KR20230043365A - 상온 아스팔트 포장용 채움재 조성물 - Google Patents
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Abstract
개시된 내용은, 산업 부산물인 고로슬래그 미분말, 플라이애시, 탈황석고에 이산화탄소 포집물인 탄산칼슘을 주원료로 사용함으로써 친환경적이며 경제적일 뿐만 아니라 기존보다 물성이 개선된 상온 아스팔트 포장용 채움재 조성물에 관한 것이다.
이러한 상온 아스팔트 포장용 채움재 조성물은 고로슬래그 미분말 100중량부, 플라이애시 20~30중량부, 탄산칼슘 10~20중량부, 탈황석고 5~10중량부, 생석회 4~8중량부, 탄산나트륨 4~8중량부 및 염화칼슘 2~4중량부를 포함한다.
이러한 상온 아스팔트 포장용 채움재 조성물은 고로슬래그 미분말 100중량부, 플라이애시 20~30중량부, 탄산칼슘 10~20중량부, 탈황석고 5~10중량부, 생석회 4~8중량부, 탄산나트륨 4~8중량부 및 염화칼슘 2~4중량부를 포함한다.
Description
본 명세서에 개시된 내용은 상온 아스팔트 포장용 채움재 조성물에 관한 것이다.
본 명세서에서 달리 표시하지 않는 한, 이 섹션에 설명되는 내용들은 이 출원의 청구항들에 대한 종래 기술이 아니며, 이 섹션에 포함된다고 하여 종래 기술이라고 인정되는 것은 아니다.
최근 교통량의 급속한 증가로 인해 포장된 도로의 내구연한이 짧아지면서 파손 및 균열발생으로 인해 도로 포장시공을 하는 간극이 줄어들고 있다. 그러나 도로 포장시공 등으로 용도 폐기된 도로의 폐아스팔트 콘크리트(폐아스콘) 처리로 인한 환경문제와 더불어 신규 아스팔트 콘크리트의 사용이 늘면서 골재 채취로 인한 자원고갈문제가 동시에 심각하게 대두되고 있다.
이러한 문제점을 해결하기 위한 방안으로 가열재생 아스팔트 혼합물 공법이 개발된 바 있으나 제조설비 비용이 고가이고, 상온시공이 아닌 고온시공으로 인해 시공이 복잡하며, 연료비용, 유해가스 및 이산화탄소가 다량으로 발생될 뿐만 아니라 시간이 지남에 따라 아스팔트의 노화로 인해 도로포장의 내구성이 떨어지는 문제점이 있어 폭넓게 적용하는 데에 한계가 있었다. 이에 최근에는 상온 재생 아스팔트 혼합물에 대한 연구가 활발하게 이루어지고 있다.
한편, 아스팔트 포장용 채움재는 아스팔트 콘크리트 혼합물 내에 골재와 골재 간에 충진제 역할을 하며, 채움재와 유화 아스팔트가 결합한 바인더로서 작용을 한다. 또한, KS F 3501 아스팔트 포장용 채움재 규격의 채움재 원료를 보면 석회석분, 포틀랜드 시멘트, 소석회, 플라이애시, 회수 더스트, 전기로 제강 더스트, 주물 더스트, 각종 소각회 및 기타 적당한 광물성 물질의 분말이라고 규정하고 있다.
기존 상온 재생 아스팔트 콘크리트 혼합물의 구성 원료를 보면 골재, 유화아스팔트, 첨가제, 채움재, 물로 구성되는데, 채움재 구성 원료로 인한 균열과 백화현상 및 부착성능 저하 등의 문제가 있으며, 유화 아스팔트만을 사용할 경우, 긴 양생시간과 내구성 문제가 발생하는 것으로 알려져 있다. 따라서 시멘트를 배제하거나 최소한의 사용으로 유연성을 가진 상온 재생 아스팔트 혼합물을 생산할 수 있는 상온 아스팔트 포장용 채움재의 개발이 절실한 실정이다.
균열, 백화현상 및 부착성능 저하 등과 같은 문제를 개선하면서도 자원을 재활용하여 친환경적이고 경제적인 상온 아스팔트 포장용 채움재 조성물을 제공하고자 한다.
또한 상술한 바와 같은 기술적 과제들로 한정되지 않으며, 이하의 설명으로부터 또 다른 기술적 과제가 도출될 수도 있음은 자명하다.
개시된 내용의 일 실시예에 의하면, 상온 아스팔트 포장용 채움재 조성물은 고로슬래그 미분말 100중량부, 플라이애시 20~30중량부, 탄산칼슘 10~20중량부, 탈황석고 5~10중량부, 생석회 4~8중량부, 탄산나트륨 4~8중량부 및 염화칼슘 2~4중량부를 포함한다.
