KR102655196B1 - 베이스 아스팔트 조성물 및 이를 이용한 개질 아스팔트 바인더 조성물 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 석유계 스트레이트 아스팔트 75 내지 99 중량%; 중질감압 가스오일(Heavy Vacuum Gas Oil) 또는 윤활기유 1 내지 25 중량%;가 혼합되고, 상기 석유계 스트레이트 아스팔트는, 60℃ 절대점도(Absolute Viscosity)가 500 ~ 2,800 포이즈(Poise)이며, ASTM규격에 따른 25℃ 침입도가 40 ~ 150인 것을 특징으로 하는 베이스 아스팔트 조성물을 제시함으로써, 특정 물성의 강화를 위해 혼입하는 다양한 고분자 개질재와의 상용성, 분산성, 용해도를 증대시킬 수 있도록 한다.
Description
본 발명은 건설 기술분야에 관한 것으로서, 상세하게는 베이스 아스팔트 조성물 및 이를 이용한 개질 아스팔트 바인더 조성물, 그 제조방법에 관한 것이다.
도로포장용으로 사용되는 일반(Conventional) 아스팔트 바인더는, 원유의 정제 과정에서 최종적으로 잔류하는 부산물인 감압잔사유(Vacuum Residue)를 KS M 2201(스트레이트 아스팔트의 침입도 등급) 기준에 맞추어 스트레이트 아스팔트 방식으로 생산되고 있다.
아스팔트 바인더의 화학적 구성요소는 포화탄화수소 성분(Saturates), 방향족 성분(Aromatics), 수지 성분(Resins), 아스팔텐 성분(Asphaltenes)으로 구분할 수 있으며, 스트레이트 아스팔트의 경우 원유의 종류에 따라 이들 화학적 구성 비율이 다양하고, 이에 따라 물성과 성능의 차이가 크다.
아스팔트 내에 콜로이드(Colloid) 상태로 분산되어 있는 아스팔텐 성분은 아스팔트에 첨가된 고분자 물질의 용해와 분산을 저하 시키고, 분자간의 가교결합(Cross-linking)을 방해하여 상분리(Phase Separation)를 야기하는 등 고분자 개질 아스팔트 바인더의 품질을 저하 시키는 주요 원인이 되고 있다.
반면에 방향족 성분은 고(高)기능성 고분자 개질재의 아스팔트 내 용해와 분산을 촉진시키므로, 고분자 개질 아스팔트 바인더의 품질을 높여 주는 역할을 함과 아울러, 고(高)농축 또는 고(高)등급의 개질 아스팔트 바인더 제조에 필요한 성분이 되고 있다.
경제가 발전함에 따라 고점도 저소음 배수성 포장, 고강도 SMA(Stone Mastic Asphlat) 포장, 불투수성 구스 매스틱(Guss Mastic) 포장, 장수명(Perpetual) 고내구성 포장, 교면용 고탄성 포장 등 아스팔트 도로포장의 종류와 기능이 더욱 세분화되고 있다.
이에 따라, KS F 2389(동적전단 유변물성 측정기를 이용한 아스팔트의 유변 특성 시험 방법) 기준에 의한 높은 공용성 등급(Performance Grade) 규격과 ASTM D 7405(Multiple Stress Creep and Recovery, MSCR) 기준에 의한 높은 소성변형률 및 탄성회복률 규격을 만족하는 고기능성 고분자 개질 아스팔트 바인더 제조가 요구되고 있다.
이들이 요구하는 높은 규격을 만족 시키기 위해서는 다양한 성능을 발휘할 수 있는 고분자 개질재를 사용해야 하고, 때로는 고농축의 고분자 개질 아스팔트 바인더를 제조해야 한다.
아스팔트 바인더에 특수 물성을 부여하기 위한 여러 고분자 개질재들은 베이스 아스팔트와의 상용성이 떨어짐에 따라 제조시간이 길어지고, 품질 안정성이 좋지 못하여, 실제 도로포장에 사용 시 성능 저하와 다짐 불량 등 여러 가지 문제점이 나타나고 있다.
대한민국 등록특허 10-0770785호(2007. 10. 22)는 사전배합 방식으로 왁스(Wax)를 아스팔트에 첨가하여 고온성능과 시공성을 높인 도로포장용 개질 아스팔트 바인더 및 그 제조방법을 제시하고 있으나, 왁스에 의한 고온성능 개선효과가 크지 않아서 중(重)차량 도로나 교통량이 많은 도로포장에 사용하기에는 성능이 부족하고, 왁스의 전형적인 특성인 저온에서의 경화(硬化) 현상으로 도로의 피로 및 저온균열을 야기하는 문제점이 있다.
대한민국 등록특허 10-1756808호(2017. 07. 05)는 PMMA, SAN, ABS, SBS, SBR, SBR 라텍스(Latex), SIS, SEBS, EPDM, 천연고무 등의 고분자를 플랜트 믹스(Plant-mix) 방식으로 아스팔트와 골재에 혼합하여 내구성을 높이는 고분자 개질 아스팔트 콘크리트 조성물 및 그 제조방법을 제시하고 있으나, 제시된 고분자들은 물성에 따라 종류가 수십 종이 넘으며 그 특성도 천차만별이어서 포괄적으로 적용하는 경우 오히려 품질 불안정성을 높이고 내구성을 약화 시키는 문제가 있으며, 제시된 고분자 대부분은 그 특성상 플랜트 믹스 방식으로 혼합할 경우에 사용하는 베이스 아스팔트와의 상용성이 현격히 떨어지고 불균일성을 야기할 수 있어서 도로포장의 내구성을 약화 시킬 뿐만 아니라, 중(重)차량 통행 시에 발생하는 비산먼지 내에 함유될 경우 심각한 환경오염을 야기하는 문제점이 있다.
