KR101625846B1 - 철도용 개질 아스팔트 조성물 및 아스팔트 노반 - Google Patents

Abstract

철도용 아스팔트에 탄성과 감온성을 부여하여 하중재하시 회복하는 속도 및 강성을 증진시키고, 온도에 대한 바인더의 물성 변화를 최소화함으로써 소성 변형에 대한 저항성을 향상시킬 수 있고, 또한, 개질재 및 첨가제의 화학적 조성에 의한 결합을 통해 만들어진 철도용 개질 아스팔트 바인더로서, 골재의 접착력 및 수분저항성을 향상시킬 수 있으며, 유독성 냄새를 제거할 수 있고, 또한, 시간 경과에 따른 아스팔트의 변형으로 인한 품질이 저해되지 않도록 안정적인 품질을 확보하고, 작업성을 고려하여 습식방식의 바인더 제조 후에 플랜트 현장까지의 운반과 저장을 고려하여 작업성을 향상시킬 수 있는, 철도용 개질 아스팔트 조성물 및 아스팔트 노반이 제공된다.

Description

철도용 개질 아스팔트 조성물 및 아스팔트 노반 {MODIFIED ASPHALT COMPOSITION AND ASPHALT ROADBED FOR RAILWAY}

본 발명은 철도용 개질 아스팔트에 관한 것으로, 보다 구체적으로, 철도용 아스팔트 포장(또는 아스팔트 노반)에 사용하기 위해서 개질재와 첨가제를 첨가하는 철도용 개질 아스팔트 조성물 및 이러한 철도용 개질 아스팔트 조성물을 사용하여 시공되는 아스팔트 노반에 관한 것이다.

국내 철도 궤도 시스템은 자갈 도상과 콘크리트 도상으로 대별되며, 이러한 자갈 도상과 콘크리트 도상은 침목에서 전달되는 하중을 넓게 분산시켜 노반에 전달하고 침목을 소정 위치에 고정시키는 역할을 한다.

도 1은 자갈 도상 및 콘크리트 도상의 장점 및 단점을 설명하기 위한 도면이다.

도 1에 도시된 바와 같이, 자갈 도상은 시공성, 초기건설비, 소음 등에 유리하지만, 계속되는 열차운행에 따라 궤도 파괴가 진행됨으로써 이에 따른 유지보수 노력이 소요되는 단점이 있다. 또한, 콘크리트 도상은 안전성, 보수노력 감소, 내구성 등에서 유리하지만, 초기 투자비가 다소 많이 소요되며 시공기간이 길어서 불리하다는 단점이 있다.

이에 따라 자갈 도상의 유지보수가 용이하지 않다는 단점과 콘크리트 도상의 높은 투자비 및 시공기간의 장기화라는 단점을 해소함과 동시에 자갈 도상과 콘크리트 도상에서 가지는 장점들을 보완하기 위해서 최근 아스팔트 도상의 개발이 이루어지고 있다.

도 2는 콘크리트 포장 및 아스팔트 포장의 장점 및 단점을 설명하기 위한 도면이다.

도 2에 도시된 바와 같이, 아스팔트 도상을 개발함에 있어서 아스팔트 콘크리트를 구성하는 아스팔트와 골재의 재료적 역할이 무엇보다 중요함에 따라 철도용 아스팔트 바인더(Binder)의 개발과 골재를 이용한 혼합물의 연구가 진행되고 있다.

여기서, 아스팔트 바인더는 공용성 증진에 크게 기여하고 있는 재료중 하나이며, 열차 주행시에 아스팔트의 점성력으로 인해 일반 콘크리트에 비해 댐핑(Damping) 능력이 뛰어나기 때문에 열차 주행시 소음저감에 크게 기여하고 있을 뿐 아니라 개질재를 이용하여 소성 변형과 균열 저항성을 향상시켜 파손에 대한 우려를 해소함으로써 포장 장기 공용성의 증진에 크게 기여할 수 있다.

한편, 개질 아스팔트(Modified Asphalt)는 개질재를 이용하여 아스팔트의 복원성을 향상시키고 감온성을 개선할 수 있다. 하지만 이러한 특징은 아스팔트 바인더의 안정적인 품질확보에서 비롯되는 장점들이며, 특히, 철도용 개질 아스팔트의 경우, 이를 확보하기 위한 여러 가지의 평가들이 반드시 진행되어야 된다.

예를 들면, 철도용 개질 아스팔트는 장기 저장 안정성을 확보하여야 한다. 구체적으로, 아스팔트 바인더는 건식 방식보다는 습식 방식이 안정적인 품질확보와 현장 플랜트 생산시 작업성에도 유리하기 때문에 철도 적용시 현장에서의 파손을 줄이고 장기 공용성을 증진하기 위해서 반드시 필요한 검토 사항이다.

또한, 철도용 개질 아스팔트는 아스팔트의 점도 및 온도의 설정을 고려하여야 한다. 구체적으로, 플랜트 현장에서 골재와의 결합시 고점도 또는 일정 수준 이상의 높은 온도가 요구되는 경우, 아스팔트 바인더는 골재와의 점착력이 저하되고, 또한, 아스팔트 바인더의 과다 사용으로 인한 아스팔트 콘크리트의 품질이 저하되며, 경제적 손실 등의 문제가 발생할 우려가 있다. 이에 따라 아스팔트 혼합물을 제조하는 플랜트 현장에서 적정한 혼합 온도 및 아스팔트 바인더의 점도에 대해 검토함으로써 아스팔트 혼합물 생산시 현장에서의 작업성도 함께 고려해야 한다.

