KR101906757B1 - 고분자 개질 아스팔트를 포함한 기계적 물성과 내노화 성능이 개선된 아스콘 조성물 - Google Patents

고분자 개질 아스팔트를 포함한 기계적 물성과 내노화 성능이 개선된 아스콘 조성물 Download PDF

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Abstract

본 발명은 아스팔트, 스티렌-부타디엔-스티렌 블록 공중합체, 스티렌-부틸아크릴레이트-메틸아크릴레이트 공중합체, 박리방지제, 유리황, 유화제, 증점제, 무기산 및 경화제를 포함한 아스팔트 조성물과 골재가 혼합된 아스콘 조성물에 관한 것으로서, 상기 아스콘 조성물은 종래 사용되던 조성물에 비해 기계적 물성 및 내노화 성능이 개선되어, 도로포장 후의 관리 및 유지보수에 대한 우수한 비용절감 효과를 가져올 수 있다.

Description

고분자 개질 아스팔트를 포함한 기계적 물성과 내노화 성능이 개선된 아스콘 조성물 {Ascon composition having improved mechanical property and anti-aging property including polymer-modified asphalt composition}
본 발명은 고분자 개질 아스팔트를 포함한 기계적 물성 및 내노화 성능이 개선된 아스콘 조성물 및 이의 제조방법에 관한 것으로서, 보다 자세하게는, 아스팔트, 스티렌-부타디엔-스티렌 블록 공중합체, 스티렌-부틸아크릴레이트-메틸아크릴레이트 공중합체, 박리방지제, 유리황, 유화제, 증점제, 무기산 및 경화제를 포함한 고분자 개질 아스팔트 조성물과 골재가 혼합된 아스콘 조성물에 관한 것이다.
기존의 일반도로의 아스콘(아스팔트 콘크리트) 포장이 파손되는 원인은 균열(cracking), 소성변형(rutting), 래블링(raveling), 플러싱(flushing) 등이 있는데 이중에서도 소성변형(rutting)이 도로 파손의 주요원인으로 알려져 있다. 도로의 소성변형은 계절에 따라서 도로의 온도가 상당히 많은 차이를 보인다. 이를 테면 겨울에는 도로의 온도가 매우 낮아지므로 수축에 의해 균열이 발생할 확률이 높아지는데 이 상태에서 큰 교통하중이 있게 되면 도로가 파손되고, 한편 여름에는 도로의 온도가 높은 상태에서 큰 교통하중이 있게 되면 높은 온도의 아스팔트 표면이 변형으로 인하여 파손이 되는 것이다. 이러한 소성변형을 비롯한 도로 파손의 원인을 해결할 필요가 있다.
기존의 아스콘 제품을 살펴보면 바인더, 굵은 골재, 잔골재, 채움재 등을 균일하게 혼합한 혼합물인 가열 아스팔트 혼합물인 일반 아스콘이거나, 일반 아스콘의 구성재료에 폐아스콘으로부터 얻어진 순환골재가 첨가되는 재생 아스콘, 일반 아스콘 내지 재생 아스콘에 개질첨가제를 적용한 개질 아스콘 등으로 나눌 수 있다. 이러한 아스콘 제품은 도로포장이나 주차장 등에 널리 사용되고 있는데, 기존의 아스콘 도로포장은 시공 후 5년 정도 지나면 주행트랙을 따라 가끔 소성변형이 생겨서 심각한 주행문제를 발생시키거나, 시간의 흐름과 함께 포장재료가 점차 노화되어 결국에는 심한 균열이 형성된다. 따라서, 아스콘 조성물의 상태가 지속적으로 유지되면서 이러한 현상을 억제할 수 있는 아스콘 조성물의 개발에 대한 요구가 더욱 증가하고 있다.
이러한 아스콘 조성물의 품질은 주로 아스팔트 조성물의 물성에 따라 크게 달라질 수 있다. 통상적으로 아스팔트는 생산 방법과 생산 지역 등에 따라 여러 가지 종류로 분류되고 있으나, 크게는 천연에서 직접적으로 생산되는 천연 아스팔트와 원유로부터 생산되는 석유계 아스팔트로 구분될 수 있다. 현재 국내에서 생산되어 사용되고 있는 아스팔트는 대부분 석유계 아스팔트이나 간헐적으로 천연 아스팔트를 수입하여 사용하는 경우도 있다. 일반적으로 석유계 아스팔트는 원유의 정제과정 중 감압증류탑의 바닥에서 얻어지는 역청질 물질 또는 이러한 역청질 물질을 산화시킨 것으로서, 주로 도로포장, 건축자재, 코팅 및 기타 산업용으로 사용되고 있다. 이러한 아스팔트의 품질은 원유의 특성에 큰 영향을 받으므로 부적절한 원유를 사용하면 품질이 불량한 아스팔트를 얻게 된다. 또한 아스팔트는 온도 변화에 매우 민감하기 때문에 사용하고자 하는 지역의 기후 특성에 적합하도록 제조하여 사용해야 한다. 예를 들면, 고온(60℃)에서 양호한 품질을 나타내는 아스팔트가 상온(15℃)이나 저온(4℃)에서는 품질이 불량할 수도 있기 때문에 지역별 기후 조건에 적합한 아스팔트를 선택하여 사용하는 것은 매우 중요하다고 할 수 있다. 한편, 아스팔트의 품질을 개선시키기 위하여 탄화수소계 등의 많은 첨가제가 활용되어 왔으나 만족할 만한 개선 효과를 얻지는 못하였다.
