DE2454803C2 - Verfahren zur Herstellung eines für den Straßenbau geeigneten Materials - Google Patents

Verfahren zur Herstellung eines für den Straßenbau geeigneten Materials

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Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines für den Straßenbau geeigneten Materials, wobei
man auf eine Temperatur von mindestens 180" C vorerhitzte Mineralbestandteile mit nicht-erhitzten, zerkleinerten thermoplastischen Kunststoffbestandteilen mischt, zu der erhaltenen Mischung bituminöse oder *r<rrartige Kohlenwasserstoffbestandteile zusetzt.
Aus der DE-OS 21 39 277 ist es bekannt, bei der Herstellung von Straßenbeiagmassen aus Mineralbestandteilen, wie Schotter und Sand, mit Bitumen als Bindemittel einen Teil der Mineralbestandteile durch Teilchen aus synthetischem Harz zu ersetzen. Dabei findet keine Schädigung oder Verschlechterung des Kunststoffes statt, weil die Mischung der Bestandteile bei einer solchen Temperatur und innerhalb eines so kurzen Zeitraumes durchgeführt wird, daß sich ein Teil der Kunststoffteilchen entweder verformt oder die Oberfläche der Teilchen schmilzt, so daß die Haftung zwischen den Kunststoffteilchen und dem Binder erhöht wird. Als Kunststoffe werden vorzugsweise thermoplastische Kunstharze verwendet Bei Verwendung von Sand kann höchstens 75% dieses Mineralbestandteils durch Kunststoff ersetzt werden, bei Verwendung von Schotter und Kiesel höchstens 50%. Die Reihenfolge beim Mischen der Bestandteile ist bei diesem bekannten Verfahren nicht kritisch. Es wurde u. a. eine Methode beschrieben, wobei die Mineralbestandteile auf 170—2000C erhitzt werden und dann zunächst die Kunststoffe und anschließend ein auf 140— 1600C erhitztes bituminöses Material zugesetzt werden.
Bei Anwendung dieser Methode werden mit thermoplastischen Kunststoffen Produkte erhalten, die eine hohe
Marshall-Stabilität (ASTM D 1559-62 T) besitzen, die jedoch für viele Zwecke nicht ausreicht und auch niedriger ist als die Stabilität von Produkten, die dadurch erhalten werden, daß zunächst die Mineralbestandteile mit den bituminösen Bestandteilen gemischt werden und zu dem erhaltenen Gemisch Kunststoff zugesetzt wird. Die beschriebenen Zusammensetzungen enthalten immer wenigstens 11 Gew.-% Kunststoff, während die Menge des Bitumens niedriger ist und z. B. 6—8 Gew.-% beträgt, wobei beide Prozentsätze auf das Gewicht der
3; Mineralbestandteile bezogen sind. In der Praxis hat sich herausgestellt, daß die in dieser Otfenlegungsschrift beschriebenen Zusammensetzungen bei Anwendung im Straßenbau Straßenbeläge mit Rissen ergeben.
Aus der niederländischen Patentanmeldung Nr. 71 08 690 ist die Herstellung von bituminösen Zusammensetzungen bekannt, die ebenfalls Mineralaggregate und ein Polymerisat enthalten und die für den Straßenbau geeignet sind. Durch die Verwendung des Polymerisats bezweckt man die Theologischen Eigenschaften des Bitumens zu verbessern. Das verwendete Polymerisat muß bestimmte Eigenschaften besitzen und ist ein synthetischer Kautschuk vom Typ eines Blockmischpolymerisats der allgemeinen Formel A —B—A, in der die beiden Blöcke A identische oder unterschiedliche, thermoplastische, nicht-elastomere Polymerisatblöcke und Block B einen elastomeren Polymerisatblock darstellen, wie beispielsweise Polystyrol-Polyisopren-Polystyrol. Zur Herstellung von bituminösen Zusammensetzungen wird dieses Polymerisat in Gegenwart mindestens eines Teils des Mineralaggregats mit dem bituminösen Bestandteil vermischt. Gemäß dieser Patentanmeldung kann dieses Mischen in verschiedener Weise erfolgen, nämlich:
a) durch Zugeben des Blockmischpolymerisats zu einer Mischung aus dem bituminösen Bestandteil und dem
Mineralaggregat,
b) durch Vermischen des Blockmischpolymerisats mit dt: Gesamtmenge des Mineralaggregats, bevor der bituminöse Bestandteil zugesetzt wird,
c) durch Vermischen des Blockmischpolymerisats mit einem Teil des Mineralaggregats, wonach der Rest des Mineralaggregats zugesetzt wird, bevor der auf 135 bis 185°C erhitzte bituminöse Bestandteil zugegeben wird,
wobei die Gesamtmenge des Aggregats zuvor bei erhöhter Temperatur, beispielsweise bei 2000C, getrocknet werden kann, und
d) durch Vermischen des Blockmischpolymerisats mit einem Teil des Mineralaggregats und Zugabe dieser Mischung zu einer Mischung aus dem bituminösen Bestandteil und dem Rest des Mineralaggregats.
