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Gegenstand
der vorliegenden Erfindung ist ein bituminöses oder bitumenhaltiges Produkt
sowie dessen Herstellungsverfahren.
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Unter
bituminösem
oder bitumenhaltigem Produkt werden Bitumina oder alle Zusammensetzungen auf
der Basis von Bitumina verstanden.
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Bitumenhaltige
Produkte werden vor allem in den Bereichen Fahrbahnen, Dachbelagsmaterialien, Überzüge, Abdichtung
verwendet. Darüber
hinaus kann die Verwendung von Asphalt für die Herstellung von Fahrbahnen
genannt werden.
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Im
Allgemeinen weisen bituminöse
Produkte Zuschlagstoffe oder Füllmaterial
auf. Es kann sich um Granulate oder Kiesel, um Sand und um Füller oder
Feinstoffe handeln.
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Jedoch
weisen derartige Produkte zahlreiche Nachteile auf, wenn sie als
solche für
verschiedene Anwendungen eingesetzt werden; zu nennen sind hier
insbesondere eine hohe Temperaturanfälligkeit, eine begrenzte Haftfähigkeit
gegenüber
den Zuschlagstoffen, mäßige Eigenschaften
bei niedrigen Temperaturen, eine geringe Dauer- oder Ermüdungsfestigkeit
sowie eine geringe Schlagfestigkeit.
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Des
Weiteren sind bitumenhaltige Produkte schwer zu handhaben und bedürfen spezifischer
Technologien.
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So
sind im Falle einer Straße,
insbesondere der Fahrbahn einer Straße die Hauptbestandteile bituminöses Mischgut,
das zu 95 Massenprozent aus Granulaten und zu 5 Massenprozent aus
Bitumen besteht, welches als Bindemittel dient. In diesem Fall ist
die Rolle des Bitumens als Bindemittel hinsichtlich der Eigenschaften
der Straße
ausschlaggebend, die unterschiedlichen Beanspruchungen mechanischen
Ursprungs, wie Warmbruch, Ermüdung
und Spurrinnenbildung ausgesetzt ist.
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Denn
bei niedriger Temperatur (von etwa unter –10 °C) liegt das Bindemittel, d.h.
das Bitumen, in einem glasartigen Zustand vor und wird brüchig. Es
können
sich dann lange querverlaufende Risse bilden, die auf die Wärmebelastungen
(Warmbrüche)
zurückzuführen sind;
dies sind durch die Heterogenität
des Materials bedingte Mikrorisse.
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Bei
höherer
Temperatur (etwa wenigstens 0 °C)
kann die Fahrbahn unter der Wirkung der Ermüdung immer noch rissig werden.
Die Folge sind eine Vielzahl von hauptsächlich länglichen, untereinander verbundenen
Rissen.
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Bei
noch höheren
Temperaturen (etwa 60 °C)
geht schließlich
das Bitumen vom festen Zustand in den viskosen Zustand über und
wird zunehmend flüssiger.
Auch die Tatsache, dass schwere Massen, welche die Fahrzeuge, darunter
die Lastkraftwagen, darstellen, wiederholt über die Fahrbahn fahren, trägt dazu
bei, dass das Bitumen und demzufolge die Fahrbahn dauerhaft verformt
wird. Dieses Phänomen
ist die Ursache für Spurrinnen.
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Das
Bindemittel gewährleistet
ferner, dass die Fahrbahn wasserdicht gemacht wird, wodurch die
Fundamente oder der Unterbau der Straße geschützt werden.
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Die
hauptsächlichen
Merkmale, die von der Fahrbahn einer Straße und demzufolge von den bituminösen Produkten,
welche als Bindemittel dienen, verlangt werden, sind also:
- – eine
gute Rissbildungsfestigkeit bei niedriger Temperatur (typischerweise –15 °C),
- – eine
geringe Verformung bei hoher Temperatur (typischerweise + 60 °C),
- – eine
gute Dauer- oder Ermüdungsfestigkeit,
um die Haltbarkeit zu verbessern.
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In
der Industrie werden im Allgemeinen Additive eingesetzt, um die
Mängel
der bituminösen
Produkte zu beheben und um auf diese Weise deren Eigenschaften zu
verbessern.
