DE102006002085A1

DE102006002085A1 - Wachsmodifizierte kationische Bitumenemulsion zur Erreichung einer erhöhten Bindemittel-Standfestigkeit von Asphaltgemischen und Verfahren zu ihrer Herstellung

Info

Publication number: DE102006002085A1
Application number: DE102006002085A
Authority: DE
Inventors: Eberhard Prof. Dr. Künzel; Jürgen Dr. Hutschenreuther; Barbara Leydolph; Steffen Schiecke; Steffen Liebezeit; Jörn Mehlhase
Original assignee: Institut fuer Fertigteiltechnik und Fertigbau Weimar eV
Current assignee: Institut fuer Fertigteiltechnik und Fertigbau Weimar eV
Priority date: 2006-01-17
Filing date: 2006-01-17
Publication date: 2007-07-26

Abstract

Der Erfindung liegt die Aufgabe der Zusammensetzung einer kationischen Bitumenemulsion der eingangs genannten Art sowie eines Verfahrens zu ihrer Herstellung zugrunde. Dabei kann die Härte im Gebrauchstemperaturbereich des in der Bitumenemulsion eingesetzten Bindemittels durch Zugabe eines Additivs zu diesem vor der Emulgierung entscheidend verbessert werden. Dies lässt sich durch einen höheren "Erweichungspunkt Ring und Kugel" (nach DIN EN 1427) des Bitumens nach der Modifikation nachweisen. Die erforderliche Temperatur der Bitumenphase beim Emulgierprozess kann aufgrund einer Viskositätsverringerung durch das Additiv signifikant abesenkt werden. Dadurch soll der Energieeinsatz während der Herstellung und Verarbeitung von bituminösen Massen entscheidend gesenkt werden. Erfindungsgemäß erreicht man die Lösung der Aufgabe dadurch, dass man eine kationische Bitumenemulsion herstellt, welche ein wachsmodifiziertes Bitumen enthält und dadurch im Wesentlichen die folgende Zusammensetzung aufweist: DOLLAR A 40%-74% Bitumen, DOLLAR A 59%-25% Wasser, DOLLAR A 0,1%-10% Wachs, DOLLAR A 0,05%-0,8% Emulgator und Emulgierhilfen, DOLLAR A 0%-5% weitere Zusätze.

Description

Die Erfindung betrifft eine kationische Bitumenemulsion, deren modifizierter Bitumenanteil sich durch einen, verglichen mit den herkömmlichen verwendeten Bitumen, hohen Erweichungspunkt „Ring und Kugel" nach DIN EN 1427 auszeichnet.

Um den Energieeinsatz bei der Herstellung und der Applikation von bituminösen Massen und Asphaltgemengen zu reduzieren, müssen die in den Prozessen notwendigen Temperaturen reduziert und/oder die Dauer der temperierten Prozesse verringert werden. Die Temperatur ist zum Mischen und Verarbeiten von bituminösen Massen bestimmend, da sich die Viskosität des Bitumens mit steigender Temperatur verringert. Niedrige Viskositäten sind günstig für den Mischvorgang.

Eine Verringerung der Viskosität ist neben der Erhöhung der Temperatur auch über die Zugabe von Additiven möglich. Dazu eignen sich beispielsweise viele Kohlenwasserstoffe, deren Kettenlängen unter denen der Bitumenbestandteile liegen, oder die über spezielle funktionelle Gruppen verfügen, die einen Lösungsprozess im Bitumen ermöglichen. Eine einfache und kostengünstige Möglichkeit die Bitumenviskosität zu verringern, liegt in der Zugabe von Ölen. Deren verflüssigende Wirkung ist für den Vorgang der Herstellung und Verarbeitung bituminöser Massen von Vorteil, da sie die oben genannten Energieeinsparungen bewirken. Öle bewirken jedoch im Bitumen und somit auch im Asphalt eine dauerhafte Viskositätserniedrigung. Dies wirkt sich im Gebrauchszustand negativ auf die Standfestigkeit aus. Es kommt schnell zur Spurrinnenbildung, welche auch durch die Verharzung der Öle nach ca. einem Sommer nicht mehr verhindert werden kann. Geeigneter sind deshalb Stoffe, welche bei den beabsichtigten Gebrauchstemperaturen eine hohe und bei den Herstellungs- und Verarbeitungstemperaturen eine niedrige Viskosität aufweisen. Zu diesen Stoffen gehören Wachse und Harze. Bei steigender Temperatur wechseln diese ihren Aggregatzustand von fest nach flüssig. Liegen diese Übergangsbereiche zwischen den Gebrauchs- und den Herstellungs- bzw. Verarbeitungstemperaturen des Gesamtmischgutes, so können beide Viskositätszustände zu einer ökologisch/ökonomischen und einer technischen Verbesserung von herkömmlichen bituminösen Massen und Asphaltgemengen genutzt werden.

