WO2020171382A1 - 고기능성 아스팔트 개질재를 포함하는 개질아스팔트 침투식 마카담 포장용 조성물 및 이를 이용한 마카담 포장 방법 - Google Patents

고기능성 아스팔트 개질재를 포함하는 개질아스팔트 침투식 마카담 포장용 조성물 및 이를 이용한 마카담 포장 방법 Download PDF

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문의성
문영규
김두병
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주식회사 로드씰
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    • C04B2111/0075—Uses not provided for elsewhere in C04B2111/00 for road construction

Definitions

  • the present invention relates to a composition for paving a modified asphalt penetrating macadam including a high-functional asphalt modifier, and a macadam paving method using the same, and more particularly, to a nano-material graphene oxide (GO) in the modified asphalt.
  • a composition for paving a modified asphalt penetrating macadam including a high-functional asphalt modifier and a macadam paving method using the same, and more particularly, to a nano-material graphene oxide (GO) in the modified asphalt.
  • GO nano-material graphene oxide
  • asphalt is evenly sprayed on the road surface, and after spraying crushed stone or aggregate of a certain standard, voltage is applied with a compaction equipment so that the aggregate sprayed on the road surface becomes a dense and interlocked structure.
  • the main functions of surface treatment are to improve durability and slip resistance of the road surface, to prevent moisture penetration by filling the voids on the road surface, and to fix and stabilize the loose material on the road surface.
  • the binder used in the above construction method fills the voids of the existing road surface and exerts adhesion to the aggregate to form a flat road surface.
  • An additional role is to take on the ability added by traffic to some extent, and materials that can be used depending on the site conditions are often used as cutback asphalt, emulsified asphalt, and straight asphalt.
  • the method of selecting the binder has been carried out in consideration of cost, initial adhesion, and ease of spraying.
  • the emulsified asphalt and cutback asphalt have a slow curing speed and are easily damaged by peeling due to weak adhesion to the aggregate at the beginning of construction, and the straight asphalt binder has excellent initial bonding power with the aggregate, but has poor heat resistance, so it has a problem that it flows down at high temperatures. have.
  • the binders are exposed to UV, high temperature, and moisture for a long period of time, and thus oxidation and adhesion of asphalt are weakened, resulting in a problem of aggregate separation.
  • the present invention is to improve plastic deformation resistance, fatigue crack resistance, temperature crack resistance and Top-Down cracking of the asphalt binder by dispersing graphene oxide (GO) as a nanomaterial in the modified asphalt.
  • High-functional asphalt that can contribute to prolonging the life of road pavement by securing durability by delaying the volatilization of volatile substances among asphalt binders with excellent blocking performance of graphene oxide (GO). It is intended to provide a composition for packaging a modified asphalt penetrating macadam including a modifier and a macadam packaging method using the same.
  • the present invention (a) 60 to 90% by weight of a straight asphalt binder heated to 150-200 °C; And
  • the graphene oxide (GO) may have a structure of Formula 1 below.
  • the graphene oxide (GO) is a two-dimensional layered structure having a size of 30 ⁇ m or less and a layer gap of 0.7-1.2 nm, and a specific surface area of 500 to 800 m 2 /g.
  • the present invention also includes the step of removing moisture from the road surface;
  • it provides a macadam paving method using a modified asphalt penetrating macadam paving composition comprising the high-functional asphalt modifier comprising the step of compacting using a compaction roller on the top of the laid/attached secondary crushed stone aggregate.
  • the present invention improves the application temperature range, plastic deformation resistance and fatigue crack resistance of the modified asphalt penetration macadam pavement as described above, and extends the life of road pavement by inhibiting temperature crack resistance and Top-Down crack. It is characterized by using a high-performance asphalt modifier using graphene oxide (GO) as a material.
  • GO graphene oxide
  • the present invention (a) 60 to 90% by weight of a straight asphalt binder heated to 150-200 °C; And (b) 0.1 to 1 parts by weight of graphene oxide (GO), 10 to 30 parts by weight of softener, 20 to 30 parts by weight of a thermoplastic elastomer (TPE) to 100 parts by weight of an asphalt binder modified with a styrene-butadiene-styrene block copolymer.
  • Modified asphalt comprising a highly functional asphalt modifier comprising a modified asphalt binder consisting of 10 to 40% by weight of a highly functional asphalt modifier using a nanomaterial containing 80 parts by weight and 50 to 200 parts by weight of a petroleum resin It relates to a composition for infiltrating macadam packaging.
  • the highly functional asphalt modifier using a nanomaterial constituting the present invention includes an asphalt binder modified with a styrene-butadiene-styrene block copolymer.
  • the asphalt binder modified with the styrene-butadiene-styrene block copolymer acts to increase the elasticity and elongation of asphalt concrete compared to general asphalt binders (AP-5, AP-3), and the increase in elasticity is deformed at high temperatures.
  • the problem is, the elongation can significantly improve the occurrence of cracks and breakages due to external impact.
  • the asphalt constituting the highly functional asphalt modifier using a preferred nanomaterial has a softening point of 30 to 100° C., and a penetration degree of 30 to 175 dmm is preferable in terms of increasing adhesion with the pavement surface, It is very preferable that the softening point is 50 to 70°C and the penetration is 60 to 90 dmm.
