KR101940621B1 - 고형 고무화 아스팔트 바인더 및 이의 제조방법, 그리고 이를 포함한 아스팔트 콘크리트 조성물 - Google Patents

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Abstract

본 발명은, 도로 포장 시공에 사용되는 아스팔트 콘크리트의 기계적 물성을 향상시키기 위해 첨가되는 고무화 아스팔트 바인더를 고형 형태로 성형하여, 보관 및 운송 등의 유통 상의 편의성을 향상시킬 뿐만 아니라, 도로 포장 현장에서 적정량의 아스팔트 바인더를 투입하여 아스팔트 콘크리트 혼합물을 제조, 사용할 수 있어 시공의 편의성이 향상된 고형 고무화 아스팔트 바인더 및 이의 제조방법, 그리고 이를 포함한 아스팔트 콘크리트 조성물로서, 아스팔트에 폐타이어 분말, 고탄성 고분자, 무기물 충진재 등을 추가하여 혼합함으로써, 아스팔트 분자와의 화학결합을 통하여 아스팔트의 물성을 향상시킴으로써, 소성변형, 저온균열성에 의한 도로 포장면의 파손을 방지하여 내구성이 우수한 아스팔트 콘크리트 조성물을 제공할 수 있다

Description

고형 고무화 아스팔트 바인더 및 이의 제조방법, 그리고 이를 포함한 아스팔트 콘크리트 조성물{A solidified asphalt rubber binder for hot mix and manufacturing method for the same, and asphalt concrete composition having the same}
본 발명은, 도로 포장 시공에 사용되는 아스팔트 콘크리트의 기계적 물성을 향상시키기 위해 첨가되는 고무화 아스팔트 바인더를 고형 형태로 성형하여, 보관 및 운송 등의 유통 상의 편의성을 향상시킬 뿐만 아니라, 도로 포장 현장에서 적정량의 아스팔트 바인더를 투입하여 아스팔트 콘크리트 혼합물을 제조, 사용할 수 있어 시공의 편의성이 향상된 고형 고무화 아스팔트 바인더 및 이의 제조방법, 그리고 이를 포함한 아스팔트 콘크리트 조성물을 제공하고자 한다.
일반적으로 아스팔트는 석유를 구성하는 성분 중에서 경질부분이 자연적으로 또는 인위적인 방법에 의해 기화된 후 잔류하는 흑색 또는 흑갈색의 반고체 상태의 교상물질을 칭하는 것으로 가열하게 되면 서서히 액상으로 변화되는 특성을 갖는다.
상기 아스팔트는 점착성이 뛰어나고 광물질 재료와의 부착성이 우수하기 때문에 결합재료나 접착재료로 이용되며 물에 용해되지 않고 불투수성이므로 방수재료로도 이용된다. 또한, 사용목적에 따라 점도를 변화시킬 수 있어 시공성 역시 우수하다. 이러한 장점들 및 특성 때문에 아스팔트는 그 활용범위가 광범위하여 도로 포장용, 댐공사 등과 같은 수리용, 방수용, 일반 공업용, 농업용 등의 다양한 용도로 사용되고 있다.
이러한 아스팔트와 굵은 골재, 잔골재 및 채움재를 혼합하여 아스팔트 콘크리트 조성물을 제조할 수 있으며, 제조된 아스팔트 콘크리트는 도로포장이나 주차장 등의 포장재료로 널리 사용되고 있다.
상기 아스팔트 콘크리트는, 주 재료로 사용되는 아스팔트가 온도 변화에 따라 그 상태가 크게 변화함으로써, 이에 의해 제조된 아스팔트 포장 또는 아스팔트 콘크리트 역시 온도의 변화에 따라 심한 이동 변화를 갖게 된다. 이러한 특성으로 인해 도로포장에 사용되는 아스팔트 포장은 여름의 고온환경에는 연성에 의해 소성변형이 발생되고, 겨울의 저온환경에서는 취성에 의한 균열이 발생될 수 있다.
또한, 아스팔트 포장의 피로균열에 영향을 미치는 요소에는 포장단면구조의 조합, 아스팔트 바인더의 물성, 골재의 물성 및 공극률, 포장의 하부구조, 교통량 등의 많은 요소가 있다.
이들 요소 중에서, 아스팔트 포장의 피로균열에 대한 저항성을 향상시키기 위하여 아스팔트 콘크리트 조성물에 포함되는 아스팔트 바인더의 물리적 화학적 물성을 향상시키기 위한 연구 개발이 활발히 진행되고 있다.
일반적으로 아스팔트 바인더의 물성을 개선시키는 방법 가운데 하나는 아스팔트에 개질제를 첨가하는 것이다. 아스팔트 개질제의 주요 목적 중 하나는 낮은 온도에서 아스팔트의 성상에 해로움을 주지 않으면서 고온에서도 영구변형에 대한 저항성을 증대시키는 것이다.
등록특허 제835,670호에서는 우수한 저온특성이 확보되면서도 고온특성에서 소성변형을 방지하는 아스팔트 개질재 및 이에 따른 아스팔트 바인더와 아스팔트 혼합물이 제시되어 있다.
그러나 이러한 종래 기술은, 외부 충격에 대한 아스팔트 콘크리트의 저항력이 약하고, 하부층의 종류 및 구조에 따라 균열이 따라오는 현상을 방지하기에는 역부족이다. 또한, 그에 따른 응력을 집중하기에는 전체적으로 아스팔트 포장 두께가 크게 증가한다. 뿐만 아니라 아스팔트바인더를 이용한 혼합물에서 완벽한 수밀성을 요구할 수 없다는 문제점 등이 존재한다.