Erfindungsgemäß werden einem für die Emulgierung geeigneten Normbitumen 0,5–10 Masse-% Wachs und/oder Harz bezogen auf die Gesamtmischung zugegeben. Entscheidend ist dabei, dass die Erweichung des zugegebenen Harzes und/oder Wachses im Allgemeinen unter 105°C und im Speziellen unterhalb der konkreten Mischtemperatur von Bitumenphase und wässriger Phase im Emulgier-Aggregat erfolgt. Damit vermeidet man, dass es beim Emulgieren zur Agglomeration und damit zur Beeinträchtigung des Emulgiervorganges kommt.

Als Wachse und/oder Harze im Sinne dieser Erfindung werden weiterhin nur solche eingesetzt, bei denen der Erweichungsbereich über dem Erweichungspunkt „Ring und Kugel" nach DIN EN 1427 des eingesetzten Bitumens, mindestens jedoch über 45°C, liegt. Der Haupt-Einsatzbereich der kationischen wachsmodifizierten Bitumenemulsion liegt im Straßenbau. Dort wird sie nicht nur zur Erstellung von Dünnschichtbelägen (DSK) und Oberflächenbehandlungen genutzt, sondern auch für Straßen-Reparaturarbeiten und zur Applikation von Straßeneinbauten, wie Gullies und Schächten, eingesetzt.

Ein weiteres Anwendungsgebiet der Emulsion stellen Anstriche und Dünnschichtbeläge im Hoch- und Tiefbau, sowie Ummantelungen von Rohren und elektrischen Leitern dar.

Die Modifikation des Bitumens erfolgt durch Einrühren des Wachses und/oder Harzes in das auf eine Temperatur über dem Schmelzpunkt des Wachses und/oder Harzes aufgeheizte Bindemittel. Die Homogenisierung erfolgt im optimalen Fall durch Scherung in einem Scherspalt durch Einsatz eines Hochschermischer. Es können jedoch auch andere Homogenisier-Aggregate genutzt werden.

Die Bitumenemulsion wird in einer Emulgieranlage hergestellt, wobei es sich sowohl um eine Batch-Anlage, als auch um eine Anlage für kontinuierlichen Betrieb handeln kann. Das modifizierte Bitumen wird je nach Bindemittelsorte sowie Art und Menge der zugesetzten Wachse und oder Harze auf eine Temperatur zwischen 80°C und 160°C erhitzt. Die wässrige Phase, bestehend aus Wasser, Emulgator/en und weiteren Zusätzen, wird je nach Temperatur und Anteil der modifizierten Bitumenphase auf 20–70°C vortemperiert. Anschließend werden sowohl die Bitumenphase, als auch die wässrige Phase im Aggregat zusammengegeben und in einer Kolloidmühle im Emulgieraggregat emulgiert. Entsprechend dem allgemeinen Kenntnisstand für die Herstellung von Bitumenemulsionen darf die Mischtemperatur 100°C und unter speziellen Prozessbedingungen 105°C nicht überschreiten, um ein Sieden des Wassers zu vermeiden.

Stand der Technik

Es ist im Bereich der bitumenverarbeitenden Industrie allgemein bekannt, dass kationische Bitumenemulsionen durch Emulgieren einer erhitzten Bitumenphase in einer wässrigen Phase unter Einsatz von Emulgatoren mittels einer Kolloidmühle nach dem oben beschriebenen Verfahren hergestellt werden können.

Es ist weiterhin bekannt, dass die Bindemittel einer solchen Emulsion im Vorfeld modifiziert werden können. Gängig ist der Einsatz von Fluxölen zur Verminderung der Viskosität. So beschreibt DE 195 19 539 C2 ein Fluxbitumen, bei dem biologische Öle (z.B. Rapsöl) als verflüssigende Komponente zugeführt werden. Das Bitumen kann laut Patent emulgiert werden.

Weiterhin ist der Zusatz von organischen Polymeren zur Verbesserung der Kältebrucheigenschaften und zur Verringerung der Alterungsgeschwindigkeit und Versprödung des Bitumens bekannt. So zeigt DE 39 11 717 C2 Möglichkeiten der Modifizierung von Bitumenemulsionen mit Elastomeren.

