KR102201301B1

KR102201301B1 - 아스팔트 혼합물용 아스팔트 개질제 및 이를 포함하는 아스팔트 혼합물

Info

Publication number: KR102201301B1
Application number: KR1020200013139A
Authority: KR
Inventors: 김형수; 연찬흠; 김수란; 박지환; 남형호
Original assignee: 이에스지산업 주식회사
Priority date: 2019-06-14
Filing date: 2020-02-04
Publication date: 2021-01-11
Also published as: KR20200143221A

Abstract

본 발명은 아스팔트 혼합물용 아스팔트 개질제 및 이를 포함하는 아스팔트 혼합물에 관한 것으로서, 구체적으로는 보강섬유 다발에 폴리에틸렌 포함 코팅층이 형성된 아스팔트 개질제에 관한 것이다. 바람직하게는, 본 발명은 골재 및 아스팔트 바인더와 혼합되어 아스팔트 혼합물을 제조하는 아스팔트 개질제로서, 8~34mm 길이를 갖고 복수개의 보강섬유 가닥으로 이루어진 보강섬유 다발 및 상기 보강섬유 다발의 외피를 형성하는 폴리에틸렌 포함 코팅층으로 이루어진 아스팔트 개질제를 제공한다.

Description

아스팔트 혼합물용 아스팔트 개질제 및 이를 포함하는 아스팔트 혼합물{ASPHALT MODIFYING MATERIALS FOR ASPHALT MIXTURES AND ASPHALT MIXTURES COMPRISING THE SAME}

본 발명은 아스팔트 혼합물용 아스팔트 개질제 및 이를 포함하는 아스팔트 혼합물에 관한 것으로서, 구체적으로는 보강섬유 다발에 폴리에틸렌 포함 코팅층이 형성된 아스팔트 개질제에 관한 것이다.

도로 포장은 주로 시멘트 콘크리트 포장이나 아스팔트 콘크리트 포장(아스콘)을 시행하고 있다.

시멘트 콘크리트 포장은 부순 돌과 같은 입상 재료로 이루어지는 노반 위에 시멘트 콘크리트판을 타설한 포장을 말하는데, 중차량에 대한 적응도가 양호하며, 공용수명이 길기 때문에 많이 사용되고 있다. 하지만, 시멘트 콘크리트 포장은 양생 시간이 길고, 줄눈 설치 등의 공정이 매우 복잡하다. 또한, 줄눈부의 주기적인 유지 보수가 필요하고, 유지보수 시간이 길고 비용 역시 많이 발생하고, 소음, 줄눈으로 인한 승차감 불량 등의 문제가 있어, 교통량이 많은 시가지 도로에는 거의 적용되지 않으며, 고속도로에서도 점점 사용량이 감소하고 있다.

아스팔트 포장은 아스팔트 혼합물로 표면을 덮은 도로포장을 말하는데, 시멘트 콘크리트 포장에 비해 중차량에 대한 적응도가 상대적으로 낮고, 소성변형, 균열, 포트홀 등이 자주 발생한다. 또한, 공용 수명이 짧고 잦은 보수가 요구된다는 문제점이 있다. 하지만, 아스팔트 포장은 시공의 신속성과 간편성, 낮은 유지보수 비용으로 인해 시가지 도로 등 많은 곳에서 이용되고 있다. 도로 포장 중 아스팔트 포장은 90% 이상을 차지한다.

아스팔트 포장 도로의 수명을 향상시키고, 아스팔트 포장의 균열 및 소성변형 방지를 위해서, 다양한 방법들이 사용되고 있다. 그 중 한 가지는 고분자로 개질된 고점도 아스팔트 바인더를 사용하거나, 탄소 섬유, 유리 섬유, 아라미드 섬유, 폴리에스테르 섬유 등에서 선택된 2종 이상의 섬유를 혼합한 보강 섬유를 아스팔트 혼합물에 혼합하여 사용하는 방법이 있다. 하지만, 2종 이상의 이종의 섬유를 혼합한 보강 섬유는 아스팔트 혼합물을 생산할 때 섬유끼리 뭉치는 현상(Balling)이 발생하여, 사용상 문제가 된다.

