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Fahrbahnbelagmaterial, Verfahren zu seiner Her-
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stellung und damit hergestellte Fahrbahndecke o.dgl.
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Die Erfindung betrifft ein Fahrbahn-Belagmaterial, ein Verfahren zu
seiner Herstellung sowie eine damit hergestellte Fahrbahndecke o.dgl.
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Für derartige Belagmaterialien, beispielsweise für Straßen-und Schnellstraßendecken,
Parkplätze, zum Auskleiden von Becken oder Müllgruben, für Landaufschüttungsplätze
oder als Fugenmaterial usw., werden bekanntlich Schweröl-Nebenprodukte verwendet,
die allgemein als "Asphalt" bezeichnet werden.
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Obgleich Asphalt selbst zufriedenstellend wasserfest, physikalisch
und chemisch stabil und allgemein verfügbar ist und daher verbreitet für die angegebenen
Zwecke eingesetzt wird, ermangelt er der erforderlichen Festigkeit und Verforrnungsbeständigkeit
sowie der Rißfestigkeit unter Belastung, um insbesondere unter beträchtlichen Temperaturschwankungen
z.B. den Anforderungen an eine von Schwerlastfahrzeugen o.dgl. befahrene Fahrbahndecke
zu erfüllen.
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Oblicherweise wird daher Asphaltmaterial mit Aggregat bzw.
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einem Zuschlag vermischt, der aus Quetschstein (Splitt) verschiedener
Teilchengrößen mit oder ohne Sand oder einem anderen inerten Stoff besteht. Das
so erhaltene Produkt erweist sich als für den vorgesehenen Zweck geeignet. Es wird
jedoch immer wieder angestrebt, die physikalischen Eigenschaften solcher Baustoffe
zu verbessern und neuerdings auch den Petroleum- bzw. Erdölgehalt derselben im Hinblick
auf die ständig steigenden Kosten für öl und ölprodukte zu verringern.
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Andere neuere Entwicklungen beruhen auf Umweltschutzerwägungen und
betreffen insbesondere die Erschließung von Anwendungsmöglichkeiten für die verschiedenen
Formen von z.B.
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Haushaltsmüll und anderem Abfall. Hierbei hat es sich gezeigt, daß
Müll und dgl. Abfall normalerweise erhebliche Mengen an organischen Stoffen enthält,
die versprödet und dann gemahlen oder anderweitig zerkleinert werden können, um
eine im Schüttgewicht verdichtete (bulk-densified) Masse aus feinverteilten, vergleichsweise
kleinen Teilchen zu gewinnen, wenn die organischen Stoffe von Metall, Glas und zeitweilig
Kunststoffen getrennt werden, mit denen die Zellulosebestandteile typischerweise
vermischt sind. Lieferanten für solche Zellulosebestandteile sind Papier-, Textil-,
Holz-, Karton-, Baumwoll-, Leinen-, Garten- und Nahrungsmittelabfälle, landwirtschaftliche
Rückstände oder Abfälle und dgl. Rückstände, die zurückbleiben, wenn der organische
Grundstoff nach an sich bekannten Trennverfahren von den unerwünschten Bestandteilen
getrennt wird. Organische Stoffe als solche können als reichlich verfügbares, billiges
Rohmaterial mit bestimmbaren physikalischen und chemischen Eigenschaften betrachtet
werden. Die verschiedenen Eigenschaften und ähnliche Parameter solcher Stoffe sowie
ihre Herstellung bzw. Gewinnung sind verschiedentlich beschrieben worden; vgl. z.B.
US-Patentschriften 3 961 913, 4 008 053 und 5 063 903.
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Im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung, die sich auf solche
Stoffe bezieht, ist darauf hinzuweisen, daß das Material und seine Eigenschaften
von Bedeutung sind, und zwar unabhängig davon, ob das Material aus Haushaltsmüll,
Abfall o.dgl. oder aus einer anderen Quelle gewonnen wird. Beispielsweise ist es
denkbar, daß Müll und dgl. in bestimmten Fällen nicht so vorteilhaft ist wie andere
Rohstofflieferanten; möglicherweise können auch reine bzw. unvermischte Rohstoffe
speziell für den vorgesehenen Zweck zusammengesetzt werden.
