KR20150000512A - 중합체 개질 바인더 및 아스팔트용 공장 혼합식 개질제 및 그 생산 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 아스팔트 공장 혼합식 개질제를 사용하는 중합체 개질 바인더를 제공하고, 이는 탄성 중합체 및 소성 중합체들 모두를 포함하는 열가소성 중합체의 혼합물을 포함하며, 흐름을 용이하게 하게 위하여 오일과 혼합되고, 분말 매질내에서 분산된다. 건식 형태의 중합체 사용은 아스팔트내에 첨가제를 포함시키는 수단을 제공하며, 이는 고온 혼합식 아스팔트의 혼합 및 다짐을 위해서 사용되는 통상적인 범위의 온도내에서 성공적으로 실행될 수 있다.

Description

중합체 개질 바인더 및 아스팔트용 공장 혼합식 개질제 및 그 생산 방법{POLYMER MODIFIED BINDER AND PLANT MIX MODIFIER FOR ASPHALT AND PROCESS OF MAKING}

본 발명은 일반적인 역청(bituminous) 포장재 조성물에 관한 것으로, 보다 상세히는 중합체 개질 바인더 및 골재의 조합물을 포함하는 역청 포장재 조성물 및 상기 조성물의 생산 공정에 관한 것이다.

아스팔트는 전형적으로 도로, 다리, 경주용 트랙, 공항 활주로 및 유도로, 주차장, 자전거 통로, 하역장 및 그와 유사한 구조물을 포장하도록 사용되어 차량 교통을 수용하기 위한 표면을 제공한다. 1980년대에는, 아스팔트가 조성물을 달리하는 다수의 층으로서 차량 교통을 위한 표면을 제공하도록 사용되었다. 후속 시스템들은 단일 층의 아스팔트를 사용하였다. 단일 층의 시스템들에서, 순수한 아스팔트는 전형적으로 130 내지 190℃의 온도에서 골재와 혼합되었다.

포장에서 사용된 아스팔트는 고형의 또는 반고형의 역청 재료이며, 이는 자연적으로 석유 정제 공정으로부터 얻어지거나 추출되는 것이고, 파라핀 및 방향족 탄화수소 및 헤테로고리 화합물들을 포함한다. 쇄석과 같은 골재가 전형적으로 상기 아스팔트내에 추가된다. 미국내에서 포장재 조성물로서 사용된 가장 일반화된 방식의 아스팔트는 고온 혼합식 아스팔트(HMA)이며, 그 중에는 몇가지 변형물 또는 현장 배합 제제들(formulations)이 있다.

HMA의 한가지 변형물에서, 중합체와 같은 첨가제가 아스팔트 바인더에 부가되고, 해당 조합물은 차례로 아스팔트에 부가되며, 그에 따라서 중합체 개질 바인더(PMB)를 제조한다. 상기 PMB는 그 다음 장치내에서 골재에 혼합되어 상기 HMA를 제조한다. 상기 중합체는 응집 구조의 형성을 용이하게 하여 상기 아스팔트에 신축성을 부여하고 크리프(creep) 및 응력(stress)을 수용한다. 이와 같은 중합체 개질 HMA에서, 결과적으로 얻어진 혼합물은 저온에서 크리프 또는 응력 이완을 수용하는 능력을 갖게 되고, 열적 및 반사형 균열에 대한 잠재적 위험성을 최소화한다.

상기 PMB는 일반적으로 대형 수송 차량내에서 운송되며, 그리고 골재와 혼합되기 전에 예열식 콘테이너에서 균일한 온도로 저장된다. PMB는 때때로 반복적인 교반 싸이클을 필요로 하여 상기 PMB를 골재와의 후속 혼합 및 포장재 재료로서의 사용을 위한 준비 상태로 유지하게 된다. 이와 같은 방식으로의 저장 필요성은 결과적으로 HMA 시설이 부가적인 탱크 저장 공간을 갖도록 한다. 또한, 만일 단지 적은 량의 중합체 개질 HMA가 필요하다면, 복잡함의 결과를 초래한다. 이와 같은 예에서, 상기 HMA 시설은 PMB의 부분적인 부하 처리를 위한 부가적인 비용을 발생시키거나 또는 몇몇의 고급 PMB를 저급 품질의 제품으로 "낭비"할 수도 있게 되는데, 그 이유는 상기 중합체 개질 HMA의 생산을 위해서 탱크내에 최소량의 재료가 필요로 하는 일이 일어날 수 있기 때문이다.

본 발명은 종래의 문제점을 해소한 중합체 개질 바인더 및 아스팔트용 공장 혼합식 개질제 및 그 생산 방법을 제공한다.

