KR20010019265A - 심팔트 및 그 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 심팔트(시멘트, 아스팔트, 유기첨가제, 충진재의 혼합물) 및 그 제조방법에 관한 것으로, 이 심팔트는 아스팔트와 시멘트를 주성분으로 하며, 소정량의 유기첨가제, 계면활성제를 포함하고, 사용시에는 물을 매개로 하여 시멘트, 굵은 골재, 잔 골재, 흙, 보강섬유 등의 충진재가 추가로 혼합된다. 또한, 이러한 조성의 심팔트는 먼저, 아스팔트 10∼60중량％, 유기첨가제 3∼6중량％, 계면활성제 2∼5중량％ 및 물 10∼50중량％를 혼합하여 약, 50∼60℃의 온도에서 교반하여 유제아스팔트를 제조하거나 상품화된 유제아스팔트를 구매하여, 이 유제아스팔트 10∼20중량％에, 시멘트 10∼30중량％, 굵은 골재 30∼60중량％, 흙 또는 잔골재 20∼50중량％, 보강 섬유재 10∼20중량％를 포함하는 충진재를 상온에서 혼합하여 만든다. 이렇게 만들어진 재료를 포설장비로 도로에 깔고 다짐을 행할 때, 50∼150℃로 가열하면서 다짐을 행하여 포장을 완성한다.

Description

심팔트 및 그 제조방법{CEMPHALT AND METHOD OF MAKING IT}

본 발명은 심팔트(CEMPHALT) 및 그 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 시멘트와 아스팔트와 유기첨가제가 혼합된 심팔트를 제조하여 흙 및 골재와 섞어 도로 및 교량 포장재료, 싱글 (shingle)을 포함한 지붕재료, 옥외 보도용 블럭, 실내 바닥재료, 건축재료, 제방 및 댐 구축용의 토목재료 등에 사용할 수 있는 심팔트 및 그 제조방법에 관한 것이다.

일반적으로, 토목 및 건설산업분야에서 시멘트가 널리 사용되고 있는데, 많은 장점에도 불구하고 주된 문제점으로서 강성 (stiffness) 이 강하여 충격에 깨어지기 쉽다는 것이다. 예를 들어 지진이 발생했을 때, 어느 정도 충격흡수가 가능한 목조건물은 비교적 잘 견디지만, 충격에 약한 시멘트건물은 쉽게 벽에 금이 가거나 와해된다는 것이다. 이러한 문제점을 보완하기 위하여 고분자와 시멘트를 혼합시켜 만든 고분자콘크리트의 개발이 오래 전부터 진행되어 왔으며 현재도 연구되고 있다. 또한 시멘트재료가 비싸므로 경제적으로 비교적 저렴한 재료개발이 요청되어 왔다.

본 발명은 이러한 시멘트의 성질 개량에 관련된 것으로, 주로 도로포장에 응용할 목적을 갖고 있다. 도로포장에는 크게 나누어 시멘트포장과 아스팔트포장으로 구분 지을 수 있다. 시멘트포장의 장점은 아스팔트포장에 비하여 강성 (stiffness or rigidness)이 강하며, 이로 인하여 도로포장의 주요 문제점인 소성변형을 일으키지 않고 상대적으로 포장수명이 길다는 데 있다. 그러나 주행 시 승차 감이 나쁘고, 상대적으로 비용이 많이 들고, 깨지기 쉬우며, 수명이 다하여 재생하려할 때 어려움이 따른다는 단점이 있다. 반면에 아스팔트포장은 승차감이 좋고, 포장비용이 시멘트포장에 비하여 저렴하며, 재생 시 백퍼센트 회수 가능한 장점이 있지만, 소성변형, 피로균열을 발생시키기 쉬워서 포장수명이 비교적 짧다는 단점이 있다. 이러한 단점을 보완하기 위하여 아스팔트와 고분자 (탄성체)를 반응시켜 만든 고분자개질 아스팔트를 연구 개발하여 현재 상품화되어 있다. 그러나 이러한 개질 아스팔트도 소성변형 제거에 일부 도움은 되지만, 문제를 근본적으로 해결하지 못한다고 알려져 있다.

