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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Asphalt aus einem Mineralgemisch und Bitumen, wobei das Mineralgemisch durch Erhitzen entwässert und anschließend das Mineralgemisch mit dem heißen Bitumen vermischt wird.
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Nach solchen allgemein bekannten Verfahren werden jährlich weltweit mehr als eine Mrd. t Asphalt, davon allein in Deutschland von mehr als 300 Unternehmen rund 60 Mio. t für die Anwendung im Hoch- und Tiefbau hergestellt.
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Hierbei wird das Mineralgemisch mit vorgegebenen Mengenverhältnissen verschiedener Kornspektren von Gesteinskörnungen zunächst in einem kontinuierlichen Prozess nur wenige Minuten durch Erhitzen bis auf eine Mischtemperatur von etwa 230 °C in einer fossil beheizten Trommel erwärmt. Gängige Kornspektren sind 0 bis 2 mm, 2 bis 5 mm, 5 bis 8 mm, 8 bis 16 mm und 16 bis 32 mm. Parallel wird das Bitumen auf rund 160 °C erhitzt. Anschließend wird das Mineralgemisch noch in heißem Zustand zur genaueren Dosierung gesiebt. Zuletzt wird das Mineralgemisch mit dem Bitumen vermischt. Die Mengenverhältnisse der Kornspektren und die Menge der zugegebenen Bitumens sind von der gewünschten Asphaltsorte abhängig. Der fertige Asphalt wird anschließend zur Baustelle transportiert und eingebaut, wobei je nach Entfernung zwischen der Asphaltherstellung und zum Einbau des Asphalts in der Baustelle mehr als eine Stunde Zeit vergehen kann.
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Die Asphaltqualität wird im Wesentlichen durch das Haftverhalten (auch: „Affinität“) zwischen Mineralstoff und Bitumen bestimmt, das Haftverhalten hängt ab von der Viskosität, der chemischen Zusammensetzung und der Polarität des Bitumens sowie von der mineralogischen Zusammensetzung, der Oberflächenladung und -rauigkeit, der Porosität, dem Oberflächenüberzug und der Polarität des Mineralstoffes. Die Auswirkungen dieser Parameter auf das Haftvorhalten werden durch verschiedene Theorien (mechanische, chemische und thermodynamische Theorie, Theorie der molekularen Orientierung sowie Porendruck-, Verdrängungs-, Unterwanderungs- und Filmbruchtheorie) beschrieben. In jüngster Zeit wird verstärkt Kalkhydrat beigemischt, um das Haftverhalten zu verbessern.
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Gute Asphaltqualität ist Voraussetzung für eine hohe Nutzungsdauer von asphaltierten Straßen. Zusätzlich zur Asphaltqualität beeinflussen Faktoren wie Verkehrslast, Klimaverhältnissen (beispielsweise Temperaturschwankungen und Regenwasserqualität) und chemische Einflüsse (beispielsweise durch Tausalz) die Nutzungsdauer von Asphaltstraßen.
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Mineralische Rohstoffe beinhalten unabhängig von ihrer Herkunft verschiedene Formen von Wasser wie Bergfeuchte, Kapillarwasser, Porenwasser, Gelwasser und Kristallwasser. Die Ausdampfungszeit, über die verschiedene Gesteinskörnungen dieses Wasser in Form von Wasserdampf abgeben, beträgt mehrere Stunden und hängt von der Temperatur sowie von der Größe und Porosität der Körnung ab: Bereits prozessbedingt durch die Art der Erhitzung weisen verschiedene Körner bei der Asphaltproduktion unterschiedliche Temperaturen auf, verfügen also nach der Erhitzung über unterschiedlichen Restwassergehalt. Hinzu kommt, dass feine Körner bedingt durch die größere spezifische Oberfläche bei einer Erhitzung viel schneller Wasser abgeben als gröbere Körner.