또한, 소성 변형은 여름철과 같은 고온에서 아스팔트의 점도를 떨어트려 골재간의 밀림 현상으로 발생하게 되며, 이것은 철도 열차의 주행성을 저해하는 요인으로 작용하므로, 철도용 개질 아스팔트는 소성 변형에 대한 저항성을 고려하여야 한다.

대한민국 등록특허번호 제10-781608호(출원일: 2006년 7월 20일), 발명의 명칭: "고분자 개질제를 포함하는 재생 아스콘 및 이의 제조방법" 대한민국 등록특허번호 제10-620367호(출원일: 2005년 1월 6일), 발명의 명칭: "개질 아스팔트의 조성물 및 그 제조방법" 대한민국 등록특허번호 제10-595336호(출원일: 2003년 12월 29일), 발명의 명칭: "개질 블록 공중합체" 대한민국 등록특허번호 제1998-82220호(공개일: 1998년 12월 5일), 발명의 명칭: "개질아스팔트 고형물 및 그의 제조방법" 대한민국 등록특허번호 제10-770785호(출원일: 2006년 7월 27일), 발명의 명칭: "포장용 개질 아스팔트 바인더 및 그 제조방법" 대한민국 등록특허번호 제10-804515호(출원일: 2006년 8월 9일), 발명의 명칭: "폐타이어 고무분말로 개질된 아스팔트를 이용한 방수지 및 그의 제조방법과 개질아스팔트" 대한민국 등록특허번호 제10-711270호(출원일: 2005년 11월 7일), 발명의 명칭: "스티렌-부타디엔-스티렌 블록 공중합체를 함유한 개질아스팔트 조성물"

전술한 문제점을 해결하기 위한 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 철도용 아스팔트에 탄성과 감온성을 부여하여 하중재하시 회복하는 속도 및 강성을 증진시키고, 온도에 대한 바인더의 물성 변화를 최소화함으로써 소성 변형에 대한 저항성을 향상시킬 수 있는, 철도용 개질 아스팔트 조성물 및 아스팔트 노반을 제공하기 위한 것이다.

본 발명이 이루고자 하는 다른 기술적 과제는, 개질재 및 첨가제의 화학적 조성에 의한 결합을 통해 만들어진 철도용 개질 아스팔트 바인더로서, 골재의 접착력 및 수분저항성을 향상시킬 수 있으며, 유독성 냄새를 제거할 수 있는, 철도용 개질 아스팔트 조성물 및 아스팔트 노반을 제공하기 위한 것이다.

본 발명이 이루고자 하는 또 다른 기술적 과제는, 시간 경과에 따른 아스팔트의 변형으로 인한 품질이 저해되지 않도록 안정적인 품질을 확보하고, 작업성을 고려하여 습식방식의 바인더 제조 후에 플랜트 현장까지의 운반과 저장을 고려하여 작업성을 향상시킬 수 있는, 철도용 개질 아스팔트 조성물 및 아스팔트 노반을 제공하기 위한 것이다.

전술한 기술적 과제를 달성하기 위한 수단으로서, 본 발명에 따른 철도용 개질 아스팔트 조성물은, 철도용 아스팔트로서, 70 내지 93.88 중량%의 스트레이트 아스팔트; 상기 스트레이트 아스팔트의 온도 특성을 개선하도록 첨가되는 2 내지 10 중량%의 SBS(스티렌-부타디엔-스티렌) 블록공중합체; 상기 스트레이트 아스팔트의 감온성과 저온균열 저항성을 향상시키도록 첨가되는 2 내지 11 중량%의 폐타이어 고무분말(CRM); 상기 스트레이트 아스팔트의 열화 현상과 수분 민감성을 개선하고, 열차 이동에 의한 충격 흡수를 강화하도록 첨가되는 2 내지 5 중량%의 폴리에틸렌(PE) 폴리머; 상기 폐타이어 고무분말의 고무분자 속에 침투하여 고무물성에 연화작용과 윤활작용을 활성화시킴으로써 분산력을 향상시키도록 첨가되는 0.01 내지 1 중량%의 고무 배합유; 현장 시공시 또는 생산 과정에서 발생되는 아스팔트 특유의 냄새를 제거하도록 첨가되는 0.01 내지 1 중량%의 냄새 제거제; 및 상기 폐타이어 고무분말의 노화를 방지하도록 첨가되는 0.1 내지 2 중량%의 산화 방지제를 포함하되, 상기 고무 배합유는 아로마틱계(Ca), 파라핀계(Cp), 스테아린산계 중에서 1 내지 2종을 사용하고, 상기 냄새 제거제는 악취가 분해되도록 상기 스트레이트 아스팔트의 악취원인 물질과 정전기적으로 결합하여 상기 악취원인 물질을 유기염 형태로 변화시키는 에센샬오일의 피톤치드 성분을 포함하여 구성된다.

여기서, 상기 SBS 블록공중합체는, 스티렌 함량이 10~25중량%이고 스티렌 블록율이 40~70%이며 중량 평균분자량이 50,000~90,000인 스티렌-부타디엔(Styrene Butadiene) 블록공중합체; 및 연화점이 90~200℃이고, 140℃의 점도가 15~300cps인 왁스(Wax)를 포함할 수 있다.

