KR102436159B1 - 저소음형 pcm 개질 배수성 신재 아스팔트 콘크리트 조성물 - Google Patents

저소음형 pcm 개질 배수성 신재 아스팔트 콘크리트 조성물 Download PDF

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Abstract

본 발명에 따른 저소음형 PCM 개질 배수성 신재 아스팔트 콘크리트 조성물은 특정 성분을 포함함으로써, 도로 표면에 대한 타이어의 마찰 소음을 최소화할 수 있고, 배수성이 우수하며, 특히 배수성이 우수함에도 내후성 및 내구성이 우수하며 수명이 긴 효과가 있다.

Description

저소음형 PCM 개질 배수성 신재 아스팔트 콘크리트 조성물{Low noise drainage recycled asphalt concrete composition}
본 발명은 저소음형 PCM 개질 배수성 신재 아스팔트 콘크리트 조성물에 관한 것으로, 구체적으로는 우수한 배수성 및 내구성을 가지면서 아스팔트 콘크리트 표면에 대한 타이어의 마찰 소음을 감소시킬 수 있는 저소음형 PCM 개질 배수성 신재 아스팔트 콘크리트 조성물에 관한 것이다.
국내 경제의 지속적인 발전과 더불어 사회기반시설과 고속도로가 확장되면서 이용차량의 증가와 함께 차량의 대형화와 고속화로 인해 교통소음이 증가되었다. 이에 따른 도로의 확충 등으로 교통소음의 영향을 받고 있는 지역은 확장되고 있으며, 국민 소득증진과 더불어 소음 공해에 대한 민원이 늘어나는 실정이다.
특히 이동의 편리함과 주행 안전성을 위해 개발된 도로에 의해 발생되는 도로교통 소음 문제가 있으며, 특히 타이어와 도로 표면과의 마찰에 의해 발생하는 소음, 즉, 타이어와 노면간의 소음은 주변 환경의 소음 공해를 유발할 뿐만 아니라 운전자의 주행 쾌적성에도 현저한 영향을 끼친다. 이러한 문제를 해결하기 위해 연도거리 확보 또는 방음벽 등의 소음억제 방법을 사용하고 있으나, 이는 경제적 손실은 물론 도시 미관을 해치는 문제가 발생하며, 운전자에게 들려오는 노면 소음에 대한 문제는 전혀 해결할 수 없는 한계가 있다. 따라서 도로 노면에 의한 소음 저감은 간접적인 방식보다는 근본적인 소음 발생원을 차단하여 소음의 발생량 자체를 저감시키는 직접적인 방식이 효과적이다. 직접적 소음 저감 방법으로서 도로의 노면 재료, 즉, 저소음형 아스팔트 조성물의 개발이 요구되고 있다.
도로주행 시 타이어와 도로 표면과의 마찰에 의해 발생하는 소음의 메커니즘을 살펴보면, 진동, 스틱슬립(Stick-Slip), 스틱스냅(Stick-Snap), 에어펌핑(Air-Pumping), 공기역학적 흐름 등이 있으며, 그 중에서도 진동에 의한 소음은 전체소음의 약 65 %를 차지할 정도로 타이어와 노면간의 소음을 야기하는 가장 큰 원인 중 하나이다. 진동은 타이어가 회전할 때, 타이어의 횡 방향 홈(Groove)에 의해 동일한 형상을 갖는 블록이 지면을 때리는 직접적인 소음현상 및 노면과 더불어 타이어 몸체의 진동을 일으키게 하여 진동이 소음으로 전환되는 간접적인 소음 현상으로 인한 것으로서, 타이어의 앞부분(Front Edge)에서 발생한다.
또한 이러한 아스팔트가 시공된 도로는 우천 시 노면 표면과 타이어간 수막 현상으로 인하여 마찰력을 현저히 감소시켜 사고를 유발하기 때문에 아스팔트의 배수성을 향상시켜야 한다. 배수성 아스팔트 콘크리트는 1950년대 영국에서 활주로의 수막현상을 방지하기 위해서 처음 시공되었고, 배수성 아스팔트의 단점인 높은 공극률(개립 아스콘)에 의한 내구성 저하를 최소화해야 한다. 이를 위해 국내에서는 1997년 경부 고속도로에 배수성 아스팔트가 처음 시험 포장된 이후로 1999년 건설교통부가 배수성 포장공법을 신기술 지정하여 점차 확대 적용하고 있으나, 아직까지 골재탈리, 소성변형, 포트홀 등의 내구성 문제가 발생하여 기술적으로 보완이 절실한 실정이다.
배수성 아스팔트는 공극율을 20% 이상 형성시켜, 형성된 공극으로 우천 시 우수가 투수되어 도로 표층으로 우수가 고이지 않도록 하며, 일반 아스팔트 대비 주행 중 빗물의 비산이 작고, 물보라의 형성이 작아 주행 시 시야 확보가 좋을 뿐만 아니라 수막 현상이 작아 자동차의 노면 미끄럼 방지 효과 및 교통사고 방지 효과가 향상된다.
차량의 급속한 증가로 인해 교통량이 늘어나고 이로 인해 도로 유지보수 비용이 증가고 있음에 따라, 주행 안전성을 높이고 소음 공해를 최소화하는 추세로 고품질 및 고기능성의 도로 재료, 특히 저소음형 아스팔트 조성물이 요구되고 있다.
이와 같이, 주행 안전성을 높이고 소음 공해를 최소화하는 추세와 더불어 배수성이 우수한 고품질 및 고기능성의 도로 재료, 특히 저소음형 배수성 아스팔트 조성물이 요구되고 있다.
한국등록특허 제1191089호 (2012.10.15)
본 발명의 목적은 도로 표면에 대한 타이어의 마찰 소음을 최소화할 수 있고, 내후성 및 내구성이 우수하며, 수명이 높을 뿐만 아니라 배수성이 우수한 고품질의 저소음형 PCM 개질 배수성 신재 아스팔트 콘크리트 조성물을 제공하는 것이다.