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Es
ist vor allem bekannt, diesen bituminösen Produkten Phosphorsäuren oder
Polyphosphorsäuren beizumengen.
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Jedoch
ist die Verwendung dieser Säuren
nicht ganz leicht, da diese Produkte sehr viskos und demnach schwer
handhabbar sind. Die Folge hiervon sind nicht unwesentliche Produktverluste,
was zu höheren Kosten
führt.
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Des
Weiteren können
diese Säuren
im Laufe ihrer Lagerung kristallisieren, zudem sind sie nach dem Stande
nicht mehr verwendbar, es sein denn, sie werden einer Wärmebehandlung
unterzogen, was zusätzliche
Behandlungen mit sich bringt und zu einer Kostenerhöhung führt, die
durch den Schritt der Wärmebehandlung
bedingt ist.
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Um
den Anforderungen der Industrie gerecht zu werden, ist es erforderlich
geworden, Additive zu finden, welche die Nachteile der Phosphorsäuren oder
der Polyphosphorsäuren
beheben.
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Überdies
besteht die Aufgabe, deren Lösung
sich die vorliegende Erfindung vorgenommen hat, darin, ein Additiv
für bituminöse Produkte
zu liefern, das im Vergleich zu den Phosphorsäuren oder Polyphosphorsäuren leicht
zu handhaben ist.
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Zu
diesem Zweck schlägt
die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines bitumenhaltigen
oder bituminösen
Produktes vor, das dadurch gekennzeichnet ist, dass es eine Verbindung
auf der Basis einer Phosphor- oder einer Polyphosphorsäure mit
einem hochporösen
Mineraloxid als Träger
verwendet. Die Erfindung schlägt
auch ein bitumenhaltiges oder bituminöses Produkt vor, das durch
das oben beschriebene Verfahren herstellbar ist.
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Der
Vorteil der Verbindung auf der Basis einer Phosphor- oder Polyphosphorsäure mit
einem hochporösen
Mineraloxid als Träger
liegt darin, dass sie in Form eines Pulvers vorliegt und folglich
im Vergleich zu den oben genannten Säurelösungen, die sehr viskos sind,
sehr leicht zu bearbeiten bzw. zu handhaben ist.
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Ein
weiterer Vorteil dieser Verbindung ist darin zu sehen, dass sie
ermöglicht,
die bituminösen
Produkte, in die sie eingebettet ist, zu verstärken, insbesondere hinsichtlich
der Widerstandsfähigkeit
gegen Formänderungen
bei hoher Temperatur.
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Schließlich bewahrt
diese Verbindung die gleichen Eigenschaften wie die Phosphor- oder Polyphosphorsäuren.
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Weitere
Vorteile sowie Merkmale der vorliegenden Erfindung werden beim Lesen
der Beschreibung und der Beispiele, die nachfolgend lediglich zur
Veranschaulichung gegeben und als nicht einschränkend zu verstehen sind, klar
hervorgehen.
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Die
Erfindung betrifft zunächst
ein Verfahren zur Herstellung eines bituminösen Produkts, welches dadurch
gekennzeichnet ist, dass es eine Verbindung auf der Basis einer
Phosphor- oder einer Polyphosphorsäure mit einem hochporösen Mineraloxid
als Träger
verwendet.
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Die
erfindungsgemäß verwendete
Verbindung umfasst ein Mineraloxid.
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Das
Mineraloxid muss hochporös
sein; dies bedeutet, dass sein Porenvolumen wenigstens 1 ml/g und vorzugsweise
wenigstens 3 ml/g beträgt.
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Das
Mineraloxid kann auch großflächig sein.
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Das
hochporöse
Mineraloxid kann insbesondere aus den Siliziumdioxiden, den Aluminiumoxiden,
den Aluminiumsilikaten ausgewählt
sein.
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Vorzugsweise
ist das Mineraloxid ein Siliziumdioxid. Vorzugsweise ist das genannte
Siliziumdioxid ein gefälltes
Siliziumdioxid. Es kann sich beispielsweise um ein Siliziumdioxid
Tixosil 38A, Tixosil 38D, Tixosil 38X oder Tixosil 365 der Gesellschaft
Rhodia handeln.
