Przedmiotem wynalazku jest mieszanina bitu¬ miczna utworzona przez zmieszanie siarki z sub¬ stancja weglowodorowa typu bitumów, asfaltów lub smól.Polaczenie siarki z bitumami, asfaltami, smo¬ lami lub pakami jest stosowane od dawna i rózne mieszanki mas weglowodorowych z siarka opisane byly w literaturze. Jednym z ich glównych zas¬ tosowan jest pokrywanie nawierzchni dróg, a wlas¬ nosci tych mieszanek moga byc polepszone dzieki obecnosci siarki. Opisane mieszanki dziela sie na ogól na 3 typy: jedne zmodyfikowane przez dzia¬ lanie chemiczne siarki w nastepstwie ogrzewa¬ nia, inne zawierajace roztwór i/lub dyspersje czas¬ teczek siarki w masie weglowodorowej; inne, w których zawartosc siarki znacznie przekracza za¬ wartosc asfaltu; jest to dyspersja substancji we¬ glowodorowej i siarki.Najlepsze wlasnosci mechaniczne i reologiczne otrzymano wtedy, gdy zawartosc siarki byla — wedlug autorów — rzedu okolo 10% az do 400% w stosunku do masy substancji weglowodorowej.Na przyklad we francuskim opisie patentowym nr 1444629 wskazano, ze obciazalnosc nawierzchni drogi wyraznie wzrasta, kiedy stosunek wagowy siarka/bitum osiaga wartosc 2,2. Podobne rezul¬ taty wynikaja z francuskiego opisu patentowego nr 7135808; natomiast amerykanski opis patentowy nr 2 182 837 zaleca szczególnie zawartosc siarki od 33 do 100% w stosunku do bitumu.Z prac autorów wynika, ze sprzecznosci pomiedzy wynikami dotyczacymi wlasnosci mechanicznych i realogicznych mieszanek otrzymywanych dawny¬ mi sposobami pochodza w znacznej czesci z nie¬ jednorodnosci mieszanek dotychczas stosowanych.Stwierdzono, ze w masie bitumicznej zawierajacej wiecej, niz 15% siarki, wystepuje ciagle wytraca¬ nie sie tego skladnika w masie, co pociaga za soba pogorszenie wlasnosci mechanicznej nawierz¬ chni. Gdy jednak okolo 15% siarki pozostaje roz¬ puszczone w substancji weglowodorowej, nadmiar tego skladnika moze sie znalezc w stanie dyspersji lub ewentualnie przesycenia; polaczenie siarki z substancja weglowodorowa przeprowadza sie na goraco, siarka w przesyceniu lub w rozproszeniu, bardziej lub mniej niedoskonalym, ulega przemia¬ nom fizycznym podczas ochladzania i to tluma¬ czy niekorzystne zmiany, które powstaja w czasie starzenia mieszanek otrzymywanych dawnym spo¬ sobem. Z tego powodu nawierzchnie na bazie bi¬ tumu i siarki, o duzej zawartosci tej ostatniej, nie sa korzystne.Mieszanina wedlug wynalazku nie zawiera zbyt duzych ilosci siarki w stosunku do substancji wegla- pochodnych, ale ten metaloid jest rozproszony w sposób tak doskonaly, jak to mozliwe, w stanie czastek nie przekraczajacych 10 mikronów. Jest to zatem rzeczywista subtelna emulsja cieklej siarki w substancji weglowodorowej cieklej lub pólplyn¬ nej. 93 967' " - " 3 Gdy przestrzegane sa wyzej wskazane warunki mieszanina stanowi mase calkowicie jednorodna l posiadajaca bardzo dobra stabilnosc w czasie i w szerokim zakresie temperatur, przeciwnie, niz sta¬ bilnosc znanych mieszanin. Zatem mozna stwier¬ dzic, ze dyspersje wedlug wynalazku moga byc zestalane, ochladzane, a nastepnie ponownie ogrze¬ wane i stopione wiele razy bez zadnego uszkodze¬ nia; mozna nimi manipulowac w temperaturze 150°C bez wyzwolenia siarkowodoru, to znaczy bez