본 발명에 따른 저소음형 PCM 개질 배수성 신재 아스팔트 콘크리트 조성물은, 신골재 85 내지 95 중량%, 채움제 1 내지 8 중량% 및 신재 아스팔트 혼합물 1 내지 10 중량%를 포함하며, 상기 신재 아스팔트 혼합물은 배수성 소음 개질제 1 내지 80 중량% 및 잔량의 신재 아스팔트를 포함하며, 상기 배수성 소음 개질제는 폐타이어 입자 및 황 함유 실란 커플링제를 포함하고, 상기 폐타이어 입자 100 중량부에 대하여 카복실산 개질 폴리올레핀 수지 1 내지 10 중량부 및 폴리올레핀계 엘라스토머 1 내지 20 중량부를 포함한다.
본 발명의 일 예에 있어서, 상기 폐타이어 입자는 상기 황 함유 실란 커플링제로 표면처리된 것일 수 있다.
본 발명의 일 예에 있어서, 상기 폐타이어 입자는 상기 황 함유 실란 커플링제 및 가황제를 포함하는 혼합 용액을 폐타이어 입자에 가황 및 표면처리 반응시켜 제조된 것일 수 있다.
본 발명의 일 예에 있어서, 상기 폐타이어 입자의 가황 및 표면처리 반응 시, 폐타이어 입자에 초음파가 인가되며, 상기 폐타이어 입자는 팽창된 미세기공이 형성된 폐타이어 입자일 수 있다.
본 발명의 일 예에 있어서, 상기 팽창된 미세기공의 크기는 1 내지 300 ㎛일 수 있다.
본 발명의 일 예에 있어서, 상기 팽창된 미세기공이 형성된 폐타이어 입자는 5 내지 100 kHz의 초음파 세기로 초음파 처리되어 제조되는 것일 수 있다.
본 발명의 일 예에 있어서, 상기 폐타이어 입자는 평균입경이 0.1 내지 10 mm인 것일 수 있다.
본 발명의 일 예에 있어서, 상기 신골재는 평균입경이 0.01 내지 25 mm일 수 있다.
본 발명의 일 예에 있어서, 상기 신재 아스팔트 혼합물은 분산제 1 내지 5 중량% 및 박리저감제 1 내지 5 중량% 중에서 선택되는 어느 하나 이상을 더 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 배수성 신재 아스팔트 콘크리트 포장체는 상기 저소음형 PCM 개질 배수성 신재 아스팔트 콘크리트 조성물로 제조된 것일 수 있다.
본 발명의 일 예에 따른 배수성 신재 아스팔트 콘크리트 포장체는 공극률이 10 내지 30 %인 것일 수 있다.
본 발명에 따른 저소음형 PCM 개질 배수성 신재 아스팔트 콘크리트 조성물은 도로 표면에 대한 타이어의 마찰 소음을 최소화할 수 있고, 배수성이 우수한 효과가 있다.
또한 본 발명에 따른 저소음형 PCM 개질 배수성 신재 아스팔트 콘크리트 조성물은 배수성이 우수함에도 내후성 및 내구성이 우수하며, 수명이 긴 효과가 있다.
도 1은 본 발명에 따른 초음파/압출 장치를 모식화하여 나타낸 개념도이다.
이하 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명에 따른 저소음형 PCM 개질 배수성 신재 아스팔트 콘크리트 조성물을 상세히 설명한다.
본 명세서에 기재되어 있는 도면은 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 예로서 제공되는 것이다. 따라서 본 발명은 제시되는 도면들에 한정되지 않고 다른 형상로 구체화될 수도 있으며, 상기 도면들은 본 발명의 사상을 명확히 하기 위해 과장되어 도시될 수 있다.
본 명세서에서 사용되는 기술 용어 및 과학 용어에 있어서 다른 정의가 없다면, 이 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 통상적으로 이해하고 있는 의미를 가지며, 하기의 설명 및 첨부 도면에서 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 설명은 생략한다.
본 명세서에서 사용되는 용어의 단수 형태는 특별한 지시가 없는 한 복수 형태도 포함하는 것으로 해석될 수 있다.
본 명세서에서 특별한 언급 없이 사용된 %의 단위는 별다른 정의가 없는 한 중량%를 의미한다.
본 발명에서 언급되는 ‘아스팔트’는 ‘신재 아스팔트’와 ‘구재 아스팔트’로 구분된다. 상기 구재 아스팔트는 신재 아스팔트가 도로 포장 등에 타설되어 사용된 후에 폐아스콘 내에 함유된 아스팔트, 즉, 재사용(재활용) 아스팔트를 의미하며, 신재 아스팔트는 일반적인 석유 화학 공정에서 수득되는 새 제품의 아스팔트를 의미한다.
본 발명에서 언급되는 ‘신골재’는 본 기술분야에서 사용되는 통상적인 것으로, 순환골재와 반대되는 의미를 가지며, 예를 들어 석산에서 생산되거나 강에서 채취된 굵은 골 또는 잔골재로서, KS F 2357의 품질 기준을 만족하는 것일 수 있다.
본 발명은 저소음형 PCM 개질 배수성 신재 아스팔트 콘크리트 조성물을 제공하는 것으로서, 요구 내구성 및 구조 안정성을 만족하면서 배수성이 우수할 뿐만 아니라, 특히 아스팔트 도로 표면에 대한 타이어의 마찰 소음을 최소화할 수 있는 효과가 있다.
