-
Gebiet der
Erfindung
-
Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf polymermodifiziertes Bitumen
(PMB), das eine verbesserte elastische Rückverformung aufweist und das
als Bindemittel, mit Zuschlagstoff-Material verwendet werden kann,
um Asphaltstrassendecken zu formen.
-
Hintergrund
der Erfindung
-
Bitumen
ist ein sehr weit verwendetes ziviles technisches Material, besonders
zur Konstruktion und Erhaltung von Strassen. Die Funktionsfähigkeit
von Asphaltstrassen hat erstaunlicherweise Schritt gehalten mit
dem über
die letzten Jahrzehnte hindurch fast exponentiell gestiegenem Verkehrsaufkommen.
Die Anzahl der schweren Geschäftsfahrzeuge
hat sich in Europa über
die letzten 20 Jahre hindurch mehr als verdoppelt. Aufgrund von
häufigeren
und längeren
Verkehrsstauungen übt
der sich langsam bewegende Verkehr eine höhere Beanspruchung bei längeren Belastungszeiten
aus. Neuerungen der Asphaltmischung und die Verwendung von polymermodifiziertem
Bitumen (PMB) haben die Qualität
der Straßendecken
in einem solchen Ausmaß verbessert,
dass die Straßen
noch unter Erhalt einer zufriedenstellenden Lebenserwartung geplant
werden können.
-
Das
Verhalten von Bitumen ist durch seine chemische Zusammensetzung
bestimmt. Bitumen ist eine komplexe chemische Mischung aus Kohlenwasserstoffen
mit einer kleinen Menge an strukturell analogen Arten, die Schwefel-,
Stickstoff-, und Sauerstoffatome enthalten. Es ist möglich Bitumen
in zwei breite chemische Gruppen einzuteilen, die Asphaltene und
Maltene genannt werden. Die Maltene können weiter in gesättigte, aromatische
und Harze unterteilt werden. Die vier Gruppen sind nicht gut abgegrenzt
so dass es unvermeidbar zu Überschneidungen
zwischen den Gruppen kommt.
-
Asphaltene
sind n-Heptan-unlösliche
Block- oder braune amorphe Feststoffe, die zusätzlich zu Kohlenstoff und Wasserstoff,
etwas Stickstoff, Schwefel und Sauerstoff enthalten. Der Asphaltenanteil
hat einen großen
Effekt auf die rheologischen Eigenschaften des Bitumen. Eine Erhöhung des
Asphaltenanteils erzeugt härteres
Bitumen mit niedrigerer Penetration, höherem Erweichungspunkt und
folglich einer höheren
Viskosität.
Asphaltene können
5 bis 25% des Bitumen darstellen. Harze, andererseits sind in n-Heptan
löslich.
Sie sind wie Asphaltene größtenteils
aus Wasserstoff und Kohlenstoff zusammengesetzt und enthalten kleine Mengen
Sauerstoff, Schwefel und Stickstoff. Im Hinblick auf Ihre Polarität sind sie
stark klebend. Aromaten umfassen das niedrigste Molekulargewicht
aromatischer Verbindungen in Bitumen und repräsentieren den größten Bestandteil
davon. Schließlich
umfassen die Gesättigten
gerade und verzweigte Ketten aliphatischer Kohlenwasserstoffe, zusammen
mit Alkynaphtenen und einigen Alkylaromaten.
-
Die
Rheologie des Bitumen ist nicht nur bestimmt durch die chemische
Zusammensetzung, sondern auch durch seine Struktur. Somit wird Bitumen
traditionell als kolloidales System angesehen, bestehend aus Asphaltenmicellen
hohen Molekulargewichts dispergiert oder gelöst in einem öligen Medium
(Maltene) niedrigen Molekulargewichts. Das kolloidale Verhalten
ist durch die Molekulargewichtsverteilung der verschiedenen Bitumenbestandteile
beeinflusst. Folglich können
die Micellen gelöst
oder beweglich sein, oder gebunden um gallertartiges Bitumen zu
bilden. In der Praxis weist das meiste Bitumen einen Zwischencharakter
auf.
-
Der
Schlüssel
bei PMB besteht darin, die exakte Übereinstimmung zu finden, die
die Eigenschaften des Bitumen verbessern. Folglich wurde Bitumen
mit Kautschuk (z.B. Polybutadien, Polyisopren, Naturkautschuk, Butylkautschuk,
Chloropren, statistischer Styrol-Butadien-Kautschuk etc.), mit thermoplastischen
Polymeren (z.B. Polyethylene, Polypropylene, Polyvinylchloride,
Polystyrole und Ethylenvinylacetat (EVA), etc.) und mit thermoplastischen
Kautschuken modifiziert (Polyurethane, Polyether-Polyester-Copolymere, olefinische
Copolymere und Stryol-Blockcopolymere, wie sich herausgestellt hat,
stellen die letztgenannten das größte Potential dar, wenn sie
mit Bitumen vermischt werden). Die Zugabe von Polymer stört typischerweise das
Phasengleichgewicht. Daraus können
Phasentrennung oder Inkompatibilität resultieren. Einer der offensichtlichsten
Effekte ist die drastisch herabgesetzte Lagerstabilität der inkompatiblen
PMB's.