근래에 와서는 고분자 개질제 등의 물질을 첨가하여 아스팔트 품질을 개선시키려는 연구가 활발히 진행되었다. 미국등록특허 제3,985,694호 및 미국등록특허 제4,130,516호에서는 아스팔트에 폴리올레핀이나 스티렌-부타디엔 고무 같은 고분자를 첨가하여 물성을 개선시켰지만 상온(15℃)영역에서의 점착성은 개선시키지 못한 문제점이 있었다. 또한 미국등록특허 제5,221,703호는 오일과 스티렌-부타디엔 고무 같은 고분자 개질재를 첨가하여 물성을 향상시킨 아스팔트/중합체 조성물의 제조방법을 제시하고 있다. 이 특허에서는 고분자 개질재와 오일을 첨가함으로써 점성 등의 물성이 향상되었고, 특히 저온(4℃)에서의 물성은 향상되었으나, 상온(15℃)에서의 점착성 또는 고온에서 저장할 때 품질을 유지할 수 있는 내노화 특성의 개선 효과는 미미하거나 전혀 이루어지지 않았다. 즉, 스티렌-부타디엔 계열과 같은 고분자 개질재들은 고온에서 장기간 저장될 경우 산화 또는 열화가 발생하여 물성저하의 원인이 되므로 물성개선 뿐만 아니라 이러한 장기 저장에 따른 물성저하의 방지, 즉 내노화 특성을 개선하는 것이 매우 중요한 과제로 대두되고 있는 실정이다.
이에 본 발명자들은 고분자 개질 아스팔트 조성물의 물성을 조절하여 기계적 물성 및 내노화 성능이 기존보다 개선된 아스콘 조성물을 개발함으로써 본 발명을 완성할 수 있었다.
미국등록특허 제3,985,694호 (발명의 명칭 : Asphaltic compositions containing synthetic terpenic resin and an interpolymer of ethylene, vinyl acetate and an organic acid, 출원인 : Mobil Oil Corporation, 등록일 : 1976.10.12) 미국등록특허 제4,130,516호 (발명의 명칭 : High ductility asphalt, 출원인 : Phillips Petroleum Company, 등록일 : 1978.12.19) 미국등록특허 제5,221,703호 (발명의 명칭 : Engineered modified asphalt cement, 출원인 : McConnaughay Technologies, Inc., 등록일 : 1993.06.22)
본 발명의 목적은 골재 93~97 중량% 및 고분자 개질 아스팔트 조성물 3~7 중량%를 함유하는 아스콘 조성물을 제공하는 데에 있으며, 상기 고분자 개질 아스팔트 조성물은 아스팔트 100 중량부 대비 스티렌-부타디엔-스티렌 블록 공중합체 3~7 중량부, 스티렌-부틸아크릴레이트-메틸아크릴레이트 공중합체 2~5 중량부, 박리방지제 0.5~1 중량부, 유리황 0.2~0.5 중량부, 유화제 0.1~0.3 중량부, 증점제 0.5~2 중량부, 무기산 0.05~0.3 중량부 및 경화제 0.1~1 중량부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명은 골재 93~97 중량% 및 고분자 개질 아스팔트 조성물 3~7 중량%를 함유하는 아스콘 조성물에 관한 것이며, 상기 고분자 개질 아스팔트 조성물은, 아스팔트 100 중량부 대비 스티렌-부타디엔-스티렌 블록 공중합체 3~7 중량부, 스티렌-부틸아크릴레이트-메틸아크릴레이트 공중합체 2~5 중량부, 박리방지제 0.5~1 중량부, 유리황 0.2~0.5 중량부, 유화제 0.1~0.3 중량부, 증점제 0.5~2 중량부, 무기산 0.05~0.3 중량부 및 경화제 0.1~1 중량부를 포함할 수 있다.
상기 스티렌-부타디엔-스티렌 블록 공중합체로는 스티렌 함량이 60~80 중량%인 것을 사용할 수 있다.
상기 스티렌-부틸아크릴레이트-메틸아크릴레이트 공중합체로는 스티렌계 단량체 100 중량부 대비 부틸 아크릴레이트계 단량체 50~70 중량부 및 메틸아크릴레이트계 단량체 40~60 중량부를 포함하는 것을 사용할 수 있다.
상기 박리방지제는 액상형으로 비중이 1.0 이상이고 60℃에서 점도가 110 cps이고, 산가는 10 ㎎KOH/g 이하인 폴리인산계 박리방지제일 수 있다.
상기 유화제는 4차 암모늄염일 수 있으며, 상기 4차 암모늄은 Alkyl dimethyl benzyl ammonium chloride, Methyltriethanol-ammonium-methylsulfate dialkylester, Dimethyl alkyl amine, 제2급 고급알콜 에톡시 슬페이트 및 알긴산 에스테르 염으로 이루어진 군 중에서 1종 이상 선택될 수 있다.
상기 증점제는 전분, 메틸셀룰로오즈, 카르복시메틸셀룰로오즈, 폴리아크릴산소다, 카제인 및 알카리 팽윤성 에멀젼으로 이루어진 군 중에서 1종 이상이 선택될 수 있다.
