KR102308131B1

KR102308131B1 - 순환 중온 아스팔트 혼합물 제조방법

Info

Publication number: KR102308131B1
Application number: KR1020210030825A
Authority: KR
Inventors: 김민경; 조영진
Original assignee: 우광산업 주식회사; 우정건설 주식회사
Priority date: 2021-03-09
Filing date: 2021-03-09
Publication date: 2021-10-01

Abstract

본 발명은 순환 중온 아스팔트 혼합물 제조방법에 관한 것으로 아스팔트 내 존재하는 아스팔텐의 수산화기와 반응이 가능하고, 중온 이상에서 유동성을 가지는 물질을 도입하여 생산온도저감 효과 및 아스팔트 바인더와 아스팔트 혼합물 제품의 개질효과를 부여하는 중온 아스팔트 혼합물에 아스팔트 혼합물 도로포장에서 발생되는 건설폐기물을 가공하여 된 아스팔트콘크리트용 순환골재를 투입 사용토록 하기 위하여, 침입도가 60∼80 또는 PG64-22인 스트레이트 아스팔트를 110∼150℃의 내부온도를 갖는 저장탱크에서 30∼80분 동안 가열하여 된 아스팔트 바인더를 용기에 계량하는 단계(S1); 상기 아스팔트 바인더가 계량된 용기를 히팅교반기에 넣은 다음, 상기 히팅교반기로 150∼160℃의 내부온도 상에서 2000∼3500rpm 으로 교반하는 단계(S2); 상기 교반된 아스팔트 바인더에 중온 아스팔트 바인더 제조를 위하여 반응성 화학첨가제를 중온첨가제로서 아스팔트 바인더 100중량부를 기준으로 알릴 글리시딜 에테르(AGE : Allyl glycidyl ether), 옥틸-데실 글리시딜 에테르(ODGE : Octyl and decyl glycidyl ether)중 적어도 어느 하나 이상으로 선택된 반응성 화학 첨가제 1∼2중량부를 투입하는 단계(S3); 상기 아스팔트 바인더에 반응성 화학(중온)첨가제와 폐아스콘을 재활용한 아스콘용 순환골재를 혼입한 순환 중온 아스팔트 혼합물을 110∼120℃의 온도에서 1∼20분 교반한 후, 상온에서 냉각하는 단계(S4);를 포함하여 이루어지며, 상기 폐아스콘은 최초 수거 시 기존 아스콘 포장 도로에서 절삭 또는 덩어리 형태로 굴착되어진 폐아스콘을 아스팔트 콘크리트 순환골재에서 요구하는 1∼20㎜의 입도 범위로 재가공하여 준비하고, 자연골재로 13∼40㎜로 파쇄된 굵은 골재 10∼50중량부와, 1∼10㎜로 파쇄된 잔골재 32∼60중량부; 아스팔트콘크리트용 순환골재로서, 1∼20㎜로 파쇄된 순환골재 10∼50중량부와; 아스팔트 포장용 채움재 2∼10중량부;를 포함한 사용골재(A1)를 준비하고, 신재 아스팔트 2.0∼6.0중량부와, 아스콘용 순환골재의 구재 아스팔트 1.0∼2.5중량부;를 포함하여 중온(또는 중온개질) 아스팔트 바인더(A2)를 준비하여, 상기 중온(또는 중온개질) 아스팔트 바인더(A2)를 사용골재(A1)에 혼합 사용토록 함을 특징으로 한다.

Description

순환 중온 아스팔트 혼합물 제조방법{Method for manufacturing circulating medium temperature asphalt mixture}

본 발명은 순환 중온 아스팔트 혼합물 제조방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 아스팔트 내 존재하는 아스팔텐의 수산화기와 반응이 가능하고, 중온 이상에서 유동성을 가지는 물질을 도입하여 생산온도저감 효과 및 아스팔트 바인더와 아스팔트 혼합물 제품의 개질효과를 부여하는 중온 아스팔트 혼합물에 아스팔트 혼합물 도로포장에서 발생되는 건설폐기물을 가공하여 된 아스팔트콘크리트용 순환골재를 투입 사용토록 하는 순환 중온 아스팔트 혼합물 제조방법에 관한 것이다.

일반적으로 아스팔트는 천연적으로 산출되는 것과 석유에서 인공적으로 생산되는 것이 있다. 전자를 천연 아스팔트, 후자를 석유 아스팔트라고 한다. 석유 아스팔트는 천연 아스팔트에 비하여 불순물이 적으며, 사용목적에 따라 적당히 그 성질을 조절할 수 있으므로 오늘날 사용되고 있는 것은 대부분이 석유 아스팔트이다.

아스팔트는 온도가 높으면 액체 상태가 되고, 저온에서는 매우 딱딱해지며, 아스팔트의 종류에 따라 감온성(感溫性)이 달라진다. 또 아스팔트는 가소성(可塑性)이 풍부하고 방수성·전기절연성·접착성 등이 크며, 화학적으로 안정한 특징을 가지고 있다.

주성분은 탄화수소로 거의 산소 화합물을 포함하지 않고, 또 파라핀도 거의 포함하지 않는다. 종종 무기 물질과 혼재하지만 비무기질 성분은 용융성이 있으며, 대부분 이황화탄소에 녹고 물에는 녹지 않는 술폰화물을 생성한다.

아스팔트 본체의 성분은 1) 메듐(medium) 또는 페트롤렌(petrolene), 말텐(maltene)이라고 이름 붙여진 기름상 성분, 2) 아스팔트 수지(英 asphaltic resin)라고 불리는 보호질, 3) 클로이드 입자상 내지 초미립자 상태 탄소의 세 성분이 있고, 또한 아스팔트 수지는 산성 성분, 다시 말하면 아스팔트산(asphaltous acid)을 함유하고 또 탄소분은 그것에 수반하여 보호질의 다소에 따라서 아스팔텐(asphaltene), 카벤(carbene) 및 프로비튜멘(pyrobitumen)으로 구분된다.

스트레이트 아스팔트는 아스팔트기 원유를 상압 증류 및 수증기 또는 진공 증류를 거친 뒤의 잔류물로서 얻어진다. 또 블론 아스팔트는 반아스팔트기 원유로부터 위와 같이 하여 얻어진 잔류물로, 뜨거운 상태에서 공기를 불어넣어 산화 중합시켜서 얻어진다. 또 석유 아스팔트에 증류유(주로 등유)를 배합해서 유동성을 증가시킨 것은 컷백 아스팔트(cutback asphalt)라고 불린다.

스트레이트 아스팔트는 신장도, 점착력, 방수성, 전기 절연성 등이 크고 도로 포장에 많이 이용되는 외에 블론 아스팔트의 대용으로도 사용된다. 블론 아스팔트는 연화점이 높고 탄성이 크며 온도 변화에 대한 경도의 변화(감온성)가 적고, 물, 공기, 햇빛 등에 의한 변질 열화도 적으며, 충격에 대한 저항력도 강하고, 방수성이나 전기절연성도 좋으므로 방수, 방습, 보냉, 전기 절연, 고무 혼합, 아스팔트 바니시 및 아스팔트 블록 제조, 그리스 재생 등에 이용되고 있고, 도로 포장 등에도 이용된다.

많은 기관들이 에너지 가격 상승과 지구 온난화로 인해 녹색 문화에 대한 포장 도로 건설의 혁신을 기대하고 있다. 최신 혁신 중 하나는 지난 몇 년 동안 소개 된 중온아스팔트(WMA, warm mix asphalt) 기술이다. 중온아스팔트(WMA)는 포장의 품질을 감소시키지 않으면서 기존의 고온 혼합 아스팔트 보다 낮은 온도에서 혼합되는 아스팔트 혼합물이다. 일반적으로 중온아스팔트의 혼합 온도는 아래 [참고 그림]을 통해 살펴보면 기존의 150∼180℃의 혼합 온도와 비교하여 110∼150℃의 범위이다.

[참고 그림]

교토 의정서에 따라 온실 가스 감축을 목표로 유럽에서 중온아스팔트(WMA) 기술이 시작되었다. 그 이후로 환경 인식 제고와 에너지 비용 상승으로 전 세계적으로 점차 인기를 얻고 있다. 이 중온아스팔트(WMA) 기술은 아스팔트 혼합물의 혼합 및 압축 온도를 낮춤으로써 에너지 소비 및 배출 가스를 감소시킬 수 있다.

상기 중온 기술을 이끌어내는 개념은 아스팔트 바인더 점도를 줄이는 것이고, 이는 아스팔트가 낮은 온도에서 골재를 코팅하고 혼합물을 압축하기에 적합한 점도를 달성할 수 있게 한다. 중온아스팔트(WMA)의 장점은 다음과 같이 간략하게 요약된다. (1) 낮은 공정 배출 및 연기. (2) 에너지 소비 및 비용 절감. (3) 작업성 및 압축 효율성을 향상. (4) 냉각 시간 단축으로 교통량이 빠르게 증가하는 것이다.

앞서 언급했듯이, 생산 및 압축 온도가 낮을수록 가열아스팔트 혼합물(HMA, hot mix asphalt)보다 교통이 열리기 전에 중온아스팔트(WMA)의 경화 시간이 단축된다. 이것은 활주로가 경제적 관점에서 오랜 시간 동안 폐쇄 될 수 없기 때문에 중온아스팔트(WMA)를 도로 포장에 적용 시 더 빨리 실현할 수 있어 공항 포장 도로 복구에 더 나은 선택으로 선호하며, 일반적으로 작업이 재활 작업을 위해 준비 될 수 있는 경우에만 불과 몇 시간 후에만 가능하다.

현재 중온아스팔트(WMA) 기술에는 4 가지 주요 유형이 있다. (1) 물에 의해 거품이 발생하는 거품 역청 기술. 역청의 발포는 고온 역청에 물을 뿌리거나 습한 모래를 아스팔트 혼합물에 혼합하여 유발된다. (2) 혼합 과정에서 천연 또는 합성 제올라이트를 아스팔트 혼합물에 주입하여 발포를 일으키는 발포 역청 기술. (3) 아스팔트의 점성 감소를 위한 유기 첨가제. 상기 첨가제는 무기 물질과 함께 아스팔트 혼합기에 주입되며, (4) 역청 점도를 감소시키기 위한 화학 첨가제, 결합제를 아스팔트 혼합기에 넣기 전에 첨가제를 바인더에 주입한다.

이에 본 출원인은 등록특허 제10-1910135호(반응성 화학 첨가제를 사용한 생산온도저감형 중온 아스팔트 혼합물 제조방법 및 그 아스팔트 혼합물) 및 등록특허 제10-1910137호(반응성 화학 개질첨가제를 사용한 생산온도저감형 개질아스팔트 혼합물 제조방법 및 그 개질아스팔트 혼합물)를 통해 아스팔트 내 존재하는 아스팔텐의 수산화기와 반응이 가능하고, 중온 이상에서 유동성을 가지는 물질을 도입하여 중온 생산온도저감 효과 및 개질효과를 부여하도록 한 아스팔트 혼합물 제조방법 및 그 아스팔트 혼합물을 제시한 바 있다.

한편, 아스팔트 혼합물 도로포장에서 발생되는 건설폐기물(폐 아스팔트 콘크리트)는 재건축 현장이나 도로 재포장 공사 등에서 매년 많이 발생하는 것으로 이러한 폐 아스팔트 콘크리트를 매립처리하기 위해서는 많은 부지와 비용이 소요되고 도로 건설을 위해서는 새로운 골재와 아스팔트가 필요하게 되는데, 이와 같은 부지 비용 및 폐기물 처리비용을 줄이고 자원을 재활용하기 위해서는 폐 아스팔트 콘크리트를 재생하여 활용할 필요가 있다. 이에 본 발명에서는 본 출원인의 선등록특허 기술에 폐 아스팔트 콘크리트를 재생하여 활용할 수 있는 기술을 제시하고자 한다.

