KR101524934B1 - 고분자용액을 이용하는 자기치유형 아스팔트 및 그 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 도로 포장, 방수 등에 사용되는 아스팔트 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 상세하게는 통상의 아스팔트에 분자간결합력이 큰 고분자의 용액을 혼입하여 아스팔트에 작은 금(crack)이 발생했을 시 고분자사슬의 강한 분자간결합력으로 작은 금이 봉합되어 더 이상의 균열을 방지할 수 있는 자기치유형 아스팔트 및 그 제조 방법을 제공한다.

Description

고분자용액을 이용하는 자기치유형 아스팔트 및 그 제조방법 {Self-healing asphalt using polymer solution and the method of making the same}

본 발명은 도로포장, 방수 등에 사용되는 아스팔트 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 상세하게는 통상의 아스팔트에 고분자 용액을 도입하여 고온에서 아스팔트와 교반하며 혼합하면 고분자는 아스팔트 내에 잘 분산되고 그 후 용매는 열에 의해 증발하면서 남아있는 고분자는 서로 강한 분자간 결합력을 발휘하여 아스팔트에 미세균열이 생겼을 시에 균열 계면들이 달라붙게 하여 자기치유 능력을 갖는 아스팔트 및 그 제조방법에 관한 것이다.

아스팔트콘크리트는 전세계적으로 매년 1억톤 가량이 수요에 맞춰 생산되고 있다. 이는 엄청난 양의 자금과 에너지를 뜻하며 부분적으로는 기존 아스팔트 포장의 물성유지 또는 물성회복의 필요성을 시사한다. 아스팔트콘크리트는 하나의 복합체로서 고온(약 180℃)에서 아스팔트바인더와 골재가 혼합하여 만들어지며 아스팔트 포장을 형성한다. 하지만 공용시간이 수 년 지남에 따라 자외선에 의한 분자절단과 산소와 아스팔트의 탄화수소물 간의 산화반응에 의한 산화물(키톤, 카르복실산 등) 형성에 의해 물성이 취화한다. 아스팔트콘크리트는 딱딱해지고 이완능력이 떨어지면서 아스팔트바인더는 부러지기 쉽게 변한다. 여기에 교통하중에 의해 아스팔트 바인더 안에 미세균열(microcrack, 벌어진 틈≤7.5mm)이 발생되고 골재와 아스팔트바인더 사이에 틈(crack)이 가면서 아스팔트바인더가 잡아주지 못한 골재는 포장 표면 위로 떠 오르고(ravelling), 종국에는 큰 구멍인 포트홀(pothole)이 형성되면서 도로는 부서지기 시작한다.

현재로는 아스팔트포장에서의 미세균열을 봉합하여 균열 발생을 방지할 기술은 존재하지 않는다. 지금까지 드러난 균열의 보수 목적으로 아스팔트 표면에 환경적 물성저하와 습기 침투로부터 아스팔트 표면을 보호하는 실란트를 처리하거나, 아니면 원래의 아스팔텐과 말텐의 비율을 회복하여 노화된 아스팔트의 물성을 원래의 아스팔트 물성으로 바꾸어주도록 만들어진 물성회복제(rejuvenator)를 아스팔트 표면에 처리하기도 한다. 그러나 이 약품들은 아스팔트 표면에서만 작동하고 또한 도로가 쉽게 미끄러지는 단점을 갖고 있다. 또 하나의 문제는 이들은 균열보수 목적이지 균열방지 목적이 아니다. 최근에 자기장을 이용하여 균열을 보수하는 방법이 소개되었다. (A. Garcia, E. Schlangen, M. van de Ven and D. van Vliet, “Crack repair of asphalt concrete with induction energy”, HERON, Vol. 56, pp. 33-43, 2011. A. Garcia, M. Bueno, J.N. Contreras and M.N. Partl, “Induction healing of dense asphalt concrete”, Construction and Building Materials, Vol. 49, pp. 1-7, 2013.) 이 방법은 아스팔트콘크리트에 전도성 섬유체(철 또는 구리 금속섬유 또는 흑연)를 도입시키고, 시간이 지나 이 아스팔트콘크리트 포장에 균열이 발생되면 포장 노면에 고주파 자기장을 발생시키는 자기장 발생장치를 근접시켜 아스팔트콘크리트 내의 전도성 섬유체가 발열하여 아스팔트가 30℃ ∼ 70℃에서 흐름성(뉴토니안 유체)을 갖게 되고 그에 따라 접착성을 갖게 되어 균열 계면이 서로 달라붙어 균열을 보수하는 것이다. 그러나 이 방법은 균열 보수 방법이지 균열 방지(예방) 방법이 아니다. 또한 인간의 도움( 인간이 무게 있는 자기장 발생장치를 아스팔트 노면으로 끌고 가야 한다)이 필요하다는 점에서 자율성이 요구되는 자기치유 방법이 아니다.

