NO311140B1 - Prosess og system for produksjon av en lunken skumblandingsasfalt, samt anvendelse av denne - Google Patents

Description

Foreliggende oppfinnelse vedrører en prosess og et system for fremstilling av en lunken skumblandingsasfalt.

Asfaltmasser for veibygging eller belegging generelt består av blandinger av stein/grus, sand, filler og bindemidler. Bindemidlene vises til som bitumen i forbindelse med denne redegjørelsen, men andre bindemidler kan brukes på tilsvarende måte. Bitumen-komponentene kan være naturlig forekommende bitumen, eller av-ledet fra en mineralolje. Sanden, steinen/grusen og filleren vises til som aggregatmateriale eller aggregatkornmateriale.

Bitumene virker som lim for mineralaggregatkomponentene. Bitumen utgjør en liten andel av den totale asfaltmassen, typisk mellom 4 og 7 masse% (eller 10 og 15 volum%).

Asfaltmasser blir normalt delt i to hovedkategorier, nemlig "varm-masse"- eller "varmproduksjons"-asfalt og kaldmasser. En tredje mindre vanlig lunken asfaltmasse er også brukt, hvilket vil bli beskrevet i større detalj senere.

Varmmasse-asfalt har totalt sett bedre egenskaper enn kaldmasse-asfalt og er av denne grunn brukt på veier med mye trafikk. Ved produksjon av varmmasse-asfalt, oppvarmes aggregatmateriale før det varme bindemiddelet tilføres aggregatet for blanding.

Produksjon av varmmasse-asfalt finner typisk sted ved temperaturer på mellom 150°C-190°C og legging og komprimering på veien finner typisk sted ved temperaturer mellom 130°C-160°C. I enkelte tilfeller foreskrives det enda høyere temperaturer. Bitumenene og mineralaggregatene må varmes opp av flere grunner. Aggregatene må være tørre, bitumene må ha lav viskositet for å belegge og klebe tilstrekkelig med aggregatkomponentene og asfaltmassen må ha tilstrekkelig lav blandingsviskositetforå muliggjøre legging, spredning og komprimering på veien. Typen asfaltmasse og bitumengraden styrer i stor grad produksonstemperaturen. Vamblandingsasfalter oppnår sin sluttstyrke/stabilitet mer eller mindre med en gang. Følgelig kan en vei av en varmmasse-asfalt belastes med trafikk mer eller mindre øyeblikkelig.

Oppvarming av asfaltens bestanddeler blir vanligvis gjort med fossilt brenn-stoff, og dette kan danne miljømessige uheldige gasser og støv, bruke ikke-fornybare ressurser og øke den totale kostnaden av asfalten. I tillegg, utgjør håndtering av asfalt ved høye temperaturer en potensiell fare.

Kaldmasse-asfalt er billigere, lettere å påføre og mer miljøvennlig enn varmmasse-asfalt. I produksjon av kaldmasse-asfalt, er aggregatmaterialet kaldt og fuktig når det blandes med et varmt eller kaldt bindemiddel. For å lette blandingen av kaldmasse-asfalter, skummes bindemiddelet ofte før det blandes med kaldt og fuktig aggregatmateriale.

Forskjellige måter å produsere skummet bitumen er fremlagt i norsk patent-søknad NO 854387 og den internasjonale søknaden WO 95/22661. Uheldigvis, resulterer teknologiene som vedrører kaldmasse-asfalt i blandinger som har dårlig kvalitet sammenlignet med vanlige varmmasse-asfalter. Dette er på grunn av en rekke faktorer, eksempelvis dårligere betegning av aggregatene med bitumen, det at det finnes vann i asfaltmassen, og at asfaltmassen har dårligere sprednings- og komprimeringsevne. Dette gjør at disse asfaltmassene er svært gjennomtrengbare for vann og luft og dette gjør at et sluttveibelegg er utsatt for slitasje (fretting) som betyr at løse aggregater forsvinner fra veioverflaten forholdsvis lett. Koherering reduseres også og dette kan til slutt resultere i tap av innvendig stabilitet og kollaps av materialet. Dette er ofte synlig på veioverflaten og synes ved at veien er oppkjørt. Kaldmasse-asfalter trenger en viss herdetid for å bygge opp massens styrke. Herde-tiden kan typisk være fra dager til måneder. Dette i sin tur resulterer i en raskere deformasjon, oppsprekking og nedbrytning av overflaten. Av de ovenfor nevnte grunner, blir kaldmasse-asfalter typisk brukt på veier med lite trafikk eksempelvis i de nordiske land og i Australia.

