KR101662165B1 - 고온 및 저온 물성이 우수한 액상형 아스팔트용 중온화 개질제 조성물 및 제조 방법 그리고 이를 사용한 중온형 개질 아스팔트 혼합물 - Google Patents

고온 및 저온 물성이 우수한 액상형 아스팔트용 중온화 개질제 조성물 및 제조 방법 그리고 이를 사용한 중온형 개질 아스팔트 혼합물 Download PDF

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Abstract

본 발명의 일 실시예는 본 발명의 일 실시예는 화학식 1로 나타내어지는 저온강화제 100 중량부: 스티렌-부타디엔-스티렌 블록 공중합체 50~100 중량부; 및 폴리에틸렌글리콜계 비이온성 계면활성제로부터 선택되는 점도저하제 30~70 중량부를 포함하는 액상형 아스팔트용 중온화 개질제 조성물, 그 제조방법, 이를 포함하는 중온 개질 아스팔트 및 중온 개질 아스팔트 혼합물의 제조방법에 관한 것이다. 본 발명에 따르면, 프리믹스 타입으로 중온화 개질 아스팔트 제조시 상온에서 유동성이 있어 가열 등 별도의 처리 없이 상온에서 아스팔트 제조 설비에 투입이 가능하며, 아스팔트와의 혼합 속도가 향상되고, 아스팔트 제조 후 장기 보관을 하더라도 상분리가 일어나지 않으며, 아스팔트의 고온 물성 및 저온 물성을 동시에 향상시킬 수 있으며, 일반 아스팔트보다 낮은 온도에서 시공이 가능하다.