본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은 아스팔트 내부에 분자간 결합력(분자끼리 서로 잡아당기는 힘)이 큰 고분자를 혼입시켜 고분자사슬이 미세균열 계면에서 상대면으로의 이동·확산을 원활하게 하여 계면이 서로 달라붙게 함으로써 더 이상의 미세균열 성장을 막아 균열을 방지할 수 있는, 균열방지 목적으로 고분자용액을 사용하여 제조되는 자기치유형 아스팔트를 제공하는 것이다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 분자간 결합력이 큰 고분자를 아스팔트에 고루 분산시키기 위하여 용매를 이용하여 이들 고분자를 용액화하여 높은 온도에서 혼입시키고, 교반과정에서 용매는 증발하고 고분자만 남아 망상구조를 이루며 있다가 아스팔트에 미세균열이 생기면 고분자사슬이 서로 잡아당기는 힘에 따라 아스팔트분자와 함께 미세균열 계면에서 확산 이동하여 계면이 서로 달라붙어 봉합되게 함으로써 미세균열 성장을 막아 더 큰 균열을 예방하는 고분자용액을 이용하는 자기치유형 아스팔트를 제공하는 것이다.

또한, 본 발명의 자기치유형 아스팔트는

1) 고분자 용액화 단계,

2) 아스팔트를 150℃ ∼ 200℃로 가열하는 단계,

3) 150℃ ∼ 200℃로 가열된 아스팔트에 고분자 용액을 더하고 1∼3시간 교반하는 단계를 포함하는 제조방법으로 상기 과제 해결이 달성될 수 있다.

본 발명에 따르면, 아스팔트에 내에 분자결합력이 큰 고분자를 혼입하여 아스팔트에 미세균열이 생겼을 시 계면에서 고분자끼리 잡아당기게 되어 미세균열을 치유하고 이에 따라 더 큰 균열을 예방 방지하게 된다.

또한 분자간 결합력이 큰 고분자를 아스팔트에 혼입시켜 아스팔트분자끼리의 응집력을 키움으로써 아스팔트의 강성과 강인성을 향상시켜 아스팔트 물성을 보강 또는 강화하는 효과도 있다.

이렇게 자기치유형 아스팔트가 형성되어 아스팔트 포장의 사용 초기에는 강한 물성을 갖고, 균열이 예방되어 포장 수명을 연장시킴으로써, 환경을 보호(원료 절감)하고 아스팔트 포장 및 유지 보수 등에 사용되는 비용을 획기적으로 줄일 수 있는 효과가 있다.

도 1은 아스팔트의 균열 자기치유 과정을 보여주고 있다.
도 2는 자기치유형 아스팔트의 자기치유능(self-healing efficiency)을 시험하기 위한 인장시료 준비 과정을 보여주고 있다.