여기서, 상기 SBS 블록공중합체는 상기 스티렌-부타디엔 블록공중합체 및 왁스의 중량비가 1.5~5:1.5~5로 조성되어, 철도용 개질 아스팔트의 탄성 및 접착 성능을 향상시키는 것을 특징으로 한다.

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여기서, 상기 냄새 제거제는 200ppm 내지 5,000ppm의 희석율을 갖는 것을 특징으로 한다.

여기서, 상기 산화 방지제는 아민(Amine)계 산화방지제 및 페놀(Phenol)계 산화방지제 중에서 1 내지 2종을 선택하여 사용할 수 있다.

본 발명에 따르면, 시간 경과에 따른 아스팔트의 변형으로 인한 품질이 저해되지 않도록 안정적인 품질을 확보하고, 작업성을 고려하여 습식방식의 바인더 제조 후에 플랜트 현장까지의 운반과 저장을 고려하여 작업성을 향상시킬 수 있다.

본 발명에 따르면, 철도용 아스팔트 조성물에 탄성과 감온성을 부여하여 하중재하시 회복하는 속도 및 강성을 증진시키고, 온도에 대한 바인더의 물성 변화를 최소화함으로써 소성 변형에 대한 저항성을 향상시킬 수 있다.

본 발명에 따르면, 개질재 및 첨가제의 화학적 조성에 의한 결합을 통해 만들어진 철도용 개질 아스팔트 바인더로서, 골재의 접착력을 향상시킬 수 있고, 수분저항성을 향상시킬 수 있으며, 유독성 냄새를 제거할 수 있다.

도 1은 자갈 도상 및 콘크리트 도상의 장점 및 단점을 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 콘크리트 포장 및 아스팔트 포장의 장점 및 단점을 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 철도용 개질 아스팔트 생산 방법을 타 개질 아스팔트와 비교 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 사전배합(Pre-mix) 방식의 철도용 개질 아스팔트의 제조 공정을 나타내는 도면이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 철도용 개질 아스팔트 조성물을 나타내는 도면이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 철도용 개질 아스팔트 조성물의 배합비를 나타내는 도면이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 철도용 개질 아스팔트 조성물에서 탄성복원력 평가 결과를 나타내는 도면이다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 철도용 개질 아스팔트 조성물에서 장기저장 안정성 시험 결과를 나타내는 도면이다.
도 9는 본 발명의 실시예에 따른 철도용 개질 아스팔트 조성물에서 공용성능 평가 결과를 나타내는 도면이다.
도 10은 본 발명의 실시예에 따른 철도용 개질 아스팔트 조성물을 사용한 아스팔트 노반의 시험 결과를 나타내는 도면이다.

아래에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.

명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.

먼저, 개질 아스팔트 혼합 방식으로는 사전배합(Pre-mix) 방식인 습식 방식 및 현장배합(Plant-mix) 방식인 건식 방식이 있다.

습식 방식의 경우, 개질재와 아스팔트를 일정한 온도에서 미리 혼합하여 개질된 바인더의 형태로서, 플랜트 배치 내에 골재를 투입 시에 혼입하는 방식으로 아스팔트 저장탱크가 있어야 한다. 이때, 개질 아스팔트는 저장탱크 내에 보관됨으로 손실로 인한 품질관리에 어려움이 발생하지 않으며 플랜트에서는 추가적인 공정이 발생하지 않는 장점이 있다.

건식 방식의 경우, 플랜트 배치 내에 골재와 아스팔트 혼입 시에 액상이나 고형으로 된 개질재를 투입하여 아스팔트를 생산하는 방식으로서, 별도에 저장탱크는 필요하지 않지만, 개질재의 투입인력으로 인한 인건비가 발생하고, 개질재의 분산이 이루어지기 위한 믹싱타임이 추가적으로 발생하게 되는 단점이 있다.

도 3은 철도용 개질 아스팔트 생산 방법을 타 개질 아스팔트와 비교 설명하기 위한 도면이다.

도 3에 도시된 바와 같이, 철도용 개질 아스팔트는, 아스팔트 생산공장에서 개질재의 배합을 완료한 후에 아스콘사에 공급되는 사전배합(Pre-mix) 방식으로 생산되며, 아스콘 플랜트에서 아스팔트 혼합물(Asphalt mixture) 생산시에 개질재를 직접 투입하는 현장배합(Plant-mix) 방식으로 생산되는 개질 아스팔트와는 생산방식을 달리한다. 이러한 사전배합 방식은, 전술한 바와 같이, 제품에 대한 품질관리가 용이하고 아스콘 플랜트에서 별도의 주입시설이 필요 없이 스트레이트 아스팔트와 동일한 방법으로 사용이 가능하다는 장점을 가진다.

도 4는 사전배합(Pre-mix) 방식의 철도용 개질 아스팔트의 제조 공정을 나타내는 도면이다.

도 4를 참조하면, 사전배합(Pre-mix) 방식의 철도용 개질 아스팔트는, 먼저 스트레이트 아스팔트의 동적전단레오미터(DSR), 저온휨시험기(BBR), 침입도 및 연화점의 물성을 측정한다(S110).

다음으로, 개질재 및 첨가제의 물성을 측정하고(S120), 이후, 개질재 및 첨가제의 배합비 결정한다(S130).

다음으로, 반응온도 및 시간을 결정하고 배합조 내에서 스트레이트 아스팔트, 개질재 및 첨가제를 배합하여 철도용 개질 아스팔트를 생성한다(S140).

