NO179795B - Fremgangsmåte for fremstilling og anvendelse av en tokomponentblanding inneholdende en bitumenemulsjon og et brytningsadditiv - Google Patents

Description

Foreliggende oppfinnelse angår en tokomponentblanding inneholdende en bitumenemulsjon, en fremgangsmåte for dens fremstilling, et brytende additiv for anvendelse i nevnte bitumenemulsjon og anvendelse av nevnte bitumenemulsjon. Mer detaljert angår foreliggende oppfinnelse en bitumenemulsjon av anionisk eller kationisk type som har et brytende additiv og et brytende additiv til anvendelse i nevnte bitumenemulsjon så vel som anvendelse av bitumenemulsjonen som et bindemiddel i vegbygging eller vedlikehold av veger eller i konstruksj onsarbeid.

Bitumenemulsjoner har blitt anvendt i mer enn 70 år. Hovedanvendelse for bitumenemulsjoner er i vegbygging og vedlikeholdet av veger, men bitumenemulsjoner har også funnet omfattende anvendelse innenfor andre felt, slik som tak-legging i bygningsindustrien. I løpet av de siste 15 til 20 årene har det vært en vesentlig økning i anvendelse,særlig til vegformål.

Emulsjonene kan bli klassifisert i forskjellige typer avhengig av hvilken type emulgeringsmiddel som har blitt anvendt for å emulgere bitumen, f.eks. anionisk, kationisk, ikke-ionisk og amfoteriske emulsjoner. I de tidligste emulsjonene ble anioniske emulgeringsmidler utelukkende anvendt, særlig såper av langkjedede fettsyrer. Disse systemene hadde den ulempen at adhesjonen til stenmaterialet var heller dårlig. For ca. 20 år siden fremkom kationiske emulgeringsmidler, fettsyreaminer, på markedet med lav pris. Dette la grunnen for en stor økning i anvendelse av bitumenemulsjoner i løpet av de siste 15 årene.

Bitumenemulsjoner av kationisk type har i stor grad erstattet anvendelse av asfaltløsninger i forbindelse med veger. Dette har resultert i vesentlig reduksjon i utslipp av olje og oppløsningsmidler i luften. Fordelene med emulsjoner i denne forbindelse er at de, sammenlignet med asfaltløsninger, raskt danner et bindemiddel med god fasthet og at de gir en god festing til stenmaterialet.

Anvendelse av bitumenemulsjoner har imidlertid blitt begrenset til noen spesifikke felter for anvendelse, og dette skyldes det faktum at de har noen ulemper, nemlig a) de er sensitive til regn, og b) det tar forholdsvis lang tid før bindemidlet har utviklet full styrke.

De forskjellige typene bitumenemulsjoner atskiller seg i deres brytende egenskaper, dvs. brytning av emulsjonen og herdingen derav. Mekanismen for brytning av emulsjonen atskiller seg avhengig av emulsjonstype. Det har imidlertid alltid vært ønskelig å kontrollere brytning av emulsjonene.

Innenfor litteraturen har det blitt presentert et stort antall metoder for brytning av anioniske så vel som kationiske emulsjoner ved hjelp av additiver.

Brytning av anioniske emulsjoner ved hjelp av additiver kan bli gjennomført på i prinsippet forskjellige måter. Noen måter som er blitt foreslått i litteraturen er følgende: Tilsetning av kalksten (kalsiumhydroksid), gips eller salter av flerverdige metaller.

Tilsetning av kationiske emulgeringsmidler.

Justering av pH-verdien ved tilsetning av organiske eller uorganiske syrer.

Bryting av kationiske emulsjoner kan bli gjennomført på følgende måter:

Tilsetning av anioniske emulgeringsmidler.

Tilsetning av flerverdige metallioner eller flerverdige uorganiske anioner.

Justering av pH-verdi ved tilsetning av baser.

Tilsetning av forskjellige typer fyllstoffer eller aggregat-finmaterialer eller portland-sement.

Metodene over eksisterer i et stort antall variasjoner. Imidlertid lider alle av en stor ulempe, nemlig at brytning forekommer umiddelbart når tilsetningen kommer i kontakt med emulsjonen. Således er anvendelsesområdene betraktelig inn-skrenket .

