[논문]중온화 첨가제(LEADCAP(R))를 사용한 중온 아스팔트 바인더의 특성 평가

이재준; 양성린; 권수안; 황성도

doi:10.7855/ijhe.2011.13.2.001

중온화 첨가제(LEADCAP(R))를 사용한 중온 아스팔트 바인더의 특성 평가
A Study of Performance Evaluation of Warm Asphalt Binder Properties using LEADCAP(R) additive 원문보기

한국도로학회논문집 = International journal of highway engineering, v.13 no.2 = no.48, 2011년, pp.1 - 8

이재준 (한국건설기술연구원) , 양성린 (한국건설기술연구원) , 권수안 (한국건설기술연구원) , 황성도 (한국건설기술연구원)

초록
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본 연구의 목적은 중온화 첨가제(LEADCAP$^{(R)}$)를 사용한 중온 아스팔트 바인더의 노화 방법에 따른 물성 변화 특성을 평가하고자 하였다. 아스팔트 바인더의 노화 거동을 모사하기 위해 단기노화인 RFTO를 실시하였으며, 햇빛에 의한 자연 노화 거동을 알아보기 위해 자외선 경화기를 이용하여 자외선에 의한 열화거동을 모사하였다. 이러한 열화 중온 아스팔트 바인더의 역학적인 물성과 유변동학적인 특성을 시험하기 위해서 만능시험기(UTM)과 동적전단유동기를 이용하여 직접인장력과 유변동학적인 거동을 평가하였다. 또한, 열분석 장비를 이용하여 온도에 따른 중온 아스팔트 바인더의 특성을 평가하여, 자외선 노출에 따른 열화가 발생하여도 온도에 따른 물성 변화가 많이 발생하지 않음을 발견하였다. $70^{\circ}C$에서 중온화 첨가제가 첨가한 단기노화 중온 아스팔트 바인더의 경우, PG 등급에서의 고온 등급의 기준값을 만족함을 알 수 있었다. 또한 저온에서 중온 아스팔트 바인더의 인장 특성을 평가한 결과, 인장강도 향상과 함께 인장력이 증가됨을 알 수 있었다.

Abstract ▼ AI-Helper

The objective of this paper is to evaluate the performance of low $CO_2$ asphalt binder properties using LEADCAP$^{(R)}$(Low Energy and Carbon Asphalt Pavement) additive as function of various aging methods such as RTFO(Rolling thin film oven), Ultraviolet(UV) lay. In order to simulate the short-term aging of asphalt binder that occurs during the hot-mixing asphalt process, the Rolling Thin Film Oven(RTFO) was used. Asphalt binder using LEADCAP$^{(R)}$ is prepared by addition of a photoinitiator activated by ultraviolet lay. The mechanical and rheological properties of the asphalt binder were estimated using UTM(Universal Testing Machine) and DSR(Dynamic Shear Rheometer). The test results showed that the asphalt binder using LEADCAP$^{(R)}$ additive was improved the rutting resistance at testing temperature ($70^{\circ}C$) and increased tensile strength at low temperature. Also, Thermal analysis shows that the Melting Point(Tm) of asphalt binder using LEADCAP$^{(R)}$ additive was constant although the asphalt binder was aged by Ultraviolet.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

자외선 경화시간을 약 3시간 동안 시료에 노출하였을 경우, 실제 자연 환경하 태양빛에서 5년 동안 노출되는 자외선량에 해당하며 기존 장기노화 시험(PAV)보다 시험 방법이 간편하고 5년보다 더 오랜 시간 공용된 포장 상태를 모사할 수 있는 것이 장점이다. 따라서 본 연구에서는 5년 후 중온 아스팔트 바인더의 거동을 연구하기 위해서 3시간 동안 자외선에 노출된 바인더의 물리적 거동 측정 평가를 수행하였다.
본 연구에서는 국내에서 개발된 중온화 첨가제인 LEADCAP를 사용한 중온 아스팔트 바인더에 대한 실내시험으로 다음과 같은 결론을 도출하였다. 본 실험에서는 중온 아스팔트 혼합물의 실험결과가 포함되어 있지 않은 것이 다소 미진한 부분이어서 향후에는 중온 아스팔트 혼합물 공용성 평가를 수행하여 비교 평가하는 것이 요구되어진다.
이에 본 연구에서는 중온화 첨가제를 사용한 중온 아스팔트 포장을 시공한 후 장시간 동안 태양빛에 노출되어 노화(Aging)된 중온 아스팔트 바인더의 물성 변화 특성을 평가하였다. 이러한 노화 특성을 모사하기 위해 자외선 경화기를 이용하였으며, 자연 환경 하에서 5년 동안 받을 자외선량에 해당하는 3시간 동안의 자외선 램프 노출을 중온 아스팔트 바인더에 가했다.