Description

고온 및 저온 물성이 우수한 액상형 아스팔트용 중온화 개질제 조성물 및 제조 방법 그리고 이를 사용한 중온형 개질 아스팔트 혼합물{LIQUID-TYPED WARM-MIX ASPHALT MODIFIER ENHANCED FOR HIGH- AND LOW-TEMPERATURES' PROPERTIES AND MANUFACTURING METHOD AND WARM-MIX MODIFIED ASPHALT MIXTURE COMPRISING THE SAME}
본 발명은 액상형의 고온 및 저온 물성이 우수한 중온 아스팔트용 개질제 조성물, 그 제조방법, 이를 사용한 중온 개질 아스팔트, 및 중온 개질 아스팔트 혼합물의 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 아스팔트의 고온 물성 및 저온 물성을 동시에 향상시키고, 상온에서 유동성이 있어 별도의 처리 없이 아스팔트 제조 설비에 투입이 가능하며, 아스팔트와의 혼합 속도가 향상되고, 아스팔트 제조후 장기 보관에도 상분리가 일어나지 않는 중온 아스팔트용 개질제 조성물, 그 제조방법, 이를 사용한 중온 개질 아스팔트, 및 중온 개질 아스팔트 혼합물의 제조방법에 관한 것이다.
아스팔트의 성능을 구분하는 기준으로 침입도 등급과 공용성 등급이 있다.
침입도 등급은 ASTM D946에 따라 측정된 아스팔트의 침입도를 근거로 아스팔트를 분류한 등급으로, 표준 침을 기준 온도에서 규정된 하중 및 시간 동안 아스팔트에 관입시켜, 그 관입량을 아스팔트의 침입도로 규정한다. 구체적으로 설명하면, 침입도는 25℃에서 아스팔트의 경도를 나타내는 지수로서, 아스팔트에 규정된 침의 바늘로 100 g의 힘으로 5초 동안 눌렀을 때의 침의 관입 깊이를 0.1 mm 단위로 나타낸 값으로, 침입도의 값이 작을수록 아스팔트의 굳기가 단단함을 의미한다. 이러한 침입도를 근거로 아스팔트는 40~50, 60~70, 85~100, 120~150, 200~300의 5가지 표준 등급으로 분류된다. 즉, 침입도 40~50의 아스팔트는 침입도 200~300의 아스팔트 보다 단단한 아스팔트이다. 국내에서 생산되는 대표적인 도로포장용 아스팔트는 침입도 85~100(AP-3) 등급과 침입도 60~70(AP-5) 등급의 2 종류가 있다.
아스팔트의 성능을 구분하는 다른 등급으로서 공용성 등급은 'PG XX-YY'의 형태로 등급을 나타내며, 이때 XX는 고온 등급을 의미하고, -YY는 저온 등급을 의미한다. 고온 등급이 높다는 의미는 아스팔트 포장 도로가 고온 및 중하중에 잘 견뎌 소성변형 저항성이 우수하다는 것으로 해석할 수 있으며, 최저 저온 등급이 낮다는 의미는 저온 균열에 강하다는 의미로 해석할 수 있다. 예를 들면, PG 58-22는 예상되는 포장의 최고 사용온도가 58℃이고, 최저 사용온도가 -22℃임을 나타낸다. 국내에서 사용되는 대표적인 도로포장용 아스팔트의 공용성 등급은 PG 64-22이다.
캐나다나 러시아 같은 극저온 지역에서는 동절기에 날씨가 매우 춥기 때문에 아스팔트 포장에서 저온 균열이 쉽게 발생한다. 이러한 저온 균열은 아스팔트 포장의 파손을 촉진하여 아스팔트 포장의 수명을 단축시키기 때문에, 도로의 장기 공용성을 향상시키기 위해서는 아스팔트 포장에서 발생하는 저온 균열에 대한 문제점을 해결해야 한다.
이를 해결하기 위해서는 PG 등급 기준으로 최저 사용온도가 낮은 아스팔트를 사용해야 한다. 하지만 일반적으로 아스팔트의 경우 최저 사용온도가 낮아지면 최고 사용온도도 함께 낮아지는 경향이 있어 하절기에는 소성변형이 발생할 수 있다는 단점이 있다.
아스팔트의 공용성 등급을 개선하는 방법으로서, 스티렌-부타디엔-스티렌 블록 공중합체, 폴리올레핀계 수지, 스티렌-부타디엔 고무, 폐타이어 분말 등의 고분자형의 개질제를 혼합하여 사용하는 방법이 가장 일반적이다. 이러한 첨가제에 의해 물성을 개선시킨 아스팔트를 '개질 아스팔트'라 일컫는다. 개질 아스팔트 제조를 위한 첨가제로서 스티렌-부타디엔-스티렌 블록 공중합체가 가장 널리 사용되고 있는데, 이러한 아스팔트 개질제들은 아스팔트와 혼합이 어려워 고속전단 혼합기를 사용하여야 하며, 스티렌-부타디엔-스티렌 블록 공중합체가 첨가된 개질 아스팔트는 공용성 등급의 최고 온도를 높일 수는 있으나 저온 균열을 개선하기 위한 최저 온도를 낮추는지는 못하므로 최고 사용온도와 최저 온도를 동시에 개선하는 개질제 개발이 필요하다. 예를 들면 스티렌-부타디엔-스티렌 블록 공중합체 4wt%를 PG 64-22 아스팔트 96wt%에 혼합시킬 때 160℃ 이상의 온도 조건에서 고속전단혼합기로 최소 1시간 이상 교반을 해줘야 하며, 개질제 제조 후 PG 등급이 70-22로 고온 물성은 향상되나 저온 물성은 개선시키지 못한다.
캐나다 토목 기술자인 바운틴 (Boutin, 2nd Eurasphalt & Eurobitume Congress Barcelona 2000 Proc.0267.uk)등은 캐나다 극저온지역(-26~-39℃)에 시공된 아스팔트 포장 상태와 포장에 사용된 아스팔트를 분석하여 PVN(Pen-vis Number)이 저온 지역에서 아스팔트 포장의 저온 균열과 밀접한 관계가 있음을 발표 하였다. 그의 발표 결과에 따르면 PVN이 0.6보다 높으면 저온 균열이 발생하지 않아 PVN이 클수록 저온 균열이 우수하고, PVN이 0.6보다 낮으면 저온 균열에 취약함을 알 수 있다. PVN은 135℃에서 측정한 아스팔트의 점도와 25℃에서 측정한 침입도를 사용하여 계산하는 지수로서, PVN의 계산 방법은 하기와 같다.
Figure 112014120013501-pat00001
상기 식으로부터 확인할 수 있는 바와 같이, 135℃ 점도와 25℃ 침입도가 높은 아스팔트일수록 높은 PVN 값을 가지게 된다. 하지만, 일반적으로 아스팔트는 점도가 높을수록 침입도가 낮아지는 특성을 보이고 있어, 저온 균열을 향상시키기 위해서는 아스팔트의 PVN을 높이는 방법의 개발이 필요하다.
한편, 도로용 개질 아스팔트 콘크리트(아스콘)의 제조방법은 크게 플랜트믹스 타입과 프리믹스 타입으로 구분될 수 있다. 플랜트믹스 타입은 아스콘 공장에서 골재와 아스팔트를 혼합할 때 개질제를 투입하여 아스콘을 제조하는 방식이며, 프리믹스 타입은 대형 용융 설비에서 아스팔트에 펠렛이나 크럼 형태의 개질제(예를 들면 스티렌-부타디엔-스티렌 블록 공중합체 등)를 투입하여 용융시켜 개질 아스팔트를 제조한 후, 아스콘 공장 등으로 이송하여 골재와 개질 아스팔트를 혼합하여 아스콘을 제조하는 방식이다.
프리믹스 타입은 용융 설비에서 아스팔트와 개질제를 160~200℃에서 용융 혼합시켜 제조하기 때문에 대량 생산이 가능하다는 장점이 있어 아스팔트 포장에 일반적으로 많이 사용된다. 그러나 프리믹스 타입에서는 아스팔트에 개질제를 녹이기 위해서는 고전단 혼합설비(High Shear Mixer)와 같은 별도의 장비가 필요하며 장기간 저장이나 이동시 개질제와 아스팔트가 분리되는 상분리 현상이 일어날 수 있다는 문제점이 있다. 이러한 상분리 현상을 억제하기 위해서 가교제등의 별도의 방법을 도입해야 한다. 그러므로 프리믹스타입의 개질제를 제조할 때 별도의 혼합 장비가 필요 없이 단순 교반이나 대류만으로도 쉽게 제조가 가능하며, 특별한 처방 없이도 상분리가 일어나지 않은 개질제 개발이 필요하다.
최근, 가열 아스팔트 혼합물(Hot-Mix Asphalt Mixture; HMA)에 비하여 20 ~ 40℃ 낮은 온도에서 아스팔트 혼합물을 혼합 및 다짐하는 중온 아스팔트 혼합물(Warm-Mix Asphalt Mixture; WMA)에 대한 연구가 활발하게 진행되고 있다. 이러한 중온 아스팔트 혼합물 제조하는 기술을 중온화 기술이라고 하는데, 중온화 기술은 시공온도를 낮춤으로써 고온에 의한 아스팔트의 단기 노화를 최소화시켜 저온 물성을 향상시키는데 기여한다. 일반적으로 가열 아스팔트 혼합물은 150~180℃에서 제조 및 시공하는데, 이 과정에서 열에 의한 아스팔트의 노화 현상이 발생하여 아스팔트가 딱딱해지게 된다. 노화된 아스팔트가 딱딱해지면 저온에서 쉽게 깨지게 되어 저온 물성에 나쁜 영향을 미치게 되기 때문에, 아스팔트의 저온 물성 개선을 위한 아스팔트 개질제를 제조할 때 중온화 기술의 적용이 필요하다.
그러나, 일부 왁스 타입의 중온화 첨가제의 경우 PG 등급 기준으로 저온 물성을 약화시키는 경우가 있어, 저온 물성에 영향을 미치지 않은 중온화 기술의 개발이 필요하다. 예를 들면 중온화 첨가제로 많이 사용되는 sasobit의 경우 2wt%를 PG 64-22 아스팔트 98wt%에 혼합한 후, PG 등급을 측정하면 76-18로 고온 물성은 향상되나 저온 물성은 오히려 나빠진다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 프리믹스 타입으로 중온화 개질 아스팔트 제조시 상온에서 유동성이 있어 가열 등 별도의 처리 없이 상온에서 아스팔트 제조 설비에 투입이 가능하며, 아스팔트와의 혼합 속도가 향상되고, 아스팔트 제조 후 장기 보관을 하더라도 상분리가 일어나지 않으며, 아스팔트의 고온 물성 및 저온 물성을 동시에 향상시킬 수 있으며, 일반 아스팔트보다 낮은 온도에서 시공이 가능한 중온 아스팔트용 개질제 조성물, 그 제조방법, 이를 사용한 중온 개질 아스팔트, 및 중온 개질 아스팔트 혼합물의 제조방법을 제공하는 것이다.