  • the amount of the modified asphalt is preferably 80 to 120 parts by weight, and more preferably 100 parts by weight. If it is less than 80 parts by weight, its content is small and the bonding strength with the aggregate decreases. If it exceeds 120 parts by weight, the bonding strength with the aggregate increases, but plastic deformation resistance is poor in the high temperature environment in summer, and fatigue cracking due to temperature change occurs in the construction environment in winter. There is a problem.
  • the highly functional asphalt modifier using nanomaterials constituting the present invention includes graphene oxide (GO).
  • the graphene oxide (GO) may be a two-dimensional layered structure having a size of 30 ⁇ m or less and a layer spacing of 0.7-1.2 nm.
  • graphene oxide (GO) forms a unique two-dimensional layer structure with a layer spacing of 0.7-1.2 nm compared to other nanomaterials.
  • the molecular structure is almost the same as that of general graphene, and has excellent gas and liquid barrier properties and specific conductivity.
  • the Van der Waals force between the layers decreases, and a uniform single layer graphene oxide (GO) due to the shear force of the High Shera Mixer. ) Can be easily dispersed in the asphalt binder in the form of a suspension.
  • the layer gap of the graphene oxide is less than 0.7 nm, it is difficult to maintain a stacked shape having a two-dimensional structure due to the repulsion between the layers, and at the same time, aggregation may occur during dispersion.
  • the layer gap exceeds 1.2 nm, interlayer Due to the weakening of the combination of the structure and the difficulty of maintaining the structure, the desired effect of increasing properties may not appear.
  • the graphene oxide (GO) may have a structure of Formula 1 below.
  • polar oxygen functional groups such as carboxyl groups, hydroxyl groups, epoxy groups and ester groups may exist, and these functional groups increase the reactivity of graphene oxide (GO), It can be made compatible with many types of polymer matrices.
  • graphene oxide (GO) is used as a reinforcing additive for various polymers because it has been shown to have a very large specific surface area and high modulus along with a versatile surface chemistry. Therefore, graphene oxide (GO) can rapidly adsorb large molecules (Colloid and Asphalten) from the asphalt binder with the above characteristics, thereby improving mechanical properties such as rheology, plastic deformation resistance, and elasticity, and oxidation. With the excellent blocking performance of graphene oxide (GO), the volatilization of volatile substances in the asphalt binder component can be delayed and its performance can be maintained for a long time.
  • Graphene oxide (GO) contained in the modified asphalt binder of the present invention is preferably 0.01 to 0.1 parts by weight based on 100 parts by weight of the asphalt binder, and if it is less than 0.01 parts by weight, the dispersion content is small and the rheology of the modified asphalt-based sealant,
  • the effect of synthesizing mechanical properties such as plastic deformation resistance and elasticity is insignificant, and when the content exceeds 0.1 parts by weight, it is difficult to disperse due to the high content, and the adhesion tends to be lowered, and there may be difficulties in dispersing due to the addition of additional functional additives.
  • It includes a thermoplastic elastomer (TPE) in order to increase the elasticity, heat resistance, etc. of the modified asphalt penetration macadam pavement using a high-functional asphalt modifier constituting the present invention.
  • thermoplastic elastomer acts to increase the elasticity, heat resistance, tensile strength and plastic deformation resistance of the sealant by improving the interfacial adhesion by forming a network with asphalt, and the increase in elasticity, heat resistance, tensile strength and plastic deformation resistance is high temperature. It can remarkably improve the occurrence of cracks and damage caused by external shocks in low temperature environments in winter, as well as run-down or deformation problems in
  • the content of the thermoplastic elastomer (TPE) contained in the asphalt modifier using the nanomaterial of the present invention is preferably 20 to 80 parts by weight to 100 parts by weight of an asphalt binder modified with a styrene-butadiene-styrene block copolymer.
  • the content of the thermoplastic elastomer (TPE) is less than 20 parts by weight, elasticity and heat resistance of the sealant are hardly improved, and when the content of the thermoplastic elastomer (TPE) is less than 80 parts by weight, the bonding force with the aggregate decreases and excessive viscosity increases, which causes difficulty in perfect mixing of the aggregate.
  • thermoplastic elastomer is completely melt-dispersed in asphalt by high-speed mixing by a high shear mixer or the like at 160 to 180°C to form a homogeneous network structure, and its content Elasticity, low temperature flexibility and mechanical strength increase as this increases, but it is more preferable to add 10 to 60 parts by weight because it is relatively expensive compared to asphalt.
  • the high-performance asphalt modifier using the nanomaterial constituting the present invention includes a softener to increase low-temperature brittleness, mixing and processability.
  • the softener is mixed with the asphalt binder to increase the low-temperature brittleness and blendability, the low-temperature brittleness increases the flexibility in the low-temperature environment of the asphalt binder, and the increase in low-temperature flexibility enables the shrinkage and expansion of the pavement layer to accommodate temperature changes. Can be improved.
  • the content of the softener contained in the highly functional asphalt modifier using the nanomaterial of the present invention is preferably 1 to 30 parts by weight to 100 parts by weight of an asphalt binder modified with a styrene-butadiene-styrene block copolymer. If the content of the softener is less than 1 part by weight, the low-temperature brittleness and blendability of the asphalt mixture are not improved, and if it exceeds 30 parts by weight, the bonding strength with the aggregate weakens, and the material separation occurs under repeated loads and high-temperature environments. do.
