KR100933302B1 - 가열아스팔트용 2성분 복합섬유, 이를 이용한 섬유보강 가열아스팔트 혼합물과 그 생산방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 고속도로 및 일반국도 등 자동차 전용도로의 아스팔트 도로포장에 유리하게 이용할 수 있는 섬유보강 가열아스팔트 혼합물, 그 섬유보강 가열아스팔트 혼합물에 혼입되어 혼합물의 성능개선에 기여하는 2성분 복합섬유, 그리고 그 섬유보강 가열아스팔트 혼합물의 바람직한 생산방법에 관한 것이다.

본 발명에 따른 가열아스팔트용 2성분 복합섬유는, 160~170℃의 용융점을 가지는 열가소성 제1수지와 250~260℃의 용융점을 가지는 열가소성 제2수지를 혼합하여 성형되되, 인장강도가 2,500~10,000 kgf/㎠이며, 인장신도가 10~20%이며, 탄성계수가 30,000~300,000 kgf/㎠이며, 비중이 0.80~0.95이며, 두께가 0.3~0.5㎜이며, 길이가 20~60㎜이며, 폭이 (0.5~1.2)×N㎜(N은 자연수)이며, 폭방향으로 (N-1)로 등분되어 등분 위치의 상하부에 길이방향으로 연속하는 길이방향홈이 형성된 것을 특징으로 한다. 상기 열가소성 제1수지는 PP(Polyprophelene)를 바람직하게 채택할 수 있고, 상기 열가소성 제2수지는 PET(Polyethylene terephthalate)를 바람직하게 채택할 수 있다.

도로포장, 가열아스팔트, 2성분, 복합섬유, 소성변형, 피로균열

Description

가열아스팔트용 2성분 복합섬유, 이를 이용한 섬유보강 가열아스팔트 혼합물과 그 생산방법{Bicomponent Synthetic Fiber For Hot-Mix Asphalt, Fiber Reinforced Hot-Mix Asphalt Mixture and Production Method of the Asphalt Mixture}

본 발명은 고속도로 및 일반국도 등 자동차 전용도로의 아스팔트 도로포장에 유리하게 이용할 수 있는 섬유보강 가열아스팔트 혼합물과, 그 섬유보강 가열아스팔트 혼합물에 혼입되어 혼합물의 성능개선에 기여하는 2성분 복합섬유, 그리고 그 섬유보강 가열아스팔트 혼합물의 바람직한 생산방법에 관한 것이다.

통상 도로 위에는 차량 등이 원활하게 통행할 수 있도록 도 1과 같은 아스팔트 도로포장이 이루어진다.

도로포장은 공용기간 동안 차량하중 및 다양한 환경조건(동해, 우수 및 융빙제)에 직접적으로 노출되는 부재이기 때문에 다양한 결함 및 손상이 자주 발생한다. 도 2는 아스팔트 도로포장에서 발생하는 소성변형, 피로균열, 및 포트 홀 파 손 사진을 보여준다. 도 3은 외부 교통하중 작용에 따른 종래 포장체 단면내부에 분포하는 응력집중분석결과를 보여주는데, 도 2와 같은 파손은 도 3에서와 같이 반복적인 외부하중으로 인해 포장체 상부층 내 특정 부분(일반적으로 최상층 바닥 또는 표면으로부터 3-5cm 아래 지점)에 응력이 과다하게 집중됨에 따라 그 지점으로부터 진전되어 외부로 드러나게 된 것이다.

지금까지 아스팔트 포장도로의 공용수명을 연장하기 위해 다양한 연구가 이루어진 바 있으며, 대표적인 방법으로 화학적 개질재를 이용하는 방법과 격자형태의 토목섬유를 이용하는 방법이 있다.

화학적 개질재를 이용하는 방법은 아스팔트 바인더에 석유계(SBS 또는 SBR) 폴리머 입자를 용융시켜 아스팔트 바인더의 점도를 증대시킨 방법이다. 이 방법은 소성변형 등에 유리한 효과를 나타내기도 하지만, 과다한 비용, 품질관리의 어려움, 혼합물 생산 온도 증가에 따른 에너지 비용 증대, 저온에서 재료의 취성증대로 인한 균열 가능성 문제 등을 수반하여 실제 적용상에 어려움이 있다.

격자형태의 토목섬유를 이용하는 방법은 격자형태로 짜여 진 토목섬유를 중간 중간에 적층 시공한 방법이다. 이 방법은 균열 및 소성변형 등에 유리한 효과를 나타내지만, 시공과정이 복잡하여 공사기간이 길어지고 공사비가 상승하며, 또한 표층 내부에서 가장 큰 집중응력 또는 전단변형이 발생하는 경우에는 이에 대해 대응할 수 없다는 맹점이 있다.

