DE2551929C2 - - Google Patents
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von
Straßenbelagmassen aus überzogenem Zuschlagsmaterial,
bei dem man einen Überzug aus Bitumen und Schwefel auf
ein feinteiliges Zuschlagsmaterial aufbringt, sowie eine
Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.
Es ist bekannt, Zuschlagsstoffe, wie Sand, Kies oder
Splitt, oder Gemische dieser Stoffe mit heißem flüssigen
Bitumen zu überziehen und das überzogene Material dann
im noch heißen Zustand auf eine Straßenoberfläche
aufzubringen. Bekannt ist weiterhin, daß man Zuschlagsstoffe
auch mit einem Gemisch aus Schwefel und Bitumen überziehen
kann. So wird in der US-PS 21 82 837 ein Vermischen
von Schwefel mit Asphalt bei höheren Temperaturen beschrieben,
bei dem elementarer Schwefel zu heißem geschmolzenen
Asphalt unter Rühren gegeben wird, wobei die Mischung
dann auf eine Temperatur oberhalb des Schmelzpunktes des
Schwefels, aber nicht höhe als 160°C erwärmt wird. Es
wird dort dargelegt, daß gemäß einer bevorzugten Ausführungsform
das Erwärmen und Rühren von Asphalt mit
Schwefel innerhalb einer Zeit die 4 Stunden nicht übersteigen soll, durchgeführt wird. Aus der DE-OS 23 36 128
ist weiterhin ein Verfahren zum Bau von Straßendecken
bekannt, bei dem man ein Mischgut aus Schwefel, Bitumen
und einem Füllstoff mit einer Marshall-Stabilität von
453,6 bis 3628,8 kg bei einer Temperatur oberhalb 113°C
als Schicht verlegt und dann abkühlen läßt. Es wird
dort in einem Diagramm gezeigt, daß man Marshall-Stabilitäten
von 227 bis 2724 kg erreichen kann.
Bei der Verwendung derartiger Gemische zum Straßenbau
treten zahlreiche Schwierigkeiten auf. Insbesondere ist
es erforderlich, daß die Bitumen-Schwefel-Mischungen
eine hohe Mindest-Marshall-Stabilität aufweisen, wie sie
gemäß dem bekannten Stand der Technik bisher nicht erzielt
worden sind.
In der CA-PS 7 55 999 wird eine Straßenbelagmasse beschrieben,
bei der Hohlräume zwischen den Zuschlagsstoffen
vollständig mit einem Schwefel-Bitumen-Gemisch,
das mindestens 50% und bis zu 80% Schwefel enthalten
kann, gefüllt sind und wobei der Schwefel im Gemisch
als eine diskontinuierliche, getrennte Phase vorhanden
ist.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Herstellung
einer Straßenbelagmasse aus überzogenem Zuschlagsmaterial
zur Verfügung zu stellen, bei dem man die Gemische
aus Schwefel und Bitumen und die Bedingungen, unter denen
das Vermischen erfolgt, so wählt, daß hohe Marshall-
Stabilitäten von mindestens 1784 kg erzielt werden können.
Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren gemäß dem Oberbegriff
des Anspruchs 1 durch die im Kennzeichen des Anspruchs 1
enthaltenen Bedingungen gelöst.
Die Erfindung betrifft weiterhin eine Vorrichtung zur
Herstellung der Straßenbelagmassen gemäß dem Anspruch 1,
die vorteilhaft bei der Durchführung der Erfindung
eingesetzt werden kann.
Wesentlich bei der vorliegenden Erfindung ist es, daß
man die Bedingungen gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches
so wählt, daß sich das Bitumen teilweise in
dem Schwefel löst und ein Teil des Schwefels sich homogen
mit dem Bitumen vereint und der Rest des Schwefels im
Bitumen als getrennte Phase in Form von Tröpfchen im Bereich
von 1 bis 50 µm emulgiert sind.
Als Teil- und Prozentangaben beziehen sich nachfolgend,
wenn nicht anders angegeben, jeweils auf das Gewicht.
Schwefelanteile, die deutlich über etwa 60 Gewichtsprozent,
bezogen auf das Bindemittel, liegen, sind ungeeignet, da Schwefelmengen,
die über diesen Anteil hinausgehen, zum Verschmelzen bzw. Zusammenfließen
neigen anstatt als feine flüssige Schwefeltröpfchen
dispergiert zu bleiben. Durch höhere Schwefelanteile kann auch
eine Phaseninversion hervorgerufen werden, so daß eine Dispersion
von Bitumen in Schwefel anstelle einer Dispersion von Schwefel
in Bitumen entsteht, wodurch die erwarteten Bindeeigenschaften
des Bindemittels vollkommen umgestürzt werden. Unter Berücksichtigung
der gegenwärtigen Kosten der Bestandteile und der
optimal erreichbaren physikalischen Eigenschaften des Straßenbelags
oder anderer zu bindender Massen liegen die bevorzugten
Mengenverhältnisse von Schwefel und Bitumen bei 35 bis 50 Gewichtsteilen
Schwefel pro 65 bis 50 Gewichtsteile Bitumen.
Typische physikalische Eigenschaften von Gemischen aus einem
typischen Bitumen zur Straßenbelagherstellung mit einer Penetration
(PEN) von 85-100 und bestimmen Anteilen an geschmolzenem
Schwefel sind in folgender Tabelle aufgeführt:
Im Hinblick auf die Temperaturen ist festzustellen, daß viele
Reaktionen zwischen Schwefel und Bitumen möglich sind, die u. a.