미국 등록특허 US 6,444,713 B1(2002. 09. 03)는 고분자 개질재의 용해도와 분산도를 높이기 위해서 알데히드계 용매 화합물인 푸르푸랄(Furfural) 또는 식물성 오일을 고분자에 첨가하여 연화(軟化) 시킨 후에 베이스 아스팔트와 혼합하는 방식의 개질 아스팔트 제조방법을 제시하고 있는데, 합성화합물인 푸르푸랄 또는 식물성 오일은 고분자 개질재를 연화 시켜서 용해가 용이하게 만들 수는 있으나, 석유계 베이스 아스팔트와의 상용성이 떨어져서 상분리(Phase Separation) 발생 가능성이 높아 개질 아스팔트의 품질 안정성 및 성능에 나쁜 영향을 주는 문제점이 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 도출된 것으로서, 특정 물성의 강화를 위해 혼입하는 다양한 고분자 개질재와의 상용성, 분산성, 용해도를 증대시킬 수 있도록 하는 베이스 아스팔트 조성물 및 이를 이용한 개질 아스팔트 바인더 조성물을 제시하는 것을 그 목적으로 한다.
상기 과제의 해결을 위하여, 본 발명은 석유계 스트레이트 아스팔트 75 내지 99 중량%; 중질감압 가스오일(Heavy Vacuum Gas Oil) 또는 윤활기유 1 내지 25 중량%;가 혼합되고, 상기 석유계 스트레이트 아스팔트는, 60℃ 절대점도(Absolute Viscosity)가 500 ~ 2,800 포이즈(Poise)이며, ASTM D 946 규격에 따른 25℃ 침입도가 40 ~ 150인 것을 특징으로 하는 베이스 아스팔트 조성물을 제시한다.
상기 중질감압 가스오일은, API 비중 15 ~ 35도인 원유의 상압증류공정 및 감압증류공정에 의해 생산되며, 끓는점이 375 ~ 525℃인 것이 바람직하다.
상기 윤활기유는, API 비중 15 ~ 35도인 원유의 상압증류공정 및 감압 증류공정 이후, 수소첨가 분해공정(Hydrocracking Proecss)에 의해 제조되는 것으로서, 비중이 0.8 ~ 1.02이고, 끓는점이 380 ~ 550℃이며, 포화탄화수소 함량이 1 ~ 30중량%인 파라핀(Paraffine)계, 나프텐(Naphthene)계 또는 방향족(Aromatic)계 윤활기유인 것이 바람직하다.
본 발명은 상기 베이스 아스팔트 조성물 90 내지 98 중량%; 스티렌-부타디엔(Butadiene)-스티렌 블록 공중합체(SBS), 스티렌-이소프렌(Isoprene)-스티렌 블록 공중합체(SIS), 에틸렌(Ethylene)-비닐아세테이트 공중합체 수지(EVA), 비선형 저밀도 폴리에틸렌 수지(Low-density Polyethylene, LDPE) 중 하나 또는 2 이상의 혼합에 의해 형성된 고분자 개질재 1 내지 9.9 중량%; 폴리인산(Polyphosphoric Acid), 폴리인산나트륨(Sodium Polyphosphate), 폴리인산칼슘(Potassium Polyphosphate), 황산(H2SO4), 염산(HCl), 인산(H3PO4), 과염소산(HClO4), 유리 황 중 어느 하나로 구성된 안정강화제 0.01 내지 1 중량%;가 혼합된 것을 특징으로 하는 개질 아스팔트 바인더 조성물을 제시한다.
상기 스티렌-부타디엔(Butadiene)-스티렌 블록 공중합체(SBS)는, 열가소성 탄성체(Thermoplastic elastomer)로서, 스티렌(Styrene) 함량이 25 내지 42 중량%이며, 선형(Linear) 또는 방사형(Radial) 구조를 갖는 것이 바람직하다.
상기 스티렌-이소프렌(Isoprene)-스티렌 블록 공중합체(SIS)는, 열가소성 탄성체(Thermoplastic elastomer)로서, 폴리스티렌(Polystyrene) 함량이 11 내지 46 중량%이며, 선형(Linear) 또는 방사형(Radial) 구조를 갖는 것이 바람직하다.
상기 에틸렌(Ethylene)-비닐아세테이트 공중합체 수지(EVA)는, 열가소성 수지(Thermoplastic Polymer)로서, 비닐아세테이트(Vinyl Acetate, VA) 함량이 9 내지 33 중량%이며, ASTM D 1238규격에 따른 용융지수(Melt Index)가 4 내지 20 g/10min인 것이 바람직하다.
상기 비선형 저밀도 폴리에틸렌 수지(Low-density Polyethylene, LDPE)는, 열가소성 수지(Thermoplastic Polymer)로서, 밀도가 0.91 내지 0.925 g/㎤ 이며, 분자량이 200,000 내지 500,000이고, ASTM D 1238규격에 따른 용융지수가 0.8 내지 10 g/10min인 것이 바람직하다.