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Das
Mineraloxid kann auch lamellar oder exfoliert sein.
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Das
Mineraloxid kann auch aus einem Oxidvorläufer erhalten werden.
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Die
gemäß der Erfindung
verwendete Verbindung umfasst auch eine Phosphor- oder Polyphosphorsäure.
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Vorzugsweise
ist die Phosphorsäure
die Orthophosphorsäure.
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Die
Orthophosphorsäure,
die auch als Monophosphorsäure
bezeichnet wird, entspricht H3PO4.
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Die
Polyphosphorsäuren
gemäß der Erfindung
können
aus denjenigen ausgewählt
sein, die in dem Buch mit dem Titel „Phosphorus an outline of
its Chemistry, Biochemistry and Uses", fünfte
Ausgabe, D.E.C. Corbrigde, Elsevier, 1995, Seiten 170 und 180 bis
182, beschrieben sind.
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Die
Polyphosphorsäure
ist vorzugsweise ausgewählt
aus der Pyrophosphorsäure
oder der Diphosphorsäure
der Formel H4P2O7, der Triphosphorsäure der Formel H5P3O10, den Polyphosphorsäuren der
Formel Hn+2PnO3n+1, den Metaphosphorsäuren der Formel HnPnO3n oder deren Mischung.
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Wie
auf Seite 181 des oben erwähnten
Dokuments „Phosphorus
an outline of its Chemistry, Biochemistry and Uses" angegeben ist, sind
die handelsübliche(n)
Phosphorsäure
oder Polyphosphorsäuren
durch ihr P2O5-
oder H3PO4-Äquivalent
gekennzeichnet, die in Prozent bezogen auf das Gewicht ausgedrückt werden.
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So
gibt es eine Klasse sogenannter Superphosphorsäuren, deren H3PO4-Äquivalent
größer ist
als 100. Diese Superphosphorsäuren
sind die bevorzugten Polyphosphorsäuren.
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Die
erfindungsgemäß eingesetzte
Verbindung kann dadurch hergestellt werden, dass das Mineraloxid mit
der Phosphor- oder Polyphosphorsäure
in Kontakt gebracht wird.
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Die
Höchstmenge
an verwendeter Phosphor- oder Polyphosphorsäure entspricht der Höchstmenge an
der genannten Säure,
die das Mineraloxid in der Lage ist aufzunehmen.
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Die
erfindungsgemäß eingesetzte
Verbindung kann durch ein Verfahren hergestellt werden, das einen Trocknungsschritt
umfasst, der nach dem Inkontaktbringen des Mineraloxids mit der
Phosphor- oder Polyphosphorsäure
vollzogen wird.
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Des
Weiteren kann die erfindungsgemäß eingesetzte
Verbindung hydrophobiert sein. In diesem Fall werden bevorzugt hydrophobierende
Mittel eingesetzt, die unter den Silikonen oder den Fettsäuren ausgewählt sind.
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Für die Einbettung
der Verbindung nach der vorliegenden Erfindung in die Bitumenzusammensetzung sind
mehrere Ausführungsformen
möglich.
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Unter
ihnen betrifft eine Ausführungsform
ein Verfahren, welches die nachfolgenden Schritte umfasst:
- 1 – Die
Bitumenzusammensetzung wird auf eine Temperatur zwischen 120 und
190 °C erhitzt;
- 2 – der
Bitumenzusammensetzung des Schrittes 1 wird unter Rühren eine
ausreichende Menge der erfindungsgemäßen Verbindung zugegeben.
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Die
Erfindung betrifft dann ein bituminöses Produkt, das geeignet ist,
durch das oben beschriebene Verfahren hergestellt zu werden.
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Das
bitumenhaltige oder bituminöse
Produkt gemäß der Erfindung
kann nach einem Verfahren zur Herstellung von Heißmischgut
hergestellt werden, das die erfindungsgemäße Verbindung zum Einsatz bringt.
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Dieses
Verfahren für
Heißmischgut
umfasst gegenüber
dem vorhergehenden Verfahren einen zusätzlichen Schritt. Dieser Schritt
besteht darin, der Bitumenzusammensetzung – vor, während gleichzeitig mit oder nach
der Zugabe von erfindungsgemäßen Verbindungen – unter
Rühren
und bei einer Temperatur zwischen 120 und 190 °C Granulate zuzugeben.
