KR20170018645A - 고강도 및 융설 기능을 갖는 아스팔트 도로 - Google Patents

Abstract

고강도 및 융설 기능을 갖는 아스팔트 도로가 개시된다.
본 발명에 의한 고강도 및 융설 기능을 갖는 아스팔트 도로는, 제1 아스팔트층; 상기 제1 아스팔트층의 상부에 형성되는 탄소섬유 그리드: 및 상기 탄소섬유 그리드의 상부에 형성되며, 아스팔트와 탄소재의 혼합물로 이루어지는 제2 아스팔트층을 포함하여 이루어진다.
본 발명에 의할 경우, 고강도를 구현하여 아스팔트 도로의 수명을 연장할 수 있음과 더불어, 겨울철의 적설 및 결빙을 효율적으로 제거할 수 있게 된다.

Description

고강도 및 융설 기능을 갖는 아스팔트 도로{Asphalted road with snow melting and high strength properties}

본 발명은 고강도 및 융설 기능을 갖는 아스팔트 도로에 관한 것으로써, 보다 상세하게는 탄소재 및 탄소섬유를 활용하여 아스팔트 강도를 보강하고, 융설 기능을 갖도록 한 고강도 및 융설 기능을 갖는 아스팔트 도로에 관한 것이다.

우리나라의 겨울철은 적설량이 많고, 기온이 매우 낮은 특징을 갖는다. 현재, 겨울철에 도로상에 적설이나 결빙이 발생하면, 제설차량을 이용하여 물리적으로 제거하거나, 제설제(염화칼슘)의 살포를 통하여 화학적으로 제거함으로써, 차량의 미끄러짐으로 인한 사고발생 및 교통마비를 방지하도록 하고 있다.

그러나 제설차량을 이용하는 방식은 제설 범위가 좁고, 적설 즉시 제설작업을 수행하여야 하므로, 그 효율면에서 문제가 있다.

또한 제설제(염화칼슘)의 살포에 의한 방식은 도로 포장면의 품질을 악화시켜 포트홀의 발생을 급증시키고, 차량의 부식을 가속화하게 되는 등의 문제가 있다.

이러한 문제를 해결하기 위하여 다양한 시도가 이루어지고 있는데, 예를 들어, 대한민국 공개특허 제2011-0090040호에는 부동액과 같은 냉매를 순환시킬 수 있는 방열관을 도로에 매설하여, 방열관 내부를 통과하는 부동액의 열에 의하여 도로상의 적설이나 결빙을 융해되도록 하는 기술이 개시되고 있다. 그러나 상기와 같이 방열관을 이용한 융설시스템을 적용하기 위해서는, 도로 포장시에 기초포장층 상에 방열관을 배치한 후 이 방열관을 덮도록 아스팔트 포장 작업을 진행하여 도로에 방열관을 매설해야 하는데, 이는 여러가지 문제점을 지니고 있다. 즉, 도로 포장시에 아스팔트 혼합재를 수송 및 공급하는 대형 덤프트럭 및 이 덤프트럭으로부터 아스팔트 혼합재를 공급받으면서 아스팔트 혼합재를 정해진 너비와 두께로 깔고 열을 가해 아스팔트 혼합재를 경화시킴으로써 아스팔트 포장의 마무리 작업을 수행하는 아스팔트 피니셔(asphalt finisher) 등과 같은 포장 장비들이 기초포장층 상에 배치한 방열관을 지나가면서 압력과 충격을 가해, 방열관이 크게 파손되어 버리게 되는 문제가 있다. 특히, 기초포장층 상에 배치된 방열관 위로 십 톤 이상의 하중이 열 개 이하의 바퀴에 집중되는 덤프트럭이 지나갈 경우, 그 집중된 하중에 의해 방열관은 크게 찌그러지고, 바퀴가 무한궤도인 캐터필러(caterpillar)로 구비되는 아스팔트 피니셔가 방열관 위로 지나갈 경우, 캐터필러를 이루는 강판제의 판들이 방열관의 표면에 강하게 접촉되면서 충격을 가해 방열관의 표면이 크게 손상된다. 이렇게 방열관이 크게 손상된 경우, 방열관을 교체하거나 수리하기 위해서는 아스팔트를 다시 걷어내는 작업을 해야하는데 다시 아스팔트를 깔고 걷는 과정에서 똑같은 문제점이 발생할 수 있으며 공사비가 증가하는 문제점이 발생할 수 있다.

