-
Die
vorliegende Erfindung betrifft ein bituminöses Bindemittel für Heißeinbaudecken
zur Herstellung von Straßenfahrbahndecken.
-
Seit
ihrem Aufkommen in den Vereinigten Staaten in den Zwanziger Jahren
dieses Jahrhunderts haben die Heißeinbaudecken für Grundschichten
und Fahrbahndecken eine beträchtliche
Entwicklung erfahren; z.B. sind in Frankreich mehr als 30 Mio. t
Heißeinbaudecken
in jedem Jahr für
die Herstellung neuer Straßen und
Autobahnen sowie für
die Unterhaltung des bestehenden Netzes ausgebracht worden.
-
Solche
Einbaudecken bestehen aus Gemischen einerseits von körnigen Materialien
aus zerkleinertem Hartgestein, zu denen ein gewisser Anteil Sand
oder sogenannte Feinzuschlagteilchen hinzugefügt sind, die ein Sieb von 80 μ durchlaufen,
und andererseits von Bitumen, einem Rückstand der Rohöldestillation
in den Raffinerien.
-
Diese
Heißeinbaudecken
werden in Heißeinbaudeckenproduktionsanlagen
hergestellt, d.h. in ortsfesten oder in beweglichen Anlagen, die
entsprechend den Baustellen verlagerbar sind; diese sind schematisch aufgebaut
aus:
- – einer
Anordnung von Vordosierern, die jeweils einen Anteil des körnigen Materials
aufnehmen, das in die Zusammensetzung der Decke eingeht;
- – einem
Kaltförderer,
die körnigen
Materialien in eine Trockentrommel fördert, wo sie auf eine Temperatur von
150-180°C
gebracht werden;
- – einer
Knetvorrichtung, in der das auf eine Temperatur in der gleichen
Größenordnung
wie die der Granulate, sowie gegebenenfalls der Feinzuschläge, erhitzte
Bindemittel zugefügt
wird; und
- – einem
Lagerbunker.
-
Das
so erhaltene Material wird anschließend direkt in einer gegebenen
Dicke auf die Straße
ausgebracht und dann verdichtet.
-
Viele
Jahre lang sind bituminöse
Einbaudecken aus Bindemitteln hergestellt worden, die aus durch
direkte Destillation von Erdölprodukten
erhaltenen Reinbitumen bestehen; diese sind gekennzeichnet durch
Normen, unter denen z.B. die Norm NFT 66.004 genannt werden kann,
die die Nadeldurchdringbarkeit definiert, oder die Norm NFT 66.008,
die den sogenannten "Kugel-und-Ring"-Erweichungspunkt
definiert.
-
Es
ist gut bekannt, dass die Konsistenz (Festigkeit) dieser Reinbitumen
stark mit der Temperatur abnimmt: Bei niedrigerer Temperatur, insbesondere
bei Temperaturen unterhalb 0°C
sind sie sehr hart, aber zerbrechlich und spröde, werden aber weicher bis
flexibel und schließlich
flüssig,
wenn die Temperatur zunimmt.
-
Diese
Eigenschaft der Reinbitumen bewirkt eine Reihe von Nachteilen, wenn
diese für
die Herstellung von Heißeinbaudecken
im Rahmen der Straßenbautechnik
eingesetzt werden.
-
Im
Winter bildet die Fahrbahndecke, die eine niedrige Temperatur hat,
ein hartes Material. Diese ruht jedoch auf Fundamentschichten, deren
Festigkeit geringer ist und die die Neigung haben, insbesondere
unter der Last und den Beanspruchungen durch Schwerverkehr sich
zu biegen; diese Erscheinung ist besonders stark beim Tauen nach
dem Vorhandensein von Eislinsen in den Fundamentschichten, die zu
Wasser werden und an die Oberfläche
steigen und so den Wassergehalt auf diesem Niveau steigern.
-
Wegen
ihrer fehlenden Elastizität
und ihres spröden
Charakters arbeitet die über
diesen Schichten liegende Fahrbahndecke, ermüdet und wird dadurch zerbrechlich,
was zu einer sternförmigen
Rissbildung führt.