등록특허 제10-1910135호 등록특허 제10-1910137호

이에 본 발명은 상기한 문제점을 일소하기 위해 창안한 것으로서, 아스팔트 내 존재하는 아스팔텐의 수산화기와 반응이 가능하고, 중온 이상에서 유동성을 가지는 물질을 도입하여 생산온도저감 효과 및 아스팔트 바인더와 아스팔트 혼합물 제품의 개질효과를 부여하는 중온 아스팔트 혼합물에 아스팔트 혼합물 도로포장에서 발생되는 건설폐기물을 가공하여 된 아스팔트콘크리트용 순환골재를 투입 사용토록 하는 순환 중온 아스팔트 혼합물 제조방법에 주안점을 두고 그 기술적 과제로서 완성한 것이다.

위 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명은, 침입도가 60∼80 또는 PG64-22인 스트레이트 아스팔트를 110∼150℃의 내부온도를 갖는 저장탱크에서 30∼80분 동안 가열하여 된 아스팔트 바인더를 용기에 계량하는 단계(S1); 상기 아스팔트 바인더가 계량된 용기를 히팅교반기에 넣은 다음, 상기 히팅교반기로 150∼160℃의 내부온도 상에서 2000∼3500rpm 으로 교반하는 단계(S2); 상기 교반된 아스팔트 바인더에 중온 아스팔트 바인더 제조를 위하여 반응성 화학첨가제를 중온첨가제로서 아스팔트 바인더 100중량부를 기준으로 알릴 글리시딜 에테르(AGE : Allyl glycidyl ether), 옥틸-데실 글리시딜 에테르(ODGE : Octyl and decyl glycidyl ether)중 적어도 어느 하나 이상으로 선택된 반응성 화학 첨가제 1∼2중량부를 투입하는 단계(S3); 상기 아스팔트 바인더에 반응성 화학(중온)첨가제와 폐아스콘을 재활용한 아스콘용 순환골재를 혼입한 순환 중온 아스팔트 혼합물을 110∼120℃의 온도에서 1∼20분 교반한 후, 상온에서 냉각하는 단계(S4);를 포함하여 이루어지며, 상기 폐아스콘은 최초 수거 시 기존 아스콘 포장 도로에서 절삭 또는 덩어리 형태로 굴착되어진 폐아스콘을 아스팔트 콘크리트 순환골재에서 요구하는 1∼20㎜의 입도 범위로 재가공하여 준비하고, 자연골재로 13∼40㎜로 파쇄된 굵은 골재 10∼50중량부와, 1∼10㎜로 파쇄된 잔골재 32∼60중량부; 아스팔트콘크리트용 순환골재로서, 1∼20㎜로 파쇄된 순환골재 10∼50중량부와; 아스팔트 포장용 채움재 2∼10중량부;를 포함한 사용골재(A1)를 준비하고, 신재 아스팔트 2.0∼6.0중량부와, 아스콘용 순환골재의 구재 아스팔트 1.0∼2.5중량부;를 포함하여 중온(또는 중온개질) 아스팔트 바인더(A2)를 준비하여, 상기 중온(또는 중온개질) 아스팔트 바인더(A2)를 사용골재(A1)에 혼합 사용토록 함을 특징으로 하는 순환 중온 아스팔트 혼합물 제조방법을 제공한다.

또 다른 본 발명은, 침입도가 60∼80 또는 PG64-22인 스트레이트 아스팔트를 110∼150℃의 내부온도를 갖는 저장탱크에서 30∼80분 동안 가열하여 된 아스팔트 바인더를 용기에 계량하는 단계(S1); 상기 아스팔트 바인더가 계량된 용기를 히팅교반기에 넣은 다음, 상기 히팅교반기로 150∼160℃의 내부온도 상에서 2000∼3500rpm 으로 교반하는 단계(S2); 상기 교반된 아스팔트 바인더에 중온 아스팔트 바인더 제조를 위하여 반응성 화학 개질첨가제를 중온 개질첨가제로서 아스팔트 바인더 100중량부를 기준으로 알릴 글리시딜 에테르(AGE : Allyl glycidyl ether), 옥틸-데실 글리시딜 에테르(ODGE : Octyl and decyl glycidyl ether) 중 어느 하나를 선택하여 1~2중량부를 투입하고 난 다음, 도데실-테트라데실 글리시딜 에테르(DTGE : Dodecyl and tetradecyl glycidyl ether), 폴리에틸렌 지 말레익 무수물(PE-g-MA : Polyethylene-g-maleic anhydride), 폴리프로필렌 지 말레익 무수물(PP-g-MA : Polypropylene-g-maleic anhydride)중 어느 하나 이상으로 선택된 반응성 화학 개질 첨가제 1∼2중량부를 더 투입하는 단계(S3); 상기 아스팔트 바인더에 반응성 화학(중온) 개질첨가제와 폐아스콘을 재활용한 아스콘용 순환골재를 혼입한 순환 중온 개질 아스팔트 혼합물을 130∼140℃의 온도에서 1∼20분 교반한 후, 상온에서 냉각하는 단계(S4);를 포함하여 이루어지며, 상기 폐아스콘은 최초 수거 시 기존 아스콘 포장 도로에서 절삭 또는 덩어리 형태로 굴착되어진 폐아스콘을 아스팔트 콘크리트 순환골재에서 요구하는 1∼20㎜의 입도 범위로 재가공하여 준비하고, 자연골재로 13∼40㎜로 파쇄된 굵은 골재 10∼50중량부와, 1∼10㎜로 파쇄된 잔골재 32∼60중량부; 아스팔트콘크리트용 순환골재로서, 1∼20㎜로 파쇄된 순환골재 10∼50중량부와; 아스팔트 포장용 채움재 2∼10중량부;를 포함한 사용골재(A1)를 준비하고, 신재 아스팔트 2.0∼6.0중량부와, 아스콘용 순환골재의 구재 아스팔트 1.0∼2.5중량부;를 포함하여 중온(또는 중온개질) 아스팔트 바인더(A2)를 준비하여, 상기 중온(또는 중온개질) 아스팔트 바인더(A2)를 사용골재(A1)에 혼합 사용토록 함을 특징으로 하는 순환 중온 아스팔트 혼합물 제조방법을 제공한다.

이때, 상기 S3단계에서, 아스팔트 바인더 100중량부를 기준으로 스타이렌-부타디엔 고무(SBS), 스타이렌-에틸렌-부틸렌 블록 공중합 고무(SEBS), 폐타이어 고무(CRM), 이소프렌(IR), 염소고무(CR) 중 적어도 어느 하나 이상으로 선택된 고무폴리머 3∼5 중량부를 더 투입하는 것을 포함하여 이루어짐을 특징으로 한다.

삭제

상기한 본 발명에 의하면 아스팔트 내 존재하는 아스팔텐의 수산화기와 반응이 가능하고, 중온 이상에서 유동성을 가지는 물질을 도입하여 생산온도저감 효과 및 아스팔트 바인더와 아스팔트 혼합물 제품의 개질효과를 부여하는 중온 아스팔트 혼합물에 아스팔트 혼합물 도로포장에서 발생되는 건설폐기물을 가공하여 된 아스팔트콘크리트용 순환골재를 투입 사용토록함으로써 부지 비용 및 폐기물 처리비용을 줄이고 자원을 재활용할 수 있는 등의 효과가 있다.

이하 본 발명의 실시를 위한 구체적인 내용을 첨부한 도면을 참조하여 더욱 상세하게 설명한다.

본 발명은 아스팔트 내 존재하는 아스팔텐의 수산화기와 반응이 가능하고, 중온 이상에서 유동성을 가지는 물질을 도입하여 생산온도저감 효과를 부여하는 중온 아스팔트 혼합물에 아스팔트 포장, 콘크리트 구조물 포장 등에서 발생되는 건설폐기물을 가공하여 된 순환골재를 투입 사용토록 하는 순환 중온 아스팔트 혼합물 제조방법에 관한 것으로서 스트레이트 아스팔트와 폐아스콘이 혼합된 아스팔트 혼합물에 반응성 화학 첨가제 혼합물을 투입하고, 필요에 따라 반응성 화학 개질첨가제 혼합물을 투입하는 과정을 통해 이루어진다.

먼저 본 발명의 순환 중온 아스팔트 혼합물 제조방법을 구현하기 위해 스트레이트 아스팔트가 준비된다. 상기 스트레이트 아스팔트(straight asphalt)는 원유를 상압, 감압증류 장치 등을 통하여 경질분을 제거했을 때 마지막으로 남는 물질에는 분해되지 않는 역청질이 많이 함유되어 있는 것이다.

원유의 종류에 따라서는 적은 양의 공기를 불어 넣거나 침입도(針入度:아스팔트의 경도)가 다른 아스팔트를 혼합하기도 하는데, 이때 침입도가 40 이하인 스트레이트 아스팔트는 주로 공업용으로, 침입도 40 이상인 것은 도로포장용이나 수리를 위한 구조물용으로 사용한다. 이러한 스트레이트 아스팔트는 신도(伸度)가 크고 점착성, 방수성이 우수한 반면 탄력성이 떨어진다. 연화점(軟化點)이 낮아 온도 변화에 민감하며 내후성이 떨어지는 것이 단점이다. 모래와 자갈을 섞어 아스팔트 콘크리트를 제조하거나 아스팔트 루핑, 아스팔트 펠트를 만들 때, 방수·방습공사에 사용된다.

또한, 스트레이트 아스팔트를 가열·산화하면 블론 아스팔트가 얻어지는데, 경질이고 연화점이 높아 전기절연이나 방수 등의 용도에 사용된다.

그리고, 스트레이트 아스팔트의 아스팔텐(asphaltene)은 crude oil의 약 1중량% 존재하며, bitumen에는 약 20중량% 존재하는 것으로 알려져 있으며, 분자간 안정적으로 집합체(aggregation)를 형성하기 위해, 아스팔텐의 말단에 수소결합(hydrogene bonding)을 형성하기도 한다. 이에 아스팔텐의 말달에 형성된 케톤히드록시기(C(=O)-OH)와 에폭시(epoxy) 또는 말레산무수물(maleic anhydride)과 반응이 가능하다. 이러한 상기 스트레이트 아스팔트를 준비함에 있어 침입도가 60∼80인 것으로 한정하여 준비한다.

그리고 아스팔트 도로 포장건설에 RAP(reclaimed asphalt pavement)의 재활용 기술은 미국의 아스팔트 포장산업 조사에 따르면 WMA(warm mix asphalt: WMA) 생산량과 RAP의 재활용률은 지속적으로 상승하여 99% 이상의 RAP을 재활용하고 있다. 그리고 2017년 7천 6백만 톤 이상의 RAP을 재활용하였으며, 이는 2009년 재활용량에 비하여 36% 증가한 것으로 이로 인하여 골재 및 아스팔트와 같은 천연자원 및 아스팔트 혼합물 생산비용의 절약으로 제한된 예산으로 더 많은 도로의 건설과 유지보수를 수행하였다. (Williams et al., 2018)

아래 [표 1]에서와 같이 “2018 전국 폐기물 발생 및 처리 현황” 환경부 통계자료에 따르면 전체폐기물 발생량은 매년 꾸준히 증가. 20010년부터 2017년까지 폐아스콘은 하루에 최소 32,535톤부터 최대 35,861톤까지 발생한 것으로 나타났다.

