KR102134403B1 - 냄새가 저감된 중온형 개질 아스팔트 혼합물 및 이의 제조방법 - Google Patents

냄새가 저감된 중온형 개질 아스팔트 혼합물 및 이의 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 냄새가 저감된 중온형 개질 아스팔트 혼합물 및 이의 제조방법에 관한 것으로서, 구체적으로는 자연골재로서 부순 굵은 골재 30~50 중량부, 자연골재로서 부순 잔골재 20~40 중량부, 아스팔트 포장용 채움재 2~10 중량부, 신재 아스팔트 2.3~4.0 중량부, 개질 유황 첨가제 2.0~4.0 중량부, 폐타이어 분말 0.1~0.6 중량부, 열가소성 탄성체(thermoplastic elastomer) 0.1~0.6 중량부, 및 냄새 저감용 첨가제 0.01~0.2 중량부를 포함하고, 제조과정 중 또는 제조 후 유황에 의해 유발되는 냄새가 효과적으로 저감된 것을 특징으로 하는 중온형 개질 아스팔트 혼합물 및 이의 제조방법에 관한 것이다.

Description

냄새가 저감된 중온형 개질 아스팔트 혼합물 및 이의 제조방법{WARM MIX MODIFIED ASPHALT MIXTURE WITH REDUCED SMELL AND PREPARING METHOD THEREOF}
본 발명은 냄새가 저감된 중온형 개질 아스팔트 혼합물 및 이의 제조방법에 관한 것으로서, 구체적으로는 자연골재로서 부순 굵은 골재 30~50 중량부, 자연골재로서 부순 잔골재 20~40 중량부, 아스팔트 포장용 채움재 2~10 중량부, 신재 아스팔트 2.3~4.0 중량부, 개질 유황 첨가제 2.0~4.0 중량부, 폐타이어 분말 0.1~0.6 중량부, 열가소성 탄성체(thermoplastic elastomer) 0.1~0.6 중량부, 및 냄새 저감용 첨가제 0.01~0.2 중량부를 포함하고, 제조과정 중 또는 제조 후 유황에 의해 유발되는 냄새가 효과적으로 저감된 것을 특징으로 하는 중온형 개질 아스팔트 혼합물 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
2005년 「건설폐기물의 재활용 촉진에 관한 법률」에 의하여 일정규모 이상으로 배출되는 토사, 콘크리트 및 아스팔트 콘크리트 등의 건설폐기물에 대하여 재활용 의무가 고시된 바 있지만 아직도 대부분이 단순 매립에 의존하고 있어 효과적인 재활용을 위한 기술적, 경제적 및 제도적 여건을 개선할 필요성이 시급한 실정이다. 최근 환경부는 재활용 가열 아스팔트 혼합물의 활성화를 위한 제도적 기반 마련을 통하여 2011년까지 폐아스콘 발생량의 13%를 재활용 아스팔트 혼합물로 2020년까지 선진국 수준(50%이상)으로 높여나갈 계획으로 재활용 제품(Good Recycled)의 품질표준 재활용 가열 아스팔트 혼합물(GR F 4005)에 대한 국가표준을 개정 완료하였으며(2009.08), 한국형 포장설계법 개발과 포장성능 개선방안에 대한 연구결과를 바탕으로 품질성능 기준을 정립한 국토해양부 지침서인 가열 아스팔트 혼합물 생산 및 시공지침(2009.11)과 기존 포장용 가열 아스팔트 혼합물(KS F 2349)에 대한 국가표준을 개정하여 국내의 아스콘 도로포장의 현실에 맞는 품질성능과 품질기준을 추가하고 재정립하여 개정 완료하였다(2010.10).
국내의 아스팔트 혼합물을 이용한 도로 포장은 높은 비율로 해마다 증가 추세를 나타내고 있으며(국토해양부, 2010), 아스콘 포장도로의 연장 증가와 함께 포장의 공용 연도에도 노령화 현상이 심화되면서 10년 이상의 공용 연수를 가진 도로 연장 비율은 70% 정도 차지하고 있으며, 이 중에서 20년 이상의 공용 연도를 가진 도로 연장 비율은 약 20% 정도로 연차적으로 계속적인 증가 추세를 나타내고 있다(건설기술연구원, 2001). 국내의 아스콘 포장도로에 대한 유지 보수비는 포장율의 양적인 증가 등의 요인에 의해 매년 급격하게 증가하고 있으며, 막대한 포장 유지 보수비의 지출은 도로의 공용연수 증가, 도로 교통량의 급증 및 여름철 이상 기온 등에 의한 포장 파손의 증가로 인해 야기되고 있다. 기존 아스콘 포장도로의 노후화는 폐아스콘 발생재의 증가와 더불어 다양한 형태의 포장파손 문제를 발생시키고 있다. 아스콘 포장도로의 경우 대부분 조기에 소성변형(Rut), 포트홀(Pot hole), 밀림(Shoving) 및 균열 등이 발생하여 도로포장 수명이 5년도 안될 정도로 짧은 것이 현실이다. 아스콘 포장의 대규모 보수 및 재포장으로 발생되는 폐아스콘 발생재의 처리에 대한 비용 및 환경문제가 심각한 사안으로 대두되고 있다.
또한, 2017년 이후 정유공장, 제철공장, 쓰레기 매립장에서 배출되는 순수 유황 및 오염된 폐 유황이 증가 발생되고 있어, 효과적인 재활용을 위한 기술적, 경제적 개선할 필요성이 시급한 실정이다. 기존에는 개질 유황을 아스콘에 넣어 혼합 사용하였으나 포장시 유황의 하이드로 설파이드, 메캅탄 등에 의한 특이적인 냄새가 발생하여 추가적인 환경문제가 대두되었으며, 이를 저감하기 위해서는 다량의 냄새 저감제를 투입해야 했기 때문에 경제성이 떨어졌다.