또한, 상기 탄산칼슘은 발전소, 폐기물 소각시설, 하수 슬러지 처리시설로부터 배출되는 이산화탄소와 생석회 또는 산업부산물의 광물탄산화 반응을 통해 포집된 이산화탄소 포집물 또는 자연 상태에서 채굴된 탄산칼슘이며, 6,000~8,000cm2/g의 분말도를 가질 수 있다.
또한, 상기 상온 아스팔트 포장용 채움재 조성물은 소성지수 6 이하, 흐름값 50% 이하, 침수팽창값 3% 이하, 박리저항성 1/4 이하 및 수분함량 1% 이하일 수 있다.
또한, 상기 상온 아스팔트 포장용 채움재 조성물은 0.6mm의 체 통과분이 100%이고, 0.3mm의 체 통과분이 95%이며, 0.15mm의 체 통과분이 90%이고, 0.08mm의 체 통과분이 70%일 수 있다.
본 명세서에 개시된 일 실시예에 따르면, 상온 아스팔트 포장용 채움재 조성물은 산업 부산물인 고로슬래그 미분말, 플라이애시, 탈황석고에 이산화탄소 포집물인 탄산칼슘을 주원료로 사용함으로써 친환경적이며 경제적일 뿐만 아니라 기존보다 물성이 개선된 효과가 있다.
또한, 기존 채움재를 대체할 수 있으므로 원가 및 공사비용을 절감할 수 있는 효과가 있다.
또한, 인장강도와 흐름값이 우수하고, 미세균열 저항성 증가, 접착력 및 내구성 향상, 양생시간이 축소되는 효과가 있다.
도 1은 이산화탄소 전환반응기를 나타낸 개략도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 개시된 내용의 바람직한 실시예의 구성 및 작용 효과에 대하여 살펴본다. 참고로, 이하 도면에서, 각 구성요소는 편의 및 명확성을 위하여 생략되거나 개략적으로 도시되었으며, 각 구성요소의 크기는 실제 크기를 반영하는 것은 아니다. 또한 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성요소를 지칭하며 개별 도면에서 동일 구성에 대한 도면 부호는 생략하기로 한다.
종래의 가열 아스콘 생산기술의 경우, 사용 원료의 배합설계 및 현장시공 등 품질관리가 편리한 장점은 있었으나 현장에서 발생된 폐아스콘을 보관장소로 운반하여야 하고 신골재 및 아스팔트의 신규 사용으로 인한 초기 제조단가 및 처리비용이 추가로 발생한다는 단점이 있었다. 본 실시예에서는 산업 부산물인 고로슬래그 미분말, 플라이애시, 탈황석고에 이산화탄소 포집물인 탄산칼슘을 주원료로 사용함으로써 가열공정의 생략이 가능하고, 추가적으로 발생되는 초기 제조단가 및 처리비용 문제를 해결할 수 있으며 아울러, 이산화탄소를 포집한 탄산칼슘을 제조에 사용함으로써 유해가스 및 이산화탄소가 발생되지 않아 친환경적이다.
본 명세서에 개시된 내용의 일 실시예에 따른 상온 아스팔트 포장용 채움재 조성물은 (1) 고로슬래그 미분말, (2) 플라이애시, (3) 탄산칼슘, (4) 탈황석고, (5) 생석회, (6) 탄산나트륨 및 (7) 염화칼슘을 포함하고, 소성지수(P1) 6 이하, 흐름값 50% 이하, 침수팽창(swelling test)값 3% 이하, 박리저항성 1/4 이하 및 수분함량 1% 이하를 만족한다. 아울러 본 실시예에 따른 상온 아스팔트 포장용 채움재 조성물은 0.6mm의 체 통과분이 100%이고, 0.3mm의 체 통과분이 95%이며, 0.15mm의 체 통과분이 90%이고, 0.08mm의 체 통과분이 70%일 수 있다. 상기 체 통과분은 체가름 분석(sieve analysis)에 의한 조성물 전체 중량 대비 통과된 합계량(질량)을 %로 나타낸 것이다.