일 견지에서, 본 발명은 아스팔트 생산을 위한 공장 혼합식 개질제에 있다. 그와 같은 개질제는 열가소성 재료, 오일 및 충전 첨가제(또한 "충전제"로도 알려 짐)를 포함하고, 그 생산에 관련된 작업 온도에서 고온 혼합식 아스팔트에 혼합되는 한가지 형태이며, 아스팔트 시방(Superpave) 사양에 맞는 것이다. 한가지 실시 예에서, 상기 공장 혼합식 개질제는 중합체 제제로서 정의되고, 스티렌-부타디엔-스티렌(SBS) 중합체, 폴리에틸렌, 왁스(wax), 오일 및 충전제들을 포함한다. 임의의 실시 예에서, 상기 결과적으로 얻어진 개질제는 분말, 펠렛(pellets), 과립제, 칩(chips), 박편(flakes) 또는 그와 유사한 것의 형태일 수 있고, 아스팔트에 혼합되어 중합체 개질 바인더(PMB)를 제공한다.

다른 견지에서, 본 발명은 포장재 조성물용 중합체 개질 바인더에 있다. 그와 같은 바인더는 분말, 펠렛, 박편, 칩 또는 과립제 형태의 아스팔트 공장 혼합식 개질제를 포함하고, 그 작업 온도에서 고온 혼합식 아스팔트 포장재 조성물에 혼합될 수 있다. 상기 아스팔트 공장 혼합식 개질제는 탄성 중합체, 소성 중합체, 오일, 충전 첨가제 및 왁스를 포함하고, 아스팔트에 혼합가능하다. 그 결과로서 얻어진 포장재 조성물은 아스팔트 시방(Superpave) 사양에 맞는 것이다.

다른 견지에서, 본 발명은 아스팔트 시방(Superpave) 사양에 맞는 고온 혼합식 아스팔트 조성물에 있으며, 상기 조성물은 중합체 개질 바인더, 골재 및 아스팔트 바인더를 포함한다. 상기 중합체 개질 바인더는 분말, 펠렛, 박편, 칩 또는 과립제 형태의 공장 혼합식 개질 조성물을 포함하고, 상기 공장 혼합식 개질 조성물은 탄성 중합체, 소성 중합체, 오일, 충전 첨가제 및 왁스를 포함하며, 이에 더하여 아스팔트를 포함한다.

다른 견지에서, 본 발명은 포장을 위한 고온 혼합식 아스팔트용 자유 흐름(free-flowing)의 공장 혼합식 개질제를 생산하기 위한 방법에 있다. 그와 같은 방법은 탄성 중합체의 중합체를 그라인딩하며, 상기 그라인딩된 탄성 중합체의 중합체를 오일 첨가를 통하여 미리 부풀리고(pre-swelling ), 그라인딩된 소성 중합체 및 왁스를 상기 미리 부풀려지고 그라인딩된 탄성 중합체의 중합체에 첨가하며, 상기 탄성 중합체의 중합체, 오일, 소성 중합체 및 왁스를 분말 충전 개질제에 혼합하고, 그리고 상기 탄성 중합체의 중합체, 오일, 소성 중합체, 왁스 및 분말 충전 개질제를 분말, 펠렛, 과립제, 칩 또는 박편 형태로 성형하는 것을 포함한다.

다른 견지에서, 본 발명은 아스팔트 포장재 조성물을 성형하는 방법에 있다. 이러한 방법은 골재를 아스팔트 생산 공장내에서 175℃ 내지 대략 220℃ 사이의 온도로 처리하고; SBS, 폴리에틸렌, 왁스, 오일 및 충전제를 포함하는 공장 혼합식 개질제(PMM)를 첨가하며; 상기 골재 및 상기 PMM을 건조 혼합시키고; 상기 건조 혼합된 골재 및 상기 PMM에 바인더를 첨가하며; 그 다음 성능-등급이 매겨진(PG) 아스팔트 바인더를 상기 PMM 피복 골재에 첨가하는 것을 포함한다. 최종 혼합 생산물의 온도는 155℃ 내지 대략 190℃의 범위 내에 있는 것을 목표로 하며, 더 높은 또는 더 낮은 온도가 사용가능함은 물론이다.

비교 실험 및 다양한 분석 방법들을 활용하면, 본 발명의 중합체 제제를 갖는 상기 PMM은 고온(상기 고온 성능은 AASHTO M320 사양의 도표 1 또는 2를 사용하는 등급 방법의 선택에 따른 대략 50 내지 100℃의 온도 범위 내임)에서 더 낮은 변형율 및 보다 낮은 매짐성(embrittlement) 품질(보다 저온 성능, 예를 들면, 대략 -34℃ 또는 그 보다 낮음)을 종래의 제제들에 비하여 갖는 것으로 판명되었다. 따라서, 본 발명은 피로-저항 및 불투수성에 관련하여 바람직한 유연성을 제공하고, 그리고 종래의 아스팔트 포장재 조성물들에 비교하여, 보다 바퀴 자욱 및 밀림(잔물결의 형성)을 적게 받는 아스팔트 포장재 조성물을 제공하도록 사용될 수 있다.

본 발명의 공장 혼합식 개질제는 일단계(one-step) 적용처에 사용될 수 있어서 실질적인 불투수층을 제공하고, 그 결과 단일 층으로서 방수 품질 및 마모층(wearing course)을 갖는 아스팔트 포장재 조성물을 제공할 수 있다.