다음으로, 철도용 개질 아스팔트의 공용성 등급 규격을 점검하고, 분상상태 및 저장 안정성을 평가한다(S150). 즉, 제조된 철도용 개질아스팔트의 품질을 확인하고 기준 만족시 고객에게 제공하게 된다.

후속적으로, 철도용 개질 아스팔트를 사용하여 철도용 아스팔트 노반을 시공할 수 있다(S160).

본 발명의 실시예에 따른 철도용 개질 아스팔트는 기본 물성을 변화시킬 수 있는 화학적 조성물을 통해 스트레이트 아스팔트의 성상을 개선하였다.

본 발명의 실시예에 따른 철도용 개질 아스팔트의 경우, 아스팔트의 온도 특성을 개선하도록 SBS(Styrene-Butadiene-Styrene) 블록공중합체가 사용되며, 폐타이어 고무분말(CRM)은 감온성 개선을 위해 사용된다. 또한, 폴리에틸렌(PE) 폴리머는 열화를 예방하고 내수성 및 충격에 유리하기 때문에 아스팔트의 열화 현상 및 수분 민감성, 열차 이동에 의한 진동과 같은 충격을 강화한다. 또한, 고무배합유인 아로마틱계(Ca) 오일을 사용은 상기 폐타이어 고무분말의 고무분자 속에 침투하여 고무물성에 연화작용과 윤활작용을 활성화시켜 개질재의 분산력을 향상시킬 수 있는 특성으로 개질 아스팔트의 안정적 성상을 확보할 수 있다. 또한, 냄새 제거제의 경우, 현장 시공시 또는 생산과정에서 발생되는 아스팔트 특유의 냄새를 제거해줌으로써 작업자 및 주변환경을 쾌적하게 한다.

일반적으로, 아스팔트는 변형 및 취성파괴 등 다양한 손상들이 발생하게 되고 이러한 원인들 중 하나는 아스팔트의 열화 혹은 노화현상에 의해 발생하기도 한다. 따라서 본 발명의 실시예에 따른 철도용 개질 아스팔트는 노화를 방지할 수 있는 첨가제 및 폴리머를 사용하여 아스팔트의 노화를 최소화할 수 있다.

이하, 도 5 내지 도 9를 참조하여, 본 발명의 실시예에 따른 철도용 개질 아스팔트 조성물에 대해 구체적으로 설명하고, 도 10을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 철도용 아스팔트 노반을 설명하기로 한다.

[철도용 개질 아스팔트 조성물(100)]

도 5는 본 발명의 실시예에 따른 철도용 개질 아스팔트 조성물을 나타내는 도면이고, 도 6은 본 발명의 실시예에 따른 철도용 개질 아스팔트 조성물의 배합비를 나타내는 도면이다.

도 5 및 도 6을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 철도용 개질 아스팔트 조성물(100)은, 70 내지 93.88 중량%의 스트레이트 아스팔트(110); 상기 스트레이트 아스팔트(110)의 온도 특성을 개선하도록 첨가되는 2 내지 10 중량%의 SBS(스티렌-부타디엔-스티렌) 블록공중합체(120); 상기 스트레이트 아스팔트(110)의 감온성과 저온균열 저항성을 향상시키도록 첨가되는 2 내지 11 중량%의 폐타이어 고무분말(CRM: 130); 상기 스트레이트 아스팔트(110)의 열화 현상과 수분 민감성을 개선하고, 열차 이동에 의한 충격 흡수를 강화하도록 첨가되는 2 내지 5 중량%의 폴리에틸렌(PE) 폴리머(140); 아로마틱계(Ca) 오일로서, 상기 폐타이어 고무분말(130)의 고무분자 속에 침투하여 고무물성에 연화작용과 윤활작용을 활성화시킴으로써 분산력을 향상시키도록 첨가되는 0.01 내지 1 중량%의 고무 배합유(150); 현장 시공시 또는 생산 과정에서 발생되는 아스팔트 특유의 냄새를 제거하도록 첨가되는 0.01 내지 1 중량%의 냄새 제거제(160); 및 상기 폐타이어 고무분말(130)의 노화를 방지하도록 첨가되는 0.1 내지 2 중량%의 산화 방지제(170)를 포함한다.

바람직한 실시예로서, 본 발명의 철도용 개질 아스팔트 조성물(100)은 90 중량%의 스트레이트 아스팔트(110), 2 중량%의 SBS 블록공중합체(120), 3 중량%의 폐타이어 고무분말(130), 3 중량%의 폴리에틸렌(PE) 폴리머(140), 0.6 중량%의 고무 배합유(150), 0.1 중량%의 냄새 제거제(160) 및 0.3 중량%의 산화 방지제(170)를 포함할 수 있다.

스트레이트 아스팔트(straight asphalt: 110)는 원유를 상압, 감압증류 장치 등을 통하여 경질분을 제거했을 때 마지막으로 남는 물질에는 분해되지 않는 역청질이 많이 함유되어 있는데, 이것을 스트레이트 아스팔트라고 한다. 이러한 스트레이트 아스팔트(110)는 원유의 종류에 따라서는 적은 양의 공기를 불어 넣거나 침입도(아스팔트의 경도)가 다른 아스팔트를 혼합하기도 한다. 이때, 침입도가 40 이하인 스트레이트 아스팔트(110)는 주로 공업용으로, 침입도 40 이상인 것은 도로포장용이나 수리를 위한 구조물용으로 사용한다. 본 발명의 실시예에 따른 철도용 개질 아스팔트(100)에는 침입도 80~200의 스트레이트 아스팔트(110)가 사용된다.