von der Temperatur, bei der der Schwefel und das Bitumen miteinander
in Berührung kommen, abhängen. Bei Temperaturen unter
etwa 149°C treten keine chemischen Reaktionen zwischen Schwefel
und Bitumen auf, bei denen bedenkliche Schwefelwasserstoffmengen
entwickelt werden. Um die Gefahr der Entwicklung von Schwefel
wasserstoff bei den erfindungsgemäßen Massen und bei deren Verwendung
beim Straßenbau zu vermeiden, ist es daher wesentlich, die
Temperatur der Gemische aus Schwefel und Bitumen unter 154°C
und die Temperatur des mit den Schwefel/Bitumen-Bindemittelgemischen
überzogenen Zuschlagmaterials ebenfalls auf unter etwa 154°C zu
beschränken. Diese Temperaturbeschränkungen sind nicht nur für die
Vermeidung der Schwefelwasserstoffbildung, sondern auch zur Einsparung
von Brennstoff und für die praktische Durchführung der Verdichtung
von überzogenem Zuschlagsmaterial, das auf einer Straße oder einem
anderen Untergrund verteilt worden ist, von Bedeutung. Bei üblichen
Asphaltierungsanlagen wird das mit Bitumen zu überziehende
Zuschlagmaterial im allgemeinen auf Temperaturen um 177°C erhitzt,
um das Material heiß genug zu machen, daß das als Überzug aufzubringende
Bitumen so lange weich bleibt, bis das Material auf
eine Straße oder eine andere Unterlage verteilt und verdichtet
ist. Erfindungsgemäß darf aus den vorerwähnten Gründen das Zuschlag
material nicht über 154°C erwärmt werden, was im Hinblick
auf die großen Mengen an Zuschlagmaterial, die erwärmt werden
müssen, eine beträchtliche Brennstoffersparnis bedeutet. Obgleich
die Verteilung und Verdichtung des überzogenen Zuschlagmaterials
im Vergleich zu herkömmlichen, mit Bitumen überzogenen Zuschlagmaterialien,
beispielsweise um 11 bis 28°C niedriger, durchgeführt
werden kann, läßt sich das erfindungsgemäße, mit Schwefel/Bitumen
überzogene Zuschlagmaterial leicht auf herkömmliche Weise
in im Straßenbau üblichen Asphaltierungsanlagen verwenden, da
das Schwefel/Bitumen-Bindemittel bei diesen niedrigen Temperaturen
flüssig bleibt und das überzogene Zuschlagmaterial
bei diesen Temperaturen verteilt und verdichtet werden kann, ohne
daß Änderungen an den Straßenbauanlagen notwendig sind.
Das erfindungsgemäß verwendete Bindemittelgemisch aus geschmolzenem
Schwefel und Bitumen ist ein erfindungswesentlicher
Bestandteil, der in möglichst kurzer Zeiet hergestellt
und auf das Zuschlagmaterial aufgebracht werden soll. Zwischen
dem Beginn des Vermengungsvorgangs von geschmolzenem Schwefel
und Bitumen und der Aufbringung des Gemisches auf das Zuschlagmaterial
sollen nicht mehr als etwa 1 Stunde, vorzugsweise
weniger als 15 Minuten verstreichen. Besonders bevorzugt ist
eine Zeitdauer von weniger als 5 Minuten und insbesondere von
weniger als 1 Minute. Gemäß der bevorzugtesten Ausführungsform
der Erfindung wird der geschmolzene Schwefel und das flüssige
Bitumen in den vorgenannten Mengenverhältnissen bei den vorgenannten
Temperaturen in einigen Sekunden vermengt und gründlich
vermischt, wodurch (a) eine praktisch momentane Reaktion zwischen
dem Bitumen und einem beträchtlichen Teil des Schwefels im
angegebenen Temperaturbereich und (b) die Dispersion des restlichen,
geschmolzenen Schwefels als Flüssigkeitströpfchen mit
einem Durchmesser im Bereich von 1 bis 50 µ eintritt. Darauf
wird innerhalb weniger Sekunden das erhaltene Gemisch als Übezug
auf das Zuschlagmaterial bei Temperaturen, die nicht über der
bereits angegebenen Maximaltemperatur von etwa 154°C liegen,
aufgebracht. Das erhaltene überzogene Zuschlagmaterial kann anschließend
innerhalb des Zeitraums, in dem das überzogene Zuschlagmaterial
auf die minimale Verdichtungstemperatur abkühlt,
an der Verwendungsstelle verteilt und verdichtet werden.
Ferner ist es erfindungswesentlich, daß der Schwefel und das
Bitumen im geschmolzenen Zustand und in den angegebenen Mengen
verhältnissen gründlich vermischt werden, so daß der Schwefel
schnell, in feiner Verteilung und gleichmäßig im Bitumen dispergiert
wird, wodurch ein großer Teil des Schwefels rasch im
Bitumen in Lösung geht umd mit diesem reagiert und die gleichmäßige,
innige Emulgierung des restlichen Schwefels in der
Bitumenmatrix erreicht wird. Der Mischvorgang muß stark genug
sein, um eine Unterteilung des flüssigen Schwefels in Tröpfchen
mit einem durchschnittlichen Durchmesser im Bereich von 1 bis
50 µ, vorzugsweise 1 bis 10 µ zu gewährleisten.
Zweckmäßigerweise wird das erfindungsgemäße Verfahren vollkommen
kontinuierlich durchgeführt, wobei die Ströme der einzelnen
Bestandteile während der verschiedenen Stufen vom Anfang bis
zum Ende kontinuierlich gestaltet werden. Es ist jedoch möglich
und häufig zweckmäßig oder notwendig, das Verfahren im Chargenbetrieb
durchzuführen, wobei eine diskontinuierliche oder halbkontinuierliche
Arbeitsweise in anderen Stufen und/oder eine
zwischen den Stufen erfolgende Anhäufung von Bestandteilen unter
Bildung von Chargen notwendig ist. In der Endstufe des erfindungsgemäßen
Verfahrens wird das überzogene Zuschlagmaterial im allgemeinen
an seine Anwendungsstelle gebracht, die viele Kilometer
vom Herstellungsort entfernt sein kann. Dazu können Lastwagen
verwendet werden, von denen auf jedem eine angehäufte Charge
geladen ist, die von einer Stufe stammt, in der das Zuschlagmaterial
kontinuierlich überzogen wird. In ähnlicher Weise
kann der Vorgang des Überziehens in einem chargenmäßigen Vermischen
bestehen, wobei beispielsweise ein chargenweise arbeitender
schwerer Mischer verwendet wird, in den eine
Charge Zuschlagmaterial aus einem Vorrat eingewogen wird und in
den ferner eine dosierte Menge an Schwefel/Bitumen-Bindemittel
gegeben wird. Der Bindemittelzusatz kann entweder ganz oder
teilweise in Form eines kontinuierlichen Stroms aus einer kontinuierlich
oder diskontinuierlich arbeitenden Schwefel/Bitumen-Mischstufe
abgelassen werden. Wegen der relativ viskosen Natur
der Bestandteile und der benötigten starken Rührbewegung um die
Schwefeltröpfchen im Bitumen zu emulgieren, ist es sehr erwünscht,
daß das Vermengen und/oder Vermischen von Schwefel und
Bitumen unter gleichzeitiger kontinuierlicher Zugabe dieser zwei
Bestandteile zum Mischvorgang und unter gleichzeitiger kontinuierlicher
Entnahme des erhaltenen Schwefel/Bitumen-Gemisches
durchgeführt wird, wobei sich ein Minimum der Bestandteile
während der Mischstufe anreichert. Dadurch wird das Ausmaß an
Rückmischung, die auftreten kann, auf ein Minimum gesenkt und die
Bildung eines gleichmäßigen Bindemittels erleichtert.