-
Die
im Sommer auftretenden Erscheinungen, wenn die Temperatur an der
Oberfläche
der Fahrbahnschicht Werte in der Größenordnung von 70°C erreichen
kann, sind davon grundverschieden: Dann sind nämlich die Fundamentschichten
fest und beständig,
aber das die Fahrbahndecke bildende Material ist, weil es weich
wird, starken Verformungen ausgesetzt, was die Gefahr der Spurrillenbildung
mit sich bringt.
-
Deshalb
weisen die Fahrbahndecken, die mit aus Reinbitumen aus direkter
Destillation erhaltenen Heißeinbaudecken
hergestellt sind, wichtige Nachteile auf, die die Straßenbaufachleute
vielfach zu lösen
versucht haben.
-
Zu
diesem Zweck haben sie versucht, die Kurve, die die Änderungen
der Konsistenz des Reinbitumens in Abhängigkeit der Temperatur darstellt, "abzuflachen" oder wenigstens
ihr Gefälle
zu verringern, indem Zusätze
hinzugefügt
werden, um die Temperaturempfindlichkeit der bituminösen Bindemittel
zu verringern.
-
Zu
diesem Zweck haben sie vorgeschlagen, dem Bitumen einen gewissen
Anteil thermoplastischer Synthesepolymere hinzuzufügen, die
insbesondere unter den SBS (Styrol-Butadien-Styrol-Copolymeren) oder EVA
(Ethylen-Vinylacetat-Copolymeren) ausgewählt werden, um sogenannte "modifizierte" Bitumen zu erhalten.
-
Aus
der JP-48075641 ist beispielsweise ein bituminöses Bindemittel bekannt, das
87 Gew.% Bitumen, 10 Gew.% Styrolgummi-Butadien (SBR) und 3 Gew.%
Kalziumhydroxid (gelöschten
Kalk) enthält.
-
Solche
modifizierten Bitumen mit Synthesepolymeren werden herkömmlicherweise
in speziellen Fabriken hergestellt, die mit Behältern von großem Fassungsvermögen ausgestattet
sind, die mit Knetvorrichtungen und Homogenisierern oder Zerkleinerungsvorrichtungen
mit hoher Scherkraft ausgestattet sind. Das Bitumen wird in diese
Behälter
mit einer Temperatur von 180°C
eingeführt,
und das fertige Gemisch wird angesaugt und rezykliert. Die Knetoperation
dauert im allgemeinen eine bis zwei Stunden.
-
Diese
modifizierten Bitumen, die durch den Fachleuten gut bekannte Normen
gekennzeichnet sind, sind deutlich weniger empfindlich gegen die
Temperatur als die reinen Bitumen aus direkter Destillation und sind
insbesondere weniger zerbrechlich und spröde bei niedriger Temperatur,
aber steifer bei Temperaturen über
40°C.
-
Heißeinbaudecken
für Fahrbahndecken,
die aus solchen Bindemitteln mit modifiziertem Bitumen hergestellt
sind, haben den Vorteil, dass sie ihre Flexibilität im Winter
behalten und daher Ermüdungserscheinungen
weniger stark ausgesetzt sind und parallel dazu weniger empfindlich
gegen Spurrillenbildung im Sommer sind.
-
Diese
Bindemittel mit modifiziertem Bitumen haben aber den Nachteil, kostspielig
zu sein.
-
Das
Reinbitumen, dessen Preis, der in Abhängigkeit von der Nachfrage
und dem Preis des Fasses Rohöl
gegenwärtig
geringfügig über 1000
Französischen
Francs pro Tonne liegt, ist ein relativ preiswertes Produkt.
-
Der
Preis von Synthesepolymeren vom Typ SBS oder EVA ist um einen Faktor
von etwa 10 höher:
Es handelt sich hier also um Produkte, die als kostspielig bezeichnet
werden können.
-
Aus
diesem Grund fügen
die Fachleute dem Reinbitumen nur den minimalen Anteil an Synthesepolymeren
zu, mit dem im betrachteten Zusammenhang ein signifikanter Effekt
erzielt werden kann.
-
Bituminöse Bindemittel
mit modifiziertem Bitumen für
Heißeinbaudecken,
die für
die Herstellung von Fahrbahndecken bestimmt sind, enthalten daher
im allgemeinen 4 bis 5 % Synthesepolymer und 95 bis 96 % Reinbitumen.
