KR100230107B1 - 인조 골재 복합재 - Google Patents

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KR100230107B1
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제이 로드 티모시
러셀 웰리버 윌리엄
맥그리거 밀러 에프.
스티븐 허드슨 마크
미스훌로비치 알렉산더
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마쉬 윌리엄 에프
에어 프로덕츠 앤드 케미칼스 인코오포레이티드
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Abstract

본 발명은 아스팔트 재료의 고형 산화 생성물에서 유도된 골재(aggregate)제품에 관한 것이며, 구체적으로는 고온 혼합 아스팔트의 제조에 사용하기 위한 골재 및 역청질 포장 도로에 관한 것이다. 상기 골재 제품 및/또는 복합재는 그속에 아스팔트 산화 생성물을 포함한다.

Description

[발명의 명칭]
인조 골재 복합재
[발명의 상세한 설명]
[발명의 목적]
[발명이 속하는 기술분야 및 그 분야의 종래기술]
본 발명은 아스팔트 재료의 고형 산화 생성물로부터 얻은 인조 골재(人造骨材)에 관한 것이며, 보다 구체적으로는 이 골재를 고온 혼합(hot mix) 아스팔트 및 관련 역청질 포장 재료의 제조에 유용하게 사용하는 인조 골재에 관한 것이다.
석탄 플라이 애쉬(fly ash)는 석탄 연소 발전소에서 대량으로 발생하는 폐기물이다. 이 물질을 폐기하는 대신 사용가능한 대안 방법을 모색하기 위하여 많은 노력을 기울여 왔다. 그 결과 다양한 기술이 개발되었다. 예를 들면, 석탄 플라이 애쉬를 처리하여 각종 구조용 제품을 형성하는 것이다. 본 명세서에서 참고로 인용되고 있는 미국 특허 제5,342,442호에는 오물 슬러지와 석탄 플라이 애쉬를 경량 골재를 제조하는데 사용하는 방법이 기재되어 있다.
그러나, 초기의 연구에서는 석탄 연소 설비를 전환시켜 천연 아스팔트를 대체 에너지 제공원으로서 이용할 수 있다고 시사하였다. 상기 설비에서 얻어진 고형 산화 생성물은 과거에 생성된 각종 석탄 플라이 애쉬 물질과는 조성적으로 뿐 아니라 화학적으로 상이한 것이었기 때문에, 구조용으로 유용한 재료의 제제로 간주되지도 않았고 사용되지도 않았다. 석탄 플라이 애쉬는 통상 SiO2, Al2O3및 Fe2O3를 함유하며, 불수용성이다. 본 발명에 언급된 산화 생성물은 석탄 플라이 애쉬에서 통상 발견되는 상기 화합물들이 거의 검출되지 않을 정도의 양으로 포함되어 있다. 또한, 물에 잘 용해되는 황산마그네슘을55% 이상의 양으로 포함한다.
일반적으로 저렴한 골재 재료, 구체적으로는 역청질 포장 도로 표면에 사용하는데 적합한 특성을 제공하는 것으로 제조된 골재, 특히 향상된 성능 특성을 갖는 골재가 바람직하다.
본 발명의 여러 가지 특징 및 장점은 이하 상세한 설명 및 바람직한 실시 태양을 통해 명백히 알 수 있으며, 인조 골재 재료 분야의 당업자들이라면 본 발명의 인조 골재를 역청질의 포장 도로, 차도 및 관련 표면 구조물에 사용할 수 있다는 것을 잘 알 것이다. 이들 목적, 특징, 잇점 및 장점은 첨부한 실시예, 표, 데이터 및 모든 합리적인 추론과 관련하여 이해할 때 명백히 알 수 있다.
[발명이 이루고자 하는 기술적 과제]
[발명의 개요]
본 발명은 천연 아스팔트 연료 공급원의 산화 생성물을 골재 재료의 제조에 사용하는 것에 관한 것이다. 이러한 골재는 역청질 포장 재료의 일부로서 사용될 수 있다. 특히, 상기 골재는 차도/도로 표면으로 사용하기 위하여 고온 혼합 아스팔트에 혼입될 수 있는데, 이러한 용도로만 본 발명이 제한되는 것은 아니다.
또한, 본 발명은 고온 혼합 아스팔트와 함께 사용될 수 있는 골재 복합재에 관한 것이다. 상기 복합재는 (a) 시멘트질 고형물로서 (1) 상기 시멘트질 고형물의 약 40.0 내지 약 99.9중량%의 범위로 존재하는 시멘트와 (2) 상기 시멘트질 고형물의 약 0.1 내지 약 60중량%의 범위로 존재하는 베네쥬엘라의 오리노코 벨트(Orinoco Belt)에서 유래한 천연 아스팔트의 고형 산화 생성물[이 시멘트질 재료는 수화되고 경화되어 기공을 갖는 단괴(nodule)를 형성함]; 및 (b) 첨가제 물질을 포함한다. 상기 첨가제 물질은 알칼리 실리케이트, 알칼리 플루오실리케이트, 비닐 아세테이트, 라텍스 에멀젼 또는 페놀계 수지 중 임의의 하나이거나 또는 이들의 혼합물일 수 있다. 상기 첨가제는 시멘트질 고형물이 단괴 형태로 보전되기에 유효한 양으로 사용된다. 본 발명자들은 비교적 소량의 첨가제가 효과적이라는 사실을 발견하였다. 특히, 복합재 총량의 0.1중량% 정도의 소량이 만족스런 양이다. 첨가제는 본 발명의 골재 조성물의 제조에 있어서 고가의 품목이므로, 이들의 사용을 적정 수준, 예컨대 복합재의 약 5중량% 정도로 유지하는 것이 바람직하다. 첨가제를 고농도로 사용할 수는 있으나, 5중량% 이상 사용하였을 때 특별한 잇점을 발견할 수 있는 것으로 생각되지는 않는다. 일반적으로, 본 발명자들은 약 4중량% 미만, 심지어 약 3중량% 미만으로 사용하였다. 가장 적게는 첨가제를 약 1중량% 사용하는 것이 일반적이다.
