Vorrichtung zur Ermittlung des Bindemittelgehaltes einer Probe eines bituminösen Baustoffs

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Ermittlung des Bindemittelgehalts von Proben bituminöser Baustoffe durch thermische Zersetzung, insbesondere von Asphalten, umfassend einen eine Probenaufnahme aufnehmenden, eine verschließbare Öffnung aufweisenden Ofen sowie eine Wägeeinrichtung zur Bestimmung des Gewichts der Probe.

Aus der DE 38 08 888 AI oder DD 113 407 ist ein Verfahren zur Ermittlung des Bindemittelgehalts von bituminösen Baustoffen, insbesondere Asphalten, bekannt, bei dem eine Probe des Baustoffes gewogen, das Bindemittel aus der Probe entfernt, die Probe erneut gewogen und der Bindemittelgehalt aus dem Gewichtsverlust der Probe aufgrund der Entfernung des Bindemittels bestimmt wird. Um zu erreichen, daß die Proben mit verhältnismäßig großen Massen bei vergleichsweise geringem Zeitaufwand analysiert werden können, erfolgt die Entfernung des Bindemittels aus der Probe durch dessen thermischen Abbau. Die Proben können dabei in einen Ofen gelegt werden, der über ein Gehänge mit einer unterhalb des Ofens vorhandenen Waage zur fortlaufenden Gewichtsmessung verbunden ist (EP 0 333 063 A2).

Ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Ermittlung der Gewichtsverhältnisse der zusammen¬ gesetzten Komponenten von Asphalt werden in der DE-OS 2 107 058 beschrieben. Dabei wird unter Verwendung von Lösungsmitteln Bitumen abgetrennt.

Der vorliegenden Erfindung liegt das Problem zugrunde, eine Vorrichtung der eingangs genannten Art zur Verfügung zu stellen, mit Hilfe der sehr genau der Bindemittelgehalt

bestimmt werden kann, wobei gleichzeitig sichergestellt sein soll, daß innerhalb kurzer Zeiteinheiten verschiedene Proben geprüft werden können. Gleichzeitig sollen insbesondere apparativ bedingte Fehler eliminiert werden.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe u.a. dadurch gelöst, daß der Ofen zumindest einen kontrolliert kühlbaren Außenmantel aufweist (Kaltwandofen). Dabei ist in dem Kaltwandofen vorzugsweise zumindest oberhalb der die Probe flächig aufnehmenden Probenaufnahme die die Probe flächig beheizende Heizung angeordnet.

Durch die erfindungsgemäße Lehre ist aufgrund des Kaltwandofens mit konstruktiv einfachen Maßnahmen die Möglichkeit gegeben, in kurzen Zeitabständen nacheinander Proben zu bewerten. Auch sind reproduzierbare Ergebnisse insbesondere dadurch sichergestellt, daß durch die flächig wirksame Beheizung ein räumlich gleichförmiges Teperaturfeld im Probengut selbst erzeugt wird.

Insbesondere ist vorgesehen, daß zwischen der Oberfläche des Probengutes und zugewandter flächiger Heizung ein lichter Abstand X ist, der in etwa das 1,5- bis 5-fache der Proben¬ schichtdicke ist. Dabei kann der lichte Abstand X in etwa 50 - 100 mm betragen.

Ferner zeichnet sich die Erfindung dadurch aus, daß die Zufuhr der Reaktionsgase (Verbrennungsluft) als auch der Abtransport der gasförmigen Reaktionsprodukte über eine im Kopfbereich des Ofens, also oberhalb des Probengutes verlaufende Querdurchströmung erfolgt. Hierdurch ergibt sich eine Vergleichmäßigung der Reaktionsbedingungen. Dabei wird die Luftzufuhr während der Erhitzung der proben vorzugsweise so geregelt, daß eine Entzündung der bei der thermischen Zersetzung entstehenden brennbaren Gase verhindert wird.

Die Probe selbst wird vorzugsweise flach auf einen Siebeinsatz der Probenaufnahme verteilt und nach außen hin über ein Abdecksieb abgedeckt.

Zum Be- und Entladen der Probenaufnahme kann diese über ein mechanisches System vom Wägesystem entkoppelt und horizontal über eine Führung aus dem Ofenraum herausgezogen

werden. Hierzu weist der Ofen in einer Seitenwandung eine verschließbare Öffnung auf bzw. eine Seitenwandung selbst kann als Verschlußöffnung ausgebildet sein.

