DE2149676A1

DE2149676A1 - Giess-Formteile aus elementaren Schwefel,Bitumen und Mineralstoffteilchen enthaltenden Gemischen und Verfahren zur Herstellung solcher Giess-Formteile

Info

Publication number: DE2149676A1
Application number: DE19712149676
Authority: DE
Inventors: Olaf Kopvillem; Maclean James William
Original assignee: Shell Internationale Research Maatschappij BV
Current assignee: Shell Internationale Research Maatschappij BV
Priority date: 1970-10-05
Filing date: 1971-10-05
Publication date: 1972-04-06
Also published as: CA945416A; GB1363706A; MY7500036A; FR2110998A5; NL7113569A

Description

SHELL IUTERNATIONALE RESEARCH MAATSCHAPPIJ N.V. , Den Haag, Niederlande

" Giess-Formteile aus elementaren Schwefel, Bitumen und Mineralstoffteilchen enthaltenden Gemischen und Verfahren zur Herstellung solcher Giess-Forniteile "

Priorität: 5. Oktober 1970, Kanada, Wr. 94 835

Die Erfindung betrifft Giess-Formteile aus elementaren Schwefel, Bitumen und Mineralstoffteilchen enthaltenden Gemischen, welche in Form von Strassenbelägen und in Form von Baumaterialien Verwendung finden können, weil sie ausserordentlich günstige Eigenschaften aufweisen. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zur Herstellung solcher Giess-Formteile.

Die Mitverwendung von elementarem Schwefel in bitumenhaltigen Gemischen ist an sich bekannt. Bei der Mitverwendung in niedrigen Konzentrationen, beispielsweise bei Gewichtsverhältnissen von Schv/efel zu Bitumen von 1 : 1 oder weniger hat der Schwefel in für Strassenbeläge verwendbaren Gemischen im wesentlichen die Eigenschaften eines Füllstoffes. Bei Mitverwendung in höheren Konzentrationen trä.^t der Schwefel auch mit zur Festigkeit des Gemisches bei und erhöht dadurch die mechanische Stabilität dex*

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mittels solcher Gemische herstellbaren Strassenbeläge und verbessert deren Widerstandsfähigkeit gegenüber einer plastiscnen Verformung. Derartige für die Herstellung von Strassenbelägen verwendbare Mischungen sind beispielsweise in der kanadischen Patentschrift Nr. 755 999 beschrieben.

Elementaren Schwefel enthaltende Asphaltmischungen mit einem hohen Verhältnis von Schwefel zu Bitumen sind zwar auch bis zu einem gewissen Ausmass für Strassenbauzwecke eingesetzt worden, " doch zeigen derartige Gemische bestimmte Nachteile, welche ihre Brauchbarkeit wesentlich verringern. Beispielsweise lassen sich derartige Mischungen bei hohen Temperaturen, d.h. bei Temperaturen oberhalb des Schmelzpunktes des Schwefels,nur schwierig mittels der üblichen V.'alzmassnahmen verdichten. Aber selbst wenn es gelingt, derartige Gemische zu verdichten, sind die Eigenschaften von derartigen Strassenbelägen öfters nur wenig befriedigend. Man glaubt nunmehr, dass der Grund für dieses wenig befriedigende Verhalten darauf beruht, dass die Schwefelbindungskräfte durch den Verdichtungsdruck zerstört werden. Zwar kann man die Verdichtungseigenschaf ten von schwefelhaltigen Asphaltmischungen verbessern, indem man entweder den Schwefelgehalt verringert oder derartige Mischungen bei niedrigeren Temperaturen einbaut, doch werden durch solche Massnahmen die an sich auf der Mitverwendung von elementarem Schwefel beruhenden Vorteile in wesentlichem Ausmass vermindert oder sogar ganz zu nichte gemacht.

Überraschenderweise wurde nunmehr gefunden, dass sich Strassenbeläge und Baumaterialien mit wesentlich verbesserten Pesti^keits-

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eigenschaften auch unter Verwendung von Gemischen, welche freien

Schwefel, Bitumen und Mineralstoffteilchen mit hohen Gewichtsenthalten, Verhältnissen von Schwefel zum Bitumen/herstellen lassen, wenn man auf die bisher üblichen Verdichtungsmassnahmen verzichtet und statt dessen derartige Gemische vergiesst.

