KR20010105122A

KR20010105122A - 양쪽성 이온 유화 (아스팔트) 바인더 및 고분자 개질바인더 제조법과 이들 바인더를 도로포장에 적용하는 기술

Info

Publication number: KR20010105122A
Application number: KR1020000027139A
Authority: KR
Inventors: 허정도
Original assignee: 홍순주; (주)드림테크
Priority date: 2000-05-19
Filing date: 2000-05-19
Publication date: 2001-11-28

Abstract

본 발명에서 주장하는 새로운 기술이란 양이온, 음이온, 비이온 계면활성제 중, 둘 (양이온-음이온) 또는 세 (양이온-음이온-비이온) 계면활성제를 동시에 이용하여, 물 10-100 중량, 아스팔트 0-70 중량, 열 경화성 또는 열 반응성 고분자 (또는 에멀젼) 0-20 중량정도를 첨가, 혼합, 분산시켜 양쪽성 고분자 개질 유화 (아스팔트) 바인더를 만든다. 이 양쪽성 유화제는 상온 아스팔트포장, 심팔트 포장, 재생 아스팔트포장, 그 외에 건축용도를 위한 아스콘 제조에 사용되어, 도로포장, 간이포장, 보도포장, 건축재료 등에 활용되는 데, 상온 아스팔트포장의 경우 특정 입도분포를 가진 골재 60-97 중량, 시멘트 0-50중량, 첨가제 (흙, 모래, carbon black, 석회분, fly ash, 제강 dust, 골재 미립분, 탄소섬유, 셀루로즈 섬유, 등) 0-50 중량와 양쪽성 유화제 3-20 중량를, 상온 심팔트 포장의 경우 흙-시멘트 혼합물 (흙:시멘트 = 1-10:1) 20-97 중량와 첨가제 (모래, carbon black, 석회분, fly ash, 제강 dust, 골재 미립분, 탄소섬유, 셀루로즈 섬유, 등) 0-20 중량, 양쪽성 유화제3-20 중량, 그리고 필요 시에 특정 입도분포를 가진 골재 30-95 중량를, 재생 아스팔트포장의 경우 분쇄 폐아스콘 50-90 중량, 시멘트 5-50 중량, 첨가제 (흙, 모래, 석회분, carbon black, fly ash, 제강 dust, 골재 미립분, 탄소섬유, 셀루로즈 섬유, 등) 0-20 중량그리고 아스팔트를 포함하고 있거나 없는 양쪽성 (또는 한쪽성) 개질 유화제 3-20 중량를 상온에서 혼합기에 넣고 잘 혼합하여 각각 해당하는 포장용 아스콘을 제조한다. 이 아스콘을 도로에 깔고 다짐을 한 후 도로가열장치를 이용하여 도로를 50-180℃로 가열하여 포장에 남아있는 여분의 수분을 증발시켜 경화를 촉진시킨다. 이 후 다시 다짐을 행하여 골재표면에서의 접착력을 더욱 향상시킨다. 필요하다면, 포장표면에 포그-실 (fog seal)을 행하여 표면이 교통에 의해 마모되는 것을 막을 수도 있다. 이러한 포장은 포장의 주된 문제점인 소성변형이나 피로균열, 그리고 각종 균열에 대한 저항성이 크게 향상될 것으로 기대된다.

Description

양쪽성 이온 유화 (아스팔트) 바인더 및 고분자 개질 바인더 제조법과 이들 바인더를 도로포장에 적용하는 기술{METHOD OF MAKING ION ASPHALT BINDER AND POLYMER-MODIFIED BINDER AND PAVING METHOD OF USING THE EMULSION}

포장에는 가열 아스팔트 포장과 상온 아스팔트 포장으로 나눌 수 있다. 가열 아스팔트포장은 현재 널리 사용되고 있는 포장방법이기는 하지만, 아스팔트와 골재를 혼합할 때 고온 (150-180℃)에서 행하기 때문에 탄산가스나 유독 가스의 배출로 인한 공해문제가 심각하고, 가열비용과 가열설비에 따른 비용도 무시 못한다. 그리고 가열 아스콘이 냉각되기 전에 포장현장까지 운반하여 다짐을 완료해야 하는 온도관리에 대한 제약조건도 있다.

이에 반하여 친수성 상온아스팔트포장의 장점은 첫째, 화재위험이 적고, 둘째, 폭발성 용제가 거의 존재하지 않고, 셋째, 골재표면이 다소 젖어 있어도 접착하는 데에 아무런 문제가 없고, 넷째, 환경 친화적이고, 비용도 저렴한 장점이 있다. 그러나 단점으로서는 가열 아스팔트 포장에 비하여 물이 증발하는 속도가 느려 경화속도가 떨어지고, 물리적 강도 또한 상대적으로 취약한 점등을 들 수 있다. 또한 수용성 계면활성제가 포함되어 있으므로 물에 노출될 때 물과 재결합하여 포장기능에 손상을 가져올 수도 있다. 이러한 문제점들 때문에 많은 장점에도 불구하고 친수성 상온포장은 가열포장에 비하여 현재 사용빈도수 면에서 훨씬 떨어진다.

이러한 상온 아스팔트포장에는 골재와 함께 필수적으로 첨가되는 재료로 친수성 유화 아스팔트 바인더가 있는 데, 이 유화제의 성능에 따라 포장특성이 결정된다. 본 발명은 위에서 지적한 친수성 상온포장의 여러 단점들을 해결하고자 기존의 유화제를 개량 발전시켜 그 성능이 우수한 새로운 개념의 친수성 유화 아스팔트 바인더를 제조하는 기술과 이 유화제를 사용하여 포장하는 새로운 포장방법이 포함된다.

아스팔트 바인더 유화제는 물에 아스팔트를 분산시켜 만드는 데, 이 때 분산제로서 계면활성제가 사용된다. 계면활성제는 이온의 전하에 따라 양이온, 음이온, 비이온으로 각각 나누어지며, 따라서 아스팔트 바인더 유화제도 양이온, 음이온, 비이온으로 구분된다. 이 중 특히 화강암골재 (60-80 가 음이온 성분으로 구성됨)가 주종을 이루는 국내 아스팔트포장에는 거의 양이온 아스팔트 유화제가 주로 사용되고 있다.

