DE19501212A1 - Verfahren zum Herstellen von Bitumen und Asphalt - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen von Bitumen und Asphalt mit verbessertem Alterungs­ verhalten.

Die Reaktionsfreudigkeit der Bitumen ist verglichen mit den meisten anderen organischen Verbindungen geringer. Da aber Bitumen als Straßenbaustoff für langlebige Objekte eingesetzt wird, bleibt die stoffliche Veränderung des Bitumens im Alterungs­ prozeß nicht ohne Auswirkung auf die Lebensdauer der Straßen. Ähnlich verhält es sich bei den ande­ ren Gebieten im Bautenschutz.

Die Bitumenalterung ist wesentlich durch die Ein­ wirkung von Sauerstoff bedingt. Beschleunigende Faktoren sind Temperatur, Lichtenergie und in ge­ ringerem Umfang, etwa durch Lösen oxidierter Bitu­ menbestandteile, auch Feuchtigkeit. Die bei der Verwitterung von Bitumen auftretenden Veränderungen sind sehr kompliziert und werden durch Verdunstung, Oxidation und Polymerisation hervorgerufen.

Der Verdunstungsvorgang ist rein physikalischer Art und bedingt den allmählich fortschreitenden Verlust von flüchtigen Bestandteilen bei der Lagerung in Luft und Sonnenwärme. Er ist fast ausschließlich von der Temperatur abhängig, wobei die Verdun­ stungsverluste umso größer werden, je höher die Temperatur ist.

Bedingung für das Eintreten der Oxidation bitumenö­ ser Substanzen ist die Anwesenheit von Sauerstoff. Intensität und Geschwindigkeit der Oxidation sind in starkem Maße von der Temperatur abhängig. Die Oxidation kann in zwei Richtungen verlaufen, die eine Richtung beinhaltet die chemische Bindung des Sauerstoffs durch bituminöse Substanz, während bei der anderen Richtung eine Elimination eines Teiles des Wasserstoffes oder Kohlenstoffes in Form von Wasser oder Kohlendioxid vonstatten geht.

Der Vorgang der Polymerisation beruht auf einer Kondensation oder Polymerisation der Moleküle und bewirkt eine Verhärtung der bitumenösen Substanz. Frisch aufgeschmolzenes Bitumen besitzt meist eine geringere Härte und einen niedrigeren Erweichungs­ punkt als die gleiche Probe nach einigen Tagen Standzeit, da hier bereits eine minimale Polymeri­ sation eingesetzt hat.

Die Veränderung der verarbeitungs- und gebrauchsrelevanten Bitumeneigenschaften wird all­ gemein in eine physikalische und eine chemische Komponente untergliedert (K. H. Gusfel: VDI-Bericht Nr. 252 (1976), 7-17).

Die chemische Verhärtung erfolgt im wesentlichen als Oxidation unter Einwirkung von Luftsauerstoff. Die oxidative Alterung von Bitumen ist nach H.J. Neumann: Erdöl-Erdgas-Kohle (1987), S. 131-S. 133 auf Reaktionen zwischen Kohlenwasserstoffen als reagierenden Bitumenkomponenten und Luftsauerstoff über Radikale zurückzuführen.

Die Radikale werden entweder durch eine thermische oder photochemische Reaktion gebildet. Zahlreiche Versuche ergaben, daß die eine Alterung einleitende Radikalbildung überwiegend photochemisch und viel geringer thermisch erfolgt. Licht im sichtbaren wellenlängenbereich reicht zur Spaltung der O-O-Bindung und Uv-Strahlung zum Bruch der C-C- und C-H-Bindungen.

Durch Reaktion von Luftsauerstoff mit C-H-Bindungen bilden sich Hydroperoxide, die dann nach verschie­ denen Mechanismen zur Kettenfortpflanzung führen. Sobald Radikale gebildet sind, verlaufen die nach­ folgenden Reaktionen der Kettenfortpflanzung sehr schnell. Dabei werden aus den Erdölharzen Asphalte gebildet, und gleichzeitig erfolgt eine Neubildung von Erdölharzen aus dem Dispersionsmittel, aller­ dings nicht mit dergleichen Intensität.

Die Oxidation- und Dehydrierungsreaktion zu Asphal­ ten bedeuten, daß die stabilisierende Wirkung der Erdölharze vermindert wird und die Strukturviskosi­ tät des Bitumens ansteigt. Es vollzieht sich der irreversible Alterungsprozeß

Sol - strukturviskoses Sol - Koagel - Gel

Der Endzustand des Alterns führt immer über ein Gel, das durch Verlust von flüssiger, nicht koagu­ lierte Phase und durch ein dichteres Zusammentreten der koagulierten Kolloide weiter altert. Damit gewinnt das Bitumen an Härte und durch die fort­ schreitende Strukturierung an innerer Festigkeit, es verliert an Elastizität und an Plastizität.