  • the highly functional asphalt modifier composition using the nanomaterial constituting the present invention includes a petroleum resin.
  • Petroleum resins act as tackifying agents, and petroleum resins such as aromatic petroleum resins, coumarone indene resins, aliphatic resins, and hydrogenated dicyclopentadiene hydrocarbon resins (hydrocarbon resin or petroleum) resin) can be selected and used. In particular, it is most preferable to use a hydrogenated dicyclopentadiene resin having excellent adhesion and less brittleness.
  • Hydrogenated rosin ester which has been widely used as an existing tackifier, is very expensive and difficult to supply because it is imported and used by Hercules in the United States, and manufacturing cost is very expensive because a large amount of it must be added in applications requiring high adhesion. It becomes higher.
  • the amount of the softener is small or there is little, there is a problem in that the adhesion to the substrate is poor. Therefore, when the petroleum resin of the present invention is added, good adhesion to the modified asphalt binder can be provided at low cost regardless of the amount of the softener.
  • the petroleum resin content is preferably 50 to 200 parts by weight to 100 parts by weight of an asphalt binder modified with a styrene-butadiene-styrene block copolymer, and if it is less than 50 parts by weight, there is little effect of addition, and if it exceeds 200 parts by weight, the modified asphalt binder There is a problem that elasticity is deteriorated and cracks are generated due to temperature change.
  • the highly functional asphalt modifier using the nanomaterial according to the present invention is preferably added in a weight ratio of 10-40% by weight to the modified asphalt binder.
  • the high-functional asphalt modifier using the nanomaterial is less than 10% by weight, the effect is not high, and if it exceeds 40% by weight, the viscosity increases and the bonding strength between the binder and the aggregate is weakened, resulting in construction problems.
  • the present invention also includes the step of removing moisture from the road surface;
  • it provides a macadam paving method using a modified asphalt penetrating macadam paving composition comprising the high-functional asphalt modifier comprising the step of compacting using a compaction roller on the top of the laid/attached secondary crushed stone aggregate.
  • crushed stone aggregate can be applied more quickly, inexpensively, and safely in regions and developing countries where there is no asphalt plant capable of producing Hot Mix Asphalt (HMA), and the aggregate is blended as specified in the standard specification.
  • HMA Hot Mix Asphalt
  • the modified asphalt penetration macadam pavement composition of the present invention can improve physical properties such as the application temperature range, plastic deformation resistance, fatigue crack resistance and elasticity of the modified asphalt penetration macadam pavement, and extend the life of the road pavement. , It can be used usefully for asphalt management, etc.

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Abstract

본 발명은 Hot Mix Asphalt(HMA)를 생산할 수 있는 아스팔트 플랜트가 없는 지역 또는 개발도상국에서 도로포장에 사용되는 고기능성 아스팔트 개질재를 이용한 개질아스팔트 침투식 마카담 포장에 관한 것으로, 좀 더 상세히는 스티렌-부타디엔-스티렌 블록 공중합체로 개질된 아스팔트 바인더 100중량부에 산화 그래핀(Graphene oxide, GO) 0.1 내지 1 중량부, 연화제 10 내지 30중량부, 열가소성 탄성체(TPE) 20 내지 80중량부, 석유수지 50 내지 200 중량부로 구성되어진 고기능성 아스팔트 개질재를 포함하는 것을 특징으로 한다. 상기 제조된 고기능성 아스팔트 개질재는 도로포장 현장에서 스트레이트 아스팔트(AP-5, AP-3) 바인더에 계량 투입하여 제조되어진 개질아스팔트 침투식 마카담 포장에 관한 것이다. 본 발명에 따른 고기능성 아스팔트 개질재를 이용한 개질아스팔트 침투식 마카담 포장은 아스팔트 바인더를 개질시키기 위해 나노물질인 산화 그래핀(Graphene oxide, GO)을 적용함으로써 아스팔트 바인더의 기계적 성능과 내구성을 향상시켜 도로포장의 수명연장에 기여할 수 있다.

Description

고기능성 아스팔트 개질재를 포함하는 개질아스팔트 침투식 마카담 포장용 조성물 및 이를 이용한 마카담 포장 방법
본 발명은 고기능성 아스팔트 개질재를 포함하는 개질아스팔트 침투식 마카담 포장용 조성물 및 이를 이용한 마카담 포장 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 개질아스팔트에 나노물질인 산화 그래핀(Graphene oxide, GO)을 분산시킴으로써 아스팔트 바인더의 소성변형 저항성, 피로균열 저항성 향상, 온도균열 저항 및 Top-Down 균열을 억제하고 산화 그래핀(Graphene oxide, GO)의 뛰어난 차단성능으로 아스팔트 바인더 성분중 휘발성 물질의 휘발을 지연시켜 내구성능을 확보함으로써 골재와 결합력이 견고하여 도로포장의 수명연장에 기여할 수 있는 고기능성 아스팔트 개질재를 포함하는 개질아스팔트 침투식 마카담 포장용 조성물 및 이를 이용한 마카담 포장 방법을 제공한다.
표면처리(Surface Dressing)는 아스팔트 노면 구조 관리에 효과적이며 경제적인 방법으로 자리를 굳혀 왔다.
상기 공법은 단순하고 비용이 저렴한 관계로 통상현장의 품질관리와 감독 소홀로 조기 파손되기도 한다. 또한, 환경 여건에 따른 파손도 있을수 있으며, 시공시 정확한 시공이 되도록 유의해야 한다.
