DE102008050476B4

DE102008050476B4 - Verfahren zur Herstellung von Asphaltmischungen, Asphaltmischung und Asphaltmischvorrichtung

Info

Publication number: DE102008050476B4
Application number: DE200810050476
Authority: DE
Inventors: Dipl.-Ing. Gärtner Harald
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2008-10-04
Filing date: 2008-10-04
Publication date: 2012-03-08
Anticipated expiration: 2028-10-05
Also published as: DE102008050476A1

Abstract

Verfahren zur Herstellung von Asphaltmischungen aus Bitumen oder bitumenhaltigem Bindemittel und anorganischen Füllstoffen, das Verfahren mit folgenden Schritten: – Bereitstellen der anorganischen Füllstoffe und einer wässrigen Metall-Ionen enthaltenden Lösung, – Erwärmen der anorganischen Füllstoffe auf eine Prozesstemperatur im Bereich von 50°C bis 300°C. – Aufbringen der wässrigen Metall-Ionen-Lösung auf die Oberflächen der anorganischen Füllstoffe, wobei sich die Metall-Ionen-Lösung thermisch zersetzt und an den Oberflächetalloxid gebildet wird. – Mischen der mit Metalloxid beschichteten anorganischen Füllstoffe mit dem Bitumen oder dem bitumenhaltigen Bindemittel.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Asphaltmischungen aus Bitumen oder bitumenhaltigem Bindemittel und anorganischen Füllstoffen, eine Asphaltmischung per se und eine Asphaltmischvorrichtung.
Asphaltmischungen werden seit Jahrzehnten im Straßen-, Deich- und Landebahnbau verwendet. Hierzu werden Teere und Bitumina mit anorganischen Füllstoffen, insbesondere Schüttgüter bestimmter Kornfraktionen gemischt.
Entscheidend für die Beständigkeit dieser Materialmischungen ist die Haftfestigkeit des Bitumens bzw. des bitumenhaltigen Bindemittels an der Phasengrenzfläche der anorganischen Füllstoffe.
Negativen Einfluss auf die Beständigkeit haben viele Parameter, unter anderem Schwerlastverkehr auf Fahrbahndecken bzw. Flugzeuge und Hubschrauber auf Landebahndecken. Ferner ist die Feuchtigkeit in Dauereinwirkung oder Salzeinwirkung auf Fahrbahnen und Seewasser im Deichbau zu nennen. Negativ ist ebenfalls Tausalz auf Landebahnen. Auch der Temperaturwechsel durch Sonneneinstrahlung wirkt sich negativ aus.
Um die Adhäsionskraft in Asphaltmischungen anzuheben, ist es bereits aus der US 2,342,861 bekannt, dem Bitumen bzw. bitumenhaltigen Bindemittel Schwermetalloxide, beispielsweise in Form von Bleiseife, hinzuzufügen. Beispielsweise ist eine Zugabe während der Destillation des Bitumens möglich.
Aus der US 4,234,346 ist ein Verfahren bekannt, bei dem im heißen und flüssigen Zustand von Bitumen eine Öl-lösliche Metallseife hinzugefügt wird. Hierbei wird die organische Metallverbindung im Asphalt verteilt und löst selbständig eine Polymerisationsreaktion aus, die dazu führt, dass die Adhäsionsfähigkeit des Bitumens erhöht wird.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Herstellung von Asphaltmischungen bereitzustellen, das sich gegenüber dem aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren dadurch auszeichnet, dass die erhaltene Asphaltmischung eine bessere Haftfestigkeit des Bitumens an der Phasengrenzfläche der anorganischen Füllstoffe besitzt. Ferner ist es Aufgabe, eine Vorrichtung zur Herstellung von Asphaltmischungen bereitzustellen, die eine lediglich geringe Modifizierung bereits bestehender Asphaltmischvorrichtungen bedarf, um das erfindungsgemäße Verfahren durchführen zu können.
Das erfindungsgemäße Verfahren läuft nach folgenden Schritten ab:

– Bereitstellen der anorganischen Füllstoffe und einer wässrigen Metall-Ionen enthaltenden Lösung,
– Erwärmen der anorganischen Füllstoffe auf eine Prozesstemperatur im Bereich von 50°C bis 300°C,
– Aufbringen der wässrigen Metall-Ionen-Lösung auf die Oberflächen der anorganischen Füllstoffe, wobei sich die Metall-Ionen-Lösung thermisch zersetzt und an den Oberflächen der anorganischen Füllstoffe eine Schicht aus Metalloxid gebildet wird,
– Mischen der mit Metalloxid beschichteten anorganischen Füllstoffe mit dem Bitumen oder dem bitumenhaltigen Bindemittel.