본 발명은 지금까지의 문제점을 해결하고 균열 방지의 조건을 충족시키기 위하여 고분자 용액을 사용하여 이를 가열된 액체인 아스팔트와 교반하며 혼합함에 따라 아스팔트 안에 고분자 사슬구조 또는 망상구조가 형성되어, 미세균열이 발생하면 분자간결합력이 큰 고분자사슬들이 상대계면으로 이동하면서 계면이 접합하여 아스팔트 균열을 미연에 방지할 수 있는 자기치유형 아스팔트 및 그 제조 방법을 제공한다. (자기치유 과정은 [도 1] 참조)

여기에 사용되는 용매는 고분자를 잘 용해할 수 있어야 한다. 또한 아스팔트 가열온도인 150℃ ∼ 200℃에서 고분자를 아스팔트 내에 잘 분산시켜 주어야 한다. 이에는 디메틸설폭사이드, 디메틸포름아미드, 디메틸아세트아미드, 자일렌, 자일레놀 등이 있다.

사용되는 고분자는 아스팔트와 잘 섞이기 위해서는 아스팔트와 밀도가 비슷하여야 한다(아스팔트 밀도 1.01 g/cm³). 아니면 아스팔트와의 친화성으로 밀도 차이를 극복할 수 있어야 한다. 또한 사용되는 고분자는 분자간 결합력이 매우 커야 한다. 그러하기 위해서는 결합력의 정체는 이온결합 또는 수소결합이 가장 좋고 그 다음이 쌍극자 결합 또는 반데르발스 결합이다. 그러나 분자간 결합력이 큰 고분자는 용융온도 또는 가공온도가 매우 높아(보통 200℃ ∼ 300℃) 고체 상태로 아스팔트에 도입하면 아스팔트 가공 온도(150℃ ∼ 200℃)에서 완전한 용융을 얻기 힘들다. 이들을 아스팔트에 도입시키기 위해서는 용매에 용해시켜야 한다. 또한 사용되는 고분자는 상온 또는 주변온도(ambient temperature)에서 균열계면 사이에서 분자의 원활한 이동을 위해서는 비결정성 고분자이거나 또는 결정성이 매우 작은 준결정성 고분자이어야 한다. 또한 사용되는 고분자가 상온 또는 주변온도(ambient temperature)에서 분자의 원활한 이동을 위해서는, 고분자의 유리전이온도(glass transition temperature, Tg)가 0℃이하이거나 또는 적어도 상온에 가까워야 한다. 이에는 SBS(스티렌-부타디엔-스티렌 구역 공중합체) 고무, SIS(스티렌-이소프렌-스티렌 구역 공중합체) 고무, 폴리우레탄, 에틸렌-메타아크릴레이트 이오노머, 폴리포스포릭아시드 등이 있다.

본 발명을 보다 구체적으로 설명하기로 한다.

본 발명은 균열방지 목적으로 제조되는 자기치유형 아스팔트에 관한 것으로 아스팔트와 고분자 용액을 포함하는 아스팔트 조성물로서, 여기서 사용되는 고분자는 단독으로 사용될 수 있으나 복수로도 사용된다. 고분자 용액을 만들기 위한 용매 또한 단독으로 사용될 수 있으나 복수로도 사용된다. 고분자는 고체 무게로서 아스팔트에 대해 1 ∼ 20 wt%가 바람직하게 사용될 수 있다. 더욱 적절한 비율은 5 ∼ 10 wt%이다. 만일 너무 소량 첨가되면 치유효과를 기대할 수 없고, 너무 과량 첨가하면 원료 낭비가 된다. 고분자 용액을 만들기 위한 과정에서 고분자와 용매의 배합은 무게비 3 : 1 내지 1 : 3 정도가 적당하나 2 : 1 정도가 더욱 적당하다. 용매가 너무 소량 첨가되면 완전용해를 기대할 수 없고, 너무 과량 첨가하면 남은 용매는 아스팔트를 희석시킨다.

본 발명의 일반적인 자기치유형 아스팔트의 제조방법은

1) 고분자 용액화 단계,

2) 아스팔트를 150℃ ∼ 200℃로 가열하는 단계,

3) 150℃ ∼ 200℃로 가열된 아스팔트에 고분자 용액을 더하고 1∼3시간 교반하는 단계를 포함하는 제조방법으로 이루어진 것이다.

