KR102225405B1 - 친환경 아스팔트 혼합물용 개질첨가제 및 이를 첨가한 개질아스팔트 혼합물 - Google Patents

친환경 아스팔트 혼합물용 개질첨가제 및 이를 첨가한 개질아스팔트 혼합물 Download PDF

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Abstract

본 발명은 친환경 아스팔트 혼합물용 개질첨가제, 개질아스팔트 혼합물 및 개질아스팔트 혼합물의 제조 방법에 관한 것으로서, 아스팔트 혼합물용 개질첨가제는 구체적으로 폐 EPDM 고무분말 65-70 중량부, 폐 폴리프로필렌 미세분말 20-25 중량부, 상용화제 4-5 중량부, 파라핀 왁스 3-4 중량부, 산화방지제 0.5-1 중량부, 노화방지제 0.5-1 중량부 및 자외선흡수제 0.5-1 중량부를 포함하되, 폐타이어 고무분말과 폴리에틸렌은 포함하지 않는다.

Description

친환경 아스팔트 혼합물용 개질첨가제 및 이를 첨가한 개질아스팔트 혼합물 {MODIFIER FOR ASPHALT MIXTURE AND MODIFIED ASPHALT MIXTURE TO WHICH THE SAME ADDED}
본 발명은 친환경 아스팔트 혼합물용 개질첨가제 및 이를 첨가한 개질아스팔트 혼합물에 관한 것으로서, 구체적으로는 폐 EPDM 고무분말 65-70 중량부, 폐 폴리프로필렌 미세분말 20-25 중량부, 상용화제 4-5 중량부, 파라핀 왁스 3-4 중량부, 산화방지제 0.5-1 중량부, 노화방지제 0.5-1 중량부 및 자외선흡수제 0.5-1 중량부를 포함하는 아스팔트 혼합물용 개질첨가제를 사용하여 우수한 품질의 개질아스팔트 혼합물을 얻을 수 있어 일반아스팔트(AP-5)에 첨가될 시 공용성 등급 PG 76-22 이상을 달성할 수 있으며, 유독성 물질의 배출량이 저감되어 친환경적인 아스팔트 혼합물용 개질첨가제 및 이를 첨가한 개질아스팔트 혼합물에 관한 것이다.
아스팔트의 소성변형억제를 위해 대두되고 있는 개질 아스팔트는 일반적으로 기존 아스팔트에 일정량의 개질제를 첨가하여 아스팔트의 물성을 개선시킨 것이다. 아스팔트의 소성변형은 주로 고온에서의 아스팔트 도로포장체의 파손이기 때문에 고온에서 더 큰 점도를 가져야 하며, 이런 문제를 보완하기 위하여 개질제의 선택으로 고분자가 가장 적절하다는 연구결과가 보고되고 있다. 국내에 사용되고 있는 개질아스팔트에는 SMA(Stone Mastic Asphalt), SBSPMA(Styrene Butadiene Styrene Polymer Modified Asphalt), CRM(Crumb Rubber Modifier), PBS(Phoenix Bituminous Stabilizer) 등이 있으며 아스팔트 콘크리트 도로포장의 문제점들을 개선하고자 다양한 개질아스팔트에 대한 연구가 활발하게 진행되고 있다.
한편, 최근의 저탄소 녹색성장 아래 환경 친화적이면서 재활용 가능한 재료의 발굴과 적용은 아스팔트 콘크리트 포장 분야에서도 많이 연구되고 있다. 산업부산물을 이용한 개질아스팔트에 대한 연구로는 황이 첨가된 개질아스팔트 혼합물의 실내물성 평가(양성린 등, 2006)와 CRM 개질아스팔트 혼합물의 소성변형 및 박리저항 특성에 관한 연구(도영수 등, 2007), 폐타이어 고무분말 개질아스팔트의 물리적 특성에 대한 공정조건의 영향(오광중 등, 2008), 폐타이어 분말을 이용하여 SMA 혼합물의 소성변형 및 변형강도 특성 연구(김현환 등, 2009), R-EPDM 개질아스팔트 혼합물의 소성변형 및 수분민감성 특성(조영진 등, 2010) 등 산업부산물을 개질재로 사용한 아스팔트 혼합물에 대한 다양한 연구가 이루어지고 있다.
본 발명과 관련된 좀더 구체적인 종래기술로서 국내 등록된 특허공보에 관한 기술내용을 알아보면, 국내등록특허공보(등록번호 제10-629902호)에는 "아스팔트 포장용 에폭시수지조성물 및 이를 이용한 에폭시 아스팔트 포장혼합물"에 관한 기술내용이 소개되고 있다.
기술구성의 내용은 큰골재, 잔골재, 채움재, 아스팔트로 구성되는 통상의 아스팔트 혼합물에 첨가되는 에폭시 수지 조성물과 이를 첨가한 아스팔트 포장혼합물로서 에폭시 수지와 같은 열경화성 폴리머는 레진을 포함하고 있는 성분과 화학적으로 반응하여 강한 3차원 구조를 형성하는 경화제성분인 두가지 액상성분을 혼합하여 만들어지게 된다.
아스팔트와 섞은 에폭시 수지 구성성분은 아스팔트 특성보다 개질 열가소성 특성을 나타낸다.