등록특허 제835,670호(2008.06.09 등록공고)
본 발명은 고무화 아스팔트 바인더를 고형 형태로 성형하여, 보관 및 운송 등의 유통 상의 편의성을 향상시킬 뿐만 아니라, 도로 포장 현장에서 적정량의 아스팔트 바인더를 투입하여 아스팔트 콘크리트 혼합물을 제조, 사용할 수 있는 고형 고무화 아스팔트 바인더 및 이의 제조방법, 그리고 이를 포함한 아스팔트 콘크리트 조성물을 제공하고자 한다.
상술한 바와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 고형 고무화 아스팔트 바인더는, 아스팔트, 폐타이어 분말, 결합제, 고탄성 고분자 및 무기물 충진재가 포함된 혼합물이 고형 형태로 성형된 것이다.
상기 결합제는, 폴리 2-에틸-2-옥사졸린(poly 2-ethyl-2-oxazoline), 이소부틸렌-무수말레산의 공중합체, 수산화나트륨, 유기산 금속염 및 물을 포함하는 에멀젼인 것이 바람직하다.
또한, 상기 결합제 내 포함된 폴리 2-에틸-2-옥사졸린 (O) 및 이소부틸렌-무수말레산의 공중합체(Y)의 중량비율이 O/Y = 0.1 ~ 0.4일 수 있다.
바람직하게 상기 혼합물은, 아스팔트 45 ~ 91 wt%, 폐타이어 분말 4 ~ 51 wt%, 고탄성 고분자 2 ~ 11 wt%, 결합제 0.5 ~ 3 wt% 및 무기물 충진재 1 ~ 5 wt%를 포함할 수 있다.
상기 고형 고무화 아스팔트 바인더는, 석회석분, 소석회 및 유황계 화합물이 포함된 결착강화제를 더 포함하는 것이 바람직하다.
본 발명의 다른 실시 형태는 고형 고무화 아스팔트 바인더의 제조방법에 관한 것으로서, 믹서에 폐타이어 분말, 고탄성 고분자 및 무기물 충진재를 혼합하여 제1 혼합물을 제조하는 교반 단계; 상기 제1 혼합물에 용융된 아스팔트 및 결합제를 투입하여 응집되도록 회전시키면서 고형 형태로 성형시키는 성형 단계; 및 고형 형태로 성형된 혼합물을 건조시키는 건조 단계;를 포함할 수 있다.
상기 성형단계는, 제1 혼합물과 용융된 아스팔트 및 결합제를 투입하여 응집시켜 입자형태의 제2 혼합물을 제조하는 응집 단계; 및 상기 제2 혼합물을 60 내지 80 ℃의 온도를 유지하면서 회전시키되, 결착강화제와 1 ~ 4 kgf/cm2 의 스팀압력으로 스팀을 분사하여 상기 입자형태의 제2 혼합물을 성장시켜 소정의 크기 이상의 고형 형태로 성형하는 형성 단계;를 포함할 수 있다.
바람직하게는 상기 건조 단계는, 상기 고형 형태로 성형된 혼합물을 이동시키면서 건조할 수 있다.
한편, 본 발명의 또 다른 실시 형태는 앞서 언급한 고형 고무화 아스팔트 바인더; 또는 앞서 언급한 제조방법으로 제조된 고형 고무화 아스팔트 바인더;를 포함하는 아스팔트 콘크리트 조성물이다.
상기 아스팔트 콘크리트 조성물의 총 중량을 기준으로, 고형 고무화 아스팔트 바인더가 1 ~ 7 wt% 포함될 수 있다.
본 발명은, 고무화 아스팔트 바인더를 고형 형태로 성형하여, 보관 및 운송 등의 유통 상의 편의성을 향상시킬 뿐만 아스팔트 콘크리트 조성물에 아스팔트 바인더의 사용량을 저감시켜 제품 생산 에너지 사용함량 및 이산화탄소 발생량을 최소화 시킬 수 있다.
또한, 아스팔트에 폐타이어 분말, 고탄성 고분자, 무기물 충진재 등을 추가하여 혼합함으로써, 아스팔트 분자와의 화학결합을 통하여 아스팔트의 물성을 향상시킴으로써, 소성변형, 저온균열성에 의한 도로 포장면의 파손을 방지하여 내구성이 우수한 아스팔트 콘크리트 조성물을 제공할 수 있다.
이하 본 발명의 바람직한 실시 예를 통해 상세히 설명하기에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정하여 해석되어서는 아니 되며, 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야 함을 밝혀둔다.
본 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함" 한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
본 명세서 전체에 걸쳐, 특정 물질의 농도 또는 함량을 나타내기 위하여 사용되는 "%"는 별도의 언급이 없는 경우, 고체/고체는 (중량/중량)%, 고체/액체는 (중량/부피)%, 그리고 액체/액체는 (부피/부피)%이다.
이하에서는 본 발명의 고형 고무화 아스팔트 바인더 및 이의 제조방법, 그리고 이를 포함한 아스팔트 콘크리트 조성물에 관하여 보다 상세히 설명하고자 한다.
먼저, 본 발명의 고형 고무화 아스팔트 바인더는 도로 포장 시 사용되는 아스팔트 콘크리트 조성물에 포함되어, 아스팔트 특유의 점착성으로 인해 골재와 골재 사이로 바인더 역할을 함과 동시에, 아스팔트 콘크리트의 물리적 특성을 향상시킴으로써, 고온에서 화학적 안정성이 우수하고 변형에 대한 저항성과 상온에서 탄성을 유지함으로써 균열에 대한 높은 저항성을 나타내어 내구성이 뛰어난 아스팔트 콘크리트를 제공할 수 있다.