[표 1]

그러나, 아래 [표 2]에서와 같이 재활용 비율은 매년 1~2% 내외의 증가율을 보이며, 지속적인 증가세를 나타내지만 폐아스콘을 재활용한 아스콘용 순환골재(RAP)를 아스팔트 혼합물 제조에 사용하는 고부가가치적 재활용 측면에서는 여전히 미흡한 실정이다.

[표 2]

아래 [표 3]에서와 같이 외국의 재활용 아스팔트 혼합물 생산량은 국내와는 다른 상황을 보여주며, 전체 아스팔트 혼합물 생산량 가운데 재활용 아스팔트 혼합물 생산량이 차지하는 비율이 일본 76.1%, 스웨덴과 네덜란드가 70%인 반면 한국은 9.1% 정도만의 재활용 아스팔트 혼합물을 사용하고 있는 것으로 조사됨. 또한 재활용 비율 9.1%도 표 1의 최근 5년간 재활용 비율 평균 약 1.9%를 기준으로 본다면 약 7.2%는 양질의 아스팔트 혼합물로의 재활용이 아닌 다른 용도로 사용된다는 의미로 분석된다.

[표 3]

따라서 본 발명에서는 순환 중온 아스팔트 혼합물을 제조하기 위해서 상기 스트레이트 아스팔트에 재건축 현장이나 도로 재포장 공사 시 아스팔트 혼합물 도로포장에서 발생되는 건설폐기물인 폐아스콘을 재활용한 아스팔트 콘크리트 순환골재(아스콘용 순환골재, RAP)를 혼합토록 한다.

이를 위한 상기 폐아스콘은 파쇄기를 통해 1∼20㎜로 파쇄된 것을 사용토록 하며, 이때 폐아스콘의 파쇄 크기는 용도에 따라 1∼13㎜와 13∼20㎜로 구분하여 사용토록 한다.

본 발명에서 사용되는 폐아스콘에 대해 구체적으로 설명하면 하기와 같다.

1) 폐아스콘은 대부분 노화균열 및 소성변형에 의한 도로 파손이 발생한 현장에서 립퍼, 백호우, 브레이커 등 장비를 사용하여 절삭 및 굴착 작업으로 발생한다. 아래 [그림 1]에서와 같이 기존 노후화된 아스콘 도로의 절삭 및 굴착 현장에서 수거된 폐아스콘을 아스팔트 콘크리트용 순환골재로 재활용하기 위하여 구재 아스팔트 함량 및 입도, 입형 등 요구되는 품질성능을 만족할 수 있는 순환 잔골재로서 재가공 공정을 거쳐야만 재활용할 수 있다.

[그림 1]

2) 폐아스콘에 대한 입도조정 단계의 적용기술 및 아스콘용 순환골재에 적합한 품질상태를 확인하지 않고 아스콘 도로 현장에 사용한다면 다양한 도로파손 문제가 발생할 수 있어 폐아스콘을 최적의 순환 잔골재로 입도처리 공정과정은 죠 크러셔를 사용하는 1차 파쇄과정, 그리고 좀 더 세밀하게 입도처리 공정인 임팩트 크러셔에 의한 2차 파쇄과정을 거친다. 이러한 입도조정 단계를 거쳐 입형과 입도가 최적화되는 아스콘용 순환골재를 아래 [표 4]에서와 같이 품질기준인 KS F 2572(아스팔트 콘크리트용 순환골재, 2000)와 GR F 4041(아스팔트 콘크리트용 순환골재, 2018)에 적합한 순환골재를 사용해야 한다.

[표 4]

3) 폐아스콘을 수거하여 1차 죠 크러셔, 2차 임팩트 크러셔 등 입도조정 재가공 단계를 거친 아스콘용 순환골재(13 ㎜ 이하)에 대하여 GR F 4041 규정에 따라 시험을 진행하여 아스콘용 순환골재의 품질기준에 적합함을 확인하여야 하며, 일정한 주기로 순환골재의 절대점도를 측정하여 노화상태를 확인하고 품질관리한다.

구체적인 제조방법으로 중온 아스팔트 바인더와 이와 함게 아스콘용 순환골재를 사용한 순환 중온 아스팔트 혼합물에 대하여 살펴보면, 먼저 중온 아스팔트 바인더의 성능을 분석하기 위하여 침입도가 60∼80 또는 PG64-22인 스트레이트 아스팔트를 110∼150℃의 내부온도를 갖는 저장탱크에서 30∼80분 동안 가열하여 된 아스팔트 바인더를 용기에 계량한다.(S1단계)

그 후, 상기 아스팔트 바인더가 계량된 용기를 히팅교반기에 넣은 다음, 상기 히팅교반기로 150∼160℃의 내부온도 상에서 2000∼3500rpm 으로 교반한다.(S2단계)

본 발명의 중온 아스팔트 바인더를 제조하기 위해 상기 S2단계를 통해 교반된 아스팔트 바인더에에 반응성 화학 첨가제(중온첨가제)를 투입하여 중온 아스팔트 바인더를 제조하게 되는데, 이때 반응성 화학 첨가제는 중온첨가제로서 아스팔트 바인더 100중량부를 기준으로 알릴 글리시딜 에테르(AGE : Allyl glycidyl ether), 옥틸-데실 글리시딜 에테르(ODGE : Octyl and decyl glycidyl ether)중 적어도 어느 하나 이상으로 선택된 반응성 화학 첨가제 1∼2중량부를 투입하도록 함이 바람직하다.(S3단계)

상기 반응성 화학 첨가제의 상세 설명은 하기와 같다.

(1) 알릴 글리시딜 에테르(AGE : Allyl glycidyl ether)

- 말단에 존재하는 이중결합은 특정 온도에서 다른 이중 결합 또는 같은 분자들 사이에 결합을 이룰 수 있음.

- 액상형(Liquid type)

(2) 옥틸-데실 글리시딜 에테르(ODGE : Octyl and decyl glycidyl ether)

- 화학구조: C_{11 or 12}H_{22 or 24}O₂

- 액상형(Liquid type)

상기와 같은 반응성 화학 첨가제를 아스팔트 혼합물에 투입하여 본 발명의 순환 중온 아스팔트 혼합물을 제조하게 된다.

이는 아래 반응성 화학 첨가제 배합비율을 나타낸 아래 [표 5]을 통해 상세히 나타낸다.

[표 5]

상기 S3단계가 완료되면, 상기 S3단계를 통해 제조된 중온 아스팔트 바인더에 반응성 화학(중온)첨가제와 폐아스콘을 재활용한 아스콘용 순환골재를 혼입한 순환 중온 아스팔트 혼합물을 110∼120℃의 온도에서 1∼20분 교반한 후, 상온에서 냉각하여 본 발명의 순환 중온 아스팔트 혼합물을 제조 완성한다.(S4단계)

한편, 상기 S1∼S4단계를 통해서 제조 완성되는 순환 중온 아스팔트 바인더는 미개질에 해당되는 것이며, 개질의 순환 중온 아스팔트 혼합물을 제조하기 위해서 S3단계 에서는(S1,S2단계는 동일), 상기 S2단계에서 교반된 아스팔트 바인더에 중온 아스팔트 바인더 제조를 위하여 반응성 화학 개질첨가제를 중온 개질첨가제로서 아스팔트 바인더 100중량부를 기준으로 알릴 글리시딜 에테르(AGE : Allyl glycidyl ether), 옥틸-데실 글리시딜 에테르(ODGE : Octyl and decyl glycidyl ether) 중 어느 하나를 선택하여 1~2중량부를 투입하고 난 다음, 도데실-테트라데실 글리시딜 에테르(DTGE : Dodecyl and tetradecyl glycidyl ether), 폴리에틸렌 지 말레익 무수물(PE-g-MA : Polyethylene-g-maleic anhydride), 폴리프로필렌 지 말레익 무수물(PP-g-MA : Polypropylene-g-maleic anhydride)중 어느 하나 이상으로 선택된 반응성 화학 개질 첨가제 1∼2중량부를 더 투입하여 달성되게 한다.(S3단계)

상기 반응성 화학 개질첨가제의 상세 설명은 하기와 같다.

(1) 도데실-테트라데실 글리시딜 에테르(DTGE : Dodecyl and tetradecyl glycidyl ether)

- 화학구조: C_{15 or 17}H_{30 or 34}O₂

- 말단에 존재하는 산화사이클로 링 (cyclo oxide ring)은 에폭시 (epoxy) 또는 glycidyl 기로 불리며, 이들은 아스팔트 내 존재하는 asphaltene 등의 알데하이드 그룹 (aldehyde group)과 반응을 일으킬 수 있음.

- 액상형(Liquid type)

(2) PE-g-MA (Polyethylene-g-maleic anhydride)

- 녹는점: 약 100 ℃

- 기존 PMA기반 소재의 용융온도가 높아 일반적으로 (165~175)℃ 범위의 고온에서 개질첨가제가 투입 또는 분사되어 적용되지만 PE-g-MA 소재는 용융온도가 100℃ 정도로 상대적으로 낮은 용융온도를 가지는 소재로서 단독 또는 반응성 화학첨가제인 DTGE 또는 ODGE성분을 가지는 소재와 선택적으로 함께 사용한다면 상용 개질첨가제 대비 생산온도를 (20~40)℃ 저감시킬 수 있다. 중온개질효과 증가를 위하여 반응성 화학 개질첨가제로서의 입도는 골재, 아스팔트 등 사용재료 상호간의 혼화성, 작업성 등을 고려하여 평균입도가 대략 1 ㎜ 이하 범위의 미세분말 형태가 최적화된 첨가제 형태로 바람직하다.

<PE-g-MA 분자 구조>

이는 아래 반응성 화학 개질첨가제 배합비율을 나타낸 [표 6]을 통해 상세히 나타낸다.

[표 6]

상기 S3단계가 완료되면, 상기 S3단계를 통해 제조된 중온 아스팔트 바인더에 반응성 화학(중온)첨가제와 폐아스콘을 재활용한 아스콘용 순환골재를 혼입한 순환 중온 아스팔트 혼합물을 130∼140℃의 온도에서 1∼20분 교반한 후, 상온에서 냉각하여 본 발명의 순환 중온 아스팔트 혼합물을 제조 완성한다.(S4단계)

상기 미개질 또는 개질로 형성되는 순환 중온 아스팔트 바인더의 제조공정 상에서, 상술된 S3단계에서 교반중인 상기 아스팔트 혼합물에 고무폴리머(Polymer-rubber type)를 투입하여 혼합되도록 구성할 수 있다.

상기 고무폴리머(Polymer-rubber type)는 스타이렌-부타디엔 고무(SBS), 스타이렌-에틸렌-부틸렌 블록 공중합 고무(SEBS), 폐타이어 고무(CRM), 이소프렌(IR), 염소고무(CR) 중 어느 하나로 구성되는 것으로서, 특정적으로는 스타이렌-부타디엔 고무(SBS) 또는 스타이렌-에틸렌-부틸렌 블록 공중합 고무(SEBS)의 사용이 가장 바람직하다.

