KR20240006167A - 고점착 개질 아스팔트 및 그 제조방법 - Google Patents

고점착 개질 아스팔트 및 그 제조방법 Download PDF

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Abstract

스티렌계 블록공중합체와 열가소성 수지의 용융 및 특수 첨가제를 이용하여 안정적인 품질을 확보하고 작업성을 확보할 수 있으며, 또한, 고점착 개질 아스팔트의 제조 후 플랜트 현장까지의 운반과 저장을 고려하여 시간에 따른 아스팔트의 노화 및 변형으로 품질이 저해되지 않도록 방지할 수 있는, 고점착 개질 아스팔트 및 그 제조방법이 제공된다.

Description

고점착 개질 아스팔트 및 그 제조방법 {HIGH ADHESIVE MODIFIED ASPHALT, AND MANUFACTURING METHOD FOR THE SAME}
본 발명은 고점착 개질 아스팔트에 관한 것으로, 보다 구체적으로, 고점착 개질 아스팔트(High Adhesive Modified Asphalt)를 형성하기 위한 개질제(Modifier)로서 열가소성 수지(Thermoplastic Resin)와 스티렌계 블록공중합체(Styrenic Copolymer)를 함유한 고점착 개질 아스팔트 및 그 제조방법에 관한 것이다.
일반적으로, 아스팔트는 포화탄화수소, 방향족 탄화수소, 수지 및 아스팔텐이 함유되어 있는 것으로 알려져 있으며, 이러한 아스팔트는 점탄성과 결합 성질이 매우 좋은 물질로 알려져 있기 때문에 도로 및 철도용 아스팔트 포장으로 폭넓게 사용되고 있다.
그러나 최근 교통체증의 증가와 함께 무거운 하중의 차량들이 도로 및 철도 위를 주행함에 따라 아스팔트의 포장 성능을 개선할 필요성이 증대되고 있다.
이러한 아스팔트 포장 성능을 향상시키기 위해서 폴리머 개질 아스팔트(Polymer Modified Asphalt: PMA)에 대하여 미국을 중심으로 여러 나라에서 장시간 연구되고 있다.
이러한 폴리머 개질 아스팔트(PMA)는 영구변형, 피로균열, 저온균열, 노화 등을 포함하는 기능적 성질을 개선하기 위해 사용되고 있다.
이때, 폴리머 개질 아스팔트(PMA)의 성능은 아스팔트 및 첨가되는 폴리머의 특성 및 양에 크게 의존하는 것으로 알려져 있으며, 특히, 폴리머 개질 아스팔트(PMA)에 사용되는 폴리머는 주로 탄성체 또는 열가소성 고분자들이다.
기존의 폴리머 개질제와 아스팔트를 물리적으로 혼합하여 형성되는 폴리머 개질 아스팔트(PMA)는 시간이 지남에 따라 노화 현상으로 폴리머 개질제와 아스팔트 간의 상분리 현상이 발생할 수 있으며,
이러한 문제점을 해결하기 위하여 현재 상업적으로 스티렌-부타디엔-스티렌(Styrene-butadiene-styrene: SBS) 블록공중합체가 널리 사용되고 있고, 이러한 SBS 블록공중합체는 황(Sulfur)과 함께 사용함으로써 상분리 문제점을 극복하고 있다.
예를 들면, 폴리머 개질 아스팔트(PMA)의 상분리 문제점을 극복하기 위해서 글리시딜 메타크릴레이트(Glycidyl methacrylate: GMA), 황 등의 반응성 단량체(Reactive Monomer)를 폴리머 개질제에 도입함으로써,
아스팔트와 폴리머 개질제들이 직접 반응할 수 있는 반응성 개질 아스팔트(Reactive Modified Asphalt)에 적용할 수 있다.
또한, 개질 아스팔트 바인더는 아스팔트 포장의 공용성 증진에 크게 기여하고 있는 재료중 하나이며, 이러한 개질 아스팔트 바인더는 차량 주행시 아스팔트의 점성력으로 인해 일반 콘크리트에 비해 댐핑(Damping) 능력이 뛰어나기 때문에 주행시 소음 저감에 크게 기여하고 있다.
뿐만 아니라 이러한 개질 아스팔트 바인더는 개질재를 이용하여 소성변형과 균열저항성을 향상시킴으로써 아스팔트 포장의 파손에 대한 우려를 해소할 수 있고, 이에 따라, 아스팔트 포장의 장기공용성 증진에 크게 기여하고 있다.
구체적으로, 도 1은 일반 아스팔트 포장과 고점착 아스팔트 포장의 장단점을 비교하여 나타낸 도면이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 일반 아스팔트 포장의 경우, 여름철 고온(PG64-22)에서의 영구변형 및 수분 저항성능이 저하됨에 따라 표면박리 및 포트홀 발생이 심화될 수 있다. 또한, 점성적 특성이 크기 때문에 고강성 및 고점착 특성이 요구되는 특수 아스팔트 혼합물 제조시 요구성능을 구현하기 어렵다.
또한, 고온 보관 및 장기 보관시 노화가 심화됨에 따라 아스팔트 혼합물의 균열 및 변형에 영향을 줄 수 있다는 단점이 있다.
이에 반해, 고점착 개질 아스팔트 포장의 경우, 여름철 고온(PG64-22)에서 영구변형 및 수분저항 성능이 우수하고, 고점성 및 고점착 아스팔트 특성으로 인해 특수 아스팔트 혼합물 적용에 유리하다.
또한, 점성보다는 탄성의 특성이 크기 때문에 복원 성능이 우수하고, 골재 부착성능이 강화됨에 띠라 골재 탈리를 최소화할 수 있다.
또한, 아스팔트 제조 온도보다 낮은 개질재의 용융점으로 인한 프리믹스(Pre-mix) 및 플랜트믹스(Plant-mix) 방법으로 생산할 수 있기 때문에 상황에 적합한 플랜트 생산 방법을 용이하게 선택할 수 있다.
한편, 고점착 개질 아스팔트와 관련된 선행기술로서, 대한민국 등록특허번호 제10-1496628호에는 "새로운 고점탄성 개질제 및 중온 개질제의 조성물과 그 제조방법 그리고 중온 개질 신규 및 재생 아스팔트콘크리트 혼합물의 조성물과 그 제조방법"이라는 명칭의 발명이 개시되어 있는데,
아스팔트, SBS, EVA, 폴리에틸렌, 스테아린산, 산화방지제 등이 조성물로 활용됨으로써, 고탄성 고분자와 고점성 고분자와 균열저항 중온첨가제를 적정비율 혼합해 제조된 중온 고점탄성 개질제를 통해, 아스팔트 바인더의 점탄성을 증가시켜주는 고점탄성 개질제를 개시하고 있다.
한편, 다른 선행기술로서, 대한민국 등록특허번호 제10-2011923호에는 "숙성된 고무 분말을 포함하여 우수한 작업성을 갖는 고온 저점도 고등급 아스팔트 콘크리트 조성물 및 이의 시공방법"이라는 명칭의 발명이 개시되어 있는데,
아스팔트, SBS, SIS, EVA, 폴리에틸렌, 산화방지제, 석유수지, 소석회, 채움제, 박리방지제 등이 조성물로 활용되어짐으로써, 조성물이 외부 기온에 관계 없이 우수한 작업성을 향상시켜주며, 소성변형, 노화 및 박리가 방지될 수 있는 아스콘 조성물을 개시하고 있다.
한편, 또 다른 선행기술로서, 대한민국 등록특허번호 제10-1977586호에는 "SIS를 이용한 중온 개질 아스팔트 콘크리트 조성물 및 이의 시공방법"이라는 명칭의 발명이 개시되어 있는데,
아스팔트, SIS, SBS, 석유수지, 중온화 첨가제, 감온성 보강제, 박리방지제, 개질제, 고무노화방지재, 변형방지제, 이형제 등을 포함하되, 이형제는 스테아르산아연, 스테아르산칼슘으로 구성됨으로써, 가공 및 탈찰성을 높여주며, 개질된 아스팔트 조성물은 아스콘의 내구성, 소성변형, 노화 및 박리를 방지해주는 개질 아스팔트 콘크리트 조성물을 개시하고 있다.
한편, 또 다른 선행기술로서, 대한민국 등록특허번호 제10-1455590호에는 "하이브리드 섬유 보강재 및 스티렌계 열가소성 플라스틱 개질재를 포함한 고점착성 아스팔트 바인더 제조 및 이를 이용한 아스팔트 조성물"이라는 명칭의 발명이 개시되어 있는데,
아스팔트, STE 혹은 TPS(스티렌계 열가소성 플라스틱 개질재), 하이브리드 섬유를 혼입하여 고점착 아스팔트 바인더를 제조함으로써 아스팔트 포장의 소성변형, 피로균열 등의 내구성 저하 원인을 개선할 수 있는 고점착성 아스팔트 바인더를 개시하고 있다.
