KR101986760B1 - 탄소나노튜브를 이용한 자기치유 아스팔트 혼합물 - Google Patents

Abstract

본 발명은 아스팔트 바인더, 탄소나노튜브, 골재를 포함하는 탄소나노튜브를 이용한 자기치유 아스팔트 혼합물에 관한 것이다.

Description

탄소나노튜브를 이용한 자기치유 아스팔트 혼합물{Self-healing asphalt mixture using carbon nanotubes}

본 발명은 탄소나노튜브가 포함된 아스팔트 혼합물에 관한 것으로, 균열의 자기치유가 가능하도록 하는 자기치유 아스팔트 혼합물에 관한 것이다.

아스팔트 혼합물은 아스팔트 바인더와 조골재 및 세골재를 포함한 골재 등을 이용하여 만들어진다.

이러한 아스팔트 혼합물에 의한 포장구조는 온도변화에 따라 반복 팽창, 수축과 차량통행에 의한 정적, 동적하중 등에 의해 포장표면의 일부가 부분적으로 갈라지는 균열이 발생한다. 포장면에 발생한 균열에 수분이 침투할 경우 균열은 확장되고 이는 결국 포트홀 등 심각한 포장파손으로 이어지고 이는 차량 통행에 지장을 주고 도로 이용자의 안전을 위협할 수 있다.

일반적으로 아스팔트 혼합물에 의한 포장구조에 발생한 균열을 보수하기 위해 손상된 부위를 유화제로 충진하여 보수하는 방법을 사용하고 있다. 그러나 유화제로 균열부를 충진하는 보수방법은 유화제가 발생 균열 내부까지 충분히 침투하지 못해 완벽한 균열 보수가 불가능한 실정이다.

한편 최근 균열저감을 위한 건설기술 동향을 살펴보면 스마트 구조물, 인텔리전트 재료의 개념이 대두되면서 콘크리트 균열을 스스로 치유할 수 있는 자기치유 기술에 관한 연구 및 검토가 수행되고 있다. 자기치유 성능을 부여한 구조물은 균열이 발생할 경우 균열을 스스로 탐지하여 균열 발생 초기에 치유할 수 있으므로 일반적인 구조물의 유지보수에 따른 시간, 노력 및 비용을 크게 절감할 수 있으며, 특히 사람이 쉽게 접근하기 어려운 구조물의 경우에도 효과적으로 보수를 수행할 수 있는 장점이 있다. 반면 자기치유를 적용한 구조물은 일반적인 구조물과 비교하여 초기 투자비용이 발생하게 되는 단점은 있다. 그러나 균열 발생시 균열이 스스로 치유되기 때문에 추후 유지관리 비용 절감에 따른 경제성 효과가 더욱 큰 것으로 나타나고 있다.

대한민국 특허등록 제10-1524934호

본 발명은 아스팔트 혼합물에 의한 포장구조에 있어 미세균열의 자기치유가 가능하고 간단한 조치에 의해 균열이 봉합될 수 있도록 하는 자기치유 아스팔트 혼합물을 제공하고자 함이다.

상술한 문제점들을 해결하기 위한 수단으로 본 발명의 탄소나노튜브를 이용한 자기치유 아스팔트 혼합물(이하 "본 발명의 혼합물"이라함)은, 아스팔트 바인더, 탄소나노튜브, 골재를 포함하는 것을 특징으로 한다.

하나의 예로 상기 자기치유 아스팔트 혼합물은 마이크로파의 조사에 의해 균열봉합이 이루어지는 것을 특징으로 한다.

하나의 예로 상기 탄소나노튜브는 탄소나노튜브와 물이 포함된 수분산액이 일정온도 하에서 용융되는 외피층에 내재된 캡슐형태로 포함되는 것을 특징으로 한다.

하나의 예로 상기 탄소나노튜브는 실리카로 표면코팅이 된 것을 특징으로 한다.

하나의 예로 아스팔트 바인더와 탄소나노튜브를 선배합한 후에 골재 및 첨가제를 후배합하는 것을 특징으로 한다.