이러한 상기 고무폴리머를 스트레이트 아스팔트에 투입하는 실시예로서, S3단계에서 교반중인 상기 스트레이트 아스팔트 100중량부를 기준으로 스타이렌-부타디엔 고무(SBS), 스타이렌-에틸렌-부틸렌 블록 공중합 고무(SEBS), 폐타이어 고무(CRM), 이소프렌(IR), 염소고무(CR) 중 선택된 어느 하나 이상으로 된 고무폴리머 3∼5 중량부를 투입하여 혼합되도록 구성할 수 있다. 이때, 상기 고무폴리머는 아스팔트 혼합물과의 혼화성, 작업성을 고려하여 평균입도가 0.3∼1.0㎜의 미세분말 형태로 형성되도록 구성함이 바람직하다.

그리고, 본 발명에서 사용되는 상기 폐아스콘은 최초 수거 시 기존 아스콘 포장 도로에서 절삭 또는 덩어리 형태로 굴착되어진 폐아스콘을 아스팔트 콘크리트 순환골재에서 요구하는 1∼20㎜의 입도 범위로 재가공하여 준비하고, 폐아스콘의 파쇄 크기는 용도에 따라 1∼13㎜와 13∼20㎜로 구분하여 사용토록 할 수 있다.

이때, 보다 상세하게는 자연골재로 13∼40㎜로 파쇄된 굵은 골재 10∼50중량부와, 1∼10㎜로 파쇄된 잔골재 32∼60중량부; 아스팔트콘크리트용 순환골재로서, 1∼20㎜로 파쇄된 순환골재 10∼50중량부와; 아스팔트 포장용 채움재 2∼10중량부;를 포함한 사용골재(A1)를 준비하고, 신재 아스팔트 2.0∼6.0중량부와, 아스콘용 순환골재의 구재 아스팔트 1.0∼2.5중량부;를 포함하여 중온(또는 중온개질) 아스팔트 바인더(A2)를 준비하여, 상기 중온(또는 중온개질) 아스팔트 바인더(A2)를 사용골재(A1)에 혼합 사용토록 한다.

이는 위 [표 5] 및 [표 6]을 참고하도록 한다.

상기와 같이 제조되는 본 발명의 중온 개질 아스팔트 바인더 제조방법의 실시예에 의해 분석한 실험 데이터는 아래와 같다.

<실시예 1>

침입도가 60∼80 또는 PG64-22인 스트레이트 아스팔트와 110∼150℃의 내부온도를 갖는 저장탱크에서 30∼80분 동안 가열하여 용기에 계량한 후, 아스팔트 혼합물이 계량된 용기를 히팅교반기에 넣은 다음, 상기 히팅교반기로 150∼160℃의 내부온도 상에서 2000∼3500rpm 으로 교반한 다음, 교반된 스트레이트 아스팔트 3000g과 알릴 글리시딜 에테르(AGE : Allyl glycidyl ether), 옥틸-데실 글리시딜 에테르(ODGE : Octyl and decyl glycidyl ether) 중 어느 하나를 선택하여 30g을 투입하고, 스타이렌-부타디엔 고무(SBS), 스타이렌-에틸렌-부틸렌 블록 공중합 고무(SEBS), 폐타이어 고무(CRM), 이소프렌(IR), 염소고무(CR) 중 어느 하나를 선택하여 150g을 투입하여 스트레이트 아스팔트 혼합물을 제조한 후, 상기 아스팔트 혼합물을 17분 교반한 후 23℃의 상온에서 3시간 동안 냉각하였다.

<바인더 분석방법>

(1) FT-IR 분석

- KBr window 2장 사이에 아스팔트 (미리 열을 가하여 흐르도록 함)를 한방울 떨어뜨리고 KBr window를 접합시킴

- Jasco FT/IR-6600을 이용하여 transmittance method로 4000 cm-1에서 400 cm-1까지 4회 스캔하여 측정

(2) DSC 분석

- 백금 (platinum) pan에 약 10 mg 올려 질소분위기에서 40 ℃ 부터 200 ℃ 까지 분당 10 ℃씩 승온하며 측정 [TA instrument, DSC20]

(3) 점탄성분석

- 분석온도: 50∼160 ℃

- TA Instrument Ltd. DHR-1

- Measuring Geometry: 25 mm plate

(4) 공용성 (PG)등급 측정

- KS F 2389에 따르 측정

<바인더 분석 : FT-IR>

(1) FT-IR 분석

- 아래 [그림 2]는 스트레이트 아스팔트(침입도 60~80 또는 PG64-22)와 중온첨가제를 혼입한 중온 아스팔트 바인더인 WMA-1, 2, 3의 FT-IR spectra를 보여주고 있는데, WMA-1, 2, 3의 경우 GE계의 첨가량이 상대적으로 적어 아스팔트 바인더와 차이가 뚜렷하게 나타나 보이지는 않으며, 붉은색 부분의 파장대는 3400~3000 cm-1이며 OH group 을 나타내고 있다. 그리고, 아스팔트 바인더에는 존재하는 OH group이 WMA-1에서는 나타나지 않고 있으며, 이는 carbonyl group에 존재하는 C(O)OH의 OH group이 사라진 것으로 유츄되며, 이를 통해 아스팔트 바인더의 asphaltene과 GE계의 epoxide group이 반응한 것으로 판단된다.

[그림 2] FT-IR 분석결과

아래 [그림 3]에서 붉은색 점선은 1260cm^-1를 나타내며, 이는 OH deformation stretching peak에 해당되고, 아스팔트 바인더에는 뚜렷하게 나타나 있으나, WMA-2에서는 다소 right shift 되며, peak의 높이가 낮아진 것을 확인할 수 있다. 그리고, WMA-1과 3은 peak가 보이지 않으며, WMA-3의 경우 주 화학물질인 SBR에서 탈수화 현상에 의한 것으로 판단되며, 이 역시 아스팔트 혼합물의 asphaltene과 GE계의 epoxide group 반응에 의해 감소된 것으로 판단된다.

[그림 3] FT-IR 분석결과(1350~1200 cm^-1)

아래 [그림 4]는 WMA-4와 아스팔트 바인더의 FT-IR spectra를 보여주고 있는데, WMA-4의 경우 AGE의 첨가량이 상대적으로 적어 아스팔트 바인더와 차이가 뚜렷하게 나타나 보이지는 않으며, 붉은색 부분의 파장대는 3400~3000 cm^-1이며 OH group 을 나타내고 있다. 또한, 아스팔트 바인더에는 존재하는 OH group이 WMA-4에서는 나타나지 않고 있으며, 이는 carbonyl group에 존재하는 C(O)OH의 OH group이 사라진 것으로 유츄되며, 이를 통해 아스팔트 바인더의 asphaltene과 AGE의 epoxide group이 반응한 것으로 판단된다.

[그림 4] FT-IR 분석결과(4000 cm^-1 ~400 cm^-1)

아래 [그림 5]에서 붉은색 점선은 1260 cm^-1를 나타내며, 이는 OH deformation stretching peak에 해당된다. 그리고, 아스팔트 바인더에는 뚜렷하게 나타나 있으나, WMA-4에서는 다소 right shift 되며, peak의 높이가 낮아진 것을 확인할 수 있고, 이 역시 아스팔트 바인더의 asphaltene과 AGE의 epoxide group 반응에 의해 감소된 것으로 판단된다.

[그림 5] FT-IR 분석결과 중 OH deformation stretching peak

아래 [그림 6]의 붉은색 점선은 910 cm^-1이며, 이는 epoxide group을 나타낸다. 아스팔트 바인더와 WMA-4에서 peak가 보이지 않고 있고, WMA-4에서 AGE의 epoxide group에 의한 peak가 보이지 않는 것은 반응을 통해 epoxide가 개환되었기 때문인 것으로 판단. 이에 아스팔트 바인더의 asphaltene 또는 CR의 C=C 결합과 AGE의 epoxide group이 반응 한 것으로 판단된다.

[그림 6] FT-IR 분석결과 중 epoxide group peak

아래 [그림 7]의 붉은색 점선은 1710 cm^-1로, carbonyl group을 나타낸다. 아스팔트 바인더에 비하여 WMA-4의 peak strength가 낮게 나타나는 것을 확인할 수 있으며, 이는 asphaltene이 보유한 일부의 carbonyl group과 AGE의 epoxide group이 반응을 통해 감소한 것으로 판단된다.

[그림 7] FT-IR 분석결과 중 carbonyl group peak

아래 [그림 8]의 WMA-4, 5, 6의 경우 AGE, DTGE, ODGE의 첨가량이 상대적으로 적어 아스팔트 바인더와 차이가 뚜렷하게 나타나 보이지는 않으며, 붉은색 부분의 파장대는 3400~3000 cm^-1이며 OH group 을 나타냄. 아스팔트 바인더에는 존재하는 OH group이 WMA-4, 5, 6에서는 나타나지 않고 있으며, 이는 carbonyl group에 존재하는 C(O)OH의 OH group이 사라진 것으로 유추되며, 이를 통해 아스팔트 바인더의 asphaltene과 AGE, DTGE, ODGE의 epoxide group이 반응한 것으로 판단된다.

[그림 8] FT-IR 분석결과(4000 cm^-1 ~400 cm^-1)

아래 [그림 9]에서 붉은색 점선은 1260 cm^-1를 나타내며, 이는 OH deformation stretching peak에 해당된다. 아스팔트 바인더에는 뚜렷하게 나타나 있으나, WMA-4에서는 다소 right shift 되며, peak의 높이가 낮아진 것을 확인할 수 있으며, 이 역시 아스팔트 바인더의 asphaltene과 AGE의 epoxide group 반응에 의해 감소된 것으로 판단된다. 그리고, WMA-5와 WMA-6은 1260 cm^-1에서 peak가 사라짐을 확인할 수 있으며, 이는 WMA-4 보다 더 반응성이 크기 때문에 OH deformation stretching peak가 사라진 것으로 판단된다. 이를 통하여 AGE를 사용하는 것 보다 DTGE와 ODGE를 사용하였을 때 반응성과 혼화성이 더 높은 것으로 판단된다.

[그림 9] FT-IR 분석결과(1350 cm^-1 ~1200 cm^-1)

<아스팔트 바인더의 아스팔텐 구조>

① 아스팔트 바인더 내 asphaltene의 분자 구조

- asphaltene은 crude oil의 약 1 wt% 존재하며, bitumen에는 약 20 wt% 존재하는 것으로 알려져 있으며, 분자간 안정적으로 aggregation을 형성하기 위해, asphaltene 말단에 hydrogene bonding을 형성하기도 한다. 이에, asphaltene의 말단에 형성된 C(=O)-OH와 epoxy 또는 maeic anhydride와 반응이 가능하다.

② OH와의 반응 메커니즘

- OH와 epoxy의 반응 메커니즘

<바인더 분석 : DSC>

- 아래 [그림 10]에서는 아스팔트 바인더의 유리전이온도는 17 ℃로 나타남

[그림 10] 아스팔트 바인더의 DSC 곡선

- 아래 [그림 11]에서 보는 바와 같이 WMA-1의 유리전이온도는 15 ℃로 나타남

[그림 11] WMA-1의 DSC 곡선

- 아래 [그림 12]에서 보는 바와 같이 WMA-2의 유리전이온도는 16 ℃로 나타남

[그림 12]

- 아래 [그림 13]에서 보는 바와 같이 WMA-3의 유리전이온도는 19 ℃로 나타남

[그림 13]

- 스트레이트 아스팔트(60~80) 3000 g, 폐아스콘 2400 g, 고무 150 g, AGE 30 g 배합한 WMA-4의 유리전이온도는 16.3 ℃로 나타나고, Fox-equation에 의한 유리전이온도 추정 시 WMA-4는 다음과 같은 결과를 보인다.

