KR101831852B1 - 현무암 석분슬러지와 폐아스콘을 활용한 재생 개질 아스팔트 혼합물 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 현무암 석분슬러지와 폐아스콘을 활용한 재생 개질 아스팔트 혼합물에 관한 것이다.
이에 본 발명의 기술적 요지는 가열 아스팔트 혼합물의 구성물인 채움재를 포틀랜드 시멘트와 산업 폐기물로 처리되고 있는 현무암 석분슬러지의 일정 비율로 구성하고, 폐아스콘의 노화된 아스팔트 바인더 성능을 개선시켜 통상적인 가열 아스팔트 혼합물 보다 우수한 물리적 성능을 갖는 것을 특징으로 한다.
이에 본 발명의 기술적 요지는 가열 아스팔트 혼합물의 구성물인 채움재를 포틀랜드 시멘트와 산업 폐기물로 처리되고 있는 현무암 석분슬러지의 일정 비율로 구성하고, 폐아스콘의 노화된 아스팔트 바인더 성능을 개선시켜 통상적인 가열 아스팔트 혼합물 보다 우수한 물리적 성능을 갖는 것을 특징으로 한다.
Description
본 발명은 가열 아스팔트 혼합물의 구성물인 채움재를 포틀랜드 시멘트와 산업 폐기물로 처리되고 있는 현무암 석분슬러지의 일정 비율로 구성하고, 폐아스콘의 노화된 아스팔트 바인더 성능을 개선시키기 위해 개질아스팔트 바인더를 활용하여, 통상적인 가열 아스팔트 혼합물 보다 우수한 물리적 성능을 갖는 현무암 석분슬러지와 폐아스콘을 활용한 재생 개질 아스팔트 혼합물에 관한 것이다.
기후변화로 상징되는 '환경위기'와 석유로 대표되는 '자원위기'를 극복해 저탄소 녹색성장을 지향하기 위한 일환으로 우리정부에서는 「건설폐기물 재활용 촉진에 관한 법률」을 재정하여 건설폐기물 재활용 촉진을 통해 CO2 배출량 저감과 예산절감을 도모하고 있다.
그러나, 아래의 표 1(백종은 외, 2012)에서와 같이 우리나라의 폐아스팔트 콘크리트를 재활용하는 수준은 2007년 기준 1.8%에 불과하여 50% 내외인 선진국에 비해 턱없이 모자라는 형편이다.
일본 | 네덜란드 | 독일 | 덴마크 | 스웨덴 | 벨기에 | 이탈리아 | 한국 |
73 | 65 | 60 | 53 | 50 | 38 | 30 | 1.8 |
환경부 및 국토교통부에서는 순환골재 의무사용 대상공사 및 용도를 확대하고 있는데 이 중 아스팔트 콘크리트포장용 순환골재 의무사용량은 14년 25% 이상에서 6년 40% 이상으로 급격한 증가를 예고했다.
이에 우리 산업계에서는 선제적 대응 전략이 필요하고 이는 고부가가치의 녹색기술이어야 할 것으로 판단된다.
2014년 기준 국내의 건설폐기물 총 발생량은 185,382 톤/일이며 꾸준히 증가하고 있는 추세이다.
건설폐기물의 성상은 건설폐재류 81.5%, 혼합건설폐기물 13.5%, 건설폐토석 3.2%로 건설폐기물의 98.2%를 차지하며, 건설폐재류 중 폐콘크리트가 전체 건설폐기물 중에서 62.0%로서 가장 큰 비중을 차지하고 있으며, 다음으로 폐아스팔트 콘크리트가 18.2%로 33,725톤/일을 차지한다.
하지만 전체 발생 폐아스팔트 콘크리트 중 상당량이 단순 매립용 성토재로 재활용되고 있는 실정이라, 활용성이 큰 고부가가치 제품으로의 재활용에 대한 개선이 필요한 실정이다.
한편, 석재가공 과정에서 발생하는 산업부산물인 현무암 석분슬러지는 2014년 기준 제주지역에서만 연 2.4 천톤 발생하였고 전국적으로 발생하고 있는 석분슬러지양은 연 471 천톤이 발생하였으며, 사업장 배출 시설계 폐기물로 분류되어 매립 또는 흙과 섞어 복토재로의 활용이 대부분을 차지하고 있으며, 이렇게 저평가된 활용성을 개선하기 위한 다양한 기술 개발이 진행 중이다.
또한, 산업부산물인 현무암 석분슬러지는 사업장 배출 시설계 폐기물로서, 불연성 무기성 오니류 중 공정오니로 분류되어 일정기간 동안 단순 재활용도 하지 못하는 경우 폐기물 처리로 인해, 비용 부담 및 매립장 이용으로 인한 환경훼손을 가중시키고 있다.
아스팔트 혼합물인 아스콘(아스팔트 콘크리트)은 현재 도로 포장용으로 주로 사용되고 있으며, 특히 우리나라의 경우 도로포장 중 아스콘 포장이 90% 이상을 차지하고 있다.
도로포장에 사용되는 아스콘은 굵은 골재, 잔골재, 채움재, 아스팔트 바인더 등이 혼합된 물질로서, 폐아스콘 순환골재의 혼합 여부에 따라 일반 아스콘과 재생 아스콘으로 구분하며, 아스팔트에 개질첨가제의 사용 유무에 따라 개질 아스콘으로 나눌 수 있다.
아스팔트는 점착성이 뛰어나고 다른 물질과 부착이 용이하여 결합재 또는 접착재로 이용되고 있으며, 불투수성의 특징으로 방수를 위한 재료로도 이용되는 등 활용폭이 매우 넓은 물질이다.