바람직한 실시태양에서, 산화 생성물은 베네쥬엘라의 오리노코 벨트에서 유래한 천연 아스팔트의 수성 에멀젼의 산화물로부터 얻었다. 상기 에멀젼은 상표명 오리멀션(Orimulsion)으로 시판된다. 일반적으로, 이러한 산화 생성물은 시멘트질 고형물에 약 35 내지 55중량%의 양으로 존재한다.
전술한 바와 같이, 본 발명의 골재 복합재는 그속에 혼입된 베네쥬엘라의 오리노코 벨트에서 유래한 천연 아스팔트의 수성 에멀젼 산화 생성물을 갖는다. 일반적으로 당 분야에서 공지된 바와 같이 상기 산화 생성물은, 아스팔트 재료를 여러가지 기지의 방법 또는 그 변형법중 임의의 방법을 통해 공기 및/또는 기타 산소 함유 기류와 접촉시키면 열, 이산화탄소 및 물과 같은 연소 부산물과 함께 제조된다. 상기 산화 생성물은 연소/산화 지점의 하류(downstream)에서 연속적으로 수집된 고형 잔류물이다.
본 발명의 산화 생성물은 방출 제어, 부식 감소 또는 작업성 향상(이들에 국한되지 않음) 등의 다양한 공정 또는 연소 요건을 충족시키기 위하여, 연소 지점, 이의 상류 또는 이의 하류에 있는 첨가제 및/또는 여러개의 보조 공정 중 하나를 도입하는 것과 같은 방식에 의해 생성될 수 있다. 이들 첨가제의 성질에 따라, 연소 잔류물 또는 이들의 부산물은 전술한 산화 생성물과 함께 균질하게 동시 혼합될 수 있고, 적당하게는 산화 생성물의 일부로, 산화 생성물과 통합하여 또는 산화 생성물과 함께 사용하는 것을 고려할 수도 있다.
보조 공정 및/또는 첨가제의 예로는 연소기의 하류에 연도 가스 세정 장치 예컨대, 습식 석회-석회석 세정기를 도입하는 것이다. 세정기의 잔류물은 최종 미립자 분리기의 상류 지점에서 연소/산화 라인으로 복귀 및/또는 재도입되어, 산화 생성물과 혼합 및 혼입된다. 또한, 이용가능한 다수의 보조 공정의 예로서 세정기 공정의 사용을 고려하는 경우, 세정기 잔류물의 종류(identity)/조성은 이것이 석회이든, 석회석이든 또는 관련 세정제이든 특정 세정제의 종류 및 그 세정기에서 사용된 메이크-업 물의 조성 성분 및 그 상대적 농도와 관계가 있음을 당업자는 인식할 것이다.
본 발명의 산화 생성물에 대한 아스팔트 전구체는 미국 플로리다주 보카 레이턴에 소재한 비터 아메리카 코오포레이숀(Bitor America Corporation)에서 상표명 오리멀션으로 시판되고 있다. 제한됨이 없이, 이 시판 제품은 현재 다음과 같은 방법으로 제조되고 있다 : 첫 단계로 점도가 웰의 구멍으로 유동될 수 있을 정도로 감소될 때까지 아스팔트 제제내로 증기를 주입한다. 이후에, 아스팔트의 점도를 더욱 감소시켜서, 취급 및 수송을 용이하게 하는 1차 수성 에멀젼을 제조한다. 이어서, 상기 1차 에멀젼을 분해하여 물을 거의 제거하면, 물 함량이 2% 미만인 아스팔트 재료가 생성된다. 별법으로, 아스팔트 제제는 경량의 탄화수소 용매에 용해 또는 현탁될 수 있다. 이러한 용매의 예로는 역청과 케로센의 분리가 일어날 수 있는 표면에서 제거된 케로센-함유 역청 및 케로센을 들 수 있다.