본 발명은 상기한 종래 아스팔트 도로포장의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 경제적이면서 우수한 물리적인 특성을 가지는 섬유보강 가열아스팔트 혼합물을 제공하는데 기술적 과제가 있다.

또한, 본 발명은 섬유보강 가열아스팔트 혼합물 생산에 바람직하게 이용할 수 있음은 물론 경제적으로 간편하게 제작할 수 있는 2성분 복합섬유를 제공하는데 기술적 과제가 있다.

또한 본 발명은 섬유보강 가열아스팔트 혼합물의 바람직한 생산방법을 제공하는데 기술적 과제가 있다.

상기한 기술적 과제를 해결하기 위해 본 발명은 다음과 같은 기술적 특징을가지는 가열아스팔트용 2성분 복합섬유와, 그 복합섬유를 이용한 가열아스팔트 혼합물, 그리고 그 가열아스팔트 혼합물의 생산방법을 제공한다.

본 발명에 따른 가열아스팔트용 2성분 복합섬유는, 160~170℃의 용융점을 가지는 열가소성 제1수지와 250~260℃의 용융점을 가지는 열가소성 제2수지를 혼합하여 성형되되, 인장강도가 2,500~10,000 kgf/㎠이며, 인장신도가 10~20%이며, 탄성계수가 30,000~300,000 kgf/㎠이며, 비중이 0.80~0.95이며, 두께가 0.3~0.5㎜이며, 길이가 20~60㎜이며, 폭이 (0.5~1.2)×N㎜(N은 자연수)이며, 폭방향으로 (N-1)로 등분되어 등분 위치의 상하부에 길이방향으로 연속하는 길이방향홈이 형성된 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 섬유보강 가열아스팔트 혼합물은 골재와 침입도가 50~100인 아스팔트 바인더를 가열 혼합한 가열아스팔트 혼합물로서, 상기한 2성분 복합섬유를 혼입하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 섬유보강 가열아스팔트 혼합물 생산방법은, 상기한 2성분 복합섬유와 가열 골재를 플랜트 믹서에 투입하여 마른 비빔한 후 아스팔트 바인더를 플랜트 믹서에 투입하여 170~180℃에서 가열 혼합하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따르면 다음과 같은 효과를 기대할 수 있다.

첫째, 본 발명에 따른 2성분 복합섬유는 용융점이 서로 다른 열가소성 수지 2종류로 성형된 것이기 때문에, 이를 가열아스팔트 혼합물 생산과정에 이용하면 부착강도는 물론 인장 내지 전단강도에서 유리한 섬유보강 가열아스팔트 혼합물을 생산할 수 있다. 다시 말해, 2성분 복합섬유에서 낮은 용융점의 열가소성 제1수지(PP)는 일부 용융하여 아스팔트 바인더와의 분자결합을 유도하기 때문에 부착강도 발현에 기여하게 되고, 높은 용융점의 열가소성 제2수지(PET)는 섬유상태 그대로 유지되어 골재 간 맞물림 응력을 증대시키면서 브리지효과를 유도하기 때문에 인장 내지 전단강도 발현에 기여하게 된다.

둘째, 본 발명에 따른 섬유보강 가열아스팔트 혼합물은 인성 증대에 효과적이기 때문에 이를 도로포장에 이용하면 반복적인 교통하중에도 소성변형, 피로균 열, 및 포트 홀 등을 효과적으로 억제할 수 있으며, 이에 따라 도로포장의 공용연한을 증대시킬 수 있어 전반적으로 유지관리비를 절감할 수 있다.

셋째, 본 발명에 따른 섬유보강 가열아스팔트 혼합물은 2성분 복합섬유의 혼입으로 인장 내지 전단강도에서 유리하기 때문에 겨울철 저온 균열에 대한 저항성에도 유리한 효과를 발휘할 것이다.

본 발명은 가열아스팔트용 2성분 복합섬유와 이를 이용한 섬유보강 가열아스팔트 혼합물, 그리고 그 가열아스팔트 혼합물의 생산방법에 관한 것이다. 이하부터는 첨부된 도면과 바람직한 실시예에 따라 본 발명을 각각 구별하면서 설명한다.

1. 2성분 복합섬유

본 발명에 따른 2성분 복합섬유는 160~170℃의 용융점을 가지는 열가소성 제1수지와 250~260℃의 용융점을 가지는 열가소성 제2수지를 혼합하여 성형됨과 동시에 하기 [표 1]과 같은 물성조건을 가지며, 특히 폭방향으로 (N-1)로 등분되어 등분 위치의 상하부에 길이방향으로 연속하는 길이방향홈(11)이 형성된 것을 특징으로 한다.