Die Vorrichtung zur Herstellung der erfindungsgemäßen
Straßenbelagsmassen ist gekennzeichnet durch
- (1) eine Pumpeinrichtung zur kontinuierlichen Zufuhr eines dosierten Stromes an geschmolzenem Schwefel,
- (2) eine Pumpeinrichtung zur kontinuierlichen Zufuhr eines dosierten Stromes an flüssigem Bitumen,
- (3) eine Mischeinrichtung zum kontinuierlichen Vermengen der genannten Ströme in einem Verhältnis von 25 bis 60 Gew.-Teilen Schwefel pro 75 bis 40 Gew.-Teilen Bitumen und zum gründlichen Vermischen dieser Ströme, um den flüssigen Schwefel, der sich nicht homogen mit dem Bitumen im Mischstrom vereinigt, zu Tröpfchen mit einem Durchmesser im Bereich von 1 bis 50 µm zu emulgieren,
- (4) eine Temperaturregeleinrichtung, mit der der Strom an geschmolzenem Schwefel aus einer Temperatur von 121-154°C, der Strom an flüssigem Bitumen auf einer Temperatur von 121 bis 177°C und der Mischstrom auf einer Temperatur von 121 bis 154°C gehalten wird, und
- (5) eine Mischeinrichtung zum Vermischen des dosierten Mischstromes mit einem teilchenförmigen Zuschlagmaterial mit einer Temperatur von höchstens 154°C und zur Ausbildung eines gleichmäßigen Überzugs des Mischstromes auf diesen Teilchen.
Ein Laborvergleich der Eigenschaften von Straßenbelaggemischen
mit einem 50 : 50-Schwefel/Bitumen-Bindemittel mit
Gemischen, die nur Bitumen (Penetration 85 bis 100)
als Bindemittel enthalten, zeigt, daß mit Schwefel/Bitumen-
Bindemitteln-Gemische mit wesentlich besserer Stabilität erhalten
werden. Typische Marshall-Daten für Proben mit 100%
85-100-Pen-Bitumen-Bindemittel (AC) und 50 : 50-Schwefel/Bitumen
(85-100 Pen)-Bindemittel (SA) sind in der folgenden Tabelle
unter den Spalten AC und SA zusammengestellt.
Der für den optimalen Prozentsatz an Lufthohlräumen erforderliche
höhere Bindemittelgehalt ist eine Folge des höheren spezifischen
Gewichts des Bindemittels mit einem Gehalt an elementarem
Schwefel, der ein spezifisches Gewicht von etwa 1,96 aufweist.
Zusätzliche Marshall-Daten, die sowohl im Laborversuch als auch
im Außenversuch erhalten wurden, bestätigen die folgenden Beobachtungen,
die sich an erfindungsgemäß hergestellten Straßen
belaggemischen machen lassen:
- 1. Die Marshall-Stabilitäten von erfindungsgemäß hergestellten Probestücken sind beträchtlich höher als die von Probestücken, die nur mit Bitumen als Bindemittel hergestellt sind.
- 2. Die Marshall-Stabilitäten von Probestücken nehmen innerhalb des erfindungsgemäß angegebenen Bereichs mit steigendem Schwefelgehalt zu.
- 3. Trotz der hohen Marshall-Stabilitäten von Probestücken mit einem Gehalt an Schwefel/Bitumen-Bindemittel ergibt sich kein signifikanter Verlust an Fließeigenschaften bei der Test temperatur von 60°C. Die in der vorstehenden Tabelle aufgeführten Fließeigenschaften liegen im üblicherweise akzeptierten Bereich.
- 4. Zuschlagmaterialien geringer Qualität, beispielsweise Blassand von geringer Eckigkeit und Zuschlagmaterial von geringer Gradation, kann wirksam stabilisiert werden.
- 5. Die Marshall-Stabilitäten nach dem Einweichen von Probestücken sind die gleichen wie von nicht eingeweichten Probestücken, was ein Anzeichen für die durch das Schwefel/Bitumen-Bindemittel erreichte hohe Wasserfestigkeit ist.
- 6. Straßenbau-Bitumensorten von unterschiedlichen Penetrations graden können zur Herstellung von guten Schwefel/Bitumen-Bindemitteln verwendet werden.
Zusätzlich zu den vorstehend angegebenen Marshall-Daten hat sich
gezeigt, daß Straßenbelaggemische mit einem Gehalt an dem
erfindungsgemäßen Schwefel/Bitumen-Bindemitteln sich beispielsweise
in bezug auf ihre Reaktion auf niedrige Temperaturen nicht
signifikant (d. h. innerhalb der Fehlergrenzen der Versuchsdurchführung)
von herkömmlichen Straßenbelaggemischen, die nur
Bitumen als Binder enthalten, unterscheiden. Das Schwefel/Bitumen-Bindemittel
hat also auf die Reaktion des Gemisches auf niedrige
Temperaturen keinen nachteiligen Einfluß. Ebenso hat eine Untersuchung
der Ermüdungseigenschaften keine nachteiligen Wirkungen
ergeben, die auf die Verwendung von Schwefel/Bitumen-Bindemitteln
in Straßenbelagmassen anstelle von Bitumen als einzigem Bindemittel
zurückzuführen sind. Zur Bestimmung der Eigenschaften
bei niedrigen und der Ermüdungseigenschaften vgl.