신선한 물을 재공급하고, 엄격히 조절되는 프로토콜하에서 아스팔트를 계면활성제와 함께 유화시킨다. 예를 들면, 전단 속도가 20s-1인 경우에, 30℃에서 오리멀션을 처리하면 약 450mPa의 점도가 얻어진다. 이 제조 방법과 사용가능한 다른 제조 방법 및 기술에 의해 직경이 80㎛보다 큰 소적을 2% 미만 함유하는 수성 에멀젼이 제공된다. 오리멀션재료의 부가의 특징은 밀도(15℃에서 ~0,010kg/m3), 인화점(~130℃/266°F), 및 바나듐 농도(~300ppm), 니켈 농도(~73ppm), 마그네슘 농도(~350ppm), 탄소 농도(~60.0중량%), 수소 농도(~7.5중량%), 황 농도(~2.7중량%), 질소 농도(~0.50중량%) 및 산소 농도(~0.20중량%)이다.
당해 기술 분야의 당업자는 본 발명의 복합재 및/또는 골재가 임의의 한 가지 오리노코형 아스팔트 재료로 이루어진 산화 생성물의 혼입으로만 제한되지 않음을 이해할 것이다. 본 발명에서 시판용 오리노코 아스팔트 재료를 비이온성 계면활성제로 제조한 30%의 수성 에멀젼으로 기재하고 있지만, 본 발명의 조성물은 상기 재료의 산화 생성물 및/또는 기타 오리노코형 아스팔트의 산화 생성물을 유화된 형태 또는 다른 가공처리된 형태로 적절히 함유하거나 또는 주성분으로 포함할 수 있다. 이러한 산화 생성물은 각각 조성적으로 구별되며, 대비되는 특성을 가지고, 각기 별도로 본 발명에 실시 사용할 수 있는 것들이다. 따라서, 본 명세서에서 예시하는 본 발명의 복합재 및/또는 골재는 본 명세서에서 구체적으로 개시되거나 참조문헌에서 예시/언급하거나 또는 그렇지 않은 임의의 산화 생성물 또는 화학종의 부재하에서도 제조 및/또는 실시할 수 있음을 이해하여야 한다.
천연 오리노코형 아스팔트를 포함하는 다른 조성물, 혼합물 또는 제제를 본 발명에 사용할 수 있지만, 본 발명의 산화 생성물의 유용한 공급원은 미국 펜실베니아주 앨린타운 소재의 에어 프로덕츠 앤드 케미칼스, 인코오포레이티드의 퓨어 에어디비젼에서 상표명 PCS로 시판되는 것이다. 전술한 바와 같이, 산화 생성물의 조성적 측면에는 아스팔트 및/또는 산화 공정을 보조하는 임의의 조작 및/또는 첨가제가 고려된다. 그러나, 조성적으로 구별되며, 특성이 대비되고, 별도로 실시되는 어떠한 산화 생성물이라도 어느 정도는 베네주엘라의 오리노코 벨트에서 시판하는 천연형 아스팔트의 바나듐 및 니켈의 절대 농도 또는 상대 농도를 포함한다.
산화 생성물은 수성 에멀젼으로부터의 유래 여부에 관계없이 전술한 중량% 범위를 넘는 양으로도 효과적으로 사용될 수 있다. 주어진 범위의 하한치 이하의 양에서는, 비용 절감 효과가 시멘트질 재료의 농도 증가에 의해 상쇄되는 경향이 있다. 산화 생성물의 농도가 상한치 범위를 벗어나는 경우에는 시멘트 성분과의 불충분한 반응 및/또는 상호작용이 침출과 관련된 문제를 야기할 수 있다. 그러나, 기존 기술 및 가공처리법을 개량하여 사용하면 본 발명의 산화 생성물을 이용할 수 있는 유효하고 유익한 농도 범위를 증가시키는 작용이 이루어질 수 있다. 본 발명의 다른 양태로서, 당해분야의 당업자에게 알려진 바와 같이 다양한 시간, 온도 및 혼합 변수를 주어진 산화 생성물의 농도와 함께 사용하거나 또는 변형시켜 소정 복합재 및/또는 골재를 얻을 수 있다.
전술한 바와 같이, 골재 복합재는 첨가제 물질을 포함한다. 이 첨가제 물질로는 실리케이트 수용액을 사용하는 것이 바람직하다. 이 실리케이트 조성물은 알칼리 실리케이트 또는 알칼리 플루오실리케이트일 수 있으나, 이들에 국한되지 않는다. 규산나트륨, 나트륨 메타실리케이트 및/또는 나트륨 플루오실리케이트를 사용하여 유리한 효과를 얻을 수 있다. 별법으로서, 첨가제로서 유기 결합제 물질 또한 단독으로 사용하거나 또는 실리케이트와 혼합하여 사용할 수 있다. 이러한 유기 결합제의 예로는 비닐 아세테이트, 페놀계 수지 및 라텍스 에멀젼을 들 수 있으나, 이들로 국한되지는 않는다.
