KR20090129546A - 중온 아스팔트 콘크리트 혼합물 제조를 위한 중온아스팔트 개질제 혹은 중온 개질아스팔트의 조성물 - Google Patents

중온 아스팔트 콘크리트 혼합물 제조를 위한 중온아스팔트 개질제 혹은 중온 개질아스팔트의 조성물 Download PDF

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Abstract

본 발명은 점연제(점도 연화제; 왁스 및 송진) 3-100 중량부와 아스팔트바인더 5-500 중량부가 포함되는 것을 기본 특징으로 하며, 상기 재료의 물성향상을 위하여 고분자 개질제(고무 및 열가소성 고분자) 3-100 중량부를 첨가하거나, 충진제(카본블랙 및 유기 및 무기 단섬유) 5-50 중량부를 추가하는 것을 특징으로 하는 중온 아스팔트 개질제 혹은 중온 개질아스팔트의 조성물을 제공하기 위한 것이다. 상기 중온 아스팔트 개질제(Warm Asphalt Modifiers)나 중온 개질아스팔트(Warm Modified Asphalts)는 기존의 고온 아스팔트(Hot Asphalt)와 비교하여 아스콘생산과 시공 온도를 약 20℃ 정도 낮춤으로서 아스콘생산이나 시공에 따른 공해발생문제, 아스팔트의 산화노화문제, 아스콘생산 시의 에너지 절약문제, 교통개방을 위한 냉각시간문제, 공용성 향상문제, 다짐 용이성문제 등을 상당부분 해소시키는 특성을 갖고 있다.
중온 아스팔트 개질제, 고온 아스팔트, 점연제, 고분자 개질제, 충진재, 등

Description

중온 아스팔트 콘크리트 혼합물 제조를 위한 중온 아스팔트 개질제 혹은 중온 개질아스팔트의 조성물 { Composition of Warm Asphalt Modifiers or Warm Modified Asphalts for Warm Mix Asphalt Concretes}
고속도로, 도시도로, 국도, 군도, 농로, 아파트단지, 주차장, 야적장, 공항 등의 표층, 중간층 혹은 기층에 적용되는 아스팔트포장을 시공하기 위해서는 아스팔트 콘크리트 혼합물이 필요하다. 이 혼합물의 제조에 필요한 새로운 아스팔트바인더의 재료개발에 관한 기술 분야이다.
고온 아스팔트 콘크리트 혼합물(Hot Mix Asphalt Concretes)은 현재 아스팔트포장을 위한 포장혼합물의 주류를 이루며, 아스콘공장에서 155-170℃의 고온에서 생산되는 데, 이 때 아스팔트바인더 중 일부 저분자량 물질이 휘발하여 가스를 발생시키는 데, 탄산가스를 포함한 유해가스가 대부분이어서 공기 중에 노출되어 환경공해를 초래한다. 또한 고온에서 아스콘을 생산하다보니 아스팔트의 산화노화가 비교적 빨리 진행되어 조기 포장균열 발생의 원인이 되다보니 상대적으로 포장수명 이 단축된다. 고온의 아스콘생산온도를 유지하기 위하여 에너지 소모량도 상대적으로 많아진다. 또한 고온에서 아스콘을 포설하고 다짐한 후 시공된 포장을 50℃이하로 냉각시켜 교통에 개방하는 데, 상당히 긴 냉각시간 (약 3-5시간)이 소요된다. 고온 아스팔트포장은 추운 기후에서는 포장하는 것을 금하는 데, 주된 이유는 아스콘이 추운 공기로 말미암아 쉽게 냉각되어 충분히 다짐이 안 되지 때문이며, 이로 인해 조기 포장파손이 빈번히 발생한다.
