Ultraschallmischen von Asphaltverjüngungsmitteln
Asphaltsanierungs- und Asphaltverjüngungsmittel ermöglichen die Wiederverwendung bestehender Asphaltbeläge, indem dem Baustoff Verjüngungsmittel zugeführt werden. Ultraschalldispergierer bieten eine leistungsfähige Technik, um Nanopartikel und Nanotröpfchen in Asphalt- und Bitumenemulsionen einzumischen. Leistungsultraschall wird zur Herstellung leistungsfähiger Additive für langfristig haltbare Fahrbahnbeläge eingesetzt.
Asphaltsanierung
Verwitterter, ausgetrockneter, gealterter und rissiger Asphalt hat seine ursprünglichen Teeröle verloren und ist durch Oxidation geschädigt, sodass an der Oberfläche Risse, Schlaglöcher und Spurrinnen entstehen. Angesichts der enormen Asphaltmengen, die im Bauwesen eingesetzt werden, ist die Sanierung und Verjüngung von Fahrbahnbelägen und anderen Asphaltbauwerken ein wichtiger Bereich, der dazu beiträgt, Ressourcen und Kosten einzusparen.
Bestehende Asphaltbauwerke, die durch Witterung, Alterung und Verkehrsbelastung geschädigt wurden, können durch die Anwendung von Fog Seals, Slurry Seals, Chip Seals, Scrub Seals, Cape Seals und anderen Asphaltverjüngungsmitteln saniert und verjüngt werden. Diese Versiegelungsformulierungen bestehen aus einer Mischung aus Wasser, Asphaltemulsion, Gesteinskörnung (kleinen Kies- oder Splittkörnern, auch als „Chips“ bezeichnet), Polymeren und Nanoadditiven.
Modifizierte Asphaltbeläge, die bestimmte verstärkende Nanopartikel enthalten, weisen erwünschte thermische, elektrische und mechanische Eigenschaften auf und bieten dadurch verbesserte Funktionen. Um die Kosten für Asphaltbindemittel und Straßenunterhaltung zu senken und deren Umweltverträglichkeit zu erhöhen, sind alternative Technologien wie mittels Ultraschall gemischte und funktionalisierte Additive sowie neue, selbstreparierende Asphaltverbundformulierungen unerlässlich, um bestehende Fahrbahnbeläge künftig zu erhalten und zu erneuern.
Herstellung von Additiven für Asphaltemulsionen mittels Ultraschall
Eine Asphaltemulsion besteht aus drei Hauptkomponenten: Asphalt, Wasser und einem emulgierenden Tensid. Als stabile Dispersion von Asphaltbindemitteltröpfchen in Wasser lässt sich eine Asphaltemulsion pumpen, lagern und mit Gesteinskörnungen mischen. Eine Emulsion sollte beim Mischen oder nach dem Aufsprühen bei Kontakt mit Gesteinskörnung schnell „brechen“. Das Brechen bezeichnet die Trennung des Wassers vom Asphalt. Wenn das Wasser verdunstet ist, hat die Emulsion „abgebunden“. Nach dem Brechen, Aushärten und Abbinden besitzt der verbleibende Asphalt die Haftung, Haltbarkeit und Wasserbeständigkeit des ursprünglichen Ausgangsasphalts.
Die Ultraschallemulgierung ermöglicht die Formulierung hochwertiger Asphaltemulsionen.
Die Ultraschallemulgiertechnik ist mit zahlreichen Emulgator- und Tensidformulierungen kompatibel. Die Wahl des Emulgators beeinflusst das Abbindeverhalten von Asphaltemulsionen, sodass sie langsam, mittelschnell oder schnell abbinden. Additive, Modifikatoren, Füllstoffe, Fasern, Kautschuke und andere Formulierungsbestandteile können in verschiedenen Phasen der Ultraschallbehandlung zugesetzt werden – abhängig von der Formulierung und den Mischanforderungen der jeweiligen Stoffe.