한편, 통상적으로 아스팔트 바인더는, 플랜트 현장에서 골재와의 결합시에 고점도 또는 일정 수준 이상의 높은 온도가 요구된다면, 골재와의 점착력 저하 및 아스팔트 바인더의 과다 사용으로 인한 아스팔트 콘크리트의 품질 저하, 경제적 손실 등의 문제가 발생할 우려가 있다.
또한, 소성변형은 여름철과 같은 고온에서 아스팔트의 점도를 떨어뜨림으로써 골재간의 밀림 현상으로 발생하게 되며, 이것은 차량의 주행성을 저해하는 요인으로 작용한다.
이때, 아스팔트 혼합물을 제조하는 플랜트 현장에서의 적정한 혼합 온도 및 아스팔트 바인더의 점도에 대해 검토함으로써 아스팔트 혼합물 생산시 현장에서의 작업성도 함께 고려해야 한다.
이에 따라, 아스팔트 바인더는 탄성과 감온성을 부여하여 하중 재하시 회복하는 속도 및 강성을 증진시킬 수 있고, 온도에 대한 바인더의 물성 변화를 최소화함으로써 소성 변형에 대한 저항성을 향상시킬 수 있으며, 또한, 도로 및 철도용 아스팔트 포장의 내구 공용 수명을 증진시킬 수 있어야 한다.
대한민국 등록특허번호 제10-1496628호(등록일: 2015년 2월 21일), 발명의 명칭: "새로운 고점탄성 개질제 및 중온 개질제의 조성물과 그 제조방법 그리고 중온 개질 신규 및 재생 아스팔트콘크리트 혼합물의 조성물과 그 제조방법" 대한민국 등록특허번호 제10-2011923호(등록일: 2019년 8월 12일), 발명의 명칭: "숙성된 고무 분말을 포함하여 우수한 작업성을 갖는 고온 저점도 고등급 아스팔트 콘크리트 조성물 및 이의 시공방법" 대한민국 등록특허번호 제10-1977586호(등록일: 2019년 5월 7일), 발명의 명칭: "SIS를 이용한 중온 개질 아스팔트 콘크리트 조성물 및 이의 시공방법" 대한민국 등록특허번호 제10-1455590호(등록일: 2014년 10월 22일), 발명의 명칭: "하이브리드 섬유 보강재 및 스티렌계 열가소성 플라스틱 개질재를 포함한 고점착성 아스팔트 바인더 제조 및 이를 이용한 아스팔트 조성물" 대한민국 등록특허번호 제10-1757190호(등록일: 2017년 7월 6일), 발명의 명칭: "고점착 자착형 고무화 아스팔트 방수재의 제조방법"
전술한 문제점을 해결하기 위한 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 스티렌계 블록공중합체와 열가소성 수지의 용융 및 특수 첨가제를 이용하여 안정적인 품질을 확보하고 작업성을 확보할 수 있는, 고점착 개질 아스팔트 및 그 제조방법을 제공하기 위한 것이다.
본 발명이 이루고자 하는 다른 기술적 과제는, 고점착 개질 아스팔트의 제조 후 플랜트 현장까지의 운반과 저장을 고려하여 시간에 따른 아스팔트의 노화 및 변형으로 품질이 저해되지 않도록 방지할 수 있는, 고점착 개질 아스팔트 및 그 제조방법을 제공하기 위한 것이다.
전술한 기술적 과제를 달성하기 위한 수단으로서, 본 발명에 따른 고점착 개질 아스팔트는, 아스팔트 바인더로서 62~96.88중량%의 스트레이트 아스팔트; 개질재로서, 1~8중량%의 SBS(Styrene-butadiene-styrene); 개질재로서, 1~8중량%의 STE(Styrenic Thermoplastic Elastomer); 개질재로서, 0.5~8중량%의 EVA(Ethylene Vinyl Acetate); 개질재로서, 0.5~6중량%의 폴리에틸렌(PE) 수지; 개질재로서, 0.1~5중량%의 유지류; 첨가제로서, 0.01~1중량%의 고무 배합유; 및 첨가제로서, 0.01~2중량%의 산화 방지제로 이루어지며, 상기 산화 방지제는 아스팔트의 산화를 지연시키는 역할을 하는 첨가제로서 아민계와 페놀계 중에서 1 내지 2종을 선택하여 사용되며; 상기 SBS는 탄성체인 부타디엔의 양 말단에 스티렌 블록으로 이루어진 블록공중합체의 구조로 형성되어 아스팔트의 탄성 복원력을 증가시키는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 SBS는 스티렌-부타디엔 블록공중합체 및 왁스의 혼합물로서 아스팔트의 온도 특성을 개선하기 위한 개질재로 사용되며, 상기 스티렌-부타디엔 블록공중합체는 스티렌 함량이 10~25중량%이고 스티렌 블록율이 40~70%이며, 중량 평균분자량이 50,000~90,000이고, 상기 왁스는 연화점이 90~200℃이고 140℃의 점도가 15~300cps이며, 상기 스티렌-부타디엔 블록공중합체:왁스의 중량비는 1.5~5:1.5~5로 조성될 수 있다.
여기서, 상기 STE는 선형 또는 가지형 블록공중합체로서 인장력과 인성, 골재 부착성을 개선하기 위한 개질재로 사용되며, 폴리머 분자량이 80,000g/mol~150,000g/mol인 것을 사용하되, 상기 폴리머에 포함되어 있는 부타디엔 중에서 비닐기 함량은 상기 100중량부의 폴리머를 기준으로 35중량부 내지 45중량부가 포함될 수 있다.
여기서, 상기 EVA는 에틸렌과 비닐 아세테이드의 공중합체로서 탄성력과 열 접착성 개선을 위한 개질재로 사용되며, 용융지수가 약 6.0g/10min이고, VA(Vinyl Acetate) 함량이 28중량%이며, 밀도가 0.950g/㎤이고, 융점이 71℃이며, 표면경도가 26 D scale이고, 연화점이 42℃인 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 폴리에틸렌 수지는 아스팔트의 열화 현상 및 수분민감성, 차량 이동에 의한 진동과 같은 충격을 강화하기 위해 사용되는 개질재로 사용될 수 있다.
여기서, 상기 유지류는 아스팔트의 접착력 및 저온 성능을 향상시키기 위한 개질재로 사용되며, 글리세롤과 지방산의 에스테르인 글리세라이드(아실글리세롤)로 구성되는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 고무 배합유는 고무분자 속에 침투하여 고무 물성에 연화작용과 윤활작용을 활성화시킴에 따라 개질재들의 분산력을 향상시켜 개질 아스팔트의 안정적 성상을 확보하는 첨가제로서, 열에 의한 접착성이 우수한 아스팔트 피치, 고무 물성에 연화작용과 윤활작용을 하는 아로마틱계(Ca) 오일 또는 연화제 역할을 하는 스테아린산 중에서 1 내지 2종을 혼합하여 사용할 수 있다.
한편, 전술한 기술적 과제를 달성하기 위한 다른 수단으로서, 본 발명에 따른 고점착 개질 아스팔트의 제조방법은, a) 아스팔트 바인더인 스트레이트 아스팔트의 물성을 확인하고, 아스팔트 저장탱크에 저장하는 단계; b) SBS, STE, EVA, PE 수지 및 유지류로 이루어진 개질재와 고무 배합유 및 산화 방지제로 이루어진 첨가제의 물성을 확인하고, 상기 아스팔트 저장탱크 내에서 상기 아스팔트 바인더에 혼합될 개질재와 첨가제 적정 배합비에 따른 반응온도 및 시간을 결정하는 단계; c) 상기 적정 배합비에 따라 상기 개질재와 첨가제를 상기 아스팔트 저장탱크 내의 아스팔트 바인더에 혼합하여 고점착 개질 아스팔트를 제조하는 단계; d) 상기 고점착 개질 아스팔트의 품질이 소정 기준을 만족하는지 확인하는 단계; 및 e) 상기 고점착 개질 아스팔트의 품질이 소정 기준을 만족할 경우, 아스팔트 포장 시공을 위해 현장에 공급하는 단계를 포함하되, 상기 고점착 개질 아스팔트는, 아스팔트 바인더로서 62~96.88중량%의 스트레이트 아스팔트; 개질재로서, 1~8중량%의 SBS; 개질재로서, 1~8중량%의 STE; 개질재로서, 0.5~8중량%의 EVA; 개질재로서, 0.5~6중량%의 폴리에틸렌 수지; 개질재로서, 0.1~5중량%의 유지류; 첨가제로서, 0.01~1중량%의 고무 배합유; 및 첨가제로서, 0.01~2중량%의 산화 방지제로 이루어지며, 상기 산화 방지제는 아스팔트의 산화를 지연시키는 역할을 하는 첨가제로서 아민계와 페놀계 중에서 1 내지 2종을 선택하여 사용되며; 상기 SBS는 탄성체인 부타디엔의 양 말단에 스티렌 블록으로 이루어진 블록공중합체의 구조로 형성되어 아스팔트의 탄성 복원력을 증가시키는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, SBS 및 STE 등에 의해 탄성 복원력을 향상시킬 수 있고, 또한, 변형강도, 동적안정도, 수분저항성 등의 공용성능을 확보할 수 있다.