상기 무기산은 HCl, H3BO3, B2O3, H2SO4, HSO3Cl, H3PO4 및 P2O5로 이루어진 군 중에서 1종 이상이 선택될 수 있다.
상기 골재는 천연골재로서, 굵은 골재 및 잔골재의 혼합물이며, 바람직하게는 굵은 골재 100 중량부에 잔골재 130~180 중량부를 혼합한 것이며, 굵은 골재는 30mm 체를 95~100 중량% 통과하면서, 15mm 체를 25~60 중량% 통과하고, 5mm 체를 0~10 중량% 통과하며, 2.5mm 체를 0~5 중량% 통과하는 입도규격을 가지며, 잔골재는 2.5mm 체를 통과하면서 0.075mm 체에 잔류하는 입도규격을 갖는 것을 특징으로 한다.
본 발명은 또한 상기 아스콘 조성물의 제조방법에 관한 것으로서, 바람직하게는, (a) : 제1가열탱크에서 아스팔트를 120~150℃에서 서서히 교반하여 용융시키는 단계;
(b) : 제2가열탱크에서 스티렌-부타디엔-스티렌 블록 공중합체, 스티렌-부틸아크릴레이트-메틸아크릴레이트 공중합체, 박리방지제, 유리황, 유화제, 증점제, 무기산 및 경화제를 투입하여 50~70℃의 온도에서 균일하게 분산시켜 개질제 조성물을 제조하는 단계;
(c) : 제3가열탱크에서 골재를 100~120℃에서 서서히 교반시키는 단계;
(d) : 스크류형 임펠러를 갖는 혼합탱크에, 상기 (a) 단계에서 용융시킨 아스팔트와, 상기 (b) 단계에서 제조된 개질제 조성물을 혼합하여 120~130℃에서 아스팔트 조성물을 제조하는 단계; 및,
(e) : 상기 아스팔트 조성물이 제조된 혼합탱크의 온도를 유지하면서 상기 (c) 단계에서 가열된 골재를 혼합하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
이하, 본 발명을 상세하게 설명한다.
본 발명은 골재 93~97 중량% 및 아스팔트 조성물 3~7 중량%를 함유하는 아스콘 조성물에 관한 것이다.
상기 골재로는 천연골재를 사용하는 것이 바람직하며, 상기 천연골재는 굵은 골재와 잔골재로 나눌 수 있는데, 굵은 골재로는 부순 자갈, 광물제련 폐기석, 철강고로 폐기석 등을 사용하고 잔골재로는 천연 모래, 또는 암석, 고로 슬래그, 자갈 등을 파쇄한 것을 사용할 수 있다. 또한, 상기 골재는 굵은 골재 100 중량부에 잔골재 130~180 중량부를 혼합한 것을 사용하는 것이 바람직하며, 굵은 골재는 30mm 체를 95~100 중량% 통과하면서, 15mm 체를 25~60 중량% 통과하고, 5mm 체를 0~10 중량% 통과하며, 2.5mm 체를 0~5 중량% 통과하는 입도규격을 가지며, 잔골재는 2.5mm 체를 통과하면서 0.075mm 체에 잔류하는 입도규격을 가질 수 있다.
상기 아스팔트 조성물은 바람직하게는, 아스팔트, 스티렌-부타디엔-스티렌 블록 공중합체, 스티렌-부틸아크릴레이트-메틸아크릴레이트 공중합체, 박리방지제, 유리황, 유화제, 증점제, 무기산 및 경화제를 포함한 조성물일 수 있다.
상기 아스팔트 조성물에 사용되는 아스팔트는 역청이라고도 하며, 천연 아스팔트 또는 석유 아스팔트일 수 있다. 아스팔트에는 천연적으로 산출되는 것과 석유에서 인공적으로 생산되는 것이 있다. 전자를 천연 아스팔트, 후자를 석유 아스팔트라고 한다. 석유 아스팔트는 천연 아스팔트에 비하여 불순물이 적으며, 사용목적에 따라 적당히 그 성질을 조절할 수 있으므로 오늘날 사용되고 있는 것은 대부분이 석유 아스팔트이다. 이 외, 다양한 종류의 직류(Straight-run) 아스팔트들과 이들을 파라핀 디스틸레이트(Distillate), 아로마틱, 나프테닉 유분들로 각각 혹은 병용하여 희석시킨 것들과 이들을 산화시킨 것들, 록(Rock) 아스팔트, 콜타르 피취 (Coal tar pitch) 같은 특수한 아스팔트도 포함될 수 있다. 특히, 본 발명에 사용된 아스팔트는 60℃ 동역학점도가 1×10-3~1.0m2/s이며, ASTM 규격에 따른 25℃ 침입도가 5~400의 범위를 갖는다. 또한 적어도 280℃ 이상의 인화점(COC방식, ASTM D-92)을 가지며, ASTM D4142에 따른 아스팔텐 함량이 2~30 중량%인 것을 특징으로 한다.
