KR101127762B1 - 셀룰로스 파이버를 혼입한 중온화 첨가제를 사용한 아스팔트 및 이를 이용한 중온 아스팔트 혼합물의 제조방법 - Google Patents

셀룰로스 파이버를 혼입한 중온화 첨가제를 사용한 아스팔트 및 이를 이용한 중온 아스팔트 혼합물의 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 a) 셀룰로스 파이버를 혼입한 중온화 첨가제 3 ~ 15 중량%; 및 b) 아스팔트 85 ~ 97 중량%를 포함하며, 상기 a) 셀룰로스 파이버를 혼입한 중온화 첨가제는 ⅰ) 폴리에틸렌 왁스; ⅱ) 상기 폴리에틸렌 왁스 100 중량부에 대하여 10 ~ 100 중량부의 점도개선제; 및 ⅲ) 상기 폴리에틸렌 왁스 100 중량부에 대하여 200 ~ 600 중량부의 셀룰로스 파이버를 포함하는 셀룰로스 파이버를 혼입한 중온화 첨가제를 사용한 아스팔트, 및 셀룰로스 파이버를 혼입한 중온화 첨가제를 사용한 아스팔트 혼합물의 제조방법에 관한 것이다. 본 발명에 따른 아스팔트는 셀룰로스 파이버를 혼입한 중온화 첨가제를 함유함으로써 아스팔트 혼합물의 건식 혼합 공정에 효과적으로 이용될 수 있을 뿐 아니라, 배수성 아스팔트 포장 공법 또는 쇄석 매스틱 아스팔트 포장 공법 등에 유용하게 이용될 수 있다. 또한, 아스팔트 혼합물 제조에 있어서 공정상의 복잡성을 단순화시키면서, 아스팔트의 드레인다운 현상을 효과적으로 억제할 수 있고, 저온 물성의 저하를 방지하면서, 동시에 아스팔트 혼합물의 제조 및 시공 온도를 효율적으로 낮출 수 있어, 중온화 첨가제로서 유용하게 이용될 수 있다.

Description

셀룰로스 파이버를 혼입한 중온화 첨가제를 사용한 아스팔트 및 이를 이용한 중온 아스팔트 혼합물의 제조방법{ASPHALT USING WARM-MIX ASPHALT ADDITIVE CONTAINING CELLULOSE FIBER AND METHOD FOR MANUFACTURING WARM-MIX ASPHALT MIXTURE USING THE SAME}
본 발명은 셀룰로스 파이버를 혼입한 중온화 첨가제를 사용한 아스팔트 및 이를 이용한 중온 아스팔트 혼합물의 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 분산성이 우수하고, 섬유를 이용하여 아스팔트의 드레인다운 현상을 방지하며, 아스팔트 혼합물의 제조 및 포장 온도를 낮출 수 있는 셀룰로스 파이버를 혼입한 중온화 첨가제를 사용한 아스팔트 및 이를 이용한 아스팔트 혼합물의 제조방법에 관한 것이다.
아스팔트 혼합물(Asphalt Mixture)은 통상 아스콘으로 불리며, 아스팔트 믹싱 플랜트(Asphalt Mixing Plant)에 아스팔트(asphalt), 골재(aggregate), 채움재(mineral filler) 등을 투입한 후, 이러한 재료들을 가열 및 혼합하여 제조된다.
도로용 아스콘을 제조하는 방법은 대형 용융설비에서 아스팔트에 펠렛이나 크럼 형태의 첨가제를 투입하여 고온에서 용융시킨 후, 아스콘 공장 등으로 이송하여 골재와 아스팔트를 혼합하는 습식 타입, 및 아스콘 공장에서 골재와 아스팔트를 혼합할 때 첨가제를 투입하여 아스콘을 제조하는 건식 타입으로 구분될 수 있다.
습식 타입의 경우 대량 생산에 적합하므로 도로 포장에 일반적으로 많이 이용된다. 그러나 이송 거리가 먼 경우, 아스팔트가 노화되어 성능 저하를 발생시킬 수 있고, 포장 구간이 짧아 아스팔트를 소량 사용하는 경우에는 공정 운영상 적합하지 않고, 저장이나 이송 중에 첨가제와 아스팔트가 분리되는 상 분리 현상이 일어날 수 있다.
건식 타입의 경우, 저장 공정이 없으므로 상 분리 현상 및 제조과정에서 고온에 의한 물성 저하를 최소화시킬 수 있으며, 습식 타입의 적용이 어려운 짧은 구간의 포장, 접근성이 용이하지 않은 도로 포장, 도로 유지 보수 및 배수성과 같은 특수 아스팔트 포장에 많이 이용될 수 있다. 그러나 건식 타입의 경우에는 공정상 첨가제가 아스팔트에 단시간에 분산되는 것이 중요하므로, 분산속도가 빠른 첨가제 개발이 필요하다.
아스팔트는 상온에서 흑색을 띄며, 반고체 상태의 점성이 매우 높은 재료로, 그 단단한 정도를 기준으로 하여 여러 등급으로 구분되며, ASTM D946의 아스팔트 침입도 시험결과와 ASTM D6373의 PG 등급을 이용하여 아스팔트를 분류할 수 있다.
이러한 아스팔트는 온도에 따라 상이한 특성을 나타내는데, 고온에서는 점성이 높게 되어 유연하게 되는 반면 저온에서는 단단해져서 잘 깨지는 특성을 가지게 된다. 따라서, 이와 같은 특성을 갖는 아스팔트로 아스콘을 제조하여 도로에 시공을 하는 경우, 여름철과 같이 대기 온도가 상승하게 되면 점성이 높아져서 차량 통과에 의해 하중이 가해지면 아스콘의 고온 소성이 발생하게 되고, 겨울철과 같이 대기 온도가 낮아지게 되면 외부 충격에 의해 잘 깨지는 특성을 가지게 되어 저온 균열을 유발하는 문제가 있다.