이러한 문제를 해결하기 위하여 다양한 방법들이 제안되고 있다. 한국등록특허 제10-1494799호는 유리섬유 파분에 아스팔트 바인더로 된 외피재로 코팅된 펠릿 형태의 파분 보강재와, 유리섬유 다발에 폴리프로필렌 수지재가 코팅되어 봉형상을 갖는 섬유 보강재를 개시하고 있다. 또한, 한국등록특허 제10-1659727호는 무기계 연속섬유 또는 무기계 분쇄섬유를 열가소성 수지와 균일하게 혼합하고, 이를 펠릿 형태로 압출하여 개질 아스팔트용 펠릿을 제조하고 있다.

하지만, 상기 특허들은 재료 각각을 개별 코팅을 하고, 이를 혼합하여 사용하거나, 혼합물을 다시 펠릿 형태로 성형하는 공정을 거치기 때문에, 제조공정이 복잡하고, 비용이 높다는 단점이 있다.

또 다른 방법으로는 격자형태로 짜여진 토목 섬유를 중간 중간에 적층 시공하는 방법이 있다. 한국등록특허 제10-1427375호는 아스팔트 포장공사용 통기성 폴리에틸렌 필름 및 이를 포함하는 아스팔트 보강재를 개시하고 있다.

본 발명은 아스팔트 포장 도로의 소성변형, 균열, 포트홀 등의 파손을 예방하면서, 저비용으로 제조가 가능하고, 시공 비용도 절감할 수 있는 아스팔트 혼합물용 아스팔트 개질제를 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기한 과제는, 골재 및 아스팔트 바인더와 혼합된 아스팔트 혼합물용 아스팔트 개질제로서, 8~3 4mm 길이를 갖고, 복수개의 보강섬유 가닥으로 이루어진 보강섬유 다발 및 상기 보강섬유 다발의 외피를 형성하는 폴리에틸렌 포함 코팅층으로 이루어진 아스팔트 개질제에 의해 달성된다.

바람직하게는, 상기 아스팔트 개질제에서 폴리에틸렌은 개질제 총 중량 대비 10~30 중량%로 포함될 수 있다.

또한 바람직하게는, 상기 폴리에틸렌 포함 코팅층은 코팅층 총 중량 대비 10~60 중량%의 폴리에틸렌, 40~90 중량%의 산업부산물 분말을 포함할 수 있다.

또한 바람직하게는, 상기 산업부산물 분말은 탄산칼슘 함량이 70 중량% 이상인 칼펫(calpet), 규소(SiO₂) 함량이 30 중량% 이상인 플라이애쉬(fly ash), 유리섬유 파분 및 리젝애쉬(reject ash)로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상일 수 있다.

또한 바람직하게는, 보강섬유는 유리섬유, 탄소섬유, 바잘트섬유 및 폴리에스테르섬유로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상일 수 있다.

또한, 상기 과제는, 상기 아스팔트 개질제, 골재 및 아스팔트 바인더를 포함하는 아스팔트 혼합물에 의해 달성된다.

본 발명은 폴리에틸렌 수지에 산업부산물 분말을 일정 비율로 혼합하여 제조된 코팅 조성물을 이용하여 보강섬유 다발의 외부에 코팅층을 형성한 아스팔트 개질제를 제조함으로써, 아스팔트 혼합물 제조시에 개질제가 혼합물 중에 균일하게 분산될 수 있다, 또한 보강섬유에 더하여 산업부산물 분말도 혼합물에 함께 분산됨으로써, 골재간 맞물림 응력과 브릿지 효과가 증대하여 아스팔트 혼합물의 강도 및 인성이 증가한다.

도 1은 본 발명에 따른 아스팔트 개질제의 개략도이다.

본 발명에서 사용되는 모든 기술용어는, 달리 정의되지 않는 이상, 하기의 정의를 가지며 본 발명의 관련 분야에서 통상의 당업자가 일반적으로 이해하는 바와 같은 의미에 부합된다. 또한, 본 명세서에는 바람직한 방법이나 시료가 기재되나, 이와 유사하거나 동등한 것들도 본 발명의 범주에 포함된다.

