DE19514809C2 - Splittmastixasphalt - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Splittmastixasphalt enthaltend Mineralstoffe, Bitumen und einen stabilisierenden Zusatz sowie ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Splittmastixasphalts.

Aus der Literatur ist bekannt, daß Lignin generell in der Bauindustrie als Bestandteil von bitumenhaltigen Materialien eingesetzt werden kann. Insbesondere für den Straßenbausektor wird Lignin als Bitumenersatz bzw. als "Extender" in bitumen­ haltigen Bindemitteln eingesetzt.

Dabei kann der Bindemittelanteil bis zu 50% Lignin enthalten (vergl. Ind. Eng. Chem. Prod. Res. Dev., Vol. 22, No. 3, 1983, Seiten 496-500).

Ein Bindemittel, welches unter Verwendung von ligninhaltiger Sulfitablauge und Bitumen hergestellt wurde und zur Verfestigung von Naturgestein dient, ist z. B. aus der DE OS 25 17 314 bekannt.

Der Einsatz von Lignin als stabilisierender Zusatz bei der Herstellung von Splitt­ mastixasphalt ist dagegen aus dem Stand der Technik nicht bekannt.

Splittmastixasphalt besteht im allgemeinen aus einem Mineralstoffgemisch mit Ausfallkörnung, aus Straßenbaubitumen als Bindemittel und aus stabilisierenden Zusätzen. Das Mischgut wird heiß eingebaut und verdichtet. Ein hoher Splittgehalt ergibt ein in sich abgestützes Splittgerüst, dessen Hohlräume mit Asphaltmastix weitgehend ausgefüllt sind. Die gleichzeitige Verwendung hoher Bindemittelgehalte erfordert die Zugabe stabilisierender Zusätze, um eine Entmischung bei Herstellung, Transport, Einbau und Verdichtung des Splittmastixasphaltes zu verhindern. In Deutschland eingesetzte Splittmastixasphalte müssen der technischen Vorschrift ZTV Asphalt StB 94 entsprechen.

Als stabilisierende Zusätze werden bislang synthetische Polymere, organische und mineralische Faserstoffe, synthetische Kieselsäure und Gemische hiervon einge­ setzt. Diese stabilisierenden Zusätze sollen den Zusammenhalt des Splittgerüstes dauerhaft sichern und damit widerstandsfähige und verkehrssichere Deckschichten mit hoher Standfestigkeit garantieren. Darüber hinaus haben sie die Aufgabe, eine Entmischung bei Herstellung, Transport, Einbau und Verdichtung des Splittmastix­ asphalts zu verhindern. Es sind auch stabilisierende Zusätze bekannt, die aus nachwachsenden Rohstoffen gewonnen werden können. So ist z. B. in "Pit and Quarry", September 1991, Seite 21-24, beschrieben, daß Zellulose als stabilisierendes Additiv in Mengen von etwa 0,3 Vol.% in Splittmastixasphalt ein­ gesetzt werden kann.

Ein spezielles Problem bei der Einarbeitung von stabilisierenden Zusätzen in Bitu­ men stellt die mangelnde Homogenität derartiger Mischungen dar. Aufgrund der unterschiedlichen Dichten neigen viele stabilisierende Zusätze zur Sedimentation oder zur Abscheidung auf der Bitumenoberfläche bei der Heißlagerung.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Splittmastixasphalt zur Verfügung zu stellen, bei dessen Herstellung, Heißlagerung und Verarbeitung kein Abscheiden des stabilisierenden Zusatzes erfolgt und der nach dem Erkalten auch unter extremen Bedingungen, wie hohe Temperatur und hohe mechanische Belastung, eine sehr gute Standfestigkeit aufweist.

Die Aufgabe wird gelöst durch einen Splittmastixasphalt gemäß Anspruch 1. Dieser Splittmastixasphalt enthält 100 Gew.-Teile Mineralstoffe, 5 bis 10 Gew.-Teile Bitumen und 0,1 bis 2 Gew.-Teile Lignin und/oder Ligninsulfonat als stabilisierenden Zusatz. Bevorzugt ist dieser in Mengen von 0,3 bis 1,7 Gew.-Teilen im Splittmastixasphalt enthalten.