이를 해결하기 위한 방법 중 아스팔트 표층의 소성변형을 최소화시키기 위하여 골재 간의 맞물림을 이상적으로 구성시켜 소성변형에 대한 저항성을 높이고 균열 발생의 지연을 유도하는 쇄석 매스틱 아스팔트(Stone Mastic Asphalt, 이후 'SMA'로도 지칭함) 포장 공법이 있다. 그러나 이 경우 아스팔트 사용량이 일반 아스콘 제조시보다 많아(아스콘 1톤에 아스팔트 함량은 6 ~ 7%), 아스콘 제조 후 시공 현장까지 운반 중에 아스팔트가 골재에서 흘러내리는 문제가 있다.
이와 같이, 아스팔트가 골재에서 흘러내리는 현상을 "드레인다운" 이라고 하며 아스팔트가 골재에서 흘러내리면 시공 후 골재가 탈리되는 현상이 발생될 수 있다. 이러한 문제점을 해결하기 위하여 셀룰로스 파이버가 주성분인 섬유 첨가제, 예를 들어, 독일 JRS사에서 판매하고 있는 VIATOP(일반) 등이 이용되고 있다.
한편, 아스팔트 혼합물은 160 ~ 180℃의 고온으로 가열하는 과정을 통해 제조된 후, 도로에서의 포설 및 다짐 공정에서 상온으로 냉각되는 과정을 거치게 된다. 따라서, 고온으로 가열하기 위하여 많은 에너지가 필요할 뿐만 아니라, 아스팔트 혼합물의 제조 및 시공 중에도 이산화탄소, 황산화물, 질소산화물 등의 유해가스 배출량이 많아지는 문제가 있다. 또한, 도로 포장시 고온의 아스팔트 혼합물을 상온으로 냉각하는데 많은 시간이 소요되므로, 그만큼 교통개방시간이 지연되는 문제와 함께, 작업자들이 안전사고의 위험에 노출된다는 문제가 있다.
최근에는 이러한 문제를 해결하기 위하여, 종래 기술에 비하여 20 ~ 40℃ 낮은 온도에서 아스팔트 혼합물을 제조 및 포장하는 중온 포장 기술에 대한 연구가 활발하게 진행되고 있다. 그러한 중온 포장 기술로서, 피셔트로프슈(Fischer Tropsch Synthesis) 공법으로 제조된 폴리에틸렌 왁스계열의 사소비트(Sasobit) 를 이용한 아스팔트 혼합물이 보고되어 있다(National Center for Asphalt Technology; NCAT). 사소비트는 상온에서 고체 상태이고, 온도를 높이면 용융되어 유체로 변하는 화합물로서, 용융 온도 이상에서 아스팔트의 점도를 급격하게 떨어뜨리고, 용융 온도 이하에서는 고화되어, 중온 아스팔트 혼합물의 성능을 증진시키기 위한 첨가제로서 사용되어 왔다.
하지만, 이러한 사소비트는 소성변형(Rutting,Permanent Deformation) 저항성과 같은 고온 특성은 매우 우수한 반면, 저온 균열(Low Temperature Crack)을 일으키는 요인으로 작용할 우려가 크다는 문제점이 있다. 이러한 문제점은 사소비트뿐만 아니라 폴리에틸렌 왁스를 사용할 때 공통적인 문제점으로 제기되고 있다(한국도로학회 논문집 제 8권 4호, 2006년 12월 pp 101 ~ 113).
그런데 섬유 첨가제를 이용하여 중온 아스팔트 혼합물을 생산하는 경우, 아스콘의 생산시 배치별로 섬유 첨가제를 계량하여 투입하는 자동계량 및 투입설비가 추가적으로 설치되어야 한다. 또한, 건식 타입의 아스팔트에 적용시 건식 첨가제와 섬유 첨가제를 별도의 설비에 의하여 개별적으로 투입해야 하므로 추가 인력 투입 및 설비 투자로 아스콘 생산의 원가 상승 요인으로 작용하게 된다.
그러므로 분산 속도가 빠르고, 드레인다운 현상을 효과적으로 억제하면서도, 섬유 첨가제와 건식 첨가제를 별도로 투입해야 하는 문제점을 해결하고, 저온 물성 저하를 방지하여, 아스팔트와 골재의 혼합 및 다짐 온도를 효율적으로 낮출 수 있는 중온화 첨가제를 이용한 아스팔트의 개발이 요구된다.
본 발명은 분산 속도가 빠르고, 아스팔트의 드레인다운 현상을 효과적으로 억제하면서도, 공정상의 복잡성을 해결하고, 저온 물성 저하를 방지하여, 아스팔트 혼합물의 제조 및 시공 온도를 효율적으로 낮출 수 있는 셀룰로스 파이버를 혼입한 중온화 첨가제를 사용한 아스팔트 및 이를 이용한 아스팔트 혼합물의 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 셀룰로스 파이버를 혼입한 중온화 첨가제를 사용한 아스팔트는 a) 셀룰로스 파이버를 혼입한 중온화 첨가제 3 ~ 15 중량%; 및 b) 아스팔트 85 ~ 97 중량%를 포함하며, 상기 a) 셀룰로스 파이버를 혼입한 중온화 첨가제는 ⅰ) 폴리에틸렌 왁스; ⅱ) 상기 폴리에틸렌 왁스 100 중량부에 대하여 10 ~ 100 중량부의 점도개선제; 및 ⅲ) 상기 폴리에틸렌 왁스 100 중량부에 대하여 200 ~ 600 중량부의 셀룰로스 파이버를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 셀룰로스 파이버를 혼입한 중온화 첨가제를 사용한 아스팔트 혼합물의 제조방법은 a) 셀룰로스 파이버를 혼입한 중온화 첨가제를 제조하는 단계; 및 b) 상기 셀룰로스 파이버를 혼입한 중온화 첨가제를 아스팔트 및 골재와 110 ~ 150℃에서 혼합하는 단계를 포함하며, 상기 a) 셀룰로스 파이버를 혼입한 중온화 첨가제를 제조하는 단계는, ⅰ) 폴리에틸렌 왁스, 및 상기 폴리에틸렌 왁스 100 중량부에 대하여 10 ~ 100 중량부의 점도개선제를 용융 혼합하는 단계; ⅱ) 상기 용융 혼합된 폴리에틸렌 왁스 및 점도개선제를, 상기 폴리에틸렌 왁스 100 중량부에 대하여 200 ~ 600 중량부의 셀룰로스 파이버에 코팅하는 단계; 및 ⅲ) 상기 폴리에틸렌 왁스 및 점도개선제가 코팅된 셀룰로스 파이버를 성형하는 단계를 포함하고, 상기 아스팔트와 상기 셀룰로스 파이버를 혼입한 중온화 첨가제의 중량 비율은 85:15 내지 97:3의 범위인 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 아스팔트는 셀룰로스 파이버를 혼입한 중온화 첨가제를 함유함으로써 아스팔트 혼합물의 건식 혼합 공정에 효과적으로 이용될 수 있을 뿐 아니라, 배수성 아스팔트 포장 공법 또는 쇄석 매스틱 아스팔트 포장 공법 등에 유용하게 이용될 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면 아스팔트 혼합물에 포함되는 섬유 첨가제와 건식 첨가제를 별도 설비에서 개별적으로 투입해야 하는 공정상의 복잡성을 단순화시키면서, 드레인다운 현상을 효과적으로 억제할 수 있다.