아스팔트포장에 사용되는 모든 종류의 골재에는 상대적 차이가 있기는 하지만 단일 이온으로 구성되지 않고, 양이온과 음이온 두 성분으로 구성되어 있다. 예를 들어, 국내의 포장에 흔히 사용되는 화강암에는 음이온 성분이 60-80, 양이온 성분이 20-40를 차지하며, 골재 공극 (air void) 채움재 (filler)로 널리 사용되는 석(회)분에도 음이온 성분이 30-50와 양이온이 50-70로 이루어져 있다. 따라서 아스팔트포장에 들어가는 골재와 채움재에는 양이온과 음이온 성분 둘 다 공존한다. 특히 최근에 개발된 심팔트 (cemphalt) 포장에도 음이온 성분이 주를 이루는 화강암이나 흙 또는 모래이외에 양이온으로 구성된 시멘트가 다량 포함되어 있어 양이온과 음이온 성분 둘 다 공존한다. 또한 자원 재활용과 환경오염 제거를 위한 폐아스팔트 콘크리트의 상온재생에도 다량의 시멘트가 첨가되는 데, 이러한 재생 재료도 양이온과 음이온 그리고 비이온으로 구성되어 있다.

따라서 양이온이나 음이온, 비이온계로 구분되는 단일이온 유화 아스팔트는 유화된 아스팔트표면의 전하와 골재표면의 전하가 틀릴 경우에는 유화상태의 파괴가 빨라져 경화가 촉진되며 아울러 접착력 개선도 성취할 수 있으나, 같을 경우에는 서로 반발하여 골재표면에서의 유화입자 파괴가 거의 이루어지지 않아 그 표면부분에서는 경화가 느리며 접착력 또한 현격히 떨어지는 문제점이 있다. 이러한 이유로 양이온, 음이온, 또는 비이온 중 단일 유화제로는 골재 전체표면의 완전접착을 기대할 수 없기 때문에 친수성 상온 아스팔트포장은, 열에 의해 골재표면 전체를 피막하는 (coating) 가열 아스팔트포장에 비하여, 바람직한 물리적 강도를 성취할 수 없었던 것이 사실이다.

이런 점에서, 세 다른 계면활성제를 동시에 함유하는 복합 (아스팔트) 유화제는 양이온 유화제는 음이온 표면에, 음이온 유화제는 양이온 표면에, 비이온 유화제는 비이온 표면에 각각 작용하여, 유화상태의 파괴가 빨라져 경화가 촉진되며, 아울러 접착력의 개선도 성취할 수 있을 것이다. 이러한 목적을 위하여 양이온이나 음이온 또는 비이온 유화 아스팔트 어느 한쪽을 사용하기보다는 둘 (음이온-양이온, 음이온-비이온, 양이온-비이온) 또는 세 이온 (음이온-양이온-비이온)이 함께 공존하는 복합 유화제를 개발함이 바람직하고 본 발명의 핵심적 내용을 이룬다.

또한 급증하는 중 차량의 주행 하중에 부응하기 위하여, 아스팔트 복합 유제에 포함된 아스팔트강도 만으로 요구되는 포장의 물리적 강도를 만족시키기에는 역부족일 경우가 있다. 고온 아스팔트포장 경우에는 이를 개선하기 위하여 아스팔트에 고분자 (SBS, SBR, LDPE, PS, PU, PVC, 등)를 함께 혼합시켜 고분자 개질 아스팔트를 만들어 사용하고 있다. 상온 아스팔트포장의 경우에도 때때로 SBR 라텍스를 첨가하기도 하지만 여전히 요구되는 포장강도에는 미치지 못하고, 그나마 SBR라텍스 외에는 별다른 고분자가 첨가되지 않는 실정이다.

본 발명은, 필요하다면, 물리적 강도를 높이는 방안의 하나로서, 열경화성 또는 반응성 고분자를 개발된 복합 유화제에 첨가한 후 가열에 의해 고분자와 아스팔트를 경화시키거나 반응시키는 기술도 포함하게 된다. 이러한 방법에 따르면, 경화된 아스팔트와 고분자는 친수성기를 상실하여 물에 불용이 되고, 경화속도와 표면피복에 의한 접착력이 가열에 의해 촉진되며, 이 때 경화속도는 자연 수분증발 때 보다 가열 증발에 의해 훨씬 빠르게 진행된다. 이러한 포장 바인더는 아스팔트와 고강도의 고분자가 함께 공존하고 있어서 아스팔트만 있을 경우보다 물리적 성질 또한 우수하다. 따라서 소성변형이나 피로균열, 그리고 각종 균열에 대한 저항성 또한 크게 향상된다.

상술한 본 발명의 목적은 기존의 양이온, 음이온, 비이온 등, 단일 이온으로구성된 유화 (아스팔트) 바인더 대신에, 새로운 개념으로서 양쪽성 계면활성제를 이용하여 양이온-음이온 또는 양이온-음이온-비이온으로 구성된 모든 양쪽성 이온 유화 (아스팔트) 바인더제조법에 의해 달성된다.

1. 각종 계면활성제의 소개

지금까지의 상업용 유화 아스팔트는 양이온 또는 양이온-비이온 계면활성제로 만든 양이온 유화 아스팔트나, 음이온 또는 음이온-비이온 계면활성제로 만든 음이온 유화 아스팔트가 주종을 이루어 왔다. 그러나 본 발명에서는 처음으로 양이온, 음이온, 비이온, 양(쪽)성이온 계면활성제, 고분자 전해질 등을 각각 적절한 조성비로 조합하여 복합 유화 (아스팔트) 바인더를 제조하는 데 성공하였다. 이 복합 유화 (아스팔트) 바인더를 제조하는 데 사용될 수 있는 각 계면활성제와 고분자 전해질을 소개하면 다음과 같다.

양이온 계면활성제는 주로 질소계의 4차 암모늄염을 말하는 데, 산성영역에서 물에 용해도가 좋고, 양이온의 성질을 나타낸다. 양이온 유화제는 골재와의 부착성이 양호하며, 유화입자의 분해진행도 빨라 교통개방이 비교적 짧은 시간 내에 이루어지므로 선호도가 높지만 음이온 계면활성제에 비하여 유화 안정성이 떨어지는 경향이 있다. 예를 들어, 양이온 계면활성제로서 알킬 4차 암모늄염은 아래와 같다.