열가소성인 아스팔트와 열경화성 결합재간의 차이점을 알아보면, 열경화성 결합제의 두성분을 혼합 시 결합재의 사용수명을 한정하게 된다. 즉, 유용한 시간은 온도에 따라 크게 의존하며 고온일수록 시간이 짧아지며 열경화성제품을 적용한 후에는 주변온도에 따라 도로 노면의 양생 정도가 변하는 유기-망간 화합물과 같이 강도의 증가가 시간에 따라 계속 증가한다. 온도가 증가할수록 아스팔트는 연화되고 흐름성을 갖게 된다.
열경화성 결합제는 온도에 민감하지 않고 일정온도에서는 영향을 거의 받지 않고 용제기름과 유류같은 물질에 강한점이 있으나 결합재의 사용수명이 짧고 점탄성이 부족한 단점이 있다.
또 다른 종래기술로 국내등록특허공보(등록번호 제10-937181호)에는 "자전거 전용도로용 포장재 조성물"에 관한 것으로 저점도 MMA수지와 열경화성 수지 또는 고무분산 고점도MMA수지로부터 선택한 합성수지를 혼합하여 제조한 속경성 수지와 경화제를 사용한 도로포장재 조성물로 자전거 전용도로 포장체에 바인더로서 통상적으로 사용되는 아스팔트 대신에 다양한 합성수지 조성물을 사용하므로 침입도 규격에 의한 아스팔트 포장용 등급 및 공용성 등급기준을 적용하기 곤란하며, 다양한 열경화성 합성수지를 사용하므로 먼저 언급한 종래기술과 같이 결합재로서 수명이 짧고 점탄성이 부족한 문제점이 발생할 수 있고 불균일한 혼합물을 만들 수 있기 때문에 도로포장체는 바인더로서 아스팔트를 근간으로 하여 아스팔트 혼합물에 개질첨가제를 첨가해서 아스팔트의 등급규격 및 공용성의 등급기준을 만족시킬 수 있는 아스팔트 개질첨가제 조성물이 바람직하다.
한편, 종래의 아스팔트 개질용 첨가제에는 CRM 고무가 함유된 폐타이어 분말을 사용하였으나, 이는 벤젠, 톨루엔, 에틸벤젠, 자일렌 등의 휘발성 유기화합물(T-VOCs), 다환 방향족 탄화수소(PAHs)와 같은 유독성 물질을 배출한다는 문제가 있다.
이에 본 발명이 해결하고자 하는 과제는 아스팔트 혼합물의 안정도와 강도 등의 품질을 향상시키고 일반아스팔트(AP-5)에 혼합하면 공용성 등급 PG 76-22 이상의 개질아스팔트 혼합물을 제조할 수 있으며, 유독성 물질의 배출량이 저감되어 친환경적인 아스팔트 혼합물용 개질첨가제 및 이를 첨가한 개질아스팔트 혼합물을 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 아스팔트 혼합물용 개질첨가제는 폐 EPDM 고무분말 65-70 중량부, 폐 폴리프로필렌 미세분말 20-25 중량부, 상용화제 4-5 중량부, 파라핀 왁스 3-4 중량부, 산화방지제 0.5-1 중량부, 노화방지제 0.5-1 중량부 및 자외선흡수제 0.5-1 중량부를 포함하되, 폐타이어 고무분말과 폴리에틸렌은 포함하지 않는다.
상기 폐 EPDM 고무분말의 평균입도는 40-80 메쉬(mesh)이고, 상기 폐 폴리프로필렌 미세분말의 평균입도는 150-300 메쉬일 수 있다.
상기 다른 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 개질아스팔트 혼합물은 표층용 도로포장, 중간층용 도로포장 및 기층용 도로포장 중 하나 이상에 사용되는 개질아스팔트 혼합물에 있어서, 자연골재 85-96 중량%, 채움재 0-5 중량%, 아스팔트 2-10 중량% 및 개질첨가제 0.5-1.5 중량%를 포함하되, 상기 개질첨가제는 폐 EPDM 고무분말 65-70 중량부, 폐 폴리프로필렌 미세분말 20-25 중량부, 상용화제 4-5 중량부, 파라핀 왁스 3-4 중량부, 산화방지제 0.5-1 중량부, 노화방지제 0.5-1 중량부 및 자외선흡수제 0.5-1 중량부를 포함하고, 폐타이어 고무분말과 폴리에틸렌은 포함하지 않는다.
상기 아스팔트가 일반아스팔트(AP-5)일 경우, 공용성 등급이 PG 76-22 이상일 수 있다.
표층용 도로포장 개질아스팔트 혼합물인 경우 상기 자연골재는 입도 0-3.5 mm의 골재 30-40 중량부, 입도 3.5-6 mm의 골재 20-30 중량부 및 입도 6-14 mm의 골재 30-40 중량부를 포함하고, 중간층용 도로포장 개질아스팔트 혼합물인 경우 상기 자연골재는 입도 0-3.5 mm의 골재 20-30 중량부, 입도 3.5-6 mm의 골재 10-20 중량부, 입도 6-14 mm의 골재 30-40 중량부 및 입도 14-20 mm의 골재 10-20 중량부를 포함하며, 기층용 도로포장 개질아스팔트 혼합물인 경우 상기 자연골재는 입도 0-3.5 mm의 골재 20-30 중량부, 입도 3.5-6 mm의 골재 10-20 중량부, 입도 6-14 mm의 골재 20-30 중량부, 입도 14-20 mm의 골재 10-20 중량부 및 입도 20-40mm의 골재 10-20 중량부를 포함할 수 있다.