본 발명의 발명자들은 상기와 같은 종래기술의 문제점으로부터 자유로울 수 있으면서, 고강도 및 융설기능을 가지는 도로에 관하여 연구하던 중, 탄소재 및 탄소섬유를 활용하여 아스팔트 강도를 보강하고, 융설 기능을 부여할 수 있음을 확인하고, 본 발명을 완성하였다.

대한민국 공개특허 제2011-0090040호

본 발명은 상술한 종래의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 탄소재 및 탄소섬유를 활용하여 고강도 및 융설 기능을 갖는 아스팔트 도로를 제공하는 것을 그 목적으로 한다.

상술한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 고강도 및 융설 기능을 갖는 아스팔트 도로를 제공하는데, 본 발명의 일례에 따른 아스팔트 도로는,

제1 아스팔트층; 상기 제1 아스팔트층의 상부에 형성되는 탄소섬유 그리드: 및 상기 탄소섬유 그리드의 상부에 형성되며, 아스팔트와 탄소재의 혼합물로 이루어지는 제2 아스팔트층을 포함하여 이루어진다.

상기 탄소섬유 그리드는 전기를 인가하기 위한 단자와 연결된다.

상기 탄소섬유 그리드는 상기 제1 아스팔트층 면적의 5 내지 30%의 면적비를 가지도록 형성되는 것이 바람직하다.

상기 제2 아스팔트층은 아스팔트 100 중량부를 기준으로 탄소재 1 내지 10 중량부를 포함하여 이루어지는 것이 바람직하다.

상기 탄소재는, 흑연, 활성탄, 카본블랙, 그라파이트, 탄소섬유 및 이들의 혼합물로 부터 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 이상일 수 있다.

상술한 본 발명에 의할 경우, 고강도를 구현하여 아스팔트 도로의 수명을 연장할 수 있음과 더불어, 겨울철의 적설 및 결빙을 효율적으로 제거할 수 있게 된다.

본 발명의 효과는 상술한 것으로 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 상세한 설명 또는 특허청구범위에 기재된 발명의 구성으로부터 추론가능한 모든 효과를 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 의한 아스팔트 도로를 설명하기 위한 개략적인 단면도이다.
도 2는 본 발명의 탄소섬유 그리드의 일례를 나타낸 사시도이다.
도 3은 본 발명의 실시예 및 비교예에 의하여 제작된 아스팔트 도로 샘플의 휠트랙킹 시험결과이다.

본 발명을 설명함에 있어서, 도면에 도시된 구성요소의 크기나 형상 등은 설명의 명료성과 편의를 위해 과장되거나 단순화되어 나타날 수 있다. 또한, 본 발명의 구성 및 작용을 고려하여 특별히 정의된 용어들은 사용자, 운용자의 의도 또는 관계에 따라 달라질 수 있다. 이러한 용어들은 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야 한다.

명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 부재를 사이에 두고 "간접적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다. 또한, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 구비할 수 있다는 것을 의미한다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 의한 고강도 및 융설 기능을 갖는 아스팔트 도로에 대하여 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명에 의한 고강도 및 융설 기능을 갖는 아스팔트 도로(100)(이하 '아스팔트 도로'라 한다)를 개략적으로 나타낸 단면도이다.

도 1에 도시된 바와 같이 본 발명에 의한 아스팔트 도로는, 제1 아스팔트층(210); 상기 제1 아스팔트층(210)의 상부에 형성되는 탄소섬유 그리드(250); 및 상기 탄소섬유 그리드(250)의 상부에 형성되며, 아스팔트와 탄소재(225)의 혼합물로 이루어지는 제2 아스팔트층(220)을 포함하여 이루어진다.

본 명세서에서 '아스팔트'라 함은 도로 포장에 사용되는 모든 아스팔트를 총칭하는 개념이며, 여기에는 예컨데, 아스팔트, 아스팔트 혼합물, 아스팔트 콘크리트 등이 포함될 수 있다.

본 발명에 의한 아스팔트 도로는 제1 아스팔트층(210), 탄소섬유 그리드(250), 제2 아스팔트층(220)의 3개 층을 필수적으로 포함한다.

제1 아스팔트층(210)은 일반적으로 골재층, 콘트리트층의 상부에 형성되나, 도로의 설계에 따라 아스팔트층이 여러 층일 경우에는 또 다른 아스팔트층 상부에 형성될 수도 있다.