본 발명은 상기 개질 아스팔트 바인더 조성물의 제조방법으로서, 상기 석유계 스트레이트 아스팔트를 145℃ 내지 185℃로 가열한 후, 상기 중질감압 가스오일 또는 상기 윤활기유를 혼합하여 상기 베이스 아스팔트 조성물을 제조하는 베이스 아스팔트 조성물 제조단계; 상기 베이스 아스팔트 조성물과 상기 고분자 개질재를 145℃ 내지 185℃에서 1시간 내지 7시간 동안 고속전단 교반(High-shear Mixing) 또는 저속전단 교반(Low-shear Mixing) 방식으로 혼합하는 고분자 개질재 분산 및 숙성 단계; 추가로 상기 안정강화제를 145℃ 내지 185℃에서 30분 내지 3시간 동안 혼합하여 상기 개질 아스팔트 바인더 조성물을 제조하는 개질 아스팔트 바인더 조성물 제조단계;를 포함하는 것이 바람직하다.
본 발명은 특정 물성의 강화를 위해 혼입하는 다양한 고분자 개질재와의 상용성, 분산성, 용해도를 증대시킬 수 있도록 하는 베이스 아스팔트 조성물 및 이를 이용한 개질 아스팔트 바인더 조성물을 제시한다.
도 1 이하는 본 발명의 실시예를 도시한 것으로서,
도 1은 중질감압 가스오일의 제조공정도.
도 2는 윤활기유의 제조공정도.
도 1은 중질감압 가스오일의 제조공정도.
도 2는 윤활기유의 제조공정도.
이하, 첨부도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 관하여 상세히 설명한다.
본 발명에 의한 베이스 아스팔트 조성물은 기본적으로, 석유계 스트레이트 아스팔트 75 내지 99 중량%; 중질감압 가스오일(Heavy Vacuum Gas Oil) 또는 윤활기유(Lubricant Base Oil) 1 내지 25 중량%;의 혼합에 의해 이루어진다.
석유계 스트레이트 아스팔트는, 60℃ 절대점도(Absolute Viscosity)가 500 ~ 2,800 포이즈(Poise)이며, ASTM D 946 규격에 따른 25℃ 침입도가 40 ~ 150인 것을 특징으로 한다.
중질감압 가스오일은, API 비중 15 ~ 35도인 원유의 상압증류공정 및 감압증류공정(도 1)에 의해 생산되며, 끓는점이 375 ~ 525℃인 것을 사용한다.
윤활기유로는, API 비중 15 ~ 35도인 원유의 상압증류공정 및 감압 증류공정 이후, 수소첨가 분해공정(Hydrocracking Proecss)(도 2)에 의해 제조되는 것으로서, 비중이 0.8 ~ 1.02이고, 끓는점이 380 ~ 550℃이며, 포화탄화수소 함량이 1 ~ 30중량%인 파라핀(Paraffine)계, 나프텐(Naphthene)계 또는 방향족(Aromatic)계 윤활기유를 사용한다.
이러한 베이스 아스팔트 조성물은 석유계 스트레이트 아스팔트의 4가지 화학적 구성요소인 포화탄화수소(Saturates), 방향족(Aromatics), 수지(Resins), 아스팔텐(Asphaltenes) 중에 고분자 개질재와의 상용성(Compatibility)이 좋지 않은 아스팔텐 성분을 줄이고, 그 대신 상용성이 좋은 방향족 성분을 높임으로써, 사전배합(Pre-mix) 방식의 고분자 개질 아스팔트 바인더 제조에 최적화된다는 효과가 있다.
본 발명에 의한 개질 아스팔트 바인더 조성물은, 상술한 베이스 아스팔트 조성물 90 내지 98 중량%; 고분자 개질재 1 내지 9.9 중량%; 안정강화제 0.01 내지 1 중량%;의 혼합에 의해 이루어진다.
고분자 개질재는 스티렌-부타디엔(Butadiene)-스티렌 블록 공중합체(SBS), 스티렌-이소프렌(Isoprene)-스티렌 블록 공중합체(SIS), 에틸렌(Ethylene)-비닐아세테이트 공중합체 수지(EVA), 비선형 저밀도 폴리에틸렌 수지(Low-density Polyethylene, LDPE) 중 하나 또는 2 이상의 혼합에 의해 형성된다.
스티렌-부타디엔(Butadiene)-스티렌 블록 공중합체(SBS)는, 열가소성 탄성체(Thermoplastic elastomer)로서, 스티렌(Styrene) 함량이 25 내지 42 중량%이며, 선형(Linear) 또는 방사형(Radial) 구조를 갖는다.
이는 구조식 1에 나타난 고분자를 포함하며, 소성변형 저항성, 피로균열 저항성, 노화 방지성능을 개선한다.
[구조식 1]
스티렌-이소프렌(Isoprene)-스티렌 블록 공중합체(SIS)는, 열가소성 탄성체(Thermoplastic elastomer)로서, 폴리스티렌(Polystyrene) 함량이 11 내지 46 중량%이며, 선형(Linear) 또는 방사형(Radial) 구조를 갖는다.
이는 구조식 2에 나타난 고분자를 포함하며, 저온균열 저항성, 탄성회복률, 작업성을 개선한다.
