EP0091603B1 - Baustoff für die unteren Tragschichten im Strassenbau aus Bergematerial und Bindemitteln und Verfahren zu seiner Herstellung - Google Patents

Description

• Die Erfindung betrifft einen Baustoff für die unteren Tragschichten im Strassenbau aus Bergematerial und Bindemitteln sowie ein Verfahren zur Herstellung dieses Baustoffes.
• Im Strassenbau ist es üblich, zunächst den gewachsenen Untergrund zu verfestigen und dann mehrlagige untere Tragschichten sowie mehrlagige obere Tragschichten aufzubringen. Die unteren Tragschichten dienen vor allem dem Frostschutz und bestehen meist aus einer ersten Lage Sand oder Kies und einer zweiten Lage Hochofenschlacke, Hartkalkstein oder ähnliche Materialien, wobei die Gesamtdicke der unteren Tragschicht bei etwa 30 cm liegt. In den oberen Tragschichten werden bitumengebundene, harte Materialien, die eine geringe Feuchtigkeitsaufnahme aufweisen, um das Abplatzen der oberen Tragschicht bei Frost zu vermeiden.
• In der Vergangenheit hat man die Frostunempfindlichkeit der unteren Tragschichten dadurch zu verbessern versucht, dass in diesem Bereich Mineralgemische bzw. frostunempfindliche Sande in der Körnung 0/56 verwendet wurden. Dieses Vorgehen erforderte eine sorgfältige vorherige Planierung und Verdichtung des gewachsenen Bodens und ein anschliessendes gründliches Verdichten der Tragschicht mit Rüttelwalzen, um eine möglichst homogene untere Tragschicht hoher Dichtigkeit zu erhalten.
• Man hat auch bereits versucht, in den unteren Tragschichten zementgebundenes Bergematerial einzusetzen (DE-A-2522851 ). Solche sogenannten «hydraulisch gebundenen» Tragschichten brauchen, je nach Feuchtigkeitsgehalt unterschiedliche, längere Abbindezeiten, in denen sie nicht befahrbar sind. Ausserdem besteht bei einem solchen Material für Tragschichten die Gefahr der Riss- und Beulenbildung.
• Der Erfindung liegt demnach die Aufgabe zugrunde, einen Baustoff der eingangs genannten Art bereitzustellen, der die vorgenannten Nachteile nicht aufweist und leicht zu verarbeiten ist; insbesondere soll dieser Baustoff frostunempfindlich sein und eine gute Festigkeit der unteren Tragschichten gewährleisten. Die Lösung dieser Aufgabe beruht auf dem Grundgedanken, Bergematerial mit einem bituminösen zu vermischen und in üblicher Weise zu einer oder mehreren unteren Tragschichten zu verarbeiten; dabei weisen solche Mischungen bevorzugt die in den Patentansprüchen 2 und 3 erwähnten Zusammensetzungen auf.
• Ein solcher Baustoff weist eine vorzügliche Frostunempfindlichkeit auf und ist zugleich sehr homogen und gegen Riss- und Beulenbildung geschützt. Ein solcher Baustoff ist vergleichsweise leicht und kann in beliebigen Breiten mit einem normalen Strassenfertiger auf dem gewachsenen und ggf. verdichteten Untergrund für eine Strasse aufgetragen werden. Hierfür sind im Vergleich zu der Verwendung von Mineralgemischen für die untere Tragschicht nur sehr wenige Maschinenstunden notwendig. Der Baustoff hat den weiteren Vorteil, dass er sofort nach dem Abwalzen jederzeit mit schwerem Gerät befahrbar ist und eine dauerhafte Flexibilität aufweist. Untere Tragschichten aus dem erfindungsgemässen Baustoff können etwa ein Drittel dünner sein als bei der Verwendung des bisher bekannten Materials.
• Es musse überraschen, dass die bekanntermassen hohe Zerfallsneigung von Bergematerial an Luft und vor allem in Verbindung mit Feuchtigkeit durch die Verwendung von bituminösen Bindemitteln unterbunden werden konnte und hierfür ausserordentlich geringe Bindemittelmengen notwendig sind. Überraschend war weiterhin, dass die Festigkeiten von aus solchem Baustoff hergestellten unteren Tragschicht bei relativ geringem Gewicht ausserordentlich hoch sind, obwohl das Bergematerial selbst erheblich geringere Festigkeiten besitzt als die bisher üblichen Baustoffe für den in Rede stehenden Zweck. Im Vergleich zu den hydraulisch abbindenden Materialien, bei denen Bergematerial zur Anwendung kommt, musste es besonders überraschen, dass die Verwendung von bituminösen Bindemitteln, trotz der bekanntermassen schlechteren Benetzungseigenschaften als der hydraulischen Bindemittel, das Bergematerial gegen den Zerfall durch Luft und Feuchtigkeit dauerhaft schützt.