Der Einsatz von Wachsen und Harzen in Bitumen zur Verbesserung der Verarbeitbarkeit und der Asphalteigenschaften sowie zur Senkung der Energiekosten war, wie beispielsweise DE 28 43 586 C2 zeigt, schon in den 70er Jahren bekannt und hat in neuerer Zeit vor allem durch die steigenden Energiekosten zunehmend an Bedeutung gewonnen. So weisen auch DE 100 13 465 C2 und DE 199 03 314 A1 auf die Modifikation von Bitumen mit Hilfe von technischen Wachsen hin.

Die positiven Eigenschaften der Wachszugabe zum Bitumen wurden bislang nicht in Bitumenemulsionen umgesetzt. Lediglich DD 216 725 A1 beschreibt eine Schlämme zu Straßenbauzwecken unter Verwendung einer Bitumenemulsion, der Montanwachs zugesetzt wird, ohne jedoch das Bindemittel damit explizit im Vorfeld zu modifizieren. Somit liegt das Wachs nur als eigene emulgierte Phase in der Emulsion vor.

Ziel ist es, die bislang durch die Modifikation von Bitumen erreichten wirtschaftlichen und ökologischen Vorteile auch im Bereich der Bitumenemulsionen zum Tragen zu bringen. Besonders die Erhöhung des Erweichungspunktes „Ring und Kugel" nach DIN EN 1427 des Bindemittelanteils ist aufgrund der bislang in Emulsionen eingesetzten weichen Bindemittel sinnvoll.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einem Material, welches die in Anspruch 1 angegebenen Merkmale aufweist und nach Verfahren, welche die in Anspruch 7 und 9 angegebenen Merkmale aufweisen, hergestellt wird, gelöst.

Vorteilhafte Ausgestaltungen des Materials und des Verfahrens sind in den jeweils zugehörigen Unteransprüchen angegeben.

Das die Erfindung darstellende Material ist eine kationische Emulsion aus einer wässrigen Phase und einem mit technischen, natürlichen oder Montanwachsen modifizierten Bitumen unter Zuhilfenahme von Emulgatoren und weiteren Additiven und Hilfsstoffen.

Die erfindungsgemäße Emulsion weist durch den Einsatz von Bitumen, die mit technischen, natürlichen wie auch Montanwachsen mit einem Schmelzpunkt unter 110°C (vorzugsweise unter 95°C) modifiziert wurden, einen für den Bindemittelanteil in Emulsionen hohen Erweichungspunkt „Ring und Kugel" nach DIN EN 1427 von > 45°C und damit eine erhöhte Wärmestabilität auf. Die Mehrkosten für den Wachseinsatz werden durch die Energieeinsparung aufgrund der abgesenkten Herstellungstemperaturen sowie der verbesserten Eigenschaften mehr als ausgeglichen. Die Lagerbeständigkeit nach DIN 52042 beträgt mindestens eine Woche.

Zur Erhöhung der Haftung am Gestein können Haftmittel und -zusätze zugegeben werden.

Die technologischen und physikalischen Eigenschaften der Emulsion können außer durch Variation der Rezeptur weiterhin durch Veränderung der Emulgiertemperatur, der Emulgierzeit, der Breite des Emulgierspaltes sowie der Rotationsgeschwindigkeit des Emulgieraggregates beeinflusst werden.

Die Erfindung wird in den folgenden Ausführungsbeispielen näher erläutert.

Beispiel 1 beschreibt eine unstabile kationische Emulsion zum Einsatz als Bindemittel für eine Oberflächenverbesserung im Straßenbau: Versatz an Massenteilen

Bitumen 100/150E	50,0–72,0 %, vorzugsweise 63,8 %
Wasser	28,0–49,0 %, vorzugsweise 33,0 %
Carnauba-Wachs	0,2–5,0 %, vorzugsweise 2,7 %
Emulgator	0,1–1,0 %, vorzugsweise 0,32 %
Salzsäure	0,05–0,5 %, vorzugsweise 0,18 %

Während die Emulsion 7 Tage lagerstabil bleibt, weist sie folgende Charakteristika auf:

Erweichungspunkt „Ring und Kugel"

es Bindemittelanteils nach DIN EN 1427 68°C

Auslaufzeit nach DIN 52023 18 s

Brechverhalten nach DIN 52047 Teil 1 95 g

Beispiel 2 beschreibt eine kationische Emulsion zum Einsatz als Bindemittel in einer „Dünnen Schicht im Kalteinbau DSK": Versatz an Massenteilen

Bitumen 70/100	50,0–72,0 %, vorzugsweise 62,0 %
Wasser	28,0–49,0 %, vorzugsweise 36,0 %
Montanwachs	0,2–5,0 %, vorzugsweise 1,45 %
Emulgator	0,1–1,0 %, vorzugsweise 0,38 %
Salzsäure	0,05–0,5 %, vorzugsweise 0,17 %