[구조식 2]
에틸렌(Ethylene)-비닐아세테이트 공중합체 수지(EVA)는, 열가소성 수지(Thermoplastic Polymer)로서, 비닐아세테이트(Vinyl Acetate, VA) 함량이 9 내지 33 중량%이며, ASTM D 1238규격에 따른 용융지수(Melt Index)가 4 내지 20 g/10min인 것을 사용한다.
이는 구조식 3에 나타난 고분자를 포함하며, 소성변형 저항성, 피로균열 저항성, 내마모성을 개선한다.
[구조식 3]
비선형 저밀도 폴리에틸렌 수지(Low-density Polyethylene, LDPE)는, 열가소성 수지(Thermoplastic Polymer)로서, 밀도가 0.91 내지 0.925 g/㎤ 이며, 분자량이 200,000 내지 500,000이고, ASTM D 1238규격에 따른 용융지수가 0.8 내지 10 g/10min인 것을 사용한다.
이는 구조식 4에 나타난 고분자를 포함하며, 소성변형 저항성, 작업성, 노화 방지성능을 개선한다.
[구조식 4]
안정강화제는 폴리인산(Polyphosphoric Acid, PPA), 폴리인산나트륨(Sodium Polyphosphate), 폴리인산칼슘(Potassium Polyphosphate) 등의 인산화합물, 황산(H2SO4), 염산(HCl), 인산(H3PO4), 과염소산(HClO4) 등의 무기산, 유리 황 중 어느 하나로 구성된다.
유리 황은 자연황을 정제하거나, 정유 및 석유화학 탈황공정을 통해 생산된다.
이러한 안정강화제는 고분자 개질 아스팔트 바인더의 연화점과 점성을 올려 소성변형 저항성을 강화시키고, 수분으로 인한 피복박리에 대한 저항성을 높여주어 아스팔트 도로의 포트홀 방지효과를 증대키시며, 고분자 개질재와 아스팔트 바인더간의 가교결합(Cross-linking) 형성에 촉매역할을 수행하므로 고온 보관 시 품질 및 저장 안정성을 높이는 역할을 한다.
본 발명에 의한 개질 아스팔트 바인더 조성물의 제조방법은 다음 공정에 의해 이루어진다.
석유계 스트레이트 아스팔트를 145℃ 내지 185℃로 가열한 후, 중질감압 가스오일 또는 윤활기유를 혼합하여 베이스 아스팔트 조성물을 제조한다.(베이스 아스팔트 조성물 제조단계)
베이스 아스팔트 조성물과 고분자 개질재를 145℃ 내지 185℃에서 1시간 내지 7시간 동안 고속전단 교반(High-shear Mixing) 또는 저속전단 교반(Low-shear Mixing) 방식으로 혼합한다.(고분자 개질재 분산 및 숙성 단계)
추가로 안정강화제를 145℃ 내지 185℃에서 30분 내지 3시간 동안 혼합하여 개질 아스팔트 바인더 조성물을 제조한다.(개질 아스팔트 바인더 조성물 제조단계)
이하, 본 발명에 의한 베이스 아스팔트 조성물의 물성을 입증하기 위한 실험결과에 관하여 설명한다.
[실시예 1]
A사 스트레이트 아스팔트 AP-5와 중질감압 가스오일을 80 : 20 중량비율로 혼합하되, A사 스트레이트 아스팔트 AP-5를 160℃로 가열한 후, 중질감압 가스오일을 혼합하여 베이스 아스팔트 조성물을 제조하였다.
[실시예 2]
A사 스트레이트 아스팔트 AP-5와 방향족계 윤활기유를 85 : 15 중량비율로 혼합하되, A사 스트레이트 아스팔트 AP-5를 160℃로 가열한 후, 방향족계 윤활기유를 혼합하여 베이스 아스팔트 조성물을 제조하였다.
[비교예 1]
A사 스트레이트 아스팔트 AP-5 시료를 베이스 아스팔트 조성물로 사용하였다.
표 1은 박층크로마토그래피(TLC, Thin Layer Chromatography) 분석장비를 사용하여 각각의 베이스 아스팔트 조성물의 화학적 조성 비율을 측정한 것이다.
| [단위 : 중량%] | 비교예 1 | 실시예 1 | 실시예 2 | |
| 배합 비율 |
스트레이트 아스팔트 | 100 | 80 | 85 |
| 중질감압 가스오일 | 0 | 20 | 0 | |
| 방향족계 윤활기유 | 0 | 0 | 15 | |
| 화학적 조성 비율 |
포화탄화수소 성분 함량 | 15 | 4 | 3 |
| 방향족 성분 함량 | 29 | 66 | 69 | |
| 수지 성분 함량 | 24 | 19 | 20 | |
| 아스팔텐 성분 함량 | 32 | 11 | 8 | |
| 합 계 | 100 | 100 | 100 | |
비교예 1에 비해, 본 발명에 의한 실시예 1,2의 경우, 고분자 개질재의 용해와 분산을 촉진시켜 고농축 및 고등급의 개질 아스팔트 조성물의 제조를 가능하게 하는 방향족 성분이 크게 증가하고, 반면에 고분자 개질재의 용해성을 떨어뜨려 품질 저하와 상분리 현상을 야기시키는 아스팔텐 성분이 크게 감소함을 확인할 수 있다.