이에 본 발명이 해결하고자 하는 과제는 소량의 냄새 저감용 첨가제를 투입하여 경제적이고도 효과적으로 유황에 의한 냄새를 저감 또는 제거하는 동시에, 마샬안정도(MS), 동적안정도(DS), 공용성 등급(PG) 등의 품질 특성이 높아 여름철 소성변형, 겨울철 저온균열 등의 아스콘 포장 파손에 대한 저항성이 강하면서도, 생산온도 저감 등을 통해 제조원가 절감과 제품 생산 에너지 및 이산화탄소 저감을 실현할 수 있는 중온형 개질 아스팔트 혼합물 및 이의 제조방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 중온형 개질 아스팔트 혼합물은 자연골재로서 부순 굵은 골재 30~50 중량부, 자연골재로서 부순 잔골재 20~40 중량부, 아스팔트 포장용 채움재 2~10 중량부, 신재 아스팔트 2.3~4.0 중량부, 개질 유황 첨가제 2.0~4.0 중량부, 폐타이어 분말 0.1~0.6 중량부, 열가소성 탄성체(thermoplastic elastomer) 0.1~0.6 중량부, 및 소석회(calcium hydroxide, Ca(OH)2), 수산화나트륨(sodium hydroxide, NaOH), 황산나트륨(sodium sulfate, Na2SO4), 중황산나트륨(sodium bisulfate, NaHSO4), 탄산나트륨(sodium carbonate, Na2CO3), 및 중탄산나트륨(sodium bicarbonate, NaHCO3)으로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상을 포함하는 냄새 저감용 첨가제 0.01~0.2 중량부를 포함한다.
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 다른 실시예에 따른 중온형 개질 아스팔트 혼합물의 제조 방법은 신재 아스팔트 2.3~4.0 중량부, 개질 유황 첨가제 2.0~4.0 중량부, 폐타이어 분말 0.1~0.6 중량부, 열가소성 탄성체 0.1~0.6 중량부, 및 냄새 저감용 첨가제 0.01~0.2 중량부를 교반기(agitator)가 장착된 반응기에 투입하는 단계, 상기 반응기를 소정 온도로 유지하여 투입된 재료들을 녹이면서 상기 교반기로 혼합 및 분산시켜 바인더 혼합물을 만드는 단계, 및 부순 굵은 골재 30~50 중량부, 부순 잔골재 20~40 중량부, 및 아스팔트 포장용 채움재 2~10 중량부를 가열 후 상기 반응기에 투입하여 상기 바인더 혼합물과 혼합하는 단계를 포함하고, 상기 바인더 혼합물을 만드는 단계에서 상기 반응기 및 교반기의 운전시간은 2~ 48 시간이고, 상기 반응기의 온도는 120~140 ℃이며, 상기 교반기의 회전속도는 500~1200 rpm이고, 상기 냄새 저감용 첨가제는 소석회, 수산화나트륨, 황산나트륨, 중황산나트륨, 탄산나트륨, 및 중탄산나트륨으로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상인 것을 특징으로 한다.
기타 실시예의 구체적인 사항들은 상세한 설명에 포함되어 있다.
본 발명의 실시예들에 따른 중온형 개질 아스팔트 혼합물 및 이의 제조방법은 경제적이고도 효과적으로 유황에 의한 냄새가 저감 또는 제거되는 동시에, 마샬안정도(MS), 동적안정도(DS), 공용성 등급(PG) 등의 품질 특성이 높아(PG76-22 이상) 여름철 소성변형, 겨울철 저온균열 등의 아스콘 포장 파손에 대한 저항성이 강하면서도, 생산온도 저감(20~40 ℃) 등을 통해 제조원가 절감과 제품 생산 에너지 및 이산화탄소 저감을 실현할 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따른 효과는 이상에서 예시된 내용에 의해 제한되지 않으며, 더욱 다양한 효과들이 본 명세서 내에 포함되어 있다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다.
본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, '및/또는'은 언급된 아이템들의 각각 및 하나 이상의 모든 조합을 포함한다. 또, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 '포함한다(comprises)' 및/또는 '포함하는(comprising)'은 언급된 구성요소 외에 하나 이상의 다른 구성요소의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다. '내지'를 사용하여 나타낸 수치 범위는 그 앞과 뒤에 기재된 값을 각각 하한과 상한으로서 포함하는 수치 범위를 나타낸다. '약' 또는 '대략'은 그 뒤에 기재된 값 또는 수치 범위의 20% 이내의 값 또는 수치 범위를 의미한다.
다른 정의가 없다면, 본 명세서에서 사용되는 모든 용어(기술 및 과학적 용어를 포함)는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 공통적으로 이해될 수 있는 의미로 사용될 수 있을 것이다. 또 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 용어들은 명백하게 특별히 정의되어 있지 않는 한 이상적으로 또는 과도하게 해석되지 않는다.
이하, 본 발명의 실시예들에 대하여 상세하게 설명한다.