상기 효과를 구현하는 수단으로서, 본 발명에 따른 저소음형 PCM 개질 배수성 신재 아스팔트 콘크리트 조성물은, 신골재 85 내지 95 중량%, 채움제 1 내지 8 중량% 및 신재 아스팔트 혼합물 1 내지 10 중량%를 포함하며, 상기 신재 아스팔트 혼합물은 배수성 소음 개질제 1 내지 80 중량% 및 잔량의 신재 아스팔트를 포함하며, 상기 배수성 소음 개질제는 폐타이어 입자 및 황 함유 실란 커플링제를 포함하고, 상기 폐타이어 입자 100 중량부에 대하여 카복실산 개질 폴리올레핀 수지 1 내지 10 중량부 및 폴리올레핀계 엘라스토머 1 내지 20 중량부를 포함한다.
본 발명에서는 폐타이어 입자가 사용됨으로써 아스팔트 표면에 대한 타이어의 마찰 소음을 저감할 수 있으며, 특히 카복실산 개질 폴리올레핀 수지 및 폴리올레핀계 엘라스토머와 함께 폐타이어 입자와 황 함유 실란 커플링제가 사용됨으로써, 요구 내구성 및 구조 안정성을 만족하면서, 아스팔트 표면에 대한 타이어의 마찰 소음은 물론 아스팔트 표면에 대한 타이어의 진동에 의한 소음을 최소화할 수 있는 효과가 있다. 또한 열악한 환경(중량 가압, 직사광선, 큰 온도 편차, 습기 등)에 장기간 노출되더라도 초기 우수한 소음 감소 효과를 유지할 수 있다. 폴리올레핀 수지 및 폴리올레핀계 엘라스토머가 사용되지 않을 경우, 아스팔트 내 폐타이어 입자와 다른 성분들간 계면 접착력이 저하되어 소음 저감 효과가 감소하며, 폐타이어 입자에 의하여 요구 내구성 및 구조 안정성을 만족하지 못할 수 있다. 특히 폐타이어 입자와 함께 폴리올레핀 수지 및 폴리올레핀계 엘라스토머가 사용되더라도 황 함유 실란 커플링제가 함께 사용되지 않을 경우, 아스팔트 표면과 타이어의 마찰에 의한 소음은 물론 타이어로부터 전달되는 진동에 의한 소음이 현저히 커지게 되며, 장기간 사용된 아스팔트에서 더욱 소음이 커질 수 있다.
상기 황 함유 실란 커플링제는 상기 조성물 내에 다양한 수단으로 첨가되어 사용될 수 있으나, 바람직하게는 폐타이어 입자의 표면 상에 황 함유 실란 커플링제가 표면처리된 후, 실란 커플링제가 입자의 표면 상에 결합된 폐타이어 입자가 조성물 내에 함유되어 사용되는 것이 좋다. 즉, 황 함유 실란 커플링제로 표면처리된 폐타이어 입자가 조성물 내에 혼입되어 사용될 경우, 폐타이어 입자 표면 상과 결합된 황 함유 실란 커플링제가 조성물 내 신골재, 채움재 등의 규소계 입자의 표면과 결합을 형성하여 입자들간 계면 접착력이 현저히 향상된다. 특히 아스팔트 표면과 타이어의 마찰에 의한 소음은 물론 아스팔트와 타이어간 진동에 의한 소음을 최소화할 수 있는 효과가 있다. 또한 열악한 환경(중량 가압, 직사광선, 큰 온도 편차, 습기 등)에 장기간 노출되더라도 초기 우수한 소음 감소 효과를 장기간 유지할 수 있다.
상기 황 함유 실란 커플링제가 입자의 표면 상에 결합된 폐타이어 입자는 폐타이어 입자에 실란 커플링제를 특정 함량으로 포함하고, 이의 함량은 전술한 효과를 구현할 수 있을 정도로 입자 표면 상에 결합 및 코팅 될 수 있을 정도라면 크게 제한되는 것은 아니며, 예를 들어 폐타이어 입자 100 중량부에 대하여 실란 커플링제를 0.0001 내지 1 중량부, 구체적으로 0.001 내지 1 중량부, 보다 구체적으로 0.01 내지 0.5 중량부로 포함할 수 있다.
상기 폐타이어 입자의 표면 상에 상기 황 함유 실란 커플링제를 표면처리하는 수단으로, S-S 결합/분해 반응이 수행될 수 있는 반응 온도에서 황 함유 실란 커플링제 용액에 폐타이어 입자를 일정 시간 침지하여 표면 반응시킨 후, 표면처리된 폐타이어 입자를 수득하는 방법을 예로 들 수 있다. 구체적인 일 예로, 상기 반응 온도는 반응이 수행될 수 있는 온도라면 무방하며, 예를 들어 80 내지 180℃를 들 수 있다. 나아가, 고무의 가황 반응을 위한 가황제를 추가적으로 상기 황 함유 실란 커플링제 용액에 첨가하여 사용할 경우, 추가적인 S-S 결합 반응을 유도할 수 있으며, 이와 같은 재가황 과정을 더 거침으로써 폐타이어 입자의 표면 상에 S-S 결합에 의한 황 함유 실란 커플링제의 표면 결합 반응을 현저히 촉진시킬 수 있다.
상기 가황제의 구체적인 일 예로, 황(elemental sulfur), 4,4'-다이티오다이모포린(4,4' - dithiodimorpholinr), 알킬페논 다이설파이드(Alkylphenon disulfide), N,N'-다이티오-비스-(헥사하이드로-2수소-아제피논-2(N,N'-dithio-bis-(hexahydro-2H-azepinone-2), 테트라메틸-티우람 다이설파이드(Tetramethyl-thiuram disulfide, TMTD), 테트라에틸-티우람 다이설파이드(Tetraethyl-thiuram disulfide, TETD) 및 테트라부틸-티우람 다이설파이드(Tetrabutyl-thiuram disulfide, TBTD) 등에서 선택되는 어느 하나 또는 둘 이상을 포함할 수 있다.