UIP4000hdT – Ultraschall-Inline-Mischer mit 4000 Watt
Emulsionsklasse
Die Emulsionsklasse einer Asphaltemulsion und eines Asphaltverjüngungsmittels ist ein wichtiger Faktor, der die Brechgeschwindigkeit bestimmt (schnelles, mittelschnelles oder langsames Abbinden). Die Art (ionisch / nichtionisch) und Konzentration der Emulgatoren sowie die spezifischen Merkmale der Formulierung, etwa das Verhältnis von Emulsion zu Feststoffen, die Porosität, die Partikelgröße und die Korngrößenverteilung, beeinflussen das Abbindeverhalten. Da sich die Parameter der Ultraschallemulgierung präzise steuern lassen, kann die Wirkung der Beschallung auf die Emulsion an die angestrebte Asphaltqualität angepasst werden. Ob Emulsionen im Mikrometer-, Submikrometer- oder Nanometerbereich angestrebt werden: Die Ultraschallverarbeitung bietet Ihnen die volle Kontrolle über die Prozessparameter.
Rheologie
Asphaltemulsionen weisen bei 60°C Viskositäten von etwa 50–1000 cP auf, die deutlich unter der Viskosität von Asphalt selbst liegen (10.000–400.000 cP; Kommas als Tausendertrennzeichen). Aufgrund ihrer geringeren Viskosität können Asphaltemulsionen mit Verfahren bei niedrigeren Temperaturen aufgebracht werden. Diese verringern Emissionen und Energieverbrauch, vermeiden die Oxidation des Asphalts und sind deutlich weniger gefährlich als Heißasphaltverfahren. Darüber hinaus ist die Anwendung von Asphaltemulsionen wirtschaftlicher und umweltfreundlicher als Kaltverfahren mit Cutback-Asphalt. Viskosität und Rheologie einer Asphaltemulsion lassen sich durch die Emulgatorkonzentration und den Energieeintrag während der Ultraschallemulgierung beeinflussen und einstellen.
Eindringvermögen
Das Eindringvermögen von Asphaltverjüngungsmitteln ist entscheidend, da ein leistungsfähiges Verjüngungsmittel in die Belagsstruktur eindringt und die Oberfläche versiegelt. Ein leistungsfähiges Asphaltverjüngungsmittel, das tief in das Asphaltbindemittel (Bitumen) eindringen kann, erhöht die Flexibilität und regeneriert den Belag von innen, sodass eine Selbstheilung des Fahrbahnbelags erreicht wird. Stellen Sie hochfunktionalisierte Asphaltemulsionen her, indem Sie mit Leistungsultraschall Tröpfchen im Submikrometer- und Nanometerbereich erzeugen!
Additive
Polymere, Gummi, Füllstoffe, Öle und Verjüngungsmittel werden Asphaltemulsionen zugesetzt, um die wesentlichen Eigenschaften des ursprünglichen Asphalts zu verbessern. Dazu gehören die Einstufung des Gebrauchsverhaltens bei hohen und niedrigen Temperaturen (Performance Grading, PG), die Viskosität, das Rissverhalten bei niedrigen Temperaturen, die Duktilität und Spannungsrelaxation, der Erweichungspunkt und die Penetration, die Affinität zu Polymeren und die Stabilität in Verbindung mit ihnen sowie die Verjüngung gealterten Asphalts in RAP/RAS-Mischungen (Ausbauasphalt (RAP) und recycelte Asphaltdachschindeln (RAS)). Ultraschalldispergierer mischen Feststoffe und Tröpfchen als monodisperse Partikel in die Asphaltemulsion ein. Die Ultraschallmischtechnik erzeugt leistungsfähige Asphaltmischungen!
Masterbatch
Ultraschallemulgierung und -dispergierung eignen sich ideal zur Herstellung von Masterbatches aus hochkonzentrierten Asphaltemulsionen. Mittels Ultraschall hergestellte Emulsionen mit hohem Asphaltgehalt (bis zu 90%) werden später auf eine Konzentration von 70% oder 60% verdünnt, um das für die Endanwendung gewünschte Verhältnis von Wasser- zu Ölphase zu erreichen.