이외에도 Alkyl dimethyl Benzyl ammonium chloride, Methyl triethanol-ammonium-methylsulfate dialkylester, Dimethyl Alkyl Amine, 제2급 고급알콜 에톡시 슬페이트, 알긴산 에스텔염, 등등이 있다.

또한 여러 종류의 이미다졸염 (Imidazolinium Methosulfate, Tallow Imidazolinium methosulfate, Oleyl Imidazolinium Quaternary, Tallow Imidazolinium Quaternary) 과 탈로우 아민 유도체 (Tallow alkyl propylene diamine, Polyoxyethylene tallow propylene diamine, Quaternary ammonium salt ethoxylated tallow alkyl propylene diamine)도 양이온 계면활성제이다. 여기서 언급한 화합물 이외에도 모든 종류의 양이온 계면 활성제가 본 발명의 유화제를 만드는 데 포함된다. 또한 PH 조절용으로 염산, 초산 등이 사용되고 PH가 5-6으로 비교적 높으면 골재와의 부착력이 뛰어나고, PH가 낮으면 안정성이 좋은 유제가 얻어진다. 또 저장안정성의 향상을 위한 점도 조절용으로 염화칼슘이나 염화마그네슘이 유제에 비해 0.1정도 통상 첨가된다.

비이온성 계면활성제의 특징은 아스팔트 성질에 적정한 HLB의 유화제를 얻게 해 준다는 점이다. 그러나 골재에 대한 흡착력, 시공후의 유화파괴력이 불량하기 때문에 단독으로 사용하지 않고 양이온이나 음이온과 병용하여 사용한다.

비이온 유화제로서는 폴리옥시에칠렌알킬에텔 유도체 (Polyoxyethylenealkylether derivatives), POE-Alkylaryl Ether, POE high fatty acid Ester, 폴리옥시에칠렌노닐페닐에텔 유도체 (Polyoxyethylenenonylphenylether derivatives), 폴리옥시에칠렌알킬아민 유도체 (Polyoxyethylenealkylamine derivatives), 폴리옥시에칠렌알킬에스텔 유도체 (Polyoxyethylenealkylester derivatives), 폴리옥시에칠렌캐스터유 유도체 (Polyoxyethylene castor oil derivatives), 솔비탄 지방산 유도체 (sorbitanfatty acid ester derivative), 폴리옥시에칠렌글리콜 유도체 (Polyoxyethyleneglycol derivatives) 등이 있다. 여기서 언급한 화합물 이외에도 모든 종류의 비이온 계면 활성제가 본 발명의 유제를 만드는 데 포함된다.

음이온 계면활성제는 저가로 유화가 용이하지만 골재와의 부착성이 나쁘고 경화속도가 더뎌서 상온아스팔트포장에 음이온 계면활성제 단독으로는 많이 사용되지 않는 편이다. 음이온 계면활성제의 예로서 수지산나트륨염, 리그닌슬폰산알카리금속염, Naphthalene Sulfonic acid 와 Formaldehyde Condensation, Alkyl Naphthalene 유도체, Chlorobenzene 유도체, Alkylaryl Sulfonate, 고급지방산알카리금속염, 알킬벤젠슬폰산염, 알파-올레핀슬폰산염, 폴리옥시에칠렌알킬페닐에텔류, 알킬아릴슬폰산나트륨류, Alkyl Phosphate, Sodium (POE) Alkyl Aryl Ether Sulfate, Ammonium (POE) Alkyl Aryl Ether Sulfate 류 (1-nonyl-phenoxy-2-polyoxy-ethylene-3-allyl-oxy-propane-ammonium-sulfate, 1-nonyl-phenoxy-2-polyoxy-ethylene-3-ammonium-sulfate, 등), Sodium Di℃tyl Sulfosuccinate, 등등이 있다. 여기서 언급한 화합물 이외에도 모든 종류의 음이온 계면 활성제가 본 발명의 유화제를 만드는 데 포함된다.

고분자 전해질 (Polyelectrolyte)은 음이온이나 양이온 전하가 계면활성제에 비하여 고분자를 구성하고 있는 단량체 (monomer)의 전체 수 (적게는 수천 개에서 많게는 수백만 개) 만큼이나 많이 존재함으로, 전기적으로 강력한 음이온이나 양이온 특성을 지닌다. 따라서, 반대 전하를 띄는 물체를 만나면 강력한 부착력을 보이게 되는 데, 본 발명에서는 이러한 성질을 활용하여 접착력을 향상시키기 위해고분자 전해질을 0.1-3 중량첨가하기도 한다.

고분자 전해질도 계면활성제와 마찬가지로 음이온, 양이온, 비이온 전해질로 구분할 수 있다. 음이온 고분자 전해질로는 폴리아크릴산나트륨 (Poly-sodium- acrylate), 폴리스티렌슬폰산나트륨 (Poly-styrene-sodium-sulfonate), 말레인산비닐메틸에테르공중합물 (maleic acid-vinyl methyl ether copolymer), 아르긴산나트륨 (alginic acid sodium salt), carboxy-methyl-cellulose (CMC), maleic acid-vinyl acetate copolymer, 등이 있다. 양이온 고분자 전해질로는 아닐린수지 (poly-anilin), poly-thio-urea, poly-vinyl-benzyl-tri-methyl-ammonium-chloride, poly-ethylene-imine, 키토젠, polyhexa-methlene-polyimine, polyvinyl-pyridine-butyl-bromide, polyacryl-hydrazine-ammonium-chloride, 등이 있다. 그리고 비이온 고분자 전해질로는 polyoxy-ethylene, polyacryl-amide, polyvinyl-alcohol, urea resine, 수용성 전분 (water-soluble starch), gelatin, 등을 들 수 있다. 여기서 언급한 화합물 이외에도 모든 종류의 고분자 전해질이 본 발명의 유화제를 만드는 데 포함된다.

양이온 아스팔트 유제에 음이온 계면활성제를 함께 첨가하면, 전하의 불안정을 유발하여 아스팔트의 유화상태가 파괴되고 침전물이 형성된다. 이러한 문제 때문에 양(쪽)성이온 유화 아스팔트 제조가 지금까지 불가능 하였다. 이를 해결하기 위하여 본 발명에서는 양이온 아스팔트 유화제에 아스팔트 함량 기준으로 양(쪽)성이온 계면활성제 (amphoteric surface active agents) 0.1-3 중량백분율을 배합한 후 음이온 계면활성제를 첨가하였다. 이렇게 하여 물에 분산되어 있는 유화입자의안정성을 계속 유지시키는 데 성공하였다.