또한, 본 발명의 고형 고무화 아스팔트 바인더의 경우 고형 형태로 성형된 고체 형태로, 아스팔트 콘크리트 조성물 내 혼입 시 사용의 편의성이 증가할 뿐만 아니라 기존의 액상 또는 겔 형태의 개질 아스팔트 조성물에 비하여 저장 중 물질의 상분리 등 물성의 변화가 작아 보관 및 유통이 용이하며, 아스팔트 콘크리트 조성물 내 투입 시 적정량을 투입할 수 있어 원하는 물성을 갖는 아스팔트 콘크리트 조성물을 제조할 수 있다.
상기 고형 고무화 아스팔트 바인더는 아스팔트, 폐타이어 분말, 결합제 및 무기물 충진재가 포함된 혼합물이 고형 형태로 성형된 것으로, 바람직하게는 상기 혼합물은, 아스팔트 45 ~ 91 wt%, 폐타이어 분말 4 ~ 51 wt%, 고탄성 고분자 2 ~ 11 wt%, 결합제 0.5 ~ 3 wt% 및 무기물 충진재 1 ~ 5 wt%를 포함할 수 있다.
상기 혼합물 내 포함된 각각의 성분에 대해 살펴보면, 상기 아스팔트는 일반적으로 상온에서는 고체 또는 반고체 상태로 존재하나, 가열 시 용융 액상화되는 성질을 가지고 있다. 석유계 아스팔트의 경우 정유공정의 다양한 종류의 직류(straight run)아스팔트가 그대로 사용되거나 또는 상기 직류 아스팔트를 파라핀 증류액(distillate), 방향족 화합물, 나프텐계 유분 또는 이들의 혼합물로 희석시킨 희석 아스팔트가 사용될 수 있다. 아스팔트는 널리 단단한 정도를 기준으로 하여 여러 등급으로 구분되며 이와 관련하여 침입도(penetration), 점도 및 공용성 등급으로 나누어질 수 있다.
본 발명의 고형 고무화 아스팔트 바인더에 사용되는 아스팔트는 통상적으로 아스팔트 콘크리트 조성물 내 사용되는 아스팔트이면 특별히 한정되지 않고 사용가능하며 일 예로 일반적으로 널리 이용되는 공지의 일반　아스팔트인 공용성 등급인 PG 58-22 또는 PG64-22를 사용할 수 있다.
상기 아스팔트의 함량은, 상기 혼합물 내 45 ~ 91 wt% 포함되는 것이 바람직하며 아스팔트의 함량이 45 wt% 미만일 경우 아스팔트 콘크리트의 박리 가능성이 높아지고, 내구성이 저하될 수 있으며, 91 wt%를 초과하게 될 경우 아스팔트 함량이 너무 높아 물성 개질 효과가 저하될 수 있다.
상기 폐타이어 분말은 아스팔트에 탄성력을 보강하여 아스팔트 콘크리트의 주변 기온이 낮아지거나 높아짐에 따라 수축 또는 점도 저하로 인한 균열 또는 유동변형을 방지할 수 있다.
일반적으로 폐타이어 분말은 폐기된 폐타이어를 분쇄하여 제조할 수 있으며, 부타디엔 성분이 포함되어 있어 아스팔트와 혼화 시 아스팔트의 물성에 탄성 및 내유동성을 향상시키며, 카본블랙 성분이 포함되어 있어 아스팔트 콘크리트의 기계적 물성을 향상시킬 수 있으며, 산화안정제 성분이 포함되어 있어 아스팔트 콘크리트가 고온에서 장기간 노출되었을 때 변성을 억제하여 색상의 변화나 노화를 방지할 수 있다.
이러한 폐타이어 분말은 일반적으로 아스팔트 특유의 물성을 개질하기 위하여 널리 사용되는 물질 중 하나로서, 특별히 한정되지 않고 아스팔트 고유의 물성을 해치지 않는 범위 내에서 폐기된 타이어를 적절한 입도로 분쇄한 것을 사용할 수 있으나, 바람직하게는 상기 폐타이어가 0.3 ~ 2 mm의 범위의 입도로 분쇄된 것을 사용할 수 있다.
상기 폐타이어의 입도가 0.3 mm 미만일 경우 아스팔트와 가열혼화 시 폐타이어가 용융되어 아스팔트 물성 개질 효과가 미미하여 원하는 효과를 얻을 수 없으며, 입도가 2 mm를 초과하게 될 경우 아스팔트와의 용해도 차이로 인하여 혼화성이 저하되고, 이로 인하여 성형과정에서 고형 형태로 성형되지 않거나 쉽게 파손되어 일정 크기 이상의 고형 형태로 성형되기 어려운 문제가 있다.
상기 폐타이어 분말은 혼합물의 총 중량의 4 ~ 51 wt% 포함될 수 있으며, 폐 타이어 분말의 함량이 앞서 제시한 범위를 벗어나게 되는 경우 함량 미달로 인하여 원하는 아스팔트 물성 개질 효과를 기대할 수 없거나 함량 초과로 인하여 아스팔트와의 혼화성이 저하되어 아스팔트 콘크리트 내 포함된 골재와 골재 사이를 충분히 결착시키기 못하여 내구성이 저하될 수 있다.
상기 고탄성 고분자는 아스팔트의 탄성력을 보강해주는 고분자 물질로서, 아스팔트 콘크리트의 탄성을 향상시키고, 균열에 대한 저항성을 증가시킬 뿐만 아니라 폐타이어 분말과의 혼합성을 증가시키는 역할을 하는 것으로써, 스티렌-부타디엔-스티렌(SBS) 블록 코폴리머, 스티렌-이소프렌(SIS)고무, 스티렌-부타디엔(SB)고무, 스티렌-에틸렌-부타디엔-스티렌(SEBS)고무 클로로프렌 고무, 부틸 고무, SBR 라텍스, 폐 고무분말, 천연고무분말 및 에틸렌-프로필렌(EPDM)고무분말로 이루어진 군 중에서 적어도 하나 이상 선택되는 것을 사용할 수 있다.