상기 가황 반응을 더 잘 유도하기 위해 활성화제가 상기 용액에 더 첨가되어 사용될 수도 있다. 가황제 또는 가황제와 활성화제가 추가적으로 사용될 경우, 이들의 사용 함량은 크게 제한되지 않으며, 예를 들어 황 함유 실란 커플링제 100 중량부에 대하여 가황제 0.001 내지 10 중량부 및 활성화제 0.01 내지 5 중량부가 사용될 수 있다. 하지만 이는 바람직한 일 예로서 설명된 것일 뿐, 본 발명이 이에 제한되어 해석되는 것은 아니다.
상기 활성화제의 구체적인 일 예로, 2-멀캅토벤조티아졸(2-Mercaptobenzothiazole), 2,2,-다이티오비스벤조티아졸(2,2-Dithiobisbenzothiazole), N-사이클로헥실벤토티아졸-2-술펜아미드(N-Cyclohexylbenzothiazole-2-sulfenamide), N-t-뷰틸로벤조티아졸-2-술펜아미드(N-t-butylobenzothiazole-2-sulfenamide), 2-모르폴리노티오벤조티아졸(2-Morpholinothiobenzothiazole), N-디시클로헥실벤조티아졸-2-술펜아미드(N-Dicyclohexylbenzothiazole-2-sulfenamide), 테트라메틸티우람 모노설파이드(Tetramethylthiuram monosulfide), 테트라메틸티우람 다이설파이드(Tetramethylthiuram disulfide), 다이페닐구아니딘(Diphenylguanidine) 및 다이-오르소-톨릴구아니딘(Di-o-tolylguanidine) 등에서 선택되는 어느 하나 또는 둘 이상을 포함하는 가황촉진조제; 및 산화아연(Zinc oxide), 활성 산화아연(activated Zinc oxide), 산화 마그네슘(Magnesium Oxide), 리사아지(일산화연;litharge), 산화납 (Lead(II,IV) oxide), 탄산아연(Zinc(II) Carbonate), 수산화칼슘(Calcium Hydroxide), 스테아린산(Stearin acid), 올레산(Oleic acid) 및 라우르산(Lauric Acid) 등에서 선택되는 어느 하나 또는 둘 이상을 포함하는 가황촉진제 중에서 선택되는 어느 하나 이상을 포함할 수 있다. 하지만 이는 구체적인 일 예로서 설명된 것일 뿐, 본 발명이 이에 제한되어 해석되는 것은 아니다.
상기 황 함유 실란 커플링제는 황기를 가지는 (C1-C12)알콕시실란계 화합물, 바람직하게는 황기를 가지는 (C1-C3)알콕시실란계 화합물일 수 있으며, 구체적인 일 예로, Bis[3-(triethoxysilylpropyl)tetrasulfide](TESPT) 및 Mercaptopropyl trimethoxysilane(MPTMS) 등에서 선택되는 어느 하나 이상을 포함할 수 있다. 하지만 이는 바람직한 일 예로서 설명된 것일 뿐, 본 발명이 이에 제한되어 해석되는 것은 아니다.
더욱 바람직한 일 예로, 상기 폐타이어 입자는 상기 황 함유 실란 커플링제로 표면처리되면서 동시에 초음파 처리 과정을 더 거쳐 표면처리된 것이 더 바람직할 수 있다. 폐타이어 입자에 초음파 에너지(Ultrasonic every)를 가할 경우, 폐타이어 입자의 표면의 S-S 결합이 cyclic 형태의 S-S 결합으로 형성됨으로써 S-S 가교 결합 및 실란커플링제의 표면 결합의 향상을 가져올 수 있고, 특히 초음파 진동으로 인해 폐타이어 입자 내부에 팽창된 미세기공이 형성됨으로써 아스팔트로부터 발생되는 소음을 더욱 감소시킬 수 있는 효과가 있다. 이때 상기 팽창된 미세기공의 크기는 예를 들어 1 내지 300 ㎛일 수 있다. 또한 상기 미세기공에 의한 아스팔트 콘크리트 내 공극률이 증대됨에도 폴리올레핀 수지 및 폴리올레핀계 엘라스토머가 함께 사용되었음에 따라 높은 내구성 및 구조 안정성이 실질적으로 유지되는 효과가 있다. 초음파 처리 수단의 구체적인 예로, 상기 황 함유 실란 커플링제의 표면처리 과정에서, 폐타이어 입자를 포함하는 황 함유 실란커플링제 용액에 초음파 에너지를 가하면서 표면 반응시키는 것일 수 있다. 이때 초음파 세기 및 처리 시간은 전술한 효과가 구현될 있을 정도라면 무방하며, 예컨대 5 내지 100 kHz, 구체적으로 10 내지 40 kHz의 세기로 1 내지 60 분, 구체적으로 3 내지 30 분 동안 수행될 수 있다.
상기 폐타이어 입자에 초음파 에너지를 가할 시, 구체적으로, 황 함유 실란커플링제 용액이 표면에 잔류하는 폐타이어 입자, 즉, 황 함유 실란 커플링제 용액 및 폐타이어 입자를 포함하는 혼합물에 초음파 에너지를 가할 시, 보다 바람직하게는, 고압; 또는 고압과 고온;에서 수행되는 것이 미세 기공의 형성 및 표면 구조 활성화 측면에서 더욱 좋다. 고압; 또는 고압과 고온;에서 상기 황 함유 실란 커플링제로 표면처리되면서 동시에 초음파 처리 과정을 거쳐 표면처리될 경우, 전술한 미세 기공의 형성이 더 잘 수행되며, 비표면적 또한 향상될 수 있다. 이때 압력은 통상적인 압출기의 사용 압력 범위이면서 미세기공의 형성이 효과적으로 수행될 수 있을 정도라면 무방하며, 예를 들어 500 내지 2,000 kgf/cm2, 구체적으로 700 내지 1,500 kgf/cm2, 보다 구체적으로 900 내지 1,300 kgf/cm2일 수 있다.