한편, 상기 아스팔트 조성물에, 아스팔트 100 중량부 대비 스티렌-부타디엔-스티렌 블록 공중합체가 3~7 중량부로 포함될 수 있는데, 상기 스티렌-부타디엔-스티렌 블록 공중합체가 3 중량부 미만이거나 7 중량부 초과이면 아스팔트 조성물의 품질 또는 아스콘 조성물의 기계적 물성 및 내노화 성능이 저하될 수 있다.
또한 상기 아스팔트 조성물에 함유되는 스티렌-부타디엔-스티렌 블록 공중합체는 아스팔트의 고온 특성과 저온 특성을 개선시키기 위한 성분이며, 방사형 구조 또는 선형 구조를 가질 수 있고, 바람직하게는 상기 스티렌-부타디엔-스티렌 블록 공중합체에 스티렌이 60~80 중량% 함유될 수 있다. 또한 상기 스티렌-부타디엔-스티렌 블록 공중합체의 중량평균 분자량(Mw)은 10,000∼500,000일 수 있고, 분자량 분포(Mw/Mn)은 2~10일 수 있으며, ASTM D1238 규격에 따른 용융지수 값이 0.5~1,000의 범위를 가질 수 있다. 상기 중량평균분자량(Mw)이 10,000 미만 이하면 점도가 떨어져 아스팔트와의 혼화성이 나빠져 아스콘을 제조하여 도로에 포장시 작업성이 떨어지는 문제가 발생할 수 있고, 중량 평균분자량(Mw)을 500,000 초과하면 고분자 간의 가교결합에 의하여 빠른 시간에 경화되어 저장안정성이 저하되는 문제가 발생될 수 있다.
상기 아스팔트 조성물에, 아스팔트 100 중량부 대비 스티렌-부틸아크릴레이트-메틸아크릴레이트 공중합체는 2~5 중량부가 포함될 수 있으며, 상기 스티렌-부틸아크릴레이트-메틸아크릴레이트 공중합체가 2 중량부 미만이거나 5 중량부를 초과하면 아스팔트 조성물의 혼합이 잘 되지 않거나 도로포장 이후의 물성 또는 내구성이 나빠질 수 있다.
한편 상기 스티렌-부틸아크릴레이트-메틸아크릴레이트 공중합체는 아스팔트의 탄성 회복력과 영구변형 저항성을 개선시키기 위한 성분이며, 방사형 구조 또는 선형 구조를 가질 수 있고, 스티렌계 단량체 100 중량부 대비 부틸 아크릴레이트계 단량체 50~70 중량부 및 메틸아크릴레이트계 단량체 40~60 중량부가 포함된 것을 사용할 수 있다. 이 때, 아크릴레이트계 단량체와 메틸아크릴레이트계 단량체의 혼합비가 이와 달라지게 되면, 아스팔트 조성물의 품질이 저하될 수 있다. 상기 스티렌계 단량체로서 스티렌, 알파-메틸스티렌, 파라-메틸스티렌 및 비닐톨루엔으로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상의 단량체가 선택될 수 있다. 상기 스티렌-부틸아크릴레이트-메틸아크릴레이트 공중합체의 중량평균 분자량(Mw)은 90,000∼300,000일 수 있고, 분자량 분포(Mw/Mn)은 5~10이 바람직하다. 상기 중량 평균분자량(Mw)이 90,000 미만 이하면 아스팔트와의 혼화성이 떨어지고 중량 평균분자량(Mn)을 300,000 초과하면 고분자 간의 가교결합에 의하여 빠른 시간에 경화되어 저장안정성이 저하되는 문제가 발생될 수 있다.
상기 아스팔트 조성물에, 아스팔트 100 중량부 대비 박리방지제 0.5~1 중량부가 포함될 수 있는데, 상기 박리방지제가 0.5 중량부 미만의 경우 혼합물의 수분저항성이 감소하게 되며, 1 중량부를 초과하는 경우 아스팔트의 고온 특성 및 저온특성 개선효과가 저하될 수 있다.
상기 박리방지제는 골재와 아스팔트의 계면에서 접착성을 증진시켜 수분에 의한 아스콘의 파손에 대한 저항성을 개선시키기 위한 성분으로서, 바람직하게는 액상형으로 비중이 1.0 이상이고 60℃에서 점도가 110 cps이고, 산가는 10 ㎎KOH/g 이하인 폴리인산계 박리방지제를 사용할 수 있다.
상기 아스팔트 조성물에, 아스팔트 100 중량부 대비 유리황 0.2~0.5 중량부가 포함될 수 있는데, 유리황이 0.2 중량부 미만이거나 0.5 중량부를 초과하면 아스콘 조성물의 기계적 강도 뿐만 아니라 저장안정성이 저하될 수 있다.
상기 아스팔트 조성물에, 아스팔트 100 중량부 대비 유화제 0.1~0.3 중량부가 포함될 수 있으며, 유화제가 0.1 중량부 미만이거나 0.3 중량부 초과일 때, 아스팔트 조성물이 갖는 점도가 좋지 않아 골재와의 혼합이 잘 되지 않을 수 있다.