양(쪽)성 계면활성제는 크게 4가지 종류로 분류할 수 있는 데, 이를 나열하면 다음과 같다. 첫째가 베타인형 (-CH(N+(CH3)3)COO-)으로 미리스틸 베타인, N-℃tadecyl Oxymethyl-N,N-Dimethyl Betain, N-℃tadecyl Oxymethyl-N,N-Diethyl Betain, 등이 있다. 둘째가 글리신형 (-NH-CH2-COOH)으로 주로 살균 소독제 용도로 사용되는 데, C12H25-(NH-CH2-CH2)2-NH-CH2-COOHHCl, (C8H17- NH-CH2-CH2)2N- CH2-COOHHCl 등이 있다. 셋째가 알라닌형 (-NH-CH2-CH2-COOH)으로 C12H25-NH- CH2-CH2-COOHHCl 등이 있다. 넷째가 Sulfobetain 형 (-NH-SO3H)으로 C17H35-NH(HCl)-CH2-CH2-SO3Na, C17H35-NH(HCl)-CH2-C6H4-SO3Na 등이 있다. 여기서 언급한 화합물 이외에도 모든 종류의 양쪽성이온 계면 활성제가 본 발명의 유화제를 만드는 데 포함된다.

2. 양쪽성 유화 아스팔트 바인더의 제조

본 발명은 침입도 80-100 (또는 110-130)인 아스팔트 0-65 중량백분율에 물 35-95 중량백분율을 섞고, 함유 아스팔트양 기준으로 양이온 (또는 음이온) 계면활성제 0.1-3 중량백분율과 비이온 계면활성제 0.1-3 중량백분율을 첨가하여 잘 분산시켜 양이온 (또는 음이온) 수성 아스팔트 유화제를 만든다. 이 양이온 (또는 음이온) 유화제에 아스팔트 함량 기준으로 양(쪽)성이온 계면활성제 (amphoteric surface active agents) 0.1-2 중량백분율과 음이온 (또는 양이온) 계면활성제0.1-3 중량 백분율을 배합하여 양쪽성 수성 유화 아스팔트를 만든다. 이 양쪽성 수성 유화 아스팔트에, 필요 시, 친수성 고분자 전해질을 0 - 20 중량정도 혼합하여 최종 원하는 유화 아스팔트를 완성시킨다.

3. 친수성 고분자 개질 양쪽성 유화 아스팔트의 제조

위 2에서 제조한 양쪽성 이온 유화제에다 3-20 중량정도의 친수성 고분자나 접착용 에멀젼을 첨가한 후 고분자 개질 유화제를 만든다. 이 때 사용되는 친수성 고분자의 대부분은 그 분자내에 친수기를 도입함으로써 수용성으로 만든 것이다. 그 구조는 카르복실기나 수산기를 과잉으로 함유한 것으로, 이 유리 카르복실기가 암모니아나 유기 아민에 중화되면 수용성 염이 된다. 그러나 이 염을 가열하면 분해하여 암모니아나 아민을 방출하고 물에 불용인 고분자로 다시 변한다는 점이 본 발명에 적용되고 있다. 수용성 고분자는 물을 용제로 하고 있지만, 물 외에도 고분자의 수용화 촉진과 물과의 표면장력 저하 등을 목적으로 알코올, 에틸렌글리콜, 에스테르계의 수용성 용제를 물량의 0.1-10 중량가량 포함할 수도 있다.

본 발명에서 언급한 친수성 고분자와 접착용 에멀젼의 예는 다음과 같다.

수용성 알키드수지

무수프탈산-펜타에리스리톨계 또는 무수트리멜리트산-글리콜아디핀산계의 축중합물로서, 산가 50-70 정도의 것을 암모니아나 아민으로 중화한 것이 대표적이다. 주로 수용성 아민수지 (수용성 요소 및 멜라민 수지))나 페놀수지와 합해서 사용한다. 이 때, 알키드 멜라민계 수지는 120-150℃에서, 알키드페놀계는 150-170℃에서 경화한다.

수용성 멜라민수지

트리-메티롤멜라민과 메탄올에 oxalic acid를 첨가하여 가열 반응시켜, 냉각 후 농축하여 메탄올을 제거한 후 아민으로 PH 7-8 정도로 한 것이다.

수용성 요소수지

중황산과 요소 또는 티오요소를 알데히드와 반응시킨 뒤 알킬화하여 아민으로 PH를 올려 수용성이 되게 한 것이다.

수용성 페놀수지

페놀과 포르말린을 알카리 촉매 하에서 반응시켜 수용성으로 한 수지이다. 알키드 수지와의 상용성을 좋게하기 위해, 알킬페놀의 축합물이 사용되는 경우도 있다,

수용성 아크릴수지

아크릴 에스테르, 스티렌, 아크릴산, 말레인산, 메타크릴산등을 적당히 공중합시켜, 산기를 암모니아 또는 아민의 염으로 수용화한 수지이다. 아크릴계는 아미노수지와 병용하여 경화시키거나 또는 아크릴수지 중의 카르복실기와 에폭시기의 자기반응에 의해 경화한다. 부착온도는 약 150℃의 것이 많다.

수용성 에폭시수지

스티렌-말레인산, 아크릴산에스테르-아크릴산, 아크릴산에스테르-아크릴아미드 등의 공중합수지를 아민으로 중화하고, 이 것에 수용성 에폭시수지를 첨가한 것으로, 부착온도는 150-180℃로 높지만, 수지의 종류, 중화제나 PH등의 조절에 의해 약 120℃까지 내릴 수 있다.

수용성 폴리부타디엔수지

요오드가가 높고 2중결합을 많이 포함한 폴리부타디엔에 무수말레인산, 푸마르산 등의 불포화 2염기산을 반응시켜 산기를 도입하고 이것을 아민으로 중화한 것이다.

반응성 음이온 계면활성제

음이온 계명활성제의 말단에 불포화기를 가진 Ammonium Polyoxyethylene Alkyl Aryl Ether Sulfate 류 화합물로서 온도를 80℃ 이상 가열하면 불포화기가 열려 유리 라디컬이 되고 주변의 다른 분자와 반응하여 물에 불용이 된다.