용어 "약"이라는 것은 참조 양, 수준, 값, 수, 빈도, 퍼센트, 치수, 크기, 양, 중량 또는 길이에 대해 30, 25, 20, 15, 10, 9, 8, 7, 6, 5, 4, 3, 2 또는 1% 정도로 변하는 양, 수준, 값, 수, 빈도, 퍼센트, 치수, 크기, 양, 중량 또는 길이를 의미한다.

본 명세서를 통해, 문맥에서 달리 필요하지 않으면, "포함하다" 및 "포함하는"이란 말은 제시된 단계 또는 구성요소, 또는 단계 또는 구성요소들의 군을 포함하나, 임의의 다른 단계 또는 구성요소, 또는 단계 또는 구성요소들의 군이 배제되지는 않음을 내포하는 것으로 이해하여야 한다.

본 발명은 골재 및 아스팔트 바인더와 혼합되어 아스팔트 혼합물을 제조하는 아스팔트 개질제에 관한 것이다. 도 1은 본 발명에 따른 아스팔트 개질제(10)의 개략도이다. 도 1을 보면, 본 발명의 아스팔트 개질제(10)는 보강섬유 다발(11) 및 상기 보강섬유 다발의 외피를 형성하는 코팅층(12)으로 이루어질 수 있다

상기 보강섬유 다발(11)은 복수개의 보강섬유 가닥으로 이루어진다. 바람직하게는, 보강섬유 다발(11)은 약 500~500,000개의 보강섬유 가닥으로 이루어질 수 있다. 상기 보강섬유는 유리섬유, 탄소섬유, 바잘트섬유 및 폴리에스테르섬유로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상일 수 있다. 상기 보강섬유가 유리섬유인 경우, 직경이 3~100 μm, 바람직하게는 5~50 μm인 연속 섬유이고, 알칼리 함량이 1% 미만이며, 비중이 1.8~2.6, 바람직하게는 2.4~2.6이고, 인장강도는 500~10,000MPa, 바람직하게는 3,000~ 5,000MPa이고, 파단신율은 0.5~15%, 바람직하게는 1~6%인 것이 바람직하다.

보강섬유 다발의 외부를 코팅 조성물로 코팅한 후, 8~34mm, 바람직하게는 10~20 mm의 길이로 절단되는 것이 바람직하다.

상기 코팅 조성물은 폴리에틸렌을 포함하는데, 상기 폴리에틸렌은 융점이 110~130℃인 것이 바람직하다. 보다 바람직하게는 융점이 120℃ 이하인 저밀도 폴리에틸렌을 사용할 수 있다.

본 발명의 일 실시형태에 따르면 상기 코팅 조성물은 산업부산물 분말을 포함할 수 있다. 상기 산업부산물 분말은 탄산칼슘 함량이 70 중량% 이상인 칼펫(calpet), 규소(SiO₂) 함량이 30 중량% 이상인 플라이애쉬(fly ash), 버텀애쉬(Bottom ash), 유리섬유 파분 또는 리젝애쉬(reject ash) 중 1종 이상일 수 있다. 상기 분말은 45μm 체 통과분이 60 중량% 이상일 수 있다. 유리섬유 파분의 경우, 두께 0.1mm 이하 길이 5mm 이하의 섬유 형태를 유지하는 유리섬유 함량이 45μm 체 잔량(45μm 체를 통과하지 않고 남은 양)은 53 중량%이고, 이중 약 5 중량% 이하의 양을 체 통과분인 47 중량%와 혼합한 입도분포 잔량율을 갖는 유리섬유 파분을 채택하는 것이 바람직하다.

본 발명의 코팅 조성물은 조성물 총 중량 대비 10~60 중량%의 폴리에틸렌, 바람직하게는 20~50 중량%의 폴리에틸렌을 포함한다. 또한, 40~90 중량%의 산업부산물 분말, 바람직하게는 50~80 중량%의 산업부산물 분말을 포함하는 것이 바람직하다. 폴리에틸렌 함량이 10 중량% 미만인 경우에는 유리섬유의 외피 형성이 어렵고, 폴리에틸렌 함량이 60 중량%를 초과하는 경우에는 산업부산물의 양이 적어지게 되므로, 개질제의 물성 향상 효과가 낮아진다.