이하, 본 발명에 의한 개질 아스팔트 바인더 조성물의 물성을 입증하기 위한 실험결과에 관하여 설명한다.
[실시예 3 ~ 6]
A사 스트레이트 아스팔트 AP-5 74.8 중량%, 중질감압 가스오일 20 중량%, 고분자 개질재 5중량%, 안정강화제(유리 황) 0.2중량%를 혼합하여 개질 아스팔트 바인더 조성물을 제조하였다.
실시예 3 ~ 6은 고분자 개질재로서, 각각 SBS, SIS, EVA, LDPE를 적용한 것이다.
A사 스트레이트 아스팔트를 160℃로 가열한 후, 중질감압 가스오일을 혼합하여 베이스 아스팔트 조성물을 제조하고, 이 베이스 아스팔트 조성물과 고분자 개질재를 160℃에서 3시간 동안 고속전단 교반(High-shear Mixing) 방식으로 혼합한 후, 안정강화제를 150℃에서 1시간 동안 혼합하여 개질 아스팔트 바인더 조성물을 제조하였다.
[실시예 7 ~ 10]
A사 스트레이트 아스팔트 AP-5 79.8 중량%, 방향족계 윤활기유 15 중량%, 고분자 개질재 5중량%, 안정강화제(유리 황) 0.2중량%를 혼합하여 개질 아스팔트 바인더 조성물을 제조하였다.
실시예 7 ~ 10은 고분자 개질재로서, 각각 SBS, SIS, EVA, LDPE를 적용한 것이다.
A사 스트레이트 아스팔트를 160℃로 가열한 후, 방향족계 윤활기유를 혼합하여 베이스 아스팔트 조성물을 제조하고, 이 베이스 아스팔트 조성물과 고분자 개질재를 160℃에서 3시간 동안 고속전단 교반(High-shear Mixing) 방식으로 혼합한 후, 안정강화제를 150℃에서 1시간 동안 혼합하여 개질 아스팔트 바인더 조성물을 제조하였다.
[비교예 2 ~5]
A사 스트레이트 아스팔트 AP-5 94.8 중량%와, 고분자 개질재 5중량%와, 안정강화제(유리 황) 0.2중량%를 혼합하여 개질 아스팔트 바인더 조성물을 제조하였다.
비교예 2 ~5는 고분자 개질재로서, 각각 SBS, SIS, EVA, LDPE를 적용한 것이다.
| [단위 : 중량%] | 비교예2 | 비교예3 | 비교예4 | 비교예5 | 실시예3 | 실시예4 | 실시예5 | 실시예6 | 실시예7 | 실시예8 | 실시예9 | 실시예10 | |
| 배합비율 | AP-5 | 94.8 | 94.8 | 94.8 | 94.8 | 74.8 | 74.8 | 74.8 | 74.8 | 79.8 | 79.8 | 79.8 | 79.8 |
| 중질감압 가스오일 | 0 | 0 | 0 | 0 | 20 | 20 | 20 | 20 | 0 | 0 | 0 | 0 | |
| 방향족계 윤활기유 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 15 | 15 | 15 | 15 | |
| SBS | 5 | 0 | 0 | 0 | 5 | 0 | 0 | 0 | 5 | 0 | 0 | 0 | |
| SIS | 0 | 5 | 0 | 0 | 0 | 5 | 0 | 0 | 0 | 5 | 0 | 0 | |
| EVA | 0 | 0 | 5 | 0 | 0 | 0 | 5 | 0 | 0 | 0 | 5 | 0 | |
| LPDE | 0 | 0 | 0 | 5 | 0 | 0 | 0 | 5 | 0 | 0 | 0 | 5 | |
| 유리 황 | 0.2 | 0.2 | 0.2 | 0.2 | 0.2 | 0.2 | 0.2 | 0.2 | 0.2 | 0.2 | 0.2 | 0.2 | |
| 공 용 성 등 급 |
135℃ 점도, 3 Pa.S 이하 | 3.1 | 2.9 | 3.3 | 3.5 | 2.0 | 1.8 | 2.2 | 2.3 | 1.8 | 1.7 | 2.1 | 2.2 |
| 고온등급, PG76 이상 | PG76 | PG76 | PG70 | PG70 | PG76 | PG76 | PG76 | PG76 | PG76 | PG76 | PG76 | PG76 | |
| 저온등급, -22 이상 | -16 | -16 | -10 | -10 | -22 | -22 | -22 | -16 | -28 | -28 | -22 | -22 | |
| 소성변형률, 0.5 kPa-1 이하 | 0.69 | 0.76 | 0.83 | 1.07 | 0.09 | 0.13 | 0.21 | 0.35 | 0.14 | 0.22 | 0.38 | 0.44 | |
| 탄성회복률, 55 % 이상 | 37 | 39 | 26 | 19 | 82 | 85 | 76 | 70 | 88 | 90 | 77 | 75 | |
| 저장안정성, 5 % 이하 | 20 | 18 | 25 | 28 | 2.2 | 1.9 | 3.7 | 4.2 | 2.0 | 1.8 | 2.8 | 3.4 | |
표 2는 품질 비교항목으로 KS F 2389 (아스팔트의 공용성 등급) 기준에 따라 측정하는 공용성 등급 요구항목과 '국토교통부 배수성 아스팔트 콘크리트 포장 생산 및 시공 지침(2020. 08.)'에 규정된 KS F 2393 (아스팔트의 동적전단 유변 특성 시험) 및 ASTM D 7405(Multiple Stress Creep and Recovery, MSCR) 기준에 따라 측정하는 소성변형률, 탄성회복률, 저장안정성 시험결과를 나타낸 것이다.