-
Bitumen
kann aus Rohöl
hergestellt werden, wobei zuerst die leichteste Fraktion durch Destillation
entfernt wird, und in verschiedenen Graden vorkommen. Abhängig vom
Ursprung des Rohöls
und den Destillationsbedingungen kann Bitumen mit einer Penetration
im Bereich von 15 (hart) bis 300 (weich) dmm hergestellt werden.
Bitumen wird deshalb typischerweise mit dem Penetrationstest spezifiziert.
-
Es
hat sich als problematisch herausgestellt, kompatible PMB's aus verschiedenen
50/70 dmm Bitumen herzustellen, die die Spezifikation der deutschen
Straßenbauer
erfüllen.
Dies ist der Fall für
hartes Bitumen von den Raffinerien in Heide und Karlsruhe, die eine
gemessene Penetration bei 25 Grad Celsius von 35 bis 37 dmm (ASTM
D36), einen Erweichungspunkt, Ring & Ball von 54,5 bis 56,5 Grad Celsius
(ASTM D5) und ein Asphaltenanteil von 11,2 bis 17,4 Gew.-% aufweisen.
Idealerweise sollten kompatible Mischungen davon herstellbar sein,
die einen Erweichungspunkt, R&B
im Bereich von 55-63
Grad Celsius, eine Penetration bei 25 Grad Celsius im Bereich von
20 bis 60 dmm, und eine elastische Rückverformung bei 25 Grad Celsius
von mindestens 50% (DIN 52013) aufweisen. Darüber hinaus sollte es möglich sein,
diese Anforderungen zu erreichen unter Verwendung von nur 2 Gew.-%
des Polymerbestandteils.
-
Die
vorliegenden Erfinder machten sich auf, PMB herzustellen, das diese
Anforderungen erfüllt. Überraschenderweise
beobachteten sie, dass bestimmte styrolhaltige Blockcopolymere kombiniert
mit den obenerwähnten
Bitumen kompatible PMB's
mit attraktiven Eigenschaften lieferten, sogar bei geringer Polymerbeladung.
-
Zusammenfassung
der Erfindung
-
Demgemäss wird
beansprucht:
ein polymermodifiziertes Bitumen (PMB) umfassend
Bitumen und eine Blockcopolymerzusammensetzung, worin
das Bitumen
eine Penetration bei 25 Grad Celsius von 30 bis 70, vorzugsweise
von 35 bis 37 dmm, einen Erweichungspunkt, Ring & Ball von 50 bis 60, vorzugsweise
von 54,5 bis 56,5 Grad Celsius und einen Asphaltenanteil von 10
bis 20, vorzugsweise von 11,2 bis 17,4 Gew.-% aufweist,
die
Blockcopolymerzusammensetzung in einer Menge von 1 bis 3, vorzugsweise
1,5 bis 2,5 Gew.-% bezogen auf PMB verwendet wird, die Zusammensetzung
eine Mischung ist aus 10 bis 30 Gew.-% eines Triblock-Poly(Styrol-Butadien-Styrol)copolymers
(A), das einen durchschnittlichen Polystyrolanteil im Bereich von
25-35 Gew.-% hat und ein offensichtliches Molekulargewicht im Bereich
von 100,000 bis 170.000 aufweist; und 90 bis 70 Gew.-% eines Diblockpoly(Styrol-Butadien)copolymers
(B), das einen durchschnittlichen Polystyrolanteil im Bereich von 25-35
Gew.-% hat und ein offensichtliches Molekulargewicht entsprechend
1/3 bis 2/3 des Molekulargewichts von Block(A) aufweist, und
das
PMB eine kompatible Mischung ist, die einen Erweichungspunkt, R&B im Bereich von
55-63 Grad Celsius, eine Penetration bei 25 Grad Celsius im Bereich
von 20 bis 60 dmm, und eine elastische Rückverformung bei 25 Grad Celsius
von mindestens 50% aufweist.
-
Detaillierte
Beschreibung der Erfindung
-
Styrol-Blockcopolymere,
abgekürzt
SBC, sind bekannt. KRATON Polymers ist ein Hauptproduzent von verschiedenen
SBCs basierend auf folgender Formel A-B,
A-B-A, (A-B)nX (lineare SBC's)wobei
A einen harten Block repräsentiert,
der eine Glasübergangstemperatur
von höher
als 25 Grad Celsius aufweist, typischerweise einen Polystryolblock;
B einen Elastomerblock darstellt, der eine Glassübergangstemperatur von unterhalb –25 Grad
Celsius aufweist, typischerweise einen Poly(konjugierter-Dien)block,
n eine ganze Zahl größer als
1, und X der Rest des Kupplungsreagenzes ist.
-
Typischerweise
weisen solche SBC's
ein offensichtliches Molekulargewicht im Bereich von 100,000 bis
500,000 auf. Diese SBC's
können
Diblockcopolymere der Formel A-B in verschiedenen Mengen umfassen.
