KR102009342B1 - 상온 경화형 재활용 아스팔트 혼합물 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 상온 경화형 재활용 아스팔트 혼합물에 관한 것으로, 순환골재85중량%;, 물2중량%;, 시멘트1중량%;, 개질 유화아스팔트5중량%; 및 무기질 합성 혼화제7중량%;를 포함하여 상온 경화형 재활용 아스팔트 혼합물을 형성하되, 상기 무기질 합성 혼화제는 포졸란 합성물질 60중량%; 강도촉진 활성화제 30중량%; 및 분산제 10중량%;를 포함하여 형성하므로; 상온에서의 경화속도가 빨라 작업시간을 단축함과 동시에 충분한 내구성을 증가시켜 균열을 방지할 수 있도록 함과 동시에 순환골재를 활용하더라도 조기강도 발현 및 내구성을 향상시킬 수 있도록 할 뿐만 아니라 소성변형이나 피로균열에 대한 저항성을 높여 내구성을 향상시켜 아스팔트 및 콘크리트 포장은 물론 이들의 부분 파손, 폐임 보수, 바닥 보수 등에 효율적으로 적용할 수 있도록 하는 것이다.

Description

상온 경화형 재활용 아스팔트 혼합물{ordinary temperature hardening recycled asphalt mixture}
본 발명의 상온 경화형 재활용 아스팔트 혼합물에 관한 것으로, 상세하게는 상온 경화성을 증대시켜 양생시간을 최단으로 줄임은 물론 골재와의 결합력을 증대시켜 변형이나 균열에 대한 저항성을 향상시킬 수 있도록 하는 재활용 아스팔트 혼합물에 관한 것이다.
통상적으로, 아스팔트 포장 시에는 아스팔트 조성물을 도포한 후 열을 가하여 포장하거나 또는 상온 아스팔트조성물을 이용하여 상온 경화 포장하는 방법으로, 아스팔트 콘크리트 포장은 시멘트 콘크리트 포장과 함께 대표적인 도로포장 공법이다.
여기서 아스팔트 콘크리트 포장은 강성체인 시멘트 콘크리트 포장과 달리 아스팔트 콘크리트 포장은 탄성 및 다층 포장체(표층, 기층, 보조기층)의 특성을 가지고 있고, 아스팔트 포장의 종류에는 크게 가열식과 비가열식(상온)으로 나뉜다.
그러나 아스팔트 포장 시 열을 가하는 경우, 높은 열이 필요로 하고, 그 열에 의해 아스팔트 성분이 열 산화되기 때문에 동절기와 같이 급격한 온도의 변화가 일어나는 경우, 균일이 발생하여 시공한 포장의 수명이 길지 못하는 단점이 있었다.
나아가, 비가열식 아스팔트 콘크리트 포장인 상온 재활용 아스팔트 포장공법은 가열식 아스팔트 콘크리트 포장의 아스팔트 바인더는 감온성(고온 : 액체상태, 저온 : 고체상태)을 가지고 있어 고온의 아스팔트 바인더가 낮은 온도로 떨어지면 경화되는 양생의 원리를 가지고 있다.
이러한 상온 경화 가능한 아스팔트 조성물을 이용하여 포장하는 경우, 열을 부과하는 과정이 생략됨에 따라 열에 따른 아스팔트의 산화가 방지되고, 따라서 장기 사용에 따르거나 하중 크고 빈번한 자동차 운행에 따라서도 균열에 대한 저항성이 유지되는 장점이 있지만, 종래의 상온 아스팔트 포장용 조성물은 골재와 충분히 결합되지 않고, 내구성 등의 물성에서 개선의 여지가 있어서 아스팔트 시공 시 충분히 사용되지 못하는 단점이 있었다.
더욱이 폐아스팔트 및 폐아스콘을 분쇄하여 제조하는 재활용 골재를 사용하는 재활용 아스팔트 시공 조성물을 이용하여 포장하는 경우에는, 상온 경화 아스팔트 조성물의 경화시간이 더욱 길어지고, 내구성이 더욱 열세를 나타내어 그 사용에서 한계점으로 작용하였다.