표 2의 시험결과에 나타난 바와 같이, 본 발명의 실시예와 같이 아스팔텐 함량을 줄이고 방향족 함량을 높인 베이스 아스팔트 조성물을 사용하여 개질 아스팔트 바인더 조성물을 제조하는 경우, 위 베이스 아스팔트 조성물 대신 스트레이트 아스팔트를 사용한 비교예들에 비해 공용성 등급, 소성변형률, 탄성회복률 등 모든 물성들이 우수하게 개선됨을 확인할 수 있다.
특히, 개질 아스팔트 바인더 조성물의 제조를 위하여 매우 중요한 물성인 저장안정성이 비교예에 비해 현격히 개선되는 것으로 나타났다.
저장안정성이 우수하면, 장기 저장에 따른 품질 안정성 이외에, 열화 및 노화 저항력도 개선될 수 있다.
이하, 본 발명에 의한 개질 아스팔트 바인더 조성물을 이용한 특수 아스팔트 혼합물의 물성을 입증하기 위한 실험결과에 관하여 설명한다.
[실시예 11] 고농축 개질 아스팔트 바인더
고점도 저소음 배수성 포장, 고강도 SMA 포장, 불투수성 구스 매스틱 포장, 장수명 고내구성 포장, 중온 고강도 폼드 아스팔트 포장 등 특수한 성능과 기능을 요구하는 포장에는, 고분자 개질재의 함량이 높은 고농축 개질 아스팔트 바인더가 사용되어야 한다.
이러한 고농축 개질 아스팔트 바인더로서, A사 스트레이트 아스팔트 AP-5 76.5 중량%, 중질감압 가스오일 15 중량%, 고분자 개질재 SBS 8 중량%, 안정강화제(유리 황) 0.5 중량%를 혼합하여 상술한 실시예 3과 동일한 방법으로 개질 아스팔트 바인더 조성물을 제조하였다.
[비교예 6]
스트레이트 아스팔트 AP-5 92 중량%와 SBS 8 중량%를 사전배합 방식으로 혼합하여 고농축 개질 아스팔트 바인더를 제조하였다.
| 주요 평가항목 | 요구규격 | 비교예 6 | 실시예 11 | |
| 공용 성 등급 |
135℃ 점도, Pa.S | 3 이하 | 5.4 | 2.8 |
| PG 고온등급 | 82 이상 | 76 | 82 | |
| PG 저온등급 | -28 이상 | -22 | -34 | |
| MSCR 규격 |
소성변형률, kPa-1 | 0.5 이하 | 0.68 | 0.05 |
| 탄성회복률, % | 75 이상 | 73 | 98 | |
| 저장안정성, % | 5 이하 | 28.2 | 3.9 | |
표 3은 '국토교통부 배수성 아스팔트 콘크리트 포장 생산 및 시공 지침(2020. 08.)'에서 요구하는 배수성 포장용 개질 아스팔트 바인더의 주요 규격에 대해 측정한 결과를 나타낸 것이다.
종래기술에 의한 비교예 6의 경우, 고분자의 용해 및 분산성이 매우 낮아서, 시공지침이 요구하는 높은 공용성 등급과 MSCR 성능값에 도달하기 어려운 것으로 나타났다.
특히 고분자 함량이 클 경우, 저장안정성이 급격히 나빠짐을 알 수 있으며, 이에 따라 장기보관에 따른 품질 안정성도 현격히 떨어짐을 확인할 수 있다.
이에 비해, 본 발명의 실시예 11의 경우, 고기능성 아스팔트 포장에 적용되는 고농축의 고분자 개질 아스팔트 바인더의 제조가 매우 용이하고, PG 82-34 이상의 공용성 등급과, 우수한 소성변형률, 탄성회복률, 저장안정성을 가지는 것으로 나타났다.
[실시예 12] 배수성 아스팔트 혼합물
스트레이트 아스팔트 AP-5 76.5 중량%, 중질감압 가스오일 15 중량%, SBS 4 중량%, SIS 4 중량%, 유리 황 0.5 중량%를 혼합하여 상술한 제조방법에 의해 개질 아스팔트 바인더 조성물을 제조하였다.
배수성 아스팔트 혼합물 제조를 위해서, KS F 2357(아스팔트 혼합물용 골재)의 규정에 따라 1등급 화강암 골재를 사용하였으며, '국토교통부 배수성 아스팔트 콘크리트 포장 생산 및 시공 지침(2020. 08.)'에 규정된 배수성 아스팔트 혼합물의 PA-10 골재입도 규격을 만족하는 것을 사용하였다.
상술한 개질 아스팔트 바인더 조성물 5.8 중량%와, PA-10 입도를 만족하는 골재 및 석회석 채움재 혼합물 94.2 중량%를 185℃에서 혼합한 후, 155℃에서 다짐하여 아스팔트 혼합물 성능 평가를 위한 시편을 제조하였다.