임의의 실시태양에 있어서, 사용된 특정 첨가제 물질과 무관하게 석탄 플라이 애쉬 물질이 복합재에 포함될 수 있다. 본 발명을 제한하거나, 임의의 한가지 이론이나 또는 작동 방식에 구애받지 않는 한도내에서, 석탄 플라이 애쉬를 첨가하는 것이 침출 현상과 관련된 마그네슘 및/또는 황산염 침출에 대한 잠재능을 최소화시키는 것으로 간주된다. 당해 기술 분야의 당업자들은 각종 석탄 플라이 애쉬가 사용될 수 있음을 잘 알 것이다. 이의 예로는 F류 및 C류 석탄 플라이 애쉬를 들 수 있고, 포틀랜드 시멘트와의 광물 혼합물로서 사용하는 이들 용도에 대한 이들의 물리적 변수 및 화학적 변수가 ASTM 표준 명세서 C 618에 기재되어 있다(하기 표 1 내지 4 참조). F류 플라이 애쉬는 통상 안트라사이트 또는 역청질 석탄의 연소에 의해 생성된다. N류은 원석 또는 하소된 천연 포졸란-규산질 또는 규산질 또는 알루미노스 물질이고, 이들은 실온에서 수산화칼슘과 화학적으로 반응하여 시멘트 특성을 가진 화합물을 형성한다. 상기 포졸란의 예로는 규조토, 단백석 수암 및 혈암, 응회암 및 화산회 또는 푸미사이트, 하소에 의해 가공처리된 것 또는 처리되지 않은 것 및 만족스런 특성을 갖기 위하여 하소를 필요로 하는 각종 기타 물질, 예컨대 다양한 각종 점토 또는 혈암을 들 수 있다. F류 플라이 애쉬 역시 포졸란 특성을 지닌다.
[표 1]
[표 2]
[표 3]
매우 미세한 물질의 덩어리가 남지 않도록 주의해야 한다.
포틀랜드 시멘트에 대한 강도 활성 지수는 광물 혼합물을 포함하는 콘크리트의 압착 강도의 척도로 간주해서는 안된다. 포틀랜드 시멘트에 대한 강도 활성 지수는 촉진(accelerated) 시험에 의해 측정하였고, 이로써 광물 혼합물로부터 예상되는 콘크리트의 보다 큰 강도에 대한 기여도를 평가한다. 포틀랜드 시멘트에 대한 강도 활성 지수를 측정하는 테스트에서 규정된 광물 혼합물의 중량은 작업에 사용되는 콘크리트에 대하여 추천된 분량이 아니다. 임의의 특정 목적에 적합한 광물 혼합물의 최적량은 콘크리트의 필요한 특성 및 콘크리트의 기타 성분에 의해 결정되며, 시험에 의해 확인되어야 한다. 포틀랜드 시멘트에 대한 강도 활성 지수는 주어진 시멘트에 대한 반응성의 척도이고, 플라이 애쉬 및 시멘트 둘다의 제공원에 따라 달라질 수 있다.
프로젝트 혼합 디자인에서 광물 혼합물이 20중량% 이상의 시멘트질 재료로 구성되는 경우에, 오토클래브 팽창에 대한 테스트 시험편은 예견된 함량으로 포함되어야 한다. 과도한 오토클래브 팽창은 물 : 광물 혼합물과 시멘트 비율이 낮은 경우에, 예컨대, 블록 또는 쇼트크레이트(shotcrete) 혼합에서 매우 중요하다.
7일 또는 28일의 강도 활성 지수를 만족시키면 특정 사양(specification)에 순응하는 것을 의미한다.
[표 4]
건조 수축의 증가와 관련된 요건에 대한 순응성 또는 비순응성의 결정은 구매자의 요구에 의해서만 행해진다.
시멘트 알칼리에 대한 반응성에 대하여 지정된 테스트는 구매자의 요구에 의해서만 적용되는 선택적이고 임의적인 요건이다. 이 테스트는 플라이 애쉬 또는 포졸란이 시멘트 중에서 알칼리에 대한 반응성을 열화시키는 것으로 간주되는 골재와 함께 사용되지 않는 한 필요치 않다. 모르타르 팽창을 감소시키기 위한 테스트는 작업에 사용되는 포틀랜드 시멘트가 공지되지 않고 광물 혼합물을 테스트하는 시점에서 입수할 수 없는 경우에 테스트 방법 C 311의 모르타르 팽창의 감소에 관한 부분에 따라 임의의 고-알칼리 시멘트를 사용하여 수행할 수 있다. 모르타르 팽창에 대한 테스트가 작업에 사용되는 포틀랜트 시멘트가 기지의 것이고 입수가능한 경우에는 모르타르 팽창의 감소에 대한 테스트보다 더 바람직하다. 모르타르 팽창에 대한 테스트는 작업에 사용되는 시멘트 각각에 대하여 수행되어야 한다.
각종 석탄 플라이 애쉬 물질의 조합물을 사용하여 소정 조성의 메이크업을 지닌 골재를 제공할 수 있다. 마찬가지로, 플라이 애쉬 물질중 임의의 하나 또는 조합물의 농도를 수정하여 규정된 조성의 메이크업을 제공하거나 및/또는 침출액의 제어를 원하는 정도로 제공할 수 있다. 예를 들면, 특정량의 C류 플라이 애쉬는 시멘트와 F류 애쉬의 함량에 상응하는 감소를 보상할 수 있다.
본 발명의 골재 및/또는 복합재의 제조에 각종 수화 시멘트질 재료를 사용할 수 있으나, 그 중 포틀랜드 시멘트가 우수한 효과를 나타낸다. 본 발명과 관련하여 사용될 수 있는 각종 포틀랜드 시멘트의 화학적 및 물리적 변수는 ASTM 표준 명세서 C150(본 명세서와 동시에 출원한 동시 계류중의 본 출원인의 “개질된 시멘트 및 콘크리트 조성물”에 더욱 상세히 기재되어 있음)에 제시되어 있다. 전술한 동시 계류중의 출원의 ASTM C 150에 상응하는 표는 본 명세서에서 참고로 인용하고 있다.
