Kaltasphalt – Bessere Qualität durch Ultraschallbehandlung

Bei Emulsionen für Kaltasphalt ist es entscheidend, die Tropfengrößenverteilung, Viskosität und Stabilität zu kontrollieren und gleichzeitig den für die Verarbeitung erforderlichen Energieeintrag zu minimieren. Ultraschallgeräte von Hielscher zerkleinern Tropfen effizient, verkürzen die Verarbeitungszeit und ermöglichen es Ihnen, engere Spezifikationen mit weniger Tensid und bei niedrigeren Temperaturen einzuhalten.
Diese Seite erläutert den Mechanismus, den dreistufigen Weg zur Maßstabsvergrößerung und die robuste technische Auslegung, die einen zuverlässigen Betrieb der Ultraschallgeräte von Hielscher bei der Kaltasphaltherstellung gewährleistet.

Warum Ultraschallgeräte für Kaltasphalt-Emulsionen einsetzen?

Die wichtigsten wirtschaftlichen Stellschrauben sind eine Verkürzung der Verweilzeit, ein geringerer Emulgatorbedarf bei gleicher Zieltropfengröße, eine geringere Spannweite der Tropfengrößenverteilung und damit eine bessere Lagerstabilität sowie die Möglichkeit, bei einer niedrigeren Prozesstemperatur zu arbeiten. Im Vergleich zu Rotor-Stator- oder Kolloidmühlen überträgt Ultraschall Energie durch Kavitationsmikrojets statt durch Scherung zwischen Werkzeug und Stator. Dadurch werden Tropfen bei einem gegebenen spezifischen Energieeintrag schneller zerkleinert.

Gemessene Viskositätsabnahmen von etwa 20 bis 30 Prozent bei unveränderter Rezeptur nach der Ultraschallbehandlung, verbunden mit einer Verschiebung hin zu kleineren, stärker monodispersen Emulsionstropfen.
Tensideinsparungen von 10 bis 30 Prozent bei einem vorgegebenen Zielwert für d90 und einem vorgegebenen Stabilitätsfenster, da das Kavitationsfeld feine Tropfen erzeugen kann.
Kürzere Verarbeitungszeiten und ein geringerer Platzbedarf der Anlagen, da durch Inline-Ultraschallbehandlung die spezifizierte Viskosität und Tropfengröße erreicht werden können.
Niedrigere Mischtemperaturen, die den Energieverbrauch und die Exposition der Beschäftigten gegenüber Dämpfen verringern und zugleich mit den Initiativen der EU und der USA zur Dekarbonisierung von Straßenbaumaterialien im Einklang stehen.

Mechanismus: Kavitationsbedingte Tropfenzerkleinerung und Dispergierung

Anders als rein mechanische Scherung erzeugt akustische Kavitation lokale Druckschwankungen von mehreren hundert bar und Mikrojets mit Geschwindigkeiten in der Größenordnung von einigen zehn bis mehreren hundert Metern pro Sekunde. In Emulsionen für Kaltasphalt führt dies zu zwei synergetischen Effekten. Erstens werden die Tropfen rasch zerkleinert und ihre Größenverteilung wird enger, wodurch die Viskosität bei konstantem Feststoffgehalt sinkt. Zweitens beschleunigt eine intensive Mikrovermischung auf molekularer Ebene die Adsorption von Emulgatoren an der neu entstandenen Grenzfläche. Dadurch wird die Emulsion stabilisiert, ohne dass der Emulgator überdosiert werden muss. Insgesamt entsteht eine Rezeptur, die sich leichter pumpen und einbauen lässt und eine verbesserte Langzeitstabilität aufweist.

Lineare Maßstabsvergrößerung: Konstante spezifische Energie, konstante Amplitude, konstanter Druck

Die praktische Regel zur Maßstabsvergrößerung von Ultraschallprozessen ist einfach. Wenn Sie den spezifischen Energieeintrag (kWh pro Tonne), die akustische Amplitude an der Stirnfläche der Sonotrode und den Reaktordruck konstant halten, bleibt die Emulsionsqualität über alle Maßstäbe hinweg unverändert. Dies ist keine Heuristik. Es beschreibt, wie Kavitationsintensität und Blasendynamik mit dem akustischen Feld zusammenhängen, und erklärt, warum industrielle Ultraschallprozesse deterministisch ausgelegt werden können. Anders ausgedrückt: Das Verfahren, das Sie an einem Ultraschallgerät UP400St bei 40 Prozent Amplitude und 0,6 kWh/t anwenden, lässt sich auf einem 4xUIP6000hdT-System reproduzieren, indem dieselbe Energie pro Masse bei derselben Amplitude über eine Durchflusszelle eingetragen wird, die bei demselben Druck betrieben wird.

