KR101952894B1 - 정제 서냉 슬래그를 이용한 아스팔트 혼합물의 박리방지제, 그 제조방법, 이를 포함하는 아스팔트 혼합물 및 그 제조방법 - Google Patents

정제 서냉 슬래그를 이용한 아스팔트 혼합물의 박리방지제, 그 제조방법, 이를 포함하는 아스팔트 혼합물 및 그 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 기술은 제철 제강 공정에서 발생되는 슬래그를 특정 방법으로 가공하여 얻어진 정제 서냉 슬래그를 이용함으로써 아스팔트 혼합물의 수분 저항성 향상, 아스팔트 노화 및 소성 변형 저감 및 균열 저항성 향상의 효과를 얻을 수 있으며, 동시에 부산물의 재활용에 의해 경제성 및 공정 효율을 높일 수 있는 아스팔트 혼합물용 박리방지제, 그 제조방법, 이를 포함하는 아스팔트 혼합물 및 그 제조방법에 관한 것으로, 상기 정제 서냉 슬래그는 CaO 55~65 질량%, SiO2 5~10 질량%, Al2O3 1~5 질량% 및 MgO 1~5 질량%를 포함할 수 있다.

Description

정제 서냉 슬래그를 이용한 아스팔트 혼합물의 박리방지제, 그 제조방법, 이를 포함하는 아스팔트 혼합물 및 그 제조방법{ANTI-STRIPPING AGENET FOR ASPHALT MIXTURE USING PURIFIED SLOWLY COOLED SLAG, METHOD FOR MANUFACTURING THE SAME, ASPHALT MIXTURE INCLUDING THE SAME AND METHOD FOR MANUFACTURING THE SAME}
본 발명은 아스팔트 혼합물의 박리방지제에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 제철 제강 공정에서 발생되는 슬래그를 특정 방법으로 가공하여 얻어진 정제 서냉 슬래그를 이용함으로써 아스팔트 혼합물의 수분 저항성 향상, 아스팔트 노화 및 소성 변형 저감 및 균열 저항성 향상의 효과를 얻을 수 있으며, 동시에 부산물의 재활용에 의해 경제성 및 공정 효율을 높일 수 있는 아스팔트 혼합물용 박리방지제, 그 제조방법, 이를 포함하는 아스팔트 혼합물 및 그 제조방법에 관한 것이다.
우리나라의 아스팔트 포장에 있어서, 1990년대 이후 물동량의 급증, 차량 하중의 중량화 및 대형화, 이상 고온과 집중 호우 등 대기 환경의 변화 등으로 소성 변형, 균열, 포트홀 등 다양한 형태의 도로 파손이 급격이 증가하고 있다. 이에 따라 교통 사고 유발은 물론 유지보수로 인한 막대한 비용을 초래하고 있으며, 부적절한 포장 재료의 사용과 품질 관리 체계 미비 등은 도로의 조기 파손을 더욱 가속화시켜 도로 수명을 현저히 저하시키고 있다.
이러한 실정을 감안하여 국토교통부에서는 국내 아스팔트 포장에서 포트홀과 같은 수분에 의한 아스팔트 도로포장의 파손을 저감하기 위해 아스팔트 혼합물의 수분 저항성 향상을 위한 품질기준을 규정하였다. 국토교통부 아스팔트 콘크리트 포장 시공 지침에 의하면, 아스팔트 혼합물에서 수분 저항성 평가를 위해 간접인장강도 비 기준과 동적수침시험 기준을 추가하였으며, 만약 간접인장강도비 및 동적수침 시험 결과가 기준에 만족하지 않을 시, 소석회 혹은 액상형 박리방지제를 사용하도록 규정하였다. 이에 아스팔트 포장 업계에서는 소석회를 아스팔트 혼합물 중량대비 1~1.5%를 사용하여 일반 가열 아스팔트 콘크리트 혼합물의 수분 저항성 향상을 도모하고 있으며, 일부 액상형 박리방지제를 개발 및 수입하여 적용하고 있다. 소석회는 골재 표면에 칼슘 이온을 침전시켜, 아스팔트 바인더의 산과 결합하여 불용성 염을 형성하게 되는데 형성된 불용성 염이 아스팔트와 골재의 접착 성능을 향상시킨다.
그러나, 아스팔트 업계에서 사용되고 있는 소석회나 액상형 박리방지제는 별도의 설비 구축 및 높은 가격으로 인해 그 사용이 제한적일 수 있으며, 경제적인 측면에서 도로 포장 업계에 범용적으로 적용되기 쉽지 않아, 실제 시공 실적이 미미한 실정이다. 이에, 아스팔트 혼합물이 수분 저항성을 향상시킬 수 있으면서도 경제적 측면에서 좀더 효율적이며 널리 적용될 수 있는 박리방지제의 개발이 여전히 요구되고 있다.
한편, 철강 공정은 원료, 제선, 제강, 압연 및 스테인리스 등 복잡한 공정의 연결생산체제를 거치면서 그 제조 공정의 특성상 다양한 종류의 부산물 및 폐기물을 필연적으로 발생시키고 있다. 그 중에서 가장 많은 양을 차지하는 부산물이 철을 생산하기 위해 원료로 사용된 철광석, 유연탄, 석회석 등이 고온에서 용융되어 쇳물과 분리된 후 얻어진 철강 슬래그이다. 철강 슬래그는, 철을 생산하기 위한 고로에 투입된 철광석, 유연탄, 석회석 등이 1500℃ 이상에서 용해되어 쇳물(선철)함께 발생되는 고로 슬래그 및 제강 공정에서 발생하는 제강 슬래그로 구분될 수 있다. 고로 슬래그는 냉각법에 따라 수재 슬래그와 괴재 슬래그로 구분되며, 제강 슬래그는 제강 공정 설비의 형태에 따라 전로 슬래그와 전기로 슬래그로 구분될 수 있다.
철강 산업에서는 원료 가격과 함께 에너지 가격이 생산 원가에 미치는 영향이 매우 크기 때문에 세계 각국에서는 철강 산업에서의 합리적인 에너지 관리를 위해 노력하고 있으며, 그러한 노력의 하나로 각종 공정에서 배출되는 에너지를 회수하기 위하여 철강 슬래그를 재활용하는 기술에 대한 연구가 활발히 이루어지고 있다. 철강 슬래그는 고온에서 용융 생성되어 유용한 친환경 자재로 천연 자원을 대체할 수 있으며, 에너지 절약 및 환경 유해성 저감 측면에서 높은 효용성을 가질 수 있다.
대한민국 등록특허 제10-0795184호(특허문헌 1)에는 SiO2 19.0 ~ 31.1wt%, Fe2O3 29.6 ~ 38.2wt%, Al2O3 7.0 ~ 13.9wt%, CaO 145 ~ 38.0wt%, MgO 6.0 ~ 8.1wt%, K2O 0.14 ~ 0.28wt%의 함량을 갖는 전기로의 산화슬래그를 파쇄 및 분쇄하고, 이 분쇄물에서 상기 철성분(Fe2O3)을 제거한 다음, 크기별로 선별하여 얻어지는 것을 특징으로 하는 전기로 산화슬래그를 이용한 아스콘용 골재 및 이를 이용한 아스팔트 콘크리트에 관한 기술이 개시되어 있다. 상기 특허문헌 1에 개시된 기술은 슬래그의 재활용에 관한 것이기는 하나, 아스콘용 골재로 이용되는 것으로, 아스팔트 혼합물의 수분 저항성을 향상시키기 위한 박리방지제로는 효과가 없다.
특허문헌 1: 대한민국 등록특허 제10-0795184호(2008.01.16.)