odwodornienia bitumu przez siarke. Substancje te mozna zatem uzywac wielokrotnie podobnie, jak bitern.beB siewkit i i '^oza \fm mieszanina wedlug wynalazku posiada lepkosc nizsza niz lepkosc czystego bitumu w tem- |tóaturze^^ko|QJ4(^C, co jest korzystne i pozwala pp^4fitwiais*a ma»ibulacje. W przeciwienstwie do lsamyclrsubstaMjrr mieszanina wedlug wynalazku w stanie stalym nie wykazuje zadnego wydziela¬ nia siarki po uplywie trzech lat.Inna bardzo wazna korzystna cecha nowej mie¬ szaniny jest jej powiekszona odpornosc na tworze¬ nie kolein w stosunku do betonu bitumicznego po¬ siadajacego taka sama krzywa granulometryczna.Mieszanina wedlug wynalazku nadaje sie takze szczególnie dobrze do wytwarzania nawierzchni bitumicznych; co wiecej, pozwala ona na otrzy¬ manie doskonalych nawierzchni z bitumów (na przyklad o penetracji 80—100, 100—120, lub 180— 200), to znaczy z bitumów zbyt cieklych dla licznych zastosowan klasycznych; zatem dzieki wynalazko¬ wi równiez bitumy o podwyzszonej penetracji mo¬ ga byc stosowane do otrzymywania betonów bitu¬ micznych zwartych, posiadajacych takie same wlas¬ nosci, jak betony klasyczne otrzymane z bitumów o slabej penetracji (20—30). Jest godne podkresle¬ nia, ze warunki wymagane przy zastosowaniu tych ostatnich sa znacznie trudniejsze (200°C), niz wa¬ runki wymagane przy nowych substancjach wedlug wynalazku uzyskanych z bitumu o silnej penetracji (140°C). Stwierdzono, ze zalety mieszaniny wedlug wynalazku wynikaja z tego, ze nowe substancje sa na goraco bardziej plynne, niz zwykle bitumy o slabej penetracji, ale bardziej twarde na zimno.Chociaz w ramach wynalazku proporcja wpro¬ wadzonej siarki w stosunku do substancji weglo¬ wodorowej moze zmieniac sie w szerokich grani¬ cach, wynosi ona korzystnie od 15 do 100 czesci wagowych na 100 czesci substancji weglowodoro¬ wych, a jeszcze korzystniej od okolo 20 do 45 cze¬ sci wagowych.Jak wskazano wyzej czastki siarki rozproszonej moga miec srednie rozmiary równe lub nizsze od mikronów: korzystnie jest, gdy sa one tak male, jak to tylko mozliwe, ale praktycznie wystarczy, jesli sa one zawarte pomiedzy 0,5 a 5 mikronów.W celu otrzymania emulsji siarki w substancji weglowodorowej takiej, jak bitum, asfalt itd; sto¬ piona siarke i substancje weglowodorowa poddaje sie intensywnemu mieszaniu, powodujacemu roz¬ proszenie stopionej siarki w substancji weglowo¬ dorowej. Azeby siarka byla ciekla, trzeba oczywis¬ cie prowadzic operacje w temperaturze powyzej od 120°C, ale ograniczenie temperatury od góry jest 967 4 zalezne od rodzaju substancji i weglowodorowej i od temperatury przejscia w której ciekla siarka staje sie bardzo lepka (siarka ^). W praktycznym przypadku dyspersji siarki w bitumie stosowanym do nawierzchni dróg emulsja moze byc wykonywa¬ na w temperaturze miedzy 125° i 200°C, korzystnie srednia temperatura wynosi okolo 130° do 170°C, a najkorzystniej do 160°C.Azeby osiagnac odpowiedni stopien rozproszenia io wedlug wynalazku mozna zastosowac urzadzenia przystosowane do emulsji cieklych. Stwierdzono, ze wykonanie takiej emulsji wedlug wynalazku jest dosc trudne; moze ona byc otrzymana przy pomocy klasycznej turbiny, pod warunkiem dosto- sowania jej w pewien szczególny