본 발명에 따르면, 개질재 및 첨가제의 화학적 조성에 의한 결합을 통해 만들어진 고점착 개질 아스팔트 바인더로서, 골재의 접착력을 향상시키고, 혼합온도에서의 용융성이 우수하며, 수분저항성을 향상시킬 수 있다.
본 발명에 따르면, 감온성 및 박리저항성 향상을 위한 경제성, 장기저장성, 고온 공용성 확보, 현장생산성 등의 현장조건과 내충격성, 내수성, 골재 부착성능 등의 내구성을 향상시킬 수 있다.
도 1은 일반 아스팔트 포장과 고점착 아스팔트 포장의 장단점을 비교하여 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 고점착 개질 아스팔트의 구성을 나타내는 도면이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 고점착 개질 아스팔트의 배합을 나타내는 도면이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 고점착 개질 아스팔트에서 SBS 분자구조를 나타내는 도면이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 고점착 개질 아스팔트에서 EVA 분자구조를 나타내는 도면이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 고점착 개질 아스팔트에서 페놀계 산화 방지제의 분자구조를 나타내는 도면이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 고점착 개질 아스팔트에서 황-함유 페놀의 분자구조를 나타내는 도면이다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 고점착 개질 아스팔트에서 방향족 아민계 산화 방지제의 메커니즘을 설명하기 위한 도면이다.
도 9는 본 발명의 실시예에 따른 고점착 개질 아스팔트의 제조방법을 나타내는 동작흐름도이다.
도 10은 본 발명의 실시예에 따른 고점착 개질 아스팔트의 탄성 복원력 평가결과를 예시하는 도면이다.
도 11은 본 발명의 실시예에 따른 고점착 개질 아스팔트의 공용성능 확보를 위한 평가 기준을 예시하는 도면이다.
도 12는 본 발명의 실시예에 따른 고점착 개질 아스팔트의 성능 평가결과를 예시하는 도면이다.
도 13은 본 발명의 실시예에 따른 고점착 개질 아스팔트 혼합물 시험결과를 예시하는 도면이다.
아래에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
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 있는 것을 의미한다.
[고점착 개질 아스팔트]
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 고점착 개질 아스팔트(고점착 개질 아스팔트 조성물)의 구성을 나타내는 도면이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 고점착 개질 아스팔트(100)는, 스트레이트 아스팔트(110), SBS(Styrene-butadiene-styrene)(120), STE(Styrenic Thermoplastic Elastomer)(130), EVA(Ethylene Vinyl Acetate)(140), 폴리에틸렌(PE) 수지(150), 유지류(160), 고무 배합유(170) 및 산화 방지제(180)로 이루어진다.
본 발명의 실시예에 따른 고점착 개질 아스팔트(100)의 경우, 스트레이트 아스팔트(110)를 기본 바인더로 이용하여 기본 물성을 변화시킬 수 있는 화학적 조성물인 개질제 및 첨가제를 통해 그 성상을 개선하게 된다.
이때, SBS(120)가 아스팔트의 온도 특성을 개선하기 위한 개질재로 사용되며, 구체적으로, SBS(120)는 스티렌-부타디엔-스티렌 블록공중합체로서,
스티렌 함량이 10~25중량%이고, 스티렌 블록율이 40~70%이며, 중량평균분자량이 50,000-90,000인 스티렌 부다티엔 블록공중합체와 연화점이 90~200℃이고 140℃의 점도가 15~400cps인 왁스를 포함하여 구성함으로써, 개질 아스팔트의 탄성 및 접착성능을 개선할 수 있다.
또한, STE(130)는 인장력과 인성, 골재 부착성을 개선하기 위한 개질재로 사용되며, 구체적으로, STE(130)는 스티렌계 열가소성 엘라스토머로서, 고분자의 분자량은 80,000g/mol~150,000g/mol 선형 또는 가지형 블록공중합체이다.
또한, EVA(140)는 탄성력과 열 접착성 개선을 위한 개질재로 사용되며, 구체적으로, EVA(140)는 에틸렌과 비닐 아세테이드의 공중합체로서, 유연성이 우수하고 투명도와 광택, 저온인성, 응력균열 저항, 접착력 증대, 방수특성, UV(자외선) 복사에 대한 안정성 확보를 가능하게 한다.
또한, 폴리에틸렌(PE) 수지(150)는 아스팔트의 열화를 예방하고 내수성 및 충격에 유리하기 때문에 아스팔트의 열화 현상 및 수분민감성, 차량 이동에 의한 진동과 같은 충격을 강화하기 위해 사용된다.
구체적으로, 폴리에틸렌(PE) 수지(150)는 그 특성상 구성성분 중에서 BHT, Ionol 등의 산화방지 성분은 열에 의한 노화를 방지하고, 또한, 폴리에틸렌(PE) 수지(150)가 사용되는 동안 햇빛에 노출됨으로써 아스팔트의 열화를 방지할 수 있다.
또한, 유지류(160)는 아스팔트의 접착력 및 저온 성능을 향상시키기 위한 개질재로 사용되며, 구체적으로, 유지류(160)는 주로 글리세롤과 지방산의 에스테르인 글리세라이드(아실글리세롤)로 구성되며,
이때, 뷰티르산, 스테아르산 등이 활용될 수 있고, 또한, 아스팔트의 고무 분산의 효과를 통한 접착력을 향상시키고, 아스팔트의 저온 성능을 개선할 수 있다.
또한, 고무 배합유(170)는, 예를 들면, 아로마틱계(Ca) 오일을 사용하여 고무분자 속에 침투하여 고무 물성에 연화작용과 윤활작용을 활성화시킴에 따라 상기 개질재들의 분산력을 향상시킬 수 있고, 이러한 특성으로 인해 개질 아스팔트의 안정적 성상을 확보할 수 있다.
구체적으로, 고무 배합유(170)는 열에 의한 접착성이 우수한 아스팔트 피치, 고무 물성에 연화작용과 윤활작용을 하는 Ca(아로마틱계) 및 연화제 역할을 하는 스테아린산이 활용될 수 있다.
또한, 산화 방지제(180)는 산화를 지연시키는 역할을 하는 첨가제로서, 아민계와 페놀계 중에서 1 내지 2종을 선택하여 사용될 수 있다.
구체적으로, 아스팔트는 변형 및 취성파괴 등 다양한 손상들이 발생하게 되고, 이러한 손상의 원인들 중 하나는 아스팔트의 열화 현상 또는 노화 현상에 의해 발생하기도 한다. 이에 따라, 본 발명의 실시예에 따른 고점착 개질 아스팔트의 경우, 아스팔트의 노화를 방지할 수 있는 산화 방지제(180)로 사용함으로써 아스팔트의 노화를 최소화할 수 있다.
이에 따라, 본 발명의 실시예에 따른 고점착 개질 아스팔트의 경우, 스티렌계 블록공중합체와 열가소성 수지의 용융 및 특수 첨가제를 이용하여 안정적인 품질을 확보하고 작업성을 확보할 수 있으며,
또한, 고점착 개질 아스팔트의 제조 후 플랜트 현장까지의 운반과 저장을 고려하여 시간에 따른 아스팔트의 노화 및 변형으로 품질이 저해되지 않도록 방지할 수 있다.
구체적으로, 도 3은 본 발명의 실시예에 따른 고점착 개질 아스팔트의 배합을 나타내는 도면이다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 고점착 개질 아스팔트는, 아스팔트 바인더로서 62~96.88중량%의 스트레이트 아스팔트; 개질재로서, 1~8중량%의 SBS(Styrene-butadiene-styrene); 개질재로서, 1~8중량%의 STE(Styrenic Thermoplastic Elastomer); 개질재로서, 0.5~8중량%의 EVA(Ethylene Vinyl Acetate); 개질재로서, 0.5~6중량%의 폴리에틸렌(PE) 수지; 개질재로서, 0.1~5중량%의 유지류; 첨가제로서, 0.01~1중량%의 고무 배합유; 및 첨가제로서, 0.01~2중량%의 산화 방지제로 이루어진다.