R. C. G. Haas "Designing Asphalt Pavements to Minimize Low
Temperature Shrinkage Cracking", Asphalt Institute Report RR73-1,
Januar 1973, und Morris und Haas "Characterization of Bituminous
Mixtures for Permanent Deformation Predictions", ASTM STP
Publication Nr. 561, 1974. Außerdem ergab sich nach längerem
Einweichen in Wasser für einen Schwefel/Bitumen (50 : 50)-Überzug
am Zuschlagmaterial im Vergleich zu einem 100prozentigem
Bitumen-Überzug am gleichen Zuschlagmaterial eine erhöhte Festigkeit
des Überzugs (Bindemittelhaut) vom Zuschlagmaterial. Diese
Verdrängung der Bindemittelhaut wird auch als "Stripping"
bezeichnet.
Die Beispiele erläutern die Erfindung.
Dieses Beispiel erläutert die Herstellung einer Asphalt-Straßenbelagmasse
unter Verwendung einer transportablen Mischvorrichtung
in Verbindung mit einer weiteren fest installierten Mischvorrichtung
sowie die Anwendung dieser Masse als Oberflächenbelag
auf einen vorher hergestellten Unterbau einer Einfahrt zu einem
Steinbruch, die von schwer mit Steinmaterial beladenen Fahrzeugen
benutzt wird. Die transportable Vorrichtung bestand aus
einem mobilen Lagerbehälter für geschmolzenen Schwefel und Bitumen,
Pumpeinrichtungen zur kontinuierlichen Zufuhr von dosierten
Strömen von geschmolzenem Schwefel und Bitumen aus den Lagerbehältern,
einer Temperaturregeleinrichtung, mit der diese
Ströme im gewünschten Temperaturbereich gehalten wurden, und
den Vermengungs- und Vermischungseinrichtungen. Alle Zu- und
Ableitungen waren isoliert und mit elektrischen Heizwiderständen
ausgerüstet, mit denen die Heizung und Temperaturkontrolle für
die Vorrichtung und das zu befördernde Material gewährleistet
wurde. Die fest installierte Mischvorrichtung umfaßte einen Teil
einer bereits bestehenden, üblichen Bitumen-Zuschlagmaterial-
Mischanlage sowie Wiegeeinrichtungen zum Wiegen der Chargen von
gebrochenem Steinmaterial und Sand, eine getrennte Wiegeeinrichtung
zum Wiegen der Bitumenchargen und einen chargenweise arbeitenden
schweren Mischer mit einer üblichen gegendrehenden Doppelwelle,
der zum Mischen von Chargen mit 1360 kg Zuschlagmaterial und
Bitumen in einer kontrollierten Mischdauer in der Lage ist.
Die gemischten Chargen aus Bitumen und Zuschlagmaterial konnten
direkt von dem Mischer durch Gefälle in die Transportwagen
entleert werden. Zur Herstellung der Straßenbelagmasse wurden die
Pumpeinrichtungen für Schwefel und Bitumen, die Vermengungs- und
Vermischungseinrichtungen soweie die Verbindungsleitungen mit den
elektrischen Heizelementen geheizt, bis die Anlage eine Temperatur
von etwa 149°C aufwies. Anschließend wurden die mobilen
Schwefel- und Bitumen-Lagertanks über gut isolierte, flexible
Schläuche mit einem nominalen Durchmesser von 6,5 cm mit getrennten
Förderpumpen verbunden, deren Drehzahl mechanisch
verstellbar war und die durch dreiphasige Elektromotoren
von 2,25 KW angetrieben wurden. Es konnten Drehzahlen von
38 bis 190 U/min und Pumpleistungen von 11,3 bis 163 Liter pro
Minute erreicht werden. Geschmolzener Schwefel und Bitumen wurden
in den gewünschten Mengenverhältnissen mit Hilfe dieser Pumpen
über getrennte, kurze isolierte Leitungen zu einer Zusammenführung
geleitet, wo die Ströme von geschmolzenem Schwefel
und Bitumen vereinigt wurden und durch eine kurze Verbindungsleitung
von 8 cm Durchmesser zum Einlaß eines Durchlaufmischers
flossen.
Dieser Mischer war direkt an einen mit 3500 U/min arbeitenden
15 KW-Motor gekoppelt und enthielt eine einzelne hochtourige
Turbine mit 8 Löchern von 31 mm Durchmesser im Turbinengehäuse
und einen Abstand von 0,008 bis 0,012 mm zwischen Gehäuse und
Rotor. Beim Durchlaufen durch diesen Mischer reagierte die über
20 Gewichtsprozent hinausgehende Schwefelmenge, bezogen auf das
Gemisch aus Schwefel und Bitumen, nicht mit dem Bitumen und löste
sich auch nicht darin, sondern wurde in Form von flüssigen Schwefel
tröpfchen von weniger als 10 µm Durchmesser im Bitumen emulgiert,
wobei der durchschnittliche Durchmesser
zwischen 1 und weniger als 10 µm lag. Der Schwefelanteil bis zu
20 Gewichtsprozent des Gemisches reagierte mit dem Bitumen oder
löste sich darin. Von dem Mischer wurde das Schwefel/Bitumen-Gemisch
über eine isolierte, flexible Leitung in ein Wiegegefäß
befördert, in dem die gewünschten Mengen angesammelt und gewogen
wurden und von dort zu gewogenen Mengen an Zuschlagmaterial
im schweren Mischer entleert wurden. Das in den schweren Mischer
eingespeiste Zuschlagmaterial war folgendermaßen zusammengesetzt:
35 Gewichtsprozent gebrochenes 10 mm-Steinmaterial, d. h. alle
Teile sind kleiner als 12 mm und über 90% werden an einem Sieb
Nr. 4 der Lochweite 4,76 mm zurückgehalten; 49% gebrochenes,
abgesiebtes Steinmaterial, d. h. 98% passieren ein Sieb der
Lochweite 4,76 mm und 90% werden an einem Sieb der lichten
Maschenweite 0,074 mm zurückgehalten; und 16% Sand, von dem
99% von einem Sieb der lichten Maschenweite 1,19 mm passieren und 99% von einem Sieb der lichten Maschenweite 0,074 zurückgehalten
werden. Dieses Zuschlagmaterial wurde durch Durchlaufen einer
ölgefeuerten Trockentrommel getrocknet. Von hier aus wurde das
erhitzte Material in über dem schweren Mischer angeordnete
Lager-Einfülltrichter gebracht und von dort aus in abgewogenen
Chargen in den gewünschten Mengenverhältnissen in den schweren
Mischer gegeben. Zuschlagmaterial mit einer Temperatur im Bereich
von 143 bis 149°C und Schwefel/Bitumen-Gemisch mit einer Temperatur
im Bereich von 143 bis 146°C wurden nach dem Abwiegen in den
gewünschten Mengenverhältnisssen im Mischer für einen kontrollierten
Zeitraum vermischt, wobei sich ein Überzug des Schwefel/Bitumen-Gemisches
auf dem Zuschlagmaterial bildete. Anschließend
wurde das Material vom Mischer in Lastwagen geladen und zu
herkömmlichen Asphaltierungsmaschinen in der Nähe der Straßenbaustelle
gebracht. Dort wurde das überzogene Zuschlagmaterial
in einer Stärke von 5 cm auf einen befestigten Unterbau verteilt
und mit einer Doppelwalze auf übliche Weise gewalzt. Es ergaben
sich keine Schwierigkeiten beim Aufbringen, Walzen und Verdichten
dieses Oberflächenbelags. In diesem Beispiel wurde ein 85-100-Pen-Bitumen
für Straßenbauzwecke verwendet.