Im Gegensatz zu den aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren wird hier also nicht das Bitumen bzw. bitumenhaltige Bindemittel modifiziert, sondern die Oberflächen der anorganischen Füllstoffe. Bei diesen handelt es sich vorzugsweise um Schüttgut, insbesondere Gesteins-Schüttgut beispielsweise eine Splitt-Mischung bestimmter Kornfraktionen. Durch das erfindungsgemäße Verfahren ist also eine Homogenisierung und Normierung der natürlichen oder durch mechanische Zerkleinerung künstlich erzeugten Oberflächen der anorganischen Füllstoffe möglich, indem diese Oberflächen mit einer Schicht aus Metalloxid beschichtet werden. Diese Schicht aus Metalloxid führt zu einer stark erhöhten Haftfestigkeit gegenüber Kohlenwasserstoffen, wie sie in den Bitumen bzw. bitumenhaltigen Bindemitteln enthalten sind. Das ist besonders bei quarzhaltigem Schüttgut zu beobachten. Durch die Normierung der Adhäsionskräfte über die gesamte angebotene Haftfläche mittels der Metalloxid-Schicht ergibt sich eine hohe Wasserfestigkeit der Phasengrenzfläche. Hierdurch ist ein Herauslösen eventuell giftiger oder bodenschädigender Inhaltsstoffe aus den anorganischen Füllstoffen ausgeschlossen.
Bei einer Weiterbildung der Erfindung handelt es sich bei der Metall-Ionen enthaltenden Lösung um eine Metallsalzlösung und/oder Metallhydroxidlösung.
Die Metallsalzlösung bzw. Metallhydroxidlösung liegt vorzugsweise als Suspension vor, mit einem Massengehalt von 1,5 Gew.-% bis 40 Gew.-%, insbesondere 2,5 Gew.-% bis 25 Gew.-% an Metallsalz bzw. Metallhydroxid.
In besonders bevorzugter Weise handelt es sich bei der wässrigen Metallsalzlösung um eine wässrige Eisensalzlösung. Es ist auch möglich, eine wässrige Mischung aus mehreren Metallsalzen, von denen eines ein Eisensalz ist, einzusetzen. Korrespondierend hierzu handelt es sich in bevorzugter Weise bei dem an den Oberflächen der anorganischen Füllstoffe gebildeten Metalloxid um Eisenoxid. In bevorzugter Weise werden die Oberflächen der anorganischen Füllstoffe, insbesondere der eingesetzten Gesteins-Körnung, also mit einer „Rostschicht” überzogen.
Zweckmäßigerweise handelt es sich bei dem Eisensalz um Eisenformiat, Eisenacetat und/oder Eisenproprionat. Es sind jedoch auch andere Eisensalze einsetzbar.
Wie bereits erwähnt, kann als Alternative zum Metallsalz auch Metallhydroxid eingesetzt werden, das beispielsweise durch Hydrolyse des korrespondierenden Metallsalzes gewonnen wird. Es kann jedoch auch Metallhydroxid enthaltender Filterpressschlamm eingesetzt werden. Bei dem Metallhydroxid handelt es sich bevorzugt um Eisenhydroxid.
Um eine gleichmäßige Beschichtung der Oberflächen der anorganischen Füllstoffe zu gewährleisten, wird die wässrige Metall-Ionen-Lösung in bevorzugter Weise durch Sprühen auf die Oberflächen der anorganischen Füllstoffe aufgebracht. Dabei kann beispielsweise eine Sprühvorrichtung mit wenigstens einer Volldüse und/oder wenigstens einer Zyklondüse verwendet werden. Alternativ ist es möglich, die wässrige Metall-Ionen enthaltende Lösung über die Oberflächen der anorganischen Füllstoffe zu gießen. Vorzugsweise erfolgt anschließend ein Wälzen der anorganischen Füllstoffe in der wässrigen Metall-Ionen-Lösung, die insesondere in Suspensions-Form vorliegt.
Bei einer Weiterbildung der Erfindung liegt die Prozesstemperatur, auf die die anorganischen Füllstoffe erwärmt werden, im Bereich von 60°C bis 190°C.
Zweckmäßigerweise werden die anorganischen Füllstoffe vor dem Erwärmen getrocknet.
Die Erfindung umfasst ferner noch eine Asphaltmischung mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 14.
Die erfindungsgemäße Asphaltmischung zeichnet sich dadurch aus, dass die Oberflächen der anorganischen Füllstoffe mit einer Schicht aus Metalloxid beschichtet sind.
Zweckmäßigerweise handelt es sich bei dem Metalloxid um Eisenoxid.
Schließlich umfasst die Erfindung noch eine Asphaltmischvorrichtung mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 16.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung zeichnet sich dadurch aus, dass zwischen der Trocknungseinrichtung und der Mischeinrichtung eine Dosiereinrichtung eingeschaltet ist zur dosierten Zugabe einer Metall-Ionen enthaltenden Lösung zu den getrockneten anorganischen Füllstoffen.
Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im Folgenden und ergänzend hierzu anhand von Beispielen erläutert. Die Zeichnung zeigt:
Einen schematischen Aufbau eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Asphalmischvorrichtung.
Das in der einzigen Figur dargestellte bevorzugte Ausführungsbeispiel der Asphaltmischvorrichtung 11 zur Herstellung von Asphaltmischungen besitzt eine Trocknungseinrichtung 12, beispielsweise in Form eines Drehtrommelofens, in den die anorganischen Füllstoffe in Form von Gesteinssplitt bzw. Splittmaterial eingebracht werden. Der Gesteinssplitt kann hierzu beispielsweise in einem Vorratsbunker (nicht dargestellt) bevorratet sein.
Im Drehtrommelofen wird der Gesteinssplitt bei einer Trocknungstemperatur getrocknet. Dies kann beispielsweise durch die hindurchströmenden Abgase eines Ölbrenners erfolgen. Nach dem Trocknen hat das Splittmaterial eine der Prozesstemperatur entsprechenden Temperatur von beispielsweise ca. 200°C.