- 아래 [그림 14]에서와 같이 WMA-4의 화학적 결합에 의한 예상 유리전이온도는 17.52 ℃로 나타나며, 이는 실제 측정한 WMA-4의 유리전이온도가 약 1.2 ℃ 차이가 나지만, 근접한 것으로 판단할 수 있고, DSC 분석에서 단정 지을 수 없으나, 아스팔트 혼합물의 1차 가열 곡선에서 10℃∼50 ℃ 구간에서 4번의 변곡점을 관찰할 수 있으며, 그 온도는 약 10℃, 20℃, 35℃,45 ℃ 인근으로 나타난다. 이는 아스팔트 혼합물의 주요 성분이 방향족, 포화탄화수소, 극성 방향족 등의 혼합물로 이뤄졌기 때문이며, WMA-4의 1차 가열 곡선에서 아스팔트 바인더와 동일 구간, 변곡점은 3곳이 나타나며, 그 온도는 10℃, 15℃, 45℃ 인근임. WMA-4의 주요 성분도 역시 아스팔트 혼합물과 동일하나, 고무의 첨가로 방향족이 증가하였고, AGE 첨가로 인한 극성 방향족이 줄어들었기 때문인 것으로 판단된다.

[그림 14] WMA-4의 DSC 곡선

- 아래 [그림 15]에서 보는 바와 같이 WMA-5의 유리전이온도는 16 ℃로 나타남.

[그림 15] WMA-5의 DSC 곡선

- 아래 [그림 16]에서 보는 바와 같이 WMA-6의 유리전이온도는 16.5 ℃로 나타남

[그림 16] WMA-6의 DSC 곡선

<바인더 분석 : Complex viscosity(점탄성)>

[그림 17] 아스팔트 바인더의 점탄성 곡선

[표 7] 아스팔트 바인더의 온도에 따른 점탄성

[그림 18] WMA-1의 점탄성 곡선

[표 8] WMA-1의 온도에 따른 점탄성

[그림 19] WMA-2의 점탄성 곡선

[표 8] WMA-2의 온도에 따른 점탄성

[그림 20] WMA-3의 점탄성 곡선

[표 9] WMA-3의 온도에 따른 점탄성

[그림 21] WMA-4의 점탄성 곡선

[표 10] WMA-4의 온도에 따른 점탄성

- AGE와 고무를 혼합한 WMA-4는 아스팔트 바인더 보다 유사 온도에서 더 높은 점도를 보임

- 일반적으로 아스팔트 바인더는 중온첨가제나 불순물(고무)이 투입되면 점도가 높아지고, 이는 불순물(고무)과 아스팔트 바인더 사이의 계면 마찰력 및 엉김 현상 등에 의한 것임

- 상대적으로 AGE의 함량이 낮아 회전형 레오미터만으로는 반응 유무를 검토하기 어려우나, 아스팔트 바인더와 고무의 배합 결과와 비교하여 점도 차이를 구분하고자 함

- 비교 시 비슷한 점도를 가지면, AGE의 함량 증대를 통해 결과를 비교할 계획이며, 높게 나타난다면, 반응을 통해 분자량이 커진 결과로 판단할 수 있음. 만약 낮은 점도를 갖는다면, AGE의 주사슬의 긴 탄화수소 사슬에 의해 유동성이 증가된 것으로 간주할 수 있음

- WMA-4와 아스팔트 바인더의 온도에 따른 점도 변화를 비교하여 보았을 때, 아스팔트 바인더 대비 WMA-4는 50℃에서 10%, 100℃에서 77%, 130℃에서 327%, 160℃에서 385% 증가함

- 50℃에서 100℃ 승온 시 점도 증가는 10%에서 77% 증가한 반면, 100℃에서 130℃ 승온 시 77%에서 327%로 급격하게 증가함을 알 수 있음

- 낮은 온도에서는 점도차가 크지 않으나, 중온화 온도인 100∼130 ℃ 구간에서 점도차이가 크기 때문에, 적절한 소재 및 배합을 통해 순환 중온 아스팔트 바인더 개발을 이룰 수 있음.

[그림 22] WMA-5의 점탄성 곡선

[표 10] WMA-5의 온도에 따른 점탄성

[그림 23] WMA-6의 점탄성 곡선

[표 11] WMA-6의 온도에 따른 점탄성

[그림 24] 온도에 따른 스트레이트 아스팔트(60~80)와 중온 아스팔트 바인더(WMA)의 점탄성 곡선 변화

- WMA-1과 WMA-2는 100 ℃에서 아스팔트 혼합물보다 낮은 점성을 보임

- WMA-3과 WMA-4를 제외하고, 140 ℃ 이상에서 아스팔트 바인더와 유사하거나 낮은 점성을 보임

[그림 25] 온도에 따른 아스팔트 바인더와 WMA의 점탄성 곡선 변화

- WMA-1과 WMA-2는 낮은 온도에서 아스팔트 바인더 보다 낮은 점성을 보인 반면 140 ℃ 이상에서도 낮은 점성을 보이기에 중온 아스팔트 바인더로 부적합

- WMA-3, WMA-4는 낮은 온도에서 아스팔트 바인더 보다 높은 점성을 보이나, 140 ℃ 이상에서도 높은 점성을 보여 중온 아스팔트 바인더로 부적합

- WMA-5는 낮은 온도에서 아스팔트 바인더 보다 높은 점성을 보이고, 140 ℃ 이상에서 낮은 점도를 보여 중온 아스팔트 바인더로 적합

- WMA-6은 낮은 온도에서 아스팔트 바인더 보다 높은 점성을 보이나, 140 ℃ 이상에서도 높은 점성을 보여 중온 아스팔트 바인더로 부적합

<바인더 분석 : PG등급>

반응성 화학 첨가제 WMA-1 ~ WMA-6을 사용한 중온형 아스팔트 바인더의 고온 및 저온에서의 품질성능을 분석하고 평가한 결과는 아래 [표 12]와 같다.

[표 12] 바인더의 공용성 등급

기존 아스팔트 바인더의 점성변화를 최소화하면서 보다 낮은 혼합온도에서 아스팔트 혼합물을 생산할 수 있는 중온 아스팔트 바인더의 낮은 점도 특성은 WMA-5 첨가제에서 나타났으며 또한 공용성 등급은 PG64-22 품질수준을 유지함을 확인하였다.

<반응성 화학 첨가제를 사용한 순환 중온 아스팔트 바인더 분석결과>

- 스트레이트 아스팔트와 반응성 화학 첨가제(중온첨가제)가 혼합된 아스팔트 바인더에 소량의 폴리머(고무성분) 소재와 함께, DTGE 또는 GE성분을 함유한 중온첨가제를 혼합한 바인더가 PG 등급 64-22를 만족하며, 고온 (140 ℃ 이상)에서는 낮은 점성을 갖고, 저온 (100 ℃ 이하)에서 높은 점성을 가져 중온 효과가 탁월함을 확인하였다.

<순환 중온 아스팔트 혼합물 분석>

- 반응성 화학 첨가제(중온첨가제)를 사용한 중온 아스팔트 바인더에 기존 신규골재에 추가로 폐아스콘을 재활용한 아스콘용 순환골재(RAP)를 혼합하여 순환 중온 아스팔트 혼합물 시료를 제조하여 도로포장재로서의 품질성능을 확인하고자 하였다. 배합설계에 사용한 재료에 대한 기본 물성 및 최적배합설계에 따른 결과는 다음과 같다.

[표 13] 골재의 물리적 특성

[표 14] 아스콘용 순환골재의 특성

[표 15] 골재의 입도 특성

- 순환 중온 아스팔트 혼합물 제품에 대한 최적배합설계는 골재, 채움재, 폐아스콘을 재활용한 아스콘용 순환골재 및 반응성 화학첨가제(중온첨가제)를 사용한 중온 아스팔트 바인더를 사용하여 진행하였으며 최적배합설계 결과는 표 12와 같다. 혼합물 생산 시 혼합온도 및 현장 다짐온도는 기존 가열 아스팔트 혼합물(HMA, Hot mix asphalt mixture) 대비 (20~30)℃ 이상 낮은 범위에서 충분히 진행할 수 있는 온도범위임을 첨가제 및 순환 중온 아스팔트 바인더의 품질성능 분석결과를 통해 확인하였으며, 아스콘 현장 플랜트에서 충분한 중온 생산효과를 발휘할 것으로 판단된다.

[표 16] 순환 중온 아스팔트 혼합물의 최적배합설계 결과

- 최적배합설계 결과에서 바인더의 배합비율은 기존 아스팔트 혼합물의 최적함량에 대한 중량대비 DTGE(또는 GE) 성분의 첨가제 1%와 점도개선을 위한 CRM (3~5)% 에서 배합조정이 가능하기 때문에 중온효과를 위한 첨가제 사용함량이 높지 않아 경제적인 효과도 기대할 수 있을 것으로 기대된다.

- 최적배합설계결과를 반영하여 제조한 반응성 화학 첨가제를 사용한 순환 중온 아스팔트 혼합물의 품질성능 결과는 [표 17]과 같다. 순환 중온 아스팔트 혼합물 제품에 대한 실시예 1과 아스콘용 순환골재를 사용하지 않은 중온 아스팔트 혼합물 제품 및 기존 가열 아스팔트 혼합물에 대한 비교예 1과 2의 품질성능을 살펴보면, 반응성 화학 첨가제의 사용함량이 기존 아스팔트 바인더 최적함량 대비 1% 및 5% 수준에서 비교적 사용함량이 낮고, 혼합온도가 기존 가열 아스팔트 혼합물(HMA)보다 30℃ 정도 낮은 온도에서 혼합생산이 가능한 중온효과를 충분함에도 기존 아스팔트의 공용성 등급 PG64-22 품질수준을 나타냄을 확인하였다. 또한 기존 유기질 재료인 왁스(Wax)기반의 중온 첨가제는 아스팔트의 점도를 급격하게 감소시켜 중온효과를 가져오지만 반응성 화학 첨가제는 기존 아스팔트의 점도변화를 최소화하면서 윤활작용과 화학반응을 통해 중온효과 및 접착성능 개선 특성을 나타낸다. 표 14에서 보듯이 기존 가열 아스팔트 혼합물 제품 대비 순환 중온 아스팔트 혼합물 제품은 생산온도 저감효과를 가지면서도 전반적으로 품질성능이 유사하게 나타남을 알 수 있다.

[표 17] 순환 중온 아스팔트 혼합물의 품질성능

[그림 26] 중온 아스팔트 바인더 및 순환 중온 아스팔트 혼합물

<실시예 2>

침입도가 60∼80 또는 PG64-22인 스트레이트 아스팔트와 110∼150℃의 내부온도를 갖는 저장탱크에서 30∼80분 동안 가열하여 용기에 계량한 후, 아스팔트 혼합물이 계량된 용기를 히팅교반기에 넣은 다음, 상기 히팅교반기로 150∼160℃의 내부온도 상에서 2000∼3500rpm 으로 교반한 다음, 교반된 스트레이트 아스팔트 3000g과 알릴 글리시딜 에테르(AGE : Allyl glycidyl ether), 옥틸-데실 글리시딜 에테르(ODGE : Octyl and decyl glycidyl ether) 중 어느 하나를 선택하여 30g을 투입하고, 도데실-테트라데실 글리시딜 에테르(DTGE : Dodecyl and tetradecyl glycidyl ether), 폴리에틸렌 지 말레익 무수물(PE-g-MA : Polyethylene-g-maleic anhydride), 폴리프로필렌 지 말레익 무수물(PP-g-MA : Polypropylene-g-maleic anhydride)중 어느 하나를 선택하여 30g을 더 투입하며, 스타이렌-부타디엔 고무(SBS), 스타이렌-에틸렌-부틸렌 블록 공중합 고무(SEBS), 폐타이어 고무(CRM), 이소프렌(IR), 염소고무(CR) 중 어느 하나를 선택하여 150g을 투입하여 스트레이트 아스팔트 혼합물을 제조한 후, 상기 아스팔트 혼합물을 17분 교반한 후 23℃의 상온에서 3시간 동안 냉각하였다.