2성분 복합섬유의 물성

인장신도	10~20%
탄성계수	30,000~300,000 kgf/㎠
인장강도	2,500~10,000 kgf/㎠
비중	0.80~0.95
두께	0.3~0.5㎜
길이	20~60㎜
폭	(0.5~1.2)×N㎜(N은 자연수)

본 발명에 따른 2성분 복합섬유는 용융점이 다른 2종류의 열가소성 수지를 기본적인 재료로 이용한다. 가열아스팔트 혼합물 생산과정에서 160~170℃의 용융점을 가지는 열가소성 제1수지는 용융되어 아스팔트와 분자결합함에 따라 아스팔트의 물성을 개선시키는 역할을 하고, 250~260℃의 용융점을 가지는 열가소성 제2수지는 섬유상태의 강도가 그대로 유지되어 가열아스팔트 혼합물의 내구적인 강도를 기계적으로 증대시키는 역할을 한다. 즉, 열가소성 제1수지의 용융으로 아스팔트 바인더의 인성(Toughness)을 증대시키고, 아울러 열가소성 제2수지의 형상 유지로 골재 간 맞물림 응력을 증대시키거나 골재 간 브리지 효과(Bridging Effect)를 유도시켜 가열아스팔트 혼합물의 전단 내지 인장강도를 증대시킨 것이다. 본 발명에서는 열가소성 제1수지로 내산성, 내염기성, 내알카리성이 우수하면서도 저렴한 폴리프로필렌(PP)을 제안하고, 열가소성 제2수지로 강도가 우수하면서도 저렴한 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET)를 제안한다. 열가소성 제1수지와 제2수지는 각각 재활용 소재를 이용할 수 있다.

특히, 본 발명에 따른 2성분 복합섬유는 80~95중량%의 열가소성 제1수지와 5~20중량%의 열가소성 제2수지를 혼합 성형하는 것이 바람직한데, 이는 가열아스팔트 혼합물의 요구특성을 고려한 것이다. 다시 말해, 가열아스팔트 혼합물은 각각의 재료가 고르게 분산되면서 혼합되어야 하고 아울러 충분한 부착강도와 전단 내지 인장강도를 가져야 하는데, 열가소성 제1수지가 많아지면 가열아스팔트 혼합물에서 2성분 복합섬유의 용융비율이 커짐에 따라 복합섬유의 엉킴현상이 줄어들어 가열아스팔트 혼합물의 믹싱이 편리해지는 한편 가열아스팔트 혼합물의 부착강도가 증대되지만 가열아스팔트 혼합물의 전단 내지 인장강도가 증대되기 어렵게 되고, 열가소성 제2수지가 많아지면 그 반대 작용이 나타나는 바, 위에서와 같은 2성분 복합섬유의 함량범위를 제안하고 있는 것이다.

나아가 본 발명은 가열아스팔트 혼합물의 용도에 따라 요구특성에서 차이가 있음을 감안하여, 표층용 가열아스팔트 혼합물에 사용할 2성분 복합섬유는 부착강도의 극대화를 위해 열가소성 제1수지 90~95중량%와 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET) 5~10중량%를 혼합 성형할 것을 제안하고, 기층용 가열아스팔트 혼합물에 사용할 2성분 복합섬유는 전단 내지 인장강도 극대화를 위해 열가소성 제1수지 80~90중량%와 열가소성 제2수지 20~10중량%를 혼합 성형할 것을 제안한다. 더욱 바람직하게는 하기 [표 2]와 같은 조성으로 혼합 성형하도록 한다.

사용용도에 따른 2성분 복합섬유의 수지 조성

용 도	열가소성 제1수지(PP)	열가소성 제2수지(PET)
표층용	95 %	5 %
중간층용	90 %	10 %
기층용	80 %	20 %

한편, 본 발명에 따른 2성분 복합섬유는 폭이 넓은 경우 길이방향홈(11)이 형성되는데, 2성분 복합섬유와 골재의 혼합과정에서 골재와의 마찰에 의해 2성분 복합섬유의 분리를 유도하는 역할을 한다(도 4(b) 참조). 이에 따라 넓은 폭의 2성분 복합섬유는 가열아스팔트 혼합물 속에서 그 한 가닥이 좁은 폭(0.5~1.2㎜ 정도의 폭)의 여러 가닥으로 분리되면서 확산 분포되며, 그 결과 2성분 복합섬유는 아스팔트 바인더와 접촉하는 비표면적이 증가되어 부착강도 개선에 효과를 발휘하게 된다.

