KR20070031407A - 박리-내구성 아스팔트 도로포장 조성물 및 그 제조 방법 - Google Patents

Abstract

본원발명은 아스팔트, 골재, 폴리인산, 및 알칼리성 박리-방지 첨가제를 함유하는 박리-방지 아스팔트 도로포장 조성물에 관한 것이다.

아스팔트

Description

박리-내구성 아스팔트 도로포장 조성물 및 그 제조 방법{STRIP-RESISTANT ASPHALT PAVING COMPOSITION AND METHOD FOR MAKING THE SAME}

발명의 배경

1. 발명의 분야

본원발명은 아스팔트 도로포장 박리-방지 첨가제, 및 특히 아스팔트 결합제와 골재(aggregate)의 부착을 개선하기 위하여 알칼리성 첨가제와 함께 폴리인산을 사용하는 것에 관계한다.

2. 관련 기술의 설명

공지된 바와 같이, 아스팔트는 도로포장 재료로 일반적으로 사용된다. 전형적으로, 종종 "아스팔트 시멘트" 또는 "아스팔트 결합제"로 불리는 아스팔트는 골재와 혼합되어 도포포장에 적절한 아스팔트 콘크리트를 형성한다. 따라서, 아스팔트 콘크리트는 아스팔트 결합제가 골재에 부착함으로써 아스팔트 결합제의 연속 상(continuous phase) 내에 붙잡혀 있는 골재를 포함한다. 그렇지만, 불행하게도, 아스팔트 결합제는 "박리(stripping)"로 알려진 공정에서, 특히 수분이 존재할 때, 골재와의 접착 결합(adhesive bond)을 상실하는 경향이 있다. 특히, 아스팔트 내 극성 분자와 골재 표면상의 극성 분자 간의 부착은 비 또는 지하로부터의 물(극성 분자)에 의해 붕괴한다. 골재 표면으로부터 아스팔트 결합제의 박리는 도로포장의 수명을 감소시키며 이는 전 세계적으로 수많은 수백만 마일의 고속도로에 있어 심각한 문제점이다. 박리에 부가하여, 물은 아스팔트 내에서 용매로 작용하여 아스팔트 점도를 감소시키며, 강도를 감소시키며, 그리고 바퀴자국을 증가시킨다.

전술한 관점에 있어서, 수년 동안 아스팔트 박리를 감소시키기 위한 수많은 노력이 있었다. 이러한 많은 노력은 결합제-골재 부착을 증가시키기 위하여 아스팔트 결합제 또는 심지어 골재에 다양한 첨가제를 포함시키는 것에 관계하였다. 박리-방지 첨가제의 전형적인 유형은 골재의 표면과 같은 극성 표면에 대한 친화성을 나타내는 극성 머리-부분(head-group)을 갖는, 특히 액체인 아민과 같은 표면-활성제를 포함한다. 아민은 또한 아스팔트 결합제에 대한 높은 친화성을 나타내는 길고 비-극성인 지방 사슬(fatty chain)을 함유한다. 표면-활성 아민의 분자 구조는 또한 아스팔트 결합제와 골재 사이의 경계면 장력을 감소시켜 그 결과 상기 둘 사이의 접착 결합(adhesive bond)의 강도를 증가시키는 경향이 있다. 이러한 폴리아민의 예는 AD-HERE HP PLUS (Winter Haven, Florida, USA에 있는 Arr-Maz Custom Chemicals, Inc사의 상표명) 및 PAVE-BOND LITE (Rohm and Haas사의 상표명)을 포함한다. 이러한 박리-방지제는 일반적으로 개질된 결합제를 혼합 플랜트에 펌핑하기 이전에 아스팔트 결합제와 혼합된다.

그 대신에, 비록 더욱 최근까지 박리-방지 첨가제로서의 장점이 인식되지 않았음에도 불구하고, 폴리인산에 의한 아스팔트 결합제의 개질은 상당한 기간 동안 공지되어 왔다(미국 특허 제3,751,278호 참조). 폴리인산은 아스팔트와 반응하여 결합제의 아스팔텐 분산 또는 아스팔텐(asphaltene) 비율을 증가시킬 수 있다. 이러한 변화는 아스팔트 결합제의 온도-점도 상관관계에 있어서의 변화에 대한 일차적인 원인으로 여겨진다. 특히 높은 온도에서, 폴리인산을 포함하는 결합제는 폴리인산이 없는 동일 결합제보다 더 높은 점도를 갖는 경향이 있다. 반대로, 낮은 온도에서, 폴리인산을 포함하는 결합제는 폴리인산이 없는 동일 결합제보다 낮은 점도를 갖는 경향이 있다.

고온 점도 증가의 이차적인 원인은 미-반응한 산(유리산 부분)과 아스팔트 사이의 수소 결합이라 여겨진다. 일부 연구는 전통적인 아민 박리-방지제의 존재로 인하여 수소 결합이 적어도 부분적으로 중화되거나 또는 역전될 수 있음을 제시하며, 그 결과 당해 기술분야의 평균적 기술자는 폴리인산과 아민 박리-방지제가 함께 사용되지 않아야 한다는 점을 믿는다.

부착을 개선하기 위한 또다른 대안은 도로포장 조성물 내에 수화 석회(종종 단순히 "석회[lime]"라고 함)를 사용하는 것이다. 전형적으로, 석회는 골재를 처리함으로써 도로포장 조성물에 첨가된다. 아스팔트 포장에 있어서 석회의 사용은 적어도 80년 동안 공지되어 왔으나, 박리-방지 첨가제로서 이것의 이점은 최근까지 공지되지 않았다. 특히, 석회가 매우 극성인 분자와 반응하여 물을 끌어당기지 않는 불용성 염을 형성한다는 점이 당해 기술분야의 평균적 기술자에 의해 믿어진다. 이는 박리를 촉진하는 수용성의 지방산 알칼리 금속염(soap)을 형성하는, 상기 극성 분자와 도로포장 조성물 내 또다른 분자와의 반응을 방지한다(예를 들면 Petersen, J.C., H. Plancher, and P.M. Harnsbergen, "Lime Treatment of Asphalt to Reduce Age Hardening and Improve Flow Properties," Proceedings, AAPT, Vol. 56, 1987 참조).

골재 처리에 의한 추가적인 부착 개선 방법은 폴리머 코팅을 입자에 적용하는 단계를 포함한다(예를 들면 미국 특허 제5,219,901호 및 제6,093,494호 참조). 구체적으로, 미국 특허 제5,219,901호는 아크릴 폴리머 또는 스타이렌-아크릴 폴리머와 같은, 비-수용성 고 분자량 유기 폴리머의 얇은 연속 필름을 골재에 코팅하는 단계를 포함하는 박리 경향성 감소 기술을 개시한다.

비록 전술한 많은 박리 내구성 개선 방법이 아스팔트 유형, 골재 유형, 첨가제 양 등과 같은 많은 인자에 의존하는 다양한 범위에 효과적이었음에도 불구하고, 바람직한 포장 재료를 만드는 또 다른 품질(예를 들면 비용, 사용의 용이성, 바퀴자국, 갈라짐, 약화, 산화 및 노화에 대한 내구성 등)에 부가하여, 증가된 부착 또는 박리-방지 성질을 갖는 아스팔트 콘크리트 또는 도로포장 조성물에 대한 필요성이 지속적으로 존재한다.

발명의 요약

요컨대 본원발명은 아스팔트 결합제, 골재, 및 알칼리성 박리-방지 첨가제를 포함하는 아스팔트 도로포장 조성물을 함유하는 신규한 도로포장 조성물에 관계하며, 여기서 상기 아스팔트 결합제는 아스팔트 및 폴리인산을 포함한다.

본원발명은 또한 본질적으로 아스팔트, 골재, 폴리인산, 및 알칼리성 박리-방지 첨가제로 구성된 아스팔트 도로포장 조성물에 관계한다.

또한, 본원발명은 아스팔트 결합제, 골재, 및 알칼리성 박리-방지 첨가제를 포함하는 압축된(compacted) 아스팔트 도로포장 조성물을 함유하는 아스팔트 포장재에 관계하며, 여기서 아스팔트 결합제는 아스팔트 및 폴리인산을 포함한다.

또한, 본원발명은 아스팔트 및 골재를 포함하는 아스팔트 도로포장 조성물을 사용하여 제조된 아스팔트 포장재의 박리 내구성 개선 방법에 관계하며, 상기 방법은 폴리인산 및 알칼리성 박리-방지 첨가제를 아스팔트 도로포장 조성물에 첨가함으로써 아스팔트 도로포장 조성물을 개질시키는 단계를 포함한다.