For å øke nyttigheten av bitumenemulsjoner, må brytningen bli regulert på en slik måte at den er forsinket, men rask med en gang den har startet.

Noen metoder for kontrollert forsinket bryting av bitumenemulsjoner har blitt foreslått i litteraturen. Således beskriver f.eks. svensk patent nr. 8701292-8 (publikasjon nr. 453 760) en fremgangsmåte der brytingsadditivet er innelukket i mikrokapsler. Innkapslingen av brytningsadditivet er imidlertid en relativt kostbar fremgangsmåte som blir tilført til de samlede kostnadene av bitumenemulsjonen slik at den blir uøkonomisk.

Det er således et mål med foreliggende oppfinnelse å fremskaffe en bitumenemulsjon som har et brytningsadditiv der emulsjonen kan bli fremstilt enkelt ved lave kostnader og som blir brutt på en kontrollert måte slik at brytningen blir forsinket, men rask med en gang den har startet.

Det er et annet mål med oppfinnelsen å fremskaffe en rimelig og enkel metode for fremstilling av en bitumenemulsjon som har et brytningsadditiv, der emulsjonen blir brutt på en kontrollert måte slik at brytningen blir forsinket, men er rask med en gang den har startet.

Det er et ytterligere mål med foreliggende oppfinnelse å fremskaffe et brytningsadditiv til bitumenemulsjonene, der additivet enkelt kan bli fremstilt ved lave kostnader og har evne til å bryte bitumenemulsjonen på en kontrollert måte slik at brytningen blir forsinket, men er rask med en gang den har startet.

Disse og andre mål blir oppnådd ved hjelp av foreliggende oppf innelse.

Foreliggende oppfinnelse er basert på prinsippet med fremstilling av en vandig oppløsning av en nøytraliserende substans, deretter emulgering av den vandige oppløsningen i olje på en slik måte at en oljekontinuerlig fase (en såkalt invert emulsjon) blir oppnådd og endelig blanding av den inverte emulsjonen i bitumenemulsjonen. Blandingen av den inverte emulsjonen i bitumenemulsjonen blir gjennomført kort før anvendelse av bitumenemulsjonen. Etter et kort tidsrom som er definert ved mengden og sammensetningen av additivet blir bitumenemulsjonen brutt og utvikler raskt en god evne til å binde seg til stenmaterialet.

Ifølge oppfinnelsen blir det således frembrakt en bitumenemulsjon av anionisk eller kationisk type som inneholder et brytningsadditiv, der bitumenemulsjonen er kjennetegnet ved at brytningsadditivet har blitt tilført emulsjonen i form av enn vann-i-olje-emulsjon der en vandig emulsjon med nøytrali-serende substans er dispergert i en oljekontinuerlig fase.

Begrepet "nøytraliserende substans" som brukt her og i kravene, betegner en substans som, når den blir tilsatt den primære bitumenemulsjonen av anionisk eller kationisk type, forårsaker at pH-verdien i nevnte emulsjon beveger seg i retning mot nøytral i tetspunktet (pH 7), men som ikke nødvendigvis når, eller blir stående ved det nevnte punktet. For eksempel i det tilfellet med en emulsjon av anionisk type som har en pH-verdi på alkalisk side av nøytralitetspunktet, kan tilsetning av nøytraliseringssubstansen føre til en endelig pH-verdi over nøytrali seringspunktet, så vel som til en pH-verdi under nevnte punkt så lenge som tilsetningen fører til en brytning av emulsjonen.

Ifølge en utførelsesform av bitumenemulsjonen ifølge foreliggende oppfinnelse er bitumenemulsjonen en anionisk emulsjon og nøytraliseringssubstansen er en syre eller et syresalt der syren eller saltet er oppløselig i vann, men svakt oppløselig eller uoppløselig i olje.

Eksempler på substanser som kan bli anvendt som nøytrali-seringssubstans i denne forbindelse er organiske syrer slik som sitronsyre, ascorbinsyre, benzosyre, ravsyre og oksal-syre; uorganiske syrer slik som borsyre; og syresalter slik som kaliumhydrogenftalat, natriumhydrogensulfat, kalium-hydrogensulfat og natriumdihydrogenfosfat.