For å overvinne noen av de ovenfor nevnte problemer, foreslår WO 97/20890 en "fremgangsmåte for å danne en asfaltmasse" der asfalt produseres ved en noe lavere temperatur enn i den tradisjonelle varmmasseprosessen. Bruk av lavere temperaturer gjøres mulig ved å bruke bitumen-bindemiddelet i separate deler, det vil si en hard og en myk komponent. Sammen danner den harde og de myke komponentene et bitumen som imøtekommer normale sluttspesifikasjoner. Den myke komponenten kan blandes med mineralaggregatene ved mye lavere temperaturer (60°C-130°C, fortrinnsvis 90°C-110°C). Den harde bitumenkomponenten blir så dispergert inn i denne blandingen i pulver i emulsjonsform. Eksempelvis har den "harde" bitumenkomponenten en penetrasjon på 50 dmm eller mindre. Temperaturen til denne komponenten kan eksempelvis være mellom 20°C og 70°C. Denne prosessen gir en asfaltmasse som kan legges, spres og komprimeres ved temperaturer mellom 70°C og 100°C. Laboratoriet og feltprøver har vist god ytelse for disse asfaltmassene. Slike asfalter, med redusert blandingstemperatur sammenlignet med varmblandinger, er i denne spesifikasjonen kalt "lunken blanding", eller "lunken masse".

Imidlertid har lunkne asfaltmasser som bruker emulsjoner vist seg å være dyre og kompliserte å bruke ved produksjon, blanding, legging og komprimering. Asfaltmasser laget av bitumenemulsjoner foreskriver en bitumen/aggregat-blanding med et relativt høyt innhold av hulrom for å tillate at vann slipper unna under brytning av emulsjonen, komprimering og bruk. En emulsjon brukt i denne prosessen inneholder typisk 30-50% vann. En bitumenemulsjon er svært dyr å bruke både i forbindelse med produksjonskostnader og utstyrskostnader for entreprenøren på grunn av behovet for et emulsjonsanlegg og ekstra lagringstanker ved asfaltmassefabrikken eller -anlegget. Transport av emulsjoner er mindre økonomisk på grunn av at man transporterer 30-50% vann. Transport av den økte massen bidrar også til en økning av miljøfiendtlige utslipp.

Produksjon av håndtering av bitumenemulsjoner foreskriver enkelte tilleggs-forholdsregler på grunn av at kjemikaliene som brukes under produksjon, frost-sensitivitet for sluttproduktet og behovet for separate tanker.

Følgelig finnes det et behov for en asfalt blanding som har kvaliteten til varmmasse-asfalt, men med miljøvennligheten, kostnadene og lettheten for håndtering som ved kaldmasse-asfalt. Økende helse-, sikkerhets- og miljømessig bevissthet i samfunnet og innenfor industrien har resultert i at betydelig innsats som sikter mot å redusere ikke-fornybare fossile drivstoff, konservering av energi og etterfølgende reduserende utslipp. Innenfor asfaltindustrien, vil reduksjon av varme asfaltmasse-produksjonstemperaturer hjelpe til å komme nærmere dette målet.

Følgelig, fremskaffer den foreliggende oppfinnelsen en asfaltmasse som kan produseres ved lavere temperaturer enn varmblanding, med lavere energitilførsel, med tilsvarende eller bedre mekaniske egenskaper, og samtidig lavere kostnader. Dette oppnås med fremgangsmåten for å danne en lunken asfaltmasse omfattende blanding av et kornet aggregatmateriale med et mykt bindemiddel, og tilføring av et hardt skummet bindemiddel til blandingen av det kornede aggregatmaterialet og det myke bindemiddel som angitt i krav 1. Videre angir oppfinnelsen et system for fremstilling av den lunkne asfaltmassen som definert i krav 14, samt en anvendelse som angitt i krav 13.