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Aufgabe der Erfindung ist damit insbesondere die Schaffung von Mitteln
zur Verbesserung der physikalischen Eigenschaften von Fahrbahnbelagmaterialien auf
Asphaltbasis. Diese Mittel, d.h. Zuschläge, sollen dabei leicht, in ausreichender
Menge und billig verfügbar sein. Insbesondere bezweckt die Erfindung auch die Gewinnung
solcher Zuschläge aus Rohstoffquellen, die anderweitig einen schädlichen Einfluß
auf die Umwelt besitzen.
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Diese Aufgabe wird durch die in den beigefügten Patentansprüchen gekennzeichneten
Merkmale gelöst.
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In spezieller Ausführungsform bezieht sich die Erfindung auf ein an
sich bekanntes, aus Asphalt und Zuschlag hergestelltes Fahrbahnbelagmaterial, das
organische Bestandteile in Form der organischen Fraktion eines festen Abfallstoffs,
der versprödet und fein verteilt bzw. zerkleinert worden ist, in einer Menge enthält,
die weniger als etwa 40 Gew.-% des Gesamtgewichts von organischen Bestandteilen
und Asphalt ausmacht.
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Im folgenden sind bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung im
einzelnen erläutert.
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Es wurde eine Reihe von Versuchen durchgeführt, bei denen Asphalt
(bau) stoffe gemäß den USA-Normvorschriften ("AST") als Bezugs- oder Vergleichsmaterialien
und als Grundstoff verwendet und durch Zugabe von zerkleinerten, feinverteilten,
entpolymerisierten organischen Stoffen, aus aufgetrenntem (segregated) Müll oder
Abfall gewonnen, modifiziert wurden. Zwei der ASTM-Norm entsprechende, übliche Asphalt-Fahrbahnbelagmaterialien
wurden als typische Beispiele für derartige Baustoffe eingesetzt, wie sie durch
staatliche Stellen für das Belegen von öffentlichen Fahrbahnen und Straßen vorgeschrieben
werden. Dabei handelte es sich um Asphalt-Fahrbahndeckenmaterialien gemäß ASTM-Vorschrift
AC-10 und um das etwas härtere Material gemäß ASTM-Vorschrift AC-20. In jedem Fall
wurde ein Asphaltgehalt von 7 Gew.-% angewandt. Die jeweiligen Proben wurden durch
Zugabe eines organischen Stoffs in folgenden Mengenanteilen, bezogen auf den Asphalt-Grundstoff,
modifiziert: 0 %, 10 %, 20 %, 30 % und 40 %. Bezogen auf das Gesamtgewicht des Belagmaterials
beliefen sich diese Mengenanteile auf 0, 0,77, 1,75, 3,00 bzw. 4,67 %. Die so hergestellten
Vergleichsproben und-Versuchsproben wurden sodann den für Fahrbahnbeläge üblichen
industriellen Versuchen unterworfen, wie sie als Marshall-Stabilitätstest und Kreiselverdichtungstest
(Gyratory Compactor Test) bekannt sind. Beim Marshall-Stabilitätstest wird ein nicht
unterstützter, standardisierter Probenblock des betreffenden Belagmaterials mit
einem Druck beaufschlagt, und der Druckwert wird auf die plastische Fließverformung
der Probe bezogen. Eine typische Kurve, bei welcher der Druck auf der Abszisse und
das Fließen auf der Ordinate aufgetragen sind, ergibt eine steilflankige Kurve mit
einem "Scheitel", von dem ab die Kurve abflacht und schließlich abfällt. Der Scheitelpunkt
stellt somit ein Maß für den maximalen Spannungs- oder Belastungs-Bruchdruck dar,
und die Fließgröße an diesem Punkt stellt ein Maß für das größte Fließen oder Ausweichen
(bzw. die größte
Verformung) dar, das bei einem Bruch unter der
Belastung auftritt.
