KR102034561B1 - 개질 아스팔트 조성물 및 이를 이용한 교면 포장 구조물 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 스트레이트 아스팔트 70 - 96 중량%; 잔사유 1 - 10 중량%; 열가소성 수지 1 - 10 중량%; 석유계 PITCH 1 - 10 중량%; 열안정제 0.01 - 0.5 중량%;를 포함하는 것을 특징으로 하는 교면 포장용 개질 아스팔트 조성물을 제시함으로써, 강상판에 대한 휨 추종성이 우수하도록 그 두께를 줄이면서도 탄성을 증대할 수 있도록 한다.
Description
본 발명은 토목 분야에 관한 것으로서, 상세하게는 개질 아스팔트 조성물 및 이를 이용한 교면 포장 구조물에 관한 것이다.
교면포장은 교통하중, 빗물 그 외의 기상조건 등으로부터 교량의 상판(바닥판)을 보호하고, 동시에 교통차량의 쾌적한 주행성을 확보하는 것을 목적으로 포설되어야 하며 특히 교량부는 대체도로가 적어 내구성이 높은 포장으로 해야 한다.
특히, 강상판(steel deck)의 포장에서는 반복되는 교통하중의 작용에도 충분히 견딜 수 있도록, 휨에 강하며 강상판과의 부착이 좋은 포장재료를 사용해야 한다.
교면포장은 포장체 내부로 유입되는 물의 영향에 의한 박리현상(stripping)이 일어날 가능성이 있고 그로 인한 포트홀(pot hole)의 발생을 저감하기 위하여 박리저항성이 있는 재료를 사용함이 바람직하며 강상판 자체의 동적인 처짐의 영향을 최소화하도록 노력하여야 한다.
강상판 교량의 경우, 빗물 또는 겨울철 제설제의 투입으로 인한 염분의 침투는 강상판의 발청의 원인이 되어 교량구조물 전체의 안전에 악영향을 미친다.
따라서 박층 구스 아스팔트를 시공하는 경우, 불투수성과 유동성 확보를 위하여 총사용 골재량의 25% 정도의 석분(mineral filler)이 사용되며, 그 결과 일반적인 표층용 아스팔트 콘크리트의 최적 아스팔트량에 비하여 상당히 많은(약 7.0%) 아스팔트량이 사용된다.
현재 사용되는 교면포장 공법에는 다음과 같은 종류가 있다.
첫째, 상부의 개질 아스팔트와 하부의 구스 아스팔트 포장의 혼합구조이다.
하부의 구스 아스팔트는 불투수성으로 휨에 대한 적응성이 높고 방수층 설치를 생략할 수 있도록 한다.
고온에서 유동성이 우수하여 추가적인 다짐이 필요하지 않아 간결한 시공이 가능하다.
탄성계수가 높은 개질제를 사용하는 경우 피로 저항성에도 우수하므로 박층 포장이 가능하다.
그리고 포장의 상부는 내유동성 확보를 위하여 기본적으로 소성변형 저항성이 우수한 폴리머 개질 쇄석 매스틱 아스팔트(Polymer-modified Stone Mastic Asphalt, PSMA)를 적용한다.
둘째, 에폭시 아스팔트 포장이다.
일반 아스팔트 콘크리트 포장에 비해 강성이 4~5배 크므로 구스 아스팔트 포장에 비해 발생되는 인장 변형률이 작기 때문에 교면포장의 두께를 줄일 수 있으나, 재료 자체의 취성이 크므로 피로균열 및 저온균열 등이 조기에 발생될 확률이 높고, 재료비가 고가이며, 시공 시 품질확보가 어려운 단점이 있다.
지난 3년간 사례를 분석해 보면, 에폭시 아스팔트는 장경간 교량의 휨에 대한 거동이 심하고, 풍하중 및 진동에 의한 탄성력 부족으로 인해 시공완료 후에도 혼합물의 휨에 의해 균열 및 파괴가 발생되었으며, 소성변형(rutting, permanent deformation)에 의한 심각한 포장파손이 보고된 바 있다.