Ein derartiges Bitumen zeigt folgende typische Eigenschaften:
Gewicht, API, 15,6°C: 6,5
Spezifisches Gewicht, 15,6°C: 1,0254
Viskosität, Pa · s, 60°C, ASTM D2171: 1770
Viskosität, m²/s, 135°C, ASTM D 2170: 362,2 · 10-4
Flammpunkt, COC, °C, ASTM D92: 315,6°C
Erweichungspunkt, °C, ASTM D36: 51,1°C
Penetration, 25°C, 100 g, 5 sec, ASTM D5: 89
Duktilität, 25°C, cm, ASTM D113: 150+
Löslich in Trichlorethylen, ASTM D2042: 99,9%
Spezifisches Gewicht, 15,6°C: 1,0254
Viskosität, Pa · s, 60°C, ASTM D2171: 1770
Viskosität, m²/s, 135°C, ASTM D 2170: 362,2 · 10-4
Flammpunkt, COC, °C, ASTM D92: 315,6°C
Erweichungspunkt, °C, ASTM D36: 51,1°C
Penetration, 25°C, 100 g, 5 sec, ASTM D5: 89
Duktilität, 25°C, cm, ASTM D113: 150+
Löslich in Trichlorethylen, ASTM D2042: 99,9%
Als Schwefel wurde handelsüblicher, elementarer Schwefel, der
als Nebenprodukt bei der Erdölraffination anfällt, verarbeitet.
In diesem Beispiel betrug das Mischungsverhältnis von Schwefel
und Bitumen 50 : 50.
Da Schwefel ein beträchtlich höheres spezifisches
Gewicht als Bitumen aufweist und infolgedessen Gemische
aus Schwefel und Bitumen ebenfalls ein höheres spezifisches
Gewicht als Bitumen aufweisen, ist es natürlich, daß der optimale
Gewichtsanteil des Schwefel/Bitumen-Gemisches das als Bindemittel
in der Straßenbelagmasse verwendet wird, höher ist als
bei Verwendung von Bitumen als einzigen Bindemittel, da im
wesentlichen gleiche Volumina Bindemittel erforderlich sind, um
gleiche Gewichtsmengen an Zuschlagmaterial vollkommen mit gleich
dicken Überzügen zu versehen. Wie durch Marshall-Tests festgestellt
wurde, beträgt der optimale Gewichtsanteil an 50 : 50 Schwefel/
Bitumen-Bindemittel für das vorgenannte Zuschlagmaterial 7,0 bis
8,0%. In diesem Beispiel wurde dieses Bindemittel in einer
Menge von 7,7% in der Straßenbelagmasse verwendet. Um sicherzustellen,
daß das Schwefel/Bitumen-Bindemittel dispergierte,
flüssige Schwefeltröpfchen enthielt, deren Durchmesser ausschließlich
unter 10 µ lag, wurden willkürlich Bindemittelproben,
so wie sie dem Zuschlagmaterial zugesetzt wurden, entnommen und
optisch unter einem Mikroskop untersucht. Von besonderer Bedeutung
bei den Ergebnissen der Marshall-Tests war die Tatsache,
daß die Stabilitätsbestimmungen an Testproben zeigten, daß bei
optimalen Verhältnissen von Bitumen zu Zuschlagmaterial eine
Marshall-Stabilität erreicht wurde, die geringfügig unter 2000
lag, während bei optimalen Verhältnissen von Schwefel/Bitumen zu
Zuschlagmaterial eine Marshall-Stabilität von mehr als 3000 erreicht
wurde, was einen Anstieg von über 50% bedeutet. Außerdem
war die Schwefel/Bitumen-Straßenbelagmasse trotz ihrer größeren
Marshall-Stabilität, die ein Anzeichen für größere Festigkeit
in der fertigen Straßendecke nach dem Walzen und Härten der
Straßenbelagmasse ist, nicht schwerer zu verdichten, solange die
Straßenbelagmasse noch heiß war. Dies ist auf die Anwesenheit
der fein verteilten flüssigen Schwefeltröpfchen im Bindemittel
zurückzuführen. Ferner konnte die heiße Straßenbelagmasse mit
einem Gehalt an Schwefel/Bitumen-Bindemittel im Vergleich zu
normalen Bitumen-Bindemittelgemischen auf niedrigere Temperaturen
abkühlen, bevor sie zu hart zum wirksamen Walzen und
Verdichten wurde.