상기 제1 아스팔트층(210)의 상부에는 탄소섬유 그리드(250)가 형성된다. 상기 탄소섬유 그리드(250)는 도 2에 일례를 나타낸 것처럼, 탄소섬유를 격자형태로 배치 및 연결한 것을 의미한다. 탄소섬유 그리드(250)는 도 2에 일례를 나타낸 것과 같은 형상 이외에, 탄소섬유가 연속적으로 연결된 다양한 형태로 변경될 수 있다. 상기 탄소섬유 그리드(250)는 전기를 인가하기 위한 단자(미도시)와 연결된다. 상기 단자를 통하여 외부에서 전기가 인가되면, 상기 탄소섬유는 발열을 하게되며, 발생한 열은 후술하는 제2 아스팔트층(220)을 통하여 외부로 전달된다.

또한 상기 탄소섬유 그리드(250)는 제1 아스팔트층(210)과 제2 아스팔트층(220)의 사이에 위치하여 아스팔트 도로의 구조를 견고하게 하는 역할을 한다. 즉, 격자 형태로 형성되어 제1 아스팔트층(210)과 제2 아스팔트층(220)의 사이에 위치하는 탄소섬유 그리드(250)는 일종의 구조적 보강재 역할을 하여, 아스팔트 도로의 강도를 향상시키게 된다.

상기 탄소섬유 그리드(250)는 상기 제1 아스팔트층(210) 면적의 5 내지 30%의 면적비를 가지도록 형성되는 것이 바람직하다. 탄소섬유 그리드(250)의 면적비가 상기 하한치 미만일 경우에는 발열이 불충분하여, 융설 기능이 부족할 우려가 있어 바람직하지 않고, 탄소섬유 그리드(250)의 면적비가 상기 상한치를 초과할 경우에는 제1 아스팔트층(210)과 제2 아스팔트층(220)이 견고하게 결합되지 못하고, 층 분리가 발생할 우려가 있어 바람직하지 못하다.

상기 탄소섬유 그리드(250)의 상부에는 제2 아스팔트층(220)이 형성된다. 제2 아스팔트층(220)은 아스팔트와 탄소재(225)의 혼합물로 이루어진다. 아스팔트와 탄소재(225)의 혼합물로 이루어지는 상기 제2 아스팔트층(220)은 순수한 아스팔트층에 비하여 고강도를 가지며, 탄소섬유 그리드(250)에서 발생한 열을 노면으로 전달하는 역할을 수행한다. 강도보강과 노면으로의 원할한 열 전달은 제2 아스팔트층(220)에 포함되는 탄소재(225)에 의하여 달성된다. 즉, 제2 아스팔트층(220)에 포함되는 탄소재(225)는 제2 아스팔트층(220)의 강도를 보강하는 역할을 수행한다. 또한 순수한 아스팔트층에 비하여 탄소재(225)가 포함된 제2 아스팔트층(220)은 열전달 효율이 우수하다. 이는 탄소재(225)가 가지는 성질, 즉 전도성과 고강도에 기인한다.

상기 탄소재(225)는 열전달 효율과 강도를 보강할 수 있는 탄소재(225)라면 어느 것을 사용하여도 무방하다. 이의 일례를 들어보면, 흑연, 활성탄, 카본블랙, 그라파이트, 탄소섬유 및 이들의 혼합물로부터 선택되는 1종 이상일 수 있으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.

상기 제2 아스팔트층(220)에 포함되는 탄소재(225)의 함량은 아스팔트 100 중량부를 기준으로 1 내지 10중량부인 것이 바람직하다. 탄소재(225)의 함량이 상기 하한치 미만일 경우에는, 열전달과 강도보강 효과가 충분하지 못할 우려가 있어 바람직하지 않고, 탄소재(225)의 함량이 상기 상한치를 초과할 경우에는 탄소재(225)의 뭉침 현상으로 인하여 제2 아스팔트의 물성 불균일 및 아스팔트의 경화가 온전하게 이루어지지 않을 우려가 있어 바람직하지 않다.

본 발명의 목적이 고강도와 융설기능을 가지는 아스팔트 도로를 제공하는 것에 있으므로, 상기 제2 아스팔트층(220)은 외부로 노출되는 것이 바람직하다. 즉, 제2 아스팔트층(220)에 적설, 결빙 등이 직접 발생하고, 또한 제2 아스팔트층(220)에 차량의 바퀴 등이 직접 접촉하는 것이 효과를 극대화할 수 있다. 그러나 제2 아스팔트층(220)이 반드시 외부로 노출되어야 하는 것은 아니며, 도로의 설계에 따라 제2 아스팔트층(220)의 상부에 또 다른 층이 위치할 수도 있다.

상기 제1 아스팔트층(210)과 탄소섬유 그리드(250)의 사이, 또는 탄소섬유 그리드(250)와 제2 아스팔트층(220)의 사이에는 이들의 접착을 보다 용이하게 하기 위한 접착층이 위치할 수 있다. 상기 접착층은 유화아스팔트 등을 사용할 수 있으며, 이는 공지의 기술이므로 자세한 설명은 생략한다.