수용성 에멀젼 접착제

음이온, 양이온, 또는 비이온으로 된 모든 수용성 접착제 (제지용, 페인트용, 목공용, 벽지용, 몰탈용, 방수용, 타일용, 등)를 포함한다. 예를 들어, 수성 아크릴수지 공중합 에멀젼 바인더, 폴리비닐아세테이트 에멀젼 바인더, 각종 라텍스 접착제, 등등이다.

본 발명에서 주장하는 고분자 개질 아스팔트 조성물의 예를 들면 다음과 같다.

조성물 1

양쪽성이온 아스팔트 유화제 ------ 85 중량

수용성 알키드수지 ------ 9.9중량

수용성 요소수지 ------ 5중량

폴리스티렌슬폰산나트륨 ----- 0.1 중량

조성물 2

양쪽성이온 아스팔트 유화제 ------- 92 중량

polyvinyl-pyridine-butyl-bromide -------- 0.2 중량

수용성 폴리부타디엔수지 ---- 7.8 중량

4. 기능성 고분자 개질 양쪽성 유화 아스팔트의 제조

위 2에서 제조한 양쪽성 이온 유제에다 3-20 중량정도의 기능성 고분자를 첨가하여 고분자 개질 유제를 만든다. 기능성 고분자를 첨가할 경우에는, 무수산 (maleic anhydride, succinic anhydride, phthalic anhydride, trimellitic anhydride, pyromellitic dianhydride, etc.) 또는 이중 산 (malic acid, fumaric acid, succinic acid, adipic acid, oxalic acid, citric acid, sebacic acid, phthalic acid, 등)을 전체 무게의 0.1-5 중량와 과산화 반응제 (hydrogen peroxide, benzoyl peroxide, azobisisobutyronitrile (AIBN), methyl-ethyl-keton-peroxide (MEKP), t-butyl-peroxy-benzoate, di-cumyl di-iso-propyl-peroxy-di-carbonate, 등)를 소량 첨가한다.

기능성 고분자를80-180℃로 가열하면, 반응 개시제와 반응하여 인접한 고분자들 간에 망상구조가 형성된다. 이러한 망상구조로 인하여 친수성 고분자가 물에 불용인 고분자로 됨과 동시에 역학적 강도 또한 증진된다. 이 방법에 사용되는 기능성 고분자의 대부분은 그 분자내에 카르복실기 (-COOH)나 수산기 (-OH), 아민기 (-NH2), 또는 불포화 쇄 (-CH=CH-)를 함유한 것이어야 한다. 분자내에 존재하는 이러한 기능성 구룹이 가열 중 반응하여 분자 간에 망상구조를 형성한다. 수용성 고분자는 물을 용제로 하지만, 물 이외에도 고분자의 수용화 촉진과 물과의 표면장력 저하 등을 목적으로 알코올, 에틸렌 글리콜, 에스테르계의 수용성 용제를 물량의 0.1- 20 중량가량 함유할 수도 있다. 본 발명에서 언급한 기능성 고분자의 예는 다음과 같다.

유리 라디컬 반응 (free radical reaction)과 축중합 반응 (condensation reaction)

불포화 고분자와 아마이드계열 고분자 (polyacrylamide, polythiourea resine, melamine resine, polyaniline, 등)를 1:1의 비율로 하여 아스팔트 함량대비 3-20 중량정도를 양쪽성이온 아스팔트 유제에 첨가하고, 무수 산 또는 이중 산을 아스팔트 함량대비 0.1-5 중량와 반응개시제 소량을 추가로 첨가 혼합하여 기능성 고분자 개질 아스팔트 유제를 제조한다. 여기서 불포화 계열 고분자라 함은 불포화 폴리에스텔 (unsaturated polyester), 수용성 폴리뷰타디엔 (polybutadiene),SBR 라텍스 (styrene-butadiene-styrene rubber latex), 폐타이어 고무분말 (crumb rubber), 각종 고무분말 (rubber powders) 등과 같은 모든 불포화 쇄를 가진 수용성 고분자 또는 불용성 고분자 칩을 포함한다. 이러한 유제 중의 불포화 고분자는 가열하면 반응 개시제에 의해 불포화 쇄가 열려 그 부분에 유리 라디컬이 생기고, 이 라디컬이 무수산이나 이중산과 결합하여 카르복실산기를 가진 고분자로 변한다. 이 카르복실산 고분자는 가열 중에 인접한 아마이드 고분자와 축중합 반응을 일으켜 물에 불용인 망상구조의 고분자가 만들어 진다.

다음은 이 기술에 대한 조성물을 예로 든 것이다.

조성물 3

양쪽성이온 아스팔트 유제 ----- 85 중량

폴리아크릴아마이드 ---- 0.5중량

불포화폴리에스텔 ----- 7.0 중량

SBR 라텍스 ----- 5.0 중량

무수말레인산 ----- 2.5 중량

MEK Peroxide ----- 소량

조성물 4

양쪽성이온 아스팔트 유제 ------- 92 중량

SBR 라텍스 ----- 7.5 중량

Adipic acid ----- 2.5 중량

Benzoyl Peroxide ----- 소량

나. 축중합 반응

카르복실산 계 고분자와 아마이드계 고분자 (또는 디아민 화합물)

양쪽성 아스팔트 유제에 첨가 가능한 카르복실산 계열 고분자로서 폴리아크릴산나트륨 (polysodiumacrylate), 폴리알긴산나트륨 (polyalginic acid sodium salt), 말레인산-초산비닐 공중합체 (maleic acid-vinyl acetate copolymer) 등이 있다. 이러한 수용성 고분자와 아마이드계열 고분자 (polyacrylamide, poly(thio)urea resine, melamine resine, polyaniline, 등) 또는 디아민 화합물 (hexamethylenediamine, ethylene diamine, aniline, 등)을 1:1 (또는 1:2.8)의 비율로 하여 아스팔트 함량대비 3-20 중량정도를 양쪽성 이온 아스팔트 유제에 첨가 혼합하여 기능성 고분자 개질 아스팔트 유제를 제조한다. 이러한 유제 중의 카르복실산기 (-COOH)와 아민기 (-NH2)는 높은 온도가 되도록 가열하면 축중합 반응을 일으켜 물에 불용인 망상구조의 고분자를 만든다.

