DE19601495A1 - Bitumen and/or asphalt used as road surfacing - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft Bitumen und/oder Asphalt mit verbessertem Alterungsverhalten und ein Verfah ren zum Herstellen dieser Bitumen und/oder Asphalte.The invention relates to bitumen and / or asphalt with improved aging behavior and a process ren for the production of these bitumen and / or Asphalt.
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 anderen Gebieten im Bautenschutz.The responsiveness of the bitumen is compared with most other organic compounds less. But since bitumen as a road building material for durable objects is used, the remains material change of the bitumen in aging process not without impact on lifespan of the streets. It is similar with others Areas in building protection.
Die Bitumenalterung ist wesentlich durch die Ein wirkung von Sauerstoff bedingt. Beschleunigende Faktoren sind Temperatur, Lichtenergie und in ge ringerem Umfang, etwa durch Lösen oxydierter Bitu menbestandteile, auch Feuchtigkeit. Die bei der Verwitterung von Bitumen auftretenden Veränderungen sind sehr kompliziert und werden durch Verdunstung, Oxidation und Polymerisation hervorgerufen. Bitumen aging is essential due to the one effect caused by oxygen. Accelerating Factors are temperature, light energy and ge to a lesser extent, for example by loosening oxidized bitit ingredients, including moisture. The at the Weathering of changes in bitumen are very complicated and are caused by evaporation, Oxidation and polymerization caused.
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.The evaporation process is purely physical and causes the progressive loss of volatile components when stored in Air and solar heat. It is almost exclusive depends on the temperature, the Verdun performance losses, the greater the Temperature is.
Bedingung für das Eintreten der Oxidation bituminö 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.Condition for the occurrence of bituminous oxidation This substance is the presence of oxygen. The intensity and speed of the oxidation are highly dependent on temperature. The Oxidation can run in two directions, the one direction involves the chemical bond of the Oxygen through bituminous substance, while at in the other direction an elimination of a part of hydrogen or carbon in the form of Water or carbon dioxide.
Der Vorgang der Polymerisation beruht auf einer Kondensation oder Polymerisation der Moleküle und bewirkt eine Verhärtung der bituminösen 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.The process of polymerization is based on one Condensation or polymerization of the molecules and causes the bituminous substance to harden. Freshly melted bitumen usually has one lower hardness and lower softening point as the same sample after a few days Tool life, since there is already minimal polymer sation.
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).The change in processing and Bitumen properties relevant to use are all common in a physical and a chemical Component subdivided (K. H. Gusfel: VDI report No. 252 (1976) 7-17).
Die chemische Verhärtung erfolgt im wesentlichen als Oxidation unter Einwirkung von Luftsauerstoff. The chemical hardening takes place essentially as oxidation under the influence of atmospheric oxygen.
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.According to H. J., the oxidative aging of bitumen is Neumann: Petroleum-natural gas-coal (1987), p. 131 - p. 133 on reactions between hydrocarbons as reacting bitumen components and atmospheric oxygen attributed to radicals.
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 und festgestellt, daß dabei u. a. eine Zunahme des Sauerstoffgehaltes erfolgt, die letztendlich mit dem Anwachsen der Bitumenhärte verbunden ist. Im Winter führt dies zu den soge nannten thermisch induzierten Rissen.E. Richter: Dissertation TU Clausthal-Zellerfeld 1988, has the changes in hot storage the bitumen and processing on the asphalt location as well as in the finished road surface detected and found that u. a. a Increase in oxygen content occurs that ultimately with the increase in bitumen hardness connected is. In winter this leads to the so-called called thermally induced cracks.
Im Stand der Technik sind verschiedene Lösungen bekannt, um durch Zusatzstoffe eine Verbesserung der Duktilität des Bitumens und eine bessere Verar beitbarkeit bei niedrigeren Temperaturen zu errei chen.There are various solutions in the prior art known to be an improvement through additives the ductility of the bitumen and better processing operability at lower temperatures chen.
Zur Vermeidung hoher Verarbeitungstemperaturen wer den nach DE 33 42 946 einer Asphalt-Mischung etwa 4 bis 10 Gewichts-% eines faserförmigen Füllstoffes und 2,5 bis 15%, bezogen auf das Gesamtgewicht aus Asphalt und faserförmigen Füllstoff, eines Fett säure-Gemischs, das geradkettige ungesättigte Fett säuren mit 18 Kohlenstoff-Atomen und eine Menge Kolophonium, die etwa 30 Gewichts-% der Säure nicht überschreitet, beigemischt.To avoid high processing temperatures who about 4 according to DE 33 42 946 of an asphalt mixture up to 10% by weight of a fibrous filler and 2.5 to 15% based on the total weight Asphalt and fibrous filler, a fat acid mixture, the straight-chain unsaturated fat acids with 18 carbon atoms and a lot Rosin that does not contain about 30% by weight of the acid exceeds, admixed.