상기 유화제로는 양이온계 아스팔트 유화제를 사용할 수 있으며, 바람직하게는 양이온계 아스팔트 유화제로서 질소계의 4차 암모늄염을 사용할 수 있는데, 더 바람직하게는 Alkyl dimethyl benzyl ammonium chloride, Methyltriethanol-ammonium-methylsulfate dialkylester, Dimethyl alkyl amine, 제2급 고급알콜 에톡시 슬페이트 및 알긴산 에스테르 염으로 이루어진 군 중에서 1종 이상 선택되는 것을 사용할 수 있다. 상기 4차 암모늄염은 산성영역에서 물에 용해도가 좋고, 양이온의 성질을 나타낸다. 또한, 골재와의 부착성이 양호하며, 유화입자의 분해진행도 빨라 교통개방이 비교적 짧은 시간 내에 이루어지므로 선호도가 높다.
상기 아스팔트 조성물에, 아스팔트 100 중량부 대비 증점제 0.5~2 중량부가 포함될 수 있으며, 증점제가 0.5 중량부 미만이거나 2 중량부 초과해도 도로포장 이후의 물성 또는 내구성이 저하될 수 있다. 상기 증점제로는 천연증점제 및 합성증점제 중 1종 이상을 사용할 수 있는데, 전분, 메틸셀룰로오즈, 카르복시메틸셀룰로오즈, 카제인 등의 천연증점제, 폴리아크릴산소다, 알카리팽윤성 에멀젼 등과 같은 합성 증점제 중 1종 이상을 사용할 수 있다.
상기 아스팔트 조성물에, 아스팔트 100 중량부 대비 무기산 0.05~0.3 중량부를 사용할 수 있다.
상기 무기산으로는 HCl, H3BO3, B2O3, H2SO4, HSO3Cl, H3PO4 및 P2O5로 이루어진 군 중에서 1종 이상이 선택될 수 있다. 상기 무기산은 도로포장 이후의 아스콘 조성물의 기계적 강도 뿐만 아니라 저장안정성을 증대시키는 역할을 한다.
상기 아스팔트 조성물에, 아스팔트 100 중량부 대비 경화제 0.1~1 중량부가 포함될 수 있으며, 상기 경화제로는 에틸렌글리콜을 사용할 수 있다.
본 발명은 또한 아스콘 조성물의 제조방법에 관한 것으로서, 바람직하게는,
(a) : 제1가열탱크에서 아스팔트를 120~150℃에서 서서히 교반하여 용융시키는 단계; (b) : 제2가열탱크에서 스티렌-부타디엔-스티렌 블록 공중합체, 스티렌-부틸아크릴레이트-메틸아크릴레이트 공중합체, 박리방지제, 유리황, 유화제, 증점제, 무기산 및 경화제를 투입하여 50~70℃의 온도에서 균일하게 분산시켜 개질제 조성물을 제조하는 단계; (c) : 제3가열탱크에서 골재를 100~120℃에서 서서히 교반시키는 단계; (d) : 스크류형 임펠러를 갖는 혼합탱크에, 상기 (a) 단계에서 용융시킨 아스팔트와, 상기 (b) 단계에서 제조된 개질제 조성물을 혼합하여 120~130℃에서 아스팔트 조성물을 제조하는 단계; 및, (e) : 상기 아스팔트 조성물이 제조된 혼합탱크의 온도를 유지하면서 상기 (c) 단계에서 가열된 골재를 혼합하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 (a)단계와 (b)단계의 아스팔트와 개질제 조성물에는, 아스팔트 100 중량부 대비 스티렌-부타디엔-스티렌 블록 공중합체 3~7 중량부, 스티렌-부틸아크릴레이트-메틸아크릴레이트 공중합체 2~5 중량부, 박리방지제 0.5~1 중량부, 유리황 0.2~0.5 중량부, 유화제 0.1~0.3 중량부, 증점제 0.5~2 중량부, 무기산 0.05~0.3 중량부 및 경화제 0.1~1 중량부가 포함될 수 있다.
상기 본 발명의 아스콘 조성물의 제조방법을 이용하여 제조된 아스콘 조성물을 이용하여 도로포장 및 주차장 등의 시공이 가능하다.
본 발명은 아스팔트, 스티렌-부타디엔-스티렌 블록 공중합체, 스티렌-부틸아크릴레이트-메틸아크릴레이트 공중합체, 박리방지제, 유리황, 유화제, 증점제, 무기산 및 경화제를 포함한 아스팔트 조성물과 골재가 혼합된 아스콘 조성물에 관한 것으로서, 상기 아스콘 조성물은 종래 사용되던 조성물에 비해 기계적 물성 및 내노화 성능이 개선되어, 도로포장 후의 관리 및 유지보수에 대한 우수한 비용절감 효과를 가져올 수 있다.
이하 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 그러나, 본 발명은 여기서 설명되는 실시예에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 내용이 철저하고 완전해지도록, 당업자에게 본 발명의 사상을 충분히 전달하기 위해 제공하는 것이다.
<실시예 1. 아스콘 조성물의 제조>
골재, 스티렌-부타디엔-스티렌 블록 공중합체, 스티렌-부틸아크릴레이트-메틸아크릴레이트 공중합체, 박리방지제, 유리황, 유화제, 증점제, 무기산 및 경화제를 준비하였다. 상기 골재로는 천연골재를 사용하였고, 굵은 골재로는 부순 자갈, 광물제련 폐기석, 철강고로 폐기석 등을 사용하고 잔골재로는 천연 모래, 또는 암석, 고로 슬래그, 자갈 등을 파쇄한 것을 사용하였다. 이 때 굵은 골재 100 중량부에 잔골재 130~180 중량부를 혼합하여 사용하였고, 굵은 골재는 30mm 체를 95~100 중량% 통과하면서, 15mm 체를 25~60 중량% 통과하고, 5mm 체를 0~10 중량% 통과하며, 2.5mm 체를 0~5 중량% 통과하는 입도규격을 가졌으며, 잔골재는 2.5mm 체를 통과하면서 0.075mm 체에 잔류하는 입도규격을 가졌다.