Bei diesen Mischmethoden wird das Blockmischpolymcrisat in Form eines Pulvers oder in Form einer Lösung in einem flüchtigen Lösungsmittel verwendet. Die verwendete Menge des Blockmischpolymerisats beträgt 1 bis 20 Gew.-%, bezogen auf den bituminösen Bestandteil. Die Menge der Mischung aus dem Blockpolymerisat und dem bituminösen ßestandtcil belauft sich auf I bis 15 Gcw.-%, bezogen auf die Menge des Mineralaggregats. Im Verhältnis zu den polymeren Bestandteilen sind die bituminösen Bestandteile somit in einem beträchtlichen
b5 Überschuß vorhanden.
Der Preis der so erhaltenen bituminösen Zusammensetzungen ist zu hoch, um das Material in wirtschaftlicher Weise für den Massenstraßenbau zu verwenden. Es wird deshalb auch nur für Spezialzwecke verwendet, zum Beispiel in sehr dünnen Schichten zur Oberflachenbehanc^ung.
[η der niederländischen Patentanmeldung Nr. 69 00 269 ist ein Verfahren zur Herstellung eines Materials beschrieben, gemäß dem vorerhitzte Mineralbestandteile mit 10 bis 25 Gew.-% Abfallkunststoffen vermischt werden, worauf die Mischung auf eine Temperatur erhitzt wird, die mindestens gleich ist der Schmelztemperatur der Bestandteile der Abfallkunststoffe mit dem höchsten Schmelzpunkt. Es ist erforderlich, daß als Kunststoffbestandteile thermoplastische Harze verwendet werden, in denen geringe Mengen hitzehärtbarer Harze vorhanden sein können. Diese Materialien können für Bauzwecke und/oder Straßenbau sowie den Wasserbau verwendet werden.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung eines Verfahrens zur Herstellung von für den Straßenbau geeigneten Materialien mit verbesserten Eigenschaften, wie einer besonders großen Marshall-Stabilität, einer hohen Druckfestigkeit und einer ausgezeichneten Beständigkeit gegen die Bildung von Rillen, Spuren und Rissen.
Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung eines für den Straßenbau geeigneten Materials, wobei man auf eine Temperatur von mindestens 180°C vererhitzte Mineralbestandteile mit nicht-erhitzten, zerkleinerten thermoplastischen Kunststoffbestandteilen mischt und zu der erhaltenen Mischung bituminöse und/oder teerartige Kohlenwasserstoffbestandteile zusetzt, dadurch gekennzeichnet, daß man die Kohlenwas- 1 s serstoffbestandteile in einer Menge von 5—8 Gew.-%, bezogen auf die Mineralbestandteile, und als thermoplastische Kunststoffbestandteile Polyäthylen, Polypropylen und/oder Polybutylen in einer Menge von 1—3 Gew.-%, bezogen auf die Mineralbestandteile, aber in einer Menge von zumindestens 20 Gew.-%, bezogen auf die Kohlenwasssrstof fbestandteile, zugibt.
Die Kombination aus den besonderen Verfahrensmaßnahmen and der Relation der materiaibiidenden Bestandteile führt überraschenderweise zu Materialien mit unerwartet günstigen Eigenschaften.