• Als Ausgangsmaterial kommen unbehandelte Berge in Frage, die als Nebengestein bei der Gewinnung und Aufbereitung von Kohle anfallen. Als bituminöse Bindemittel kommen solche auf petrochemischer oder Teerbasis in Frage, aber auch entsprechende Produkte der Kohleextraktion. Dabei liegen die Erweichungspunkte des bituminösen Bindemittels im weiten Umfang in der freien Wahl des Anwenders, der dieses Kriterium anhand von Erfahrungswerten, wie sie im Strassenbau hinreichend bekannt sind, auswählt. - Letzteres gilt auch für das Kornband des Bergematerials. Ein mineralischer feinkörniger Füllstoff (Patentanspruch 3) kann im Grunde beliebiger Herkunft sein, wobei seine Körnung dergestalt aufgebaut sein muss, dass dieser Füllstoff die Partikellücken des Bergematerials ausfüllt. Hierfür kommen etwa Körnungsbereiche zwischen 0 und etwa 1,5 mm in Frage. Als besonders vorteilhaft für die Erzielung der homogener unteren Tragschichten hat sich die Verwendung von Bergematerial selbst als Füllstoff erwiesen; hierbei ist es aufgrund des Kornspektrumsvorteilhaft, diesen Füllstoff aus Bergematerial aus dem sogenannten Abrieb zu entnehmen, der bei der Trocknung des Bergematerials (gemäss Patentanspruch 3) zwangsläufig anfällt und abgeschieden wird.
• Es hat sich gezeigt, dass der erfindungsgemässe Baustoff bevorzugt in zwei verschiedenen Modifikationen eingesetzt werden kann:
• Bei mehrlagigen unteren Tragschichten kann die Gesamtstärke der unteren Tragschichten bei ansonsten gleichguter Frostunempfindlichkeit und Festigkeit dadurch vermindert werden, dass (gemäss Patentanspruch 2) als Bergematerial unbehandelte, also unklassierte und feuchte Waschberge und als bituminöses Bindemittel 1 -5 Gew.- % eines kalt zu verarbeitenden bituminösen Bindemittels verwendet werden. Solche kalt zu verarbeitenden bituminöse Bindemittel sind allgemein bekannt, werden bisher aber nur in Verbindung mit besonders ausgesuchten Mineralstoffen für den Strassenbau verwendet. Diese sogenannten Kaltbitumen bestehen aus den bekannten Bitumina, die mit einem sogenannten Fluxöl bis zu Temperaturen von etwa 5° C noch ausreichend flüssig sind, um mit einem Füllstoff vermischt und verarbeitet zu werden. Die Fluxöle entweichen aus dem Kaltbitumen unter dem Druck beim Verdichten der unteren Tragschicht; erst dann kann das Bitumen seine bekannte Bindewirkung erbringen; zu solchen Kaltbitumina werden Bitumenemulsionen, mit Lösungsmittel gelöste Bitumina sowie entsprechend weich eingestellte Teerprodukte verstanden. Diese Verarbeitung kann - auch mit den erfindungsgemässen Waschbergen - im sogenannten «mixedand plain-Verfahren» verarbeitet werden, bei dem zunächst die unterste Tragschicht in der gewünschten Stärke ausschliesslich aus Waschbergen auf den Untergrund aufgetragen und anschliessend mit der entsprechenden Menge von vorzugsweise 1,5-3% des Kaltbitumens besprüht werden. Anschliessend wird diese Schicht mit einer Fräse durchmischt und nachfolgend mit einer statischen Walze oder einem Vibrationsverdichter verdichtet. Natürlich kann dieser Baustoff auch nach dem «mixed- and place-Verfahren» verarbeitet, d.h. erst gemischt und dann als Tragschicht aufgetragen und verdichtet werden. - Überraschenderweise ist ein solcher Baustoff sehr frostunempfindlich und es werden nur in Ausnnahmefällen an sich bekannte Benetzungsmittel (Beispiele ...) benötigt, um eine gründliche Benetzung der Waschberge mit dem Kaltbitumen zu gewährleisten. Dies ist insofern überraschend, als die von Hause aus sehr frostempfindtichen Waschberge mit ihrem hohen Anteil an innerer Oberfläche, Tonschiefer-Spaltflächen und sogenanntem bindigen Feinkorn eine gute Umhüllung mit Kaltbitumen gestatten und dabei die frostempfindlichkeit behoben wird.
• Die andere Modifikation (gemäss Patentanspruch 3) besteht darin, dass sowohl ein- als auch mehrlagige untere Tragschichten, insbesondere aber die oberen Lagen von mehrlagigen unteren Tragschichten aus Mischungen gemäss den Merkmalen a) bis c) hergestellt werden. Das dabei verwendete bituminöse Bindemittel kann nur warm verarbeitet werden. Dieser Baustoff erfordert zwar einen höheren Energieeinsatz aufgrund der Trocknung des Bergematerials und der an schliessenden Warmverarbeitung, hat aber den Vorteil, auch für die oberen Lagen einer mehrlagigen unteren Tragschicht eingesetzt werden zu können. Natürlich können alle unteren Tragschichten aus diesem Baustoff bestehen, doch liegt ein besonderer Vorteil darin, wenn auf eine unterste untere Tragschicht (gemäss Patentanspruch 2) weitere untere Tragschichten aus einem Baustoff (gemäss Patentanspruch 3) aufgebracht werden, weil dann die Gesamtstärke der unteren Tragschicht bei gleichen Qualitätseigenschaften verringert werden kann.