SBS 블록공중합체(120)는 상기 스트레이트 아스팔트(110)의 온도 특성을 개선하도록 첨가되며, SBS 블록공중합체의 구조는 탄성체의 양 말단에 스티렌 블록으로 이루어져 있으며, 부타디엔 도메인(domain)은 탄성영역을 강화하는 충전제의 역할과 함께 3차원 망상구조를 형성하는 물리적 가교제로서의 역할을 한다. 이러한 SBS 블록공중합체(120)는 soft segment 구조의 폴리부타디엔(polybutadiene) 양쪽에 hard segment 구조의 polystyrene 블록이 결합되어 있는 삼중블록 구조를 가지고 있다. 또한, 상기 SBS 블록공중합체(120)의 모폴로지는 폴리부타디엔 매트릭스에 polystyrene 도메인이 형성되어 있음을 보여준다. 따라서 폴리스티렌과 폴리부타디엔이 화학적으로 구분되는 블록 구조를 가지고 있으나, 거시적으로는 폴리스티렌 블록과 폴리부타디엔 블록이 상분리가 되어 있음을 알 수 있다. 이러한 SBS 블록공중합체(120)는 고무탄성 성질과 열가소성의 성질을 함께 가지고 있기 때문에 기존의 도로포장용 혼합물 및 도로의 취성 파괴를 방지하는 아스팔트 개질재로 사용된다.

구체적으로, 상기 SBS 블록공중합체(120)는, 스티렌 함량이 10~25중량%이고 스티렌 블록율이 40~70%이며 중량 평균분자량이 50,000~90,000인 스티렌-부타디엔(Styrene Butadiene) 블록공중합체, 및 연화점이 90~200℃이고 140℃의 점도가 15~300cps인 왁스를 포함하며, 이때, 상기 스티렌-부타디엔 블록공중합체 및 왁스의 중량비가 1.5~5:1.5~5로 조성됨으로써, 개질재로서 철도용 개질 아스팔트의 탄성 및 접착성능을 개선할 수 있다.

폐타이어 고무분말(Crumb Rubber Modifier: CRM)(130)은 상기 스트레이트 아스팔트(110)의 감온성과 저온균열 저항성을 향상시키도록 첨가된다. 이러한 폐타이어 고무분말(130)을 이용한 고무 아스팔트는 고무가 지닌 점도와 탄성을 최대한 활용하는 다른 고무 아스팔트와 마찬가지로 도로 파손이나 변형, 균열 등에 매우 강하고, 기존 아스팔트에 비해 수명이 2배 정도 길다. 또한, 고무 아스팔트 콘크리트 포장은 최소 3dB에서 10dB까지 차량 주행 소음을 감소시키는 것으로 밝혀졌다. 국내에서의 소음 측정 결과에 따르면, 일반 아스팔트 포장 구간에 비해서 4dB이 감소되었다.

구체적으로, 타이어에는 천연고무, 합성고무, 합성고무의 내마모성을 보강하기위한 카본블랙, 충진제, 산화방지제, 연화제, 가류제, 가황촉진제, 점착제, 착색제 등이 포함되어 있고, 이러한 타이어의 열분해 잔류물은 대부분이 카본블랙이고, 나머지는 활성제, 충진제, 가루제 등으로 되어 있다. 이때, 상기 폐타이어 고무분말(130)의 열분해시 발생하는 카본블랙으로 보강된 개질 아스팔트를 사용 골재와 교반시켜 아스팔트 콘크리트를 제작하였을 때, 상기 카본블랙은 내마모성을 증진시키고, 저온에서의 균열을 개선하고, 고온에서의 동적 안정도를 개선할 수 있다. 따라서 본 발명의 실시예에서는 상기 폐타이어 고무분말(CRM: 130)을 아스팔트 특성중 감온성과 저온균열 저항성을 향상시키는 범위 내에서 최소한으로 사용함으로써 개질 아스팔트의 성능 및 환경적 측면에 기여할 수 있다.

폴리에틸렌 폴리머(140)는 상기 스트레이트 아스팔트(110)의 열화 현상과 수분 민감성을 개선하고, 열차 이동에 의한 충격 흡수를 강화하도록 첨가된다.

구체적으로, 이러한 폴리에틸렌(PE)의 구성성분 중에서 BHT, Ionol 등의 산화방지 성분은 열에 의한 노화를 방지하고 수지가 사용되는 동안 햇빛에 노출됨으로써 빛에 의한 열화를 방지할 수 있다. 또한, 이러한 폴리에틸렌(PE)은 유백색이며 반투명, 불투명의 납과 같은 느낌의 플라스틱으로, 비중은 보다 작고, 내수성, 전기 절연성이 우수하고, 산과 알칼리에 잘 견딘다. 또한, 이러한 폴리에틸렌(PE)은 위생적으로 무독하며, 상당한 저온에서도 유연성을 잃지 않고 충격에 강하다. 또한, 폴리에틸렌(PE)은 거의 수분을 통과시키지 않기 때문에 수분 민감성을 개선할 수 있다.