또한 본 발명의 중합체 제제의 사용은 전형적으로 표준 HMA 또는 PMA 설계에서 보여지는 손상된, 그리고 균열된 아스팔트 덮임층(overlays) 들이 제거된 시스템을 제공할 수 있다. 또한 상기 PMM은 표준 포장 기계 장치에서 처리될 수 있고, 사용될 수 있다.

도 1은 PMM 공장 생산 가동용 다짐 곡선을 도시한 것으로서, 143℃ 내지 199℃ 사이의 다짐 온도에서 아스팔트 포장재 회전(Gyratory) 다짐 장치를 사용하는 그래프도이다.
도 2는 마샬(Marshall) 및 회전(Gyratory) 실험 방법들을 사용하는 아스팔트 실험편들의 특성에 관련된 실험 데이타를 도시한 그래프도이다.
도 3은 회전 실험 방법을 사용하는 아스팔트 실험편들에서 공기 간극들상의 다짐 온도 효과를 나타낸 그래프도이다.
도 4는 전체 범위의 유용 온도 및 부하 시간내에서 PMB의 높은 강성 특성의 감소 및 낮은 강성 특성의 증가를 가능하게 하는 PMM을 구비한 아스팔트 포장재 조성물의 수정예를 도시한 그래프도이다.
도 5는 PMM을 포함하는 아스팔트 포장재 조성물의 저온 성능을 도시한 것으로서, 대략 -36℃ 내지 대략 -38℃의 예상된 균열 온도를 도시한 그래프도이다.
도 6는 PMM을 포함하는 아스팔트 포장재 조성물의 피로 성능을 도시한 그래프도이다.
도 7은 햄버그(Hamburg) 휠 추적 장치에서 평가하였을 때, 재료 변형을 도시한 그래프도이다.
도 8은 아스팔트 포장재 조성물의 다짐을 도시한 그래프도이다.
도 9는 아스팔트 포장 분석장치(APA) 내의 아스팔트 포장재 조성물의 성능을 도시한 그래프도이다.

본 발명에서, 중합체 개질 바인더(PMB)는 건식 혼합제(이하, 공장 혼합식 개질제(PMM) 또는 공장 혼합식 개질 제제라 함) 및 아스팔트의 조합물에 의해서 형성된다. 상기 아스팔트는 정제 공장 생산 아스팔트 또는 임의의 다른 발생원의 아스팔트일 수 있다. 그 결과로서 얻어진 PMB는 골재 및 부가적인 아스팔트 바인더와 혼합되어 HMA와 같은 역청 포장재 조성물을 생산하고, 이는 아스팔트 포장재 사양에 일치한다. 본 발명은, 상기 PMB가 PMM을 사용하여 형성되고, 그리고 다른 타입의 포장재 조성물들을 생산하도록 사용되는 것에 제한되지 않는다. 여기에서 사용되는 바와 같이, 상기 "PMB" 란 용어는 "중합체 개질 아스팔트" 및 "역청(bitumen)"를 포함하거나 또는 상호 호환적으로 사용가능하다.

상기 PMB의 형성 중에, 중합체(탄성 중합체 및 소성 중합체들 모두), 왁스, 오일 및 충전제들은 혼합되어 자유 흐름 과립형 입자 재료에 의해서 형성되는 PMM을 생산하고, 이는 아스팔트에 혼합될 수 있다. 이러한 PMB는 HMA 시설내에서, 사전 - 혼합된 PMB 내에 사용되거나, 이를 대체하거나 또는 이와 함께 사용되어 중합체 개질 바인더 HMA를 생산할 수 있다. 상기 PMM은 아스팔트에 재생 골재 공급장치, 충전 사일로(silos)를 통해서 첨가되거나 또는 HMA 시설의 혼합 유닛에 직접적으로 첨가될 수 있으며, 이는 예를 든 경우이다. 채택된 혼합 기술은 HMA 시설에서 PMB 저장을 위한 특별한 탱크들의 사용을 회피할 수 있도록 하여 주고, HMA 시설에 HMA 생산을 위한 보다 큰 유연성을 제공한다.

HMA 생산을 위한 PMM의 개발 도중에, 한가지 고려사항은 상기 HMA 생산 공정에서 사용된 혼합 및 다짐 온도이다. 상기 HMA의 생산에서 사용된 PMB와 혼합되는 몇몇의 아스팔트 바인더들은, 혼합 및 다짐 온도가 증가됨에 따라서 과도한 연기 및 화염을 발생시키는 경향이 있기 때문에, 그리고 부가적인 연료가 골재의 가열 및 건조에서 소비되기 때문에, HMA 생산을 위한 바람직한 최대 온도는 대략 190℃이다.