Das Lignin stammt beispielsweise aus einem Acetocell- oder einem Organocell-Ver­ fahren zur Herstellung von Zellulose. Beim erstgenannten Verfahren wird zellulose­ haltiges Pflanzenmaterial, z. B. Holz, mit Essigsäure aufgeschlossen (vgl. DE-OS-41 07 357).

Beim Organocell-Verfahren erfolgt der Aufschluß von Holz oder zellulosehaltigen Produkten mit Methanol/NaOH bei etwa 170°C.

Die Lignine werden nach erfolgtem Aufschluß sowohl bei dem Acetocell- als auch bei dem Organocell-Verfahren durch Fällung mit Salz- bzw. Schwefelsäure erhalten. Organocell-Lignin besitzt typische Carbonyl- und Carboxyl-Gruppen sowie eine mittlere Molmasse von 600 bis 900 g/mol. Beim Acetocell-Verfahren sind durch die Essigsäurebehandlung zusätzlich Acetylgruppen eingebaut. Das Molekulargewicht des Lignins variiert hier im allgemeinen zwischen 800 bis 1000 g/mol.

Eine besonders hohe Standfestigkeit wird erzielt, wenn der stabilisierende Zusatz zumindest überwiegend aus Ligninsulfonat, insbesondere Magnesiumligninsulfonat besteht. Ligninsulfonat ist Hauptbestandteil der Sulfitablauge, die in großen Mengen bei der Herstellung von Sulfitcellulose entsteht. Dabei wird Holz oder zellulose­ haltiges Material in Druckkochern mit überschüssiges SO₂ enthaltender Hydrogen­ sulfitlauge von Calcium, Magnesium, Natrium oder Ammonium bei etwa 150°C auf­ geschlossen. Das Ligninsulfonat wird nach dem Aufschluß durch Zusatz von Ent­ schäumern, Umfällung oder Kondensation mit Fremdstoffen erhalten. Das Lignin­ sulfonat unterscheidet sich von dem Lignin aus dem Organocell- oder Acetocell- Verfahren. Aufgrund seiner vielen Sulfonatgruppen ist es wesentlich polarer und trotz des hohen Molekulargewichts von etwa 10000 g/mol gut wasserlöslich. Die zugehörigen Kationen entsprechen denen der im Aufschlußverfahren verwendeten Hydrogensulfitlauge.

Besonders geeignet sind Lignin oder Ligninsulfonate, die auch im für Asphalt rele­ vanten Verarbeitungstemperaturbereich von 150 bis 180°C eine hohe spezifische Oberfläche von etwa 2 bis 15 m²/g aufweisen.

Der Splittmastixasphalt enthält darüber hinaus einen stark versteifenden Füller, Bitumen des Typs B80 und härter und stabilisierende bzw. versteifende Zusätze. Dieser Asphalt ist sehr steif und muß deshalb bei höheren Temperaturen (170 bis 180°C) aufbereitet und eingebaut werden. Bei einwandfrei hergestellten Splitt­ mastixbelägen ist der Splitt fest in dichten steifen Mörtel eingebettet. Die Fahrbahn­ oberfläche besitzt eine ausgeprägte Rauhtiefe. Die Verschleißfestigkeit entspricht in etwa der des Gußasphaltes. Neben der hohen Verschleißfestigkeit weist Splitt­ mastixasphalt eine hohe Standfestigkeit auf und ist deshalb insbesondere für Steigungsstrecken mit Schwerlastverkehr besonders geeignet. Die rauhe Fahr­ bahnoberfläche, welche eine wichtige Voraussetzung für die Griffigkeit bei hohen Geschwindigkeiten ist, zeigt darüber hinaus eine gute Drainagewirkung für Ober­ flächenwasser.

Eine wichtige Kenngröße für Bitumen ist die sogenannte Penetration oder Eindrin­ gungstiefe, die bestimmt wird durch die Anzahl von 1/10 mm, um die eine mit 100 Gramm belastete Nadel bei 25°C in 5 Sekunden in das Bitumen eindringt. Die Penetration ist ein Maß für die Härte des Bitumens. Demzufolge haben weiche Bitumen eine hohe, härtere eine niedrigere Penetration. Die Penetration ist eine Grundlage für die Bezeichnung der Straßenbaubitumensorten von B15 bis B200.