상기 공법내용은 노면에 아스팔트를 골고루 얇게 살포하고, 부순돌 또는 일정 규격의 골재를 살포한 후, 다짐 장비로 전압을 시행하여 노면에 살포된 골재가 조밀하고 맞물린 조직이 되게 한다.
다공성 표면을 메꾸어 수밀성을 유지하고 노면의 차량 주행과 환경으로 인해 재료 손실을 보호한다. 또한, 광택 골재 및 재료탈리 등을 방지하여 적절한 표면의 저항을 제공하는 것을 목적으로 한다.
표면처리(Surface treatment)의 주요 기능은 노면의 내구성 증진과 미끄럼 저항성 향상, 노면의 공극을 메꾸어 수분의 침투방지, 노면의 이완된 재료를 고착 및 안정화 도모이다.
상기 공법에 사용되는 결합재는 기존 노면의 공극을 메끄고 골재와의 부착력을 발휘하여 평탄한 노면을 형성한다. 추가적인 역할은 교통에 의해 부가되는 능력을 어느정도 감당하여, 현장여건에 따라 사용될 수 있는 재료는 컷백 아스팔트, 유화아스팔트, 스트레이트 아스팔트 정도가 많이 사용되고 있다.
상기 결합재의 선택방법은 비용, 초기 접착력 및 살포의 용이성을 감안하여 실시 되어 왔다. 그러나, 유화아스팔트, 컷백아스팔트는 경화속도가 느려 시공초기에 골재와 부착력이 약해 박리가 발생 하여 손상 되기 쉽고, 스트레이트 아스팔트 바인더는 골재와의 초기 결합력은 우수하나 내열성이 취약하여 고온에서 흘러내리는 문제점이 있다.
또한, 상기 결합재들은 장시간 동안 UV, 고온, 수분에 노출됨으로써 발생되는 아스팔트의 산화, 부착력이 약화 되어 골재 탈리등의 문제점이 있다.
선행기술 문헌
대한민국 등록특허 제10-1052077호
대한민국 공개특허 제10-2008-0063739호
전술한 문제를 해결하기 위하여, 본 발명은 개질아스팔트에 나노물질인 산화 그래핀(Graphene oxide, GO)을 분산시킴으로써 아스팔트 바인더의 소성변형 저항성, 피로균열 저항성 향상, 온도균열 저항 및 Top-Down 균열을 억제하고 산화 그래핀(Graphene oxide, GO)의 뛰어난 차단성능으로 아스팔트 바인더 성분중 휘발성 물질의 휘발을 지연시켜 내구성능을 확보함으로써 골재와 결합력이 견고하여 도로포장의 수명연장에 기여할 수 있는 고기능성 아스팔트 개질재를 포함하는 개질아스팔트 침투식 마카담 포장용 조성물 및 이를 이용한 마카담 포장 방법을 제공하고자 한다.
상술한 문제를 해결하기 위해, 본 발명은 (a) 150-200℃로 가열된 스트레이트 아스팔트 바인더 60 내지 90중량%; 및
(b) 스티렌-부타디엔-스티렌 블록 공중합체로 개질된 아스팔트 바인더 100중량부에 산화 그래핀(Graphene oxide, GO) 0.1 내지 1 중량부, 연화제 10 내지 30중량부, 열가소성 탄성체(TPE) 20 내지 80중량부, 석유수지 50 내지 200 중량부를 포함하는 나노물질을 이용한 고기능성 아스팔트 개질재 10 내지 40중량%;로 구성되는 개질 아스팔트 바인더를 포함하는 것을 특징으로 하는 고기능성 아스팔트 개질재를 포함하는 개질아스팔트 침투식 마카담 포장용 조성물을 제공한다.
상기 산화 그래핀(Graphene oxide, GO)은 하기의 화학식 1의 구조를 가질 수 있다.
[화학식 1]
Figure PCTKR2020000477-appb-I000001
상기 산화 그래핀(Graphene oxide, GO)은 크기가 30um이하 이고 0.7-1.2nm의 층간격을 가지는 2차원 층상 구조이며, 비표면적이 500~800㎡/g일 수 있다.
본 발명은 또한 노면의 습기 제거 단계; 상기 노면에 1차 고기능성 아스팔트 개질재를 이용한 개질아스팔트 바인더 침투/살포 단계와 동시에 1차 쇄석골재 포설/부착 단계; 상기 포설/부착된 1차 쇄석골재 상부에 다짐롤러를 이용하여 다짐하는 단계; 상기 다짐된 쇄석골재 상부에 2차 고기능성 아스팔트 개질재를 이용한 개질아스팔트 바인더 침투/살포 단계와 동시에 2차 쇄석골재 포설/부착 단계; 및 상기 포설/부착된 2차 쇄석골재 상부에 다짐롤러를 이용하여 다짐하는 단계를 포함하는 상기 고기능성 아스팔트 개질재를 포함하는 개질아스팔트 침투식 마카담 포장용 조성물을 이용한 마카담 포장 방법을 제공한다.
본 발명은 상기한 바와 같이 개질 아스팔트 침투식 마카담 포장의 적용온도범위, 소성변형 저항성, 피로균열 저항성을 개선하고, 온도균열 저항 및 Top-Down균열을 억제함으로써 도로포장의 수명을 연장시키게 되는 나노물질인 산화 그래핀(Graphene oxide, GO)을 이용한 고기능 아스팔트 개질재를 사용한 것을 특징으로 한다.