<바인더 분석방법>

1) FT-IR 분석

- KBr window 2장 사이에 아스팔트 (미리 열을 가하여 흐르도록 함)를 한방울 떨어뜨리고 KBr window를 접합시킴. Jasco FT/IR-6600을 이용하여 transmittance method로 4000 cm^-1에서 400 cm^-1까지 4회 스캔하여 측정

2) DSC 분석

(3) 점탄성분석

- 분석온도: 50 ~ 160 ℃, TA Instrument Ltd. DHR-1, Measuring Geometry: 25 mm plate

(4) 공용성 (PG)등급 측정

- KS F 2389에 따르 측정

<바인더 분석 : FT-IR>

1) FT-IR 분석

[그림 27] PWMA-A 및 PWMA-B의 FT-IR 곡선

ⓐ PWMA-A

- asphaltene의 C(=O)-OH가 거의 보이지 않아, 모두 반응을 한 것으로 판단. 첨가된 PP-g-MA의 MA peak (1096, 1022 cm^-1) 는 거의 보이지 않아 PP-g-MA와 asphaltene이 반응을 일으킨 것으로 판단

ⓑ PWMA-B

- asphaltene의 C(=O)-OH가 거의 보이지 않아, 모두 반응을 한 것으로 판단. 그러나, 첨가된 PE-g-MA의 MA peak (1096, 1022 cm^-1) 는 거의 보이지 않아 PE-g-MA와 asphaltene이 반응을 일으킨 것으로 판단

[그림 28] PWMA-C 및 PWMA-D의 FT-IR 곡선

- asphaltene의 C(=O)-OH가 거의 보이지 않아, 모두 반응을 한 것으로 판단. 첨가된 DTGE의 epoxy group은 또렷하게 잔존함을 보여 일부 반응, 일부 미반응한 것으로 판단. 그러나, 첨가된 PP-g-MA의 MA peak (1096, 1022 cm^-1) 는 거의 보이지 않아 PP-g-MA와 asphaltene이 반응을 일으킨 것으로 판단

ⓓ PWMA-D

- asphaltene의 C(=O)-OH가 거의 보이지 않아, 모두 반응을 한 것으로 판단. 첨가된 DTGE의 epoxy group은 또렷하게 잔존함을 보여 일부 반응, 일부 미반응한 것으로 판단. 그러나, 첨가된 PE-g-MA의 MA peak (1096, 1022 cm^-1) 는 거의 보이지 않아 PE-g-MA와 asphaltene이 반응을 일으킨 것으로 판단

[그림 29] PWMA-E 및 PWMA-F의 FT-IR 곡선

ⓔ PWMA-E

- asphaltene의 C(=O)-OH가 거의 보이지 않아, 모두 반응을 한 것으로 판단. 첨가된 ODGE의 epoxy group은 또렷하게 잔존함을 보여 일부 반응, 일부 미반응한 것으로 판단. 그러나, 첨가된 PP-g-MA의 MA peak (1096, 1022 cm^-1) 는 거의 보이지 않아 PP-g-MA와 asphaltene이 반응을 일으킨 것으로 판단

ⓕ PWMA-F

- asphaltene의 C(=O)-OH가 거의 보이지 않아, 모두 반응을 한 것으로 판단. 첨가된 ODGE의 epoxy group은 또렷하게 잔존함을 보여 일부 반응, 일부 미반응한 것으로 판단. 그러나, 첨가된 PE-g-MA의 MA peak (1096, 1022 cm^-1) 는 거의 보이지 않아 PE-g-MA와 asphaltene이 반응을 일으킨 것으로 판단

<아스팔트 혼합물의 아스팔텐 구조>

① 아스팔트 바인더 내 asphaltene의 구조

[그림 30] 아스팔트 바인더의 아스팔텐(Asphaltene)의 분자 구조

- asphaltene은 crude oil의 약 1 wt% 존재하며, bitumen에는 약 20 wt% 존재하는 것으로 알려져 있음. 분자간 안정적으로 aggregation을 형성하기 위해, asphaltene 말단에 hydrogene bonding을 형성하기도 함. 이에, asphaltene의 말단에 형성된 C(=O)-OH와 epoxy 또는 maleic anhydride와 반응이 가능함.

② OH와의 반응 메커니즘

- OH와 Maleic anhydride 반응 메커니즘

[그림 31] 반응 메커니즘

<바인더 분석 : DSC>

[그림 32] PWMA-A의 DSC 곡선

ⓐ PWMA-A

- AP-5의 유리전이온도는 17 ℃로 조사된 바 있음. PWMA-A는 유리전이온도가 2곳에서 발생, 한곳은 13.7 ℃, 다른 한곳은 44.3 ℃에서 나타남. 낮은 유리전이온도는 amorphous 구조의 저분자량으로 판단되며, 높은 유리전이온도는 crystal 구조의 고분자량으로 판단됨. PP의 경우 분자 구조상 결정성을 나타낼 확률이 큼.

[그림 33] PWMA-B의 DSC 곡선

ⓑ PWMA-B

- AP-5의 유리전이온도는 17 ℃로 조사된 바 있음. PWMA-B는 유리전이온도가 2곳에서 발생, 한곳은 13.3 ℃, 다른 한곳은 43.7 ℃에서 나타남. 낮은 유리전이온도는 amorphous 구조의 저분자량으로 판단되며, 높은 유리전이온도는 고분자량으로 판단됨.

[그림 34] PWMA-C의 DSC 곡선

- AP-5의 유리전이온도는 17 ℃로 조사된 바 있음. PWMA-C는 유리전이온도가 2곳에서 발생, 한곳은 10.5 ℃, 다른 한곳은 45.0 ℃에서 나타남. 낮은 유리전이온도는 amorphous 구조의 저분자량으로 판단되며, 높은 유리전이온도는 crystal 구조의 고분자량으로 판단됨. PP의 경우 분자 구조상 결정성을 나타낼 확률이 큼.

[그림 35] PWMA-D의 DSC 곡선

ⓓ PWMA-D

- AP-5의 유리전이온도는 17 ℃로 조사된 바 있음. PWMA-D는 유리전이온도가 2곳에서 발생, 한곳은 10.34 ℃, 다른 한곳은 44.9 ℃에서 나타남. 낮은 유리전이온도는 amorphous 구조의 저분자량으로 판단되며, 높은 유리전이온도는 고분자량으로 판단됨.

[그림 36] PWMA-E의 DSC 곡선

ⓔ PWMA-E

- AP-5의 유리전이온도는 17 ℃로 조사된 바 있음. PWMA-E는 유리전이온도가 2곳에서 발생, 한곳은 8.2 ℃, 다른 한곳은 46.6 ℃에서 나타남. 낮은 유리전이온도는 amorphous 구조의 저분자량으로 판단되며, 높은 유리전이온도는 crystal 구조의 고분자량으로 판단됨. PP의 경우 분자 구조상 결정성을 나타낼 확률이 큼.

[그림 37] PWMA-F의 DSC 곡선

ⓕ PWMA-F

- AP-5의 유리전이온도는 17 ℃로 조사된 바 있음. PWMA-F는 유리전이온도가 2곳에서 발생, 한곳은 10.1 ℃, 다른 한곳은 43.3 ℃에서 나타남. 낮은 유리전이온도는 amorphous 구조의 저분자량으로 판단되며, 높은 유리전이온도는 고분자량으로 판단됨.

<바인더 분석 : Complex viscosity(점탄성)>

ⓐ PWMA-A

- 분석이 제대로 이뤄지지 않음

ⓑ PWMA-B

[그림 38] PWMA-B의 점탄성 분석

- AP-5는 50 ℃에서 1365 Paㆍs, 100 ℃에서 4.08 Paㆍs, 130 ℃에서 0.62 Paㆍs, 160 ℃에서 0.39 Paㆍs로 나타남. PWMA-B는 50 ℃에서 4,468 Paㆍs, 100 ℃에서 13.8 Paㆍs, 130 ℃에서는 3.9 Paㆍs, 160 ℃에서는 2.6 Paㆍs로 높게 나타남. 이는 분산상의 문제 또는 분산 후 높은 온도에서 반응을 통해 분자량이 커진 것일 수 있으며, DSC 분석 결과를 보았을 때, 재결정이 일어난 것으로 보이지는 않음.

- 분석이 제대로 이뤄지지 않을 만큼 큰 점도 변화를 보임

ⓓ PWMA-D

[그림 39] PWMA-D의 점탄성 분석

- AP-5는 50 ℃에서 1365 Paㆍs, 100 ℃에서 4.08 Paㆍs, 130 ℃에서 0.62 Paㆍs, 160 ℃에서 0.39 Paㆍs로 나타남. PWMA-D는 50 ℃에서 681.3 Paㆍs, 100 ℃에서 4.3 Paㆍs로 낮은 점탄성을 보였으며, 130 ℃에서는 0.7 Paㆍs로 다소 높은나 유의미한 값이 아니며 유사하게 나타났고, 160 ℃에서는 0.3 Paㆍs로 다시 낮게 나타남. 낮은 온도에서는 녹는점이 50 ℃인 DTGE의 영향으로 AP-5 보다 낮은 점탄성을 보였으며, 130 ℃에서는 PE-g-MA가 녹아 (m.p. 130 ℃) AP-5와 유사한 값을 나타냄.

ⓔ PWMA-E

[그림 40] PWMA-E의 점탄성 분석

- AP-5는 50 ℃에서 1365 Paㆍs, 100 ℃에서 4.08 Paㆍs, 130 ℃에서 0.62 Paㆍs, 160 ℃에서 0.39 Paㆍs로 나타남. PWMA-E는 50 ℃에서 551.3 Paㆍs, 100 ℃에서 3.9 Paㆍs로 낮은 점탄성을 보였으며, 130 ℃에서는 0.6 Paㆍs로 유사하게 나타났으며, 160 ℃에서는 0.2 Paㆍs로 다시 낮게 나타남. 낮은 온도에서는 (100 ℃ 이하) 긴 사슬의 ODGE의 영향으로 이를 첨가 후 mobility가 증가하여 AP-5 보다 낮은 점탄성을 보였으며, 160 ℃에서는 PP-g-MA가 녹아 (m.p. 130 ℃) 점탄성이 낮게 나타난 것으로 판단. 높은 온도에서는 첨가된 물질의 융점 이상으로 인해 점탄성이 낮게 나타나는 것으로 판단됨.