특히 상온 재활용 아스팔트 콘크리트는 바인더로 유화아스팔트(물과 아스팔트가 겹합된 형태)를 사용하며, 상온에서 액체상태로 존재하고 있다가 유화아스팔트 내의 물이 증발되면서, 물과 미세한 아스팔트 입자가 분리되면서 잔류되는 아스팔트에 의해 바인더 역할을 하는 원리를 가지고 있다.
이러한 이유로 일반적인 상온 재활용 아스팔트 포장은 시공후 환경조건온도, 습도 등)에 따라 많은 양생기간(약 7~20일)이 필요하며, 양생기간 동안에는 어떠한 작업도 진행할 수 없다.
또한, 기존의 상온 재활용 아스팔트 포장은 양생속도가 느려서 시공 완료 후 초기강도가 발현되어 48시간(2일) 이내에 코어를 채취하여 시공관리 시험(포장두께, 다짐밀도 등)을 측정하라는 국토교통부 지침(아스팔트 콘크리트 포장 시공 지침, 2017년 개정)을 이행할 수 없을 정도로 양생이 이루어지지 않는 문제점이 있었다.
종래의 기술로는 대한민국 등록특허 제10-1648723호(발명의 명칭: 상온 경화형 재활용 아스팔트 혼합물 제조용 개질 유화아스팔트 조성물 및 그 제조 방법) 등이 있다.
따라서 본 발명의 주 목적은, 단시간 내에 경화하도록 하여 추후 작업을 신속하게 수행할 수 있도록 하므로 전체 공사기간을 최소로 줄임과 동시에 충분한 내구성으로 크랙이 파손을 방지할 수 있도록 하는 상온 경화형 재활용 아스팔트 혼합물을 제공하는 데 있다.
또한 본 발명의 다른 목적은 순환골재를 사용하더라도 조기강도 발현 및 내구성을 충분하게 충족시킬 수 있도록 하는 상온 경화형 재활용 아스팔트 혼합물을 제공하는 것이다.
또한 본 발명의 다른 목적은 충분하고 향상된 강도의 발현으로 소성변형이나 피로균열에 대한 저항성을 높여 내구성을 향상시켜 아스팔트 및 콘크리트 포장은 물론 이들의 부분 파손, 폐임 보수, 바닥 보수 등 다양한 작업을 수행할 수 있도록 하는 상온 경화형 재활용 아스팔트 혼합물을 제공하는 것이다.
상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 상온 경화형 재활용 아스팔트 혼합물은 순환골재, 물, 시멘트, 개질 유화아스팔트 및 무기질 합성 혼화제를 포함하여 이루어짐을 특징으로 한다.
특히, 상기 상온 경화형 재활용 아스팔트 혼합물의 무기질 합성 혼화제는 고로슬래그. 플라이 애시, 연소재, 제올라이트계 유동 접촉 분해 순환 촉매로 이루어진 포졸란 합성물질과; 망초, 탈황석고, 정련슬래그로 이루어진 강도촉진 활성화제; 및 나프탈렌계, 리그닌계, 폴리카르본산계 중에서 적어도 하나를 선택하여 이루어진 분산제를 포함하여 이루어짐을 그 기술적 구성상 기본 특징으로 한다.
여기서 순환골재는 국토교통부의 아스팔트 콘크리트 포장의 기층용 상온 재활용 아스팔트 혼합물(BB-2CR)의 입도 기준을 준수하는 순환골재와 채움재를 사용함이 바람직하다.
따라서 본 발명의 상온 경화형 재활용 아스팔트 혼합물은 상온 재활용 아스팔트 혼합물이 현장의 상온 상태에서 빠른 양생이 이루어지고 단기간(시공후 2일)만에 초기강도를 충분하게 발현하는 순환골재 혼합용 개질유화아스팔트 및 무기질 합성 혼화제를 제공하도록 하는 것으로, 특히 상온에서의 경화속도가 빨라 작업시간을 단축함과 동시에 충분한 내구성을 증가시켜 균열을 방지할 뿐만 아니라 순환골재를 활용하더라도 조기강도 발현 및 내구성을 향상시킬 수 있도록 하고 소성변형이나 피로균열에 대한 저항성을 높여 내구성을 향상시켜 아스팔트 및 콘크리트 포장은 물론 이들의 부분 파손, 폐임 보수, 바닥 보수 등에 효율적으로 적용할 수 있도록 하는 효과가 있다.