-
Ziel
der vorliegenden Erfindung ist, diese Nachteile zu beheben, indem
ein bituminöses
Bindemittel für Heißeinbaudecken
für die
Herstellung von Fahrbahndecken vorgeschlagen wird, mit dem Einbaudecken
mit Eigenschaften erhalten werden können, die vergleichbar oder
sogar besser als die der Einbaudecken sind, die mit Bindemittel
mit modifiziertem Bitumen hergestellt sind, aber zu deutlich geringeren
Kosten.
-
Das
Konzept dieses bituminösen
Bindemittels basiert auf dem Gedanken, einen merklichen Anteil von gelöschtem Kalk
in das Reinbitumen/Synthesepolymer-Gemisch einzubringen.
-
Gelöschter Kalk,
der durch Hydrieren von Calciumoxid erhalten wird, also ein Ergebnis
des Brennens von Kalkstein ist, ist ein Produkt, das in großen Mengen
verfügbar
ist, und zwar zu einem Preis, der gegenwärtig niedriger als der des
Reinbitumens aus direkter Destillation ist.
-
Gelöschter Kalk,
der sich durch seine bemerkenswerte Feinheit auszeichnet, ist bereits
für die
Herstellung von Heißeinbaudecken
für den
Straßenbau
als Feinzuschlag verwendet worden, insbesondere in den Vereinigten
Staaten; er bildete dann einen festen Zuschlag, der dem körnigen Material
in der Deckenproduktionsanlage zugesetzt wird, und hat insbesondere
die Funktion, Haftprobleme zwischen dem Bindemittel und den Granulaten
zu beheben.
-
Das
erfindungsgemäße bituminöse Bindemittel
ist dadurch gekennzeichnet, dass es in Gewichtsanteilen enthält:
76
bis 92 % Reinbitumen,
2 bis 4 % Synthesepolymere aus der petrochemischen Industrie
und
6 bis 20 % gelöschter
Kalk.
-
Das
Reinbitumen entspricht den herkömmlicherweise
für die
Herstellung von Heißeinbaudecken
für Fahrbahndecken
verwendeten Bitumen aus direkter Destillation, d.h. im allgemeinen
einem Bitumen mit Durchdringbarkeit 35/50, 50/70, 180/220 oder vorzugsweise
70/100 nach der Norm NFT 66.004.
-
Die
Auswahl des effektiv verwendeten Bitumens hängt vom Verkehr auf der Straße, der
Körnung
des körnigen
Materials, insbesondere seinem kontinuierlichen oder diskontinuierlichen
Charakter, und seinem Gehalt an Sand oder Feinzuschlägen sowie
von der Dicke der Fahrbahndecke ab. Diese Auswahl entspricht einer üblichen
Vorgehensweise für
Straßenbaufachleute.
-
Die
Synthesepolymere, die in die Zusammensetzung des Bindemittels eingehen,
können
ihrerseits vorzugsweise ausgewählt
werden unter den SBS (Styrol-Butadien-Styrol-Copolymeren), EVA (Ethylen-Vinylacetat-Copolymeren)
und ihrem Gemisch.
-
In
Abhängigkeit
von der letztlich für
die Fahrbahndecke gewünschten
Eigenschaften kann man selbstverständlich, ohne den Rahmen der
Erfindung zu verlassen, andere Synthesepolymere verwenden, wie z.B. EMA
(Ethylen/Methylacrylat) oder SIS (Styrol/Isopren/Styrol).
-
Gemäß einem
bevorzugten Merkmal der Erfindung enthält das bituminöse Bindemittel
in Gewichtsanteilen ca. 87 % Reinbitumen, ca. 3 % Synthesepolymere
und ca. 10 % gelöschten
Kalk.
-
Überraschenderweise
hat man feststellen können,
dass ein solches bituminöses
Bindemittel, das einerseits einen Anteil an Synthesepolymeren von
wenigstens 1 Gewichtsprozent weniger als die herkömmlichen
Bindemittel mit modifiziertem Bitumen enthält und andererseits einen deutlich
geringeren Anteil an Reinbitumen aus direkter Destillation enthält, Eigenschaften
aufweist, die denen der herkömmlichen
Bindemittel auf Grundlage von modifizierten Bitumen vergleichbar
sind, und dies bei deutlich geringeren Kosten.