국내에서 생산하고 있는 석유아스팔트(Petroleum Asphalt)는 일반 AP-3, 5가 주를 이루고 있으며, 개질 아스팔트는 개질재에 따라 다양한 종류가 있는데 일반적으로 개질재를 일반아스팔트와 Pre-Mix 방식으로 사전 혼합하거나, 아스콘 생산 시 첨가하는 Plant-Mix 방식 및 처리공정을 거쳐 성능을 향상시킨 아스팔트를 말한다.
아스팔트 개질용 첨가제로는 폴리머류의 재료, 고무계열 재료 및 그 외의 재료들이 있으며, 우선 폴리머 재료로는 Low density polyethylene(LDPE), Styrene-butadiene-styrene(SBS), Unsaturated polyester resin(UPR), Eppoxy, Linear-lowdensity-polyethylene(LLDPE) 등 다양하고 또 고무계 첨가제는 Crumb rubber modifier(Rubber powder), Pyrolyzed carbon black 등이 있다.
채움재는 KS F 3501; 아스팔트 포장용 채움재에서 석회석분, 포틀랜드시멘트, 소석회, 플라이애시, 회수더스트, 전기로 제강더스트, 주물더스트, 각종 소석회 및 기타 적당한 광물성 물질의 분말이어야 한다고 규정하고 있으며, 아스팔트 혼합물 내에서 골재간의 간극을 충진 시켜주고 아스팔트 바인더와 결합 작용을 하여 아스콘의 컨시스턴시에 영향을 미친다.
채움재는 일반적으로 석회석 채움재와 회수더스트를 가장 많이 사용하고 있으며, 집중 강우가 발생하는 지역에서는 아스팔트 혼합물의 박리저항성을 향상시키기 위해서 채움재 중량의 약 50% 이상을 소석회와 시멘트로 대체하여 사용할 수 있다.
도로포장의 파손형태는 크게 소성변형(Rutting), 균열(Cracking), 포트홀(Pothole), 마모(Polishing), 라벨링(Raveling) 등이 있으며 시공 후 3년을 기준으로 초기와 후기의 파손형태로 구분하며 특히, 국내 도로포장 파손의 주원인인 소성변형과 균열에 대한 저항성을 높이고 동시에 내구성을 확보할 수 있는 방안을 모색하여 도로포장의 공용성을 확보하여야 한다.
폐아스팔트 콘크리트를 재활용하기 위해서는 채움재, 유화아스팔트 또는 재생첨가제 등을 부가하여 폐아스팔트의 물성을 회복시키는 작업이 필요한데, 국내등록특허공보 제10-0975361호(등록일자: 2010.08.05.)는 고유황중유성분을 포함한 에멀전계 재생첨가제를 아스팔트 콘크리트 조성물에 적용하고 있으며, 상기 기술은 시멘트와의 반응시 응고되는 문제를 해결하기 위해 유화아스팔트를 음이온계로 한정하고 있다.
그리고 국내등록특허공보 제10-1237710호(등록일자: 2013.02.21.)는 아스콘용 순환골재 50 ~ 70중량%, 신규골재 25 ~ 45중량%, 채움재 2 ~ 3중량%, 신재아스팔트 1.5 ~ 2.3중량%, 재생첨가제 0.25 ~ 0.35중량% 및 개질재 0.3 ~ 0.4중량%로 구성된 개질 재활용 가열 아스팔트 혼합물을 제시하였으나, 폐아스콘을 입고 당시부터 평삭 폐아스콘과 굴착 폐아스콘으로 분리해서 관리해야하고 Plant-Mix 방식 또는 별도의 처리공정을 거치게 되어 품질의 균질성을 확보하기 어려울 것으로 판단된다.
국내공개특허공보 제2002-0072899호(공개일자: 2002.09.19.)는 파라핀기유, 아로마틱기유 및 나프렌기유를 포함하는 재생첨가제를 통해 폐아스팔트 콘크리트를 재활용하고 있으며, 상기 재생첨가제를 5 ~ 20중량%로 한정하여 폐아스팔트의 성상을 회복시키는 것으로 하고 있고, 국내등록특허공보 제10-0958066호(등록일자: 2010.05.07.)에서는 신골재와 폐아스콘을 주 재료로 하고 아스팔트와 유화제 및 폐아스콘 재생첨가재를 부원료로 하는 혼합물에 채움재로서 시멘트와 플라이애쉬를 1.5 ~ 6 중량% 포함하는 아스팔트콘크리트 조성물을 제시하였고, 국내등록특허공보 제10-0871104호(등록일자: 2008.11.24.)에서는 입도가 조절된 폐아스콘에 입도가 조절된 폐콘크리트 재생골재를 주원료로 하고 폴리머 등을 첨가재로하는 포장용 혼합물에 시멘트를 8 ~ 10 중량%를 포함하는 아스팔트 콘크리트 조성물을 제시하였다.
또한 국내공개특허공보 제10-2007-0003738호(공개일자: 2007.01.05.)에서는 폐아스콘 재생골재를 주 원료로 하고 이 폐아스콘 1 중량%에 대하여 유화 아스팔트 0.01 ~ 0.10 중량%를 혼합하고 상기 폐아스콘 1 중량%에 대하여 시멘트 0.02 ~ 0.12 중량%를 혼입하는 기술을 제시하였다.
이처럼 다수 제안된 기존의 재생아스콘 혼합물의 채움재를 시멘트와 혼용하여 사용하는 기술이 효과적임을 알 수 있다.
따라서, 폐기물로 처리되고 있는 현무암 석분슬러지와 시멘트의 적절한 혼합비로 구성된 채움재는 광물자원의 재활용도 및 재활용률을 끌어 올리는데 주요한 역할을 할 것으로 사료되고, 동시에 폐아스콘의 노화된 아스팔트를 바인더 성능을 개선한 우수한 물성의 재생 개질 아스팔트 혼합물이 필요하다.