상기와 같은 구성을 가지는 본 발명에 의한 아스팔트 도로의 시공과정을 설명하면 다음과 같다.

먼저, 골재층, 콘크리트층, 아스팔트층의 상부에 제1 아스팔트층(210)을 도포하고, 열과 압력을 가하여 이를 경화시킨다. 다음으로 상기 제1 아스팔트층(210)의 상부에 탄소섬유 그리드(250)를 위치시키고, 상기 탄소섬유 그리드(250)의 상부에 제2 아스팔트층(220)을 도포하고 열과 압력을 가하여 경화시킨다. 이때 상기 제1 아스팔트층(210)과 탄소섬유 그리드(250)의 사이, 또는 탄소섬유 그리드(250)와 제2 아스팔트층(220)의 사이에는 접착을 원할하게 하기 위한 유화아스팔트 등이 도포될 수 있다.

상기와 같은 과정을 거쳐 시공이 완료된 아스팔트 도로는 제1 아스팔트층(210), 탄소섬유 그리드(250), 제2 아스팔트층(220)으로 이루어지는 구조를 갖는다. 제1 아스팔트층(210)과 탄소섬유 그리드(250), 제2 아스팔트층(220)과 탄소섬유 그리드(250)는 견고하게 결합이 되며, 제1 아스팔트층(210)과 제2 아스팔트층(220)도 탄소섬유 그리드(250)에서 탄소섬유가 위치하지 않는 빈 공간을 통하여 견고하게 결합이 된다.

겨울철에 적설 또는 결빙이 발생하거나, 발생할 우려가 있으면, 탄소섬유 그리드(250)에 연결된 단자를 통하여 전기를 인가하게 되고, 전기가 인가되면 상기 탄소섬유 그리드(250)는 발열이 된다. 탄소섬유 그리드(250)에서 발생한 열은 제2 아스팔트층(220)을 통하여 노면에 전달됨으로써, 눈 또는 얼음을 녹여 안전사고를 예방할 수 있게 된다. 또한 제2 아스팔트층(220)은 함유된 탄소재(225)로 인하여 강도가 보강되어 반복되는 결빙과 융해에도 불구하고, 그 수명을 연장할 수 있게 된다.

이하 실시예 및 시험예를 통하여 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다.

실시예 : 고강도 및 융설 기능을 갖는 아스팔트 도로 샘플의 제작

성형틀에 아스팔트 혼합물을 충분히 붓고, 열과 압력을 가하여 30cm × 30cm × 5cm의 크기를 가지는 제1 아스팔트층을 형성하였다. 제1 아스팔트층은 상온에서 24시간 동안 양생하였다. 상기 제1 아스팔트층의 상부에 도 2에 도시된 것과 같은 형태로 탄소섬유를 격자형태로 배열함과 동시에 전기를 인가하기 위한 단자를 연결한 탄소섬유 그리드를 위치시켰다. 상기 탄소섬유 그리드의 상부에 제2 아스팔트층을 형성하기 위한 아스팔트와 흑연의 혼합물을 충분히 붓고 상기 제1 아스팔트층과 동일한 과정을 통하여 제2 아스팔트층을 형성하여, 아스팔트 도로 샘플을 제작하였다.

탄소섬유 그리드는 제1 아스팔트층 면적의 12%의 비율을 가지도록 하였으며, 제2 아스팔트층에는 흑연을 제2 아스팔트층 전체의 2%가 되도록 배합하였다.

비교예 1 : 아스팔트 도로 샘플의 제작

상기 실시예와 동일한 과정을 거쳐 제1 아스팔트층을 형성하였으며, 상기 제1 아스팔트층의 상부에 흑연을 포함하지 않은 아스팔트 만으로 제2 아스팔트층을 형성한 것을 제외하고는 상기 실시예와 동일한 과정을 거쳐 아스팔트 도로 샘플을 제작하였다.

비교예 2 : 아스팔트 도로 샘플의 제작

흑연을 포함하지 않은 아스팔트 만으로 제2 아스팔트층을 형성한 것을 제외하고는 상기 실시예와 동일한 과정을 거쳐 아스팔트 도로 샘플을 제조하였다.

강도 테스트

실시예 및 비교예에 의하여 제작된 아스팔트 도로 샘플의 강도를 비교하기 위하여 휠트랙킹 시험을 하였다. 휠트랙킹 시험은 KS F 2374에 규정된 방법에 의하였으며, 이의 결과를 도 3에 도시하였다.