Bezüglich der angewandten Verfahrensmaßnahmen ist festzustellen, daß Materialien mit günstigen Eigenschaften ausschließlich mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens erhalten werden, gemäß dem zunächst die Mineralbestandteile erhitzt werden, wonach die nicht-erhitzten, zerkleinerten erfindungsgemäßen thermoplastischen Kunststoffbestandteile zugegeben und schließlich die Kohlenwasserstoffbestandteile zugesetzt 1,erden. In den weiter unten angegebenen Vergleichsbeispielen sind Ergebnisse angegeben, die durch ein teilweises Abweichen von dem erfindungsgemäßen Verfahren erhalten worden sind. In dem Vergleichsbeispie! 1 wird kein Kohlenwasserstoffbestandteil verwendet. Bei dem Vergleichsbeispiel 2 wird der Mineralbestandteil nicht vorerhitzt. In dem Verjtleichsbeispiel 3 werden grobe Kunststoffbestandteile verwendet Bei dem Vergleichsbeispiel 4 werden vorerhitzte, zerkleinerte Kunststoffbestandteile verwendet. Im Rahmen des Vergleichsbeispiels 5 werden die vorerhitzten Mines:albesUi«dteile zunächst mit dem Kohlenwasserstoffbestandteil vermischt, bevor die Kunststoffbestandteile zugewetzt werden. Schließlich werden bei dem Vergleichsbeispiel 6 die vorerhitzten Mineralbestandteile mit einer Misc. üng aus einer heißen Komponenten aus Kohlenwasserstoffbestandteilen und zerkleinerten Kunststoffbestandteilen vermischt. Erfindungsgemäß können als Mineralbestandteüe sämtliche Bestandteile verwendet werden, die für den Anwendungszweck der Materialien geeignet sind. Sand und Mischungen aus Sand und Kies werden bevorzugt verwendet. Für gewisse Anwendungszwecke kann der Sand jedoch vollständig, zum größten Teil oder im geringeren Ausmaß durch zerkleinertes Glas, das z. E. als Industrieabfall anfällt, Hochofenschlacke oder Schlacke, die in metallurgischen Betrieben oder in Müllverbrennungsanlagen anfällt, ersetzt werden.
Als thermoplastische Kunststoffbestandteile werden erfindungsgemäß Polyäthylen, Polypropylen und Polybutylen, verwendet.
Die Herkunft der Kunststoffbestandteile ist nicht wichtig, vorausgesetzt, daß sie zerkleinert werden. Daher können sie beispielsweise in Form von granulierten Rohmaterialien, wie sie bei der Herstellung anfallen, zerkleinerten Rohmaterialien oder Abfallprodukten der Polymerisatherstellung eingesetzt werden. Zum Beispiel sind vom Standpunkt der Umweltreinhaltung aus gesehen die sog. Haushaltskunststoffabfälle von besonderer Bedeutung. Diese Abfallprodukte, wie wegen ihrer schlechten Abbaubarkeit nicht oder nur schwer aus der Umgebung beseitigt werden können, können nach dem erfindungsgemäßen Verfahren zu nützlichen Produkten verarbeitet werden. Die einzige Bedingung ist diejenige, daß die Kunststoffabfälle zu Teilchen mit relativ geringen Abmessungen zerkleinert werden. Natürlich bestehen diese Abfallprodukte aus einer großen Vielzahl von verschiedenen synthetischen Substanzen, bei denen es sich jedoch größtenteils um thermoplastische Harze handelt. Ein relativ geringer Prozentsatz von hitzehärtbaren Harzen ist kein Hindernis für die Verarbeitung dieser Materialien, da die hitzehärtenden Harze als Füllstoffe eingearbeitet werden. Geringe Prozentsätze anderer Produkte, die zufällig vorhanden sind, sind unschädlich.
Hinsichtlich der Form und der Abmessungen der zerkleinerten Kunststoffbestandteile ist festzuhalten, daß die Form eine geringe Bedeutung hat, so daß in wirksamer Weise Schuppen, Granulate, Körnchen, geschnitzelte, geschnittene oder gebrochene Teilchen u. dgl. verwendet werden können, und daß die Abmessungen auch innerhalb eines weiten Bereiches variieren können und überwiegend von dem angestrebten Anwendungszweck abhängen.