코팅층이 형성된 유리섬유 다발은 8~34 mm, 바람직하게는 10~20 mm 길이를 갖도록 절단되며, 최종 아스팔트 개질제의 직경은 1~10 mm, 바람직하게는 2~7 mm일 수 있다.

본 발명의 일 실시형태에 따르면, 본 발명의 아스팔트 개질제는 다음의 방법으로 제조될 수 있다.

먼저, 폴리에틸렌과 산업부산물 분말을 160~230℃, 바람직하게는 170~220℃의 온도로 가열하면서 혼합하여 분말이 균일하게 분산된 코팅 조성물을 제조한다. 이때 폴리에틸렌은 혼합물 총 중량 대비 10~60 중량%이고, 산업부산물 분말은 40~90 중량%인 것이 바람직하다.

이렇게 제조된 코팅 조성물에 상기 보강섬유 다발을 함침시키거나, 코팅 장치를 이용하여 보강섬유 다발의 외부를 코팅 조성물로 코팅할 수 있다.

본 발명의 일 실시형태에 따르면, 상기 코팅 장치는 코팅 조성물이 공급되는 몸체부, 상기 몸체와 횡방향으로 체결되면서 코팅 조성물이 보강섬유 다발의 표면에 코팅되도록 하는 노즐부, 및 상기 노즐부의 후방에서 노즐부를 향해 보강섬유 다발을 공급하는 섬유공급부를 포함한다. 상기 몸체부에 코팅 조성물을 공급하면서, 보강섬유 다발을 섬유공급부에 공급하여 노즐부 통과시키면, 상기 노즐부의 내부에서 코팅 조성물이 보강섬유 다발의 외부에 코팅층을 형성하여, 본 발명이 아스팔트 개질제가 제조된다. 이 과정에서 코팅층이 균일하게 형성되도록 코팅 조성물은 160~230℃, 바람직하게는 170~220℃로 가열시켜 공급하는 것이 바람직하다.

본 발명의 아스팔트 개질제는 개질제 총 중량 대비 폴리에틸렌이 10~30 중량%이고, 유리섬유, 플라이애쉬 등 무기계 성분이 70~90 중량%인 것을 특징으로 한다.

이렇게 제조된 아스팔트 개질제는 골재 및 아스팔트 바인더와 함께 플랜트 믹서에서 혼합되어 아스팔트 혼합물을 형성한다. 상기 아스팔트 개질제는 아스팔트 혼합물 총 중량 대비 0.1~10 중량%로 포함될 수 있다.

상기 골재는 모래, 쇄석, 자갈 등을 사용할 수 있으며, 특별히 제한되지 않는다. 아스팔트 혼합물에서 골재의 함량은 혼합물 총 중량 대비 60~98 중량%, 바람직하게는 80~95 중량%일 수 있다. 골재의 굵기는 특별히 제한되지 않지만, 굵은 골재 최대 치수가 최대 10~40 mm이고, 2.5 mm(No.8) 체 통과율이 7~65 중량%인 골재입도분포를 갖는 것이 바람직하다.

상기 아스팔트 바인더는 스트레이트 아스팔트, 블로운 아스팔트(blown asphalt) 등을 사용할 수 있으며, 특별히 제한되지 않는다. 아스팔트 바인더는 아스팔트 혼합물 총 중량 대비 1~30 중량%, 바람직하게는 3~10 중량%일 수 있다.

아스팔트 혼합물 제조 과정에서 아스팔트 개질제, 골재, 아스팔트 바인더를 상기 중량비로 혼합하는데, 이 과정에서 혼합물을 140~170℃의 온도로 가열하는 것이 바람직하다. 본 발명의 아스팔트 개질제의 폴리에틸렌 수지는 융점이 낮기 때문에, 혼합 과정에서 개질제의 코팅층이 녹게 되고, 개질제의 유리섬유와 산업부산물 분말이 아스팔트 혼합물에 분산되게 된다. 낮은 온도에서도 폴리에틸렌 수지가 녹기 때문에, 아스팔트 혼합물 제조 비용이 폴리프로필렌과 같은 고융점의 열가소성 수지를 사용하는 경우보다 낮아지므로, 경제성이 우수하다.