예를 들면, 본 발명의 제1 실시예에 따른 고점착 개질 아스팔트는, 93중량%의 스트레이트 아스팔트; 2중량%의 SBS; 1중량%의 STE; 1중량%의 EVA; 1중량%의 폴리에틸렌(PE) 수지; 1중량%의 유지류; 0.6중량%의 고무 배합유; 및 0.4중량%의 산화 방지제로 배합하였고, 또한, 본 발명의 제2 실시예에 따른 고점착 개질 아스팔트는, 91중량%의 스트레이트 아스팔트; 2중량%의 SBS; 2중량%의 STE; 1중량%의 EVA; 1중량%의 폴리에틸렌(PE) 수지; 2중량%의 유지류; 0.8중량%의 고무 배합유; 및 0.2중량%의 산화 방지제로 배합하였다.
스트레이트 아스팔트
아스팔트는 석유정제 과정에서 얻어지는 스트레이트 아스팔트를 사용하며, 이러한 스트레이트 아스팔트는 원유를 상압증류탑(CDU)에서 증류시킨 후, 상압잔사유(AR)를 다시 감압 증류하여 얻게 되며, 이러한 스트레이트 아스팔트의 최종 잔류분에는 분해되지 않는 역청질이 많이 함유되어 있으며, 특히, 현재 도로포장용으로 주로 사용되고 된다. 이러한 스트레이트 아스팔트의 종류로서, AP-3, AP-5 등이 있으며, 혹서기 및 혹한기의 소성변형 및 균열 등 도로파손 피해를 예방하기 위하여 고온 및 저온에서의 포장 성능이 상대적으로 우수하도록 개질재를 활용함으로써 그 성능을 개선할 수 있다.
SBS(Styrene-butadiene-styrene) 개질재
SBS는 탄성체인 부타디엔의의 양 말단에 스티렌 블록으로 이루어진 블록공중합체의 구조로 형성되며, 부타디엔 도메인(domain)은 탄성 영역을 강화하는 충전제의 역할과 함께 3차원 망상구조를 형성하는 물리적 가교제로서의 역할을 한다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 고점착 개질 아스팔트에서 SBS 분자구조를 나타내는 도면이다.
도 4에 도시된 바와 같이, 이러한 SBS 블록공중합체는 연성 세그먼트(soft segment) 구조의 폴리부타디엔(polybutadiene) 양쪽에 경성 세그먼트(hard segment) 구조의 폴리스티렌(polystyrene) 블록이 각각 결합되어 있는 삼중블록 구조를 가지고 있다.
이러한 SBS 블록공중합체의 모폴로지는 폴리부타디엔(polybutadiene) 매트릭스에 폴리스티렌(polystyrene) 도메인이 형성되어 있음을 보여준다. 따라서, 폴리부타디엔(polybutadiene)과 폴리스티렌(polystyrene)이 화학적으로 구분되는 블록 구조를 가지고 있으나, 거시적으로는 폴리스티렌(polystyrene) 블록과 폴리부타디엔(polybutadiene) 블록이 상분리가 되어 있는 것을 알 수 있다.
이러한 SBS 블록공중합체는 고무탄성 성질과 열가소성의 성질을 함께 가지고 있기 때문에, 기존의 도로포장용 혼합물 및 도로의 취성파괴를 방지하는 아스팔트 개질재로 사용되고 있다.
본 발명의 실시예에 따른 고점착 개질 아스팔트의 경우, 이러한 SBS의 배합을 적절히 조정하여 고점착 성능을 향상시키고, 타 재료와의 용융이 유리하도록 중량을 조정하여 적용하였다.
예를 들면, 스티렌 함량이 10~25중량%이고 스티렌 블록율이 40~70%이며, 중량 평균분자량이 50,000~90,000인 스티렌-부타디엔(Styrene Butadiene) 블록공중합체 및, 연화점이 90~200℃이고 140℃의 점도가 15~300cps인 왁스를 포함하여 구성되며, 상기 스티렌-부타디엔 블록공중합체:왁스의 중량비가 1.5~5:1.5~5로 조성되는 것이 바람직하다. 이에 따라, SBS는 개질재로서 개질 아스팔트의 탄성 복원력 및 접착 성능을 개선할 수 있다.
STE(Styrenic Thermoplastic Elastomer) 개질재
STE는 선형 또는 가지형 블록공중합체로서 폴리머 분자량이 80,000g/mol~150,000g/mol인 것을 사용한다. 예를 들면, STE가 선형 블록공중합체인 경우, 아스팔트와 혼합하였을 때 점도가 낮아 시공에 유리할 수 있다. 또한, 이러한 폴리머에 포함되어 있는 부타디엔(Butadiene) 중에서 비닐(Vinyl)기 함량은 상기 100중량부의 폴리머를 기준으로 35중량부 내지 45중량부일 수 있다.
구체적으로, 상기 비닐기 함량이 35중량부 미만인 경우, 개질 아스팔트의 상분리 억제 효과가 낮을 수 있고, 또한, 상기 비닐기 함량이 45중량부 초과인 경우, 상기 아스팔트 개질제의 결정화가 진행됨에 따라 개질 아스팔트의 탄성이 악화될 수 있다.
또한, 상기 폴리머의 입자 크기는 0.5~8㎜일 수 있다. 만일, 폴리머의 입자 크기가 0.5㎜ 미만인 경우, 아스팔트 개질제에 의한 정전기 현상이 발생하여 시공이 어려울 수 있고, 또한, 폴리머의 입자 크기가 8㎜ 초과인 경우, 아스팔트 개질제가 아스팔트에 용해되는 속도가 지나치게 느릴 수 있다. 또한, 상기 폴리머는 겉보기 비중(Apparent specific gravity) 0.5 이하인 펠렛(Pellet) 형상일 수 있다.
EVA(Ethylene Vinyl Acetate) 개질재
EVA는, 도 5에 도시된 바와 같이, 에틸렌과 비닐 아세테이드의 공중합체로서 비닐 아세테이트의 중량은 일반적으로 1~40중량%로 다양하며, 나머지 60~99중량%는 에틸렌으로 구성된다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 고점착 개질 아스팔트에서 EVA 분자구조를 나타내는 도면이다.
이러한 EVA 공중합체는 3가지 유형이 있으며, 비닐 아세테이트(VA) 함량과 재료 사용방식에 따라 다르다.
구체적으로, 약 4% 이하의 낮은 비율의 VA(Vinyl Acetate)를 기반으로 하는 EVA 공중합체는 비닐 아세테이트 변성 폴리에틸렌으로 지칭되고, 저밀도 폴리에틸렌과 마찬가지로 공중합체로서 열가소성 물질로 가공된다.
이러한 열가소성 에틸렌-비닐 아세테이트 공중합체는 저밀도 폴리에틸렌의 일부 특성으로 인해 독성이 없으며, 부드러움 및 유연성이 증가하는 특징이 있다.
또한, 약 4~30%의 중간 비율의 VA(Vinyl Acetate)를 기반으로 하는 EVA 공중합체는 열가소성 에틸렌-비닐 아세테이트 공중합체라고 지칭되고, 열가소성 엘라스터머 소재이다.
이러한 열가소성 에틸렌-비닐 아세테이트 공중합체는 가황 처리되지는 않았지만 고무 또는 가소화된 폴리염화비닐의 특성으로 인해 저온 특성이 우수하다는 특징이 있다.
또한, 약 60% 이상의 높은 비율의 VA(Vinyl Acetate)를 기반으로 하는 EVA 공중합체는 에틸렌-비닐 아세테이트 고무라고 지칭된다.
이러한 에틸렌-비닐 아세테이트 고무는 부드러움과 유연성이 우수하고 투명도와 광택, 저온 인성, 응력균열 저항, 접착력 증대, 방수 특성, UV 복사에 대한 안정성 확보가 가능하다는 특징이 있다.
특히, 본 발명의 실시예에 따른 고점착 개질 아스팔트의 경우, 상기 EVA 공중합체의 경우, 용융지수가 약 6.0g/10min이고, VA 함량이 28중량%이며, 밀도가 0.950g/㎤이고, 융점이 71℃이며, 표면경도가 26 D scale이고, 연화점이 42℃를 갖는 재료를 사용하지만, 이에 국한되는 것은 아니다.
