DE2448936A1

DE2448936A1 - Asphalt-zement und seine verwendung

Info

Publication number: DE2448936A1
Application number: DE19742448936
Authority: DE
Inventors: Fritz S Rostler
Original assignee: Cabot Corp
Current assignee: Cabot Corp
Priority date: 1973-10-16
Filing date: 1974-10-15
Publication date: 1975-04-24
Also published as: JPS5839863B2; CA1049202A; US4094697A; GB1490366A; JPS50111117A; DE2448936C2

Description

Gzy/Ra ./Al

Cabot Corporation, 125 High Street, Boston, Massachusetts/USA

Asphalt-Zement und seine Verwendung

Die Erfindung betrifft einen Asphalt-Zement und Asphalt oder Bitumen enthaltenden Beton für Pflasterzwecke. Insbesondere betrifft die Erfindung einen neuen verstärkenden Füllstoff zur Anwendung in Asphalt-Zementen. Dieser verstärkende Füllstoff verleiht den Asphalt-Zementen und dem aus diesen hergestellten Beton erwünschte Eigenschaften.

In der 1962 erschienenen Veröffentlichung "Proceedings of the Australian Road Research Board", Band 1, Teil 2, sind zwei Aufsätze von K.G. Martin auf den Seiten 895 ff. und von A.G. Aliotti auf den Seiten 912 ff. erschienen. Die Verfasser behandeln den Zusatz von Ruß, der zum Verstärken von Kautschuk geeignet ist, zu Asphalt-Zementen und Beton, und hoffen, daß ein solcher Zusatz Vorteile mit sich bringt. Die Versuchsergebnisse von Martin bei Verwendung von Pellets aus zur Verstärkung von Kautschuk geeignetem Ruß führen aber zu dem Schluß, daß die ursprünglich erwarteten Vorteile nicht eingetreten waren oder nur so gering waren, daß sie keine große Bedeutung haben. Martin schließt ferner, daß die optimalen Mengen des verwendeten Rußes bei etwa 3 Gewichtsteilen Ruß je 100 Gewichtsteile Asphalt-Zement liegen. Versuche zur Ver-

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Wendung größerer Mengen von Ruß und zur Zugabe größerer Mengen eines Öles, unabhängig von dem Ruß, führten zu dem Schluß, daß bei Verwendung eines aromatischen Öles zur Erleichterung der Dispersion diese verflüssigende Wirkung des Öles auf das Bitumen die durch den Ruß erreichten Vorteile zunichte machen. Der Aufsatz von Aliotti behandelt lediglich in kurzer Form die Geschichte, die Herstellungsverfahren und die Eigenschaften von Ruß, wobei der Verfasser annimmt, daß das Einverleiben von Ruß in Asphalt-Zemente gewisse günstige Wirkungen haben könnten. Der Verfasser offenbart aber nicht oder schlägt auch nicht vor, wie diese günstigen Ergebnisse erzielt werden können. Er stellt lediglich fest, daß Versuche hierüber gefördert werden müßten.

Die Erfindung betrifft einen Ruß enthaltenden verstärkenden Füllstoff, welcher Asphalt-Zementen oder solche enthaltende bituminöse oder asphaltische Betone für Pflasterzwecke weitgehend verbessert.

Aufgabe der Erfindung ist ein neuer verstärkender Füllstoff für Asphalt-Zemente und Betone. Eine weitere Aufgabe der Erfindung sind Asphalt-Zemente mit einer geringeren Empfindlichkeit gegen Temperaturänderungen und mit einer verbesserten Dauerhaftigkeit. Eine weitere Aufgabe der Erfindung sind asphaltische oder bituminöse Betone mit einem verbesserten Widerstand gegen Abrieb, einer verbesserten Zähigkeit und einer verbesserten Zugfestigkeit und Druckfestigkeit.

Der erfindungsgemäße verstärkende Füllstoff besteht aus einem Gemisch von Ruß mit einer BET-N_o-0berflache von wenigstens kO m /g und einem Absorptionswert für Dibutylphthalat von

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wenigstens 60 cnr/lOO g und von einem mit Asphalt mischbaren Petroleumöl. Dieses Öl ist bei Temperaturen unter 165°C praktisch nicht flüchtig. Das Gewichtsverhältnis von Ruß zu Öl liegt zwischen 100:5 und 60:40. Die erfindungsgemäßen Asphalt-Zemente bestehen aus einem Asphalt-Zement, in welchem der erfindungsgemäße Füllstoff in einer solchen Menge dispergiert ist, daß auf 100 Gewichtsteile des Asphalt-Zements zwischen etwa 10 und etwa 70 Gewichtsteile Ruß entfallen. Die daraus hergestellten Betone oder Mörtel enthalten außer den erfindungsgemäßen Asphalt-Zementen noch zusätzlich ein mineralisches Aggregat.

Der erfindungsgemäß in dem verstärkenden Füllstoff enthaltene Ruß hat, wie schon gesagt, eine Oberfläche von mehr als etwa 40 m /g, bestimmt nach dem Verfahren von Brunauer-Emmett-Teller und einen Äbsorptionswert für Dibutylphthalat von mehr als etwa 60 cm^/lOO g, bestimmt nach dem Verfahren gemäß ASTM D 2414-72.

Das Verfahren zur Bestimmung der gesamten Oberfläche von Ruß unter Verwendung der Isothermen der Adsorption von Stickstoff nach Brunauer-Emmett-Teller ist bekannt. Das Verfahren ist beschrieben in der Zeitschrift "Journal of the American Chemical Society", Band 60 (1938), Seite 309. Bevorzugt ist ein solcher erfindungsgemäßer Ruß, der eine BET-N_o-0berflache

2 von wenigstens etwa 70 m /g hat.

