KR20020097187A - 웜 발포 믹스 아스팔트 조성물의 제조 방법 및 제조 시스템 - Google Patents

웜 발포 믹스 아스팔트 조성물의 제조 방법 및 제조 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 골재 과립 물질을 연질 바인더와 혼합하고, 상기 혼합된 골재 과립 물질에 경질 바인더를 첨가함으로써, 웜 믹스 아스팔트 조성물을 제조하는 방법을 설명한다. 혼합된 과립 골재 물질에 경질 바인더를 도입시키기 전에 발포 공정에서 발포시킨다. 골재 성분의 가열 및 건조를 위한 건조 드럼, 아스팔트 성분 혼합을 위한 혼합 제분기 및 믹스 저장용 사일로를 포함하여 이루어지며, 또한, 경질 바인더를 혼합 제분기에 도입하기 전에 발포시키기 위한 발포체 생성 설비를 포함하는 웜 믹스 아스팔트 조성물 제조용 시스템도 제공된다.

Description

웜 발포 믹스 아스팔트 조성물의 제조 방법 및 제조 시스템 {PROCESS AND SYSTEM FOR PRODUCTION OF A WARM FOAM MIX ASPHALT COMPOSITION}
일반적으로 도로 건설 또는 포장용에 사용되는 아스팔트 혼합물은 돌/자갈, 모래, 채움재와 바인더 성분의 혼합물로 구성된다. 본 명세서의 목적에 의거하여, 바인더 성분을 비투멘으로 지칭하지만, 그밖의 바인더 성분들도 또한 사용 할 수 있다. 상기 비투멘 성분은 자연 발생적인 비투멘이거나, 또는 광유에서 얻을 수 있다. 모래, 돌/자갈 및 채움재는 골재 물질 또는 골재 과립 물질로 지칭한다.
비투멘은 광물 골재 성분에 있어서 아교제 역할을 한다. 비투멘은 전체 아스팔트 혼합물 중 적은 부분, 통상적으로 4 내지 7 중량 % (또는 10 내지 15 부피 %)이다.
아스팔트 조성물은 일반적으로 두개의 핵심 분야, 즉, <<핫 믹스(hot mix)>>아스팔트 및 <<콜드 믹스(cold mix)>> 아스팔트로 분류된다. 또한 세번째로 더 적게 알려진 "웜 믹스(warm mix)" 아스팔트도 사용되며, 이는 후에 더 상세히 설명할 것이다.
핫 믹스 아스팔트는 콜드 믹스 아스팔트보다 전체적인 특성이 더 우수하며, 이때문에 교통량이 많은 도로에서 이용된다. 핫 믹스 아스팔트 제조에서, 핫 바인더 물질을 골재로 첨가시켜 혼합하기 이전에 골재 물질을 가열한다.
핫 믹스 아스팔트 제조는 통상적으로 150 ℃ 내지 190 ℃에서 수행되고 도로위에 도포 (laying) 및 압착시키는 것은 통상적으로 130 ℃ 내지 160 ℃의 온도에서 수행된다. 몇몇의 경우 심지어 더 높은 온도가 요구된다. 상기 비투멘과 광물 골재는 몇몇의 이유로 인해 가열하여야 한다. 골재는 건조시켜야 하며, 비투멘은 골재 성분에 적당히 코팅 및 부착되도록 점성이 낮아야하고, 상기 아스팔트 혼합물은 도로위에 도포, 확산 및 압착 시킬 수 있도록 믹스 점성이 충분히 낮아야 한다. 상기 아스팔트 혼합물의 종류 및 비투멘의 등급은 제조 온도를 크게 좌우한다. 핫 믹스 아스팔트는 이들의 최종적인 강도/안정성을 즉시 얻는다. 그러므로 핫 믹스 아스팔트를 이용한 도로는 교통량을 즉시 견딜 수 있다.
아스팔트 성분의 열처리는 일반적으로 화석 연료로 처리하므로, 이는 환경적으로 유해한 가스와 먼지를 생성하고, 재생 불가능한 자원을 사용하고 아스팔트의 총 비용을 증가시킬 수 있다. 또한, 고온에서 아스팔트를 처리하는 것은 안전성면에서 잠재적인 위험성이 있다.