상기 고탄성 고분자는 상기 혼합물 내 2 ~ 11 wt% 포함될 수 있으며, 상기 고탄성 고분자의 함량이 2 wt% 미만으로 포함 시 아스팔트 바인더를 충분히 개질하지 못함으로써 아스팔트 콘크리트의 물성에 미치는 영향이 미미하여 아스팔트 콘크리트의 탄성 및 내구성, 내유동성을 충분히 발휘하지 못할 수 있고, 11 wt% 초과하여 포함하게 되면 본 발명의 고형 아스팔트 바인더를 용융 시 용융된 아스팔트 바인더의 점도를 증가되어 아스팔트 콘크리트의 시공성이 저하되어, 시공된 아스팔트 콘크리트의 탄성이 증가되는 효과가 미미해져 내구성이 떨어지는 문제가 발생할 수 있다.
상기 무기물 충진재는 아스팔트의 점도를 조절하고 상기 혼합물을 고형 형태로 원활하게 성형하기 위한 것으로, 통상적으로 아스팔트 콘크리트 내 채움재로 사용하는 것이면 사용 가능하며, 일 예로 석분(석회 석분), 포틀랜드시멘트, 소석회, 플라이애쉬, 회수 더스트, 전기로 제강 더스트 또는 광물성 물질을 분쇄하여 분말화한 것을 단독으로 또는 혼합하여 사용할 수 있다.
상기 무기물 충진재는 상기 혼합물 내 1 ~ 5 wt% 함량으로 포함될 수 있으며, 무기물 충진재의 함량이 1 wt% 미만이거나 5 wt%를 초과하게되면 혼합물의 점도가 묽거나 되직해져 상기 혼합물을 고형 형태로 성형하기 어려울 뿐만 아니라, 아스팔트 콘크리트의 유동성을 저하시킬 뿐만 아니라 비중이 높아지는 문제가 발생할 수 있다.
본 발명의 고형 고무화 아스팔트 바인더 내 포함되는 상기 결합제는 160 ~ 210 ℃ 온도에서도 양호한 접착성을 가질 수 있을 뿐만 아니라 내열 접착성이 우수하여, 상기 아스팔트의 점착성 및 접착성을 보강할 수 있을 뿐만 아니라 고형 형태로 성형된 고무화 아스팔트 바인더가 형태가 보관 및 유통과정에서 외부 충격에 의해 쉽게 파손되거나 부서지는 것을 방지할 수 있다.
이러한 효과를 갖는 결합제는, 폴리 2-에틸-2-옥사졸린(poly 2-ethyl-2-oxazoline), 이소부틸렌-무수말레산의 공중합체, 수산화나트륨, 유기산 금속염 및 물이 포함된 에멀젼일 수 있다.
이때, 상기 결합제 내 포함되는 폴리 2-에틸-2-옥사졸린(O), 이소부틸렌-무수말레산의 공중합체(Y) 및 물(W)의 중량 혼합 비율은 하기 식(1) 및 식(2)을 만족하는 것을 사용할 수 있으며, 바람직하게는 하기 식(3) 및 식(4)를 만족하여 혼합될 수 있다.
O/Y = 0.1 ~ 0.4 (식 1)
(O+Y)/W = 1.0 ~ 1.7 (식 2)
O/Y = 0.15 ~ 0.25 (식 3)
(O+Y)/W = 1.15 ~ 1.35 (식 4)
상기 폴리 2-에틸-2-옥사졸린(O) / 이소부틸렌-무수말레산의 공중합체(Y)의 값이 0.1 미만일 경우 결합제의 점착력이 충분하지 못하여 얻고자 하는 효과를 기대할 수 없으며, 0.4 를 초과하게 되면 용매인 물에 용해되지 못하는 문제가 발생될 수 있다.
또한, 상기 (폴리 2-에틸-2-옥사졸린(O) + 이소부틸렌-무수말레산의 공중합체(Y)) / 물(W)) 의 값이 1.0 미만일 경우 보관 및 유통과정에서 겔화 반응이 일어날 수 있으며, 1.7을 초과하게 되면 상분리 현상이 발생될 수 있어 상기 결합제의 에멀젼 상태를 유지하기 위해서는 상기 식 (2)를 만족하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 결합제 내 포함된 수산화나트륨은 상기 이소부틸렌-무수말레산의 공중합체의 100 중량부를 기준으로 수산화나트륨 20 ~ 60 중량부를 포함할 수 있으며, 이 때 수산화나트륨의 함량이 앞서 제시한 수치범위를 벗어나게 되는 경우 점착력이 저하되거나 물에 용해되지 않는 문제가 발생될 수 있다.
상기 유기산 금속염은, 폴리 2-에틸-2-옥사졸린, 이소부틸렌-무수말레산의 공중합체, 수산화나트륨 및 물이 혼합된 고분자혼합물 100 중량부에 대하여 1 ~ 10 중량부를 포함하는 것이 바람직하다. 이는 상기 유기산 금속염의 함량이 앞서 제시한 수치범위를 벗어나게 되는 경우 상기 고형 고무화 아스팔트 바인더 내 포함된 폐타이어 분말, 고탄성 고분자 및 무기물 충진재 간의 결착력이 저하되어 소정의 크기를 갖는 고형 형태로 성형하기 어려울 수 있다.