셋째, 폴리머 콘크리트 포장이다.
이는 휨 저항성이 우수하고 소성변형에 대한 저항성이 탁월한 장점이 있으며, 물리 역학적으로 우수한 성질을 가지고 있어 교면포장의 두께를 10mm 이하로 대폭 축소하여 시공할 수 있다.
반면 재료의 비용이 매스틱 아스팔트 포장에 비해서 고가이고, 열팽창계수가 일반적인 콘크리트 포장에 비해 약 4~5배로서 과도한 수축팽창이 발생하며, 대기온도 및 습도 등의 제약이 있어 시공이 까다롭다는 문제점이 있다.
또한 전 세계적으로 시공사례가 많지 않아 장기 공용성에 대한 충분한 검증자료가 축적되어 있지 않다.
현재 국내의 교면 박층 포장의 사례를 살펴보면, 이순신대교와 울산대교에 에폭시 아스팔트 포장이 적용되었으나, 이순신 대교에서는 소성변형, 수분취약 등내구성의 문제로 인하여 포장이 파손되어 보수 중에 있고, 울산대교도 같은 문제로 인해 개질 아스팔트 및 구스 아스팔트 포장으로 일부구간의 보수를 실시하였고, 나머지 구간 또한 개질 아스팔트 및 구스 아스팔트 포장으로 전면 재포장할 예정이다.
따라서 현재로서는 상부의 개질 아스팔트와 하부의 구스 아스팔트 포장의 혼합구조가 최적의 교면포장공법이라 할 수 있는데, 단점을 개선하기 위해서는, 강상판에 대한 휨 추종성이 우수하도록 그 두께를 줄이면서도 탄성을 증대할 수 있는 재료의 개발이 필요한 실정이다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 도출된 것으로서, 강상판에 대한 휨 추종성이 우수하도록 그 두께를 줄이면서도 탄성을 증대할 수 있도록 하는 개질 아스팔트 조성물 및 이를 이용한 교면 포장 구조물을 제시하는 것을 그 목적으로 한다.
상기 과제의 해결을 위하여, 본 발명은 스트레이트 아스팔트 70 - 96 중량%; 잔사유 1 - 10 중량%; 열가소성 수지 1 - 10 중량%; 석유계 PITCH 1 - 10 중량%; 열안정제 0.01 - 0.5 중량%;를 포함하는 것을 특징으로 하는 교면 포장용 개질 아스팔트 조성물을 제시한다.
잔사유는 SDA(Solvent De-Asphalting) 공정에서 용매를 혼합하여 아스팔텐 성분을 제거한 De-Asphalted oil을 사용하는 것이 바람직하다.
상기 열가소성 수지는 EBA(EnBA, Ethylene butylacrylate), 또는 EVA(Ethylene Vinylacetate)인 것이 바람직하다.
상기 석유계 PITCH는 Solvent De-Asphalting 공정에서 생산된 PITCH인 것이 바람직하다.
상기 열안정제는, 마그네슘 수산화 알루미늄 탄산염(Magnesium Aluminium Hydroxide Carbonate) 90-97 중량%; 포화 지방산(Saturated fatty acids) 3-10 중량%;를 포함하는 것이 바람직하다.
상기 열안정제는, 페놀계 열안정제 에틸렌비스(옥시에틸렌)비스[3-(5-t-뷰틸-4-하이드록시-m-톨리)프로피오네이트] Ethylenebis(oxyethylene)bis[3-(5-t-butyl-4-hydroxy-m-toly)propionate], 테트라키스(에틸렌(3,5-다이-삼차뷰틸-4-하이드록시하이드로시남산))메탄 Tetrakis(methylene(3,5-di-tert-butyl-4-hydroxyhydrocinnamate) methane), 옥타데킬 3-(3,5-다이-터트-뷰틸-4-하이드록시페닐) 프로피온염 Octadecyl 3-(3,5-di-t-butyl-4-hydroxy phenyl) propionate 중 하나 또는 2 이상의 혼합물인 것이 바람직하다.