본원발명은 또한 아스팔트 도로포장 조성물의 제조 방법에 관계하며, 상기 방법은 아스팔트 및 폴리인산을 포함하는 개질된 아스팔트 결합제를 골재 및 알칼리성 박리-방지 첨가제와 혼합하여 아스팔트 도로포장 조성물을 제조하는 단계를 포함한다.

또한, 본원발명은 아스팔트 도로포장 조성물로 표면을 포장하는 방법에 관계하며, 상기 방법은 아스팔트 도로포장 조성물을 표면에 증착시키는 단계 및 상기 증착된 아스팔트 도로포장 조성물을 압축하는 단계(compacting)를 포함하며, 여기서 상기 아스팔트 도로포장 조성물은 아스팔트, 골재, 폴리인산, 및 알칼리성 박리-방지 첨가제를 포함한다.

발명의 상세한 설명

본원발명에 있어서, 놀랍게도 아스팔트 도로포장 조성물에 폴리인산 및 알칼리성 박리-방지제(예를 들면, 석회)의 첨가가 실제로 도로포장 조성물의 박리 내구성을 증가시킨다는 점이 발견되었다. 따라서, 한 구체예에서, 본원발명은 아스팔트, 골재, 폴리인산, 및 알칼리성 박리-방지제를 포함하는 아스팔트 도로포장 조성물에 관계한다. 전형적으로, 본원발명의 아스팔트 도로포장 조성물은 개질된 아스팔트 결합제와 골재 혼합물의 혼합에 의해 형성될 수 있으며, 여기서 아스팔트 결합제는 폴리인산으로 개질된 아스팔트를 포함하며 골재 혼합물은 알칼리성 박리-방지제 (예를 들면, 석회)로 처리된 골재를 포함한다. 그렇지만, 골재와 아스팔트 결합제의 혼합이 시작된 이후에 도로포장 조성물에 석회를 첨가하는 것도 가능하다(예를 들면, 아스팔트 결합제가 주입된 직후 드럼 혼합기에 수화 석회를 주입하는 것에 의해).

A. 아스팔트

아스팔트는 ASTM에 의해 그 주요 성분이 자연에 존재하거나 또는 석유 공정으로부터 수득된 역청(bitumen)인 암갈색 내지 검은색 시멘트질 재료(cementitious material)로 정의된다. 아스팔트는 특징적으로 아스팔텐이라 불리는 매우 고 분자량의 탄화수소를 함유한다. 이것은 본질적으로 이황화탄소, 및 방향족 및 염소화된 탄화수소에 용해된다. 역청은 자연에 존재하거나 또는 제조되고, 대표적으로 아스팔트, 타르, 피치 및 아스팔텐인 고 분자량의 탄화수소로 주로 구성된, 검은색 또는 어두운 색 시멘트질 물질의 한 종류로 ASTM에 의해 정의된 일반 명사이다. 또한 ASTM은 점성 또는 점도를 위한 침투 시험을 사용하여 아스팔트 또는 역청질 재료를 고체, 반-고체, 또는 액체로 분류한다. 상기 분류에서, 고체 재료는 25℃에서 100 그램의 하중이 5초 동안 적용될 때 1 밀리미터 이하의 침투는 갖는 재료이며, 반-고체는 25℃에서 50 그램의 하중이 5초 동안 적용될 때 1 밀리미터 초과의 침투는 갖는 재료이다. 반-고체 및 액체 아스팔트는 현재 상업적 사용에 있어서 우위를 점하고 있다.

아스팔트는 흐름을 가능하게 하는 점성 특성, 및 흐름에 저항하는 탄성 특성이 있다. 고온에서는, 점성 특성이 우세하여 아스팔트는 흐르거나 또는 변형하는 경향이 있다. 저온에서는, 탄성 특성이 우세하여 아스팔트는 흐름에 저항하는 경향이 있다. 자연에 존재하거나 합성으로 제조된 모든 타입의 아스팔트가 본원발명의 용도에 적합하다. 천연 아스팔트는 천연석 아스팔트, 레이크 아스팔트 등을 포함한다. 합성으로 제조된 아스팔트는 석유 정제 공정의 부산물이며 에어-블론 아스팔트, 혼합 아스팔트(blended asphalt), 크랙 또는 잔류 아스팔트, 석유 아스팔트, 프로판 아스팔트, 직류 아스팔트, 열 아스팔트, 등을 포함한다. 흔히 추출 위치에 의해 불리게 되는 아스팔트의 예는 Wyoming Sour, Saudi Heavy, West Texas intermediate, California Valley, Venezuelan, 및 Canadian을 포함한다.

아스팔트 화학은 분자 수준뿐만 아니라 분자간(마이크로구조의) 수준에 관하여 기술될 수 있다. 분자 수준에 관하여, 아스팔트는 수백 내지 수천의 분자량 범위인 복잡한 유기 분자의 혼합물이다. 비록 상기 분자들이 아스팔트의 성질 특성에 영향을 미칠지라도, 아스팔트의 성질은 분산된 극성 유체인, 아스팔트의 마이크로구조에 의해 주로 결정된다. 특히, 비-극성 또는 비교적 낮은-극성 분자의 유체(말텐)내에 분산된 극성 분자의 연속 3-차원 결합. 모든 상기 분자들은 강도가 변화하는 이중극성 분자간 결합을 형성할 수 있다. 상기 분자간 결합이 아스팔트의 기초유기 탄화수소 성분을 함께 묶고 있는 결합보다 약하기 때문에, 상기 분자간 결합이 먼저 깨질 것이며 아스팔트의 성질 특성을 조절할 것이다. 그러므로, 아스팔트의 물리적 특성은 상기 분자간 결합의 형성, 깨짐, 및 변형의 직접적인 결과이거나 또는 분자의 수퍼구조과 관계된 또 다른 특성의 직접적인 결과이다. 결과는 극성 분자 네트워크의 영향으로 탄력 있게 행동하고, 극성 분자 네트워크의 다양한 부분이 유동성 비-극성 분자 내 분산으로 인하여 서로서로 움직일 수 있기 때문에 점착성으로 행동하는 재료이다.

아스팔트 결합제는 도로포장 조성물 내 또는 가열 아스팔트 혼합물 내의 구성성분으로서 어떻게 작용하는지를 나타내는 물리적 특성에 의해 일반적으로 특징 된다. 적절한 물리적 특성의 예는 내구력 및 리올로지(rheology)를 포함하며, 상기 특성의 서로 다른 태양을 평가하기 위한 일부 시험은 다음을 포함한다: 박막 가열 시험(AASHTO 179 및 ASTM D 1754), 롤링 박막 가열 시험(AASHTO T 240 및 ASTM D 2872), 압력노화용기 시험(AASHTO PP1), 침투 시험(AASHTO T 49 및 ASTM D 4), 연화점 시험(AASHTO T 53 및 ASTM D 36), 60℃에서의 절대 점도 시험(AASHTO T 202 및 ASTM D 2171), 135℃에서의 동적 점도 시험(AASHTO T 201 및ASTM D 2170), 신도시험[ductility test](AASHTO T 51 및 ASTM D113), 회전 점도계 시험(AASHTO TP 48 및 ASTM D 4402), 동적 전단 레오메타[동적 전단 레오메타](AASHTO TP 5), 밴딩 빔 레오메타[bending beam rheometer](AASHTO TP1), 및 직접 장력 시험[direct tension test](AASHTO TP 3).