이상에서 설명한 바와 같이 본 발명의 혼합물은 탄소나노튜브를 이용하여 미세균열에 대해 자기치유가 이루어지도록 하면서 비교적 큰 균열에 대해서는 간단한 조치에 의해 균열이 봉합되도록 함으로써 유지 및 관리의 용이성을 높일 수 있는 장점이 있다.

또한, 본 발명의 혼합물은 탄소나노튜브의 분산성을 향상시켜 자기치유 등 균열에 대한 저항성을 더욱 높이도록 할 수 있는 장점이 있다.

또한, 본 발명의 혼합물은 탄소나노튜브의 열화에 대한 저항성을 높여 사후적인 균열봉합의 효율을 높이도록 할 수 있는 장점이 있다.

도 1은 본 발명의 혼합물을 이용한 시편의 사진이고,
도 2는 도 1에 도시된 시편에 마이크로파를 조사하는 과정을 나타내는 사진이고,
도 3은 본 발명의 일 구성인 탄소나노튜브 일예의 작동상태도이다.

이하, 본 발명의 구성 및 작용을 첨부된 도면에 의거하여 좀 더 구체적으로 설명한다. 본 발명을 설명함에 있어서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 발명자가 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.

본 발명의 혼합물은, 아스팔트 바인더, 탄소나노튜브, 골재를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 아스팔트 바인더는 일반아스팔트 또는 순수아스팔트 그 종류를 한정하지 않으며 일반아스팔트와 순수아스팔트를 배합하여 사용될 수도 있다. 여기서 순수아스팔트라함은 천연아스팔트로부터 광물이 제거된 것을 정의하는 것으로 천연아스팔트는 벌크형태를 가지는 바, 천연아스팔트에는 탄산칼슘을 주성분으로 하는 광물이 포함되어 있다.

이렇게 천연아스팔트에는 광물이 포함되므로 천연아스팔트를 그대로 사용하는 경우 조성 간 부착력을 저하시키는 등으로 밀실하고 내구성 있는 페이스트의 형성을 방해하는 요인으로 작용하므로 바람직하게는 순수아스팔트를 사용하여야 한다.

상기 탄소나노튜브(CNT)는 본 발명의 혼합물에서 발열기능이 발현되도록 하는 것으로 탄소나노튜브는 탄소 6개로 이루어진 육각형들이 관모양으로 연결된 원통 모양의 신소재로 1991년 일본 NEC 연구소에서 처음 발견되었다.

이러한 탄소나노튜브는 가벼운 무게, 높은 기계적 강성, 우수한 전기전도성과 높은 열전도율 등의 물리적 성질을 가지고 있는 바, 본 발명의 혼합물에서 탄소나노튜브가 혼합되도록 하는 이유는 본 발명의 혼합물을 이용한 아스팔트 포장구조는 필연적으로 발생되는 미세균열에 대해 자기치유가 가능하도록 하는 것이며, 이하에서 설명할 마이크로파의 조사를 통해 아스팔트 포장구조의 온도를 개략적으로 깊이 5 ~ 7cm 까지 1분 동안 80℃ 이상으로 상승시키도록 함으로써 이러한 온도상승에 의해 탄소나노튜브의 분자간 결합력을 통해 균열봉합의 효과가 발현되도록 하기 위한 것이다.

또한 마이크로파의 조사에 의해 아스팔트 포장구조가 60 ~ 80℃가 되어 다짐이 가능한 온도가 되기 때문에 롤러 등 다짐을 통해 상기에서 언급한 바와 같이 탄소나노튜브 간 분자결합을 촉진시켜 폭 1 ~ 5㎜의 균열의 봉합효율을 배가시킬 수 있게 되는 것이다.

상기 골재의 입도는 12.5mm가 100~90%, 4.75mm가 74-44mm, 2.36mm가 58-28%, 0.3mm가 21-5, 0.075mm가 10-2%로 구성됨이 타당하다.