본 발명의 중온형 개질 아스팔트 혼합물은 자연골재로서 부순 굵은 골재 30~50 중량부, 자연골재로서 부순 잔골재 20~40 중량부, 아스팔트 포장용 채움재 2~10 중량부, 신재 아스팔트 2.3~4.0 중량부, 개질 유황 첨가제 2.0~4.0 중량부, 폐타이어 분말 0.1~0.6 중량부, 열가소성 탄성체(thermoplastic elastomer) 0.1~0.6 중량부, 및 냄새 저감용 첨가제 0.01~0.2 중량부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 중온형 개질 아스팔트 혼합물은 마샬안정도(MS), 동적안정도(DS), 공용성 등급(PG) 등의 품질 특성이 높아(PG76-22 이상) 여름철 소성변형, 겨울철 저온균열 등의 아스콘 포장 파손에 대한 저항성이 강하면서도, 생산온도 저감(20~40 ℃) 등을 통해 제조원가 절감과 제품 생산 에너지 및 이산화탄소 저감을 실현할 수 있으며, 소량의 냄새 저감용 첨가제를 투입함으로써 유황 물질에 의해 유발되는 냄새를 경제적이고도 효과적으로 저감할 수 있다.
이하 구체적인 조성에 대하여 설명한다.
골재
아스팔트 콘크리트에 사용되는 골재에 대한 입도 또는 품질은 역청포장용으로 사용하기 위한 굵은 골재 및 잔골재에 대하여 규정하고 있는 KS F 2357 규격에 따른다. KS F 2357 규격은 '역청 포장 혼합물용 골재'에 대한 한국산업규격으로써 골재의 품질과 굵은 골재와 잔 골재의 입도에 대하여 규정하고 있다.
굵은 골재는 부순 골재(쇄석), 부순 슬래그, 부순 자갈 등으로서, 바람직하게는 점토, 실트, 유기물 등의 유해물질을 함유하지 않는 것이 바람직하다(KS F 2357 규격 참조). 잔골재는 암석, 자갈 등을 깨어 얻어진 부순 모래(스크리닝스), 자연 모래 또는 이들의 혼합물로서, 먼지, 점토, 유기물 등의 유해물질을 함유하지 않는 것이 바람직하다(KS F 2357 규격 참조). 본 발명에서의 골재는 아스팔트 조성물이 적용되는 구체적인 용도, 제조사, 골재의 산지 및 성상 등에 따라 적절하게 굵은 골재 및/또는 잔골재를 사용할 수 있다. 바람직하게는 자연골재로 부순 굵은 골재는 20~5 mm 또는 13~2.5 mm의 골재를 사용하며, 잔골재는 10~0.08 mm의 골재를 이용한다.
아스팔트
아스팔트는 통상적으로 상온에서는 고체 또는 반고체 상태로 존재하나, 가열시 용융 액상화되는 성질을 갖고 있다. 석유계 아스팔트의 경우, 정유공정의 다양한 종류의 직류(straightrun)아스팔트가 그대로 사용되거나, 또는 상기 직류 아스팔트를 파라핀 증류액(distillate), 방향족, 나프텐계 유분 또는 이들의 혼합물로 희석시킨 희석아스팔트가 사용될 수 있다. 아스팔트는 널리 단단한 정도를 기준으로 하여 여러 등급으로 구분되며, 이와 관련하여 침입도(penetration), 점도 및 공용성 등급이 있다.
특히, 아스팔트 공용성 등급은 미국의 SHRP(Strategic Highway Research Program)을 통해 개발된 SuperPave(Superior Performance Asphaet Pavement)시스템의 바인더 시험방법으로 구성된 아스팔트 공용성 등급(PG)이 그 시작이라고 할 수 있다. 미국에서 공용성 등급(PG등급) 제정 이후 적용된 현장의 아스팔트 포장 품질이 향상되어 매우 고무적으로 평가되고 있다. 아스팔트의 공용성 등급 기준은 소성변형 및 저온 균열의 포장 파손에 저항할 수 있도록 현장의 기후와 교통 조건을 고려하여 지역특성에 맞는 적정한 아스팔트를 선정하기 위한 것으로 최근 국토해양부 아스팔트 혼합물 생산 및 시공지침(2009)에 따르면 침입도 등급에 의한 아스팔트는 고온저항특성을 적절히 반영하기 어려우므로 소성변형발생의 위험이 높은 구간은 공용성 등급(PG, Performance Grade)에 의하여 일정 등급 이상(KS규격에 의하면 PG58-22 또는 PG64-22)의 아스팔트를 사용할 것을 권장하고 있다.
신재 아스팔트
본 발명에서는 상기 정유공장에서 생산된 신규의 아스팔트 즉, AP-5를 신재 아스팔트라고 한다.
개질 유황 첨가제
본 발명은 생산온도 저감(20~40 ℃), 아스팔트 혼합물의 품질성능(안정도, 동적안정도 등) 및 제조원가를 개선하기 위하여 황 폴리머 즉 개질 유황으로 신재 아스팔트 바인더의 일정 부분을 치환한다. 여기서의 개질 유황 첨가제를 제조 시 사용될 수 있는 유황의 자체 순도는 85~99.9 중량부이고, 개질 유황 첨가제 내의 유황은 90~99 중량부, 바람직하게는 95~99 중량부로 포함될 수 있으며, 디싸이로펜타디엔(Dicyclopentadiene)은 1.0~10.0 중량부, 바람직하게는 1.0~5.0 중량부로 포함될 수 있다. 본 발명에서 개질 유황 첨가제는 2.0~4.0 중량부를 첨가함으로써 제조원가 절감과 제품 생산 에너지 사용 함량 및 이산화탄소 발생량 최소화를 실현할 수 있다.