Während die Emulsion 14 Tage lagerstabil bleibt, weist sie folgende Charakteristika auf:

Erweichungspunkt „Ring und Kugel"

des Bindemittelanteils nach DIN EN 1427 59°C

Auslaufzeit nach DIN 52023 23 s

Brechverhalten nach DIN 52047 Teil 1 120 g

Beispiel 4 beschreibt eine halbstabile kationische Emulsion zum Einsatz als Bitumenanstrich für Gebäudeabdichtungen: Versatz an Massenteilen

Bitumen 100/150E	20,0–72,0 %, vorzugsweise 62,0 %
Wasser	28,0–78,0 %, vorzugsweise 33,0 %
Carnauba-Wachs	0,2–5,0 %, vorzugsweise 2,52 %
Harzbinder	0,05–3,0 %, vorzugsweise 1,40 %
Rapsöl	0,05–2,0 %, vorzugsweise 0,60 %
Emulgator	0,1–1,0 %, vorzugsweise 0,30 %
Salzsäure	0,05–0,5 %, vorzugsweise 0,18 %

Während die Emulsion 7 Tage lagerstabil bleibt weist sie folgende Charakteristika auf:

Erweichungspunkt „Ring und Kugel"

des Bindemittelanteils nach DIN EN 1427 67°C

Auslaufzeit nach DIN 52023 32 s

Brechverhalten nach DIN 52047 Teil 1 110 g

Claims

Material in Form einer Bitumenemulsion, welche nach dem Brechen eine Bitumenphase mit erhöhter Standfestigkeit bei Wärmeeinwirkung bildet, bestehend aus einer wässrigen Phase (äußere Phase) und einer Bitumenphase aus modifiziertem Bitumen (innere Phase), der Zusammensetzung 40–74 M.-% Bitumen, 59–25 M.-% Wasser, 0,1–10 M.-% Wachse mit einem Schmelzbereich unter 110°C, 0,05–0,8 M.-% Emulgator/en und Emulgierhilfen 0–5 M.-% weiteren Zusätzen entspricht und durch Emulgierung hergestellt wird.
Material nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Wachse synthetische Wachse und/oder teilsynthetische und/oder natürliche Wachse und/oder Montanwachse eingesetzt werden.
Material nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, das als Emulgierhilfen Säuren und/oder Basen zur Einstellung eines bestimmten pH-Wertes in der ungebrochenen und/oder der gebrochenen Emulsion eingesetzt werden.
Material nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als weitere Zusätze Salze zur Ionenbildung eingesetzt werden.
Material nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als weitere Zusätze biologische und/oder technische Öle eingesetzt werden, um die Oberflächenbenetzbarkeit des Bitumens am Zuschlag zur erhöhen und/oder die Haftung des Bitumens am Zuschlag zu verbessern und/oder die Konsistenz der Emulsion zu verändern und/oder die Viskosität des Bitumens während der Verarbeitungsphase der Emulsion zu erniedrigen und/oder die Viskosität des Bitumens in der Nutzphase der gebrochenen Emulsion zu erhöhen.
Material nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als weitere Zusätze pyrogene Kieselsäure und/oder andere Pulver mit Korngrößenverteilungen im Mikrometerbereich und/oder andere Pulver mit Korngrößenverteilungen im Nanometerbereich zur Erhöhung des Erweichungspunktes „Ring und Kugel" nach DIN EN 1427 des Bitumenanteils bzw. zur Konsistenzregulierung eingesetzt werden.
Verfahren zur Modifizierung von Bitumen, dadurch gekennzeichnet, dass das Bitumen auf eine Temperatur erhitzt wird, welche über dem Erweichungspunkt des Bitumens und eines zuzugebenden Wachses und/oder Harzes liegt und dieses Wachs und/oder Harz anschließend untergemischt und im weiteren homogenisiert wird.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass zum Unter- und/oder Einmischen des Wachses und/oder Harzes ein Scherspaltmischer auch genannt Hochschermischer oder Ultraturrax eingesetzt wird.
Verfahren zur Herstellung einer Bitumenemulsion, dadurch gekennzeichnet, dass eine wässrige Phase, bestehend aus Wasser, Emulgator und gegebenenfalls Emulgierhilfen wie beispielsweise Säuren und/oder Basen und/oder Salzen, mit einer Bitumenphase, bestehend aus Bitumen und Modifikationsmitteln, wie beispielsweise Wachsen und/oder Harzen und/oder Ölen und/oder Polymeren, gemischt, anschließend in einer Kolloidmühle emulgiert und abschließend gegebenenfalls abgekühlt wird.