Die in Beispiel 1 beschriebene transportable Mischanlage zum
Pumpen und Mischen von geschmolzenem Schwefel und Bitumen wurde
mit einem Lastwagen zu einer Straßenbaustelle gebracht, die etwa
3860 km von der in Beispiel 1 genannten Baustelle entfernt war.
Hier wurde sie zusammen mit einer transportablen, kontinuierlich
arbeitenden Mischvorrichtung zum Mischen von Bitumen und Zuschlagmaterial
für die
Herstellung eines Straßenunterbaus und einer Straßenoberfläche
verwendet. Aufgrund der wesentlich kälteren Winterbedingungen,
denen diese Straße ausgesetzt war, wurde ein weicheres Straßen
baubitumen,
anstelle des im Beispiel 1
verwendeten Bitumens verwendet. Dieses Bitumen wies
folgende typische Eigenschaften auf:
Gewicht, API, 15,6°C: 8,2
Spezifisches Gewicht, 15,6°C: 1,0129
Viskosität, Pa · s, 60°C, ASTM D2171: 31,3
Viskosität, m²/s, 135°C, ASTM D 2170: 165,9 · 10-4
Flammpunkt, COC, °C, ASTM D92: 273,9°C
Erweichungspunkt, °C, ASTM D36: 32,8°C
Penetration, 25°C, 100 g, 5 sec, ASTM D5: 317
Duktilität, 25°C, cm, ASTM D113: 68
Löslich in Trichlorethylen, ASTM D2042: 99,8%
Spezifisches Gewicht, 15,6°C: 1,0129
Viskosität, Pa · s, 60°C, ASTM D2171: 31,3
Viskosität, m²/s, 135°C, ASTM D 2170: 165,9 · 10-4
Flammpunkt, COC, °C, ASTM D92: 273,9°C
Erweichungspunkt, °C, ASTM D36: 32,8°C
Penetration, 25°C, 100 g, 5 sec, ASTM D5: 317
Duktilität, 25°C, cm, ASTM D113: 68
Löslich in Trichlorethylen, ASTM D2042: 99,8%
In diesem Fall wurde als Zuschlagmaterial gesiebter Brechkies
verwendet. Die Siebanalyse dieses Materials ergab, daß im
wesentlichen das gesamte Material ein Sieb der Lochöffnung 15,8 mm
passierte und nur etwa 5% oder weniger ein Sieb der lichten
Maschenweite 0,074 mm passierten. Die Ergebnisse der Marshall-
Tests zeigten, daß das optimale Verhältnis des
Bitumen-Bindemittels zur Verwendung mit diesem Zuschlagmaterial
bei 6% lag. Die Marshall-Stabilität eines solchen Gemisches
beträgt etwa 1111 kg. Bei Verwendung eines 40 : 60-Schwefel/
Bitumen-Bindemittels in einer optimalen Menge von 7 Gewichtsprozent - unter
Berücksichtigung des höheren spezifischen Gewichts des
Bindemittels - ergab sich eine Marshall-Stabilität
von etwa 1655 kg, was einen Anstieg von etwa 49% bedeutet. Bei
Verwendung eines 50 : 50 Schwefel/Bitumen-Bindemittels liegt der
optimale Anteil bei 8 Gewichtsprozent, wobei sich eine Marshall-
Stabilität von etwa 3016 kg ergibt, was einem Anstieg von etwa
170% entspricht.
Ein
609 Meter langer Abschnitt dieser Straße wurde unter Verwendung
eines Schwefel/Bitumen-Bindemittels anstelle von Bitumen allein
gebaut. Bei einem Teil dieses Testabschnitts wurde ein 40 : 60-
Schwefel/Bitumen-Bindemittelgemisch in einer Menge von 7 Gewichtsprozent,
bezogen auf das Gemisch, verwendet, wobei die Schicht teilweise
10 cm, teilweise 15 cm und teilweise 20 cm stark war. Die Abschnitte
von 15 und 20 cm Stärke wurden auf 2× aufgebracht, wobei
die erste Teilschicht 10 cm stark und die zweite Teilschicht 5 bzw.
10 cm stark war. Die beiden anderen Straßenabschnitte wurden mit
einer 15 cm starken, auf 2× hergestellten Schicht unter Verwendung
eines 50 : 50-Schwefel/Bitumen-Bindemittels beschichtet, wobei
im Zuschlag teilweise 7 Gewichtsprozent Bindemittel und
teilweise die optimale Menge von 8% Bindemittel enthalten war.
Das heiße Schwefel/Bitumen-Bindemittelgemisch wurde in einer
Menge von 182 000 kg/h hergestellt, wobei der Schwefel/
Bitumen-Mischer direkt mit den Sprühdüsen der Mischanlage verbunden
war und die Einspeisegeschwindigkeit des Bindemittels mit
Hilfe der vorgeeichten Dosierpumpen des Schwefel/Bitumen-Gemisches
manuell kontrolliert und auf die Zufuhrgeschwindigkeit
des Zuschlagmaterials eingestellt wurde. Die Temperaturen von
Bindemittelbestandteilen, Bindemittelgemisch und Zuschlagmaterial
wurden entsprechend den in Beispiel 1 angegebenen Parametern
reguliert und eingestellt. Das aus der Mischanlage kontinuierlich
entleerte heiße Gemisch wurde mit Lastwagen an die Baustelle
transportiert. Der Bindemittelgehalt des heißen Gemisches wurde
regelmäßig während des ganzen Arbeitsgangs
überwacht. Der Bau dieser
Abschnitte wurde unter Verwendung von üblichen Straßenbauvorrichtungen
durchgeführt. Zwischen den aneinander liegenden Abschnitten
verschiedener Stärken wurden Übergangsstücke von 15 Meter
Länge vorgesehen. Die restliche Länge wurde unter Anwendung
von Verfahren, wie sie für den Bau der erforderlichen 15 cm
starken harten Straßenoberfläche üblich sind durchgeführt. Die
Testabschnitte unter Verwendung des Schwefel/Bitumen-Bindemittels
im Gemisch des Zuschlagmaterials wurden unter Verwendung der
gleichen Anlage, wie sie zum Bau der restlichen Straße verwendet
wurden, geglättet und verdichtet. Es traten keine Probleme auf,
die auf den Ersatz des normalen Bitumens im Gemisch durch das
Schwefel/Bitumen-Bindemittel zurückzuführen waren. Die unterschiedlichen
Stärken bei dem mit dem Schwefel/Bitumen-Bindemittelgemisch
hergestellten Straßenbelag dienten zur Feststellung, inwieweit
die verschieden starken Schichten hinsichtlich ihrer Beständigkeit
mit normalem Bitumen als Bindemittel hergestellten Straßenbelägen
überlegen sind. Dabei wurden die einzelnen Straßenbelagmassen
auf einen im wesentlichen gleichmäßigen Unterbau aufge
bracht.