도 4는 본 발명에 따른 2성분 복합섬유(10)를 보여주는 모식도인데, 상기 [표 1]의 물성에서 폭의 값에 따라 구별하여 보여주고 있다. 즉, 도 4(a)는 폭이 (0.5~1.2)×1㎜인 2성분 복합섬유로서 길이방향홈이 형성되지 아니한 예이고, 도 4(b)는 폭이 (0.5~1.2)×2㎜인 2성분 복합섬유로서 길이방향홈(11)이 1개 형성된 예이며, 도 4(c)는 폭이 (0.5~1.2)×3㎜인 2성분 복합섬유로서 길이방향홈(11)이 2개 형성된 예이다.

나아가 본 발명에 따른 2성분 복합섬유(10)는 길이방향 상하부면이 부분부분 눌리어 올록볼록 엠보싱(12)으로 형성되도록 제작되는 것이 바람직한데, 엠보싱(12)은 2성분 복합섬유의 절대 비표면적을 증대시켜 가열아스팔트 혼합물과의 부착력과 골재와의 마찰력 증대에 기여한다. 도 4에서는 마디 형태의 엠보싱(12)이 형성된 2섬유 복합섬유(10)를 보여주며, 이때 마디 형태의 엠보싱(12)은 2㎜간격 마다 형성되면 적당하다.

본 발명에 따른 2성분 복합섬유는 가열아스팔트 혼합물에 포함되는 골재 크기를 감안하여 그 길이가 결정되고(이웃하는 골재에 서로 걸쳐져 골재 간 브리지 효과를 유도할 수 있는 길이임), 가열아스팔트 혼합물의 포설두께를 감안하는 한편 소정의 비표면적 확보를 위해 그 두께가 결정되며, 가열아스팔트 혼합물의 생산과정에서 작업성(Workability)과 분산효과 등을 고려하여 그 폭이 결정되는데, 가열아스팔트 혼합물의 골재 최대치수에 따라 하기 [표 3]과 같은 규격이 가장 바람직하다.

가열아스팔트 혼합물의 골재 최대치수에 따른 2성분 복합섬유 규격

골재 최대치수(㎜)	섬유 길이 (mm)	섬유 폭 (mm)	섬유두께 (mm)	엠보싱 개수	길이방향홈 개수
13(표층용)	30	0.2	0.3-0.4	15	1
19(표층/중간층용)	40	1.5	0.3-0.4	20	1
25(중간층/기층용)	50	2	0.3-0.4	25	1

도 5는 본 발명에 따른 2성분 복합섬유를 실제 제작함에 있어 원재료(a)와 길이방향홈이 1개 형성되도록 완성된 제품(b)을 촬영한 사진이며, 도 6은 길이방향홈이 1개 형성된 도 5(b)의 2성분 복합섬유 제작에 이용된 성형노즐을 보여준다. 본 발명에 따른 2성분 복합섬유는 도 5와 같은 원재료를 혼합한 후 용융방사하여 제작할 수 있는데, 특히 길이방향홈은 도 6에서와 같이 가로 8자형의 방사노즐을 이용하여 형성시킬 수 있다.

2. 섬유보강 가열아스팔트 혼합물

본 발명에 따른 섬유보강 가열아스팔트 혼합물은 골재와 침입도가 50~100인 아스팔트 바인더를 가열 혼합한 가열아스팔트 혼합물로서, 앞서 살펴본 2성분 복합섬유를 혼입하는 것을 특징으로 한다. 침입도가 100보다 크면 소요 부착강도가 보장되지 않아 조기 소성변형이 발생할 가능성이 크고, 50보다 작으면 소성변형에는 유리할 수 있으나 시공성과 경제성에 한계가 있고 저온에서 취성이 커져 온도변화에 따른 균열이 발생할 가능성이 크므로, 본 발명에서는 침입도가 50~100인 아스팔트 바인더를 이용할 것을 제안한다.

본 발명에 따른 섬유보강 가열아스팔트 혼합물은 2성분 복합섬유의 혼입에 따른 작용으로 골재 간 맞물림 응력 증대, 골재 간 브리지 효과(Bridging Effect), 아스팔트 바인더의 인성(Toughness) 증대가 기대되며, 그 결과 본 발명에 따른 섬유보강 가열아스팔트 혼합물을 이용하여 도로공사를 실시하는 경우 소성변형, 피로균열, 포트 홀 파손 등의 문제 해결로 구조적 내구성능 증대효과와 함께 시공편리성과 경제성 등에서 유리한 효과가 기대된다.