(1) 고로슬래그 미분말
고로슬래그 미분말은 제철공장에서 선철과 함께 생성되는 용융슬래그를 급랭시켜 얻은 입상의 수쇄슬래그를 건조 및 분쇄하여 미분화한 것으로, 잠재수경성을 가지고 있으며, 산화제이철을 고로슬래그 미분말 전체 중량%에 대해 0.5중량% 미만으로 함유하는 것이 바람직하다. 이는 산화제이철의 함량이 0.5중량% 이상이면, 고로슬래그 미분말의 분말도가 충분하다고 하더라도 고로슬래그 미분말 자체의 색상이 갈색을 띄기 때문에 조성물로 사용하기에 적합하지 않다. 고로슬래그 미분말의 반응성은 일반적으로 염기도 및 유리화율이 높을수록 크며, 비중은 2.90 내지 2.94 범위이고 분말도는 비표면적으로 4,000~6,000㎠/g이 적당하다. 상기 분말도가 4,000㎠/g 미만이면, 입자크기가 크므로 대기 중으로 노출되는 표면적이 충분하지 못해 원하는 수준으로의 백색도 구현이 어렵고, 6,000㎠/g를 초과하면, 초기 활성도 및 백색도는 좋으나 제조원가가 높아 경제성이 떨어지고 건조수축이 커지므로 균열이 발생하기 쉽다.
본 실시예에서 고로슬래그 미분말을 사용함에 따라 표면 활성도가 증가하며 Al2O3의 용출속도가 빨라지게 되어 에트링가이트(Ettringite)의 생성이 촉진되며, C-S-H계 수화물의 겔화를 촉진시키는 것과 동시에 미반응 부분을 감소시키는 효과가 있다. 고로슬래그 미분말은 SiO2 37.9%, Al2O3 12.5%, Fe2O3 0.3%, CaO 43.7%, 및 MgO 5.6%로 구성될 수 있으나, 이에 한정되지 않으며, 환경에 따라 일부 성상은 변경될 수도 있다.
이러한 고로슬래그 미분말은 100중량부일 수 있다.
(2) 플라이애시
플라이애시는 화력발전소 등에서 미분탄을 로(爐) 내의 뜨거운 기류 속에 고속으로 주입하여 1500±200℃의 고온에서 부유 상태로 순간적으로 연소시키고 남은 미분체 부산물로서, 입자가 가벼워 분산되어 날아다니다가 집진기에 의해서 포집되는 재를 통칭한다. 플라이애쉬의 발생 비율은 원탄의 약 13 내지 48% 정도이고, 비중은 1.35이며, 분말도(㎠/g)는 5600 내지 8500 정도일 수 있다.
이러한 플라이애시는 고로슬래그 미분말 100중량부에 대하여, 20~30중량부 포함될 수 있는데, 이는 20중량부 미만이면, 포졸란 반응에 의한 에트링가이트 결정이 충분히 생성되지 않아 초기 강도가 저하될 수 있고, 30중량부를 초과하면, 투입량 대비 초기 강도의 향상 정도가 미미할 수 있으므로 바람직하지 못하다.
(3) 탄산칼슘
탄산칼슘은 발전소, 폐기물 소각시설, 하수 슬러리 처리시설로부터 배출되는 이산화탄소(CO2)와 산화칼슘(CaO) 또는 산업부산물의 광물탄산화 반응을 통해 포집된 이산화탄소(CO2) 포집물(PCC) 또는 자연 상태에서 채굴된 탄산칼슘(GCC) 이며, 6,000~8,000cm2/g의 분말도를 가질 수 있다. 상기 산업부산물은 산화칼슘(CaO)을 다량으로 포함하고 있는 제강슬래그, 폐콘크리트 미분 또는 생활 폐기물 소각재일 수 있으며, pH조절을 목적으로 산과 암모늄염을 용제로 추가하여 사용할 수 있으나 이에 제한되는 것은 아니다.
탄산칼슘은 건설용으로 많이 사용되고, Calcite, Aragonite, Vaterite의 3가지 결정구조를 가지며, 골재 내부 수분이 빠져나간 자리에 공극을 매우는 충진재 역할을 하여 강도 증진 효과에 기여한다. 탄산칼슘은 CaCO3 91.9%, MgO 2.33%, SiO2 1.41%, Fe2O3 0.26%, Al2O3 0.18%, Na2O 0.08%, K2O 0.08% 및 Ig. Loss 3.76%로 구성될 수 있다.
이러한 탄산칼슘은 고로슬래그 미분말은 100중량부에 대하여, 10~20중량부 포함될 수 있는데, 이는 10중량부 미만이면, 내식성이 떨어질 수 있고, 20중량부를 초과하면, 내구성이 미흡해지는 문제가 발생될 수 있다.