이 때, 스티렌-부타디엔-스티렌 블록 공중합체는 스티렌 함량 60~80 중량%인 것을 사용하였고, 스티렌-부틸아크릴레이트-메틸아크릴레이트 공중합체는 스티렌계 단량체 100 중량부 대비 부틸 아크릴레이트계 단량체 60 중량부 및 메틸아크릴레이트계 단량체 50 중량부를 포함하는 것을 사용하였다(SBM 공중합체 1). 박리방지제로는 액상형으로 비중이 1.0 이상이고 60℃에서 점도가 110 cps이고, 산가는 10 ㎎KOH/g 이하인 폴리인산계 박리방지제, 유화제로는 Alkyl dimethyl benzyl ammonium chloride, 증점제로는 메틸셀룰로오즈, 무기산으로는 HCl, 경화제로는 에틸렌글리콜을 사용하였다.
먼저, 제1가열탱크에서 아스팔트를 120~150℃에서 서서히 교반하여 용융시켰다. 이 후, 제2가열탱크에서 스티렌-부타디엔-스티렌 블록 공중합체, 스티렌-부틸아크릴레이트-메틸아크릴레이트 공중합체, 박리방지제, 유리황, 유화제, 증점제, 무기산 및 경화제를 투입하여 50~70℃의 온도에서 균일하게 분산시켜 개질제 조성물을 제조하였다. 골재는 제3가열탱크에서 100~120℃에서 서서히 교반하였다.
스크류형 임펠러를 갖는 혼합탱크에, 용융시킨 아스팔트와, 개질제 조성물을 혼합하여 120~130℃에서 아스팔트 조성물을 제조하였고, 상기 아스팔트 조성물이 제조된 혼합탱크의 온도를 유지하면서 가열된 골재를 혼합하였다.
상기 아스팔트와 개질제 조성물이 혼합된 아스팔트 조성물에는, 하기 표 1에 개시된 것처럼 아스팔트 100 중량부 대비 스티렌-부타디엔-스티렌(SBS) 블록 공중합체 3~7 중량부, 스티렌-부틸아크릴레이트-메틸아크릴레이트(SBM) 공중합체 2~5 중량부, 박리방지제 0.5~1 중량부, 유리황 0.2~0.5 중량부, 유화제 0.1~0.3 중량부, 증점제 0.5~2 중량부, 무기산 0.05~0.3 중량부 및 경화제 0.1~1 중량부가 포함되게 하였다.
또한, 상기 아스팔트 조성물 5중량%와 골재 95중량%를 혼합하여 본 발명의 아스콘 조성물을 최종적으로 제조하였다.
조건 중량부
아스
팔트		 SBS 블록 공중합체
(스티렌 함량 60~80 중량%)		 SBM
공중
합체 1		 박리
방지제		 유리황 유화제 증점제 무기산 경화제 총합
실시예 1-1 100 3 5 0.5 0.5 0.1 2 0.05 1 112.15
실시예 1-2 100 7 2.75 1 0.2 0.3 0.5 0.3 0.1 112.15
실시예 1-3 100 6 2 0.5 0.5 0.1 2 0.05 1 112.15
실시예 1-4 100 5.2 4 0.7 0.4 0.2 1 0.15 0.5 112.15
<비교예 1. 비교대상 아스콘 조성물의 제조>
상기 실시예 1과 동일한 방법으로 아스콘 조성물을 제조하되, 아스팔트와 개질제 조성물의 구성 또는 함량은 하기 표 2를 참조하여 제조하였다. 이 때, 실시예 1에서 사용한 스티렌 함량 60~80 중량%인 스티렌-부타디엔-스티렌 블록 공중합체 대신, 스티렌 함량 30~50 중량%인 스티렌-부타디엔-스티렌 블록 공중합체를 사용하기도 하였다. 스티렌-부틸아크릴레이트-메틸아크릴레이트 공중합체로서, 스티렌계 단량체 100 중량부 대비 부틸 아크릴레이트계 단량체 60 중량부 및 메틸아크릴레이트계 단량체 50 중량부를 포함하는 것(SBM 공중합체 1) 외에, 스티렌계 단량체 100 중량부 대비 부틸 아크릴레이트계 단량체 30 중량부 및 메틸아크릴레이트계 단량체 80 중량부를 포함하는 것을 사용하기도 하였다(SBM 공중합체 2).