상기 재료와 시공관련 문제점들을 해결하기 위하여 최근에 중온 아스팔트포장 기술이 개발되어 상업화되고 있다. 중온 아스팔트포장은 고온 아스팔트포장보다도 아스콘 생산온도가 약 20℃ 정도 낮으며, 따라서 시공온도도 20℃ 정도 낮아진다. 이러한 효과는 공해발생을 거의 없애고, 아스팔트의 산화노화를 줄이고, 아스콘공장의 에너지 소모량도 낮추고, 교통개방 시간도 상대적으로 짧아지게 하고, 비교적 추운날씨에도 포장시공을 가능케 하는 장점을 가진다.
일반 아스팔트바인더는 온도가 120-130℃ 정도가 되어야 비로소 점도가 현격히 낮아지기 시작하며, 그 이하에서는 액체이긴 하나 점도가 상대적으로 높은 편이다. 따라서 100℃이하에서는 아스팔트 혼합물의 실질적인 다짐이 어려워서 다짐보다는 표면 고르기를 주로 하고 있다. 따라서 온도가 높아 낮은 아스팔트점도를 유지할 수 있는 120-155℃에서 기존 아스팔트혼합물의 다짐이 대부분 행해지는 데 이러한 아스팔트포장을 고온 아스팔트포장(Hot Mix Asphalt Pavement)이라 한다. 상기 다짐온도를 약 20℃ 정도 떨어뜨려서 100-135℃에서 대부분의 다짐이 이루어진다면 앞서 언급한 바와 같은 생산 및 시공관련 문제점들이 상당히 해소된 여러 장점을 지닌 아스팔트포장의 건설이 가능해지는 데, 이러한 포장을 중온 아스팔트포장 (Warm Mix Asphalt Pavement)이라 한다. 이러한 중온 아스팔트포장의 시공이 가능해지기 위해서는 아스팔트바인더의 점도를 떨어뜨려서 포장시공온도가 전반적으로 20℃이하로 낮아지도록 하는 기술개발이 필수적이다.
상기 목적을 위하여 개발되어야 할 중온 아스팔트 개질제 혹은 중온 개질아스팔트는 다음 특성을 가져야 한다. 100-135℃ 온도범위에서 포장혼합물의 다짐이 대부분 이루어지도록 아스팔트바인더의 점도를 충분히 낮출 수 있어야 한다. 또한 반복 교통하중에 의해 발생하는 소성변형을 저지하도록 80℃ 이하에서는 액체가 아니라 고체로 존재하여 아스팔트 점도를 높일 수 있어야 한다. 상기 조건을 만족하기 위한 점도 연화제(점연제)는 고분자에 비하여 분자량이 비교적 적고 (분자량이 크면 융점이 적정범위를 벗어남으로 부적합) 80-100℃ 사이에서 융점을 가지는 고체여야 한다. 이러한 고체 재료는 융점이상의 온도에서는 용해하여 갑자기 점도가 낮아지는 특성을 지닌다. 이렇게 80-100℃ 사이에서 점도가 갑자기 낮아지는 재료를 아스팔트에 첨가하면 아스팔트 점도를 20℃ 정도 낮추는 결과를 얻게 된다. 따라서 본 특허는 이러한 재료의 조성물을 개발하는 기술에 관한 것이다.
상기 특성을 지니는 중온 개질제는 80℃ 이하에서는 결정을 이루는 고체가 됨으로 대부분 수축과 함께 취성의 성질을 나타낸다. 이러한 취성을 나타내는 재료가 전체 아스팔트바인더 중 적정함량을 초과하게 되면 저온에서 쉽게 균열을 발생시킬 소지가 상당히 커진다. 이 점을 고려하여 점연제의 첨가 함량에 제한을 두거나, 아니면 균열을 방지하기 위한 다른 개질제를 함께 사용하여 이러한 문제를 해결할 수 있어야 한다. 따라서 본 발명에서는 고온 점도를 낮추어 시공을 용이하게 하는 중온 아스팔트 개질제의 조성물 개발이 일차적 관심사이며, 이와 함께 아스팔트포장의 저온 균열과 고온 유동 저항성을 동시에 향상시킬 수 있는 포장물성 개선제도 함께 조성물에 포함시켜 우수한 공용성을 가진 중온 아스팔트 도로포장을 건설하고자 함이 본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제이다.