바람직한 일 예로, 다이가 구비된 압출 장치 상에서 상기 혼합물에 초음파가 인가되되, 상기 다이 상에 초음파가 인가되어 상기 다이 상에서 압출되는 폐타이어 입자에 초음파 처리 및 표면 처리가 수행될 수 있다. 즉, 폐타이어 입자 및 황 함유 실란 커플링제를 포함하는 혼합물을 압출 장치에 투입하고, 압출기 다이에 초음파가 인가되는 환경에서 압출하여 커플링제에 의한 표면 처리 및 초음파 처리에 의한 기공 활성화가 동시에 수행될 수 있다. 이때 도 1과 같이, 상기 압출 장치의 다이와 소정거리 이격한 초음파 인가부가 위치하여 다이로부터 배출되는 폐타이어 입자에 초음파가 인가되도록 한다.
보다 바람직한 일 예로, 상기 압출 장치로 도 1과 같은 초음파/압출 장치가 사용될 수 있다. 상기 초음파/압출 장치는, 황 함유실란 커플링제 용액 및 폐타이어 입자를 포함하는 혼합물이 유입되는 호퍼(Hopper)(10); 상기 호퍼(10)로부터 상기 혼합물이 유입되고, 스크류 압출기(Screw extruder)(21)에 의해 물리적 압력이 가해져 상기 혼합물이 압출되는 압출부(20); 상기 압출부(20)로부터 압출되는 상기 혼합물이 배출되는 다이(30)(Die); 및 상기 다이(30)와 인접하며, 상기 다이(30)로부터 배출되는 상기 혼합물에 초음파를 인가하는 초음파 인가부(40);를 포함할 수 있다. 상기 스크류 압출기(21)는 압출부(20)의 일단에 위치한 모터(22)를 통해 구동될 수 있다. 이러한 과정을 통해 표면처리 및 기공이 활성화된 폐타이어 입자가 상기 다이(30)로부터 수득될 수 있다. 이와 같은 압출 장치를 이용하면, 물리적 압력 및 초음파에 의해, 폐타이어 입자의 내부기공이 활성화되고, 활성화된 미세기공의 내면까지 표면 처리가 수행될 수 있어, 최종 시공된 포장체의 내구성 및 내후성, 구조 안정성 등이 향상되고, 더욱 소음을 감소시킬 수 있다.
구체적인 일 예로, 상기 초음파 인가부(40)는, 공급되는 전류를 고주파 전류로 변환하는 전원 공급부(Ultrasonic power supply)(41); 상기 전원 공급부(41)로부터 공급되는 고주파 전류를 초음파로 변환하는 컨버터(Converter)(42); 상기 컨버터(42)로부터 초음파의 진폭을 제1 조절하는 부스터(Booster)(43); 및 상기 부스터(43)로부터 제1 조절된 초음파의 진폭을 제2 조절하되, 상기 다이(30)로부터 배출되는 상기 혼합물에 초음파를 인가하도록 상기 다이(30)와 이격 위치하는 혼(Horn)(44);을 포함할 수 있다.
상기 초음파 인가부(40)의 혼(44)는 상기 압출부(20)의 다이(30) 상에서 배출되는 담체에 인접하여 초음파를 인가하는 역할을 하며, 상기 초음파 인가부(40)의 혼(44)와 상기 다이(30)간 이격거리는 0.5 내지 5 mm, 구체적으로 1 내지 3 mm인 것이 바람직하다. 이를 만족할 경우, 압출부(20)의 다이(30) 상에 위치하는 담체에 초음파를 효과적으로 인가할 수 있다.
상기 압출부(20)의 압출 온도는 표면 처리 반응이 수행될 수 있을 정도의 범위인 것이 좋으며, 예를 들어 80 내지 180℃일 수 있다. 압출 속도는 압출물에 초음파 처리가 제대로 수행될 수 있을 정도라면 무방하며, 예컨대 5 내지 100 rpm, 구체적으로 10 내지 50 rpm인 것이 초음파를 효과적으로 인가할 수 있는 측면에서 바람직할 수 있다.
보다 바람직하게는, 폐타이어 입자 및 황 함유 실란 커플링제를 포함하는 혼합물로부터 고온에서 1차적으로 표면처리 한 후, 이를 고온 및 고압에서 2차적으로 표면 처리 및 초음파 처리하는 것이 더 바람직할 수 있다. 이를 만족할 경우, 폐타이어 입자의 표면에 실란 커플링제에 의한 표면 처리가 더 효과적으로 수행되면서 동시에 초음파 처리에 의한 미세기공 형성도 효과적으로 수행될 수 있다.
상기 카복실산 개질 폴리올레핀 수지는, 탄소수 2 내지 12의 올레핀 단량체가 중합되어 제조되는 카복실산을 가지는 폴리올레핀으로서 폴리올레핀 전체 중량 중 카복실산 기를 0.03 내지 30 중량%, 구체적으로 0.1 내지 15 중량%로 함유하는 변성 올레핀 중합체일 수 있다. 상기 카복실산으로 다양한 유기산이 사용되어 산 개질 폴리올레핀 수지가 제조될 수 있으며, 예컨대 말레산, 푸마르산 등의 디카복실산, 아크릴산, 메타크릴산, 크로톤산 등의 모노카복실산 등이 사용될 수 있다. 하지만 이는 구체적인 일 예로서 설명된 것일 뿐, 본 발명이 이에 제한되어 해석되는 것은 아니다.
상기 폴리올레핀계 엘라스토머(Polyolefin elastomer, POE)는 본 기술분야에서 사용되는 통상적인 것일 수 있으며, 예를 들어 탄소수 2 내지 12의 올레핀 단량체가 중합된 폴리올레핀이 가교결합된 탄성 중합체를 의미할 수 있다.