상기 폴리 2-에틸-2-옥사졸린 또는 이소부틸렌-무수말레산의 공중합체는 상기 결합제가 아스팔트와 혼합되어 적절한 점도를 가지기 위하여 중량 평균 분자량이 50,000 ~ 200,000 인 것을 사용하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 유기산 금속염은 유기산에 금속이온이 결합된 화합물이면 사용가능하나, 바람직하게는 유기산과 전이 금속 이온이 결합된 아세트산 니켈염, 아세트산 구리염, 나프텐산 코발트염, 나프텐산 구리염 또는 타타르산 구리염 등을 사용할 수 있다.
한편, 본 발명의 고형 고무화 아스팔트 바인더는 상온에서의 성형성을 높이고, 아스팔트 고유의 점착성으로 인하여 유통 및 보관 중 고형 고무화 아스팔트 바인더끼리 서로 달라붙는 것을 방지할 뿐만 아니라, 아스팔트 콘크리트의 강도를 향상시키기 위하여 석회석분, 소석회 및 유황계 화합물이 포함된 결착강화제를 더 포함할 수 있다.
한편, 본 발명의 다른 실시 형태는 고형 고무화 아스팔트 바인더의 제조방법에 관한 것으로서, 믹서에 폐타이어 분말, 고탄성 고분자 및 무기물 충진재를 혼합하여 제1 혼합물을 제조하는 교반 단계; 상기 제1 혼합물에 용융된 아스팔트 및 결합제를 투입하여 응집되도록 회전시키면서 고형 형태로 성형시키는 성형 단계; 및 고형 형태로 성형된 혼합물을 건조시키는 건조 단계;를 통해 제조할 수 있다.
상기 고형 고무화 아스팔트 바인더를 제조하기 위해 사용되는 원료, 즉 폐타이어 분말, 고탄성 고분자, 무기물 충진재, 아스팔트, 결합제, 결착강화제에 관한 구체적인 설명은 앞서 언급하였으므로 여기서는 생략하기로 한다.
먼저, 믹서에 폐타이어 분말, 고탄성 고분자 및 무기물 충진재를 혼합하여 제1 혼합물을 제조하는 제1 교반단계는, 용융된 아스팔트 또는 결합제를 통해 응집시키기 전에 균일하게 혼합하기 위하여 상기 폐타이어 분말, 고탄성 고분자 및 무기물 충진재가 균일하게 혼합되도록 충분한 시간 동안 혼합하여 제1 혼합물을 제조할 수 있다.
상기 제1 혼합물에 용융된 아스팔트 및 결합제를 투입하여 응집되도록 회전시키면서 고형 형태로 성형시키는 성형 단계는, 제1 혼합물과 용융된 아스팔트 및 결합제를 투입하여 응집시켜 입자형태의 제2 혼합물을 제조하는 응집 단계; 상기 제2 혼합물을 60 내지 80 ℃의 온도를 유지하면서 회전시키되, 결착강화제와 1 ~ 4 kgf/cm2 의 스팀압력으로 스팀을 분사하여 상기 입자형태의 제2 혼합물을 성장시켜 소정의 크기 이상의 고형 형태로 성형하는 형성 단계;를 통해 수행될 수 있다.
구체적으로, 상기 응집 단계는, 회전체에 제1 혼합물은 회전시키면서 용융된 아스팔트 및 결합제를 투입하여 응집을 시작하는 단계로서, 회전체 내부에 상기 제1 혼합물을 회전시키면서 일정한 속도로 용융된 아스팔트와 결합제를 투입함으로써, 응집 반응을 통해 입자를 형성시킬 수 있다.
구체적으로 상기 제1 혼합물이 회전체 내부에서 회전하면서, 투입되는 용융된 아스팔트와 결합제를 통해 응집이 시작되면서 분말형태의 제1 혼합물이 성장하여, 입자 형태의 제2 혼합물이 형성될 수 있다.
상기 입자 형태의 제2 혼합물은 회전체 내부에서 60 내지 80 ℃의 온도를 유지하면서 회전시키되, 결착강화제와 1 ~ 4 kgf/cm2 의 스팀압력으로 스팀을 분사하여 상기 입자형태의 제2 혼합물을 더욱 성장시켜 소정의 크기 이상의 고형 형태로 성형하는 형성 단계;를 통해 고형 형태로 혼합물을 성형할 수 있다.
이 때, 상기 고형 형태로 성형된 혼합물은 회전체 내부에서 더 회전할 수 있도록 하여 구름마찰을 통해 고밀도의 단단한 고형 형태의 혼합물을 수득할 수 있다.
상기 입자 형태로 성장된 제2 혼합물은 회전에 의한 원심력이 마찰저항 및 중력의 저항을 이겨내어 회전체 외부로 배출되고, 상대적으로 작은 입자 제2 혼합물과 제1 혼합물, 분말형태의 재료는 상부로 이동되어, 기준 크기 이상의 고형 형태의 혼합물을 수득할 수 있다.
이와 같이 고형 형태로 성형된 혼합물을 건조 단계를 통해 본 발명의 고형 고무화 아스팔트 바인더를 제조할 수 있다.
구체적으로 상기 건조 단계는, 고형 형태로 성형된 혼합물을 타공홀이 포함된 회전스크린을 통과하면서 이동시켜 상기 혼합물을 소성할 수 있다. 이때, 상기 타공홀을 통해 미분을 제거할 수 있다. 바람직하게는 상기 건조 단계는, 고형 형태의 혼합물에 열을 가하여 내부의 수분을 제거함과 동시에 소성할 수 있다.
일 예로, 상기 건조 단계는 타공홀이 형성된 원통형 로타리 드라이어 내부에 상기 고형 형태의 혼합물과 상기 성형단계에서 발생되거나, 상기 고형 형태의 혼합물에서 탈리된 미분이 혼합된 것을 투입한 후, 70 ~ 120 ℃로 가열하여 표면의 수분을 제거할 수 있다. 표면의 수분이 제거된 고형 형태의 혼합물을 회전 스크린을 통해 미분을 제거한 다음, 450 ~ 600 ℃의 열풍을 가하여 내부의 수분을 제거하여 건조시킬 수 있다. 이 때, 상기 고형 형태의 혼합물을 건조 시, 앞서 언급한 바람직한 온도 범위를 벗어나게 되는 경우 고형 형태가 부서지거나 갈라질 수 있다.