[비교예 7]
스트레이트 아스팔트 AP-5 92 중량%와 SBS 8 중량%를 혼합하여 사전배합 방식에 의해 개질 아스팔트 바인더 조성물을 제조하였으며, 제조된 개질 아스팔트 조성물 5.8 중량%와, PA-10 입도를 만족하는 골재 및 석회석 채움재 혼합물 94.2 중량%를 185℃에서 혼합한 후, 155℃에서 다짐하여 아스팔트 혼합물 성능 평가를 위한 시편을 제조하였다.
| 주요 평가항목 | 시험방법 | 요구규격 | 비교예 7 | 실시예 12 | |
| 칸타브로 손실률(%) |
20℃ | KS F 2492 | 20 이하 | 20 | 12 |
| -20℃ | 30 이하 | 36 | 24 | ||
| 인장강도비(TSR) | 국토부 배수성 포장 시공지침 부록 II-2 | 0.85 이상 | 0.76 | 0.91 | |
| 동적안정도(회/mm) | KS F 2594 | 3,000 이상 | 4,690 | 10,530 | |
표 4는 국토교통부 배수성 아스팔트 혼합물의 배합설계 품질기준 중에 주요 성능 요구항목에 대해 측정한 결과를 나타내었다.
표 4에 나타난 바와 같이, 본 발명의 실시예 12에 의한 배수성 아스팔트 혼합물은 품질기준을 모두 만족 시킬 뿐 아니라, 비교예 7의 아스팔트 혼합물에 비해 저온(-20℃) 칸타브로 손실률 및 인장강도비(TSR)가 월등히 우수하게 나타났고, 소성변형 저항성을 나타내는 동적안정도 또한 2배 이상 높게 나타났음을 알 수 있다.
[실시예 13] 중온 폼드(Foamed) 아스팔트 혼합물
스트레이트 아스팔트 AP-5 79.7 중량%, 중질감압 가스오일 15 중량%, SIS 2.5 중량%, EVA 2.5 중량%, 유리 황 0.3 중량%를 혼합하여, '국토교통부 아스팔트 콘크리트 포장 시공 지침(2021. 07.)'에 규정된 중온 아스팔트 바인더 W76 규격 기준을 만족하도록 개질 아스팔트 바인더 조성물을 제조하였다.
중온 폼드 아스팔트 혼합물 제조를 위해서, KS F 2357(아스팔트 혼합물용 골재)의 규정에 따라 1등급 화강암 골재를 사용하였으며, '국토교통부 아스팔트 콘크리트 포장 시공 지침(2021. 07.)'에 규정된 밀입도 아스팔트 혼합물의 WC-3 골재입도 규격을 만족하는 것을 사용하였다.
상술한 개질 아스팔트 바인더 조성물 4.8 중량%와, 물 0.1 중량%를 먼저 분사설비를 통해 혼합하여 폼드 아스팔트를 제조하고, WC-3 입도를 만족하는 골재 및 석회석 채움재 혼합물 95.1 중량%와 함께 140℃에서 혼합한 후, 125℃에서 다짐하여 중온 폼드 개질 아스팔트 혼합물 시편을 제조하였다.
[비교예 8]
스트레이트 아스팔트 AP-5 95 중량%와 SBS 5 중량%를 사전배합 방식으로 혼합하여 개질 아스팔트 바인더 조성물을 제조하였으며, 제조된 개질 아스팔트 조성물 4.8 중량%와 물 0.1 중량%를 먼저 분사설비를 통해 혼합하여 폼드 아스팔트를 제조하고, WC-3 입도를 만족하는 골재 및 석회석 채움재 혼합물 95.1 중량%를 140℃에서 혼합한 후, 125℃에서 다짐하여 중온 폼드 개질 아스팔트 혼합물 시편을 제조하였다.
| 주요 평가항목 | 요구규격 | 비교예 8 | 실시예 13 |
| 마샬 안정도(N) | 7,500 이상 | 5,400 | 12,420 |
| 인장강도비(TSR) | 0.80 이상 | 0.71 | 0.86 |
| 간접인장강도(N/㎟) | 0.80 이상 | 0.69 | 0.92 |
| 터프니스(Nㆍ㎜) | 8,000 이상 | 5,630 | 11,580 |
| 동적안정도(회/㎜) | 2,000 이상 | 1,625 | 4,872 |
표 5는 국토교통부 아스팔트 콘크리트 포장 시공 지침에 규정된 중온 아스팔트 혼합물의 주요 품질기준을 측정한 결과를 나타낸 것이다.
비교예 8의 폼드 아스팔트 혼합물의 경우, 분사장비를 통한 미세한 거품 발생이 용이하지 않음에 따라, 아스팔트 부피 팽창상태가 매우 불량하였고, 이로 인하여 중온 아스팔트의 필수 요건인 점성 저감효과가 크지 않아 중온 다짐효과가 불량하였다.
이 때문에, 비교예 8의 중온 폼드 개질 아스팔트 혼합물의 경우 대부분의 품질기준을 만족하지 못하였지만, 본 발명의 실시예 13의 중온 폼드 개질 아스팔트 혼합물의 경우, 상술한 종래기술의 문제점을 해소함에 따라 주요 품질기준을 모두 만족하는 것으로 나타났다.
이상은 본 발명에 의해 구현될 수 있는 바람직한 실시예의 일부에 관하여 설명한 것에 불과하므로, 주지된 바와 같이 본 발명의 범위는 위의 실시예에 한정되어 해석되어서는 안 될 것이며, 위에서 설명된 본 발명의 기술적 사상과 그 근본을 함께 하는 기술적 사상은 모두 본 발명의 범위에 포함된다고 할 것이다.