Demgemäss bezieht sich die Erfindung auf Giess-Formteile aus elementaren Schwefel, Bitumen und Mineralstoffteilchen enthaltenden Gemischen, welche dadurch gekennzeichnet sind, dass das Gewichtsverhältnis von Schwefel zu Bitumen mindestens einen Wert von 1 : 1 hat und dass der Gehalt an Bitumen mindestens 3,0 Gewichtsprozent, bezogen auf das Gesamtgemisch, beträgt.

Das erfindungsgemässe Verfahren zur Herstellung von derartigen Giess-Formteilen ist dadurch gekennzeichnet, dass man ein entsprechendes, elementaren Schv/efel, Bitumen und Mineralstoffteilchen enthaltendes Gemisch, bei dem das Gewichtsverhältnis von Schwefel zu Bitumen mindestens einen Yfert von 1 : 1 hat und der Gehalt an Bitumen mindestens 3,0 Gewichtsprozent beträgt, bezogen auf das Gesamtgemisch, bei einer Temperatur im Bereich von etwa 121 C bis 177 C in eine Form oder ein Verforinun^swerkzeug einfüllt und ohne Anwendung eines Verdichtungsdruckes darin abkühlen lässt.

überraschenderweise zeigen die erfindungsgemässen Giess-Formteile sehr günstige Eigenschaften. Ein besonderer Vorzug der Erfindung besteht darin, dass im Giessverfahren aus solchen schwefelhaltigen Asphaltmischungen hergestellte Strassenbeläge auch unter Verwendung von bisher nicht brauchbaren Mineralaggregaten erhalten werden können, beispielsweise unter Ver-

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wendung von Sanden mit schlechter Kornabstufung, und dass trotz dem derartige Strassenbeläge Eigenschaften aufweisen, welche vergleichbar oder sogar besser sind als diejenigen.von Strassen belägen, v/elche mittels üblicher Einbaugemische unter Verwendung von gut abgestuften Mineralstoffteilchen mit einem niedrigen VMA-Wert hergestellt worden sind.

Da bei dem erfindungsgemässen Verfahren Sande und andere relativ billige Mineralstoffteilchen zur Herstellung der Giess-

" Formteile verwendet v/erden können, eignet sich diese Arbeitsweise insbesondere für Grossbaustellen, beispielsweise zur Herstellung von Unterschichten im Strassenbau und zur Herstellung von Arbeitsbühnen für schwere Arbeitsmaschinen, da derartige Anlagen bisher nicht in wirtschaftlicher Weise unter Verwendung von schwefelhaltigen Asphaltmischungen erzeugt werden konnten, bei denen gut kornabgestufte Mineralstoffteilchen mit niedrigem VMA-Wert verwendet werden mussten. Derartige Arbeitsbühnen oder entsprechende lasttragende Oberflächen werden im allgemei-

k nen dann benötigt, wenn grössere Bauvorhaben auf einem relativ schwachen Untergrund durchgeführt v/erden nüssen. Im allgemeinen wird für diesen Zweck eine ohne Bindemittel hergestellte untere Tragschicht oder ein mit Zement behandelter Hutterboden verwendet. Derartige Materialien weisen jedoch bestimmte technische liachteile auf. Beispielsweise zeigen ohne Bindeuittel herj.istell te Tragschichten kein ausreichendes Lasttragevermögen und sie wirken sowohl während der Herstellung als auch während der gesamten Gebrauchsdauer des S trass en belag es als \vasserfallen. YHv die ilrzeUgUn₁J von durch Zement verfestigten i-iutt erbau en weräc;i bestimmte Vorrichtungen benötigt und auisserdeu inuar:. d:u-:;e:.; SAn-

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bauinaterial noch eine Zeitlang aushärten, bevor es den Verkenr aufnehmen kann. Die erfindtmgsgemäss herstellbaren gegossenen Strassenbeläge aus schwefelhaltigen Ausphaltmischungen zeigen derartige Nachteile nicht oder zumindest zu einem wesentlich geringeren Ausm&ss und daher bieten sie sich als Ersatz für die bisher verwendeten Verfahren für die Herstellung von Unterschi ent en oder von Arbeitsbühnen an.