한편, 상기 이산화탄소와 산화칼슘의 직접 반응은 이산화탄소 전환반응기에 의해 실시될 수 있다. 도 1을 참조하면, 이산화탄소 전환반응기(100)는 발전소, 폐기물 소각시설, 하수 슬러지 처리시설에서 회수된 이산화탄소를 포함하는 배가스를 저장하는 가스저장부(10), 산화칼슘을 구비하고 상기 가스저장부(10)로부터 공급되는 배가스와 반응하여 탄산칼슘을 생성하는 반응부(20), 상기 반응부(20)에서 생성된 탄산칼슘을 포집하는 포집부(30) 및 상기 반응부(20)에서 미반응된 이산화탄소를 회수하는 회수부(40)를 포함하고, 상기 회수부(40)에 회수된 이산화탄소는 상기 가스저장부(10)로 보내 재사용될 수 있다.
(4) 탈황석고
탈황석고는 석유 정제과정 중 탈황과정에서 생산되는 물질로 초기 강도를 촉진하고, 내구성을 증가시키며 포졸란 반응이 충분히 수행될 수 있도록 하기 위해 첨가할 수 있다. 본 실시예의 탈황석고는 고온에서 건조 및 분쇄한 분말을 사용하였으며, 화학적 조성은 CaO 60.3%, SO3 22.3%, MgO 3.32%, Al2O3 0.56%, SiO2 0.54%, Fe2O3 0.38% 및 Ig. Loss 10~12%로 구성될 수 있다.
이러한 탈황석고는 고로슬래그 미분말은 100중량부에 대하여, 5~10중량부로 포함될 수 있는데, 이는 5중량부 미만이면, 초기의 에트린가이트의 생성이 적어져 치밀한 조직형성이 어렵고, 10중량부를 초과하면, 빠른 경화 특성으로 인해 좋은 물성을 얻을 수 있으나 내수성이 떨어지는 문제가 발생될 수 있다.
(5) 생석회
생석회(CaO)는 산화칼슘이라고도 하고, 순수한 것은 입방정의 백색 결정으로 녹는점은 2570℃이며 백색 분말상태로 플라이애시의 알칼리 자극 활성화제로 사용될 수 있다. 이러한 생석회의 입도는 200mesh 이상의 것으로, 고로슬래그 미분말, 플라이애시 및 탄산칼슘과 결합화를 통해 강도를 향상시키고 칼슘이 부족해지는 현상을 방지하며, 잠재수경성을 촉진시키는 자극제로서 이온 응집반응 및 포졸란 반응을 수행하는 역할을 한다.
이러한 생석회는 고로슬래그 미분말은 100중량부에 대하여, 4~8중량부로 포함될 수 있는데, 이는 생석회가 4중량부 미만이면, 경도 강화 효과가 미미할 수 있고, 8중량부를 초과하면, 과다한 팽창으로 균열을 야기할 수 있다.
(6) 탄산나트륨
탄산나트륨 (Na2CO3)은 백색분말의 흡습성이 강한 소다회로 비중이 2.5이고,순도는 99%이며, 플라이애시의 알칼리 자극 활성화제로 사용될 수 있다.
이러한 탄산나트륨은 고로슬래그 미분말은 100중량부에 대하여, 4~8중량부로 포함될 수 있는데, 이는 탄산나트륨이 4중량부 미만이면, 내식성 개선 효과가 떨어질 수 있고, 8중량부를 초과하면, 작업성 및 가격경쟁력이 저하될 수 있다.
(7) 염화칼슘
염화칼슘(CaCl2)은 백색분말로서 pH가 7.5 내지 11이고, 플라이애시의 알칼리 자극 활성화제로 사용될 수 있다. 염화칼슘은 염소와 칼슘이 반응하여 만들어진 이온성 화합물로, 다른 조성과 함께 혼합된 혼합물에 가소성을 부여하여 수화물 반응을 촉진함으로써 초기에 경화 및 강도를 부여하는데 기여할 수 있다. 특히, 이수화물의 염화칼슘 및 무수물의 염화칼슘은 조해성(deliquescence)이 강하여 수분을 잘 흡수한다. 한편, 염화칼슘은 구형, 후레이크형, 분말형 등이 있으며, 반응성을 증가시키기 위해 분말형을 사용하는 것이 바람직하다.
이러한 염화칼슘는 고로슬래그 미분말은 100중량부에 대하여, 2~4중량부로 포함될 수 있는데, 이는 염화칼슘이 2중량부 미만이면, 초기 경화가 어려울 수 있고, 4중량부를 초과하면, 내수성이 떨어질 수 있다.
<실시예 1 내지 3, 비교예 1>
하기 표 1에 기재된 채움재의 조성 및 함량을 상온에서 일정속도로 정밀 혼합하여 실시예 1 내지 3 및 비교예 1의 상온 아스팔트 포장용 채움재를 제조하였다.
