KR101979718B1 - 저소음 및 배수성 아스팔트 혼합물용 cnt 개질 아스팔트 바인더 - Google Patents

Abstract

본 발명은 스트레이트 아스팔트와 폐타이어 분말과 탄소나노튜브를 포함하는 저소음 및 배수성 아스팔트 혼합물용 CNT 개질 아스팔트 바인더에 관한 것이다.

Description

저소음 및 배수성 아스팔트 혼합물용 CNT 개질 아스팔트 바인더{CNT modified asphalt binder for low noise and drainage asphalt mixtures}

본 발명은 저소음 및 배수성 아스팔트 혼합물에 적용되는 탄소나노튜브(CNT)가 포함된 개질 아스팔트 바인더에 관한 것이다.

저소음 및 배수성 아스팔트 혼합물에 의한 아스팔트 콘크리트는 다공성으로 골재간의 접촉면적이 감소하여 골재비산 및 균열발생으로 인해 내구성 확보가 어렵기 때문에 이를 보완하기 위한 아스팔트 바인더를 필요로 한다.

이에 다양한 선행문헌이 제시되고 있는데, 일 예로 대한민국 특허등록 제10-405058호에서는 "개질 아스팔트의 제조방법에 있어서, 아스팔트를 200∼220℃의 온도로 가열하는 단계(S1)와; 가열된 아스팔트를 혼합탱크에 투입하는 단계(S2)와; 폐타이어를 0.075∼2.0mm의 입도로 분쇄하는 단계(S3)와; 분쇄된 폐타이어 분말을 상기 아스팔트를 가열할 시 발생되는 폐열을 이용하여 간접가열하여 건조하는 단계(S4)와; 건조된 폐타이어 분말 15∼25중량%를 혼합탱크에 투입하여 가열된 아스팔트 75∼85중량%와 혼합하는 단계(S5); 및 혼합된 혼합물을 165∼185℃의 온도에서 30∼60분간 교반숙성하는 단계(S6)를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 폐타이어를 이용한 개질 아스팔트의 제조방법"을 제시하고 있다.

그러나 상기 기술에 있어 폐타이어 분말의 첨가에 의해 점도를 향상시켜 상기에서 언급한 문제를 어느 정도 해결할 수도 있으나 폐타이어 분말의 첨가에 의해 점성이 너무 높아져 분산성 저하 등 물성저하의 문제가 야기될 수 있다.

대한민국 특허등록 제10-405058호

본 발명은 저소음 및 배수성 아스팔트 혼합물에 적용되어 적정의 점성이 발현되도록 하여 물성을 향상시킬 수 있는 아스팔트 바인더를 제공하고자 함이다.

상술한 문제점들을 해결하기 위한 수단으로 본 발명의 저소음 및 배수성 아스팔트 혼합물용 CNT 개질 아스팔트 바인더(이하 "본 발명의 아스팔트 바인더"라함)는 스트레이트 아스팔트와 폐타이어 분말과 탄소나노튜브를 포함하는 것을 특징으로 한다.

하나의 예로 탄소나노튜브는 표면에 질화알루미늄 입자가 증착된 것을 특징으로 한다.

하나의 예로 상기 탄소나노튜브에는 탄소나노튜브와 물이 포함된 수분산액이 외피층에 내재된 캡슐형태가 포함되는 것을 특징으로 한다.

이상에서 설명한 바와 같이 본 발명의 아스팔트 바인더는 저소음 및 배수성 아스팔트 혼합물에 사용되어 적정의 점성발현 등에 의해 골재비산 저항성, 균열 저항성, 소성변형 저항성 등 물성을 향상시킬 수 있는 장점이 있다.

도 1은 본 발명의 일 구성인 폐타이어 분말을 나타내는 사진이고,
도 2는 흐름실험을 위해 오븐에 방치한 시료의 사진이고,
도 3은 본 발명의 일 구성인 탄소나노튜브의 일 실시 예를 나타내는 개략도이고,
도 4는 칸타브로손실률 실험결과를 나타내는 그래프이고,
도 5는 소성변형 저항성 실험결과를 나타내는 그래프이다.

이하, 본 발명의 구성 및 작용을 첨부된 도면에 의거하여 좀 더 구체적으로 설명한다. 본 발명을 설명함에 있어서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 발명자가 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.

본 발명의 아스팔트 바인터는 스트레이트 아스팔트와 폐타이어 분말과 탄소나노튜브를 포함하는 것을 특징으로 한다.