본 발명에 따른 섬유보강 가열아스팔트 혼합물은 신설 아스팔트 도로포장의 표층 또는 기층에 사용 가능한 것은 물론, 기존 아스팔트 도로포장 또는 무근 콘크리트 도로포장 보수시 덧씌우기층 재료로서도 사용 가능하다. 특히 가로줄눈이 형성된 무근 콘크리트 도로포장에서 덧씌우기 보수에 이용하면, 일반 아스팔트 도로포장의 장점인 소음저하, 평탄성, 유지보수 용이성, 경제성 등의 효과를 기대할 수 있을 뿐만 아니라, 2성분 복합섬유 혼입에 의한 인성 증대에 따라 콘크리트 도로포장의 가로줄눈부에 주로 발생하는 반사균열을 억제할 수 있는 효과를 기대할 수 있다.

본 발명에 따른 섬유보강 가열아스팔트 혼합물은 그 사용용도에 따라 2성분 복합섬유와 골재를 적절하게 조절하여 사용하는 것이 바람직하다. 가령 섬유보강 가열아스팔트 혼합물을 표층용으로 사용한다면 부착강도의 극대화를 위해, 비중이 0.80-0.85이면서 길이가 20~40㎜인 2성분 복합섬유를 가열아스팔트 혼합물 1㎥당 6kg-7kg 혼입하도록 하고, 아울러 최대치수가 19㎜이면서 2.5㎜(No.8) 체 통과분이 5~20%인 개립도의 골재를 이용하도록 하며, 특히 2성분 복합섬유는 열가소성 제1수지(PP) 90~95중량%와 열가소성 제2수지(PET) 5~10중량%를 혼합하여 성형한 것을 이용하도록 한다. 한편 섬유보강 가열아스팔트 혼합물을 기층용으로 사용한다면 전단 내지 인장강도의 극대화를 위해, 비중이 0.85-0.90이면서 길이가 30~60㎜인 2성분 복합섬유를 가열아스팔트 혼합물 1㎥당 7kg-8kg 혼입하도록 하고, 아울러 최대치수가 25㎜이면서 2.5㎜(No.8) 체 통과분이 35~50%인 밀립도의 골재를 이용하도록 하며, 특히 2성분 복합섬유로 열가소성 제1수지(PP) 80~90중량%와 열가소성 제2수지(PET) 10~20중량%를 혼합하여 성형한 것을 이용하도록 한다. 이와 같이 표층용 혼합물에서보다 기층용 혼합물에서 비중이 더 크고 길이가 더 긴 2성분 복합섬유를 더 많은 양을 사용하고 있는데, 이는 2성분 복합섬유의 비중에 따른 분산 효과를 최적화하기 위함이다.

3. 섬유보강 가열아스팔트 혼합물 생산

본 발명에 따른 섬유보강 가열아스팔트 혼합물은, 2성분 복합섬유와 가열 골재를 플랜트 믹서에 투입하여 마른 비빔한 후 아스팔트 바인더를 믹서에 투입하여 170~180℃에서 가열 혼합하는 것을 특징으로 한다. 이때 2성분 복합섬유와 가열 골재는 플랜트 믹서(마른 비빔)에서 10~20초 먼저 혼합한 후 이어 아스팔트 바인더를 플랜트 믹서(젖은 비빔)에 투입하여 20~30초 혼합하는 과정으로 진행하면 적당하다. 이와 같이 본 발명에서는 2성분 복합섬유와 가열 골재를 마른 비빔으로 프리믹싱하는데, 이는 2성분 복합섬유를 골고루 분산시키면서 길이방향홈이 마련된 2성분 복합섬유를 여러 가닥으로 분리하기 위함이다. 다만 길이방향홈이 2개 이상인 2성분 복합섬유는 그 폭은 넓기 때문에 골재와의 혼합과정에서 쉽게 분리되지 않을 우려가 있는 바, 2개 이상의 길이방향홈을 가지는 2성분 복합섬유의 경우에는 일부 또는 전부를 분리한 상태에서 가열 골재와 마른 비빔하는 것이 바람직하다.

도 7과 도 8은 본 발명에 따른 2성분 복합섬유를 골재와 혼합할 때 골재 종류에 따른 골재의 입도분포도와 골재·섬유 혼합물의 입도분포모사도를 보여주는데, 도 7은 표층용 섬유보강 가열아스팔트 혼합물 생산을 위해 30㎜ 정도 길이의 2성분 복합섬유와 개립도의 골재를 혼합한 경우를 나타내며, 도 8은 기층용 섬유보강 가열아스팔트 혼합물 생산을 위해 40㎜ 정도 길이의 2성분 복합섬유와 밀립도의 골재를 혼합한 경우를 나타낸다. 보는 바와 같이 2성분 복합섬유는 골재 상호 간을 연결하는 브리지 형태로 배치된다.