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 제철 제강 공정에서 발생되는 슬래그를 특정 방법으로 가공하여 얻어진 정제 서냉 슬래그를 이용함으로써 아스팔트 혼합물의 수분 저항성을 향상시켜 종래 이용되었던 박리방지제를 대체할 수 있으며, 동시에 부산물의 재활용에 의해 경제성 및 공정 효율을 높일 수 있는 아스팔트 혼합물용 박리방지제, 그 제조방법, 이를 포함하는 아스팔트 혼합물 및 그 제조방법을 제공하는 것이다.
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 실시예는 아스팔트 혼합물용 박리방지제를 제공하며, 상기 아스팔트 혼합물용 박리방지제는 정제 서냉 슬래그를 포함하며, 상기 정제 서냉 슬래그는 CaO 55~65 질량%, SiO2 5~10 질량%, Al2O3 1~5 질량% 및 MgO 1~5 질량%를 포함할 수 있다.
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 다른 일 실시예는 정제 서냉 슬래그를 포함하는 아스팔트 혼합물용 박리방지제의 제조방법을 제공하며, 상기 방법은, a) 철강 슬래그를 입도 분리하여 기준 직경 이하의 슬래그를 수집하는 단계; b) 상기 a) 단계로부터 수집된 슬래그로부터 철질 물질을 선별한 후 잔류하는 비착 물질을 수집하는 단계; c) 상기 b) 단계로부터 수집된 비착 물질에 대하여 CaO, SiO2, Al2O3 및 MgO를 포함하는 비철 물질의 집진 회수율을 높이는 공정을 수행하는 단계; 및 d) 상기 c) 단계로부터 얻어진 물질을 건조하는 단계를 포함할 수 있으며, 상기 정제 서냉 슬래그는 CaO 55~65 질량%, SiO2 5~10 질량%, Al2O3 1~5 질량% 및 MgO 1~5 질량%를 포함하는를 포함할 수 있다.
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 또 다른 일 실시예는 아스팔트 혼합물을 제공하며, 상기 아스팔트 혼합물은 상기 실시예에 따른 아스팔트 혼합물용 박리방지제, 골재 및 아스팔트를 포함할 수 있다.
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 또 다른 일 실시예는 아스팔트 혼합물의 제조방법을 제공하며, 상기 제조방법은 상기 실시예에 따라 아스팔트 혼합물용 박리방지제를 제조하는 단계; 가열된 아스팔트에 상기 아스팔트 혼합물용 박리방지제를 투입하여 균일하게 혼합하는 단계; 및 혼합물을 가열된 골재에 투입하여 혼합하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명에 따르면, 철강 공정에서 발생되는 부산물인 철강 슬래그를 특정 방법으로 가공함으로써, 아스팔트 혼합물용 박리방지제로서 이용되어 아스팔트 혼합물의 수분 저항성을 향상시킬 수 있다.
본 발명에 따른 박리방지제는 종래 이용되었던 소석회나 액상형 박리방지제와 동등하거나 그 이상의 수분 저항성 효과를 발휘할 수 있으며, 동시에 제조 설비 및 비용 등의 경제적 측면에서도 높은 효율성을 발휘할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 박리방지제는 아스팔트와 골재와의 박리 저감으로 아스팔트 혼합물의 수분 민감성을 최소화하는 것과 함께, 아스팔트 바인더의 산화 감소로 노화 저감의 효과가 있으며, 나아가 아스팔트의 강성을 증가시켜 소성 변형을 저감시켜주고, 균열 저항성에도 효과가 있어 미소 균열의 진전 속도를 감소시킬 수 있다.
또한 본 발명에 따르면, 철강 산업에서 필연적으로 발생되는 부산물인 철강 슬래그를 재활용함으로써, 에너지 절약, 환경 유해성 저감 및 친환경성 향상의 효과를 동시에 얻을 수 있다.
도 1a 및 1b는 각각 실시예에 따른 정제 서냉 슬래그를 포함하는 박리방지제의 XRD 분석 패턴 및 분석 패턴 리스트를 나타내며, 도 1c 및 1d는 각각 소석회의 XRD 분석 패턴 및 분석 패턴 리스트를 나타낸다.
도 2a 내지 2c는 비교예에 따른 아스팔트 혼합물의 동적수침 시험 결과를 나타내고, 도 2d는 실시예에 따른 아스팔트 혼합물의 동적수침 시험 결과를 나타낸다.
도 3a는 실내에서 제작된 시편의 정제 서냉 슬래그 함량별 간접인장강도 시험 결과를 나타내고, 도 3b는 아스팔트 플랜트 현장에서 제작된 정제 서냉 슬래그 함량별 간접인장강도 시험 결과를 나타낸다.
도 4a 및 4b는 각각 실내에서 제작된 시편의 함부르크 휠트래킹 시험 결과 및 함부르크 휠트래킹 시험 후 공시체의 표면 모습을 나타내고, 도 4c 및 4d는 각각 아스팔트 플랜트 현장에서 제작된 시편의 함부르크 휠트래킹 시험 결과 및 함부르크 휠트래킹 시험 후 공시체의 표면 모습을 나타낸다.
도 5a 및 5b는 아스팔트 혼합물에 대한 저온 영역 및 고온 영역에서의 동탄성 계수 시험 결과를 나타낸다.
도 6은 정제 서냉 슬래그 함량에 따른 소형 포장 가속 시험 결과를 나타낸다.
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 아스팔트 혼합물용 박리방지제에 관한 것으로, 상기 아스팔트 혼합물용 박리방지제는 정제 서냉 슬래그를 포함할 수 있다.
본 발명에 이용되는 정제 서냉 슬래그는 철강 슬래그를 특정 방법으로 가공 처리함으로써 수득되는 것이다. 원료로 이용되는 철강 슬래그는 제강 슬래그를 포함할 수 있다. 본 발명의 정제 서냉 슬래그는, 아스팔트 혼합물의 물성, 특히 수분 저항성을 향상시키기 위하여 특히 CaO, SiO2, Al2O3 및 MgO를 포함하는 비철 물질의 집진 회수율을 증가시키도록 철강 슬래그를 가공함으로써 얻어질 수 있다. 본 발명에 이용되는 정제 서냉 슬래그는 이러한 가공 처리에 의해 적합화된 CaO, SiO2, Al2O3 및 MgO를 포함하는 조성을 포함함으로써, 아스팔트와 골재의 박리를 저감시켜 아스팔트 혼합물의 수분 저항성을 향상시키는 특성을 발휘할 수 있다.
본 발명에 이용되는 정제 서냉 슬래그는 CaO 55~65 질량%, SiO2 5~10 질량%, Al2O3 1~5 질량% 및 MgO 1~5 질량%를 포함할 수 있다. 정제 서냉 슬래그에 포함되는 성분 중 특히 CaO, SiO2, Al2O3 및 MgO는 아스팔트 혼합물의 수분 저항성을 향상시키는데 주된 역할을 할 수 있으며, 본 발명에 있어서는 그 함량을 적합화하여 박리 방지 효과를 최대화시킬 수 있다.
일 실시예에 있어서, 본 발명의 아스팔트 혼합물용 박리방지제에 포함되는 정제 서냉 슬래그는 MnO, Na2O, K2O, P2O5 및 TiO2로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상을 더 포함할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 본 발명의 아스팔트 혼합물용 박리방지제에 포함되는 정제 서냉 슬래그는 0.01~0.5 질량%의 MnO를 더 포함할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 본 발명의 아스팔트 혼합물용 박리방지제에 포함되는 정제 서냉 슬래그는 0.001~0.5 질량%의 Na2O를 더 포함할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 본 발명의 아스팔트 혼합물용 박리방지제에 포함되는 정제 서냉 슬래그는 0.001~0.5 질량%의 K2O를 더 포함할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 본 발명의 아스팔트 혼합물용 박리방지제에 포함되는 정제 서냉 슬래그는 0.001~0.5 질량%의 P2O5를 더 포함할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 본 발명의 아스팔트 혼합물용 박리방지제에 포함되는 정제 서냉 슬래그는 0.001~0.5 질량%의 TiO2를 더 포함할 수 있다.