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Die Ergebnisse des Marshall-Stabilitätstests sind in der folgenden
Tabelle 1 zusammengefaßt.
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Tabelle 1
| Marshalltest |
| Probe ASTM- Gesamt- Gesamt- Druck bei Fließen beim Fließen
bei Fließen bei |
| Vorschrift Asphalt- gehalt maxim. Sta- anfängl. Aus- max. Stabi-
Stabilitäts- |
| gehalt organische bilität weichen (%) lität (%) verlust (%) |
| (Gew.-%) Teilchen (bar) |
| (Gew.-%) |
| 1 AC-10 7 0 190,1 13 13,5 20 |
| 2 " " 0,77 171,4 15 17 24,5 |
| 3 " " 1,75 189,0 16 19,5 26,5 |
| 4 " " 3,00 164,5 18 24,5* 31,0 |
| 5 " " 4,67 136,9 20 > 33 * > 35,0 |
| 6 AC-20 " 0 161,0 11 14 25,0 |
| 7 " " 0,77 221,3 17,5 17,5 28,5 |
| 8 " " 1,75 153,5 24 > 35 * > 35,0 |
| 9 " " 3,00 161,2 19 21,5* > 35,0 |
| 10 " " 4,67 164,5 18 19 * > 32,5 |
* kein Bruch
Aus der obigen Tabelle geht hervor, daß die Zugabe
des feinverteilten organischen Stoffs einen Bruch des Asphalt-Belagmaterials verzögert
bzw. unter den typischen Betriebsbedingungen in manchen Fällen-sogar verhindert.
Mit anderen Worten: die vorstehenden Versuchsdaten belegen, daß die Zugabe eines
solchen Stoffs das Belagmaterial mit einer geringeren Bruchneigung leichter fließen
bzw. ausweichen läßt, während seine Belastbarkeit dennoch innerhalb annehmbarer
Grenzen bleibt.
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Mit diesen Zuschlägen verformt sich das Belagmaterial lediglich, ohne
die sonst zu beobachtende Bruchneigung bei Bruchgrenzen-Belastung zu zeigen.
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Fahrbahnbelagmassen können auch mittels einer sogenannten Kreiselverdichtungs-Prüfmaschine
untersucht werden. Diese Untersuchung, die zusätzlich zu anderen Untersuchungsverfahren,
wie dem Marshall-Stabilitätstest, durchgeführt werden kann, liefert Daten, die mit
den nach anderen Testverfahren erhaltenen Daten vergleichbar sind. Bei der genannten
Prüfmaschine wird ein zylindrischer Prüfling, der sich in einer Einspannform befindet
und an beiden Enden zwischen Platten festgelegt ist, einer Kreiselbelastung unterworfen,
die bestrebt ist, den Prüfling in der Weise zu verformen, daß die Achse des Zylinders
nicht mehr senkrecht zu seinen Enden steht. Die Winkelverschiebung der Zylinderachse
gegenüber der Lotrechten wird als Kreiselwinkel bezeichnet, der ein Maß für die
auf den Prüfling einwirkende Scherbelastung darstellt. Bei der Untersuchung eines
vorgegebenen Prüflings wird eine zyklische bzw. periodische Belastung als kleiner
Kreiselwinkel von z.B.
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10 ausgeübt. Die den Prüfling enthaltende Einspannform ist jedoch
nicht bezüglich des anfänglich angewandten Kreiselwinkels festgelegt, so daß sich
der Kreiselwinkel aufgrund der weiteren Verformung des Prüflings unter der periodischen
Belastung vergrößern kann. Die Aufzeichnung des Kreiselwinkels als Funktion der
Lasteinwirkungsperioden wird auch als Gyrogramm bezeichnet. Die Kurven des Gyrogramms
stellen ein Maß für die
visko-elastischen Eigenschaften des Prüflings
dar.