For oljefasen er utvelging av oljen ikke kritisk. Således kan de fleste typer hydrofobe væske bli anvendt inkludert mineraloljer og oppløsningsmidler av typen petroleum nafta (kerosin, white spirit, etc).

På den annen side er valg av emulgeringsmiddel til emulgering av oppløsningen av nøytraliserende substans i oljen kritisk. Emulgeringsmidlet bør være av ikke-ionisk type og ha en HLB-verdi (hydrofil-lipofil balanse; for definisjon se f.eks. W.C. Griffin, J. Soc. Cosmet. Cem. 5 (1954 ) 24 eller Das Atlas HLB System (1968), Atlas Chemie GmbH, Essen, Tyskland) i området fra 3-9, fortrinnsvis 5-7. Et eksempel på et nyttig emulgeringsmiddel i denne forbindelse er produktet som blir forhandlet av ICI Europe Ltd., Kortenberg, Belgia, under varemerke Hypermer A60. Blandinger av to eller flere ikke-ioniske emulgeringsmidler kan også bli anvendt forutsatt at HLB-verdien til blandingen er innenfor det fremsatte området over.

Ifølge en annen utførelsesform av bitumenemulsjonen ifølge foreliggende oppfinnelse er bitumenemulsjonen en kationisk emulsjon og den nøytraliserende substansen er en organisk base, et basisk salt av en organisk eller uorganisk syre eller et alkalimetallhydroksid, der base, salt eller hydroksid er oppløselig i vann, men svakt oppløselig eller uoppløselig i olje.

Eksempler på substanser som kan bli anvendt som den nøytrali-serende substansen i denne forbindelse er organiske baser slik som lavmolekylaminer, f.eks. monoetanolamin, dietanol-amin, trietanolamin, aminopropanol, etc; basiske salter av organiske syrer, f.eks. trinatriumcitrat; basiske salter av uorganiske syrer slik som natriumkarbonat, natriumborat, natriumsilikat, trinatriumfosfat, etc; og alkalimetall-hydroksider slik som natrium- eller kaliumhyroksid.

Oljen til oljefasen i brytningsadditivet og emulgeringsmidlet til emulgering av den nøytraliserende substansen i nevnte olje kan bli valgt som indikert over i forbindelse med bitumenemulsjonen av anionisk type.

Oppfinnelsen frembringer også et brytende additiv for anvendelse i en bitumenemulsjon ifølge oppfinnelsen der brytningsadditivet omfatter en vann-i-olje-emulsjon, der en vandig oppløsning av en substans som har en nøytraliserende effekt på bitumenemulsjonen når den blir tilsatt til denne, blir dispergert i en oljekontinuerlig fase.

Ifølge en utførelsesform av brytningsadditivet i oppfinnelsen som er beregnet til å bli anvendt i en bitumenemulsjon av anionisk type, er den nøytraliserende substansen en syre eller et syresalt, og syren eller saltet er oppløselig i vann, men svakt oppløselig eller uoppløselig i olje.

Ifølge en annen utførelsesform av brytningsadditivet i oppfinnelsen som er beregnet til å bli anvendt i en bitumenemulsjon av kationisk type er nøytraliseringssubstansen en organisk base, et basisk salt eller en organisk eller uorganisk syre eller hydroksid, der base, salt eller hydroksid er svakt oppløselig eller uoppløselig i olje.

Eksempler på nøytraliserende substanser som skal bli anvendt i disse to utførelsesformene av brytningsadditivet er gitt i forbindelse med utførelsesformen av bitumenemulsjonen ifølge oppfinnelsen som nevnt over.

Oljen til oljefasen og den nøytraliserende substansen i nevnte olje blir utvalgt som diskutert over i forbindelse med bitumenemulsjonen ifølge oppfinnelsen.

Oppfinnelsen omfatter også en fremgangsmåte for fremstilling av bitumenemulsjonen ifølge oppfinnelsen, der prosessen er kjennetegnet ved at man

a) fremstiller en vandig oppløsning av en nøytraliserende substans, b) emulgerer den vandige oppløsningen fra a) i olje for å danne en invert emulsjon, og c) blander den inverte emulsjonen fra b) i en bitumenemulsjon av anionisk eller kationisk type.