본 발명의 상온 경화형 재활용 아스팔트 혼합물은 순환골재85중량%; 물2중량%; 시멘트1중량%; 개질 유화아스팔트5중량%; 및 무기질 합성 혼화제7중량%;를 포함하여 이루어짐이 바람직하다.
상기 순환골재를 80~100중량%를 사용하되, 순환골재는 국토교통부의 아스팔트 콘크리트 포장의 기층용 상온 재활용 아스팔트 혼합물(BB-2CR)의 입도 기준을 준수하는 순환골재와 채움재를 사용한 것으로, 20mm 순환골재 35중량%, 13mm 순환골재 63중량%, 및 채움재2중량%를 적용하여 합성입도를 결정함이 이상적이다.
상기와 같이 순환골재의 합성된 입도에 대해 최적 물 함량(OMC: Optimum Moisture Contents)은 물 함량을 0.5중량%단 위로 1.0~3.0중량%에 대해서 혼합물 시료를 제작하여 실측밀도를 측정한 것으로, 실측밀도 측정은 국토교통부 지침(부속서Ⅲ-3)에 따라 60℃ 온도의 오븐에서 2일간 양생한 후, 25℃의 상온에서 1일간 방치하여 안정화 시킨 후 탈영하여 밀도를 측정한 실험결과, 바람직한 최적 물 함량 2.0중량%일 때로 최대 건조밀도가 2.166g/㎤로 나타났다.
아울러, 최적 유화아스팔트 함량(OEC: OptimumEmulsion Content))은 개질 유화아스팔트를 3.5~5.5중량%까지 0.5중량%단위로 각각의 함량별 혼합물 시료를 제작하여 간접인장강도(N/㎟)를 통해 것으로, 간접인장강도 역시 역시국토교통부 지침(부속서 Ⅳ-6)의 기준에 따라 수행한 결과, 바람직한 최적 유화아스팔트 함량은 5.0중량%일 때로 간접인장강도 0.136N/㎟으로 가장 높은 값이 나타났다.
믹스A 믹스B 믹스C 믹스D
순환골재(중량%) 91 89 87 85
물(중량%) 2 2 2 2
시멘트(중량%) 2 1 1 1
개질유화아스팔트(중량%) 5 5 5 5
무기질 합성 혼화제(중량%) 0 3 5 7
ITS(간접인장강도,N/㎟) 2일차 0.119 0.211 0.308 0.415
ITS(간접인장강도,N/㎟)10일차 0.742 0.815
상기와 표1 같이 포졸란 합성물질과 강도촉진 활성화제 및 분산제로 결정된 무기질 합성 혼화제가 전체 상온 재활용 아스팔트 혼합물 내에 초기강도 발현을 위한 첨가비율을 결정하기 위해서 무기질 합성 혼화제 첨가비율을 0, 3, 5, 7중량%를 첨가하여 혼합물 및 공시체를 제작하여 상온에서 2일(48시간) 양생 후의 간접인장강도(ITS)를 측정한 결과, 무기질 합성 혼화제의 첨가율이 5중량%(Mix C)일 때 간접인장강도 값이 0.308이고, 7중량%(Mix D)일 때 간접인장강도 값은 0.415로 나타났다.
또한, 완전양생(10일) 된 공시체에 대한 실험결과도 무기질 합성 혼화제의 첨가율이 5중량%(Mix C)일 때 간접인장강도 값이 0.742이고, 7중량%(Mix D)일 때 간접인장강도 값은 0.815으로 국토교통부 지침(2017)의 품질기준을 모두 만족하였다.
특히 본 발명에서 가장 중요한 상기 무기질 합성 혼화제는 포졸란 합성물질 60중량%; 강도촉진 활성화제 30중량%; 및 분산제 10중량%;를 포함하여 이루어짐이 이상적이다.
포졸란 합성물질
포졸란 합성물질은 산업부산물로서 얻어지는 순환자원으로 이루어진 것을 이용하되, 고로슬래그, 플라이애시, 연소재, 제올라이트로 이루어짐이 바람직하다.
여기서 고로슬래그는 SiO2가 주원료인 철광석을 용광로(고로)에 녹이면 비중이 큰 철은 가라앉고 이때 뜨는 슬래그를 식힌 후 분쇄하여 사용한다.