콜드 믹스 아스팔트는 핫 믹스 아스팔트 보다 저렴하며, 이용하기 용이하며, 더욱 환경 친화적이다. 콜드 믹스 아스팔트의 제조에서, 골재 물질은 핫 또는 콜드 바인더 물질과 혼합하였을 때 차고 습하다. 콜드 믹스 아스팔트를 쉽게 혼합시키기 위해, 이를 차고 습한 골재 물질과 혼합하기 전에 바인더를 종종 발포처리한다.
발포 비투멘을 제조하는 다양한 방법은 노르웨이 특허 출원 제 NO 854387 호와 국제 출원 제 WO-95/22661에 개시되었다. 공교롭게도, 콜드 믹스 아스팔트에 관련된 기술은 일반적인 핫 믹스 아스팔트 믹스와 비교하여 볼 때, 품질면에서 열등한 혼합물을 생성하게 된다. 이것은 비투멘이 있는 골재의 약한 피복, 아스팔트 혼합물 내의 수분의 존재, 아스팔트 혼합물의 저조한 확산 및 압착성등에 기인한다. 이로인해, 이러한 아스팔트 혼합물에 수분 및 공기가 쉽게 투과 되어, 최종적인 도로의 표면이 쉽게 프레팅(fretting)됨으로 해서, 성긴 조질의 골재가 쉽게 도로 표면으로부터 소실되게 된다. 또한 점착력은 감소되고, 결국 물질 구조의 붕괴 및 내적 안정성의 부재로 이어지게 된다. 이는 도로 표면에서 흔히 볼 수 있고 럿팅 (rutting)으로 알려져있다. 콜드 믹스 아스팔트는 혼합물의 강도를 증진시키기 위해 소정의 경화시간이 필요하다. 경화시간은 통상적으로 며칠 내지 몇달까지 될 수 있다. 또한, 이는 더 빠른 변형, 크랙킹과 아스팔트 표면의 열화(deterioration)를 가져오게 된다. 상기-언급한 이유로, 콜드 믹스 아스팔트는 통상적으로 북유럽 국가 및 오스트레일리아에서의 교통량이 많지 않는 도로용으로 사용된다.
상술한 몇몇 문제를 해결하기 위해, 제 WO 97/20890 호는 <<Process for preparing an asphalt composition>>을 제시하였으며, 여기서 아스팔트는 일반적인 핫 믹스 방법에서 보다 다소 낮은 온도에서 제조된다. 분리된 여러 부분, 즉 경질 및 연질 성분에 비투멘 결합제를 사용함으로 해서, 더 낮은 온도에서의 처리가 가능하다. 이와 함께, 경질 및 연질 성분은 일반적인 목적-명세를 달성하는 비투멘을 형성한다. 상기 연질 성분은 훨씬 낮은 온도(60 ℃ 내지 130 ℃, 바람직하게는 90℃ 내지 110 ℃)에서 광물 골재와 혼합시킬 수 있다. 그 후, 경질 비투멘 성분을 파우더 또는 에멀젼화 형태로 상기 혼합물로 분산시킨다. 통상적으로 '경질' 비투멘 성분은 50 dmm 이하의 침투력이 있다. 상기 성분의 온도는 통상적으로 20 ℃ 내지 70 ℃일 수 있다. 상기 방법으로, 70 ℃ 내지 100 ℃의 온도에서 도포, 확산 및 압착 가능한 아스팔트 혼합물이 생성된다. 실험실과 포장시험은 이러한 아스팔트 혼합물의 우수한 성과를 보여주었다. 핫 믹스와 비교하여 혼합 온도를 낮춘 이러한 아스팔트는 본 명세서 목적에 의거하여 <<웜 믹스(warm mix)>>라 지칭한다.
본 발명은 웜 발포 믹스 아스팔트 조성물을 제조하는 방법 및 시스템에 관한 것이다.
도 1은 <<일반적인 핫 아스팔트 믹스 생성 공정>>과 본 발명의 <<웜 발포 아스팔트 믹스 생성 공정>> 을 비교한 아스팔트 믹스 제조 방법의 도식적인 비교를 나타낸 것이고;
도 2는 경질 바인더를 발포시키는 방법의 일례를 나타낸 것이다.