Der dreistufige Weg von der Idee zur Produktion

1) Laborversuche mit UP400St Beginnen Sie mit dem Screening von Rezepturen und Mischungsverhältnissen an einem kompakten Ultraschallgerät UP400St (400 W). Arbeiten Sie im Chargenbetrieb oder im Umlaufbetrieb mit einer kleinen Durchflusszelle, um Amplitude, Temperatur und spezifische Energie zu erfassen. Innerhalb eines Tages grenzen Sie in der Regel das Fenster der spezifischen Energie ein, in dem die gewünschte Tropfengrößenverteilung und Viskosität ohne Phaseninversion oder übermäßige Erwärmung erreicht werden.

2) Prozessoptimierung mit UIP2000hdT
Wechseln Sie zu einem UIP2000hdT (2 kW), um die kontinuierliche Verarbeitung zu validieren, Druckeffekte zu messen und das Verhältnis zwischen Durchsatz und Qualität zu optimieren. In diesem Schritt legen Sie relative Einschaltdauer, Inline-Temperaturregelung und Druck fest (typischerweise 2 bis 5 bar zur Intensivierung der Kavitation). Hier weisen Sie die Tensideinsparung, den Zielwert für d90 oder die Spannweite der Tropfengrößenverteilung sowie die erreichbare Verweilzeit bei realistischen Durchflussraten nach und erfassen gleichzeitig die Energie für eine Betriebskostenbilanz (OPEX).

3) Maßstabsvergrößerung zur Produktion mit 4xUIP6000hdT
Ultraschallanlagen im Produktionsmaßstab nutzen häufig parallel geschaltete Geräte, um mehrere Tonnen pro Stunde zu verarbeiten. Beispielsweise verarbeiten vier parallel betriebene UIP6000hdT (jeweils 6 kW) bei einer spezifischen Energie von 0,5 kWh/t etwa 10 bis 12 t/hr. Da die Geräte amplitudengeregelt und mit Durchflusszellenreaktoren sowie Boosterhörnern ausgestattet sind, ist das akustische Feld reproduzierbar. Das bedeutet, dass Ihr d50, die Spannweite der Tropfengrößenverteilung und die Brookfield-Viskosität innerhalb der analytischen Streuung mit den Pilotdaten übereinstimmen.

Vergleich von Ultraschall mit Rotor-Stator- und Kolloidmühlen

Rotor-Stator- und Kolloidmühlen sind robust und bewährt, erfordern jedoch einen Kompromiss zwischen Energieintensität, Verweilzeit und großem Platzbedarf. Außerdem ist die Tropfengröße bei ihnen an sehr enge Prozessfenster gebunden, und sie können erhöhte Temperaturen erfordern, um Viskositätsspitzen zu vermeiden. Ultraschall entkoppelt die Tropfenzerkleinerung von der Scherung zwischen beweglichen Teilen und nutzt stattdessen Kavitation. So erreichen Sie dieselben oder bessere Tropfengrößen in kürzerer Zeit bei vergleichbarer oder geringerer spezifischer Gesamtenergie. Auch die Wartung unterscheidet sich. Zwischen Stator und Rotor müssen keine engen Toleranzen eingehalten werden. In der Praxis berichten Betreiber von schnelleren Clean-in-Place-Zyklen und einem einfacheren Wechsel zwischen Rezepturen.

Robuste technische Auslegung für Asphaltanlagen

Die Kaltasphaltherstellung findet nicht unter Reinraumbedingungen statt. Ultraschallgeräte von Hielscher können vor Ort gewartet werden und sind für den 24/7-Betrieb bei hoher Amplitude ausgelegt. Für staubige und anspruchsvolle Umgebungen sind Sonderausführungen erhältlich. Durchflusszellenreaktoren sind druckfest, zur Temperaturregelung mit einem Mantel versehen und mit MultiPhaseCavitator-Einsätzen zur kontrollierten Einspeisung einer zweiten Phase erhältlich. Einzelheiten dazu, wie der MultiPhaseCavitator den Kontakt zwischen den Phasen verbessert und dadurch bessere Emulsionen ermöglicht, finden Sie auf der MultiPhaseCavitator-Seite.

Hielscher liefert mehr als nur Ultraschallgeräte

Bitte senden Sie uns Ihre aktuelle Emulsionsspezifikation und Ihren angestrebten Durchsatz. Gemeinsam mit Ihnen können wir ein Versuchsprogramm vom Labor- bis zum Pilotmaßstab planen und eine Ultraschallanlage für Ihre Produktion dimensionieren. Bitte füllen Sie das Kontaktformular aus, um die Ultraschallbehandlung Ihrer Emulsion für Kaltasphalt bewerten zu lassen. Wenn Sie möchten, senden Sie uns ein kleines Fass Ihrer Emulsion oder Ihrer Rezepturkomponenten. Wir erstellen dann direkte Vergleichsdaten zu Ihrem derzeitigen Rotor-Stator- oder Kolloidmühlenprozess.

Weiterführende Literatur / Literatur zu Kaltasphalt

Kaltasphalt – FAQ

Was ist Kaltasphalt?

