KR100949380B1 - Additive composition of warm-mix asphalt for low carbon dioxide green growth - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 중온 아스팔트 혼합물용 저탄소 첨가제에 대한 것이다. 본 발명은 폴리에틸렌계 왁스와 식물성 왁스를 사용함으로서 중온 아스팔트 혼합물의 혼합 및 다짐 온도를 낮추면서도 고온 소성변형 저항성을 향상시키고, 폴리에틸렌계 왁스를 사용함에 따른 저온물성 저하현상을 억제할 수 있는 중온 아스팔트 혼합물용 저탄소 첨가제에 관한 것이다.The present invention relates to a low carbon additive for mesophilic asphalt mixtures. The present invention uses a polyethylene wax and a vegetable wax to improve the resistance to high temperature plastic deformation while reducing the mixing and compacting temperature of the middle temperature asphalt mixture, and the middle temperature asphalt mixture that can suppress the low temperature property degradation caused by using the polyethylene wax. It relates to a low carbon additive for.
최근 녹색성장을 추구하면서 환경에 대한 관심이 높아짐에 따라 지구 온난화 방지를 위한 이산화탄소 방출 감소가 국제적인 관심 사항이 되고 있다. 이러한 이산화탄소 방출 감소는 지구 온난화 방지 외에도 탄소 배출권이란 상업적 가치를 창출할 수 있어서 관심을 끌고 있다. In recent years, with the growing interest in the environment in pursuit of green growth, the reduction of carbon dioxide emission to prevent global warming has become an international concern. In addition to preventing global warming, this reduction in carbon dioxide emissions is drawing attention as it can create a commercial value of carbon credits.
세계에서 가장 규모가 큰 네덜란드 암스텔담에 있는 '유럽기후거래소'에서 2006년 한해 동안 탄소 배출권이 4억 톤 이상 거래되었으며, 매년 50% 이상 탄소 배출권 거래규모가 증가하고 있어 탄소 배출권에 대한 관심이 증대되고 있다.More than 400 million tons of carbon credits were traded at the European Climate Exchange in Amsterdam, the world's largest in the year, and more than 50% of carbon credits were traded each year, increasing interest in carbon credits. have.
아스팔트 콘크리트(아스팔트 혼합물, 아스콘) 포장기술 분야에서도 이러한 분위기에 맞추어 이산화탄소 방출 감소에 대한 기술이 활발히 검토되고 있다.Asphalt concrete (asphalt mixture, asphalt concrete) pavement technology has been actively studied to reduce carbon dioxide emission in accordance with this atmosphere.
그 중 실용화 가능성 및 규모 면에서 가장 주목받고 있는 것이 아스팔트 콘크리트 포장 시공시의 혼합 및 다짐 온도를 낮출 수 있는 저탄소형 아스팔트 혼합물을 이용한 도로 포장기술 분야이다.Among them, the most attention in terms of practicality and scale is the field of road pavement technology using a low carbon type asphalt mixture that can lower the mixing and compaction temperature during asphalt concrete pavement construction.
통상 상기 아스팔트 혼합물(Asphalt Mixture)은 아스팔트 믹싱플랜트(Asphalt Mixing Plant)에 아스팔트(Asphalt), 골재(Aggregate), 채움재(Mineral Filler) 등을 투입한 후 이러한 재료들을 가열 및 혼합하여 제조된다.Typically, the asphalt mixture is prepared by adding asphalt, aggregate, filler, etc. to an asphalt mixing plant, and then heating and mixing these materials.
이에 아스팔트 혼합물은 160~200℃의 고온으로 가열되는 과정을 통해 제조되는데, 도로에 포설 및 다짐 되는 과정에서 상온으로 냉각되는 과정을 거치게 된다.The asphalt mixture is manufactured through a process of heating to a high temperature of 160 ~ 200 ℃, the process of cooling to room temperature in the process of laying and compaction on the road.
이때 아스팔트 혼합물 제조에 고온의 가열 과정이 필요한 이유는 아스팔트가 골재의 결합재로서 작용하도록 아스팔트(Asphalt)를 액상 화 시킬 필요가 있기 때문이다.The reason why the high temperature heating process is required for the production of asphalt mixture is that it is necessary to liquefy asphalt (Asphalt) in order for the asphalt to act as a binder of the aggregate.
즉, 도로포장에 주로 사용되는 아스팔트(Asphalt)는 석유계 아스팔트인데 이러한 석유계 아스팔트(주로 스트레이트 아스팔트(Straight Asphalt)가 이용되며 이러한 스트레이트 아스팔트를 통상 아스팔트 바인더라고도 지칭한다)는 제조공정상 흑색의 고체로 제조된다.Asphalt is mainly used for paving roads, and petroleum-based asphalt is mainly petroleum-based asphalt. (Straight Asphalt is mainly used. Such straight asphalt is commonly referred to as an asphalt binder.) Are manufactured.
이에 아스팔트(Asphalt)를 가열하여 액상화 시키고 이러한 액상화된 아스팔트의 접착력을 골재의 결합을 위해 사용하는 것이다.As a result, asphalt (Asphalt) is heated and liquefied, and the adhesion of the liquefied asphalt is used for bonding aggregates.
따라서, 도로 포장에 사용되는 아스팔트 혼합물은 가열 아스팔트 혼합물(Hot-Mix Asphalt Mixture, 간단하게 'HMA'라 지칭한다.)로 제조된다.Thus, the asphalt mixture used for pavement is made of a hot asphalt mixture (Hot-Mix Asphalt Mixture, simply referred to as 'HMA').
따라서 아스팔트 혼합물 제조를 위하여 아스팔트 혼합물을 고온으로 가열하기 위해 많은 에너지가 필요하게 되며, 아스팔트 혼합물의 시공 중에도 이산화탄소(CO2)등 유해가스 배출량이 많아지는 문제가 발생하게 된다.Therefore, a lot of energy is required to heat the asphalt mixture to a high temperature in order to manufacture the asphalt mixture, there is a problem that the emissions of harmful gases such as carbon dioxide (CO 2 ) increases during the construction of the asphalt mixture.