나아가, 아스팔트의 저온 물성의 저하를 방지하면서, 동시에 아스팔트 혼합물의 제조 및 시공 온도를 효율적으로 낮출 수 있어, 이산화탄소 및 유해물질 배출을 최소화할 수 있다.
도 1은 본 발명의 아스팔트에 포함되는 셀룰로스 파이버를 혼입한 중온화 첨가제의 분산성 평가 결과를 나타내는 사진(a: 실시예 5, b: 비교예 5, c: 비교예 7, d: VIATOP(일반)).
이하, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 상세히 설명하기 위하여, 본 발명의 바람직한 실시예를 설명하기로 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 셀룰로스 파이버를 혼입한 중온화 첨가제를 사용한 아스팔트는 a) 셀룰로스 파이버를 혼입한 중온화 첨가제 3 ~ 15 중량%; 및 b) 아스팔트 85 ~ 97 중량%를 포함하며, 상기 a) 셀룰로스 파이버를 혼입한 중온화 첨가제는 ⅰ) 폴리에틸렌 왁스; ⅱ) 상기 폴리에틸렌 왁스 100 중량부에 대하여 10 ~ 100 중량부의 점도개선제; 및 ⅲ) 상기 폴리에틸렌 왁스 100 중량부에 대하여 200 ~ 600 중량부의 셀룰로스 파이버를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어서, 아스팔트로서는 일반적으로 도로 포장에 이용되는 어떠한 아스팔트도 이용가능하다. 아스팔트는 일반적으로 ASTM D946에 의한 침입도 시험결과에 따라 분류될 수 있다. 구체적으로, 아스팔트의 침입도는 표준 침을 기준 온도에서 규정된 하중 및 시간 동안 아스팔트에 관입시켜, 그 관입량을 아스팔트의 침입도로 규정한다. 침입도는 25℃에서 아스팔트의 경도를 나타내는 지수로서, 아스팔트에 규정된 침의 바늘로 100 g의 힘으로 5초 동안 눌렀을 때, 침의 관입 깊이를 0.1 ㎜ 단위로 나타내며, 이 값이 작을수록 단단한 아스팔트를 의미한다. 현재 국내에서 생산되는 대표적인 도로 포장용 아스팔트는 침입도 85 ~ 100(AP-3) 및 침입도 60 ~ 70(AP-5) 등급이다.
본 발명의 셀룰로스 파이버를 혼입한 중온화 첨가제를 사용한 아스팔트에 포함되는 아스팔트의 함량은 85 ~ 97 중량%이고, 셀룰로스 파이버를 혼입한 중온화 첨가제의 함량은 3 ~ 15 중량%인 것이 바람직하다. 셀룰로스 파이버를 혼입한 중온화 첨가제의 함량이 3 중량% 미만인 경우에는 드레인다운 개선 효과 및 중온화 효과가 미미하며, 15 중량%를 초과하는 경우에는 점도가 지나치게 높아져서 중온화 효과를 얻을 수 없기 때문에 원하는 중온 포장 온도에서 다짐이 이루어지지 않거나 물성이 저하되는 문제가 발생할 수 있다.
본 발명의 아스팔트에 함유된 셀룰로스 파이버를 혼입한 중온화 첨가제에 포함되는 폴리에틸렌 왁스는 왁스의 용융 온도 이상에서 아스팔트의 점도를 급격하게 떨어뜨리고, 용융 온도 이하에서는 고화되는 특성이 있어 중온 아스팔트 혼합물의 성능을 증진시키기 위한 첨가제로서 사용된다.
폴리에틸렌 왁스는 융점이 95 ~ 125℃이고, 140℃에서의 용융점도가 80 ~ 400 cPs인 것이 바람직하다.
폴리에틸렌 왁스의 융점이 95℃ 미만인 경우에는 아스팔트와 혼합시에 아스팔트의 강성이 약해질 수 있고, 융점이 125℃를 초과하는 경우에는 중온 아스팔트 혼합물 제조시 아스팔트에 충분히 분산되지 않아 물성 저하의 우려가 있다.
또한, 폴리에틸렌 왁스의 140℃에서의 용융점도가 80 cPs 미만인 경우에는 고온 물성이 약화되어 도로 포장용 아스팔트로서 부적합하며, 140℃에서의 용융점도가 400 cPs을 초과하는 경우에는 아스팔트의 점도가 지나치게 높아져 중온 아스팔트 혼합물 제조 및 포장 시에 공정이 제대로 이루어지지 않는 문제가 발생할 수 있다.
본 발명의 아스팔트에 함유된 셀룰로스 파이버를 혼입한 중온화 첨가제에 포함되는 점도개선제는 폴리에틸렌 왁스의 중온화 기능을 강화시키고, 아스팔트의 저온 물성 저하를 방지하며, 점도가 낮기 때문에 셀룰로스 파이버에 의한 점도 상승을 보완하여 첨가제의 분산 속도를 증가시키는 역할을 한다.