이러한 포졸란 합성물질은, 고로슬래그 미분말 45 ~ 65중량%; 플라이 애시 10 ~ 45중량%; 연소재 10 ~ 45중량%; 및 제올라이트계 유동 접촉 분해 순환 촉매 0 ~ 30중량%;을 포함하여 이루어진다.
상기 고로슬래그는 SiO2가 주원료인 철광석을 용광로(고로)에 녹이면 비중이 큰 철은 가라앉고 스래그는 뜨게 되는 것으로 이때 뜨는 슬래그를 모아 식힌 후 볼밀이나 진동밀과 같은 분쇄수단으로 분쇄하여 사용함이 바람직하다.
특히 고로슬래그는 그 함량이 45중량% 미만이면 강도가 저하되게 되고 65중량%을 초과하게 되면 응결시간이 길어지고, 점성이 높아져 유동성이 떨어진다.
상기, 플라이 애시는 석탄화력발전소로부터 생성된 것으로 화력발전할 때 상부에 떠있는 재를 이용하되, 믹싱시 볼 베어링과 같은 역할을 수행함과 동시에 점토와의 포졸란 반응에 의한 강도에 기여를 한다.
특히 플라이 애시는 그 함량이 10중량%이하이면 유동성이 저하되게 되고, 반대로 그 함량이 45중량%를 초과하면 강도가 낮아지게 된다.
상기, 연소재는 유연탄 및 무연탄을 연료로 사용하는 순환유동층 연소 보일러를 사용하는 보일러로부터 생성된 것을 이용한다.
이는 주로 함수비가 높은 토질에 함수비를 낮추기 위한 목적으로 사용한다.
특히 연소재는 그 함량이 10중량%이하이면 함수비 저하가 낮고, 반대로 그 함량이 45중량%를 초과하면 강도가 낮아지게 된다.
상기 제올라이트계 유동 접촉 분해 순환 촉매는 정유시에 생성되는 것을 이용한다.
강도촉진 활성제
강도촉진 활성제는 망초, 탈황석고, 정련슬래그로 이루어짐이 바람직하다.
이러한 강도 촉진 활성화제는, 망초 25 ~ 65중량%; 탈황석고 20 ~ 55중량%, 및 정련슬래그 5 ~ 45중량%;을 포함하여 이루어진다.
상기 망초는 유리제조공정에서 얻어진 것을 이용하되, 이러한 망초는 SO3성분이 30 ~ 45중량%이고; Na2O 성분이 15 ~ 25중량%;인 것을 이용한다.
상기 탈황석고는 석유 코크스(Petroleum Cokes) 또는 유연탄 연료를 하나 또는 둘 이상의 혼소하여 연료로 하는 유동층 연소 보일러 탈황공정으로부터 얻어진 것을 이용하되, 이러한 탈황석고는, CaO 성분이 30 ~ 65중량%이고; SO3는 10 ~ 35중량%;인 것을 이용한다.
상기 정련슬래그는 전기로 및 전로 정련과정으로부터 얻어진 것을 이용하되, 이러한 정련슬래그는 CaO 성분이 35 ~ 50중량%이고; MgO는 5 ~ 10중량%;인 것을 이용한다.
분산제
분산제는 나프탈렌계, 리그닌계, 폴리카르본산계 중에서 적어도 하나를 선택하여 사용한다.
포졸란합성물질(중량%)
 강도촉진활성화제(중량%) 분산제(중량%) 브레이킹 타임
(초)		 반응성
10 60 30 103 ×
10 60 30 91 ○
60 30 10 54 ○
30 30 40 98 ○
30 40 30 79 ○
40 30 30 69 ○
상기와 같이 무기질 합성 혼화제의 최적의 혼합비율을 결정하기 위해, 각각의 무기질 재료의 비율을 변화하여 브레인킹 타임 및 반응성을 측정한 시험결과, 표2 포졸란 합성물질과 강도촉진 활성화제 및 분산제의 혼합비율이 60:30:10일 때 브래이킹 타임 및 반응성이 우수한 것임 을 알 수 있다.