Neben der Verringerung der Verarbeitungstemperatur soll der Zusatz von Fettsäure-Mischungen auch Ver besserungen in den physikalischen Tieftemperatur eigenschaften bewirken.In addition to reducing the processing temperature the addition of fatty acid mixtures should also Ver improvements in physical low temperature effect properties.
In DD 1 47 672 ist ein Verfahren zur Verbesserung der Gebrauchswerteigenschaften von Straßenbau bitumen angegeben, mit dem eine Verbesserung der Duktilität, das Duktilitäts-Temperaturverhaltens und des Paraffingehaltes des Bitumens dadurch erreicht wird, daß dem Bitumen 0,1% bis 5% Alkyl naphthenat, Metallsalze höherer Fettsäuren, Fett säureamine, Polyolefingatsche, Fettsäuredestil lationsrückstände sowie Kombinationen dieser Ver bindungen bei Temperaturen zwischen 393 K und 493 K zugesetzt werden.In DD 1 47 672 is a method for improvement the utility properties of road construction bitumen specified with which an improvement in Ductility, the ductility-temperature behavior and the paraffin content of the bitumen is achieved that the bitumen 0.1% to 5% alkyl naphthenate, metal salts of higher fatty acids, fat acid amines, polyolefin gags, fatty acid style residues and combinations of these ver bonds at temperatures between 393 K and 493 K be added.
Eine Verbesserung der Altersbeständigkeit wird damit nicht bewirkt.An improvement in age stability will not effecting it.
Gemäß US-PS 41 96 013 wird Ruß bzw. Petrolkoks in verschiedenen Konzentrationen von 0,5 und mehr zugegeben, um die Alterungsbeständigkeit zu verbes sern.According to US-PS 41 96 013 carbon black or petroleum coke is in different concentrations of 0.5 and more added to improve the resistance to aging ser.
Nachteilig ist dabei, daß der Zusatz die nieder molekularen öligen Bestandteile des Bitumens auf nimmt, was zur Phasentrennung des Bitumens führen kann. Es handelt sich hierbei im wesentlichen um Füllstoffe, die zur Quellung neigen.The disadvantage is that the addition of the low molecular oily constituents of bitumen takes what lead to the phase separation of the bitumen can. It is essentially about Fillers that tend to swell.
Aus der Literatur ist es bekannt, Bitumen als kol loides System zu betrachten. Der kolloide Aufbau des Bitumens bewirkt seine art-typischen und vom Verhalten anderer Erdölfraktionen so charak teristisch abweichenden Eigenschaften wie Kohäsion, Adhäsion, Thermoplastizität, Duktilität und der häu fig Nicht-Newtonschen Rheologie.It is known from the literature to use bitumen as col to consider a solid system. The colloidal structure of bitumen has its typical and from Behavior of other petroleum fractions so characteristic teristically different properties such as cohesion, Adhesion, thermoplasticity, ductility and the skin fig Non-Newtonian rheology.
Dieses Kolloidsystem besteht aus Asphalten und Erdöl-Harzen, die in einen als Dispersionsmittel wirkenden öligen Medium kolloidal dispergiert sind. Genetisch scheinen Asphaltene das Endprodukt einer Reaktionskette zu sein, die während der Erdöl reifung über Dehydrierungs- und Kondensations-Reak tionen in der FormThis colloid system consists of asphaltenes and Petroleum resins used in a as a dispersant acting oily medium are colloidally dispersed. Genetically, asphaltenes seem to be the end product of one Reaction chain to be that during the petroleum maturation via dehydration and condensation reac ions in the form
Öle --- Erdöl-Harze --- AsphalteneOils --- petroleum resins --- asphaltenes
darf es aber doch nicht als völlig inert angesehen werden. Die verschiedenen Bestandteile im Viel stoff-Gemisch "Bitumen" zeigen unterschiedliche Reaktivitäten. Die geringsten Reaktivitäten weisen die in dem Dispersionsmittel vorliegenden Alkane auf, die höchsten durchweg die naphthenaromatischen Erdöl-Harze.But it shouldn't be considered completely inert will. The various components in a lot "Bitumen" fabric mix show different Reactivities. Show the least reactivity the alkanes present in the dispersant on, the highest consistently the naphthenaromatic Petroleum resins.