외국에는 아스팔트의 점도를 연하게 하는 점연제를 이미 여러 종류 개발하여 적당량 이하로 사용제한을 두어 취성문제를 해결함으로서 중온 아스팔트포장용 제품으로 시판되고 있으나 점연제에 포장물성 개선제를 함께 첨가한 중온 아스팔트개질제나 중온 개질아스팔트를 상품화한 경우는 찾아보기 힘들다.
상기 과제를 해결하기 위한 수단으로 본 발명은 점연제 3-100 중량부와 아스팔트바인더 5-500 중량부가 포함되는 것을 기본 특징으로 하는 중온 아스팔트 개질제 혹은 중온 개질아스팔트의 조성물을 제안한다. 상기 재료의 물성향상을 위하여 고분자 개질제 3-100 중량부를 첨가하거나, 충진제를 추가하거나 둘 다 추가하는 데 충진제 추가량은 5～50 중량부인 것을 특징으로 한다.
여기서 중온 아스팔트개질제라 함은 점연제가 아스팔트 함량에 비하여 상대적으로 많은 조성물 비율을 차지하여, 미세 고체입자로 제조됨을 말한다. 이러한 미세 고체입자는 적정량 비닐백에 포장하여 아스콘공장에 운반한 후, 아스콘을 만들기 위해 배치탑의 퍼그밀에서 골재와 아스팔트가 혼합될 때 적정량 함께 투입하여 중온 개질 아스팔트 콘크리트 혼합물을 제조하는 데 사용된다. 반면에 중온 개질아스팔트라 함은 점연제가 아스팔트 함량에 비하여 상대적으로 적은 조성물 비율을 차지하도록 설계되어, 점연제가 고온의 아스팔트 액체에 잘 분산되어 있는 제품이다. 다시 말해서 중온 개질아스팔트 제품이란 아스팔트가 저장되어 있는 고온탱크에 적정량의 점연제를 투입하고 잘 혼합하여 제조된 고온의 균일 분산액체를 말한다. 즉, 조성물에 포함되는 아스팔트함량에 따라서 중온 아스팔트개질제는 상온의 미세 고체입자로 제조되고, 중온 개질 아스팔트는 점연제가 균일하게 분산된 고온의 아스팔트 액체로 생산된다.
상기 중온 아스팔트개질제 혹은 개질 아스팔트 조성물에서 아스팔트 함량의 상한 값이 500 중량부인 것은 점연제 함량에 비하여 아스팔트 함량을 상대적으로 높여서 중온 개질아스팔트를 만들기 위한 값이며, 반대로 아스팔트의 하한 값은 점연제에 비하여 상대적으로 적은 함량을 사용하여 고체입자를 제조하기 위한 값을 나타낸다.
점연제는 아스팔트의 점도를 연화시키는 재료를 말하며, 이러한 기능을 수행하기 위한 재료는 대부분 융점이 있는 결정성 재료에 속한다. 상기 결정성 재료는 융점 이하에서는 딱딱하고 취성이 강한 고체로 존재하지만, 융점 이상에서는 용해하여 물과 같이 점도가 아주 낮은 액체가 되는 특성을 지닌다. 이러한 특성으로 말미암아 아스팔트와 공존할 때 아스팔트의 점도를 떨어뜨리는 역할을 하는 데, 그렇게 되자면 점연제의 융점이 80-100℃ 범위에 있어야 아스팔트의 높은 점도를 약 20℃ 정도 낮출 수 있다. 융점온도의 하한 값이 80℃인 것은 아스팔트포장온도가 80℃가 될 때까지 소성변형에 대한 저항성을 확보하기 위한 값이며, 상한 값이 100℃ 인 것은 그 이상에서는 아스팔트점도를 떨어뜨리는 효과가 미미하여 점연제 효과를 기대할 수 없기 때문이다.