표층용 또는 중간층용 도로포장 개질아스팔트 혼합물인 경우 하기 (1) 내지 (6) 중 하나 이상의 특성을 만족하고,
(1) 마샬안정도 (MS, 60 ℃): 14,000 N 이상
(2) 동적안정도 (DS): 3,700 회/mm 이상
(3) 인장강도비 (TSR): 0.85 이상
(4) 변형강도 (SD): 5.0 MPa 이상
(5) 간접인장강도 (ITS, 25 ℃): 7.0 N/mm2 이상
(6) 터프니스 (Toughness, 25 ℃): 18,000 N·mm2 이상
기층용 도로포장 개질아스팔트 혼합물인 경우 하기 (1) 내지 (3) 중 하나 이상의 특성을 만족할 수 있다.
(1) 마샬안정도 (MS, 60 ℃): 12,500 N 이상
(2) 동적안정도 (DS): 2,300 회/mm 이상
(3) 인장강도비 (TSR): 0.75 이상
상기 다른 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 개질아스팔트 혼합물의 제조 방법은 표층용 도로포장, 중간층용 도로포장 및 기층용 도로포장 중 하나 이상에 사용되는 개질아스팔트 혼합물의 제조 방법에 있어서, 170-190 ℃로 가열된 반응기에 자연골재 85-96 중량부와 채움재 0-5 중량부를 투입하는 단계, 상기 반응기에 개질첨가제 0.5-1.5 중량부를 투입하고 혼합하는 단계 및 아스팔트 2-10 중량부를 가열한 후 상기 반응기에 분사하여 첨가하는 단계를 포함하되, 상기 개질첨가제는 폐 EPDM 고무분말 65-70 중량부, 폐 폴리프로필렌 미세분말 20-25 중량부, 상용화제 4-5 중량부, 파라핀 왁스 3-4 중량부, 산화방지제 0.5-1 중량부, 노화방지제 0.5-1 중량부 및 자외선흡수제 0.5-1 중량부를 포함하고, 폐타이어 고무분말과 폴리에틸렌은 포함하지 않는다.
상기 반응기의 운전시간은 20-26 시간이고, 상기 혼합은 회전속도 1000-1200 rpm의 교반기로 수행될 수 있다.
기타 실시예의 구체적인 사항들은 상세한 설명에 포함되어 있다.
본 발명의 실시예들에 따른 아스팔트 혼합물용 개질첨가제는 아스팔트 혼합물의 안정도와 강도 등의 품질을 향상시킬 수 있고, 특히 일반아스팔트(AP-5)에 혼합하면 공용성 등급 PG 76-22 이상의 개질아스팔트 혼합물을 제조할 수 있다.
또한, 유독성 물질의 배출량이 저감되어 친환경적인 개질아스팔트 혼합물을 제조할 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따른 효과는 이상에서 예시된 내용에 의해 제한되지 않으며, 더욱 다양한 효과들이 본 명세서 내에 포함되어 있다.
도 1은 본 발명의 실험예에 따라 개질아스팔트 혼합물의 개질첨가제 함량별 마샬 안정도(MS)와 흐름값(Flow)을 나타낸 그래프이다.
도 2는 본 발명의 실험예에 따라 개질아스팔트 혼합물의 개질첨가제 함량별 간접인장강도(ITS)와 인장강도지수(TSR)를 나타낸 그래프이다.
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. '-' 또는 '내지'를 사용하여 나타낸 수치 범위는 다른 언급이 없는 한 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.
또한, 본 발명의 실시예의 구성 요소를 설명하는 데 있어서, 제1, 제2, A, B, (a), (b) 등의 용어를 사용할 수 있다. 이러한 용어는 그 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성 요소의 본질이나 차례 또는 순서 등이 한정되지 않는다.
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.
그리고 본 발명의 실시예를 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 실시예에 대한 이해를 방해한다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.
이하, 본 발명의 실시예들을 상세하게 설명한다.
본 발명의 아스팔트 혼합물용 개질첨가제는 폐 EPDM 고무분말 65-70 중량부, 폐 폴리프로필렌 미세분말 20-25 중량부, 상용화제 4-5 중량부, 파라핀 왁스 3-4 중량부, 산화방지제 0.5-1 중량부, 노화방지제 0.5-1 중량부 및 자외선흡수제 0.5-1 중량부를 포함하며, 폐타이어 고무분말과 폴리에틸렌은 포함하지 않는다.
본 발명의 개질아스팔트 혼합물은 아스팔트에 상기 개질첨가제를 혼합한 것으로서, 자연골재 85-96 중량%, 채움재 0-5 중량%, 아스팔트 2-10 중량% 및 개질첨가제 0.5-1.5 중량%를 포함한다.
이러한 아스팔트 혼합물용 개질첨가제는 종래의 개질첨가제에 포함되던 폴리에틸렌 미세분말 대신 폴리프로필렌 미세분말을 사용한 것으로서, 더 적은 함량으로도 마샬 안정도, 동적안정도, 간접인장도 등으로 나타나는 개질아스팔트 혼합물의 안정도와 강도를 향상시킬 수 있다.