이러한 본 발명의 혼합물에 의해 아스팔트 포장구조가 시공이 되는 것이며, 이러한 아스팔트 포장구조는 상기에서 언급한 바와 같이 다양한 원인에 의해 균열이 발생되는 바, 본 발명에서는 미세균열에 대해 자기치유가 이루어지도록 함과 동시에 사후적으로 마이크로파의 조사에 의해 균열이 봉합되도록 하여 균열에 대한 저항성을 향상시키도록 하는 것이다.

바람직하게 2.45GHz의 마이크로파를 45 ~ 60초간 조사하여 균열 치유효과가 발현되도록 하는 것이 타당하다. 상기에서 언급한 바와 같이 이러한 마이크로파의 조사에 의해 내부에 혼합되어 있는 탄소나노튜브의 작용으로 아스팔트 포장구조의 표면으로부터 개략적으로 5 ~ 7cm 까지 균열이 치유되도록 할 수 있는 것이다. 즉 간단한 조치에 의해서도 표면에서 어느 정도의 깊이까지 균열이 봉합되도록 하여 유지 및 관리가 용이하도록 하는 것이다.

여기서 사후적으로 아스팔트 포장구조에 마이크로파의 조사는 다양한 공지기술에 의해 구현이 가능하므로 그 상세 설명은 생략한다.

한편 상기에서 언급한 균열봉합의 효과가 제대로 발현되기 위해서는 상기 탄소나노튜브의 균일한 분산이 전제가 되어야 한다.

이를 위해 본 발명에서는 하나의 실시예로서 도 3에서 보는 바와 같이 본 발명의 혼합물에 탄소나노튜브를 혼합하되, 탄소나노튜브는 탄소나노튜브와 물이 포함된 수분산액(12)이 일정온도 하에서 용융되는 외피층(11)에 내재된 캡슐형태(1)로 혼합되는 예를 제시하고 있다.

이와 같이 캡슐형태(1)로 혼합되도록 하는 이유는 배합되는 과정에서 아스팔트 바인더, 골재 등 타 조성과의 마찰 등에 의해 탄소나노튜브의 내구성이 저하되는 것을 제어하기 위한 것이며 특히 캡슐형태(1)로 배합됨에 의해 균일한 분산이 이루어지도록 하기 위한 것이다.

균일한 분산이 이루어지는 이유는 탄소나노튜브 간의 응집을 제어할 수 있게 되는 점과 탄소나노튜브만을 첨가하는 경우 탄소나노튜브의 비중이 작아 탄소나노튜브가 부유하는 문제가 있는데 캡슐형태(1)로 혼합시켜 비중에 의한 부유의 문제를 제어할 수 있는 점 등에 의해 균일한 분산이 이루어지는 것이다.

이렇게 캡슐형태(1)로 혼합되어 균일한 분산이 이루어진 상태로 배합이 이루어지도록 하는 것이며, 사후적으로 균열봉합시는 상기에서 언급한 바와 같이 마이크로파가 조사되도록 하는 것이고 마이크로파(E)의 조사에 의해 도 3에서 보는 바와 같이 일정온도(60 ~ 80℃)에서 상기 외피층(11)이 용융되어 외피층(11)에 내재된 탄소나노튜브가 포함된 수분산액(12)이 페이스트로 유출되어 상기에서 언급한 바와 같이 탄소나노튜브 간의 분자결합력을 통해 균열봉합이 이루어지는 것이다.

상기 외피층(11)의 재질은 그 종류를 한정하지 않으나 상기에서 언급한 바와 같이 마이크로파의 조사에 의한 일정온도(60 ~ 80℃) 도달시 용융이 되는 재질이 사용되어야 한다.

한편 본 발명에서는 탄소나노튜브의 분산성을 향상시키고 탄소나노튜브의 열, 마모 등에 의한 열화에 의한 기능저하를 방지하기 위한 실시 예로서 본 발명의 혼합물에는 실리카로 표면이 코팅 된 탄소나노튜브가 혼합되도록 하는 예를 제시한다.

