituminösen Schlämmen. Die Brechgeschwindigkeit ist meist so groß, daß das Mineralstoffgemisch vor der Zugabe der kationaktiven Emulsion mit einem brechungsverzögernden Stoff, z. B. einer Aminlösung, behandelt werden muß. Die Menge des brechungsverzögernden Stoffes muß sehr genau auf das Mineralstoffgemisch abgestimmt und auch zudosiert werden.

Schon geringe Veränderungen in der Zusammensetzung des Mineralstoffgemisches hinsichtlich Korngröße und Körnungsgeometrie sowie ein unterschiedlicher Feuchtigkeitsgehalt können leicht eine Unter- oder Überdosierung des Brechungsverzögerers verursachen. Unterdosierung hat ein zu frühes Brechen der Emulsion zur Folge, eine Überdosierung führt dazu, daß der Brechvorgang nicht oder in nur geringem Umfang stattfindet und der kationaktive Effekt der Emulsion, d. h. das sofortige Aufziehen des Bitumens auf das Gestein, verloren geht.

Die Verzögerung des Brechvorganges erfolgt also im wesentlichen dadurch, daß ein Teil der aktiven Zentren des Gesteinsmaterials durch einen kationaktiven Stoff gebuncen wird urd so für die unmittelbare Verbindung mit Bitumen nicht mehr zur Verfugung steht. Eine Beeinflussung des emulgierten Bitumens erfolgt nicht.

Diese Art der Brechzeitverzögerung führt also dazu, daß nur die freibleibenden Stellen des Gesteinsmaterials mit dem Bitumen unmittelbar in Verbindung kommen können. Im Extremfall bleibt ein Kontakt des Bitumens mit dem Mineralstoff sogar aus.

Die Verwendung brechungsverzögernder Stoffe in bekannter Weise ermöglicht mithin bei Einsatz definierter, aufeinander abgestimmter Ausgangsstoffe den Mischprozeß kationaktiver Bitumenemulsionen mit Gesteinsbaustoffen, setzt aber grundsätzlich die genaueste Einhaltung aller Parameter, auch unter unterschiedlichen Bedingungen, voraus. Durch diese in der praktischen Anwendung kaum realisierbaren Forderungen wird die Herstellung solcher Emulsions-Mineraistoff-Mischungen, insbesondere aber von bituminösen Direktschlämmen, 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 die Mischbarkeit solcher Emulsionen mit unterschiedlichen Gesteinsbaustoffen zu schaffen.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Es ist Aufgabe der Erfindung, das Brechverhalten kationaktiver Bitumenemulsionen und die Herstellung der Verbindung zwischen Mmeralstoffen und Bitumen zeitlich zu beeinflussen, eine maximale Umhüllung des Gesteins zu erreichen und eine schnelle Stabilisierung des Gemisches zu gewahrleisten

Erfindungsgemaß wird die Aufgabe dadurch gelost, daß der kationaktiven Bitumenemulsion außer dem kationaktiven Emulgator noch Kationen mit einem lonendurchmesser>0,6 10~¹⁰m in Form ihrer Salze in einem auf das Gestemsmaterial und der Bitumenemulsion abgestimmten pH-Bereich > 6 zugesetzt werden

Die Salze können einemulgiert der Emulsion nachträglich zugesetzt und/oder durch Zusatz von Sauren oder Laugen oder durch Mischen verschiedener Emulsionen gebildet werden

Bei der Herstellung von Emulsion-Mineralstoff-Gemischen, wie Bitumenschlammen, ist auch ein Untermischen unter die Mineralstoffe und/oder der Zusatz als wäßrige Losung möglich

Die erfindungsgemaß anzuwendenden Kationen besitzen eine Kationenfeldstarke Z/a² von 0,1 bis 1,0 und eine Elektronegativitat von 0,7 bis 2,0 Die brechungsverzogernde Wirkung nimmt mit abnehmender Kationenfeldstarke und zunehmendem Atomradius zu

Eine bestimmte Bedeutung kommt auch den Anionen zu So fordern vor allem Anionbasen, also protonenakzeptierende Anionen, die Festigkeit der Verbindung Bitumen-Gestein

Durch Untersuchung des Reaktionsverhaltens neutraler kationaktiver Bitumenemulsionen wurde überraschenderweise gefunden, daß der Wirkungsmechanismus zwischen Gestein und positiviertem Bitumen nicht einfach auf dem Ladungsausgleich zwischen negativ geladenem sauren Gestein und dem positiv geladenen Bitumenteilchen beruht, sondern auf der Bildung von Wasserstoffbrucken Auch fur die Verbindung der Bitumenteilchen untereinander und damit fur das Verkleben der bitumenumhullten Mineralstoffe zu einem festen Verband ist die Wasserstoffbruckenbindung verantwortlich Die Reaktion der Mineralstoffe ist einmal abhangig von der Korngroße und der Kornungsgeometne, d h Ecken und Kanten sind aktive Zentren und besonders reaktionsfähig, und zum anderen von den interatomaren Beziehungen der in den Mmeralstoffen enthaltenen Bestandteile