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Beispielsweise
kann dieses Verfahren für
Heißmischgut
die nachfolgenden Schritte umfassen:
- 1 – Die Bitumenzusammensetzung
wird auf eine Temperatur zwischen 120 und 190 °C erhitzt;
- 2 – der
Bitumenzusammensetzung des Schrittes 1 wird unter Rühren eine
ausreichende Menge der erfindungsgemäßen Verbindung zugegeben;
- 3 – der
Bitumenzusammensetzung des Schrittes 2 werden unter Rühren Granulate
zugegeben.
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Im
Allgemeinen werden die Granulate zuvor auf einer Temperatur erhitzt,
die über
120 °C und
allgemein zwischen 120 und 190 °C
liegt.
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Die
Erfindung betrifft auch das bituminöse Produkt, das geeignet ist,
durch das oben beschriebene Verfahren für Heißmischgut erhalten zu werden.
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Das
erfindungsgemäße bituminöse Produkt
kann auch nach einem Verfahren zur Herstellung von Kaltmischgut
hergestellt werden, das die erfindungsgemäße Verbindung zum Einsatz bringt.
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Diese
für die
Einbettung der erfindungsgemäßen Verbindung
mögliche
zweite Ausführungsform
erfolgt bei Umgebungstemperatur.
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Dieses
Verfahren umfasst die folgenden Schritte:
- 1 – Durch
Mischen von Wasser, Bitumen und einem Emulgator bei Umgebungstemperatur
wird eine Bitumenemulsion hergestellt;
- 2 – eine
ausreichende Menge der erfindungsgemäßen Verbindung wird unter Rühren, bei
Umgebungstemperatur in eine Bitumenemulsion eingebracht;
- 3 – die
bei Schritt 2 erhaltene Emulsion wird ausgebreitet, um eine gleichmäßige Schicht
der bei Schritt 2 erhaltenen Mischung zu erhalten;
- 4 – die
Bitumenemulsion wird gebrochen.
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Die
Erfindung betrifft auch das bituminöse Produkt, das durch das oben
beschriebene Verfahren für Kaltmischgut
herstellbar ist. Es ist auch möglich, – nach der
Zugabe von erfindungsgemäßer Verbindung
des Schrittes 2 – unter
Rühren
und bei einer Umgebungstemperatur Granulate in die Bitumenzusammensetzung einzubringen.
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Schließlich ist
auch eine dritte Ausführungsform
möglich,
welche die zwei vorhergehenden „Warm"- und „Kalt"-Ausführungsformen verbindet.
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Dieses
Verfahren umfasst die nachfolgenden Schritte:
- 1 – Die Bitumenzusammensetzung
wird auf eine Temperatur zwischen 120 und 190 °C erhitzt;
- 2 – der
Bitumenzusammensetzung des Schrittes 1 wird unter Rühren eine
ausreichende Menge der erfindungsgemäßen Verbindung zugegeben;
- 3 – aus
dem in Schritt 2 erhaltenen Bitumen wird durch Mischen von Wasser,
des genannten Bitumens und eines Emulgators eine Emulsion hergestellt;
- 4 – die
in Schritt 3 erhaltene Emulsion wird ausgebreitet, um eine gleichmäßige Schicht
aus der in Schritt 3 erhaltenen Mischung zu erhalten;
- 5 – die
Bitumenemulsion wird gebrochen.
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Dieses
Verfahren kann einen zusätzlichen
Schritt umfassen, der darin besteht, unter Rühren und bei einer Umgebungstemperatur
Granulate in die bei Schritt 3 des Verfahrens erhaltene Bitumenemulsion
einzubringen.
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Es
sei angemerkt, dass Beispiele für
Bitumina, denen die Verbindung gemäß der vorliegenden Erfindung
zugegeben werden kann, natürliche
Bitumina, Pyrobitumina und künstliche
Bitumina enthalten. Besonders bevorzugte Bitumina sind diejenigen,
die für
Fahrbahnen verwendet werden, wie zum Beispiel Asphalt oder Maltha.