카르복실산 계 고분자와 알코올계 고분자 (또는 디알코올 화합물)

위에 언급한 카르복실산 계열 고분자와 수용성 알코올계열 고분자(polvinylalcohol, polyphenol, sodium cellulose methyl carboxylate, 등) 또는 디알코올 화합물 (ethylene glycol, butylglycol, decylglycol, dodecylglycol, 등)을 1:1의 비율로 하여 아스팔트 함량대비 3-20 중량정도를 양쪽성 이온 아스팔트 유제에 첨가 혼합하여 기능성 고분자 개질 아스팔트 유제를 제조한다. 이러한 유제 중의 카르복실산기 (-COOH)와 알코올기 (-OH)는 고온에서 축중합 반응을 일으켜 물에 불용인 망상구조의 고분자를 만든다.

아마이드계 고분자 (또는 알코올계 고분자)와 디카르복실 화합물

위에 언급한 아마이드계 고분자 (또는 알코올계 고분자)와 디카르복실 화합물 (oxalic acid, adipic acid, sebacic acid, terephthalic acid, 등)을 1:2.8의 비율로 하여 아스팔트 함량대비 3-20 중량정도를 양쪽성 이온 아스팔트 유제에 첨가 혼합하여 기능성 고분자 개질 아스팔트 유제를 제조한다. 이러한 유제 중의 아마이드기 (-NH2) 또는 알코올기 (-OH)는 카르복실산기 (-COOH)와 고온에서 축중합 반응을 일으켜 물에 불용인 망상구조의 고분자를 만든다. 축중합 반응은 반응을 촉진시키기 위하여 metal oxides, acetates, 그리고 황산이 촉매로 사용된다.

조성물 5

양쪽성이온 아스팔트 유제 ----- 90 중량

폴리아크릴산나트륨 ----- 2.5 중량

불포화폴리에스텔 ----- 5.0 중량

말레인산 ----- 0.5 중량

MEKP ----- 소량

폴리아크릴아마이드 ----- 0.2 중량

헥사메칠렌디아민 ----- 1.8 중량

수산화 철 ----- 소량

조성물 6

양쪽성이온 아스팔트 유제 ------- 89.5 중량

폴리아크릴산나트륨 ----- 3.0 중량

불포화폴리에스텔 ----- 5.0 중량

말레인산 ----- 0.5 중량

디큐밀 peroxide ----- 소량

decylglycol ----- 1.5 중량

sodium cellulose methyl carboxylate --- 0.5 중량

조성물 7

양쪽성이온 아스팔트 유제 ----- 90.5 중량

폴리아크릴아마이드 ----- 1.0 중량

폴리페놀수지 ----- 1.0 중량

불포화폴리에스텔 ----- 5.0 중량

말레인산 ----- 1.5 중량

디큐밀 peroxide ----- 소량

adipic acid ----- 1.0 중량

수산화 철 ----- 소량

5. 포장 시공 방법

가. 상온 아스팔트 포장

상온 아스팔트포장의 경우 특정 입도분포를 가진 골재 60-97 중량, 시멘트 0-40중량, 첨가제 (흙, 모래, carbon black, 석회분, fly ash, 제강 dust, 골재 미립분, 탄소섬유, 셀루로즈 섬유, 등) 0-20 중량, 그리고 위의 2, 3, 혹은 4에서 제조된 특정 양쪽성 개질 유화 (아스팔트) 바인더 0-20 중량를 혼합기에 넣고 상온에서 잘 혼합하여 포장용 아스콘을 제조한다. 이 아스콘을 도로에 포설하고 다짐을 행한다. 보통의 상온 아스팔트 포장의 경우, 이 공정 후 며칠 간 경화시간을 부여하고 그 후 교통을 개방한다. 그러나, 본 발명의 경우, 다짐이 완료된 후 도로가열장치를 이용하여 도로를 80-180℃로 적당한 시간동안 가열하여 포장에 남아있는 여분의 수분을 증발시켜 경화시간을 단축시킨다. 또한, 가열 후, 다시 다짐을 행하여 골재표면에서의 접착력 향상을 도모한다. 필요하다면, 포장표면에 포그-실 (fog seal)을 행하여 표면이 교통에 의해 마모되는 것을 막을 수도 있다. 이러한 포장은주요 포장 문제점인 소성변형이나 피로균열, 그리고 각종 균열에 대한 저항성을 크게 향상시킬 것으로 기대된다.

나. 상온 심팔트 포장

상온 심팔트 포장의 경우 흙-시멘트 혼합물 (흙:시멘트 = 1-10:1) 20-95 중량와 첨가제 (모래, carbon black, 석회분, fly ash, 제강 dust, 골재 미립분, 탄소섬유, 셀루로즈 섬유, 등) 0-20 중량, 그리고 위의 2, 3, 혹은 4에서 제조된 특정 양쪽성 개질 유화 (아스팔트) 바인더 3-20 중량, 또한 필요하다면 특정 입도분포를 가진 골재 30-95 중량를, 상온에서 혼합기에 넣고 잘 혼합하여, 포장용 심팔트 아스콘을 제조한다. 이 아스콘을 도로에 깔고 다짐을 한 후 도로가열장치를 이용하여 도로를 50-180℃로 가열하여 포장에 남아있는 여분의 수분을 증발시켜 경화를 촉진시킨다. 이 후 다시 다짐을 행하여 골재표면에서의 접착력을 더욱 향상시킨다. 필요하다면, 포장표면에 포그-실 (fog seal)을 행하여 표면이 교통에 의해 마모되는 것을 막을 수도 있다. 이러한 포장은 포장의 주된 문제점인 소성변형이나 피로균열, 그리고 각종 균열에 대한 저항성이 크게 향상될 것으로 기대된다.

다. 상온 재생 아스팔트 포장

상온 재생 아스팔트포장이란 폐아스팔트 콘크리트를 재생하여 재포장한 것을말하며, 이에 대한 본 발명의 특징은 이미 폐아스팔트 콘크리트 내에 아스팔트가 존재함으로 여기서 주장하는 유화제는 아스팔트를 포함할 수도 안 할 수도 있다는 것이다. 따라서 본 발명에서 주장하는 상온 재생 아스팔트 포장용 유화제는 앞서 2, 3, 4에서 언급한 양쪽성이온 유화제 이외에도 음이온, 양이온, 또는 비이온으로 된 모든 수용성 접착제 (제지용, 페인트용, 목공용, 벽지용, 몰탈용, 방수용, 타일용, 등)를 포함한다. 예를 들어, 수성 아크릴수지 공중합 에멀젼 바인더, 폴리비닐아세테이트 에멀젼 바인더, 각종 라텍스 접착제, 등등이다.