이러한 점연제에는 왁스계통과 송진이 주류를 이루는 데, 예를 들어 파라핀왁스(Paraffin Wax), 미세결정왁스(Microcrystalline Wax), 카나우바 왁스(Canauba Wax), PE 왁스, PP왁스, EVA왁스, 비스아미드 왁스(Ethylene Bis-Stearamide Wax), 송진, 송진염, 석유수지, 전분, 등이 여기에 속한다. 점연제(점도 연화제)는 통상 상기 리스트에서 하나에서 셋까지를 사용하는 데, 그 이유는 아스팔트 점도를 더욱 효과적으로 연화시키기 위함이다. 사용비율은 전체가 100일 때 하나는 100, 둘은 95-5:95-5 그리고 셋은 90-5:90-5:90-5이며, 하한값 5이하에서는 해당 점연제의 효 과가 없음으로 고려대상이 아니다.
점연제 사용량에서 하한 값은 이들이 아스팔트에 분산되어 점도 연화제의 역할을 수행할 수 있는 최소 값이며 이 값 이하에서는 영향력이 거의 없다. 점연제의 상한 값 이상에서는 점연제의 취성이 강하여 균열을 발생시킬 소지가 큼으로 주의를 요하는 값이다.
아스팔트는 침입도 등급으로 AP-3(AC-10) 혹은 AP-5(AC-20)가 주로 사용되지만 이 외에도 모든 스트레이트 아스팔트는 사용이 가능하다.
고분자 개질제는 저온에서 균열저항성이 우수한 탄성체인 고무종류가 있고, 고온에서는 소성변형저항성이 우수한 열가소성 고분자가 존재한다. 따라서 고분자 개질제로서 포장의 균열과 소성변형을 고려하여 고무와 열가소성 고분자를 함께 사용하되 각기 하나 이상을 사용하는 것이 바람직하다. 이 때, 고분자 간에 서로 균일하게 혼합하여 상용성문제가 발생하지 않는 적당한 고분자 조합을 선택해야 우수한 물성 확보가 가능하다.
중온 아스팔트 개질제 혹은 중온 개질아스팔트의 물성을 향상시키기 위하여 상기 고분자 개질제 3-100 중량부를 첨가한다. 이때, 하한 값은 고분자 개질제의 영향이 무시되는 값을 나타내고, 상한 값은 점도가 높아서 시공이 어려운 값을 나타낸다. 점연제는 융점이하에서는 취성이 강한 고체가 되어 저온균열을 쉽게 발생시킴으로 이를 방지하기 위하여 고무계열 고분자 재료를 함께 사용하는 것이 바람직하며, 고온에서는 소성변형이 발생하기 쉬움으로 소성변형 저항성이 높은 열가소성 고분자계열 중 하나 이상을 사용할 수 있다. 상기 목적을 위해 하나부터 셋까지 고분자를 함께 사용할 수 있는 데, 사용비율은 전체가 100일 때, 하나는 100, 둘은 95-5:95-5 그리고 셋은 90-5:90-5:90-5이다. 여기서 5이하는 영향력이 적어 무시된다.
고분자 개질제로 SBS(Styrene Butadiene Styrene), SIS(Styrene Isoprene Styrene), SBR(Styrene Butadiene Rubber), NBR(Nitro Butadiene Rubber), BR(Butadiene Rubber), SEBS(Styrene Ethylene Butadiene Styrene), EPDM(Ethylene Propylene Diem Rubber), SBR라텍스, 천연고무, 폐타이어 분말, 등의 고무 군이 있고, 열가소성 고분자 군에는 HDPE(High Density Polyethylene), LDPE(Low Density Polyethylene), LLDPE(Linear Low Density Polyethylene), PP(Polypropylene), EVA(Ethylene Vinyl-acetate Copolymer), HIPS(High Impact Polystyrene), PVA(Poly-vinyl-alcohol), 폴리뷰텐(Polybutene), CMC(Carboxy Methyl Cellulose), HMC(Hydroxy Methyl Cellulose), Elvaroy, 등이 있다.