Claims (9)
- 개질재와의 혼합에 의해 개질 아스팔트 바인더 조성물을 제조하기 위한 베이스 아스팔트 조성물로서,
석유계 스트레이트 아스팔트 75 내지 99 중량%;
중질감압 가스오일(Heavy Vacuum Gas Oil) 또는 윤활기유 1 내지 25 중량%;가 혼합되고,
상기 석유계 스트레이트 아스팔트는,
60℃ 절대점도(Absolute Viscosity)가 500 ~ 2,800 포이즈(Poise)이며, ASTM D 946 규격에 따른 25℃ 침입도가 40 ~ 150이고,
상기 중질감압 가스오일은,
API 비중 15 ~ 35도인 원유의 상압증류공정 및 감압증류공정에 의해 생산되며, 끓는점이 375 ~ 525℃이고,
상기 윤활기유는,
API 비중 15 ~ 35도인 원유의 상압증류공정 및 감압 증류공정 이후, 수소첨가 분해공정(Hydrocracking Proecss)에 의해 제조되는 것으로서, 비중이 0.8 ~ 1.02이고, 끓는점이 380 ~ 550℃이며, 포화탄화수소 함량이 1 ~ 30중량%인 파라핀(Paraffine)계, 나프텐(Naphthene)계 또는 방향족(Aromatic)계 윤활기유인 것을 특징으로 하는 베이스 아스팔트 조성물. - 삭제
- 삭제
- 제1항의 베이스 아스팔트 조성물 90 내지 98 중량%;
스티렌-부타디엔(Butadiene)-스티렌 블록 공중합체(SBS), 스티렌-이소프렌(Isoprene)-스티렌 블록 공중합체(SIS), 에틸렌(Ethylene)-비닐아세테이트 공중합체 수지(EVA), 비선형 저밀도 폴리에틸렌 수지(Low-density Polyethylene, LDPE) 중 하나 또는 2 이상의 혼합에 의해 형성된 고분자 개질재 1 내지 9.9 중량%;
폴리인산(Polyphosphoric Acid), 폴리인산나트륨(Sodium Polyphosphate), 폴리인산칼슘(Potassium Polyphosphate), 황산(H2SO4), 염산(HCl), 인산(H3PO4), 과염소산(HClO4), 유리 황 중 어느 하나로 구성된 안정강화제 0.01 내지 1 중량%;가 혼합된 것을 특징으로 하는 개질 아스팔트 바인더 조성물. - 제4항에 있어서,
상기 스티렌-부타디엔(Butadiene)-스티렌 블록 공중합체(SBS)는,
열가소성 탄성체(Thermoplastic elastomer)로서, 스티렌(Styrene) 함량이 25 내지 42 중량%이며, 선형(Linear) 또는 방사형(Radial) 구조를 갖는 것을 특징으로 하는 개질 아스팔트 바인더 조성물. - 제4항에 있어서,
상기 스티렌-이소프렌(Isoprene)-스티렌 블록 공중합체(SIS)는,
열가소성 탄성체(Thermoplastic elastomer)로서, 폴리스티렌(Polystyrene) 함량이 11 내지 46 중량%이며, 선형(Linear) 또는 방사형(Radial) 구조를 갖는 것을 특징으로 하는 개질 아스팔트 바인더 조성물. - 제4항에 있어서,
상기 에틸렌(Ethylene)-비닐아세테이트 공중합체 수지(EVA)는,
열가소성 수지(Thermoplastic Polymer)로서, 비닐아세테이트(Vinyl Acetate, VA) 함량이 9 내지 33 중량%이며, ASTM D 1238규격에 따른 용융지수(Melt Index)가 4 내지 20 g/10min인 것을 특징으로 하는 개질 아스팔트 바인더 조성물. - 제4항에 있어서,
상기 비선형 저밀도 폴리에틸렌 수지(Low-density Polyethylene, LDPE)는,
열가소성 수지(Thermoplastic Polymer)로서, 밀도가 0.91 내지 0.925 g/㎤ 이며, 분자량이 200,000 내지 500,000이고, ASTM D 1238규격에 따른 용융지수가 0.8 내지 10 g/10min인 것을 특징으로 하는 개질 아스팔트 바인더 조성물. - 제4항의 개질 아스팔트 바인더 조성물의 제조방법으로서,
상기 석유계 스트레이트 아스팔트를 145℃ 내지 185℃로 가열한 후, 상기 중질감압 가스오일 또는 상기 윤활기유를 혼합하여 상기 베이스 아스팔트 조성물을 제조하는 베이스 아스팔트 조성물 제조단계;
상기 베이스 아스팔트 조성물과 상기 고분자 개질재를 145℃ 내지 185℃에서 1시간 내지 7시간 동안 고속전단 교반(High-shear Mixing) 또는 저속전단 교반(Low-shear Mixing) 방식으로 혼합하는 고분자 개질재 분산 및 숙성 단계;
추가로 상기 안정강화제를 145℃ 내지 185℃에서 30분 내지 3시간 동안 혼합하여 상기 개질 아스팔트 바인더 조성물을 제조하는 개질 아스팔트 바인더 조성물 제조단계;를
포함하는 것을 특징으로 하는 개질 아스팔트 바인더 조성물의 제조방법.
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