첫번째 타입의 공장내에서, 상기 골재는 회전식 드럼내에서 가열되며, 오일 또는 가스 버너로부터의 화염을 사용한다. 상기 드럼의 회전시, 골재는 화염에 의해서 가열되고, 그리고 그 결과로서 고온 환경이 상기 드럼내에서 생성된다. HMA의 생산을 위한 다양한 공장들(드럼 혼합 공장들) 중의 하나에서, 상기 회전형 드럼은 추가적인 목적을 제공하게 되는데, 이는 상기 드럼 부분이 필연적으로 혼합 챔버를 형성하고, 여기서는 다음으로 액체 아스팔트가 골재에 혼합되어 HMA를 생산하거나 또는 만일 중합체 개질 바인더 HMA가 생산되어야 한다면, PMB를 생산하게 된다. 상기 드럼은 첨가되는 아스팔트 바인더를 손상시키지 않는 화염 프로파일을 제공하도록 설계된다. 또한 재생 아스팔트 포장재(RAP)가 상기 드럼내의 재료들에 혼합될 수 있다.

두번째 타입의 공장은 드럼을 단지 골재의 가열 및 건조를 위해서만 사용한다. 상기 드럼을 통해서 골재를 통과시킨 후, 상기 골재는 고온의 저장 빈내에 보관된다. 그 다음, 상기 골재는 아스팔트 바인더 또는 PMB와, 퍼그-밀(pug-mill)로서 불리우는 혼합 유닛내에서 혼합된다. 이러한 타입의 공장은 배치(batch) 혼합 공장으로서 불리운다. 배치 혼합 공장에서, RAP는 상기 퍼그-밀에 RAP 공급장치를 통하여 직접적으로 첨가될 수 있다. 부가적으로 상기 RAP의 첨가에 더하여, 두가지 타입의 공장들은 전형적으로 공급 시스템들을 갖춰서 광물 충전제(미세 분말 타입 재료들)를 유입시킬 것이다. PMM 첨가를 위한 RAP 공급 시스템들 또는 충전 시스템들의 사용은 중합체 개질 바인더 HMA을 위한 대체 생산 시스템을 가능하게 한다.

상기 PMB 내에 포함되기 위한 첨가제로서의 PMM 설계에서, 마감된 아스팔트 포장재 조성물의 구조적 매개 변수들 및 성능 특성들에 관련된 개선이 이루어졌다. 그와 같은 개선들은 저온에서의 균열 저항성, 유연성, 인성(toughness) 및 고온에서의 균열 및 영구 변형 저항성등으로 특징지워진 마감된 아스팔트 포장재 조성물을 생산한다.

PMM의 원하는 설계 매개 변수들을 달성하기 위하여, 생산물의 혼합 및 조합 체계가 고려된다. 첫번째 단계에서, 탄성 중합체의 중합체는 미세하게 그라인드되고, 그리고 오일 첨가에 의해서 사전에 부풀어진다. 오일 첨가는 저온(종래의 혼합 생산물들에 비교하는 경우)에서의 개선된 이완 특성을 제공하지만, 상기 탄성 중합체의 중합체 첨가는 유연성 및 인성, 균열 저항 및 영구 변형에 대한 고온 저항을 제공한다. 두번째 단계는, 그 다음 미세하게 그라인딩된 소성 중합체, 부가적인 탄성 중합체의 중합체 및 왁스의 첨가를 포함한다. 이러한 재료들은 내부에 상기 PMM이 첨가되어지는 포장재 조성물의 성능을 증대시켜서 영구 변형을 견디도록 하고, 이러한 재료들의 량 및 특성 선택은 유지되어야 할 저온 특성 및 유연성을 가능하게 한다. 이러한 타입의 재료들은, 선택되면 또한 상기 혼합물의 다짐 온도를 감소시키는 것을 보조한다. 그 다음, 세번째 단계는 이러한 재료들을 분말 충전 개질제와 혼합한다. 상기 분말 충전 개질제는, 상기 아스팔트 바인더에 첨가되는 경우, 그 결과로서 얻어진 혼합물의 증가된 인성을 제공하는데, 이는 상기 혼합물 특성을 실질적으로 변경시키지 않으면서 증량제(extender)로서 추가적으로 작용하고, 그리고 상기 혼합된 재료들의 량을 증가시킴으로써 이루어진다. 부가적으로, 상기 분말 충전 개질제는 그 결과로서 얻어진 혼합물이 분말, 펠렛, 과립제, 칩 또는 박편 형상으로 형성되는 것을 용이하게 하여 자유 흐름 재료를 제공하게 된다. 상기 분말 충전 개질제의 선택은, 또한 수분 손상에 대한 보호, 고부하 포장재를 위한 제어된 강성 증가와 같은 다른 유익함을 부여한다.