상기 성분을 제외한 정제 서냉 슬래그의 잔부는 미량 성분들 및 수분 등을 포함할 수 있다.
본 발명에 이용되는 정제 서냉 슬래그는 수분 저항성을 포함하는 아스팔트 혼합물에 요구되는 물성을 발휘하는 특정 조성을 갖도록 형성될 수 있다. 이러한 특정 조성은 CaO, SiO2, Al2O3 및 MgO를 포함하는 비철 물질의 집진 회수율을 증가시키도록 철강 슬래그를 가공하는 것을 포함하는 특정 공정에 의해 얻어질 수 있다. 이러한 특정 공정에 대해서는 후술되는 아스팔트 혼합물용 박리방지제의 제조방법에 관한 실시예에 있어서 더욱 상세하게 설명한다.
이와 같은 특정한 조성을 갖는 본 발명의 정제 서냉 슬래그는 소석회와 유사한 XRD 분석 패턴을 나타내어, 아스팔트 혼합물의 골재 표면에 칼슘 이온을 침전시켜 아스팔트에 함유된 산과 결합하여 불용성 염을 형성함으로써 아스팔트와 골재의 접착 성능을 향상시킬 수 있다. 또한, 아스팔트 바인더의 산화 감소로 노화 저감의 효과가 있으며, 나아가 아스팔트의 강성을 증가시켜 소성 변형을 저감시켜주고, 균열 저항성에도 효과가 있어 미소 균열의 진전 속도를 감소시킬 수 있다.
나아가, 본 발명에 이용되는 정제 서냉 슬래그는 별도의 설비 구축 및 높은 가격으로 인해 그 사용이 제한적이며 실제 시공 실적이 미미한 소석회나 액상형 박리방지제와 달리, 철강 공정에서 부산물로 수득되는 슬래그를 재활용하여 얻어지는 것이므로, 높은 경제성 및 환경 친화성을 나타내어 실제 산업 분야에서 널리 적용될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 아스팔트 혼합물용 박리방지제는 분말 형태일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 아스팔트 혼합물용 박리방지제는 아스팔트 포장용 채움재에 관한 KS F 3501에 규정된 조건을 만족할 수 있다.
본 발명의 다른 일 실시예는 정제 서냉 슬래그를 포함하는 아스팔트 혼합물용 박리방지제의 제조방법에 관한 것으로, 상기 제조방법은 a) 철강 슬래그를 입도 분리하여 기준 직경 이하의 슬래그를 수집하는 단계; b) 상기 a) 단계로부터 수집된 슬래그로부터 철질 물질을 선별한 후 잔류하는 비착 물질을 수집하는 단계; c) 상기 b) 단계로부터 수집된 비착 물질에 대하여 CaO, SiO2, Al2O3 및 MgO를 포함하는 비철 물질의 집진 회수율을 높이는 공정을 수행하는 단계; 및 d) 상기 c) 단계로부터 얻어진 물질을 건조하는 단계를 포함할 수 있다. 각각의 단계에 대하여 하기에 상세하게 설명한다. 아스팔트 혼합물용 박리방지제에 대해서는 상기한 실시예에서 상술하였으므로, 본 실시예에 있어서는 반복을 피하기 위하여 그 상세한 기재를 생략한다.
먼저, a) 단계에서 철강 슬래그를 입도 분리하여 기준 직경 이하의 슬래그를 수집할 수 있다.
일 실시예에 있어서, a) 단계는 하기 제1 단계 내지 제4 단계를 포함할 수 있다:
- 제1 단계: 철강 슬래그를 입도 분리하여 제1 기준 직경 이하의 슬래그를 수집하는 단계;
- 제2 단계: 상기 제1 단계에서 수집된 슬래그를 입도 분리하여 상기 제1 기준 직경보다 작은 제2 기준 직경 이하의 슬래그를 수집하고, 제2 기준 직경을 초과하는 슬래그로부터 철질 물질을 선별하고 잔류하는 비착 물질을 수집하는 단계;
- 제3 단계: 상기 제2 단계로부터 수집된 비착 물질에 대하여 파쇄 공정을 수행하여 상기 제2 기준 직경 이하의 슬래그를 수집하는 단계; 및
- 제4 단계: 상기 제2 단계로부터 수집된 제2 기준 직경 이하의 슬래그 및 상기 제3 단계로부터 수집된 제2 기준 직경 이하의 슬래그를 취합하는 단계.
일 실시예에 있어서, 제1 기준 직경은 200~500 mm의 범위일 수 있으며, 제2 기준 직경은 20~70 mm의 범위일 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 제2 단계에서 철질 물질의 선별은 자력 선별에 의해 수행될 수 있다.
다음으로, b) 단계에서 a) 단계로부터 수집된 슬래그로부터 철질 물질을 선별한 후 잔류하는 비착 물질을 수집할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 b) 단계에서 철질 물질의 선별은 자력 선별 및 풍력 선별에 의해 수행될 수 있다.
다음으로, c) 단계에서 b) 단계로부터 수집된 비착 물질에 대하여 CaO, SiO2, Al2O3 및 MgO를 포함하는 비철 물질의 집진 회수율을 높이는 공정을 수행할 수 있다.
CaO, SiO2, Al2O3 및 MgO 등의 성분은 아스팔트 혼합물용 박리방지제가 요구되는 물성, 특히 수분 저항성을 충분히 발휘하는데 주된 역할을 할 수 있으므로, 제조 공정 중에 이들 성분의 회수율을 높여 특정 조성을 갖도록 할 수 있다. 본 발명의 아스팔트 혼합물용 박리방지제의 제조방법에 있어서 이와 같이 비철 물질의 집진 회수율을 높이는 공정을 수행함으로써, CaO, SiO2, Al2O3 및 MgO 등 비철질류의 유효 성분이 농축되도록 철강 슬래그를 정제할 수 있으며, 이에 따라 최종적으로 제조된 박리방지제가 수분 저항성을 포함하는 아스팔트 혼합물에 요구되는 물성을 발휘하는 특정 조성을 갖도록 조절할 수 있다.
일 실시예에서, c) 단계는, b) 단계로부터 수집된 비착된 물질에 대하여 수분 코팅 공정을 수행하는 것을 포함할 수 있다. 이러한 수분 코팅 공정은 스프레이 노즐에 의해 수돗물 또는 정제수를 분당 3~5 kg의 비율로 공급함으로써 수행될 수 있다. 예를 들어, d) 단계의 건조가 수행되는 킬른 투입 전 단계인 호퍼에 스프레이 노즐을 설치하여 수분 코팅 공정을 수행할 수 있다.
이와 같이, 건조 단계 전에 b) 단계로부터 수집된 비착된 물질에 대하여 수분 코팅 처리를 함으로써, 후속 건조 단계에 있어서 철질 성분에 비해 비중이 낮은 CaO, SiO2, Al2O3 및 MgO 등 비철질 물질의 휘발 및 비산이 용이하게 되어, 집진 설비에 의해 집진될 때 이들 물질의 회수율을 최대화할 수 있다.
다음으로, d) 단계에서 c) 단계로부터 얻어진 물질을 건조할 수 있다.
일 실시예에서, 건조는 수분 함유량이 2 중량% 이하, 바람직하게는 1 중량% 이하가 되도록 수행될 수 있다.
일 실시예에서, 건조는 킬른 내부로 c) 단계로부터 얻어진 물질을 투입하고 건조함으로써 이루어질 수 있으며, 건조 온도는 350℃ 미만일 수 있다.
다음으로, 건조된 물질을 집진 설비에 의해 집진할 수 있다. 전술한 바와 같이, 이전 단계에서 수분 코팅 처리에 의해 건조시 CaO, SiO2, Al2O3 및 MgO 등 비철질 물질의 휘발 및 비산이 용이하게 된 상태로 집진 설비에 투입되므로, 이들 비철질 물질의 회수율이 최대화되어 집진될 수 있다.