폴리프로필렌은 폴리에틸렌보다 녹는점이 높아 개질첨가제의 제조온도를 상승시킬 수 있으나, 폴리에틸렌 왁스 대신 녹는점이 낮은 파라핀 왁스를 사용함으로써 분산제의 기능과 함께 제조온도 저감 효과를 기대할 수 있고, 접착성 수지로서의 보조적인 기능도 기대할 수 있다.
또한, 종래의 CRM 고무를 함유한 폐타이어 고무분말 대신 폐 EPDM 고무를 사용함으로써 개질아스팔트 혼합물의 유독성 물질 배출을 저감하는 동시에 안정도, 강도 등의 품질 개선 효과도 기대할 수 있다.
즉, 본 발명의 아스팔트 혼합물용 개질첨가제는 폐타이어 고무분말과 폴리에틸렌(분말 및 왁스)를 포함하지 않고도 우수한 품질을 발휘할 수 있고, 이러한 개질첨가제를 혼합한 일반아스팔트(AP-5)의 개질 혼합물은 공용성 등급 PG 76-22 이상을 달성할 수 있으며, 유독성 물질 배출이 저감되어 친환경적이다.
한편, 본 발명의 개질아스팔트 혼합물은 별도로 카본블랙을 사용하지 않아도 개질아스팔트 혼합물의 품질 저하가 발생하지 않을 수 있다.
폐 EPDM 고무분말
개질첨가제에 사용되는 폐 EPDM 고무분말은 운동장이나 웨더스트립 또는 호스류에 사용된 EPDM 고무를 회수하여 재활용한 고무계 수지 폴리머일 수 있다.
EPDM 고무분말을 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.
이러한 폐 EPDM 고무분말은 CRM 고무를 함유한 폐타이어 고무분말과 달리 벤젠, 톨루엔, 에틸벤젠, 자일렌 등의 휘발성 유기화합물(T-VOCs), 다환 방향족 탄화수소(PAHs)와 같은 유독성 물질을 거의 배출하지 않기 때문에 친환경적이다.
본 발명에 사용되는 폐 EPDM 고무분말은 평균입도가 40-80 메쉬(mesh), 바람직하게는 55-65 메쉬인 분말일 수 있다. 평균입도가 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 평균입도가 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.
폐 폴리프로필렌
폴리프로필렌(Polypropylene; PP)은 개질아스팔트의 강도, 인장력 등을 크게 향상시킬 수 있다. 폴리프로필렌은 용융상태에서 점도에 큰 변화가 없어 가공과 성형성이 좋아 화학적 안정성과 높은 인장력을 가지는 범용수지이다. 폴리프로필렌 미세분말은 평균입도가 150-300 메쉬, 바람직하게는 200-250 메쉬인 분말일 수 있다.
본 발명의 개질첨가제는 종래에 사용되던 폴리에틸렌 대신 더 적은 함량의 폴리프로필렌 미세분말을 사용하여 개질아스팔트 혼합물의 안정도와 강도를 향상시킬 수 있다.
폴리프로필렌은 폴리에틸렌보다 녹는점이 높아 개질첨가제의 제조온도를 상승시킬 수 있으나, 폴리에틸렌 왁스 대신 녹는점이 낮은 파라핀 왁스를 사용함으로써 제조온도를 저감하여 개질첨가제의 품질이나 생산성, 시공성 저하를 방지할 수 있다.
본 발명은 일 실시예에 따라 개질첨가제의 폴리프로필렌으로서 폐 폴리프로필렌을 재활용하여 사용할 수 있으며, 이에 따라 환경 개선에도 기여할 수 있다.
파라핀 왁스
파라핀 왁스는 개질첨가제의 분산을 향상시키기 위한 분산제의 기능과 제조온도를 저감하는 기능을 할 수 있다. 특히, 폴리에틸렌 왁스를 대체함으로써 폴리프로필렌 사용에 따라 제조온도가 상승하는 문제를 해소할 수 있다.
파라핀 왁스는 또한 접착성 수지로서의 보조적인 기능도 기대할 수 있기 때문에, 상용화제와 함께 개질첨가제의 접착성, 조밀성 등의 품질을 높이는 시너지 효과를 발휘할 수 있다.
상용화제
상용화제는 개질첨가제 내의 성분들 상호간 또는 개질첨가제 성분들과 아스팔트 혼합물 성분들 간의 상용성 및 접착성을 높일 수 있는 접착성 수지로서 기능할 수 있다.
상용화제는 변성 올레핀 수지를 포함할 수 있으며, 예시적인 실시예에서 상용화제는 NB 1600PE 변성 올레핀 수지를 포함할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
산화방지제
아스팔트의 산화는 주로 열이나 자외선에 의한 것이 대부분인데, 산화방지제는 이를 방지하는 기능을 한다.
산화방지제는 하이드로퀴논 모노메틸-에텔, 아밀부틸 하이드로퀴논 트리포스파이트, 트리페닐 포스페이트 중에서 선택되는 하나 이상을 포함할 수 있다.
노화방지제
노화방지제는 폐 EPDM 고무분말의 노화를 방지하기 위하여 첨가하는 것으로 광산화를 일으키는 자외선을 흡수하는 기능이 있으며 구체적으로는 광산화물을 분해하여 버티칼상의 안정된 물질로 하거나 과산화물 라디칼과 작용하여 불활성 물질로 변화시키거나 라디칼 정지반응에 의해 생성한 물질과 반응하여 원래의 노화방지제 또는 다른 노화방지제로서 작용하는 물질로 바뀐다. 폐고무에 특히 우수한 노화방지 작용을 하는 노화방지제로는 2-멜캅토 벤조이미다졸류가 있다.