물리적 특성의 광범위한 리스트를 언급하기보다, 당해 기술분야에서는 전형적으로 침투 등급체계(penetration grading system), 점도 등급체계(viscosity grading system), 및 수퍼페이브 공용성 등급체계(Superpave performance grading system)와 같은 하나 이상의 등급체계에 의해 아스팔트 결합제를 분류한다. 침투 등급은 AASHTO M 20 및 ASTM D 946에 따라 결정되는 침투 단위에 의해 나열된다. 40-50 등급은 가장 단단한 등급이며, 60-70, 85-100, 및 120- 150 등급이 미국에서 전형적으로 사용되며, 200-300 등급은 가장 연한 등급이며 북부 캐나다와 같은 냉대 기후에서 전형적으로 사용된다. 점도 등급 매기기는 AASHTO M 226 및 ASTM D 3381에 따라 최초 공급된(as-supplied) 아스팔트 결합제 상에서(AC 등급 매기기) 또는 시효된 잔류 샘플 상에서(AR 등급 매기기) 수행된다. 미국에서 가열 아스팔트 혼합물에 대한 전형적인 등급은 AC-10, AC-20, AC-30, AR-4000, 및 AR 8000이다. 더욱 최근에 개발된 수퍼페이브 공용성 등급(PG)은 일반적으로 가열 혼합된 아스팔트 포장재 내에서의 사용에 대하여 아스팔트 결합제를 더욱 적절하고 완전하게 특징짓는 것으로 고려된다. 수퍼페이브 공용성 등급 매기기는 아스팔트 결합제의 특성이 아스팔트 결합제가 사용되는 조건에 관계해야 한다는 개념에 기초한다. 그러므로, 수퍼페이브 체계는 관계된 기후 조건에 의존하는 온도에서 AASHTO PP6에 따라 수행되는 몇몇 시험을 사용한다. 수퍼페이브 공용성 등급 매기기는 두 개의 숫자-첫째는 최대 포장 온도(℃)의 7일 평균이며 둘째는 경험 될 최소 포장 고안 온도(℃)-를 사용하여 표현된다. 따라서, PG 58-22는 최대 포장 온도의 7일 평균이 58℃이며 예상 최소 포장 온도가 -22℃인 사용을 의미한다. 미국에서 전형적으로 사용되는 아스팔트 결합제는 약 50 내지 약 80℃의 최대 포장 온도의 7일 평균 및 10 내지 40℃의 예상 최소 포장 온도를 갖는다. 일반적으로, 90℃ 이상으로 차이나는 고온 및 저온에서 상이하게 작용하는 PG 결합제는 고온 열 분해("크리프" 또는 "바퀴 자국"), 저온 크래킹, 또는 양쪽 모두에 대한 저항력과 같은 일부 특성을 개량하기 위한 일부 개질의 결과이다.

전술한 바와 같이, 본원발명의 도로포장 조성물은 특정 아스팔트 결합제 또는 결합제의 조합에 제한되지 않는다. 비록 임의의 아스팔트 결합제가 사용될 수 있을지라도, 도로포장 조성물이 특정 응용에 적절한 물리적 특성을 갖는 아스팔트 결합제 또는 결합제의 조합을 갖는 것이 바람직하다. 상기 아스팔트 결합제 또는 결합제의 조합의 선택은 당해 기술분야의 평균적 기술자에게 공지이다. 본원발명의 도로포장 조성물의 제조에 적합할 수 있는, 상업적으로 사용 가능한 아스팔트 결합제의 예는 CONOCO AC-30, DIAMOND SHAMROCK AC-30, SHELL AR-4000, AMOCO 64-22, CITGO AC-30, CITGO PG 67-22, VALERO PG 64-22, 및 HUSKY 85/100를 포함한다.

B. 폴리인산

폴리인산은 일반 화학식 Hn₊₂(PnO_{3n +}i)를 갖는 일련의 3가 인(phosphorous)의 산소산(oxyacid)이다. 더욱 구체적으로, 폴리인산은 P₂O₅-H₂O 시스템에서 발생하며 74% 이상의 P₂O₅ 함량을 갖는다. 폴리인산은 오르토- (n=1), 파이로- (n=2), 트리- (n=3), 테트라 (n=4), 및 더 긴 사슬 폴리머 종의 복잡한 혼합물이며, 그 비율은 산의 P₂O₅ 함량과 직접적인 함수 관계이다. 비록 폴리인산이 P₂O₅ 함량에 의하여 제시될 수 있을지라도, 전형적으로 폴리인산은 등가의 H₃PO₄ (인산) 농도 또는 백분율에 의하여 제시된다. 바람직하게는, 본원발명의 아스팔트 도로포장 조성물의 제조에 사용되는 폴리인산은 적어도 약 100%의 H₃PO₄ 등가 농도를 갖는다. 더욱 바람직하게는, 폴리인산은 적어도 약 105%의 H₃PO₄ 등가 농도를 갖는다. 더더욱 바람직하게는, 폴리인산은 적어도 약 110%의 H₃PO₄ 등가 농도를 갖는다. 가장 바람직하게는, 폴리인산은 적어도 약 115%의 H₃PO₄ 등가 농도를 갖는다. 적절한 폴리인산의 예는 105%의 H₃PO₄ 등가 함량 (약 76.05%의 P₂O₅ 함량), 115%의 H₃PO₄ 등가 함량 (약 83.29%의 P₂O₅ 함량), 또는 116.4%의 H₃PO₄ 등가 함량 (약 84.31%의 P₂O₅ 함량)을 갖는 산을 포함하며, 이것은 Astaris LLC사로부터 상업적으로 구입 가능하다.

폴리인산은 물에 기초하지 않으며 물-기초 인산보다 덜 부식성이며, 이는 물-기초 인산에 비해 유익하다. 예를 들면, 전형적인 블렌딩 조건 하에서 인산과 가열 아스팔트의 혼합은 거품(foaming) 및 스플레터링(splattering)을 발생하는 경향이 있으나, 반면에 폴리인산은 거품(foaming) 및 스플레터링(splattering)을 거의 또는 전혀 발생하지 않으면서 혼합된다.

바람직하게, 도로포장 조성물에 첨가되는 폴리인산의 양은 유효량(effective amount), 다시 말하면 폴리인산을 함유하지 않는 동일한 도로포장 조성물과 비교하여 아스팔트 결합제와 골재 사이의 부착을 증가시키는 양이다. 더욱 바람직하게는, 폴리인산은 최대 박리-방지 이익을 달성하는 양으로 도로포장 조성물에 첨가된다. 비록 상기 최적의 양이 아스팔트 타입(즉, 아스팔트의 화학적 조성), 도로포장 조성물의 제조에 사용되는 골재의 타입, 아스팔트 및 골재의 수분 함량, 폴리머 첨가제의 함유물 등을 포함하는 일부 요인에 의존할지라도, 상기 최적의 양은 일상적인 실험적 시험을 통하여 쉽게 결정될 수 있다. 그렇지만, 일반적으로, 아스팔트 결합제에 약 0.05 중량%의 소량의 폴리인산을 포함시킴으로써 박리-방지 개선이 관찰될 수 있다. 바람직하게는, 아스팔트에 첨가되는 폴리인산의 농도는 아스팔트 결합제의 적어도 약 0.1 중량%이다. 더욱 바람직하게는, 아스팔트에 첨가되는 폴리인산의 농도는 아스팔트 결합제의 적어도 약 0.2 중량%이다.

폴리인산의 상한 농도를 초과함으로써 부착이 나쁜 영향을 받는다는 사실이 또한 발견되었다. 비록 상기 상한 농도 값이 특정 아스팔트에서 변할지라도, 바람직하게는 아스팔트에 첨가되는 폴리인산의 농도는 아스팔트 결합제의 약 2 중량% 이하이다. 더욱 바람직하게는, 아스팔트에 첨가되는 폴리인산의 농도는 아스팔트 결합제의 약 1.5 중량% 이하이다. 더더욱 바람직하게는, 폴리인산의 최대 농도는 아스팔트 결합제의 약 1.2 중량% 이다. 가장 바람직하게는, 폴리인산의 최대 농도는 아스팔트 결합제의 약 1 중량% 이다. 더욱 가장 바람직하게는, 폴리인산의 최대 농도는 아스팔트 결합제의 약 0.7 중량% 이다. 전술한 관점에서, 본원발명의 한 구체예에서 폴리인산은 아스팔트 결합제의 약 0.05 내지 약 2.0 중량% 범위의 농도이다. 바람직하게는, 폴리인산은 아스팔트 결합제의 약 0.1 내지 약 1.2 중량% 범위의 농도이다. 더욱 바람직하게는, 폴리인산은 아스팔트 결합제의 약 0.1 내지 약 0.7 중량% 범위의 농도이다.