-
Außerdem haben
sich Heißeinbaudecken
für Fahrbahndecken,
die aus solchen bituminösen
Bindemitteln hergestellt sind, als den herkömmlichen Bindemitteln mit modifiziertem
Bitumen überlegen
erwiesen: Man konnte insbesondere eine Verbesserung der Haftung
sowie der Handhabbarkeit der Einbaudecken, d.h. der Einfachheit
ihrer Anwendung auf der Baustelle und ihrer Eignung zum Ausbreiten
und Verdichten, feststellen.
-
Außerdem erlaubt
das Vorhandensein von gelöschtem
Kalk in der Decke, die Alterung der Fahrbahn zu verlangsamen: Es
handelt sich hier um eine starke Base, die es erlaubt, die Alterungsprozesse
des Bitumens, die im allgemeinen von saurer Natur sind, zu neutralisieren.
-
Erfindungsgemäß haben
sich diese Vorteile als besonders deutlich im Falle von bituminösen Bindemitteln
erwiesen, die in Gewichtsanteilen ca. 1,5 % Synthesepolymere vom
Typ SBS und ca. 1,5 % Synthesepolymere vom Typ EVA enthalten.
-
Die
Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur Herstellung eines solchen
bituminösen
Bindemittels.
-
Ein
solches Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass das Reinbitumen
auf eine Temperatur von 180°C
gebracht wird und progressiv die Synthesepolymere und der gelöschte Kalk
unter Rühren,
vorzugsweise in einer mit einer Schnecke und einer Turbine ausgestatteten
Mischvorrichtung, hinzugefügt
werden.
-
In
dem besonders vorteilhaften Fall eines Bindemittels, das ein Gemisch
von Synthesepolymeren vom Typ SBS und von Synthesepolymeren vom
Typ EVA enthält,
kann man vorteilhafterweise dem Reinbitumen zunächst das Synthesepolymer vom
Typ SBS, dann den gelöschten
Kalk und schließlich
das Synthesepolymer vom Typ EVA zufügen.
-
In
allen Fällen
soll die Gesamtdauer des Mischens wenigstens 1 Std. 30 Min. betragen.
-
Die
vorliegende Erfindung betrifft auch eine Heißeinbaudecke für Fahrbahndecken,
die mit einem bituminösen
Bindemittel vom oben erwähnten
Typ hergestellt ist.
-
Erfindungsgemäß ist eine
solche Heißeinbaudecke
dadurch gekennzeichnet, dass sie in Gewichtsanteilen zwischen 5
und 8 % bituminöses
Bindemittel und zwischen 92 und 95 % eines körnigen Materials mit Körnung 0/6,
0/10 oder 0/14, vorzugsweise ca. 5,5 % Bindemittel und 99,5 % körnige Materialien
mit einer Körnung
0/14 enthält.
-
Wie
bereits angegeben, hängen
die Eigenschaften des tatsächlich
verwendeten körnigen
Materials in jedem Fall vom Verkehr der Straße sowie der Dicke der Fahrbahndecke
ab.
-
Die
besonders vorteilhaften Merkmale des bituminösen Bindemittels sowie der
Heißeinbaudecke
für Fahrbahndecken,
die aus einem solchen bituminösen
Bindemittel hergestellt ist, sind durch Vergleichsbeispiele dargelegt,
deren Ergebnisse unten aufgeführt
sind.
-
Es
wurde ein herkömmliches
bituminöses
Bindemittel mit, in Gewichtsanteilen, 96 % Reinbitumen mit Durchdringbarkeit
70/100, 2,5 % Synthesepolymeren vom Typ EVA und 1,5 Synthesepolymeren
vom Typ SBS nach dem unten beschriebenen Arbeitsverfahren hergestellt.
-
Das
Bitumen wurde auf 180°C
erhitzt und in eine mit einer Schnecke und einer Turbine ausgestattete Mischvorrichtung
eingebracht. Es wurde progressiv Synthesepolymer vom Typ SBS unter
Anwendung der Schnecke zugefügt
und die Turbine bei 4000 U/Min. 20 Minuten lang rotiert, dann wurde
das Rühren
noch 10 Minuten fortgesetzt.