Die für die Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens verwendeten Mischungen sollen uen elementaren Schwefel und das Bitumen in einem Gewichts verhältnis von mindestens 1:1 enthalten. Vorzugsweise beträgt dieses Gewichtsverhältnis etwa 2 : 1 bis 5 : 1 und kann gegebenenfalls auch noch höher gewählt werden.

In den erfindungsgemäss zu verarbeitenden Gemischen liegt der Schwefel in elementarer Form vor, d.h. in freiem Zustand und nicht in Form einer Verbindung. Der Schwefel kann dabei in jeder beliebigen physikalischen Form eingesetzt werden, da er im allgemeinen im geschmolzenen Zustand mit dem Bitumen vermischt wird, obwohl eine solche Verarbeitung im schmelzflüssigen Zustand nicht unbedingt erforderlich ist.

Als Bitumenkomponente eignen sich die üblicher V/eise für den Strassenbau verwendeten Bitumensorten, insbesondere aus Erdölrückständen gewonnene Bitumina , beispielsweise Rückstandsöle, geblasene Erdölbitumina/, weiche und harte Rückstandsbitumensorten, und ausserdem können auch durch destruktive Destillation erhaltene bituminöse Materialien eingesetzt werden, beispielsweise Teere und Peche. Gegebenenfalls können aucn Gemische solcher bituminösen Substanzen verwendet werden. Im Rahmen der Er-

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findung können ausserdem natürlich vorkommende Bitumensorten Verwendung finden, beispielsweise Gilsonit. Besonders bevorzugt sind jedoch Bitumensorten mit einer Penetration von 40 bis 300, gemessen nach der ASTM-Methode D 5. Das Bitumen wird in den erfindungsgemäss verarbeitbaren Gemischen in einer solchen Menge eingesetzt, die ausreicht, um die Mineralstoffteilchen zu binden, wofür im allgemeinen mindestens etwa 3 Gewichtsprozent, bezogen auf das Gesamtgemisch, erforderlich sind. Bevorzugt werden jedoch Geroische, welche etwa 4 bis 7 Gewichtsprozent Bitumen enthalten.

Als Mineralstoff teilchen kommen in den erfindungsgemäss zu verarbeitenden Gemischen insbesondere Sande, Steine, Kiese, und Sehlackensorten in Betracht, welche von Natur aus entweder sauer oder basisch sein können, wie beispielsweise Granit und Kalkstein. Der auf den meisten Baustellen vorkommende Sand lässt sich im Rahmen der Erfindung sehr gut verwenden und es lassen sich damit Strassenbeläge mit befriedigenden Eigenschaften herstellen, wenn derartige Sande in Kombination mit Schwefel und Bitumen gemäss dem erfindungsgemässen Verfahren vergossen werden.

Das Giessen der Formteile, beispielsweise von Strassenbelägen, erfolgt derart, dass man das Gemisch auf eine Temperatur erhitzt, bei der es ausreichend fliessfähig wird und in den betreffenden Formen von selbst eine glatte Oberfläche bildet. Im allgemeinen sind für diesen Zweck Temperaturen im Bereich voll 127 bis 177 C gut geeignet. Höhere Temperaturen werden zv/eckmässig vermieden, da dann die Gefahr besteht, dass Schv/e-• felwasserstoff freigesetzt wird. liach dem Einfüllen der schv;e-

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felhaltigen Asphaltmischung in die Form oder das Verformungswerkzeug v/ird die Mischung zweckmässig gerührt, vibriert oder gerüttelt oder in anderer Weise bewegt, um das Gemisch zu stabilisieren und den Gehalt an Hohlräumen zu verringern. Im allgemeinen soll der fertige Giess—Formteil weniger als 15 Volumenprozent und vorzugsweise weniger als 10 Volumenprozent an Hohlräumen enthalten. Falls das erfindungsgemässe Verfahren zur Herstellung von Deckschichten im Strassenbau angewendet wird, kann noch eine Glättungsbehandlung erforderlich sein, um der Oberfläche des Strassenbelages ein befriedigendes Aussehen zu verleihen.

Die Beispiele erläutern die Erfindung.