C. 알칼리성 박리-방지 첨가제

폴리인산에 부가하여, 본원발명의 도로포장 조성물은 알칼리성 박리-방지 첨가제를 포함한다. 전형적으로, 알칼리성 박리-방지 첨가제는 수산화칼슘(Ca(OH)₂)을 포함하는 수화 석회라 여겨진다. 상업용 수화 석회는 생석회(산화칼슘, CaO)를 충분한 물로 처리하여 물에 대한 화학적 친화력을 충족시키고, 그 결과 산화물을 수산화물로 전화시킴에 의해 수득된 건조 분말이다. 바람직하게는, 도로포장 조성물에 첨가되는 석회의 양은 유효량, 다시 말하면, 석회를 함유하지 않는 동일한 도로포장 조성물과 비교하여 아스팔트 결합제와 골재 사이의 부착을 증가시키는 양이다. 더욱 바람직하게는, 석회는 최대 박리-방지 이익을 달성하는 양으로 도로포장 조성물에 첨가된다. 비록 상기 최적의 양이 아스팔트 타입(즉, 아스팔트의 화학적 조성), 도로포장 조성물의 제조에 사용되는 골재의 타입, 아스팔트 및 골재의 수분 함량, 폴리머 첨가제의 함유물 등을 포함하는 일부 요인에 의존할지라도, 상기 최적의 양은 일상적인 실험적 시험을 통하여 쉽게 결정될 수 있다. 일반적으로, 도로포장 조성물 내 골재의 약 0.5 중량%의 소량의 석회를 포함시킴으로써 박리-방지 개선이 관찰될 수 있다. 바람직하게는, 도로포장 조성물에 첨가되는 석회의 농도는 골재의 적어도 약 1 중량%이다. 게다가, 도로포장 조성물에 첨가되는 석회의 농도가 그 밖의 다른 특성에 해를 끼칠 만큼의 양만큼 많지 않음이 바람직하다. 전형적으로, 석회의 농도는 골재의 약 2.0 중량% 이하이다. 바람직하게는, 석회의 농도는 골재의 약 1.5 중량% 이하이다. 이와 같이, 본원발명의 한 구체예에서 도로포장 조성물은 골재의 약 0.5 내지 약 2.0 중량%의 농도로 석회를 포함한다. 바람직하게는, 도로포장 조성물은 골재의 약 1 내지 약 1.5 중량%의 농도로 석회를 포함한다.

석회가 가열 아스팔트 혼합물에 첨가될 때, 석회는 골재와 반응하여 역청과 스톤(stone) 사이의 결합을 강화시킨다. 골재와 반응하는 동시에, 석회는 또한 아스팔트 결합제와 반응한다. 구체적으로, 석회는, 혼합물 내에서 또다른 방식으로 반응하여 박리를 촉진하는 수용성 지방산의 알칼리 금속염(soap)을 형성할 수 있는 매우 극성인 분자와 반응한다고 여겨진다. 상기 분자가 석회와 반응할 때, 이들은 더 이상 물을 끌어당기지 않는 불용성 염을 형성한다(예를 들면 Petersen, J. C, H. Plancher, 및 P.M. Harnsbergen, "Lime Treatment of Asphalt to Reduce Age Hardening and Improve Flow Properties," Proceedings, AAPT, Vol. 56, 1987 참조). 게다가, 혼합물 내 미세 수화 석회 입자의 분산은 혼합물을 더욱 굳고 단단하게 함으로써, 물이 존재하지 않더라도 아스팔트 결합제와 골재 사이의 결합이 기계적으로 깨지는 가능성을 감소시킨다.

본원발명의 도로포장 조성물의 제조를 위해 사용되는 수화 석회는 임의의 적절한 방법에 의해 골재, 아스팔트, 또는 양쪽 모두에 첨가될 수 있다. 수화 석회를 아스팔트에 첨가시키는 입증 되고 효율적인 몇몇 방법이 있다. 상기 방법의 예는 수화 석회를 드럼 혼합기에 주입하는 방법, 석회를 퍼그 밀(pug mill)에 첨가하는 방법, 마리네이션(marination) 하면서 건조 수화 석회를 습한 골재에 첨가하는 방법, 마리네이션(marination) 하거나 또는 하지 않으면서 슬러리 석회를 골재에 첨가하는 방법을 포함한다(예를 들면, "How to Add Hydrated Lime to Asphalt," An Overview of Current Methods, National Lime Association, http://www.lime.org/publications.html 참조). 전형적으로, 수화 석회 첨가 방법은 운송부에 의해 구체화된다. 상기 주-개발 시방서 및 과정은 전형적으로 개발 회사 및 장치의 지역 재료 및 능력에 의존한다.

D. 표면-활성 박리-방지 첨가제

부가적으로, 본원발명의 도로포장 조성물이 표면-활성 박리-방지 첨가제를 포함할 수 있다는 사실이 발견되었다. 전술한 바와 같이, 상기 첨가제의 대부분은 아민-타입 첨가제이며, 당해 기술분야의 평균적 기술자들에게 아민-타입 첨가제는 인산 개질에 적합하지 않다고 알려져 있기 때문에 본 발견은 놀랍다. 본원발명의 도로포장 조성물에 포함될 수 있는 표면-활성 박리-방지 첨가제의 타입은 아민-타입에 한정되지 않으며, 골재와 아스팔트 결합제 사이의 부착을 증가시키는 것으로 당해 기술분야의 평균적 기술자에 공지된 또다른 상업적으로 구입 가능한 표면-활성 물질을 또한 포함할 수 있다는 점을 인식하는 것이 중요하다.

전형적으로, 아민-타입 박리-방지 첨가제는 예를 들면 일차 아민, 디아민, 트리아민, 테트라민, 폴리아민, 아미도 아민, 또는 에톡실레이티드 디아민, 등을 포함한다. 바람직하게는, 표면-활성 박리-방지 첨가제는 액체이며 그 결과 아스팔트에 더 쉽게 혼합된다. 상업적으로 이용 가능한 대표적인 액체 아민 박리-방지 첨가제는 Rohm and Haas사로부터 상업적으로 구입 가능한 PAVEBOND 및 MORLIFE 박리-방지제, Arr-Maz Custom Chemicals, Inc.사로부터 구입 가능한 AD-HERE 박리-방지제를 포함한다.

만약 포함된다면, 본원발명의 도로포장 조성물 내 표면-활성 박리-방지 첨가제의 농도는 바람직하게는 특정 응용 및 아스팔트 타입, 골재 타입 등과 같은 관련 변수에 적합하다고 고려되는 농도와 일치한다. 전형적으로 표면-활성 박리-방지 첨가제의 농도는 아스팔트 결합제의 약 0.5 내지 약 1.0 중량%이다.

그렇지만, 또다른 구체예에서, 바람직하게는 본원발명의 도로포장 조성물은 일반적으로 액체 박리-방지 첨가제, 특별하게는 아민-타입 박리-방지제로 개질된다. 환언하면, 본 구체예에서, 아스팔트 결합제는 바람직하게는 실질적으로 액체 아민 박리-방지 첨가제가 없다. 구체적으로, 상기 첨가제의 농도는 선호도가 증가하는 순서로, 아스팔트 결합제의 0.5, 0.2, 0.1 , 0.05, 또는 0.01 중량% 미만이며, 또는 심지어 0%이다.

E. 폴리머 아스팔트 개질제

본원발명의 도로포장 조성물은 또한 폴리머 개질제를 포함할 수 있다. 전형적인 폴리머 아스팔트 개질제는 스타이렌-부타디엔-스타이렌 코폴리머(SBS), 스타이렌-부타디엔 코폴리머(SB), 및 일레스토머릭 삼원공중합체(terpolymer)를 포함한다. 상업적으로 이용가능한 삼원공중합체는 DuPont사로부터 구입 가능한 ELVALOY를 포함하는데, 이것은 에틸렌-글리시딜-아크릴레이트 폴리머(즉, 이것은 에폭시-유사 반응 특성을 제공하기 위해 글리시딜 작용기로 개질되고, 유연성 및 탄성 특성을 제공하기 위해 아크릴레이트 작용기로 개질된 에틸렌 백본[backbone]을 포함한다)이다. 부가적인 적절한 폴리머 개질제는 에틸렌-비닐-아세테이트(EVA) 폴리머, 에틸렌-메타크릴레이트(EMA) 폴리머, 스타이렌-이소프렌 코폴리머(SIS), 에폭시 수지, 천연 고무, 및 폴리부타디엔 및 폴리이소프렌과 같은 폴리디올레핀을 포함할 수 있다.

만약 포함된다면, 본원발명의 도로포장 조성물 내 폴리머 개질제의 농도는

바람직하게는 특정 응용 및 아스팔트 타입, 골재 타입 등과 같은 관련 변수에 적합하다고 고려되는 농도와 일치한다. 전형적으로, 폴리머 개질제의 농도는 아스팔트 결합제의 약 2 내지 약 10 중량%이다. 더욱 전형적으로, 폴리머의 농도는 아스팔트 결합제의 약 2 내지 약 6 중량%이다. 상업적으로 이용가능한 ELVALOY 개질제와 같은 삼원공중합체는 전형적으로 아스팔트 결합제의 약 2 중량%, 때때로 아스팔트 결합제의 약 1 중량% 만큼의 소량을 구성한다.