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Es ist bekannt, daß die periodische Belastung eines Prüflings in der
Kreiselprüfmaschine eine labormäßige Nachahmung der Einwirkung des Verkehrs auf
den Fahrbahnbelag-Prüfling liefert und für den betreffenden Kontrukteur eine Hilfe
bezüglich der Bestimmung des Verhaltens eines Belaggemisches während der Betriebslebensdauer
des Fahrbahnbelags darstellt. Die Kreiselprüfmaschine kann u.a. dazu benutzt werden,
die Verdichtbarkeit einer Belagmischung, ihre Neigung zu Verschiebung und Auswaschung
bzw. Rinnenbildung sowie ihre Neigung für ein Ausbluten zu bestimmen.
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Die Verdichtbarkeit eines Fahrbahnbelagmaterials ist selbstverständlich
für den Straßenbau von besonderer Bedeutung. Bei normalen Straßenbauverfahren wird
das Belagmaterial auf eine Unterlage bzw Bettung aufgebracht und beispielsweise
mittels einer Walze oder eines Stampfersverdichtet. Ein vorgegebenes Fahrbahnbelagmaterial,
das leichter zu verdichten ist als ein anderes Material, benötigt also für das Verdichten
durch Walzen oder Stampfen weniger Kraft.
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Rinnenbildung und Verschiebung einer Fahrbahnfläche sind unerwünscht,
weil sie dazu führen, daß die Fahrbahnfläche ihre Ebenheit verliert und wellig und
verformt wird. Hierdurch kann die Traktion eines Fahrzeugs auf dieser Fahrbahnfläche
erheblich beeinträchtigt werden. Beim Ausbluten eines Fahrbahnbelags verlagert sich
der Asphaltgehalt des Fahrbahnbelagmaterials aus den Zwischenraumbereichen zwischen
den Zuschlagteilchen, um sich als Film oder Schicht auf der Fahrbahnoberfläche zu
konzentrieren.
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Ein Nachteil dieser Erscheinung besteht darin, daß sich der Bindemittelgehalt
des Fahrbahnbelags verringert, wodurch die Fahrbahnfläche eine reduzierte Belastbarkeit
erhält. Falls eine solche Ausblutung auf einer Fahrbahnfläche auftritt, besitzt
die Fahrbahnfläche einen verringerten Reibungskoeffizienten, der eine entsprechend
verringerte Rutschfestigkeit, einen herabgesetzten
Bremswiderstand
und dergl. bedingt.
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Versuchs-Fahrbahnbelaggemische mit 7 % Asphalt, 0 bis 4,7 % Zellulose
und 93 bis 88,3 % Quetschstein-Zuschlag wurden zubereitet und auf einer Kreiselprüfmaschine
untersucht. Die Ergebnisse dieser Untersuchungen finden sich in der folgenden Tabelle
2.