상기 HMA에 부가하기 위한 한가지 예시적인 PMM은 대략 39 wt.%(중량 퍼센트)의 스티렌-부타디엔-스티렌(SBS) 중합체, 스티렌-에틸렌-부타디엔-스티렌(SEBS) 중합체, 스티렌-이소프렌-스티렌(SIS), 그리고/또는 다른 열가소성 재료 또는 소성 중합체(예를 들면, 에틸렌 비닐 아세테이트(EVA), 폴리에틸렌(EPOLENE EE2와 같은 산화 폴리에틸렌, Westlake Chemical Corporation, Houston, Texas로부터 구입할 수 있는 중간 밀도의 폴리에틸렌 재료를 포함하지만, 이에 제한되지는 않음), 폴리올레핀 및 그와 유사한 것); 대략 27 wt.%의 나프텐 또는 파라핀 오일; 대략 15 wt.% 내지 35 wt.%의 충전제(예를 들면, 하나 또는 그 이상의 석탄 가루, 카본 블랙(carbon black), 석회석, 실리카, 길소나이트(Gillsonite) 및 그와 유사한 것); 및 선택적으로 적은 량의 산화 방지제를 포함한다. 한가지 아스팔트 처리 방법에서, HMA(또는 유사한 현장 배합 제제)가 2% 미만의 공기 간극들을 갖도록 개질된다. 다른 방법들은 보다 높은 응집도에서 배합 중합체들을 사용하여 4-7%의 공기 간극들을 갖는 아스팔트의 현장 배합 제제들을 설계하는 것과, 고-전단(high-shear) 혼합 기술을 사용하여 혼합하는 것을 포함한다. 임의의 아스팔트 처리 방법에서, 상기 PMB를 형성하기 위하여 아스팔트에 부가된 패키지는 사용처에 적합한 일관성을 갖고, 포장 표면을 형성하기에 적합한 다짐 품질을 가지며, 그리고 장기간의 내구성을 갖는 아스팔트 포장재 조성물을 제공하기에 적합한 량의 중합체, 오일 및 충전제들을 포함하는 PMM이다. 도 1을 참조하면, 건식 혼합 첨가제 공장 생산 가동을 위한 다짐 곡선들은 3가지의 다른 아스팔트 실험편들에 대한 다짐 품질을 보여준다. 일단 상기 패키지의 원하는 제제(formulation)가 완결되면, 처리가 확대되고, 그리고 공장내에서 상기 중합체 개질 바인더 HMA를 생산하기 위하여 실행된다.

실시예 1

중합체 개질 바인더 HMA를 포함하는 아스팔트 포장재 조성물이 방수 아스팔트 혼합물 및 도로 표면 아스팔트 혼합물 두가지로서 작용하도록 생산되었다. 중합체 제제가 PPM을 제공하도록 사용되었고, 이는 아스팔트 생산 공장에 직접적으로 부가될 수 있으며, 그리고 선택된 바인더 및 골재들에 혼합되어 원하는 정도의 불투수 성능을 갖는 포장용 아스팔트 조성물을 형성하는 것이다. 상기 중합체 제제는 AASHTO M320 도표 3(70℃에서 평가하였을 때의 극한 분류)에서 보다 높은 값으로 분류되어지고, 750 마이크로-스트레인(micro-strains)에서 가요성 빔 피로(Flexible Beam Fatigue)가 1,000,000 싸이클을 넘으며, 10Hz(1.5%의 공기 간극들을 구비한 혼합물)이며, 그리고 전형적인 실험편들이 10^-7 cm/sec 보다 적은 투수 계수를 갖는 것을 보여주는 ASTM D5084에서의 실험들에 의해서 특징지워지는 것과 같은 불투수성의 최종 아스팔트 조성물을 가능하게 하였다.

상기 중합체 제제를 채용한 PMM이 배치(batch)식, 역류식 또는 평행류식 아스팔트 생산 공장들에서 활용될 수 있다. 상기 중합체 제제는 건식 혼합 첨가제를 제공하기 때문에, 상기 PMM은 특정 온도 범위내로 유지되는 액체 대신에 포대(bags) 또는 그와 유사한 것으로부터 공급될 수 있다. 이러한 실험 예에서, 폴리에틸렌 포대에 담긴 PMM이 직접적으로 아스팔트 생산 공장에 공급되었다. 상기 포대 및 그 전체 내용물이 공급되었고, 상기 포대는 열에 의해 녹았으며, 아스팔트 조성물 내에 포함되었다.

상기 PMM 제제는 아래와 같은 것이었다:

포장용 아스팔트 조성물의 처리공정에서 상기 PMM을 사용하는 방법에 있어서, 골재는 대략 175 내지 대략 220℃의 일정한 혼합 온도가 유지될 때까지 아스팔트 생산 공장을 통과하였고, 그리고 건식 혼합제 낙하공과 온도 검사대를 통과하여 검증되었다. 상기 일정한 혼합 온도를 검증하기 위한 다른 수단이 사용될 수 있었다. 일단 상기 일정한 온도가 얻어지면, 상기 고온 골재를 혼합하였고, 상기 PMM을 첨가하였으며(그리고 10초 동안 건식 혼합), 그리고 다음으로 PG 아스팔트 바인더를 첨가하였다(그리고 추가적으로 70초 동안 혼합). 상기 PG 아스팔트 바인더는 지역의 특정 기후에 맞춰서 선택되었으며, 여기서는 중합체 개질 바인더 HMA가 포장재용으로 사용될 것이다. 상기 PMM을 첨가한 후, 상기 중합체 개질 바인더 HMA의 최종 혼합물 온도는 아스팔트 생산 공장을 나갈때, 대략 150 내지 대략 190℃ 이었다.

실험실에서의 실험중 처리된 골재 및 혼합 설계 조합물의 다양한 매개 변수들이 그 성분들로서 도표 1에 도시되어 있다.