조건 중량부
아스
팔트		 SBS 블록 공중합체
(스티렌 함량 60~80 중량%)		 SBS 블록 공중합체
(스티렌 함량 30~50 중량%)		 SBM 공중
합체 1		 SBM 공중
합체 2		 박리
방지제		 유리황 유화제 증점제 무기산 경화제 총합
비교예 1-1 100 0 5.2 4 0 0.7 0.4 0.2 1 0.15 0.5 112.15
비교예 1-2 100 1 0 8.2 0 0.7 0.4 0.2 1 0.15 0.5 112.15
비교예 1-3 100 9 0 1 0 0.7 0.2 0.1 1 0.05 0.1 112.15
비교예 1-4 100 3 0 1.5 0 1.5 0.75 0.4 3 0.5 1.5 112.15
비교예 1-5 100 5.2 0 0 4 0.7 0.4 0.2 1 0.15 0.5 112.15
<실험예 1. 아스팔트 조성물의 물성 확인>
실시예 1 및 비교예 1에서 제조한 아스콘의 품질을 비교하기 위해, 골재가 혼합되기 전의 아스팔트 및 개질제가 포함된 아스팔트 조성물들의 물성을 확인하였다. 아스팔트 조성물의 물성은 하기 표 3 내지 표 5에 개시된 시험방법을 이용하여 확인하였고, 각 아스팔트 조성물의 시험결과가 각 시험방법의 표준규격에 맞는지 확인하였다. 아스팔트 조성물이 갖는 시험값은 표 3 내지 표 5에 아스콘 제조 실시예로서 나타내었다.
시험 항목 밀도
(15℃ g/㎤)		 저장안정성
(163/48h ℃)		 인화점
(COC ℃)		 점도
(135℃ cP)		 소성변형저항응력
(76℃ KPa)
시험 방법 KSM 2201 KSM 2250 KSMISO 2592 KSF 2392 KSF 2393
표준 규격 1.000 이상 2.0 이하 260 이상 3000 이하 1.00 이상
실시예 1-1 1.036 1.0 324 1754 1.17
실시예 1-2 1.097 1.2 327 1534 1.25
실시예 1-3 1.078 1.1 301 1923 1.12
실시예 1-4 1.025 1.5 292 2112 1.09
비교예 1-1 1.02 2.2 284 3102 0.91
비교예 1-2 0.952 2.3 250 2942 0.83
비교예 1-3 1.032 2.2 243 3650 0.89
비교예 1-4 1.062 2.3 255 3092 0.92
비교예 1-5 1.132 2.1 245 3012 0.87
시험 항목 박막가열후 질량변화율
(%)		 박막가열후 침입도비 박막가열 노화후 소성변형저항응력
(76℃ kPa)		 압력노화 후 피로균열 저항응력
(31℃ kPa)		 압력노화 후 저온균열 저항응력
(-12℃ Mpa)		 압력노화후m-값
(-12℃)
시험 방법 KSM 2258 KSM 2258 KSF 2393 KSF 2393 KSF 2390 KSF 2390
표준 규격 0.6 이하 65 이상 2.20 이상 5000 이하 300 이하 0.300 이상
실시예 1-1 -0.06 76.8 2.23 1250 167 0.354
실시예 1-2 -0.02 69.7 2.34 1341 153 0.326
실시예 1-3 -0.04 76.5 2.53 1967 142 0.393
실시예 1-4 -0.09 72.3 2.43 1341 141 0.418
비교예 1-1 0.31 72.3 2.01 4323 152 0.250
비교예 1-2 0.74 49.2 2.99 1499 193 0.235
비교예 1-3 0.66 57.3 1.92 3645 253 0.235
비교예 1-4 0.34 32.4 2.53 4345 216 0.346
비교예 1-5 0.05 79.4 2.09 4534 353 0.366
시험 항목 침입도
(25℃)		 연화점
(℃)		 신도
(15℃)		 Toughness (25℃ kgf.cm) Tenacity
(25℃ kgf.cm)		 아스팔트
조성물 사용
최종 적합성
시험 방법 KSM 2252 KSM 2250 KSM 2254 KSF 2488 KSF 2488 -
표준 규격 40 이상 56 이상 30 이상 80 이상 40 이상 -
실시예 1-1 56 63.4 114 224 162 적합
실시예 1-2 49 59.3 89 250 96 적합
실시예 1-3 60 68.3 120 134 123 적합
실시예 1-4 52 62.3 79 95 142 적합
비교예 1-1 34 52.3 83 152 123 부적합
비교예 1-2 37 53.6 96 124 152 부적합
비교예 1-3 36 54.3 98 97 75 부적합
비교예 1-4 35 54.6 128 122 94 부적합
비교예 1-5 38 54.7 120 123 63 부적합
상기 표 3 내지 5에 나타난 바와 같이, 각 구성성분의 혼합비를 선택적으로 사용함으로써, 최종 사용하려는 아스팔트 조성물의 점도, 신도, 가열/압력 저항성 , 연화점, 침입도 지수, 연화점 등이 모두 양호함을 알 수 있으며, 내노화 성능과 저장 안정성이 현저히 개선되었음을 보여주고 있다. 따라서 상기 결과로부터 본 발명의 제조 방법을 이용해 고품질의 아스팔트 조성물의 제조가 가능함을 알 수 있으며, 이를 이용하여 변형이 적고 내노화성이 강화된 아스콘 조성물의 제조가 가능함을 예상할 수 있다.
<실험예 2. 아스콘 조성물의 물성 확인>
실험예 1에서 확인한 아스팔트 조성물의 물성이 아스콘 조성물에 미치는 영향을 확인하기 위해, 실시예 1-1 내지 1-4, 비교예 1-1 내지 1-5에서 제조한 아스콘 조성물을 이용하여 두께 60cm의 마샬다짐의 공시체를 제조하여 마샬 안정도와 흐름값을 측정하였다.