Vorzugsweise werden bei dem erfindungsgemäßen Splittmastixasphalt Bitumen vom Typ B80 und härter, insbesondere der Typ B65 eingesetzt.

Die im Asphalt enthaltenen Mineralstoffe haben einen wesentlichen Einfluß auf die Verarbeitbarkeit und Verdichtungswilligkeit des Mischgutes sowie auf die Stabilität, Griffigkeit, Helligkeit und Verschleißfestigkeit fertiger Asphaltschichten.

Desweiteren sind Korngröße, Kornform, Über- und Unterkorn sowie wie die Reinheit der Korngemische von Bedeutung. Die Korngröße beeinflußt die mechanischen Eigenschaften von Asphaltschichten. Die Kornform beeinflußt neben den mecha­ nischen Eigenschaften vor allem die Verdichtungswilligkeit des Mischgutes. Die Kornverteilung wird meistens als Sieblinie dargestellt. Stetige Körnungen ergeben in der Regel Gemische günstiger Verdichtbarkeit. Unstetige Körnungen neigen unter starker Verkehrsbelastung zur Veränderung durch Kornzerkleinerung, soweit sie nicht durch betont steife Bindemittel daran gehindert werden. Je weniger Über- und Unterkorn eine Lieferkörnung enthält und je geringer die Schwankungen sind, desto sicherer ist das Einhalten einer vorgesehenen Kornverteilung an der Mischanlage möglich.

Splittmastixasphalte weisen einen relativ geringen Verschleiß auf und sind wenig anfällig für Winterschäden. Sie weisen relativ viel groben schlagfesten Splitt an der Fahrbahnoberfläche auf, welcher fest in den bitumenreichen steifen Mörtel einge­ bettet ist. Das Mischgut enthält einen hohen Anteil von bis zu 85 Gew.-% Splitt, der in der Regel bester Qualität ist. Vorzugsweise werden sogenannte Edelsplitte eingesetzt.

Splittmastixasphalte werden in verschiedenen Körnungen ausgeführt. Als bewährt gelten die Körnungen 0/5, 0/8 und 0/11. Noch gröbere Körnungen können dort an­ gezeigt sein, wo es besonders auf hohe Stabilität ankommt. Bevorzugt haben die Mineralstoffe des erfindungsgemäßen Splittmastixasphalts folgende Zusammen­ setzung:

 7 bis 12 Gew.-% Füller
10 bis 18 Gew.-% Sand mit der Körnung 0/2
 5 bis 12 Gew.-% Splitt mit der Körnung 2/5
15 bis 25 Gew.-% Splitt mit der Körnung 5/8
40 bis 60 Gew.-% Splitt mit der Körnung 8/11.

Geeignete Mineralstoffe, die als Splitt oder Brechsand in Splittmastixasphalt eingesetzt werden können, sind z. B. Basalt, Moräne, Grauwacke und Diabas.

Als Füller bezeichnet man die Mineralstoffe, die durch ein 0,09 mm Maschensieb hindurch gehen. Ihre Aufgaben im Asphaltmischgut bestehen im wesentlichen darin, die Kornabstufung im Feinkornbereich zu verbessern und den Hohlraumgehalt des Mischgutes zu verringern sowie das Bitumen zu versteifen. Je nach Herkunft des Füllers unterscheidet man Eigenfüller und Fremdfüller. Eigenfüller stammen aus den Mineralstoffen, die aus den Staubabscheidern an der Mischanlage zurückgewonnen werden, während Fremdfüller aus Steinmehlen stammen, die aus gesundem Gestein hergestellt werden, z. B. aus Kalkstein, Basalt und Schiefer.