고무 배합유(150)는 상기 폐타이어 고무분말(130)의 고무분자 속에 침투하여 고무물성에 연화작용과 윤활작용을 활성화시킴으로써 분산력을 향상시키도록 첨가된다. 이러한 고무 배합유(150)는 아로마틱계(Ca), 파라핀계(Cp) 및 스테아린산계 중에서 1 내지 2종을 사용할 수 있다. 여기서, Ca(아로마틱계) 고무 배합유는 천연고무, 재생고무, SBR 등을 사용하며, 모든 고무에 들어가는 기름은 고무분자 속에 침투하여 팽윤성이나 고무물성에 연화작용과 윤활 작용을 한다. 또한, Cp(파라핀계) 고무 배합유는 생고무, SBR에 일부 사용될 수 있다. 또한, 스테아린산계 고무 배합유는 동물유지 및 식물유지를 원료로 산화제를 가하여 만든 고형체 물질로서, 고무원료 100%에 5% 이상 투입된다.

냄새 제거제(160)는 현장 시공시 또는 생산 과정에서 발생되는 아스팔트 특유의 냄새를 제거하도록 첨가된다. 특히, 아스팔트 혼합물 생산시 가장 많은 냄새를 유발한다고 알려져 있고, 아스팔트 포장 현장에서도 시공자 및 주변도심에 불쾌감을 주고 있다. 현재까지 아스팔트에 대한 시공성을 고려해 아스팔트 냄새를 줄인 제품은 거의 전무한 상황이다. 이에 따라 본 발명의 실시예에 따른 철도용 개질 아스팔트 조성물의 경우, 냄새의 근원이 되는 원자재인 아스팔트의 냄새를 개선함으로써 고객의 불쾌감을 덜고자 한다.

본 발명의 실시예에 따른 철도용 개질 아스팔트 조성물에 사용되는 냄새 제거제(160)는 100% 천연식물(200여종)에서 추출한 "에센샬오일"의 "피톤치드" 성분으로서, 인체에 무해하며, 악취원인 물질을 정전기적으로 결합하여 유기염 형태로 변화시켜 악취를 분해할 수 있고, 이때, 희석율이 높아 적은 비용으로 냄새를 제거할 수 있는데, 상기 냄새 제거제(160)는 200ppm 내지 5,000ppm의 희석율을 갖는다. 여기서, 피톤치드(Phytoncide)는 숲 속의 식물들이 만들어 내는 살균성을 가진 모든 물질을 통틀어 지칭하는 말로서, 테르펜이라는 물질을 주성분으로 한다.

산화방지제(170)는 상기 폐타이어 고무분말(130)의 노화를 방지하도록 첨가된다. 즉, 상기 폐타이어 고무분말(130)은 산소, 오존, 알칼리, 자외선, 풍속 등에 의하여 노화현상이 발생할 우려가 있으므로, 상기 폐타이어 고무분말(130)의 고무 100%에 대해서 1~2%정도의 산화방지제(170)를 사용할 수 있다. 여기서, 산화방지제(170)는 아민계 산화방지제 및 페놀계 산화방지제 중에서 1 내지 2종을 선택하여 사용할 수 있다.

이에 따라 본 발명의 실시예에 따른 철도용 개질 아스팔트 조성물(100)의 경우, 철도용 아스팔트에 탄성과 감온성을 부여하여 하중재하시 회복하는 속도 및 강성을 증진시키고, 온도에 대한 바인더의 물성 변화를 최소화함으로써 소성 변형에 대한 저항성을 향상시킬 수 있다. 또한, 개질재 및 첨가제의 화학적 조성에 의한 결합을 통해 만들어진 철도용 개질 아스팔트 바인더로서, 골재의 접착력 및 수분저항성을 향상시킬 수 있으며, 유독성 냄새를 제거할 수 있다. 또한, 시간 경과에 따른 아스팔트의 변형으로 인한 품질이 저해되지 않도록 안정적인 품질을 확보하고, 작업성을 고려하여 습식방식의 바인더 제조 후에 플랜트 현장까지의 운반과 저장을 고려하여 작업성을 향상시킬 수 있다.

[실험 결과]

일반적으로, 아스팔트 제조 시설은 악취배출 시설로 분류되어 있으며, 환경부 악취배출원관리 업무편람에 따르면, 아스콘 제조업체에서 주로 발생하는 악취 물질로는 blue smoke와 아스팔트 시멘트가 고온에서 증발하여 생성되는 벤젠, 이황화탄소, 포름알데히드, 스타이렌, 자일렌 등이 있다.

본 발명의 실시예에 따른 철도용 개질 아스팔트 조성물(100)의 냄새제거를 위해 사용된 냄새 제거제(160)는 전술한 바와 같이 100% 천연식물(200여종)에서 추출한 "에센샬오일"의 "피톤치드" 성분으로서, 인체에 무해하며, 악취원인 물질을 정전기적으로 결합하여 유기염 형태로 변화시켜 악취를 분해하는 작용원리이고, 희석율이 높기 때문에 적은 비용으로 냄새를 용이하게 제거할 수 있었다.

한편, 아스팔트 탄성력에 의한 복원 성능은 아스팔트의 장기 공용성에 도움이 되며 하중재하 후 복원되는 시간이 짧아짐으로써 연속하중에 대한 저항성을 키울 수 있을 뿐만 아니라 변형 발생시 Self-leveling의 시간이 단축된다.

도 7은 본 발명의 실시예에 따른 철도용 개질 아스팔트 조성물에서 탄성복원력 평가 결과를 나타내는 도면이다.