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 실시예는 하기 화학식 1:
[화학식 1]
Figure 112014120013501-pat00002
[식 중에서, m은 2 내지 4의 정수이고, n은 6 내지 12의 정수이다.]
로 나타내어지는 저온강화제 100 중량부: 스티렌-부타디엔-스티렌 블록 공중합체 50~100 중량부; 및 폴리에틸렌글리콜계 비이온성 계면활성제로부터 선택되는 점도저하제 30~70 중량부를 포함하는 액상형 아스팔트용 중온화 개질제 조성물을 제공한다.
또한, 상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 다른 일 실시예는 하기 화학식 1:
[화학식 1]
Figure 112014120013501-pat00003
[식 중에서, m은 2 내지 4의 정수이고, n은 6 내지 12의 정수이다.]
로 나타내어지는 저온강화제 100 중량부와 스티렌-부타디엔-스티렌 블록 공중합체 50~100 중량부를 상온에서 교반하여 스티렌-부타디엔-스티렌 블록 공중합체에 저온강화제를 흡수시키는 단계; 폴리에틸렌글리콜계 비이온성 계면활성제로부터 선택되는 점도저하제 30~70 중량부를 혼합물에 첨가하는 단계; 혼합물을 가열하여 140~170℃로 승온하는 단계; 스티렌-부타디엔-스티렌 블록 공중합체가 완전히 용융될 때까지 온도를 유지하면서 교반하는 단계; 및 상온으로 냉각하여 액상형 개질제 조성물을 얻는 단계를 포함하는 액상형 아스팔트 중온화 개질제 조성물의 제조방법을 제공한다.
또한, 상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 다른 일 실시예는 상기 액상형 아스팔트 중온화 개질제 조성물 3~5 중량% 및 아스팔트 95~97 중량%를 포함하는 중온 개질 아스팔트를 제공한다.
또한, 상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 다른 일 실시예는 상기 방법에 따라 액상형 아스팔트 중온화 개질제 조성물을 제조하는 단계; 가열된 아스팔트 95~97 중량%에 액상형 아스팔트 중온화 개질제 조성물 3~5 중량% 투입하여 균일하게 혼합하는 단계; 및 혼합물을 가열된 골재에 투입하여 혼합하는 단계를 포함하는 중온 개질 아스팔트 혼합물의 제조방법을 제공한다.
본 발명에 따른 개질제 조성물은 상온에서 유동성을 갖는 액상 형태이므로 프리믹스 타입의 중온화 개질 아스팔트 제조에 적용되는 경우 가열 등 별도의 처리 없이 아스팔트에 직접 투입될 수 있고, 아스팔트와의 혼합 속도가 향상되어 단순 유동만으로 빠른 시간 내에 아스팔트에 분산되므로 별도의 개질제 용융 설비가 필요 없다.
또한, 본 발명에 따른 개질제 조성물을 이용하여 제조된 개질 아스팔트는 장기 보관시에도 상분리가 일어나지 않는다.
또한, 본 발명에 따른 개질제 조성물을 이용하는 중온화 개질 아스팔트는 개질제에 의해 아스팔트의 고온 물성과 저온 물성이 동시에 향상되어 특히 극저온 지역에서 도로의 장기 공용성을 향상시킬 수 있으며, 일반 아스팔트보다 낮은 온도에서 시공이 가능하다.
도 1은 스티렌-부타디엔-스티렌 블록 공중합체의 형태를 나타내는 개략도. (a)는 선형 스티렌-부타디엔-스티렌 블록 공중합체, (b)는 테이퍼트 블록이 도입된 스티렌-부타디엔-스티렌 블록 공중합체, (c)는 가지형 스티렌-부타디엔-스티렌 블록 공중합체.
도 2는 다짐에너지를 구하기 위한 선회다짐횟수와 %이론최대밀도 그래프.
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. 하기의 설명에서는 구체적인 구성요소 등과 같은 많은 특정사항들이 도시되어 있는데, 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐 이러한 특정 사항들 없이도 본 발명이 실시될 수 있음은 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게는 자명하다 할 것이다. 그리고, 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
본 발명의 일 실시예는 하기 화학식 1:
[화학식 1]
Figure 112014120013501-pat00004
[식 중에서, m은 2 내지 4의 정수이고, n은 6 내지 12의 정수이다.]
로 나타내어지는 저온강화제 100 중량부: 스티렌-부타디엔-스티렌 블록 공중합체 50~100 중량부; 및 폴리에틸렌글리콜계 비이온성 계면활성제로부터 선택되는 점도저하제 30~70 중량부를 포함하는 액상형 아스팔트용 중온화 개질제 조성물에 관한 것이다.
본 발명의 액상형 아스팔트용 중온화 개질제 조성물에 포함되는 저온강화제는 아스팔트의 저온 물성을 향상시키며, 스티렌-부타디엔-스티렌 블록 공중합체를 용해시키는 역할을 한다.
저온강화제는 저온에서 아스팔트에 유연성을 부여하기 위하여 아스팔트와의 상용성이 좋으면서 응고점이 낮은 지방족 다이 에스테르, 바람직하게는 상기 화학식 1의 구조를 갖는 지방족 다이 에스테르가 바람직하다.
화학식 1에서 지방족의 탄소수(n)가 6보다 적으면 응고점이 높아져 저온 물성 개선 효과가 크지 않고 인화점이 낮아 아스팔트 포장 용도에 적용하기 어려우며, 12보다 크면 한센 용해도 지수(Hansen solubility parameter)가 낮아져 스티렌-부타디엔-스티렌 블록 공중합체와의 상용성이 좋지 않으며 상분리가 일어나 액상 형태의 개질제 제조가 어려워진다.
일 형태에서, 저온강화제는 스티렌-부타디엔-스티렌 블록 공중합체와의 상용성을 좋게 하기 위하여 16~18의 한센 용해도 지수(Hansen solubility parameter)를 갖는 것이 바람직하다.
또한, 일 형태에서, 저온강화제는 저온 물성을 개선하기 위하여 응고점이 -50℃ 이하인 것이 바람직하며, 아스팔트에 사용하기 위해서는 인화점이 190℃ 이상인 것이 바람직하다.
본 발명의 액상형 아스팔트용 중온화 개질제 조성물에 포함되는 스티렌-부타디엔-스티렌 블록 공중합체는 아스팔트의 고온 물성을 향상시키는 역할을 한다.
저온강화제 100 중량부를 기준으로 스티렌-부타디엔-스티렌 블록 공중합체는 50~100 중량부 범위의 양으로 액상형 아스팔트용 중온화 개질제 조성물에 포함될 수 있다. 스티렌-부타디엔-스티렌 블록 공중합체의 양이 50 중량부 미만인 경우 아스팔트 바인더의 고온 물성이 저하되며, 100 중량부를 초과하는 경우 제조된 개질제의 점도가 너무 높거나 고형화되는 문제가 발생한다.
일 형태에서, 스티렌-부타디엔-스티렌 블록 공중합체는 바람직하게 50,000~200,000 g/mol 범위, 더욱 바람직하게 60,000~150,000 g/mol 범위의 중량평균분자량을 가질 수 있다. 스티렌-부타디엔-스티렌 블록 공중합체의 중량평균분자량이 50,000 g/mol 미만인 경우에는 아스팔트의 고온 물성 개질 효과가 적게 되며, 200,000 g/mol을 초과하는 경우에는 점도 및 상전이 온도가 너무 높아져 개질 아스팔트 제조시 아스팔트에 용융시키는데 어려움이 있고, 개질 아스팔트 제조 후 상분리 현상이 일어나기 쉽니다.
일 형태에서, 스티렌-부타디엔-스티렌 블록 공중합체는 스티렌 함량이 바람직하게 20~40 중량%, 더욱 바람직하게 25~35 중량%일 수 있다. 스티렌 함량이 20 중량% 미만인 경우에는 탄성이 부족하여 개질 아스팔트의 연화점 등의 물성이 저하될 우려가 있으며, 40 중량%를 초과하는 경우에는 플라스틱 성질이 강하게 되어 아스팔트 개질 효과가 발휘되지 않을 수 있다.
일 형태에서, 스티렌-부타디엔-스티렌 블록 공중합체는 부타디엔 중 비닐 함량이 30~60 중량%인 것이 바람직하다. 비닐 함량이 30 중량% 미만인 경우에는 상분리가 일어날 수 있으며, 60 중량%를 초과하는 경우에는 유리전이온도가 높아져 아스팔트의 저온 물성에 나쁜 영향을 미치게 된다.
일 형태에서, 스티렌-부타디엔-스티렌 블록 공중합체는 선형, 가지형 또는 테이퍼드(tapered) 구조를 갖는 것을 모두 사용할 수 있다(도 1 참조). 그러나, 제조된 개질제의 점도 상승을 방지하고 유동성 부여를 위해서는 가지형 공중합체가 바람직하고, 용융분산속도 향상을 위해서는 스티렌 블록에 테이퍼드 구조를 갖는 공중합체가 바람직할 수 있다.
본 발명의 액상형 아스팔트용 중온화 개질제 조성물에 포함되는 점도저하제는 아스팔트의 저온 물성을 강화하고, 아스팔트의 포장 온도를 저하시키는 역할을 한다.