[표 1]- 처리된 아스팔트의 매개 변수들 및 그 성분들.

표 2에서, 영구 변형 저항성에 대한 상기 PMM의 효과가 다수의-응력 크리프 및 회복 실험을 통해서 도시되어 있다. 이러한 실험에서의 성능은 상기 PMM 개질 PG 아스팔트 바인더가 중합체 개질 바인더 HMA 내에서 높은 성능을 갖질 것이라는 것을 나타내고 있다.

[표 2]- 다수의 응력 크리프 및 회복(MSCR)실험에서의 재료 특성 평가는 개질이 본 발명의 PMM으로서 이루어졌을 때 얻어진 차이를 나타낸다(이 도표에서 ROSPHALT LT 참조)

상기 PMM을 사용하여 혼합물이 설계되었고, 그것은 공기 간극 함량이 대략 2% 또는 그 미만이었다. 이것은 필요한 아스팔트 사용처와 기후 조건에 따라서 2.25% 로부터 1.125%로 낮추면서 적절한 퍼센트의 PMM을 첨가함으로써 이루어졌다. 그와 같은 사용 및 용도 중의 한가지는 다리, 진입로, 고가도로 구조 또는 도로 상에 설치하기 위한 일단계 포장 리프트(lift)(층)을 위한 것일 수 있다. 그와 같은 일단계 포장 리프트에서, 상기 리프트는 바람직하게는 N_des를 위해 50 싸이클을 사용하는 회전 다짐장치에서 설계된다. 추가적으로, 그와 같은 일단계 리프트에서, 대략 100%의 골재 재료는 4.5 mm, 9.5 mm 또는 12.5 mm의 시브(sieve) 구조를 통과할 수 있다.

도 2에 도시된 바와 같이, 골재 재료의 단위 체적당 공극 량 및 사용된 PG 아스팔트 바인더 량에 관련된 데이타가 마살(Marshall) 및 회전(Gyratory) 방법들 모두를 사용하여 표시되어 있다. 상기 마살 방법은 포장 구조물에서 아스팔트의 안정성 및 흐름을 결정하는 한가지 방법이다. 상기 회전 방법은 모사된 부하 조건하에서, 포장 구조물의 회전 내부각도를 개별적으로 측정함으로써 체적 특성 및 예측 포장재 성능을 평가하기 위하여 사용되는 한가지 방법이다.

도 3에 도시된 바와 같이, 상기 회전 방법을 사용하여 50 회전(gyrations)후에 공기 간극들상의 다짐 온도 효과가 도시되어 있다.

상기 PMM을 사용하는 것은 포장용 아스팔트 조성물의 피로 저항 및 불투수 성능에 관련하여 유연성을 재공한다. 불투수 성능은 상기 PG 아스팔트 바인더를 사용하여 상기 골재 재료내의 공극 폐쇄를 용이하게 함으로써 이루어진다. 또한 상기 PMM은 표준 제조, 처리 및 포장 기계 장치를 사용할 수 있는 용도를 제공한다.

도 4는 유동계(rheometer)로 평가하였을 때, 상기 PG64-22 바인더에 혼합된 PMM의 특성을 도시한다. 이 도면에서, 높고 낮은 강성 특성들이 개질되어 상기 범위의 높은 강성 끝단에서 좀더 낮은 강성을 나타내고, 그리고 상기 범위의 낮은 강성 끝단에서 좀더 높은 강성을 나타내었다.

이러한 혼합물의 성능은 추가적으로 상기 혼합물상에서 저온 파괴 피로 및 변형 실험들을 실행함으로써 판명되었다.

도 5는 상기 PMM으로서 개질된 PG64-22의 저온 성능을 도시한다. 간접 인장 실험으로서 평가된 상기 혼합물의 성능은 -40도에 근접하는 성능 수준을 도시한다. 도 5에 도시된 바와 같이, 이러한 경우에 -34도는 상기 혼합물에 의해서 탈락된다.

도 6은 이러한 혼합 설계의 피로 성능(상부 선의 데이타 점들)을 나타내고, 그리고 종래의 HMA에 비교할 때, 상기 PMM이 혼합물의 피로 성능을 현저하게 향상시키는 것을 도시한다. 상기 PMM을 포함하는 HMA의 피로 성능은 상기 HMA가 750 마이크로-스트레인(micro-strain)에서 예상된 1,000,000 부하 싸이클을 가질 것이라는 것을 나타낸다. 상기 그래프내의 데이타는 전형적인 HMA를, 본 발명의 PMM을 사용하여 배합된 PMB를 포함하는 HMA에 비교한다. 도시된 데이타 점들은 다양한 시도들로부터 얻어진 것으로서, 예 1에 기재된 바와 같은 중합체 개질 바인더를 포함하는 조성물 및 고온에서 제작된 보다 오래된 제제들로서 생산된 포장재 재료들로부터 얻어진 여러 데이터들이다.

도 7은 햄버그(Hamburg) 휠 추적 장치에서 평가하였을 때, 상기 혼합물의 변형 잠재성을 도시한다. 상기 데이타는 추가적으로 상기 혼합물이 도로 포장재로 사용될 때, 휠 트랙킹(tracking)에 관련하여 허용가능한 성능을 가질 것이라는 것을 제시한다.