점도개선제는 폴리에틸렌 왁스 100 중량부에 대하여 10 ~ 100 중량부 범위로 포함되는 것이 바람직하다. 점도개선제의 양이 폴리에틸렌 왁스 100 중량부에 대하여 10 중량부 미만인 경우에는 저온 물성 개선 및 점도 개선 효과가 미미하고, 100 중량부를 초과하는 경우에는 아스팔트의 고온 물성을 저하시키게 된다.
점도개선제는 스테아린산, 팜 왁스, 팜 오일, 파라핀 왁스, 폴리올레핀 왁스 및 지방산 금속염으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상인 것이 바람직하다.
팜 왁스는 야자 열매에서 추출한 식물성 야자유에서 얻은 왁스를 수첨 공정을 통해 얻은 팜 왁스인 것이 바람직하며, 용융 온도는 55 ~ 65℃이다.
파라핀 왁스는 용융 온도가 50 ~ 65℃이며, 100℃에서의 용융점도가 1 ~ 10 cst인 것이 바람직하다.
폴리올렌핀 왁스는 융점이 60 ~ 115℃이고, 140℃에서의 용융점도가 10 ~ 80 cPs인 것이 바람직하다.
지방산 금속염은 아스팔트의 저온 물성 개선 및 점도 개선 효과를 최대화하고, 고온 물성 저하를 방지하는 측면에서 스테아린산 칼슘, 스테아린산 아연 및 스테아린산 마그네슘으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상인 것이 바람직하다.
또한, 지방산 금속염은 융점이 120 ~ 150℃인 것이 바람직하다.
본 발명의 아스팔트에 함유된 셀룰로스 파이버를 혼입한 중온화 첨가제에 포함되는 셀룰로스 파이버는 아스팔트가 골재로부터 흘러 내리는 드레인다운 현상을 억제하여, 아스팔트 혼합물의 물성을 향상시키는 역할을 할 수 있다.
셀룰로스 파이버는 폴리에틸렌 왁스 100 중량부에 대하여 200 ~ 600 중량부의 양으로 포함되는 것이 바람직하다. 셀룰로스 파이버의 양이 폴리에틸렌 왁스 100 중량부에 대하여 200 중량부 미만인 경우에는 드레인다운 현상을 효과적으로 억제할 수 없거나, 또는 동등한 효과를 얻기 위하여 요구되는 첨가제의 함량이 지나치게 증가하게 되고, 600 중량부를 초과하는 경우에는 첨가제를 펠렛 형태로 성형하는 것이 어려워지고, 첨가제 중에 포함되는 폴리에틸렌 왁스 및 점도개선제의 함량이 낮아져서 아스팔트의 점도 저하 기능이 약화된다.
셀룰로스 파이버는 길이가 0.01 ~ 8 ㎜이고, 직경이 80 ㎛ 이하이며, 중량 평균 길이가 1.5 ~ 3 ㎜/g인 셀룰로스 단섬유일 수 있다.
셀룰로스 단섬유의 길이가 0.01 ㎜ 미만인 경우에는 섬유의 엉김 현상이 현저하게 저하되어 첨가제를 펠렛 형태로 성형하는 것이 어려워지고, 8 ㎜를 초과하는 경우에는 섬유의 엉김 현상이 지나치게 커지기 때문에 첨가제 제조시 설비에 과부하가 걸리는 문제가 발생할 수 있다.
또한, 셀룰로스 단섬유의 직경이 80 ㎛를 초과하는 경우에는 단섬유의 표면적이 감소하여 아스팔트 흡수 효과가 떨어진다.
셀룰로스 단섬유는 천연 펄프, 재생지 또는 폐지를 해머 크러셔(hammer crusher) 등에 의하여 건식으로 분쇄하고 기계적으로 가공함으로써 제조될 수 있다.
또한, 본 발명의 아스팔트에 함유된 셀룰로스 파이버를 혼입한 중온화 첨가제는 산화방지제, 열안정제, 대전방지제 및 활제로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상을 더 포함할 수 있다.
한편, 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 셀룰로스 파이버를 혼입한 중온화 첨가제를 사용한 아스팔트 혼합물의 제조방법은 a) 셀룰로스 파이버를 혼입한 중온화 첨가제를 제조하는 단계; 및 b) 상기 셀룰로스 파이버를 혼입한 중온화 첨가제를 아스팔트 및 골재와 용융 혼합하는 단계를 포함한다.
아스팔트와 셀룰로스 파이버를 혼입한 중온화 첨가제의 중량 비율은 85:15 내지 97:3의 범위인 것이 바람직하다.
또한, 아스팔트와 골재의 중량 비율은 3.5:96.5 내지 8.0:92.0의 범위인 것이 바람직하다.
셀룰로스 파이버를 혼입한 중온화 첨가제를 아스팔트 및 골재와 용융 혼합하는 b) 단계는 110 ~ 150℃에서 이루어지는 것이 바람직하다.
여기에서, 셀룰로스 파이버를 혼입한 중온화 첨가제를 제조하는 단계는, ⅰ) 폴리에틸렌 왁스, 및 상기 폴리에틸렌 왁스 100 중량부에 대하여 10 ~ 100 중량부의 점도개선제를 용융 혼합하는 단계; ⅱ) 상기 용융 혼합된 폴리에틸렌 왁스 및 점도개선제를, 상기 폴리에틸렌 왁스 100 중량부에 대하여 200 ~ 600 중량부의 셀룰로스 파이버에 코팅하는 단계; 및 ⅲ) 상기 폴리에틸렌 왁스 및 점도개선제가 코팅된 셀룰로스 파이버를 성형하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
폴리에틸렌 왁스, 및 상기 폴리에틸렌 왁스 100 중량부에 대하여 10 ~ 100 중량부의 점도개선제를 용융 혼합하는 ⅰ) 단계는 140 ~ 220℃의 온도에서 이루어지는 것이 바람직하다.
ⅱ) 단계는 교반기를 구비한 용기에서 셀룰로스 파이버를 교반시키면서 용융 혼합된 폴리에틸렌 왁스 및 점도개선제를 셀룰로스 파이버에 코팅함으로써 이루어질 수 있다.