저온강화제 100 중량부를 기준으로 점도저하제는 30 내지 70 중량부 범위의 양으로 액상형 아스팔트용 중온화 개질제 조성물에 포함될 수 있다. 점도저하제의 양이 30 중량부 미만인 경우에는 중온화 효과가 불충분하며, 70 중량부를 초과하는 경우에는 스티렌-부타디엔-스티렌 블록 공중합체와의 상용성이 나빠져 스티렌-부타디엔-스티렌 블록 공중합체를 용융시키는데 어려움이 있다.
일 형태에서, 점도저하제는 폴리에틸렌글리콜계 비이온성 계면활성제로부터 선택될 수 있으며, 예를 들어 폴리옥시에틸렌알킬에테르 또는 폴리옥시에틸렌글리콜지방산에스테르일 수 있다.
일 형태에서, 점도저하제는 응고점이 -30℃ 이하인 폴리에틸렌글리콜계 비이온성 계면활성제일 수 있다. 응고점이 -30℃보다 높은 경우 아스팔트의 저온 물성에 영향을 미칠 수 있다.
일 실시예에서, 본 발명의 액상형 아스팔트용 중온화 개질제 조성물은 점착부여제, 산화방지제, 열안정제, 대전방지제 및 활제로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상의 첨가제를 더 포함할 수 있다.
한편, 본 발명의 다른 일 실시예는 하기 화학식 1:
[화학식 1]
Figure 112014120013501-pat00005
[식 중에서, m은 2 내지 4의 정수이고, n은 6 내지 12의 정수이다.]
로 나타내어지는 저온강화제 100 중량부와 스티렌-부타디엔-스티렌 블록 공중합체 50~100 중량부를 상온에서 교반하여 스티렌-부타디엔-스티렌 블록 공중합체에 저온강화제를 흡수시키는 단계; 폴리에틸렌글리콜계 비이온성 계면활성제로부터 선택되는 점도저하제 30~70 중량부를 혼합물에 첨가하는 단계; 혼합물을 가열하여 140~170℃로 승온하는 단계; 스티렌-부타디엔-스티렌 블록 공중합체가 완전히 용융될 때까지 온도를 유지하면서 교반하는 단계; 및 상온으로 냉각하여 액상형 개질제 조성물을 얻는 단계를 포함하는 액상형 아스팔트 중온화 개질제 조성물의 제조방법에 관한 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 액상형 아스팔트 중온화 개질제 조성물의 제조방법에 있어서는, 저온강화제와 스티렌-부타디엔-스티렌 블록 공중합체를 충분히 교반하여 스티렌-부타디엔-스티렌 블록 공중합체에 저온강화제를 흡수시킨 후 점도저하제를 첨가한다. 이는 스티렌-부타디엔-스티렌 블록 공중합체와 상용성이 있는 저온강화제에 의해 공중합체를 용해시키기 위한 것으로, 스티렌-부타디엔-스티렌 블록 공중합체와 상용성이 없는 점도저하제를 먼저 투입하거나 동시에 투입하면 공중합체를 용해시키는데 어려움이 있어 액상형의 개질제를 만들기 어려워지기 때문이다.
일 형태에서, 점도저하제 첨가 시에 점착부여제, 산화방지제, 열안정제, 대전방지제 및 활제로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상의 첨가제를 더 첨가할 수 있다.
액상형 아스팔트 중온화 개질제 조성물의 각각의 구성성분, 작용효과, 함량 등에 대해서는 전술한 개질제 조성물에 대한 실시예에서 상술하였으므로, 본 실시예에 있어서는 반복을 피하기 위하여 그 상세한 기재를 생략한다.
본 발명의 다른 일 실시예는 상기 액상형 아스팔트 중온화 개질제 조성물 3~5 중량% 및 아스팔트 95~97 중량%를 포함하는 중온 개질 아스팔트에 관한 것이다.
아스팔트로는 일반적으로 도로 포장에 이용되는 어떠한 아스팔트도 이용가능하다. 아스팔트는 일반적으로 ASTM D946에 의한 침입도 시험결과에 따라 분류될 수 있다. 현재 국내에서 생산되는 대표적인 도로 포장용 아스팔트는 침입도 85 ~ 100(AP-3) 및 침입도 60 ~ 70(AP-5) 등급이다.
본 발명의 또 다른 일 실시예는 상기 방법에 따라 액상형 아스팔트 중온화 개질제 조성물을 제조하는 단계; 가열된 아스팔트 95~97 중량%에 액상형 아스팔트 중온화 개질제 조성물 3~5 중량% 투입하여 균일하게 혼합하는 단계; 및 혼합물을 가열된 골재에 투입하여 혼합하는 단계를 포함하는 중온 개질 아스팔트 혼합물의 제조방법에 관한 것이다.
일 형태에서, 아스팔트와 골재의 중량 비율은 3.5:96.5 내지 6.0:94.0의 범위일 수 있다.
일 형태에서, 아스팔트의 가열 온도는 150~180℃이며, 골재의 가열 온도는 110~140℃의 범위일 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
본 실시예 및 비교예에서 아스팔트용 중온화 개질제를 제조하기 위해 사용된 재료는 하기와 같다.
1) SBS/10/20-L: 스티렌 함량이 33 중량%, 중량평균분자량이 100,OOO g/mol, 비닐 함량 20 중량%인 선형 스티렌-부타디엔-스티렌 블록 공중합체
2) SBS/10/40-L: 스티렌 함량이 33 중량%, 중량평균분자량이 100,OOO g/mol, 비닐 함량 40 중량%인 선형 스티렌-부타디엔-스티렌 블록 공중합체
3) SBS/25/40-L: 스티렌 함량이 33 중량%, 중량평균분자량이 250,OOO g/mol, 비닐 함량 40 중량%인 선형 스티렌-부타디엔-스티렌 블록 공중합체
4) SBS/4/40-L: 스티렌 함량이 33 중량%, 중량평균분자량이 40,OOO g/mol, 비닐 함량 40 중량%인 선형 스티렌-부타디엔-스티렌 블록 공중합체
5) SBS/10/40-LT: 스티렌 함량이 33 중량%, 중량평균분자량이 100,OOO g/mol, 비닐 함량 40 중량%이고, 테이퍼트 블록을 가진 선형 스티렌-부타디엔-스티렌 블록 공중합체
6) SBS/15/40-R: 스티렌 함량이 33 중량%, 중량평균분자량이 150,OOO g/mol, 비닐 함량 40 중량%이고 가지형 스티렌-부타디엔-스티렌 블록 공중합체
7) 저온강화제-8: 화학식 1에서 m=4이고 n=8인 다이 아디페이트(di-adipate)
8) 저온강화제-14: 화학식 1에서 m=4이고 n=14인 다이 아디페이트(di-adipate)
9) 점도저하제-L: 응고점이 25℃인 폴리옥시에틸렌알킬에테르(polyoxyethylene alkyl ether)
10) 점도저하제-H: 응고점이 35℃인 폴리옥시에틸렌알킬에테르(polyoxyethylene alkyl ether)
11) 아스팔트(AP): 25℃ 침입도가 100이고 135℃에서 점도가 270cps이며 공용등급이 PG 58-28 아스팔트
(2) 실시예 및 비교예에 따른 아스팔트용 중온화 개질제의 제조
하기 표 1 및 2에 나타낸 조성비에 따라 하기와 같은 방법으로 중온화 개질제를 제조하였다.
상온에서 교반기가 달린 반응기에 저온강화제와 스티렌-부타디엔-스티렌 블록 공중합체를 넣고 스티렌-부타디엔-스티렌 블록 공중합체에 저온강화제가 충분히 흡수할 때까지 교반하였다. 교반 혼합물에 점도저하제를 넣고, 반응기를 가열하여 140~170℃로 승온하였다. 스티렌-부타디엔-스티렌 블록 공중합체가 다 용융될 때까지 온도를 유지하면서 교반하였다. 이후 상온으로 냉각하여 아스팔트용 중온화 개질제를 얻었다.
(3) 실험예 1: 아스팔트용 개질제의 제조 및 특성 평가
1) 개질제 형상 및 혼화성
개질제 형상 측면에서, 상기 제조 방법에 의해 제조된 중온화 개질제를 상온으로 냉각하여 상온에서 유동성을 가지면 합격, 갖지 않으면 불합격으로 판정하였다. 또한, 재료간의 혼화성 측면에서, 개질제 제조 후 상온에서 24시간 방치한 후에 층 분리나 고형물이 발생하면 불합격, 일어나지 않으면 합격으로 판정하였다. 그 결과를 표 1에 나타내었다.
상온에서 유동성이 있으면 저장용기에서 아스팔트까지 이송을 위해 별도의 보관이나 처리 없이 아스팔트와 혼합할 수 있지만, 유동성이 없으면 저장용기에서 이송을 위해 가열 등의 처리를 해야 하는 불편함이 있다.
2) 중온화 개질제의 아스팔트에 대한 용해성(분산성) 평가
본 발명의 목적 중 하나가 빠른 시간 내에 별도의 교반 장비 없이 중온화 개질 아스팔트를 제조하는데 있다. 이 평가를 위해 160℃로 가열된 아스팔트에 제조된 개질제를 4wt% 넣고 500rpm으로 3분간 교반한 후 육안 관찰 및 상부와 하부의 샘플을 채취하여 연화점을 측정하였다. 육안 관찰 결과 용해되지 않거나 혼합되지 않은 개질제가 발견되면 불합격, 발견되지 않으면 합격 판정하였다. 또한 육안 관찰 결과 혼련이 되었더라도, 5분 교반 후 상부와 하부에서 샘플을 채취하여 연화점 차이가 2℃ 이내의 차이가 나면 합격, 2℃ 이상이 나면 불합격으로 판정하였다. 그 결과를 표 1에 나타낸다.
3) 중온화 개질제의 상분리 특성 평가
습식형 개질 아스팔트에서 장기간 보관시 재료의 상분리가 일어나지 않은 특성이 중요하다. 상분리 특성 평가를 위해 160℃로 가열된 아스팔트에 중온화 개질제를 4wt% 넣고 제조한 중온화 개질 아스팔트를 길이가 20 cm이고 직경이 2.5 cm인 튜브에 담아 163℃에서 72시간 동안 보관하였다. 72시간 경과 후 튜브 내에 있는 아스팔트를 25℃ 이하의 상온으로 경화시킨 후 연화점을 측정하였다. 상부와 하부의 연화점 차이가 2℃ 이내이면 합격, 2℃ 이상이면 불합격으로 판정하였다. 그 결과는 표 1 및 2에 나타낸다.