제안 방법

노화 단계별 시험 아스팔트 바인더(가열 아스팔트 바인더, 중온 아스팔트 바인더)의 온도 변화에 따른 점탄성 거동을 파 악하기 위해서(그림 3) TA Instrument DSR(Dynamic shear rheometer, Model: AR 1500 EX) 장비를 이용하여 G*/sinδ를 측정하여 온도에 따른 점탄성 거동에 대한 변화 특성을 평가하였다.
따라서 본 연구에서는 피셔트로프슈법에 의해 제조된 폴리 에틸렌계 왁스를 사용하였으며, 그림 1과 그림 2는 폴리에틸렌계 왁스의 분자 구조와 본 연구에서 사용된 중온화 첨가제를 나타낸 것이다.
이를 통해 노화된 중온 아스팔트와 비노화 중온 아스팔트 바인더의 점탄성 거동(G*/sinδ) 특성을 평가하기 위하여 DSR(Dynamic Shear Rheometer) 시험을 수행하였으며, 이 외에 온도에 따른 중온 아스팔트와 가열 아스팔트 바인더의 열적 거동을 조사하기 위해 열분석 장비 NETZSCH 사의 Thermogravimetric Analyzer(TGA, mode STA 409)를 사용하였다. 또한 저온에서의 중온화 첨가제를 사용한 아스팔트 바인더의 물리적 거동을 평가하기 위하여 인장강도 시험을 자외선 노출 여부를 조건으로 수행하였으며, 저온 균열 저항성 및 경화에 따른 인장력을 평가하였다.
본 연구를 수행하기 위해(그림 4) NETZSCH사의 Thermogravimetric Analyzer(TGA, Model STA 409)를 사용하여 25~600℃ 구간에서 승온 속도는 10℃/min으로 하여 시료에 열에 의한 변화상태를 열흐름(Heat Flow)과 온도의 함수 관계를 측정하였다. 실험 중 산화를 방지하기 위하여 고순도의 질소를 이용하여 실험을 하였다.
자외선에 장기 노출될 경우, 고분자 화합물들은 쉽게 연결고리(Main Chain)가 분리되고 이에 따라 그 본래의 특성이 변화하게 되는데 아스팔트 바인더와 같은 경우에는 경화를 촉진시켜 탄성적 거동 특성을 증가시키고 기존 노화시험과 유사한 결과를 나타내는 특징을 가진다(강현승 등, 2009). 본 연구에서는 중압수은 램프를 이용하여 자외선을 발생시키는 자외선 경화기를 사용하였으며, 자외선 경화기는 시간에 따른 경화도를 나타낼 수 있으며 이에 따른 아스팔트 바인더 및 혼합물의 물리적 거동 특성 변화를 평가할 수 있다. 실제 우리나라에 1년동안 조사되는 자외선양은 대략 106.
아스팔트 바인더를 가열하여 아령모양의 실리콘 고무틀에 부어 인장강도에 적합한 시편을 제작하였으며, 시편은 시험 전까지 냉온(-10℃)에서 보관하였다. 시편의 인장강도 측정은 만능재료시험기(UTM, Daekyung Co)를 사용하여 측정하였으며, 온도챔버 온도를 -10℃로 고정하여 측정을 하였다. 강현승과 홍영근(2009) 연구로부터 -10℃를 사용하기로 결정하였으며, 이러한 시험결과를 통해 저온에서 아스팔트 바인더의 역학적 특성을 파악할 수 있다.
본 연구를 수행하기 위해(그림 4) NETZSCH사의 Thermogravimetric Analyzer(TGA, Model STA 409)를 사용하여 25~600℃ 구간에서 승온 속도는 10℃/min으로 하여 시료에 열에 의한 변화상태를 열흐름(Heat Flow)과 온도의 함수 관계를 측정하였다. 실험 중 산화를 방지하기 위하여 고순도의 질소를 이용하여 실험을 하였다.
이에 본 연구에서는 중온화 첨가제를 사용한 중온 아스팔트 포장을 시공한 후 장시간 동안 태양빛에 노출되어 노화(Aging)된 중온 아스팔트 바인더의 물성 변화 특성을 평가하였다. 이러한 노화 특성을 모사하기 위해 자외선 경화기를 이용하였으며, 자연 환경 하에서 5년 동안 받을 자외선량에 해당하는 3시간 동안의 자외선 램프 노출을 중온 아스팔트 바인더에 가했다. 이를 통해 노화된 중온 아스팔트와 비노화 중온 아스팔트 바인더의 점탄성 거동(G*/sinδ) 특성을 평가하기 위하여 DSR(Dynamic Shear Rheometer) 시험을 수행하였으며, 이 외에 온도에 따른 중온 아스팔트와 가열 아스팔트 바인더의 열적 거동을 조사하기 위해 열분석 장비 NETZSCH 사의 Thermogravimetric Analyzer(TGA, mode STA 409)를 사용하였다.
비결정성 고분자를 제외한 결정성 고분자는 임의의 온도에서 녹아 용융 상태로 변화를 하는 특성을 지니고 있다. 중온화 첨가제가 사용된 중온 아스팔트 바인더의 열적 거동을 알 아보기 위해 TGA 장비를 이용하여 열분석 시험을 수행하였으며, 중온화 첨가제의 사용 유무, 자외선 노출 조건을 다르게 한 조건하에서 열분석을 측정한 결과들은 그림 5, 그림 6 과 그림 7에 나타내었다. 그림 5는 중온화 첨가제를 첨가하지 않은 스트레이트 아스팔트 바인더(침입도 60-80)의 열분석 결과를 보여주고 있으며, 그림 6은 중온화 첨가제를 투여 한 중온 아스팔트 바인더로 자외선에 노출되지 않은 열분석 결과를 설명해주고 있다.