Die Bestimmung des Absorptionewertes für Dibutylphthalat bei Ruß wird so bestimmt, daß dem zu prüfenden Ruß zunehmende Mengen von Dibutylphthalat zugesetzt werden, bis er nicht mehr

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ein frei fließendes Pulver, sondern ein halbplastisches Agglomerat wird. Hierbei wird dieser Absorptionswert ausgedrückt in cm Dibutylphthalat je 100 g Ruß. Ein bevorzugter erfindungsgemäßer Ruß hat einen Absorptionswert für Dibutylphthalat von wenigstens etwa 100 cnr/lOO g·

Das jeweilige Verfahren, nach welchem der erfindungsgemäß zu verwendende Ruß hergestellt wird, ist von geringer Bedeutung. Notwendig ist es lediglich, daß der Ruß die angegebene BET-N₂-Oberfläche und den angegebenen Absorptionswert für Dibutylphthalat hat. Es können also Ruße verwendet werden, die nach dem sog. Kanalverfahren hergestellt sind, Ölruße, Gasruße, Detonationsruße, Ruße, die im thermischen Plasma hergestellt sind, im Lichtbogen, oder aus Acetylen gewonnen sind. Alle diese Ruße können geeignet sein. Weitere Angaben über die industrielle Herstellung von Ruß finden sich in dem Buch von Kirk-Othmer "Encyclopedia of Chemical Technology", 2. Ausgabe, Band h, (1964), Seiten 243 bis 282.

Der erfindungsgemäße verstärkende Füllstoff soll ein Öl enthalten, das den Asphalt-Zement löst und bei i65°C praktisch nicht flüchtig ist. Wenn das Gewichtsverhältnis von Ruß zu Öl unter etwa 85:15 liegt, so soll das Öl vorzugsweise einen Gehalt an gesättigten Kohlenwasserstoffen von weniger als etwa 30 Gewichtsprozent enthalten. Solche Öle werden üblicherweise bei der Bearbeitung von Asphalten als Lösungsmittel verwendet, und in der Kautschukindustrie als Extenderöle oder Verfahrenshilfsmittel.

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Ein geeignetes Verfahren zur Analyse von Ölen und Asphalten, das auch bei dem Gegenstand der Erfindung angewendet werden kann, findet sich in ASTM D2OO6-7O. Dieses Verfahren ist ausgearbeitet worden als Modifikation und direkter Ersatz für ein Verfahren, das von Rostler-Sternberg in der Zeitschrift "Industrial and Engineering Chemistry", Band hl (19^9)» Seiten 598 bis 608, beschrieben ist. Nach dem im ASTM beschriebenen Verfahren wird das Petroleumöl oder der Asphalt zu fünf einzelnen Fraktionen aufgespalten:

(1) Asphaltene (hier als "Fraktion A" bezeichnet) - Der Gehalt des Öles an in 50 Volumenteilen von n-Pentan unlöslichen Bestandteilen in Gewichtsprozent.

(2) Polare Verbindungen oder Stickstoff-Basen (hier als "Fraktion N" bezeichnet) - Der Gehalt des Öles, der in Pentan löslich ist und mit kalter 85 %iger Schwefelsäure reagiert, in Gewichtsprozent.

(3) Erste Acidaffine (hier als "Fraktion A " bezeichnet) Der Gehalt des Öles an Bestandteilen, die nicht mit kalter 85 $iger Schwefelsäure reagieren, aber mit kalter konzentrierter 97 bis 98 foiger Schwefelsäure reagieren,in Gewichtsprozenten.

(k) Zweite Acidaffine (hier als "Fraktion A₂" bezeichnet) Der Gehalt des Öles an Bestandteilen, die nicht mit kalter konzentrierter Schwefelsäure reagieren, aber mit kalter rauchender Schwefelsäure mit 30 % freien S0„ reagieren, in Gewichtsprozenten.

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(5) Gesättigte Kohlenwasserstoffe (hier als "Fraktion P" bezeichnet) - Der Gehalt des Öles an Bestandteilen, die nicht mit kalter rauchender Schwefelsäure reagieren.

Für den Zweck der Erfindung können die Fraktionen A, N, A. und A_ als praktisch ungesättigt angesehen werden. Das erfindungsgemäß zu verwendende Öl sollte also die Fraktion P in einer Menge von weniger als etwa 30 Gewichtsprozent enthalten, damit die Grenzen für die gesättigten Kohlenwasserstoffe eingehalten werden.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung entspricht die Zusammensetzung des verwendeten Öles der Formel

CR = (N + A₁) / (P +

wobei der Wert für CR zwischen 0,2 und 1,7» vorzugsweise zwischen 0,4 und 1,4, liegt.

Zu den Ölen sei bemerkt, daß zahlreiche der Extender-Öle, die bei der Verarbeitung von Asphalt verwendet werden, niedrig viskose Asphalte mit einem geringen Gehalt an Asphaltenen « (Fraktion A) sind, oder daß sie Öle sind, die von Asphalten hoher Viskosität abgetrennt sind als sog. "Maltene" oder in Pentan lösliche Fraktionen davon. Solche aus Asphalten gewonnene Öle sind im allgemeinen sehr verträglich mit Asphalt-Zementen und in der Regel wirtschaftlich attraktiv. Dementsprechend werden bevorzugterweise Asphalte niedriger Viskosität und Maltene als ölige Bestandteile des erfindungsgemäßen verstärkenden Füllstoffs bevorzugt.

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Das Gewichtsverhältnis von Ruß zu Öl in den erfindungsgemäßen Füllstoffen kann innerhalb weiter Grenzen zwischen den Verhältnissen 100:5 und 60:40 schwanken. Das genaue Gewichtsverhältnis von Ruß zu Öl für einen gegebenen Asphalt-Zement oder Asphalt-Beton hängt in der Regel von solchen Umständen ab wie von den jeweiligen verwendeten Ölen und Rußen, von dem jeweiligen Asphalt-Zement, in welchem der Füllstoff dispergiert werden soll, von der Art und dem Ausmaß der Verbesserungen oder Änderungen der Eigenschaft in dem Asphalt-Zement oder in dem Beton, und dergleichen. Das genaue Gewichtsverhältnis von Ruß zu Öl unter den gegebenen Umständen wird am besten so festgestellt, -daß alle erwähnten Umstände in Betracht gezogen werden. Dieses Verhältnis kann in der Praxis leicht gefunden werden.