화학적 조성의 차이 뿐만 아니라, 화학적/물리적 성질의 차이점에 기인한 명백한 개질을 참작하면, 입수가능한 포틀랜드 시멘트중 임의의 하나는 필적할만한 효과를 나타내는 반면, 타입 I 포틀랜드 시멘트는 경제적 측면 및 일반적 용도/적용성에 있어 바람직하다. 바람직한 실시태양에서, 석탄 플라이 애쉬 물질을 사용하는 경우에, 타입 I 포틀랜드 시멘트는 약 40 내지 50중량%의 범위로 존재하고; 오리멀션연료의 산화 생성물은 약 40 내지 약 50중량%의 범위로 존재하며, 플라이 애쉬 물질, 바람직하게는 F류 석탄 플라이 애쉬는 약 0.1 내지 약 20중량%의 범위로 존재한다. 상기 바람직한 실시태양은 1종 이상의 알칼리 실리케이트 용액 및 수성 라텍스 에멀젼을 포함하는 밀봉제를 임의로 포함할 수 있다.
또 일 범주로서, 본 발명의 인조 골재 제품은 (1) 시멘트질 고형물의 약 40.0 내지 약 99.9중량%의 범위로 존재하는 시멘트를 포함하는 시멘트성 고형 물질; (2) 시멘트질 고형물의 약 0.1 내지 약 60중량%의 범위로 존재하는 베네쥬엘라의 오리노코 벨트에서 유래한 천연 아스팔트의 고형 산화 생성물(상기 시멘트질 재료는 수화되어 다공성 단괴를 형성함); 및 (3) 칼슘 및 마그네슘 실리케이트 수화물을 포함한다. 전술한 바와 같이, 인조 골재 제품의 바람직한 실시태양은 베네쥬엘라의 오리노코 벨트에서 유래한 천연 아스팔트의 수성 에멀젼의 산화 생성물을 포함하고, 구체적으로는 약 35 내지 55중량%의 범위로 존재할 수 있는 시판용 오리멀션연료의 산화 생성물을 포함한다. 산화 생성물의 농도는 전술한 바와 같이 조절할 수 있는 데, 안정한 골재를 제공하도록 조절할 필요가 있다.
골재의 기공내에 존재하는 칼슘 및 마그네슘 실리케이트 수화물은 결합제로서 사용된 실리케이트 용액 및 시멘트질 재료내에서 각각 칼슘 및 마그네슘 양이온의 반응 생성물의 적어도 일부이다. 전술한 실리케이트 결합제로는 규산나트륨, 나트륨 메타실리케이트 및 나트륨 플루오실리케이트를 들 수 있다. 임의의 어떤 한가지 이론 또는 작동 방식에 구애됨이 없이, 침전된 실리케이트 수화물은 골재의 기공을 밀봉하는 작용을 하며, 골재의 기계적 특성을 향상시키는 것으로 간주된다. 플루오실리케이트 밀봉제를 사용한 결과 가교된 폴리실리케이트 음이온성 구조의 침착이 일어나서, 골재의 기공을 밀봉하며 골재의 기계적 특성을 향상시킨다. 이러한 효과를 위하여, 비교적 낮은 비율의 산화나트륨 : 실리카를 갖는 실리케이트 결합제가 더욱 바람직하다. 칼슘(또는 마그네슘)과의 반응에 이용할 수 있는 실리카가 많을수록 보다 많은 %의 기공이 밀봉되며, 골재의 기계적 특성 또한 향상된다.
본 발명의 인조 골재는 유기 결합제 물질 역시 포함할 수 있다. 이들의 대표적인 예로는 비닐 아세테이트, 라텍스 에멀젼 및 페놀계 수지를 들 수 있으나, 이들에 국한되는 것은 아니다.
마찬가지로, 본 발명의 골재와 관련하여 설명한 바와 같이, 인조 골재는 석탄 플라이 애쉬 물질을 약 0.1 내지 약 30중량%의 범위로 포함할 수 있다. F류 석탄 플라이 애쉬가 바람직하지만, C류 플라이 애쉬 및 F류와 C류 플라이 애쉬의 배합물도 사용할 수 있다. 전술한 바와 같이, 인조 골재에 플라이 애쉬 물질이 포함되는지의 여부에 무관하게, 시멘트질 고형 물질의 시멘트 성분은 각종 포틀랜드 시멘트 중 하나일 수 있다. 바람직하게는, 타입 I 포틀랜드 시멘트는 이들의 일반 이용가능성 때문에 산화 생성물의 농도에 따라 변화될 수 있는 농도로 사용되지만, F류 석탄 플라이 애쉬 물질이 약 0.1 내지 약 20중량%의 범위로 사용되는 경우에는 약 40 내지 약 50중량%인 것이 바람직하다.