아스팔트 포장용 채움재
본 발명에 있어서, 당업계에서 알려진 아스팔트 포장용 채움재를 사용할 수 있다. 본 발명에서는 포장용 채움재가 2~10 중량부가 첨가되는 것을 특징으로 한다. 이러한 아스팔트 포장용 채움재 성분으로서, 예를 들면, 포틀랜드시멘트, 플라이애쉬, 더스트, 제강 더스트, 기타 적합한 광물성 물질의 분말을 단독으로 또는 혼합하여 사용할 수 있다. 이러한 필러의 입도 등의 특성은 예를 들면 KS F 3501 규격에 기재되어 있다.
폐타이어 미세분말
개질 첨가제에서 사용되고 있는 폐타이어 미세분말은 차량용 폐타이어를 재생한 합성수지고무 분말로서 고무계 수지 폴리머인 EPDM일 수 있다. 일반적으로 폐타이어를 첨가한 아스팔트는 일반아스팔트(AP-5)에 비해 고온에서 높은 점도와 저온에서 낮은 강성을 갖게 되는데, 고온에서 높은 점도 유지는 교통하중에 의해 발생되는 높은 응력과 변형에 대해 저항하는 힘이 커서 소성변형의 발생을 억제하며, 저온에서 낮은 강성은 온도 균열에 대한 저항성을 크게 한다.
본 발명에 사용되는 폐타이어 미세분말은 평균 입도가 70 mesh(211 ㎛)~200 mesh(75 ㎛) 범위의 미세분말일 수 있다. 평균 입도가 상기 범위를 벗어나 큰 입자가 되면 아스팔트 혼합물의 공극을 채우고 있던 EPDM 입자의 팽창으로 인해 고무계 수지 폴리머로서의 역할을 수행할 수 없게 된다. 또한, 아스팔트 공용성 등급 시험을 위한 개질 작업도 어려워 시험 수행이 되지 않을 수 있다. 반면에 평균 입도가 상기 범위보다 작으면 개질 아스팔트 혼합물을 제조 시 아스팔트와의 혼화성을 높여 조기에 개질효과를 얻을 수 있다는 장점은 있지만 EPDM 미세분말의 부피 및 비산 등에 의한 작업환경 열화와 원가 상승으로 인하여 경제성이 떨어지는 단점이 있다.
열가소성 탄성체(thermoplastic elastomer)
열가소성 탄성체는 개질 아스팔트 혼합물의 품질 특성을 개선하여 여름철 소성변형, 겨울철 저온균열 등의 아스콘 포장 파손에 대한 저항성을 높일 뿐만 아니라 제조원가 절감과 제품 생산 에너지 및 이산화탄소 저감을 실현할 수 있다.
열가소성 탄성체로서 폴리올레핀 탄성체(polyolefin elastomer)가 사용될 수 있고, 특히 에틸렌-1-부텐 공중합체(ethylene-1-butene copolymer)가 사용될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 열가소성 탄성체로서 Melt Mass-flow rate(190 ℃, 2.16 kg)는 1~55 g/10min, 밀도는 0.86~0.92 g/㎤, Mooney 점도(at 121 ℃)는 1~50 MU, 인장강도는 1~2.5 MPa, 녹는점은 57~76 ℃, 직경은 1~7 mm, 공용성 등급은 PG 76-22인 것이 사용될 수 있다.
열가소성 탄성체는 0.1~0.6 중량부로 포함될 수 있다. 열가소성 탄성체의 함량이 상기 범위를 벗어나면 마샬안정도(MS), 흐름값(Flow) 등의 아스팔트 품질 특성이 떨어질 수 있다.
냄새 저감용 첨가제
냄새 저감용 첨가제는 개질 유황 첨가제를 사용하여 개질 아스팔트 혼합물을 제조함에 따라 발생하는 하이드로 설파이드(hydrosulfide), 머캅탄(mercaptan), 또는 그 유도체 등에 의한 냄새를 저감 또는 제거하기 위해 사용된다. 냄새 저감용 첨가제는 소석회(calcium hydroxide, Ca(OH)2), 수산화나트륨(sodium hydroxide, NaOH), 황산나트륨(sodium sulfate, Na2SO4), 중황산나트륨(sodium bisulfate, NaHSO4), 탄산나트륨(sodium carbonate, Na2CO3), 및 중탄산나트륨(sodium bicarbonate, NaHCO3)으로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상일 수 있다. 상기 물질들은 유황에서 발생하는 하이드로 설파이드, 메캅탄 등의 냄새 성분을 중화시켜 냄새를 저감할 수 있다.
냄새 저감용 첨가제는 0.01~0.2 중량부로 포함될 수 있다. 냄새 저감용 첨가제의 함량이 상기 범위를 벗어나면 개질 아스팔트 혼합물의 제조과정 중에 또는 제조 후에 발생하는 냄새를 충분히 저감하지 못할 수 있다.
고분자(M-PAMA) 첨가제
본 발명에서 전술한 아스팔트 혼합물부에 2.3~3.0중량부가 첨가될 수 있는 재활용 고분자 첨가제는, 평균입도 150~300 메쉬의 저밀도폴리에티렌(LDPE) 미세분말 60~90중량부, 카본블랙 4.5 중량부, 접착성 수지 3 중량부, 및 분산제 0.5 중량부를 포함할 수 있는 것으로서, 본 발명의 개질 아스팔트 혼합물이 아스팔트 공용성 등급기준 PG 70-22, PG76-22, PG82-22 이상의 품질을 확보하도록 할 수 있는 첨가제이다.