ⓕ PWMA-F

[그림 41] PWMA-F의 점탄성 분석

- AP-5는 50 ℃에서 1365 Paㆍs, 100 ℃에서 4.08 Paㆍs, 130 ℃에서 0.62 Paㆍs, 160 ℃에서 0.39 Paㆍs로 나타남. PWMA-F는 50 ℃에서 500.9 Paㆍs, 100 ℃에서 3.8 Paㆍs로 낮은 점탄성을 보였으며, 130 ℃에서는 0.6 Paㆍs로 다소 높은나 유의미한 값이 아니며 유사하게 나타났고, 160 ℃에서는 0.3 Paㆍs로 다시 낮게 나타남. 낮은 온도에서는 (100 ℃ 이하) 긴 사슬의 ODGE의 영향으로 이를 첨가 후 mobility가 증가하여 AP-5 보다 낮은 점탄성을 보였으며, 130 ℃에서는 PE-g-MA가 녹아 (m.p. 130 ℃) AP-5와 유사한 값을 나타냄

<온도변화에 따른 바인더 점도변화-1>

- 온도에 따른 각각의 PWMA와 AP-5 점도 변화 비교한 결과, PWMA-D, E가 140 ℃에서 AP-5의 혼합 점성을 가진 것으로 나타나며, PWMA-F는 150 ℃에서 같은 점성을 나타냄. 중온효과는 PEMA-D, E, F가 각각 20, 20, 10 ℃ 혼합 온도를 낮추는 것으로 나타남. 기존 AP-5와 비교해도 생산온도저감 효과가 충분히 발휘되지만 기존 PMA기반 상용 개질아스팔트 대비 월등히 우수한 생산온도저감 효과를 나타냄을 알 수 있다.

[그림 42] PWMA와 AP-5의 온도에 따른 점도 변화 비교

위의 전반적인 실험결과, AP-5, Polymer(rubber), DTGE, PE-g-MA를 첨가한 시료가 생산온도저감 효과와 개질 효과를 보이는 것으로 판단하여, PE-g-MA 첨가량 증대와 DTGE를 뺀 시료를 제조하였다.

[표 18]

<바인더 분석 : Complex viscosity(점탄성)>

ⓐ PWMA-D-3

[그림 43] PWMA-D-3의 점성 분석 곡선

- PWMA-D와 비교하여 PE-g-MA의 양이 증가하였고, 이에 PE의 유연성으로 인하여 전반적인 점성이 낮아진 것으로 보임

ⓑ PWMA-D-5

[그림 44] PWMA-D-5의 점성 분석 곡선

- PWMA-D와 비교하여 PE-g-MA 사용함량 증가시킨 PWMA-D-3과 큰 차이 없음.

[그림 45] PWMA-F-3의 점성 분석 곡선

- PWMA-F와 비교하여 PE-g-MA의 양이 증가하였고, 이에 PE의 유연성으로 인하여 전반적인 점성이 낮아진 것으로 보임

ⓓ PWMA-F-5

[그림 46] PWMA-F-5의 점성 분석 곡선

- PWMA-F와 비교하여 PE-g-MA의 양이 과량 증가하였을 때, PWMA-F-3과 큰 차이 없는 점성을 보임

ⓔ PWMA-G

[그림 47] PWMA-G의 점성 분석 곡선

- 유연성을 증가시키며, 아스팔텐의 수산화기와 반응할 수 있는 epoxide group이 존재하는 glycidyl ether가 없어, 유연성이 낮아지고, PE-g-MA의 첨가량이 증가하여 고온에서는 안정성을 보이나, 저온에서는 탄성이 저하되는 PE 특성으로 인해 쉽게 파괴되는 특성을 보이는 것으로 판단. 알킬 탄소화합물이 존재하여 이러한 문제점 극복을 위하여 저온에서 유연성 및 탄성을 줄 수 있는 PEG(Poly ethylene glycol)기반의 첨가제로 보완 가능하다.

<온도변화에 따른 바인더 점도변화-2>

- PWMA-D-3, D-5, F-3, F-5 모두가 140 ℃ 이하에서 AP-5의 혼합 점도를 보임. 이에 중온 효과로 약 20 ℃ 이상 낮은 온도에서 혼합 가능함. PWMA-G는 160 ℃까지 AP-5의 혼합 점도로 낮아지지 않아, AP-5 대비 중온 효과는 보이지 않음. 그러나 전반적인 점도변화 곡선을 보면 기존 PMA기반 상용 개질아스팔트의 혼합온도는 AP-5보다 최소 10 ℃이상 증가된 170 ℃ 이상이기 때문에 PWMA-G, F-3은 20 ℃ 이상 낮은 온도에서 혼합이 가능한 생산온도저감 효과를 가질 수 있다. 따라서 PWMA 첨가제 모두 개질아스팔트 바인더로서의 생산온도를 저감시킬 수 있는 개질 효과를 충분히 발휘할 수 있을 것으로 판단된다.

[그림 48] PE-g-MA의 첨가량이 추가된 PWMA의 온도에 따른 점도 변화 곡선

<바인더 분석 : PG등급>

반응성 화학 개질첨가제 PMA-A ∼ WMA-G를 사용한 순환 중온 개질아스팔트 바인더의 고온 및 저온에서의 품질성능을 분석하고 평가한 결과는 표 16과 같다.

[표 19] 바인더의 공용성 등급

[표 20] 바인더의 공용성 등급

<반응성 화학 개질첨가제를 사용한 중온 개질아스팔트 바인더 분석결과>

- 기존 아스팔트 바인더의 점성변화를 최소화하면서 보다 낮은 혼합온도에서 순환 중온 개질아스팔트 혼합물을 생산할 수 있는 반응성 화학 개질첨가제는 PWMA-D, D-3, D-5, F, F-5, Q로 나타났다. 중온 개질아스팔트로서의 개질효과는 PG70-22 품질수준 이상을 만족함을 확인하였으며, 반응성 화학 개질첨가제의 사용함량 조정을 통해 고온등급의 품질수준을 높일 수 있다. 또한 중온 개질아스팔트 바인더의 고온등급 증가에 따라 저온등급에 대한 개선 및 보완은 유연성 및 탄성을 줄 수 있는 PEG(Poly ethylene glycol)기반의 첨가제로 보완 가능함.

- 아스팔트 바인더에 소량의 폴리머(고무성분) 소재와 함께 DTGE(또는 GE), PE-g-MA 성분을 함유한 반응성 화학 개질첨가제를 혼합한 중온 개질아스팔트 바인더의 PG등급이 모두 70-22 품질수준을 만족하여 고온(140 ℃ 이상)에서는 낮은 점성을 갖고, 저온(100 ℃ 이하)에서 높은 점성을 가져 생산온도저감 효과가 탁월함을 확인하였다.

- 경제성, 효율성 및 소재의 원활한 공급 차원에서 아스팔트 혼합물, Poymer(rubber 성분), DTGE 그리고 PE-g-MA 소재를 이용하면서 그 사용함량을 최소화한 PWMA-D 첨가제가 최적으로 사용가능함. 그러나 사용소재의 최소화 측면에서는 고온 및 저온의 물성을 확보할 수 있다면 PWMA-D, F, G 첨가제 모두 반응성 화학 개질첨가제로서 충분히 적용될 수 있다.

<순환 중온 개질아스팔트 혼합물 분석>

- 반응성 화학 개질첨가제(중온 개질첨가제)와 폐아스콘을 재활용 아스콘용 순환골재를 사용한 순환 중온 개질아스팔트 혼합물 시료를 제조하여 도로포장재로서의 개질효과 측면에서의 품질성능을 확인하고자 하였다. 배합설계에 사용한 재료에 대한 기본 물성 및 최적배합설계에 따른 결과는 표 21 및 표 22와 같다.

[표 21] 골재의 물리적 특성

[표 22] 아스콘용 순환골재의 특성

[표 23] 골재의 입도 특성

- 반응성 화학 개질첨가제(중온 개질첨가제)를 사용한 순환 중온 개질아스팔트 혼합물 제품의 최적배합설계는 신규골재, 폐아스콘을 재활용한 아스콘용 순환골재, 채움재 및 중온형 개질아스팔트 바인더를 사용하여 진행하였으며 최적배합설계 결과는 표 20과 같다. 혼합물 생산 시 혼합온도 및 현장 다짐온도는 기존 가열 아스팔트 혼합물(HMA, Hot mix asphalt mixture) 또는 기존 상용 개질아스팔트 혼합물(PMA mixture) 대비 (20~30)℃ 이상 낮은 범위에서 진행할 수 있어 따라서 아스콘 현장 플랜트에서 생산온도저감형 순환 중온 개질아스팔트 혼합물로써 충분한 중온 및 개질효과를 발휘할 것으로 판단된다.

[표 24] 순환 중온 개질 아스팔트 혼합물의 최적배합설계 결과

- 중온 개질아스팔트 바인더의 배합비율은 기존 아스팔트 바인더의 최적함량에 대한 중량대비 PE-g-MA성분 첨가제는 (3~8)%, PEG성분 첨가제 (1~2)% 그리고 저온물성 및 탄성보완 등 점도개선을 위한 첨가제로 CRM (3~5)%, DTGE(GE)성분 첨가제는 필요에 따라 (1~2)%범위에서 배합비율을 조정하여 중온 개질효과를 기대할 수 있다.

- 최적배합설계결과를 반영하여 제조한 반응성 화학 개질첨가제를 사용한 순환 중온 개질 아스팔트 혼합물에 대한 품질성능 결과는 [표 25]와 같다. 순환 중온 개질 아스팔트 혼합물에 대한 실시예 1과 아스콘용 순환골재를 사용하지 않고 신규골재만을 사용한 중온 개질 아스팔트 혼합물인 비교예 1 및 기존 고온 개질 아스팔트 혼합물 비교예 2와의 품질성능을 살펴보면, 반응성 화학 개질첨가제(중온 개질첨가제)의 사용함량이 기존 아스팔트 바인더 최적함량 대비 1% 및 5% 수준에서 비교적 사용함량이 낮고, 혼합온도가 기존 고온 가열 개질 아스팔트 혼합물(PMA)보다 최소 30℃ 정도 낮은 온도에서 혼합생산이 가능한 중온효과가 충분함에도 기존 아스팔트의 공용성 등급 PG64-22보다 높은 아스팔트 공용성 등급 PG70-22 또는 PG76-22 품질수준을 나타냄을 확인하였다. 또한 기존 유기질 재료인 왁스(Wax)기반의 중온 첨가제는 아스팔트의 점도를 급격하게 감소시켜 중온효과를 가져오지만 반응성 화학 개질첨가제는 기존 아스팔트의 점도변화를 최소화하면서 윤활작용과 화학반응을 통해 중온효과 및 접착성능 개선 특성을 나타낸다. 표 21에서 보듯이 기존 가열 아스팔트 혼합물 제품 대비 개발제품은 생산온도 저감효과를 가지면서도 전반적으로 품질성능이 유사하게 나타남을 알 수 있다.