부분적으로, 본 발명은 전술한 바와 같이, 포장 도로, 차도 및/또는 도로 표면 구조물용 역청질 조성물과 함께 인조 골재의 사용을 고려할 수 있다. 상기 조성물의 역청 성분은 본 명세서에서 참고로 인용하고 있는 동시 계류중의 출원 “향상된 성능 특성을 가진 역청질 조성물”, 특히, 표 1 내지 4에 수록된 바와 같이, 아스팔트, 코르타르, 코르타르 피치, 및 아스팔트광으로 구성된 군에서 선택될 수 있다.
[발명의 구성 및 작용]
[실시예]
이하 실시예들에서는 본 발명의 골재 및/또는 복합재를 각종 역청질 조성물의 제조에 사용하거나 또는 이 조성물과 병용하여 안정성 및 유용성을 비롯한, 본 발명의 골재, 복합재, 및 조합물과 관련된 각종 특성 및 장점을 예시하고 있으나, 본 발명은 이들에 의해 국한되지 않는다.
[실시예 1]
본 발명에 따른 산화 생성물의 샘플을 화학적 조성에 대하여 분석하였다. 금속 원자를 표준 용액에 대하여 불꽃 흡광법을 이용하여 측정한 후, 염산 중에 샘플을 용해시켰다. 황(황산염)의 총함량은 ASTM 표준 방법 C114에 기재된 중량법에 의해 측정한 다음, 샘플을 과산화수소와 1 : 4(v/v)의 질산/염산으로 처리하였다. 분석된 미립자 샘플의 불용성 잔류물은 동정하지 않았다.
본 실시예의 산화 생성물은 오리노코 아스팔트 수성 에멀젼의 연소/산화에서 유도되는 반면, 본 발명의 산화 생성물/성분에는 앞에서 충분히 설명한 바와 같이, 각종 기타 성분/하나 이상의 처리 방법 및/또는 연소/산소 공정을 보조하는 첨가제에서 유래하는 각종의 다른 성분/잔류물, 이들의 분석 프로필을 반영하는 성분/잔류물을 함유할 수 있다. 본 발명을 제한함이 없이, 실시예를 일층 상세히 설명하기 위하여, 특정 첨가제 또는 보조 공정의 정확한 성질에 따라, 산화 생성물의 분석은 탄소의 존재 뿐만 아니라, 변경된 농도의 마그네슘, 칼슘 또는 나트륨 및/또는 1종 이상의 부가의 ⅠA족 또는 ⅡA족 금속의 존재를 밝힐 수 있다.
[실시예 2]
본 발명의 복합재 및/또는 골재는 다음과 같은 공정 또는 직접적인 스케일 업의 변형법에 따라 제조할 수 있다. 즉, 표준 Hobart 혼합기를 사용하여 시멘트 재료 및 산화 생성물은 약 10초간 혼합하여 어느 정도 균질한 혼합물을 제공하였다. 이 혼합물을 저속으로 회전시키고, 무수 성분들은 추가로 30초간 혼합하고, 이 시점에서 필요하고 규정된 수화도를 제공하기에 충분한 양의 물을 약 1분에 걸쳐 첨가하고, 계속해서 서서히 혼합하였다. 추가량의 물을 첨가한후, 이 혼합물의 속도를 즉시 중간 속도로 전환시키고, 결합제를 첨가하였다. 혼합을 약 1 내지 2분간 중간 속도로 계속하였다. 이어서, 상기 혼합기의 전원을 끄고, 상기 물질을 소정의 크기 및 형상의 단괴, 바람직하게는 평균 직경이 약 17mm인 구형 입자로 만들었다. 상기 단괴를 약 7 내지 28일간 실온 및 50% 상대 습도에서 경화시켰다.
앞에서 충분히 설명한 바와 같이, 바람직한 결합제 물질은 규산나트륨 용액 및/또는 라텍스 에멀젼이다. 골재를 결합시켜서, 그속에 있는 기공을 밀봉하기 위하여 규산나트륨 용액을 사용하는 경우에, 이들은 혼합 사이클의 말기에 첨가하거나 또는 단괴로 만든 후 입자 표면상에 적당한 수단을 이용하여 분무할 수 있다. 유용한 규산나트륨 용액은 다수의 공급체, 예컨대 PQ 컴파니에서 시판되고 있다. 메타 규산나트륨 및 나트륨 플루오실리케이트 밀봉제 물질은 당 분야의 숙련자에게는 공지되어 있으며, 이들 또한 시판되고 있다. 또는, 바람직한 결합제 물질은 라텍스 에멀젼이고, 이들은 에어 프로덕츠 앤드 케미칼스, 인코오포레이티드에서 상표명 에어플렉스(Airflex)로 시판되고 있다.