한편, 본 발명의 다른 실시 형태는, 앞서 언급한 고형 고무화 아스팔트 바인더 및 앞서 기재된 제조방법으로 제조된 고형 고무화 아스팔트 바인더를 포함하여 제조된 아스팔트 콘크리트 조성물이다.
바람직하게는 아스팔트 콘크리트 조성물의 총 중량을 기준으로, 고형 고무화 아스팔트 바인더가 1 ~ 7 wt% 포함됨으로써, 아스팔트 분자와의 화학결합을 통하여 아스팔트의 물성을 향상시킬 수 있으며, 이로 인해 소성변형, 저온균열성에 의한 도로 포장면의 파손을 방지하여 내구성이 우수한 아스팔트 콘크리트 조성물을 제공할 수 있다.
이하에서는, 본 발명의 실시 예를 살펴본다. 그러나 본 발명의 범주가 이하의 바람직한 실시 예에 한정되는 것은 아니며, 당업자라면 본 발명의 권리범위 내에서 본 명세서에 기재된 내용의 여러 가지 변형된 형태를 실시할 수 있다.
[제조예 1]
고무화 아스팔트 바인더 제조
패들믹서(Paddle Mixer)에 하기 표 1과 같은 비율로 폐타이어 분말, 고탄성 고분자 및 무기물 충진재를 넣고, 균일하게 혼합하여 제1 혼합물을 제조하였다.
이때, 폐타이어분말은 평균 1.2 mm 입도로 분쇄된 것을 사용하였고, 고탄성 고분자로는 스티렌-부타디엔-스티렌(SBS)고무, 무기물 충진재로는 석회석분을 사용하였다.
제조된 제1 혼합물에 하기 표 1과 같은 비율로 용융된 아스팔트 및 결합제를 투입한 다음, 72±2 ℃의 온도에서 결착강화제와 3 kgf/cm2 의 스팀압력으로 스팀을 분사하여 고형 형태로 성형된 혼합물을 제조하였으며, 전체 혼합물 100 중량부를 기준으로 약 1~2 중량부, 더욱 바람직하게는 1.5 중량부의 결착강화제가 포함되도록 하였다.
제조된 고형 형태의 혼합물은 로터리 드라이어를 사용하여 500±10 ℃로 3초 동안 건조하여 아스팔트 바인더를 제조하였다.
상기 아스팔트는, (주)SK 이노베이션에서 구입한 AP-5 아스팔트(연화점 46.6℃, 점도 422cP @135℃)를 사용하였다.
상기 결합제는 폴리 2-에틸-2-옥사졸린 100 g, 이소부틸렌-무수말레산의 공중합체 100 g, 수산화나트륨 50 g 을 물 160 ml에 용해시켜 제조된 고분자 혼합물 100 g에 5 g의 아세트산니켈염(유기산 금속염)을 용해시켜 제조하였다.
상기 결착강화제는, 석회석분, 소석회 및 유황분말을 1:1:1 중량비율로 혼합하여 준비하였다.
비교예1 비교예2 실시예1 실시예2 실시예3 비교예3
아스팔트 64 63.6 63.4 62 61.2 60.9
폐타이어 분말 25 25 25 25 25 25
결합제 0 0.4 0.6 2 2.8 3.1
고탄성 고분자 7 7 7 7 7 7
무기물 충진재 4 4 4 4 4 4
합계 100 100 100 100 100 100
(단위 : kg)
[실험예 1]
아스팔트 바인더의 저장기간에 따른 외형 비교 및 압축강도 측정
상기 제조예 1을 통해 제조된 아스팔트 바인더 1 kg 을 각각 체에 밭쳐 놓고, 아스팔트 바인더의 제조 직후, 24시간 경과, 7일 경과 후 각각 아스팔트 바인더의 외형을 관찰하였다.
결과는, 제조된 고형 형태 그대로 유지되고, 표면이 건조한 상태이면 '◎', 고형 형태는 유지되고 있으나, 표면에 액상물질이 배어나온 상태이면'○', 고형 형태가 망가지고, 아스팔트 바인더가 서로 결착되어 있으면 '△', 고형 형태가 망가지고, 체 아래로 액상물질이 떨어져 있으면 'X'로 표기하였다.
제조된 아스팔트 바인더가 외부충격에 고형 형태를 유지할 수 있는 것을 확인하기 위해 압축강도계를 이용하여 각각 10회씩 압축강도를 측정한 다음, 평균 압축강도를 계산하였다.
상기 비교예 4는 제조예 1의 실시예 2와 동일한 제조방법으로 제조되되, 결착강화제를 사용하지 않고, 제조된 아스팔트 바인더이다.
비교예1 비교예2 실시예1 실시예2 실시예3 비교예3 비교예4
제조 후 바스라져고형태유지못함(실험불가) ◎ ◎ ◎ ◎ ◎ ◎
24 시간 경과 바스라져고형태유지못함(실험불가) ◎ ◎ ◎ ◎ ○ △
7 일 경과 바스라져고형태유지못함(실험불가) ◎ ◎ ◎ ◎ △ X
평균압축강도 (kgf) - 1.78 3.91 4.20 4.79 4.83 4.61
상기 표 2의 결과를 살펴보면, 외형 비교에서 결합제의 함량이 미미한 비교예 1은 그 형태가 쉽게 바스러져 실험을 진행할 수 없었다. 반면에 결합제의 함량이 과량으로 포함된 비교예 3은 체에 밭쳐 놓은 후 24시간이 경과될 때 표면에 액상 물질이 배어나와 있는 것을 확인할 수 있었으며, 7일 후에는 아스팔트 바인더 끼리 서로 결착되어 있는 것을 확인할 수 있었다.