도로를 포장하였을 경우에 일반적인 마샬 안정도가 14,000 정도가 되는 것에 비하여 본 발명의 실시예 1-1 내지 1-4에서 제조한 아스콘 조성물들은 16,000~22,000, 비교예 1-1 내지 1-5의 아스콘 조성물들은 마샬 안정도가 13,000~14,000인 것으로 확인되었다. 또한 흐름값이 20 이상이면 도로 포장 시공을 하는데 문제가 되지 않는데, 실시예 1-1 내지 1-4의 아스콘 조성물들은 24~29의 안정적인 흐름값을 가지는 것으로 나타난 반면, 비교예 1-1 내지 1-5의 아스콘 조성물들은 18~22의 흐름값을 가져, 실시예 1의 아스콘 조성물이 현저하게 좋은 품질을 갖는 조성물임을 알 수 있었다.

Claims (10)

  1. 골재 93~97 중량% 및 고분자 개질 아스팔트 조성물 3~7 중량%를 함유하는 아스콘 조성물이며,
    상기 고분자 개질 아스팔트 조성물은, 아스팔트 100 중량부 대비 스티렌-부타디엔-스티렌 블록 공중합체 3~7 중량부, 스티렌-부틸아크릴레이트-메틸아크릴레이트 공중합체 2~5 중량부, 박리방지제 0.5~1 중량부, 유리황 0.2~0.5 중량부, 유화제 0.1~0.3 중량부, 증점제 0.5~2 중량부, 무기산 0.05~0.3 중량부 및 경화제 0.1~1 중량부를 포함하되,
    상기 스티렌-부타디엔-스티렌 블록 공중합체는 스티렌 함량이 60~80 중량%이고,
    상기 스티렌-부틸아크릴레이트-메틸아크릴레이트 공중합체는 스티렌계 단량체 100 중량부 대비 부틸 아크릴레이트계 단량체 50~70 중량부 및 메틸아크릴레이트계 단량체 40~60 중량부를 포함하고,
    상기 박리방지제는 액상형으로 비중이 1.0 이상이고 60℃에서 점도가 110 cps이고, 산가는 10 ㎎KOH/g 이하인 폴리인산계 박리방지제인 것을 특징으로 하는 아스콘 조성물.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 제1항에 있어서,
    상기 유화제는 4차 암모늄염인 것을 특징으로 하는 아스콘 조성물.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 4차 암모늄은 Alkyl dimethyl benzyl ammonium chloride, Methyltriethanol-ammonium-methylsulfate dialkylester, Dimethyl alkyl amine, 제2급 고급알콜 에톡시 슬페이트 및 알긴산 에스테르 염으로 이루어진 군 중에서 1종 이상 선택되는 것을 특징으로 하는 아스콘 조성물.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 증점제는 전분, 메틸셀룰로오즈, 카르복시메틸셀룰로오즈, 카제인, 폴리아크릴산소다 및 알카리 팽윤성 에멀젼으로 이루어진 군 중에서 1종 이상이 선택되는 것을 특징으로 하는 아스콘 조성물.
  8. 제1항에 있어서, 상기 무기산은 HCl, H3BO3, B2O3, H2SO4, HSO3Cl, H3PO4 및 P2O5로 이루어진 군 중에서 1종 이상이 선택되는 것을 특징으로 하는 아스콘 조성물.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 골재는 천연골재로서, 굵은 골재 및 잔골재의 혼합물이며, 굵은 골재는 30mm 체를 95~100 중량% 통과하면서, 15mm 체를 25~60 중량% 통과하고, 5mm 체를 0~10 중량% 통과하며, 2.5mm 체를 0~5 중량% 통과하는 입도규격을 가지며, 잔골재는 2.5mm 체를 통과하면서 0.075mm 체에 잔류하는 입도규격을 갖는 것을 특징으로 하는 아스콘 조성물.
  10. 제1항, 제5항 내지 제9항 중 어느 한 항에 따른 아스콘 조성물의 제조방법에 있어서,
    (a) : 제1가열탱크에서 아스팔트를 120~150℃에서 서서히 교반하여 용융시키는 단계;
    (b) : 제2가열탱크에서 스티렌-부타디엔-스티렌 블록 공중합체, 스티렌-부틸아크릴레이트-메틸아크릴레이트 공중합체, 박리방지제, 유리황, 유화제, 증점제, 무기산 및 경화제를 투입하여 50~70℃의 온도에서 균일하게 분산시켜 개질제 조성물을 제조하는 단계;
    (c) : 제3가열탱크에서 골재를 100~120℃에서 서서히 교반시키는 단계;
    (d) : 스크류형 임펠러를 갖는 혼합탱크에, 상기 (a) 단계에서 용융시킨 아스팔트와, 상기 (b) 단계에서 제조된 개질제 조성물을 혼합하여 120~130℃에서 아스팔트 조성물을 제조하는 단계; 및,
    (e) : 상기 아스팔트 조성물이 제조된 혼합탱크의 온도를 유지하면서 상기 (c) 단계에서 가열된 골재를 혼합하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 아스콘 조성물의 제조방법.
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