즉, 비표면적이 큰 단일층의 산화 그래핀(Graphene oxide, GO)의 많은 관능기(Chemical Functional Groups)는 아스팔트 바인더의 성분과 수소결합(Hydrogen Bond)을 형성하고 반데르발스 힘(Van der Waals Force)을 생성하기 쉽기 때문에 상기 산화 그래핀(Graphene oxide, GO)은 아스팔트 바인더의 큰분자(Colloid and Asphalten)를 신속하게 흡착할 수 있어 아스팔트 바인더의 레올로지(Rheological), 소성변형 저항성, 탄성등의 기계적 특성을 향상 시키는 고기능성 아스팔트 개질재를 포함하는 개질아스팔트 침투식 마카담 포장용 조성물 및 이를 이용한 마카담 포장 방법을 제공할 수 있다.
이하에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐리게 할 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략하기로 한다. 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한, 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있음을 의미한다.
본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예를 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변환, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
발명에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 발명에서, 포함하다 또는 가지다 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
본 발명은 (a) 150-200℃로 가열된 스트레이트 아스팔트 바인더 60 내지 90중량%; 및 (b) 스티렌-부타디엔-스티렌 블록 공중합체로 개질된 아스팔트 바인더 100중량부에 산화 그래핀(Graphene oxide, GO) 0.1 내지 1 중량부, 연화제 10 내지 30중량부, 열가소성 탄성체(TPE) 20 내지 80중량부, 석유수지 50 내지 200 중량부를 포함하는 나노물질을 이용한 고기능성 아스팔트 개질재 10 내지 40중량%로 구성되는 개질 아스팔트 바인더를 포함하는 것을 특징으로 하는 고기능성 아스팔트 개질재를 포함하는 개질아스팔트 침투식 마카담 포장용 조성물에 관한 것이다.
본 발명을 구성하는 나노물질을 이용한 고기능성 아스팔트 개질재는 스티렌-부타디엔-스티렌 블록 공중합체로 개질된 아스팔트 바인더를 포함한다.
상기 스티렌-부타디엔-스티렌 블록 공중합체로 개질된 아스팔트 바인더는 일반 아스팔트 바인더(AP-5, AP-3)의 비해 아스팔트 콘크리트의 탄성과 신율을 증가시키는 작용을 하며, 탄성의 증가는 고온에서의 변형 문제를, 신율은 외부충격에 의한 크랙 및 파손발생을 현저하게 개선시킬 수 있다.
본 발명에 있어서, 바람직한 나노물질을 이용한 고기능성 아스팔트 개질재를 구성하는 아스팔트는 연화점이 30~100℃이고, 침입도가 30~175d㎜인 것이 포장도로 표면과 접착력을 증대하는 면에서 바람직하고, 연화점 50~70℃ 및 침입도 60~90d㎜인 것이 매우 바람직하다.
상기 개질 아스팔트의 사용량은 80 내지 120 중량부가 바람직하며, 특히 100 중량부가 더욱 바람직하다. 80 중량부 미만이면 함량이 적어 골재와의 결합력이 떨어지며, 120 중량부를 초과하면 골재와의 결합력은 증가하나 하절기 고온 환경에서 소성변형 저항성이 떨이지고, 동절기 시공 환경에서는 온도변화에 따른 피로균열이 발생하는 문제점이 있다.
본 발명을 구성하는 나노물질을 이용한 고기능성 아스팔트 개질재는 산화 그래핀(Graphene oxide, GO)를 포함한다.
상기 산화 그래핀(Graphene oxide, GO)은 크기가 30um이하 이고 0.7-1.2nm의 층간격을 가지는 2차원 층상 구조일 수 있다. 일반적으로 산화 그래핀(Graphene oxide, GO)은 다른 나노물질과 비교하여 0.7-1.2nm의 층간격을 갖는 독특한 2차원 층구조를 형성하고 있다. 분자구조는 일반 그래핀과 거의 동일하며, 우수한 기체 및 액체 차단성과 특정 전도성을 가지고 있다. 상기 산화 그래핀은 층간 간격이 증가함에 따라, 층들 사이의 반데르발스 힘이 감소되고 하이 쉐어 믹서(High Shera Mixer)의 전단력(Shear Force)의 의해 균일한 단일층 산화 그래핀(Graphene oxide, GO) 서스펜션 형태로 아스팔트 바인더에 용이하게 분산될 수 있다. 상기 산화그래핀의 층간격이 0.7nm미만인 경우 층간의 반발력으로 인하여 2차원 구조를 가지는 적층형상을 유지하기 어려움과 동시에 분산시 응집현상이 발생할 수 있으며, 1.2nm를 초과하는 층간격을 가지는 경우 층간의 결합이 약해져 구조의 유지가 어려움에 따라 원하는 물성상승효과가 나타나지 않을 수 있다.
상기 산화 그래핀(Graphene oxide, GO)은 하기의 화학식 1의 구조를 가질 수 있다.