In noch bevorzugterer Weise wird Asphalt verwendet.
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Das
bitumenhaltige Produkt gemäß der Erfindung
kann auch andere, üblicherweise
im Bereich des Bitumens verwendete Additive enthalten.
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Als
erfindungsgemäß geeignete
Additive können
Elastomere, Plastomere oder jedwedes chemische Agens, das seitens
des Fachmannes bekannt ist, um die physikalischchemischen Eigenschaften
sowie den Trennwiderstand zu verbessern, einzeln oder als Mischungen,
genannt werden.
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Die
Emulgatoren, die verwendet werden, um das Bitumen zu emulgieren,
sind Emulgatoren, die üblicherweise
durch den Fachmann auf diesem technischen Gebiet eingesetzt werden.
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Es
kann auch vorgesehen sein, dass das verwendete Bitumen zuvor durch
Kontakt mit Luft warmoxidiert wird.
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Schließlich betrifft
die Erfindung die Verwendung des erfindungsgemäßen bitumenhaltigen Produktes für die Herstellung
von Mörtel,
Belägen,
insbesondere von Straßenbelägen.
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Die
nachfolgenden Beispiele veranschaulichen die Erfindung, ohne jedoch
deren Umfang zu begrenzen.
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BEISPIELE:
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1/Arbeitsweise für die Herstellung
eines Additivs für
Bitumen vom Typ Phosphorsäure
auf einem Sizliumdioxidträger.
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1.1/Bestimmung des Gesamtporenvolumens
des Trägers
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Es
geht darum, eine Menge an Wasser einzuleiten, die erforderlich ist,
um alle Poren des Trägers
zu füllen.
Unser Träger
hier ist Siliziumdioxid T38A Los 0012191 von Rhodia.
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Es
wird ein Gramm Siliziumdioxid abgewogen und diesem mittels einer
Bürette
Wasser zugegeben. Das Volumen, welches erforderlich ist, um die
Poren zu füllen,
beträgt
2,1 ml.
Folglich: Gesamtporenvolumen von T38A = 2,1 ml/g
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1.2/Trockenimprägnierung
der 85-prozentigen Orthophosphorsäure bei Umgebungstemperatur
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Es
werden 200 g Siliziumdioxid imprägniert.
Das verwendete Gerät
ist eine Drehschale.
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Da
man weiß,
dass die Dichte von 85-prozentiger H3PO4 1,7 beträgt, bedarf es folglich (2,1 × 1,7)g × 200g =
714g 85-prozentiger H3PO4.
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In
der Praxis konnten lediglich 658g Säure imprägniert werden.
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Wenn
die Imprägnierung
beendet ist, lässt
man das gesättigte „befeuchtete" Pulver für eine Stunde reifen,
und anschließend
wird das Pulver im Trockenofen bei 50 °C für 72 Stunden getrocknet.
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Maximaler Gehalt an imprägnierter
Orthophosphorsäure
(Gewichtsprozente)
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Der Gehalt an 85-prozentiger Orthophosphorsäure = 658g/(658
+ 200) = 76.7 %
Der Gehalt an 100-prozentiger
Orthophosphorsäure
= (658 × 0.85)/(658
+ 200) = 65.2 %
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2/Rheologische Eigenschaften
von Bitumina bei Vorliegen oder Nichtvorliegen des in Beispiel 1/.
hergestellten Additivs
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Das
Bitumen der Sorte 70/100 (Pen) wurde für die Versuche verwendet. Es
handelt sich um ein Bitumen von SHELL Petit Couronne (Frankreich).
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2.1/Herstellung des additivierten
Bitumens
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Das
Bitumen wird aus einem Fass entnommen, anschließend in ein Becherglas eingebracht:
Das Becherglas wird dann auf einer Heizplatte bis auf 170 °C erhitzt.
Anschließend
erfolgt die Beimengung des Additivs in Pulverform.
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Die
Mischung wird nun für
etwa 25 Minuten unter heftigem Rühren
mit Hilfe eines rotierenden Mischers (260 U/Min.) auf 170 °C gehalten.
Die Temperatur wird streng unter 180 °C gehalten, um die Eigenschaften des
Bitumens nicht zu verändern.