저밀도 폴리에틸렌 미세분말
저밀도 폴리에틸렌(LDPE)은 에틸렌 중합체(Polyethylene) 중 밀도가 약 0.91~0.93 정도인 Semi-crystalline polymer이다. 우수한 열접착성과 내한성으로 -50 ℃에서도 거의 연성을 잃지 않는다. 일단 용융상태에서는 점도에 큰 변화가 없어 가공과 성형성이 좋아 화학적 안정성과 높은 인장력을 가지는 범용수지(LDPE, HDPE, PVC, PP, PS) 중 하나로 아스팔트 개질에 사용시 인장력 향상에 크게 도움을 줄 수 있다.
저밀도 폴리에틸렌 미세분말(LDPE 미세분말)은 평균입도를 적합하게 처리하여 사용해야한다. 평균 입도가 150~300 mesh인 LDPE 미세분말을 사용하는 것이 바람직하며, 평균입도보다 클 경우 아스팔트와의 혼화성이 저하되어 개질효과를 조기에 얻을 수 없다는 문제점이 발생할 수 있고, 반대로 평균입도보다 더 작게 되면 저장성과 작업환경의 열악화 및 생산원가 상승으로 인한 경제성에 관한 문제점들이 발생하게 될 수 있으므로 최적의 평균 입도로 처리하여 사용하여야 한다.
카본블랙
카본블랙(Carbon Black)은 공업적으로는 천연가스, 타르 등을 불완전 연소시켜 생긴 그을음을 모으거나, 그것들을 열분해하여 제조하고 있다. 현재 소비량의 85%가 고무용으로 사용되고 있으며, 입자가 미세한 사슬 모양의 결합이 없는 것이 적합하며, 증강제나 내유성, 내열성 등의 성질을 주기 위해 사용된다. 본 발명에서 카본블랙은 폐타이어 미세분말의 노화된 물성을 회복안정화 시킴과 동시에 아스팔트 혼합물의 검은 색상 그대로 유지시키는 역할을 할 수 있고, 평균 입도가 100 mesh(152 ㎛)~200 mesh(75 ㎛)인 카본블랙분말을 사용하는 것이 바람직하다.
그리고, 본 발명에서는 접착성 수지 3 중량부와 분산을 향상시키기 위한 분산제(PE Wax) 0.5 중량부를 사용할 수 있다. PE(Polyethylene) Wax는 에틸렌을 중합시켜 만들며 중합을 중간 단계까지 시킨 물질이다. PE Wax는 크게 LD계 2종류(Homopolymer, Oxidized Homopolymer)와 HD계 2종류(High Density Oxidized Homopolymer, Copolymer) 정도로 분류되며, 단위 부피당 들어가 있는 분자량의 많고 적음에 따라 HD(High Density)와 LD(Low Density)로 나눠지게 되는데 본 발명에서 PE Wax 3 %를 사용하면 분산효과를 극대화할 수 있다.
한편, 필요에 따라 박리방지제, 섬유성질 보강재, 동결 지연재, 재생용 첨가제 등과 같이 당업계에서 알려진 다양한 첨가 성분을 더 사용할 수 있다.
본 발명의 중온형 개질 아스팔트 혼합물의 제조방법은, 신재 아스팔트 2.3~4.0 중량부, 개질 유황 첨가제 2.0~4.0 중량부, 폐타이어 분말 0.1~0.6 중량부, 열가소성 탄성체 0.1~0.6 중량부, 및 냄새 저감용 첨가제 0.01~0.2 중량부를 교반기(agitator)가 장착된 반응기에 투입하는 단계, 상기 반응기를 소정 온도로 유지하여 투입된 재료들을 녹이면서 상기 교반기로 혼합 및 분산시켜 바인더 혼합물을 만드는 단계, 및 굵은 골재 30~50 중량부, 부순 잔골재 20~40 중량부, 및 아스팔트 포장용 채움재 2~10 중량부를 가열 후 상기 반응기에 투입하여 상기 바인더 혼합물과 혼합하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 바인더 혼합물을 만드는 단계에서 반응기 및 교반기의 운전시간은 바람직하게는 2~48 시간일 수 있고, 보다 바람직하게는 20~26 시간일 수 있다. 반응기 및 교반기의 운전시간이 20 시간인 미만일 경우 개질 유황 첨가제와 냄새 저감용 첨가제 간의 혼합이 적절히 이루어지지 않아 냄새 저감 효과가 떨어질 수 있고 나아가 바인더 혼합물의 분산이 고르지 않을 수 있으며, 운전시간이 26 시간을 초과할 경우 혼합 시간 증가에 따른 냄새 저감 효과의 상승이 미미하여 비경제적일 수 있다.
또한, 반응기의 온도는 바람직하게는 120~140 ℃일 수 있고, 보다 바람직하게는 120~130 ℃일 수 있다. 반응기의 온도가 120 ℃ 미만일 경우 냄새 저감 효과가 떨어지며 투입물들이 충분히 녹지 않아 혼합 및 분산이 적절히 이루어지지 않을 수 있고, 130 ℃를 초과할 경우 오히려 강한 알칼리 냄새가 발생할 수 있다.
교반기의 회전속도는 바람직하게는 500~1200 rpm일 수 있고, 보다 바람직하게는 1000~1200 rpm일 수 있다. 교반기의 회전속도가 1000 rpm 미만일 경우 개질 유황 첨가제와 냄새 저감용 첨가제 간의 혼합이 적절히 이루어지지 않아 냄새 저감 효과가 떨어질 수 있고 나아가 바인더 혼합물의 분산이 고르지 않을 수 있으며, 1200 rpm을 초과하면 교반기가 과열됨에 따라 탄 냄새가 동반될 수 있다.