 실시예 비교예
1 2 1 2 3 4 5



개질제 조성물
(중량부)
 저온강화제-8 100 100 100 100 100 100
저온강화제-14 100
SBS/10/40-L 70 90 30 120 70 70 70
점도저하제-L 50
점도저하제-H 50 50 50 50 50 100
개질제 형상 합격 합격 합격 불합격 불합격 불합격 합격
재료간 혼화성 합격 합격 합격 - 불합격 불합격 합격
분산성 평가 합격 합격 합격 - - - 합격
상분리 평가
(ΔT)		 합격
2℃		 합격
2℃		 합격
2℃		 불합격
4℃		 - - 합격
2℃
표 1에 따르면, 비교예 2의 경우 스티렌-부타디엔-스티렌 블록 공중합체의 함량이 높아 상온에서 고상이 되었으며, 비교예 3의 경우 저온강화제와 스티렌-부타디엔-스티렌 블록 공중합체의 상용성이 떨어져 중온화 개질제 제조 후 상온에서 상분리되었고, 비교예 4의 경우 점도저하제의 함량이 많아 중온화 개질제 제조 후 스티렌-부타디엔-스티렌 블록 공중합체가 상온에서 상분리되었다. 표 1의 결과로부터, 비교예 2 내지 4는 본 발명의 중온화 개질제로는 적합하지 않은 조성비로 판단된다.

 실시예 비교예
1 3 4 6 7 8





개질제
조성물
(중량부)


 저온강화제-8 100 100 100 100 100 100
저온강화제-H 50 50 50 50 50 50
SBS/10/20-L 70
SBS/10/40-L 70
SBS/25/40-L 70
SBS4/40-L 70
SBS/10/40-LT 70
SBS/15/40-R 70
개질제 형상 합격 합격 합격 합격 불합격 합격
분산성 평가 합격 합격 합격 합격 - 합격
상분리 평가
(ΔT)		 합격
2℃		 합격
1℃		 합격
1℃		 불합격
8℃		 불합격
10℃		 합격
2℃
표 2에 따르면, 비교예 6의 경우 스티렌-부타디엔-스티렌 블록 공중합체의 비닐 함량이 낮아 상분리가 일어났으며, 비교예 7의 경우 스티렌-부타디엔-스티렌 블록 공중합체의 점도가 높아 중온화 개질제 형상에서 불합격 판정받았으며 또한 상분리가 일어나 불합격 판정을 받았다. 표 2의 결과로부터, 비교예 6 및 7은 본 발명의 중온화 개질제로는 적합하지 않은 조성비로 판단된다.
한편, 실시예 1 내지 4는 중온화 개질제의 형상 및 분산성에 있어서 적합하였고, 특히 가지형 및 테이퍼트 블록이 도입된 스티렌-부타디엔-스티렌 블록 공중합체(실시예 3 및 4)가 선형 스티렌-부타디엔-스티렌 블록 공중합체(실시예 1)보다 상분리 특성이 우수함을 알 수 있었다. 이러한 결과로부터, 사용상 용이성, 분산성 및 상분리 억제 등의 특성을 만족시키기 위해서는 개질제를 이루는 각 구성성분들이 최적화되어야 함을 알 수 있다.
(4) 실험예 2: 중온화 개질 아스팔트의 고온 및 저온 물성 평가
중온화 개질제를 이용한 개질 아스팔트의 고온 및 저온 물성 평가는 제조 및 사용상 문제가 없는 실시예 1 내지 4, 비교예 1, 5, 8을 이용하여 실시하였다. 개질 아스팔트는 160℃로 가열된 아스팔트에 제조된 중온화 개질제를 4wt% 넣고 충분히 혼합한 후에 하기 각 항목별로 물성 평가를 실시하였다.
1) 공용성 평가
상기 실시예 및 비교예서 제조된 중온화 개질제를 사용하여 제조된 중온형 개질 아스팔트의 고온 및 저온 물성 평가는 PG 시험을 기준으로 평가하였다.
PG 평가방법에 의해 RTFO(Rolling Thin Film Oven, 박막가열시험) 전 후에는 DSR로 고온 등급을 평가하였고, PVA(Pressure AgingVessel, 압력노화시험) 후에는 BBR을 이용하여 저온 등급을 평가하였다. 그 결과를 하기 표 3 및 4에 나타낸다.
2) PVN 평가
개질 아스팔트의 저온 균열 특성을 파악하기 위하여 전술한 PVN 계산 공식을 이용하여 135℃ 점도와 25℃ 침입도를 측정하여 PVN(Pen-vis Number)을 계산하였다. PVN이 0.6보다 높으면 합격, 0.6보다 낮으면 불합격으로 판정하였다. 결과를 하기 표 5에 나타낸다.
3) 아스팔트 바인더의 휨 굴곡 시험 평가
KS F 2491에 의거 0℃, -5℃, -10℃, -20℃에서 하중 100㎜/min의 속도로 재하하여 최대 휨 응력(MPa), 최대 휨 변형(mm), 휨 변형량(MPa), 휨 스티프니스(MPa)를 측정하여 개질 아스팔트의 저온 거동 특성을 파악하였다. 결과를 하기 표 6 내지 9에 나타낸다.