• Die Aufgabe wird im Hinblick auf ein Verfahren gemäss den kennzeichnenden Merkmalen von Patentanspruch 5 gelöst. Hierbei empfiehlt es sich, nach dem Klassieren des Bergematerials und vor dem Trocknungsvorgang ggf. noch vorhandenes Überkorn und/odersogenanntesfischiges Material abzusieben, um die Homogenität des Baustoffes zu erhöhen; da solches Überkorn in der Regel nur in einem äusserst geringen Umfang auftritt, kann der durch die Absiebung entstehende Gewichtsverl ustvernachtlässigt werden. Bevorzugt wird die Trocknung bei 140 bis 220° im Drehrohrhochofen unter gleichzeitiger Ausscheidung des Abriebes, welcher in einem besonderen Silo für die Weiterverwendung als Füllstoff zwischengelagert wird. Besonders vorteilhaft ist es, dass gesamte getrocknete Bergematerial, also einschliesslich des Abriebes, zu verwenden und dieser Trockensubstanz 2,5 bis 5 Gew.-% ihres Gesamtgewichtes an Bitumen zuzuführen. Dabei bestehen 2,5 bis 5 Gew.-% der Trockensubstanz aus dem feinkörnigen Füllstoff.
• Während des Mischens sind Temperaturen einzuhalten, bei denen das bituminöse Bindemittel gut fliessfähig ist. Die Verarbeitung für untere Tragschichten im Strassenbau erfolgt bei Temperaturen zwischen etwa 100 und 140° C. So erhaltene untere Tragschichten genügen den Vorschriften des ZTVE-St B 76 (Zusätzliche technische Vorschriften und Richtlinien zu Erdarbeiten im Strassenbau, Ausgabe 1976).
Ausführungsbeispiele:
• Für eine schwer belastete Strasse zum Transport von Bergematerial auf Halden, die mit einer Stundenbelastung von etwa 1000 t Nutzlast plus Eigengewicht der Transportfahrzeuge belastet wird, war folgender Gesamtstrassenaufbau realisiert worden: Zunächst wurde das Gelände aus aufgeschüttetem Material abgewalzt und dann mit einer 20 cm starken Schicht aus dem erfindungsgemässen Baustoff versehen, auf die nach Abwalzen eine obere Tragschicht in konventioneller Bauweise aus bitumengebundenen Mineralien aufgebracht wurde. Für den Baustoff wurde als Ausgangsmaterial ein Bergematerial verwendet, das in einer Aufbereitungsanlage einer Schachtanlage des östlichen Ruhrgebietes in der Wäsche mit einer Körnung von 0 bis 120 mm anfiel. Dieses Ausgangsmaterial wurde auf ein Kornband zwischen 0 und 80 mm klassiert. Danach erfolgte eine weitere Absiebung des Überkorns. Anschliessend erfolgte eine Trocknung dieses Materials in einem mit Gas betriebenen Drehrohrofen in offener Flamme bei Temperaturen von etwa 1 80° C in der Trommel. Die Trocknungszeit dauerte etwa 5 min und es wurde dabei die ursprüngliche Feuchtigkeit des Ausgangsmaterials von etwa 5 Gew.-% bis auf einen unwesentlichen Rest an Feuchtigkeit von unter 0,5 Gew.-% verringert. Bei dieser Trocknung entstand ein staubförmiger Abrieb des Ausgangsmaterials in der Ofenluft, welcher zusammen mit der Ofenluftabgesaugt und anschliessend durch Filter von der Ofenluft getrennt und gesammelt wurde. Das so behandelte Ausgangsmaterial wurde danach in einem Zwangsmischer bei etwa 170° C mit etwa 2,6% (bezogen auf den Gesamtmaterialaustrag aus dem Trockner) eines ErdölBitumens B 80 nach den Vorschriften des Strassenbaus ZTVE-ST B 76. Ausserdem wurden 4,6 Gew.-% (bezogen auf den Gesamtaustrag aus dem Drehrohrofen) des Abriebes mit vermischt, der wie vorbeschrieben aus der Ofenluft ausgesondert worden war. Der so erhaltene Baustoff wurde unmittelbar zur Baustelle transportiert und bei etwa 120°C mittets eines Strassenfertigers auf den vorbereiteten Untergrund aufgetragen und anschliessend mit Gummirad Walze und statischer Walze verdichtet.
• . Die so hergestellte untere Tragschicht war demnach leicht und ohne grossen Maschinenaufwand zu verarbeiten und hielt, trotz ihres geringen spezifischen Gewichtes den vorerwähnten hohen Belastungen ohne Schädigungen stand, insbesondere traten keine Frostaufbrüche ein.