이하에서는 실시예를 들어서 본 발명을 상세히 설명하지만, 이들 실시예에 의해 본 발명의 권리범위가 제한되는 것은 아니다.

제조예 1

폴리에틸렌은 멜트인덱스가 7.7g/10min(190℃, 2.16kg), 밀도가 0.919 g/㎤인 저밀도폴리에틸렌(한화석유화학, Grade 950)을 사용하였다. 무기물은 평균입자 크기가 2.4㎛인 칼슘카보네이트(야바시코리아, YK-2C)를 사용하였다. 유리섬유는 오웬스코닝의 6600Tex(6.6 kg/km) 규격의 유리섬유 다발을 사용하였다.

폴리에틸렌 포함 코팅층을 제조하기 위해 사전에 폴리에틸렌 30 중량% 와 칼슘카보네이트 70 중량%를 균일하게 용융 혼합하여 컴파운드(혼합물)를 만들었다.

이후, 90mm 압출기를 사용하였으며, 노즐을 통해 유리섬유를 통과시키고, 폴리에틸렌와 칼슘카보네이트 혼합물을 150℃ 이상으로 용융 및 혼합시켜 압출성형하는 방법으로 유리섬유 주위를 코팅하여 제조하였다. 이후 코팅된 유리섬유를 15mm 크기로 절단하여 최종적으로 아스팔트 개질제를 완성하였다.

실험예

아스팔트 혼합물은 표층용으로 주로 사용되어지는 WC-3 등급의 아스팔트를 기준으로 제조하여 시험을 실시하였다. WC-3 등급의 경우 여러 종류의 골재가 사용되며 그 비율은, 0.08mm 이하 골재 6 중량%, 0.08~0.13mm 골재 5 중량%, 0.15~0.3mm 골재 4 중량%, 0.3~0.6mm 골재 9 중량%, 0.6~2.5mm 골재 18 중량%, 2.5~5mm 골재 20 중량%, 5~10mm 골재 13 중량%, 10~13mm 골재 9 중량%, 13~20mm 골재 8 중량%가 혼합된 것으로, 총 골재비율 92 중량%를 사용하고, 여기에 필러 2.5 중량%, 아스팔트바인더 5.5 중량%를 혼합하여 최종적으로 WC-3 등급의 아스팔트 혼합물을 만들었다. 상기 WC-3 아스팔트 혼합물은, 골재의 크기별 함량이 거의 일정하여, 혼합물간의 상호 보완 효과가 커서 소음, 변형저항성 등을 높여줄 수 있으며, 보편적으로 사용되는 아스팔트용 골재 혼합비에 해당한다(KS규격에 해당). WC-3 등급의 아스팔트 혼합물은, KS 규정에 명시되어 있는 마샬안정도의 요구되는 최소값은 5,000N 이상이다.

평가를 위해, 상기 아스팔트 혼합물 100 중량부에 제조예 1에서 제조된 아스팔트 개질제 1 중량부를 포함하는 아스팔트 혼합물(실시예 1), 상기 아스팔트 혼합물 100 중량부에 제조예 1에서 제조된 아스팔트 개질제 1.5 중량부를 포함하는 아스팔트 혼합물(실시예 2), 상기 아스팔트 혼합물 100 중량부에 제조예 1에서 제조된 아스팔트 개질제 2.0 중량부를 포함하는 아스팔트 혼합물(실시예 3)을 만들었다. 비교를 위해, 아스팔트 개질제를 포함하지 않는 상기 제조된 WC-3 아스팔트 혼합물 100중량부를 비교예 1로 준비하였다.

실시예 1 내지 3 및 비교예 1의 아스팔트 혼합물에 대해 각각 3회씩 마샬안정도 값을 측정하였다.