개질제
PG 고온 등급
 고온 등급 평가
RTFO 전 RTFO 후
G*/sinδ
(58℃, kPa)		 G*/sinδ
(64℃, kPa)		 G*/sinδ
(58℃, kPa)		 G*/sinδ
(64℃, kPa)
AP 58 1.35 - 2.42 -
실
시
예
 1 64 - 1.31 - 2.38
2 64 - 1.52 - 2.93
3 64 - 1.12 - 2.21
4 64 - 1.42 - 2.62
비
교
예		 1 58 2.12 0.52 3.43 -
5 64 - 1.23 - 2.32
8 58 1.98 - 2.90 -
G*/sinδ: 아스팔트의 소성변형 저항성 관련 인자
(RTFO 전 1.0 이상, RTFO 후 2.2 이상이어야 해당 온도에서 고온 공용등급 확보)

개질제
아스팔트
PG 등급		 저온 등급 평가
PAV 후 BBR
Stiffness
(-24℃, ㎫)		 m-value
(-18℃)		 m-value
(-24℃)
AP 58-28 430 0.31 0.23
실
시
예
 1 64-34 270 0.36 0.30
2 64-34 298 0.38 0.31
3 64-34 220 0.39 0.33
4 64-34 240 0.38 0.31
비
교
예		 1 58-34 260 0.39 0.32
5 64-28 370 0.34 0.28
8 58-34 250 0.37 0.32
Stiffness: 휨크리프 강성으로 저온에서의 아스팔트 강성(표준 300 MPa 이하)
m-value: 휨 크리프 기울기로 급격한 취성파괴 여부(표준 0.3 이상)
- 18℃에서 해당 기준 만족하면 저온 등급 -28
- 24℃에서 해당 기준 만족하면 저온 등급 -34
상기 표 3 및 표 4에 의하면, 실시예 1 내지 4의 중온화 개질제를 포함하는 중온형 개질 아스팔트는 고온 물성과 저온 물성이 동시에 개선됨을 알 수 있다. 비교예 1의 경우 스티렌-부타디엔-스티렌 블록 공중합체의 함량이 낮아 고온 물성 개선 효과가 크지 않았으며, 비교예 5의 경우 응고점이 낮은 점도저하제를 사용하여 저온 물성 개선 효과가 크지 않았다. 비교예 9의 경우 스티렌-부타디엔-스티렌 블록 공중합체의 스티렌 함량이 낮아 고온 물성 개선 효과가 크지 않음을 알 수 있다. 상기 실시예와 비교예를 통해 스티렌-부타디엔-스티렌 블록 공중합체 및 점도저하제의 종류에 따라 아스팔트의 물성 개선에 있어서 차이가 발생하는 것을 확인할 수 있다.
개질제 135℃ 점도(cps) 25℃ 침입도(dmm) PVN 판정
AP 270 100 -0.83 불합격
실
시
예
 1 350 98 -0.45 합격
2 370 96 -0.39 합격
3 340 100 -0.47 합격
4 355 97 -0.44 합격
비
교
예		 1 300 100 -0.67 불합격
5 330 96 -0.56 합격
8 300 98 -0.68 불합격
상기 표 5에 의하면, 실시예 1 내지 4의 중온화 개질제를 포함하는 개질 아스팔트는 PG 등급에 의해 고온 및 저온 물성이 향상됨을 알 수 있었고, PVN를 통해서도 저온 균열 저항성이 개선됨을 확인할 수 있다. 그러나, 비교예 1 및 8은 PG 등급과 PVN을 만족시키지 못하여, 고온 및 저온 물성의 개선 및 저온 균열 저항성이 크지 않았으며, 비교예 5는 PVN은 만족하였으나 PG 저온 등급을 만족시키지 못하였다.

바인더의 종류
단위
 0℃
실시예 비교예9
1 2 3 4 AP
파단 상태
(○: 파단되지 않음;
×: 파단됨)
-
○
○
○
○
○
최대 하중(P) N 74 82 79 76 117
최대 하중 시의 변위량(d) mm 9.25 9.21 9.23 9.24 9.14
최대 휨 응력(δ) ㎫ 1.11 1.23 1.19 1.14 1.75
최대 휨 변형(ε) - 0.17 0.17 0.17 0.17 0.17
휨 변형량 ㎫ 0.19 0.21 0.21 0.20 0.30
휨 스티프니스(stiffness) ㎫ 6.41 7.11 6.88 6.59 10.23
변동
계수		 휨 변형량(30% 이내) % 6 8 10 7 2
휨 스티프니스(20% 이내) % 2 3 2 3 2

바인더의 종류
단위
 -5℃
실시예 비교예9
1 2 3 4 AP
파단 상태
(○: 파단되지 않음;
×: 파단됨)
-
○
○
○
○
○
최대 하중(P) N 107 141 133 126 174
최대 하중 시의 변위량(d) mm 9.35 8.75 8.91 9.17 8.82
최대 휨 응력(δ) ㎫ 1.60 2.12 2.00 1.89 2.61
최대 휨 변형(ε) - 0.18 0.16 0.17 0.17 0.17
휨 변형량 ㎫ 0.28 0.35 0.33 0.33 0.43
휨 스티프니스(stiffness) ㎫ 9.15 12.93 11.98 10.99 15.78
변동
계수		 휨 변형량(30% 이내) % 4 11 15 8 13
휨 스티프니스(20% 이내) % 4 8 7 4 12


바인더의 종류
단위
 -10℃
실시예 비교예9
1 2 3 4 AP
파단 상태
(○: 파단되지 않음;
×: 파단됨)
-
○
○
○
○
×
최대 하중(P) N 165 267 191 176 301
최대 하중 시의 변위량(d) mm 9.07 8.63 8.75 8.88 8.55
최대 휨 응력(δ) ㎫ 2.48 4.01 2.87 2.64 4.51
최대 휨 변형(ε) - 0.17 0.16 0.16 0.17 0.16
휨 변형량 ㎫ 0.42 0.65 0.47 0.44 0.72
휨 스티프니스(stiffness) ㎫ 14.59 24.75 17.50 15.81 58.19
변동
계수		 휨 변형량(30% 이내) % 10 8 4 18 12
휨 스티프니스(20% 이내) % 1 12 14 6 7
삭제