Ein allgemeiner Vorteil der Erfindung besteht darin, daß die Änderung der Konsistenz eines Asphalt-Zementes in Abhängigkeit von der Temperatur, die unter der Bezeichnung der Temperaturempfindlichkeit bekannt ist, häufig deutlich verringert wird durch Einarbeiten der erfindungsgemäßen Füllstoffe. Das ist besonders dann der Fall, wenn das Öl des verstärkenden Füllstoffes weniger als etwa 3 Gewichtsprozent an kristallinen Wachsen enthält.

Für bestimmte Zwecke sind zwei Bereiche für die Gewichtsverhältnisse von Ruß zu Öl als bevorzugt für die erfindungsgemäßen verstärkenden Füllstoffe festgestellt worden. In dem ersten Falle, wobei der erfindungsgemäße verstärkende Füllstoff ein Gewichtsverhältnis von Ruß zu Öl zwischen den Werten 75t25 und 65:35 liegt, wurde gefunden, daß der verstärkende Füllstoff in die Asphalt-Zemente eingearbeitet werden kann

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in den angegebenen Mengen, ohne daß die Konsistenz des als Ausgangsstoff dienenden Asphalt-Zementes hinsichtlich der Eindringung und/oder der Viskosität schädlich geändert wird. Andererseits, wenn der als Ausgangsstoff dienende Asphalt-Zement eine sehr geringe Viskosität hat oder wenn er bei hohen Temperaturen sehr weich ist, so wird vorzugsweise ein erfindungsgemäßer verstärkender Füllstoff verwendet mit einem höheren Gewichtsverhältnis von Ruß zu Öl im Bereich zwischen etwa 100:5 und etwa 85:15. Das kann zu einer beträchtlichen und erwünschten Versteifung des Asphalt-Zementes führen, insbesondere bei hohen Temperaturen. Diese verstärkten Asphalt-Zemente und Betone können besonders bei hohen Temperaturen als Pflasterung verwendet werden.

In jedem Falle müssen die Bestandteile des Füllstoffes, der Ruß und das Öl, homogen miteinander gemischt sein, bevor sie in den Asphalt-Zement eingearbeitet werden. Anderenfalls kann eine gute Dispersion des Rußes in dem Asphalt-Zement nicht erreicht werden. Das getrennte Einarbeiten von Ruß und Öl in den Asphalt-Zement führt nicht zum gewünschten Erfolg, sondern zu einer deutlichen Verschlechterung von wenigstens einigen der sonst durch die Erfindung erzielbaren Vorteile. Dieses homogene Mischen des Öles mit dem Ruß zur Bildung des verstärkenden Füllstoffes gemäß der Erfindung kann leicht durch das übliche Mischen und Rühren erreicht werden. Vorzugsweise erhitzt man zunächst das Öl und versprüht es dann auf ein gerührtes Bett des Rußes.

Der erfindungsgemäße verstärkende Füllstoff kann in flockiger Form verwendet werden. Zur leichteren Handhabung und zum Trans-

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port ist es aber vorzuziehen, daß dieser Füllstoff in die Form von Pellets gebracht wird, deren scheinbare Dichte erheblich geringer ist als die von Flocken. Die Herstellung solcher Pellets kann leicht durchgeführt werden durch Bearbeiten des homogenen Gemisches von Öl und Ruß in einer Trommel während einer so langen Zeit, daß hierbei die Pellets entstehen. Es ist ferner hinsichtlich der guten Qualität des Endproduktes und des optimalen Verhaltens des Asphalt-Zementes wünschenswert, daß die Pellets eine Bruchfestigkeit von weniger als etwa 20 g haben. Dieser Wert kann festgestellt werden durch Verwendung eines Pellet-Testers nach Sweigart, Modell 5, Technical Service Shop, Borger, Texas. Weiterhin sollte die scheinbare oder Schüttdichte der Pellets in der Regel unter etwa 0,48 g/cm liegen. Diese scheinbare Dichte kann nach der Vorschrift des ASTM D 1513-60 festgestellt werden. Bei Einhaltung dieser Bedingungen wird ein verstärkender Füllstoff in Form von Pellets erhalten, der ein gutes Schüttgewicht hat, leicht zu handhaben ist und nicht staubt, und welcher zusätzlich leicht dispergierbar ist in dem Asphalt-Zement und Beton.

Erfindungsgemäß brauchbare Asphalt-Zemente sind in der Regel solche Asphalte oder bituminöse Binder, die üblicherweise bei der Herstellung von Asphalt-Beton für Pflasterzwecke verwendet werden. Fachleute wissen, daß solche Asphalt-Zemente nicht destillierbare und hochsiedende Rückstände von Erdölfraktionen sind, die aus in n-Pentan nicht löslichen Asphaltenen bestehen. Hierzu gehören natürlich auch Asphalt-Zemente, die in der Natur in Erden vorkommen öder die aus rohem. Erdöl durch Destillation abgetrennt sind, oder Erdölfraktionen sind. Geeignete Asphalt-Zemente können auch hergestellt werden durch Mischen solcher

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Erdölfraktionen mit Rückständen von anderen Asphalt-Zementen.

Die Beurteilung der verschiedenen Asphalt-Zemente für Zwecke der Pflasterung beruht im wesentlichen auf ihrer Konsistenz. Diese wird üblicherweise gemessen durch den Eindringungswert bei 25°C gemäß ASTM D 5-65. Man kann aber auch die Peststellung der Konsistenz durchführen durch Messung der Viskosität dieser Asphalt-Zemente bei 6O⁰C gemäß ASTM D 2171-66.