이 경우 분쇄 폐아스콘 40-90 중량, 시멘트 5-50 중량, 첨가제 (흙, 모래, 석회분, carbon black, fly ash, 제강 dust, 골재 미립분, 탄소섬유, 셀루로즈 섬유, 등) 0-20 중량그리고 위 문단에서 언급한 유화제 3-20 중량를 상온에서 혼합기에 넣고 잘 혼합하여 재생 포장용 아스콘을 제조한다. 이 아스콘을 도로에 깔고 다짐을 한 후 도로가열장치를 이용하여 도로를 50-180℃로 가열하여 포장에 남아있는 여분의 수분을 증발시켜 경화를 촉진시킨다. 이 후 다시 다짐을 행하여 골재표면에서의 접착력을 더욱 향상시킨다. 이러한 가열과 재 다짐공정은 필요에 따라 언제든지 삭제할 수도 있다. 그리고, 원한다면, 포장표면에 포그-실 (fog seal)을 행하여 표면이 교통에 의해 마모되는 것을 막을 수도 있다. 이러한 포장은 포장의 주된 문제점인 소성변형이나 피로균열, 그리고 각종 균열에 대한 저항성이 크게 향상될 것으로 기대된다.

실시예 1

상온 아스팔트포장에서는 골재 77 중량(입도분포는 표 1을 참조바람), 시멘트 15 중량, 양쪽성 이온 개질 유제 (조성물 3) 8 중량를 혼합기에 투입하고 상온에서 3분 동안 잘 혼합하여 포장용 아스콘을 제조한다. 이 아스콘 1250 그램을 마샬 몰드에 채워넣고 한 면에 50번씩 윗면과 아랫면 양면 다짐을 실시하여 마샬 시편을 만들었다.

표 1. 입도 분포도

밀입도 아스팔트 콘크리트
통과중량백분율()	26.5 mm	100
	19.0 "	95-100 "
	13.2 "	75-90 "
	4.75 "	45-65 "
	2.36 "	35-50 "
	600미크론	18-30 "
	300 "	10-21 "
	150 "	6-16 "
	75 "	4-8 "

이 시편을 몰드에 든 채로 130℃의 건조로에 넣고, 30분 동안 가열한 후에 꺼내어 냉각시킨 후 몰드를 탈형하였다. 탈형 후24시간 경과된 시편을 60℃의 온탕 속에 30분간 담구었다가 꺼내서 바로 마샬시험을 수행하였다. 그 결과 마샬 안정도 값이 1650이 되었으며, 이 값은 기층 (요구값 350)은 물론이고, 표층 (750)의 마샬안정도 값을 충분히 만족시켰다. 이러한 결과는 양쪽성 이온 열경화성 고분자 개질 아스팔트 유제를 사용한 상온포장은 기존의 상온포장과는 달리 기층이나 표층재료로 사용하는 데 아무런 문제가 없음을 시사하고 있다.

실시예 2

상온 심팔트포장에서는 흙-시멘트 혼합물 (흙:시멘트 = 6:1) 92 중량와 양쪽성 이온 개질 유제 (조성물 1) 8 중량를 혼합기에 투입하고 상온에서 3분 동안 잘 혼합하여 포장용 아스콘을 제조한다. 이 아스콘 1250 그램을 마샬 몰드에 채워넣고 한 면에 50회씩 윗면과 아랫면 양면 다짐을 실시하여 마샬 시편을 만들었다. 이 시편을 몰드에 든 채로 130℃의 건조로에 넣고, 30분 동안 가열한 후에 꺼내어 냉각시킨 후 몰드를 탈형하였다. 탈형 후24시간 경과된 시편을 60℃의 온탕 속에 30분간 담구었다가 꺼내어 바로 마샬시험을 수행하였다. 그 결과 마샬 안정도 값이 1450이 되었으며, 이 값은 기층 (요구값 350)은 물론이고, 표층 (750)의 마샬안정도 값을 충분히 만족시켰다. 이러한 결과는 양쪽성 이온 열경화성 고분자 개질 아스팔트 유제를 사용한 심팔트 포장은 기존의 상온포장과는 달리 기층이나 표층재료로 사용하는 데 아무런 문제가 없음을 시사하고 있다.

실시예 3

재생 아스팔트포장에서는 표 1의 입도분포를 가진 분쇄 폐 아스팔트 77 중량와 시멘트 15 중량그리고 양쪽성 이온 개질유제 (조성물 5) 8 중량를 혼합기에 투입하고 상온에서 3분 동안 잘 혼합하여 포장용 재생 아스콘을 제조한다. 이 아스콘 1250 그램을 마샬 몰드에 채워넣고 한 면에 50회씩 윗면과 아랫면 양면 다짐을 실시하여 마샬 시편을 만들었다. 이 시편을 몰드에 든 채로 150℃의 건조로에 넣고,30분 동안 가열한 후에 꺼내어 냉각시킨 후 몰드를 탈형하였다. 탈형 후24시간 경과된 시편을 60℃의 온탕 속에 30분간 담구었다가 꺼내어 바로 마샬시험을 수행하였다. 그 결과 마샬 안정도 값이 1750이 되었으며, 이 값은 기층 (요구값 350)은 물론이고, 표층 (750)의 마샬안정도 값을 충분히 만족시켰다. 이러한 결과는 양쪽성 이온 열경화성 고분자 개질 아스팔트 유제를 사용한 재생 포장은 기존의 상온포장과는 달리 기층이나 표층재료로 사용하는 데 아무런 문제가 없음을 시사하고 있다.