본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 그 기술적 요지는 가열 아스팔트 혼합물의 구성물인 채움재를 포틀랜드 시멘트와 산업 폐기물로 처리되고 있는 현무암 석분슬러지의 일정 비율로 구성하고, 폐아스콘의 노화된 아스팔트 바인더 성능을 개선시키기 위해 개질아스팔트 바인더를 활용하여, 통상적인 가열 아스팔트 혼합물 보다 우수한 물리적 성능을 갖는 현무암 석분슬러지와 폐아스콘을 활용한 재생 개질 아스팔트 혼합물을 제공함에 그 목적이 있다.
또한, 현무암 석분슬러지가 가지는 고유한 특성인 원적외선 방사 능력과 중금속 흡착능력 그리고 탈취 능력은 환경적으로 문제가 되고 있는 휘발성유기화합물(VOCs)도 일정부분 감소시킬 수 있을 것으로 기대된다.
이러한 목적을 달성하기 위해 본 발명은 재생 개질 아스팔트 혼합물 100중량%에서 순환골재 32중량%와; 신규골재 60중량%와; 채움재 5중량%와; 개질 아스팔트 3중량%를 포함하고; 현무암 석분슬러지는 채움재 100중량% 대비 40~80중량%를 포함하며; 포틀랜드 시멘트와 혼합하여 채움재로 활용하도록 하되, 상기 현무암 석분슬러지는 수분을 제거한 분말 형태로 형성되는 재생 개질 아스팔트 혼합물에 있어서, 상기 채움재는 포틀랜드 시멘트와 현무암 석분슬러지의 중량기준 혼합비가 6:4, 4:6, 8:2 중 어느 하나로 형성되고, 상기 순환골재와 신규골재는 150℃까지 가열한 혼합용기에서 건식 혼합되도록 한 뒤, 개질 아스팔트를 주입하여 혼합온도 170℃±5℃에서 혼합한 다음 다짐온도 150℃±5℃에서 다짐하도록 형성된다.
이에, 상기 신재로 사용된 개질 아스팔트는 고무계통의 열가소성 탄성중합체인 SBS (Styrene-Butadiene-Styrene Block Co-polymer) 개질재를 사용하고 사전배합(Pre-Mix)방식으로 생산되어 품질관리가 용이한 개질 아스팔트로서 별도의 처리공정 없이 일반 아스팔트와 동일한 방법으로 사용하며, 구재 아스팔트와 신재 아스팔트를 합한 아스팔트 100 중량% 대비 55 ~ 75 중량%를 갖도록 형성된다.
또한, 상기 현무암 석분슬러지는 석재 가공과정에서 발생하는 산업부산물이며, 수분을 제거한 분말 형태인 것을 사용한다.
이와 같이, 본 발명은 가열 아스팔트 혼합물의 구성물인 채움재를 포틀랜드 시멘트와 산업 폐기물로 처리되고 있는 현무암 석분슬러지의 일정 비율로 구성하고, 폐아스콘의 노화된 아스팔트 바인더 성능을 개선시켜 통상적인 가열 아스팔트 혼합물 보다 우수한 물리적 성능을 갖는 효과가 있다.
또한, 현무암 석분슬러지가 가지는 고유한 특성인 원적외선 방사 능력과 중금속 흡착능력 그리고 탈취 능력은 환경적으로 우수한 효과가 있다.
도 1은 본 발명에 따른 현무암 석분슬러지와 폐아스콘을 활용한 재생 개질 아스팔트 혼합물의 마샬안정도 시험 결과이다.
도 2는 도 1에 따른 시제품 예시도이다.
도 2는 도 1에 따른 시제품 예시도이다.
다음은 첨부된 도면을 참조하며 본 발명을 보다 상세히 설명하겠다.
먼저, 본 발명은 재생 개질 아스팔트 혼합물 100중량%에서 순환골재 32중량%와; 신규골재 60중량%와; 채움재 5중량%와; 개질 아스팔트 3중량%를 포함하고; 현무암 석분슬러지는 채움재 100중량% 대비 40~80중량%를 포함하며; 포틀랜드 시멘트와 혼합하여 채움재로 활용하도록 하되, 상기 현무암 석분슬러지는 수분을 제거한 분말 형태로 형성되는 재생 개질 아스팔트 혼합물에 있어서, 상기 채움재는 포틀랜드 시멘트와 현무암 석분슬러지의 중량기준 혼합비가 6:4, 4:6, 8:2 중 어느 하나로 형성되고, 상기 순환골재와 신규골재는 150℃까지 가열한 혼합용기에서 건식 혼합되도록 한 뒤, 개질 아스팔트를 주입하여 혼합온도 170℃±5℃에서 혼합한 다음 다짐온도 150℃±5℃에서 다짐하도록 형성된다.
이에, 상기 신재로 사용된 개질 아스팔트는 고무계통의 열가소성 탄성중합체인 SBS (Styrene-Butadiene-Styrene Block Co-polymer) 개질재를 사용하고 사전배합(Pre-Mix)방식으로 생산되어 품질관리가 용이한 개질 아스팔트로서 별도의 처리공정 없이 일반 아스팔트와 동일한 방법으로 사용하며, 구재 아스팔트와 신재 아스팔트를 합한 아스팔트 100 중량% 대비 55 ~ 75 중량%를 갖도록 한다.
또한, 상기 현무암 석분슬러지는 석재 가공과정에서 발생하는 산업부산물이며, 수분을 제거한 분말 형태인 것을 사용한다.