UIP16000 – 16kW Ultraschallleistung pro Ultraschallmischeinheit
Vorteile ultraschallemulgierter Asphaltemulsionen
Die Ultraschallmischtechnik ermöglicht die Entwicklung und Herstellung von Formulierungen zur Asphaltverjüngung, die einfach zu handhaben, kostengünstig und umweltfreundlich sind. Leistungsstarke Ultraschallkavitation erzeugt Dispersionen und Emulsionen im Submikrometer- und Nanometerbereich, die ein hervorragendes Eindringvermögen, eine hohe Leistungsfähigkeit und eine langfristige Haltbarkeit aufweisen.
Mischen Sie Ihre Straßenbauemulsionen und Dispersionen für Asphaltmischungen mit Hochleistungsultraschall!
Hochleistungs-Ultraschalldispergierer für Asphaltemulsionen
Hielscher Ultrasonics fertigt und liefert Hochleistungs-Ultraschallmischer für Asphalt- und Bitumenemulsionen. Industrielle Ultraschalldispergierer zur Inline-Emulgierung ermöglichen die Verarbeitung einer breiten Palette von Asphalt- und Bitumenemulsionen. Die Ultraschallbehandlung ermöglicht die einfache Erprobung neuer Formulierungen, die gleichmäßig emulgiert werden, um eine hervorragende Emulsionsstabilität und Leistungsfähigkeit zu erzielen. Verschiedene Ultraschallreaktorgeometrien und Einsätze wie der MultiPhaseCavitator ermöglichen die einfache Anpassung des Ultraschallprozessors an Ihre spezifische Asphalt- oder Bitumenformulierung.
Eine grobe Vormischung aus Flüssigkeit und Feststoffen wird dem Ultraschalldispergierer zugeführt. Dort werden die beiden Phasen (Wasser + Asphalt oder Bitumen + optionale Additive) nass vermahlen und gleichmäßig zu einer hochstabilen kolloidalen Suspension zerkleinert. Durch Ultraschallmahlen und -dispergieren lassen sich große Volumina in einem schnellen Prozess verarbeiten.
Die folgende Tabelle gibt Ihnen einen Überblick über die ungefähre Verarbeitungskapazität unserer Ultraschallgeräte:
| Chargenvolumen | Volumenstrom | Empfohlene Geräte |
|---|---|---|
| 10 bis 2000mL | 20 bis 400mL/min | UP200Ht, UP400St |
| 0,1 bis 20L | 0,2 bis 4L/min | UIP2000hdT |
| 10 bis 100L | 2 bis 10L/min | UIP4000hdT |
| n.a. | 10 bis 100L/min | UIP16000 |
| n.a. | höher | Verbund aus UIP16000 |
Kontaktieren Sie uns! / Fragen Sie uns!
Hochleistungs-Ultraschallprozessoren vom Labor- über den Pilot- bis zum Industriemaßstab.
Literatur/Quellen
- Ezio Santagata, Orazio Baglieri, Lucia Tsantilis, Giuseppe Chiappinelli, Ilaria Brignone Aimonetto (2015):
Effect of sonication on high temperature properties of bituminous binders reinforced with nano-additives. Construction and Building Materials,Volume 75, 2015. 395–403. - Zhambolova, A.; Vocaturo, A.L.; Tileuberdi, Y.; Ongarbayev, Y.; Caputo, P.; Aiello, I.; Oliviero Rossi, C.; Godbert, N. (2020): Functionalization and Modification of Bitumen by Silica Nanoparticles. Applied Sciences 2020, 10, 6065.
- K. Daoust, A. Begriche, J.P. Claverie, A. Tagnit-Hamou (2023): Self-dispersing silica fume nanoparticles: A valuable admixture for ultra high-performance concrete. Construction and Building Materials,
Volume 383, 2023. - Wang, H.; Yang, J.; Gong, M. (2016): Rheologische Charakterisierung von Asphaltbindemitteln und Asphaltmischungen, die mit Kohlenstoffnanoröhren modifiziert wurden. RILEM Conference Papers 2016.