도 7에 도시된 바와 같이, ASTM D 6084의 방법에 따라 신도시험기를 이용한 아스팔트의 복원력을 평가한 결과, 종래의 기술에 따른 AP-5는 복원성능이 거의 없는 것으로 나타났으며, 이에 반해 본 발명의 실시예에 따른 철도용 개질 아스팔트는 일정한 신장 후 회복력이 60% 이상을 나타냄으로써 AP-5보다 확실히 개선된 것을 알 수 있다.

한편, 개질재와 바인더의 결합에서 안정적인 품질을 지속적으로 유지하기 위해서는 아스팔트 바인더 안에서 개질재가 위로 떠오르거나 아래로 가라않는 현상이 발생지 않아야 한다. 이러한 문제들은 품질이 떨어지고 아스팔트 콘크리트의 공용수명을 단축시킬 수 있는 요인으로 작용할 수 있다. 그러나 본 발명의 실시예에 따른 철도용 개질 아스팔트 조성물은 개질재를 바인더와 사전배합(Pre-mix)함으로써 품질관리 및 제조공정상에 유리하도록 최적화되었다.

이러한 장기 저장안정성에 대한 평가는 아스팔트의 저장시 상분리 문제로 인한 품질의 저하를 개선하기 위한 시험으로서 주로 사전-배합형의 개질 아스팔트를 평가하기 위한 것이다. 국내에서는 KS M 2250으로 시험법에 대한 표준화가 되어있으며, 국외에서는 ASTM D 36, AASHTO PP5-93, DIN 52011 등으로 평가가 진행되고 있다. 대부분의 방법들은 거의 동일 수준에서 기준을 제시하고 있다.

도 8은 본 발명의 실시예에 따른 철도용 개질 아스팔트 조성물에서 장기저장 안정성 시험 결과를 나타내는 도면이다.

도 8에 도시된 바와 같이, 아스팔트의 연화점 온도 차이 0.2~0.4℃를 나타내었고, 본 발명의 실시예에 따른 철도용 개질 아스팔트 조성물의 저장안정성이 2 ℃ 이하의 기준을 만족하는 것을 알 수 있다.

한편, 아스팔트 포장 공사에서 혼합 및 다짐작업은 공용 성능 확보를 위하여 가장 중요한 작업이다. 이때, 다짐작업을 적절하게 수행하면 아스팔트 포장의 피로수명이 연장되고, 소성 변형이 감소하며 아스팔트의 산화 또는 노화에 의한 문제점이 줄어들고, 수분 침투에 의한 박리현상으로 인한 파손가능성이 감소되며 강도 및 안정도가 증가하고, 저온균열이 감소될 수 있다.

예를 들면, 공시체 제작시 아스팔트 혼합물의 상태, 혼합 및 다짐 온도는 작업성과 물성치에 큰 영향을 미친다. 즉, 아스팔트 혼합물을 서로 다른 온도에서 다짐할 경우, 동일한 아스팔트 혼합물이라도 결국 최적 아스팔트 함량이 다르게 결정되므로, 동점도에서의 온도값을 확인하여 혼합 및 다짐온도를 결정하여야 한다.

본 발명의 실시예에 따른 아스팔트 혼합물 제작시, 온도별 아스팔트 바인더의 동점도 측정 결과에 따르면, 온도가 상승됨에 따라 점도값이 감소하는 경향을 보였다. 즉, 온도가 상승됨에 따라 저점도 현상으로 인해 골재와의 피복 및 부착성능이 향상될 수 있다. 이에 따라 철도용 아스팔트의 경우에는 혼합물 제조시 혼합온도 범위는 175~195℃, 다짐온도 범위는 155~175℃가 적절한 것을 알 수 있다.

한편, 아스팔트의 물리적 성질은 온도에 따라 물성의 차이가 나타나게 되며, 이를 관리하기 위해 아스팔트가 안정적으로 공용될 수 있도록 수퍼페이브 아스팔트 바인더 시방규격(AASHTO MP1-93)에서 규정하여 사용되고 있다. 예를 들면, PG64-22 등급은 7일간 평균 최고포장설계 온도가 64℃이며 최저포장설계온도가 -22℃인 기후조건에 사용되는 아스팔트 등급이다. 따라서 지역적 기후 조건을 고려하여 선택적으로 사용되어야 한다.

아스팔트 바인더의 공용성 등급은 국내 및 미국, 유럽 등에서 주로 사용하고 있으며 침입도와 점도 등급과 같이 시험자의 오차가 발생할 확률이 적은 DSR 시험장비를 통해 아스팔트를 규격화한다. 보통 PG 공용성 등급에서는 평균 7일 최고 포장설계 온도를 이용하여 고온등급을 설정하고 있으며, 최저 포장 설계 온도는 저온등급 선정의 기본이 되고 있다.

따라서 고온등급의 경우 PG46부터 PG82 정도의 범위를 일반적으로 규정하고 있으며, 저온의 경우 -10에서 -46까지의 범위를 가지고 결정하고 있다. 또한, 아스팔트 바인더의 등급별 인화점, 점도, 동적전단, 단기노화, 장기노화 등의 측정을 통해 최소한 아스팔트 바인더가 가져야할 요구물성들을 규정하며, 국내 현장에서는 이러한 기준들을 이용하여 아스팔트 혼합물의 성능을 예측하고 적용하고 있다.

도 9는 본 발명의 실시예에 따른 철도용 개질 아스팔트 조성물에서 공용성능 평가 결과를 나타내는 도면이다.