Alternativ besteht die Mögliclikeit, den Ofen mit einem Klappdeckel oder hochfahrbaren Deckel zu verschließen.

Die Probentemperatur wird durch Temperaturmeßstellen im Probengut oder durch repräsentative Meßpositionen auf dem Probenhalter kontinuierlich gemessen, um hinreichend zuverlässige Informationen über die relevanten Temperaturen der Probe bzw. des Probenmate¬ rials liefern zu können.

In Ausgestaltung der Erfindung kann die Probenaufnahme als ein topfförmiger Probenbehälter ausgebildet sein, in dem zumindest eine Probenschale oder zueinander beabstandet mehrere Probenschalen einbringbar sind, die ihrerseits beabstandet zur Innenwandung des Probenbehäl¬ ters verlaufen.

Insbesondere ist jedoch vorgesehen, daß die Probenaufnahme als Siebsatz ausgebildet ist, der aus einem geschlossenen Boden, mehreren Sieben verschiedener Maschenweite und zwischen diesen verlaufenden Leerringen besteht, welche am Umfang mit Lochung versehen sind, um die Durchlüftung beim Verbrennungsprozeß zu verbessern. Die Teile sind ineinander gesteckt und werden mittels Bügel, der in Laschen am Boden geschoben wird, transportiert.

In zu beachtender Ausgestaltung der Erfindung umfaßt die z.B. ofenunterseitig vorhandene Wägeeinrichtung einen Adapter, der zur Wägezelle der Wägeeinrichtung beabstandbar und seinerseits mit dem Trägerelement wie Stempel verbindbar ist. Hierdurch ergibt sich die Möglichkeit, daß bei fehlender Wirkverbindung zwischen dem Adapter und der Wägezelle ersterer in Schwingung derart versetzbar ist, daß die Probeaufnahme eine Rüttelbewegung erfährt. Hierdurch kann die Analysendauer erheblich reduziert werden.

Zur Erzeugung entsprechender Schwingungen ist eine Schwingeinrichtung vorgesehen, die einen Schwingmagneten mit Hubzylinder umfaßt, der elastisch gegenüber dem Ofen bzw. einem diesen aufnehmenden Gestell gelagert ist, und daß der Hubzylinder mittelbar oder

unmittelbar mit dem Adapter verbunden ist. Dabei durchsetzt der Hubzylinder eine die Wägezelle aufnehmende Grundplatte, die ihrerseits vorzugsweise zentrisch angeordnet ist. Folglich durchsetzt das Trägerelement den Ofenboden selbst zentral.

Um im hinreichenden Umfang Verbrennungsgase zur Verfügung zu stellen, kann ein Gasverteilelement vorgesehen sein, der von der Kopfinnenseite des Ofens ausgeht und vorzugsweise als Gasverteilerring ausgebildet ist. Dabei kann zur Beschleunigung der thermischen Zersetzung des Bindemittels ein Überangebot an Verbrennungsgasen herrschen.

Um sicherzustellen, daß beim Entfernen der Rauchgase Probenpartikel, die staubförmig sein können, nicht aufgewirbelt und/oder weggesaugt werden, sieht eine Weiterbildung der Erfindung vor, daß das Ofeninnere über einen Bypass mit einem Rauchgaskanal verbunden ist, der von einem Rauchgasgebläse ausgeht.

Der Kaltwandofen selbst weist einen Doppelmantel auf, an dessen Innenraum zumindest ein oder mehrere Kühlgebläse angeschlossen sind. Vorzugsweise werden die Kühlgebläse im Saugbetrieb betrieben.

Anstelle von flächigen Heizungen oberhalb bzw. unterhalb der Probenfläche können konzentrisch um die Innenwandung des Ofens herum Widerstandselemente vorzugsweise in Form einer Mäanderheizung angeordnet sein. Um die Abstrahlung an das Ofenäußere zu reduzieren, ist innerhalb des Doppelmantels ein umlaufendes Strahlblech vorgesehen.

Weitere Einzelheiten, Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich nicht nur aus den Ansprüchen, den diesen zu entnehmenden Merkmalen - für sich und/oder in Kombination -, sondern auch aus der nachfolgenden Beschreibung eines der Zeichnung zu entnehmenden bevorzugten Ausführungsbeispiels.