Dabei spielen die Atom- und lonengroßen sowie deren Ladungen und Feldstarken eine besondere Rolle Von Bedeutung ist ebenfalls die von der Ladung und dem Radius abhangige Wirkung der Kationen auf die Sauerstoffanionen Diese werden so stark deformiert, daß an der Gesteinsoberflache besondere Bedingungen in Form unbeanspruchter Elektronenbahnen auftreten, die ihrerseits Einfluß auf die Reaktionsfähigkeit haben

So kommt es schließlich dazu, daß die an der Oberflache befindlichen Bausteine das Bestreben haben, ihre nach außen greifenden Restvalenzkrafte durch Anlagerung anderer Teilchen zu bestätigen Die meisten Gesteinsbaustoffe binden aus diesem Grunde an ihrer Oberflache aus dem Wasser mehr oder weniger viel Protonen Auch zwischen dem positiviertem Stickstoffatom des kationaktiven Emulgators und dem freien Elektronenpaar des Sauerstoffatoms an der Mineralstoffoberflache kommt es zu einer elektrostatischen Anziehung Diese ist Voraussetzung fur das Zustandekommen der Reaktion und fuhrt schließlich zur Bildung der Wasserstoffbrucken Die erfindungsgemaß einzusetzenden Kationen werden von den aktiven Stellen der Mineralstoffe teilweise reversibel gebunden oder schirmen diese ab Dadurch wird es möglich, die Anlagerung der positiv geladenen Bitumenteilchen und damit den Brechvorgang zu verzogern, ohne daß die Haftfestigkeit des Bitumens am Gestein negativ beeinflußt wird In Kombination mit zur Wasserstoffbruckenbindung befähigten Stoffen, wie organischen Sauren, Alkoholen, Athern, Phenolen, Amiden oder Nitroverbindungen sowie Gemischen aus diesen Stoffen, wird die brechzeitverzogernde Wirkung oft auf ein Mehrfaches erhöht So ergibt sich vor allem die Möglichkeit, zur Herstellung von Bitumenschlammen auch minderwertige, eigentlich ungeeignete Brechsande recht unterschiedlicher Kornzusammensetzung zu verwenden Es können so örtlich vorhandene Mineralstoffe fur die breite Anwendung der Schiammebauweise genutzt werden Es ist also nicht mehr notwendig, Brechsand und Emulsion in dem bisher bekannten Maße aufeinander abzustimmen

Anwendungsbeispiele

Die Erfindung soll nachfolgend anhand von Beispielen naher erläutert werden.

Beispiel 1

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

Beispiel 2

Dem fur die Schlammeherstellung verwendeten Wasser wurden, bezogen auf die Emulsionsmenge, 0,05Ma -% Bariumchlond zugesetzt Die Mischzeit der Ausgangsemulsion, die der in Beispiel 1 entsprach, konnte dadurch mit Qaurzporphyr-Brechsand 0/4 auf 90 Sekunden erhöht werden Auch hier wurde eine sehr feste Schlamme bei guter Wasserabscheidung erhalten

Beispiel 3

In die kationaktive Emulsion wurden über die bituminöse Phase 0,5 Ma -% Fettsaure und über die wäßrige Phase 0,2 Ma -% Kaliumchlorid einemulgiert Dabei wurde eine Emulsion mit folgenden Eigenschaften erhalten

Bitumengehalt 60,0Ma-%

Viskosität 33,4Auslaufsekunden

Stabilität halbstabil

Haftung

Heißwasserlagerung 95 Oberflachen-%

pH-Wert 10,45

Die Mischzeit erhöhte sich fur 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 Schlamme nicht nachteilig beeinflußt wurde

Claims (5)

1. -1- 21393S

   Erfindungsanspruch:

   1. Verfahren zur Brechzeitregulierung kationaktiver Bitumenemulsionen, gekennzeichnet dadurch, daß im p-Bereich >6, 0,001 bis 5,0Ma.-% Salze, deren Kationen eine Kationenfeldstärke Z/a² von 0,1 bis 1,0 und eine Elektronegativität von 0,7 bis 2,0 besitzen, zugesetzt werden.
2. 2. Verfahren nach Punkt 1, gekennzeichnet dadurch, daß die Kationen an protonenakzeptierende Anionen gebunden sind.
3. 3. Verfahren nach Punkt 1 und 2, gekennzeichnet dadurch, daß die Salze einemulgiert, nachträglich zugesetzt und/oder bei der Herstellung der Emulsions-Mineralstoff-Gemische mit eingemischt werden, vorzugsweise in Form wäßriger Lösungen.
4. 4. Verfahren nach Punkt 1 und 2, gekennzeichnet dadurch, daß die Salzbildung durch Zusatz von Säuren oder Laugen zu kationaktiven Emulsionen und/oder bei der Herstellung des Emulsions-Mineraistoff-Gemisches erfolgt.
5. 5. Verfahren nach Punkt 1, gekennzeichnet dadurch, daß die Salze im pH-Bereich 7 bis 10 zugesetzt werden.