그렇지만, 또다른 구체예에서, 본원발명의 도로포장 조성물은 바람직하게는 폴리머로 개질되지 않는다. 환언하면, 본 구체예에서 아스팔트 결합제는 실질적으로 폴리머 개질제가 없다. 구체적으로, 상기 첨가제의 농도는 선호도가 증가하는 순서로, 아스팔트 결합제의 1.0, 0.5, 0.2, 0.1, 0.05, 또는 0.01 중량% 미만이며, 또는 심지어 0%이다.

전술한 구체예의 관점에서, 도로포장 조성물은 또한 실질적으로 액체 박리-방지제 및 폴리머 개질제가 없을 수 있다. 따라서, 본원발명의 한 구체예에서 본원발명의 도로포장 조성물은 본질적으로 본원에 제시된 값과 일치하는 농도로 아스팔트 결합제, 폴리인산, 석회, 및 골재으로 구성될 수 있다.

F. 아스팔트 결합제의 제조

아스팔트 결합제의 제조는 교반을 동반한 직접 첨가 또는 인-라인 혼합(in-line mixing)과 같은 당해 기술분야에 공지된 임의의 적절한 수단에 의해 성취될 수 있다. 방법에 상관없이, 아스팔트 결합제 제조는 전형적으로 아스팔트 결합제, 폴리인산, 및 또다른 첨가제의 온도를 증가시킴으로써 촉진된다. 혼합을 촉진하기 위하여, 온도는 적어도 아스팔트의 연화점까지 증가한다. 전형적으로, 혼합물의 온도는 약 160 내지 약 200℃까지 증가한다. 아스팔트가 혼합을 위한 충분한 온도까지 가열된 후, 폴리인산 및 또다른 선택적 성분이 아스팔트에 적절히 분산되도록 교반하면서 폴리인산 및 또다른 성분이 전형적으로 가열 아스팔트에 유입된다.

비록 아스팔트, 폴리인산 및 폴리머 개질제(만약 존재한다면)와 같은 첨가제를 포함하는 아스팔트 결합제가 고온 혼합 플랜트에서 성분을 순서대로 혼합함으로써 제조될 수 있지만(종종 포스트-블렌딩이라 불림), 가열 아스팔트 혼합물 플랜트에 유입되기 이전에 아스팔트 결합제 공급기에 의해 아스팔트, 폴리인산, 및 선택적인 폴리머 개질제가 혼합되는 것이 바람직하다(종종 프리-블렌딩이라 불림). 아스팔트 및 첨가제의 일부 조합이 혼합 케틀(kettle)을 사용하여 상대적으로 쉽게 혼합될 수 있는 반면, 다른 것들은 고 전단 밀링(high shear milling) 또는 또다른 특별한 혼합 공정을 요구한다. 그렇지만, 상기 선택이 가열 아스팔트 혼합물 설비에서 폴리인산이 아스팔트 결합제(폴리머 개질제를 함유하지 않거나 또는 함유함)와 혼합될 수 없음을 제시하는 것으로 해석되어서는 안된다. 반대로, 표면-활성 박리-방지 첨가제는 전형적으로 프리-블렌드되지 않으며-이들은 전형적으로 아스팔트가 골재와 혼합되기 이전에 고온 혼합 설비에서 아스팔트와 혼합된다. 표면-활성 박리-방지 첨가제와 아스팔트를 혼합하는 방법은 당해 기술분야의 평균적 기술자에게 공지이며 이러한 방법은 본원발명의 아스팔트 조성물 제조에 사용될 수 있다. 게다가, 알칼리성 박리-방지 첨가제(예를 들면, 석회)와 아스팔트를 프리-블렌드 하는 것이 가능할지라도, 이러한 실시를 정형적이지 않다. 전술한 바와 같이, 석회는 아스팔트 결합제와 혼합되기 이전에, 골재를 처리함으로써 도로포장 조성물에 전형적으로 첨가된다.

G. 골재( aggregate )

"골재"은, 아스팔트 결합제와 함께 사용되어 아스팔트 도로포장 조성물과 같은 화합물 재료를 형성하는 모래, 자갈, 및 부순 돌(crushed stone)과 같은 광물 재료에 대한 포괄적 용어이다. 부피에 있어서, 골재는 전형적으로 아스팔트 도로포장 조성물의 적어도 약 90 부피%를 차지한다. 예를 들면, 아스팔트 도로포장 조성물은 약 92 내지 약 96 부피%의 골재를 포함하는 것이 일반적이다.

골재는 천연 골재, 제조된 골재, 또는 이들 둘의 조합을 포함할 수 있다. 천연 골재는 전형적으로 기계적 분쇄에 의해 사용가능한 크기로 작아진, 채석장으로부터 발췌한 암석이다. 천연 골재는 다음의 세 가지 광범위한 지질 분류로부터 유래한다: 화성암, 퇴적암, 및 변성암. 화성암은 주로 결정체이며, 지각 아래 용융된 물질의 냉각에 의해 형성되었다. 퇴적암은 열 또는 압력에 의해 암석으로 변하는, 바다 또는 호수 바닥에 침전된 불용성 물질로부터 형성되었다. 퇴적암은 명확히 층을 이루며, 주류를 이루는 광물에 의해 더욱 분류된다. 예를 들면, 퇴적암은 일반적으로 석회질(석회석, 백악질 등), 규산질(각암, 사암 등), 또는 점토질(셰일 등)로 분류된다. 변성암은 충분한 열, 압력 또는 둘 모두를 받아서 광물 구조가 원래 암석의 구조로부터 변화된 화성암 또는 퇴적암이다. 제조된 골재는 전형적으로 야금 공정으로부터의 슬래그(예를 들면 강, 주석, 및 구리 제품)와 같은 또다른 제조 공정의 부산물이다. 제조된 골재는 또한 낮은 밀도와 같은 천연 암석에서는 발견되지 않는 특정 물리적 특성이 있도록 제조된 특별한 물질을 포함할 수 있다. 주로 골재의 광물 조성이 골재의 물리적 및 화학적 특성, 및 도로포장 재료로 어떻게 수행하는지를 결정한다. 특히, 골재의 조성은 경험하게 될 박리에 대한 도로포장 조성물의 민감성 또는 성향에 많은 영향을 미친다. 실제로, 가열 아스팔트 혼합물의 박리에 대하여 골재의 물리화학적 표면 특성이 아스팔트 결합제의 특성보다 훨씬 더 많은 역할을 할 수 있다. 비록 골재 표면으로부터 물에 의한 아스팔트 결합제의 전치에 관계된 복잡한 현상이 아직 완전히 밝혀지지 않았지만, 골재의 화학적 조성 또는 광물 함량이 중요한 요인이라는 점은 공지되어 있다. 예를 들면, 물 또는 아스팔트에 대한 골재의 친화성은 중요한 역할을 한다. 일부 골재는 아스팔트보다 물에 대하여 더욱 친화성을 가지며(친수성), 이는 박리를 더욱 쉽게 하는 경향이 있다. 이와 같은 골재는 산성을 띠는 경향이 있으며 그 예로는 규암, 사암, 및 화강암이 있다. 다른 한편으로, 물보다 아스팔트에 대하여 더욱 친화성이 있는 골재(소수성)은 박리를 덜 쉽게 하는 경향이 있다. 이러한 골재는 염기성을 띠는 경향이 있으며 그 예로는 대리석, 석회석, 현무암, 및 돌로마이트가 있다. 본원발명의 도로포장 조성물은 임의의 적절한 타입의 도로포장 골재를 포함할 수 있다. 그렇지만, 아래 실시예에 제시되는 바와 같이, Lithonia 화강암과 같이 박리를 쉽게 하는 것으로 알려진 골재를 사용할 때, 부착에 있어서의 개선이 특히 명확하다.

따라서, 골재는 도로포장 조성물의 박리-방지 성질을 개선하기 위해 선택될 수 있다. 그렇지만, 골재의 선택이 전형적으로 단지 박리에 대한 특징에만 기초하는 것은 아니다. 경도, 인성, 내마모성, 내피로성, 비용, 가용성, 등과 같은 또다른 요인이 전형적으로 고려되며 박리-방지보다 더욱 중요할 수 있다. 예를 들면, 비록 석회석이 박리-방지의 관점에 있어서 일반적으로 우수한 골재으로 간주될지라도, 경도 또는 인성 관점에 있어서는 나쁜 골재으로 간주된다.