자외선흡수제
자외선흡수제는 290-400 nm의 자외선을 흡수하여 무해한 에너지를 변화시켜 유리기의 생성을 미연에 방지할 수 있다. 아스팔트 혼합물의 포장재는 전천후 노출되고 고온의 여름철에는 산화율이 높아지며 자외선에 의한 광산화는 아스팔트 피막 표면에 두께 4-5 미크론의 피막을 신속하게 형성하여 산소흡수와 휘발성 물질의 휘발을 방해하게 된다. 이와 같은 피막의 산화물은 우수에 쉽게 용해되어 벗겨져 유실되고 신선한 아스팔트 표면을 노출시키게 되며 이와 같은 현상이 되풀이되면 아스팔트가 손상되고 아스팔트에 부착된 골재나 채움재 역시 우수나 바람에 유실될 수 있다. 따라서 자외선흡수재가 필요할 수 있다.
자외선흡수제는 페닐 살치레이트, P옥틸페닐살치레이트, P-t-부틸살치레이트 및 벤조페논계로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상을 포함할 수 있다.
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.
아스팔트로서 상기 정유공장에서 생산된 신규의 아스팔트 즉, AP-5의 일반아스팔트를 사용할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
자연골재
자연골재는 부순 굵은 골재와 부순 잔골재를 포함할 수 있다. 아스팔트 콘크리트에 사용되는 자연골재에 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 잔골재의 입도에 대하여 규정하고 있다.
굵은 골재는 부순 골재(쇄석), 부순 슬래그, 부순 자갈 등으로서, 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 자연골재로서 부순 굵은 골재는 20-5 mm 또는 13-2.5 mm의 골재를 사용하며, 잔골재는 10-0.08 mm의 골재를 이용한다.
아스팔트 혼합물은 표층용 도로포장 아스팔트, 중간층용 도로포장 아스팔트 및 기층용 도로포장 아스팔트로 구분하여 사용될 수 있고, 각 용도에 따라 골재의 사이즈나 성분들의 함량이 달라질 수 있다.
예시적인 실시예에서, 본 발명의 개질첨가제가 혼합된 아스팔트 혼합물이 표층용 도로포장 개질아스팔트 혼합물인 경우 상기 자연골재는 입도 0-3.5 mm의 골재 30-40 중량부, 입도 3.5-6 mm의 골재 20-30 중량부 및 입도 6-14 mm의 골재 30-40 중량부를 포함할 수 있고, 중간층용 도로포장 개질아스팔트 혼합물인 경우 상기 자연골재는 입도 0-3.5 mm의 골재 20-30 중량부, 입도 3.5-6 mm의 골재 10-20 중량부, 입도 6-14 mm의 골재 30-40 중량부 및 입도 14-20 mm의 골재 10-20 중량부를 포함할 수 있으며, 기층용 도로포장 개질아스팔트 혼합물인 경우 상기 자연골재는 입도 0-3.5 mm의 골재 20-30 중량부, 입도 3.5-6 mm의 골재 10-20 중량부, 입도 6-14 mm의 골재 20-30 중량부, 입도 14-20 mm의 골재 10-20 중량부 및 입도 20-40mm의 골재 10-20 중량부를 포함할 수 있다. 다만 이에 제한되는 것은 아니다.
아스팔트 포장용 채움재
본 발명의 개질아스팔트 혼합물에는 당업계에서 알려진 아스팔트 포장용 채움재를 더 사용할 수 있다. 이러한 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.
채움재는 0-5 중량%로 사용할 수 있으며, 보다 구체적으로는 표층용 또는 중간층용 도로포장 아스팔트 혼합물에는 채움재를 2-5 중량%로 사용할 수 있고 기층용 도로포장 아스팔트 혼합물에는 채움재를 사용하지 않을 수 있다.
셀룰로오스 나노섬유 (CNFs)
본 발명의 아스팔트 혼합물용 개질첨가제는 다른 실시예에 따라 셀룰로오스 나노섬유(Cellulose NanoFibers; CNFs) 5-15 중량부를 더 포함할 수 있는데, 이에 따라 개질아스팔트 혼합물의 안정도, 강도 등이 보다 향상될 수 있다. 셀룰로오스 나노섬유는 완전 건조시킨 후 미세화하여 분말로 사용하는 것이 바람직하다.
이상에서와 같은 본 발명의 실시예들에 따른 개질첨가제를 혼합하여 제조된 표층용 또는 중간층용 도로포장 개질아스팔트는 하기 (1) 내지 (6) 중 하나 이상, 바람직하게는 3 이상의 특성을 만족할 수 있다.
(1) 마샬안정도 (MS, 60 ℃): 14,000 N 이상
(2) 동적안정도 (DS): 3,700 회/mm 이상
(3) 인장강도비 (TSR): 0.85 이상
(4) 변형강도 (SD): 5.0 MPa 이상
(5) 간접인장강도 (ITS, 25 ℃): 7.0 N/mm2 이상
(6) 터프니스 (Toughness, 25 ℃): 18,000 N·Emm2 이상
기층용 도로포장 개질아스팔트인 경우에는 하기 (1) 내지 (3) 중 하나 이상의 특성을 만족할 수 있다.