다음으로, 품질 균일화 공정을 수행할 수 있다.
경우에 따라, c) 단계에서 건조 공정에도 불구하고, 수분 함량이 2 중량% 이하 정도의 수준이고, 수분 함량이 불균일하게 형성될 수 있으므로, 품질 균일화 공정을 통하여 수분 함량이 1 중량% 이하, 바람직하게는 0.4 내지 0.6 중량% 범위가 되도록 하고, 전체적으로 수분 분포가 균일하게 되도록 제어할 수 있다.
일 실시예에서, 품질 균일화 공정은 에어 슬라이드를 이용하여 수행될 수 있다. 에어 슬라이드는 분립체 수송, 공급 장치의 일종으로, 분체층에 공기를 불어 넣어 유동화시키면 입자는 마치 유체와 같이 매우 흐르기 쉽게 되는 원리를 이용한다. 구조는 캔버스 또는 다공질판으로 상하를 칸막이한 홈통을 따라 수평에 대하여 경사를 이루게 하여 이루어지고, 홈통 상부에 공급된 분체는 다공질판을 따라 공기에 의해 유동화되고 중력에 의해서 판상을 흘러내리게 된다. 이 과정에서 수분 함량의 균일화 및 감소가 수행되어, 최종적으로 수집된 분말 형태의 아스팔트 혼합물용 박리방지제는 균일화된 품질, 즉 전체적으로 균일하게 분포된 1 중량% 이하의 수분 함량을 가질 수 있다.
본 발명의 또 다른 일 실시예는 아스팔트 혼합물에 관한 것으로, 상기 아스팔트 혼합물은 상기 실시예에 따른 아스팔트 혼합물용 박리방지제, 골재 및 아스팔트를 포함할 수 있다.
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.
일 실시예에 있어서, 상기 아스팔트 혼합물용 박리방지제는 골재 중량을 기준으로 0.5 내지 6.0 중량%, 바람직하게는 1.0 내지 3.0 중량%의 함량으로 포함될 수 있다. 아스팔트 혼합물용 박리방지제의 함량이 0.5 중량% 미만인 경우에는 아스팔트와 골재와의 접착력이 충분히 확보되지 않아 수분저항성이 저하될 수 있으며, 6.0 중량%를 초과하는 경우에는 아스팔트 혼합물의 다른 물성이 열화될 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 아스팔트와 상기 골재의 중량 비율은 3.5:96.5 내지 6.0:94.0의 범위일 수 있다.
본 발명에 따른 아스팔트 혼합물은 정제 서냉 슬래그를 포함하는 박리방지제를 포함함으로써, 소석회와 유사하거나 소석회보다 향상된 수분 저항성을 발휘할 수 있으며, 이와 동시에 아스팔트 혼합물에 대하여 요구되는 물성 조건, 예를 들면, 소성변형, 인장강도, 점탄성 거동 및 장기 공용성 조건을 만족시킬 수 있다. 결과적으로, 실제적으로 광범위한 적용이 어려운 소석회나 액상형 박리방지제를 대체한 정제 서냉 슬래그를 포함하는 박리방지제를 이용함으로써, 수분 저항성 뿐 아니라 다른 물성 측면에서 우수한 효과를 발휘할 수 있으며, 경제적인 효율성 및 환경 친화성 측면에서 실제적으로 광범위하게 적용 가능한 아스팔트 혼합물을 제공할 수 있다.
본 발명의 또 다른 일 실시예는 아스팔트 혼합물의 제조방법에 관한 것으로, 상기 제조방법은 상기 실시예에 따라 아스팔트 혼합물용 박리방지제를 제조하는 단계; 가열된 아스팔트에 상기 아스팔트 혼합물용 박리방지제를 투입하여 균일하게 혼합하는 단계; 및 혼합물을 가열된 골재에 투입하여 혼합하는 단계를 포함할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 아스팔트 혼합물용 박리방지제는 골재 중량을 기준으로 0.5 내지 6.0 중량%, 바람직하게는 1.0 내지 3.0 중량%의 함량으로 포함될 수 있다. 아스팔트 혼합물용 박리방지제의 함량이 0.5 중량% 미만인 경우에는 아스팔트와 골재와의 접착력이 충분히 확보되지 않아 수분저항성이 저하될 수 있으며, 6.0 중량%를 초과하는 경우에는 아스팔트 혼합물의 다른 물성이 열화될 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 아스팔트와 상기 골재의 중량 비율은 3.5:96.5 내지 6.0:94.0의 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. 정제 서냉 슬래그를 포함하는 아스팔트 혼합물용 박리방지제 제조 및 평가
원료인 제강 슬래그(광재)를 직경 500 mm를 기준으로 1차 입도 분리하고, 이어서 직경 20 mm를 기준으로 2차 입도 분리하였다. 2차 입도 분리 공정에 의해 분리된 직경 20 mm를 초과하는 슬래그에 대하여 자력 선별 공정을 수행하고, 철질 물질을 선별하고 잔류하는 비착 물질을 직경 20 mm 이하로 파쇄하였다. 파쇄된 비착 물질은 2차 입도 분리 공정에 의해 분리된 직경 20 mm 이하의 슬래그와 취합하여, 자력 선별 및 풍력 선별 공정을 수행하고, 철질 물질을 선별하고 잔류하는 비착 물질에 대해 킬른 투입 호퍼에 장착된 스프레이 노즐을 이용하여 분당 3~5 kg의 비율로 수돗물 또는 정제수를 공급하여 수분 코팅하였다. 이를 킬른 내부로 투입하여 약 350℃의 온도에서 건조 공정을 수행하고, 집진 설비에 의해 집진한 후, 에어 슬라이드를 이용한 품질 균일화 공정을 수행함으로써, 분말 형태의 정제 서냉 슬래그를 포함하는 아스팔트 혼합물용 박리방지제를 제조하였다.
제조된 박리방지제에 대하여 XRF 분석으로 측정한 조성을 하기 표 1에 나타낸다. 하기 표 1에 표시된 조성에 있어서, 각각의 박리방지제는 100 질량%를 기준으로 잔부의 수분 및 미량 원소들을 포함하며, 이는 표시하지 않는다. 또한, 하기 표 1에서 비교예 1은 소석회, 비교예 2 내지 4는 시판 석회석분, 비교예 5 및 6은 시판 회수 더스트를 나타낸다.
조성 CaO MgO SiO2 Al2O3 MnO Na2O K2O P2O5 TiO2
실시예1 62.49 1.77 7.06 1.19 0.31 0.06 0.08 0.12 0.14
실시예 2 64.31 1.77 6.91 1.15 0.27 0.03 0.06 0.11 0.09
실시예3 63.87 2.08 7.53 1.26 0.29 0.02 0.07 0.13 0.14
실시예4 63.31 1.48 8.04 0.80 0.29 0.04 0.08 0.12 0.14
실시예5 62.15 1.43 7.17 1.18 0.31 0.06 0.10 0.11 0.13
실시예6 61.43 1.53 7.45 1.18 0.20 0.02 0.08 0.13 0.14
실시예7 64.52 1.42 8.05 1.08 0.35 0.04 0.08 0.14 0.16
실시예8 60.62 1.43 6.89 1.02 0.41 0.03 0.09 0.11 0.15
실시예9 63.43 1.45 7.69 1.00 0.39 0.04 0.08 0.13 0.16
실시예10 61.83 1.59 7.04 1.15 0.37 0.01 0.08 0.14 0.15
실시예11 58.38 1.53 6.20 1.34 0.44 - 0.07 0.13 0.16
실시예12 59.90 1.70 6.93 1.24 0.33 0.02 0.08 0.12 0.12
실시예13 62.50 1.90 6.99 1.16 0.27 0.07 0.07 0.11 0.12
실시예14 64.40 2.31 7.16 1.04 0.25 0.04 0.07 0.11 0.12
비교예1 75.78 3.61 1.23 0.59 0.05 - 0.12 0.01 0.16
비교예2 46.29 1.27 13.01 9.25 0.02 0.05 3.29 0.01 0.25
비교예3 62.27 1.47 7.78 2.96 0.12 0.09 0.92 0.07 0.26
비교예4 74.78 0.43 1.09 0.40 0.02 0.02 0.07 0.01 -
비교예5 3.41 3.30 43.87 15.73 0.14 1.64 4.46 0.19 1.04
비교예6 17.84 2.29 36.80 10.83 0.13 1.60 3.14 0.15 0.61
또한, 제조된 박리방지제에 대하여 XRD 분석을 수행하여 미세 구조를 분석하였다. 분석 결과를 도 1a 내지 1d에 나타낸다. 도 1a 및 1b는 각각 실시예에 따른 정제 서냉 슬래그를 포함하는 박리방지제의 XRD 분석 패턴 및 분석 패턴 리스트를 나타내며, 도 1c 및 1d는 각각 소석회의 XRD 분석 패턴 및 분석 패턴 리스트를 나타낸다.