Beispiel 1

Um die verbesserten Eigenschaften von gegossenen Strassenbelägen gemäss der Erfindung aufzuzeigen, wurden vier verschiedene Belagsabschnitte mit der nachstehend in Tabelle I angegebenen Zusammensetzung hergestellt und dann mittels eines dynamischen Hochfrequenz-Prüfgerätes untersucht. Diese Methode zur Prüfung von Strassenbelägen ist in einer Arbeit mit dem Titel "Surface Wave Techniques for Measuring the Elastic Properties and Thickness of Roads: Theoretical Development," von R. Jones, in "British Journal of Applied Physics", 1962, Bd. 13, Seiten 21 bis 29, näher beschrieben. Jeder Abschnitt des Strassenbelages hat eine Länge von etwa 30,5 m und eine Breite von etwa 3,70 m. Die Binbaudicke jedes Abschnittes ist gleichfalls in eier nächst eilenden Tabelle I angegeben.

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Die Belagsabschnitte 1, 2 und 3 werden mittels einer üblichen Walzmethode verdichtet, während der Abschnitt 4- erfindungsgemäss durch Vergiessen hergestellt wird und keinem Verdichtungsdruck ausgesetzt wird.

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Tabelle I

Asphaltmischung Zusammensetzung

Messergebnisse mit dem dynamischen Prüfgerät

Dynamiscner Prüfdes Stras- sorte, fei verhält- chener sehene __3/_ cm schwin- Modulus temp.,

Abschnitt Bitumen- Schwe- Gewichts- gebro- Sand, vorge- Dichte, Dicke, Ge-

Dicke ^Cm3/S

aenbelages 15Q/2OO nis Kies Gew.-^ Gew.-% Schwefel:

	5,0	0	,65	Bitumen	X	X	15	2,400	15	der Seher- Welle in	m/Sek	X	10*	25	2149676
1	4,85	4	,5	0	X	X	10	2,476	10	1 220	9,50	X	10+	29
2	4,45	7	,2	1,0			20	2,130	19	1 030	7,00	X	10+	27
3	6,0	12	1,7		7,5	2,024	6,2	850	4,10	X	10⁵	29
4			2,0				1 400	1,10

Aus den in der vorstehenden Tabelle angegebenen Werten für die Ausbreitungsgeschwindigkeit der Seher-Welle und aus den Werten für den dynamischen Modulus ist ersichtlich, dass der erfindungsgemäss hergestellte Abschnitt 4 wesentlich bessere Eigenschaften aufweist als der Abschnitt 1, welcher in üblicher Weise unter Verwendung von Bitumen und einem gebrochenen Kies guter •Qualität hergestellt v/orden ist. Ausserdem ergibt sich aus den Tabellenwerten die Überlegenheit des erfindungsgemäss hergestellten Abschnittes 4 gegenüber den Abschnitten 2 und 3, wobei der Abschnitt 3 zwar gleichfalls aus einem entsprechenden Schwefel enthaltenden Asphaltgemisch hergestellt worden war, aber einem Verdichtungsdruck ausgesetzt wurde und niciit erfindungsgemäss unter Yergiessen der Mischung hergestellt wurde. Der Abschnitt 2 erläutert hingegen die Wirkung von elementarem Schwefel als reiner !Füllstoff.

Beispiel 2

Die ausgezeichneten Eigenschaften von erfindungsgemäss unter Vergiessen hergestellten Strassenbelägen ergeben sich auch bei einem Vergleich der Pestigkeitseigenschaften von derartigen durch Vergiessen hergestellten Belägen und von in üblicher V/eise durch Verdichten hergestellten Belägen. Die Zusammensetzung der untersuchten Strassenbeläge und die Ergebnisse der Messungen sind nachstehend in Tabelle II zusammengestellt. Die Messungen bei Temperaturen von -18 G und -1 C wurden mittels einer Instron-Prüfmasehine unter Verwendung einer Kreuzkopfgesehwindigkeit von 0,05 cm/Minute durchgeführt. Die Ergebnisse bei ■ einer Temperatur von 21°G wurden aus einer Prüfung der Kriech-

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geschwindigkeit unter Zugbeanspruchung und bei konstanter Belastung ermittelt.

Tabelle II

Gemisch Nr.	Temp., ⁰C	-1 -1 -1	Zugfestigkeit, kg/cm	Bruchd ehnun g, χ 10"⁴	Steifheit, Modulus,ρ kg/cm
5 6 7	00 00 00	21 21	29 25 26	27 - 26 22	10,7 x 10³ 9,6 χ 1O³ 11,8 χ 10³
5 6 7	24 15 18	43 34 29	5,6 xlO³ 4,4 x 10³ 6,2 χ 10³
5 7	0,8 3,1	105 21	0,08x 10⁵ 1,5 x 10³

Gemisch Nr. 5: 4,5 Gewichtsprozent eines Bitumens des Typs

150/200, 95,5 Gewichtsprozent gebrochener Kies mit einem VMA-Wert von 16,0 Volumenprozent.