이와 같은 본 발명에 따른 자기치유형 아스팔트의 제조방법에 있어서, 골재류와 아스팔트를 혼합시 아스팔트에 본 발명에 따른 고분자 용액을 미리 넣어 제조된 아스팔트를 사용하는 프리믹스 방식, 및 골재와 아스팔트를 혼합시 상기 본 발명에 따른 고분자용액을 함께 넣어 제조하는 플랜트 믹스 방식이 모두 사용될 수 있다. 특히 플랜트 믹스 방식은 아스팔트와 고분자용액을 혼합하는 공정이 필요 없고, 저장 중의 상 분리 및 고온에 의한 물성 저하의 염려가 없어 보다 바람직하다.

이하, 본 발명을 하기의 실시예를 통하여 보다 상세하게 설명하기로 하나, 이는 본 발명의 이해를 돕기 위하여 제시된 것일 뿐, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.

실시예 1

에틸렌-메타아크릴레이트 이오노머(셜린)를 시장에서 구하고 이 고분자 40g을 비커에서 자일레놀(2,6-xylenol) 20g에 60℃에서 용해하여 고분자용액을 얻는다. 이 고분자용액을 스트레이트(순수) 아스팔트(AP-5, 침입도 60 ∼ 70) 400g을 담고 있는 케틀(180℃)에 넣고 균질혼합기를 이용하여 3000rpm 속도로 2시간 동안 교반하여 자기치유형 아스팔트 조성물을 얻었다. 이 아스팔트 조성물을 인장실험 시료 채취용 금형(mold)에 부어 넣어 실험시료를 제조하였다. 실험시료는 조건마다 7개씩을 준비하였다. 준비된 시료는 문방구 칼로 절단하고 다시 붙인 후 1∼ 24 시간 동안 10℃에서 방치하여 인장시험에 대비하였다. (인장시편 준비 과정은 [도 2] 참조)

실시예 2

고분자로서 SBS 고무를 시장에서 구하여 사용하였다. 실험 절차는 실시예 1과 같다.

실시예 3

고분자로서 SIS 고무를 시장에서 구하여 사용하였다. 실험 절차는 실시예 1과 같다.

실시예 4

고분자로서 폴리우레탄(PU)을 시장에서 구하여 사용하였다. 실험 절차는 실시예 1과 같다.

실시예 5

고분자로서 폴리포스포릭아시드(PPA)를 시장에서 구하여 사용하였다. 실험 절차는 실시예 1과 같다.

비교예 1

실시예 1 내지 5의 자기치유 효과(자기치유능)를 비교하고자 고분자용액을 사용하지 않은, 순수아스팔트를 상기 실시예 1과 동일한 과정으로 실험시료를 제조하였다.

실험예 1

상기 실시예 1 내지 5 및 비교예 1에서 제조된 아스팔트 조성물에 대한 인장실험을 행하고 그 인장강도(7개 시료의 평균값)를 표 1과 2에 나타내었다. 이에는 인장강도시험기(기종: 대경 UTM)를 이용하였으며 측정온도는 -5℃이었다.

실험예 2

위에서 얻어진 휴식기간(절단된 시료 두 부분을 붙혀 놓고 10℃에서 가만 나두는 방치 기간)에 따른 인장강도를 절단하지 않은 최초 시료의 인장강도와 비교하여 자기치유능력을 계산하였다.

그 수치는 그 퍼센트 만큼 자기치유 되었음을 의미하며, 그 수치가 100 또는 그 이상이면 자기 힘(분자간결합력)으로 균열부분이 완전히 복구되었음을 의미한다.