반면에 결합제의 함량은 바람직하나, 결착강화제가 포함되지 않은 비교예 4의 경우에는 24시간 경과 후 아스팔트 바인더가 서로 결합되어 있었으며, 7일 후에는 아스팔트 바인더에서 액상물질이 방출되어 체 아래로 액상물질이 적하되어 있는 것을 확인할 수 있었다.
한편, 압축강도 측정 평가에서 결합제가 포함되지 않은 비교예 1의 아스팔트 바인더는 쉽게 바스라져 고형 형태가 제대로 유지되지 않음을 확인할 수 있었다. 또한, 결합제의 함량이 미미한 비교예 2의 경우에는 평균압축강도가 1.78 kgf로 약해 저장 및 유통과정에서 쪼개지는 문제가 발생될 수 있다. 반면에, 결합제의 함량이 전체 아스팔트 바인더 중량의 0.5 wt% 이상 포함된 실시예 1 내지 3 및 비교예 3, 4 의 경우 압축강도가 3.9 kgf 이상으로 우수함을 확인할 수 있었다.
[제조예 2]
아스팔트 콘크리트 조성물 제조
아스팔트, 골재, 채움재 및 상기 제조예 1에서 제조된 실시예 2의 아스팔트 바인더를 다음의 표 3의 비율로 혼합기에 넣고, 균질하게 혼합하여 아스팔트 콘크리트 조성물을 제조하였다.
이때 아스팔트 콘크리트 조성물 내에 포함되는 아스팔트의 전체 함량이 wt%로 일정하게 유지될 수 있도록, 아스팔트 바인더와 아스팔트의 혼합비를 조절하였다.
골재는 입도 분포가 20mm체에서 100 wt%, 13mm 체에서 90~100 wt%, 10mm 체에서 73~90wt%, 5mm 체에서 40~60wt%, 2.5mm 체에서 25~40wt%, 0.6mm 체에서 11~22 wt%, 0.3mm 체에서 7~16wt%, 0.15mm 체에서 4~12wt%, 0.08mm 체에서 3~9wt%를 통과하는 것을 사용하였다.
채움재는 석회석분으로 600 ㎛체에서 100 wt%, 300 ㎛체에서 95 wt%이상, 150 ㎛체에서 90 wt%이상, 75 ㎛체에서 70 wt%를 통과하는 것으로, KS F 2303에 따른 소성지수가 6 이하이고, KS F 2380에 따른 박리저항성이 1/4 이하이고, KS L 5111에 따른 흐름 시험이 50 % 이하이고, KS F 2337에 의한 침수팽창이 3 % 인 것을 사용하였다.
아스팔트는 앞서 제조예 1과 동일하게 (주)SK 이노베이션에서 구입한 AP-5 아스팔트(연화점 46.6℃, 점도 422cP @135℃)를 사용하였다.
비교예 5 실시예 4 비교예 6
아스팔트 5.7 4.6 3.3
골재 90.5 89.2 86.5
채움재 3 3 3
아스팔트 바인더
(실시예 2)		 0.8 3.2 7.2
(단위 : wt%)
[실험예 2]
아스팔트 콘크리트의 물성평가
상기 제조예 2에서 제조된 아스팔트 콘크리트 조성물을 KS F 2383:2013의 시험법에 의하여 간접 인장강도를 측정하였다.
시험편은 KS F 2337 방법에 따라 제조하였으며, 상기 시험편을 온도 조절 장치에 넣고, 정해진 온도에서 6시간 동안 보관한 후, 재하 헤드의 하부 스트립 위에 상기 시험편을 놓고, 상기 시험편 상부에 상부 스트립을 놓고, 금속 막대는 시료의 지름을 지나는 수직면에 중심을 맞추어 거치시켰다.
하중은 50 mm/min의 속도로 재하하면서 최대 하중에 도달되어 하중이 감소될 때까지 측정하였다.
상기 측정된 최대 하중값을 이용하여 간접인장강도를 구하였다.
간접인장강도(MPa,kgf/cm2) SΓ = (2P)/(πDh)
P : 시험편의 파괴 하중(Kgf)
D : 시험편의 지름(cm)
h : 시험편의 높이(cm)
동적안정도는 KS F 2374:2010의 시험법에 따라 300mm*300mm*50mm=45cm3 의 크기로 시험편을 제조한 다음, 직경이 46 cm인 롤러 콤팩터를 사용하여 17 ∼ 23cm/sec의 다짐속도로 다진 후, 편편한 바닥에 놓고 실온에서 12시간 동안 방치하였다.
5시간 동안 시험편을 항온실에 넣어 시험편의 온도가 60 ℃를 유지하도록 한 후 시험 차륜의 하중은 686 N, 시험차륜의 폭은 5cm, 직경은 20cm인 것을 사용하여 직진으로 왕복 주행시켰다. 이때, 차륜통과회수는 42회/분, 차륜주행거리는 23cm/회, 트랙킹시간은 60분 이였다.
최초에 시험편의 중심부를 통과할 때, 다이얼 게이지의 눈금을 원점으로 하여 45분, 60분이 경과한 때의 침하 깊이를 측정 기록하고, 시험편의 표면으로부터 1mm 변형하는데 소요되는 시험 차륜의 통과 횟수를 측정한 뒤 하기 식을 대입하여 동적 안정도를 측정하였다.