상기 아스콘용 순환골재는 KS F 2572; 아스팔트 콘크리트용 순환골재의 품질기준에 적합한 폐아스콘을 사용해야하며, 보관 시에는 빗물 등에 의해 직접 노출되지 않도록 천막을 씌우거나 덮개가 되어 있는 시설에 보관하여 함수비가 변동되지 않고, 노화가 촉진되지 않도록 하여야 한다.
순환골재의 입도는 별도의 품질규정을 갖지 않고 신규골재 및 채움재와 같이 혼합 후 아스팔트 혼합물의 사용 용도에 맞게 조정하여 사용한다.
순화골재는 폐아스콘 발생재의 품질에 따라 아스팔트 콘크리트용 순환골재의 품질이 많은 영향을 받으며, 기존 포장체의 노화 정도 또는 성능에 따라 같은 포장구간에서도 차이를 나타낸다.
본 발명에서는 아스팔트 혼합물 골재 100중량%에서 순환골재를 27 ~ 47 중량%까지 사용하기 때문에 폐아스콘 골재와 노화된 아스팔트의 품질관리에 따라 재생 개질 아스팔트 혼합물의 품질성능이 현저한 차이를 보일 수 있다.
그리고, 신규 골재는 KS F 2357; 아스팔트 혼합물용 골재의 품질기준을 만족하는 골재를 사용하며, 혼합 시 140이상으로 가열하여 골재 내의 수분을 제거한다.
이때, 골재 내 수분이 함유되어 있으며 포설 후 수분이 서서히 증발하면서 아스팔트를 박리시키기 때문에 유의하여야 한다.
석재 가공과정에서 발생되는 석분슬러지는 기계의 냉각수로 사용되는 물과 절삭 및 연마시 발생되는 석분이 혼합되어 현탁액으로 분출되는데 원폐수인 현탁액이 기계하부의 수로와 공장내부에서 외부로 보내지는 수로를 통해 이동하여 1, 2, 3차 침전지와 저수조 중화 및 응집조, 농축 및 침전조를 거친 후 탈수과정 이후 석분슬러지가 발생하게 된다.
표 2에서와 같이 최근 제주지역의 현무암 석분슬러지 발생 현황을 살펴보면 2010 ~ 2014년 사업장배출시설계폐기물 불연성 무기성오니류 공정오니(C: 제조업 23번 : 비금속광물제품제조업)로 관리되고 있다.
2014년 전국 석분 슬러지의 발생량은 1289.8톤/일이며, 제주는 6.6톤/일로 약 0.5%를 차지한다.
석분슬러지의 재활용량은 전국 1,238.7톤/일로 약 96%가 재활용되고 있으나, 매립과 큰 차이가 없는 단순 재활용(성토/복토)이 대부분이고 제품으로의 재활용률은 현저히 부족하다.
지역 | 전국 | 제주 | |||
제주시 | 서귀포시 | 계 | |||
발생량 (톤/일) |
2011 | 1,055.1 | 2.3 | 0.7 | 3.0 |
2012 | 1,440.3 | 3.1 | 2.2 | 5.3 | |
2013 | 916.8 | 3.3 | 2.2 | 5.5 | |
2014 | 1289.8 | 3.7 | 2.9 | 6.6 |
석분슬러지 처리방식은 단순 물리적 침전방식과 물리 화학적 처리 방식으로 나뉘는데, 발생한 슬러지를 콘크리트 침전조를 여러 개 만들어 자연 침전시키며 슬러지가 쌓이면 중기(백호)를 이용하여 슬러지를 퍼내어 구조물 건조장에서 자연건조 및 필터프레스로 여과한 후 전량 전문 업체에 위탁처리 한다.
석분 슬러지는 석재가공 시 발생하는 열을 냉각하기 위해 사용되는 물과 절삭 및 연마 시 발생되는 석분이 혼합된 현탁액으로서 미량의 광유가 포함되어 있으며 슬러지의 구성광물은 사용 원석에 따라 구성된다.
기존 연구(김기영, 2007)에 의한 현무암 석분슬러지의 물리 화학적 특성은 100℃ 이상으로 24시간 이상 완전 건조한 시료를 사용하였으며, 각 측정치는 3회 측정치의 평균값이다.
입자의 직경이 0.002mm보다 작은 부분이 약 20% 정도로 나타나고 비중은 2.87 ~ 2.97로서 일반적인 토사의 비중값, 2.65 ~ 2.7에 비해 크다.
다짐시험결과 최적함수비는 21 ~ 25%에 분포하며, 최대건조 단위중량은 1.62~1.675g/의 범위에 분포하고 있으며, 현무암 석분슬러지의 pH는 약 8.67로 약알칼리성을 띠고 있다.
그리고, XRF 분석을 통한 화학조성은 표 3에서와 같이 실리카성분인 SiO2의 함량이 52.7%로 가장 많고 CaO 8.3%, Al2O3 14.7%, Fe2O3 11.1%를 이루고 있어 주성분은 SiO2 + Al2O3 + Fe2O3가 78.5%로 주종을 이루고 있다.
이러한 성분들은 혼합물 속에서 수분과 반응하여 칼슘실리게이트 수화물(C-S-H) 및 칼슘알류미네이트 수화물(CAH)등의 새로운 수화물과 포졸란 물질을 장기적으로 서서히 생성하여 강도를 발현시키게 된다.
또한 8.3%의 조성비를 보이는 CaO는 간극수의 소화와 함께 Ca(OH)2를 생성하게 되고 자경효과에 의한 초기 강도를 결정한다. 이는 채움재로 같이 혼입되는 포틀랜드 시멘트의 수화 메커니즘을 동일하게 보조해주는 역할을 기대할 수 있다.