또한, 도로 포장시 포설 및 다짐 된 고온의 아스팔트 혼합물은 상온 가까이 냉각하는데 소요되는 시간만큼 교통개방시간이 지연되는 문제와 함께 작업자들이 안전사고의 위험에 노출된다는 문제가 있었다.In addition, the high-temperature asphalt mixture laid and compacted during pavement has a problem that workers are exposed to the risk of safety accidents along with the problem that the traffic opening time is delayed by the time required to cool near room temperature.
최근에는 이러한 문제들을 해결하고자 아스팔트의 온도민감성(감온성 이라고 한다)을 낮추어서 기존 가열 아스팔트 혼합물(HMA)보다 낮은 온도에서도 혼합, 다짐할 수 있는 중온 아스팔트 혼합물(Warm-Mix Asphalt Mixture, 간단하게 'WMA'라 지칭한다.)에 관한 연구가 활발하게 진행되고 있다. Recently, in order to solve these problems, Warm-Mix Asphalt Mixture (WMA), which can be mixed and compacted at a lower temperature than conventional heated asphalt mixture (HMA) by lowering the temperature sensitivity of the asphalt (called temperature sensitivity) Research is being actively conducted.
즉, 아스팔트와 골재의 혼합 및 다짐 온도를 낮추어서 아스팔트 혼합물 포장에 따른 이산화탄소 배출을 절감시키기 위한 연구가 활발히 진행되고 있다.In other words, research is being actively conducted to reduce carbon dioxide emissions due to asphalt mixture pavement by lowering the mixing and compaction temperature of asphalt and aggregate.
이러한 중온 아스팔트 혼합물(WMA)을 사용하는 도로 포장기술은 가열 아스팔트 혼합물(HMA)에 의한 종래 도로 포장기술에 대비하여 아스팔트 혼합물을 제조하기 위하여 필요한 온도보다 30~40℃ 낮은 110~150℃ 정도의 온도에서 아스팔트 혼합물을 제조할 수 있기 때문에,Road paving technology using such a medium temperature asphalt mixture (WMA) is 110 ~ 150 ℃ temperature 30 ~ 40 ℃ lower than the temperature required to prepare the asphalt mixture compared to the conventional road paving technology by heated asphalt mixture (HMA) Since asphalt mixtures can be prepared from
(1)아스팔트 혼합물의 생산 및 시공과정에서 각종 유해가스 발생을 억제할 수 있고,(1) It can suppress the generation of various harmful gases in the production and construction of asphalt mixtures,
(2)아스팔트 혼합물 생산과정 중 온실가스 주범인 석유계 연료를 약 30% 저 감할 수 있고,(2) It can reduce about 30% of petroleum fuel, which is the main culprit of greenhouse gas, in the production of asphalt mixture,
(3)아스팔트 혼합물의 시공 후 양생 시간 단축에 따라 빠른 교통 개방이 가능하고, (3) Fast opening of traffic is possible by shortening curing time after construction of asphalt mixture,
(4)시공 현장에서 유해 증기나 냄새가 발생하지 않아 작업자의 안전을 확보할 수 있는 등 많은 장점을 가진다.(4) It has many advantages, such as ensuring no worker's safety because no harmful vapor or odor occurs at construction site.
이러한 중온 아스팔트 혼합물(WMA) 포장 기술의 핵심 기저(Core Mechanism)는 아스팔트의 유동성 개선 즉, 골재의 결합제인 아스팔트의 최적 점도가 가열 아스팔트 혼합물(HMA) 보다, 되도록 낮은 온도에서 발현되고, 또한 최적 다짐도(Compaction Rate)도 되도록 낮은 온도에서 발현되도록 점도를 하강시키는 기술이다.The core mechanism of this medium-temperature asphalt mixture (WMA) paving technology is to improve the fluidity of asphalt, that is, the optimum viscosity of asphalt, which is a binder of aggregate, is expressed at a temperature as low as possible than the heated asphalt mixture (HMA), and also the optimum compaction degree. (Compaction Rate) It is a technique of lowering the viscosity to be expressed at a low temperature.
이 같은 점도 하강 기술은 1956년 최초로 미국 아이오와 주립대학교의 Ladis H.Csanyl 박사가 아스팔트에 스팀을 강제 주입하면서 아스팔트 내에 수분과 공기에 의한 발포 아스팔트를 형성시켜 아스팔트 내부의 응력을 낮춤으로써 점도를 하강시키는 기술을 소개한 바 있다.This viscosity-lowering technique was first introduced in 1956 by Dr. Ladis H.Csanyl of the University of Iowa, USA, by injecting steam into the asphalt to form a foamed asphalt with moisture and air in the asphalt to lower the viscosity by reducing the stress inside the asphalt. I introduced the technology.
최근에는 유럽을 중심으로 2000년부터 스팀 대신에 물을 주입하여 아스팔트를 강제 유화시켜 아스팔트의 점도를 하강시키는 기술과 이러한 물 대신에 제올라이트를 투입하여 제올라이트가 일정 온도에 도달하면(약 110℃ 이상) 아스팔트에 함습 되어 있는 물이 배출되면서 아스팔트를 유화시키는 폼-중온 아스팔트 혼합물(Foam-WMA)를 제조하는 기술로 발전 되었다.Recently, since 2000, Europe has been injecting water instead of steam and forced emulsification of asphalt to lower the viscosity of asphalt, and zeolite instead of water. It has been developed to produce a foam-medium asphalt mixture (Foam-WMA), which emulsifies the asphalt by discharging water moistened in the asphalt.
한편, 2005년 부터는 NCAT(National Center for Asphalt Technology)에서 왁 스류 즉, 피셔트로프슈(Fischer Tropsch Synthesis) 공법으로 제조된 사소비트(Sasobit) 왁스를 이용한 중온 아스팔트 혼합물(WMA)이 보고되어 있다.Meanwhile, since 2005, a medium temperature asphalt mixture (WMA) using sasobit wax manufactured by waxes, ie, Fischer Tropsch Synthesis, has been reported at the National Center for Asphalt Technology (NCAT).
통상 왁스(Wax)는 상온에서는 고체 상태이면서 온도를 높이면 유체로 변하는 분자량 수백 정도의 화합물인데 이러한 왁스는 아스팔트에 첨가되어 왁스의 용융온도 이상에서 아스팔트의 점도를 급격하게 떨어뜨리고, 용용온도 이하에서는 고화되는 특성이 있어 중온 아스팔트 혼합물의 효능을 증진시키기 위한 첨가제로서 사용된다.Normally, wax is a compound of several hundreds of molecular weight which is solid at room temperature and turns into a fluid when the temperature is increased. Such wax is added to asphalt to drastically reduce the viscosity of the asphalt above the melting temperature of the wax, and to solidify below the melting temperature. As a result, it is used as an additive to enhance the efficacy of mesophilic asphalt mixtures.