In der Regel wird der erfindungsgemäße Füllstoff in dem Asphalt-Zement in solchen Mengen dispergiert, daß auf 100 Gewichtsteile des Asphalt-Zementes zwischen etwa 10 und etwa 70 Gewichtsteile Ruß entfallen. Vorzugsweise enthält der Asphalt-Zement je 100 Gewichtsteile zwischen etwa 10 und 30 Gewichtsteile Ruß. Innerhalb des letzteren bevorzugten Bereiches bleibt die Konsistenz des Asphalt-Zementes etwa die gleiche, insbesondere dann, wenn das Gewichtsverhältnis von Ruß zu Öl in dem Füllstoff innerhalb des Bereiches zwischen 75:25 und 65:35 liegt.

Das Einarbeiten des erfindungsgemäßen verstärkenden Füllstoffes in den Asphalt-Zement kann in beliebiger geeigneter Weise geschehen. Der Füllstoff kann in dem Asphalt-Zement für sich eingearbeitet werden, oder man kann ihn dann zugeben, wenn der Asphalt-Beton hergestellt wird, d.h. dann, wenn das mineralische Aggregat und andere mineralische Füllstoffe eingearbeitet werden, um das zum Pflastern vorgesehene Gemisch herzustellen. In der Regel genügt es, wenn der erfindungsgemäße verstärkende Füllstoff in den Asphalt-Zement dann eingearbeitet wird, wenn der endgültige Beton oder Mörtel hergestellt wird. Man kann also den erfindungsgemäßen Füllstoff zusammen mit dem Asphalt-Zement, mit dem Aggregat oder anderen Füllstoffen zusammen in

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eine übliche Knetmühle oder ähnliche Mischvorrichtungen einbringen, die entweder in der Kälte mischen oder in einer Trommel, wobei eine mäßige Wärme angewendet wird, um den Asphalt-Zement zu verflüssigen. Ein weiterer Vorteil durch Zugabe des verstärkenden Füllstoffes zu dem Gemisch für den Beton an Stelle zu dem Asphalt-Zement für sich besteht darin, daß das zugegebene Mineralaggregat wesentlich dazu beiträgt, den Füllstoff in dem Asphalt-Zement zu dispergieren. Um noch weiterhin das Mischen der Bestandteile bei der Herstellung des Asphalt-Zementes oder des Betons zu erleichtern, kann der Asphalt-Zement verflüssigt werden, z.B. durch Erwärmen, durch Lösen oder durch Emulgieren, bevor der verstärkende Füllstoff zugesetzt wird.

Der verbesserte Asphalt-Beton oder Mörtel gemäß der Erfindung enthält also außer dem Asphalt-Zement und dem verstärkenden Füllstoff aus Ruß und Öl wenigstens einen größeren Bestandteil, nämlich das Mineralaggregat. Mit dem Ausdruck "Aggregat" werden hier die üblichen Bestandteile bezeichnet, d.h. beispielsweise Steinsplitter und Sand. Diese Bestandteile unterscheiden sich durch ihre Körnung. Die Steinsplitter haben in der Regel Teilchendurchmesser von mehr als etwa 2,4 mm. Sand hat Teilchendurchmesser zwischen etwa 2,4 und etwa 0,075 mm. Die nachstehenden Definitionen sind dem Buch "The Asphalt Handbook", herausgegeben vom Asphalt Institute, Ausgabe von April 1965, Seite 10, entnommen, und können besonders im Rahmen der vorliegenden Erfindung verwendet werden:

Grobes Aggregat - Teilchendurchmesser von mehr als 2,4 mm Feines Aggregat - Teilchendurchmesser von weniger als 2,4 mm.

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Die erfindungsgemäßen Betone oder Mörtel können noch weitere Stoffe erhalten, die üblicherweise :zugesetzt werden. Dazu gehören beispielsweise mineralische Füllstoffe, die zwar zu der Wirkung der erfindungsgemäßen Füllstoffe nicht beitragen, aber brauchbar sind, und hier erwähnt werden, zum Vergleich mit den erfindungsgemäßen Füllstoffen.Mineralische Füllstoffe sind bekannt. Hier zu wird verwiesen auf das Buch " The Asphalt Handbook, a.a.O., Seite 14, wo es heißt:

Ein fein verteiltes mineralisches Produkt, von dem wenigstens 65 % einen perligen Durchmesser von weniger als 0,075 mm haben. Pulverförmiger Kalkstein ist der am meisten hergestellte Füllstoff, obwohl auch anderer Steinstaub, gelöschter Kalk, Portland-Zement und gewisse andere natürliche Vorkommen von fein verteilten Mineralien verwendet werden."

Weitere Arten von üblicherweise verwendeten mineralischen Füllstoffen in Asphalt-Beton sind in ASTM D 242-70 beschrieben. Dazu gehören Schlackenstaub, Flugasche und Löss. Die mineralischen Füllstoffe sind leicht zu unterscheiden von den erfindungsgemäß verwendeten Rußen durch ihre im allgemeinen verhältnismäßig geringe BET-N_o-0berfläche von weniger als 30 m /g, durch die Abwesenheit von elementarem Kohlenstoff, und durch die Tatsache, daß sie in der Regel hydrophil und lipophob sind. Demgegenüber sind die erfindungsgemäß verwendeten Ruße gekennzeichnet durch eine

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verhältnismäßig große BET-Ng-Oberflache, dadurch, daß sie fast vollständig aus elementarem Kohlenstoff bestehen, und durch die Tatsache, daß sie verhältnismäßig hydrophob und lipophil sind.