상기 폴리올레핀은 에틸렌, 프로필렌, 부텐-1, 펜텐-1, 헥센-1, 4-메틸펜텐-1, 헵텐-1, 옥텐-1, 노넨-1, 데센-1, 운데센-1, 도데센-1 등의 단량체 화합물이 중합된 것이거나 이들이 중합된 공중합체일 수 있다. 상기 폴리올레핀의 구체적 물성은 크게 제한되는 것은 아니며, 일 예로 밀도가 0.8 내지 0.95 g/cm2일 수 있고, 중량평균분자량이 10,000 내지 500,000일 수 있다. 하지만 이는 구체적인 일 예로서 설명된 것일 뿐, 본 발명이 이에 제한되어 해석되는 것은 아니다.
상기 폐타이어 입자는 비행기, 자동차, 자전거 등으로부터 수거된 타이어로부터 분쇄 과정을 거쳐 수득된 고무 재질의 입자일 수 있으며, 예컨대 평균입경이 0.1 내지 10 mm인 것이 진동 흡수에 의한 소음 저감이 더 향상될 수 있는 측면에서 바람직할 수 있다.
상기 신골재는 본 기술분야에서 사용되는 통상적인 것으로, 예를 들어 석산에서 생산되거나 강에서 채취된 굵은 골 또는 잔골재로서, KS F 2357의 품질 기준을 만족하는 것일 수 있다. 신골재의 평균입경은 배수성 특성을 가질 수 있는 적절한 공극률을 만족할 수 있을 정도로 조절될 수 있으며, 예를 들어 0.01 내지 25 mm인 것일 수 있으며, 보다 구체적으로, 0.01 내지 5 mm, 2.5 내지 13 mm, 5 내지 20 mm 및 5 내지 25 mm 중에서 선택되는 어느 하나 또는 둘 이상의 평균입경을 가지는 신골재가 사용될 수 있다. 이를 만족할 경우, 후술하는 공극률 범위를 가지는 아스팔트 포장층을 형성할 수 있어 바람직할 수 있다.
상기 채움재의 종류로는 다양한 것들이 있으며, 예를 들어 석회, 석분, 포틀랜드 시멘트, 소석회, 플라이애쉬, 회수더스트, 전기로 제강더스트, 주물더스트, 각종 소각회 및 기타 광물 등에서 선택되는 어느 하나 또는 둘 이상을 포함하는 입자일 수 있다. 이러한 채움재는 입도 및 품질 기준이 KS F3501에 적합하도록 제조된 것일 수 있다. 하지만 이는 구체적인 일 예로서 설명된 것일 뿐, 본 발명이 이에 제한되어 해석되는 것은 아니다.
본 발명에 따른 배수성 신재 아스팔트 콘크리트 조성물은 다양한 기능성을 구현하는 첨가제를 더 포함할 수 있으며, 예를 들어 분산제 및 박리저감제 등에서 선택되는 어느 하나 또는 둘 이상의 첨가제를 포함할 수 있다. 이러한 첨가제가 사용될 경우, 그 함량비는 적절히 조절될 수 있으며, 예를 들어, 상기 조성물 내에 포함되는 신재 아스팔트 혼합물은 신재 아스팔트 및 배수성 소음 개질제와 함께 분산제 1 내지 5 중량% 및 박리저감제 1 내지 5 중량% 중에서 선택되는 어느 하나 이상을 더 포함할 수 있다.
상기 분산제는 공지된 다양한 종류의 것들이 사용될 수 있으며, 예컨대 폴릴에틸렌 왁스(Polyethylene wax), 폴리프로필렌 왁스(Polypropylene wax) 및 아미드 왁스(Amide wax) 등에서 선택되는 어느 하나 또는 둘 이상을 포함할 수 있다. 하지만 이는 구체적인 일 예로서 설명된 것일 뿐, 본 발명이 이에 제한되어 해석되는 것은 아니다.
상기 박리저감제는 골재 표면과 다른 성분들간 부착성을 향상시킬 수 있는 공지된 다양한 종류의 것들이 사용될 수 있으며, 예컨대 4급 암모늄 및 p-톨루엔 설폰산(p-toluene sulfonic acid, p-TSA) 등에서 선택되는 어느 하나 이상을 포함할 수 있다. 하지만 이는 구체적인 일 예로서 설명된 것일 뿐, 본 발명이 이에 제한되어 해석되는 것은 아니다.
전술한 저소음형 PCM 개질 배수성 신재 아스팔트 콘크리트 조성물을 노면에 타설하여 아스팔트 콘크리트를 시공할 수 있음에 따라 본 발명은 배수성 아스팔트 콘크리트 포장체를 제공할 수 있다. 이때 시공 방법 및 조건은 크게 제한되지 않으며, 아스팔트 콘크리트 포장 시공 지침(국토교통부)을 참고하면 된다.
본 발명에 따른 배수성 아스팔트 콘크리트 포장체는 우수한 배수성을 가지며, 이때 공극률 및 투수계수는 적절한 배수성을 가질 정도라면 적절히 제어될 수 있으며, 예를 들어 공극률이 10 내지 30%일 수 있고, 투수계수(H2O, 20℃)가 0.05 내지 0.2 cm/sec일 수 있다.
이하 본 발명을 실시예를 통해 상세히 설명하나, 이들은 본 발명을 보다 상세하게 설명하기 위한 것으로, 본 발명의 권리범위가 하기의 실시예에 의해 한정되는 것은 아니다.
<신재 아스팔트 혼합물의 제조>
하기 표 1의 배합 비율에 따라 혼합기를 사용하여 각 재료를 연화점 이상의 온도에서 혼합하여 신재 아스팔트 혼합물을 제조하였다.