상기 폴리에틸렌계 왁스(Polyethylene Wax)는 폴리에틸렌의 제조 또는 처리 과정에서 부산물로 생성되는 왁스라 할 수 있으며, 특히 상기 사소비트(Sasobit) 왁스는 폴리에틸렌계 왁스 중 특히 피셔트로프슈법(Fischer Tropsch Synthesis) 공법으로 제조된 폴리에틸렌계 왁스이다.The polyethylene wax may be a wax produced as a by-product during the manufacture or processing of polyethylene. In particular, the sasobit wax may be a Fischer Tropsch Synthesis method among polyethylene waxes. Polyethylene wax produced.
이러한 폴리에틸렌계 왁스를 제조하는 방법은 3가지가 있다. There are three methods for producing such a polyethylene wax.
(1) 폴리에틸렌 수지를 만드는 과정에서 나오는 저분자량의 부산물로부터 폴리에틸렌계 왁스를 얻거나 (1) obtaining polyethylene wax from low molecular weight by-products from the process of making polyethylene resin, or
(2) 폴리에틸렌 수지를 열분해시켜 분자량을 감소시키는 방법으로 폴리에틸렌계 왁스를 제조하거나 (2) producing a polyethylene wax by thermal decomposition of the polyethylene resin to reduce the molecular weight;
(3) 피셔트로프슈(Fischer Tropsch synthesis) 공법으로 제조한다.(3) Prepared by Fischer Tropsch synthesis.
일반적으로 폴리에틸렌계 왁스의 물성은 그 화학구조에 있어서 주사슬의 선형성과 분자량에 의해 결정되는 것으로 알려져 있다. In general, it is known that the physical properties of polyethylene waxes are determined by the linearity and molecular weight of the main chain in the chemical structure.
즉 폴리에틸렌계 왁스의 주 사슬의 선형성이 클수록 분자 규칙성이 증가하여 결정화도가 향상되어 용융점, 경도 등의 물성이 높게 되며, 폴리에틸렌계 왁스의 분자량이 크면 용융점도 및 물리적 물성이 높은 폴리에틸렌계 왁스를 제조할 수 있음이 알려져 있다.In other words, the greater the linearity of the main chain of polyethylene wax, the higher the molecular regularity, the higher the crystallinity, the higher the physical properties such as melting point and hardness, and the higher the molecular weight of the polyethylene wax, the higher the melt viscosity and physical properties. It is known that it can be done.
이에 폴리에틸렌 수지를 만드는 과정에서 나오는 부산물이나 폴리에틸렌 수지를 열분해를 통해 얻은 폴리에틸렌 왁스는 피셔트로프슈 공법에 의해 제조된 폴리에틸렌 왁스에 비해 그 주 사슬의 선형성이 떨어져 물리적 물성을 향상시키려면 용융점도가 높아져 중온 아스팔트 혼합물(WMA)의 첨가제로 사용이 제한적이었다.As a result, polyethylene waxes obtained by pyrolysis of by-products or polyethylene resins in the process of making polyethylene resins have a lower melt linearity compared to polyethylene waxes produced by the Fischer Ropsch process to improve physical properties. The use as an additive in asphalt mixtures (WMA) has been limited.
하지만 피셔트로프슈(Fischer Tropsch Synthesis)공법으로 제조된 사소비트(Sasobit) 왁스는 그 분자 구조가 노르말 알칸(n-alkane) 구조가 90% 이상을 차지하므로 다른 방법으로 제조된 왁스들과 비교하여 가지가 적은 긴 선형 구조(Long Chin Aliphatic Hydrocarbon)를 가지고 있다. However, Sasobit wax manufactured by Fischer Tropsch Synthesis process has more than 90% of its normal alkane structure, so compared to waxes produced by other methods. Has a long linear structure (Long Chin Aliphatic Hydrocarbon).
따라서 사소비트(Sasobit) 왁스는 다른 폴리에틸렌계 왁스보다 저탄소 첨가제로서 적합한 물성을 보이게 된다.Therefore, Sasobit wax shows better physical properties as a low carbon additive than other polyethylene waxes.
이에, 피셔트로프슈(Fischer Tropsch Synthesis) 공법으로 제조된 사소비트(Sasobit) 왁스는 중온 아스팔트 혼합물에 있어 매우 효과적인 저탄소 첨가제로서 사용되어 왔다.Thus, Sasobit wax prepared by Fischer Tropsch Synthesis process has been used as a very effective low carbon additive in mesophilic asphalt mixtures.
하지만 이러한 사소비트(Sasobit) 왁스와 같은 폴리에틸렌계 왁스는 소성변형(Rutting,Permanent Deformation) 저항성과 같은 고온 특성은 매우 우수한 반면, 장기간의 노화 후 아스팔트의 경우 강성(stiffness)이 증가하는 한편 강성의 변화율(m-value)이 감소하는 것으로 나타나 아스팔트의 신축성이 저하됨에 따라 전 반적으로 아스팔트의 저온 물성이 저하됨을 알 수 있었다.However, polyethylene waxes such as Sasobit wax have very high temperature characteristics such as resistance to plastic deformation (Rutting, Permanent Deformation), while the stiffness increases and the stiffness change rate of asphalt after prolonged aging. As m-value was decreased, it was found that the low-temperature properties of asphalt generally decreased as the elasticity of asphalt decreased.
이에 종래의 폴리에틸렌계 왁스는 아스팔트 혼합물의 저온균열(Low Temperature Crack, 주로 겨울철에 발생하는 것으로서 아스팔트 혼합물에 의한 포장층의 온도 분포의 불균형 현상에 의하여 포장층의 상부로부터 발생하여 하부로 진전되는 균열로서 포장의 횡방향으로 발생하는 특징이 있다)을 일으키는 요인으로 작용할 우려가 크다는 문제점이 있어 폴리에틸렌계 왁스를 첨가제로 사용하는 중온 아스팔트 혼합물(WMA)에 있어 저온물성 저하문제를 개선할 필요성이 있었다.Accordingly, the conventional polyethylene wax is a low temperature crack of the asphalt mixture, which occurs mainly in winter, and is generated from the top of the pavement layer due to an unbalance of the temperature distribution of the pavement layer due to the asphalt mixture. There is a problem that there is a high possibility of acting as a factor causing the lateral characteristics of the pavement), there is a need to improve the problem of low temperature properties in the medium temperature asphalt mixture (WMA) using polyethylene wax as an additive.