Der Einfluß der Füller auf die Mischguteigenschaften ist erheblich. Neben einer Ausfüllung von Hohlräumen im Mineralgemisch bewirken sie vor allem ein Versteifen des Bitumens. Die versteifende Wirkung hängt von der Füllerart und -menge ab und wird durch den Anstieg des Erweichungspunktes eines gefüllerten Bitumens gegenüber einem ungefüllerten Bitumen gemessen. Die Steifigkeit des Füller- Bitumen-Gemisches (Mörtel) wird im wesentlichen bestimmt durch das Verhältnis zwischen dem Hohlraumgehalt des vollkommen verdichteten Füllers und der Bitumenmenge. Je geringer die stets im Überschuß vorhandene Bitumenmenge im Verhältnis zum Hohlraumgehalt des Füllers ist, desto steifer ist der Mörtel. Da es verschiedene Füllersorten mit unterschiedlichem Packvolumen gibt, ist der Ver­ steifungseffekt abhängig von der Art des verwendeten Füllers. Entsprechend ihrer versteifenden Wirkung unterscheidet man starke und schwache Füller. Typische Füller sind Kalksteinmehl, Basalt- und Diabasfüller. Ein für den erfindungsgemäßen Splittmastixasphalt besonders geeigneter Füller ist Kalksteinmehl.

Bei vorgegebener Füllersorte entscheidet das Mengenverhältnis von Füller zu Bitumen über die Steifigkeit des Mörtels. Magere Mörtel (viel Füller, wenig Bitumen) sind steifer als fette Mörtel. Erhöht man bei vorgegebener Bitumenmenge lediglich die Füllermenge, kann es bei dicht zusammengesetztem Mischgut passieren, daß der Resthohlraumgehalt zu gering wird und aus diesem Grunde wieder Stabili­ sierungsverluste eintreten. Die Steifigkeit des Mörtels kann also nicht durch beliebig hohe Zugabe von Füller weiter erhöht werden.

Eine Erhöhung der Steifigkeit kann auch durch stabilisierende Zusätze erfolgen. Diese werden in meist deutlich geringerer Menge als die Füller zugesetzt. Im Ge­ gensatz zu den Füllern wirken sie zwar versteifend auf den Mörtel, weisen aber selbst kaum eine füllernde Wirkung auf.

Die Erfindung betrifft des weiteren ein Verfahren zur Herstellung des erfindungs­ gemäßen Splittmastixasphalts. Dabei werden die Mineralstoffe zusammen mit dem stabilisierenden Zusatz trocken vorgemischt. Nach inniger Durchmengung erfolgt anschließend die Zugabe des Bindemittels und weiteres Mischen bis zur gleichmäßigen Verteilung aller Komponenten in der Mischung. Der erfindungs­ gemäße Asphalt ist dann gebrauchsfertig und kann verarbeitet werden.

Als Mischer können konventionelle Vorrichtungen verwendet werden. Der Unter­ schied zur herkömmlichen Art der Herstellung von Splittmastixasphalt besteht also darin, daß Lignin bzw. Ligninsulfonat als stabilisierender Zusatz mit den Mineral­ stoffen trocken vorgemischt wird. Eine Vormischzeit von 10 bis 15 Sekunden ist im allgemeinen ausreichend. Bei der Herstellung der Proben für die nachfolgenden Beispiele wurde so verfahren.

Nach Zugabe eines Straßenbaubitumens nach DIN 1995, Teil 1, wurde ein Splitt­ mastixasphalt 0/11 S hergestellt. An Marshallprobekörpern wurden die asphalt­ technologischen Kennwerte nach Marshall gemäß den zusätzlichen technischen Vorschriften (ZTV Asphalt StB 94) analog ASTM D 1559 überprüft und bewertet.

Desweiteren erfolgte eine zusätzliche Bewertung der Standfestigkeit dieser Probe­ körper bei 70°C am ausgeformten Marshallkörper und Verfolgung des zeitlichen Ablaufs bis zum Zerfall der Probekörper. Es handelt sich hierbei um eine verschärfte Prüfung in Anlehnung an die DIN 1996, Blatt 13 zur Bestimmung der Stempelein­ dringtiefe bei Gußasphalten.

Als Vergleichsproben 4 und 5 diente ein Splittmastixasphalt, der bei ansonsten gleicher Zusammensetzung Miscanthusmehl bzw. Zellulosefasern als stabili­ sierenden Zusatz enthält. Ein solcher zellulosehaltiger Asphalt wird in der Praxis seit Jahren mit Erfolg eingesetzt. Miscanthusmehl wird hergestellt aus getrocknetem Miscanthusgras (Miscanthus sinensis giganteus), das nach grober Zerhäckselung in 3 bis 5 cm große Stücke mit einer Mühle auf eine Korngröße von etwa 1 mm ge­ mahlen wurde.