도 3에서 보여지듯이 본 발명의 실시예에 의한 아스팔트 도로는 비교예에 의한 아스팔트 도로에 비하여 소성변형 저항성이 우수함을 알 수 있었다. 본 발명의 실시예에 의한 아스팔트 도로는 비교예 1에 의한 아스팔트 도로 대비 약 2.1배(2,500 cycle 기준)의 소성변형 저항성을 보였으며, 비교예 2에 의한 아스팔트 도로 대비 약 1.5배(2,500 cycle 기준)의 소성변형 저항성을 보였음을 알 수 있었다. 이러한 사실로부터 탄소섬유 그리드와 제2 아스팔트층에 포함되는 탄소재가 강도보강 역할을 함을 확인할 수 있었다.

발열 성능 비교

본 발명의 실시예와 비교예 2에 의하여 제작된 아스팔트 도로의 발열 성능을 비교하였다. 비교예 1에 의하여 제작된 아스팔트 도로는 발열 기능을 수행하는 탄소섬유 그리드가 없어, 발열이 되지 않으므로 본 성능 비교에서는 제외하였다.

발열 성능 비교는 아래와 같은 방식에 의하였다.

먼저 실시예와 비교예 2에 의하여 제작된 아스팔트 도로 샘플을 -10℃로 유지되고 있는 냉동챔버에 장입하고, 이를 24시간 동안 유지한다.

다음으로 아스팔트 도로 샘플의 탄소섬유 그리드에 연결된 단자를 통하여 전기(1A, 13V)를 인가한 다음, 시간에 따른 온도변화를 측정하였다. 온도는 Thermocouple을 이용하여 아스팔트 도로 샘플 표면, 표면으로부터 2.5cm 위치하는 부분의 온도를 측정하였으며, 이의 결과를 하기의 표에 나타내었다.

상기 표의 결과에서 확인할 수 있듯이 본 발명의 실시예에 의한 아스팔트 도로는 비교예 2에 의한 아스팔트 도로에 비하여 아스팔트 내부 온도 및 표면온도가 월등히 높음을 알 수 있었다. 이는 본 발명의 실시예의 경우, 제2 아스팔트층에 사용된 탄소재가 열전달 효율을 높이는 기능을 구현함에 의한 것으로 판단된다. 따라서 본 발명을 이용할 경우, 겨울철의 적설 또는 빙결의 문제점을 효율적으로 해결할 수 있을 것으로 기대된다.

본 발명은 상기한 실시예와 첨부한 도면을 참조하여 설명되었지만, 본 발명의 개념 및 범위 내에서 상이한 실시예를 구성할 수도 있다. 따라서 본 발명의 범위는 첨부된 청구범위 및 이와 균등한 것들에 의해 정해지며, 본 명세서에 기재된 특정 실시예에 의해 한정되지는 않는다.

100 : 고강도 및 융설 기능을 갖는 아스팔트 도로
210 : 제1 아스팔트층 220 : 제2 아스팔트층
225 : 탄소재 250 : 탄소섬유 그리드

Claims (6)

1. 제1 아스팔트층;
   상기 제1 아스팔트층의 상부에 형성되는 탄소섬유 그리드: 및
   상기 탄소섬유 그리드의 상부에 형성되며, 아스팔트와 탄소재의 혼합물로 이루어지는 제2 아스팔트층을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 고강도 및 융설 기능을 갖는 아스팔트 도로.
   
2. 제1항에 있어서,
   상기 탄소섬유 그리드는 전기를 인가하기 위한 단자와 연결되는 것을 특징으로 하는 고강도 및 융설 기능을 갖는 아스팔트 도로.
   
3. 제1항에 있어서,
   상기 탄소섬유 그리드는 상기 제1 아스팔트층 면적의 5 내지 30%의 면적비를 가지도록 형성되는 것을 특징으로 하는 고강도 및 융설 기능을 갖는 아스팔트 도로.
   
4. 제1항에 있어서,
   상기 제2 아스팔트층은 아스팔트 100 중량부를 기준으로 탄소재 1 내지 10 중량부를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 고강도 및 융설 기능을 갖는 아스팔트 도로.
   
5. 제4항에 있어서,
   상기 탄소재는, 흑연, 활성탄, 카본블랙, 그라파이트, 탄소섬유 및 이들의 혼합물로 부터 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 이상인 것을 특징으로 하는 고강도 및 융설 기능을 갖는 아스팔트 도로.
   
6. 제1항에 있어서,
   제2 아스팔트층은 외부로 노출되는 것을 특징으로 하는 고강도 및 융설 기능을 갖는 아스팔트 도로.

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