도 9는 도 7과 도 8에 따른 입도분포의 골재·섬유 혼합물을 이용한 섬유보강 가열아스팔트 혼합물에 의한 아스팔트 도로포장의 단면구성을 보여준다. 일반적으로 노상 위에 동상방지층, 보조기층, 아스팔트 기층, 아스팔트 표층이 차례로 적층되는데, 본 발명에 따른 섬유보강 가열아스팔트 혼합물은 아스팔트 기층, 아스팔트 표층을 시공하는데 이용할 수 있다. 본 발명에 따른 섬유보강 가열아스팔트 혼합물로 도로포장을 하기 위해서는 먼저 생산된 혼합물을 품질을 유지시키면서 포설 작업시간에 맞춰 안전하게 포설현장으로 운반하도록 하며, 이때 혼합물의 품질유지를 위해서는 온도유지(150±10℃)가 중요하므로 온도저하를 방지하는 방수포나 특수 보온시트를 적절히 이용하면서 운반하도록 한다. 이어 포설현장으로 운반된 혼합물은 그 용도에 맞춰 도로에 포설하도록 하며, 다만 포설하기 전에 표면먼지 내지 기타 불순물을 완전하게 제거하고 아울러 포설 시에는 혼합물의 온도를 145±10℃를 유지할 수 있도록 주의한다. 한편 포설할 표면이 습윤 상태이거나, 오염물질, 우천 혹은 연무발생시, 기온이 5℃ 이하인 경우에는 시공을 중지하는 것이 바람직하다.

한편, 섬유보강 가열아스팔트 혼합물의 플랜트 생산에 앞서 도 10과 같이 생산계획을 수립하고 도 11과 같이 실내배합설계를 거쳐야 할 것인데, 생산계획과 실내배합설계는 종래의 가열아스팔트 혼합물에서와 동일하다.

이하에서는 실시예에 의거하여 본 발명에 대해 살펴본다. 다만, 실시예는 본 발명을 예시하기 위한 것일 뿐이며, 본 발명의 범위가 이로써 한정되는 것은 아니다.

[실시예1] 가열아스팔트용 2성분 복합섬유의 고온 열변형 특성

(1)시험방법

본 발명에 따른 2성분 복합섬유의 가열아스팔트 혼합물 생산 온도(170~190℃)에서 섬유형상 유지성능을 평가하기 위해 고온 열변형 특성을 시험하였으며, 고온 열변형 특성 시험은 실험실 오븐에 170℃에서 20분간 노출시키는 방법으로 진행하였다. 시험에 이용된 2성분 복합섬유는 하기 [표 4]와 같은 물리적 특성을 가지는 것이며, 동일한 길이와 두께 및 폭을 가지도록 1성분 PP 100%로 제작된 섬유와 비교하였다.

2성분 복합섬유

PP+PET 구성비	PP: 80%, PET 20 %
용융점(용융 시작 온도)	200±10℃
인장신도	15±5%
탄성계수	70,000±500 kgf/㎠
인장강도	5,000±500 kgf/㎠
비중	0.88
두께	0.3±0.05㎜
길이	30㎜
폭	1.0㎜

(2)시험결과

열변형 특성에 대한 시험결과는 도 12와 같이 나타났다. 도 12에서와 같이 1성분 PP 100% 섬유의 경우에는 섬유의 볼링(Balling) 현상이 발생되었으며, 본 발명에 따른 2성분 복합섬유의 경우에는 볼링 현상이 발생되지 않았다. 이와 같은 결과는 용융점이 높은 PET가 섬유의 형상 유지에 역할하기 때문에 파악된다.

열변형 특성 시험 결과에 따르면, 1성분 PP 섬유의 경우에는 가열아스팔트 혼합물에 혼입할 때 혼합물 내에서 섬유 볼링에 의한 응력집중 또는 브리지 효과 무발현으로 혼합물의 공용성능에 해로운 결과를 초래할 우려가 있는 반면, 본 발명에 따른 2성분 복합섬유의 경우에는 섬유 볼링이 발생하지 않기 때문에 아무런 문제가 없을 것이다.