다양한 성분을 혼합시키면, 경질 바인더와 연질 바인더는 서로 합쳐져서, 의도한 특성을 갖는 바인더 성분을 형성할 것이다. 경질 바인더의 발포 처리에 의해, 점도가 감소되고, 적절한 코팅이 가능하며, 더 낮은 온도에서 상기 바인더를 골재 성분에 부착시킬 수 있다.
비투멘 분말 또는 비투멘의 에멀젼화 형태를 사용하는 것에 비하여, 경질 발포 바인더를 사용할 경우, 제조된 아스팔트 혼합물과 포장 품질에 영향을 주지 않고, 현저한 경제적, 환경적 이득을 갖는다. 수분 함량은 이전에 언급했던 에멀젼 30 내지 50 %와 비교할 때 단지 2 내지 5% 이다. 이것은 저장, 품질, 가열에 대한 요구성과 운반에 대해 현저한 영항을 미친다. 에멀젼화 바인더와 비교할 때, 발포 비투멘의 더 적은 수분 성분은 제한된 열처리와 함께 직접 경화시킬 수 있다.
콜드 믹스 발포 아스팔트와 비교할 때, 본 발명의 방법으로 제조된 아스팔트는 발포 바인더 성분으로 제조된 콜드 믹스 아스팔트보다 훨씬 더 적은 공극 함량을 갖는 치밀한 아스팔트 혼합물을 생성한다. 콜드 발포 믹스에 사용된 바인더는 180 ddm 내지 700 ddm의 연질 침입도을 갖는다.
또한, 본 발명의 경질 발포 비투멘의 최대 침입도가 실제 용례에 따라 100 ddm 미만인 것에 비해, 에멀젼에 사용되는 '경질' 비투멘 성분은 대개 50 ddm 이하의 침입도를 갖는다.
본 발명의 아스팔트 믹스와 발포 바인더를 사용한 콜드 믹스 아스팔트와 비교하면, 본 발명의 믹스는 교통체증이 심한 도로에 사용할 수 있으며, 콜드 믹스 발포 아스팔트는 단지 교통 체증이 적은 도로에서만 사용할 수 있다는 것을 강조한다. 이것은 고침입도(180 내지 700 ddm)를 갖는 비투멘이 있는 일반적인 콜드 발포 믹스에 사용되는 비투멘 때문이다. 본 발명의 방법에 사용된 최종 등급의 비투멘은 일반적인 침입도가 60 내지 250 ddm을 갖음으로서 더 단단할 수 있다. 본 발명에 따라 제조된 상기 아스팔트는 아스팔트 플랜트 및/또는 도로에서 처리할 수 있고,통상적으로 60 내지 100 ℃에서 제조되기 때문에 콜드 믹스 아스팔트의 제조는 일반적으로 현장내-즉, 도로에서 주위 (콜드)온도에서 제조된다. 이는 즉시 이러한 아스팔트 믹스의 사용 및 응용성에 영향을 끼친다.
본 발명에서 에멀젼화와 비-에멀젼화된 연질 바인더 성분 모두를 사용할 수 있지만, 비-에멀젼화 연질 바인더가 바람직하다.
만약 에멀젼화 연질 바인더를 사용한다면, 에멀젼화 연질 바인더는 다량의 수분을 함유할 것이다. 이 수분은 혼합물의 점착력과 강도를 충분히 달성시키기 전에 혼합물로부터 배출되어야 한다. 상기 에멀젼은 양이온이거나 음이온 에멀젼일 수 있다.
경질 바인더 성분을 발포체로서 혼합물에 첨가시킨다. 또한, 특정 상황에서 연질 바인더가 유리한 것으로 나타나면, 연질 바인더 역시 발포체로서 첨가시킨다.
또한, 연질 바인더 성분은 상대적으로 낮은 온도 즉, 120 ℃ 미만의 온도에서 골재에 첨가시킬 수 있다.
상기 연질 바인더는 일반적으로 적어도 70 ℃, 바람직하게는 60 내지 130 ℃ 범위의 온도, 더 바람직하게는 90 내지 110 ℃의 범위의 온도에서 골재에 첨가시킨다.
본 출원에서, 연질 바인더 성분은 침입도가 적어도 200 dmm인 바인더 성분인 것으로 정의한다.