본 발명은 상기한 종래의 문제점을 해결하기 위하여, 사소비트(Sasobit) 왁스와 같이 피셔트로프슈 공법으로 제조된 폴리에틸렌계 왁스뿐만 아니라 다른 방법으로 제조된 폴리에틸렌계 왁스를 이용하는 중온 아스팔트 혼합물의 저온물성 저하현상을 방지할 수 있는 새로운 중온 아스팔트 혼합물용 저탄소 첨가제를 제안한다.The present invention, in order to solve the above-mentioned problems, lowering the low temperature properties of the medium temperature asphalt mixture using polyethylene wax prepared by Fischer Ropsch method, such as Sasobit wax, as well as polyethylene wax prepared by other methods We propose a new low carbon additive for medium temperature asphalt mixture that can prevent the phenomenon.
이로서, 중온 아스팔트 혼합물(WMA)의 혼합 및 다짐온도를 효과적으로 낮출 수 있도록 하여 아스팔트 혼합물을 이용한 도로 포장 시공시 요구되는 가열에너지를 절감하여 이산화탄소 배출량의 절감 및 이로 인한 녹색성장의 토대를 마련할 수 있도록 한다.Thus, it is possible to effectively lower the mixing and compaction temperature of the medium-temperature asphalt mixture (WMA) to reduce the heating energy required when paving the road using the asphalt mixture to reduce the carbon dioxide emissions and thereby lay the foundation for green growth do.
상기 기술적 과제를 달성하기 위하여 본 발명은 이산화탄소 배출량을 절감할 수 있도록 제조된 중온 아스팔트 혼합물용 저탄소 첨가제를 제시하며 이러한 저탄소 첨가제는 중온 아스팔트 혼합물(WMA)에 첨가되는 폴리에틸렌계 왁스에 식물성 왁스를 소정 중량부 혼합하게 된다.In order to achieve the above technical problem, the present invention provides a low carbon additive for a medium temperature asphalt mixture prepared to reduce carbon dioxide emissions, and the low carbon additive has a predetermined weight of vegetable wax in the polyethylene wax added to the medium temperature asphalt mixture (WMA). Submixing.
이에 본 발명에 따른 중온 아스팔트 혼합물용 저탄소 첨가제는, 바람직하게는 폴리에틸렌계 왁스와 식물성 왁스가 20:1 내지 1:2의 중량 비율로 혼합하여 제도되며, 상기 저탄소 첨가제는 오일을 더 함유하며, 상기 폴리에틸렌계 왁스와 상기 오일의 중량 비율은 20:1 내지 2:1이 되도록 하였다.The low carbon additive for mesophilic asphalt mixture according to the present invention is preferably drawn by mixing a polyethylene wax and a vegetable wax in a weight ratio of 20: 1 to 1: 2, the low carbon additive further contains an oil, The weight ratio of the polyethylene wax and the oil was 20: 1 to 2: 1.
또한 바람직하게는, 상기 폴리에틸렌계 왁스는 융점이 95℃ 내지 125℃이고, 140℃ 용융점도가 400cPs(Centipoise) 이하로 한다.Also preferably, the polyethylene wax has a melting point of 95 ° C to 125 ° C and a melting point of 140 ° C of 400 cPs (Centipoise) or less.
또한 바람직하게는, 상기 식물성 왁스는 야자열매에서 추출한 팜 오일로부터 제조한 팜 왁스 또는 상기 팜왁스를 수산화 나트륨(NaOH) 및 스테아린산(CH3(CH2)16COOH)과 용융반응 시킨 개질 팜왁스 중 적어도 하나로 한다.Also preferably, the vegetable wax is a palm wax prepared from palm oil extracted from coconut or modified palm wax in which the palm wax is fused with sodium hydroxide (NaOH) and stearic acid (CH 3 (CH 2 ) 16 COOH). At least one.
또한, 바람직하게는, 상기 개질 팜왁스의 경우, 상기 팜왁스와 상기 수산화 나트륨(NaOH)의 중량 비율은 100:3.5 내지 100:4.0이고, 상기 팜왁스와 상기 스테아린산의 중량 비율은 100:16.0 내지 100:27.5이다.Preferably, in the case of the modified palm wax, the weight ratio of the palm wax and the sodium hydroxide (NaOH) is 100: 3.5 to 100: 4.0, the weight ratio of the palm wax and the stearic acid is 100: 16.0 to 100: 27.5.
또한 바람직하게는 상기 팜왁스는 융점이 55℃ 내지 65℃이고, 상기 개질 팜왁스는 융점이 80℃ 내지 110℃이다.Also preferably, the palm wax has a melting point of 55 ° C to 65 ° C and the modified palm wax has a melting point of 80 ° C to 110 ° C.
또한 바람직하게는 상기 오일은 40℃ 동점도(Kinematic Viscosity)가 20 내지 300cSt(센티스토크스, ㎟/s)이다.Also preferably, the oil has a Kinematic Viscosity of 40 ° C of 20 to 300 cSt (centistokes, mm 2 / s).
본 발명에 따르면, 종래 피셔트로프슈법으로 제조된 폴리에틸렌계 왁스뿐만 아니라 다른 방법으로 제조된 폴리에틸렌계 왁스를 이용하여 효과적인 중온 아스팔트 혼합물(WMA) 제조가 가능하게 된다.According to the present invention, it is possible to produce an effective medium temperature asphalt mixture (WMA) by using a polyethylene wax prepared by other methods as well as a polyethylene wax manufactured by the conventional Fischer rope shoe method.
또한 본 발명에 따르면, 폴리에틸렌계 왁스 제조시 식물성 왁스를 첨가함으로 인해 폴리에틸렌계 왁스를 사용한 중온 아스팔트 혼합물(WMA)의 문제점인 저온물성 저하현상을 방지할 수 있다. In addition, according to the present invention, by the addition of the vegetable wax in the production of polyethylene wax it is possible to prevent the low temperature property degradation phenomenon of the medium temperature asphalt mixture (WMA) using the polyethylene wax.