[표 25] 순환 중온 개질아스팔트 혼합물의 품질성능

[그림 49] 중온 개질 아스팔트 혼합물 및 순환 중온 개질아스팔트 혼합물

상기한 바와 같은 본 발명의 순환 중온 아스팔트 혼합물 제조방법에 의해 제조되는 순환 중온 아스팔트 혼합물은 미개질인 경우, 침입도가 60∼80 또는 PG64-22인 스트레이트 아스팔트를 110∼150℃의 내부온도를 갖는 저장탱크에서 30∼80분 동안 가열하여 된 아스팔트 바인더를 용기에 계량하고, 상기 아스팔트 바인더가 계량된 용기를 히팅교반기에 넣은 다음, 상기 히팅교반기로 150∼160℃의 내부온도 상에서 2000∼3500rpm 으로 교반하며, 상기 교반된 아스팔트 바인더에 중온 아스팔트 바인더 제조를 위하여 반응성 화학첨가제를 중온첨가제로서 아스팔트 바인더 100중량부를 기준으로 알릴 글리시딜 에테르(AGE : Allyl glycidyl ether), 옥틸-데실 글리시딜 에테르(ODGE : Octyl and decyl glycidyl ether)중 적어도 어느 하나 이상으로 선택된 반응성 화학 첨가제 1∼2중량부를 투입하고, 아스팔트 바인더 100중량부를 기준으로 스타이렌-부타디엔 고무(SBS), 스타이렌-에틸렌-부틸렌 블록 공중합 고무(SEBS), 폐타이어 고무(CRM), 이소프렌(IR), 염소고무(CR) 중 적어도 어느 하나 이상으로 선택된 고무폴리머 3∼5 중량부를 더 투입하며, 상기 아스팔트 바인더에 반응성 화학(중온)첨가제와 폐아스콘을 재활용한 아스콘용 순환골재를 혼입한 순환 중온 아스팔트 혼합물을 110∼120℃의 온도에서 1∼20분 교반한 후, 상온에서 냉각하여 제조되어지되, 상기 폐아스콘은 최초 수거 시 기존 아스콘 포장 도로에서 절삭 또는 덩어리 형태로 굴착되어진 폐아스콘을 아스팔트 콘크리트 순환골재에서 요구하는 1∼20㎜의 입도 범위로 재가공하여 준비하고, 자연골재로 13∼40㎜로 파쇄된 굵은 골재 10∼50중량부와, 1∼10㎜로 파쇄된 잔골재 32∼60중량부; 아스팔트콘크리트용 순환골재로서, 1∼20㎜로 파쇄된 순환골재 10∼50중량부와; 아스팔트 포장용 채움재 2∼10중량부;를 포함한 사용골재(A1)와, 신재 아스팔트 2.0∼6.0중량부와, 아스콘용 순환골재의 구재 아스팔트 1.0∼2.5중량부;를 포함하여 중온(또는 중온개질) 아스팔트 바인더(A2)를 혼합 사용토록 한다.

그리고, 순환 중온 아스팔트 혼합물은 개질인 경우, 침입도가 60∼80 또는 PG64-22인 스트레이트 아스팔트를 110∼150℃의 내부온도를 갖는 저장탱크에서 30∼80분 동안 가열하여 된 아스팔트 바인더를 용기에 계량하고, 상기 아스팔트 바인더가 계량된 용기를 히팅교반기에 넣은 다음, 상기 히팅교반기로 150∼160℃의 내부온도 상에서 2000∼3500rpm 으로 교반하며, 상기 교반된 아스팔트 바인더에 중온 아스팔트 바인더 제조를 위하여 반응성 화학 개질첨가제를 중온 개질첨가제로서 아스팔트 바인더 100중량부를 기준으로 알릴 글리시딜 에테르(AGE : Allyl glycidyl ether), 옥틸-데실 글리시딜 에테르(ODGE : Octyl and decyl glycidyl ether) 중 어느 하나를 선택하여 1~2중량부를 투입하고 난 다음, 도데실-테트라데실 글리시딜 에테르(DTGE : Dodecyl and tetradecyl glycidyl ether), 폴리에틸렌 지 말레익 무수물(PE-g-MA : Polyethylene-g-maleic anhydride), 폴리프로필렌 지 말레익 무수물(PP-g-MA : Polypropylene-g-maleic anhydride)중 어느 하나 이상으로 선택된 반응성 화학 개질 첨가제 1∼2중량부를 투입하고, 아스팔트 바인더 100중량부를 기준으로 스타이렌-부타디엔 고무(SBS), 스타이렌-에틸렌-부틸렌 블록 공중합 고무(SEBS), 폐타이어 고무(CRM), 이소프렌(IR), 염소고무(CR) 중 적어도 어느 하나 이상으로 선택된 고무폴리머 3∼5 중량부를 더 투입하며, 상기 아스팔트 바인더에 반응성 화학(중온) 개질첨가제와 폐아스콘을 재활용한 아스콘용 순환골재를 혼입한 순환 중온 개질 아스팔트 혼합물을 130∼140℃의 온도에서 1∼20분 교반한 후, 상온에서 냉각하여 제조되어지되, 상기 폐아스콘은 최초 수거 시 기존 아스콘 포장 도로에서 절삭 또는 덩어리 형태로 굴착되어진 폐아스콘을 아스팔트 콘크리트 순환골재에서 요구하는 1∼20㎜의 입도 범위로 재가공하여 준비하고, 자연골재로 13∼40㎜로 파쇄된 굵은 골재 10∼50중량부와, 1∼10㎜로 파쇄된 잔골재 32∼60중량부; 아스팔트콘크리트용 순환골재로서, 1∼20㎜로 파쇄된 순환골재 10∼50중량부와; 아스팔트 포장용 채움재 2∼10중량부;를 포함한 사용골재(A1)와, 신재 아스팔트 2.0∼6.0중량부와, 아스콘용 순환골재의 구재 아스팔트 1.0∼2.5중량부;를 포함하여 중온(또는 중온개질) 아스팔트 바인더(A2)를 혼합 사용토록 한다.

상술된 바와 같은 본 발명에 의하면, 아스팔트 내 존재하는 아스팔텐의 수산화기와 반응이 가능하고, 중온 이상에서 유동성을 가지는 물질을 도입하여 생산온도저감 효과 및 아스팔트 바인더와 아스팔트 혼합물 제품의 개질효과를 부여하는 중온 아스팔트 혼합물에 아스팔트 혼합물 도로포장에서 발생되는 건설폐기물을 가공하여 된 아스팔트콘크리트용 순환골재를 투입 사용토록함으로써 부지 비용 및 폐기물 처리비용을 줄이고 자원을 재활용할 수 있게 된다.

이상에서 설명한 본 발명은, 도면에 도시된 일실시 예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시 예가 가능하다는 점을 명확히 하여야 할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술적 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims

침입도가 60∼80 또는 PG64-22인 스트레이트 아스팔트를 110∼150℃의 내부온도를 갖는 저장탱크에서 30∼80분 동안 가열하여 된 아스팔트 바인더를 용기에 계량하는 단계(S1);
상기 아스팔트 바인더가 계량된 용기를 히팅교반기에 넣은 다음, 상기 히팅교반기로 150∼160℃의 내부온도 상에서 2000∼3500rpm 으로 교반하는 단계(S2);
상기 교반된 아스팔트 바인더에 중온 아스팔트 바인더 제조를 위하여 반응성 화학첨가제를 중온첨가제로서 아스팔트 바인더 100중량부를 기준으로 알릴 글리시딜 에테르(AGE : Allyl glycidyl ether), 옥틸-데실 글리시딜 에테르(ODGE : Octyl and decyl glycidyl ether)중 적어도 어느 하나 이상으로 선택된 반응성 화학 첨가제 1∼2중량부를 투입하는 단계(S3);
상기 아스팔트 바인더에 반응성 화학(중온)첨가제와 폐아스콘을 재활용한 아스콘용 순환골재를 혼입한 순환 중온 아스팔트 혼합물을 110∼120℃의 온도에서 1∼20분 교반한 후, 상온에서 냉각하는 단계(S4);를 포함하여 이루어지며,
상기 폐아스콘은 최초 수거 시 기존 아스콘 포장 도로에서 절삭 또는 덩어리 형태로 굴착되어진 폐아스콘을 아스팔트 콘크리트 순환골재에서 요구하는 1∼20㎜의 입도 범위로 재가공하여 준비하고,
자연골재로 13∼40㎜로 파쇄된 굵은 골재 10∼50중량부와, 1∼10㎜로 파쇄된 잔골재 32∼60중량부; 아스팔트콘크리트용 순환골재로서, 1∼20㎜로 파쇄된 순환골재 10∼50중량부와; 아스팔트 포장용 채움재 2∼10중량부;를 포함한 사용골재(A1)를 준비하고,
신재 아스팔트 2.0∼6.0중량부와, 아스콘용 순환골재의 구재 아스팔트 1.0∼2.5중량부;를 포함하여 중온(또는 중온개질) 아스팔트 바인더(A2)를 준비하여,
상기 중온(또는 중온개질) 아스팔트 바인더(A2)를 사용골재(A1)에 혼합 사용토록 함을 특징으로 하는 순환 중온 아스팔트 혼합물 제조방법.
침입도가 60∼80 또는 PG64-22인 스트레이트 아스팔트를 110∼150℃의 내부온도를 갖는 저장탱크에서 30∼80분 동안 가열하여 된 아스팔트 바인더를 용기에 계량하는 단계(S1);
상기 아스팔트 바인더가 계량된 용기를 히팅교반기에 넣은 다음, 상기 히팅교반기로 150∼160℃의 내부온도 상에서 2000∼3500rpm 으로 교반하는 단계(S2);
상기 교반된 아스팔트 바인더에 중온 아스팔트 바인더 제조를 위하여 반응성 화학 개질첨가제를 중온 개질첨가제로서 아스팔트 바인더 100중량부를 기준으로 알릴 글리시딜 에테르(AGE : Allyl glycidyl ether), 옥틸-데실 글리시딜 에테르(ODGE : Octyl and decyl glycidyl ether) 중 어느 하나를 선택하여 1~2중량부를 투입하고 난 다음, 도데실-테트라데실 글리시딜 에테르(DTGE : Dodecyl and tetradecyl glycidyl ether), 폴리에틸렌 지 말레익 무수물(PE-g-MA : Polyethylene-g-maleic anhydride), 폴리프로필렌 지 말레익 무수물(PP-g-MA : Polypropylene-g-maleic anhydride)중 어느 하나 이상으로 선택된 반응성 화학 개질 첨가제 1∼2중량부를 더 투입하는 단계(S3);
상기 아스팔트 바인더에 반응성 화학(중온) 개질첨가제와 폐아스콘을 재활용한 아스콘용 순환골재를 혼입한 순환 중온 개질 아스팔트 혼합물을 130∼140℃의 온도에서 1∼20분 교반한 후, 상온에서 냉각하는 단계(S4);를 포함하여 이루어지며,
상기 폐아스콘은 최초 수거 시 기존 아스콘 포장 도로에서 절삭 또는 덩어리 형태로 굴착되어진 폐아스콘을 아스팔트 콘크리트 순환골재에서 요구하는 1∼20㎜의 입도 범위로 재가공하여 준비하고,
자연골재로 13∼40㎜로 파쇄된 굵은 골재 10∼50중량부와, 1∼10㎜로 파쇄된 잔골재 32∼60중량부; 아스팔트콘크리트용 순환골재로서, 1∼20㎜로 파쇄된 순환골재 10∼50중량부와; 아스팔트 포장용 채움재 2∼10중량부;를 포함한 사용골재(A1)를 준비하고,
신재 아스팔트 2.0∼6.0중량부와, 아스콘용 순환골재의 구재 아스팔트 1.0∼2.5중량부;를 포함하여 중온(또는 중온개질) 아스팔트 바인더(A2)를 준비하여,
상기 중온(또는 중온개질) 아스팔트 바인더(A2)를 사용골재(A1)에 혼합 사용토록 함을 특징으로 하는 순환 중온 아스팔트 혼합물 제조방법.
제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 S3단계에서, 아스팔트 바인더 100중량부를 기준으로 스타이렌-부타디엔 고무(SBS), 스타이렌-에틸렌-부틸렌 블록 공중합 고무(SEBS), 폐타이어 고무(CRM), 이소프렌(IR), 염소고무(CR) 중 적어도 어느 하나 이상으로 선택된 고무폴리머 3∼5 중량부를 더 투입하는 것을 포함하여 이루어짐을 특징으로 하는 순환 중온 아스팔트 혼합물 제조방법.
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