저소음 및 배수성 아스팔트 혼합물에 의한 아스팔트 콘크리트는 다공성에 기인하여 골재간의 접촉면적이 감소하여 골재비산, 균열발생 등에 의해 내구성 확보가 어려운 문제가 있다. 이에 골재비산, 균열발생을 제어하기 위해 고점도의 고성능 아스팔트 바인더가 필요한데 본 발명의 아스팔트 바인더는 폐타이어 분말을 사용하여 아스팔트 바인더의 점도를 증가시키며, 폐타이어 분말의 단독 사용시 발생되는 분산성저하, 고온성능(PG 76-22)의 부족 등의 문제를 탄소나노튜브의 첨가에 의해 보완토록 하는 것이다. 즉 폐타이어 분말의 첨가에 의해 점도를 향상시키되, 점도 향상에 의해 분산성 저하의 문제를 탄소나노튜브의 첨가에 의해 점도를 조절토록 하는 것이고 탄소나노튜브의 첨가에 의해 고온성능(소성변형 저항성)을 향상시키도록 하는 것이다.

바람직하게 골재비산, 균열, 소성변형에 대한 저항성의 향상을 위해 본 발명의 아스팔트 바인더는 전체 개질 아스팔트 바인더 100중량부에 대해 15 내지 25중량부의 폐타이어 분말과 1 내지 3중량부의 탄소나노튜브를 포함하도록 배합되는 것이 타당하다.

이러한 본 발명의 아스팔트 바인더가 사용되는 저소음 및 배수성 아스팔트 콘크리트는 이하 실험예(실시예 1)에서 보는 바와 같이 골재비산 저항성을 평가하는 칸타브로 실험결과 손실률 20% 이하의 기준을 만족하는 7.8%의 손실률을 나타내어 기존 기술 대비 11%의 개선효과를 얻을 수 있었다. 또한 소성변형 저항성 평가를 위한 휠트랙킹 실험결과에서도 4,125회/㎜로 기존기술 대비 13%의 성능향상을 나타내었다.

한편 본 발명에서는 하나의 실시예로서 도 4에서 보는 바와 같이 본 발명의 아스팔트 바인더에 탄소나노튜브를 혼합하되, 탄소나노튜브에는 탄소나노튜브와 물이 포함된 수분산액(12)이 외피층(11)에 내재된 캡슐형태(1)가 포함되는 예를 제시하고 있다. 바람직하게 캡슐형태(1)는 전체 배합되는 탄소나노튜브에서 20 내지 30중량부로 배합되도록 하는 것이 타당하다. 이와 같이 배합되어 일반 탄소나노튜브의 경우 상기에서 언급한 바와 같이 점착력 조절 및 소성변형 저항성 발현 등의 기능을 하도록 하는 것이며 캡슐형태(1)의 경우는 균열에 대한 저항성을 향상시키기 위한 것이다.

이렇게 캡슐형태(1)로 혼합되어 균일한 분산이 이루어진 상태로 배합이 이루어지도록 하는 것이며, 균열발생시 상기 외피층(11)에 균열이 발생되어 외피층(11)의 균열발생 부분으로 탄소나노튜브가 포함된 수분산액(12)이 페이스트로 유출되어 탄소나노튜브 간의 분자결합력을 통해 균열봉합이 이루어지는 것이다. 즉 캡슐형태(1)로 배합됨에 의해 상기에서 언급한 바와 같이 저소음 및 배수성 아스팔트 혼합물에 의한 아스팔트 콘크리트의 균열발생 문제를 제어하는 것이다.

상기 외피층(11)의 재질은 그 종류를 한정하지 않는다.

한편 본 발명에서는 탄소나노튜브의 분산성을 향상시키고 탄소나노튜브의 열 , 마모 등에 의한 열화에 의한 기능저하를 방지(소성변형 저항성을 더욱 향상)하기 위한 실시 예로서 본 발명의 바인더에는 질화알루미늄 입자가 표면에 증착된 탄소나노튜브가 사용되는 예를 제시하고 있다.

일반적인 탄소나노튜브 입자들은 강한 반데르발스(Van der Waals) 인력으로 인해 입자간 인력이 생기며, 이로 인해 자기-응집(self-aggregation)을 이루게 된다. 탄소나노튜브의 이러한 특성으로 인해 페이스트에서 탄소나노튜브 입자 자체를 미세입자로 분산시키고, 분산된 미세입자들의 분산성을 유지하는 것에 한계가 있다. 특히 탄소나노튜브는 비중이 매우 낮아 배합시 고르게 분포되지 못하며 표면으로 떠오르기 때문으로 균일한 분산이 이루어지기 어려운 문제가 있다.

이에 본 발명에서는 표면이 개질된 탄소나노튜브가 첨가되도록 하는데 표면에 질화알루미늄 입자가 증착된 탄소나노튜브가 첨가되도록 하는 것이다.