Als Gesteinssplitt kann beispielsweise eine Mischung aus verschiedenen Splitten mit folgender Zusammensetzung eingesetzt werden:

Möräneedelsplitt 8/11 mm	43,0 M-%
Möräneedelsplitt 5/8 mm	20,0 M-%
Möräneedelsplitt 2/5 mm	8,0 M-%
Möräneedelbrechsand 0/2 mm	19,0 M-%
Kalksteinmehl 0,00/0,009 mm	10,0 M-%
	100,0 M-%

Hieraus ergibt sich folgende Korngrößenverteilung des Splittgemisches:

Prüfkorngrößen mm	Korngrößen einzeln	verteilung zusammen
0,00–0,09	10,4	10,4
0,09–0,25	3,3	13,7
0,25–0,71	4,7	18,4
0,71–2,0	8,1	26,5
2,0–5,0	11,6	38,1
5,0–8,0	19,7	57,8
8,0–11,2	42,2	100,0

Dem Drehtrommelofen 12 nachgeschaltet ist eine Dosiereinrichtung 13, in der eine wässrige Metall-Ionen enthaltende Lösung nachfolgender Zusammensetzung auf das getrocknete Splittmaterial aufgebracht wird. Das Aufbringen kann beispielsweise mittels Sprühen, beispielsweise mit wenigstens einer Volldüse und/oder wenigstens einer Zyklondüse, oder Übergießen des bereits zuvor durch die Trocknung erwärmten Splittmaterials erfolgen. Es eignen sich beispielsweise folgende Versuchsparameter:
Splittmaterial:

Masse: ca. 11 kg
Wärmekapazität: 600 J/kg
Temperatur vor Beschichtung: 200°C
Temperatur nach Beschichtung: 100°C

wässrige Metall-Ionen-Lösung:

Wassermasse: 0,26 kg
0,25 Gew.-% Eisenhydroxid
Wärmekapazität: 4200 J/kg
Temperatur vor Beschichtung: 20°C
Temperatur nach Beschichtung: 100°C

