DE69822385T2

DE69822385T2 - Bituminöses Bindemittel, seine Zusammensetzung und seine Verwendung

Info

Publication number: DE69822385T2
Application number: DE69822385T
Authority: DE
Inventors: Michel Pasquier
Original assignee: Appia
Current assignee: Appia
Priority date: 1997-09-05
Filing date: 1998-08-26
Publication date: 2005-02-17
Anticipated expiration: 2018-08-27
Also published as: ATE262004T1; CA2256045C; ES2217519T3; DE69822385D1; DK0900822T3; US6156113A; EP0900822B1; PT900822E; CA2256045A1; FR2768150A1; EP0900822A1; FR2768150B1

Description

Asphaltbindemittel werden insbesondere in der Straßenbauindustrie verwendet, um die Verbindung zwischen den Zusatzstoffen oder zwischen der Trägersubstanz und den Zusatzstoffen sicherzustellen. Man unterscheidet in dieser Hinsicht unterschiedliche Möglichkeiten:

– Der Asphaltbinder wird in heißem Zustand mit den Zusatzstoffen vermischt, man spricht dann von Heißasphalt, wobei der Asphaltbinder die Verbindung zwischen den Zusatzstoffen gewährleistet.
– Der Asphaltbinder wird in heißem Zustand auf die Trägersubstanz gegossen, danach werden die Zusatzstoffe auf dieser Bitumenschicht verteilt, wodurch dessen Anhaften auf der Trägersubstanz sichergestellt ist. Man spricht dann von Oberflächenüberzügen mit wasserfreien Bindern.
– Der Asphaltbinder wird in kaltem Zustand mit dem Zusatzstoffe vermischt, man spricht dann von Kaltasphalt, der mit einer wässerigen Emulsion aus Bitumenherstellung ausgeführt ist.
– Der Asphaltbinder wird in kaltem Zustand gegossen, man spricht dann von Oberflächenüberzügen, die in einer wässerigen Lösung aus Asphaltbinder ausgeführt sind.