본 발명은 상기 개질 아스팔트 조성물 60 - 99 중량%; 천연 아스팔트 1 - 40 중량%;를 포함하는 것을 특징으로 하는 교면 포장용 구스 아스팔트 조성물을 제시한다.
본 발명은 교량의 강상판(10); 상기 구스 아스팔트 조성물에 의해 형성됨과 아울러, 상기 강상판(10)의 상부에 형성된 하부 포장층(100); 상기 개질 아스팔트 조성물에 의해 형성됨과 아울러, 상기 하부 포장층(100)의 상부에 형성된 상부 포장층(200);을 포함하는 것을 특징으로 하는 교면 포장 구조물을 제시한다.
상기 하부 포장층(100)의 두께는 2.0 - 2.5 cm이고, 상기 상부 포장층(200)의 두께는 2.5 - 3.0 cm인 것이 바람직하다.
본 발명은 강상판에 대한 휨 추종성이 우수하도록 그 두께를 줄이면서도 탄성을 증대할 수 있도록 하는 개질 아스팔트 조성물 및 이를 이용한 교면 포장 구조물을 제시한다.
도 1 이하는 본 발명의 실시예를 도시한 것으로서,
도 1은 열가소성 수지의 분자식.
도 2는 교면 포장 구조물의 단면도.
도 1은 열가소성 수지의 분자식.
도 2는 교면 포장 구조물의 단면도.
이하, 첨부도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 관하여 상세히 설명한다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명에 의한 교면 포장 구조물은 기본적으로, 교량의 강상판(10); 구스 아스팔트 조성물에 의해 형성됨과 아울러, 접착제(11)에 의해 상기 강상판(10)의 상부에 형성된 하부 포장층(100); 개질 아스팔트 조성물에 의해 형성됨과 아울러, 하부 포장층(100)의 상부에 형성된 상부 포장층(200);을 포함하여 구성된다.
즉, 위 상부 포장층(200)은 본 발명에 의한 교면 포장용 개질 아스팔트 조성물에 의해 형성되며, 위 하부 포장층(100)은 상기 개질 아스팔트 조성물과 천연 아스팔트의 혼합에 의한 구스 아스팔트 조성물에 의해 형성된다.
이하, 상부 포장층(200)을 형성하는 개질 아스팔트 조성물, 하부 포장층(100)을 형성하는 구스 아스팔트 조성물, 교면 포장 구조물의 순서로 설명한다.
본 발명에 의한 교면 포장용 개질 아스팔트 조성물은 기본적으로, 스트레이트 아스팔트 70 - 96 중량%; 잔사유 1 - 10 중량%; 열가소성 수지 1 - 10 중량%; 석유계 PITCH 1 - 10 중량%; 열안정제 0.01 - 0.5 중량%;를 포함하여 구성된다.
스트레이트 아스팔트에는 일반적으로 가장 많이 사용되는 침입도 60-80의 스트레이트 아스팔트(AP-5)를 사용하였다.
잔사유는 SDA(Solvent De-Asphalting) 공정에서 프로판, 부탄, 펜탄 등 용매를 혼합하여 아스팔텐 성분을 제거한 De-Asphalted oil을 2차 가공에 의해 사용하였으며, 이는 저온 및 상온에서의 취성에 대한 저항성을 증대한다.
열가소성 수지는 EBA(EnBA, Ethylene butylacrylate), 또는 EVA(Ethylene Vinylacetate)를 적용한다(도 2).