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Bei der Herstellung des Asphalts wird das Bitumen zu einem Zeitpunkt zugegeben, in dem viele Körnungen noch ausdampfen. In der Folge bilden sich an der Grenzfläche zwischen Gestein und Bitumen Blasen, die das Bitumen verdrängen und eine Benetzung der Dampfaustrittstelle mit Bitumen verhindern. Sinkt beim Abkühlen des Asphalts der Dampfdruck, dann bersten diese Blasen nicht und bleiben bestehen. Aus porösem Gestein gelangt ab einer gewissen Temperatur Dampf an die Grenzfläche und bildet einen Kondensfilm. Durch den Dampfdruck und die Dipoleigenschaft des kondensierten Wassers wird das Bitumen weiter verdrängt und abgelöst, was später die Wasserwegsamkeit an der Grenzfläche erhöht.
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An der Bitumenoberfläche entstehen Krater und Öffnungen, durch die weiteres Wasser in den Asphalt und in das Gestein eindringt und die Grenzfläche zwischen Bitumen und Gestein unterwandert. Durch intensive Austrocknung infolge Überhitzung während der Erwärmung nehmen Fraktionen des Mineralgemische bei Anwesenheit des Niederschlagwassers erhebliche Mengen an Wasser auf, was die Asphaltqualität weiter verschlechtert.
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Qualitativ minderwertiger Asphalt erfordert Reparaturmaßnahmen nicht nur an älteren asphaltierten Strecken, sondern häufig auch schon an frisch hergestellten Straßen und Autobahnen. In extremen Fällen muss an mehrere Kilometer langen frisch asphaltierten Strecken eine Asphaltdeckschicht bereits kurz nach dem Einbau wieder entfernt werden.
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Aufgabe
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Qualität des Asphalts zu erhöhen.
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Lösung
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Ausgehend von den bekannten Verfahren wird nach der Erfindung vorgeschlagen, dass das Mineralgemisch durch Erhitzen mittels Mikrowellen entwässert wird. Beim Erhitzen mit Mikrowellen wird unabhängig von der Körnung das im Mineralgemisch, bei größeren Körnungen insbesondere auch das tiefer im Korn enthaltene Wasser erhitzt. Im Vergleich zum äußerlichen Erhitzen durch Strahlung und Konvektion wird das Korn gleichmäßiger erhitzt und das enthaltene Wasser schneller ausgetrieben. Die Mikrowelle weist vorteilhaft eine Frequenz von 2,45 GHz auf und ist in der Leistung regelbar.
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Vorzugsweise wird eine Mehrzahl von nach der Körnung unterschiedenen Fraktionen des Mineralgemischs in einem erfindungsgemäßen Verfahren jeweils spezifisch erhitzt. So kann dem Umstand Rechnung getragen werden, dass auch beim Erhitzen mittels Mikrowellen das im Mineralgemisch enthaltene Wasser aus unterschiedlichen Körnungen unterschiedlich schnell ausgetrieben wird.
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Vorteilhafter Weise wird das Mineralgemisch in einem erfindungsgemäßen Verfahren in einem Durchlaufofen erhitzt. So kann das Mineralgemisch in einem kontinuierlichen Prozess entwässert werden.
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Bevorzugt weist der Durchlaufofen in einem solchen erfindungsgemäßen Verfahren eine Mehrzahl von mittels Mikrowellen beheizten Heizbereichen auf. Die Leistung kann dann für jeden Heizbereich individuell gesteuert werden.
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In einem Durchlaufofen können in einem erfindungsgemäßen Verfahren spezifisch zu erhitzende Fraktionen eines Mineralgemischs an unterschiedlichen Übergabestellen in den Durchlaufofen gegeben werden. Die Fraktionen durchlaufen dann unterschiedlich lang den Durchlaufofen und werden entsprechend unterschiedlich mit dessen Heizleistung beaufschlagt.