Das Mengenverhältnis von Aggregat und Asphalt-Zement gemäß der Erfindung in Asphalt-Beton kann innerhalb weiter, an sich bekannter Grenzen schwanken. Das Verhältnis von Aggregat und Asphalt-Zement spielt hierbei eine geringe Rolle. Richtlinien für solche Mengenverhältnisse sind in dem Buch "Manual on Design and Construction of Asphalt Roads and Streets¹,¹ herausgegeben von Asphalt Institute, Pacific Coast Division, (1952) enthalten.

Dort ist die Formel enthalten:

p=4R+7S+12F.

Hierin bedeutet P den Gewichtsgrundteil des Asphalt-Zements in 100 Gewichtsteilen des Aggregats, einschließlich der mineralischen Füllstoffe. R bedeutet die Gewichtsteile des groben Aggregats mit einem Teilchendurchmesser von mehr als 2,4 mm. S bedeutet den Gewichtsanteil von Sand oder feinen Füllstoffen mit Teilchendurchmessern zwischen 0,15 und 2,4 mm. F bedeutet den Gewichtsanteil der mineralischen Füllstoffe mit Teilchendurchmessern von weniger als 0,15 mm, wobei in der größeren Menge Teilchendurchmesser von weniger als 0,075 mm hat.

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Eine andere Formel für die Berechnung des Asphalt-Zements ist in dem Asphalt Institute Manual No. 14, " Asphalt Mixed-in-Place (Road-Mix) Manual" (MS-14), Seiten 9 und 10 enthalten. Diese Formel lautet:

ρ = 0,02a + 0,07b + 0,15c + 0,2Od.

Hierbei bedeutet ρ den Gehalt an Asphaltmaterial in Gewichtsprozent, bezogen auf das trockene Aggregat, a bedeutet die Gewichtsprozente des mineralischen Aggregats mit Teilchendurchmessern von mehr als 0,3 mm. b bedeutet den Prozentgehalt des mineralischen Aggregats mit Teilchendurchmessern zwischen 0,15 und 0,3 mm. c bedeutet den Prozentgehalt des mineralischen Aggregats mit Teilchendurchmessern zwischen 0,075 und 0,15 mm. d bedeutet den Prozentgehalt des mineralischen Aggregats mit Teilchendurchmessern unter 0,075 mm.

Nachstehend einige beispielsweise Ausführungsformen der Erfindung mit Angaben über die hiermit erzielten Vorteile.

Herstellung der Muster und Analysenverfahren

Herstellung der Muster von Asphalt-Mörtel. Das verwendete Laboratoriumsverfahren entsprach demjenigen, das Industriell verwendet wird. Drei bis sechs Minuten lang wurden von Hand gemischt 100 Gewichtsteile eines Ottawa-Sandes mit Teilchendurchmessern zwischen 0,59 und 0,84 mm mit zwei Gewichtsteilen

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des Asphalt-Zementes. Weitere Bestandteile waren vorgewärmt und wurden während des Mischens bei etwa 175°C gehalten. Wenn verstärkende Füllstoffe, Extender-Öle oder Mischungen davon verwendet wurden, so wurden sie in den angegebenen Mengen vor dem Mischen des Asphalt-Zements mit dem Sand zugegeben.

Abriebprüfung der Pellets

Für diese Prüfung wurden zylindrische Muster des Gemisches aus Asphalt und Sand von bekanntem Gewicht hergestellt. Zwei +0,1 g des Gemisches wurden in einer Form mit einem Durchmesser von etwa 13 mm gebracht und etwa eine Minute lang mit einem Druck von 70 kp/cm zusammengepreßt. Das erhaltene zylindrische Muster wurde in eine Flasche mit einem quadratischen Querschnitt und einem Verfassungsvermögen von etwa 500 g gebracht. Dann ließ man die Flasche kontinuierlich um ihre Längsachse mit einer konstanten Umdrehungsgeschwindigkeit von 87,5 Umdrehungen je Minute bei einer bestimmten geregelten Temperatur rotieren. Nach 500 Umdrehungen wird der größere Teil des verbleibenden Musters entfernt und gewogen. Der vollständige Zerfall des Musters bedeutet im anderen Falle den Abschluß des Versuches. Gerechnet wird der Gewichtsverlust des Musters in Abhängigkeit von der Anzahl der Umdrehungen, welche erforderlich waren, um diesen Gewichtsverlust zu erzielen. Der entsprechende Wert wird also ausgedrückt in mg Gewichtsverlust je Umdrehung der Flasche. Dieses Verfahren ist vollständig beschrieben in der Zeitschrift Public Roads, Band 34, (1966) Nr. 2, Seiten 17 ff.

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Zähigkeit des Asphalt-Betons

Diese Eigenschaft wird bestimmt, wenn durch die oben beschriebenen Versuche über die Abriebfestigkeit über einen ganzen Bereich von Temperaturen. Tatsächlich mißt dieses Verfahren die Schlagfestigkeit des Musters und ist daher ein Hinweis auf die Zähigkeit des Apshalt-Betons oder des Asphalt-Mörtels. Dies trifft besonders dann zu, wenn Muster einer gegebenen Zusammensetzung auf ihre Abtriebbeständigkeit bei verschiedenen Temperaturen nach dem Altern und der bestimmten Bedingungen untersucht werden.

Beispiel 1 Herstellung der Muster von Asphalt-Zement

Um festzustellen, ob die erfindungsgemäßen Asphalt-Zemente wenig temperaturempfindlich sind, wurden Asphalt-Zemente ohne mineralische Füllstoffe hergestellt. Hierzu wurden die in der Tabelle 1 genannten Bestandteile fünf Minuten lang in einem Mischer nach Waring Blendor gemischt, dessen Behälter erwärmt werden konnte. Die Bestandteile des jeweiligen Asphalt-Zements jeden Musters wurden auf etwa 165⁰C vorerwärmt. Der Behälter der Mischvorrichtung wurde ebenfalls so weit erwärmt, daß die darin enthaltenen Bestandteile während des ganzen Mischens eine Temperatur von etwa 165°C hatten.