Wenn man diese Misch- oder diese Gussasphalte herstellt, ist es stets notwendig, dass die Beschaffenheit des Binders derart ist, dass er eine gute Benetzung der Zusatzstoffe erlaubt, und dass sich die Beschaffenheit des Binders anschließend langsam ändert, damit das Mischgut (enrobes) oder die auf diese Weise hergestellten Überzüge mechanische Eigenschaften annehmen, die sie geeignet für ihre Straßenverwendung machen.
Eine erste flüssigere Konsistenz des Binders erhält man entweder durch Erhitzen des Asphaltbinders, durch Verflüssigung oder Flußmittelauftrag (diese beiden Begriffe bezeichnen dieselbe Tätigkeit, wobei die Wahl der einen oder der anderen üblicherweise von der Art des Zusatzes abhängt) durch Zufuhr eines Lösungsmittels oder Flußmittels auf Erdölbasis oder kohlenstoffchemischen Ursprungs, entweder durch Herstellen einer wässerigen Emul sion des Asphaltbinders, oder durch eine Kombination der vorgenannten Verfahren.
Die Erfindung betrifft insbesondere eine Vervollkommnung des Verfahrens mittels Verflüssigung oder Flussmittelauftragung.
Die derzeit verwendeten Lösungsmittel basieren auf Erdöl oder sind kohlenstoffchemischen Ursprungs. Sie verdampfen nach Aufbringung des Binders, um diesem die Wiedererlangung seiner erhöhten Viskosität zu ermöglichen. Die auf diese Weise schrittweise in der Atmosphäre verteilten Lösungsmittel bringen eine Verschmutzung derselben und aerober Organismen mit sich und tragen zum Treibhauseffekt bei. Außerdem enthalten sie meist aromatische polyzyklische Verbindungen, von denen zumindest einige dafür bekannt sind, dass sie Veränderungen der Erbinformation verursachen. Die Verwendung dieser Lösungsmittel trägt zum Schwinden der fossilen Energiereserven bei.
Die Anwesenheit der vorgenannten Lösungsmittel führt in gleicher Weise zu Sicherheitsproblemen, denn sie senken den Flammpunkt beträchtlich und machen strenge Schutzmaßnahmen gegen Brand während der Lagerung und während des Transports notwendig.
Die Aufgabe der Erfindung ist es, den obigen Nachteile ganz oder teilweise abzuhelfen, ohne die Straßeneigenschaften des Asphaltbinders noch dessen Verarbeitungsbedingungen zu beeinträchtigen.
Die Erfindung sieht insbesondere einen Asphaltbinder für den Straßenbau vor, der Bitumen und einen Verflüssiger enthält, und sieht vor, dass der Verflüssiger wenigstens einen fettsauren Methyl-Monoester aufweist, der in der Lage ist, sich bei Kontakt mit Luft bei Vergießen des Binders chemisch zu verändern, um die Viskosität von diesem zu erhöhen.
Der Begriff Monoester bezeichnet Ester, deren Molekül eine einzelne -CO-O- Gruppe enthält, im Gegensatz insbesondere zu aus Fettbestandteilen zusammengesetzten Triglyceriden, die fettsaure Triester sind.
Die fettsauren Monoester sind weder toxisch noch umweltschädlich und weisen einen Flammpunkt der Größenordnung von 200 °C auf, anstatt von etwa 50 bis 85 °C für die Verflüssigungsmittel oder Flussmittel auf Erdölbasis oder kohlenstoffchemischen Ursprungs. Sie können durch Umesterung aus pflanzlichen Ölen gewonnen werden, die erneuerbare Produkte darstellen, so dass deren Verwendung nicht zur Erhöhung von CO₂ in der Atmosphäre und nicht zum Treibhauseffekt beiträgt. Das Einbringen von aus Pflanzen hergestellten Produkten in die Straßen, die Kohlendioxid für die Chlorophyllsynthese verbrauchen, trägt im Gegenteil zur Verminderung des Treibhauseffekts bei.
Pflanzliche Öle entstehen beim Zerreiben von verschiedenen Arten von Körnern. Chemisch stellen sie sich in der Form von Triglyceriden dar; d. h. von Triestern, die aus der Kondensation von drei Fettsäuremolekülen und einem Glycerinmolekül ergeben. Die Fettsäuren können Kohlenstoff-Kohlenstoff Doppelbindungen in unterschiedlicher Anzahl aufweisen entsprechend der Pflanze, aus der das Öl kommt. Die Fettsäuren und die entsprechenden Ester besitzen eine Reduktionskraft, die abhängig von der Anzahl der Doppelbindungen und deren Nähe in der Hydrokarbonkette ist. Diese Reduktionskraft wird mittels der Jodzahl gemessen, und kommt durch eine Polymerisation unter der Wirkung von Sauerstoff zum Ausdruck, die eine Verdickung und eine Verhärtung mit sich bringt. Dieses Phänomen ist unter dem Namen Austrocknung (siccativation) bekannt. Die Polymerisation kann durch Metallsalze katalysiert werden, insbesondere organische Kobalt-, Mangan- und Zirkoniumsalze.
Während die Triglyceride, insbesondere in der Form von pflanzlichen Ölen, es nicht erlauben, in passender Weise Asphaltbinder zu verflüssigen, wird dieses Ergebnis durch Verwendung von Monoestern erreicht, insbesondere Methyl-Monoester, die man durch Umesterung aus diesen Ölen erhalten kann.
Die Methylester, die sich aus der Umesterung der pflanzlichen Öle mit Hilfe von Methylalkohol ergeben, sind bekannte Produkte, die ursprünglich in der Eigenschaft als Dieselersatz entwickelt wurden.
Die in der Erfindung verwendeten Monoester können in gleicher Weise aus tierischen Ölen hergestellt werden, oder aus anderen Quellen.
Es ist festzustellen, dass die Monoester der Fettsäuren gute Bitumenlösungsmittel sind, auch in kaltem Zustand, und dass ihre geringe Viskosität ihnen eine Flusskraft verleiht, die gleich oder sogar besser als die der Flussmittel auf Erdölbasis ist, die häufig verwendet werden.
Dagegen sind diese Ester nicht flüssig, ihre Anfangsdestillationstemperatur ist größer als 300 °C. Sie weisen eine ausgezeichnete biologische Abbaubarkeit auf.
Bei fehlender Verdunstung der Lösungsmittel ist die Zunahme der Viskosität des Binders nach dem Aufbringen auf chemische Reaktionen in Anwesenheit des Sauerstoffs der Luft gerichtet. Diese Reaktionen, in bekannter Weise durch Metallsalze katalysiert, weisen bei den ungesättigten Ketten der Fettsäuren die Gestalt von Peroxidbrücken -O-O- auf. Diese Brücken sind instabil und führen zur Bildung von freien Radikalen, die andere Ketten angreifen, wobei durch Ausbreitung eine Polymerisationsvernetzung von Estern erzielt wird.
Optionale Eigenschaften der Erfindung, Ergänzungen oder Alternativen werden nachfolgend aufgezählt:

– Der Verflüssiger weist mindestens einen Monoester einer Fettsäure und eines Alkohols auf, der höchstens vier Kohlenstoffatome aufweist.
– Der oder die Monoester, oder das Öl, aus dem sie gewonnen werden, besitzen eine Jodzahl größer oder gleich 120. Die Jodzahl erlaubt es, die Reaktivität von Ölen und ihren Estern gegenüber dem Sauerstoff der Luft zu klassifizieren und ihre Fähigkeit zum Aushärten und zum Bilden von Filmen zu bewerten. Sie stellt die Jodmasse in Gramm dar, die in der Lage ist, durch 100 g Öl fixiert zu werden.
– Der Binder enthält weiterhin wenigstens einen Katalysator der Polymerisation des Verflüssigers unter Einwirkung von Sauerstoff, wie zum Beispiel Kobalt-, Mangan- oder Zirkoniumoktoat oder -naphtenat.
– Der Binder enthält als Katalysator eine Mischung aus wenigstens zwei unterschiedlichen Metallsalzen.
– Der Binder ist in Form einer Emulsion, gebildet aus einer Bitumenphase und einer wässerigen Phase, wobei der Verflüssiger und gegebenenfalls der Katalysator in der Bitumenphase enthalten sind.

Die Eigenschaften und Vorteile der Erfindung werden im Detail in der nachfolgend durch einige Ausführungsbeispiele gegebenen Beschreibung dargelegt.
Alle in den nachfolgenden Beispielen beschriebenen Binder sind auf Basis von Bitumen ausgeführt, die aus der Raffinerie von Lavera der Firma BP kommen.
Die Prozentangaben sind in Masse angegeben.
Beispiele 1 bis 3:
Man bereitet die Binder 1 bis 3, die die folgende allgemeine Zusammensetzung aufweisen:
unter Verwendung von Methylestern vor, die aus verschiedenen pflanzlichen Ölen gewonnen werden und unterschiedliche Jodzahlen besitzen, nämlich:

– Binder 1: Sonnenblumenöl, Jodzahl ungefähr 120;
– Binder 2: Leinöl, Jodzahl ungefähr 180;
– Binder 3: isomerisiertes Sonnenblumenöl, Jodzahl ungefähr 140.