도 1a 내지 1d에 나타내어진 바와 같이, 본 발명에 따른 정제 서냉 슬래그를 포함하는 박리방지제는 소석회와 유사한 XRD 분석 패턴을 보였으며, 결과적으로 소석회와 유사하게 아스팔트 혼합물의 골재 표면에 칼슘 이온을 침전시켜 아스팔트에 함유된 산과 결합하여 불용성 염을 형성함으로써 아스팔트와 골재의 접착 성능을 향상시킬 수 있음을 확인할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 정제 서냉 슬래그를 포함하는 박리방지제에 대하여 아스팔트 포장용 채움재에 관한 KS F 3501에 따른 시험을 수행하였으며, 시험 결과 규정된 조건을 모두 만족하였다. 결과를 하기 표 2에 나타낸다.
구분 품질기준 실시예 15 실시예 16
수분 함량 1.0% 이하 0.3% 0.3%
비중 - 2.420 g/㎤ 2.446 g/㎤
소성지수 6 이하 NP(비소성) NP(비소성)
흐름지수 50% 이하 33% 33%
침수팽창 3% 이하 2.2% 2.3%
박리저항성 1/4 이하 1/4 이하 1/4 이하

입도		 체 크기 품질기준(통과%)
0.6 mm 100 100% 100%
0.3 mm 95 이상 98% 100%
0.15 mm 90 이상 97% 98%
0.08 mm 70 이상 88% 78%
이상의 시험 결과로부터 명확하게 확인될 수 있는 바와 같이, 본 발명에 따른 정제 서냉 슬래그를 포함하는 아스팔트 혼합물용 박리방지제는 아스팔트 포장용 채움재에 대하여 요구되는 물성 조건을 충족하고 있으며, 특히 수분저항성 측면에서 소석회와 유사하거나 더욱 우수한 효과를 나타낼 수 있으므로, 실제 적용가능성이 매우 제한적인 소석회나 액상형 박리방지제를 대체하여 경제적 및 효율적으로 산업 분야에서 실제적으로 널리 적용될 수 있다.
2. 아스팔트 혼합물 제조 및 평가
정제 서냉 슬래그를 이용하는 박리방지제를 포함하는 아스팔트 혼합물의 제조 및 성능 평가는 실내에서 배합 설계에 의해 제작한 아스팔트 혼합물과 실제 아스팔트 플랜트 현장에서 생산한 아스팔트 혼합물에 대하여 동시에 수행되었다. 시험 항목은 하기 표 3에 기재된 것과 같이 수분에 대한 박리저항성, 소성변형저항성, 선형 점탄성 거동 특성, 피로균열 저항성 등이었으며, 시험방법, 관련 역학적 특성 및 조건은 하기 표 3에 나타내어진다.
구분 시험방법 역학적 특성 시험조건
동적수침 시험 BS EN 12697-11(2003) 박리정도 육안평가(%) 25℃, 60rpm, 24hr
간접인장강도비 AASHTO T 283 수분손상 저항성 60℃ 수분처리 및 건조 시편에 대한 간접인장강도 측정
함부르크 휠트레킹 AASHTO T 324(2011) 박리발생점, 20,000회 하중 재하시 소성변형량 50℃ 수중
705N±4.5N
동탄성계수 시험 AASHTI TP 62 점탄성 거동 특성
온도에 따른 강성 평가		 하중주기
20, 10, 5, 1, 0.5, 0.1Hz
온도
5, 20, 40, 54℃
소형포장가속 시험(MMLS3) - 피로균열 저항성
소성변형
표면마모 저항성 등		 휠 하중 2.7kN
타이어 공기압 690~900kPa
시험에 사용된 실내 제작 아스팔트 혼합물 시편은 국토교통부 지침에서 제시하고 있는 표층용 아스팔트 혼합물인 WC-3(20)을 기준으로 제작하였으며, 국토교통부 아스팔트 콘크리트 포장 시공 지침에 제시되어 있는 실내 배합설계 절차를 바탕으로 배합설계를 수행하였다. 배합설계는 국내 아스팔트 플랜트의 현장 여건을 반영하여 마샬배합설계를 수행하였으며, 공극률 4%을 가지는 아스팔트 함량을 최적 아스팔트 함량으로 결정하였다. 아스팔트 플랜트 현장에서 생산된 아스팔트 혼합물의 배합설계는 해당 아스팔트 플랜트에서 사용하고 있는 골재와 아스팔트 바인더를 이용하여 생산 및 시료를 제작하였으며, 해당 플랜트에서 수행한 배합설계 결과를 바탕으로 시편을 제작하였다.
(1) 동적수침시험(Dynamic Immersion Test)
정제 서냉 슬래그가 함유된 아스팔트 혼합물의 수분저항성 평가를 위해 본 연구에서는 비다짐 혼합물에 대한 수분민감도 평가로 국내 ‘아스팔트 콘크리트 포장 시공지침’(국토교통부, 2017)에 수록되어 있고, 유럽 BS EN126911에 규정되어 있는 비교적 실험 방법이 간단한 동적수침시험을 수행하였다.
동적수침시험은 아스팔트 바인더가 코팅된 골재를 대상으로 아스팔트 혼합물이 수침상태에서 골재와 아스팔트 바인더 간의 친밀성을 평가하는 시험방법으로, 11.2 mm를 통과하고 8 mm보다 작은 골재를 사용한다. 구체적인 시험방법으로는 규격에 맞는 골재를 물로 깨끗이 씻어 골재에 남아있는 잔분을 제거하고 105±5℃ 오븐에 중량의 변화가 없을 때까지 가열한 후, 식힌다. 이후, 510±2 g의 골재를 아스팔트 바인더 16 g과 혼합온도에서 혼합하여 완전히 코팅시킨다. 그리고 16시간 이상 상온에서 양생 후, 20~25℃ 환경에서 60 rpm으로 규격에 맞는 증류수가 들어간 실험 용기에 담아 24시간 롤링 후, 아스팔트 바인더가 골재에 피복되어 있는 상태를 육안으로 평가하는 방법이다. 동적수침시험은 정확한 정량적 평가가 어렵지만 육안으로 아스팔트가 골재를 코팅한 부분의 박리정도를 평가할 수 있으며, 국토교통부 지침에서는 육안 박리정도가 50% 이상의 경우, 소석회 또는 액상형 박리방지제를 사용하도록 규정하고 있다.
본 연구에서 수행된 동적수침 시험은 국토교통부 아스팔트 콘크리트 포장 시공 지침에 소석회 사용량을 골재 중량 대비 최대 1.5%로 규정하고 있어 정제 서냉 슬래그 및 소석회를 사용골재 510 g 대비 1.5%를 투입하여 정제 서냉 슬래그와 소석회를 투입했을 때, 골재와 아스팔트 바인더 간 부착성능을 비교하였다. 또한 비교군으로 다른 재료를 첨가하지 않았을 때와 미분말의 영향을 비교하기 위해 석회석분도 1.5%를 투입하여 동적수침시험을 수행하였다. 이때 사용된 아스팔트 바인더는 국내에서 일반적으로 사용되는 PG 64-22의 AP-5를 사용하였다. 동적수침 시험 결과를 도 2a 내지 2d에 나타낸다.