DS(동적안정도(회/mm)) = 42 * {(t2-t1)/(d2-d1)} * C
d1 : t1(45분) 에서의 변형량(mm)
d2 : t2(60분) 에서의 변형량(mm)
C : 보정 계수 = 1.0 (크랭크에 의한 변속 구동형 시험기 사용시)
마모량시험은 아스팔트 혼합물의 한냉조건에서의 체인에 의한 마모저항성을 측정하기 위한 시험으로 시험용 시편이 설치된 테이블을 5 rpm의 속도록 회전시키고 1회 시험시 총 12본의 체인을 부착한 지름 250 mm, 폭 100 mm인 바퀴가 200 rpm으로 회전하면서 강하하여 시험편에 닿고 그 표면을 체인으로 박리마모시켜 마모량을 측정하였다. 또한 마샬안정도시험도 병행하여 진행하였다.
또한, 수분 안정성(TSR)은 수처리 전 간접인장강도와 60도에서 48시간 동안 물에 침지한 후 측정된 간접인장강도의 비를 의미하며, 1.0에 가까울 수록 수분 안정성이 높음을 의미한다.
비교예 5 실시예 4 비교예 6
간접인장강도
(kgf/cm2)		 9.4 13.5 11.5
동적안정도
(회/mm)		 1,862 4,357 3,857
안정도
(kgf)		 799 1,410 1,251
마모량
(cm2)		 0.59 0.43 0.85
수분안정성
(TSR)		 0.73 0.91 0.88
상기 표 4의 결과를 살펴보면, 바람직한 아스팔트 바인더의 함량이 포함된 실시예 4의 경우 비교예 5 및 6에 비하여 모든 평가 항목에서 우수함을 확인할 수 있었다. 특히, 아스팔트 바인더의 함량이 낮은 비교예 5에 비하여 실시예 4 및 비교예 6의 안정도가 향상됨을 확인할 수 있었다.
반면, 아스팔트 바인더의 함량이 높은 비교예 6의 경우에는 동적 안정도가 비교적 우수하나, 마모량과 수분안정성이 실시예 4에 비하여 현저히 낮음을 확인할 수 있었다.

Claims (9)

  1. 고무화 아스팔트 바인더에 있어서,
    아스팔트, 폐타이어 분말, 결합제, 고탄성 고분자 및 무기물 충진재가 포함된 혼합물이 고형 형태로 성형되고,
    상기 결합제는, 폴리 2-에틸-2-옥사졸린(poly 2-ethyl-2-oxazoline), 이소부틸렌-무수말레산의 공중합체, 수산화나트륨, 유기산 금속염 및 물을 포함하는 에멀젼인 것을 특징으로 하는, 고형 고무화 아스팔트 바인더.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 결합제 내 포함된 폴리 2-에틸-2-옥사졸린 (O) 및 이소부틸렌-무수말레산의 공중합체(Y)의 중량비율이, O/Y = 0.1 ~ 0.4 인 것을 특징으로 하는, 고형 고무화 아스팔트 바인더.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 혼합물은, 아스팔트 45 ~ 91 wt%, 폐타이어 분말 4 ~ 51 wt%, 고탄성 고분자 2 ~ 11 wt%, 결합제 0.5 ~ 3 wt% 및 무기물 충진재 1 ~ 5 wt%를 포함하는 것을 특징으로 하는, 고형 고무화 아스팔트 바인더.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 고형 고무화 아스팔트 바인더는,
    석회석분, 소석회 및 유황계 화합물이 포함된 결착강화제를 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 고형 고무화 아스팔트 바인더.
  5. 믹서에 폐타이어 분말, 고탄성 고분자 및 무기물 충진재를 혼합하여 제1 혼합물을 제조하는 교반 단계;
    상기 제1 혼합물에 용융된 아스팔트 및 결합제를 투입하여 응집되도록 회전시키면서 고형 형태로 성형시키는 성형 단계; 및
    고형 형태로 성형된 혼합물을 건조시키는 건조 단계;를 포함하고,
    상기 결합제는, 폴리 2-에틸-2-옥사졸린(poly 2-ethyl-2-oxazoline), 이소부틸렌-무수말레산의 공중합체, 수산화나트륨, 유기산 금속염 및 물을 포함하는 에멀젼인 것을 특징으로 하는, 고형 고무화 아스팔트 바인더의 제조방법.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 성형단계는,
    제1 혼합물과 용융된 아스팔트 및 결합제를 투입하여 응집시켜 입자형태의 제2 혼합물을 제조하는 응집 단계; 및
    상기 제2 혼합물을 60 내지 80 ℃의 온도를 유지하면서 회전시키되, 결착강화제와 1 ~ 4 kgf/cm2 의 스팀압력으로 스팀을 분사하여 상기 입자형태의 제2 혼합물을 성장시켜 소정의 크기 이상의 고형 형태로 성형하는 형성 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는, 고형 고무화 아스팔트 바인더의 제조방법.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 건조 단계는, 상기 고형 형태로 성형된 혼합물을 이동시키면서 건조하는 것을 특징으로 하는, 고형 고무화 아스팔트 바인더의 제조방법.
  8. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항의 고형 고무화 아스팔트 바인더; 또는
    제5항 내지 제7항 중 어느 한 항의 제조방법으로 제조된 고형 고무화 아스팔트 바인더;를 포함하는 아스팔트 콘크리트 조성물.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 아스팔트 콘크리트 조성물의 총 중량을 기준으로, 고형 고무화 아스팔트 바인더가 1 ~ 7 wt% 포함된 것을 특징으로 하는, 아스팔트 콘크리트 조성물.
KR1020180029117A 2018-03-13 2018-03-13 고형 고무화 아스팔트 바인더 및 이의 제조방법, 그리고 이를 포함한 아스팔트 콘크리트 조성물 KR101940621B1 (ko)

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