Trinn c) blir gjennomført kort før anvendelse av bitumenemulsjonen. I dette trinnet blir brytningsadditivet, dvs. den oppnådde inverte emulsjonen i trinn b), blandet direkte i bitumenemulsjonen. Dess mer effektiv dispergeringen er, dess raskere er igangsettingen av brytningen.

Når man anvender denne teknikken til anioniske bitumenemulsjoner, blir en direkte brytning av emulsjonen under frigjøring av vann generelt oppnådd. I det tilfellet med kationiske emulsjoner kan brytningen av emulsjonen foregå på to forskjellige måter. Enten forekommer en direkte brytning av emulsjonen eller en inversjon av bitumenemulsjon blir oppnådd. Den sistnevnte reaksjon er kjennetegnet ved at den er relativt rask med en gang den har startet og at den ikke fører til umiddelbar frigjøring av vann.

Oppfinnelsen angår også anvendelse av bitumenemulsjon ifølge oppfinnelsen som et bindemiddel i vegbygging eller vedlikehold av veger eller i konstruksjonsarbeid, slik som taklegg-ing, belegg og vannsikring.

Undersøkelser har vist at en god styrke i bindemidlet kan bli oppnådd på mindre enn 10 minutter eller blanding av brytningsadditivet og bitumenemulsjonen sammen. Konstruksjonen kan bli gjort fullstendig upåvirkbar av regn etter ca. 30 minutter.

Forsinkelsen i brytning av emulsjonen kan varieres ved å variere mengde og sammensetning av brytningsadditivet eller ved å variere effektiviteten i dispergeringen. Velegnede mengder og sammensetninger til forskjellige formål og effekter kan enkelt bli etablert i en serie eksperimenter. Generelt vil imidlertid mengden av brytningsadditiv være 1 til 10, fortrinnsvis 1,5-6, særlig 2-4 vekt-# beregnet på vekten av den endelige bitumenemulsjonen.

I bitumenemulsjoner i foreliggende oppfinnelse foretrekker man for tiden de av kationisk type der nøytraliseringssub-stansen av brytningsadditivet er et enkelt tilgjengelig vann-oppløselig basisk salt av en uorganisk syre, f.eks. natriumkarbonat eller av en organisk syre, f.eks. trinatriumcitrat.

Oppfinnelsen vil nå bli ytterligere illustrert ved hjelp av et antall arbeidseksempler. Alle prosentdeler i eksemplene er ved vekt dersom annet ikke er angitt.

Eksempel 1

En anionisk bitumenemulsjon ble fremstilt i en laboratorie-kolloidal kvern (Super Dispax 5041). Til den vandige fasen av emulsjonen ble en vandig oppløsning med 1,14$ emulgeringsmiddel EN 741 fra Akzo AB, Goteborg, Sverige, anvendt. pH-verdien til oppløsningen ble justert til 11,5 ved hjelp av NaOH.

Den vandige oppløsningen ble oppvarmet til 50 °C. Den kolloidale kvernen ble satt i gang og bitumen (standard kvalitet B 180 fra AB Nynås Bitumen, Nynåshamn, Sverige) ble tilsatt meget langsomt. Bitumen hadde en temperatur på tilnærmet 140°C. Den vandige oppløsningen og bitumen ble blandet i et slikt forhold at bitumeninnholdet i emulsjonen som ble dannet var 65$. Dette produktet vil i det følgende bli referert til som "den primære bitumenemulsjonen".

En annen emulsjon ble fremstilt ved langsom tilsetning av en oppløsning med 25% sitronsyre i vann til en 1,6$ oppløsning av et emulgeringsmiddel Hypermer A60 (fra ICI Europe Ltd. , Kortenberg, Belgia) i en hydrobehandlet naftenisk olje (standard kvalitet Nytex 800 fra Nynås Naphthenics AB, Nynåshamn, Sverige) ved omgivelsestemperatur under kraftig omrøring. Blandingen ble utført i et forhold slik at det endelige produktet var en 60$ vann-i-olje-emulsjon. Dette produktet ble anvendt som et brytningsadditiv som følger.