중온 아스팔트 개질제 혹은 중온 개질아스팔트의 물성을 더욱 향상시키기 위하여 충진제 군 중 하나에서 셋까지를 추가로 사용할 수 있는 데, 사용비율은 전체가 100일 때, 하나는 100, 둘은 95～5:95～5 그리고 셋은 90～5:90～5:90～5이며, 충진제의 사용량은 5～50 중량부이다. 사용량의 하한 값은 충진제 역할이 무시되는 값이고, 상한 값은 점도가 높아서 가공이 어려운 값을 나타낸다, 카본블랙, 토너, 나일론 단섬유, 폴리에스테르 단섬유, 유리섬유, 셀루로오즈 섬유, PVA 단섬유, PE 단섬유, PP 단섬유, 등이 충진제 군에 포함된다. 상기 충진제는 균열과 소성변형을 억제하는 역할을 한다.
중온아스팔트포장은 기존의 가열아스팔트포장과 비교하여 아스콘 생산온도와 시공온도에서 약 20℃ 정도 온도가 낮다. 이로 인한 효과를 열거하면 아래와 같다.
첫째, 중온아스콘의 생산온도는 기존의 가열아스콘의 생산온도보다 약
20℃ 정도가 낮아짐으로 유해가스를 발생시키지 않아 아스콘공장과
시공현장의 공해문제가 상당부분 해결된다.
둘째, 아스콘 생산온도가 약 20℃ 정도 낮아짐으로 인하여 온도를 올리기
위해 소모되는 에너지가 절약된다.
셋째, 아스팔트는 온도가 높을수록 공기 중의 산소와 빠르게 반응하여
산화노화를 일으킨다. 그 결과 점점 유연성을 상실하고 딱딱해진
아스팔트는 결국에는 심각한 균열을 발생시킴으로서 포장수명을
종료한다. 약 20℃ 정도 낮은 온도는 산화노화를 지연시켜 포장수명을
연장하는 효과가 있다.
넷째, 포장시공의 완료 후에 40℃ 이하가 되도록 포장을 냉각시킨 후
교통개방을 하는 데, 약 20℃에 해당하는 냉각시간의 단축으로 인하여
교통개방 시간이 짧아진다.
다섯째, 비교적 추운 온도에서도 아스팔트포장의 시공이 가능해진다.
여섯째, 포장의 시공 시에 다짐은 포장내구성을 확보하는 데 아주
중요하다. 약 20℃ 낮은 온도에서도 다짐이 가능함으로 효과적인 다짐을
할 수 있다.
일곱째, 고분자 개질제에 의하여 포장의 공용성(소성변형과 피로균열에
대한 저항성)이 향상되어 포장수명이 길어진다. 이에 따른 경제적
이득이 크다.
여덟째, 고속도로, 도시도로, 국도, 군도, 농로, 아파트단지, 주차장,
야적장, 공항 등의 표층, 중간층 혹은 기층의 포장에 적용되어 상기의
기능으로 인한 혜택을 누릴 수 있다.
국내의 아스팔트바인더 기준(KS F 2392)은 135℃의 점도가 3Pa.S (30 Poise) 이하가 되어야 한다고 규정하고 있다. 이 점도 값은 아스콘생산 시에 아스팔트와 골재가 혼합될 때, 아스팔트가 골재를 쉽게 피복할 수 있는 값이다. 이 점도보다 높을수록 아스팔트에 의한 골재의 피복시간이 길어짐으로 생산속도가 늦어진다.
아래 (표 1)은 중온아스팔트바인더의 조성물과, 이 조성물에 따라 중온아스팔트바인더를 제조하고 115와 135℃에서 측정한 점도 값을 함께 보여주고 있다.