본 발명은 이러한 점을 감안하여, 시멘트와 아스팔트 및 유기첨가제, 계면활성재를 소정의 비율로 혼합한 다음, 사용시에 흙 및 골재와 보강섬유 등을 섞어 도로 및 교량 포장재료, 싱글을 포함한 지붕재료, 옥외 보도용 블럭, 실내 바닥재료, 건축재료, 제방 및 댐 구축용의 토목재료 등에 사용할 수 있는 심팔트를 제공하는데 그 목적이 있다.

본 발명의 다른 목적은 시멘트와 아스팔트를 주성분으로 하며, 소정량의 유기첨가재, 계면활성재를 포함하고, 사용시에는 흙 또는 잔골재, 굵은 골재, 보강섬유 등의 충진재를 적정비율로 혼합시킨 심팔트 제조조방법을 제공하는데 있다.

상술한 본 발명의 목적은 아스팔트와 시멘트를 주성분으로 하며, 소정량의 유기첨가제, 계면활성제를 포함하고, 사용시에는 물을 매개로 하며, 충진재로서 굵은 골재, 잔 골재, 흙, 보강섬유중 전부 또는 일부가 추가로 혼합되는 것을 특징으로 하는 심팔트에 의해서 달성된다.

본 발명의 다른 목적은 유제아스팔트 10∼20중량％에, 시멘트 10∼30중량％, 굵은 골재 30∼60중량％, 흙 또는 잔골재 20∼50중량％, 미량의 보강 섬유재를 포함하는 충진재를 상온에서 혼합하는 공정을 갖는 심팔트 제조방법에 의해서 달성된다.

이하, 본 발명에 따른 심팔트 및 그 제조방법에 대하여 상세히 설명한다.

본 발명에 따른 심팔트를 구성하는 개별 소재로는 시멘트, 아스팔트, 유기첨가제, 계면활성제, 굵은 골재, 잔 골재, 흙, 섬유재, 물, 등이 있다. 이들 재료의 상세한 종류는 이하에서 상세하게 설명하기로 한다. 또한, 심팔트의 제조시에는 적정량의 아스팔트, 물, 계면활성제, 유기첨가제를 혼합조에 넣고 50 내지 60℃의 온도로 유지하면서 계속 교반하여, 시멘트와 혼합 가능한 유제아스팔트를 만든다. 상온으로 냉각된 이러한 유제아스팔트에다, 시멘트, 굵은 골재, 잔 골재, 흙, 보강섬유 중 전부 또는 일부를 각각 적정 구성비로 넣고 균일하게 혼합하여 공항 및 도로포장용 혼합재료를 만든다.

이하에서는 본 발명의 심팔트 및 그 제조방법에 대해서 도로 및 공항 포장분야 및 그 밖의 다른 응용분야로 구분하여 설명한다.

도로 및 공항 포장분야

아스팔트포장용 혼합물제조에도 시멘트가 2 내지 3 퍼센트 첨가되긴 하지만, 본 발명에서처럼 물질의 성질을 결정하는 주요 성분으로 다량 사용되지는 않는다. 전반적으로 시멘트에 아스팔트와 유기첨가제를 섞어 물을 매체로 상온 혼합하여 새로운 재료를 개발하는 것에 대한 개념이 지금까지는 전무하였다. 본 발명은 근본적으로 아스팔트와 모래 또는 흙 그리고 유기첨가제를 시멘트에 투입함으로서 시멘트포장재료 개질에 그 역점이 있다. 따라서 혼합방법도 아스팔트의 고온혼합방법과 다리 상온에서 혼합하는 포장용 시멘트제조법과 유사하다. 본 발명의 혼합재료를 소개하면, 시멘트, 아스팔트, 유기첨가제, 계면활성제, 굵은 골재, 잔 골재, 흙, 섬유재, 물, 등으로 구성된다. 혼합물제조 시 필요에 따라 이들 전부를 또는 일부를 구성비에 따라 조합하여 혼합재료를 만든다.