또한, 본 발명에 따르면, 상기 폴리에틸렌계 왁스 및 식물성 왁스를 포함하 는 첨가제를 이용하여 중온 아스팔트 혼합물을 제조하면, 용융시간이 길지않아 프리믹스타입은 물론 플랜트믹스타입으로 빠른 시간내에 아스팔트를 생산할 수 있어 아스팔트 혼합물 제조시 필요한 가열에너지를 절감할 수 있어 지구 온난화의 주범인 이산화탄소 발생량을 현저하게 감축시킬 수 있다.In addition, according to the present invention, if the medium-temperature asphalt mixture is prepared using the additive including the polyethylene wax and the vegetable wax, the melting time is not long, as well as the premix type as well as the plant mix type can produce asphalt in a short time The heating energy required for the manufacture of asphalt mixtures can be reduced, significantly reducing the amount of carbon dioxide that is the main culprit of global warming.
나아가 아스팔트 혼합물 포설 및 다짐에 의한 시공시 발생하는 각종 유해가스 발생을 억제하면서 아스팔트 혼합물에 의한 아스팔트 콘크리트 포장공사를 수행할 수 있다.Furthermore, it is possible to perform asphalt concrete pavement construction by asphalt mixture while suppressing generation of various harmful gases generated during construction and installation of asphalt mixture.
이하, 본 발명에 의한 중온 아스팔트 혼합물용 저탄소 첨가제를 구제적으로 살펴보도록 한다.Hereinafter, the low-carbon additive for mesophilic asphalt mixture according to the present invention will be described in detail.
본 발명은 가열 아스팔트 혼합물(HMA)의 혼합 및 다짐온도를 낮출 수 있도록 아스팔트, 첨가제, 골재 등을 혼합하여 제조되는 중온 아스팔트 혼합물(WMA)에 사용되는 것으로서, 중온 아스팔트 혼합물에 사용되는 상기 아스팔트에 첨가되는 저탄소 첨가제에 관한 것이다.The present invention is used in the medium temperature asphalt mixture (WMA) prepared by mixing the asphalt, additives, aggregates, etc. to lower the mixing and compaction temperature of the heated asphalt mixture (HMA), and added to the asphalt used in the medium temperature asphalt mixture To a low carbon additive.
이때 상기 저탄소 첨가제는 아스팔트의 물리적 특성을 개질시키기 위한 것으로서 피셔트로프슈(Fischer Tropsch Synthesis) 공법에 의한 폴리에틸렌계 왁스가 기본적으로 이용된다.In this case, the low carbon additive is used to modify physical properties of asphalt, and a polyethylene wax by Fischer Tropsch Synthesis is basically used.
이러한 폴리에틸렌계 왁스를 사용하여 중온 아스팔트 혼합물(WMA)을 제조하면 골재와 아스팔트를 혼합하거나 중온 아스팔트 혼합물의 다짐시 필요한 유동성을 확보할 수 있어 아스팔트 작업온도를 낮출 수 있을 뿐만 아니라 고온물성을 향상시 킬 수 있게 된다. The production of medium temperature asphalt mixture (WMA) using such polyethylene wax can ensure the required fluidity when mixing aggregate and asphalt or compaction of medium temperature asphalt mixture, which not only lowers the working temperature of the asphalt but also improves the high temperature properties. It becomes possible.
이때 본 발명에 의한 상기 폴리에틸렌계 왁스는 융점이 95℃ 내지 125℃이고, 140℃에서의 용융점도가 400cPs(Centipoise) 이하이어야 한다.In this case, the polyethylene wax according to the present invention has a melting point of 95 ° C to 125 ° C and a melt viscosity of 140 ° C or less of 400 cPs (Centipoise).
만약, 상기 폴리에틸렌계 왁스의 융점이 95℃보다 낮으면 아스팔트와 혼합시 아스팔트의 강성이 약해질 수 있고, 용융온도가 125℃보다 높으면 중온 아스팔트 혼합물 제조단계에서 충분한 용해가 일어나지 않아 문제가 될 수 있으며, 140℃에서의 용융점도가 400cPs보다 높으면 아스팔트의 점도가 너무 높아 아스팔트 혼합물의 중온화를 달성할 수 없게 되기 때문이다.If the melting point of the polyethylene wax is lower than 95 ℃, the stiffness of the asphalt may be weakened when mixed with asphalt, and if the melting temperature is higher than 125 ℃ may not be a sufficient dissolution in the intermediate temperature mixture manufacturing step may be a problem. When the melt viscosity at 140 ° C. is higher than 400 cPs, the viscosity of the asphalt is so high that the neutralization of the asphalt mixture cannot be achieved.
한편, 앞서 살펴본 것과 같이 중온 아스팔트 혼합물에 의한 성능 개선을 얻기 위해 피셔트로프슈법에 의해 제조된 긴 선형 구조(Long Chin Aliphatic Hydrocarbon)를 갖는 폴리에틸렌계 왁스만을 사용해야 한다면, 왁스 선택에 있어 제한을 받을 뿐만 아니라 저온균열이 발생되는 저온물성 저하를 초래한다.On the other hand, if only the polyethylene-based wax having a long linear structure (Long Chin Aliphatic Hydrocarbon) manufactured by the Fischer Rope shoe method to obtain the performance improvement by the medium temperature asphalt mixture as described above, not only limited to the wax selection Low temperature cracks result in lowered physical properties.
따라서, 폴리에틸렌계 왁스의 선택 제한을 해소하고 고온특성을 유지하면서 상기 저온물성 저하를 방지하기 위하여 다른 물질을 추가할 필요가 있다.Therefore, it is necessary to add another material in order to remove the limitation of the polyethylene-based wax and to prevent the low temperature properties while maintaining the high temperature characteristics.
이에 본 발명은 중온 아스팔트 혼합물용 첨가제의 구성물질로 식물성 왁스를 첨가한다.Accordingly, the present invention adds a vegetable wax as a constituent of the additive for a moderate temperature asphalt mixture.