Es zeigen:

Fig. 1 einen Schnitt durch eine erste Ausführungsform eines Thermoanalysegeräts bestimmt für bituminöse Baustoffe,

Fig. 2 einen Schnitt durch das Thermoanalysegerät nach Fig. 1 entlang der Linie B-B,

Fig. 3 einen Schnitt durch das Thermoanalysegerät gemäß Fig. 2 entlang der Linie C-

C,

Fig. 4 eine zweite, bevorzugte Ausführungsform einer Anordnung zur Bindemittel-

Thermoanalyse und

Fig. 4a - 4b Varianten der Ausführungsform nach Fig. 4.

Den Fig. 1 bis 3 sind verschiedene Schnittdarstellungen einer ersten Ausführungsform eines Thermoanalysegerätes (10) zur Ermittlung des Bindemittelgehaltes bituminöser Baustoffe, ins¬ besondere von Asphalten zu entnehmen. Dabei soll das Gewicht der Probe während des thermischen Abbaus des ursprünglich vorhandenen Bindemittels verfolgt bzw. das Anfangsgewicht einer vorgetrockneten Probe und dessen Gewicht nach der thermischen Zersetzung des Bindemittels bestimmt werden.

Das Thermoanalysegerät (10) umfaßt ein Gehäuse (12), in dem als Herzstück ein Kaltwand¬ ofen (14) angeordnet ist, in dem die nicht dargestellten Proben eingebracht und deren Gewicht bzw. Gewichtsveränderungen während der thermischen Zersetzung der Bindemittel bestimmt werden soll.

Der Kaltwandofen (14) zylinderförmiger Gestalt umfaßt eine Innenwandung (16) und eine Außenwandung (18), die einen Ringraum begrenzen, an den Kühlgebläse (20) und (22) angeschlossen sind, um nach Analyse einer Probe eine schnelle Abkühlung des Kaltwandofens (14) sicherzustellen. Die Kühlluft strömt über ein Abluftrohr (24) aus.

In dem von der Innen- und Außenwandung (16) bzw. (18) gebildeten Ringraum ist ein umlaufendes Strahlblech (26) angeordnet, um die von einem entlang der Innenwandung (16) angeordneten Widerstandselement in Form einer Mäanderheizung (28) stammende Strahlung ins Innere des Ofens (14) zu reflektieren.

Um das Gewicht der Probe bestimmen bzw. kontinuierlich verfolgen zu können, ist eine Wägezelle (30) vorhanden, die unterhalb des Ofens (14) angeordnet ist. Die Wägezelle ist auf einer Halteplatte (32) befestigt, die ihrerseits von einem Ofengestell (34) ausgeht. Oberhalb der Wägezelle (30) ist des weiteren eine Halterung (36) angeordnet, die von einem Adapter (38) durchsetzbar ist, der auf die Wägezelle (30) zur Bestimmung des Gewichts einwirkt. Der Adapter (38) ist zur Wägezelle (30) mittels eines Hubgestells (40) beabstandbar, damit die von einem Schwingmagnet (50) hervorgerufene Schwing- bzw. Rüttelbewegung nicht auf die Wägezelle (30) übertragen werden kann.

Der Hubzylinder (42) ist in einer Platte (44) gelagert, die über elastische Abstandselemente (46) mit einer Basisplatte (48) des Ofengestells (34) verbunden ist. Von der Basisplatte (48) selbst geht ein Elektromagnet (50) aus, über den der Hubzylinder (42) in Schwingung versetzt wird.

Von dem Adapter (38) geht ein Trägerelement oder Zapfen (52) aus, der den Boden (54) des Ofens (14) zentral durchsetzt und einen Probenbehälter (56) trägt, in dem einen Ausführungs¬ beispiel beabstandet zueinander mehrere Probenschalen (59) zur Aufnahme der zu analysieren¬ den Proben angeordnet sind. Die Probenschalen (59) sind einerseits erwähntermaßen zueinander beabstandet in dem Probenschalenbehälter angeordnet und verlaufen andererseits auch beabstandet zur Innenwandung von diesem. Der Probenbehälter (56) ist ofendeckelseitig offen.