여기서 시멘트라 함은, 포트랜드 시멘트 (보통, 중용열, 조강, 저열, 내황산염, 등), 백색 포트랜드 시멘트, 포트랜드 포조란 시멘트 등 여러 종류를 총칭하여 말한다. 또한 아스팔트는 각종 원래의 아스팔트 바인더 (original asphalt binder, AC-5, AC-10, AC-20, AC-30, AC-40, 등), 공기산화 아스팔트 바인더 (air-blown asphalt binder), 첨가제가 함유된 아스팔트 바인더 (gilsonite, chemcrete, organomettalic, crumb rubber, powdered rubber, 등), 고분자개질 아스팔트 바인더 (Styrene-Butadiene-Styrene block copolymer (SBS), Styrene-Butadiene rubber (SBR), Ethylene-Vinyl Acetate coplolymer (EVA), Low Density Polyethylene (LDPE), High Density Polyethylene (HDPE), isoprene rubber, natural rubber, Ethylene-Propylene-Diene-Monomer rubber (EPDM), chloroprene rubber, Polyester polymer, epoxy, polyol, 등) 등을 포함한다. 유기첨가제로서는 수용성 고분자 (Polyvinylalcohol (PVA), Polyethyleneoxide (PEO), Polybutylamide, Polycellulose hydroxide, 등), 수용성 라텍스, 수용성 에멀젼 등을 말한다. 아스팔트 바인더는 물에 녹지 않는다. 물에 용해시키기 위하여 계면활성제를 사용하는 데, 그 종류로는 크게 두 종류로 분류된다. 음이온 활성제 (anionic surfactant, -SO₃, -OH, -COOH 등의 극성기를 가짐)와 양이온 활성제 (cationic surfactant, -NH₂의 극성기를 가짐)로 나뉘며, 두 종류 중 어느 것이나 혼합물제조에 사용된다. 굵은 골재로서는 화강암, 석회암, 현무암, 철강 고로 폐기석, 광물제련 폐기석 등이며, 잔 골재로서는 모래, 제강 분말, 석탄재분말, 광석제련분말, 화강암, 석회암, 현무암 등의 미세 분말을 포함한다. 흙은 찰흙, 황토, 일반 흙 등 모든 종류의 흙을 말하며, 섬유 재란 보강재로 사용되는 모든 단 섬유를 말하는 데 예를 들어, 셀루로즈 섬유, 탄소섬유, 폴리에스테르 섬유, 나일론 섬유, 마른 짚 썰은 것 등이며, 물은 아무 물이나 사용 가능하다.

도로포장을 위한 혼합물제조 방법은 다음과 같다. 상온에서 시멘트와 아스팔트는 혼합불가능 함으로 먼저 혼합 가능한 형태로 변경해야 한다. 즉 적정량의 아스팔트, 물, 계면활성제, 유기첨가제를 혼합조에 넣고 온도 섭씨 50도 내지 60도로 유지하면서 계속 교반하여, 시멘트와 혼합 가능한 유제아스팔트를 만든다. 상온으로 냉각된 이러한 유제아스팔트에다, 시멘트, 굵은 골재, 잔 골재, 흙을 각각 적정 구성비로 넣고 균일하게 혼합하여 도로포장용 재료를 만든다. 여기에서 언급한 재료의 각 구성성분과 이러한 구성성분으로 상온에서 만든 도로포장용 혼합재료가 본 발명의 핵심이 된다. 이러한 혼합재료는 시멘트포장과 아스팔트포장의 단점을 각기 보완하는 성질을 갖도록 고안되어진다. 본 발명의 바람직한 조성물을 네 가지 예를 들면 다음과 같다:

조성물 1

21.6％ 보통 포트랜드 시멘트

35.4％ 모래

20％ 화강암 굵은 골재

10％ 아스팔트 AP-3

3％ 레이텍스(latex)

2％ 양이온 계면활성제

8％ 물

조성물 2

21.6％ 보통 포트랜드 시멘트

40％ 석회암 잔 골재

10％ 화강암 굵은 골재

15.4％ 아스팔트 AP-3

3％ 폴리비닐알콜 (Polyvinyl alcohol)

2％ 음이온 계면활성제

8％ 물

조성물 3

25％ 포트랜드 시멘트

48％ 흙

10％ 아스팔트 AP-3

5％ 레이텍스 (latex)

2％ 음이온 계면활성제

10％ 물

조성물 4

20％ 포트랜드 시멘트

50％ 모래

15％ 아스팔트 AP-3

3％ 폴리에칠렌옥사이드 (PEO)

2％ 음이온 계면활성제

10％ 물

이상에서 언급한 재료제조 방법과 아울러, 심팔트 재료의 도로포장과 관련된 다짐공정도 본 발명에 포함된다. 즉, 본 발명에 따라 제조된 심팔트를 이용하여 포설공사를 하는 경우에는, 포설장비를 이용하여 심팔트를 도로에 깔고난 후, 다짐공정을 수행하는 데, 이때 온도를 50∼150℃로 가열하면서 다짐을 행함으로써, 경화시간을 단축하는 다짐공정을 추가로 포함하는 것이 바람직하다.

상기의 혼합재료를 도로에 포설할 때, 압축롤러로 다짐을 하게되고, 다짐 후 재료가 경화하여 도로로서의 기능을 발휘할 수 있도록 충분한 시간을 부여하게 된다. 시멘트포장의 경우 적어도 일주일 많게는 이주일 정도의 시간을 요하고, 아스팔트포장의 경우는 보통 이틀 내지 삼일 정도의 시간이 걸린다. 심팔트의 경우 시멘트에 이물질이 첨가된 관계로 경화시간이 시멘트포장보다 더욱 오래 걸린다. 긴 경화시간은 교통을 그만큼 지연시키므로 도로건설에 치명적인 걸림돌이 된다. 시멘트포장의 경우, 온도를 높이면 경화가 급속히 진행되어 경화시간이 단축되지만, 경화 시에 발생되는 발열반응으로 인하여 내부온도가 급격히 상승하게 되고, 불균일한 온도상승으로 인하여 통상 심한 균열을 발생시키게 된다. 따라서 상온에서 물을 뿌려가며 서서히 경화시키는 것이 관례로 되어 있다. 그러나 본 발명재료는 시멘트에 이물질이 다량 함유된 관계로 경화 시에 발열도 크지 않을 뿐만 아니라, 발생하는 열을 다른 구성물질이 흡수하여 오히려 이들 물질 상호간의 접착력을 증진시키는 효과를 유발하게 됨으로, 다짐공정 중 온도를 높여서 다짐을 수행하여 경화시간을 대폭 감소시킬 것을 제안한다. 즉 표층이나 기층을 깔 때, 각층을 삼 등분하여 한 번에 삼분의 일정도의 재료를 뿌리고 그 위에 온도를 100도 정도 가하면서 다짐을 수행한다는 것이다. 물론 각층을 마무리하기 위하여 각기 세 번 이 공정을 반복하여야 할 것이다. 이러한 공정을 통하여 경화시간을 대폭 감소시킬 수 있다.

또한 기층 (base layer) 보다는 표층 (surface layer)이 차량의 반복하중 (cyclic loading)을 직접 받게 됨으로 혼합물 설계 시 기층에 굵은 골재를 많이 쓰고, 표층에는 잔 골재가 많아야 할 것이다.