기 연구된 타지역의 일반 석재 슬러지는 SiO2가 약 70%를 넘고, 수화반응에 영향을 미치는 CaO의 성분이 매우 적은 특징을 갖는 조성과 다소 상이하고, 감열감량(LOI)이 매우 작은 특징을 갖는다.
또한, 강도에 영향을 미치는 CaO 성분이 포틀랜드 시멘트 보다는 작지만, 일반 석재 슬러지에 비해 약 6배정도 많아 수화생성물로 인한 강도 개선 효과가 우세하다.
구분 | SiO2 | Al2O3 | Fe2O3 | CaO | MgO | Na2O | K2O | SO3 | LOI |
현무암 석분슬러지 | 52.7 | 14.7 | 11.1 | 8.3 | 6.3 | 2.8 | 1.0 | - | - |
일반 석재 슬러지 | 72.1 | 16.7 | 1.8 | 1.5 | 0.4 | 3.5 | 3.5 | - | 0.6 |
포틀랜드시멘트 | 20.3 | 6.2 | 3.2 | 62.4 | 3.0 | - | - | 2.0 | 1.9 |
또한, 공개된 자료 국내등록특허공보 제10-0983874호(등록일자: 2010.09.16.)에서 현무암 석분슬러지의 고유한 특성인 원적외선 방사 능력과 중금속 흡착능력 그리고 탈취 능력을 살펴보면, 평균입도가 0.15mm 이하의 조면현무암 석분 1g에 5mg/L의 중금속(Cu, Pb, Cr, Cd)용액 25mL를 가하여 200rpm으로 2시간 교반 후 여과된 용액 10mL를 추출하여 중금속(Cu, Pb, Cr, Cd)용액의 흡착률을 AAS(Atomic Absorption Spectrometer) 분석한 결과는 표 4와 같다.
흡착률(%) | Cu | Pb | Cr | Cd |
조면현무암 석분 | 62.80 | 100.00 | 7.82 | 70.35 |
현무암 석분슬러지의 원적외선 방사 능력과 탈취 능력은 표. 5 및 표. 6과 같다.
구분 | 시험항목 | 시험결과 | 시험방법 | |
조면현무암 석분 | 원적외선 방출량(40℃) | 방사율(5~20㎛) | 0.927 | KICM-FIR-1005 |
방사에너지(W/㎡) | 3.74X102 |
구분 | 경과시간(분) | Blank의 HCHO의 농도(ppm) |
시료의 HCHO의 농도(ppm) |
탈취율(%) |
조면현무암 석분 | 0 | 200 | 200 | - |
30 | 185 | 17 | 90.8 | |
60 | 174 | 13 | 92.5 | |
90 | 165 | 11 | 93.3 | |
120 | 155 | 9 | 94.2 | |
시험방법 | KICM-FIR-1085 | |||
* Blank는 시료를 넣지 않았을 경우임 |
상기와 같은 현무암 석분슬러지의 친환경적 기능들은 아스팔트 혼합물에서 대기 중으로 방출되는 휘발성유기화합물(VOCs)과 같은 대기오염물질을 억제하는데 효과를 보일 것으로 판단된다.
다음의 표 7 및 표 8은 시험을 의뢰하여 KS F 3501; 아스팔트 포장용 채움재의 규정에 따라 현무암 석분슬러지의 품질을 확인하였다. 검토 결과 채움재로의 사용에 무리가 없을 것으로 판단된다.
체의 호칭크기(mm) | 체 통과 질량 백분율(%) | 비고 | |
품질기준 | 시험결과 | ||
0.6 | 100 | 100 | 시험성적서 (CT16-070929) |
0.3 | 95 이상 | 97 | |
0.15 | 90 이상 | 91 | |
0.08 | 70 이상 | 82 |
항목 | 단위 | 품질기준 | 시험결과 | 비고 |
소성지수 | - | 6 이하 | N.P | 시험성적서 (CT16-070929) |
흐름시험 | % | 50 이하 | 29.9 | |
침수팽창률 | % | 3 이하 | 1 | |
박리저항성 | - | 1/4 이하 | 1/4 이하 | |
수분함량 | % | 1 이하 | 0.4 | |
비중 | - | - | 2.86 |
우리나라 전체 포장도로의 약 90%정도가 아스팔트 포장으로 되어 있고, 포장지역의 기후, 포장단면, 교통량, 교통조건 등의 여건에 따라 다양하게 아스팔트를 선정할 필요가 있으나 일반적으로 침입도가 60~80등급(AC 60~80)의 아스팔트가 전 국도와 지방도에 사용되고 있다.
폐아스콘 순환골재의 아스팔트 또한 일반 침입도가 60~80등급의 노화된 아스팔트가 대부분을 차지하고 있다.
개질 아스팔트는 아스팔트도로의 포장성능(소성변형 저항성, 균열 저항성 및 후기 공용성)을 향상시키기 위하여 개질재를 일반아스팔트와 Pre-Mix 방식으로 사전 혼합하거나, 아스콘 생산 시 첨가하는 Plant-Mix 방식 및 처리공정을 거쳐 성능을 향상시킨 아스팔트를 말한다.
아스팔트용 개질재는 다양한 종류가 있으며 종류에 따른 특성도 다양하다. 개질용 첨가제로는 폴리머류의 재료, 고무계열 재료 및 그 외의 재료들이 있으며, 우선 폴리머 재료로는 LDPE, SBS, UPR, Eppoxy, LLDPE 등 다양하고 또한 고무계 첨가제는 CRM, PCB 등이 있으며 그 외 개질재로는 Chemcrete, Gilsonite 등이 있다.