sposób.Wazna cecha wynalazku jest to, ze emulsja siar¬ ki w bitumie tworzona jest przez przejscie miesza¬ niny siarka-bitum przez turbine, której wielkosc szczeliny wynosi 0,1 — 2,25 mm, a zwlaszcza 0,4 — 1,15 mm. Ponadto dla otrzymania optymal¬ nie korzystnego wyniku rozmiar szczeliny winien byc regulowany w zaleznosci od proporcji siarki w stosunku do bitumu.Na ogól wybiera sie szczeline wieksza, jezeli wieksza jest zawartosc rozproszonej siarki. Nalezy regulowac predkosc obrotów turbiny i wielkosc szczeliny w ten sposób, aby sprezanie w szczelinie nie osiagnelo wartosci, przy której siarka przecho¬ dzi w siarke |x. Inaczej mówiac dla mniejszych szczelin potrzeba mniejszej szybkosci i odwrotnie.Doskonale wyniki mogly byc otrzymane z turbi¬ na Moritza typu BF 50V o regulowanej szczelinie, stosowana przy szybkosci mieszania 7400 obro¬ tów/minute, mozna równiez otrzymac bardzo sta- bilne emulsje 13 do 25 czesci siarki na 100 czesci bitumu (penetracja 80—100) ze szczelinami od 0,3 do 0,5 mm.W celu ulepszenia wynalazku przygotowano naj¬ pierw mieszanine siarka-bitum w aparacie produk- 40 kujacym mocno rozproszone dyspersje, na przyklad w turboemulsyfikatorze, i otrzymana dyspersje poddano obróbce w turbinie o odpowiednio regu¬ lowanej szczelinie; funkcjonowanie turbiny jest w ten sposób usprawnione. Oczywiscie, jezeli zaj- 45 dzie potrzeba, mozna emulsje przepuszczac przez turbine kilka razy w celu osiagniecia wlasciwego stopnia rozproszenia, to znaczy pozadanych ma¬ lych rozmiarów kropelek siarki. W tym celu dys¬ persje prowadzi sie w zespole kilku turbin i turbo- 50 emulsyfikatorów ustawionych w szereg.W nizej opisanych przykladach nie ograniczaja¬ cych zakresu wynalazku stosuje sie badz to turbi¬ ne Moritza typu BF 50V o regulowanej szczelinie o pojemnosci 3 litry, napedzana silnikiem o mocy 55 1,75 KM i o szybkosci mieszania regulowanej od 7000 do 13 000 obrotów na minute. Bitum i siarka w pozadanej proporcji wprowadzone zostaja je¬ dnoczesnie do wirujacej turbiny. Temperatura na wejsciu do turbiny wynosi, zaleznie od prób, od 60 140° do 190°C, podczas gdy produkt wychodzacy ma temperature od 110° do 140°; srednia miedzy temperatura wejscia i wyjscia traktowana jest ja¬ ko temperatura pracy okreslona powyzej. Produkt wychodzacy zostaje zawracany do wejscia turbiny 65 tak, aby mógl ulec dzialaniu emulgujacemu w cia-5 95 967 * gu 3 minut. W innyeh przykladach do wyzej wy¬ mienionej turbiny wprowadza" sie mieszanine siarki i bitumu uprzednio zemulgowana w turbo-emulsy- fikatorze Moritza w ciagu 3 minut; w tym przy¬ padku nie stosuje sie zawracania, ale pojedyncze przejscie przez turbine BF 50V. W przykladach siarka jest oznaczona przez S a bitum przez B.Przyklad I. Zmiany lepkosci mieszaniny bi- tum-siarka. Przygotowuje sie szereg próbek emul¬ sji S(I—IV) w bitumie o penetracji 80—100, w opisanej wyzej turbinie Moritza ze szczelina 0,56 mm w temperaturze od 160° do 120°C.Sam bitum (VI) przepuszcza sie przez turbine w tych samych warunkach. Przeprowadza pomiary lepkosci otrzymanych produktów, oraz w próbie porównawczej (V) przygotowanej przez zwykle mieszanie 33,3 czesci stopionej S ze 100 czesciami tego samego bitumu w temperaturze pomiedzy 120° i 