예 2

일련의 시도들이 예 1에서 사용된 것과 동일한 제제(formulation)로서, 그러나 최대 규모의 생산을 위하여 그 용량이 증대된 상태로 실행되었다. 이러한 시도의 목적은 재료들이 실험실 시도에서 나타내어진 것과 같이 다져질 수 있는 지와, 그 성능이 얻어지는지를 추가적으로 입증하기 위한 것이었다.

상기 재료의 현장 다짐 성능이 도 8에 도시되어 있으며, 이는 상기 혼합물이 통상적인 다짐 기계 장치를 이용하여 신속하게 다져질 수 있음을 나타낸다. 도 8에 도시된 데이타는 신속한 밀도 증가가 얻어졌음을 나타낸다.

도 6에 도시된 추가적인 데이타(시도 #1 및 #2)는 상기 재료가 실험실이 아닌 HMA 혼합 공장에서 생산되었지만, 동일한 피로 저항성을 갖는다는 점을 나타낸다.

도 9는 휠 추적 장치에서 64℃의 온도로 실험할 때, 변형 잠재성을 평가한 성능을 도시한다.

상기 포장재 실험으로부터의 데이타는 상기 혼합 설계 정보가 우수한 성능을 유지하면서 HMA 생산 시설에서 생산된 혼합물들과 함께 구현될 수 있음을 입증한다.

비록, 본 발명이 그 상세한 실시 예들에 관련하여 도시되고 설명되었지만, 당업자들은 본 발명의 범위를 벗어남이 없이 다양한 변형물들이 제작될 수 있고, 그리고 그 구성 요소들에 대해서 균등물들이 대체가능한 것임을 잘 알수 있을 것이다. 또한, 수정(변형)물들이 본 발명의 개시 내용에 따라서 그 기본적인 범위로부터 벗어남이 없이 특정한 상황 또는 재료를 채택하도록 이루어질 수 있을 것이다. 따라서, 본 발명은 상기 상세한 설명란에서 개시된 특정 실시 예들로 한정되는 것이 아니라, 본 발명은 이러한 개시 내용의 범위내에 포함되는 모든 실시 예들을 포함하고자 의도된 것이다.

Claims (24)