상기에서 언급한 바와 같이 탄소나노튜브는 비중이 비교적 작아 본 발명의 혼합물에 개질이 않된 탄소나노튜브를 혼합하는 경우 배합 및 양생과정에서 탄소나노튜브의 일부가 표면쪽으로 부유되어 균일한 분산이 이루어지지 않는 문제가 있을 수 있는데 본 실시 예에서는 실리카로 표면이 코팅 된 탄소나노튜브가 혼합되도록 하여 이러한 부유의 문제가 제어되도록 하는 것이다.

또한 개질되지 않은 탄소나노튜브의 경우 보관과정, 배합과정 및 시공후에 외부의 온도변화에 노출되어 피로에 의한 열화가 발생될 수 있으며 이러한 열화는 상기에서 언급한 자기치유 즉 탄소나노튜브의 분자간결합력을 약화시켜 균열에 대한 치유능력의 발현을 기대할 수 없는 문제가 있을 수 있다. 또한 본 발명의 혼합물의 경우 골재와 배합과정을 거치게 되는 바, 골재와 탄소나노튜브의 충돌에 의해 탄소나노튜브의 열화가 발생될 수 있다.

이에 본 실시 예에서는 열, 마모 등에 의한 열화에 대한 저항성이 향상된 실리카로 표면이 코팅 된 탄소나노튜브가 혼합되도록 하는 것이다. 즉 실리카로 표면이 코팅 된 탄소나노튜브는 개질되지 않은 탄소나노튜브에 비해 내열성 및 내마모성이 향상되는 것이다.

여기서 탄소나노튜브의 표면에 실리카를 코팅시키는 방법은 다양한 공지기술이 존재하는 바, 예로 탄소나노튜브를 산성용액에 침지시켜 산성용액에 의해 처리된 탄소나노튜브의 pH가 중성이 되도록 수세하고 건조시켜 탄소나노튜브의 표면을 개질토록 하고 표면이 개질된 탄소나노튜브를 톨루엔과 벤질알코올이 담겨있는 반응기에 넣어 초음파를 조사시키고 규산나트륨 수용액을 첨가하여 반응시킴에 따라 탄소나노튜브의 표면에 실리카를 코팅시킬 수 있다.

또한 본 발명에서는 아스팔트 바인더와 탄소나노튜브를 선배합 한 후에 골재를 후배합 하도록 함으로써 탄소나노튜브의 분산성을 향상시키도록 하는 예도 제시한다.

이하 본 발명의 실시 예를 실험예를 통해 설명한다.

이하에서는 본 발명의 혼합물의 전기전도성과 열전도율 평가를 위해 마이크로파 노출실험을 수행하였다. 수행에 사용된 시편은 아스팔트 바인더의 피복두께 증가와 혼합물의 연속성 확보를 위해 13㎜ 밀입도 아스팔트 혼합물 입도를 적용하였다. 하기 표 1은 시편에 적용되는 입도이다.

혼합물 제조를 위해 사용한 아스팔트 바인더는 공용성(PG, Perfomance Grade) 64-44 등급의 스트레이트 아스팔트 바인더를 사용하였다. 실험에 사용된 시편은 도 1에 도시되는 바와 같다.

실험방법은 상온(22~25℃)에서 하루 이상 노출된 탄소나노튜브를 혼입한 아스팔트 혼합물 시편을 도 2의 Microwave Oven에서 일정시간 2.45 GHz의 마이크로파를 조사시켜 상승하는 시편의 온도를 측정하였다. 실시 예 1은 개질되지 않은 탄소나노튜브가 혼입된 예이며, 실시 예 2는 캡슐형태로 혼입된 예이고, 실시 예 3은 표면에 실리카가 코팅된 탄소나노튜브가 혼입된 예이며, 비교예는 탄소나노튜브가 혼입되지 않은 일반 아스팔트 혼합물에 의한 시편이다.