실시예 1

물 40 중량퍼센트, 양이온 계면활성제 3 퍼센트, 레이텍스 3 퍼센트, AP-3 아스팔트 54 퍼센트를 혼합조에 넣고 강력 교반기로 온도 섭씨 50도에서 교반하여 유제아스팔트를 먼저 제조하였다. 제조된 유제아스팔트 액체 371 그램에 시멘트 525 그램, 굵은 화강암 골재 1183 그램과 모래 860 그램을 투입하여 상온 혼합기에서 균일한 혼합물이 되도록 3분 동안 혼합하였다. 이 혼합재료를 마샬다짐(Marshal compaction) 몰드 (mold)에 채워넣고, 한 면에 50번씩 윗면과 아랫면 양면 다짐을 하여 마샬시편을 만들었다. 일주일간의 경화시간 후에, 만든 시편을 가지고 마샬 테스트를 실시한 결과, 마샬안정도 값이 최고 한계치인 1800에 이르러도 시편은 깨지지 않았다. 이러한 시험결과는 비교적 적은 시멘트 양으로도 소성변형에 견딜 수 있는 재료를 만들 수 있음을 시사한다. 한국에서 현재 가장 심각한 도로 및 공항 아스팔트 포장문제는 소성변형을 쉽게 일으킨다는 것이다. 따라서 본 재료는 이 문제를 해결하는 데 직접 도움이 될 것이다.

실시예 2

위 실시예 1에서 제조된 유제아스팔트 액체 507 그램에 시멘트 700 그램과 모래 1890 그램을 투입하여 상온 혼합기에서 균일한 혼합물이 되도록 3분 동안 혼합하고, 위 실시예 1과 같이 하여 마샬시편을 만들었다. 일주일간의 경화시간 후에 만든 시편을 가지고 마샬 테스트를 실시한 결과 마샬안정도 값이 최고 한계치인 1800에 이르러도 시편에 손상이 없었다. 이러한 시험결과는 굵은 골재를 전혀 사용하지 않아도 소성변형에 견딜 수 있음을 명백히 시사한다.

실시예 3

여기에서는 아스팔트의 양을 더욱 널리고, 시멘트 양을 줄이는 시험을 하였다. 물 30 중량퍼센트, 양이온 계면활성제 3 퍼센트, AP-3 아스팔트 67 퍼센트를 혼합조에 넣고 강력 교반기로 온도 섭씨 50도에서 교반하여 유제아스팔트 액체를 제조하였다. 제조된 유제아스팔트 액체 493 그램에 시멘트 400 그램, 모래 1080 그램을 투입 혼합하여 마샬시편을 만들었다. 일주일간의 경화시간 후에, 만든 시편을 가지고 마샬 테스트를 실시한 결과, 마샬안정도값이 최고 한계치인 1800에 가까운 1738 이 나왔으며 이 때의 마샬 유동값이 1.31이 되었다. 이 값은 아스팔트시편의 평균값인 4 내지 5에 비하여 훨씬 적은 값이다. 이러한 결과는 아스팔트포장에 비하여 상당히 많은 아스팔트양이 투입되어도 소성변형에 견딜 수 있는 재료를 만들 수 있음을 시사한다.

도로 및 공항 이외의 기타 응용분야

도로포장재료 이 외의 용도로서 본 발명의 심팔트가 사용될 분야는 다음과 같다.