따라서, 이러한 EVA 공중합체의 경우, 융점 및 연화점이 개질 아스팔트 온도인 160~180℃에 비해 낮기 때문에 분산 상태가 양호하며, 또한, 저온 저항성능이 향상된 개질 아스팔트 형태를 구성하게 해줌으로써 균열 저항성 및 충격 감쇠에 양호한 영향을 줄 수 있다.
한편, 고분자(polymer)란 분자량이 극히 큰 분자를 가리키며, 보통 분자량이 10,000~25,000 이상이 될 때 고분자라 한다.
최초에는 유기고분자 화합물에 한정적으로 표현하였으나, 최근에는 공유결합성을 지닌 무기고분자 화합물까지 넓혀졌다.
최근 화학 반응과 그것을 도와주는 촉매의 개발에 의해 다양한 고분자가 합성되어, 강도나 내열성 등에서는 천연 고분자를 능가하는 합성 고분자가 존재한다. 이러한 고분자 합성의 원리는 그 구조 단위에 해당하는 저분자를 다수 서로 결합시키는 것이다.
예를 들면, 한 분자 내에서 결합을 생성할 수 있는 관능기를 두 개 이상 가지는 화합물을 서로 반응시키면 고분자가 생성된다.
이러한 고분자 합성에 이용되고 있는 반응의 종류로는 부가 반응, 개환 반응 및 작은 분자가 떨어져 나가는 치환 반응, 즉, 축합 반응이 주된 것이며, 또한, 부가 중합이나 개환 중합과 같은 연쇄적 중합 반응과, 중축합, 중부가 및 부가 반응과 축합 반응이 교대로 일어나는 부가 축합과 같은 단계적 중합 반응으로 분류된다.
이러한 중합 반응에 의해 얻어지는 고분자의 대부분은 가열하면 유동성을 나타내는 열가소성 고분자이지만, 이에 반해, 한 분자 중 세 개 이상의 관능기를 갖는 모노머(Monomer)가 중합에 관여하는 경우, 가열하면 반응이 한층 더 진행되어 생성된 고분자가 가교에 의해 경화되므로 불용불융의 특징을 갖는 열경화성 고분자도 있다.
폴리에틸렌(PE) 수지 개질재
본 발명의 실시예에 따른 고점착 개질 아스팔트에서, 폴리에틸렌(PE) 수지의 구성성분 중에서 BHT(부틸화 히드록시 톨루엔), Ionol 등의 산화방지 성분은 열에 의한 노화를 방지하고, 수지가 사용되는 동안 햇빛에 노출됨으로써 빛에 의한 열화를 막는다.
그 밖에 폴리에틸렌(PE)의 특성으로는 유연성을 들 수 있는데, 이는 장점도 되며 단점도 될 수 있다.
이러한 폴리에틸렌(PE)는 유백색이며 반투명, 불투명의 납과 같은 느낌의 플라스틱으로서, 비중은 보다 작고, 내수성 및 전기 절연성(특히 고주파 절연)이 우수하고, 산과 알칼리에 잘 견디는 특징이 있다.
또한, 폴리에틸렌(PE)은 위생적으로 무독하며, 저온에서도 상당하게 유연성을 잃지 않고 충격에 강하다는 특징이 있다. 또한, 폴리에틸렌(PE)은 거의 수분을 통과시키지 않지만, 탄산가스, 유기용제, 향료 등의 투과도는 상당히 크다.
이러한 폴리에틸렌(PE)은 화학적으로 아주 안정하며, 상온에서 용해시킬 수 있는 용제가 없다. 그리고 완전히 무극성이기 때문에 접착제로서 접합하거나, 표면에 인쇄하기 어렵다는 특징이 있다.
이러한 폴리에틸렌(PE)뿐만 아니라 결정성 플라스틱에 대해서도 마찬가지지만, 이러한 폴리에틸렌(PE)도 일반적으로 결정화도(결정 밀도)가 크면 클수록 융점, 연화점, 항복점, 강성, 내약품성, 경도 등이 커지고, 반면 투명도가 떨어지든가 신축성이 줄어든다.
또한, 폴리에틸렌(PE)은 가공면에 있어서 약간 어렵고, 이러한 관계로 인해 일단 표준으로 멜트인덱스(Melt Index: Ml)라는 용어가 자주 쓰이며, 이러한 MI를 MFI라고도 한다. 이와 같이 폴리에틸렌(PE) 수지는 밀도, MI 및 분자량 분포에 의해 성질이 크게 변할 수 있다.
구체적으로, 이러한 폴리에틸렌(PE)은 LDPE, LLDPE, HDPE 등으로 구분되며, 그 종류별 유변학적 특성은 다음과 같다.
먼저, LDPE는 -120℃의 유리전이온도와 105~115℃의 융점(Melting point: Tm)을 가짐으로 인해 우연성과 내충격성, 용이한 가공성을 갖게 되지만, Tm이 낮고 Vicat 연화점이 80~90℃로 나타나기 때문에 비교적 높은 온도에서는 물성을 유지하지 못하여 가교 방법을 통해 취약한 내열성을 보완하기도 한다.
이에 반해, LLDPE는 110~125℃, HDPE는 130~135℃, PP 호모폴리머는 165℃의 상대적으로 높은 융점을 보임으로써 LDPE와는 다른 결정화 거동을 나타내기 때문에 LDPE보다 강한 물성을 가질 뿐만 아니라 LDPE와는 상용성을 갖지 않는 것으로 알려져 있다.
하지만, LLDPE의 경우, 융점 및 결정화 온도가 큰 차이가 나지 않기 때문에, 냉각속도를 빨리 진행시키면 고체 상태(solid state)에서도 서로 상분리(phase separation) 되지 않는다.
이러한 LDPE는 LLDPE에 비해 낮은 전단속도(예를 들면, 1m/s 이하)에서는 높은 점도를 나타냄으로써, 중공 성형시 패리손(parison)의 안정성에 기여하며 실제 압출가공영역(102~103m/s)에서는 낮은 점도를 보여 가공 부하가 낮게 되는 장점을 갖게 되는데, 이는 LDPE의 분자량분포가 상대적으로 넓기 때문이다.
또한, LDPE는 LLDPE나 HDPE에 비해 많은 장쇄 분지를 갖기 때문에, 용융장력이 상대적으로 높아 블로우 필름 압출시 버블의 안정성, 압출코팅에서의 Neck-in 문제가 덜 발생하는 장점을 갖게 되며, 활성화 에너지가 커서 온도변화에 다른 점도 변화가 크다는 특징이 있다.
유지류 개질재
유지류는 주로 글리세롤과 지방산의 에스테르(산과 알코올로부터 물을 분리하여 생성된 화합물)인 글리세라이드(아실글리세롤)로 이루어져 있다. 이밖에도 유지류는 뷰티르산과 스테아르산 등이 있으며, 이들은 실온(20℃)에서 고체 상태를 유지한다.
여기서, 상기 글리세라이드는 지방산과 글리세롤의 에스터 결합화합물이고, 글리세라이드로 가장 일반적인 지방은 3개의 하이드록시 작용기와 결합된 구조를 갖고 있다. 또한, 하이드록시기가 1이면 모노글리세라이드라고 하고, 하이드록시기가 2이면 다이글리세라이드가 된다.
예를 들면, 식물성 기름이나 동물성 기름은 대개 트라이글리세라이드이고, 이것은 효모에 의해 분해되어 모노글리세라이드나 다이글리세라이드가 된다.
또한, 이러한 글리세라이드는 공기중 수분을 흡수하는 성질이 있다.
구체적으로, 상기 글리세라이드의 지방산 사슬길이 및 구조적 차이에 따라 아스팔트의 고무 분산 및 저온성능에 영향을 미칠 수 있다.
예를 들면, 팜오일에서 추출된 글리세롤과 Palmitic acid, stearic acid 등 사슬길이가 C12~C18인 지방산을 이용하여, 모도(mono), 디(di), 트리(tri) 등 다양한 글리세라이드 구조를 갖는 신규 분산제 합성이 가능할 수 있고,
이를 아스팔트 배합물에 적용하여 기존의 금속염 지방산 분산제 대비 혼합고무 내에서는 윤활 효과가 낮아서 점도는 높을 수도 있다. 하지만, 아스팔트와의 분산을 통해 이를 개선할 수 있고, 분산성 및 점착력 향상에 기여할 수 있다.
또한, 글리세라이드의 지방산의 길이와 글리세롤에 중합된 지방산 수에 따라 고무의 분산 및 저온성능에 효과를 기대할 수 있다. 예를 들면, 지방산 사슬길이가 길고 글리세롤에 중합된 지방산 수가 적을수록 아스팔트 내 고무분산 특성을 향상시킬 수 있고, 더불어 모노글리세리드 및 그 유도체들도 계면활성제로 사용될 수 있으며,
이들은 유지와 글리세롤로부터 아스팔트의 존재하에 130℃ 이상의 고온에서 에스테르 교환반응의 제조로 아스팔트의 저온성능을 개선할 수 있다.