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Tabelle 2 Kreiselverdichtungsversuche
| Probe Asphalt- Gesamt- Gesamtgehalt Kreisel- maximaler Zahl
der endgülti- endgülti- Stabilitäts- |
| Art Asphalt- an organi- winkel Kreisel- Perioden ger Krei-
ge Perio- index |
| a) |
| gehalt schen Teil- nach 30 winkel bei max. selwin- denzahl |
| (Gew.-%) chen Perioden Kreisel- kel |
| (Gew.-%) winkel |
| 1 AC-10 7 0 0,731,73 353 1,32 1000 2,37 |
| 2 " " 0,77 0,98 1,79 153 1,16 1000 1,83 |
| 3 " " 1,75 1,04 2,38b) 183 2,83b) 183 2,29 |
| 4 " " 3,00 1,14 1,72 135 1,31 100 1,51 |
| 5 " " 4,67 1,54 1,88 63 1,60 1000 1,22 |
| 6 AC-20 " 0 0,74 2,14b) 447 2,14b) 648 2,89 |
| 7 " " 0,77 1,00 1,93 227 1,29 1000 1,93 |
| 8 " " 1,75 1,39 2,07 136 1,42 1000 1,49 |
| 9" " 3,00 1,13 1,47 95 0,99 1000 1,30 |
| 10 " " 4,67 1,14 1,42 116 1,09 1000 1,25 |
Maximaler Kreiselwinkel a) Stabilitätsindex = # Kreiselwinkel nach 30 Perioden b)
Kreiselwinkel außerhalb Gyrogrammskala, noch ansteigend
Die in
Tabelle 2 enthaltenen Daten bezüglich der Zahl von Perioden oder Zyklen bis zum
Erreichen des maximalen Kreiselwinkels zeigen, daß die Wirkung der Zugabe von feinvermahlener
Zellulose zu einem Fahrbahnbelagmaterial auf Asphaltbasis darin besteht, daß der
maximale Kreiselwinkel mit einer kleineren Zahl von Perioden erreicht wird. Da eine
Abnahme der Verdichtbarkeit mit einer Zunahme der für das Erreichen des maximalen
Kreiselwinkels erforderlichen Zahl von Perioden verbunden ist, zeigt es sich, daß
die Masse durch die Zugabe der feinvermahlenen Zellulose zum Fahrbahnbelagmaterial
auf Asphaltbasis leichter bis zu einem Zustand praktischer Verdichtungsstabilität
verdichtbar wird.
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Die in Tabelle 2 angegebenen Werte für den Stabilitätsindex verschiedener
Gemische veranschaulichen auch den vorteilhaften Einfluß der Zugabe von feinvermahlener
Zellulose zu Asphalt-Fahrbahnbelagmassen. Große Werte für den Stabilitätsindex zeigen,
daß sich der Kreiselwinkel merklich vergrößert, weil der Prüfling (stärker) verdichtet
wird. Dies bedeutet, daß die im untersuchten Gemisch enthaltenen Zuschlagteilchen
enger zusammengedrängt werden. Ausgehend von einem kleinen, einwirkenden Kreiswinkel
(z.B. 10), erreicht ein normales Fahrbahnbelaggemisch einen maximalen Kreiselwinkel,
durch den angezeigt wird, daß das Gemisch einen stabilen Verdichtungszustand erreicht
hat. Eine weitere zyklische oder periodische Belastung nach Erreichen des stabilen
Verdichtungszustandes führt zu einer ständigen Tendenz zur Rückkehr zum anfänglich
einwirkenden Kreiselwinkel. Falls jedoch das betreffende Belagmaterial eine Neigung
zum Ausbluten besitzt, vergrößert sich der Kreiselwinkel ständig in jeder Periode
bzw. in jedem Zyklus. In diesem Fall besitzt das Asphalt-Bindemittel keine zufriedenstellende
Festigkeit, d.h. es wird aus den Zwischenräumen zwischen den Zuschlagteilchen herausgedrückt,
um sich auf der Oberfläche der Masse anzusammeln. Ein derartiges Verhalten ist bei
der Probe Nr. 6 erkennbar, die keine feinvermahlene Zellulose enthält.
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Die beschriebenen Versuche zeigen, daß durch die Zugabe feinvermahlener
Zellulose Fahrbahnbelaggemische bzw. -massen ausgezeichneter Stabilität erhalten
werden, bei denen während ihrer vorgesehenen Betriebs lebensdauer kein nennenswertes
Ausbluten zu erwarten ist.
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Aus den vorstehenden Ausführungen kann geschlossen werden, daß durch
Zugabe eines sogenannten Eco-Brennstoffs (Eco-fuel) zum asphalthaltigen Fahrbahnbelagmaterial
die Erzielung eines stabilen Verdichtungszustands beschleunigt und die Verformungsdrucktoleranz
geringfügig herabgesetzt wird, während seine Bruchneigung beträchtlich verringert
wird. Gleichzeitig wird durch die Zugabe eines solchen Stoffs die Neigung zu einem
"Ausbluten" beim Verdichten herabgesetzt.