코팅 방법은 셀룰로스 파이버에 폴리에틸렌 왁스 및 점도개선제의 용융 혼합물을 균일하게 코팅할 수 있는 것이면, 제한 없이 이용가능하다.
ⅲ) 단계는 폴리에틸렌 왁스 및 점도개선제가 코팅된 셀룰로스 파이버를 90~140℃의 온도에서 압착시키는 단계; 및 압착된 폴리에틸렌 왁스 및 점도개선제가 코팅된 셀룰로스 파이버를 펠렛 형태로 절단하는 단계를 포함한다.
이와 같은 압착 단계에 의하여, 폴리에틸렌 왁스 및 점도개선제가 코팅된 셀룰로스 파이버에 온도와 압력을 가함으로써 셀룰로스 파이버가 서로 뭉치게 된다. 압착 및 절단 단계에 이용될 수 있는 압착기는 셀룰로스 파이버가 뭉칠 수 있도록 온도 및 압력을 가할 수 있는 것이면 제한 없이 이용가능하며, 예를 들어, L/D가 5이고, 압축비가 3 이상인 압출기와 펠렛 형태로의 절단을 위한 핫 커터(hot cutter)를 이용할 수 있다.
펠렛은 길이가 30 ㎜ 이하이고, 직경이 20 ㎜ 이하인 것이 바람직하다. 펠렛의 길이 및 직경이 상기 범위를 초과하는 경우에는 아스팔트와의 용융 혼합 시에 용융 속도가 저하되는 문제점이 있다.
본 발명에 따르면, 섬유 첨가제와 건식 첨가제를 별도 설비에서 개별적으로 투입해야 하는 공정상의 복잡성을 단순화시키면서, 드레인다운 현상을 효과적으로 억제할 수 있어, 건식 타입의 아스콘의 제조, 배수성 아스팔트 포장 공법, 쇄석 매스틱 아스팔트 포장 공법 등에 유용하게 적용될 수 있다.
또한, 셀룰로스 파이버를 혼입한 중온화 첨가제를 이용함으로써 아스팔트의 저온 물성의 저하를 방지하면서, 동시에 아스팔트 혼합물의 제조 및 시공 온도를 효율적으로 낮출 수 있어, 이산화탄소 및 유해물질 배출을 최소화할 수 있다.
이하, 본 발명을 실시예에 의하여 더욱 상세하게 설명한다. 그러나 하기 실시예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐이며, 본 발명의 범위가 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다.
[실시예]
(1) 실험재료
AP: 침입도 등급 60~80(침입도 70)인 아스팔트.
PE 왁스: 융점 114℃, 140℃에서의 점도가 200 cPs, 비중이 0.93인 폴리에틸렌 왁스.
PE-H 왁스: 융점 120℃, 140℃에서의 점도가 500 cPs, 비중이 0.93인 폴리에틸렌 왁스.
팜 왁스: 야자 열매에서 추출한 식물성 야자유에서 얻은 왁스를 수첨 공정을 통해 얻은 융점 60℃, 140℃에서의 점도가 6 cPs인 팜 왁스.
스테아린산 아연: 융점 120℃인 스테아린산 아연.
셀룰로스 파이버: 길이가 0.01 ~ 8 ㎜, 직경이 80 ㎛ 이하, 중량 평균 길이가 1.5 ~ 3 ㎜/g 인 셀룰로스 단섬유.
VIATOP(일반): 길이가 6 ~ 10 ㎜, 직경 4 ~ 5 ㎜인 펠렛 형태의 일반 아스팔트 섬유첨가제(독일 JRS사).
(2) 아스팔트의 바인더 물성 평가
본 발명의 중온화 첨가제가 포함된 아스팔트의 성능 평가는 PG 시험을 기준으로 평가하였다.
저온 물성을 평가하기 위하여, 아스팔트를 PAV(Pressure Aging Vessel) 후, BBR(Bending Beam Rheometer)로 m-value 값을 측정하였다. BBR 테스트에서 m-value 값이 0.3 이상이면 아스팔트의 저온 물성이 우수한 것으로 평가될 수 있으며, m-value 값이 0.3 미만이면 아스팔트의 저온 물성이 좋지 않아, 피로 및 균열에 취약하여 저온 지역에서의 사용이 제한될 수 있다.
고온 물성을 평가하기 위하여, 아스콘의 생산 과정 중 초기 플랜트에서 고온으로 골재와 혼합된 후, 현장으로 이동 및 포설되는 과정의 노화를 모사한 RTFO(Rolling Thin Film Oven Test)를 거친 아스팔트를 DSR(Dynamic Shear Rheometer)로 64℃에서 G*/sinδ을 측정하였다. 64℃에서 G*/sinδ 값이 2.2 ㎪ 보다 낮으면 고온에서 소성변형 저항성이 좋지 않아 도로에 적용되기 어렵다.
상기 시험에 있어서, 셀룰로스 파이버가 포함되면 셀룰로스 파이버로 인하여 PG 시험이 불가능하기 때문에, 셀룰로스 파이버를 제외하고, 폴리에틸렌 왁스 및 점도개선제를 하기 표 1에 기재된 조성에 따라 혼합하여 중온화 첨가제를 제조한 후, 이 중온화 첨가제를 아스팔트와 혼합하였다. 이 때, 아스팔트 바인더 내 아스팔트 함량은 97 중량%로 하였다. 제조된 아스팔트 바인더에 대하여 PAV 후 BBR 테스트, 및 RTFO후 DSR 테스트를 실시하였다. 하기 표 1에 폴리에틸렌 왁스 및 점도개선제의 조성비, 및 측정된 값을 나타낸다. 하기 표 1에 기재된 각 성분의 함량은 폴리에틸렌 왁스 100 중량부에 대한 각 성분의 중량부로 나타낸 것이다.