Dieses Beispiel erläutert die Erneuerung einer Asphaltbeton-Autobahn,
von der ein Abschnitt von 16 km wegen seines schlechten
Zustands einer neuen Oberfläche bedurfte. Bei einem 1640 Meter
lagen Testabschnitt war auf der halben Länge ein neuer Überzug von
5 cm Stärke und auf dem Rest der Strecke ein Überzug von 10 cm
Stärke erforderlich. Die 10 cm starke Schicht wurde auf 2× in
einer Stärke von jeweils 5 cm aufgebracht. Die im vorstehenden
Beispiel verwendeten Anlagen zum Mischen von Schwefel/Bitumen und
Zuschlagmaterial sowie zur Herstellung des Straßenbelags und zum
Walzen verwendeten Anlagen wurden etwa 56 km zu einer Stelle
transportiert, an der ein geeigneter Brechkies nahe der Baustelle
zur Verfügung stand. Die Siebanalyse des Zuschlagmaterials
ergab, daß mehr als 95% ein Sieb der lichten Maschweite 15,8 mm
und nur etwa 2% ein Sieb der lichten Maschenweite 0,074 mm
passierten. Die Marshall-Testdaten für dieses Zuschlagmaterial
mit dem im vorhergehenden Beispiel verwendeten Bitumen
ergaben ein optimales Verhältnis von Standard Bitumen-Bindemittel
zur Verwendung mit diesem Zuschlagmaterial von 6%, wobei
sich eine Marshall-Stabilität für dieses Gemisch von etwa 953 kg
ergab. Bei Verwendung eines 40 : 60-Schwefel/Bitumen-Bindemittels
lag der optimale Anteil bei 7 Gewichtsprozent, wobei sich eine
Marshall-Stabilität von etwa 1225 kg ergab. Bei Verwendung eines
50 : 50 Schwefel/Bitumen-Bindemittels lag der optimale Anteil bei
8 Gewichtsprozent, wobei sich eine Marshall-Stabilität von 1890 kg
ergab, was einen Anstieg von etwa 95% bedeutet. Mit den Einrichtungen
zum Vermengen und Vermischen von Asphalt und Schwefel
zusammen mit den Mischeinrichtungen zum Vermischen von Zuschlagmaterial
und Bindemittel, gemäß dem vorstehenden Beispiel, wurden
etwa 1760 - 10-3 eines mit Schwefel/Bitumen gebundenen Zuschlagmaterials
hergestellt, das 7% 40 : 60-Schwefel/Bitumen-Bindemittel
enthielt. Die Temperaturen von Bindemittelbestandteilen, Bindemittelgemisch
und Zuschlagmaterial wurden gemäß Beispiel 1 reguliert
und eingestellt. Das von der Mischanlage kontinuierlich
entleerte heiße Gemisch wurde mit Lastwagen zur Baustelle transportiert.
Wie im vorhergehenden Beispiel wurde die Zusammensetzung
des Bindemittels regelmäßig überwacht. Das heiße Gemisch wurde,
wie vorstehend angegeben, in Schichten von 5 bzw. 10 cm Stärke
auf die nördliche Fahrbahn der Autobahn aufgebracht. Die daneben
liegende südliche Fahrbahn wurde entsprechend mit einem herkömmlichen
heißen Gemisch aus Bitumen und Zuschlagmaterial, mit
einem Gehalt an 6% Bitumen beschichtet. Dabei wurde die gleiche
kontinuierlich arbeitende Zuschlagmaterial-Mischanlage und die
gleichen Straßenbauvorrichtungen und Walzen verwendet. Beim Glätten
und Walzen der heißen Gemische ergaben sich keine signifikanten
Unterschiede zwischen Bitumen und Schwefel/Bitumen-Gemischen.
Diese Reparaturarbeit zeigt, daß das Verhalten von mit Bitumen
gebundenen und mit Schwefel/Bitumen gebundenen heißen Gemischen
bei üblichen Straßenbauverfahren gleichwertig ist.