- Ronald, M.; Pumarejo Luis, F. (2016): Formulierung von Asphaltemulsionen: Stand der Technik und Abhängigkeit der Formulierung von den Emulsionseigenschaften. Construction and Building Materials 123, 2016. 162–173.
Wissenswertes
Was ist eine Asphaltemulsion?
Eine Asphaltemulsion ist eine Mischung aus Wasser und Asphalt. Da Asphalt ein öliger, hydrophober Stoff ist, lässt er sich nicht mit Wasser mischen. Durch Zugabe einer oberflächenaktiven Substanz (auch als Emulgator, Tensid, Emulgiermittel oder Stabilisator bezeichnet) zum Wasser vor oder während der Asphaltzugabe werden Asphalt und Wasser mischbar. Die Zugabe eines Tensids erleichtert die Dispergierung der Asphaltpartikel in der wässrigen Phase (Wasser) und hält sie in der Suspension dispergiert. Um den Asphalt als kleine Partikel in die Suspension einzumischen, werden mechanische Schermischgeräte (z. B. Ultraschallgeräte, Hochschermischer, Kolloidmühlen usw.) eingesetzt. Eine hochwertige Asphaltemulsion verleiht dem Fahrbahnbelag Spurrinnenbeständigkeit, Feuchtigkeitsempfindlichkeit, Rissbeständigkeit und Ermüdungsbeständigkeit.
Definition einer Emulsion
„Eine Emulsion ist ein heterogenes, thermodynamisch instabiles System aus mindestens zwei nicht miteinander mischbaren flüssigen Phasen, von denen eine in Form kleiner Tröpfchen (Kügelchen) in der anderen dispergiert ist. Ihr Durchmesser ist im Allgemeinen größer als 0,1µm. Ein solches System besitzt eine minimale Stabilität, die durch die Zugabe geeigneter Mittel wie Tenside oder fein verteilter Feststoffe verbessert werden kann.“ (Becher, P. Emulsion. Theory and Practice. 1961.)
Was ist Bitumen?
Bitumen ist ein bindender Baustoff, der im Bauwesen als Asphaltbindemittel eingesetzt wird und den Asphalt zusammenhält. Es hat einen Schmelzpunkt von 180ºC. Bitumenemulsionen sind dunkelbraune Flüssigkeiten, die entweder kationisch sein können, wobei die Emulsionströpfchen eine positive Ladung tragen, oder anionisch, wobei die Emulsionströpfchen negativ geladen sind.
Was sind Slurry Seals?
Slurry Seals sind Formulierungen aus Wasser, Asphaltemulsion, Gesteinskörnung und Additiven, die auf die Oberfläche eines bestehenden Asphaltbelags aufgebracht werden. Ein Slurry Seal ähnelt einem Fog Seal, enthält jedoch zusätzlich Gesteinskörnungen als Bestandteil der Mischung. Polymere sind gängige Additive, die die Eigenschaften der Asphaltemulsion verbessern. Diese Kombination aus Emulsion und Gesteinskörnungen wird als „Slurry“ bezeichnet und dient dazu, die darunterliegende Belagsstruktur zu schützen und eine neue Fahrbahnoberfläche zu schaffen.
Was sind Fog Seals?
Fog Sealing bezeichnet das Aufbringen einer speziell formulierten Asphaltemulsion auf die Oberfläche eines bestehenden Asphaltbelags. Eine Fog-Seal-Emulsion besteht aus einer Wasser-Öl-Mischung, die sich einfach auf einen bestehenden Fahrbahnbelag aufsprühen lässt. Dieses Verfahren wird auch als „Fogging“ bezeichnet.
Was sind Chip Seals?