Bestimmung der Eindrlngungswerte

Zu Bestimmung der Temperaturempfindlichkeiten der Muster wurden die Eindringungswerte von drei Mustern bei Temperaturen

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von 4⁰C, 25⁰C und 32⁰C festgestellt. Diese Bestimmungen wurden gemäß ASTM D 5-65 durchgeführt. Gewichte der Kegel und die Eindringungszeiten sind in der Tabelle 1 enthalten.

Es sei schon hier bemerkt, daß Asphalt-Zemente mit dem erfindungsgemäßen verstärkenden Füllstoff Eindringungswerte bei 4⁰C und 32⁰C haben, die den Werten bei 25⁰C weit näher liegen, als bei den Vergleichsmustern ohne Füllstoff. Die geringeren Temperaturempfindlichkeiten der erfindungsgemäßen Asphalt-Zemente sind günstig bei der Herstellung von Asphalt-Beton zum Pflastern und beim Auslegen dieses Betons.

- 18 -

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- 18 a b e 1 1

Zusammensetzung des Musters des Asphalt-Zements

Asphalt mit Eindringungswerten von 60-70 bei 25°C Gewichtsteile,

Asphalt mit Eindringungswerten von 85-100 bei 25°C Gewichtsteile,

Verstärkender Füllstoff aus einem Gemisch von

15 Gewichts-Vergleichsmuster

100

Z^ 85 Gewichtsteilen Ruß ECF

^¹ teilen Öl S ^ Gewichtsteile,

Verstärkender Füllstoff aus einem Gemisch von 88 Gewichtsteilen Ruß ECF

(D

teilen Öl S

(2)

und 12 Gewichts-

Gewichtsteile Vergleichs muster

100

31

Eindringungswerte nach ASTM D 5-65 4⁰C, 200 g., 60 see.
25⁰C, 100 g., 5 see.
32⁰C, 50g., 5 see.

20	38	27	47
63	65	100	97
96	82	153	131
			244
			8936

(1) Ein elektrisch leitender flockiger Ofenruß, Vulkan

XC-72R, mit einer BET-No-Oberfläche von 220 m²/g und

einem Absorptionswert für Dibutylphthalat von 230 cnr'/ 100 g.

(2) Ein hochsiedendes lösendes Petrol«umöl der nachstehenden Zusammensetzung in Gewichtsprozent:

A = O; N = 5,8; A₁ = 31,8; A_£ = 49,4; P = 13,0; N+A₁ /P+A₂ =0,60

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Beispiel 2

Verschiedene Muster von verstärkenden Füllstoffen aus Ruß und Öl wurden hergestellt durch Rühren eines Bettes von flockigem Ruß, auf welchen das Öl gesprüht wurde. Verwendet wurde ein Ofenruß HAF, Elftex 5, der Cabot Corporation, Boston, Massachusetts, mit einer BET-N_o-0berfläche von etwa 74 m /g und einem Absorptionswert für die Dibutylphthalat von etwa 140 cnr/100 g. Verschiedene in der Tabelle II angegebene Öle wurden verwendet. In jedem Fall bestanden die Muster des verstärkenden Füllstoffes aus 65 Gewichtsteilen Ruß und 35 Gewichtsteilen Öl. Jeder dieser Mischungen wurden in einem Rollfaß zu Pellets verarbeitet.

In der oben angegebenen Art wurden dann Muster von Asphalt-Mörtel hergestellt. 25 Gewichtsteile des pelletisieren verstärkenden Füllstoffes aus Ruß und Öl wurden in 100 Gewichtsteile des Asphalt-Zements eingearbeitet. Zusammen mit 5000 Gewichtsteilen des Ottawa-Sandes. Dabei entstand ein Muster des Mörtels, die je 100 Gewichtsteile des Asphalt-Zementes etwa 16 Gewichtsteile Ruß enthielten. Der verwendete Asphalt war ein "Valley"-Asphalt mit einem Eindringungswert von 58 bei 25⁰C. Zum Vergleich wurden andere Asphalt-Mörtel hergestellt, welche (1) keinen verstärkenden Füllstoff enthielten und (2) bei welchen der verstärkende Füllstoff aus einem handelsüblichen ölfreien Ruß HAF, Vulkan 3, in Form von Pellets bestand.

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Muster aus Asphalt-Mörtel in Form von Pellets wurden dann aus jeder Mischung hergestellt und auf ihre Abriebbeständigkeit und Zähigkeit nach den oben beschriebenen Verfahren geprüft. Die Ergebnisse sind in der Tabelle II enthalten.

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Tabelle II

Nr. des
Musters

Zusammensetzung des verstärkenden Füllstoffes

mittlere Schutt-Härte der gewicht, Pellets in in g/cnr g gemäß nach ASTM Sweigart D-1513-60

Abriebverlust, mg/U

bei 10"C

ungeal- 7 Tage
tert gealtert

bei 25 C

ungeal- 7 Tage tert gealtert

keiner (Vergleichsmuster) —

Pellets aus HAF-Ruß
(Vergleichsmuster) 27

65 Teile HAF-Ruß und

35 Teile Öl C^¹^ in Form

von Pellets 5,2

65 Teile HAF-Ruß und

35 Teile Öl IIC^ in

Form von Pellets 18,1

65 Teile HAF-Ruß und

35 Teile Öl FS-B^ in

Form von Pellets 11,3

65 Teile HAF-Ruß und

35 Teile Öl 790^) in

Form von Pellets 12,4

0,37

0,43

0,45

0,44

0,47 14,7
33,6

3,41
5,03
5,38
4,10

42,3
56,3

5,37
8,84

13,6
10,1

1,24

3,28

0,13

0,44

0,25

0,37

3,66

8,91

0,96

0,90

1,73

OO

col,32 co

(1) Ein Extender-Öl nach ASTM D-2226, Typ iOi mit nachstehender Zusammensetzung in Gewichtsprozent:

A = O; N= 17,1; A₁ = 19,9; A₂ = 49,7; P = 13,3; N+A_jL/P+A₂ = 0,59.