또한, 냄새 저감용 첨가제를 개질 유황 첨가제와 동시에 투입하여 혼합하지 않을 경우 개질 유황 첨가제와 냄새 저감용 첨가제 간의 혼합이 적절히 이루어지지 않아 냄새 저감 효과가 떨어질 수 있다. 즉, 바인더 혼합물 제조단계에서 개질 유황 첨가제와 소석회를 적합한 조건에서 충분히 혼합하여 적절히 중화가 이루어지고 바인더 혼합물에 흐름성이 생기도록 한 후에 골재를 투입하여야 최적의 냄새 저감 효과를 기대할 수 있다.
이하에서는 제조예 및 실험예를 통해 본 발명의 중온형 개질 아스팔트 혼합물에 대해 설명하나, 본 발명의 효과가 하기 실험예에 의해 제한되지 아니함은 자명하다.
제조예: 중온형 개질 아스팔트 혼합물의 제조
실시예
신재 아스팔트 3.15 kg, 개질 유황 첨가제 2.85 kg, 폐타이어 분말 0.35 kg, 에틸렌-1-부텐 공중합체(ethylene-1-butene copolymer) 0.45 kg, 및 소석회 0.02 kg를 교반기(agitator)가 장착된 반응기에 투입하였다. 반응기의 온도를 130 ℃로 유지하여 투입된 재료들을 녹이면서 교반기로 혼합하여 바인더 혼합물을 제조하였다. 교반기의 회전속도는 1200 rpm으로 유지하였다. 반응기 및 교반기를 24 시간 동안 작동시킨 후, 부순 굵은 골재 53.1 kg, 부순 잔골재 51.8 kg, 및 아스팔트 포장용 채움재 3.8 kg를 동일한 온도로 가열한 후 상기 반응기에 투입하여 바인더 혼합물과 혼합함으로써 중온형 개질 아스팔트 혼합물을 제조하였다.
열가소성 탄성체로서 사용된 상기 에틸렌-1-부텐 공중합체의 Melt Mass-flow rate(190 ℃, 2.16 kg)는 33 g/10min, 밀도는 0.870 g/㎤, Mooney 점도(at 121 ℃)는 1.2 MU, 인장강도는 1.4 MPa, 신장률은 400 % 이상, 절단강도는 14 KN/m, 녹는점은 57 ℃, 공용성 등급은 PG 76-22였다.
비교예 1
에틸렌-1-부텐 공중합체를 0.1 kg 투입한 점을 제외하고 실시예와 동일하게 개질 아스팔트 혼합물을 제조하였다.
비교예 2
에틸렌-1-부텐 공중합체를 0.9 kg 투입한 점을 제외하고 실시예와 동일하게 개질 아스팔트 혼합물을 제조하였다.
비교예 3
소석회를 0.005 kg 투입한 점을 제외하고 실시예와 동일하게 개질 아스팔트 혼합물을 제조하였다.
비교예 4
소석회를 0.35 kg 투입한 점을 제외하고 실시예와 동일하게 개질 아스팔트 혼합물을 제조하였다.
비교예 5
소석회를 투입하지 않은 점을 제외하고 실시예와 동일하게 개질 아스팔트 혼합물을 제조하였다.
비교예 6
에틸렌-1-부텐 공중합체와 소석회를 투입하지 않은 점을 제외하고 실시예와 동일하게 개질 아스팔트 혼합물을 제조하였다.
비교예 7
반응기 및 교반기를 16 시간 동안 작동시킨 점을 제외하고 실시예와 동일하게 개질 아스팔트 혼합물을 제조하였다.
비교예 8
반응기 및 교반기를 32 시간 동안 작동시킨 점을 제외하고 실시예와 동일하게 개질 아스팔트 혼합물을 제조하였다.
비교예 9
반응기의 온도를 100 ℃로 유지한 점을 제외하고 실시예와 동일하게 개질 아스팔트 혼합물을 제조하였다.
비교예 10
반응기의 온도를 160 ℃로 유지한 점을 제외하고 실시예와 동일하게 개질 아스팔트 혼합물을 제조하였다.
비교예 11
교반기의 회전속도를 800 rpm으로 유지한 점을 제외하고 실시예와 동일하게 개질 아스팔트 혼합물을 제조하였다.
비교예 12
교반기의 회전속도를 1600 rpm으로 유지한 점을 제외하고 실시예와 동일하게 개질 아스팔트 혼합물을 제조하였다.
비교예 13
신재 아스팔트, 폐타이어 분말, 에틸렌-1-부텐 공중합체, 및 소석회만 투입하여 바인더 혼합물을 제조한 후 개질 유황 첨가제를 투입한 점을 제외하고 실시예와 동일하게 개질 아스팔트 혼합물을 제조하였다.
비교예 14
소석회를 바인더 혼합물 제조 후에 골재와 함께 투입한 점을 제외하고 실시예와 동일하게 개질 아스팔트 혼합물을 제조하였다.
실시예와 비교예 1 내지 14의 제조방법을 정리하면 하기 표 1과 같다.