적합하게는, 연질 바인더 성분은 적어도 500 dmm, 바람직하게는 적어도 700 dmm 그리고 더 바람직하게는 적어도 800 dmm의 침입도를 갖는다.(25 ℃에서 ASTM D5에 따라 측정). 이러한 바인더 성분은 종종 그들의 점도에 의해 특징지어진다. (100 ℃에서 ASTM D 2171에 따라 측정). 상기 연질 바인더 성분은 0.300 Pa.s 미만, 바람직하게는 0.200 Pa.s 미만의 점도를 갖는다.
본 발명에서 제조된 아스팔트는 주로 도로용으로 제조되지만, 또한, 기타 사용에 있어서도 본 발명의 범위내에 있는 것으로 취급되어야 한다.
본 발명의 공정에서 수행된 밀입도 아스팔트(dense graded asphalt)는 바람직하게는 약 10 % 미만의 공극 함량을 갖고 더 바람직하게는 3 내지 10 % 범위에서 공극 함량을 갖는다.
또한, 본 발명의 공정에서 수행된 아스팔트는 종종 15 % 내지 25 %에서 최대 공극 함량을 갖는 개립도 아스팔트(open graded asphalt)가 될 수 있다.
본 발명의 구체예는 다음의 실시예를 통해 기술할 것이다.
그러나, 에멀젼을 사용한 웜 믹스 아스팔트 혼합물은 고비용이며, 제조, 혼합, 도포 및 압착하는 동안 사용이 복잡하다고 알려져 있다. 비투멘 에멀젼으로부터 제조된 아스팔트 조성물은 에멀젼, 압착 및 공급이 중단되는 동안 수분을 배출시키기 위해 상대적으로 고함량의 공극을 갖는 비투멘/골재 혼합물을 필요로 한다. 본 방법에 사용된 에멀젼은 통상적으로 30 내지 50 % 수분을 함유한다. 비투멘 에멀젼은 아스팔트 믹스 플랜트에서 에멀젼 공장과 여분의 저장탱크를 필요로하기 때문에 생산하는데 있어 시공자에게 생산 비용 및 설비 비용면에서 매우 고비용이다. 에멀젼의 운반은 30 내지 50 % 수분 운반으로 인해 비용-효율성이 적다. 또한 증가된 질량의 운반은 환경적으로 유해한 물질의 배출 촉진을 유발한다.
생산, 최종 제품의 서리 감도(frost sensitivity) 및 분리 탱크 설비에 사용되는 화학물 때문에 비투멘 에멀젼의 제조와 처리는 몇가지 추가 측정이 요구된다.
그러므로, 핫 혼합 아스팔트의 품질을 갖지만 환경 친화적이며, 비용 및 콜드 믹스 아스팔트를 처리하는데 용이한 아스팔트 믹스가 필요하다. 일반 대중 및 산업에 있어서, 건강, 안전과 환경에 대한 인식의 상승은 재생 불가능한 화석 연료의 사용을 줄이고, 에너지 보존 및 그에 따른 배출 감소를 위한 상당한 노력으로 이어졌다. 아스팔트 산업에서 핫 아스팔트 믹스 제조 온도를 감소시키면 본 목적에 접근하는데 도움이 될 것이다.
따라서, 본 발명은 핫 믹스 보다 더 낮은 온도에서, 더 적은 에너지 투입, 기계적 품질에 있어 같거나 그 이상이고, 비용면에서 같거나 더 저렴하게 제조할 수 있는 아스팔트 조성물을 제공한다.
이는, 과립 골재 물질과 연질 바인더를 혼합시키고, 상기 과립 골재 물질의 혼합물로 경질 발포 바인더와 연질 바인더를 첨가시키는 웜 믹스 아스팔트 조성물을 제조하는 방법으로 달성된다.
공정 방법의 도식적인 비교는 도 1에 나타내었고, 바인더의 발포 방법은 도 2에 나타내었다. 품질과 비용의 비교는 표 II와 I에 나타내었다.