(2) Asphalt niedriger Viskosität mit nachstehender Zusammensetzung in Gewichtsprozent:

A = 1,2; N = 17,7; A_± = 20,1; A_g = 48,1; P = 12,9; = 0,62.

(3) Ein Petroleumöl, das üblicherweise als Ausgangsstoff für die Herstellung von Ofenruß verwendet wird, mit nachstehender Zusammensetzung in Gewichtsprozent:

A=O; in Pentan unlösliche Nicht-Asphaltene = 5,4;

N = 17,4; A₁ = 44,2; A_g = 21,6; P = 11,4; Ν+Α_±/Ρ+Α₂ = 1,87

(4) Ein Extender-Öl nach ASTM D-2226, Typ 102, mit nachstehender Zusammensetzung in Gewichtsprozent:

A = 0; N = 9,8; A_± = 18,0; A_g = 50,7? P = 21,5; N+A_±/P+A₂ =0,38.

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Beispiel 3

Verschiedene Muster von Asphalt-Mörtel wurden hergestellt, die bei Verwendung verschiedener Asphalt-Zemente erfindungsgemäße verstärkende Füllstoffe enthielten. Der hierbei verwendete verstärkende Füllstoff ist ein Gemisch aus 67 Gewichtsteilen des flockigen Ölrußes HAF nach Beispiel 2 und 33 Gewichtsteilen von Öl C nach Beispiel 2. Der Asphalt-Zement V ist ein Valley-Zement mit einem Eindringungswert von 58 bei 25°C. Asphalt B ist ein Boscan-Asphalt mit einem Eindringungswert von 64 bei 25°C„ Der Asphalt-Zement A ist ein Arkansas-Asphalt mit einem Eindringungswert von 65 bei 25⁰C. Der Asphalt-Zement C ist ein kanadischer Asphalt mit einem Eindringungswert von 63 bei 25°C. Weitere Angaben über die physikalischen und chemischen Eigenschaften dieser Asphalt-Zemente sind in dem Report Nr. FHWA-RD-72-18 von F.S. Rostler und K.S. Rostler, November 1971, beschrieben. Dieser Bericht kann bezogen werden von den National Technical Information Service, Springfield, Virginia 22151. Die Pellets aus dem Asphalt-Mörtel wurden auf ihren Abrieb geprüft. Die hierbei erhaltenen Ergebnisse, auch im Vergleich der Ergebnisse von entsprechenden Mörteln ohne verstärkenden Füllstoff und mit einem etwas höheren Gehalt an Asphalt-Zement als Ersatz für den nicht vorhandenen Füllstoff sind in der Tabelle III enthalten.

Tabelle III

Versuchsart

Füllstoff aus Ruß und Öl in g/100 g Sand

Asphalt-Zement g/100 g Sand

Abriebverlust, mg/U

t>ei 10^uC

ungeal- 7Tage tert gealtert

bei 25 C

ungeal- 7 Tage tert gealtert

O
CD
OO

V (Valley-Asphalt,
Vergleichsmuster)

B (Boscan-Asphalt,
Vergleichsmuster)

A (Arkansas-Asphalt, Vergleichsmuster)

C (kanadischer-Asphalt, Vergleichsmuster)

0,43

2	11,0	23,8	0,60	3,40	If
1,70	5,89	8,37	0,46	2,83
2	8,95	32,9	1,43	4,77
1,70	4,07	13,1	0,84	2,52
2	3,14	3,45	0,007	0,049
1,70	2,26	3,66	0,007	0,016	fO -P- -P- CXD CD CO CD
2	6,87	14,2	0,64	2,37
1,70	4,21	10,1	0,09	1,07

Beispiel k

Bei diesen Beispielen wurde ein verstärkender Füller aus Öl und Ruß in Form von Pellets verwendet, der Ruß und Öl im Gewichtsverhältnis von etwa 100:5 enthielt, eine scheinbare Dichte von 0,26 g/cnr und eine mittlere Festigkeit der Pellets von etwa 9 g hatte. Als Ruß wurde ein HAF-Ruß mit einer BET-N_o-0berfläche von etwa lh m /g und einem Absorptionswert für Dibutylphthalat von etwa 148 cm /lOO g verwendet. Als Öl wurde das Öl Coray hO verwendet, ein raffiniertes naphtenisches Öl der Humble Oil and Refining Company, Houston, Texas. Verschiedene Muster des Asphalt-Zements wurden nach dem Verfahren des Beispiels i hergestellt, welche den verstärkenden Füllstoff in verschiedenen Mengen enthielten. Als Ausgangsmaterial wurden verschiedene San Joaquin Valley Asphalte verwendet. Die nachstehende Tabelle IV enthält Vergleichsdaten über das reologische Verhalten und die Erweichungspunkte von verstärkten Asphalt-Zementen im Vergleich mit diesen Eigenschaften der als Ausgangsstoffe verwendeten Asphalt-Zemente.

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Aus den oben beschriebenen Asphalt-Zementen und dem Öl und Ruß enthaltenden Füllstoff in Form von Pellets wurden Muster von Asphalt-Betonen hergestellt. Jedes Muster enthielt ein Gemisch aus Granitsplittern mit Teilchendurchmessern bis zu etwa 13 mm, und zwar auf 5,5 Gewichtsteile Asphalt-Zement 100 Gewichtsteile des Aggregates, und je 100 Gewichtsteile des Asphalt-Zementes 15 Gewiehtsteile des verstärkenden Füllstoffes. Aus jeder dieser Mischungen wurden mehrere Zylinder für die Prüfung gemäß ASTM D 1560-65 und ASTM D 1074 hergestellt. Einige dieser Muster wurden 2k Stunden lang bei 60 C in Wasser eingetaucht, und zwar vor der Prüfung auf die Druckfestigkeit. Die Tabelle V enthält Angaben über die Kohäsion und die Druckfestigkeit der hergestellten Muster im Vergleich zu anderen Mustern, die keinen verstärkenden Füllstoff enthielten.