Die Suspension wird beispielsweise über das erhitzte Splittmaterial gegossen und das Granulat in der Suspension gewälzt, bis die Flüssigkeit verdampft ist. Die Erwärmung des Wassers von 20°C auf 100°C und die Verdampfung des Wassers steht im Gleichgewicht mit der Abkühlung des Splittmaterials auf 100°C.
Die auf das Splittmaterial aufgebrachte wässrige Eisenhydroxidlösung zersetzt sich thermisch, wodurch an der Oberfläche des Splittmaterials, also an den einzelnen Splittkörnern eine Schicht aus Eisenoxid gebildet wird.
Zur Asphaltmischvorrichtung gehört ferner noch eine Mischeinrichtung 14, in der das mit Eisenoxid beschichtete Splittmaterial mit Bitumen oder einem bitumenhaltigen Bindemittel gemischt wird.
Durch die mit einer Schicht aus Eisenoxid beschichteten Oberflächen der Splittkörner ergibt sich eine signifikante Verbesserung der Haftfestigkeit des vor allem Kohlenwasserstoff enthaltenden Bitumens an dem entsprechenden Splittmaterial. Durch die Eisenoxid-Schicht ergibt sich eine Homogenisierung der Oberflächen der Splittkörner, was zu einer im Wesentlichen völligen Normierung der Adhäsionskräfte über die gesamte angebotene Haftfläche führt. Daraus ergibt sich eine sehr hohe Wasserfestigkeit der Phasengrenzfläche. Hierdurch ist ein Herauslösen eventuell giftiger oder badenschädigender Inhaltsstoffe aus dem Splittmaterial ausgeschlossen.
Um ein Verklumpen des Splittmaterials beim Mischen mit dem Bitumen zu verhindern ist es möglich, die feinen Fraktionen vor dem Beschichten beispielsweise mittels eines Siebvorgangs herauszutrennen. Diese kleine Korngrößen führen nämlich in erster Linie zu dem nachteiligen Verklumpen beim Mischen mit Bitumen. Die kleinen Korngrößen können dann nach dem Mischen des beschichteten Splittmaterials mit dem Bitumen wieder hinzugegeben werden, so dass also Splittmaterial mit einer Eisenoxid-Schicht und Splittmaterial ohne eine derartige Schicht vorliegen kann. Alternativ ist es möglich, Splittmaterial einzusetzen, bei dem die feinen bzw. kleinen Korngrößen gleich von Anfang an fehlen.
Die verbesserte Haftfestigkeit von mit Eisenoxid beschichteten Splittkörnern zeigt sich bei den nachfolgend aufgeführten Ergebnissen von Zugversuchen, bei denen im Vergleich Proben mit beschichtetem Splittmaterial und unbeschichtetem Splittmaterial zentrischen Zugversuchen unterzogen worden sind:

Dabei wurden zunächst drei Proben mit unbeschichtetem Splittmaterial (oW) mit drei Proben mit beschichtetem Splittmaterial (Prof oW) im trockenen Zustand miteinander verglichen, wobei folgende Ergebnisse der Zugversuche ermittelt wurden:

Probenbezeichnung	Raumdichte g/cm²	Fläche mm²	Bruchlast N	Zugfestigkeit N/mm²
Probenbezeichnung	Raumdichte g/cm²	Fläche mm²	Bruchlast N	Einzelwerte	Mittelwert
4 oW	2,420	1588	5308	3,34
5 oW	2,415	1596	5358	3,36	3,33
6 oW	2,422	1568	5159	3,29
Prof-4 oW	2,416	1584	4967	3,14
Prof-5 oW	2,412	1596	4866	3,05	3,17
Prof-6 oW	2,414	1562	5223	3,32

Als Mittelwert der Zugfestigkeit ergibt sich bei den unbeschichteten Proben ca. 3,33 N/mm² bzw. bei den Proben mit beschichtetem Splittmaterial 3,17 N/mm².

Da jedoch beispielsweise Fahr- oder Landebahndecken nicht nur trockenen Bedingungen ausgesetzt sind, sondern auch über längere Zeit Feuchtigkeit und Nässe einwirken, wurden dann in einer zweiten Versuchsserie drei mit unbeschichtetem Splittmaterial versehene Proben (W) und drei mit beschichtetem Splittmaterial versehenen Proben (Prof W) unter Wassereinwirkung miteinander verglichen. Hieraus ergaben sich folgende Ergebnisse:

Probenbezeichnung	Raumdichte g/cm³	Fläche mm²	Bruchlast N	Zugfestigkeit N/mm²
Probenbezeichnung	Raumdichte g/cm³	Fläche mm²	Bruchlast N	Einzelwerte	Mittelwert
1 W	2,417	1564	4033	2,58
2 W	2,420	1572	5980	2,53	2,55
3 W	2,403	1584	4010	2,53
Prof-1 W	2,417	1592	4557	2,86
Prof-2 W	2,420	1584	4501	2,84	2,80
Prof-7 W	2,414	1564	4241	2,71

Die Zugfestigkeit der unbeschichteten Proben betrug nunmehr 2,55 N/mm², während die Zugfestigkeit der beschichteten Proben 2,80 N/mm² betrug. Bei den unbeschichteten Proben ergab sich somit ein Zugfestigkeitsabfall zwischen den trockengelagerten Proben und den mit Wassereinwirkung versehenen Proben von 23,4%. Im Gegensatz hierzu betrug der Zugfestigkeitsabfall bei den mit dem Haftverbesserer, also der Eisenoxid-Schicht versehenen Proben lediglich 11,7%.
Der Zugfestigkeitsverlust nach Wassereinwirkung wurde durch den Zusatz des Haftverbesserers also halbiert. Mithin haben also insbesondere Fahrbahn- oder Landebahndecken aus Asphalmischungen mit Haftverbesserer deutlich verbesserte Eigenschaften gegenüber solchen ohne Haftverbesserer.