아스팔트 믹스를 제조하는 아스팔트 제조 설비(도 1)는 본 발명 방법을 사용하고 건조 드럼, 혼합 제분기, 믹스 저장용 사일로와 비투멘 발포 제조 설비를 포함하며 이루어진다. 돌/모래를 건조 드럼에 도입하고 약 130 ℃에서 가열시킨다. 그 후, 웜 돌/모래를 약 120 ℃에서 연질 비투멘과 혼합시키는 혼합 제분기에 넣었다. 상기 연질 비투멘을 돌/모래와 적절하게 혼합시킬때, 경질 발포 비투멘을 상기 혼합물에 첨가시키고, 최종적으로 채움재를 약 20 ℃에서 혼합물에 첨가시킬때까지계속 혼합시킨다. 생성물은 돌/모래 약 90 중량 %, 연질 비투멘 약 2.5 중량 %, 경질 비투멘 약 2.5 중량 % 및 채움재 약 5 중량 %로 이루어진다.
상기 발포체를 첫번째 밸브 (A)를 통해 핫 비투멘의 제어 흐름을 배관계로 끌어 넣음으로서 형성되었다. (도 2). 상기 첫번째 밸브 (A)를 저장소에 순환시키고, 이를 본 시스템에서 요구되는 안정한 온도로 유지시켰다. 튜빙 시스템의 온도를 조절하여, 핫 오일이나 히터 케이블로 파이핑을 둘러싸고 격리 시켜 온도를 유지시켰다. 온도의 결정은 품질, 경도와 요구된 비투멘의 부피 증가에 의해 좌우된다. 상기 온도는 통상적으로 130 ℃ 내지 180 ℃의 범위이다.
콜드 또는 웜 (5 ℃ 내지 80 ℃) 수분 제어 흐름은 두번째 밸브 (B)를 통해 넣고 2 내지 7 %양의 순으로 비투멘에 첨가시킨다. 비투멘 흐름에 수분을 주입시킴으로서, 상기 비투멘 양을 증가시킨다. 상기 비투멘을 믹스 챔버에서 정적 혼합기에 균질화 시킨다. 일반적으로 10 내지 20 배로 부피가 증가된 비투멘을 배수구를 통해 믹스 챔버에서 방출시키고 한개 또는 여러개의 노즐을 통해 골재 혼합물에 첨가시킨다.
동일한 품질의 아스팔트를 제조하는 표준 핫 믹스 방법과 본 방법을 비교하여, 60 내지 70 % 더 적은 CO2방출, 30 내지 40 % 더 적은 먼지 방출 및 40 내지 60 % 더 적은 연료 소비를 알 수 있었다.
하기 표 I과 II는 핫 믹스와 상대적인 품질과 각각의 상대적인 비용 비교를 나타낸 것이다. 표 I에서, <<=>>는 평균 또는 동일함을 나타내고, <<+>>는 동일 또는 평균 이상을 나타내고, <<->>는 평균보다 열등 또는 평균 미만을 나타낸다. <<?>>는 불확실, <<알수없음>>이나 측정 안됨을 나타낸다.
핫 믹스와의 상대적인 품질 비교
웜 믹스에멀젼 웜 믹스발포체 콜드 믹스
품질
안정성점착성크랙킹내구성가동성 ===== =+=++ --=--
환경적인 영향
연료CO2/CO 방출, 먼지 방출 40 - 60 % 미만40 - 70 % 미만30 % 미만 40 - 60 % 미만40 - 70 % 미만30 % 미만 ???
건강면
아스팔트 플랜트에서 작업 60 - 80 ℃ 미만 60 - 80 ℃ 미만 100 - 160 ℃ 미만
도포 작업 60 - 80 ℃ 미만 60 - 80 ℃ 미만 80 - 140 ℃ 미만
VOC 레벨 감소 감소 0
상대적인 비용 비교(핫 믹스 = 1.0)
웜 믹스에멀젼 웜 믹스발포체 콜드 믹스
비용
골재 1.0 1.0 1.0
연료 0.5 0.5 0
바인더 (에멀젼/도프 외) 1.5 1 1.5
총 비용 1.2 0.9 0.9
상기 비-제한적인 실시예는 단지 본 발명의 한 구체예에 불과하며, 본 발명의 정신과 범위내에서, 다른 구체예가 가능함은 물론이다. 본 발명은 단지 다음의 첨부된 청구항에 의해서만 한정된다.