도 2a는 다른 첨가제가 포함되지 않고 일반 AP-5만 첨가된 혼합물, 도 2b는 석회석분 1.5% 첨가된 혼합물, 도 2c는 소석회 1.5%가 첨가된 혼합물, 도 2d는 실시예에 따른 정제 서냉 슬래그를 이용한 박리방지제가 첨가된 혼합물을 나타낸다.
도 2d에 나타내어진 바와 같이 정제 서냉 슬래그를 이용한 박리방지제가 첨가된 아스파트 혼합물의 경우, 골재에 아스팔트 바인더가 대부분 남아 있는 것을 육안으로 확인할 수 있다. 이러한 결과는 도 2c에 나타내어진 소석회를 1.5% 첨가했을 때와 비슷한 수준으로 약 80% 이상의 바인더가 골재에 잘 코팅되어 있는 것으로 판단된다. 이에 반하여, 도 2a에 나타내어진 일반 AP-5만 첨가된 아스팔트 혼합물의 경우 바인더 피복율이 20% 이하로 대부분의 아스팔트 바인더가 골재로부터 떨어져나간 것을 육안으로 확인할 수 있다. 또한, 도 2b에 나타내어진 석회석분 1.5%가 함유된 아스팔트 혼합물의 경우 실험 후 피복율이 약 20% 정도 수준으로 석회석분이 아스팔트를 일부 흡수하여 골재에 부착되어 있는 형태로 나타난 것으로 판단된다.
동적수침 시험 결과 본 발명에 따른 정제 서냉 슬래그는 아스팔트 혼합물에 사용되어 소석회와 유사한 수준으로 수분 저항성을 향상시킬 수 있음을 확인하였다.
(2) 간접인장강도비(Indirect tensile strength ratio) 시험
간접인장강도비 시험은 실내에서 제작된 시편과 플랜트 현장에서 제작된 시편을 대상으로 국제적으로 폭넓게 사용되고 있는 AASHTO T 283 규정에 따라 수행되었다. 실내에서 제작된 시편은 채움재로 사용되는 석회석분을 대체하여 정제 서냉 슬래그 1%, 1.5%, 2%, 3%의 비율로 첨가하여 제작하였으며, 플랜트에서 제작된 시편은 회수더스트 및 석회석분을 대체하여 실시예에 따른 정제 서냉 슬래그를 0%, 1%, 2%, 3%의 비율로 첨가하였다. 실내에서 제작된 시편은 실내 배합설계 결과를 바탕으로 결정된 합성입도와 최적 아스팔트 함량을 적용하였고, 아스팔트 플랜트 현장에서 제작된 시편은 아스팔트 플랜트 현장에서 사용하고 있는 배합설계 결과를 바탕으로 제작하였다. 간접인장강도비 시험을 위한 아스팔트 혼합물에 대하여 국내 아스팔트 플랜트 상황을 고려하여 선회다짐기를 사용하지 않고 마샬 다짐기를 사용하여 공극률 7±0.5%가 얻어지도록 다짐을 시행하여 다짐 공시체를 제작하였다. 시험 시편 종류별로 공시체 3개는 건조 상태, 나머지 3개는 각각 진공 처리 및 수분 처리한 후 간접 인장강도 시험을 수행하였다. 건조 시험용 공시체는 시험 전까지 상온에 양생하고, 포일(foil) 등으로 밀봉하여 플라스틱 시료함에 넣어 25℃의 항온 수조에 최고 2시간 동안 양생한 후 간접 인장강도 시험을 수행하였다. 나머지 3개 공시체는 진공 처리 후 60±1℃의 온도로 항온 수조에 24±1시간 동안 양생 후, 시료를 꺼내어 25±1℃의 수조에 2±0.5시간 동안 놓아둔 후 간접 인장강도 시험을 수행하였다.
인장강도비(TSR, Tensile Strength Ratio)는 건조상태와 습윤상태에서 측정한 인장 강도값을 이용하여 다음과 같이 식으로 계산한다.
Figure 112018069195474-pat00001
여기에서,
Figure 112018069195474-pat00002
= 건조 상태의 기준 공시체의 간접인장강도
Figure 112018069195474-pat00003
= 수분 상태의 조건 처리한 공시체의 간접인장강도
아스팔트 혼합물의 수분손상에 대한 저항성은 TSR 값이 클수록 우수하다고 할 수 있다.
실내에서 제작된 시편의 정제 서냉 슬래그 함량별 간접인장강도 시험 결과를 도 3a에 나타내고, 아스팔트 플랜트 현장에서 제작된 정제 서냉 슬래그 함량별 간접인장강도 시험 결과를 도 3b에 나타낸다.
도 3a에 나타내어진 것과 같이, 실내에서 제작된 시편의 간접인장강도 시험 결과, 실시예에 따른 정제 서냉 슬래그(S)의 함량이 증가함에 따라 간접인장강도비가 증가하는 경향이 있는 것으로 분석되었다. 이는 서냉슬래그가 아스팔트 혼합물에 사용된 석회석분(L)를 대체함으로써, 소석회(H)와 같은 화학적 반응을 통해 불용성 염의 침전이 많이 발생하여 골재와 아스팔트 바인더간 접착성능을 향상시켜 나타난 결과인 것으로 판단된다. 한편, 소석회(H)와 정제 서냉 슬래그(S)의 함량이 동일한 경우에는 그 경향이 다소 일정하게 나타나지 않았다. 정제 서냉 슬래그(S)가 1.5% 함유된 공시체는 간접인장강도 비가 90.33%로, 소석회(H) 1.5%가 함유된 공시체의 87.92%보다 다소 높게 측정되었지만, 정제 서냉 슬래그(S)가 2.0% 함유된 공시체의 경우에는 간접인장강도비가 93.16%로 소석회(H) 2.0% 함유된 공시체의 97.62% 보다 낮게 측정되었다. 이러한 결과는 정제 서냉 슬래그(S)와 소석회(H)를 비교하였을 때, 어떠한 재료가 수분저항성에 더 우수하다는 것을 상대적으로 비교할 수 없는 문제인 것으로 판단된다. 하지만 소석회 및 서냉슬래그가 함유된 모든 공시체에서 국토교통부 아스팔트 콘크리트 포장 시공지침에 제시되어 있는 간접인장강도비 품질기준은 모두 만족하는 것으로 나타났다.
또한, 도 3b에 나타내어진 바와 같이, 아스팔트 플랜트 현장에서 제작된 시편의 간접인장강도 시험 결과, 실시예에 따른 정제 서냉 슬래그(S)의 함량이 증가함에 따라 간접인장강도비가 증가하는 경향이 있는 것으로 분석되었다. 이를 통해, 실시예에 따른 정제 서냉 슬래그(S)가 실내 및 현장에서 모두 수분 저항성 향상에 기여하는 것을 확인할 수 있다. 정제 서냉 슬래그(S)가 함유된 공시체는 3가지 모두 국토교통부 품질기준을 만족하였으나, 정제 서냉 슬래그(S)가 함유되지 않고 회수 더스트(D)와 석회석분(L)이 30:70 비율로 사용 골재 중량 대비 3%만이 채움재로 포함된 공시체(도 3b에서 S0.0_D&L3.0으로 표시된 공시체)는 국토교통부 품질기준을 만족하지 못하는 것으로 분석되었다.