질화 알루미늄(AIN)은 높은 온도에서 알루미늄 가루를 질소 속에서 반응시켜 만든 회색의 무정형 물질로서 1,900정도에서 일부 분해하면서 승화하고, 고체화하면 무색의 육방 정계 모양의 결정이 된다. 그리고 이는 전기전도도가 높은 재질로 탄소나노튜브 표면에 증착이 되더라도 탄소나노튜브에 의한 전기전도도의 기능을 저하시키지 않으면서 특히 비중이 비교적 커서 탄소나노튜브 자체의 비중이 작음으로 인한 부유현상이 제어되도록 하는 것이다.

이러한 표면에 질화알루미늄 입자가 증착된 탄소나노튜브는 나노화 된 질화알루미늄 입자가 탄소나노튜브 입자의 표면상에 실질적으로 표면상에 연속적인 층을 형성할 수 있게 되는 것이며 이러한 특성에 의해 우수한 유동성을 갖게 되는 것이다. 즉 탄소나노튜브 간의 응집경향이 제어되도록 하는 것이다.

이러한 특징에 의해 표면에 질화알루미늄 입자가 증착된 탄소나노튜브의 첨가로 비중에 의한 부유현상을 제어하게 되는 것이며 입자간 응집현상이 제어되도록 하여 페이스트에서 균일한 분산으로 인해 상기에서 언급한 탄소나노튜브의 기능이 균일하게 발현되도록 하는 것이다.

또한 개질되지 않은 탄소나노튜브의 경우 보관과정, 배합과정 및 시공후에 외부의 온도변화에 노출되어 피로에 의한 열화가 발생될 수 있으며 이러한 열화는 상기에서 언급한 탄소나노튜브 기능(소성변형 저항성)의 발현을 기대할 수 없는 문제가 있을 수 있다. 또한 본 발명의 바인더의 경우 골재와 배합과정을 거치게 되는 바, 골재와 탄소나노튜브의 충돌에 의해 탄소나노튜브의 열화가 발생될 수 있다.

이에 본 실시 예에서는 열, 마모 등에 의한 열화에 대한 저항성이 향상된 질화알루미늄 입자가 표면에 증착된 탄소나노튜브가 혼합되도록 하는 것이다. 즉 질화알루미늄 입자가 표면에 증착된 탄소나노튜브는 개질되지 않은 탄소나노튜브에 비해 내열성 및 내마모성이 향상되는 것이다. 즉 소성변형에 대한 저항성을 더욱 향상시키게 되는 것이다.

여기서 탄소나노튜브의 표면에 질화알루미늄 입자의 증착은 다양한 공지기술이 적용될 수 있는데 예로 탄소나노튜브 입자 표면에 부착된 질화알루미늄 입자는 플라즈마 증착된 나노입자로 이루어질 수 있다. 즉 플라즈마 중합공정에 사용될 수 있는 임의의 단량체가 카본블랙 입자의 표면상에 나노화 된 질화알루미늄 입자를 제조하고 증착하는데 사용될 수 있다.

이하 본 발명의 실시 예를 실험예를 통해 설명한다.

본 발명의 바인더가 적용된 시료에 사용되는 골재는 13mm 단입도 골재와 #78골재 그리고 잔골재 및 채움재이며, 각 골재의 입도는 하기 <표 1> ~ <표 4>에 제시되고 있다. 하기 <표 5>은 준비된 재료로 합성한 골재 합성입도이다.

<흐름 실험(Drain Down)>

흐름실험은 아스팔트 혼합물의 바인더 피복두께가 두꺼울수록 내수성 및 균열저항성이 높아지나, 과도한 아스팔트 바인더 함량은 혼합물의 운반 및 시공 과정에서 아래로 흘러내려 공극을 막는 등 문제를 발생시킴으로 이를 방지하고자 아스팔트 바인더의 사용량을 제한하기 위한 실험이다.

흐름실험은 다져지지 않은 혼합물을 170℃ 오븐에 1시간 보관 한 후 원시료 무게와 팬에 묻은 잔류 시료무게의 비로 손실된 아스팔트 바인더량을 측정하며 손실률 기준은 0.3%이하로 한다.

흐름실험은 배수성 아스팔트 혼합물을 고온에서 정적 상태로 유지할 수 있는 최대 아스팔트 함량을 흐름 손실률과 아스팔트량과의 관계 곡선의 변곡점으로부터 구하는데 사용한다. 흐름실험은 아스팔트 혼합물의 잉여 아스팔트량을 평가하는 것을 주된 목적으로 하고 있는데, 배수성 아스팔트 혼합물을 배합설계시 최대 아스팔트량을 결정하는 것을 목적으로 한다. 실험은 골재와 아스팔트 바인더 혼합 후 도 2에서 보는 바와 같이 170℃ 오븐에 1시간 동안 방치 후 바인더 흐름에 의해 손실률을 계산하는 것이다. 그 결과가 도 3 및 표 6에 제시되고 있다.