표 1의 함량은 중량%이다.
| 구 분 | 소석회 채움재 |
고로슬래그 | 플라이 애시 |
이산화탄소 포집 탄산칼슘 |
탈황석고 | 알칼리 자극 활성화제 | ||
| 생석회 | 염화칼슘 | 탄산나트륨 | ||||||
| 비교예 1 | 100 | - | - | - | - | - | - | - |
| 실시예 1 | - | 66 | 14 | 7 | 3 | 4 | 2 | 4 |
| 실시예 2 | - | 61 | 16 | 9 | 4 | 4 | 2 | 4 |
| 실시예 3 | - | 56 | 17 | 11 | 6 | 4 | 2 | 4 |
실험예 1. 물리적 특성 평가
실시예 1 내지 3 및 비교예 1의 물리적 특성을 확인하기 위하여 KS F 3501, KS F 2303 규격에 따라 각각 시험을 실시하였으며, 그 결과는 표 2에 나타내었다.
| 구 분 | 체 통과 질량 백분율(%) | 소성 지수 | 흐름시험 | 침수 팽창 | 박리 저항성 | 수분 | |||
| 0.6mm | 0.3mm | 0.15mm | 0.08mm | 6 이하 | 50%이하 | 3%이하 | 1/4이하 | 1%이하 | |
| KS 기준 | 100 | 95이상 | 90이상 | 70이상 | |||||
| 비교예 1 | 100 | 96.1 | 91.6 | 77.1 | NP | 35.6 | 2.8 | 1/4이하 | 0.5 |
| 실시예 1 | 100 | 96.3 | 92.1 | 78.3 | NP | 36.7 | 2.7 | 1/4이하 | 0.5 |
| 실시예 2 | 100 | 96.6 | 92.8 | 78.9 | NP | 37.3 | 2.8 | 1/4이하 | 0.6 |
| 실시예 3 | 100 | 97.6 | 93.3 | 79.4 | NP | 37.9 | 2.7 | 1/4이하 | 0.5 |
표 2를 참조하면, 실시예 1 내지 3은 모든 시험에서 KS 기준을 만족한 것으로 나타났다. 따라서, 기존 아스콘 회사에서 사용하고 있는 채움재와 동등 이상의 효과를 나타냄을 알 수 있었다.
개시된 내용은 예시에 불과하며, 특허청구범위에서 청구하는 청구의 요지를 벗어나지 않고 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 다양하게 변경 실시될 수 있으므로, 개시된 내용의 보호범위는 상술한 특정의 실시예에 한정되지 않는다.
100: 이산화탄소 전환반응기
10: 가스저장부
20: 반응부
30: 포집부
40: 회수부
10: 가스저장부
20: 반응부
30: 포집부
40: 회수부
Claims (4)
- 고로슬래그 미분말 100중량부, 플라이애시 20~30중량부, 탄산칼슘 10~20중량부, 탈황석고 5~10중량부, 생석회 4~8중량부, 탄산나트륨 4~8중량부 및 염화칼슘 2~4중량부를 포함하는 것을 특징으로 하는 상온 아스팔트 포장용 채움재 조성물.
- 제1항에 있어서,
상기 탄산칼슘은 발전소, 폐기물 소각시설, 하수 슬러지 처리시설로부터 배출되는 이산화탄소와 생석회 또는 산업부산물의 광물탄산화 반응을 통해 포집된 이산화탄소 포집물 또는 자연 상태에서 채굴된 탄산칼슘이며, 6,000~8,000cm2/g의 분말도를 가지는 것을 특징으로 하는 상온 아스팔트 포장용 채움재 조성물.
- 제1항에 있어서,
상기 상온 아스팔트 포장용 채움재 조성물은 소성지수 6 이하, 흐름값 50% 이하, 침수팽창값 3% 이하, 박리저항성 1/4 이하 및 수분함량 1% 이하인 것을 특징으로 상온 아스팔트 포장용 채움재 조성물.
- 제1항에 있어서,
상기 상온 아스팔트 포장용 채움재 조성물은 0.6mm의 체 통과분이 100%이고, 0.3mm의 체 통과분이 95%이며, 0.15mm의 체 통과분이 90%이고, 0.08mm의 체 통과분이 70%인 것을 특징으로 하는 상온 아스팔트 포장용 채움재 조성물.
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| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| E902 | Notification of reason for refusal | ||
| E701 | Decision to grant or registration of patent right | ||
| GRNT | Written decision to grant |