[실시예2]섬유보강 가열아스팔트 혼합물의 물리적 특성

(1)시험방법

본 발명에 따른 2성분 복합섬유를 이용한 섬유보강 가열아스팔트 혼합물의 물리적 특성으로 인성 특성, 피로 특성 및 변형 특성을 확인하기 위해, 하기 [표 5]와 같은 특성을 가지도록 가열아스팔트 혼합물 시편을 제작한 후 간접인장강도(Indirect Tensile Strength) 시험, 피로시험 및 Creep 시험을 시행하였다. 다만 시편 제작에는 상기 [실시예1]에서의 [표 4]와 같은 2성분 복합섬유를 이용하였으며, 아울러 하기 [표 6] 및 [표 7]의 특성을 가지는 골재를 이용하였다.

시편 특성

아스팔트함량(%)	5.45
겉보기밀도(g/㎤)	2.376
이론최대밀도(g/㎤)	2.442
아스팔트용적(%)	12.79
공극률(%)	4.02
VMA(%)	14.3
포화도(%)	82.8
안정도(kg)	1550
흐름값(1/100cm)	36

골재의 입도 특성

체크기(㎜)	중량 통과 백분율(%)
	최소	최대	결정 통과 백분율
12.5	95	100	98
9.5	84	96	94
4.75	55	70	68
2.36	35	50	45
1.18	23	40	28
0.6	18	30	18
0.3	10	21	10
0.15	6	16	6
0.075	4	8	4

골재의 물성

구 분	골재 물성
밀도(절대건조)	2.41
흡수율(%)	2.5
편장석률(%)	12
안정성(%)	8
마모율(%)	28

(2)시험결과

혼합물 인성 특성은 시편에 50mm/min의 변형을 가하여 최종 파괴시까지의 응력과 변형 값으로 인성값(Toughness Index)을 구함으로써 확인하였으며, 이렇게 확인된 인성 특성은 도 13과 같이 간략하게 도시화할 수 있었다. 도 13에서와 같이 2성분 복합섬유의 혼입량이 많아질수록 인성 증대효과를 확인할 수 있으며, 특히 2성분 복합섬유를 혼합물 중량의 약 0.1%(1~2gram) 소량 첨가한 시편(B1)은 섬유를 혼입하지 아니한 시편(A)에 비해 약 15%의 인성 증대 효과가 나타났다.

피로 특성은 2성분 복합섬유를 0.1% 혼입한 시편(B1)과 섬유를 혼입하지 아니한 시편(A)에 대해 시편에 동적하중 1Hz(1초당 1회 하중 가함)로 시험한 결과로 확인하였으며, 이렇게 확인된 피로 특성은 도 14와 같이 나타났다. 도 14에서 보는 바와 같이 B1시편은 약 200회 하중 횟수 이후 파괴에 도달했으나, A시편은 1/2인 약 100회에서 파괴되었다.

변형 특성은 미국 AASHTO TP 9-CREEP 시험조건인 20℃에서의 1000초-Creep 시험을 통해 확인하였는데, 2성분 복합섬유를 0.1% 혼입한 시편(B1)과 섬유를 혼입하지 아니한 시편(A)에 대한 결과를 미국 SMART Road(SMART ROAD PG70-22: 화학적 개질 아스팔트 이용)에서 시험된 결과(시편 C)와 비교하여 도 15와 같이 나타냈다. 시험결과 도 15에서 보는 바와 같이 고비용의 용융 폴리머 분말로 개질된 아스팔트로 보강된 미국 SMART Road 시편(C)이 하중시간에 따른 변형정도가 가장 적은 것으로 나타났으나, 본 발명에 따른 섬유보강 가열아스팔트 혼합물에 의한 시편(B1)도 일반 시편(A) 비해서는 현저한 Creep 변형 감소를 보이는 것으로 나타났다.

도 1은 통상적인 아스팔트 도로포장의 단면구성을 보여준다.

도 2는 종래 아스팔트 도로포장의 파손 상태를 보여준다.

도 3은 아스팔트 도로포장에서 축하중 작용에 따른 응력분포와 전단변형분포를 보여준다.

도 4는 본 발명에 따른 2성분 복합섬유를 보여주는 모식도이다.

도 5는 본 발명에 따른 2성분 복합섬유를 실제 제작함에 있어 원재료(a)와 완성된 제품(b)을 촬영한 사진이다.

도 6은 도 5(b)의 2성분 복합섬유 제작에 이용된 성형노즐을 보여준다.

도 7과 도 8은 본 발명에 따른 2성분 복합섬유를 골재와 혼합할 때 골재 종류에 따른 골재의 입도분포도와 골재·섬유 혼합물의 입도분포모사도를 보여준다.