상기와 같이 포졸란 합성물질 60중량%과 강도촉진 활성화제 30중량% 및 분산제 10중량%로 결정된 무기질 합성 혼화제의 구성성분을 에너지분산형 분광분석법(EDS, Energy Dispersive X-ray System)을 이용하여 측정한 결과, 최대입경크기는 20㎛이고, 비중은 2.85이며, 분말도는 약 4,100(㎠/g)이고, 성분은 CaO(45.2중량%), SiO2(25.6중량%), Al2O3(11.3중량%), SO3(9.7중량%)로 이루어진다.
이러한 본 발명의 상온 재활용 아스팔트 혼합물은 상온 25℃에서 2일(48시간)동안의 양생조건에서도 초기강도를 발현하는 상온 재활용 아스팔트 혼합물을 평가하기 위하여, 무기질 재료에 대한 브레이킹 타임 및 반응성 시험과 동일하게 혼합비율을 변화시켜 배합설계를 통해 결정된 배합비율(합성입도, OMC, OPEC)을 고정하고 채움재(2중량%) 대신에 화학적 구성 성분이 상이한 3종류의 무기질 합성 혼화제에 대해 아래의 표3 같이 혼합비율을 변화시켜 혼화제 공시체를 제작하였다.
포졸란합성물질(중량%)
 강도촉진활성화제(중량%) 분산제(중량%) ITS(간접인장강도,N/㎟)
10 30 60 0.083
10 60 30 0.097
60 30 10 0.133
30 30 40 0.111
40 40 30 0.108
40 30 30 0.125
상기 표3과 같은 무기질 합성 혼화제 공시체는 상온에서 2일간 양생시키고 몰드를 탈영한 후, 간접인장강도(ITS:Indirect Tensile Strength)시험을 통해 초기양생 강도를 측정한 무기질 합성 혼화제의 혼합비율에 따른 간접인장강도(ITS) 시험결과는 브레이킹 타임 및 반응성 시험과 마찬가지로 포졸란 합성물질과 강도촉진 활성화제 및 분산제로 이루어진 무기질 합성 혼화제의 혼합비율이 60:30:10일 때 가장 우수하게 나타남을 알수 있다.
더욱이 무기질 합성 혼화제에 대한 브레이킹타임 및 반응성 시험결과와 초기양생(상온 2일) 강도의 발현에 상관성을 살펴보면, 무기질 재료의 브레이킹 속도가 빠르고 반응성이 잘 이루어지면 혼합물의 초기양생 강도도 우수한 것으로 나타났다.
따라서 본 발명의 상온 재활용 아스팔트 혼합물이 현 장의 상온 상태에서 빠른 양생이 이루어지고 단기간(시공후 2일)만에 충분한 초기강도를 발현할 수 있도록 하는 것이다.
이상의 설명에서 본 발명은 특정의 실시 예와 관련하여 도시 및 설명하였지만, 특허청구범위에 의해 나타난 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 한도 내에서 다양한 개조 및 변화가 가능하다는 것을 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구나 쉽게 알 수 있을 것이다.

Claims (5)

  1. 순환골재85중량%; 물2중량%; 시멘트1중량%; 개질 유화아스팔트5중량%; 및 무기질 합성 혼화제7중량%를 포함하되,
    상기 무기질 합성 혼화제는 포졸란 합성물질 60중량%; 강도촉진 활성화제 30중량%; 및 분산제 10중량%;를 포함하고,
    상기 포졸란 합성물질은, 고로슬래그 미분말 45 ~ 65중량%; 플라이 애시 10 ~ 45중량%; 연소재 10 ~ 45중량%; 및 제올라이트계 유동 접촉 분해 순환 촉매 0 ~ 30중량%;을 포함하여 이루어짐을 특징으로 하는 상온 경화형 재활용 아스팔트 혼합물.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 강도촉진 활성화제는, 망초 25 ~ 65중량%; 탈황석고 20 ~ 55중량%, 및 정련슬래그 5 ~ 45중량%;을 포함하여 이루어짐을 특징으로 하는 상온 경화형 재활용 아스팔트 혼합물.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 분산제는 나프탈렌계, 리그닌계, 폴리카르본산계 중에서 적어도 하나를 선택하여 이루어짐을 특징으로 하는 상온 경화형 재활용 아스팔트 혼합물.
  4. 삭제
  5. 삭제
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