Claims

Verfahren zur Herstellung von Asphaltmischungen aus Bitumen oder bitumenhaltigem Bindemittel und anorganischen Füllstoffen, das Verfahren mit folgenden Schritten: – Bereitstellen der anorganischen Füllstoffe und einer wässrigen Metall-Ionen enthaltenden Lösung, – Erwärmen der anorganischen Füllstoffe auf eine Prozesstemperatur im Bereich von 50°C bis 300°C. – Aufbringen der wässrigen Metall-Ionen-Lösung auf die Oberflächen der anorganischen Füllstoffe, wobei sich die Metall-Ionen-Lösung thermisch zersetzt und an den Oberflächen der anorganischen Füllstoffe eine Schicht aus Metalloxid gebildet wird. – Mischen der mit Metalloxid beschichteten anorganischen Füllstoffe mit dem Bitumen oder dem bitumenhaltigen Bindemittel.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei der Metall-Ionen-Lösung um eine Metallsalzlösung und/oder Metallhydroxidlösung handelt.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Metallsalzlösung und/oder Metallhydroxidlösung als Suspension vorliegt, mit einem Massengehalt von 0,1 Gew.-% bis 40 Gew.-%, insbesondere 0,2 Gew.-% bis 25 Gew.-% an Metallsalz bzw. Metallhydroxid.
Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei der wässrigen Metallsalzlösung um eine wässrige Eisensalzlösung oder um eine wässrige Mischung aus mehreren Metallsalzen, von denen eines ein Eisensalz ist, und bei dem an der Oberfläche der anorganischen Füllstoffe gebildeten Metalloxid um Eisenoxid handelt.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem Eisensalz um Eisenformiat, Eisenacetat und/oder Eisenproprionat handelt.
Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Metallhydroxid durch Hydrolyse des korrespondierenden Metallsalzes gewonnen wird.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem Metallhydroxid um Eisenhydroxid handelt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die wässrige Metall-Ionen-Lösung durch Sprühen auf die Oberflächen der anorganischen Füllstoffe aufgebracht wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die wässrige Metall-Ionen-Lösung über die Oberflächen der anorganischen Füllstoffe gegossen wird, vorzugsweise mit ausschließlichem Wälzen der anorganischen Füllstoffe in der wässrigen Metall-Ionen-Lösung
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Prozesstemperatur im Bereich von 60°C bis 190°C liegt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die anorganischen Füllstoffe vor dem Erwärmen getrocknet werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem anorganischen Füllstoff um Schüttgut, insbesondere Gesteins-Schüttgut verschiedener Kornfraktionen, vorzugsweise Gesteinssplitt oder eine Splittmischung verschiedener Splittarten, handelt.
Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass Gesteins-Schüttgut verwendet wird, bei dem die Kornfraktionen mit Körnern, die eine bestimmte Mindest-Korngröße unterschreiten herausgetrennt werden und die Oberflächenbeschichtung lediglich mit Kornfraktionen mit Körnern größer gleich der Mindest-Korngröße durchgeführt wird, wobei vorzugsweise nach dem Beschichten die vorher herausgetrennten, unbeschichteten Körner unterhalb der Mindestkorngröße wieder hinzugefügt werden.
Asphaltmischung, mit einem Bitumen oder bitumenhaltigen Bindemittel und anorganischen Füllstoffen, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche der anorganischen Füllstoffe mit einer Schicht aus Metalloxid beschichtet ist.
Asphaltmischung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem Metalloxid um Eisenoxid handelt.
Asphaltmischvorrichtung zur Herstellung von Asphaltmischungen, mit einer Trocknungseinrichtung zur Trocknung von anorganischen Füllstoffen und einer der Trocknungseinrichtung nachgeschalteten Mischeinrichtung zur Mischung der anorganischen Füllstoffe mit Bitumen oder bitumenhaltigem Bindemittel, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Trocknungseinrichtung und der Mischeinrichtung eine Dosiereinrichtung eingeschaltet ist zur dosierten Zugabe einer Metall-Ionen enthaltenden Lösung zu den getrockneten anorganischen Füllstoffen.