Fig. 1 viser en skjematisk sammenligning av asfaltmasse-produksjonsmåter sammenligner "vanlige varmasfaltmasse-produksjon" med lunken "skumasfaltmasse-produksjon" i henhold til oppfinnelsen; og fig. 2 viser et eksempel på en fremgangsmåte for å skumme et hardt bindemiddel.

Etter blanding av de forskjellige bestanddelene, vil det harde bindemiddelet og det myke bindemiddelet gå sammen og danne en bindemiddel-komponent med de ønskede egenskapene. Skumming av det harde bindemiddelet reduserer viskosi-teten og gjør skikkelig belegning og fastklebing av bindemiddelet til aggregatkomponentene mulig ved en lavere temperatur.

Bruk av et skummet hardt bindemiddel har betydelige økonomiske og miljø-messige fordeler i forhold til bruk av bitumenpulver eller emulsifisert bitumen, uten at det reduserer kvaliteten av den resulterende asfaltmassen og belegget. Vann-innholdet er kun omtrent 2-5% sammenlignet med de tidligere nevnte 30-50% ved en emulsjon. Dette har betydelig virkning i forbindelse med lagring, kvalitet, vamebehov og transport. Sammenlignet med emulsifiserte bindemidler, gir det lave vann-innholdet på skummede bitumen øyeblikkelig herding med begrenset oppvarming.

Sammenlignet med de kaldblandede skummede asfaltene, gir asfalt laget med fremgangsmåten i henhold til oppfinnelsen tette asfaltmasser med et mye lavere innhold av hulrom, enn kaldmasse-asfalter produsert med skummede bindemiddel-komponenter. Bindemidlene som brukes ved kalde skummende bindemidler har en myk penetrering, mellom 180 dmm og 700 dmm.

I tillegg, har den "harde" bitumenkomponenten, som brukes i en emulsjonsform, typisk en penetrasjon på 50 dmm eller mindre, sammenlignet med en maksi-mum penetrasjonsverdi for det skummende harde bitumenet i henhold til oppfinnelsen på mindre enn 100 dmm avhengig av det faktiske bruksområdet.

For å sammenligne asfaltmassen i henhold til den foreliggende oppfinnelsen med en kaldmasse-asfalt der det blir brukt et skummet bindemiddel, skal det legges vekt på at blandingen i henhold til oppfinnelsen kan påføres veibane der det er mye trafikk, mens kaldmasse skumasfalt kun kan brukes på veier med lite trafikk. Dette er på grunn av at bitumenet som brukes ved tradisjonelle kalde skummende blandinger er bitumen med høye penetrasjonsverdier mellom 180 og 700 dmm. Slutthardheten på bitumenet som brukes i fremgangsmåten i henhold til oppfinnelsen kan være hardere, med en typisk penetrasjon fra 60 til 250 dmm. Prepareringen av en kaldmasse-asfalt finner vanligvis sted på stedet, det vil si på veien, ved omgivende

(kalde) temperaturer mens asfalter som lages i henhold til oppfinnelsen kan lages i asfaltanlegget og/eller på veien og gjøres ved typisk 60-100°C. Dette påvirker øyeblikkelig bruksområdene og påføringsevnen av disse asfaltmassene.

I den foreliggende oppfinnelsen, kan både en emulsifisert og en ikke-emulsifisert myk bindemiddel-komponent brukes, men det foretrekkes å bruke et ikke-emulsifisert bindemiddel. Hvis det brukes et emulsifisert mykt bindemiddel, inneholder det emulsifiserte myke bindemiddelet en stor del vann. Dette vannet må ut-drives fra blandingen før full kohesjon og styrke av blandingen oppnås. Emulsjonen kan enten være en kationisk eller en anionisk emulsjon.

Den harde bindemiddel-komponenten tilføres blandingen som et skum. Det myke bindemiddelet kan også tilsettes som et skum hvis man finner at dette har fordeler i en spesiell situasjon.

Den myke bindemiddel-komponenten kan også tilføres aggregatet ved relativ lav temperatur, det vil si en temperatur på mindre enn 120°C.