Die Isomerisierungsbehandlung hat zum Zweck, die Anzahl der angrenzenden Doppelbindungen und infolgedessen die Jodzahl zu erhöhen.
Obwohl die oben angegebenen Beispiele ein einziges Metallsalz als Katalysator verwenden, kann es vorteilhaft sein, Salze von verschiedenen Metallen, die insbesondere aus Kobalt, Mangan, Zirkonium und Kalzium ausgewählt werden, zu kombinieren, um auf diese Weise eine Austrocknung im Kern unter Vermeidung eines Hauteffekts zu ermöglichen.
Man erstellt einen Binder in Form einer bituminösen Emulsion durch Mischen einer bituminösen Phase und einer wässerigen Phase.
Bitumenemulsionen, gegebenenfalls abgeändert und/oder gefluxt, werden für Abnutzungsoberflächenschichten verwendet. Die Emulsionstechniken erlauben es, sich zu einem gewissen Grad von klimatischen Zwängen zu befreien und die Durchführungszeiten der Beschichtung im Verlauf des Jahres zu verlängern (im wesentlichen im Frühling und im Herbst). In diesem Fall führt die Flussmittelbehandlung zu einer anfänglich geringen Visko sität, wodurch das Aufbringen des Zusatzstoffes während der Durchführung der Beschichtung erleichtert wird (Aufbringen des "Mosaiks").
Hier verwendet man zu diesem Zweck erfindungsgemäß Methylester aus pflanzlichen Ölen, wobei man einen Austrocknungskatalysator wählt, der während der Ausbildung der Emulsion hydrolyseunempfindlich ist, insbesondere Kobalt-Oktoat. Man kumuliert damit die oben erwähnten gesundheitlichen und ökologischen Vorteile und die Vorteile einer Kalt-Technik, nämlich geringeren Energieverbrauch und höhere Sicherheit während der Aufbringung dank des Fehlens von hohen Temperaturen.
Im Beispiel hat die Bitumenphase der Emulsion die folgende Gewichtszusammensetzung, die bezogen auf die Gesamtmasse der Emulsion berechnet wurde:
Die Zusammensetzung der wässerigen Phase ist die folgende:
Emulsamin L60 ist die kommerzielle Bezeichnung eines Emulgators, der von der Firma CECA hergestellt wird.
Diese beiden Phasen werden auf 145 °C bzw. 35 °C gebracht und in einer Kolloidmühle vermischt, um eine Emulsion zu erhalten.
Messungen des Erweichungspunkts R. und K. (Ring und Kugel) wurden nach der französischen Norm NF T66-008 für Stichproben der Binder 1 bis 4 durchgeführt, im Vergleich mit einem Referenzbinder, der die folgende Zusammensetzung aufweist:
Schichten von 1 mm der unterschiedlichen Stichproben wurden gemeinsam der Außenwelt und der Freiluft ausgesetzt, im Sommer und mit Sonnenschutz, was realitätsnahe Bedingungen darstellt. Die Emulsion des Binders 5 war vorab mittels Verdunstung während einiger Stunden im Labor gebrochen worden.
Die Ergebnisse in Abhängigkeit der Zeit sind in der Tabelle dargestellt.
Tabelle
Diese Ergebnisse zeigen für alle Beispiele eine sehr referenznahe und für Baustellen perfekt akzeptable Kinetik.
Beispiel 5:
Dieses Beispiel betrifft einen Binder, der für die Umhüllung von Zusatzstoffe bestimmt ist.
Die Zusammensetzung des Binders ist wie folgt:
Dieser Binder erlaubt die Umhüllung von dichten oder offenen Formeln, wobei der Zusatzstoffe auf ungefähr 100 °C vorgeheizt wurde. Der erhaltene Asphalt kann einige Zeit aufbewahrt werden.
Die Umhüllung durch Binder in Emulsion ist in gleicher Weise möglich.
Es ist festzuhalten, dass die erfindungsgemäßen Bitumenemulsionen viel feiner sind und den Zusatzstoffe besser benetzen als die bekannten Bitumenemulsionen. Dies ist dem deutlich polaren Charakter der fettsauren Monoester zuzuschreiben, der die Emulgierung begünstigt.

Claims

Asphaltbinder für den Straßenbau, der Bitumen und einen Verflüssiger enthält, dadurch gekennzeichnet, dass der Verflüssiger wenigstens einen fettsauren Methyl-Monoester aufweist, der in der Lage ist, sich bei Kontakt mit Luft nach Verteilen des Binders chemisch zu verändern, um die Viskosität von diesem zu erhöhen, wobei der Monoester aus den Methylmonoestern des Sonnenblumenöls, des Leinöls bzw. des isomerisierten Sonnenblumenöls gewählt wird.
Binder nach Anspruch 1, bei dem der oder die Monoester, oder das Öl eine Jodzahl größer oder gleich 120 besitzen, wobei die Iodzahl die Iodmasse in Gramm darstellt, die in der Lage ist durch 100 g Öl fixiert zu werden.
Binder nach einem der vorhergehenden Ansprüche, der weiterhin wenigstens einen Katalysator der Polymerisierung des Verflüssigers unter Einwirkung von Sauerstoff enthält.
Binder nach Anspruch 3, der als Katalysator eine Mischung aus wenigstens zwei unterschiedlichen Metallsalzen enthält.
Binder nach einem der vorhergehenden Ansprüche in Form einer Emulsion, gebildet aus einer Bitumenphase und einer wässerigen Phase, wobei der Verflüssiger und gegebenenfalls der Katalysator in der Bitumenphase enthalten sind.