신재 아스팔트 혼합물(wt%)
배수성 소음 개질제 신재 아스팔트 분산제 박리저감제
폐타이어 입자 PO POE
실시예 1 15 1 2 78 2 2
실시예 2 15 1 2 78 2 2
비교예 1 15 1 2 78 2 2
비교예 2 15 - 2 78 2 2
비교예 3 15 1 - 78 2 2
비교예 4 15 - - 78 2 2
- PO : 카복실산 개질 폴리올레핀 수지(NUCRELTM 3990 Acid Copolymer, DOW)
- POE : 폴리올레핀계 엘라스토머(ENGAGETTM 8200 Polyolefin Elastomer, DOW)
- 신재 아스팔트 : PG76-22 아스팔트(점도 : 0.31 Pa·s at 135℃, 인화점 : 330℃, 밀도 : 1,034 kg/m3 at 15 ℃)
- 분산제 : HSChem사의 MONORAL 60X
- 박리저감제 : p-toluene sulfonic acid
이때 상기 폐타이어 입자(WT)는 Bis[3-(triethoxysilylpropyl)tetrasulfide]로 표면처리된 평균입경 1 mm 폐타이어 입자로서, Bis[3-(triethoxysilylpropyl)tetrasulfide], 황 및 활성화제인 아연 산화물(Zinc oxide)을 99:0.5:0.3 중량비로 포함하는 용액에 평균입경 1 mm 폐타이어 입자를 140℃에서 충분히 가황 및 표면반응시킨 후, 미반응 물질을 제거하여 수득된 것이 사용되었다.
<저소음형 PCM 개질 배수성 신재 아스팔트 콘크리트 조성물의 제조>
혼합기를 사용하여 혼합 신골재(평균입경이 5 mm인 제1신골재, 평균입경이 13 mm인 제2신골재, 평균입경이 20 mm인 제3신골재가 1:2:2 중량비로 혼합된 혼합 신골재) 94 중량%, 상기 신재 아스팔트 혼합물 4 중량%, 채움재(KS F 3501 규격을 만족하는 석회석 분말) 2 중량%를 연화점 이상의 온도에서 혼합하여 저소음형 PCM 개질 배수성 신재 아스팔트 콘크리트 조성물을 제조하였다.
또한 상기 아스팔트 콘크리트 조성물의 물성을 측정한 결과, 공용성 등급(Performance grade)이 PG82-22에 준하는 물성(점도 : 0.8 Pa·s at 135℃, 인화점 : 333℃, 밀도 : 1,042 kg/m3 at 15 ℃, 질량손실 -0.07 %)을 가짐을 확인하였다.
<아스팔트 콘크리트 포장체의 시공>
상기 저소음형 PCM 개질 배수성 신재 아스팔트 콘크리트 조성물을 콘크리트 노면에 아스팔트 콘크리트 포장 시공 지침(국토교통부)대로 타설하여 아스팔트 콘크리트를 시공하여 공극률이 약 20%이고 20℃에서 물에 대한 투수계수가 약 0.12 cm/sec인 아스팔트 콘크리트 포장체를 제조하였다.
제조된 아스팔트 콘크리트 포장체의 동적안정도 및 간접인장강도를 측정한 결과, 배수성 아스팔트 콘크리트 포장 생산 및 시공 지침(국토교통부)의 품질 기준(간접인장강도, 동적안정도 등)을 모두 만족하였다.
실시예 1의 폐타이어 입자 대신 하기 방법으로 제조된 팽창된 미세기공을 가지는 폐타이어 입자를 사용한 것을 제외하고, 실시예 1과 동일한 방법으로 아스팔트 콘크리트 조성물을 제조하였다.
상기 팽창된 미세기공을 가지는 폐타이어 입자는 Bis[3-(triethoxysilylpropyl)tetrasulfide]로 표면처리 및 초음파처리된 평균입경 1 mm인 폐타이어 입자이다. 구체적으로, Bis[3-(triethoxysilylpropyl)tetrasulfide], 황 및 활성화제(Zinc oxide)를 99:0.5:0.3 중량비로 포함하는 용액에 평균입경 1 mm 폐타이어 입자를 140 ℃에서 충분히 가황 및 표면반응시켰다. 이어서 가황 및 표면반응 처리된 폐타이어 입자가 분산된 용액으로부터 액상을 대부분 제거하여, 입자 표면에 액상이 잔류하는 상태의 가황 및 표면반응 처리된 폐타이어 입자를 도 1과 같은 초음파/압출장치에 투입하였다. 구체적으로, 초음파/압출 장치의 호퍼에 상기 폐타이어 입자를 투입하고, 상기 폐타이어 입자가 압출부로 유입되어 스크류 압출기를 통해 140 ℃에서 상기 액상이 일부 존재하는 상태에서 압출 속도 30 rpm으로 압출하였다. 여기서, 압출부의 끝단부에 위치한 다이로 압출물이 배출될 시, 도 1솨 같이 초음파 인가부의 혼이 상기 다이와 2 mm 이격 위치하여 상기 다이 상에 위치하는 압출물에 초음파가 20 kHz 초음파 세기로 인가되어 압출되는 폐타이어 입자의 미세기공을 활성화한다. 따라서 폐타이어 입자의 기공률이 증가하고 미세기공이 확장되며 더욱 미세한 기공이 형성되면서 커플링제에 의한 표면처리가 수행된다. 이와 같은 수단을 통해 가황 및 표면반응 처리된 폐타이어 입자에 2차적으로 가황 및 표면반응과 함께 표면 처리 및 초음파 처리되도록 하였다. 이후, 다이로부터 배출되는 수득물로부터 미반응 물질을 제거하여 팽창된 미세기공을 가지는 폐타이어 입자를 수득하였다.
[비교예 1]
실시예 1에서 황 함유 실란 커플링제로 표면처리 하지 않은 무처리 폐타이어 입자를 사용한 것을 제외하고, 실시예 1과 동일한 방법으로 아스팔트 콘크리트 조성물 및 아스팔트 콘크리트 포장체를 제조하였다.
[비교예 2]
상기 표 1과 같이, 실시예 1에서 신재 아스팔트 혼합물의 배수성 소음 개질제에 카복실산 개질 폴리올레핀 수지(PO)를 사용하지 않은 것을 제외하고 실시예 1과 동일한 방법으로 아스팔트 콘크리트 조성물 및 아스팔트 콘크리트 포장체를 제조하였다.