골재는 또한 골재 입자의 혼합 크기(mix size) 또는 최대 크기에 기초하여 선택된다. 혼합 크기의 예는 4.75 ㎜, 9.5 ㎜, 12.5 ㎜, 19.0 ㎜, 25.0 ㎜, 및 37.5 ㎜를 포함한다. 혼합 크기에 부가하여, 그라데이션(즉, 전형적으로 여과 분석에 의해 결정되는 상이한 크기 입자의 상대량)이 선택 요인이 되는 경향이 있다. 전형적인 그라데이션의 예는 다음을 포함한다: 밀-입도 또는 양호한 입도(ense or well-graded), 이것은 미국에서 가장 널리 사용된다; 갭 입도(gap graded), 이것은 도로포장 조성물 배치 동안에 분리되는 경향이 있다; 개입도, 이것은 더 큰 백분율의 빈공간을 결과할 수 있는데, 이는 큰 입자 사이에 작은 입자가 충분하지 않기 때문이다; 및 등입도(uniformly graded), 여기에는 모든 입자가 본질적으로 동일한 크기이다. 특정 응용을 위한 적절한 골재 타입의 선택 및 이것의 특성(예를 들면, 혼합 크기, 그라데이션, 수분 함량 등)은 도로포장 위치, 교통수단 유형, 온도 등에 기초하며, 이것은 당해 기술분야에서 공지되어 있다.

H. 아스팔트 도로포장 조성물 제조 방법

박리-방지와 같은 특성 및 바퀴자국, 단단함, 내마모성, 산화, 노화 및 갈라짐과 같은 또다른 특성에 대한 강화 또는 손해 정도는 아스팔트 타입, 골재 타입, 온도, 시간, 개질제 타입 및 농도를 포함하는 아스팔트 개질 파라미터와 같은 다양한 변수에 의존한다고 당해 기술분야의 평균적 기술자에 의해 일반적으로 여겨지기 때문에, 또다른 수용 가능한 특성에 따라 높은 등급의 박리-방지 습성을 갖는 아스팔트 콘크리트를 제조하기 위한 최적의 재료, 농도, 공정 조건, 또는 이들의 조합의 실험적 결정이 선호된다.

일반적으로, 수용가능한 아스팔트 도로포장 조성물은, 전형적으로 폴리인산으로 개질된 아스팔트 결합제와 임의의 또다른 개질제, 및 전형적으로 석회로 처리된 골재를 고온(예를 들면 약 165℃ 초과)에서 골재를 코팅할 수 있는 시간(예를 들면, 약 1 내지 4시간) 동안 당해 기술분야에서 공지된 임의의 방법에 의해 혼합함으로써 제조될 수 있다. 통상적인 방법은 배치 제조법(batch preparation), 평행류 드럼-혼합법(parallel-flow drum-mix), 및 역류 드럼 혼합법(counter-flow drum mix)을 포함한다. 비록 골재와 아스팔트 결합제를 혼합하기 위하여 서로 다른 방법이 사용될 수 있을지라도, 결과물인 도로포장 조성물은, 골재를 코팅하고 도로포장 조성물을 적절하게 결합할 수 있는 충분한 양의 동일한 골재 및 결합제이다. 전형적으로, 아스팔트 결합제의 양은 적어도 약 4 중량%이며, 도로포장 조성물의 나머지는 골재를 포함하며, 골재는 바람직하게는 석회로 처리된다. 게다가, 도로포장 조성물은 전형적으로 아스팔트 결합제를 약 7 중량% 초과하여 포함하지 않는데, 왜냐하면 다른 것들 중에, 이것이 매우 고가이며 전형적으로 분해되는 경향이 있기 때문이다. 이러한 관점에서, 도로포장 조성물 내 아스팔트 결합제의 농도는 바람직하게는 약 4 내지 약 7 중량%이다. 더욱 바람직하게는, 아스팔트 결합제의 농도는 약 4.5 내지 약 6.5 중량%이다.

I. 아스팔트 도로포장 조성물의 용도

비록 인산과 석회의 첨가가 아스팔트와 골재 사이의 부착을 개선하기 위해 사용될 수 있을지라도, 도로포장 조성물의 응용 방법에 관계된 또다른 인자가 도로포장재의 내구성에 있어서 중요한 역할을 한다는 점을 인식하는 것이 중요하다. 예를 들면, 도로포장의 두께("부설두께") 및 흔히 빈공간 백분율로 측정되는 압축도(degree of compaction)가 도로포장재의 물에 대한 투과성에 영향을 미친다는 점은 당해 기술분야의 평균적 기술자에게 공지되어 있다. 일반적으로, 부설두께는 골재 혼합 크기(mix size) 두께의 3 내지 약 4배이어야 한다고 여겨진다. 예를 들면, 9.5 ㎜ 혼합 두께를 갖는 도로포장 조성물에 대한 바람직한 부설 두께는 약 38 ㎜(약 1.5 인치)이다. 적절한 혼합물 선택과 부설두께는 도로포장 조성물의 압축도에 도움을 주며 그 결과 투과성을 감소시킨다. 바람직하게는, 도로포장 조성물의 압축도는 약 7.5% 미만의 빈공간 백분율이다. 전형적으로, 압축도는 빈공간 백분율이 약 4-5% 이하로 수득되는 정도일 수 있다.

실시예 1 - 텍사스 보일 시험( Texas Boil Test )을 사용한 수분 민감도 측정

텍사스 보일 시험(Texas Method Tex-530-C) 또는 ASTM D 3625, "Effect of Water on Bituminous-Coated Aggregate Using Boiling Water", 는 특정 골재에 대한 아스팔트 결합제의 부착을 측정하기 위한 아스팔트 결합제 산업에서 광범위하게 사용되는 주요 시험이다. 이 시험에서, 아스팔트 결합제는 골재와 혼합되고 혼합물 의 온도는 약 135℃까지 상승한다. 약 135℃에 이르면, 혼합물은 끓는 물이 있는 용기(예를 들면, 비커)에 부어지고, 내용물은 약 10분 동안 끓게 된다. 그 후 아스팔트 결합제는 물과 분리되고 실온에서 건조된다. 건조된 아스팔트는 부착된 아스팔트 결합제로 덮여진 골재의 백분율을 시각적으로 측정함으로써 평가된다. 전형적으로, 첨가제의 효과를 더욱 정확하게 측정하기 위하여 아스팔트 콘크리트 대조군(즉, 박리-방지 첨가제가 없는 콘크리트)이 동시에 시험된다.

이러한 시험은 매우 상이한 화학적 특성을 갖는 세 개의 아스팔트 상의 서로 다른 105% 폴리인산의 농도가 작용하는 박리에 대한 효과를 평가하기 위하여 수행되었다. 폴리인산과 함께 석회 및 두 개의 액체 아민 박리-방지 첨가제의 효과도 또한 평가되었다. 두 개의 액체 아민 박리-방지 첨가제는 Rohm & Haas사로부터 구입가능한 PAVEBOND (라이트 그레이드) 및 Arr-Maz Custom Chemicals, Inc. 사로부터 구입가능한 ADHERE(HP 플러스) 이었다. 골재는 Martin Marietta사로부터 구입 가능한 9.5 ㎜ Lithonia 화강암이었다. 본 골재는 특히 박리되기 쉽다고 알려져 있기 때문에 선택되었다. 선택된 아스팔트는 Valero/UDS사로부터의 PG 64-22, Citgo사로부터 구입가능한 PG 67-22, 및 Husky사로부터 구입가능한 PG 58-22이었다.

구성성분의 농도 및 텍사스 보일 시험의 결과가 아래 표 A에 제시된다.

^1.아스팔트에 직접 첨가됨.

* 가열 아스팔트 혼합물에 앞서 골재로 프리-블렌드된 특성

전술한 데이터는 다음의 예상치 못한 결과를 제시한다. 첫째, 약 0.5%의 폴리인산과 약 2.0%의 석회-처리된 골재의 혼합이 가장 우수한 박리-방지 특성을 나타냈다. 둘째, 상기 데이터는 약 0.5%의 액체 박리-방지 첨가제를 가지면서 약 0.5%의 폴리인산을 포함하는 도로포장 조성물과 액체 박리-방지 첨가제를 갖지 않으면서 약 0.5%의 폴리인산을 포함하는 도로포장 조성물이 비슷한 부착 등급을 가짐을 제시한다. 셋째, 폴리인산 자체의 높은 농도는 부착을 개선시키지 않음을 제시한다. 따라서, 석회 또는 액체 박리-방지 첨가제를 가지면서, 폴리인산의 일정 농도(예를 들면, 약 2.0%)의 초과는 골재에 대한 아스팔트 결합제의 부착을 감소시킨다고 여겨진다. 넷째, 대조군(처리되지 않은) 아스팔트는 가장 나쁜 부착을 나타냈다. 다섯째, 도로포장 조성물의 시효(약 49℃에서 약 1주간 유지시킴)는 도로포장 조성물의 박리-방지 성질을 개선시켰다. 마지막으로, 아스팔트 결합제에 약 0.5%의 폴리인산을 포함시키는 것은 골재에 2.0%의 석회를 첨가하는 것과 동등한 효과를 갖는 것으로 여겨졌다. 요약하면, 부착의 개선은 바람직하게 결정될 수 있는 범위에서 폴리인산 및 석회의 농도를 선택함으로써 실현된다.