Durch Einwirkung von Luftsauerstoff finden im Bitu men chemische Reaktionen statt, die je nach Tempe raturlage nacheinander ablaufen und die formal unterschieden werden können als:Due to the action of atmospheric oxygen in the bitu chemical reactions take place depending on the tempe ratur situation one after the other and the formal can be distinguished as:
- - Polarisierung, bei der der Sauerstoffeintritt unter Bildung polarer bis saurer O-Verbindungen erfolgt, - polarization at which oxygen enters with formation of polar to acidic O-compounds he follows,
- - Dehydrierung wobei eine Abspaltung gebundener H-Alkane durch Sauerstoff unter Wasseraustritt stattfindet und- Dehydration whereby a split off bound H-alkanes from oxygen under water leakage takes place and
- - Aromatisierung und Polykondensation.- aromatization and polycondensation.
Diese Reaktionen machen sich äußerlich als Verhär tung des Bitumens, stofflich als Verschiebung von Fraktions-Anteilen des Kolloidsystems Harze-Asphal tene bemerkbar mit der Folge einer stetigen Verän derung der rheologischen Eigenschaften des Bitu mens.These reactions appear outwardly as hardening bitumen, materially as a shift of Fractional parts of the resin-asphal colloid system tene noticeable with the consequence of a constant change change in the rheological properties of the Bitu mens.
Es stellte sich dabei heraus, daß Erdöl-Harze als Dispergatoren- und Dispergiervermittler für Asphal tene wirken, indem sie den kolloidalen Zustand sta bilisieren und durch eine Abstandshalterfunktion eine weitgehende Assoziation der Asphaltenteilchen miteinander verhindern und damit einer Ausflockung der Asphaltene entgegenwirken.It turned out that petroleum resins as Dispersing and dispersing agents for asphal act by stabilizing the colloidal state bilize and by a spacer function a broad association of the asphalt particles prevent each other and thus flocculation counteract the asphaltene.
Durch den Zusatz von Additiven zum Bitumen werden die funktionellen Gruppen an Erdöl-Harzen blockiert und die Oxidation dieser Stoffe zu neuen Asphalte nen verhindert, wodurch auch die Alterung von Bitu men unterbunden wird.By adding additives to the bitumen the functional groups on petroleum resins blocked and the oxidation of these substances to new asphalt prevents aging, which also causes the aging of Bitu men is prevented.
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. The invention has for its object a Ver drive to the production of bitumen and asphalt admit with the age-stable and shape-retaining bitumen and asphalt can be produced that their properties in processing and change usage only slightly.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß dem Bitumen und/oder dem polymermodifizierten Bitumen epoxylierter Fettsäureester, Phenylnaphtha line, Arylphenolkondensationsprodukte, alkylierte Phenole und Thioorganozinnverbindungen einzeln oder in Mischungen in der Menge von 0,1 bis 5 Gew.-% zugegeben werden.According to the invention, the object is achieved by that the bitumen and / or the polymer modified Bitumen of epoxylated fatty acid ester, phenylnaphtha line, arylphenol condensation products, alkylated Phenols and thioorganotin compounds individually or in mixtures in the amount of 0.1 to 5% by weight be added.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wirken Erdöl- Harze als Dispergatoren und Dispergiervermittler für Asphaltene.In the method according to the invention, petroleum Resins as dispersants and dispersing agents for asphaltenes.
Das Verfahren ermöglicht es, daß das Verhältnis Erdöl-Harze zu Asphalten als Stabilisationsfaktor des Systems Bitumen konstant gehalten wird.The procedure allows the ratio Petroleum resins for asphaltene as a stabilization factor of the bitumen system is kept constant.
Die Erfindung wird im folgenden anhand eines Aus führungsbeispieles näher erläutert.The invention is based on an off management example explained in more detail.
Für die Beurteilung des Alterungsverhaltens wurden Bitumen sowie Asphalte mit und ohne den erfindungs gemäßen Zusätzen 5 Jahre der Freiluftbewitterung ausgesetzt.For the assessment of the aging behavior Bitumen and asphalt with and without the invention according to additions 5 years of outdoor weathering exposed.
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. The production of bitumen-substance mixtures followed by specifying the liquid bitumen and Enter the inhibitor in portions. The Wed was over at a temperature of 150 ° C a duration of 5 to 10 minutes.
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