Für das erfindungsgemäße Verfahren werden im allgemeinen die üblichen bituminösen Produkte und Kohleteerprodukte verwendet.
Weiterhin ist es möglich, in die Materialien die üblichen Füllstoffe und/oder Additive einzuarbeiten. Wie bereits erwähnt, können Pigmente als Additive verwendet werden. In Abhängigkeit von ihrer Art werden die Füllstoffe und die Additive zu dem Mineralbestandteil oder dem thermoplastischen Kunststoffbestandteil zugesetzt. Beispielsweise ist es ohne weiteres möglich, als Füllstoff wirkende, hitzehärtbare Harze zusammen mit dem Kunststoffbestandteil zuzugeben.
Die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Materialien zeichnen sich durch günstige Eigenschaften aus. Wie aus den Beispielen und den darin angegebenen Tabellen ersichtlich ist, werden für Straßenbeläge geeignete Materialien hergestellt, die bei 600C eine Marshall-Stabilität von 1850 bis 4700 kg und eine nach der Proctor-Methode bestimmte Druckfestigkeit von 75 bis 130 kg/cm2 besitzen.
Weiterhin hat es sich erwiesen, daß die Rißempfindlichkeit des Endprodukts beeinflußt werden kann, so daß eine ununterbrochene Siraßenoberfläche hergestellt werden kann. Je weniger thermoplastische Kunststoffbestandteile vorhanden sind, umso geringer ist die Rißempfindlichkeit.
Es ist überraschend, daß die Verarbeitung des erfindungsgemäßen Materials, das 20 bis 25 Gew.-% thermoplastische Kunststoffe, bezogen auf die Gewichtsmenge der Kohlenwasserstoffbestandteile, enthält, ohne weiteres mit herkömmlichen Auftragvorrichtungen und Walzen verarbeitet werden kann, so daß selbst eine bemerkenswerte Verbesserung hinsichtlich des Verarbeitens gegenüber den bisher bekannten bituminösen Mischungen erreicht wird.
Vergleichsbeispiel 1
Man erhitzt Sand auf 200 bis 2500C und gibt 4 bis 10 Gew.-%, bezogen auf die Menge des Sandes, nicht-erhitztes, zerkleinertes Polyäthylen zu. Als Ergebnis erhält man eine Mischung, die nicht oder kaum in großem Maßstab zu einem Straßenbelag verarbeitet werden kann. Der Temperaturbereich für die Auftragung des Materials ist zu eng und das sofortige Walzen führt zu permanenten Rissen.
Vergleichsbeispiei 2
Man vermischt kalten Sand mit zerkleinerten polymeren Bestandteilen und erhitzt diese Mischung auf 200 bis 250°C. Es ergibt sich keine oder eine unzulängliche Verbindung, und die Mischung fällt auseinander und besitzt daher schlechte mechanische Eigenschaften.
Vergleichsbeispiel 3
Man vermischt erhitzten Sand mit großen Abfallkunststoffstücken. Es wird unter Schwierigkeiten eine gewisse Verbindung erreicht
Vergleichsbeispiel 4
Man vermischt erhitzten Sand mit zerkleinerten polymeren Bestandteilen, die vor dem Vermischen bis zum Erweichungspunkt erhitzt worden sind. Es werden keine zufriedenstellenden Mischergebnisse erzielt, und es erfolgt keine oder nur eine unzureichende Kohäsion.
Vergleichsbeispiel 5
Man vermischt erhitzten Sand mit Bitumen und gibt anschließend unter dauerndem Rühren zerkleinerte polymere Bestandteile zu. Man erreicht keine zufriedenstellenden Mischergebnisse; die Mischung ballt sich zu Klumpen zusammen.
Vergleichsbeispiel 6
Man vermischt erhitzten Sand mit einer Mischung aus heißem Bitumen und zerkleinerten polymeren Bestandteilen. Man erzielt keine zufriedenstellende Durchmischung, und die Ergebnisse sind wesentlich schlechter als die gemäß den Beispielen 1 bis 5 erhaltenen.