아래 (표 1)에 나타난 점도 측정결과를 보면, 일반 아스팔트바인더 (AP-3)의 점도는 국내 KS 규정대로 135℃에서 약 30 Poise를 나타내고 있다. 그러나 점연제가 포함된 중온아스팔트 바인더의 점도는 115℃에서 30Poise에 가까운 값을 가짐으로서 약 20℃ 정도 온도를 낮추는 효과를 확인할 수 있다.
중온 아스팔트바인더의 조성물과 점도측정 결과
실시 예 1 2 3 4 5 6 7
아스팔트 AP-3 100중량부 90중량부 86중량부 82중량부 84중량부 83중량부 76중량부
PE 왁스 4 중량부 4 중량부
마이크로 클리탈린 왁스 6 중량부 8 중량부 8 중량부 6 중량부 8 중량부 8중량부
비스 아미드 왁스 4 중량부 6중량부
SBR 라텍스 6 중량부
천연고무 6 중량부
폐타이어 분말 10 중량부
LLDPE 5 중량부
셀루로오즈 섬유 10중량부
115℃ 점도 (Poise) 62 32 28 34 24 29 31
135℃ 점도 (Poise) 31 16 12 17 12 15 14

Claims (3)

  1. 파라핀왁스(Paraffin Wax), 미세결정왁스(Microcrystalline Wax), 카나우바 왁스(Canauba Wax), PE 왁스, PP왁스, 송진, 송진염, EVA왁스, 비스아미드 왁스(Ethylene Bis-Stearamide Wax), 석유수지, 전분, 등의 점연제(점도 완화제) 군에서 하나에서 셋까지를 점연제로 사용하며;
    사용비율은 전체가 100일 때, 하나는 100, 둘은 95-5:95-5 그리고 셋은 90-5:90-5:90-5이며; 상기 점연제 3-100 중량부와;
    아스팔트바인더 5-500 중량부가 포함되는 것을 특징으로 하는
    중온 아스팔트 콘크리트 혼합물 제조를 위한 중온 아스팔트 개질제 혹은 중온 개질아스팔트의 조성물.
  2. 제 1항에 있어서 중온 아스팔트 개질제 혹은 중온 개질아스팔트의 물성향상을 위하여 고분자 개질제 3-100 중량부를 더욱 첨가할 수 있는 데, 여기서 고분자 개질제라 함은
    각종 고무 군(SBS, SIS, SBR, NBR, BR, SEBS, SIS, EPDM, SBR라텍스, 천연고무, 폐타이어 분말, 등)과 고분자 군(HDPE, LDPE, LLDPE, PP, EVA, HIPS, PVA, 폴리뷰텐(Polybutene), CMC(Carboxy Methyl Cellulose), HMC(Hydroxy Methyl Cellulose), Elvaroy, 등)에서 하나에서 셋까지를 사용하며;
    사용비율은 전체가 100일 때, 하나는 100, 둘은 95-5:95-5 그리고 셋은 90-5:90-5:90-5인 것을 특징으로 하는 중온 아스팔트 콘크리트 혼합물 제조를 위한 중온 아스팔트 개질제 혹은 중온 개질아스팔트의 조성물.
  3. 제 1항에 있어서 중온 아스팔트 개질제 혹은 중온 개질아스팔트의 물성을 더욱 향상시키기 위하여
    충진제 군 중 하나에서 셋까지를 추가로 사용할 수 있는 데, 사용비율은 전체가 100일 때, 하나는 100, 둘은 95～5:95～5 그리고 셋은 90～5:90～5:90～5이며, 충진제 사용량은 5～50 중량부이고, 충진제 군의 구성요소는 카본블랙, 토너, 나일론 단섬유, 폴리에스테르 단섬유, 유리섬유, 셀루로오즈 섬유, PVA 단섬유, PE 단섬유, PP 단섬유, 등이 포함되는 것을 특징으로 하는 중온 아스팔트 콘크리트 혼합물 제조를 위한 중온 아스팔트 개질제 혹은 중온 개질아스팔트의 조성물.
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Effective date: 20110318