에틸렌-1-부텐 공중합체
(Kg)		 소석회
(Kg)		 시간
(h)		 온도
(℃)		 회전속도
(rpm)		 소석회
투입
순서
실시예 0.45 0.02 24 130 1200 유황과 동시
비교예 1 0.1 실시예와 동일
비교예 2 0.9
비교예 3 실시예와 동일 0.005 실시예와 동일
비교예 4 0.35
비교예 5 실시예와 동일 0 실시예와 동일
비교예 6 0 0
비교예 7 실시예와 동일 16 실시예와 동일
비교예 8 32
비교예 9 실시예와 동일 100 실시예와 동일
비교예 10 160
비교예 11 실시예와 동일 800 실시예와 동일
비교예 12 1600
비교예 13 실시예와 동일 유황 투입 전
비교예 14 골재와 동시
실험예 1: 중온형 개질 아스팔트 혼합물의 품질 시험아스팔트 혼합물의 품질은 기능적 측면에서 볼 때 많은 품질 특성을 가지고 있으나 한국산업표준(KS F 2349 :2010) 또는 국토해양부 아스팔트 혼합물 생산 및 시공 지침(2009)에서 규정된 마샬안정도(MS), 흐름값(Flow), 공극률(VTM), 포화도(VFA), 골재 간극률(VMA), 그리고 추가적으로 소성변형에 대한 저항성을 알아보기 위한 동적안정도(DS)와 수분손상에 대한 저항성을 파악하기 위한 간접인장강도(ITS) 시험과 이를 이용한 인장강도지수(TSR) 등이 있다. 하기 표 2는 실시예와 비교예들의 품질 특성을 시험한 결과이다.
항목 단위 값
실시예 비교예 1 비교예 2 비교예 5 비교예 6
안정도(MS) N 17,210 10,900 15,610 17,100 10,214
흐름값(Flow) 1/100cm 24 25 26 24 29
공극률(VTM) % 4 4 4 4 4
포화도(VFA) % 76 75 77 76 74
간극률(VMA) % 17.0 16.5 16.7 17.0 16.3
동적안정도(DS) 회/mm 3,290 1,560 2,590 3,390 1,140
간접인장강도(ITS)(25℃) N/mm 21.6 21.4 21.5 21.7 21.0
터프니스(Toughness)(25℃) N·mm 22,250 17,140 19,150 22,350 11,458
수침 마샬 잔류 안정도(MSR, 48hr) % 92 85 91 93 78
인장경도비(TSR) - 0.89 0.87 0.88 0.88 0.76
한국산업표준(KS F 2349)에서 아스팔트 혼합물 표층용으로 규정하고 있는 동적안정도에 대한 기준치는 750 회/mm인데, 본 발명의 실시예는 상기 기준치를 훨씬 상회할 뿐만 아니라, 비교예들보다 훨씬 높은 수치를 나타냈음을 알 수 있다.한편, 상기 실시예와 비교예 1, 2, 및 6의 품질 특성 값을 통해, 개질 아스팔트 혼합물에 포함되는 열가소성 탄성체가 소정 함량 범위(0.1~0.6 중량부)를 벗어나면 불리한 품질 특성을 나타낼 수 있음을 알 수 있다. 또한, 상기 실시예와 비교예 5의 품질 특성 값을 통해, 소석회를 포함하여 제조된 개질 아스팔트 혼합물도 소석회를 사용하지 않는 개질 아스팔트 혼합물과 동등 수준으로 우수한 품질 특성을 나타냄을 알 수 있다.
실험예 2: 중온형 개질 아스팔트 혼합물의 냄새 평가
냄새 측정 기기인 Handheld Odor Meter OMX(SHINYEI Co., Japan)를 사용하여 개질 아스팔트 혼합물의 냄새를 평가하였다. Handheld Odor Meter OMX는 유황 냄새를 유발하는 메캅탄(Mercaptan) 등의 양을 측정하여 'Odor Strength Level'이라는 항목으로 0.0부터 999 사이의 값을 알려주며, 값이 클수록 냄새를 유발하는 물질이 다량 존재함을 의미한다. 상기 실시예 및 비교예들을 제조하여 Handheld Odor Meter OMX로 냄새를 측정하였으며, 그 결과는 하기 표 3과 같았다.
구분 Odor Strength Level
실시예 481
비교예 3 525
비교예 4 490 (알칼리 냄새 발생)
비교예 5 580
비교예 6 603
비교예 7 536
비교예 8 478
비교예 9 555
비교예 10 485 (알칼리 냄새 발생)
비교예 11 490
비교예 12 781 (탄 냄새 발생)
비교예 13 520
비교예 14 509
상기 실시예와 비교예 3 내지 6의 결과를 통해, 소석회를 소정 함량(0.01 중량부)보다 적게 투입하면 냄새 저감 효과가 낮고, 일정 함량 이상(0.2 중량부 이상)부터는 냄새 저감 효과의 증가가 미미하여 비경제적임을 알 수 있고 오히려 강한 알칼리 냄새가 발생하였다.또한, 상기 비교예 7 내지 14의 결과를 통해 반응기 및 교반기의 적정 시간, 온도, 회전속도를 벗어나거나 소석회의 투입 시기를 달리하면 냄새 저감 효과가 떨어짐을 알 수 있다. 특히, 반응기 온도가 100 ℃인 경우는 투입물들이 충분히 녹지 않아 혼합이 용이하지 않은 문제도 있었고, 160 ℃인 경우는 오히려 강한 알칼리 냄새가 발생하였다. 또한, 교반기를 800 rpm으로 유지하였을 때는 투입물들이 충분히 혼합되지 않은 문제가 있었으며, 1600 rpm으로 유지하였을 때는 교반기가 과열됨에 따라 탄 냄새도 발생하였다.