실시예 2 - 동적 전단 레오메타에 의한 유동 측정

실시예 1에 제시된 아스팔트 결합제의 일부가 표준 동적 전단 레오메타 시험[Dynamic Shear Rheometer test] (AASHTO TP 5)에 따라 시험되었다. 본 시험은 복소전단탄성계수(G*), 및 최대 적용 전단력과 최대 결과 전단력 사이의 라디안으로 표현된 시간차인 위상각(δ)의 측정을 포함한다. 복소전단탄성계수(G*) 및 위상각(δ)은 바퀴자국 및 약화에 의한 갈라짐의 예보자로서 사용된다. 바퀴자국을 방지하기 위해, 아스팔트 결합제는 굳어질 수 있어야 하며(너무 많이 변형되면 안 됨) 탄성이 있어야 하는데(부하에 의한 변형 이후 원래 모양으로 복귀가능해야 함), 이것은 복소전단탄성계수의 큰 탄성 몫(G*cosδ)에 대응한다. 직관적으로, G* 값이 클수록 아스팔트 결합제는 더 잘 굳어지고(변형 방지), δ 값이 작을수록 G*의 탄성 몫은 커진다(원래 모양으로 복귀할 수 있는 능력). 약화에 의한 갈라짐을 방지하기 위해, 아스팔트 결합제는 탄성이어야 하며 너무 굳으면 안 된다(과도하게 단단한 물질은 변형 또는 되돌아 오는 대신 깨질 것이다). 복소전단탄성계수의 점도 몫(G*sinδ)은 바람직하게는 작다. 비록 유사하게 보일지라도, 큰 G*cosδ 및 작은 G*sinδ에 특성을 부여하는 것은 동일하지 않다. 이들은 모두 전형적으로 작은 위상각(δ)을 요구하지만, 중요한 것은 너무 크거나 또는 너무 작지 않은 복소전단탄성계수(G*)를 갖는 것이다.

구성성분의 농도와 동적 전단 레오메타 시험 결과가 아래 표 B에 제시된다.

^1.아스팔트에 직접 첨가됨.

^2.골재와 프리-블렌드됨.

³.석회가 없는 결합제와 동등한 "개질된" 결합제의 DSR 값.

다른 것들 중에서, 전술한 데이터는 아민 박리-방지 첨가제(에테르 아민) 0.5% 첨가가 복소전단탄성계수의 점도 몫(G*sinδ)에 있어서 혼합된 결과를 가져왔음을 제시한다. 구체적으로, PG 64-22 아스팔트에 대하여, 액체 아민 첨가제의 첨가에 의해 G*sinδ값이 감소하였고, PAVEBOND 첨가제는 더 많은 감소를 제공하였다. PG 67-22 아스팔트에 대하여, PAVEBOND는 G*sinδ값을 증가시켰고 ADHERE는 G*sinδ값을 감소시켰다. PG 58-22 아스팔트에 대하여, 상기 두 첨가제 모두 G*sinδ값을 증가시켰으나, ADHERE가 훨씬 더 많이 증가시켰다. 또한, 액체 아민 첨가제 없이 0.5% 폴리인산의 첨가에 의해 G*sinδ값의 매우 큰 증가가 관찰되었다. 실제로, 증가는 결합제의 고온 등급을 상승시키기에 충분히 컸다. 게다가, G*sinδ값은 0.5% 폴리인산 및 첨가된 액체 아민 첨가제의 조합으로부터 결과한다. 구체적으로, 이들은 PG 64-22 및 PG 67-22 아스팔트에 대하여는 중간이었으며, PG 58-22 아스팔트에 대하여는 매우 크게 증가하였다. 더욱이, 액체 아민 첨가제와 함께 또는 액체 아민 첨가제 없이, 2.0% 폴리인산의 첨가는 G*sinδ값을 매우 크게 증가시켰다.

실시예 3 - 로트만 방법을 사용한 수분 민감도 측정

AASHTO 기호 T 283-89(1993)에 의해 공지되고, "Resistance of Compacted Bituminous Mixture-Induced Damage"라 제목 붙어진 로트만 방법(Lottman Procedure)이 압축된 역청질 혼합물의 간접 인장력에 대한 포화 및 가속된 물 조건의 효과를 측정하기 위해 수행되었다. 샘플은 약 6.4% 아스팔트 결합제를 사용하여 제조되었다. 로트만 방법의 결과는 상기 혼합물의 장-기간 박리 민감성을 예상하고, 아스팔트 결합제 또는 골재에 첨가될 수 있는 박리-방지 첨가제의 효과를 측정하기 평가하기 위해 사용될 수 있다.

인장력에 의해 압축된 샘플은 전형적으로 컨디션되기 전 및 후에 시험된다. 전형적으로, 세 개의 샘플이 각각의 시험을 위해 사용되었다. 물 컨디션닝 공정(water conditioning process)은 수분으로 샘플을 진공 포화시키는 단계, 샘플을 약 60℃에서 약 24시간 동안 유지시키는 단계, 및 샘플을 약 25℃의 물 욕조에 약 2시간 동안 놓아두는 단계를 포함한다. 더욱이, 동결융해 순환(freeze-thaw cycle)이 컨디션닝 공정에 추가될 수 있다. 컨디션되지 않은 샘플 및 컨디션된 샘플의 인장력이 결정되었다. 일반적으로, 컨디션된 샘플의 인장력이 컨디션되지 않은 샘플의 적어도 약 70%라면, 특정 아스팔트 결합제는 수분에 의해 유발된 손상을 방지하는 것으로 여겨진다. 상이한 샘플 조성 및 시험 결과가 아래 표 C에 제시된다.

참조: 골재 원료는 Lithonia Granite (Martin Marietta); Mix Design GA DOT 9.5 ㎜ Marshall Design w/6.4% AC이었음.

표 C의 데이터는 공지된 바와 같이 아민 박리-방지제가 아스팔트 결합제의 점도를 감소시키는 경향이 있고 도로포장 조성물의 강도를 감소시키는 것으로 예상되는 것과 일치한다. 또한 일반적으로 공지된 바와 같이 석회 단독으로, 그리고 폴리인산 단독으로 아스팔트 결합제의 점도를 증가시키고 도로포장 조성물의 강도를 증가시키는 것으로 예상된다. 그렇지만, 예상외로, 폴리인산과 석회의 조합은 가장 큰 강도 증가를 제공하였다. 또한 예상외로, 아민 박리-방지제 및 폴리인산의 조합은 그 밖의 다른 개질된 샘플보다 훨씬 적은 강도를 가졌다.

실시예 4 - 햄버그 휠 시험( Hamburg Wheel Test )

본 과정에서, 아스팔트 결합제 및 골재를 포함하는 표본은 압축된 슬라브 형태로 제조되고 쌓아지며 온도 조절된 물 욕조(예를 들면 50-60℃) 내에 놓여진다. 슬라브는 골재의 파괴 없이 요구되는 밀도를 달성하는 선형 니딩 압축기(linear kneading compactor)를 사용하여 압축된다. 제조된 샘플은 장치 내에 장착되고 휠이 움직이기 시작하며 데이터가 기록되기 시작한다. 휠 경과(wheel pass)마다 자동으로 수집되는 본 데이터는 바퀴자국 깊이 및 욕조 온도를 포함한다. 흔히 상기 시험은 20,000 순환 또는 20 ㎜ 변형 중 먼저 이르는 것까지 수행된다. 그렇지만, 본 평가에 대하여, 상기 시험은 8,000 순환까지 수행되었으며 바퀴자국 깊이가 결정되었다. 샘플의 합격 또는 불합격을 결정하는 척도는 10 ㎜의 바퀴자국 깊이이었다. 이러한 파라미터는 현재 몇몇 주 정부의 교통부에서 사용되는 있는데 왜냐하면 이것은 신속하고 가장 비용 효율적인 평가를 제공하기 때문이다. 시험의 불합격이 도로포장 조성물이 현장에서 사용될 때 실제로 불합격이 된다는 것을 반드시 의미하는 것은 아니라는 것을 인식해야 한다. 시험의 결과는 단지 수분 노출의 극한 상황 하에서 바퀴자국 및 박리에 대한 도로포장 조성물의 방지능력을 예상하고 서로 다른 도로포장 조성물의 상대적 성능을 평가하는 수단일 뿐이다.