Det myke bindemiddelet vil normalt tilføres aggregatet ved en temperatur på minst 70°C, fortrinnsvis ved en temperatur i området fra 60 til 130°C og mer foretrukket i området fra 90 til 110°C.

I dette bruksområdet, defineres et mykt bindemiddel som et bindemiddel med en penetrasjon på minst 200 dmm.

Fortrinnsvis har det myke bindemiddelet en penetrasjon på minst 500 dmm, mer foretrukket på minst 700 dmm og mest foretrukket på minst 800 dmm (målt ved ASTM D 5 ved 25°C). Slike bindemiddel-komponenter karakteriseres ofte ved sin viskositet (bestemt av ASTM D 2171 ved 100°C). Den myke bindemiddel-komponenten har en viskositet på mindre enn 0,300 Pa.s., fortrinnsvis mindre enn 0,200 Pa.s.

Asfalter fremstilt i henhold til den foreliggende oppfinnelsen er hovedsakelig ment for bruk i forbindelse med veier, men andre bruksområder bør også betraktes å være innenfor omfanget av oppfinnelsen.

Den tette asfalten som lages i fremgangsmåten i henhold til oppfinnelsen har fortrinnsvis et hulromsinnhold på mindre enn omtrent 10% og mer foretrukket et hulromsinnhold i området mellom 3 og 10%.

Asfalten laget i fremgangsmåten i henhold til den foreliggende oppfinnelsen kan også være åpengradert asfalt med et hulrominnhold omtrent mellom 15% og 25%.

En utførelsesform av oppfinnelsen vil nå bli beskrevet ved hjelp av det følg-ende eksempelet.

En skjematisk sammenligning av fremgangsmåter er gitt på fig. 1, og en fremgangsmåte for å skumme bindemiddelet, på fig. 2. En sammenligning av kvalitet og kostnader er gitt i tabellene II og I.

Et asfaltproduksjonsanlegg for å produsere asfaltmasser (fig. 1) bruker fremgangsmåten i henhold til oppfinnelsen og omfatter en tørketrommel, et blandeverk, en lagringssilo for blandingen og et produksjonsanlegg for bitumenskum. Stein/sand innføres i tørketrommelen og varmes til omtrent 130°C. Den varme steinen/sanden føres så til blandeverket der den blandes med et mykt bitumen ved omtrent 120°C. Når bitumenet er skikkelig blandet med steinen/sanden, tilsettes det harde bitumenet til blandingen, og blanding fortsetter inntil filler ved 20°C til slutt tilsettes blandingen. Produktet omfatter omtrent 90 masse% stein/sand, 2,5% mykt bitumen, 2,5% hard bitumen og 5% filler.

Skummet lages (fig. 2) ved å føre en styrt strøm av varm bitumen inn i et rør-system via en første ventil (A). Den første ventilen (A) tillater sirkulasjon til lagring, og dette sikrer en stabil temperatur foreskrevet i systemet. Rørsystemets temperatur styres og opprettholdes ved å omgi rørsystemet med varm olje eller varmekabler og isolasjon. Temperaturen som blir valgt avhenger av kvaliteten, hardheten og den foreskrevne volumøkningen av bitumenet. Temperaturen er typisk i området fra 130°C til 180°C.

Styrt strøm av kaldt eller varmt vann (5°C-80°C) føres gjennom en andre ventil

(B) og tilføres bitumen i en mengde i størrelsesorden 2-7%. Ved å sprøyte vann inn i strømmen av bitumen, ekspanderer bitumenet. Bitumenet homogeniseres i en statisk

blander i et blandingskammer. Ekspandert bitumen, eksempelvis med en 10 til 20

gangers volumøkning, føres ut av blandingskammeret gjennom et utløp og tilføres aggregatblandingen via en eller flere dyser.

Ved å sammenligne denne prosessen med en vanlig varmmasseprosess som produserer asfalt av den samme kvaliteten, fant man at C02-utslippene ble 60-70% lavere, støvutslippene ble 30-40% lavere og drivstofforbruk 40-60% lavere.