Claims (5)

1. Baustoff für die unteren Tragschichten im Strassenbau aus Bergematerial und Bindemitteln, gekennzeichnet durch eine Mischung aus Bergematerial mit 1 bis 6 Gew.-%- bezogen auf die Gesammtmischung - eines bituminösen Bindemittels.

2. Baustoff nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch unbehandelte Waschberge als Bergematerial und 1-5 Gew.-% eines kalt zu verarbeitenden bituminösen Bindemittels für die unterste Schicht einer mehrlagigen unteren Tragschicht.

3. Baustoff nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Mischung aus

a) etwa 88 bis 98 Gew.-% getrocknetem Bergematerial mit einem Kornband von 0 bis maximal 120 mm;

b) etwa 2 bis 6 Gew.-% eines bituminösen Bindemittels sowie

c) 2 bis 6 Gew.-% eines im wesentlichen mineralischen feinkörnigen Füllstoffes zur Raumausfüllung in den Partikellücken des Bergematerials.

4. Baustoff nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Füllstoff aus dem Abrieb bei der Trocknung des Bergematerials besteht.

5. Verfahren zur Herstellung eines Baustoffes nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Bergematerial

a) gemäss einem vorbestimten Kornband klassiert,

b) danach etwa bei 140 bis 220°C getrocknet und vom dabei entstehenden Abrieb befreit sowie

c) danach in einem Mischer zusammen mit 2 bis 6 Gew.-% des bituminösen Bindemittels und 2 bis 6 Gew.-% des Füllstoffes - bezogen auf die Gesamtmischung - homogen vermischt wird.