E. Richter: Dissertation TU Clausthal-Zellerfeld 1988, hat die Veränderungen bei der Heißlagerung der Bitumen und der Verarbeitung an der Asphaltan­ lage sowie im fertigen Straßenbelag meßtechnisch erfaßt. Es erfolgt u. a. eine Zunahme des Sauer­ stoffgehaltes, die letzendlich mit dem Anwachsen der Bitumenhärte verbunden ist. Im Winter führt dies zu den sogenannten thermisch induzierten Ris­ sen.

Gemäß US-PS 4,196,013 vom April 1980 wird Ruß bzw. Petrolkoks in verschiedenen Konzentrationen von 0,5 und mehr zugegeben, um die Alterungsbeständigkeit zu verbessern.

Nachteil dieser Erfindung ist, daß der Zusatz die niedermolekularen öligen Bestandteile des Bitumens aufnimmt, was zur Phasentrennung des Bitumens füh­ ren kann. Nach den durchgeführten Untersuchungen handelt es sich im wesentlichen um Füllstoffe, die zur Quellung neigen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Ver­ fahren zum Herstellen von Bitumen und Asphalt an­ zugeben, mit dem alterungsstabile und formbestän­ dige Bitumen und Asphalte hergestellt werden kön­ nen, die ihre Eigenschaften bei der Verarbeitung und Nutzung nur geringfügig ändern.

Es wurde überraschenderweise gefunden, daß es mit reaktiven, gut einarbeitbaren modifizierten Fett­ säuren, modifizierte Fettsäureester bestimmter Zu­ sammensetzungen gelingt, Substanzen zu erhalten, die in der Lage sind, vorhandene Radikale in Bitu­ men zu binden und die oxidative Alterung von Bitu­ men zu verhindern, also ihre rheologischen Eigen­ schaften weitgehend zu erhalten.

Diese Zusätze verzögern die Alterungsgeschwindig­ keit der zu schützenden Kohlenwasserstoffe und wir­ ken als Radikaldesaktivatoren.

Der Zusatz von Alterungsinhibitoren wird zwar be­ reits seit vielen Jahren in der Kunststoffindustrie praktiziert. Dort werden jedoch Materialien, wie Polyethylen und dergleichen verwendet, also Poly­ mere mit definierter Zusammensetzung.

Beim Bitumen handelt es sich dagegen um einen weni­ ger definierten Baustoff, der aus einer Vielzahl von organisch sehr unterschiedlichen Bestandteilen besteht, so daß bisher eine gezielte Verbesserung über chemische Radikalfänger nicht praktiziert wurde.

Erfindungsgemäß wird dem Bitumen oder dem Asphalt als Radikaldesaktivatoren modifizierte Fettsäuren, modifizierte Fettsäurerester, epoxylierte Fettsäu­ rerester, Fettsäuren, Alkylarylamine, Alkylaryldia­ mine, Phenylnaphthaline, Amingemische, Arylphenol­ kondensationsprodukte, alkylierte Phenole deren Mischungen, Phenylphosphite, Thioorganozinnverbin­ dungen, Arylnaphthaline einzeln oder in Mischungen davon in der Menge von 0,1 bis 5 Gew.-% zugegeben.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von Aus­ führungsbeispielen näher erläutert.

Für die Beurteilung des Alterungsverhaltens wurden Bitumen sowie Asphalte mit und ohne den erfindungs­ gemäßen Zusätzen 5 Jahre der Freiluftbewitterung ausgesetzt.

Die Herstellung der Bitumen-Substanz-Mischungen er­ folgte durch Vorgabe des flüssigen Bitumens und portionsweises Eintragen des Inhibitors. Die Mi­ schung wurde bei einer Temperatur von 150°C über eine Dauer von 5 bis 10 Minuten vorgenommen.

Beispiel 1

1-B 80 Vergleich der Eigenschaften

Beispiel 2

Asphaltbeton 0/11 mm mit B 65

Beispiel 3

B 85/25 Vergleich der Eigenschaften

Claims (1)

1. Verfahren zum Herstellen von Bitumen und Asphal­ ten mit verbesserten Alterungsverhalten, dadurch gekennzeichnet, daß dem Bitumen, polymermodifizier­ ten Bitumen oder dem Asphalt als Radikaldesaktiva­ toren modifizierte Fettsäuren, modifizierte Fett­ säurerester, epoxylierte Fettsäurerester, Fett­ säuren, Alkylarylamine, Alkylaryldiamine, Phenyl­ naphthaline, Amingemische, Arylphenolkondensations­ produkte, alkylierte Phenole deren Mischungen, Phenylphosphite, Thioorganozinnverbindungen, Aryl­ naphtaline einzeln oder in Mischungen davon in der Menge von 0,1 bis 5 Gew% zugegeben werden.