마샬안정도 시험은 직경 10㎝(4in), 두께 6.3㎝(2.5in)의 원판형의 시편을 세로로 세워, 상하에 있는 2매의 원호형 재하판 사이에 끼운다. 1 분간 50㎜(2in)의 일정 속도로 가압하여 피시험체가 파괴할 때까지 나타난 최대 하중값을 마샬안정도 값으로 산출하였다. 시험 온도는 60℃이다. 마샬안정도 값을 통해 아스팔트의 휠트래킹 시험 및 동탄성계수의 특성을 유추할 수 있다. 마샬안정도값이 높은 경우, 휠트래킹시험의 저항성이 커지고, 동탄성계수는 증가한다.

구분	골재 함량 (wt%)	필러 함량 (wt%)	아스팔트바인더 함량 (wt%)	개질제 함량 (중량부)	마샬안정도 시험 결과 (N)
비교예 1-1	92	2.5	5.5	0	9,071
비교예 1-2					10,717
비교예 1-3					10,418
비교예1 평균					10,069
실시예 1-1				1.0 중량부	10,595
실시예 1-2					13,861
실시예 1-3					10,963
실시예1 평균					11,806
실시예 2-1				1.5 중량부	12,683
실시예 2-2					12,679
실시예 2-3					12,737
실시예2 평균					12,700
실시예 3-1				2.0 중량부	11,653
실시예 3-2					11,533
실시예 3-3					12,160
실시예3 평균					11,782

WC-3 아스팔트 혼합물의 KS규격에서 요구하는 최소 마샬안정도 값은 5000N이다.

표 1을 보면, 비교예 1의 WC-3 아스팔트 혼합물의 경우, 마샬안정도가 평균 10,000N이 형성되어 KS요구에 부합하는 결과를 보이는 것을 알 수 있다. 그러나, 본 발명에 따른 아스팔트 개질제를 혼합한 아스팔트 혼합물의 경우 마샬안정도 값이 18% 내지 27% 개선된 결과를 나타냈다. 특히 실시예 2의 마샬 안정도 값이 가장 높은 것을 확인할 수 있었다. 마샬안정도는 소성변형에 대한 저항성을 나타내는 것으로 값이 클수록 소성변형에 대한 저항성이 크다는 것을 알 수 있었다.

이상으로 본 발명의 특정한 부분을 상세히 기술하였는바, 당업계의 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 이러한 구체적인 기술은 단지 바람직한 구현예일 뿐이며, 이에 본 발명의 범위가 제한되는 것이 아닌 점은 명백하다. 따라서, 본 발명의 실질적인 범위는 첨부된 청구항과 그의 등가물에 의하여 정의된다고 할 것이다.

Claims

골재 및 아스팔트 바인더와 혼합된 아스팔트 혼합물용 아스팔트 개질제로서,
8~34 mm 길이를 갖고, 복수개의 보강섬유 가닥으로 이루어진 보강섬유 다발 및 상기 보강섬유 다발의 외피를 형성하는 폴리에틸렌 포함 코팅층으로 이루어지고, 상기 아스팔트 개질제에서 폴리에틸렌은 개질제 총 중량 대비 10~30 중량%로 포함되는 것을 특징으로 하는, 아스팔트 개질제.
삭제
제1항에 있어서, 상기 폴리에틸렌 포함 코팅층은 코팅층 총 중량 대비 10~60 중량%의 폴리에틸렌, 40~90 중량%의 산업부산물 분말을 포함하는 것을 특징으로 하는, 아스팔트 개질제.
제3항에 있어서, 상기 산업부산물 분말은 탄산칼슘 함량이 70 중량% 이상인 칼펫(calpet), 규소(SiO₂) 함량이 30 중량% 이상인 플라이애쉬(fly ash), 유리섬유 파분 및 리젝애쉬(reject ash)로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상인 것을 특징으로 하는, 아스팔트 개질제.
제1항에 있어서, 보강섬유는 유리섬유, 탄소섬유, 바잘트섬유 및 폴리에스테르섬유로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상인 것을 특징으로 하는 아스팔트 개질제.
제1항, 제3항 내지 제5항 중 어느 한 항의 아스팔트 개질제, 골재 및 아스팔트 바인더를 포함하는 아스팔트 혼합물.