실시예 1 실시예 2 비교예 1 비교예 2 비교예 3
중온화 첨가제 조성비 PE 왁스 100 100 100 100 100
스테아린산 아연 30 40 - 3 40
팜 왁스 30 40 - 3 90
중온화 첨가제 사용량( 중량%) 3 3 3 3 3
아스팔트 사용량( 중량%) 97 97 97 97 97
m-value 0.34 0.35 0.26 0.28 0.37
G*/sinδ(64℃, ㎪) 2.5 2.3 3.7 3.5 1.9
상기 표 1에 나타낸 바와 같이, 실시예 1 및 2의 경우 점도개선제를 함유하고 있어, m-value 값이 0.3 이상으로 아스팔트의 저온 물성이 우수하여, 노화 후 균열 저항성이 강하고, G*/sinδ 값이 2.2 ㎪ 보다 높아 소성변형 저항성이 우수하였다. 반면에, 비교예 1 및 2의 경우 소성변형 저항성을 우수하지만, m-value 값이 0.3 미만으로 아스팔트의 저온 물성이 좋지 않아, 피로 및 균열에 취약하여 저온 지역에서의 사용이 제한됨을 확인할 수 있다. 또한, 비교예 3의 경우 아스팔트의 저온 물성은 우수하지만 소성변형 저항성이 매우 낮음을 알 수 있다.
(3) 셀룰로스 파이버를 혼입한 중온화 첨가제의 제조
폴리에틸렌 왁스와 점도개선제를 180℃ 온도에서 용융 혼합하였다. 다음으로, 셀룰로스 파이버를 회전 및 혼합할 수 있는 110℃ 온도가 유지되는 교반기에 넣고, 교반기에서 유동하고 있는 셀룰로스 파이버 위로 용융 혼합된 폴리에텔린계 왁스와 점도개선제를 뿌려 셀룰로스 파이버에 균일하게 코팅하였다.
용융 혼합된 폴리에틸렌계 왁스 및 점도개선제가 코팅된 셀룰로스 파이버를 120℃ 온도의 압착기에 넣고 압착시킨 후, 다이에서 나온 첨가제를 핫 커터로 절단하여 펠렛 형태의 첨가제를 제조하였다.
이와 같이 제조된 셀룰로스 파이버를 혼입한 중온화 첨가제의 조성 및 펠렛 직경/길이를 하기 표 2 및 3에 나타낸다. 하기 표 2 및 3에 기재된 각 성분의 함량은 폴리에틸렌 왁스 100 중량부에 대한 각 성분의 중량부로 나타낸 것이다.
실시예 3 실시예 4 실시예 5 실시예 6
PE 왁스 100 100 100 100
스테아린산 아연 30 30 30 40
팜 왁스 30 30 30 40
셀룰로스 파이버 300 400 500 500
펠렛 직경(㎜) 10 ~ 12 10 ~ 12 10 ~ 12 10 ~ 12
펠렛 길이(㎜) 8 ~ 20 8 ~ 20 8 ~ 20 8 ~ 20
비교예 4 비교예 5 비교예 6 비교예 7 비교예 8
PE 왁스 100 100 100 - 160
PE-H 왁스 - - - 100 -
스테아린산 아연 30 30 30 30 -
팜 왁스 30 30 30 30 -
셀룰로스 파이버 180 650 500 500 500
펠렛 직경(㎜) 10 ~ 12 펠렛으로 형성되지 않음 18 ~ 22 10 ~ 12 10 ~ 12
펠렛 길이(㎜) 8 ~ 20 35 ~ 50 8 ~ 20 8 ~ 20
(4) 셀룰로스 파이버를 혼입한 중온화 첨가제의 분산성 평가
아스팔트 첨가제의 분산성, 즉 아스팔트에 대한 첨가제의 용해 속도는 특히 건식 타입의 혼합 공정에서 중요한 변수로 작용한다. 분산성 평가를 위하여, 1 리터 비이커에 40℃에서의 점도가 100 cPs이고 인화점이 280℃인 화이트 오일 600 g을 첨가하고, 200 rpm으로 교반하면서, 140℃까지 가열한 후, 상기에서 제조된 셀룰로스 파이버를 혼입한 중온화 첨가제 펠렛 30 g를 첨가하였다. 첨가제 내의 수분을 증발시키고 소정 시간 동안 교반한 후, 오일에서 첨가제 펠렛을 분리하여 분산 상태를 관찰하였다. 또한, VIATOP(일반)은 170℃에서 화이트 오일에 첨가하여 분산성을 비교하였다.
분산성 평가는 첨가제 펠렛 투입 후 1분이 지난 후에 펠렛 형태의 유지 상태를 비교함으로써 이루어졌다. 분산성은 첨가제 펠렛 투입 후 1분이 경과한 후에, 펠렛 형태가 유지되지 않고 변형된 경우 "우수", 펠렛 형태가 약간 변형된 경우 "보통", 펠렛 형태가 변형 없이 그대로 유지되면 "불량"으로 판정하였다. 평가 결과를 표 4 및 도 1에 나타낸다.
실시예 5 비교예 6 비교예 8 VIATOP(일반)
펠렛 직경(㎜) 10 ~ 12 18 ~ 22 10 ~ 12 4 ~ 5
펠렛 길이(㎜) 8 ~ 20 35 ~ 50 8 ~ 20 6 ~ 10
혼합 온도(℃) 140 140 140 170
분산성 우수 보통 보통 보통
상기 표 4 및 도 1로부터, 실시예 5 및 비교예 6을 비교하면, 펠렛 크기가 큰 비교예 6의 경우 펠렛 형태가 변형 없이 그대로 유지된 반면, 실시예 5는 펠렛 형태가 유지되지 않고 변형된 것을 확인할 수 있다.
또한, 실시예 5 및 비교예 8을 비교하면, 실시예 5는 점도개선제를 포함함으로써 분산 속도가 향상됨을 확인할 수 있다.
또한, 실시예 5와 시판 섬유 첨가제인 VIATOP(일반)을 비교하면, 실시예 5가 VIATOP(일반)에 비하여 분산 속도가 향상됨을 확인할 수 있다.