즉, 폴리에틸렌계 왁스와 식물성 왁스를 포함하는 저탄소 첨가제를 이용하여 중온 아스팔트 혼합물(아스팔트 콘크리트)를 제조하여 저온물성 저하를 방지할 수 있도록 한 것이다.In other words, by using a low carbon additive containing a polyethylene wax and a vegetable wax to prepare a medium-temperature asphalt mixture (asphalt concrete) to prevent the lowering of physical properties.
이때, 상기 중온 아스팔트 혼합물용 첨가제를 구성하는 식물성 왁스는 폴리 에틸렌계와 식물성 왁스가 20:1 내지 1:2의 중량 비율로 함유되도록 하되 바람직하게는 5:1 내지 1:2인 것이 좋다. At this time, the vegetable wax constituting the additive for the warm asphalt mixture is to be contained in a weight ratio of 20: 1 to 1: 2 of the polyethylene-based and vegetable wax, but preferably 5: 1 to 1: 2.
예컨대, 식물성 왁스는 상기 폴리에틸렌계 왁스 100 중량부에 대하여 5 내지 200중량부, 바람직하게는 20 내지 200 중량부인 것이 바람직하다.For example, the vegetable wax is preferably 5 to 200 parts by weight, preferably 20 to 200 parts by weight based on 100 parts by weight of the polyethylene wax.
그 이유는 상기 식물성 왁스의 중량이 5 중량부 미만이면 중온 아스팔트 혼합물(WMA)의 저온물성 개선이 어렵고, 200 중량부를 초과하면 중온 아스팔트 혼합물(WMA)의 고온물성이 나빠지기 때문이다.The reason is that when the weight of the vegetable wax is less than 5 parts by weight, it is difficult to improve the low temperature properties of the medium temperature asphalt mixture (WMA), and when it exceeds 200 parts by weight, the high temperature properties of the medium temperature asphalt mixture (WMA) are deteriorated.
상기 식물성 왁스는 중온 아스팔트 혼합물(WMA)의 저온물성 개선 등을 위하여 사용되는 것이므로, 당해 분야에서 일반적으로 사용되는 식물성 왁스이면 무방하나, 야자열매에서 추출한 식물성 야자유에서 얻은 왁스를 수첨 공정을 통해 얻은 팜 왁스인 것이 바람직하다.Since the vegetable wax is used for improving the low temperature properties of the medium-temperature asphalt mixture (WMA), the vegetable wax may be a vegetable wax generally used in the art, but the palm wax obtained from the vegetable palm oil extracted from the coconut is obtained through a hydrogenation process. It is preferable that it is a wax.
상기 수첨 공정을 통해 얻어지는 팜 왁스의 용융온도는 55~65℃ 이다.The melting temperature of the palm wax obtained through the hydrogenation process is 55 ~ 65 ℃.
한편, 상기 팜 왁스는 용융점이 낮아 아스팔트와 혼합시 물성향상 효과가 제한적일 수 있다. 따라서, 팜 왁스의 용융점을 높이기 위하여 수산화 나트륨(NaOH)과 스테아린산(CH3(CH2)16COOH)으로 개질한 팜 왁스를 사용하는 것이 바람직하다.On the other hand, the palm wax has a low melting point may have a limited effect of improving physical properties when mixed with asphalt. Therefore, in order to increase the melting point of palm wax, it is preferable to use palm wax modified with sodium hydroxide (NaOH) and stearic acid (CH 3 (CH 2 ) 16 COOH).
상기 팜 왁스를 개질하는 방법에 대하여 보다 상세히 설명하면, 먼저 200℃를 유지하는 교반기가 부착된 반응기에 팜 왁스를 투입하여 용융 시킨다.The method for reforming the palm wax will be described in more detail. First, palm wax is added to a reactor to which a stirrer is maintained at 200 ° C. to melt the palm wax.
팜 왁스를 용융시킨 후, 수산화나트륨(NaOH)을 팜 왁스 100 중량부 대비 3.5~4.0 중량부 추가로 투입하여 30분간 교반하면 아래와 같은 화학반응이 진행되 어 지방산(RCOOH)이 생성된다.After melting the palm wax, sodium hydroxide (NaOH) is added 3.5 ~ 4.0 parts by weight to 100 parts by weight of palm wax and stirred for 30 minutes, the following chemical reaction proceeds to produce fatty acids (RCOOH).
여기서, R1, R2, R3는 탄소가 12~16개인 알킬기이다.Here, R1, R2 and R3 are alkyl groups having 12 to 16 carbons.
생성된 상기 지방산은 수산화나트륨과 아래와 같은 2차 화학반응을 하여 용융점이 높은 나트륨염(sodium salt)을 형성하게 된다.The produced fatty acid is subjected to a secondary chemical reaction with sodium hydroxide to form a sodium salt having a high melting point.
여기서, R1, R2, R3는 탄소가 12~16개인 알킬기이다.Here, R1, R2 and R3 are alkyl groups having 12 to 16 carbons.
개질 팜 왁스의 용융점을 더 높이기 위하여 팜왁스 100 중량부 대비 16.0~27.5 중량부의 스테아린산을 투입한 다음 2시간 정도 교반하면 아래 화학반응식과 같이 스테아린산은 수산화 나트륨과 반응하여 나트륨 스테아린산이 생성된다.In order to further increase the melting point of the modified palm wax, 16.0 to 27.5 parts by weight of stearic acid is added to 100 parts by weight of palm wax, and then stirred for about 2 hours. Thus, stearic acid reacts with sodium hydroxide to produce sodium stearic acid.
여기서, R4는 스테아린이다.Where R4 is stearin.
개질 결과, 아래와 같이 나트륨염 및 미반응 팜왁스가 혼합된 용융점 80~110 ℃의 개질 팜 왁스가 최종적으로 생성된다.As a result of the modification, a modified palm wax at a melting point of 80 to 110 ° C. in which sodium salt and unreacted palm wax were mixed as follows is finally produced.
여기서, R1, R2, R3는 탄소가 12~16개인 알킬기이고, R4는 스테아린이다.Here, R1, R2 and R3 are alkyl groups having 12 to 16 carbons, and R4 is stearin.
상기 저탄소 첨가제 제조시 상기 팜왁스 및 개질 팜왁스는 단독 또는 혼합하여 사용할 수 있다.When producing the low carbon additive, the palm wax and the modified palm wax may be used alone or in combination.