(1) 마샬안정도 (MS, 60 ℃): 12,500 N 이상
(2) 동적안정도 (DS): 2,300 회/mm 이상
(3) 인장강도비 (TSR): 0.75 이상
본 발명은 일 실시예에 따라 상술한 개질아스팔트 혼합물을 제조하는 방법을 제공하며, 상기 방법은 170-190 ℃로 가열된 반응기에 자연골재 85-96 중량부와 채움재 0-5 중량부를 투입하는 단계, 상기 반응기에 개질첨가제 0.5-1.5 중량부를 투입하고 혼합하는 단계, 및 아스팔트 2-10 중량부를 가열한 후 상기 반응기에 분사하여 첨가하는 단계를 포함한다.
또한, 상기 바인더 혼합물을 만드는 단계에서, 상기 반응기의 운전시간은 20-26 시간일 수 있고, 상기 혼합은 회전속도 1000-1200 rpm의 교반기로 수행될 수 있다.
구체적인 실시예에서, 상기 채움재를 0-5 중량부로 투입하는 단계란 표층용 또는 중간층용 도로포장 아스팔트 혼합물 제조 시에는 채움재를 2-5 중량%로 투입하는 것이고, 기층용 도로포장 아스팔트 혼합물 제조 시에는 채움재를 사용하지 않는 것을 의미할 수 있다.
이에 따라 제조되는 개질아스팔트 혼합물은 품질이 크게 향상되어 일반아스팔트(AP-5) 사용한 경우를 기준으로 공용성 등급 PG 76-22 이상을 달성할 수 있다. 또한, 유독성 물질 배출이 저감되어 친환경적이다.
이하에서는 제조예 및 실험예를 통해 본 발명에 대하여 설명하나, 본 발명의 효과가 하기 실험예에 의해 제한되지 아니함은 자명하다.
실험예 1: 개질첨가제의 함량 결정
개질아스팔트 혼합물의 품질은 기능적 측면에서 볼 때 많은 품질 특성을 가지고 있으나, 그 중에서도 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 소성변형에 대한 저항성을 알아보기 위한 동적안정도(DS)와 수분손상에 대한 저항성을 파악하기 위한 간접인장강도(ITS) 시험 및 이를 이용한 인장강도지수(TSR) 등이 대표적이다.
먼저 본 발명의 개질첨가제의 최적함량을 결정하기 위해, 평균입도 40-80 메쉬(mesh)의 폐 EPDM 고무분말 65 중량부, 평균입도 150-300 메쉬의 폐 폴리프로필렌 미세분말 25 중량부, 상용화제 4 중량부, 파라핀 왁스 4 중량부, 산화방지제 1 중량부, 노화방지제 0.5 중량부 및 자외선흡수제 0.5 중량부를 혼합하여 개질첨가제를 제조하였다.
제조된 개질첨가제를 다양한 함량으로 일반아스팔트(AP-5) 5.6 중량%, 자연골재 90 중량% 및 채움재 3.8 중량%와 혼합하여 개질아스팔트 혼합물을 제조하였다. 자연골재로서 입도 0-3.5 mm의 골재(1 BIN) 35.6 중량부, 입도 3.5-6 mm의 골재(2 BIN) 22.5 중량부 및 입도 6-14 mm의 골재(3 BIN) 31.9 중량부를 사용하였다.
개질아스팔트 혼합물의 개질첨가제 함량별 마샬 안정도(MS), 흐름값(Flow), 간접인장강도(ITS) 및 인장강도지수(TSR) 시험을 수행하였으며, 그 결과는 하기 표 1, 도 1 및 도 2와 같았다.
개질첨가제 함량
0.2 중량% 0.5 중량% 1.0 중량% 1.5 중량% 2.0 중량%
MS (N) 12,785 13,670 14,244 14,118 13,921
Flow (1/100 cm) 25 21 22 26 26
ITS (N/mm 2 ) 6.4 7.1 7 6.7 6.9
TSR 0.83 0.87 0.86 0.88 0.85
소성변형에 대한 저항성을 보여주는 마샬 안정도와 흐름값의 경우 개질첨가제가 0.5-1.5 중량%로 첨가될 때 가장 우수하였고, 균열 저항성을 보여주는 간접인장강도와 인장강도지수 또한 개질첨가제가 0.5-1.5중량%로 첨가될 때 가장 우수하였다. 따라서 본 발명의 개질첨가제의 최적함량은 0.5-1.5 중량%임을 알 수 있다.
실험예 2: 개질아스팔트 혼합물의 품질 평가
개질아스팔트 혼합물의 품질을 평가하기 위하여, 상기 실험예 1에서 제조된 개질첨가제를 사용하여 하기 표 2와 같은 조성의 표층, 중간층 및 기층용 도로포장 아스팔트 혼합물을 제조하였다.
실시예 1
(표층용) 		실시예 2
(중간층용) 		실시예 3
(기층용)
함량 (중량%)
1 BIN (0-3.5 mm 골재) 35.6 25.4 24.76
2 BIN (입도 3.5-6 mm 골재) 22.5 16.0 16.17
3 BIN (입도 6-14 mm 골재) 31.9 30.1 21.87
4 BIN (입도 14-20 mm 골재) - 18.8 18.10
5 BIN (입도 20-40mm 골재) - - 14.30
채움재 3.8 3.8 0
AP-5 5.6 5.3 4.20
개질첨가제 0.6 0.6 0.60
이와 같은 실시예들에 대한 품질 시험을 수행하여 하기 표 3과 같은 결과를 얻었다.