고무 배합유 첨가제
고무 배합유는 아스팔트 피치, 아로마틱계(Ca) 오일, 스테아린산 중에서 1 내지 2종을 혼합하여 사용한다.
구체적으로, 아스팔트 피치는 석유골탄성분으로 흑색, 고무원료 100%에 2~15% 투입하면 열에 의한 접착성이 우수한 특징을 갖는다.
이러한 아스팔트 피치에 다량 함유된 아스팔텐은 중질유 중에서 가장 분자량이 큰 물질이며,
특히, 벤젠에는 용해되지만, n-펜텐에는 불용성이다. 이러한 아스팔트 피치의 경우, 15~20%가 아스팔텐으로 이루어져 있고, 황 8~9%, 산소 2~3%, 질소 1%를 함유한다.
또한, Ca(아로마틱계)는 천연고무, 재생고무, SBR 등을 사용하며, 모든 고무에 들어가는 기름은 고무분자 속에 침투하여 팽윤성이나 고무물성에 연화작용과 윤활 작용을 한다. 이때, 탄화수소의 형태는 고리 모양으로서 CnHn 형태의 분자구조를 갖는다.
또한, 스테아린산은 동물 유지 또는 식물 유지를 원료로 하여 산화제를 첨가하여 만든 고형체 물질로서, 특히, 고무제품에 없어서는 안되는 필수적인 연화제이다. 예를 들면, 스테아린산은 고무원료 100중량부를 기준으로 5중량부 이상 투입된다.
산화 방지제 첨가제
전술한 바와 같이, 개질 아스팔트는 고온에서 고분자인 폴리머를 혼합하여 용해시키기 때문에 필연적으로 열과 공기 중에 있는 산소에 의해 폴리머 구조가 변하게 된다.
이러한 폴리머가 열에 의해 노화가 일어나면 폴리머의 고분자 사슬에 라디칼 구조를 형성하게 되며,
이렇게 형성된 라디칼은 다른 고분자 사슬과 결합하여 경화를 일으키거나 또는 산소와 반응하여 퍼옥사이드(과산화물)를 형성하게 된다.
이렇게 생성된 퍼옥사이드는 열에 의해 분해되어 새로운 라디칼 구조를 만들게 되고, 이러한 과정을 반복하면서 폴리머의 물성을 급격히 저하시키게 된다.
이를 방지하기 위하여 산화 방지제(또는 열안정제)가 사용되며, 결국, 열적으로 안정하고 상분리 특성이 우수한 개질제 개발이 필요한 실정이다.
이러한 산화 방지제는 메커니즘에 따라 1차 산화 방지제와 2차 산화 방지제로 구분할 수 있다. 구체적으로, 1차 산화 방지제는 폴리머가 열에 의해 생성된 라디칼 구조와 결합하여 안정된 구조를 만들어 더 이상 라디칼 생성이 되지 않게 하는 역할을 하게 된다.
또한, 2차 산화방지제는 라디칼 및 산소와 반응하여 생성된 퍼옥사이드와 반응함으로써 새로운 라디칼 생성을 억제하는 역할을 한다.
통상적으로, 고무 개질재는 중성적 물체로 산화제에 의하여 제품화가 이루어지며, 이러한 고무 개질재 사용시 산소, 오존, 알칼리, 자외선, 풍속 등에 의하여 노화 현상이 일어나게 된다. 이러한 노화 현상을 방지하기 위해서 산화 방지제를 사용한다. 예를 들면, 산화 방지제로서, 고무원료 100중량%를 기준으로 1~2중량% 정도 사용한다.
구체적으로, 산화 방지제는 플라스틱 내에 생성된 라디칼과 반응하여 플라스틱을 안정화시키는 라디칼 포착제로서 기능을 하며, 대표적인 물질군으로는 페놀계 산화 방지제와 방향족 아민계 산화 방지제가 있다.
이러한 두 물질군은 그 자신이 가지고 있는 수소를 방출하여 라디칼을 안정화시키고, 그 자신이 라디칼로 변하게 되는데, 공명 효과 또는 전자의 재배열을 통하여 안정한 형태로 잔류하게 된다.
페놀계 산화 방지제는 열가소성 플라스틱에서 가장 많이 사용되는 1차 안정제로서, 예를 들면, 도 6에 도시된 바와 같이, 페놀, 비스페놀, 고분자량의 페놀 및 황-함유 페놀로 구분된다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 고점착 개질 아스팔트에서 페놀계 산화 방지제의 분자구조를 나타내는 도면으로서, 도 6의 a)는 페놀을 나타내고, 도 6의 b)는 비스페놀을 나타내며, 도 6의 c)는 고분자량 페놀을 나타내고, 도 6의 d)는 황 함유 페놀을 각각 나타내며, 도 7은 본 발명의 실시예에 따른 고점착 개질 아스팔트에서 황-함유 페놀의 분자구조를 나타내는 도면이다.
대표적인 페놀계 산화 방지제로서 가장 많이 알려진 것은 BHT가 있는데, 정식명은 "2-6-Di-t-butyl-4-methylphenol"이다. 이러한 BHT는 주로 폴리올레핀, 스틸렌계, 비닐계 및 엘레스토머의 안정제로 사용되는데, 효과가 우수한 안정제이나 휘발성이 크고 산화 과정에서 스틸벤 퀴논의 생성으로 색상 변화가 일어나는 단점이 있다.
또한, 방향족 아민계 산화 방지제는 도 8에 도시된 바와 같이, 전술한 페놀계 산화 방지제와 유사하게 수소를 제공하는 역할을 하며, 고온에서 퍼옥시 라디칼의 분해제로 작용하는 2차 안정제이다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 고점착 개질 아스팔트에서 방향족 아민계 산화 방지제의 메커니즘을 설명하기 위한 도면이다.
도 8에 도시된 방향족 아민계 산화 방지제는 전술한 페놀계 산화 방지제와는 달리 색상 변화가 발생되는 특징이 있기 때문에 색상 및 제품 외관이 중요한 분야에서는 사용하기 어렵다는 단점이 있다.
이러한 방향족 아민계 산화 방지제의 주요 사용처는 카본 블랙을 함유한 올레핀계 플라스틱의 안정제이다.
본 발명의 실시예에서 산화 방지제의 종류로는 방향족 아민(Amine)계 및 페놀(Phenol)계가 있으며,
예를 들면, 방향족 아민계 산화 방지제는 노방 D, 노방 C, 노방 ST-1, 노방 DP-1, DP-2, 노방 DP, 노방 F, 노방 RD, 노방 AW 등이 있고, 또한, 페놀계 산화 방지제는 노방 BHT, CP, DAH, MBH, RC, SP, XP, W-2000, W-300, 400, 500, NBC, OD, MB, Bour 등이 있다.
이에 따라, 본 발명의 실시예에서 상기 산화 방지제는 방향족 아민계 산화 방지제와 페놀(Phenol)계 산화 방지제 중에서 1종 내지 2종을 선택적으로 사용하였다.
결국, 본 발명의 실시예에 따르면, SBS(120) 및 STE(130) 등에 의해 탄성복원력을 향상시킬 수 있고, 또한, 변형강도, 동적안정도, 수분저항성 등의 공용성능을 확보할 수 있다.
또한, 개질재 및 첨가제의 화학적 조성에 의한 결합을 통해 만들어진 고점착 개질 아스팔트 바인더로서, 골재의 접착력을 향상시키고, 혼합온도에서의 용융성이 우수하며, 수분저항성을 향상시킬 수 있다. 또한, 감온성 및 박리저항성 향상을 위한 경제성, 장기저장성, 고온 공용성 확보, 현장생산성 등의 현장조건과 내충격성, 내수성, 골재 부착성능 등의 내구성을 향상시킬 수 있다.
[고점착 개질 아스팔트의 제조방법]
도 9는 본 발명의 실시예에 따른 고점착 개질 아스팔트의 제조방법을 나타내는 동작흐름도이다.
도 9를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 고점착 개질 아스팔트 제조방법은,
먼저, 고점착 개질 아스팔트 형성을 위해 동적전단시험(Dynamic Shear Rheometer: DSR), 휨강도시험(Bending Beam Rheometer: BBR), 동점도(Kinematic Viscosity) 및 연화점(Softening Point) 등을 이용하여 아스팔트 바인더인 스트레이트 아스팔트의 물성을 확인하고, 아스팔트 저장탱크에 저장한다(S110).