이상에서 본 발명의 실시예를 중심으로 설명하였으나 이는 단지 예시일 뿐 본 발명을 한정하는 것이 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 실시예의 본질적인 특성을 벗어나지 않는 범위에서 이상에 예시되지 않은 여러 가지의 변형과 응용이 가능함을 알 수 있을 것이다. 예를 들어, 본 발명의 실시예에 구체적으로 나타난 각 구성 요소는 변형하여 실시할 수 있다. 그리고 이러한 변형과 응용에 관계된 차이점들은 첨부된 청구 범위에서 규정하는 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims (10)

  1. 자연골재로서 부순 굵은 골재 30~50 중량부;
    자연골재로서 부순 잔골재 20~40 중량부;
    아스팔트 포장용 채움재 2~10 중량부;
    신재 아스팔트 2.3~4.0 중량부;
    개질 유황 첨가제 2.0~4.0 중량부;
    폐타이어 분말 0.1~0.6 중량부;
    열가소성 탄성체(thermoplastic elastomer) 0.1~0.6 중량부; 및
    소석회(calcium hydroxide, Ca(OH)2), 수산화나트륨(sodium hydroxide, NaOH), 황산나트륨(sodium sulfate, Na2SO4), 중황산나트륨(sodium bisulfate, NaHSO4), 탄산나트륨(sodium carbonate, Na2CO3), 및 중탄산나트륨(sodium bicarbonate, NaHCO3)으로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상을 포함하는 냄새 저감용 첨가제 0.01~0.2 중량부를 포함하는 중온형 개질 아스팔트 혼합물로서,
    상기 개질 아스팔트 혼합물은,
    신재 아스팔트 2.3~4.0 중량부, 개질 유황 첨가제 2.0~4.0 중량부, 폐타이어 분말 0.1~0.6 중량부, 열가소성 탄성체 0.1~0.6 중량부, 및 냄새 저감용 첨가제 0.01~0.2 중량부를 교반기(agitator)가 장착된 반응기에 투입하는 단계;
    상기 반응기를 소정 온도로 유지하여 투입된 재료들을 녹이면서 상기 교반기로 혼합 및 분산시켜 바인더 혼합물을 만드는 단계; 및
    부순 굵은 골재 30~50 중량부, 부순 잔골재 20~40 중량부, 및 채움재 2~10 중량부를 가열 후 상기 반응기에 투입하여 상기 바인더 혼합물과 혼합하는 단계를 포함하는 방법으로 제조되고,
    상기 바인더 혼합물을 만드는 단계에서 상기 반응기 및 교반기의 운전시간은 2~ 48 시간이고, 상기 반응기의 온도는 120~140 ℃이며, 상기 교반기의 회전속도는 500~1200 rpm이되,
    유황, 하이드로 설파이드(hydrosulfide), 머캅탄(mercaptan), 및/또는 그 유도체에 의해 유발되는 냄새가 저감된 것을 특징으로 하는 중온형 개질 아스팔트 혼합물.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제1 항에 있어서,
    상기 바인더 혼합물을 만드는 단계에서,
    상기 반응기 및 교반기의 운전시간은 20~26 시간이고,
    상기 반응기의 온도는 120~130 ℃이며,
    상기 교반기의 회전속도는 1000~1200 rpm인 것을 특징으로 하는 중온형 개질 아스팔트 혼합물.
  5. 제1 항에 있어서,
    상기 열가소성 탄성체의 Melt Mass-flow rate(190 ℃, 2.16 kg)는 1~55 g/10min, 밀도는 0.86~0.92 g/㎤, Mooney 점도(at 121 ℃)는 1~50 MU, 인장강도는 1~2.5 MPa, 신장률은 300 % 이상, 절단강도는 5~30 KN/m, 녹는점은 57~76 ℃, 직경은 1~7 mm, 공용성 등급은 PG 76-22인 것을 특징으로 하는 중온형 개질 아스팔트 혼합물.
  6. 제5 항에 있어서,
    상기 열가소성 탄성체는 에틸렌-1-부텐 공중합체(ethylene-1-butene copolymer)인 것을 특징으로 하는 중온형 개질 아스팔트 혼합물.
  7. 삭제
  8. 신재 아스팔트 2.3~4.0 중량부, 개질 유황 첨가제 2.0~4.0 중량부, 폐타이어 분말 0.1~0.6 중량부, 열가소성 탄성체 0.1~0.6 중량부, 및 냄새 저감용 첨가제 0.01~0.2 중량부를 교반기(agitator)가 장착된 반응기에 투입하는 단계;
    상기 반응기를 소정 온도로 유지하여 투입된 재료들을 녹이면서 상기 교반기로 혼합 및 분산시켜 바인더 혼합물을 만드는 단계; 및
    부순 굵은 골재 30~50 중량부, 부순 잔골재 20~40 중량부, 및 아스팔트 포장용 채움재 2~10 중량부를 가열 후 상기 반응기에 투입하여 상기 바인더 혼합물과 혼합하는 단계를 포함하고,
    상기 바인더 혼합물을 만드는 단계에서 상기 반응기 및 교반기의 운전시간은 2~ 48 시간이고, 상기 반응기의 온도는 120~140 ℃이며, 상기 교반기의 회전속도는 500~1200 rpm이고,
    상기 냄새 저감용 첨가제는 소석회, 수산화나트륨, 황산나트륨, 중황산나트륨, 탄산나트륨, 및 중탄산나트륨으로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상이되, 유황, 하이드로 설파이드(hydrosulfide), 머캅탄(mercaptan), 및/또는 그 유도체에 의해 유발되는 냄새가 저감된 인 것을 특징으로 하는 중온형 개질 아스팔트 혼합물의 제조 방법.
  9. 제8 항에 있어서,
    상기 바인더 혼합물을 만드는 단계에서,
    상기 반응기 및 교반기의 운전시간은 20~26 시간이고,
    상기 반응기의 온도는 120~130 ℃이며,
    상기 교반기의 회전속도는 1000~1200 rpm인 것을 특징으로 하는 중온형 개질 아스팔트 혼합물의 제조 방법.
  10. 삭제
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