(1) 스트레이트 아스팔트 사용(PG 64-22)

(2) 스트레이트 아스팔트 + 폐타이어분말 20중량%

(3) 스트레이트 아스팔트 + 폐타이어분말 20중량% + CNT 10중량%

(4) 스트레이트 아스팔트 + 폐타이어분말 20중량% + CNT 2중량%

표 6에서 보는 바와 같이 스트레이트 아스팔트(1)만 사용하면 바인더의 점도 부족으로 흐름손실량이 커지나 고점도의 AR바인더(2)를 사용하면 흐름손실량이 0.01%로 거의 발생하지 않음을 알 수 있다. CNT를 10중량% 사용하면 상온에서 유동성을 갖는 유체 상태의 CNT로 인해 점도가 낮아져 흐름손실률이 기준 0.3%를 만족하지 못하는 것으로 나타났다. CNT의 경우 2중량% 사용시 흐름시험 결과 손실률 0.11%로 기준을 만족하는 것으로 나타났다.

<칸타브로 실험 및 소성변형 저항성 실험>

칸타브로 실험은 강구를 넣지 않은 로스엔젤레스 마모 시험기를 이용하여 공시체를 매분 30 ~ 33회 회전으로 300회 회전시켜 혼합물의 손실 질량을 구하는 실험이다. 배수성 아스팔트 혼합물에 대한 칸타브로 실험 기준은 상온 20℃에서 손실율 20%이하로 규정하고 있다. 칸타브로 시험은 아스팔트 혼합물의 비산 저항성을 평가하는 것을 주목적으로 일본에서는 배수성 혼합물 배합설계시 아스팔트량의 하한값을 구하는 것을 목적으로 이용되고 있다.

배합설계는 아스팔트 콘크리트의 목표 공극률을 설정하고, 목표 공극률을 만족할 수 있는 골재 배합비를 결정하며, 흐름 및 칸타브로 시험으로부터 최적 아스팔트 함량을 결정하여 물성기준의 만족 여부를 확인한다. 13 ㎜ 배수성 아스팔트 혼합물 공시체는 마샬 다짐기를 사용하여 양면 50회 다짐을 실시하여 제작하였다.

배수성 아스팔트 콘크리트 배합설계는 기존 수행 연구 결과를 참고하여 4.5 ~ 5.5%의 아스팔트 함량에 대해 실시하였으며, 사용 바인더는 CNT를 첨가하지 않은 AR 바인더(폐타이어 분말만 첨가)를 사용하였다. 하기 표 7과 같이 아스팔트 함량 5.0%에서 목표 공극률 20%를 만족하였으며, 흐름손실률과 칸타브로 손실률이 모두 기준을 만족하는 것으로 나타나 최적 아스팔트 함량으로 5.0%를 결정하였다.

도 4 및 도 5를 보면 실시예 1에서 보는 바와 같이 탄소나노튜브 첨가에 따라 아스팔트 바인더의 고온성능 향상으로 휠 트랙킹 실험결과 약 13%의 소성변형 저항성 향상 효과를 나타내었으며, 칸타브로 손실률에 있어서도 약 11%의 개선 효과가 있는 것으로 나타났다. 이에 더하여 도 4 및 도 5에서 보는 바와 같이 실시예 2의 경우는 실시예 1보다 휠 트랙킹 실험결과 및 칸타브로 손실률에 있어 더욱 유리한 효과가 발현되는 것을 알 수 있다. 여기서 실시예 1에서는 개질되지 않은 탄소나노튜브가 첨가된 시료이며 실시예 2에서는 표면에 질화알루미늄 입자가 증착된 탄소나노튜브가 첨가된 시료를 사용하였고, 비교예 1은 폐타이어 분말만 첨가된 시료를 사용하였다.

이상 설명한 내용을 통해 당업자라면 본 발명의 기술사상을 일탈하지 아니하는 범위에서 다양한 변경 및 수정 가능함을 알 수 있을 것이다. 따라서, 본 발명의 기술적 범위는 명세서의 상세한 설명에 기재된 내용으로 한정되는 것이 아니라 특허청구범위에 의해 정해져야만 할 것이다.

1 : 캡슐형태 11 : 외피층
12 : 수분산액

Claims (3)

1. 스트레이트 아스팔트와 폐타이어 분말과 탄소나노튜브를 포함하되,
   상기 탄소나노튜브는,
   표면에 질화알루미늄 입자가 증착된 것을 특징으로 하는 저소음 및 배수성 아스팔트 혼합물용 CNT 개질 아스팔트 바인더.
   
2. 삭제
3. 제 1항에 있어서,
   상기 탄소나노튜브에는 탄소나노튜브와 물이 포함된 수분산액이 외피층에 내재된 캡슐형태가 포함되는 것을 특징으로 하는 저소음 및 배수성 아스팔트 혼합물용 CNT 개질 아스팔트 바인더.
   
   
   

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