아스팔트 결합제 조성 및 그들의 동적 전단 레오메타 데이터가 아래 표 D에 제시된다.

표 D의 데이터는 또다른 실시예의 데이터와 일치하며 폴리인산 및 상대적으로 낮은 농도의 또다른 첨가제에 의해 유발된 리올로지 효과(rheological effect)를 제시한다. 바퀴자국 깊이와 복소전단탄성계수(G*) 사이의 간접적인 상관관계가 있음이 예상되었다. 구체적으로, G* 값이 증가할수록 바퀴자국 깊이가 감소하는 것으로 예상되었다.

표 D에 제시된 아스팔트 결합제로 제조된 도로포장 조성물과 햄버그 시험(Hamburg Test) 결과가 아래 표 E에 제시된다. 초기 측정은 대조군(Lithonia 화강암 골재로 혼합된, 니트 또는 처리되지 않은 아스팔트 결합제)은 불합격하고 니트 아스팔트 결합제 및 석회 처리된 Lithonia 화강암 골재를 포함하는 샘플은 합격하는 시험 온도의 결정에 직접 관계한다. 샘플을 구분하는 온도는 약 50℃이었다. 바퀴자국 깊이 측정에 부가하여, 각각의 샘플은 시험에 의해 발생한 박리 백분율을 결정하기 위해 시각적으로 조사되었다.

¹ 시도(Trial) -08M은 도로포장 조성물 내 아스팔트 결합제의 농도가 6.5%인 점을 제외하고는 -05M과 동일하였다.

다른 것들 중에, 표 E의 데이터는 폴리인산의 첨가가 도로포장 조성물의 잠재적 성능에 크게 영향을 미친다는 점을 제시한다. 또다른 일반적인 관찰은 바퀴자국 깊이와 박리 정도 사이의 상관관계가 있음을 나타낸다. 더욱이, 변형에 대한 저항은 단순히 복소전단탄성계수에 관계한 것보다 더욱 복잡할 수 있는 것으로 보인다. 더욱 구체적으로, 폴리인산으로 개질된 아스팔트 결합제와 석회 처리된 골재의 조합은 가장 우수한 결과(즉, 두 번째로 작은 바퀴자국 깊이 및 약 5% 미만의 박리)를 제공하였음이 결정되었다. 게다가, 105%와 115% 인산 사이의 큰 성능 차이가 있는 것으로 여겨지지 않았다. 비교적 높은 농도의 아스팔트 결합제(즉 약 6.5%)가 불합격의 결과를 낳는 바퀴자국 깊이를 제공하는 것으로 관찰되었다.

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상기 전술한 개시는 예시적인 것이며 제한적인 것은 아니다. 당해 기술분야의 평균적 기술자가 전술한 설명을 읽는 경우 많은 구체예가 명확해질 것이다. 그러므로, 본원발명의 범위는 전술한 개시에 국한되어 결정되지 않으며, 특허청구범위 및 청구범위에 명시된 것과 동등한 범위에 의해 결정되어야 한다.

용어 "포함하다", "갖다"는 포함하는 의미를 나타내며 열거된 요소 이상의 부가적인 요소가 있음을 의미한다. 또한 "본질적으로 구성된" 또는 "구체적인 성분으로 구성된"은 상기 성분의 특정 반응 생성물을 함유할 수 있다.

종점에 의한 수량 범위의 인용은 그 범위의 모든 수를 포함한다. 예를 들면 1 내지 5라는 표현은 1 , 1.6, 2, 2.8, 3, 3.2, 4, 4.75, 및 5를 포함한다.

Claims (20)

1. 아스팔트 결합제, 골재, 및 알칼리성 박리-방지 첨가제를 포함하며, 상기 아스팔트 결합제는 아스팔트 및 폴리인산을 포함하는, 아스팔트 도로포장 조성물.
2. 제 1항에 있어서, 상기 아스팔트 결합제는 아스팔트 도로포장 조성물의 4 내지 7 중량% 농도임을 특징으로 하는 아스팔트 도로포장 조성물.
3. 제 1항에 있어서, 상기 골재는 아스팔트 도로포장 조성물의 90 부피% 농도임을 특징으로 하는 아스팔트 도로포장 조성물.
4. 제 1항에 있어서, 상기 폴리인산은 아스팔트 결합제의 0.05 중량% 이상의 농도임을 특징으로 하는 아스팔트 도로포장 조성물.
5. 제 1항에 있어서, 상기 폴리인산의 농도는 아스팔트 결합제의 2.0 중량% 이하임을 특징으로 하는 아스팔트 도로포장 조성물.
6. 제 1항에 있어서, 상기 알칼리성 박리-방지 첨가제는 수산화칼슘을 포함함을 특징으로 하는 아스팔트 도로포장 조성물.
7. 제 1항에 있어서, 상기 알칼리성 박리-방지 첨가제는 골재의 0.5 중량% 이상의 농도임을 특징으로 하는 아스팔트 도로포장 조성물.
8. 제 6항에 있어서, 상기 알칼리성 박리-방지 첨가제의 농도는 골재의 2 중량% 이하임을 특징으로 하는 특징으로 하는 아스팔트 도로포장 조성물.
9. 제 1항에 있어서, 상기 아스팔트 결합제는 표면-활성 박리-방지 첨가제를 더욱 포함함을 특징으로 하는 아스팔트 도로포장 조성물.
10. 제 8항에 있어서, 상기 표면-활성 박리-방지 첨가제는 아민을 포함함을 특징으로 하는 아스팔트 도로포장 조성물.
11. 제 8항에 있어서, 상기 표면-활성 박리-방지 첨가제는 아스팔트 결합제의 0.5 내지 1.0 중량% 농도임을 특징으로 하는 아스팔트 도로포장 조성물.
12. 제 1항에 있어서, 상기 아스팔트 결합제는 폴리머 개질제를 더욱 포함함을 특징으로 하는 아스팔트 도로포장 조성물.
13. 제 11항에 있어서, 상기 폴리머 개질제는 스타이렌-부타디엔-스타이렌 코폴리머, 스타이렌-부타디엔 코폴리머, 삼원공중합체(terpolymer), 에틸렌-비닐-아세 테이트 폴리머, 에틸렌-메타크릴레이트 폴리머, 스타이렌-이소프렌 코폴리머, 에폭시 수지, 천연 고무, 폴리디올레핀, 및 이들의 조합으로 구성된 그룹으로부터 선택됨을 특징으로 하는 아스팔트 도로포장 조성물.
14. 제 11항에 있어서, 상기 폴리머 개질제는 아스팔트 결합제의 1.0 중량% 이상의 농도임을 특징으로 하는 아스팔트 도로포장 조성물.
15. 제 1항에 있어서, 폴리머 개질제의 농도는 아스팔트 결합제의 10.0 중량% 이하임을 특징으로 하는 아스팔트 도로포장 조성물.
16. 아스팔트, 골재, 폴리인산, 및 알칼리성 박리-방지 첨가제로 구성된 제 1항의 아스팔트 도로포장 조성물.
17. 폴리인산 및 알칼리성 박리-방지 첨가제를 아스팔트 도로포장 조성물에 첨가하여 아스팔트 도로포장 조성물을 개질하는 단계(modifying)를 포함하는, 아스팔트 및 골재를 포함하는 아스팔트 도로포장 조성물을 사용하여 제조된 아스팔트 도로포장재(asphalt pavement)의 박리 내구성 개선 방법.
18. 아스팔트 및 폴리인산을 포함하는 개질된 아스팔트 결합제와 골재 및 알칼리성 박리-방지 첨가제를 혼합하여 아스팔트 도로포장 조성물을 제조하는 단계를 포 함하는, 아스팔트 도로포장 조성물 제조 방법.
19. 제 18항에 있어서, 상기 개질된 아스팔트 결합제는 아스팔트 도로포장 조성물의 4 내지 7 중량% 농도이며, 상기 골재는 아스팔트 도로포장 조성물의 90 부피% 이상의 농도이며, 상기 폴리인산은 적어도 100%의 H₃PO₄ 등가 농도를 갖고 그리고 개질된 아스팔트 결합제의 0.05% 내지 2.0 중량% 농도이며, 알칼리성 박리-방지 첨가제는 골재의 0.5 내지 2.0 중량% 농도임을 특징으로 하는 아스팔트 도로포장 조성물 제조 방법.
20. 제 18항에 있어서, 상기 개질된 아스팔트 결합제는 아스팔트 및 폴리인산으로 구성됨을 특징으로 하는 아스팔트 도로포장 조성물 제조 방법.