바인더의 종류
단위
 -20℃
실시예 비교예9
1 2 3 4 AP
파단 상태
(○: 파단되지 않음;
×: 파단됨)
-
○
○
○
○
×
최대 하중(P) N 396 418 412 407 434
최대 하중 시의 변위량(d) mm 4.05 2.56 3.53 3.84 1.97
최대 휨 응력(δ) ㎫ 5.93 6.27 6.18 6.11 6.51
최대 휨 변형(ε) - 0.08 0.05 0.07 0.07 0.04
휨 변형량 ㎫ 0.46 0.30 0.41 0.44 0.25
휨 스티프니스(stiffness) ㎫ 77.8 130.6 93.6 84.9 175.5
변동
계수		 휨 변형량(30% 이내) % 15 16 8 13 20
휨 스티프니스(20% 이내) % 12 10 8 11 8
상기 표 6 내지 9에 의하면, 여러 온도(0℃, -5℃, -10℃, -20℃)에서 휨 굴곡시험을 실시함으로서 저온 거동특성을 파악하였으며, 저온 균열 저항성이 우수하기 위해서는 저온에서 아스팔트 혼합물의 취성 파괴를 방지하기 위하여 아스팔트의 파단이 발생하지 않아야 한다. 또한, 온도 변화에 따라 최대하중 시 발생하는 최대변형 및 최대 휨 변형의 변화량이 적을수록 저온 물성이 개선됨을 알 수 있다. 실시예 1 내지 4는 저온강화제를 사용하여 저온에서의 유연성을 확보하여 20℃에서도 파단이 발생하지 않았다. 실시예 2는 스티렌-부타디엔-스티렌 블록 공중합체의 스티렌 함량이 높아 저온에서의 유연성 개선 효과가 가장 적었다. 비교예 9는 첨가제를 사용하지 않은 스트레이트 아스팔트로서 10℃에서부터 파단이 발생하였다. 상기 실시예와 비교예를 통해 저온강화제의 함량에 따라 저온에서의 유연성 개선 차이가 남을 알 수 있다.
(5) 실험예 3: 중온화 개질 아스팔트 혼합물의 제조
130℃로 가열된 아스팔트에 상기에서 제조된 중온화 첨가제를 투입하여 균일하게 혼합한 후, 130℃로 가열된 골재에 아스팔트 및 중온화 첨가제의 혼합물을 투입하여 혼합함으로써 실시예 1 내지 4, 및 비교예 9의 아스팔트 혼합물을 제조하였다. 아스팔트 및 중온화 첨가제의 사용량의 합은 아스팔트 혼합물 전체 중량에 대하여 5.3 중량%가 되도록 하였다. 비교예 9는 첨가제를 사용하지 않고 160℃에서 제조한 스트레이트 아스팔트 혼합물이다.
아스팔트와 중온화 첨가제의 사용량 및 혼합물 제조온도를 하기 표 10에 나타내었다. 아스팔트 및 중온화 첨가제의 사용량은 아스팔트 및 중온화 첨가제 사용량의 합계를 기준으로 하여 나타낸 것이다.
(6) 실험예 4: 중온화 개질 아스팔트 혼합물의 고온 및 저온 물성 평가
1) 다짐 후 공극율 및 고밀도화 에너지 지표(Densification Energy Indies)
아스팔트 혼합물의 중온화 효과는 다짐 후 공극율 및 고밀도화 에너지 지표(Densification Energy Indies)를 측정하여 평가하였다. 중온화 첨가제를 이용하지 않고, 160℃에서 다짐을 실시한 아스팔트 혼합물과 비교하여 공극율이 동일하거나 낮으면 다짐성이 우수한 것으로 평가하였다. 도 2에 다짐에너지를 구하기 위한 선회다짐횟수와 %이론최대밀도의 그래프를 나타낸다. 선회다짐횟수가 부피변화와 함께 그래프에 표시가 된다면, 그래프 곡선 아래의 면적은 밀도변화에 필요한 에너지의 양을 대표할 수 있게 된다. 여기서 선회다짐횟수에 따른 부피변화는 이론최대밀도(Gmm)와 선회다짐횟수별로 계산한 혼합물 밀도의 비율로서 정해졌다. 여기서 이론최대밀도를 100%로 가정한다면, 150회 선회다짐한 아스팔트 공시체의 실측밀도를 측정해, 선회다짐별 측정하는 높이에 따른 공시체의 밀도를 계산한 후, 이론최대밀도를 계산한 밀도로 나눈 값이 %이론최대밀도(%Gmm) 이다.
수퍼페이브(Superpave) 선회다짐 디자인에서 다짐에너지 지표(CEI, Compaction Energy Index)를 구하기 위해서는 선회다짐횟수와 %이론최대밀도의 그래프에서 Nini와 %이론최대밀도가 92%가 되는 그래프 곡선 아래의 면적(도 2의 왼쪽 빗금친 부분)을 구한다. 다짐에너지 지표는 페이버와 로울러가 시공하는 동안 필요한 밀도를 얻기 위해서 아스팔트 혼합물에 가해야하는 다짐에너지를 의미한다. 여기서, Nini는 페이버 다짐을 대표하는 선회다짐횟수로서 8회라고 가정을 한다. 일반적으로 수퍼페이브 Nini는 교통량에 따라 7회부터 10회까지의 범위에 있는데 선회다짐 8회는 중간 정도 되는 값이다. 그리고 시공이 끝난 시점에서 로울러 다짐에 의한 초기 밀도는 적절한 공극률에서 정의될 수 있다. 미국 대부분의 시방기준은 로울러를 써서 다질 때 이론최대밀도의 약 92% 정도까지 아스팔트 포장을 다지는 것으로 규정하고 있다. 이 다짐에너지 지표가 낮으면 낮을수록 적은 에너지를 사용해서 다질 수 있다는 의미가 된다.
이론최대밀도의 92%에서 교통을 개방한 후, 아스팔트 포장은 교통하중을 받으면서 지속적으로 고밀도화가 진행된다. 교통에 의한 포장 고밀도화 지표(TDI, Traffic Densification Index)를 구하기 위해서는 일반적으로 2가지 방법 중의 하나를 이용한다. %이론최대밀도가 92%에서 96%사이의 값을 가지는 그래프 곡선 아래의 면적이나 92%에서 98%사이의 값을 가지는 그래프 곡선 아래의 면적을 교통에 의한 고밀도화 지표(TDI)로 정의한다. 그러나 본 연구에서는 다짐에너지를 동등하게 준다는 가정하에, 150회 선회다짐 결과를 사용해서 %이론최대밀도 92%에서 150회 선회다짐까지의 곡선 아래의 면적(도 2의 오른쪽 빗금친 부분)을 교통에 의한 고밀도화 지표(TDI)로 정의한다. TDI 값은 아스팔트 포장에 있어서 영구 변형이 발생할 수 있는 최대밀도 상태를 반영하기 때문에 TDI 값이 클수록 설계 교통량과 교통하중에 의해 최대밀도 상태에 이르기 위한 에너지 값이 크다는 것을 의미한다.
2) 동적안정도
휠트랙킹 시험은 동적 반복 크리이프 시험의 일종으로, 영국의 도로교통운수연구소(TRRL)에서 개발되었으며, 실제 도로가 고온 환경 조건일 때 중차량 주행으로 인한 소성 변형이나 니딩 작용을 시뮬레이션함으로써, KS F 2374에 의거 아스팔트 혼합물의 고온에서의 소성 변형 저항성을 평가하였다. 동적안정도(DS, 회/mm)는 그 결과 값이 클수록 영구변형에 대한 저항성이 우수한 것으로 평가한다.
3) 피로균열과 저온균열에 대한 저항성
간접인장강도 시험은 KS F 2382에 의거 하중 50㎜/min의 속도로 재하 시 아스팔트 혼합물의 간접인장강도(MPa) 및 터프니스(Toughness, N·mm)를 측정하였다.
간접인장강도시험은 교통하중 작용 시 또는 표층에서 온도 변화가 심한 지역의 아스팔트 콘크리트층 아래 부분 즉, 인장영역의 응력상태를 모사한 시험으로 피로균열과 저온균열에 대한 저항성을 평가 할 수 있는 시험방법이다. 터프니스는 파괴까지에 가해진 단위 체적 당의 에너지로 표시된다. 즉 단순히 파괴에 요구되는 응력이 클뿐만 아니라 파괴에 이르는 변형량(비틀림)이 크고, 흡수 에너지가 큰 것이 터프니스가 강하다. 즉, 단일 재료에서는 응력과 비틀림이 함께 큰 것은 적고, 상이한 특성이 있는 2개의 재료를 조합한 복합 재료가 터프니스가 우수하다. -10℃, -20℃에서 피로균열과 저온균열에 대한 저항성을 평가하였다. 평가 결과를 표 10에 나타내었다.
구분 실 시 예 비 교 예
1 2 3 4 1 5 8 9
개질제 조성물
(중량부)		 저온강화제-8 100 100 100 100 100 100 100
점도저하제-L 50
점도저하제-H 50 50 50 50 50 50
SBS/10/40-L 70 90 30 70
SBS/4/40-L 70
SBS/10/40-LT 70
SBS/15/40-R 70
중온화 첨가제 사용량
(중량%)		 4 4 4 4 4 4 4 0
아스팔트 사용량(중량%) 96 96 96 96 96 96 96 100
혼합물 제조온도(℃) 135 135 135 135 135 135 135 155
혼합물 다짐온도(℃) 115 115 115 115 115 115 115 135
공극율(%) 4.0 3.9 3.8 3.9 3.9 4.0 3.9 4.0
고밀도화
에너지지표		 CEI 115℃ 45.9 54.1 49.1 47.8 44.2 81.3 94.8 131.2
135℃ 35.4 51.6 39.7 37.6 32.4 67.4 79.2 94.2
155℃ 32.1 42.7 37.2 34.4 31.9 52.4 56.3 59.0
TDI 115℃ 522.9 462.9 492.3 501.1 547.2 361.4 342.7 322.9
135℃ 553.0 516.4 537.7 542.0 573 392.2 386.2 361.6
155℃ 578.7 547.6 559.4 562.7 592.6 481.2 477.5 460.6
동적안정도(회/㎜) 636 681 607 618 520 564 582 508
터프니스(N·mm) -10℃ 39,000 37,500 38,100 38,700 36,800 36,750 36,825 36,250
-20℃ 34,855 32,872 33,176 33,982 31,237 31,492 31,267 30,424
4) 평가
[중온화 효과 평가]
상기 표 10으로부터 확인할 수 있는 바와 같이, 실시예 1 내지 4는 중온화 첨가제를 사용하지 않은 비교예 9에 비하여 낮은 CEI 및 높은 TDI 값을 나타내었다. 이로부터, 실시예　１ 내지　４의 경우 아스팔트 혼합물의 다짐 성능 및 중온 성능이 우수한 것을 확인할 수 있다. 따라서, 이러한 본 발명의 중온화 첨가제를 사용하면 낮은 온도에서 아스팔트 혼합물을 제조하더라도 우수한 물성을 발휘할 수 있다.
[고온에서의 소성변형 저항성 평가]
상기 표 10으로부터, 실시예 1 내지 4와 비교예 9의 동적안정도 값을 비교하면, 스티렌-부타디엔-스티렌 블록 공중합체가 첨가됨으로써 아스팔트 혼합물의 고온에서의 소성변형 저항성이 우수해짐을 알 수 있다. 실시예 1 및 2에서 확인할 수 있는 바와 같이, 스티렌-부타디엔-스티렌 함량이 높을수록 고온에서의 소성변형 저항성은 우수하나 저온에서의 균열 저항성을 저하시킬 수 있으므로, 아스팔트 포장이 적용되는 지역의 기후 조건을 고려하여 적정한 함량비를 적용해야 함을 확인 할 수 있다.
[저온에서의 균열 저항성 평가]
상기 표 10으로부터, 실시예 1 내지 4와 비교예 1, 5, 8 및 9의 터프니스값을 비교하면, -10℃ 및 20℃에서 실시예 1 내지 4가 점도저하제-L을 사용한 비교예 5 또는 스트레이트 아스팔트를 사용한 비교예 9에 비하여 높은 터프니스 값을 나타내므로, 저온 균열 저항성이 우수한 것을 확인할 수 있다.
또한, 실시예 1 내지 4와 비교예 5 및 8의 터프니스 값을 비교하면, 실시예 1 내지 4가 스티렌-부타디엔-스티렌 블록 공중합체 함량을 감소시킨 비교예 5와 스티렌-부타디엔-스티렌 블록 공중합체 종류를 다르게 사용한 비교예 8에 비해 큰 터프니스 값을 나타내므로 실시예 1 내지 4가 우수한 저온 균열성을 가짐을 확인할 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 (20)