본 발명에서는 가열에 의해 경화하는 고분자를 함유 또는 함유하지 않는 새로운 양쪽성 이온 유제 제조법을 처음으로 소개하였다. 그리고 이 유제를 이용하여 신규골재, 시멘트, 흙, 폐 아스팔트, 첨가제 (모래, 석회분, carbon black, fly ash, 제강 dust, 골재 미립분, 탄소섬유, 셀루로즈 섬유, 등) 중 일부 또는 전부를 적정량 혼합하여 아스콘을 제조, 도로상에 포설 및 다짐을 행한 후, 다져진 도로를 가열하여 경화 시킨다는 새로운 포장개념도 소개하였다. 이 발명의 효과로서는 환경 친화적인 상온포장기법을 도로포장에 적용하여, 가열 포장방법과 비교할 때, 환경문제뿐만 아니라 포장 공용성 문제에 있어서도 더욱 우수하고 경쟁력 있는 기술을 만들었다는 점이다. 구체적으로 말해서, 양쪽성 이온에 의해 계면에서의 접착력을 증진시켰으며, 가열 경화에 의해 물에 불용인 재료를 만들었고, 가열에 의해 수분증발과 더불어 신속한 경화를 유도하였으며, 가열 후 다짐에 의해 재료 간의 접착력을 더욱 향상시켰다. 그 결과로서, 포장강도가 크게 증진되어 포장 공용성 문제해결에 상당한 도움이 예상된다. 또한 이 방법에 의하면, 고온포장방법에서처럼 아스콘을 제조하기 위한 가열혼합 설비가 필요 없고 가열된 아스콘이 냉각되기 전에 포장시공을 마쳐야 하는 제약조건도 요구되지 않는다. 따라서 이 방법은 가열혼합방법과 비교하여 포장경비도 훨씬 절약된다. 이러한 여러 장점 때문에, 본 발명에서 제시한 기술이 미래 도로포장에 널리 사용되리라 기대 된다.

Claims

기존의 양이온, 음이온, 비이온 등, 단일 이온으로 구성된 유화 (아스팔트) 바인더 대신에, 새로운 개념으로서 양쪽성 계면활성제를 이용하여 양이온-음이온 또는 양이온-음이온-비이온으로 구성된 모든 양쪽성 이온 유화 (아스팔트) 바인더제조법.
제 1항에 있어서,

상기 양쪽성 유화 (아스팔트) 바인더에, 가열하면 분해하여 암모니아나 아민을 방출하고 물에 불용이 되는 친수성고분자나 건조되면 경화하여 물에 불용이 되는 수용성 에멀젼 접착제를 첨가하여 새로운 유화제를 제조하는 방법.( 이 때 사용되는 친수성 고분자는 본 발명에서 언급하지 않았더라도 가열이나 상온 반응에 의해 물에 불용이 되는 모든 친수성 고분자나 에멀젼 (emulsion)을 포함함).
제 1항에 있어서,

상기 양쪽성 유화 (아스팔트) 바인더에, 가열하면 반응개시제와 반응을 일으켜 물에 불용이 되는 친수성 고분자와 반응제를 첨가하여 새로운 유화제를 제조하는 방법.(이 때 사용되는 친수성고분자는 본 발명에서 언급하지 않았더라도 가열에 의해 반응을 일으키는 모든 친수성고분자나 이멀젼 (emulsion)을 포함함).
제 1항 내지 제 3항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 유화제로 아스콘을 만들고 포설 및 다짐을 행한 후, 포장을 가열하여 유제의 경화속도 촉진과 경화시간 단축을 유도하고, 또한 골재와 바인더 간의 접착력도 증진시키고, 포장 속의 유기화합물이 물에 불용이 되게 만드는 가열공정 방법.
제 4항에 있어서,

상기 가열공정을 거쳐 경화속도를 촉진시키고 나서, 다시 재다짐을 행하여 재료 구성 인자들 간의 접착력을 더욱 증진시키는 방법.
특정 입도분포를 가진 골재, 시멘트, 첨가제 (흙, 모래, 석회분, carbon black, fly ash, 제강 dust, 골재 미립분, 탄소섬유, 셀루로즈 섬유, 등) 및 상기 청구항 1, 2, 또는 3항에서 제조된 특정 양쪽성 개질 유화 (아스팔트) 바인더를 적절한 비율로 상온에서 혼합기에 넣고 잘 혼합하여 신규 포장용 아스콘을 제조한 후, 이 아스콘을 도로에 깔고 다짐을 행하여 원하는 밀도까지 만들고, 청구항 4에서 언급하였듯이 도로가열장치를 이용하여 도로를 50-180℃로 가열하여 포장에 남아있는 여분의 수분을 증발시켜 경화를 촉진시키며 이 후 청구항 5에서 주장한 바와 같이 재 다짐을 행하여 골재표면에서의 접착력을 더욱 향상시키는 상온 신규 아스팔트 포장방법.
흙-시멘트 혼합물, 첨가제 (흙, 모래, 석회분, carbon black, fly ash, 제강 dust, 골재 미립분, 탄소섬유, 셀루로즈 섬유, 등), 그리고 상기 청구항1, 2, 또는 3항에서 제조된 특정 양쪽성 개질 유화 (아스팔트) 바인더, 또한 필요하다면 특정 입도분포를 가진 골재를 적절한 비율로 상온에서 혼합기에 넣고 잘 혼합하여, 포장용 심팔트 아스콘을 제조한 후, 이 아스콘을 도로에 깔고 다짐을 행하여 원하는 밀도까지 만들고, 청구항 4에서 언급한 바와 같이 도로가열장치를 이용하여 다짐이 완료된 도로를 50-180℃로 가열하여 포장에 남아있는 여분의 수분을 증발시켜 경화를 촉진시키며 이 후 청구항 5에서 주장한 재 다짐을 행하여 골재표면에서의 접착력을 더욱 향상시키는 상온 심팔트 포장방법.
절삭 또는 분쇄한 폐 아스콘, 시멘트, 첨가제 (흙, 모래, 석회분, carbon black, fly ash, 제강 dust, 골재 미립분, 탄소섬유, 셀루로즈 섬유, 등), 그리고 상기 청구항1, 2, 또는 3항에서 제조된 특정 양쪽성 개질 유화 (아스팔트) 바인더를 적절한 비율로 상온에서 혼합기에 넣고 잘 혼합하여 재생 포장용 아스콘을 제조한 후, 이 아스콘을 도로에 깔고 다짐을 행하여 원하는 밀도까지 만들고, 청구항 4에서 언급한 도로가열장치를 이용하여 다짐이 완료된 도로를 50-180℃로 가열하여 포장에 남아있는 여분의 수분을 증발시켜 경화를 촉진시키며 이 후 청구항 5에서 주장한 재 다짐을 행하여 골재표면에서의 접착력을 더욱 향상시키는 상온 재생 아스팔트 포장방법.