Den primære bitumenemulsjonen ble blandet med 4$ (beregnet på primær bitumenemulsjon) av brytningsadditivet ved omgivelsestemperatur i et beger og omrørt for hånd med en glasstav. Emulsjonen ble brutt etter 1,5 minutter. En tilsvarende emulsjon uten brytningsadditiv ble anvendt som en referanse og denne ble ikke brutt etter flere timer (ikke kontinuerlig omrøring).

Eksempel 2

I dette eksperimentet ble bitumenemulsjon og brytningsadditiv fra eksempel 1 anvendt.

For å simulere et overflatebelegg på veger, ble et tinnlokk anvendt (diameter 200 mm). Umiddelbart før anvendelse ble 4$

(beregnet på den primære bitumenemulsjonen) brytningsadditiv blandet med 50 g av primær bitumenemulsjon. Blandingen ble omrørt med hånd ved å anvende en glasstav i ca. 10 sekunder og deretter tømt på lokket, etterfulgt av 400 g aggregater (Farsta granitt 12-16 mm uvasket materiale). Emulsjonen ble brutt etter 5 minutter. Et referanselokk behandlet analogt, men med en emulsjon uten brytningsadditiv, viste ingen brytning etter 2 timer.

Eksempel 3

I dette eksperimentet ble en kationisk polymer modifisert bitumenemulsjon anvendt (PME 90 fra fullskalaproduksjon i AB Nynås Bitumen, Nynåshamn, Sverige). Polymerene var en blanding av kommersielle blokk-kopolymerer av typene styren-butadien-styren (SBS) og styren-isopren-styren (SIS). Den samlede mengden polymer i bitumen var 4,5$.

Brytningsadditivet var en reversert emulsjon med en oljefase som besto av en 2,3$ oppløsning av emulgeringsmidlet Hypermer A60 i Nytex 800. Den vandige fasen besto av en 10$ oppløsning natriumkarbonat i vann. Vann-i-olje-emulsjonen ble fremstilt ved langsom tømming av den vandige fasen i oljefasen under kraftig omrøring. Det endelige brytningsadditivet er en vann-i-olje-emulsjon som omfatter 63 vekt-# vann.

2% av brytningsadditivet blir tilsatt til PME 90 i en kopp. Under omrøring med en glasstav startet emulsjonen å bryte til veggene av koppen etter 1 minutt. Etter 5 minutter hadde emulsjonen invertert (så ut som fullstendig brutt emulsjon).

Eksempel 4

I dette eksperimentet ble bitumenemulsjonen og brytningsadditivet fra eksempel 3 anvendt.

En fersk fremstilling av 4,6% (beregnet på bitumenemulsjon) brytningsadditiv i 50 g bitumenemulsjon PME 90 ble tømt på et tinnlokk. 400 g aggregater (Farsta granitt 12-16 mm uvasket) ble anvendt. Etter 10 minutter satt aggregatene fast. Lokket ble vasket med vann. Ikke noe emulsjon ble vasket vekk.

Et referanselokk med emulsjon PME90 uten noe brytningsadditiv ble vasket nesten rent ved å anvende vann etter 10 minutter.

Eksempel 5

I denne testen ble et Spinn Test-utstyr anvendt. Spinn-test er en test for bestemmelse av gjenværende styrke for aggregater som en funksjon av tid. Det består av en elektrisk motor med en variabel hastighet knyttet til en roterende skive. Et simulert overflatebelegg blir påført på en rund plate som er skåret ut fra en takmembran. Skiven blir dekket med ~ 90 g emulsjon etterfulgt av ~ 430 g aggregater (Farsta granitt, vasket og harpesiktet 12-16 mm i størrelse). Skiven blir herdet i romtemperatur. Etter herdingsperioden blir skiven montert på den roterende skiven. Skiven blir spunnet ved en utvalgt hastighet i 30 sekunder. Stentapet (målt som vekttap) blir bestemt. Den gjenværende styrken til aggregatet blir beregnet.

Tre forskjellige additiver ble laget til denne testen: Additiv 1. Vandig fase: 15% natriumkarbonat i vann.

Oljefase: 0,7% alkylpolyglykoleter, 0,5% polyglykolester, 0,2% Hypermer A60, 0,5% sorbitanmonooleat, alle disse er emulgeringsmidler oppløst i Nynås olje Nytex 800. Vann-i-ol je-emulsjonen besto av 50% vandig fase og ble fremstilt ved hjelp av en Ultra turrax høy-hastighetsblander.