도 9에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 철도용 개질 아스팔트 조성물은 공용성 등급이 PG76-22로서, 공용성능을 확보하는 것을 알 수 있다.

한편, 도 10은 본 발명의 실시예에 따른 철도용 개질 아스팔트 조성물을 사용한 아스팔트 노반의 시험 결과를 나타내는 도면이다.

본 발명의 실시예에 따른 철도용 개질 아스팔트 조성물을 사용한 아스팔트 노반은 아스팔트 혼합물로서, 철도용 아스팔트 혼합물의 다짐은 선회다짐기를 사용하였다. 왜냐하면 해머로 내려치는 방식의 마샬 다짐보다는 현장 롤러다짐과 유사한 방식의 선회다짐 방법을 도입함으로써 초기부터 다짐으로 인한 오류를 줄이고자 한 것이다. 또한, 철도용 아스팔트 노반은 도로용 아스팔트 노반과 달리 표층에 문제가 발생시에 절삭 덧씌우기가 불가능하다. 이에 따라 다짐은 초기에 충분히 다져서 체적변화가 적도록 해야 하므로 중차량 도로 포장용 혼합물과 같은 선회다짐 100회를 적용하였다.

본 발명의 실시예에 따른 철도용 아스팔트 노반은 가열 아스팔트 혼합물로서, 175~195℃에서 혼합하였고, 155~175℃에서 다짐하여 시험용 공시체를 제작하였고, 아스팔트 혼합물 시험결과는 도 10에 도시된 바와 같다.

도 10에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 철도용 개질 아스팔트 조성물을 사용한 아스팔트 노반을 3가지 실시예에 대해서 시험한 결과로서, 모두 설계 기준을 만족하는 것을 알 수 있다.

전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.

본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

100: 철도용 개질 아스팔트 조성물
110: 스트레이트 아스팔트
120: SBS 블록 공중합체
130: 폐타이어 고무분말(CRM)
140: 폴리에틸렌(PE) 폴리머
150: 고무 배합유
160: 냄새 제거제
170: 산화 방지제

Claims (9)

1. 철도용 아스팔트로서, 70 내지 93.88 중량%의 스트레이트 아스팔트(110);
   상기 스트레이트 아스팔트(110)의 온도 특성을 개선하도록 첨가되는 2 내지 10 중량%의 SBS(스티렌-부타디엔-스티렌) 블록공중합체(120);
   상기 스트레이트 아스팔트(110)의 감온성과 저온균열 저항성을 향상시키도록 첨가되는 2 내지 11 중량%의 폐타이어 고무분말(CRM: 130);
   상기 스트레이트 아스팔트(110)의 열화 현상과 수분 민감성을 개선하고, 열차 이동에 의한 충격 흡수를 강화하도록 첨가되는 2 내지 5 중량%의 폴리에틸렌(PE) 폴리머(140);
   상기 폐타이어 고무분말(130)의 고무분자 속에 침투하여 고무물성에 연화작용과 윤활작용을 활성화시킴으로써 분산력을 향상시키도록 첨가되는 0.01 내지 1 중량%의 고무 배합유(150);
   현장 시공시 또는 생산 과정에서 발생되는 아스팔트 특유의 냄새를 제거하도록 첨가되는 0.01 내지 1 중량%의 냄새 제거제(160); 및
   상기 폐타이어 고무분말(130)의 노화를 방지하도록 첨가되는 0.1 내지 2 중량%의 산화 방지제(170);를 포함하되,
   상기 고무 배합유(150)는 아로마틱계(Ca), 파라핀계(Cp), 스테아린산계 중에서 1 내지 2종을 사용하고,
   상기 냄새 제거제(160)는 악취가 분해되도록 상기 스트레이트 아스팔트(110)의 악취원인 물질과 정전기적으로 결합하여 상기 악취원인 물질을 유기염 형태로 변화시키는 에센샬오일의 피톤치드 성분을 포함하며, 상기 냄새 제거제(160)는 200ppm 내지 5,000ppm의 희석율을 가지며,
   상기 산화 방지제(170)는 아민(Amine)계 산화방지제 및 페놀(Phenol)계 산화방지제 중에서 1 내지 2종을 선택하여 사용하며,
   상기 철도용 아스팔트 노반을 시공하기 위한 아스팔트 혼합물의 혼합온도 범위는 175~195℃이고, 다짐온도 범위는 155~175℃인 것을 특징으로 하는 철도용 개질 아스팔트 조성물.
2. 제1항에 있어서, 상기 SBS 블록공중합체(120)는,
   스티렌 함량이 10~25중량%이고 스티렌 블록율이 40~70%이며 중량 평균분자량이 50,000~90,000인 스티렌-부타디엔(Styrene Butadiene) 블록공중합체; 및
   연화점이 90~200℃이고, 140℃의 점도가 15~300cps인 왁스(Wax)
   를 포함하는 철도용 개질 아스팔트 조성물.
3. 제2항에 있어서,
   상기 SBS 블록공중합체(120)는 상기 스티렌-부타디엔 블록공중합체 및 왁스의 중량비가 1.5~5:1.5~5로 조성되어, 철도용 개질 아스팔트의 탄성 및 접착 성능을 향상시키는 것을 특징으로 하는 철도용 개질 아스팔트 조성물.
4. 삭제
5. 삭제
6. 삭제
7. 삭제
8. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 따른 철도용 개질 아스팔트 조성물을 사용하여 시공된 철도용 아스팔트 노반.
9. 삭제

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