한편, 아스팔트 혼합물의 점도를 더욱 낮추어 중온화를 용이하게 달성하기 위하여 상기 저탄소 첨가제에 오일을 더 추가하는 것이 바람직하다. On the other hand, it is preferable to further add oil to the low carbon additive in order to further lower the viscosity of the asphalt mixture to achieve mesothermalization.
추가되는 오일은 40℃에서의 동점도(Kinematic Viscosity)가 20 내지 300cSt인 파라핀 및 나프탄계 오일로서, 폴리에틸렌계 왁스 100 중량부에 대하여 5 내지 50 중량부로 추가되는 것이 바람직하다. The oils to be added are paraffinic and naphtanic oils having a kinematic viscosity at 40 ° C. of 20 to 300 cSt, and preferably 5 to 50 parts by weight based on 100 parts by weight of polyethylene wax.
오일 함량이 50 중량부를 초과하면 아스팔트 혼합물의 점도는 낮아지지만 아스팔트 혼합물의 고온 물성이 나빠지고, 오일 함량이 5 중량부를 미만이면 아스팔트 혼합물의 점도 저하 효과 크지 않기 때문이다.If the oil content is more than 50 parts by weight, the viscosity of the asphalt mixture is lowered, but the high temperature properties of the asphalt mixture are worse, and if the oil content is less than 5 parts by weight, the effect of reducing the viscosity of the asphalt mixture is not great.
이하 본 발명을 실험예에 의거하여 더욱 상세하게 설명한다. 다만, 하기 실험에는 본 발명을 예시하는 것일 뿐 본 발명의 범위가 하기 실험예에 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail based on experimental examples. However, the following experiments are merely illustrative of the present invention, and the scope of the present invention is not limited to the following experimental examples.
[실험예]Experimental Example
(1) 실험재료 (1) Experimental material
AP: 침입도 등급 60~80인 아스팔트로 침입도 70인 아스팔트AP: Asphalt with 60 Penetration Grade 60 to 80 Penetration
PE-M : 용융점 114℃이고 140℃점도가 200cps이고 비중이 0.93인 폴리에틸렌왁스PE-M: polyethylene wax with melting point 114 ℃, 140 ℃ viscosity 200cps and specific gravity 0.93
PE-H : 용융점 115℃이고 140℃점도가 800cps이고 비중이 0.93인 폴리에틸렌왁스PE-H: polyethylene wax with melting point 115 ℃, 140 ℃ viscosity 800cps and specific gravity 0.93
Sasobit : 용융점 112℃이고 140℃점도가 40cps인 Sasol에서 나오는 폴리에틸렌 왁스(상표명 sasobit)Sasobit: Polyethylene wax from Sasol with melting point 112 ℃ and 140 ℃ viscosity 40cps (trade name sasobit)
Palm : 용융점 60℃이고 140℃점도가 6cps인 야자열매로부터 추출한 팜 왁스Palm: Palm wax extracted from coconut with melting point of 60 ℃ and viscosity of 6 ℃
M-palm : 팜왁스 76.2%, 수산화나트륨 3.8%, 스테아린산 20.0% 으로 반응시켜 얻은 용융점 100℃이고 140℃점도가 15cps인 개질 팜 왁스M-palm: A modified palm wax having a melting point of 100 ° C. and a viscosity of 15 cps at 140 ° C. obtained by reacting with palm wax 76.2%, sodium hydroxide 3.8% and stearic acid 20.0%.
Oil : 40℃ 동점도가 100 cSt인 파라핀계 오일Oil: Paraffinic oil with 40 ℃ kinematic viscosity of 100 cSt
(2) 중온 아스팔트 혼합물용 저탄소 첨가제 제조(2) Preparation of Low Carbon Additives for Medium Temperature Asphalt Mixtures
상기 저탄소 첨가제는 1L 반응기에 폴리에틸렌 왁스, 팜왁스 및 오일 등을 300g 정도 넣고 180℃에서 가열하여 용융시킨 다음 교반기로 20분 용융 혼합하여 제조하였다. 용융 혼합된 첨가제를 3L의 냉각수에 떨어뜨려 냉각시켜 1~2mm 정도 크기의 첨가제를 얻었다.The low carbon additive was prepared by adding about 300 g of polyethylene wax, palm wax, oil, etc. to a 1L reactor, heating and melting at 180 ° C., followed by melt mixing for 20 minutes with a stirrer. The melt-mixed additive was dropped into 3 L of cooling water and cooled to obtain an additive having a size of about 1 to 2 mm.
이렇게 제조된 실시예 및 비교예 저탄소 첨가제의 조성비를 [표 1]과 [표 2]에 나타내었다. 하기 표들은 PHR(PER HUNDRED RESIN)를 기준으로 나타낸 것이다.The composition ratios of the examples and comparative examples low carbon additive thus prepared are shown in [Table 1] and [Table 2]. The following tables are shown based on PHR (PER HUNDRED RESIN).
이와 같이 제조된 상기 비교예 1 내지 6의 특성을 살펴보면 아래 [표 3]과 같다.Looking at the characteristics of Comparative Examples 1 to 6 prepared as described above are as shown in Table 3 below.
(3) 중온화 아스팔트(본발명의 저탄소 첨가제가 혼합된 아스팔트) 제조(3) Manufacture of moderately warmed asphalt (asphalt mixed with low carbon additive of the present invention)
130℃로 가열된 AP(아스팔트)의 100 중량부에 중온 아스팔트 혼합물용 첨가제를 3 중량부 투입한 다음 2,000rpm의 고속 전단 믹서를 사용하여 20분간 교반하여 첨가제를 완전히 용융시켰다. 3 parts by weight of an additive for a moderate temperature asphalt mixture was added to 100 parts by weight of the AP (asphalt) heated to 130 ° C., followed by stirring for 20 minutes using a high speed shear mixer at 2,000 rpm to completely melt the additive.