-
Schließlich wurde
die Turbine abgestellt und das Polymer vom Typ EVA zum so erhaltenen
Gemisch unter 20minütiger
Betätigung
der Schnecke zugefügt,
dann die Turbine mit 5200 U/Min. wieder 30 Minuten lang in Gang
gesetzt. Die Gesamtdauer des Mischens betrug also 1 Std. 20 Min.
-
Parallel
wurde ein erfindungsgemäßes bituminöses Bindemittel
mit, in Gewichtsanteilen, 87 % Reinbitumen mit Durchdringbarkeit
70/100, 1,5 % Synthesepolymeren vom Typ SBS, 1,5 % Synthesepolymeren vom
Typ EVA und 10 % gelöschtem
Kalk hergestellt, und zwar mit dem unten beschriebenen Arbeitsverfahren:
Das
Bitumen wurde auf 180°C
erhitzt und in eine mit einer Schnecke und einer Turbine ausgestattete
Mischvorrichtung eingebracht. Dort wurde progressiv das Synthesepolymer
vom Typ SBS unter Betätigung
der Schnecke und unter 20minütigem
Rotieren der Turbine mit einer Geschwindigkeit von 4000 U/Min. zugefügt.
-
Das
Rühren
wurde noch 10 Min. fortgesetzt, dann wurde die Turbine abgestellt
und der gelöschte
Kalk zugefügt.
-
Das
Rühren
des so erhaltenen Gemischs wurde unter Beibehaltung der Betätigung der
Schnecke 30 Min. lang fortgesetzt.
-
Schließlich wurde
20 Min. lang progressiv das Synthesepolymer vom Typ EVA unter Fortsetzung
der Betätigung
der Schnecke zugefügt,
dann wurde die Turbine mit einer Geschwindigkeit von 5200 U/Min.
20 Min. lang in Gang gesetzt. Die Gesamtdauer des Mischens betrug
also 140 Minuten.
-
Es
wurde unter Anwendung der unten erwähnten Normen eine Reihe von
Vergleichsversuchen an den zwei Typen von oben erwähnten Bindemitteln,
also dem herkömmlichen
Bindemittel mit modifiziertem Bitumen und dem erfindungsgemäßen Bindemittel
sowie an einem Referenzbindemittel vorgenommen, das aus Reinbitumen
mit Durchdringbarkeit 35/50 bestand.
-
-
-
Es
wurden so die in den folgenden Tabellen zusammengefassten Ergebnisse
erhalten:
-
-
Lagerfähigkeit
(3 Tage bei 180°C)
-
Mechanische
Eigenschaften Zugversuch
H2 bei 5°C,
100 mm/min.
-
Zugversuch
H2 bei –10°C, 10 mm/min
-
Diese
Ergebnisse zeigen deutlich, dass die Eigenschaften des erfindungsgemäßen bituminösen Bindemittels
in jeder Beziehung denen des herkömmlichen Bindemittels mit modifiziertem
Bitumen ähnlich
und deutlich besser als die des Referenz-Reinbitumens aus direkter
Destillation sind.
-
Anschließend wurden
aus den drei oben erwähnten
Typen von Bindemitteln Heißeinbaudecken
vom Typ BBMa 0/14 (NFP 98-132) hergestellt, die zur Ausbringung
auf einer Fahrbahn bestimmt sind, die einen sehr starken Verkehr
aushalten muss, um eine Fahrbahndecke von 9 bis 5 cm Dicke zu bilden.
-
Zu
diesem Zweck wurde ein körniges
Material (Sandanteil und zerkleinertes Material) verwendet, das aus
Hartgestein herrührte,
dessen Körnung
durch die nachfolgende Tabelle angegeben ist, die den Prozentsatz
an Durchgang als Gewichtsanteil in Abhängigkeit von den Abmessungen
des Siebs in mm angibt.
-
-
Die
angewendete Bindemitteldosierung, berechnet wie in der Norm NFP
98-132 beschrieben, betrug 5,5 %.