다음으로, 상기 아스팔트 바인더에 혼합될 개질재와 첨가제의 물성을 확인하고, 상기 아스팔트 저장탱크 내에서 적정 배합비에 따른 반응온도 및 시간을 결정한다(S120).
여기서, 상기 개질제는 SBS, STE, EVA, PE 수지 및 유지류일 수 있고, 상기 첨가제는 고무 배합유 및 산화 방지제일 수 있다.
구체적으로, 개질재와 아스팔트를 일정한 온도에서 미리 혼합하여 개질된 아스팔트 바인더 형태로 제공되며, 이를 위해서 플랜트 배치 내에 골재를 투입할 때 혼입하는 방식을 사용할 수 있도록 아스팔트 저장탱크가 구비되어야 한다.
이와 같이 개질된 아스팔트 바인더를 아스팔트 저장탱크 내에 보관할 경우, 손실로 인한 품질관리에 어려움이 발생하지 않는다는 장점과 플랜트에서 추가적인 공정이 발생하지 않는다는 장점이 있다.
본 발명의 실시예에 따른 고점착 개질 아스팔트는, 액상이나 고형으로 형성된 개질재를 플랜트 배치 내에서 골재와 아스팔트 혼입 시에 투입하여 생산되기 때문에, 아스팔트 저장탱크 이외의 별도의 저장탱크는 필요하지 않으며,
즉, 아스팔트 저장탱크 내에 간단하게 개질재를 투입함으로써 아스팔트 혼합물을 생산할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 고점착 개질 아스팔트의 제조방법의 경우, 아스팔트 생산공장에서 개질재의 배합을 완료한 후에 아스콘사에 공급되는 사전배합(Pre-Mix) 방식으로 생산하는 것이 바람직하다.
여기서, 사전배합 방식은 제품에 대한 품질관리가 용이하고, 아스콘 플랜트에서 별도의 주입시설이 필요 없이 스트레트 아스팔트와 동일한 방법으로 사용할 수 있다는 장점이 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 고점착 개질 아스팔트의 경우, 아스콘 플랜트에서 아스팔트 혼합물(Asphalt mixture) 생산 시에 개질재를 분리하여 직접 투입하는 현장배합(Plant-Mix) 방식으로 생산할 수도 있다.
다음으로, 상기 적정 배합비에 따라 상기 개질재와 첨가제를 상기 아스팔트 저장탱크 내의 아스팔트 바인더에 혼합하여 고점착 개질 아스팔트를 제조한다(S130).
여기서, 고점착 개질 아스팔트는, 아스팔트 바인더로서 62~96.88중량%의 스트레이트 아스팔트; 개질재로서, 1~8중량%의 SBS(Styrene-butadiene-styrene); 개질재로서, 1~8중량%의 STE(Styrenic Thermoplastic Elastomer); 개질재로서, 0.5~8중량%의 EVA(Ethylene Vinyl Acetate); 개질재로서, 0.5~6중량%의 폴리에틸렌(PE) 수지; 개질재로서, 0.1~5중량%의 유지류; 첨가제로서, 0.01~1중량%의 고무 배합유; 및 첨가제로서, 0.01~2중량%의 산화 방지제로 이루어지며,
상기 산화 방지제는 아스팔트의 산화를 지연시키는 역할을 하는 첨가제로서 아민계와 페놀계 중에서 1 내지 2종을 선택하여 사용되고; 상기 SBS는 탄성체인 부타디엔의 양 말단에 스티렌 블록으로 이루어진 블록공중합체의 구조로 형성되어 아스팔트의 탄성 복원력을 증가시킬 수 있다.
다음으로, 상기 제조된 고점착 개질 아스팔트의 품질이 소정 기준을 만족하는지 확인한다(S140).
다음으로, 상기 고점착 개질 아스팔트의 품질이 소정 기준을 만족할 경우 현장에 공급하여 아스팔트 포장을 시공한다(S150).
[실험 결과]
본 발명의 실시예에 따른 고점착 개질 아스팔트에서, 하중 재하에 의한 아스팔트 복원성능은 아스팔트의 장기공용성에 도움이 되며, 하중재하 후 복원되는 시간이 짧아짐으로써 연속하중에 대한 저항성을 키울 수 있을 뿐만 아니라 변형 발생시 Self-leveling의 시간을 단축시킬 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 고점착 개질 아스팔트에 대해, ASTM D 6084의 시험방법에 따라 신도시험기를 이용한 아스팔트의 복원성능을 평가하였다. 도 10은 본 발명의 실시예에 따른 고점착 개질 아스팔트의 탄성 복원력 평가결과를 예시하는 도면이다.
본 발명의 실시예에 따른 고점착 개질 아스팔트의 탄성 복원력 평가결과로서, 도 10에 도시된 바와 같이, AP-5는 복원성능이 거의 없는 것으로 나타났지만, 이에 반해 본 발명의 실시예에 따른 고점착 개질 아스팔트는, 일정한 신장 후에 회복력이 60% 이상을 나타냄으로써 AP-5보다 개선된 것을 알 수 있다.
한편, 아스팔트의 물리적 성질은 온도에 따라 물성의 차이가 나타나게 되며, 이를 관리하기 위해 아스팔트가 안정적으로 공용될 수 있도록 수퍼페이브 아스팔트 바인더 시방규격(AASHTO MP1-93)에서 규정하여 사용되고 있다.
예를 들면, PG64-22등급은 7일간 평균 최고포장설계 온도가 64℃이며, 최저포장설계온도가 -22℃인 기후조건에 사용되는 아스팔트 등급이다. 따라서 공용성능 확보를 위해 지역적 기후조건을 고려하여 선택적으로 사용되어야 한다.
아스팔트 바인더의 공용성 등급은 국내 및 미국, 유럽 등에서 주로 사용하고 있으며, 침입도와 점도 등급과 같이 시험자의 오차가 발생할 확률이 적은 DSR 시험장비를 통해 아스팔트를 규격화한다.
보통 PG 공용성 등급에서는 평균 7일 최고 포장설계 온도를 이용하여 고온등급을 설정하고 있으며, 최저 포장 설계온도는 저온등급 선정의 기본이 되고 있다. 그래서 고온등급의 경우, PG46부터 PG82 정도의 범위를 일반적으로 규정하고 있으며, 또한, 저온의 경우,
-10에서 -46°C까지의 범위를 가지고 결정하고 있다. 또한, 아스팔트 바인더의 등급별 인화점, 점도, 동적전단, 단기노화, 장기노화 등의 측정을 통해 최소한 아스팔트 바인더가 가져야 할 요구물성들을 규정하며, 국내 현장에서는 이러한 기준들을 이용하여 아스팔트 혼합물의 성능을 예측 및 적용하고 있다.
도 11은 본 발명의 실시예에 따른 고점착 개질 아스팔트의 공용성능 확보를 위한 평가 기준을 예시하는 도면이다.
도 11의 경우, Superpave 바인더 규격을 보여주고 있으며, 본 발명의 실시예에서 목표로 하는 두 가지 등급만을 기술하였다.
한편, 도 12는 본 발명의 실시예에 따른 고점착 개질 아스팔트의 성능 평가결과를 예시하는 도면이다.
본 발명의 실시예에 따른 고점착 개질 아스팔트에서, 유지 및 첨가제에 의한 스티렌계열 블록공중합체와 열가소성수지가 용융된 고점착 개질 아스팔트는 제조 배합의 범위 내에서 PG76-22, PG76-28 또는 PG82-28 등과 같이 고온 및 저온의 온도 범위를 조정할 수 있으며, 그 성능 평가결과는 도 12에 도시된 바와 같다.
한편, 도 13은 본 발명의 실시예에 따른 고점착 개질 아스팔트 혼합물 시험결과를 예시하는 도면으로서, 전술한 도 3에 도시된 바와 같이, 제1 실시예 및 제2 실시예에 따라 고점착 개질 아스팔트를 형성하고, 이러한 고점착 개질 아스팔트를 사용하여 각각 고점착 개질 아스팔트 혼합물을 형성하였다.
본 발명의 실시예에 따른 고점착 개질 아스팔트 포장의 다짐은 초기에 충분히 다져서 체적변화가 적도록 해야 하므로 중 차량도로 포장용 혼합물의 선회다짐 100회를 적용하였다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 고점착 개질 아스팔트 혼합물은 가열아스팔트 혼합물로서 180~190℃에서 혼합하였고, 170~180℃에서 다짐하여 시험용 공시체를 제작하였다.