실시예 1 실시예 2 실시예 3
시험결과 평균값 시험결과 평균값 시험결과 평균값
마샬안정도 (MS, 60 ℃) (N) 14,325 14,403 14,574 14,783 12,954 12,854
14,488 14,992 12,752
14,398 14,784 12,856
동적안정도 (DS) (회/mm) 3,783 3,796 3,714 3,836 2,425 2,548
3,814 3,957 2,674
3,792 3,837 2,547
인장강도비 (TSR) 0.89 0.88 0.91 0.91 0.8 0.8
0.9 0.92 0.79
0.87 0.9 0.81
실험예 3: 개질아스팔트 혼합물의 품질 비교
다양한 개질아스팔트 혼합물의 품질을 비교하기 위하여, 하기 표 4와 같은 개질첨가제 0.6 중량%를 상기 실시예 1과 같이 일반아스팔트(AP-5), 자연골재, 및 채움재와 혼합하여 표층용 도로포장 아스팔트 혼합물을 제조하였다.
비교예 1 비교예 2 비교예 3 비교예 4 비교예 5 비교예 6 실시예 4
함량 (중량부)
폐 EPDM 고무분말 65 - 65
폐타이어 고무분말 - 65 -
폐 폴리프로필렌 미세분말 - 25
폴리에틸렌 미세분말 25 -
파라핀 왁스 4 - 1.5 7 4
폴리에틸렌 왁스 - 1 -
상용화제 4
산화방지제 1
노화방지제 0.5
자외선흡수제 0.5
카본블랙 - 5 -
CNFs - 10
이와 같은 실시예 및 비교예들에 대한 품질 시험을 수행하였으며, 하기 표 5는 그 결과를 실시예 1과 비교한 것이다.
실시예 1 비교예 1 비교예 2 비교예 3 비교예 4 비교예 5 비교예 6 실시예 4
마샬안정도
(MS, 60 ℃)
(N) 		14,403 10,272 12,984 9,660 14,102 14,675 14,598 16,217
동적안정도(DS) (회/mm) 3,796 3287 3457 3010 3788 3,672 3771 4,061
인장강도비 (TSR) 0.88 0.81 0.85 0.79 0.88 0.88 0.87 0.9
변형강도 (S D ) (MPa) 5.6 5.2 5.3 4.4 5.4 5.4 5.7 5.7
간접인장강도(ITS, 25 ℃)
(N/mm 2 ) 		7.2 4.1 5.9 5.4 7.1 7.2 7.4 7.5
터프니스 (Toughness, 25 ℃) (N·mm 2 ) 18,011 15,330 17,621 14,257 18,142 17,821 18,795 18,234
상기 표 5의 품질 시험 결과를 통해, 폴리에틸렌 미세분말 대신 폐 폴리프로필렌 미세분말을 사용할 때 개질아스팔트 혼합물의 안정도, 강도 등이 향상됨을 알 수 있다. 또한, 폴리에틸렌 왁스 대신 1.5 내지 7 중량부 사이의 파라핀 왁스를 사용할 때 개질아스팔트 혼합물의 품질이 더 우수함을 알 수 있는데, 이는 파라핀 왁스가 제조온도를 저감하고 접착성 수지로서의 보조 기능을 제공함에 따라 개질첨가제의 분산성, 균질성, 접착성 등의 품질을 향상시키는 것에 기인하는 것으로 볼 수 있다.
한편, 카본블랙을 첨가한 경우와 품질이 동등 수준이기 때문에 카본블랙을 생략할 수 있어 경제적이며, CNFs를 추가적으로 첨가한 경우 품질이 더 향상되었다.
폐 EPDM 고무분말을 사용한 경우는 폐타이어 고무분말을 사용한 경우와 품질이 유사하며 안정도, 인장강도 등의 일부 품질은 보다 향상됨을 알 수 있다.
실험예 4: 개질첨가제의 유해성 평가
첨가된 고무분말의 종류에 따른 개질첨가제의 유해성을 비교 평가하기 위해, 실시예 1과 비교예 6의 개질첨가제에 대하여 유독성 물질인 벤젠, 톨루엔, 에틸벤젠, 자일렌 등의 휘발성 유기화합물(T-VOCs) 검출량과 다환 방향족 탄화수소(PAHs) 검출량을 측정하였으며, 그 결과는 하기 표 6과 같았다.