Gemisch Nr. 6: 3,5 Gewichtsprozent eines Bitumens des Typs

150/200, 96,5 Gewichtsprozent gebrochener Kies mit einem VMA-Wert von 16,0 Volumenprozent.

Gemisch Nr. 7: 4,0 Gewichtsprozent Bitumen des Typs 150/200,

16,0 Gewichtsprozent Schwefel (Gewichtsverhältnis Schwefel:Bitumen =4:1) und 80 Gewichtsprozent Sand mit einem VMA-Wert von 27,0 Volumenprozent.

Die Tabellenwerte bestätigen, dass die Festigkeitseigenschaften der erfindungsgemäss vergossenen schwefelhaltigen Asphaltmi-

bei niedrigen Temperaturen schung (Gemisch Hr. 77/ebenso gut sind wie diejenigen üblicher Asphaltmischungen, welche unter Verwendung eines gebrochenen

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Kieses guter Qualität hergestellt worden sind» Bei den höheren Temperaturen sind die Vierte für die Zugfestigkeit und den Steif hexts-Modulus der erfindungsgemäss vergossenen schwefelhaltigen Asphaltmischung wesentlich besser als diejenigen der üblichen Asphaltmischungen und ausserdem zeigen die erfindungsgemässen Mischungen eine wesentlich niedrigere Bruchdehnung.

Das erfindungsgemässe Verfahren ist nicht nur anwendbar zur w Herstellung von Strassenbelägen sondern auch zur Herstellung der unterschiedlichsten ai-üoren Giess-Formteile, welche sich insbesondere für Bauzwecke eignen. Beispielsweise können derartige schwefelhaltige Gemische zu Baublöcken vergossen werden, welche dieselben Abmessungen aufweisen, wie übliche Baublöcke aus Beton. Die ohne einen Verdichtungsdruck hergestellten vergossenen Blöcke haben Eigenschaften, welche denen von üblichen Betonblöcken durchaus entsprechen.

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Claims

Pat entans prüche

1. GiesB-Formteile aus elementaren Schwefel, Bitumen und Mineralstoffteilchen enthaltenden Gemischen, dadurch gekennze ich η et, dass das Gewichtsverhältnis von Schwefel zu Bitumen mindestens einen V/ert von 1 : 1 hat und dass der Gehalt an Bitumen mindestens 3,0 Gev/ichtsprozent, bezogen auf das Gesamtgemisch, geträgt.

2. Giess—Formteile nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Gewi ent sverhä.?⁺-nis von Schwefel zu Bitumen im Bereich von 2 : 1 bis 5 : 1 liegt. ■

3. Giess-Formteile nach Anspruch 1, zur Verwendung als Strassenbelag.

4-. Giess-Formteil nach Anspruch 3, zur Verwendung als Deckschicht oder Unterschicht im Strassenbau.

5. Giess-Formteil nach Anspruch 1, zur Verwendung als Baublock.

■■%

6. Giess-Formteil nach Anspruch 1 zur Verwendung als Arbeitsbühne oder eine entsprechende lasttragende Oberfläche.

7- Verfahren zur Herstellung von Giess-Formteilen nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass man ein elementaren Schwefel, Bitumen und Mineralstoffteilchen enthaltendes Gemisch, bei dem das Gewichtsverhältnis von Schwefel zu Bitumen mindestens einen Wert von 1 : 1 hat und der Gehalt an Bitumen mindestens 3,0 Gewichtsprozent beträgt, bezogen auf das Gesamt-

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gemisch, bei einer Temperatur im Bereich, von etwa 121 bis etwa 177 G in eine Form oder ein Yerformungswerkzeug einfüllt und ohne Anwendung eines Verdi eh. tungsdruckes darin abkühlen lässt.

8. Verfahren nach Anspruch 7» dadurch gekennzeichnet, dass das in der Form oder dem Verformung sv/erkz eug befindliche Gemisch gerührt, vibriert oder gerüttelt wird.

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