(5) 아스팔트 혼합물 제조
140℃로 가열된 AP(아스팔트)에 상기 표 2 및 3에 나타낸 조성비로 제조된 셀룰로스 파이버를 혼입한 중온화 첨가제를 투입하여 혼합하였다. 첨가제는 일반 SMA 포장을 기준으로 하여, 셀룰로스 파이버 함량이 아스팔트 혼합물 전체 중량에 대하여 0.4 중량%가 되는 함량으로 첨가되었다. 이후, 골재에 상기 아스팔트 및 첨가제의 혼합물을 투입 및 혼합하여 아스팔트 혼합물을 제조하였다. 골재는 SMA 포장에 사용되는 13 ㎜ 골재를 사용하였고, 아스팔트 함량은 아스팔트 혼합물 전체 중량에 대하여 6.4 중량%로 하였다. 혼합물은 140℃의 온도에서 제조하였다.
본 발명에 따른 셀룰로스 파이버를 혼입한 중온화 첨가제의 중온 효과 확인 및 성능 비교를 위하여 VIATOP(일반)을 사용하여 170℃에서 아스팔트 혼합물을 제조하였다.
(6) 아스팔트 혼합물의 성능 평가
아스팔트 혼합물의 성능 평가는 표 5 내지 7에 나타낸 것과 같이 수행하였다. 표 5 및 6은 아스팔트 혼합물의 다짐 성능과 드레인다운 시험에 대한 결과를 나타내며, 표 7은 피로 균열 저항성 시험과 간접인장강도 시험에 대한 결과를 나타낸다. 아스팔트 혼합물의 다짐 성능은 다짐 후 공극율을 측정함으로써 평가하였고, 드레인다운 특성은 다짐 온도에서 KS F 2489 시험법에 의하여 평가하였다. 또한, 피로 균열에 대한 저항성을 평가하기 위하여, AASHTO TP9 시험법에 의한 간접인장피로시험(Indirect Tensile Fatigue Test)을 수행하였으며, 아스팔트 혼합물의 강도 특성을 평가하기 위하여 KS F 2382 시험법에 의한 간접인장강도시험(Indirect Tensile Strength Test)을 수행하였다. 평가 결과를 표 5 내지 7에 나타낸다. 하기 표 5 내지 7에 나타낸 첨가제 함량 및 셀룰로스 파이버 함량은 각각 아스팔트 혼합물 전체 중량을 기준으로 하여 나타낸 것이다.
실시예 3 실시예 4 실시예 5 실시예 6
혼합물 제조온도(℃) 140 140 140 140
첨가제 함량( 중량%) 0.5 0.6 0.7 0.9
셀룰로스 파이버 함량(중량%) 0.36 0.36 0.36 0.36
공극율(%) 2.15 2.15 2.38 2.50
드레인다운 시험값(%) 0.22 0.22 0.23 0.25
비교예 4 비교예 7 VIATOP(일반)
혼합물 제조온도(℃) 140 140 170
첨가제 함량( 중량%) 0.5 0.9 0.4
셀룰로스 파이버 함량( 중량%) 0.36 0.36 0.36
공극율(%) 2.15 2.50 3.13
드레인다운 시험값(%) 0.22 0.25 0.27
실시예 3 실시예 4 VIATOP(일반)
혼합물 제조온도(℃) 140 140 170
시험 온도(℃) 20 20 20
첨가제 함량( 중량%) 0.5 0.6 0.4
셀룰로스 파이버 함량(중량%) 0.36 0.36 0.36
피로 균열 저항성 평가(Nf) 9,350 8,313 6,691
간접인장강도(N/㎟) 0.4786 0.4546 0.4255
※ 간접인장피로시험: 아스팔트 혼합물에 대한 피로 저항력을 측정하여 피로에 대한 거동 특성을 평가하는 방법으로, 실제 도로 포장에서의 균열에 대한 저항성을 평가하는 시험으로 적용되고 있다. 여기서, Nf는 시편이 파괴될 때까지의 하중 횟수를 나타내며 균열에 대한 저항성을 평가할 수 있는 지표로서 사용된다.
상기 표 5 및 6으로부터, 실시예 3 내지 6의 경우 공극율 및 드레인다운 시험값이 비교예 4, 7 및 VIATOP(일반)에 비하여 우수하므로, 다짐 성능, 드레인다운 특성 및 중온 성능이 우수함을 확인할 수 있다.
비교예 4의 경우, 공극율 및 드레인다운 특성이 VIATOP(일반)보다 모두 우수한 것으로 나타났다. 특히, 셀룰로스 파이버의 함량이 동일함에도 불구하고 드레인다운 특성이 우수한 것은 폴리에틸렌 왁스의 점도가 높기 때문이다. 또한, 적절한 양의 점도 개선제를 혼입하여 점도가 높은 왁스에 유동성을 가하여 다짐 특성도 같이 개선되는 것을 확인하였다.
반면, 비교예 7의 경우 다짐 특성, 즉 공극율이 상대적으로 커져 다짐율이 감소되었으며, 드레인다운 특성도 상대적으로 증가하였다. 이는 첨가제의 함량이 높아 폴리에틸렌 왁스와 점도 개선제의 함량이 증가되어 나타난 결과임을 알 수 있다.
또한, 상기 표 7에서와 같이, 실시예 3 및 4가 피로 균열 저항성 및 간접인장강도 측면에서 VIATOP(일반)보다 우수한 것으로 나타났다. 특히, 실시예 3의 경우 첨가제의 함량이 상대적으로 낮은 비율임에도 불구하고, 피로 균열에 대한 저항성 및 간접인장강도가 증가하는 것으로 나타났다. 이는 VIATOP(일반)에 비하여 포장의 피로 수명이 약 30% 증진되며, 균열에 대한 저항성은 약 10% 증가되는 것을 의미한다.
이와 같이, 본 발명에 따른 셀룰로스 파이버를 혼입한 중온화 첨가제를 사용한 아스팔트는 기존 포장 공법보다 20 ~ 40℃ 낮은 온도에서 시공하는 중온 공정에서도 우수한 다짐 성능을 확보할 수 있으며, 드레인다운 현상을 효과적으로 방지할 수 있다. 또한, 본 발명의 첨가제를 첨가함으로써 포장의 수명을 약 10% 내지 30%까지 증진시키는 결과를 나타낼 수 있다. 또한, 본 발명의 첨가제는 분산성이 높기 때문에 건식 타입의 아스팔트 혼합물 제조에 적합하게 적용될 수 있으며, 나아가 배수성 아스팔트 포장 공법 또는 쇄석 매스틱 아스팔트 포장 공법 등에 유용하게 적용될 수 있다.