Beim Aufbringen eines Chip Seals wird eine Asphaltemulsion verwendet, die Tröpfchen aus Straßenbauasphalt, Wasser, einen Emulgator oder ein Tensid, Polymer und häufig ein Verjüngungsadditiv enthält. Chip Seals werden in einem zweistufigen Verfahren aufgebracht: Zunächst wird die Asphaltemulsion auf der Oberfläche eines bestehenden Asphaltbelags verteilt, anschließend folgt eine Schicht aus feinem gebrochenem Gestein. Dieses feine gebrochene Gestein wird auch als „Chips“ bezeichnet und gibt dem Chip-Sealing-Verfahren seinen Namen.
Was sind Scrub Seals?
Eine Scrub-Seal-Behandlung ähnelt stark dem Chip Sealing, bei dem eine Asphaltemulsion und gebrochene Gesteinskörnung zur Sanierung eines beschädigten Asphaltbelags verwendet werden. Der einzige Unterschied besteht im Auftragsverfahren: Bei einem Scrub Seal wird die Asphaltemulsion mit sogenannten Schrubbbesen aufgebracht, die dafür sorgen, dass die Asphaltemulsion in die Risse des Fahrbahnbelags eindringt.
Was sind Cape Seals?
Cape Sealing bezeichnet das Aufbringen eines Chip Seals oder Scrub Seals, gefolgt von einem Slurry Seal oder Microsurfacing zu einem späteren Zeitpunkt. Während Chip Seals oder Scrub Seals die Risse im bestehenden Fahrbahnbelag abdichten und verkleben, verbessert das anschließende Slurry Seal oder Microsurfacing die Splittbindung und die Ebenheit der Fahrbahnoberfläche. Cape Seals werden meist als vorübergehende Übergangslösung für Asphaltbauwerke eingesetzt, die nur mäßige Schäden, leichte oder keine Spurrinnen und mäßige Rissbreiten aufweisen. Cape Sealing dient überwiegend dazu, die Lebensdauer des Fahrbahnbelags bis zu einer Sanierung oder einem Neubau zu verlängern.
Was ist Microsurfacing?
Microsurfacing ist eine mit einem Slurry Seal vergleichbare Behandlung. Dabei wird eine Formulierung aus Wasser, Asphaltemulsion, Gesteinskörnung und chemischen Additiven auf die Oberfläche eines Asphaltbetonbelags aufgebracht. Polymeradditive dienen dazu, die Mischungseigenschaften der Asphaltemulsion zu verbessern. Der wesentliche Unterschied zwischen Slurry Seal und Microsurfacing liegt darin, wie sie „brechen“ oder aushärten. Während bei einem Slurry Seal das Wasser nach dem Verteilen aus der Asphaltemulsion verdunsten muss, enthält die Asphaltemulsion einer Microsurfacing-Schicht chemische Additive, die ein Brechen ermöglichen, ohne auf Sonne oder Wärme zur Verdunstung angewiesen zu sein. Daher ist Microsurfacing das bevorzugte Verfahren für stark befahrene Straßen (kurze Brechzeit) oder kältere Klimabedingungen.
Was verursacht Schäden an Fahrbahnbelägen?
Mit zunehmendem Alter beginnt ein Fahrbahnbelag Schaden zu nehmen. Wie schnell er sich verschlechtert, hängt von vielen Faktoren ab. Die wichtigsten sind Umwelteinflüsse und Verkehrsbelastungen. Sonnenlicht oxidiert im Laufe der Zeit die Oberflächenschicht und lässt sie verspröden. Ist der Fahrbahnbelag zu spröde, bilden sich infolge der häufig wiederkehrenden Verkehrsbelastung Risse. Wenn der Belag nicht ordnungsgemäß abgedichtet ist, kann Regen- oder Bewässerungswasser durch die Risse in die Tragschicht eindringen und die strukturelle Integrität des Fahrbahnbelags beeinträchtigen. Wasser kann die darunterliegenden Tragschichten erodieren oder auswaschen und aufgrund der fehlenden Abstützung zum Versagen des Fahrbahnbelags führen.