(4)중온화 아스팔트 물성 평가(4) Evaluation of mesophilic asphalt properties
본 발명에 따른 첨가제를 첨가하여 제조된 중온화 아스팔트를 포함한 각 아스팔트(AP)의 물성 평가는 PG 시험을 기준으로 평가 하였으며, 점도 측정은 회전 점도계를 측정하여 측정하였다. 각 실시예 및 비교예의 중온화 아스팔트의 물성은 [표 4]과 같다. 여기서, 사용한 저탄소 첨가제의 함량은 AP(아스팔트)의 100 중량부에 대하여 3 중량부이다.Evaluation of the physical properties of each asphalt (AP), including the neutralized asphalt prepared by adding the additive according to the present invention was evaluated based on the PG test, the viscosity was measured by measuring a rotary viscometer. Physical properties of the neutralized asphalt of each Example and Comparative Example are shown in Table 4. Here, the content of the low carbon additive used is 3 parts by weight based on 100 parts by weight of the AP (asphalt).
상기 [표 4]에서와 같이 본 발명에 따른 저탄소 첨가제가 전반적으로 우수한 고온 및 저온 물성을 나타내고 있음을 알 수 있으며, 이를 구체적으로 살펴본다.As shown in Table 4, it can be seen that the low carbon additive according to the present invention exhibits excellent overall high and low temperature physical properties.
AP 보다 120~140℃ 점도가 높거나 Original과 RTFO에서 G*/sinδ가 낮으면 소성변형 저항성이 낮아 저탄소 첨가제로 사용하기 어렵다. If the viscosity is 120 ~ 140 ℃ higher than AP or G * / sinδ is lower in Original and RTFO, it is difficult to be used as low carbon additive because of low plastic deformation resistance.
또한, PAV 후 m-value 값이 0.3 이상이거나 AP 보다 높으면 저온 물성이 우수하다고 판단할 수 있다.In addition, when the m-value value after the PAV is more than 0.3 or higher than the AP, it can be determined that the low temperature properties are excellent.
일반 폴리에틸렌계 왁스를 사용한 비교예 1과 3의 경우 Original과 RTFO에서 G*/sinδ가 높게 나왔으나, 점도가 PG 64-22(KS F 2389;아스팔트의 공용성 등급 기준)보다 비슷하거나 높아 저탄소 첨가제로 사용하기에는 부적합함을 알 수 있다.In Comparative Examples 1 and 3 using general polyethylene wax, G * / sinδ was higher in Original and RTFO, but the viscosity was similar or higher than that of PG 64-22 (KS F 2389; Asphalt common grade). It is found to be unsuitable for use.
또한, 이 경우 PAV 후 m-value 값이 0.3 이하이며 PG 64-22 보다 낮아 저온 물성이 좋지 않아 피로 및 균열에 취약하여 저온 지역에서의 사용이 제한될 수 있다.In addition, in this case, the m-value after PAV is less than 0.3 and lower than PG 64-22, so that the low temperature property is not good, and thus it is vulnerable to fatigue and cracking, which may limit its use in low temperature areas.
저탄소 첨가제로 사용되는 비교예 6의 사소비트(Sasobit) 왁스는 낮은 점도와 우수한 소성 변형 저항성을 보여 더운 지역에서 우수한 저탄소 첨가제로 사용할 수 있으나, 일반 폴리에틸렌 왁스와 마찬가지로 PAV 후 m-value 값이 0.3 이하이므로 물성이 좋지 않음을 알 수 있다.The sasobit wax of Comparative Example 6, which is used as a low carbon additive, has a low viscosity and excellent plastic deformation resistance, so it can be used as an excellent low carbon additive in a hot area. However, like a general polyethylene wax, the m-value after the PAV is 0.3 or less. So it can be seen that the physical properties are not good.
반면, 본 발명에 의한 실시예 1~6의 저탄소 첨가제의 경우 120~140℃ 점도가 PG 64-22보다 낮아 저탄소 첨가제로 사용가능하고, Original과 RTFO에서 G*/sinδ가 PG 64-22 보다 높아 우수한 소성변형 저항성을 가짐을 알 수 있다.On the other hand, the low carbon additives of Examples 1 to 6 according to the present invention can be used as a low carbon additive because the viscosity is 120 ~ 140 ℃ lower than PG 64-22, G * / sinδ is higher than PG 64-22 in Original and RTFO It can be seen that it has excellent plastic deformation resistance.
또한, PAV 후 후 m-value 값이 0.3 이상이므로, 양호한 고온 소성변형 저항성과 우수한 저온 물성을 가짐을 알 수 있다.In addition, since after the PAV m-value value is 0.3 or more, it can be seen that it has a good high temperature plastic deformation resistance and excellent low temperature properties.
또한, 과량의 팜 왁스를 사용한 비교예 2, 4를 보면 점도가 낮아 저탄소 첨가제로 사용 가능할 것으로 보일 수 있으나, Original과 RTFO에서 G*/sinδ값이 AP 보다 낮으므로 도로 포장용 아스팔트 첨가제로 사용하기 어려움을 알 수 있다.In addition, Comparative Examples 2 and 4 using excess palm wax may be used as low carbon additives due to their low viscosity. However, G * / sinδ values in Original and RTFO are lower than AP, making it difficult to use as asphalt additive for road pavement. It can be seen.
여 실시예 2를 사용하여 AP의 100 중량부에 대하여 저탄소 첨가제 0~10 중량부별 아스팔트 물성을 측정하여 [표 5]에 나타내었다.By using Example 2 by measuring the asphalt physical properties of the low carbon additive 0 to 10 parts by weight based on 100 parts by weight of AP are shown in [Table 5].
[표 5]를 통해, 실시예 2의 저탄소 첨가제의 함량을 변화시킨 중온화 아스팔트는 저탄소 첨가제의 함량이 증가할수록 고온 및 저온 물성이 향상됨을 알 수 있다. 따라서, 본 발명의 실시예에 따른 저탄소 첨가제는 점도 저하 효과와 더불어 중온 아스팔트 혼합물의 소성변형 저항성 향상 및 그 저온물성 저하현상을 보완하는 역할을 하므로, 중온 아스팔트 혼합물용 아스팔트의 첨가제로서 바람직함을 알 수 있다.Through Table 5, it can be seen that the mesophilic asphalt, which changed the content of the low carbon additive of Example 2, improved high and low temperature properties as the content of the low carbon additive increased. Therefore, it is understood that the low carbon additive according to the embodiment of the present invention is preferable as an additive of the asphalt for the middle-temperature asphalt mixture because the low carbon additive plays a role of improving the plastic deformation resistance of the middle-temperature asphalt mixture and the lowering of the low-temperature physical properties as well as the viscosity-lowering effect. Can be.
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