Kaltasphalt ist ein Asphaltgemisch, das hergestellt wird, ohne die Gesteinskörnung oder das Bindemittel auf die Temperaturen der Heißasphaltherstellung zu erhitzen. Üblicherweise werden Bitumenemulsionen eingesetzt, um die Viskosität zu senken und so das Mischen, Pumpen und Einbauen bei annähernder Umgebungstemperatur zu ermöglichen. Sobald das Wasser verdunstet und die Emulsion bricht, nimmt die Viskosität des Bindemittels wieder zu und das Gemisch entwickelt Festigkeit. Kaltasphaltgemische werden häufig für die Instandhaltung, das Ausbessern von Schadstellen und zunehmend auch für Trag- und Binderschichten eingesetzt, wenn umweltbezogene oder logistische Rahmenbedingungen eine Verarbeitung bei niedrigen Temperaturen begünstigen.

Was ist der Unterschied zwischen Heißasphalt und Kaltasphalt?

Heißasphalt (HMA) wird bei 140 bis 180°C hergestellt, um eine niedrige Viskosität und eine vollständige Umhüllung der Gesteinskörnung sicherzustellen. Er erreicht eine hohe Frühfestigkeit und ist die Standardlösung für tragende Schichten. Kaltasphalt ersetzt die thermische Viskositätsverringerung durch Emulgierung und kann daher bei wesentlich niedrigeren Temperaturen hergestellt und eingebaut werden. Diese Asphaltklasse verringert den Energieverbrauch und die Emissionen, benötigt aber in der Regel längere Aushärtungszeiten, während die Emulsion bricht und das Wasser das System verlässt. Durch den Einsatz optimierter Emulsionen, Polymere und Aushärtungsverfahren lässt sich die mechanische Leistungsfähigkeit so auslegen, dass sie sich der von HMA annähert.

Welche Vorteile bietet Kaltasphalt?

Die wichtigsten Vorteile sind ein geringerer Energieverbrauch und geringere CO2-Emissionen, eine einfachere Logistik (hohe Temperaturen müssen während des Transports und Einbaus nicht aufrechterhalten werden) sowie eine verbesserte Sicherheit durch geringere Dampfentwicklung. Kaltasphaltgemische sind besonders attraktiv bei hohen Anteilen an Ausbauasphalt (RAP) sowie für abgelegene Baustellen oder kleinere Baumaßnahmen. Mit ultraschallbehandelten Emulsionen können Sie zusätzlich enge rheologische Vorgaben und Stabilitätsziele einhalten und gleichzeitig den Tensideinsatz und die Mischtemperatur niedrig halten.

Wie lange dauert es, bis Kaltasphalt aushärtet?

Das Erhärten beziehungsweise Aushärten hängt von der Wasserverdunstung, der Chemie der Emulsion, der Umgebungstemperatur, der Luftfeuchtigkeit und der Schichtdicke ab. In der Baupraxis wird bei Reparaturmischungen häufig eine Verkehrsfreigabe innerhalb weniger Stunden bis zu einem Tag angestrebt, während tragende Schichten mehrere Tage benötigen können, um den Bemessungsmodul zu erreichen. Ultraschall verändert den grundlegenden Aushärtungsmechanismus nicht. Durch engere Tropfengrößenverteilungen und eine optimierte Rheologie kann er jedoch ein besser vorhersehbares Brech- und Aushärtungsverhalten bewirken.

Welches Asphaltgemisch hat die höchste Festigkeit?

Im Hinblick auf die Tragfähigkeit erreicht Heißasphalt mit dichter Kornabstufung, Polymermodifizierung und geringem Luftporengehalt häufig die höchste Widerstandsfähigkeit. Bei Kaltasphaltgemischen hängt die Festigkeit vom Emulsionstyp, den Eigenschaften des verbleibenden Bindemittels, der Verdichtung und der Aushärtung ab. Polymermodifizierte Kaltasphaltgemische und gut ausgelegte kationische Emulsionen, bei denen die Bindemittelviskosität nach dem Brechen vollständig wiederhergestellt wird, können für bestimmte Schichten an einzelne Leistungskriterien von HMA heranreichen oder diese erfüllen, insbesondere wenn Ultraschall eine homogene Dispergierung der Modifikatoren gewährleistet.

Welche 4 Arten von Emulsionen gibt es?

In der Asphaltpraxis werden hauptsächlich Öl-in-Wasser-Emulsionen verwendet. In der Emulsionswissenschaft lassen sich jedoch Öl-in-Wasser-Emulsionen, Wasser-in-Öl-Emulsionen, multiple Emulsionen wie Wasser-in-Öl-in-Wasser-Emulsionen und Mikroemulsionen unterscheiden. Für Kaltasphalt werden wegen ihrer Pumpfähigkeit und Handhabung fast immer Öl-in-Wasser-Systeme eingesetzt. Ultraschallgeräte sind bei allen diesen Typen wirksam, doch das Rezepturfenster, das Tensidsystem und die Verarbeitungsenergie unterscheiden sich.