각 구성성분을 적절히 조절함으로서, 심팔트를 시멘트균열 봉합제, 코우킹 (cauking) 재료, 지붕 싱글 (shingle) 재료, 옥외 보도용 블럭, 실내 바닥재료, 건축칸막이 채움 재료, 제방 및 댐 구축용 재료 등에 사용할 수 있다. 예를 들어, 자연적인 흙 색깔의 실내 바닥재료를 만들고자 할 때, 시멘트, 흙, 계면활성제, 물, 레이텍스를 적당량 혼합하여 만들면 된다. 또한 지붕 기와용 재료를 만들고자 할 때는 시멘트, 모래, 계면활성제, 수용성고분자, 염료를 적정비율로 혼합하여 기와몰드에 부어 경화시켜 여러 가지 색깔의 기와를 만들 수 있다. 여기서 주목할 점은 혼합재료를 만드는 과정에 물이 들어가지만, 경화할 동안 시멘트는 산화칼슘 (칼슘옥사이드 CaO)이 물과 반응하여 수산화칼슘 (칼슘하이드록사이드 Ca(OH)₂)이 되어 딱딱해지고 수용성 고분자, 계면활성제, 레이텍스도 일단 건조가 되면 더 이상 물에 용해되지 않는 방수성 재료가 된다는 사실이다.

지금까지 설명한 본 발명에 따른 심팔트의 핵심적인 내용은 시멘트와 아스팔트 그리고 충진재(다른 재료도 필수적으로 포함됨)를 사용하여 상온에서 혼합하여 도로 및 공항포장용 재료로 이용하다는 데 있다. 또한, 시공에 있어서, 다짐공정 중에 온도를 가함으로써 경화시간을 단축할 수 있으며, 적용분야에 있어서도, 도로 및 공항 포장 이외에, 이상에서 언급한 그밖의 다른 분야에서도 본 발명의 심팔트를 사용할 수 있다.

본 발명에 따른 심팔트는 시멘트와 아스팔트와 유기첨가제를 혼합시켜 시멘트포장과 아스팔트포장의 중간적 성질을 가진 재료로서, 시멘트포장의 단점인 충격에 약한 성질을 보완하기 위하여 아스팔트와 유기첨가제를 섞었고, 아스팔트포장의 단점인 소성변형과 피로균열에 비교적 잘 견딜 수 있도록 시멘트를 넣어 강성을 증가시켰으며 비용절감을 위해 모래나 흙을 첨가하였다.

다시 말해서 시멘트에 아스팔트와 유기혼합체 및 저렴한 충진재를 함께 혼합시켜 시멘트의 강성을 어느 정도 유지시키면서 (소성변형에 도움이 됨), 동시에 탄성의 성질을 증가시켜 (피로균열과 승차감에 도움이 됨), 내유동성과 내충격성을 함께 만족시키는 심팔트 재료를 개발하였다. 또한 이 재료에 함유된 아스팔트와 유기탄성체의 팽창 및 수축능력은 여름과 겨울을 대비한 시멘트포장의 이음새의 필요성을 제거시켜, 본 심팔트는 아스팔트포장과 같이 이음새 없이 연속으로 포장 가능하다. 또한 본 발명의 제조공법은 상온혼합방법을 택함으로서, 유독가스를 배출시켜 환경에 악영향을 주는 고온혼합아스팔트 혼합물 제조법과는 달리, 공해문제를 전혀 발생시키지 않는 장점도 있다.

Claims (3)

1. 아스팔트와 시멘트를 주성분으로 하며, 소정량의 유기첨가제, 계면활성제를 포함하고, 사용시에는 물을 매개로 하며, 충진재로서 굵은 골재, 잔 골재, 흙, 보강섬유중 전부 또는 일부가 추가로 혼합되는 것을 특징으로 하는 심팔트.
2. 유제아스팔트 10∼20중량％에, 시멘트 10∼30중량％, 굵은 골재 30∼60중량％, 흙 또는 잔골재 20∼50중량％, 미량의 보강 섬유재를 포함하는 충진재를 상온에서 혼합하는 공정을 갖는 심팔트 제조방법.
3. 제 2항에 있어서,

   심팔트를 제조하여 포설장비로 도로에 깔고난 후, 다짐공정을 수행하는 데, 이때 온도를 50∼150℃로 가열하면서 다짐을 행하여 경화시간을 단축하는 다짐공정을 추가로 포함하는 심팔트 제조방법.