1. 아스팔트 생산을 위한 공장 혼합식 개질제로서, 상기 개질제는:
   열가소성 재료;
   오일;
   충전 첨가제; 및
   왁스;를 포함하고,
   상기 공장 혼합식 개질제는 분말, 펠렛, 칩, 박편 또는 과립제 형태로서 그 생산에 연관된 작업 온도에서 고온 혼합식 아스팔트 내에 혼합되며; 그리고
   그 결과로서 얻어진 고온 혼합식 아스팔트는 아스팔트 시방(Superpave) 사양에 일치하는 공장 혼합식 개질제.
2. 제1항에 있어서, 상기 열가소성 재료는 탄성 중합체, 소성 중합체 및 그 조합물들을 포함하는 것을 특징으로 하는 공장 혼합식 개질제.
3. 제2항에 있어서, 상기 탄성 중합체는 SBS 중합체, SIS 중합체 및 SEBS 중합체 중의 하나 이상을 포함하는 것임을 특징으로 하는 공장 혼합식 개질제.
4. 제3항에 있어서, 상기 탄성 중합체는 10 wt.% 내지 40 wt.%의 량으로 존재하는 것임을 특징으로 하는 공장 혼합식 개질제.
5. 제2항에 있어서, 상기 소성 중합체는 EVA 및 폴리올레핀 중의 하나 또는 모두를 포함하는 것임을 특징으로 하는 공장 혼합식 개질제.
6. 제5항에 있어서, 상기 소성 중합체는 5 wt.% 내지 30 wt.%의 량으로 존재하는 것임을 특징으로 하는 공장 혼합식 개질제.
7. 제1항에 있어서, 상기 오일은 나프텐 오일, 파라핀 오일 및 상기 재료들의 조합물들로 이루어진 군(group)으로부터 선택되는 것임을 특징으로 하는 공장 혼합식 개질제.
8. 제1항에 있어서, 상기 충전 첨가제는 석탄 가루, 카본 블랙, 석회석, 실리카, 길소나이트(Gillsonite) 및 상기 재료들의 조합물들로 이루어진 군으로부터 선택되는 것임을 특징으로 하는 공장 혼합식 개질제.
9. 제1항에 있어서, 상기 고온 혼합식 아스팔트는 높은 교통 부하를 견딜수 있고, 그리고 투수 계수가 1x10^-7 cm/sec 까지 불투수 성능을 갖는 것임을 특징으로 하는 공장 혼합식 개질제.
10. 분말, 펠렛, 박편, 칩, 또는 과립제 형태의 아스팔트 공장 혼합식 개질제, 상기 아스팔트 공장 혼합식 개질제는: 탄성 중합체, 소성 중합체, 오일, 충전 첨가제, 및 왁스를 포함하고;
    골재; 그리고
    아스팔트;를 포함하며,
    상기 공장 혼합식 개질제는 골재와 혼합되어 건식 혼합물을 형성하며, 그리고 상기 건식 혼합물은 포장재 조성물의 작동 온도에서 상기 아스팔트와 혼합되어 아스팔트 시방(Superpave) 사양에 일치하도록 제작되는 포장재 조성물.
11. 제10항에 있어서, 상기 포장재 조성물은 높은 교통 부하를 견딜수 있고, 그리고 투수 계수가 1x10^-7 cm/sec 까지 불투수 성능을 갖는 것임을 것을 특징으로 하는 포장재 조성물.
12. 제10항에 있어서, 상기 탄성 중합체는 SBS 중합체, SIS 중합체, SEBS 중합체 및 상기 재료들의 조합물로 이루어진 군으로부터 선택되는 것임을 특징으로 하는 포장재 조성물.
13. 제10항에 있어서, 상기 소성 중합체는 EVA, 및 폴리올레핀 중의 하나 또는 모두를 포함하는 것임을 특징으로 하는 포장재 조성물.
14. 제10항에 있어서, 상기 오일은 나프텐 오일, 파라핀 오일 및 상기 재료들의 조합물로 이루어진 군으로부터 선택되는 것임을 특징으로 하는 포장재 조성물.
15. 제10항에 있어서, 상기 왁스는 지방산 아미드, N,N'-에틸렌 비스티어아미드(bisstearamide) 및 상기 재료들의 조합물로 이루어진 군으로부터 선택되는 것임을 특징으로 하는 포장재 조성물.
16. 분말, 펠렛, 박편, 칩 또는 과립제 형태의 공장 혼합식 개질제, 상기 공장 혼합식 개질제는 탄성 중합체, 소성 중합체, 오일, 충전 첨가제 및 왁스를 포함하고; 및
    골재;를 포함하는 건식 혼합물.
17. 제16항에 있어서, 상기 탄성 중합체는 SBS 중합체, SIS 중합체, SEBS 중합체 및 상기 재료들의 조합물로 이루어진 군으로부터 선택되는 것임을 특징으로 하는 건식 혼합물.
18. 제16항에 있어서, 상기 소성 중합체는 EVA, 및 폴리올레핀 중의 하나 또는 모두를 포함하는 것임을 특징으로 하는 건식 혼합물.
19. 제16항에 있어서, 상기 탄성 중합체는 상기 공장 혼합식 개질제의 10 wt.% 내지 40 wt.%의 량으로 존재하는 것임을 특징으로 하는 건식 혼합물.
20. 제16항에 있어서, 상기 소성 중합체는 상기 공장 혼합식 개질제의 5 wt.% 내지 30 wt.%의 량으로 존재하는 것임을 특징으로 하는 건식 혼합물.
21. 제16항에 있어서, 상기 왁스는 상기 공장 혼합식 개질제의 5 wt.% 내지 20 wt.%의 량으로 존재하는 것임을 특징으로 하는 건식 혼합물.
22. 제16항에 있어서, 상기 오일은 상기 공장 혼합식 개질제의 10 wt.% 내지 35 wt.%의 량으로 존재하는 것임을 특징으로 하는 건식 혼합물.
23. 포장을 위한 고온 혼합식 아스팔트용 자유 흐름(free-flowing)의 공장 혼합식 개질제를 생산하기 위한 방법으로서,
    탄성 중합체의 중합체를 그라인딩하며;
    상기 그라인딩된 탄성 중합체의 중합체를 오일 첨가를 통하여 미리 부풀리고(pre-swelling);
    그라인딩된 소성 중합체 및 왁스를 상기 미리 부풀려지고 그라인딩된 탄성 중합체의 중합체에 첨가하며; 그리고
    상기 탄성 중합체의 중합체, 오일, 소성 중합체 및 왁스를 분말 충전 개질제에 혼합하고; 그리고
    상기 탄성 중합체의 중합체, 오일, 소성 중합체, 왁스 및 분말 충전 개질제를 분말, 펠렛, 과립제, 칩 또는 박편 형태로 성형하는 것;을 포함하는 포장을 위한 고온 혼합식 아스팔트용 자유 흐름(free-flowing)의 공장 혼합식 개질제 생산방법.
24. 아스팔트 포장재 조성물을 성형하는 방법으로서,
    골재를 아스팔트 생산 공장내에서 175℃ 내지 220℃ 사이의 온도로 처리하고;
    SBS, 폴리에틸렌, 왁스, 오일 및 충전제를 포함하는 공장 혼합식 개질제를 첨가하며, 여기서, 상기 공장 혼합식 개질제는 분말, 펠렛, 칩, 박편, 또는 과립제 형태이고;
    상기 골재 및 상기 공장 혼합식 개질제를 건조 혼합시켜서 건식 혼합물을 형성하고; 그리고
    상기 골재 및 상기 공장 혼합식 개질제에 적어도 하나의 바인더를 첨가하는 것:을 포함하고, 상기 조성물의 최종 온도는 155℃ 내지 190℃에 있는 아스팔트 포장재 조성물 성형방법.

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