이들은 Ethylene Acrylate Copolymer(C2)로서, 아세테이트기(CH3COO)에 의해 결정성이 감소되어 아스팔트와의 혼합이 원활하고, 에스테르기(COO)에 의해 극성이 증대되어 열가소성 고분자의 특성이 증대됨에 따라 아스팔트 조성물의 고강성과 내변형성을 증대시킴과 아울러, 유연성 및 내부 충격에 강한 특성을 부여한다.
특히, EBA(EnBA) 개질제의 경우, 아스팔트의 물성의 연화점을 높여 영구변형에 대한 성능과 PI값이 개선되고, 저온균열 특성을 높여 우수한 유연성, 내충격성, 인장강도, 굴곡 강도를 갖도록 하며, 수분 보유 능력이 우수하여 신속한 습윤 및 높은 전단 안정 성능을 부여한다.
석유계 PITCH는 천연아스팔트의 특성을 대체하기 위한 첨가제로서, VTB(Solvent De-Asphalting 공정을 통하여 나온 PITCH) 등을 적용할 수 있다.
VTB는 중질유분에 대한 경질화 공정(고도화 정제공정)에서 배출되는 경질화 부산물로서, 종래의 구스 아스팔트에 사용되는 천연아스팔트(TLA)를 대체하여, 도로포장에 요구되는 강성 및 소성변형에 대한 저항성을 증가시킬 수 있다.
열안정제는, 마그네슘 수산화 알루미늄 탄산염(Magnesium Aluminium Hydroxide Carbonate) 90-97 중량%; 포화 지방산(Saturated fatty acids) 3-10 중량%;의 혼합물을 사용한다.
또는 열안정제로서, 페놀계 열안정제 에틸렌비스(옥시에틸렌)비스[3-(5-t-뷰틸-4-하이드록시-m-톨리)프로피오네이트] Ethylenebis(oxyethylene)bis[3-(5-t-butyl-4-hydroxy-m-toly)propionate], 테트라키스(에틸렌(3,5-다이-삼차뷰틸-4-하이드록시하이드로시남산))메탄 Tetrakis(methylene(3,5-di-tert-butyl-4-hydroxyhydrocinnamate) methane), 옥타데킬 3-(3,5-다이-터트-뷰틸-4-하이드록시페닐) 프로피온염 Octadecyl 3-(3,5-di-t-butyl-4-hydroxy phenyl) propionate 중 하나 또는 2 이상의 혼합물을 사용할 수도 있다.
이하, 본 발명에 의한 구스 아스팔트 조성물에 대하여 설명한다.
본 발명에 의한 교면 포장 구조물의 하부 포장층(100)을 형성하는 구스 아스팔트 조성물은, 위 개질 아스팔트 조성물 60 - 99 중량%; 천연 아스팔트 1 - 40 중량%;를 포함하여 구성된다.
Trinidad Lake Bitumen(TLA)은 역청 53 - 55 중량%, 미네랄 36 - 37 중량%, 미네랄 유기물 및 휘발성 물질 9 - 10 중량%로 구성되는데, 이는 매우 안정된 품질을 발휘하는 천연 아스팔트이다.
이는 석유에서 정제된 일반 아스팔트와 달리, 일반적인 아스팔트에 적합한 온도 범위에서 우수한 성능을 나타내며, 기존 아스팔트의 모든 특성을 향상시킬 수 있다.
상술한 본 발명에 의한 개질 아스팔트 조성물과 위 천연 아스팔트가 혼합된 구스 아스팔트의 경우, 강한 응집력과 높은 미네랄을 가지며, 박리에 대한 저항성, 고온 안정성, 변형에 대한 내구성이 모두 우수하다는 특성이 있다.
이하, 본 발명에 의한 개질 아스팔트 조성물의 물성을 입증하기 위한 실험내용 및 결과에 관하여 설명한다.
표 1은 본 발명에 의한 개질 아스팔트 조성물의 4가지 실시예의 구체적인 배합비이다.
