DE2551929C2

DE2551929C2 -

Info

Publication number: DE2551929C2
Application number: DE19752551929
Authority: DE
Inventors: Gerhard J.A. Kennepohl; Alan Logan; David C. Oakville Ontario Ca Bean
Original assignee: Gulf Canada Resources Inc
Current assignee: Gulf Canada Ltd
Priority date: 1974-12-05
Filing date: 1975-11-19
Publication date: 1989-08-31
Also published as: DE2551929A1; AU499040B2; AU8650775A; CA1025155A; FR2293525B1; IT1051349B; JPS5942703B2; GB1528384A; FR2293525A1; JPS5182311A

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.

Marshall-Testdaten

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.

Beispiel 1

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%

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.

Beispiel 2

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%

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.

Beispiel 3

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.

Beispiel 4

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

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.