-
Die
Ergebnisse dieser Laborversuche sind wie folgt zusammengefasst:
- 1. Einfache Kompressionsversuche vom Typ Duriez/LCPC
(Norm NFP 98-251-1).
a) mit dem Referenz-Reinbitumen 35/50
Prozentsatz
an Leerräumen
an den mit statischer Verdichtung hergestellten zylindrischen Proben:
9,8
Kompressionsfestigkeit bei 18°C in MPa im „trockenen Zustand": R = 8,05
Kompressionsfestigkeit
bei 18°C
in MPa nach Eintauchen (7 Tage): r = 6,85
R/R = 0,85
b)
mit dem herkömmlichen
Bindemittel mit modifiziertem Bitumen
Prozentsatz an Leerräumen an
den mit statischer Verdichtung hergestellten zylindrischen Proben:
9,1
Kompressionsfestigkeit bei 18°C in MPa im „trockenen Zustand": R = 6,5
Kompressionsfestigkeit
bei 18°C
in MPa nach Eintauchen (7 Tage): r = 5,85
R/R = 0,9
c)
mit dem erfindungsgemäßen Bindemittel
Prozentsatz
an Leerräumen
an den mit statischer Verdichtung hergestellten zylindrischen Proben:
Kompressionsfestigkeit
bei 18°C
in MPa im „trockenen
Zustand": R = 7,1
Kompressionsfestigkeit
bei 18°C
in MPa nach Eintauchen (7 Tage): r = 6,8
R/R = 0,96
- 2. Versuche mit der Dreh-Scherpresse (PCG (Norm FNP 98-252)
a)
mit dem Referenz-Reinbitumen
b)
mit dem herkömmlichen
Bindemittel mit modifiziertem Bitumen
c)
mit dem erfindungsgemäßen Bindemittel
- 3. Spurrillenversuche (Norm NFP 98-253-1)
Spurrillentiefe
in % der Dicke einer Platte von 5 cm Dicke mit dem auf der Baustelle
vorzusehenden Bindemittel bei geschätzten 60 % für den Prozentsatz
von Scher pressenversuch-Leerräumen
(Norm NFP 98-252) bei 40 Umdrehungen.
a) mit dem Referenz-Reinbitumen
%
Spurrille: 6 % bei 10 000 Zyklen (Spezifikationen ≥ 10 % bei
10 000 Zyklen)
b) mit dem herkömmlichen Bindemittel mit modifiziertem
Bitumen
% Spurrille: 5 % bei 10 000 Zyklen (Spezifikationen ≥ 10 % bei
10 000 Zyklen)
c) mit dem erfindungsgemäßen Bindemittel
% Spurrille:
4 % bei 10 000 Zyklen (Spezifikationen ≥ 10 % bei 10 000 Zyklen)
- 4. Versuche zur Modulbestimmung und des Linearitätsverlustes
(NFP 98-260-1)
Modul in MPa bei 10°C, 0,02 s bei dem abgeschätzten Leerraumprozentsatz
an der Baustelle
a) mit dem Referenz-Reinbitumen
E = 9500
MPa
b) mit dem herkömmlichen
Bindemittel mit modifiziertem Bitumen
E = 8100 MPa
c)
mit dem erfindungsgemäßen Bindemittel
E
= 8400 MPa
- 5. Ermüdungsversuche
(Norm NFP 98-261-1)
Relative Verformung ε6 beim abgeschätzten Leeraumprozentsatz
auf der Baustelle bei 106 Zyklen für eine Temperatur
von 10°C
und eine Frequenz von 25 Hz
a) mit dem Referenz-Reinbitumen
ε6 = 108 × 10–6 (Spezifikation ≥ 100 × 10–6)
b)
mit dem herkömmlichen
Bindemittel mit modifiziertem Bitumen
ε6 = 135 × 10–6 (Spezifikation ≥ 100 × 10–6)
c)
mit dem erfindungsgemäßen Bindemittel
ε6 = 130 × 10–6 (Spezifikation ≥ 100 × 10–6)
-
Diese
Ergebnisse zeigen deutlich die Überlegenheit
der mit dem erfindungsgemäßen bituminösen Bindemittel
hergestellten Einbaudecke, insbesondere unter dem Gesichtspunkt
der Handhabbarkeit, der Haftung Bindemittel/Granulat (Enthüllungs- oder Zerfallfestigkeit),
der Widerstandsfähigkeit
gegen Spurrillenbildung und der Ermüdungsfestigkeit im Vergleich
zu der mit Referenz-Reinbitumen 35/50 hergestellten Decke.