본 발명의 실시예에 따른 고점착 개질 아스팔트 혼합물에 대한 아스팔트 혼합물 평가 결과에 따르면,
도 13에 도시된 바와 같이, 공극률 3~6%, 골재간극률 14% 이상, 포화도 65~80%, 마샬안정도 7500N 이상, 간접인장강도 0.8MPa 이상, 변경강도 4.25MPa 이상, 동적안정도 3,000pass/mm 이상, 수분민감성 80% 이상을 모두 만족함으로써 아스팔트 콘크리트 포장에 고점착 개질 아스팔트를 적용할 수 있다.
더불어, 본 발명의 실시예에 따른 고점착 개질 아스팔트는 고점도의 특성으로 인해 소성변형 저항성 및 흐름성이 우수함에 따라 일반 아스팔트 포장뿐만 아니라 다공성 특수 아스팔트 콘크리트 포장에 적용할 수 있다.
결국, 본 발명의 실시예에 따르면, 스티렌계 블록공중합체와 열가소성 수지의 용융 및 특수 첨가제를 이용하여 안정적인 품질을 확보하고 작업성을 확보할 수 있다.
또한, 고점착 개질 아스팔트의 제조 후 플랜트 현장까지의 운반과 저장을 고려하여 시간에 따른 아스팔트의 노화 및 변형으로 품질이 저해되지 않도록 방지할 수 있다.
전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.
본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
100: 고점착 개질 아스팔트
110: 스트레이트 아스팔트
120: SBS(Styrene-butadiene-styrene)
130: STE(Styrenic Thermoplastic Elastomer)
140: EVA(Ethylene Vinyl Acetate)
150: 폴리에틸렌(PE) 수지
160: 유지류
170: 고무 배합유
180: 산화 방지제

Claims (10)

  1. 아스팔트 바인더로서 62~96.88중량%의 스트레이트 아스팔트; 개질재로서, 1~8중량%의 SBS(Styrene-butadiene-styrene); 개질재로서, 1~8중량%의 STE(Styrenic Thermoplastic Elastomer); 개질재로서, 0.5~8중량%의 EVA(Ethylene Vinyl Acetate); 개질재로서, 0.5~6중량%의 폴리에틸렌(PE) 수지; 개질재로서, 0.1~5중량%의 유지류; 첨가제로서, 0.01~1중량%의 고무 배합유; 및 첨가제로서, 0.01~2중량%의 산화 방지제로 이루어지며,
    상기 산화 방지제는 아스팔트의 산화를 지연시키는 역할을 하는 첨가제로서 아민계와 페놀계 중에서 1 내지 2종을 선택하여 사용되고;
    상기 SBS는 탄성체인 부타디엔의 양 말단에 스티렌 블록으로 이루어진 블록공중합체의 구조로 형성되어 아스팔트의 탄성 복원력을 증가시키는 것을 특징으로 하는 고점착 개질 아스팔트.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 SBS는 스티렌-부타디엔 블록공중합체 및 왁스의 혼합물로서 아스팔트의 온도 특성을 개선하기 위한 개질재로 사용되며, 상기 스티렌-부타디엔 블록공중합체는 스티렌 함량이 10~25중량%이고 스티렌 블록율이 40~70%이며, 중량 평균분자량이 50,000~90,000이고, 상기 왁스는 연화점이 90~200℃이고 140℃의 점도가 15~300cps이며, 상기 스티렌-부타디엔 블록공중합체:왁스의 중량비는 1.5~5:1.5~5로 조성되는 것을 특징으로 하는 고점착 개질 아스팔트.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 STE는 선형 또는 가지형 블록공중합체로서 인장력과 인성, 골재 부착성을 개선하기 위한 개질재로 사용되며, 폴리머 분자량이 80,000g/mol~150,000g/mol인 것을 사용하되, 상기 폴리머에 포함되어 있는 부타디엔 중에서 비닐기 함량은 상기 100중량부의 폴리머를 기준으로 35중량부 내지 45중량부가 포함되는 것을 특징으로 하는 고점착 개질 아스팔트.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 EVA는 에틸렌과 비닐 아세테이드의 공중합체로서 탄성력과 열 접착성 개선을 위한 개질재로 사용되며, 용융지수가 약 6.0g/10min이고, VA(Vinyl Acetate) 함량이 28중량%이며, 밀도가 0.950g/㎤이고, 융점이 71℃이며, 표면경도가 26 D scale이고, 연화점이 42℃인 것을 특징으로 하는 고점착 개질 아스팔트.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 폴리에틸렌 수지는 아스팔트의 열화 현상 및 수분민감성, 차량 이동에 의한 진동과 같은 충격을 강화하기 위해 사용되는 개질재로 사용되는 것을 특징으로 하는 고점착 개질 아스팔트.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 유지류는 아스팔트의 접착력 및 저온 성능을 향상시키기 위한 개질재로 사용되며, 글리세롤과 지방산의 에스테르인 글리세라이드(아실글리세롤)로 구성되는 것을 특징으로 하는 고점착 개질 아스팔트.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 고무 배합유는 고무분자 속에 침투하여 고무 물성에 연화작용과 윤활작용을 활성화시킴에 따라 개질재들의 분산력을 향상시켜 개질 아스팔트의 안정적 성상을 확보하는 첨가제로서, 열에 의한 접착성이 우수한 아스팔트 피치, 고무 물성에 연화작용과 윤활작용을 하는 아로마틱계(Ca) 오일 또는 연화제 역할을 하는 스테아린산 중에서 1 내지 2종을 혼합하여 사용되는 것을 특징으로 하는 고점착 개질 아스팔트.
  8. a) 아스팔트 바인더인 스트레이트 아스팔트의 물성을 확인하고, 아스팔트 저장탱크에 저장하는 단계;
    b) SBS, STE, EVA, PE 수지 및 유지류로 이루어진 개질재와 고무 배합유 및 산화 방지제로 이루어진 첨가제의 물성을 확인하고, 상기 아스팔트 저장탱크 내에서 상기 아스팔트 바인더에 혼합될 개질재와 첨가제 적정 배합비에 따른 반응온도 및 시간을 결정하는 단계;
    c) 상기 적정 배합비에 따라 상기 개질재와 첨가제를 상기 아스팔트 저장탱크 내의 아스팔트 바인더에 혼합하여 고점착 개질 아스팔트를 제조하는 단계;
    d) 상기 고점착 개질 아스팔트의 품질이 소정 기준을 만족하는지 확인하는 단계; 및
    e) 상기 고점착 개질 아스팔트의 품질이 소정 기준을 만족할 경우, 아스팔트 포장 시공을 위해 현장에 공급하는 단계를 포함하되,
    상기 고점착 개질 아스팔트는, 아스팔트 바인더로서 62~96.88중량%의 스트레이트 아스팔트; 개질재로서, 1~8중량%의 SBS; 개질재로서, 1~8중량%의 STE; 개질재로서, 0.5~8중량%의 EVA; 개질재로서, 0.5~6중량%의 폴리에틸렌 수지; 개질재로서, 0.1~5중량%의 유지류; 첨가제로서, 0.01~1중량%의 고무 배합유; 및 첨가제로서, 0.01~2중량%의 산화 방지제로 이루어지며,
    상기 산화 방지제는 아스팔트의 산화를 지연시키는 역할을 하는 첨가제로서 아민계와 페놀계 중에서 1 내지 2종을 선택하여 사용되며;
    상기 SBS는 탄성체인 부타디엔의 양 말단에 스티렌 블록으로 이루어진 블록공중합체의 구조로 형성되어 아스팔트의 탄성 복원력을 증가시키는 것을 특징으로 하는 고점착 개질 아스팔트 제조방법.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 SBS는 스티렌-부타디엔 블록공중합체 및 왁스의 혼합물로서 아스팔트의 온도 특성을 개선하기 위한 개질재로 사용되며, 상기 스티렌-부타디엔 블록공중합체는 스티렌 함량이 10~25중량%이고 스티렌 블록율이 40~70%이며, 중량 평균분자량이 50,000~90,000이고, 상기 왁스는 연화점이 90~200℃이고 140℃의 점도가 15~300cps이며, 상기 스티렌-부타디엔 블록공중합체:왁스의 중량비는 1.5~5:1.5~5로 조성되는 것을 특징으로 하는 고점착 개질 아스팔트 제조방법.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 고무 배합유는 고무분자 속에 침투하여 고무 물성에 연화작용과 윤활작용을 활성화시킴에 따라 개질재들의 분산력을 향상시켜 개질 아스팔트의 안정적 성상을 확보하는 첨가제로서, 열에 의한 접착성이 우수한 아스팔트 피치, 고무 물성에 연화작용과 윤활작용을 하는 아로마틱계(Ca) 오일 또는 연화제 역할을 하는 스테아린산 중에서 1 내지 2종을 혼합하여 사용되는 것을 특징으로 하는 고점착 개질 아스팔트 제조방법.
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