도 9는 도 7과 도 8에 따른 입도분포의 골재·섬유 혼합물을 이용한 섬유보강 가열아스팔트 혼합물에 의한 아스팔트 도로포장의 단면구성을 보여준다.

도 10은 본 발명에 따른 섬유보강 가열아스팔트 혼합물의 생산계획을 보여주는 계획순서도이다.

도 11은 도 10에서 섬유보강 가열아스팔트 혼합물의 배합설계과정을 보여주는 설계순서도이다.

도 12는 본 발명에 따른 2성분 복합섬유의 고온 열변형 특성에 대한 시험 결과를 나타낸다.

도 13 내지 도 15는 본 발명에 따른 섬유보강 가열아스팔트 혼합물의 물리적 특성에 대한 시험 결과를 나타낸다.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

10: 2성분 복합섬유

11: 길이방향홈

12: 엠보싱

Claims (11)

160~170℃의 용융점을 가지는 열가소성 제1수지와 250~260℃의 용융점을 가지는 열가소성 제2수지를 혼합하여 성형되되,

인장강도가 2,500~10,000 kgf/㎠이며,

인장신도가 10~20%이며,

탄성계수가 30,000~300,000 kgf/㎠이며,

비중이 0.80~0.95이며,

두께가 0.3~0.5㎜이며,

길이가 20~60㎜이며,

폭이 (0.5~1.2)×N㎜(N은 자연수)이며,

폭방향으로 (N-1)로 등분되어 등분 위치의 상하부에 길이방향으로 연속하는 길이방향홈(11)이 형성된 것을 특징으로 하는 가열아스팔트용 2성분 복합섬유(10).

제1항에서,

상기 2성분 복합섬유는 길이방향 상하부면이 부분부분 눌리어 올록볼록 엠보싱(12)으로 형성된 것을 특징으로 하는 가열아스팔트용 2성분 복합섬유(10).

제1항 또는 제2항에서,

상기 열가소성 제1수지는 80~95중량%, 상기 열가소성 제2수지는 5~20중량%로 혼합한 것을 특징으로 하는 가열아스팔트용 2성분 복합섬유(10).

제1항 또는 제2항에서,

상기 열가소성 제1수지는 폴리프로필렌(PP)이며,

상기 열가소성 제2수지는 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET)인 것을 특징으로 하는 가열아스팔트용 2성분 복합섬유(10).

골재와 침입도가 50~100인 아스팔트 바인더를 가열 혼합한 가열아스팔트 혼합물로서,

제1항 또는 제2항에 따른 2성분 복합섬유를 혼입하는 것을 특징으로 하는 섬유보강 가열아스팔트 혼합물.

제5항에서,

상기 2성분 복합섬유는 비중이 0.80-0.85이면서 길이가 20~40㎜인 것으로 가 열아스팔트 혼합물 1㎥당 6kg-7kg 혼입되며,

상기 골재는 최대치수가 19㎜이면서 2.5㎜(No.8) 체 통과분이 5~20%인 개립도의 골재인 것을 특징으로 하는 섬유보강 가열아스팔트 혼합물.

제6항에서,

상기 2성분 복합섬유는, 폴리프로필렌(PP) 90~95중량%와 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET) 5~10중량%를 혼합하여 성형된 것임을 특징으로 하는 섬유보강 가열아스팔트 혼합물.

제5항에서,

상기 2성분 복합섬유는 비중이 0.85-0.90이면서 길이가 30~60㎜인 것으로 가열아스팔트 혼합물 1㎥당 7kg-8kg 혼입되며,

상기 골재는 최대치수가 25㎜이면서 2.5㎜(No.8) 체 통과분이 35~50%인 밀립도의 골재인 것을 특징으로 하는 섬유보강 가열아스팔트 혼합물.

제8항에서,

상기 2성분 복합섬유는, 폴리프로필렌(PP) 80~90중량%와 폴리에틸렌테레프탈 레이트(PET) 10~20중량%를 혼합하여 성형된 것임을 특징으로 하는 섬유보강 가열아스팔트 혼합물.

제1항 또는 제2항에 따른 2성분 복합섬유와 가열 골재를 플랜트 믹서에 투입하여 마른 비빔한 후 아스팔트 바인더를 플랜트 믹서에 투입하여 170~180℃에서 가열 혼합하는 것을 특징으로 하는 섬유보강 가열아스팔트 혼합물 생산방법.

제10항에서,

상기 2성분 복합섬유와 가열 골재를 플랜트 믹서에서 10~20초 혼합한 후 아스팔트 바인더를 투입하여 20~30초 혼합하는 것을 특징으로 하는 섬유보강 가열아스팔트 혼합물 생산방법.

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