Claims (17)

  1. 과립 골재 물질을 연질 바인더와 혼합하고, 경질 발포 바인더를 상기 과립 골재 물질과 연질 바인더의 혼합물에 첨가시키는 것을 포함하여 이루어지는, 웜 믹스 (warm mix) 아스팔트 조성물의 제조 방법.
  2. 제 1 항에 있어서, 침입도가 100 ddm 미만(25 ℃에서 ASTM D 5에 따라 측정)인 경질 바인더 성분을 사용하는 것이 특징인 방법.
  3. 제 1 항에 있어서, 100 ℃에서 침입도가 0.3 Pa.s 미만 (100 ℃에서 ASTM D 2171에 따라 측정)인 연질 바인더 성분을 사용하는 것이 특징인 방법.
  4. 제 1 항에 있어서, 골재를 연질 및 경질 바인더와 혼합하기 전에 60 ℃ 내지 120 ℃에서 가열시키는 것이 특징인 방법.
  5. 제 1 항에 있어서,
    발포되지 않은 경질 바인더를 130 ℃ 내지 180 ℃의 온도에서 가열시킨 다음;
    물을 5 ℃ 내지 80 ℃의 온도로 준비하고;
    물 2 내지 7 중량 %를 상기 가열된 발포되지 않은 경질 바인더에 주입시켜상기 가열된 발포되지 않은 경질 바인더를 발포체로 팽창시키는 단계로 특징지어지는 별도의 발포 공정으로 경질 발포 바인더를 만드는 방법.
  6. 제 1 항에 있어서, 수분 함량이 5 % 이하인 발포체를 사용하는 것이 특징인 방법.
  7. 제 1 항에 있어서, 120 ℃ 미만의 온도에서 연질 바인더 성분을 골재에 첨가시키는 것이 특징인 방법.
  8. 제 1 항에 있어서, 혼합 후의 웜 믹스의 온도가 80 ℃ 내지 115 ℃의 범위인 것이 특징인 방법.
  9. 제 1 항에 있어서, 웜 믹스 아스팔트 조성물로서 밀입도 아스팔트 조성물을 사용하는 것이 특징인 방법.
  10. 제 9 항에 있어서, 웜 믹스 아스팔트 조성물로서 2 % 내지 10 %의 공극 함량을 갖는 밀입도 아스팔트 조성물을 사용하는 것이 특징인 방법.
  11. 제 1 항에 있어서, 웜 믹스 아스팔트 조성물로서 개립도 아스팔트 조성물을 사용하는 것이 특징인 방법.
  12. 제 11 항에 있어서, 웜 믹스 아스팔트 조성물로서 14 % 내지 26 %의 공극 함량을 갖는 개립도 아스팔트 조성물을 사용하는 것이 특징인 방법.
  13. 제 1 항에 있어서, 웜 프로세스 혼합 설비중에서 연질 바인더와 골재 물질을 미리 혼합하여, 아스팔트 도포 부위로 이동될 반-완성 생성물 (semi-finished product) 을 얻은 다음, 아스팔트 도포 부위에서 제품 도포기로 경질 발포 바인더를 상기 반-완성 생성물에 도포하는 방법.
  14. 전술한 항 중 어느 항에 있어서, 바인더 성분으로서 비투멘 성분을 사용하는 것이 특징인 방법.
  15. 전술한 항 중 어느 한 항에 따른 방법으로 제조된 아스팔트 조성물의 도로 포장용 용도.
  16. 골재 성분의 가열 및 건조를 위한 건조 드럼, 아스팔트 성분 혼합을 위한 혼합 제분기 및 믹스 저장용 사일로를 포함하여 이루어지며, 경질 바인더를 혼합 제분기에 도입하기 전에 발포시키기 위한 발포체 생성 설비를 추가로 포함함을 특징으로 하는 제 1 항의 웜 믹스 아스팔트 조성물 제조용 시스템.
  17. 제 16 항에 있어서, 발포체 생성 설비가 경질 바인더 성분을 가열하기 위한 수단 및, 발포체 생성을 위해 경질 바인더에 물을 후속적으로 도입하기 위한 물 또는 수증기 도입 요소를 포함하는 것이 특징인 시스템.
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