[화학식 1]
Figure PCTKR2020000477-appb-I000002
상기 산화 그래핀(Graphene oxide, GO) 표면에는 카르복실기, 수산기, 에폭시기 및 에스테르기와 같은 다수의 극성 산소 관능기가 존재할 수 있으며, 이러한 관능기는 산화 그래핀(Graphene oxide, GO)의 반응성을 상승시켜주며, 많은 종류의 폴리머 매트릭스와 호환성을 가지게 할 수 있다.
아울러 산화 그래핀(Graphene oxide, GO)은 다용도 표면화학과 함께 매우 큰 비표면적, 고 모듈러스를 가졌음을 보여 주었기 때문에 다양한 고분자의 보강 첨가제로 사용되고 있다. 따라서 산화 그래핀(Graphene oxide, GO)은 상기와 같은 특성으로 아스팔트 바인더에서 큰분자(Colloid and Asphalten)를 신속하게 흡착할 수 있어 레올로지, 소성변형 저항성, 탄성등의 기계적 특성을 향상시키고, 산화 그래핀(Graphene oxide, GO)의 뛰어난 차단성능으로 아스팔트 바인더 성분중 휘발성 물질의 휘발을 지연시켜 그 성능을 오랜 시간 동안 유지시킬 수 있다.
또한, 본 발명에 사용되는 산화 그래핀(Graphene oxide, GO)의 물성은 하기 표 1에 나타내었다
PARAMETER SPECIFICATION
AVERAGE LATERAL DIMENSION(x&y) ~ 30 um
AVERAGE THROUGH-PLANE DIMENSION(z) ~ 1.0-1.2nm (as analyzed by AFM)
SPECIFIC SURFACE AREA 500 ~ 780
본 발명의 개질아스팔트 바인더에 포함되는 산화 그래핀(Graphene oxide, GO)은 아스팔트 바인더 100 중량부 대비 0.01 내지 0.1 중량부가 바람직하며, 0.01 중량부 미만이면 분산함량이 적어 개질 아스팔트계 실란트의 레올로지, 소성변형 저항성, 탄성등의 기계적 특성 상승효과가 미미하고, 0.1 중량부를 초과하면 함량이 많아 분산에 어려움이 있으며, 접착력이 떨어지는 경향이 있고 추가적으로 기타 기능성 첨가제의 부가에 대한 분산 어려움이 있을 수 있다.본 발명을 구성하는 고기능성 아스팔트 개질재를 이용한 개질아스팔트 침투식 마카담 포장의 탄성, 내열성등을 증대시키기 위하여 열가소성탄성체(TPE)를 포함한다.
상기 열가소성 탄성체(TPE)는 아스팔트와 네트워크를 형성하여 계면 접착력을 향상시켜 실란트의 탄성, 내열성, 인장강도 및 소성변형 저항성를 증가시키는 작용을 하며, 탄성, 내열성, 인장강도 및 소성변형 저항성의 증가는 고온에서의 흘러내림이나 변형문제, 동절기 저온 환경에서 외부충격에 의한 크랙 및 파손발생을 현저하게 개선시킬 수 있다.
본 발명의 나노물질을 이용한 아스팔트 개질재에 포함되는 열가소성 탄성체(TPE)의 함량은 스티렌-부타디엔-스티렌 블록 공중합체로 개질된 아스팔트 바인더 100중량부에 20 내지 80 중량부가 바람직하다. 이는 열가소성 탄성체(TPE)의 함량이 20 중량부 미만이면 실란트의 탄성 및 내열성이 거의 개선되지 않으며, 80 중량부를 초과하면 골재와의 결합력 저하와 과도한 점도 상승으로 골재의 완벽한 혼합이 어려움을 초래한다.
본 발명에 따르면, 상기 열가소성 탄성체(TPE)는 160 내지 180℃에서 고전단 교반기(high shear mixer) 등에 의한 고속 혼합에 의해 아스팔트 내에서 완전 용융 분산되어 균질한 형태의 네트워크 구조를 형성하고, 이의 함량이 증가할수록 탄성, 저온 유연성 및 기계적 강도가 증가하나, 아스팔트에 비해 상대적으로 고가이기 때문에 10 내지 60중량부를 첨가하는 것이 더욱 바람직하다.
본 발명을 구성하는 나노물질을 이용한 고기능서 아스팔트 개질재는 저온 취성, 혼합 및 가공성을 증대시키기 위해 연화제를 포함한다. 상기 연화제는 아스팔트 바인더에 혼합되어 저온 취성과 혼합성을 증가시키는 작용을 하며, 저온 취성은 아스팔트 바인더의 저온환경에서 유연성을 증가시키고, 저온 유연성 증가는 포장층의 온도변화 대한 수축팽창 수용을 가능하게 개선시킬 수 있다.
본 발명의 나노물질을 이용한 고기능성 아스팔트 개질재에 포함되는 연화제의 함량은 스티렌-부타디엔-스티렌 블록 공중합체로 개질된 아스팔트 바인더 100중량부에 1 내지 30 중량부가 바람직하다. 이는 연화제의 함량이 1 중량부 미만이면 아스팔트 혼합물의 저온 취성과 혼합성이 개선되지 않으며, 30 중량부를 초과하면 골재와의 결합력이 약해지고, 반복된 하중과 고온환경에서 재료분리가 발생되는 어려움을 초래한다.
본 발명을 구성하는 나노물질을 이용한 고기능성 아스팔트 개질재 조성물은 석유수지를 포함한다.