검출 대상 유해성 기준 실시예 1 비교예 6
총 휘발성 유기 화합물 (T-VOCs) Benzene 총량 50 mg/kg 이상 < 50 mg/kg > 50 mg/kg
Toluene
Ethylbenzene
Xylene
다환 방향족 탄화수소 (PAHs) 총량 10 mg/kg 이상 < 10 mg/kg > 10 mg/kg
상기 표 6의 측정 결과를 유해성 기준과 비교해보면, 실시예 1의 유독성 물질 검출량은 비교예 6과 달리 유해성 기준을 만족하는 개질첨가제이며, 이를 첨가하여 제조되는 개질아스팔트 혼합물은 보다 친환경적임을 알 수 있다.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 (8)

  1. 폐 EPDM 고무분말 65-70 중량부;
    폐 폴리프로필렌 미세분말 20-25 중량부;
    상용화제 4-5 중량부;
    파라핀 왁스 3-4 중량부;
    산화방지제 0.5-1 중량부;
    노화방지제 0.5-1 중량부; 및
    자외선흡수제 0.5-1 중량부를 포함하되,
    폐타이어 고무분말과 폴리에틸렌은 포함하지 않는
    아스팔트 혼합물용 개질첨가제.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 폐 EPDM 고무분말의 평균입도는 40-80 메쉬(mesh)이고,
    상기 폐 폴리프로필렌 미세분말의 평균입도는 150-300 메쉬인
    아스팔트 혼합물용 개질첨가제.
  3. 표층용 도로포장, 중간층용 도로포장 및 기층용 도로포장 중 하나 이상에 사용되는 개질아스팔트 혼합물에 있어서,
    자연골재 85-96 중량%;
    채움재 0-5 중량%;
    아스팔트 2-10 중량%; 및
    개질첨가제 0.5-1.5 중량%를 포함하되,
    상기 개질첨가제는 폐 EPDM 고무분말 65-70 중량부, 폐 폴리프로필렌 미세분말 20-25 중량부, 상용화제 4-5 중량부, 파라핀 왁스 3-4 중량부, 산화방지제 0.5-1 중량부, 노화방지제 0.5-1 중량부 및 자외선흡수제 0.5-1 중량부를 포함하고, 폐타이어 고무분말과 폴리에틸렌은 포함하지 않는
    개질아스팔트 혼합물.
  4. 제3 항에 있어서,
    상기 아스팔트가 일반아스팔트(AP-5)일 경우,
    공용성 등급이 PG 76-22 이상인
    개질아스팔트 혼합물.
  5. 제3 항에 있어서,
    표층용 도로포장 개질아스팔트 혼합물인 경우 상기 자연골재는 입도 0-3.5 mm의 골재 30-40 중량부, 입도 3.5-6 mm의 골재 20-30 중량부 및 입도 6-14 mm의 골재 30-40 중량부를 포함하고,
    중간층용 도로포장 개질아스팔트 혼합물인 경우 상기 자연골재는 입도 0-3.5 mm의 골재 20-30 중량부, 입도 3.5-6 mm의 골재 10-20 중량부, 입도 6-14 mm의 골재 30-40 중량부 및 입도 14-20 mm의 골재 10-20 중량부를 포함하며,
    기층용 도로포장 개질아스팔트 혼합물인 경우 상기 자연골재는 입도 0-3.5 mm의 골재 20-30 중량부, 입도 3.5-6 mm의 골재 10-20 중량부, 입도 6-14 mm의 골재 20-30 중량부, 입도 14-20 mm의 골재 10-20 중량부 및 입도 20-40mm의 골재 10-20 중량부를 포함하는
    개질아스팔트 혼합물.
  6. 제3 항에 있어서,
    표층용 또는 중간층용 도로포장 개질아스팔트 혼합물인 경우 하기 (1) 내지 (6) 중 하나 이상의 특성을 만족하고,
    (1) 마샬안정도 (MS, 60 ℃): 14,000 N 이상
    (2) 동적안정도 (DS): 3,700 회/mm 이상
    (3) 인장강도비 (TSR): 0.85 이상
    (4) 변형강도 (SD): 5.0 MPa 이상
    (5) 간접인장강도 (ITS, 25 ℃): 7.0 N/mm2 이상
    (6) 터프니스 (Toughness, 25 ℃): 18,000 N·Emm2 이상
    기층용 도로포장 개질아스팔트 혼합물인 경우 하기 (1) 내지 (3) 중 하나 이상의 특성을 만족하는 개질아스팔트 혼합물.
    (1) 마샬안정도 (MS, 60 ℃): 12,500 N 이상
    (2) 동적안정도 (DS): 2,300 회/mm 이상
    (3) 인장강도비 (TSR): 0.75 이상
  7. 표층용 도로포장, 중간층용 도로포장 및 기층용 도로포장 중 하나 이상에 사용되는 개질아스팔트 혼합물의 제조 방법에 있어서,
    170-190 ℃로 가열된 반응기에 자연골재 85-96 중량부와 채움재 0-5 중량부를 투입하는 단계;
    상기 반응기에 개질첨가제 0.5-1.5 중량부를 투입하고 혼합하는 단계; 및
    아스팔트 2-10 중량부를 가열한 후 상기 반응기에 분사하여 첨가하는 단계를 포함하되,
    상기 개질첨가제는 폐 EPDM 고무분말 65-70 중량부, 폐 폴리프로필렌 미세분말 20-25 중량부, 상용화제 4-5 중량부, 파라핀 왁스 3-4 중량부, 산화방지제 0.5-1 중량부, 노화방지제 0.5-1 중량부 및 자외선흡수제 0.5-1 중량부를 포함하고, 폐타이어 고무분말과 폴리에틸렌은 포함하지 않는
    개질아스팔트 혼합물의 제조 방법.
  8. 제7 항에 있어서,
    상기 반응기의 운전시간은 20-26 시간이고,
    상기 혼합은 회전속도 1000-1200 rpm의 교반기로 수행되는
    개질아스팔트 혼합물의 제조 방법.
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