Dieses Beispiel erläutert die Herstellung eines 50 : 50-Schwefel/Bitumen-Bindemittels
in
einer chargenweise arbeitenden Kolloidmühle. Es wurde eine
Mühle verwendet, die zur Homogenisation
von etwa 15 Liter pro Charge in der Lage ist. Eine Probe von
2000 g flüssigem Asphalt wurde auf 149°C erhitzt und in die
Mühle gegossen. Der Zwischenraum in der Kolloidmühle während
des Betriebs war maximal 1,8 mm. Allmählich wurden bei fortgesetzter
Drehbewegung der Mühle 2000 g geschmolzener Schwefel
mit einer Temperatur von 149°C zugegeben. Nach beendeter Zugabe
waren etwa 20% der gesamten Schwefelmenge homogen mit dem Bitumen
entweder durch chemische Reaktion und/oder durch Lösung vereinigt,
während der Rest von 80% als flüssige Schwefeltröpfchen
in der Bitumenphase dispergiert war. Die erhaltene Dispersion
wurde aus der Mühle entfernt und eine Probe davon unter dem
Mikroskop untersucht. Die Teilchengröße der in der Asphaltphase
dispergierten, geschmolzenen Schwefeltröpfchen lag im wesentlichen
im Bereich unter 10 µm, die Durchschnittsgröße lag bei einem
Durchmesser von 4 bis 5 µm. Ein Teil der Charge wurde bei einer
Temperatur von 135 bis 149°C leicht gerührt. Eine Probe von
175 g des Rests wurde sofort als Bindemittel auf eine Probe von
2325 g eines gesiebten, auf etwa 149°C erhitzten, gebrochenen
Steinmaterials in einem erhitzten Mischgefäß gegeben und mit
einem starken Rührer vermischt, um einen Bindemittelüberzug auf
dem Zuschlagmaterial zu bilden. Nach der Ausbildung einer gleichmäßigen
Bindemittelhaut wurde das heiße Gemisch in der Weise verdichtet,
wie es zur Herstellung eines Probestücks für den Marshall-
Mix Design-Test üblich ist. Weitere Probestücke wurden auf
ähnliche Weise sofort hergestellt. Die durchschnittliche Marshall-
Stabilität der Probestücke liegt bei etwa 1996 kg. Eine Probe
des Bindemittelteils, der bei 135 bis 149°C etwa 1 Stunde leicht
gerührt worden war, wurde unter einem Mikroskop untersucht. Die
durchschnittliche Teilchengröße der geschmolzenen Schwefeltröpfchen
war gegenüber dem Zustand des Materials vor einer Stunde
angewachsen, was anzeigt, daß eine Agglomeration der Schwefeltröpfchen
eingetreten war. Viele der Tröpfchen hatten einen
Durchmesser von etwa 50 µm erreicht. Eine Koagulation und ein
Absetzen des Schwefels konnte bei weiterer Aufbewahrung des
Bindemittels in flüssiger Phase erwartet werden, sowie ein
Anwachsen der flüssigen Schwefeltröpfchen auf über 50 µm. 175 g-
Proben dieses Teils der Charge wurden unmittelbar darauf gemäß
den vorstehenden Angaben mit erhitztem Zuschlagmaterial zur Herstellung
von Marshall-Probestücken vermischt. Die Marshall-
Stabilität betrug etwa 2041 kg, was (a) eine gute Beibehaltung
der physikalischen Eigenschaften des Bindemittels bei
Schwefeltröpfchen bis zu einem Durchmesser von 50 µm und (b) eine
Dispersionsstabilität in der flüssigen Phase bis zu 1 Stunde
zeigt. Nach Ablauf von 3 Stunden waren die Koagulations- und
Absetzerscheinungen so stark, daß das Material als Bindemittel
für Asphaltbeton ungeeignet war.
Claims (3)
1. Verfahren zur Herstellung einer Straßenbelagmasse aus
überzogenem Zuschlagmaterial, bei dem man
- a) Schwefel und flüssigen Asphalt bei einer Temperatur oberhalb des Schmelzpunktes des Schwefels und von nicht mehr als 160°C in einem Verhältnis von Schwefel zu Asphalt, das ausreicht, um eine Dispersion einer separaten Phase von Schwefel in dem Asphalt zu bilden, wobei das Verhältnis aber nicht so hoch ist, daß sich eine Dispersion von Asphalt in Schwefel bildet, vermischt,
- b) die Schwefel-Asphalt-Dispersion mit feinteiligen Zuschlagstoffen vermischt und die Zuschlagstoffe gleichmäßig mit der Dispersion überzieht und
- c) das überzogene Aggregat entlädt und zum Verwendungsort fördert, bevor sich der Überzug auf eine Temperatur abgekühlt hat, bei der sich die Zuschlagstoffe verdichten,
dadurch gekennzeichnet, daß man
- (i) einen dosierten Strom des flüssigen Asphalts mit einer Temperatur im Bereich von 121 bis 177°C mit einem dosierten Strom des geschmolzenen Schwefels mit einer Temperatur im Bereich von 121 bis 154°C unter Ausbildung eines Mischstromes mit einer Temperatur im Bereich zwischen 121 bis 154°C in einem Verhältnis von 25 bis 60 Gew.-Teilen Schwefel pro 75 bis 40 Gew.-Teilen Bitumen vermischt,
- (ii) den vermischten Strom gründlich unter Dispergierung des Schwefels im Bitumen vermischt, bis das Bitumen teilweise den Schwefel löst und ein Teil des Schwefels sich homogen mit dem Bitumen vereint und der Rest des Schwefels im Bitumen als getrennte Phase in Form von Tröpfchen im Bereich von 1 bis 50 µm emulgiert wird und
- (iii) daß man den erhaltenen gemischten Strom innerhalb einer Zeit von weniger als 1 Stunde und vorzugsweise innerhalb von weniger als 1 Minute mit den feinteiligen Zuschlagstoffen mit einer Temperatur von höchstens 154°C unter Ausbildung eines gleichmäßigen Überzugs des Mischstromes auf den Zuschlagstoff vermischt.
2. Vorrichtung zur Herstellung der Straßenbelagmasse gemäß
Anspruch 1, gekennzeichnet durch
- 1) eine Pumpeinrichtung zur kontinuierlichen Zufuhr eines dosierten Stromes an geschmolzenem Schwefel
- 2) eine Pumpeinrichtung zur kontinuierlichen Zufuhr eines dosierten Stromes an flüssigem Bitumen,
- 3) eine Mischeinrichtung zum kontinuierlichen Vermengen der genannten Ströme in einem Verhältnis von 25 bis 60 Gew.-Teile Schwefel pro 75 bis 40 Gew.-Teile Bitumen und zum gründlichen Vermischen dieser Ströme, um den flüssigen Schwefel, der sich nicht homogen mit dem Bitumen im Mischstrom vereinigt, zu Tröpfchen mit einem Durchmesser im Bereich von 1 bis 50 µm zu emulgieren,
- 4) eine Temperaturregeleinrichtung, mit der der Strom an geschmolzenem Schwefel auf einer Temperatur von 121 bis 154°C, der Strom an flüssigem Bitumen auf einer Temperatur von 121 bis 177°C und der Mischstrom auf einer Temperatur von 121 bis 154°C gehalten wird, und
- 5) eine Mischeinrichtung zum Vermischen des dosierten Mischstroms mit einem teilchenförmigen Zuschlagmaterial mit einer Temperatur von höchstens 154°C und zur Ausbildung eines gleichmäßigen Überzuges des Mischstromes auf diesen Teilchen.
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