(3) 함부르크 휠트래킹 시험(Hamburg Wheel Tracking Test)
함부르크 휠트래킹 시험은 소성변형과 수분민감도를 동시에 측정할 수 있는 시험으로, AASHTO T 324에 규정되어 있으며, 50℃의 고온의 물에 다짐된 공시체를 침수시켜 705±4.5N의 차륜하중을 반복 재하하여, 매회 침하량을 측정하는 시험법이다. 일반적으로 미국의 주 교통국에서는 20,000회의 차륜하중을 재하하며, 박리가 발생하는 지점이 최소 10,000회 이후 발생하고, 20,000회에서의 침하량이 20 mm를 초과하지 않는 아스팔트 혼합물을 사용하도록 규정하고 있다. 수분민감도의 경우, 함부르크 휠 트래킹 시험 시 침하량 기울기가 급변하는 지점을 박리발생점(Stripping Point)로 규정하며, 박리가 발생하는 지점이 늦게 발생할수록 수분민감도가 우수한 아스팔트 혼합물로 평가한다.
실내에서 제작된 시편의 경우, 아스팔트 혼합물의 중량 대비 채움재의 배합비율이 3%, 2%인 두 가지 경우에 대하여 시험을 수행하였다. 채움재 배합비가 3%인 경우, 정제 서냉 슬래그(S)를 1%, 2%, 3%를 채움재인 석회석분(L)을 대체하여 공시체를 제작하였으며, 비교군으로 국토교통부에서 제시하고 있는 소석회(H) 최대 함량 1.5%의 공시체를 제작하여 시험을 수행하였다. 또한 채움재 배합비 2%의 경우, 정제 서냉 슬래그(S)와 소석회(H)를 각각 1%인 공시체를 제작하여 시험을 수행하였다.
실내에서 제작된 시편의 함부르크 휠트래킹 시험 결과 및 함부르크 휠트래킹 시험 후 공시체의 표면 모습을 각각 도 4a 및 4b에 나타내고, 아스팔트 플랜트 현장에서 제작된 시편의 함부르크 휠트래킹 시험 결과 및 함부르크 휠트래킹 시험 후 공시체의 표면 모습을 각각 도 4c 및 4d에 나타낸다.
도 4a에 나타내어진 바와 같이, 실내에서 제작된 시편의 함부르크 휠트래킹 시험 결과, 철륜하중이 20,000회 통과하였을 때의 침하량은 5~10 mm 범위로 미국에서 규정하고 있는 20 mm 기준을 모두 만족하였다. 비교군으로 분석한 소석회 1.5%의 공시체는 5.87mm의 변형이 발생하였으며, 이는 서냉슬래그 1%와 거의 유사한 결과를 보였다. 채움재 배합비 2%인 경우, 정제 서냉 슬래그(S) 1% 함유된 공시체는 철륜하중 20,000회 통과시 5.70 mm, 소석회(H) 1%의 경우 9.45 mm로, 정제 서냉 슬래그(S) 1%로 함유된 공시체가 소석회(H)보다 다소 소성변형 저항성이 우수한 것으로 나타났다.
또한, 도 4b에 나타내어진 함부르크 휠트래킹 시험 후 공시체의 표면 모습에 따르면, 공시체 표면의 박리 현상이 육안으로 거의 보이지 않았으며, 이는 정제 서냉 슬래그(S) 및 소석회(H) 모두 아스팔트 혼합물에 적용되었을 때, 박리에 대한 저항성을 증진시키는 것을 나타낸다.
한편, 아스팔트 플랜트 현장에서 제작된 시편의 경우, 회수 더스트(D) 및 정제 서냉 슬래그(S)를 사용하여 함부르크 휠트래킹 시험을 수행하였다. 도 4c에 나타내어진 바와 같이, 아스팔트 플랜트 현장에서 제작된 시편의 함부르크 휠트래킹 시험 결과, 철륜하중이 20,000회 통과하였을 때의 침하량은 5~10 mm 범위로 미국에서 규정하고 있는 20 mm 기준을 모두 만족하였으며, 정제 서냉 슬래그(S)가 포함되지 않은 공시체(도 4c에 있어서 D&F 3.0으로 기재된 것)의 경우 가장 많은 변형이 발생한 것을 확인할 수 있다.
또한, 도 4d에 나타내어진 함부르크 휠트래킹 시험 후 공시체의 표면 모습에 따르면, 정제 서냉 슬래그(S)가 함유되지 않은 공시체(도 4d에 있어서 0%로 기재된 것)에서는 시험 후, 표면에 일부 박리 현상이 발생한 것이 관찰된 것에 비하여 정제 서냉 슬래그(S)가 함유된 공시체에서는 박리현상이 발생되지 않은 것을 관찰할 수 있다. 이는 정제 서냉 슬래그(S)가 아스팔트 혼합물 내에서 골재와 아스팔트 바인더 간 부착 성능을 향상시킨 것을 육안으로도 확인 할 수 있는 결과라 할 수 있다.
(4) 선형 점탄성 거동 특성 평가
아스팔트 혼합물의 선형 점탄성 거동 특성을 평가하기 위하여 동탄성 계수 실험을 수행하였으며, 실험은 20, 10, 5, 1, 0.5, 0.1Hz의 하중주기와 5, 20, 40, 54℃ 온도로 수행되었으며, AASHTO TP 62 기준 절차를 따라 수행되었다. 하중레벨은 총 변형률이 50~75㎲을 갖도록 조절하였다.
저온 영역 및 고온 영역에서의 동탄성 계수 시험 결과를 각각 도 5a 및 5b에 나타낸다. 도 5a 및 5b는 기준온도 5℃에서의 서냉슬래그 함량별 저온 및 고온에서의 동탄성 계수 마스터 커브를 보여준다. 일반적으로 높은 하중주기(또는 저온)에서 낮은 강성(stiffness)을 나타내고, 낮은 하중주기(또는 고온)에서는 높은 강성을 가지는 혼합물이 소성변형 및 균열 저항성에 우수한 혼합물로 평가된다. 도 5a 및 5b에 도시된 바와 같이 하중주기의 크기와 관계 없이, 정제 서냉 슬래그 0%인 아스팔트 혼합물(Slag-0)과 정제 서냉 슬래그 1%, 2%(Slag-1, Slag-2)인 아스팔트 혼합물의 온도에 따른 동탄성계수의 변화는 큰 차이를 보이지 않았다. 이는, 정제 서냉 슬래그가 아스팔트 혼합물에 투입된다고 하더라도 아스팔트 혼합물의 점탄성 거동 특성은 변화하지 않는다는 것을 의미하며, 아스팔트 콘크리트 포장의 역학적 거동 특성에 변화를 주지 않기 때문에 아스팔트 콘크리트용으로 사용 가능함을 의미한다.
(5) 소형 포장 가속 시험(Model Mobile Load Simulator)
MMLS3는 현장 및 실내에서도 사용 가능한 장비로 full scale asphalt pavement test를 1/3로 축소한 장비로, 한 방향으로 차량 하중을 모사할 수 있도록 설계된 장비이다. 소형 포장 가속 시험은 온도 조절이 가능한 환경 챔버 내에 MMLS3을 설치한 후 교통 하중을 부가함으로써 다양한 온도에서의 포장 성능을 평가할 수 있다. MMLS3를 활용한 아스팔트 포장의 공용성 시험은 규격화 되어 있지는 않으나, 세계적으로 많은 연구들이 MMLS3 장비를 활용하여 추진되고 있다. MMLS3를 활용함으로써, 피로 균열, 소성변형, 표면 마모 저항성, 섬유보강 덧씌우기 포장 성능, 현장 포장 공용성 등의 도로포장의 성능을 평가할 수 있기 때문이다.
본 시험에서도, 정제 서냉 슬래그 함량별로 아스팔트 혼합물 슬래브를 30*30*10 cm 크기로 제작하여 실험을 수행하였으며, 실험 시 공시체 내에 물을 지속적으로 주입하여 수중에서의 공시체의 박리 정도를 평가하였다. 평가 결과를 도 6에 나타낸다.