  1. 하기 화학식 1:
    [화학식 1]
    Figure 112016047535937-pat00006

    [식 중에서, m은 2 내지 4의 정수이고, n은 6 내지 12의 정수이다.]
    로 나타내어지는 저온강화제 100 중량부:
    스티렌-부타디엔-스티렌 블록 공중합체 50~100 중량부; 및
    폴리에틸렌글리콜계 비이온성 계면활성제로부터 선택되는 점도저하제 30~70 중량부를 포함하며,
    상기 저온강화제는 16~18의 한센 용해도 지수(Hansen solubility parameter), -50℃ 이하의 응고점 및 190℃ 이상의 인화점을 가지며,
    상기 스티렌-부타디엔-스티렌 블록 공중합체는 중량평균분자량이 50,000~200,000 g/mol의 범위이며, 스티렌 함량이 20~40 중량%이고, 부타디엔 중 비닐 함량이 30~60 중량%이며,
    상기 점도저하제는 응고점이 -30℃ 이하인 폴리에틸렌글리콜계 비이온성 계면활성제인
    액상형 아스팔트용 중온화 개질제 조성물.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 스티렌-부타디엔-스티렌 블록 공중합체는 가지형 또는 테이퍼드(tapered) 구조인 것을 특징으로 하는
    액상형 아스팔트 중온화 개질제 조성물.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 점도저하제는 폴리옥시에틸렌알킬에테르 또는 폴리옥시에틸렌글리콜지방산에스테르인 것을 특징으로 하는
    액상형 아스팔트 중온화 개질제 조성물.
  4. 제1항에 있어서,
    점착부여제, 산화방지제, 열안정제, 대전방지제 및 활제로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상의 첨가제를 더 포함하는 것을 특징으로 하는
    액상형 아스팔트 중온화 개질제 조성물.
  5. 하기 화학식 1:
    [화학식 1]
    Figure 112016047535937-pat00013

    [식 중에서, m은 2 내지 4의 정수이고, n은 6 내지 12의 정수이다.]
    로 나타내어지는 저온강화제 100 중량부와 스티렌-부타디엔-스티렌 블록 공중합체 50~100 중량부를 상온에서 교반하여 스티렌-부타디엔-스티렌 블록 공중합체에 저온강화제를 흡수시키는 단계;
    폴리에틸렌글리콜계 비이온성 계면활성제로부터 선택되는 점도저하제 30~70 중량부를 혼합물에 첨가하는 단계;
    혼합물을 가열하여 140~170℃로 승온하는 단계;
    스티렌-부타디엔-스티렌 블록 공중합체가 완전히 용융될 때까지 온도를 유지하면서 교반하는 단계; 및
    상온으로 냉각하여 액상형 개질제 조성물을 얻는 단계를 포함하며,
    상기 저온강화제는 16~18의 한센 용해도 지수(Hansen solubility parameter), -50℃ 이하의 응고점 및 190℃ 이상의 인화점을 가지며,
    상기 스티렌-부타디엔-스티렌 블록 공중합체는 중량평균분자량이 50,000~200,000 g/mol의 범위이며, 스티렌 함량이 20~40 중량%이고, 부타디엔 중 비닐 함량이 30~60 중량%이며,
    상기 점도저하제는 응고점이 -30℃ 이하인 폴리에틸렌글리콜계 비이온성 계면활성제인
    액상형 아스팔트 중온화 개질제 조성물의 제조방법.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 스티렌-부타디엔-스티렌 블록 공중합체는 가지형 또는 테이퍼드(tapered) 구조인 것을 특징으로 하는
    액상형 아스팔트 중온화 개질제 조성물의 제조방법.
  7. 제5항에 있어서,
    점도저하제 첨가 시에, 점착부여제, 산화방지제, 열안정제, 대전방지제 및 활제로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상의 첨가제를 더 첨가하는 것을 특징으로 하는
    액상형 아스팔트 중온화 개질제 조성물의 제조방법.
  8. 제5항에 있어서,
    상기 점도저하제는 폴리옥시에틸렌알킬에테르 또는 폴리옥시에틸렌글리콜지방산에스테르인 것을 특징으로 하는
    액상형 아스팔트 중온화 개질제 조성물의 제조방법.
  9. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 따른 액상형 아스팔트 중온화 개질제 조성물 3~5 중량% 및 아스팔트 95~97 중량%를 포함하는
    중온 개질 아스팔트.
  10. 제5항 내지 제8항 중 어느 한 항에 따라 액상형 아스팔트 중온화 개질제 조성물을 제조하는 단계;
    가열된 아스팔트 95~97 중량%에 액상형 아스팔트 중온화 개질제 조성물 3~5 중량% 투입하여 균일하게 혼합하는 단계; 및
    혼합물을 가열된 골재에 투입하여 혼합하는 단계를 포함하는
    중온 개질 아스팔트 혼합물의 제조방법.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 아스팔트와 상기 골재의 중량 비율은 3.5:96.5 내지 6.0:94.0의 범위인 것을 특징으로 하는
    중온 개질 아스팔트 혼합물의 제조방법.
  12. 제10항에 있어서,
    상기 아스팔트의 가열 온도는 150~180℃이며, 상기 골재의 가열 온도는 110~140℃의 범위인 것을 특징으로 하는
    중온 개질 아스팔트 혼합물의 제조방법.
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