[실시예 3]
본 실시예의 골재는 전술한 바와 같은 본 발명에 따라 제조하였다. 15%의 수화 석회, 25%의 타입 I 포틀랜드 시멘트 및 60%(중량%)의 본 발명의 산화 생성물을 포함하는 골재를 혼합물 1이라 하였다. 골재 3은 혼합물 1을 시판용 규산나트륨 결합제로 처리한 것으로, 일반적으로 물유리라고 공지되어 있으며, 미국 펜실베니아주 밸리 포지 소재의 R.Q. 인더스트리스에서 시판되고 있다. 이것을 0.2 내지 3.5중량%의 농도로 분무시켰다. 골재 4는 혼합물 1을 시판용 라텍스 에멀젼으로 처리한 것이다. 비닐 아세테이트계 라텍스인 에어플렉스 에멀젼 역시 0.3 내지 4중량%의 농도로 분무시켰다. 골재 5 내지 7은 대상의 골재들을 포장 도로 조성물로 혼입하는 것을 모의하기 위하여 라텍스로 처리된 혼합물 1을 각각 시판용 고온 혼합 아스팔트 재료로 1, 2 및 3 코팅 처리한 것이다. (표 5 참조)
[표 5]
가속 기후 조건(accelerated weathering condition)을 시뮬레이트하기 위하여, 표 5에 제시한 것과 같은 분량의 물을 사용하여 24시간 동안 속슬레 추출함으로서 상기 골재 각각을 황산염 및 마그네슘의 가용성에 대하여 테스트하였다. 각 골재에서 추출된 산화 생성물(O.P.)은 표 5에 나타내었다. 실시예 1에 나타낸 성분 중량%에서, 황의 함량(58%, SO4) 및 마그네슘의 함량(12.9%)은 실시예 1에서 설명한 바와 같이 측정하였고, 황(SO4) 및 마그네슘의 총농도 %로서 계산하였다. 예를 들면, 유효한 SO4및 Mg의 약 1/3은 결합제 성분의 존재 및/또는 실체에 무관하게 골재 1 내지 4에서 추출되었다. 1, 2 및 3 아스팔트 코팅으로 처리한 골재 4는 각각 골재 5, 6 및 7에서 관찰된 바와 같이 침출성이 감소하였다.
[실시예 4]
본 실시예의 골재는 황산염 및 마그네슘의 침출성을 최소화시키고, 실시예 3의 골재와 비교하기 위하여 본 발명에 따라 제조하였다. 골재 1은 동량의 타입 I 포틀랜드 시멘트와 본 발명의 산화 생성물을 사용하여 제조하였다. 골재 2는 3중량%의 시판용 규산나트륨 결합제(37.5중량%의 고형물, 타입 N, PQ 컴파니제, SiO2/NaO2비율=3.3)로 처리하기 위하여 혼합하였다. 골재 3 혼합물은 1.5%의 시판용 라텍스 에멀젼(에어 프로덕츠 앤드 케미칼스, 인코오포레이티드에서 시판하는 에어플렉스 RP245)과 동량의 골재 2의 실리케이트 결합제를 포함한다. 골재 4는 40중량%의 타입 I 포틀랜드 시멘트, 40중량%의 본 발명의 산화 생성물 및 20중량%의 F류 플라이 애쉬를 포함하고, 이는 전술한 실리케이트 결합제 및 라텍스로 처리하였다. 모든 결합제 및 라텍스를 혼합하였다.
하기 표 6에서는 텀블링(tumbling) 및 24시간의 속슬레 추출후에 측정한 실시예 3의 골재(혼합물 1)와 본 실시예의 골재 4(혼합물 2)에서 추출된 황산염 및 마그네슘을 비교하였다. 전술한 바와 같이, 속슬레 결과는 골재가 처리되는 기후 조건을 더욱 잘 표현하는 것으로 간주하지만, 텀블링 결과는 과도한 마멸 및 교반을 특징으로하는 최악의 경우를 나타내었다.
[표 6]
[표 7]
상기 표 6 및 7에서 요약 제시한 결과를 통해 관찰할 수 있는 바와 같이, 시멘트 농도의 증가는 상기 골재를 결합재로 처리했는지의 여부에 무관하게 황산염과 마그네슘의 침출성 둘다를 감소시켰다. 실시예 3의 혼합물 1 골재와 비교할 때, F류 플라이 애쉬(골재 4)의 혼입에 의해 황산염과 마그네슘의 침출성은 더욱 감소되었다.
실시예 3의 결과와 일치하는 본 실시예의 골재 4는 시판용 고온 혼합 아스팔트 재료의 연속 코팅물로 처리하였다. 아스팔트의 단일 코팅은 침출된 황산염을 0.05%의 황산염으로 감소시키고, 침출된 마그네슘을 0.01%의 마그네슘으로 감소시켰다.
[실시예 5]
본 발명에 따른 유사한 복합재 재료는 전술한 실시예들에 기술된 방식으로 제조하되, 일부 시험편에서는 시멘트질 재료의 제제내에 C류 플라이 애쉬를, 다른 시험편의 경우에는 N류 포졸란을 사용하였다. 사용된 첨가제 물질은 Na2SiF6과 페놀계 수지, 예컨대 페놀 포름알데히드이다. 이들 복합재에서 얻은 결과는 전술한 실시예들에서 나타낸 것과 유사하다.
첨가제 물질로서 규산칼륨을 골재 복합재의 약 1 내지 약 4%의 농도로 사용하여 유사한 결과를 얻었다.
본 발명의 원리를 구체적인 실시태양에 의거하여 설명하였으나, 이들에 의해 제한되지 않는다. 기타 본 발명의 장점 및 특징은 후술되는 청구범위를 통해 명백히 알 수 있으며, 본 발명의 범위는 당해 기술 분야의 당업자들이 알고 있듯이 합리적인 균등 범위에 의해 결정된다.