도 6에 나타내어진 바와 같이, 정제 서냉 슬래그가 함유되지 않은 일반 아스팔트(도 6에 0%로 표시된 것)의 경우, MMLS3 하중을 80,000회 통과 시 아스팔트 포장면의 박리 정도가 육안으로도 확인할 수 있을 정도로 박리가 일어난 것을 확인할 수 있었으며, 정제 서냉 슬래그의 함유량이 증가할수록 박리가 많이 일어나지 않은 것을 확인할 수 있었다.
이상의 평가 결과로부터, 본 발명에 따른 정제 서냉 슬래그를 포함하는 아스팔트 혼합물용 박리방지제는 특정 공정에 의해 수분 저항성을 발휘하도록 조절된 조성을 포함함으로써, 아스팔트 혼합물에 적용되는 경우 소석회와 유사하게 수분 저항성을 발휘할 수 있으며, 이와 동시에 소성변형 저항성, 인장강도, 도로포장으로서의 공용성과 같은 아스팔트 혼합물로서의 다른 물성을 충족할 수 있음을 확인할 수 있다. 따라서, 정제 서냉 슬래그를 포함하는 아스팔트 혼합물용 박리방지제는 아스팔트 혼합물의 고온 및 저온에서의 공용성 저하를 발생시키지 않고 아스팔트 혼합물에 적용될 수 있으며, 수분 저항성을 포함하는 우수한 물성을 발휘하는 것과 함께 경제적 효율성 및 친환경성을 높일 수 있다.
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 (21)

  1. 정제 서냉 슬래그를 포함하는 아스팔트 혼합물용 박리방지제로서,
    상기 정제 서냉 슬래그는, 슬래그로부터 철질 물질을 선별하고, 잔류하는 비착 물질에서 CaO, SiO2, Al2O3 및 MgO를 포함하는 비철 물질의 집진 회수율을 증가시킴으로써, CaO 55~65 질량%, SiO2 5~10 질량%, Al2O3 1~5 질량% 및 MgO 1~5 질량%를 포함하며, 아스팔트 혼합물의 골재 표면에 칼슘 이온을 침전시켜 아스팔트에 함유된 산과 결합하여 불용성 염을 형성함으로써 아스팔트와 골재의 접착 성능을 향상시키는 것을 특징으로 하는
    아스팔트 혼합물용 박리방지제.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 정제 서냉 슬래그는 MnO, Na2O, K2O, P2O5 및 TiO2로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상을 더 포함하는
    아스팔트 혼합물용 박리방지제.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 아스팔트 혼합물용 박리방지제는 분말 형태인
    아스팔트 혼합물용 박리방지제.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 아스팔트 혼합물용 박리방지제는 KS F 3501에 규정된 조건을 만족하는
    아스팔트 혼합물용 박리방지제.
  5. 정제 서냉 슬래그를 포함하는 아스팔트 혼합물용 박리방지제의 제조방법으로서, 상기 방법은
    a) 철강 슬래그를 입도 분리하여 기준 직경 이하의 슬래그를 수집하는 단계;
    b) 상기 a) 단계로부터 수집된 슬래그로부터 철질 물질을 선별한 후 잔류하는 비착 물질을 수집하는 단계;
    c) 상기 b) 단계로부터 수집된 비착 물질에 대하여 수분 코팅 공정을 수행하는 단계; 및
    d) 상기 c) 단계로부터 얻어진 물질을 건조하는 단계를 포함하며,
    상기 정제 서냉 슬래그는 CaO 55~65 질량%, SiO2 5~10 질량%, Al2O3 1~5 질량% 및 MgO 1~5 질량%를 포함하고, 아스팔트 혼합물의 골재 표면에 칼슘 이온을 침전시켜 아스팔트에 함유된 산과 결합하여 불용성 염을 형성함으로써 아스팔트와 골재의 접착 성능을 향상시키며,
    상기 c) 단계에서의 수분 코팅에 의해 후속되는 상기 d) 단계에서 CaO, SiO2, Al2O3 및 MgO를 포함하는 비철 물질의 휘발 및 비산이 용이하게 되어 집진 회수율을 높이는 것을 특징으로 하는
    아스팔트 혼합물용 박리방지제의 제조방법.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 수분 코팅 공정은 스프레이 노즐에 의해 수돗물 또는 정제수를 분당 3~5 kg의 비율로 공급함으로써 수행되는
    아스팔트 혼합물용 박리방지제의 제조방법.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 a) 단계는,
    철강 슬래그를 입도 분리하여 제1 기준 직경 이하의 슬래그를 수집하는 제1 단계;
    상기 제1 단계에서 수집된 슬래그를 입도 분리하여 상기 제1 기준 직경보다 작은 제2 기준 직경 이하의 슬래그를 수집하고, 제2 기준 직경을 초과하는 슬래그로부터 철질 물질을 선별하고 잔류하는 비착 물질을 수집하는 제2 단계;
    상기 제2 단계로부터 수집된 비착 물질에 대하여 파쇄 공정을 수행하여 상기 제2 기준 직경 이하의 슬래그를 수집하는 제3 단계; 및
    상기 제2 단계로부터 수집된 제2 기준 직경 이하의 슬래그 및 상기 제3 단계로부터 수집된 제2 기준 직경 이하의 슬래그를 취합하는 제4 단계를 포함하는
    아스팔트 혼합물용 박리방지제의 제조방법.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 제2 단계에서 철질 물질의 선별은 자력 선별에 의해 수행되는
    아스팔트 혼합물용 박리방지제의 제조방법.
  9. 제5항에 있어서,
    상기 b) 단계에서 철질 물질의 선별은 자력 선별 및 풍력 선별에 의해 수행되는
    아스팔트 혼합물용 박리방지제의 제조방법.
  10. 제5항에 있어서,
    상기 d) 단계에서 건조는 수분 함유량이 2 중량% 이하가 되도록 수행되는
    아스팔트 혼합물용 박리방지제의 제조방법.
  11. 제5항에 있어서,
    상기 d) 단계 후에,
    건조된 물질을 집진 설비에 의해 집진하는 단계; 및
    집진된 물질에 대하여 품질 균일화 공정을 수행하는 단계를 더 포함하는
    아스팔트 혼합물용 박리방지제의 제조방법.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 품질 균일화 공정은, 에어 슬라이드를 이용하여 수분 함량을 1 중량% 이하가 되도록 하고, 수분 분포를 균일하게 조정하는 것을 포함하는
    아스팔트 혼합물용 박리방지제의 제조방법.
  13. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 따른 아스팔트 혼합물용 박리방지제, 골재 및 아스팔트를 포함하는 아스팔트 혼합물.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 아스팔트 혼합물용 박리방지제는 골재 중량을 기준으로 0.5 내지 6.0 중량%의 함량으로 포함되는
    아스팔트 혼합물.
  15. 제13항에 있어서,
    상기 아스팔트와 상기 골재의 중량 비율은 3.5:96.5 내지 6.0:94.0의 범위인
    아스팔트 혼합물.
  16. 제5항 내지 제12항 중 어느 한 항에 따라 아스팔트 혼합물용 박리방지제를 제조하는 단계;
    가열된 아스팔트에 상기 아스팔트 혼합물용 박리방지제를 투입하여 균일하게 혼합하는 단계; 및
    혼합물을 가열된 골재에 투입하여 혼합하는 단계를 포함하는
    아스팔트 혼합물의 제조방법.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 아스팔트 혼합물용 박리방지제는 골재 중량을 기준으로 0.5 내지 6.0 중량%의 함량으로 포함되는
    아스팔트 혼합물의 제조방법.
  18. 제16항에 있어서,
    상기 아스팔트와 상기 골재의 중량 비율은 3.5:96.5 내지 6.0:94.0의 범위인
    아스팔트 혼합물의 제조방법.
  19. 삭제
  20. 삭제
  21. 삭제
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