Vorzugsweise besteht der Probenbehälter (56) aus einer geschlossenen Bodenfläche und übereinander angeordneten Sieben unterschiedlicher Maschenweiten, die eine Vorklassierung ermöglichen. Zwischen den Sieben sind Leerringe vorhanden, deren Umfangswandungen Durchbrechungen aufweisen, um den Verbrennungsprozeß zu verbessern. Der Probenbehälter ist deckelseitig mit einem engmaschigen Netz verschlossen, um ein Herausspringen bzw. Absaugen mit Probenpartikeln zu vermeiden.

Der Ofen (14) weist einen Deckel (58) auf, der zur Wärmeisolierung ein Strahlblech (60) sowie eine Dämmplatte (62) umfaßt. Um den Deckel (58) in der geöffneten Stellung zu halten, ist ferner eine Gasfeder (64) vorgesehen.

Um die erforderlichen Verbrennungsgase in das Ofeninnere einzuführen, ist eine Gasverteiler¬ einrichtung (66) vorhanden, die vom Deckel (58) ausgeht und ringförmig ausgebildet ist. Die Gasverteilereinrichtung (66) ist über eine Leitung (68) über eine Kupplung (70) an Druckluft anzuschließen. In der Druckluftleitung (68) ist ferner ein Absperrventil (72) sowie ein Schwebekörper-Druckluftmesser (74) vorhanden, der zur Regulierung der Verbrennungs¬ luftzufuhr über die Luftverteilungseinrichtung (66) bestimmt ist. Vorzugsweise soll ein Überangebot an Verbrennungsgasen im Ofen (14) herrschen.

Um die Rauchgase aus dem Ofen (14) zu entfernen, ohne daß die Gefahr besteht, daß Probenpartikel mit abgesaugt werden, geht vom Ofeninneren ein Anschluß, ein sogenannter Bypass (76) aus, der in einem Kanal (78) mündet, der von einem Rauchgasgebläse (80) ausgeht.

Um die Temperatur sowohl im Inneren des Ofens (14) als auch außerhalb von diesem zu bestimmen, sind Thermoelemente (82) und (84) vorhanden.

Meß- und Anzeigegeräte, über die das Gewicht der Proben erfaßt bzw. ermittelt werden, sind auf dem Gehäuse (12) angeordnet, und zwar im Ausführungsbeispiel ein Monitor (86), ein Rechner (88), ein Drucker (90) sowie eine Steuereinheit mit einem Temperaturregler (92) sowie einem Hauptschalter (94).

Der Deckel (58) ist über einen elektromagnetischen Türschließer (94) verriegelbar. Ferner ist ein Endschalter (96) angeordnet, der die Stromversorgung für die Mäanderheizung dann unterbricht, wenn der Deckel (58) geöffnet ist.

Dadurch, daß der Ofen (14) als Kaltwandofen ausgebildet ist, können in kurzer Zeitfolge mehrere Proben analysiert werden. Die Proben selbst können problemlos aus dem Ofen (14) entfernt werden, da die Wägezelle (30) eine Behinderung nicht darstellt. Aufgrund der Entkopplungsmöglichkeit zwischen Wägezelle und dem den Ofenboden (54) durchsetzenden Stempel (52), der den Probenschalenbehälter (46) aufnimmt, besteht des weiteren die Möglichkeit, daß die Proben einer Rüttelbewegung unterworfen werden, wodurch die

thermische Zersetzung des Bindemittels beschleunigt werden kann.

Das gesamte Thermoanalysegerät (10) weist einen kompakten Aufbau auf und kann mit dem Abgasrohren (24) und (78) an eine stationäre oder auch an eine mobile Filtereinrichtung angeschlossen werden, die an das Gehäuse (12) angeflanscht werden könnte.

In den Fig. 4, Fig. 4a und Fig. 4b sind rein schematisch eine besonders hervorzuhebende und eigenerfinderischen Charakter besitzende Anordnung zur Bindemittel-Thermoanalyse und die zugehörigen peripheren Aggregate rein schematisch dargestellt. So weist die Anordnung als Herzstück einen Kaltwand-Flachofen (100) auf, der - entsprechend der Ausführungsbeispiel der Fig. 1 bis 3 - bodenseitig von einer Kupplungsstange (102) durchsetzt wird, über die eine Verbindung zwischen einer Wägeeinrichtung (104), die unterhalb des Bodens (100) angeordnet ist, und einer topfförmigen Probenaufnahme (106) hergestellt wird. Dabei kann die Wägeeinrichtung (104) über eine Hub Vorrichtung (108) abgesenkt werden, damit die Probenaufnahme (106) entkoppelt ist.