표 2는 위 실시예들 및 비교예의 물성을 실험한 결과이고, 비교예 1,2는 국토교통부 아스팔트 혼합물 시공지침(2017)을 만족하는 종래의 구스 아스팔트 조성물에 관한 것이다.
기본적으로, 본 발명에 의한 개질 아스팔트 조성물의 실시예들은 모두 비교예들에 비해 우수한 물성을 갖는 것으로 나타났다.
특히, 본 발명은 바람에 의해 휨 거동이 크게 발생하는 장경간 교량에 사용되는 강상판의 포장을 목표로 개발된 것이므로, 상당한 탄성을 가질 것이 요구된다.
이를 평가하기 위한 지표는 신도 시험인데, 우리나라의 국토교통부 아스팔트 혼합물 시공지침은 교면포장용 구스 아스팔트(천연 아스팔트 혼입)의 경우 신도 시험기준으로서 10℃에서 100mm 이상을 요구하고 있음에 비해, 유럽은 더욱 높은 기준(EN 14023)으로서 5℃에서 400mm 이상을 요구한다.
표 2에 나타난 바와 같이, 국토교통부 아스팔트 혼합물 시공지침을 만족하는 비교예 1,2의 구스 아스팔트의 경우에도 위 유럽의 신도 시험기준(400mm)을 만족하지 못했음에 비해, 본 발명에 의한 개질 아스팔트 조성물의 경우 위 유럽의 신도 시험기준도 충분히 만족하는 것으로 나타났다.
이하, 본 발명에 의한 교면 포장 구조물의 포장층 두께에 관한 실험내용 및 결과에 관하여 설명한다.
기본적으로 교면포장의 중량은 교량의 사하중으로 작용하므로, 교면포장의 두께는 일정 범위 내로 제한되는 것이고, 구스 아스팔트에 의해 형성되는 하부 포장층(100)의 두께와 개질 아스팔트(PSMA)에 의해 형성되는 상부 포장층(200)의 두께 또한 위 범위 내로 제한된다.
구스 아스팔트에 의해 형성되는 하부 포장층(100)의 두께가 두꺼울수록 탄성이 증대한다는 장점이 있고, 개질 아스팔트(PSMA)에 의해 형성되는 상부 포장층(200)의 두께가 두꺼울수록 차량의 하중에 의한 변형이 감소한다는 장점이 있으므로, 제한된 범위 내에서 위 2개의 층의 두께를 결정하는 것은 대단히 중요한 일이다.
일반적인 교면포장의 두께는 6 ~ 8cm이지만, 본 발명의 경우 더욱 박층 포장을 구현하기 위하여, 총 포장의 두께를 5 cm로 설정하고, 동적안정도 시험을 통해 위 2개의 층의 최적 두께를 선정하였다.
시험 결과, 하부 포장층(100)의 두께는 2.0 - 2.5 cm이고, 상부 포장층(200)의 두께는 2.5 - 3.0 cm인 경우(실시예 1,2,3의 경우), 동적 안정도 시험기준을 만족하였지만, 위 범위를 벗어난 경우(비교예 1,2의 경우)에는 동적 안정도 시험기준을 만족하지 못하는 것으로 나타났다.
따라서 종래의 교면포장의 두께(6 ~ 8cm)에 비해 얇은 두께(5 cm)를 시공하는 경우라도, 본 발명에 의한 개질 아스팔트 조성물을 적용한다는 전제 하에 상하부 포장층이 위 두께의 범위에 속하는 경우, 충분히 우수한 물성을 나타내는 것으로 파악된다.
이상은 본 발명에 의해 구현될 수 있는 바람직한 실시예의 일부에 관하여 설명한 것에 불과하므로, 주지된 바와 같이 본 발명의 범위는 위의 실시예에 한정되어 해석되어서는 안 될 것이며, 위에서 설명된 본 발명의 기술적 사상과 그 근본을 함께 하는 기술적 사상은 모두 본 발명의 범위에 포함된다고 할 것이다.