Die jeweils optimale Menge an stabilisierendem Zusatz wurde nach dem sog. Kadelka-Verfahren (vgl. "Bitumen" 3, (1994), 128) ermittelt.

Die Zusammensetzungen sowie die durch Versuche bestimmten asphalttechno­ logischen Kenndaten der so hergestellten Probekörper finden sich in den nach­ folgenden Tabellen.

Es ist deutlich zu erkennen, daß die mit Lignin bzw. Ligninsulfonat hergestellten Splittmastixasphalte gegenüber einem mit Cellulosefaser hergestellten Splittmastix­ asphalt hinsichtlich der Standfestigkeit vorteilhafter zu bewerten sind. Hervorzu­ heben ist insbesondere der Splittmastixasphalt mit Magnesiumligninsulfonat, der bei einer Eindringtiefe von ca. 50 1/100 mm der aufgebrachten Belastung über 5 Stunden widerstanden hat. Ein parallel durchgeführter Versuch analog Beispiel 3, bei dem jedoch das Lignin vorher der Bindemittelphase zugegeben wurde, zeigte im Ergebnis vergleichbare Kennwerte des Marshallprobekörpers. Dieser war jedoch unter der Lasteinwirkung mit einer durchschnittlichen Eindringtiefe von 85 l/100 mm bereits nach 30 Minuten zerfallen.

Bei der Heißlagerung wiesen die Proben des erfindungsgemäßen Splittmastix­ asphalts keine erkennbare Abscheidung des stabilisierenden Zusatzes auf.

Aus den ermittelten Marshallwerten ist zu erkennen, daß die mit Hilfe von Lignin bzw. Ligninsulfonat hergestellten Splittmastixasphalte hinsichtlich Raumdichte und Hohlraumgehalte mit der Vergleichsprobe mit Cellulosefaser vergleichbar sind. Gleichzeitig ist jedoch zu erkennen, daß bei Anhebung der Bindemittelmenge um 0,3 Gew.-% bei den Mischungen mit Lignin die Raumdichten abfallen und gleichzeitig die Hohlraumgehalte ansteigen. Das läßt darauf schließen, daß die erhöhte Bindemittelmenge durch den vorgesehenen Zusatz von Lignin nicht mehr vollständig gebunden wird und sich somit im Marshallkörper bereits hydrostatische Druckver­ hältnisse aufbauen, die nur durch Erhöhung der Zugabemenge an Lignin reguliert werden können.

Claims (7)

1. Splittmastixasphalt enthaltend
100 Gew.-Teile Mineralstoffe, nämlich Splitt, Brech- und/oder Natursand und Gesteinsmehl,
5 bis 10 Gew.-Teile Bitumen und
0,1 bis 2 Gew.-Teile Lignin und/oder Ligninsulfonat als stabili­ sierender Zusatz.

2. Splittmastixasphalt nach Anspruch 1 mit 0,3 bis 1,7 Gew.-Teilen des stabilisierenden Zusatzes.

3. Splittmastixasphalt nach Anspruch 1 oder 2 mit einem stabilisierenden Zusatz zumindest überwiegend aus Ligninsulfonat, insbesondere Magnesiumlignin­ sulfonat.

4. Splittmastixasphalt nach mindestens einem der vorstehenden Ansprüche mit folgender Zusammensetzung der Mineralstoffe:
 7 bis 12 Gew.-% Füller
10 bis 18 Gew.-% Sand mit der Körnung 0/2
 5 bis 12 Gew.-% Splitt mit der Körnung 2/5
15 bis 25 Gew.-% Splitt mit der Körnung 5/8
40 bis 60 Gew.-% Splitt mit der Körnung 8/11

5. Splittmastixasphalt nach mindestens einem der vorstehenden Ansprüche mit einem Bitumen vom Typ B80 und härter, insbesondere vom Typ B65.

6. Splittmastixasphalt nach mindestens einem der vorstehenden Ansprüche mit einem Füller aus Kalksteinmehl.

7. Verfahren zur Herstellung eines Splittmastixasphalts gemäß einem der vorstehenden Ansprüche durch trockenes Mischen der Mineralstoffe mit dem stabilisierenden Zusatz, anschließende Zugabe des Bitumens und weiteres Mischen bis zur gleichmäßigen Verteilung aller Komponenten in der Mischung.