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Nach
dem Mischen wird die Mischung unter Rühren bei geringer Geschwindigkeit
für 5 Minuten
auf etwa 170 °C
gehalten, um die Luftblasen, die sich hätten bilden können, zu
entfernen.
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Die
Mischung ist nun fertig und einsatzbereit.
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2.2/Rheologieversuche
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Die
rheologische Charakterisierung des additivierten Bitumens erfolgt
nach einem Verfahren, das von den SHRP-Normen (AASHTO TP5-98) abgeleitet
ist: DSR-Versuche: Dynamic Shear Rheometer.
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Der
eingesetzte Frequenzbereich reicht von 7,8 Hz bis 200 Hz, bei einem
Temperaturbereich von 25 °C
bis 60 °C.
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Die
Rheologieversuche werden als Ringscherung mit Hilfe eines Viskoelastizitätsmessers
Metravib RDS VA 2000 durchgeführt.
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Das
flüssige
Bitumen wird in die zuvor auf 110 °C erhitzte Scherzelle eingebracht.
Wenn die Temperatur gegen 45 °C
gefallen ist, fließt
das Bitumen nicht mehr, und die gesamte Struktur ist nun dicht und
bereit für
die Messungen. Die Bitumenprobe, welche zylinderförmig ist,
weist eine Dicke von 1 mm auf.
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Die
Versuche werden bei unterschiedlichen Temperaturen (30, 40, 50 und
60 °C) sowie
in einem Frequenzbereich durchgeführt, der ermöglicht,
das Verhalten des Materials herauszustellen, nämlich 7,8; 15,6; 31,2; 62,5;
125 und 200 Hz.
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2.3/Erzielte Ergebnisse
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Die
erzielten Ergebnisse betreffen den Schermodul (komplexer Modul)
G*, die elastischen Komponenten G' und die viskosen Komponenten G'' sowie den Phasenwinkel δ.
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Diese
Ergebnisse können
entweder in Iso-Frequenz in Abhängigkeit
von der Temperatur oder in Iso-Temperatur (Iso-Therme) in Abhängigkeit
von der Frequenz dargestellt werden.
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Es
wurden drei Produkte verglichen:
- i) Referenzbitumen
ohne Additiv
- ii) Additiviertes Bitumen behandeltes Mineralpulver Orthophosphorsäure gemäß der Erfindung
- iii) Als Vergleich: Additiviertes Bitumen mit 1,2 % Polyphosphorsäure in flüssiger Form
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In
der nachfolgenden Tabelle (Tabelle 1) sind die bei 60 °C, bei einer
Frequenz von 7,8 Hz gemessenen Werte aufgeführt.
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Die
durch das Pulveradditiv erbrachte Verstärkungswirkung (Versteifung)
ist klar ersichtlich: Erhöhung des
komplexen Moduls G* und vor allem der elastischen Komponente G'.
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Der
Phasenwinkel δ ist
erheblich verringert, was ein elastischeres Verhalten des additivierten
Bitumens zum Ausdruck bringt.
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In
der nachfolgenden Tabelle (Tabelle 2) sind die bei 25 °C (und 40 °C für den Phasenwinkel δ), bei einer
Frequenz von 7,8 Hz gemessenen Werte aufgeführt.
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Die
kritische Temperatur Tc wird entsprechend dem in dem SHRP-Verfahren
beschriebenen Kriterium festgelegt: Tc ist die Temperatur, bei der
das Verhältnis
G*/sin δ größer ist
als 1000 Pa.
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Die
Wärmeempfindlichkeit
des Bitumens wird durch einen Index IS, den Index der Wärmeempfindlichkeit
ausgedrückt.
IS ist durch die Neigung a der Geraden log G* = f(T) bei 7,8 Hz
definiert.
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Die
kritische Temperatur Tc ist bei Vorliegen des Pulveradditivs stark
angestiegen. Ebenso stellt man einen erheblichen Rückgang der
Wärmeempfindlichkeit
IS fest.
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Der
Phasenwinkel δ (bei
40 °C) ist
erheblich verringert, was ein elastischeres Verhalten des additivierten
Bitumens zum Ausdruck bringt.