이들 가운데 비닐 방향족 탄화수소/ 열가소성 탄성중합체(thermoplastic elastomer)인 SBS (Styrene-Butadiene-Styrene Block Co-polymer) 개질재가 저온에 대한 내성 이 우수하고 사전배합(Pre-Mix)방식으로 생산되어 품질관리가 용이한 개질 아스팔트로서 PG76-22 등급으로 별도의 처리공정 없이 일반 아스팔트와 동일한 방법으로 사용하며, 구재 아스팔트와 신재 아스팔트를 합한 아스팔트 100 중량% 대비 55 ~ 75 중량%를 갖도록 한다.
아스팔트 혼합물의 배합설계는 변형저항, 피로저항, 균열저항, 내구성, 미끄럼 저항, 작업성 등에 우수한 특성을 목표로 골재와 아스팔트의 경제적인 배합 및 입도를 결정하여 목표한 특성을 가진 혼합물을 생산하는 것이다.
본 발명에서는 추정아스팔트 함량 5%로 제조된 아스팔트 혼합물을 1시간 다짐온도에서 단기 노화한 후 이론최대밀도 시험을 통해 실측 이론 최대밀도로부터 골재의 유효비중을 계산하고 계산된 골재의 유효비중을 이용하여 최적아스팔트함량(OMC)을 결정하였다.
일반적으로 골재의 겉보기 비중과 아스팔트 비중 값을 이용하여 혼합물의 이론최대밀도값을 수식으로 계산하는데 이때, 골재의 겉보기 비중값을 이용함으로 인해 골재의 아스팔트 흡수량이 무시 되어 최적아스팔트 함량이 높게 계산되므로 인해 소성변형 문제가 지적되고, 표건 비중을 사용하게 되면 최적아스팔트함량이 낮게 나오므로 피로균열과 저온균열에 대한 문제가 예상된다.
본 발명의 재생 개질 아스팔트 혼합물에 대한 배합순서는 골재 중량 100중량%에서 먼저, 채움재 3, 4, 5 중량%을 만들기 위해 포틀랜드 시멘트와 현무암 석분 슬러지의 구성비를 6 : 4, 4 : 6, 2 : 8로 준비하는데, 이는 채움재 100 중량% 대비 현무암 석분슬러지의 중량이 40, 60, 80%에 달한다. 이와 같이 준비된 채움재를 건식혼합하고,
다음, 골재 중량 100중량%에서 순환골재 27, 37, 47 중량%과 신규골재 70, 60, 50 중량%을 건식혼합 한 후 먼저 준비된 채움재를 다시 건식혼합하여 재생 개질 아스팔트 혼합물의 골재를 준비한다.
본 발명의 품질 확인을 위한 공시체 제작은 각 골재의 소요 배합량을 계량하여 공시체 1개분씩(약 1,200g)을 혼합한다.
계량한 골재는 약 150℃까지 가열한 후 혼합용기에서 건식혼합을 한 후, 소요 개질 아스팔트량을 혼합물 100중량%에서 개질 아스팔트 3 ~ 4 중량%으로 주입하여 혼합온도 170℃±5℃에서 충분히 피복되도록 혼합한 다음, 마샬 시험용 다짐기를 이용하여 양면 50회로 다짐하여 중교통량에 대응할 수 있도록 다짐하였다. 이 때의 다짐온도는 150℃±5℃범위에 있다.
본 발명은 현무암 석분슬러지를 활용한 재생 개질 아스팔트 혼합물은 아스팔트 혼합물의 기초 구성물인 채움재를 포틀랜드 시멘트와 현무암 석분슬러지의 일정 비율로 구성하고 폐아스콘을 재활용한 재생 아스콘의 물성을 개선하기 위해 신재 개질아스팔트 바인더를 사용, 혼합하여 노화된 아스팔트 바인더의 물성을 회복시켜 물리적 성능이 통상적인 가열아스팔트 혼합물보다 우수한 특징을 보인다.
이로 인한 이점은 산업부산물의 재활용도 되고, 산업폐기물 재활용률을 향상시키며, 폐기물처리로 인한 비용을 절감할 수 있고, 석재가공 업체의 애로점을 개선할 수 있게 된다.
또한, 현무암 석분슬러지는 생성과정에 의해 산업 폐기물로 분류되지만 현무암 고유의 특정을 가지고 있어 환경적으로 매우 우수한 기능들을 발휘하는데 이는 중금속 흡착, 원적외선 방사, 음이온 방출, 탈취 효과 등이 대표적이다.
다시 말해, 현무암 석분슬러지를 활용한 재생 개질 아스팔트 혼합물인 아스팔트 혼합물은 기초 구성물인 채움재의 회수 더스트를 수분을 제거한 분말형태의 현무암 석분슬러지로 대체하고, 폐아스콘을 재활용한 재생아스콘의 물성을 개선하기 위해 신재 개질 아스팔트 바인더를 사용, 혼합하여 노화된 아스팔트 바인더의 물성을 회복시켜 물리적 성능이 통상적인 가열 아스팔트 혼합물보다 우수한 특징을 가진다.
아울러, 정부의 건설폐기물 재활용 관련 정책에 의해 "순환골재의 의무 사용용도 및 사용량" 이 지속적으로 확대되고 있으며, 건설폐기물의 자율적 재활용 시장 활성화를 모색하고 있는 정책 기조에 선제적으로 대응할 수 있어 시장 여건과 기업화 전망은 우수하다.
실험 1)
아래의 표 9, 표 10은 현무암 석분슬러지와 폐아스콘을 활용한 재생 개질 아스팔트 혼합물의 혼합 구성비와 기본 물성 및 마샬안정도 실험 결과이다.