10 : 강상판 100 : 하부 포장층
200 : 상부 포장층
200 : 상부 포장층
Claims (9)
- 스트레이트 아스팔트 70 - 96 중량%;
잔사유 1 - 10 중량%;
열가소성 수지 1 - 10 중량%;
석유계 PITCH 1 - 10 중량%;
열안정제 0.01 - 0.5 중량%;를 포함하고,
상기 열안정제는,
마그네슘 수산화 알루미늄 탄산염(Magnesium Aluminium Hydroxide Carbonate) 90-97 중량%;
포화 지방산(Saturated fatty acids) 3-10 중량%;를
포함하는 것을 특징으로 하는 교면 포장용 개질 아스팔트 조성물. - 제1항에 있어서,
잔사유는 SDA(Solvent De-Asphalting) 공정에서 용매를 혼합하여 아스팔텐 성분을 제거한 De-Asphalted oil을 사용하는 것을 특징으로 하는 교면 포장용 개질 아스팔트 조성물. - 제1항에 있어서,
상기 열가소성 수지는 EBA(EnBA, Ethylene butylacrylate), 또는 EVA(Ethylene Vinylacetate)인 것을 특징으로 하는 교면 포장용 개질 아스팔트 조성물. - 제1항에 있어서,
상기 석유계 PITCH는 Solvent De-Asphalting 공정에서 생산된 PITCH인 것을 특징으로 하는 교면 포장용 개질 아스팔트 조성물. - 삭제
- 제1항에 있어서,
상기 열안정제는,
페놀계 열안정제 에틸렌비스(옥시에틸렌)비스[3-(5-t-뷰틸-4-하이드록시-m-톨리)프로피오네이트] Ethylenebis(oxyethylene)bis[3-(5-t-butyl-4-hydroxy-m-toly)propionate], 테트라키스(에틸렌(3,5-다이-삼차뷰틸-4-하이드록시하이드로시남산))메탄 Tetrakis(methylene(3,5-di-tert-butyl-4-hydroxyhydrocinnamate) methane), 옥타데킬 3-(3,5-다이-터트-뷰틸-4-하이드록시페닐) 프로피온염 Octadecyl 3-(3,5-di-t-butyl-4-hydroxy phenyl) propionate 중 하나 또는 2 이상의 혼합물인 것을 특징으로 하는 교면 포장용 개질 아스팔트 조성물. - 제1항 내지 제4항, 제6항 중 어느 한 항의 개질 아스팔트 조성물 60 - 99 중량%;
천연 아스팔트 1 - 40 중량%;를
포함하는 것을 특징으로 하는 교면 포장용 구스 아스팔트 조성물. - 스트레이트 아스팔트 70 - 96 중량%;
잔사유 1 - 10 중량%;
열가소성 수지 1 - 10 중량%;
석유계 PITCH 1 - 10 중량%;
열안정제 0.01 - 0.5 중량%;를
포함하는 교면 포장용 개질 아스팔트 조성물을 이용한 교면 포장 구조물로서,
교량의 강상판(10);
상기 개질 아스팔트 조성물 60 - 99 중량%; 천연 아스팔트 1 - 40 중량%;를 포함하는 구스 아스팔트 조성물에 의해 형성됨과 아울러, 상기 강상판(10)의 상부에 형성된 하부 포장층(100);
상기 개질 아스팔트 조성물에 의해 형성됨과 아울러, 상기 하부 포장층(100)의 상부에 형성된 상부 포장층(200);을
포함하는 것을 특징으로 하는 교면 포장 구조물. - 제8항에 있어서,
상기 하부 포장층(100)의 두께는 2.0 - 2.5 cm이고,
상기 상부 포장층(200)의 두께는 2.5 - 3.0 cm인 것을 특징으로 하는 교면 포장 구조물.
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