Tabellene I og II under, viser henholdsvis en relativ kvalitetssammenligning med varmblanding og relative kostnader. "=" indikerer gjennomsnittlig eller lik,"+" indikerer over gjennomsnitt, og "-" indikerer dårligere eller under gjennomsnitt på tabell I."?" indikerer usikkerhet, ukjent eller ikke målt.

Claims (15)

1. Fremgangsmåte for fremstilling av en lunken masse asfaltsammensetning omfattende blanding av et kornet aggregatmateriale med et mykt bitumen bindemiddel, karakterisert ved at det tilsettes et skummet hardt bitumen bindemiddel som inneholder 2-7 vekt% vann og som har en penetrasjon på mindre enn 100 dmm, målt i henhold til ASTM D 5 ved 25°C, til blandingen av det kornede aggregatmaterialet og det myke bindemiddelet.

2. Fremgangsmåte i henhold til krav 1, karakterisert ved bruk av en myk bindemiddel-komponent med viskositet på mindre enn 0,3 Pa.s. ved 100°C (målt i henhold til ASTM D 2171 ved 100°C).

3. Fremgangsmåte i henhold til krav 1, karakterisert ved oppvarming av aggregatet til 60°C-120°C før det blandes med det myke og det harde bindemiddelet.

4. Fremgangsmåte i henhold til krav 1 der det skummede harde bindemiddelet er fremstilt i en separat skummingsprosess, karakterisert ved trinnene: - oppvarming av uskummet hardt bindemiddel til en temperatur mellom 130°C og 180°C; - anbringelse av vann ved en temperatur mellom 5°C-80°C; og - innsprøytning av 2-7 vekt% vann i det oppvarmede uskummede harde bindemiddelet for å ekspandere det oppvarmede uskummede harde bindemiddelet til et skum.

5. Fremgangsmåte i henhold til krav 1, karakterisert ved bruk av et skum med et vanninnhold på 5% eller mindre.

6. Fremgangsmåte i henhold til krav 1, karakterisert ved at den myke bindemiddel-komponenten tilføres aggregatet ved en temperatur på mindre enn 120°C.

7. Fremgangsmåte i henhold til krav 1, karakterisert ved at temperaturen til den lunkne blandingen er i området fra 80°C til 115°C etter sammenblanding.

8. Fremgangsmåte i henhold til krav 1, karakterisert ved bruk av en hard asfaltsammensetning som den lunkne masse asfaltsammensetningen.

9. Fremgangsmåte i henhold til krav 8, karakterisert ved bruk av en hard asfaltsammensetning med et hulromsinnhold på mellom 2% og 10% som den lunkne masse asfaltsammensetningen.

10. Fremgangsmåte i henhold til krav 1, karakterisert ved bruk av en åpen gradert asfaltsammensetning som den lunkne masse asfaltsammensetningen.

11. Fremgangsmåte i henhold til krav 10, karakterisert ved bruk av en åpen gradert asfaltsammensetning med et hulromsinnhold på mellom 14% og 25% som lunken masse asfaltsammensetningen.

12. Fremgangsmåte i henhold til krav 1, karakterisert ved at det myke bindemiddelet og aggregatmaterialet er forhåndsblandet i et anlegg for lunkne prosessblandinger til et halvfabrikat produkt for overføring til et asfaltleggingssted hvorved et skummet bindemiddel tilføres halv-fabrikatproduktet i en produksjonsleggemaskin ved asfaltleggestedet.

13. Anvendelse av asfaltsammensetningen fremstilt ved fremgangsmåten i henhold til et av de foregående krav for beleggingsformål.

14. System for fremstilling av den lunkne masse asfaltsammensetningen i henhold til krav 1 omfattende en tørketrommel for oppvarming av tørking av aggregatkomponenten, et blandeverk for blanding av asfalt komponentene og en lagringssilo for blandingen, karakterisert ved at systemet ytterligere omfatter et skummeproduksjons-anlegg for å skumme det harde bindemiddelet før det introduseres i blandeverket.

15. System i henhold til krav 14, karakterisert ved at skumproduksjonsanleggene omfatter varmemidler for oppvarming av den harde bindemiddel-komponenten og vann- eller damp-introduseringselementer for etterfølgende introduksjon av vann til det harde bindemiddelet for å danne et skum.