재생 개질 아스팔트 혼합물 100중량%에서 순환골재 32중량%와; 신규골재 60중량%와; 채움재 5중량%와; 개질 아스팔트 3중량%를 포함하고; 현무암 석분슬러지는 채움재 100중량% 대비 40~80중량%를 포함하며; 포틀랜드 시멘트와 혼합하여 채움재로 활용하였다.
구 분 | 순환골재비(%) 골재치수() |
27 | 37 | 47 |
2 BIN | 13 이하 | 34.0 | 28.0 | 24.0 |
1 BIN | 5 이하 | 36.0 | 32.0 | 26.0 |
순환골재 | 13 이하 | 27.0 | 37.0 | 47.0 |
채움재(6:4) | 0.3 이하 | 3.0 | 3.0 | 3.0 |
신재 개질 아스팔트 함량 | 4.0 | 3.5 | 3.0 |
항목 | 단위 | 품질기준 | 27 | 37 | 47 | 시험방법 |
안정도 | N | 5,000 이상 | 21797 | 21734 | 18810 | KSF 2337 |
흐름값 | 1/100cm | 20 ~ 40 | 27 | 28 | 22 | KSF 2337 |
공극률 | % | 3 ~ 6 | 4.5 | 3.8 | 3.3 | KSF 2364 |
포화도 | % | 65 ~ 80 | 73.9 | 76.7 | 79.4 | KAI0002 |
VMA | % | 14.0 이상 | 17.2 | 16.4 | 15.8 | KAI0002 |
상기와 같은 혼합물 배합으로 시험용 공시체를 각각 5개씩 제작하여 순환골재의 혼입량 변화에 따른 성능을 검토하였다.
여기서 마샬안정도 및 흐름값 시험은 시험 전 60 수조에서 30분간 수침 후 50.8mm/min의 재하속도로 시험을 수행하였다.
검토 결과, 도 1 및 표 10에서와 같이 순환골재를 27중량%를 사용한 경우 평균 공극률이 4.5%, VMA 17.2%, 포화도 73.9%로 기본물성에 대한 품질기준을 모두 만족하였고, 순환골재 37중량%인 경우 공극률이 3.8%, VMA 16.4%, 포화도 76.7%이고, 순환골재 47중량%인 경우 공극률이 3.3%, VMA 15.8%, 포화도 79.4%로 포화도가 기준치 80%이하에 근접해 있다.
특히 개질 아스팔트 바인더와 현무암 석분슬러지의 활용으로 안정도는 모두 매우 우수한 성능을 보이지만, 순환골재의 혼입량이 증가할수록 품질이 조금씩 떨어지는 경향이 확인되어 순환골재 47중량%의 활용은 보다 신중한 접근이 필요하겠다.
실험 2)
아래의 표 11, 표 12는 현무암 석분슬러지와 폐아스콘을 활용한 재생 개질 아스팔트 혼합물의 채움재 중량%와 구성비를 조정한 혼합 구성비와 기본 물성 및 마샬안정도 실험 결과이다.
골재 중량 100중량%에서 채움재 3, 4, 5 중량%을 만들기 위해 포틀랜드 시멘트와 현무암 석분 슬러지의 구성비를 6 : 4, 4 : 6, 2 : 8로 준비, 이는 채움재 100 중량% 대비 현무암 석분슬러지의 중량이 40, 60, 80중량%이며, 순환골재 27 중량%와; 신규골재 70 중량%를 포함하고; 혼합물 100중량%에서 개질 아스팔트 4 중량%를 포함한 혼합물에 대한 것이다.
구 분 | 채움재비(%) 골재치수() |
3 | 4 | 5 | 채움재 구성비 (시멘트 : 슬러지) |
2 BIN | 13 이하 | 34.0 | 34.0 | 34.0 | 각 채움재 비에 (6:4, 4:6, 2:8) |
1 BIN | 5 이하 | 36.0 | 35.0 | 34.0 | |
순환골재 | 13 이하 | 27.0 | 27.0 | 27.0 | |
채움재 | 0.3 이하 | 3.0 | 4.0 | 5.0 | |
신재 개질 아스팔트 함량 | 4.0 | 4.0 | 4.0 |
항목 | 단위 | 품질기준 | 시멘트 : 현무암 석분 슬러지 | ||
6 : 4 | 4 : 6 | 2 : 8 | |||
#. 채움재 3% | |||||
안정도 | N | 5,000 이상 | 21456 | 19014 | 20324 |
흐름값 | 1/100cm | 20 ~ 40 | 27 | 27 | 25 |
공극률 | % | 3 ~ 6 | 4.6 | 4.3 | 4.4 |
포화도 | % | 65 ~ 80 | 73.5 | 74.9 | 74.5 |
VMA | % | 14.0 이상 | 17.2 | 16.9 | 17.0 |
#. 채움재 4% | |||||
안정도 | N | 5,000 이상 | 22948 | 20559 | 23788 |
흐름값 | 1/100cm | 20 ~ 40 | 26 | 26 | 24 |
공극률 | % | 3 ~ 6 | 3.7 | 3.6 | 3.8 |
포화도 | % | 65 ~ 80 | 77.6 | 78.0 | 77.2 |
VMA | % | 14.0 이상 | 16.5 | 16.4 | 16.5 |
#. 채움재 5% | |||||
안정도 | N | 5,000 이상 | 21599 | 20065 | 23089 |
흐름값 | 1/100cm | 20 ~ 40 | 26 | 29 | 27 |
공극률 | % | 3 ~ 6 | 3.0 | 2.4 | 2.2 |
포화도 | % | 65 ~ 80 | 81.3 | 84.7 | 85.6 |
VMA | % | 14.0 이상 | 15.8 | 15.3 | 15.2 |
상기와 같은 혼합물 배합으로 시험용 공시체를 도 2와 같이 각각 3개씩 제작하여 채움재의 혼입량 변화와 구성비에 따른 성능을 검토하였다.