-
Mit
dem Begriff „offensichtliches
Molekulargewicht",
wie in der vorliegenden Beschreibung durchweg verwendet, wird das
Molekulargewicht verstanden, das mittels Gelpermeationschromatographie
(GPC), im Bezug auf Poly(styrol)-Kalibrierungsstandards (gemäß ASTM 3536)
gemessen wurde.
-
Typische
Beispiele eines linearen SBC beinhalten KRATON® D1101,
and KRATON® D1102,
Poly(Styrol-Butadien-Styrol)blockcopolymere verfügbar seit mehr als 40 Jahren
und das jüngere
KRATON® D1192. Diese
Blockcopolymere, wie auch immer, stellen nicht die gewünschten
Eigenschaften für
die vorher erwähnten
Bitumen bereit. Ein Beispiel einer Blockcopolymerzusammensetzung,
das die gewünschten
Eigenschaften bereitstellt ist das lineare SBC, verkauft als KRATON® D1118.
-
Optional
können
die PMB's der vorliegenden
Erfindung auch andere Inhaltsstoffe wie Öle und Stabilisatoren enthalten.
Vorstellbar ist die Verwendung der PMB's als Bindemittel in Asphaltzusammensetzungen, typischerweise
in einer Menge von 4 bis 9 Teile pro hundert Gewichtsteile des Zuschlagstoffes
(„pha"), der Rest wird
aus Zuschlagstoffen wie Steinsplitter, Sand und derartige Materialien
gebildet.
-
Wachse
können
in den PMB's gemäß der Zusammensetzung
verwendet werden, sind aber nicht bevorzugt. Obwohl bekannt ist,
dass die Gegenwart von Wachs hilft, die Misch- und Anwendungstemperatur
des PMB herabzusetzen, seine Anwesenheit – besonders wenn es die SBC
ersetzt – beseitigt
die gesteigerte Resistenz gegenüber
Rissfortpflanzung.
-
Die
PMB's gemäß der vorliegenden
Erfindung zeigen eine klare Verbesserung hinsichtlich elastischer Rückverformung,
was sie extrem geeignet für
Außenanwendungen
wie Straßendecken
macht, währenddessen
sie den Anforderungen der deutschen Straßenbauer gerecht werden. Andere
Anwendungen in denen PMB's
verwendet werden können
sind Geräuschdämmung, Klebstoffe,
Dichtungs- und Überzugsverbindungen
und/oder Schwingungsdämpfungsverbindungen.
-
Die
folgenden Beispiele erläutern
die vorliegende Erfindung, ohne jedoch ihren Umfang auf die speziellen
Ausführungsformen
zu beschränken.
-
Experimenteller
Teil
-
Die
folgenden Bitume und Polymere wurden getestet:
- • Bitumen
(A) ist ein harter Bitumen von der Heide Raffinerie, der einen Asphaltenanteil
von 11,2% des Bitumens und einen gemessenen Registrierwert von 37
dmm mit einem Erweichungspunkt R&B
von 54,5 Grad Celsius;
- • Bitumen
(B) ist ein harter Bitumen von der Karlsruhe Raffinerie, der einen
Asphaltenanteil von 17,4% des Bitumens und einen gemessenen Registrierwert
von 35 dmm mit einem Erweichungspunkt R&B von 56,5 Grad Celsius;
- • Polymer
1 ist KRATON® D1102;
ein lineares SBS, das ein Molekulargewicht von ungefähr 120,000,
ein Polystyrolanteil von ungefähr
30% und ein Diblockanteil von ungefähr 15% aufweist und
- • Polymer
2 ist KRATON® D1101;
ein lineares SBS, das ein Molekulargewicht von ungefähr 170,000,
ein Polystyrolanteil von ungefähr
30% und ein Diblockanteil von ungefähr 15% aufweist und
- • Polymer
2 ist KRATON® D1118;
ein lineares SBS, das ein Molekulargewicht von ungefähr 170,000,
ein Polystyrolanteil von ungefähr
30% und ein Diblockanteil von ungefähr 80% aufweist.
-
Beispiel
-
Die
Zusammensetzungen wurden mit einem SBC-Anteil von 2 bis 3,5% hergestellt.
Die Ergebnisse sind in Tabelle 1 und 2 aufgelistet. Die Kombination
von Polymer 1 ist zum Vergleich enthalten. Die Kombination mit Polymer
2 resultierte in einer inkompatiblen Mischung und wurde nicht aufgelistet.
-
Wie
aus diesen Tabellen ersichtlich ist, liefern die SBC gemäß der vorliegenden
Erfindung die besten Resultate, was die Kompatibilität und Eigenschaften,
wie elastische Rückverformung,
betrifft. Tabelle
1 Bitumen
gemischt mit 2 Gew.-% SBC
Tabelle
2 Bitumen
gemischt mit 3,5 Gew.-% SBC
- • Die
elastische Rückverformung
wurde mittels einer 20 cm (2% PMB) beziehungsweise 10 cm (3,5% PMB) Streckprobe
bestimmt.
- • Die
Lagerstabilität
wurde durch die Differenz zwischen dem Erweichungspunkt auf der
Oberseite der Probe und dem Boden bestimmt, welche nicht mehr als
2 Grad Celsius sein kann.