Claims (16)

  1. (a) 하기 성분 (1) 및 (2)를 포함하며, 수화되어 다공성 단괴를 형성하는 시멘트질 고형물과, (1) 시멘트 40 내지 99.9중량%(상기 고형물의 중량을 기준으로 함), 및 (2) 베네쥬엘라의 오리노코 벨트에서 유래한 천연 아스팔트의 고형 산화 생성물 0.1 내지 60중량%(상기 고형물의 중량을 기준으로 함)(b) 알칼리 실리케이트, 알칼리 플루오실리케이트, 라텍스 에멀젼 및 페놀계 수지로 구성된 군 중에서 선택되는 첨가제 0.1중량% 이상을 포함하는 고온 혼합 아스팔트 골재 복합재.
  2. 제1항에 있어서, 상기 산화 생성물은 베네쥬엘라의 오리노코 벨트에서 유래한 천연 아스팔트의 수성 에멀젼의 산화 생성물인 것인 골재 복합재.
  3. 제2항에 있어서, 상기 산화 생성물은 35 내지 55중량%의 범위로 존재하는 것인 골재 복합재.
  4. 제1항에 있어서, 광물 혼합물 0.1 내지 30중량%를 더 포함하고, 이 광물 혼합물은 F류 석탄 플라이 애쉬, C류 석탄 플라이 애쉬, N류 천연 포졸란 및 이들의 혼합물로 구성된 군 중에서 선택되는 것인 골재 복합재.
  5. 제4항에 있어서, 상기 시멘트는 40 내지 50중량%의 범위로 존재하는 타입 I 포틀랜드 시멘트이고, 상기 산화 생성물은 40 내지 60중량%의 범위로 존재하는 베네쥬엘라의 오리노코 벨트에서 유래한 천연 아스팔트의 수성 에멀젼의 연소물에서 유래하는 것이며, 상기 플라이 애쉬 물질은 0.1 내지 20중량%의 범위로 존재하는 F류 석탄 플라이 애쉬인 것인 골재 복합재.
  6. 제5항에 있어서, 상기 첨가제는 알칼리 실리케이트 용액과 수성 라텍스 에멀젼을 포함하는 것인 골재 복합재.
  7. 시멘트 40.0 내지 99.9중량%(고형물 기준)와, 베네쥬엘라의 오리노코 벨트에서 유래한 천연 아스팔트의 수성 에멀젼의 고형 산화 생성물 0.1 내지 60중량%(고형물 기준)를 포함하고, 수화되어 다공성 단괴를 형성하는 시멘트질 고형물; 및 골재의 기공내에 존재하는 칼슘 및 마그네슘의 실리케이트 수화물 0.1중량% 이상을 포함하는 인조 골재.
  8. 제7항에 있어서, 상기 산화 생성물은 베네쥬엘라의 오리노코 벨트에서 유래한 천연 아스팔트의 수성 에멀젼의 산화 생성물인 것인 인조 골재.
  9. 제8항에 있어서, 상기 산화 생성물은 35 내지 55중량%의 범위로 존재하는 것인 인조 골재.
  10. 제7항에 있어서, 상기 실리케이트 수화물은 시멘트질 재료내의 칼슘 및 마그네슘 양이온과 규산나트륨의 반응 생성물인 것인 인조 골재.
  11. 제10항에 있어서, 비닐 아세테이트, 라텍스 에멀젼 및 페놀계 수지로 구성된 군 중에서 선택되는 결합제를 더 포함하는 것인 인조 골재.
  12. 제7항에 있어서, F류 석탄 플라이 애쉬, C류 석탄 플라이 애쉬, N류 천연 포졸란 및 이들의 혼합물로 구성된 군 중에서 선택되는 플라이 애쉬 물질 0.1 내지 30중량%를 더 포함하는 것인 인조 골재.
  13. 제12항에 있어서, 상기 시멘트는 40 내지 50중량%의 범위로 존재하는 타입 I 포틀랜드 시멘트이고, 상기 산화 생성물은 40 내지 50중량%의 범위로 존재하는 베네쥬엘라의 오리노코 벨트에서 유래한 천연 아스팔트의 수성 에멀젼의 산화 생성물이며, 상기 플라이 애쉬 물질은 0.1 내지 20중량%의 범위로 존재하는 F류 석탄 플라이 애쉬인 것인 인조 골재.
  14. 제13항에 있어서, 유화 라텍스 결합제를 더 포함하는 것인 인조 골재.
  15. 고형물의 40 내지 50중량%의 범위로 존재하는 시멘트와, 고형물의 40 내지 50중량%의 범위로 존재하는 베네쥬엘라의 오리노코 벨트에서 유래한 천연 역청의 수성 에멀젼의 고형 산화 생성물을 포함하는 시멘트질 고형물, 규산나트륨 0.1중량% 이상, 및 0.1 내지 20중량%의 범위로 존재하는 F류 석탄 플라이 애쉬 물질을 포함하는 인조 골재와 포장 도로 건설용 역청질 조성물과의 배합물.
  16. 제15항에 있어서, 인조 골재 물질은 유화 라텍스 결합제를 더 포함하는 것인 배합물.
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