Alternativ bestünde die Möglichkeit, eine Wägeeinrichtung seitlich anzuordnen, so daß Wägebalken durch zumindest eine Seitenwand geführt werden.

Innerhalb der Probenaufnahme (106) ist eine Probenschale (110) einbringbar, die als Siebeinsatz ausgebildet ist und beabstandet zur Bodenfläche der Probenaufnahme (106) verläuft.

Auf der Bodenfläche des Siebeinsatzes wird die zu analysierende Probe flächig ausgebreitet. Der Siebeinsatz (110) ist über ein weiteres Sieb (112) abgedeckt.

Abweichend vom Ausführungsbeispiel der Fig. 1 bis 3 ist der Kaltwand-Flachofen (100) nach Fig. 4 über ein in einer Seitenwandung vorhandenes Verschlußelement (114) verschließbar bzw. bzw. zu öffnen, wobei das Verschlußelement (114) mit der Probenaufnahme (106) verbunden sein kann, um - wie der rechte Teil der Fig. 4 verdeutlicht - den Verschluß (114) zusammen mit der Probenaufnahme (106) über horizontal verlaufende Führungen herausziehen zu können. Auf diese Weise ist ein einfaches Entfernen bzw. Einsetzen des Siebeinsatzes

(110) in die Probenaufnahme (106) möglich.

Nach den Varianten der Fig. 4a und 4b ist vorgesehen, den Ofen mit einem Klappdeckel (Fig. 4a) bzw. einem als Einheit anheb- bzw. absenkbaren Deckel (Fig. 4b) zu verschließen.

Um ein räumlich gleichförmiges Temperaturfeld im Probengut zu gewährleisten, ist zumindest oberhalb der Probenaufnahme (106) eine Beheizung (116) z.B. in Form von Heizstrahlern angeordnet, die probenabgewandt von Reflektoren umgeben sind. Gegebenenfalls kann auch unterhalb der Probenaufnahme (106) eine entsprechende Flächenheizung (118) vorgesehen sein.

Die Reaktionsgase werden über eine Querströmung oberhalb des Probengutes von einem Einlaß (120) zu einem Rauchgasauslaß (122) geführt, von der das Rauchgas bzw. die gasförmigen Reaktionsprodukte über einen Filter (124) von einem Ventilator (126) abgesaugt und z.B. sodann gegebenenfalls über eine weitere Filtereinrichtung an die Umgebung abgegeben werden. Dabei wird die Luftzufuhr während der Erhitzung der Probe vorzugsweise so geregelt, daß eine Entzündung der bei der thermischen Zersetzung entstehenden brennbaren Gase verhindert wird.

Die Überwachung der Temperatur innerhalb des Ofens (100) erfolgt z.B. über Temperatur¬ meßstellen (120), die sich im Probengut befinden oder durch repräsentative Meßpositionen auf der Probenhalterung (106) bzw. innerhalb des Ofeninneren. Eine entsprechende Meßstelle ist beispielhaft mit dem Bezugszeichen (128) gekennzeichnet.

Der Kaltwand-Flachofen (100) ist - entsprechend dem Ausführungsbeispiel der Fig. 1 bis 3 - in Doppelmantelbauweise ausgeführt, wobei der Mantel mit Kühlluft durchströmt wird. Dies wird durch die gestrichelten Linien angedeutet. Dabei wird die den Doppelmantel durch¬ strömende Kühlluft über eine Verschlußklappe (130) in die das Rauchgas führende Leitung gespeist, um über den Ventilator (126) abgesaugt zu werden.

Um eine schnelle und homogene Aufheizung des Probengutes zu erzielen, sollte der lichte Abstand zwischen der Probenoberfläche und der flächigen bzw. flächig abstrahlenden Heizung

(116) in etwa das 1,5- bis 5-fache der Schichtdicke der Probe betragen, die ihrerseits flächig in der Probenschale (110) ausgebreitete sein sollte. Bevorzugterweise beläuft sich die Schichtdicke zwischen 20 und 30 mm und der Abstand zur Heizung (116) zwischen 50 und 100 mm.