Vergleichsbeispiel 7
Man vermischt erhitzten Sand mit zerkleinerten hitzehärtbaren polymeren Bestandteilen. Es wird keine Bindung erreicht, und das hitzehärtbarc Harz kann bei zu hohen Temperaturen brennen.
B c i s ρ i e 1 1
Man erhitzt 1 Tonne einer Mischung aus 33 Gew.-% Sand der Korngröße <2 mm. 28 Gew.-% Kies der Korngröße 2—5 mm und 39 Gew.-% Kies der Korngröße 5—15 mm in e;ner Mischkammer auf 2400C und gibt unter dauerndem Rühren 12 kg nicht-erhitztes, zerkleinertes (zerrissenes) Polyäthylen zu und vermischt wäh-
Sö rend 15 Sekunden. Dann gibt man zu dieser Mischung 58 kg auf 1600C vorerhitztes Bitumen (80/100, Penetra* tionsindex —0,8) zu, was einer auf das Bitumen bezogenen Menge an Kunststoffbestandteilen von 20,7 Gew.-% entspricht. Nach dem Durchmischen während 30 Sekunden ist das Produkt transportfertig und wird mit Hilfe einer Auftragvorrichtung in Form einer ununterbrochenen Straßenoberfiäche aufgetragen, die mit einer Anzahl von Walzdurchgängen fertiggestellt wird. Während der Verarbeitung ki.nn die Temperatur auf mindestens
h5 130" C absinken, ohne daß hierdurch eine Verschlechterung der Eigenschaften des Endprodukts verursacht wird.
Eigenschaften:
Murshall-Stabilitat, gemessen bei 600C (nach den Stundardvorsehrifien des Niederländischen Ministeriums für öffentliche Arbeiten 1972): 1850 kg.
Druckfestigkeit, die mit Zylindern, die nach der Proctor-Methodc hergestellt sind, nach den Standardvorschriften des Niederländischen Ministeriums für öffentliche Arbeiten bestimmt wird: 75 kg/cm·.
Ersetzt man im obigen Verfahren das Polyäthylen durch die gleiche Menge eines entsprechend zerkleinerten Polypropylens oder Polybutylens so werden folgende Ergebnisse erhalten:
Polypropylen Polybutylen
Marshall-Stabilität (kg) Druckfestigkeit (kg/cm2) Schrumpfung (IQ-6 m/m°C)
1900 1900
80 80
12 12.5
Beispiel 2
Man verfährt wie in Beispiel 1 beschrieben, mit dem Unterschied, daß man anstelle von 12 kg Polyäthylen 20 kg Polyäthylen (-34,5% Kunststoffbestandteile) verwendet.
Marshall-Stabilität:
Druckfestigkeit:
2350 kg; 80 kg/cm2.
Beispiel 3
Man arbeitet wie in Beispiel 1 angegeben, mit dem Unterschied, dab man an Stelle von 12 kg Polyäthylen 30 kg Polyäthylen ( = 51,8% Kunststoffbestandteile) verwendet.
Marshall-Stabilität:
Druckfestigkeit:
2750 kg; 85 kg/cm2.
In der folgenden Tabelle A sind die Ergebnisse dieser Beispiele zusammengefaßt. In dieser Tabelle ist auch die Schrumpfung der erhaltenen Mischung angegeben, die sich durch das Auftreten von Temperaturunterschieden ergibt und zu Rissen führen kann.
Tabelle A
Beispiel 4 Beispiele 2 3
1 1000 1000
Sand-Kies-Gemisch (kg) 1000 20 30
Polyäthylen (kg) 12 58 58
Bitumen (kg) 58 34,5 51.8
Kunststoffbestandteile 20,7
(Gew.-%, bezogen auf die Kohlenwasserstoffbcstandteile) 1.86 2.75
Kunststoffbestandteile 1.12
(Gew.-%, bezogen auf die gesamte Mischung) 2350 2750
Marshall-Stabilitgi(kg) 1850 80 85
Druckfestigkeit (kg/cm2) 75 13,5 18
Schrumpfung (10-·1 m/m°C) 11
Man arbeitet nach der in Beispiel 1 angegebenen Weise mit dem Unterschied, daß man anstelle von 58 kg Bitumen 58 kg Straßenbauteer (Equiviskositätstemperatur nach NEN 3945 von 52—56° C) verwendet.