석유수지는 점착성 부여제(Tackifying agent)역할을 하며, 방향족계 석유수지, 쿠마론인덴수지, 지방족계 수지, 수첨 디사이클로펜타디엔계 수지(hydrogenated dicyclopentadiene hydrocarbon resin)등의 석유수지(Hydrocarbon resin or petroleum resin)중에서 1종 이상을 선택하여 사용할 수 있다. 특히, 접착력이 뛰어나면서도 취성이 적은 수첨 디사이클로펜타디엔계 수지를 사용하는 것이 가장 바람직하다.
기존 점착 부여제로 많이 사용된 수소화로진에스테르는 미국 헤라클레스(Hercules)사의 제품을 수입 사용하므로 값이 매우 비싸고 공급이 어려운 점이 많으며, 높은 접착성을 요구하는 용도에서는 많은 양을 첨가해야 하므로 제조원가가 매우 높아지게 된다. 또한, 연화제의 양이 적거나 거의 없는 경우에는 기재에 대한 접착성이 떨어지는 문제점이 있다. 따라서, 본 발명의 석유수지를 첨가하게 되면 연화제의 양에 관계 없이 개질아스팔트 바인더에 양호한 접착성을 저가로 부여할 수 있다.
상기 석유수지 함량은 스티렌-부타디엔-스티렌 블록 공중합체로 개질된 아스팔트 바인더 100중량부에 50 내지 200중량부가 바람직 하며, 50 중량부 미만이면 첨가효과가 거의 없고, 200 중량부를 초과하면 개질아스팔트 바인더의 탄성이 저하되고 온도변화에 따른 균열이 발생하는 문제점이 있다.
본 발명에 따른 나노물질을 이용한 고기능성 아스팔트 개질재는 개질아스팔트 바인더에 중량비로 10-40중량% 첨가하는 것이 바람직하다.
상기 나노물질을 이용한 고기능성 아스팔트 개질재가 10중량% 미만이면 그 효과가 높지 않고, 40중량%를 초과하면 점도가 상승하여 바인더와 골재와의 결합력이 약해져 시공상의 문제가 발생한다.
상기와 같이 구성된 본 발명의 나노물질을 이용한 고기능성 아스팔트 개질재를 이용한 개질아스팔트 침투식 마카담 포장을 사용하여 시공하게 되면, 특히 나노물질인 산화 그래핀(Graphene oxide, GO)을 아스팔트 바인더에 분산시킴으로써, 적용온도 범위, 소성변형 저항성, 피로균열 저항성을 개선하고, 온도균열 저항 및 Top-Down균열을 억제하고 아스팔트 바인더 성분중 휘발성 물질의 휘발을 지연시킴으로써 현재 폭발적인 교통량증가와 복합적인 기후(폭염,급격한온도차,장마등)유형에서 도로포장의 수명연장에 기여할 수 있다.
본 발명은 또한 노면의 습기 제거 단계; 상기 노면에 1차 고기능성 아스팔트 개질재를 이용한 개질아스팔트 바인더 침투/살포 단계와 동시에 1차 쇄석골재 포설/부착 단계; 상기 포설/부착된 1차 쇄석골재 상부에 다짐롤러를 이용하여 다짐하는 단계; 상기 다짐된 쇄석골재 상부에 2차 고기능성 아스팔트 개질재를 이용한 개질아스팔트 바인더 침투/살포 단계와 동시에 2차 쇄석골재 포설/부착 단계; 및 상기 포설/부착된 2차 쇄석골재 상부에 다짐롤러를 이용하여 다짐하는 단계를 포함하는 상기 고기능성 아스팔트 개질재를 포함하는 개질아스팔트 침투식 마카담 포장용 조성물을 이용한 마카담 포장 방법을 제공한다.
또한 상기 쇄석골재는 표준시방서에 규정하는 골재배합으로 하고, Hot Mix Asphalt(HMA)를 생산할 수 있는 아스팔트 플랜트가 없는 지역 및 개발도상국에서 보다 신속하고 저렴하며 안전하게 적용할 수 있다.
더욱 상세하게는, 아스팔트 플랜트 없이 시공현장에서 개질아스팔트 바인더(스트레이트 아스팔트 바인더+고기능성 아스팔트 개질재), 쇄석골재를 이용하여 신속하고 저렴하며 안전하게 마카담 포장을 진행할 수 있다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 당해 분야의 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 설명하기로 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어 관련된 공지의 기능 또는 공지의 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략하기로 한다. 그리고 도면에 제시된 어떤 특징들은 설명의 용이함을 위해 확대 또는 축소 또는 단순화된 것이고, 도면 및 그 구성요소들이 반드시 적절한 비율로 도시되어 있지는 않다. 그러나 당업자라면 이러한 상세 사항들을 쉽게 이해할 것이다.
실시예 1
나노물질을 이용한 아스팔트 개질재 제조
(a) 연화점이 약 75, 침입도가 약65dmm인 스티렌-부타디엔-스티렌 블럭 공중합체(Styrene-Butadiene-Styrene Copolymer)로 개질된 개질아스팔트(PG 76-22, SK에너지) 100 중량부에 석유수지(R1100S, 코오롱유화(주)) 120 중량부를 부가하여 180℃의 온도에서 교반속도 600RPM으로 2hr동안 교반하여 용융/분산하여 제조 하는 단계;
(b) 상기 혼합물에 산화 그래핀(Graphene oxide, GO)(GOV50, (주)스탠다드그래핀) 0.3 중량부, 열가소성탄성체(TPE)(KTR-301P, 금호석유화학) 60 중량부, 연화제(P-200, SK루브텍) 15 중량부를 부가하여 180℃온도에서 High Shear Mixer로 3,000RPM으로 2hr동안 분산시켜 제조 하였다.