상기 표 1과 표 2에서 보면, 순수아스팔트의 경우 휴식기간 24시간 후의 자기치유능은 64%로 나타났다. 고분자용액을 첨가하여 제조된 시료들은 모두 휴식기간에 따라 자기치유능이 점진적으로 증가하였다. 그리고 24시간의 휴식기간이 지난 후 고분자용액을 첨가하여 제조된 시료들은 순수아스팔트보다 높은 수치를 나타내었으며 모두 균열부분이 완전 복구(치유능 수치가 100% 또는 그 이상)되었다. 또한 아스팔트에 고분자용액을 첨가함으로써 순수아스팔트 보다 최초 인장강도가 10.4%∼28.4% 향상되었다. 인장강도는 아스팔트 포장이 차륜하중에 의한 하중 영향을 견디어 내는 가장 중요한 기계적 특성으로 이의 향상은 포장의 기대수명을 증진시키는 효과를 가져 온다.

지금까지의 실험 결과를 보면, 본 발명의 균열방지 목적으로 고분자용액을 사용하여 제조되는 자기치유형 아스팔트 제조 방법은 아스팔트에 고분자용액을 첨가함으로써 아스팔트 내부에 고분자 분산을 돕고, 분자간결합력이 강한 이 고분자들은 아스팔트에 미세균열이 발생했을 시 균열계면에 모여 상대계면으로 확산하면서 계면이 접합하게 되어 균열부분을 치유하게 되는 것이다. 이에 따라 포장도로의 수명을 연장시킴으로써 아스팔트 포장 및 유지 보수 등에 사용되는 비용을 획기적으로 줄일 수 있게 된다.

① 최초 시료 ② 시료 절단 ③ 시료 접합 ④ 시료 완성

Claims (19)

1. 아스팔트와 분자간결합력이 강한 고분자 용액을 혼합하여 아스팔트 안에 고분자 망상구조가 형성되고,
   상기 고분자 용액은 고분자인 SBS(스티렌-부타디엔-스티렌 구역 공중합체) 고무, SIS(스티렌-이소프렌-스티렌 구역 공중합체) 고무, 폴리우레탄, 에틸렌-메타아크릴레이트 이오노머 또는 폴리포스포릭아시드의 단독 또는 복수인 것에 용매인 디메틸설폭사이드, 디메틸포름아미드, 디메틸아세트아미드 또는 자일레놀의 단독 또는 복수인 것을 배합하여 용해한 것이며,
   상기 고분자 용액을 만들기 위해 고분자와 용매의 배합은 무게비로 3 : 1 내지 1 : 3 이고,
   상기 고분자는 고체 무게로서 상기 아스팔트에 대해 5 ∼ 10 wt%이며,
   상기 고분자는 유리전이온도(Tg)가 0℃이하인 것을 특징으로 하는 고분자 용액을 이용하는 자기치유형 아스팔트.
   
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10. 고분자 용액화 단계,
    아스팔트를 150℃ ∼ 200℃로 가열하는 단계,
    150℃ ∼ 200℃로 가열된 아스팔트에 고분자 용액을 더하고 1∼3시간 교반하는 단계를 포함하고,
    상기 고분자 용액은 고분자인 SBS(스티렌-부타디엔-스티렌 구역 공중합체) 고무, SIS(스티렌-이소프렌-스티렌 구역 공중합체) 고무, 폴리우레탄, 에틸렌-메타아크릴레이트 이오노머 또는 폴리포스포릭아시드의 단독 또는 복수인 것에 용매인 디메틸설폭사이드, 디메틸포름아미드, 디메틸아세트아미드 또는 자일레놀의 단독 또는 복수인 것을 배합하여 용해한 것이며,
    상기 고분자 용액을 만들기 위해 고분자와 용매의 배합은 무게비로 3 : 1 내지 1 : 3 이고,
    상기 고분자는 고체 무게로서 상기 아스팔트에 대해 5 ∼ 10 wt%이며,
    상기 고분자는 유리전이온도(Tg)가 0℃이하인 것을 특징으로 하는 고분자 용액을 이용하는 자기치유형 아스팔트 제조방법
    
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