Additiv 2. Vandig fase: 30% trinatriumcitrat i vann.

Oljefase: 4% Hypermer A60 i Nytex 800. Vann-i-oljeemulsjonen besto av 50% vandig fase og ble fremstilt med Ultra turrax-blander.

Additiv 3. Vandig fase: 18% trinatriumcitrat og 6%

natriumkarbonat i vann.

Oljefase: 4% Hypermer A60 i Nytex 800. Vann-i-olje-emulsjonen besto av 70% vandig fase og ble fremstilt med Ultra Turrax-blander.

I alle disse testene ble polymermodifisert bitumenemulsjon PME 90 anvendt.

Spinn-test-resultater:

Additivene ble tilsatt emulsjonen og blandet med en glass-omrører umiddelbart før påføring på testskiven.

Den første testen ble gjort etter 30 minutters herding av prøven.

Claims (11)

1. Tokomponentblanding inneholdende en bitumenemulsjon og et brytningsadditiv, karakterisert ved at den omfatter en bitumenemulsjon av anionisk eller kationisk type og et brytningsadditiv som omfatter en neutraliserende substans, der brytningsadditivet omfatter en vann-i-olje-emulsjon, i hvilken en vandig oppløsning av den nøytraliserende substansen er dispergert i en oljekontinuerlig fase.

2. Tokomponentblanding ifølge krav 1, karakterisert ved at bitumenemulsjonen er en anionisk emulsjon og den nøytraliserende substansen er en syre eller et syresalt, der syren eller saltet er oppløselig i vann, men tungt oppløselig eller uoppløselig i olje.

3. Tokomponentblanding ifølge krav 1, karakterisert ved at bitumenemulsjonen er en kationisk emulsjon og den nøytraliserende substansen er en organisk base, et basisk salt av en organisk eller uorganisk syre eller et alkalimetallhydroksid, der basen, saltet eller hydroksidet er oppløselig i vann, men tungt oppløselig eller uoppløselig i olje.

4. Tokomponentblanding ifølge et hvilket som helst av kravene 1 til 3,karakterisert ved at den nøytralise-rende substansen er emulgert i en mineralolje eller i et oppløsningsmiddel av typen petroleumnafta.

5 . Fremgangsmåte for fremstilling av en tokomponentblanding ifølge et hvilket som helst av kravene 1 til 4, karakterisert ved at man a) fremstiller en vandig oppløsning av en nøytraliserende substans, b) emulgerer den vandige oppløsningen fra a) i olje for å danne en invert emulsjon, og c) blander den inverte emulsjonen fra b) inn i en bitumenemulsjon av anionisk eller kationisk type.

6. Anvendelse av en tokomponentblanding ifølge et hvilket som helst av kravene 1 til 4 som bindemiddel ved vegbygging eller vedlikehold av veger.

7. Anvendelse av en tokomponentblanding ifølge et hvilket som helst av kravene 1 til 4 ved konstruksjonsarbeid slik som taktekking, belegging og impregnering.

8. Anvendelse av en vann-i-olje-emulsjon, der en vandig oppløs-ning av en substans som har en nøytraliserende effekt på bitumenemulsjonen av anionisk eller kationisk type, når den blir tilsatt til denne, er dispergert i en oljekontinuerlig fase, som et brytningsadditiv i en tokomponentblanding ifølge krav 1.

9. Anvendelse ifølge krav 8, der den nøytraliserende substansen er en syre eller et syresalt og der syren eller saltet er oppløselig i vann, men tungt oppløselig eller uoppløselig i olje, og bitumenemulsjonen er av anionisk type.

10. Anvendelse ifølge krav 8, der den nøytraliserende substansen er en organisk base, et basisk salt av en organisk eller uorganisk syre eller et alkalimetallhydroksid, der basen, saltet eller hydroksidet er tungt oppløselig eller uoppløs-elig i olje, og bitumenemulsjonen er av kationisk type.

11. Anvendelse ifølge et hvilket som helst av kravene 8 til 10, der den nøytraliserende substansen er emulgert i en mineralolje eller i et oppløsningsmiddel av typen petroleumnafta.