여기서 마샬안정도 및 흐름값 시험은 시험 전 60 수조에서 30분간 수침 후 50.8mm/min의 재하속도로 시험을 수행하였다.
검토 결과, 표 12에서와 같이 채움재의 혼합비 3%, 4%에서 시멘트 : 현무암 석분슬러지의 중량기준 혼합비 6 : 4, 4 : 6, 2 : 8은 모두 품질기준을 상회하거나 만족하는 수준으로 검토되어 유효한 품질을 보였다.
그리고 현무암 석분슬러지의 구성 중량%비가 커 질수록 강성이 비례적으로 높아지고 흐름값은 작아지는 경향을 확인하였다.
그러나 채움재의 혼합비 5%에 대한 시험결과는 미립자의 양이 많아져 공극률이 부족하고 포화도가 증가하였으며 이로 인해 안정도가 매우 높은 수치를 보였으나 기본물성치가 부족하였다.
실험검증)
공인기관에 시험을 의뢰하여 아래의 표 13에서와 같이 현무암 석분슬러지와 폐아스콘을 활용한 재생 개질 아스팔트 혼합물은 재생 개질 아스팔트 혼합물 100중량%에서 순환골재 32중량%와; 신규골재 60중량%와; 채움재 5중량%와; 개질 아스팔트 3중량%를 포함하고; 현무암 석분슬러지는 채움재 100중량% 대비 40~80중량%를 포함하며; 포틀랜드 시멘트와 혼합하여 채움재로 활용하도록 시료에 대해 품질성능을 확인하였다.
간접인장강도 및 터프니스 시험은 공시체를 제조하여 25 항온 항습기에 24시간 양생 후 50mm/min의 재하 속도로 시험을 수행하여 간접인장강도를 구하고 이? 간접인장강도 시험에서 얻어진 최대하중과 그 때의 변위를 이용하여 인성(Toughness: TU)를 구한다.
또한 슬래브 공시체를 제조하여 60의 챔버에서 6시간 양생 후 Wheel tracking 시험을 수행하였다. 분당 42회 2,520회를 왕복시켜 동적안정도(Dynamic stability: DS)를 구하였고, 수분저항성 시험은 공극률 7%±0.5%를 나타내는 원형 공시체 6개를 제조하여 건조 공시체 1조/3개와 전처리 및 동결융해로 수분 처리된 공시체 1조/3개를 시험하여 인장강도비(Tensile strength ratio: TSR)를 구한다.
검토결과, 현무암 석분슬러지와 폐아스콘을 활용한 재생 개질 아스팔트 혼합물은 매우 높은 수준의 품질성능을 확인시켜주고 있다. 이는 통상적인 가열아스팔트 혼합물에 비해 매우 우수한 특징을 보이는 것이다.
항목 | 단위 | 품질기준 | 시험성적 | 시험방법 |
안정도 | N | 5,000 이상 | 24,938 | KSF 2337 |
흐름값 | 1/100cm | 20 ~ 40 | 28 | KSF 2337 |
공극률 | % | 3 ~ 6 | 5.0 | KSF 2364 |
포화도 | % | 65 ~ 80 | 73.0 | KAI0002 |
VMA | % | 14.0 이상 | 17.2 | KAI0002 |
간접인장강도 | N/ | 0.8 이상 | 1.73 | KSF 2382 |
터프니스 | N?m | 8,000 이상 | 21,124 | KSF 2382 |
동적안정도 | 회/mm | 750 이상 | 6,000 이상 | KSF 2374 |
TSR | - | 0.75 이상 | 0.81 | KSF 2398 |
<참고문헌>
백종은 외, 2012, 국내외 재생아스팔트 공법의 적용 현황과 재생첨가제의 역할에 관한 고찰, 도로교통 제128호, p41-45
김기영, 2007, 현무암 석분슬러지의 공학적 특성 및 활용방안, 제주대학교 토목해양공학과 박사학위논문
본 발명은 상술한 특정의 바람직한 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 고안이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 그와 같은 변경은 청구범위 기재의 범위 내에 있게 된다.
Claims (3)
- 재생 개질 아스팔트 혼합물 100중량%에서 순환골재 32중량%와; 신규골재 60중량%와; 채움재 5중량%와; 개질 아스팔트 3중량%를 포함하고; 현무암 석분슬러지는 채움재 100중량% 대비 40~80중량%를 포함하며; 포틀랜드 시멘트와 혼합하여 채움재로 활용하도록 하되, 상기 현무암 석분슬러지는 수분을 제거한 분말 형태로 형성되는 재생 개질 아스팔트 혼합물에 있어서,
상기 채움재는 포틀랜드 시멘트와 현무암 석분슬러지의 중량기준 혼합비가 6:4, 4:6, 8:2 중 어느 하나로 형성되고, 상기 순환골재와 신규골재는 150℃까지 가열한 혼합용기에서 건식 혼합되도록 한 뒤, 개질 아스팔트를 주입하여 혼합온도 170℃±5℃에서 혼합한 다음 다짐온도 150℃±5℃에서 다짐하도록 하는 것을 특징으로 하는 현무암 석분슬러지와 폐아스콘을 활용한 재생 개질 아스팔트 혼합물.
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Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
KR102245964B1 (ko) | 2020-11-16 | 2021-04-29 | 광덕아스콘 주식회사 | 입자 장단 비율의 선별적 배합을 통한 개질 아스팔트 포장 방법 |
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- 2016-10-12 KR KR1020160132208A patent/KR101831852B1/ko active IP Right Grant
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