실시예 2
180℃의 스트레이트 아스팔트(AP-5) 75중량%에 실시예 1.에서 제조된 고기능성 아스팔트 개질재 25중량%을 첨가한 다음, 용융/분산시켜 개질아스팔트 바인더를 제조하였다.
비교예 1.
스트레이트 아스팔트(AP-5)
비교예 2.
유화 아스팔트
비교예 3.
컷백 아스팔트
실험예
상기 실시예 2 및 비교예 1~3에서 제조된 아스팔트 혼합물의 시험결과를 하기의 표 2에 나타내었다.
구분 비교예1 비교예2 비교예3 실시예2
침입도(dmm)(25℃,100g,5) 75 120 200 35
연화점(℃) 44 42 40 80
신도(cm)(25℃,5cm/min) 100 70 150 150
박막가열후질량변화율(%) 0.15 5 10 0.02
박막가열후침입도비(%) 70 70 70 98
상기 표 2에 나타난 바와 같이 실시예 2의 고기능성 아스팔트 개질재를 이용한 개질아스팔트 바인더는 비교예 1 내지 비교예 3에 비하여 모든 물성이 향상됨을 알수 있었다.또한, 나노물질인 산화 그래핀(Graphene oxide, GO)이 아스팔트 바인더내의 큰분자(Colloid and Asphalten)를 신속하게 흡착/분산 됨으로써 아스팔트 콘크리트 혼합물의 소성변형 저항성, 피로균열 저항성, 탄성 및 Top-Down균열을 억제하는 내열특성을 향상시키고 산화 그래핀(Graphene oxide, GO)의 뛰어난 차단성능으로 아스팔트 바인더내의 휘발성 물질의 휘발을 지연시켜 산화등의 내구성능을 향상시키는 것을 확인할 수 있었다.
이상으로 본 발명 내용의 특정한 부분을 상세히 기술하였는 바, 당업계의 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 이러한 구체적 기술은 단지 바람직한 실시 양태일 뿐이며, 이에 의해 본 발명의 범위가 제한되는 것이 아닌 점은 명백할 것이다. 따라서, 본 발명의 실질적인 범위는 첨부된 청구항들과 그것들의 등가물에 의하여 정의된다고 할 것이다.
본 발명의 개질아스팔트 침투식 마카담 포장용 조성물은, 개질 아스팔트 침투식 마카담 포장의 적용온도범위, 소성변형 저항성, 피로균열 저항성 탄성과 같은 물성을 개선하고, 도로포장의 수명을 연장시킬 수 있는바, 아스팔트 관리 등에 유용하게 이용이 가능하다.

Claims (4)

  1. (a) 150-200℃로 가열된 스트레이트 아스팔트 바인더 60 내지 90중량%; 및
    (b) 스티렌-부타디엔-스티렌 블록 공중합체로 개질된 아스팔트 바인더 100중량부에 산화 그래핀(Graphene oxide, GO) 0.1 내지 1 중량부, 연화제 10 내지 30중량부, 열가소성 탄성체(TPE) 20 내지 80중량부, 석유수지 50 내지 200 중량부를 포함하는 나노물질을 이용한 고기능성 아스팔트 개질재 10 내지 40중량%;
    로 구성되는 개질 아스팔트 바인더를 포함하는 것을 특징으로 하는 고기능성 아스팔트 개질재를 포함하는 개질아스팔트 침투식 마카담 포장용 조성물.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 산화 그래핀(Graphene oxide, GO)은 하기의 화학식 1의 구조를 가지는 것을 특징으로 하는 고기능성 아스팔트 개질재를 포함하는 개질아스팔트 침투식 마카담 포장용 조성물.
    [화학식 1]
    Figure PCTKR2020000477-appb-I000003
  3. 제2항에 있어서,
    상기 산화 그래핀(Graphene oxide, GO)은 크기가 30um이하 이고 0.7-1.2nm의 층간격을 가지는 2차원 층상 구조이며, 비표면적이 500~800㎡/g인 것을 특징으로 하는 고기능성 아스팔트 개질재를 포함하는 개질아스팔트 침투식 마카담 포장용 조성물.
  4. 노면의 습기 제거 단계;
    상기 노면에 1차 고기능성 아스팔트 개질재를 이용한 개질아스팔트 바인더 침투/살포 단계와 동시에 1차 쇄석골재 포설/부착 단계;
    상기 포설/부착된 1차 쇄석골재 상부에 다짐롤러를 이용하여 다짐하는 단계;
    상기 다짐된 쇄석골재 상부에 2차 고기능성 아스팔트 개질재를 이용한 개질아스팔트 바인더 침투/살포 단계와 동시에 2차 쇄석골재 포설/부착 단계; 및
    상기 포설/부착된 2차 쇄석골재 상부에 다짐롤러를 이용하여 다짐하는 단계;
    를 포함하는 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항의 고기능성 아스팔트 개질재를 포함하는 개질아스팔트 침투식 마카담 포장용 조성물을 이용한 마카담 포장방법.
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