Marshall-Stabilität:
Druckfestigkeit:
3000 kg; 125 kg/cm2.
Beispiel 5
Man verfährt wie in Beispiel 4 angegeben, mit der Abänderung, daß man anstelle von 12 kg Polyäthylen 20 kg Polyäthylen (=-34,5% KunststoffbestandteUe) verwendet
Marshall-Stabilität:
Druckfestigkeit:
4000 kg; 130 kg/cm2.
1000 1000 1000 j
12 20 30
58 58 58
20,7 34,5 51.8
1.12 1.86 2,75
3000 4000 4700
125 130 130 ' i
10,6 11 11.3
Beispiel 6
Man verfä'iirt nach der in Beispiel 4 angegebenen Weise, mit dem Unterschied, daß man anstelle von 12 kg
Polyäthylen 30 kg Polyäthylen (=»51,8 kg Kunststoff bestandteile) verwendet.
Marshall-Stabilität: 4700 kg; Druckfestigkeit: 130 kg/cm2. Die Ergebnisse der Beispiele 4 bis 6 sind in der folgenden Tabelle B zusammengefaßt: Tabelle B Beispiele
4 5 6
Sand-Kies-Gemisch (kg) Polyäthylen (kg) Teerprodukt (kg)
Kunststoffbestandteile 20 (Gew.-%, bezogen auf die Kohlenwasserstoffbcstandteilc)
Kunststoffbestandteile
(Gew.-%, bezogen auf die gesamte Mischung)
Marshall-Stabilität (kg)
Druckfestigkeit (kg/cm2) 25 Schrumpfung (ΙΟ-6 m/m" C)
Aus den Ergebnissen der Tabelle B ist zu erkennen, daß eine besonders große Marshall-Stabilität und eine
hohe Druckfestigkeit erreicht werden können und mit zunehmenden Mengen an Kunststoffbestandteilen prak- :
tisch keine Zunahme der Schrumpfung erfolgt. ■·■!
Weiterhin erhellen die Ergebnisse den Tatbestand, daß erfindungsgemäß ein sehr großer Bereich von Mar- ΐ,
ohall-Stabilitätswerten erzielt werden kann. Andererseits bedeutet dies, daß für jeden Anwendungszweck eine ,]
geeignete Rezeptur hergestellt werden kann, die entsprechend angepaßte Werte für die Marshall-Stabilität und
die Druckfestigkeit ergibt.
Obwohl in den Beispielen das Bitumen oder das Teerprodukt getrennt eingesetzt worden sind, versteht es sich, j
daß auch Mischungen dieser Bestandteile in beliebigen Verhältnissen angewandt werden können. ^j
In den Beispielen ist stets die gleiche Menge Bitumen oder Teerprodukt verwendet, da diese Menge am w
häufigster! in der Praxis angewandt wird. Wie jedoch bereits angegeben wurde, können auch andere Mengen mit g
ähnlichen Ergebnissen benützt werden.
f.]

Claims (1)

  1. Patentanspruch:
    Verfahren zur Herstellung eines für den Straßenbau geeigneten Materials, wobei man auf eine Temperatur von mindestens 1800C vorerhitzte Mineralbestandteile mit nicht-erhitzten, zerkleinerten thermoplastisehen Kunststoffbestandteilen mischt und zu der erhaltenen Mischung bituminöse und/oder teerartige Kohlenwasserstoffbestandteile zusetzt, dadurch gekennzeichnet, daß man die Kohlenwasserstoffbestandteile in einer Menge von 5—8 Gew.-%, bezogen auf die Mineralbestandteile, und als thermoplastische Kunststoffbestandteile Poiyäthylen in einer Menge von 1 —3 Gew.-%, bezogen auf die Mineralbestandteile, aber in einer Menge von zumindestens 20 Gew.-%, bezogen auf die Kohlenwasserstoffbestandteile,
    ίο zugibt.
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