160°C.Wyniki, zwlaszcza logarytmy lepkosci w cP po¬ dane sa w ponizszej tablicy.Tablica I I Emulsja II Emulsja i III Emulsja IV Emulsja V Mieszanka kla¬ syczna VI Sam bitum S/100B 11 33,3 43 33,3 0 80°C 3,45 4,04 4,32 4,65 3,62 3,93 120°C 2,66 2,76 2,83 2,90 2,96 2,91 160°C 1,90 1,78 1,86 1,92 i 2,29 2,33 Uwaga: W pozycji V mozliwa jest mieszanina heterogenna.Interesujace jest stwierdzenie, ze lepkosci emulsji wedlug wynalazku od I do IV zmnieniaja sie znacz¬ nie bardziej w funkcji temperatury niz lepkosc sa¬ mego bitumu i lepkosc mieszaniny klasycznej siar- ka-bitum. Stwierdzono, ze dla emulsji od II do IV, to znaczy powyzej 11 czesci siarki na 100 czesci bitumu, mieszanina jest znacznie bardziej lepka na zimno (lepkosc w temperaturze 80°C znacznie pod¬ wyzszona), niz to ma miejsce dla mieszaniny kla¬ sycznej V i samego bitumu VI.Przeciwnie, w temperaturach podwyzszonych, w szczególnosci w poblizu 160°C, w której to tem¬ peraturze dokonuje sie ukladania mieszanek bitu¬ micznych, lepkosc emulsji wedlug wynalazku I do IV jest znacznie nizsza od lepkosci mieszaniny kla¬ sycznej i samego bitumu. Wynika stad duze ulat¬ wienie w pracy na goraco w celu uzyskania lepszej wytrzymalosci na zimno.Dla produktów podobnych do produktu z przy¬ kladu I, ale obrabianych przede wszystkim w tur- boemulsyfikatorze Moritza w ciagu 3 minut i prze¬ chodzacych nastepnie przez turbine BF 50V wyniki sa tego samego rzedu, jak w tablicy I, z jeszcze bardziej wyrazna róznica temperatury to jest po¬ miedzy 80°C i 160°C dla emulsji wedlug wyna¬ lazku.Przyklad II. Spójnosc mieszanek siarka-bitum.W serii próbek emulsji przygotowanej wedlug wynalazku jak w przykladzie I, ale ze szczelina o szerokosci Q,4 mm, okreslono spójnosc w JsCr/cm*.Tablica II zawiera wielkosci okreslone dla tem¬ peratury —30°C, +5°C +55°C T a b 1 i c a II S/100 B 0 ,25 11,0 17,7 ,0 33,3 43,0 43,0 Mieszanka klasyczna —33°C 0,28 0,32 0,46 1,24 0,68 0,92 1,10 0,43 +5°C 1,58 1,25 1,23 2,00 1,86 2,56 1,99 1,73 + 55° 2,25 2,64 6,12 6,32 ,72 4,42 ,67 4,26 Mozna zauwazyc, ze wytrzymalosc mieszaniny wedlug wynalazku jest znacznie wyzsza w porów¬ naniu z wytrzymaloscia bitumu bez dodatku S i z mieszanka klasyczna; poprawa jest zwlaszcza wyrazna dla zawartosci S przekraczajacej ll6/o w stosunku do bitumu. Ta korzysc jest bardzo wazna dla bardzo niskich temperatur (—33°C), jak i dla temperatur lata, rzedu 55°C, na które czesto na¬ razone sa nawierzchnie dróg.Przyklad III. Spójnosc w funkcji wielkosci szczeliny w turbinie.Próby prowadzone w temperaturze —33°C przy¬ toczone w tablicy II, z emulsja wedlug wynalazku, powtórzono dla próbek emulsji przygotowanej przy róznych szczelinach w tej samej turbinie. Oto otrzy¬ mane wartosci spójnosci: Tablica III S/100B 11 17,7 33,3 43,0 Szczelina | 0,15 mm 0,27 0,77 0,85 0,39 0,4 mm 0,46 1,24 0,92 1,10 0,15 mm 0,56 0,90 0,90 0,63 Mozna zauwazyc, ze dla emulsji o zawartosci od 17 do 43 czesci siarki na 100 czesci bitumu maksi¬ mum spójnosci przypada na szczeline 0,4 mm.Dla 11 czesci siarki najkorzystniejsza wydaje sie szczelina o szerokosci 1,15 mm. Odpowiednia re¬ gulacja szczeliny dla danej emulsji stanowi istot¬ ny czynnik dla mieszaniny wedlug wynalazku. PL PL PL PL PL PL PL