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Zusammensetzung des Asphalt-Betons in Gewichtsteilen

- 29 -

Tabelle V

Aggregat aus Granit mit Teilchendurchmessern bis zu 13 mm

Asphalt-Zement Valley AR-1000

100

5,5 5,5 100

100

Asphalt-Zement Valley AR-2000

Asphalt-Zement Valley AR-4000

Pellets aus Öl und Ruß

Gehalt an Ruß
in Gewichtsteilen je 100 Gewichtsteile des Asphalt-Zementes

0,82

14,25 5,5 5,5

5,5

0,82

14,25

5,5

0,82

14,25

Eigenschaften des Asphalt-Betons

Kohäsion nach
ASTM 1560-65 in Werten nach
Hveem Kohäsiometer

120 206

275

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Eigenschaften des Asphalt-Betons

- 30 Tabelle V (Fortsetzung)

Druckfestigkeit in trockenem Zustande nach ASTM D 1074 in kp/cm^

Druckfestigkeit nach 24 stündigem Lagern in Wasser von 60 C nach ASTM D 1075 in kp/cm^

Druckfestigkeit in nassem Zustande als Prozent der Druckfestigkeit in trockenem Zustande

27,4 31,5 44,1 43,1 37,7 56,2

9,6 16,6 12,5 22,7 16,6 26,2

35

53

44

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Diese Beispiele können natürlich in manchen Richtungen geändert werden. Man kann beispielsweise vor oder während der Zusammensetzung des Asphalt-Zementes oder des Asphalt-Mörtels oder des Betons weitere Zusätze von verdünnenden Ölen besonders zugeben, um die allgemeinen Eigenschaften des Zements, des Mörtels oder des Betons zu ändern. Es können auch andere Füllstoffe als die besonders genannten zugesetzt werden,· um dem Beton verschiedene andere erwünschte Eigenschaften zu geben. Dementsprechend können mineralische Füllstoffe von bestimmter oder unbestimmter Feinheit, polymere Bindemittel, elastomere Modifikatoren, Asbestfasern, Netzmittel, Verzögerer und Beschleuniger für das Aushärten und dergleichen,dem erfindungsgemäßen Asphalt-Zement und dem Beton zugesetzt werden.

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Claims

Patentansprüche

1. Asphalt-Zement mit Ruß als Füllstoff, dadurch gekennzeichnet, daß der Asphalt als verstärkenden Füllstoff ein Gemisch aus einem Ruß mit einer ΒΕΤ-Ν,-,-Oberflache von wenigstens etwa 40 m /g und mit einem Absorptionswert für Dibutylphthalat von wenigstens etwa 60 cm /100 g und aus einem praktisch nicht flüchtigen, Asphalt solvatisierenden Petroleumöl in einem Gewichtsverhältnis von Ruß zu Öl zwischen 100 : 5 und 60 : 40 in einer solchen Menge, daß auf 100 Gewichtsteile des Asphalt-Zements etwa 10 und etwa 70 Gewichtsteile Ruß entfallen, enthält,

2. Asphalt-Zement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der verstärkende Füllstoff Ruß und Öl in einem Gewichtsverhältnis zwischen 75 : 25 und 65 : 35 enthält.

3. Asphalt-Zement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß er den verstärkenden Füllstoff in einer solchen Menge enthält, daß auf 100 Gewichtsteile des Asphalt-Zements zwischen etwa 15 und etwa 35 Gewichtsteile Ruß entfallen.

4. Asphalt-Zement nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der verstärkende Füllstoff Ruß und Öl in einem Gewichtsverhältnis zwischen 100 ι 5 und 85 ' 15 enthält.

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5. Asphalt-Zement nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der im verstärkenden Füllstoff enthaltene Ruß eine BET-Np-Oberfläche von wenigstens etwa 70 m²/g hat.

6. Asphalt-Zement nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der im verstärkenden Füllstoff enthaltene Ruß einen Absorptionswert für Dibutylphthalat von wenigstens etwa 100 cm /100 g hat.

7. Asphalt-Zement nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das im verstärkenden Füllstoff enthaltene Öl weniger als etwa 5 Gewichtsprozent Asphaltene enthält.

8. Asphalt-Zement nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der verstärkende Füllstoff Ruß und öl im Gewichtsverhältnis von weniger als etwa 85 : 15 enthält und daß das Öl weniger als etwa 30 Gewichtsprozent gesättigte Kohlenwasserstoffe enthält.

9. Asphalt-Zement nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das im verstärkenden Füllstoff enthaltene Öl aus Maltenen und/oder niedrig viskosen Asphalten besteht.

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10. Asphalt-Zement nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß das im verstärkenden Füllstoff
enthaltene Öl eine gewichtsmäßige Zusammensetzung gemäß der Gleichung

CR = (Nh-A₁) / (P+A₂)

hat, wobei CR den Wert für die Zusammensetzung, N den
Gehalt an polaren Verbindungen, A. den Gehalt an ersten Acidaffinen, Ap den Gehalt an zweiten Acidaffinen und P den Gehalt an gesättigten Kohlenwasserstoffen, alles in Gewichtsprozenten, bedeuten, und wobei der Wert für CR zwischen 0,2 und 1,7 liegt.

11. Asphalt-Zement nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß das im verstärkenden Füllstoff enthaltene Öl einen CR-Wert zwischen 0,4 und 1,4 hat.

12. Die Verwendung eines Asphalt-Zements nach einem der
Ansprüche 1 bis 11 zur Herstellung von Mörtel oder
Beton, dadurch gekennzeichnet, daß man den Asphalt-Zement mit einem mineralischen Aggregat dispergiert.

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