상기 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것이 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명백할 것이다.

Claims (15)

  1. a) 셀룰로스 파이버를 혼입한 중온화 첨가제 3 ~ 15 중량%; 및
    b) 아스팔트 85 ~ 97 중량%를 포함하며,
    상기 a) 셀룰로스 파이버를 혼입한 중온화 첨가제는,
    ⅰ) 융점이 95 ~ 125℃이고, 140℃에서의 용융점도가 80 ~ 400cPs인 폴리에틸렌 왁스;
    ⅱ) 상기 폴리에틸렌 왁스 100 중량부에 대하여 10 ~ 100 중량부의, 스테아린산, 팜 왁스, 팜 오일, 파라핀 왁스, 폴리올레핀 왁스 및 융점이 120 ~ 150℃의 범위인 지방산 금속염으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상인 점도개선제; 및
    ⅲ) 상기 폴리에틸렌 왁스 100 중량부에 대하여 200 ~ 600 중량부의, 길이가 0.01 ~ 8 ㎜이고, 직경이 80 ㎛ 이하이며, 중량 평균 길이가 1.5 ~ 3 ㎜/g인 셀룰로스 단섬유인 셀룰로스 파이버를 포함하는 것을 특징으로 하는
    셀룰로스 파이버를 혼입한 중온화 첨가제를 사용한 아스팔트.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 폴리올레핀 왁스는 융점이 60 ~ 115℃이고, 140℃에서의 용융점도가 10 ~ 80 cPs인 것을 특징으로 하는
    셀룰로스 파이버를 혼입한 중온화 첨가제를 사용한 아스팔트.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 지방산 금속염은 스테아린산 칼슘, 스테아린산 아연 및 스테아린산 마그네슘으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상인 것을 특징으로 하는
    셀룰로스 파이버를 혼입한 중온화 첨가제를 사용한 아스팔트.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 a) 셀룰로스 파이버를 혼입한 중온화 첨가제는 산화방지제, 열안정제, 대전방지제 및 활제로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상을 더 포함하는 것을 특징으로 하는
    셀룰로스 파이버를 혼입한 중온화 첨가제를 사용한 아스팔트.
  5. a) 셀룰로스 파이버를 혼입한 중온화 첨가제를 제조하는 단계; 및
    b) 상기 셀룰로스 파이버를 혼입한 중온화 첨가제를 아스팔트 및 골재와 용융 혼합하는 단계를 포함하며,
    상기 셀룰로스 파이버를 혼입한 중온화 첨가제를 제조하는 단계는,
    ⅰ) 융점이 95 ~ 125℃이고, 140℃에서의 용융점도가 80 ~ 400cPs인 폴리에틸렌 왁스, 및 상기 폴리에틸렌 왁스 100 중량부에 대하여 10 ~ 100 중량부의, 스테아린산, 팜 왁스, 팜 오일, 파라핀 왁스, 폴리올레핀 왁스 및 융점이 120 ~ 150℃의 범위인 지방산 금속염으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상인 점도개선제를 용융 혼합하는 단계;
    ⅱ) 상기 용융 혼합된 폴리에틸렌 왁스 및 점도개선제를, 상기 폴리에틸렌 왁스 100 중량부에 대하여 200 ~ 600 중량부의, 길이가 0.01 ~ 8 ㎜이고, 직경이 80 ㎛ 이하이며, 중량 평균 길이가 1.5 ~ 3 ㎜/g인 셀룰로스 단섬유인 셀룰로스 파이버에 코팅하는 단계; 및
    ⅲ) 상기 폴리에틸렌 왁스 및 점도개선제가 코팅된 셀룰로스 파이버를 성형하는 단계를 포함하고,
    상기 아스팔트와 상기 셀룰로스 파이버를 혼입한 중온화 첨가제의 중량 비율은 85:15 내지 97:3의 범위인
    셀룰로스 파이버를 혼입한 중온화 첨가제를 사용한 아스팔트 혼합물의 제조방법.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 b) 단계는 110 ~ 150℃의 온도에서 이루어지는 것을 특징으로 하는
    셀룰로스 파이버를 혼입한 중온화 첨가제를 사용한 아스팔트 혼합물의 제조방법.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 ⅰ) 단계는 140 ~ 220℃의 온도에서 이루어지는 것을 특징으로 하는
    셀룰로스 파이버를 혼입한 중온화 첨가제를 사용한 아스팔트 혼합물의 제조방법.
  8. 제5항에 있어서,
    상기 ⅱ) 단계는 교반기를 구비한 용기에서 셀룰로스 파이버를 교반시키면서 상기 용융 혼합된 폴리에틸렌 왁스 및 점도개선제를 셀룰로스 파이버에 코팅하는 것을 특징으로 하는
    셀룰로스 파이버를 혼입한 중온화 첨가제를 사용한 아스팔트 혼합물의 제조방법.
  9. 제5항에 있어서,
    상기 ⅲ) 단계는
    상기 폴리에틸렌 왁스 및 점도개선제가 코팅된 셀룰로스 파이버를 90~140℃의 온도에서 압착시키는 단계; 및
    상기 압착된 폴리에틸렌 왁스 및 점도개선제가 코팅된 셀룰로스 파이버를 펠렛 형태로 절단하는 단계를 포함하는
    셀룰로스 파이버를 혼입한 중온화 첨가제를 사용한 아스팔트 혼합물의 제조방법.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 펠렛은 길이가 30 ㎜ 이하이고, 직경이 20 ㎜ 이하인 것을 특징으로 하는
    셀룰로스 파이버를 혼입한 중온화 첨가제를 사용한 아스팔트 혼합물의 제조방법.
  11. 제5항에 있어서,
    상기 아스팔트와 상기 골재의 중량 비율은 3.5:96.5 내지 8.0:92.0의 범위인 것을 특징으로 하는
    셀룰로스 파이버를 혼입한 중온화 첨가제를 사용한 아스팔트 혼합물의 제조방법.
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