[비교예 3]
상기 표 1과 같이, 실시예 1에서 신재 아스팔트 혼합물의 배수성 소음 개질제에 폴리올레핀계 엘라스토머(POE)를 사용하지 않은 것을 제외하고 실시예 1과 동일한 방법으로 아스팔트 콘크리트 조성물 및 아스팔트 콘크리트 포장체를 제조하였다.
[비교예 4]
상기 표 1과 같이, 실시예 1에서 신재 아스팔트 혼합물의 배수성 소음 개질제에 카복실산 개질 폴리올레핀 수지(PO) 및 폴리올레핀계 엘라스토머(POE)를 사용하지 않은 것을 제외하고 실시예 1과 동일한 방법으로 아스팔트 콘크리트 조성물 및 아스팔트 콘크리트 포장체를 제조하였다.
[실험예 1]
<아스팔트 콘크리트의 소음 측정>
실시예 1, 비교예 1 내지 비교예 4에서 시공된 아스팔트 콘크리트 포장체에 대하여, 시공면에 열화 조건(10 ton 중량의 가압-비가압 주기를 50℃에서 7일 동안 지속적으로 가함)을 가한 후, ISO Standard 11819-2의 표준에 따라 CPX(근거리 소음)을 측정하였다. CPX(근거리 소음) 측정법에서, 주행 차량에서 발생하는 소음은 저속일 경우에는 엔진 등의 기계적인 소음이 전체 소음에서 큰 비중을 차지하며 고속으로 주행할수록 타이어/포장에서 발생하는 소음의 비중이 증가하기 때문에 시공면에 따른 소음 발생정도를 평가할 때 높은 속도에서 측정한다. 측정 방법으로, 차량 타이어의 중앙을 기준으로 20 cm 떨어진 거리에서 지면과의 높이를 10 cm로 하고 앞뒤에 마이크로폰을 설치한 후, 20℃ 대기온도에서 90 km/h의 속도로 차량이 주행하고 있을 때를 측정하였다.
폐타이어 입자 PO POE 근거리 소음(dB)
커플링제 표면처리 초음파처리
실시예 1 ○ × ○ ○ 81.2
실시예 2 ○ ○ ○ ○ 73.3
비교예 1 × ○ ○ 92.6
비교예 2 ○ × × ○ 89.9
비교예 3 ○ × ○ × 85.3
비교예 4 ○ × × × 88.4
상기 표 2로부터, 무처리 폐타이어 입자가 사용된 경우는 PO 및 POE가 사용되었음에도 근거리 소음 감소 효과에 한계가 있고, PO 및 POE와 함께 사용되면서 황 함유 실란 커플링제로 처리된 폐타이어가 사용될 경우에 근거리 소음 감소 효과가 현저히 향상되는 동반상승 효과가 구현됨을 알 수 있다. 특히 초음파 처리가 더 수행되어 제조되는 팽창된 미세기공이 형성된 폐타이어 입자가 사용될 경우, 근거리 소음 감소 효과가 매우 현저히 향상되었다.

Claims (11)

  1. 신골재 85 내지 95 중량%, 채움제 1 내지 8 중량% 및 신재 아스팔트 혼합물 1 내지 10 중량%를 포함하며,
    상기 신재 아스팔트 혼합물은 배수성 소음 개질제 1 내지 80 중량% 및 잔량의 신재 아스팔트를 포함하며,
    상기 배수성 소음 개질제는 폐타이어 입자 및 황 함유 실란 커플링제를 포함하고, 상기 폐타이어 입자 100 중량부에 대하여 카복실산 개질 폴리올레핀 수지 1 내지 10 중량부 및 폴리올레핀계 엘라스토머 1 내지 20 중량부를 포함하며,
    상기 폐타이어 입자는 상기 황 함유 실란 커플링제로 표면처리된 것인 저소음형 PCM 개질 배수성 신재 아스팔트 콘크리트 조성물.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 폐타이어 입자는 상기 황 함유 실란 커플링제 및 가황제를 포함하는 혼합 용액을 폐타이어 입자에 가황 및 표면처리 반응시켜 제조된 것인 저소음형 PCM 개질 배수성 신재 아스팔트 콘크리트 조성물.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 폐타이어 입자의 가황 및 표면처리 반응 시, 폐타이어 입자에 초음파가 인가되며,
    상기 폐타이어 입자는 팽창된 미세기공이 형성된 폐타이어 입자인 저소음형 PCM 개질 배수성 신재 아스팔트 콘크리트 조성물.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 팽창된 미세기공의 크기는 1 내지 300 ㎛인 저소음형 PCM 개질 배수성 신재 아스팔트 콘크리트 조성물.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 팽창된 미세기공이 형성된 폐타이어 입자는 5 내지 100 kHz의 초음파 세기로 초음파 처리되어 제조되는 저소음형 PCM 개질 배수성 신재 아스팔트 콘크리트 조성물.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 폐타이어 입자는 평균입경이 0.1 내지 10 mm인 것인 저소음형 PCM 개질 배수성 신재 아스팔트 콘크리트 조성물.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 신골재는 평균입경이 0.01 내지 25 mm인 저소음형 PCM 개질 배수성 신재 아스팔트 콘크리트 조성물.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 신재 아스팔트 혼합물은 분산제 1 내지 5 중량% 및 박리저감제 1 내지 5 중량% 중에서 선택되는 어느 하나 이상을 더 포함하는 저소음형 PCM 개질 배수성 신재 아스팔트 콘크리트 조성물.
  10. 제1항 및 제3항 내지 제9항 중 어느 한 항의 저소음형 PCM 개질 배수성 신재 아스팔트 콘크리트 조성물로 제조되는 배수성 신재 아스팔트 콘크리트 포장체.
  11. 제10항에 있어서,
    공극률이 10 내지 30 %인 배수성 신재 아스팔트 콘크리트 포장체.
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