실험결과가 하기 표 2에 도시되고 있는 바, 표 2에서 보는 바와 같이 실시예들은 마이크로파 조사에 따라 80℃까지 시편 온도가 상승하는데 1분 내로 소요되는 것으로 측정되었다. 반면 비교예의 경우 2분 30초 정도 소요되었다. 실시예의 경우도 실시예 2 및 3의 경우가 실시예 1의 경우보다 빠른 시간에 80℃까지 시편 온도가 상승하는 것을 알 수 있는데 이는 실시예 2 및 3의 경우가 실시예 1의 경우보다 탄소나노튜브의 분산성이 향상됨에 기인한 것으로 판단된다.

일반적으로 60 ∼ 80℃ 온도에서 아스팔트 혼합물 다짐이 가능함을 감안할 경우 탄소나노튜브가 첨가된 아스팔트 혼합물은 마이크로파 조사로 깊이 5 ∼ 7 ㎝까지 단시간 내에 혼합물 온도를 상승시킬 수 있는 것으로 나타났다.

한편 상기에서 언급한 바와 같이 탄소나노튜브의 균일한 분산이 자기치유를 위한 중요한 요인인데 이하에서는 다른 원인에 의한 탄소나노튜브의 분산성을 검토하였다.

일반적으로 아스팔트 혼합물은 고온으로 가열된 골재에 아스팔트 바인더를 투입, 혼합하여 생산한다. 분산성 효과 검토를 위해 하기 표 3과 같이 탄소나노튜브교반·혼합방식을 달리하여 시편의 발열성능을 평가하였다.

실험결과가 하기 표 4에 도시되고 있는데, 표 4에서 보는 바와 같이 아스팔트 바인더, 골재와 탄소나노튜브를 동시에 투입하여 혼합할 경우 시편의 상부온도의 경우 1분 만에 78℃까지 상승하나 상부와 하부 온도의 차이가 6℃ 정도 발생하며, 골재 Pre-Mix 방식의 경우도 상·하부 온도 차이가 3℃정도 발생하는 것으로 측정되었다. 반면 아스팔트 바인더 Pre-Mix 방식의 경우 시편 상·하부의 차이가 없는 것으로 나타났다.

상기에서 보는 바와 같이 탄소나노튜브를 아스팔트 바인더에 사전 교반후 골재를 혼합하여 아스팔트 혼합물을 제조하는 것이 탄소나노튜브 분산성을 극대화하여 발열반응을 통해 자기치유 효과를 배가시킬 수 있는 것으로 나타났다.

이상 설명한 내용을 통해 당업자라면 본 발명의 기술사상을 일탈하지 아니하는 범위에서 다양한 변경 및 수정 가능함을 알 수 있을 것이다. 따라서, 본 발명의 기술적 범위는 명세서의 상세한 설명에 기재된 내용으로 한정되는 것이 아니라 특허청구범위에 의해 정해져야만 할 것이다.

1 : 캡슐형태 11 : 외피층
12 : 수분산액

Claims (5)

1. 아스팔트 바인더, 탄소나노튜브, 골재를 포함하되, 분산성 향상 및 열화에 대한 저항성을 향상시키기 위해 상기 탄소나노튜브는 실리카로 표면코팅이 된 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브를 이용한 자기치유 아스팔트 혼합물.
   
2. 제 1항에 있어서,
   상기 자기치유 아스팔트 혼합물은 마이크로파의 조사에 의해 균열봉합이 이루어지는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브를 이용한 자기치유 아스팔트 혼합물.
   
3. 제 2항에 있어서,
   상기 탄소나노튜브는 탄소나노튜브와 물이 포함된 수분산액이 일정온도 하에서 용융되는 외피층에 내재된 캡슐형태로 포함되는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브를 이용한 자기치유 아스팔트 혼합물.
   
4. 삭제
5. 제 1항에 있어서,
   아스팔트 바인더와 탄소나노튜브를 선배합한 후에 골재 및 첨가제를 배합하는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브를 이용한 자기치유 아스팔트 혼합물.

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