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Zusätzlich ist es von Vorteil, wenn der Durchlaufofen in einem erfindungsgemäßen Verfahren mindestens einen konventionell beheizten Heizbereich aufweist. „Konventionelle“ Heizungen wie beispielsweise ein elektrische Widerstandsheizung, ein Brenner für fossile Brennstoffe oder eine Anlage zur Nutzung industrieller Abwärme übertragen Wärme durch Strahlung und Konvektion in das Mineralgemisch. Fraktionen mit relativ geringem Wassergehalt werden mittels Mikrowellen im Vergleich weniger erhitzt als Fraktionen mit höherem Wassergehalt. Temperaturunterschiede zwischen unterschiedlichen Fraktionen können durch die Kombination mit einem konventionell beheizten Heizbereich ausgeglichen werden.
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Beispielsweise kann mindestens eine der Fraktionen in einem erfindungsgemäßen Verfahren in dem Durchlaufofen zunächst mittels Mikrowellen und anschließend in einem konventionell beheizten Heizbereich erhitzt werden.
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Besonders bevorzugt wird in einem erfindungsgemäßen Verfahren das Erhitzen auf eine beim Erhitzen abgegebene Wassermenge kalibriert. Erfindungsgemäß hergestellter Asphalt weist nach Untersuchungen an unterschiedlichen Mineralgemischen praktisch keine Blasen infolge Ausdampfung auf, wenn beim Entwässern durch Mikrowellen und ggf. Kombination mit konventioneller Erhitzung ebensoviel Wasser ausgetrieben wird, wie bei konventionellem Erhitzen durch Wärmestrahlung und Konvektion auf 220 °C einschließlich der Wassermenge, die der Asphalt bis zu seinem Einbau abgeben würde.
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In einem erfindungsgemäßen Verfahren wird das Mineralgemisch vorteilhafter Weise nach dem Erhitzen gesiebt. So können unterschiedliche Kornfraktionen getrennt werden.
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Weiter ist es von Vorteil, wenn das Mineralgemisch in einem erfindungsgemäßen Verfahren zwischen dem Erhitzen und dem Vermischen mit dem Bitumen zunächst in einem Zwischenspeicher gespeichert wird. Der Zwischenspeicher ermöglicht einen Übergang von dem kontinuierlichen Prozess des Entwässerns des Mineralgemischs zu dem diskontinuierlichen Prozess des Vermischens mit dem Bitumen.
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Die Heizleistung, der Ofentyp, die Durchlaufgeschwindigkeit durch den Ofen und die Position der Übergabestellen können im Rahmen eines erfindungsgemäßen Verfahrens an unterschiedliche Mineralgemische angepasst werden.
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Ausführungsbeispiel
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Die Erfindung wird nachfolgend beispielhaft erläutert: Für ein erfindungsgemäßes Verfahren werden Leistung und Durchlaufgeschwindigkeit des Durchlaufofens sowie die Position der Übergabestellen für die Kornfraktionen anhand einer für jede Kornfraktion einmal durchgeführten Kalibrierung festgelegt. Zunächst wird die Wasserabgabe einer Fraktion über der Dauer der Erhitzung einschließlich der Zeit bis zum Einbau des Asphalts – die sogenannte „Sinterkurve“ – einerseits in einem konventionellen Ofen bei 220 °C ermittelt wird und dann andererseits bei einer Mikrowellenleistung von 850 W. In der Sinterkurve für konventionelle Erhitzung wird die nach 60 Minuten abgegebene Wassermenge und in der Sinterkurve für Mikrowellenbehandlung die dieser Menge entsprechende Behandlungsdauer – hier: 3 Minuten – abgelesen.
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Der nach dem erfindungsgemäßen Verfahren nach Erhitzung mittels Mikrowellen hergestellte Asphalt weist gegenüber dem mit konventioneller Erhitzung des Mineralgemischs hergestellten Asphalt eine um bis zu 18,5 vH gesteigerte Bruchfestigkeit, eine um bis zu 30 vH gesteigerte elastische Festigkeit und einen um bis zu 131 vH gesteigerten Elastizitätsmodul auf.