대상 데이터

본 연구에서 사용한 아스팔트 바인더(Control Binder)는 국내 S사에서 생산되는 침입도 기준 70~80 및 PG 등급 64-22의 포장용 아스팔트를 사용하였다. 표 1은 아스팔트 바인더의 품질 시험 결과를 나타낸 것이다.
아스팔트 바인더를 가열하여 아령모양의 실리콘 고무틀에 부어 인장강도에 적합한 시편을 제작하였으며, 시편은 시험 전까지 냉온(-10℃)에서 보관하였다. 시편의 인장강도 측정은 만능재료시험기(UTM, Daekyung Co)를 사용하여 측정하였으며, 온도챔버 온도를 -10℃로 고정하여 측정을 하였다.

이론/모형

이를 통해 노화된 중온 아스팔트와 비노화 중온 아스팔트 바인더의 점탄성 거동(G*/sinδ) 특성을 평가하기 위하여 DSR(Dynamic Shear Rheometer) 시험을 수행하였으며, 이 외에 온도에 따른 중온 아스팔트와 가열 아스팔트 바인더의 열적 거동을 조사하기 위해 열분석 장비 NETZSCH 사의 Thermogravimetric Analyzer(TGA, mode STA 409)를 사용하였다.

성능/효과

1. 중온화 첨가제(LEADCAP )사용한 중온 아스팔트 바인더의 자외선 노출 시간에 따른 열적인 거동의 차이는 발생 하지 않고, 거의 일정한 온도대에서 Tm(멜팅온도)이 나 타남을 알 수 있었다. 이는 LEADCAP 첨가제가 자외선에 노출되었을 경우에도 기본 물성의 변화는 발생하지 않고 유지함을 설명해주고 있다.
2. 70℃에서 중온화 첨가제(LEADCAP )가 첨가된 단기노화 중온 아스팔트 바인더의 경우, PG 등급에서의 고온 등급의 기준값을 만족함을 알 수 있었다. 이는 중온 아스팔 트 바인더가 위에서 언급한 것과 같이 고온에서 발생될 수 있는 소성 흐름과 같은 변형에 대한 저항성을 증가시킬 것 으로 판단되며, 실제 여름철 고온에 적용하였을 경우 소성 변형과 같은 포장 파손에 대한 저항성을 증진시켜 내유동성이 증가될 것으로 판단된다.
3. 중온화 첨가제(LEADCAP )를 혼입한 중온 아스팔트 바인더의 자외선 노출 전/후의 인장강도를 보면 노출 전보다 노출 후의 값이 약 0.1N/mm² 높은 결과를 나타내는 것을 알 수 있으며 인장력 역시 약 2배 정도 증가하는 결과를 나타내었다.
그림 8에서와 같이 스트레이트 아스팔트 바인더 (Pure Virgin)는 단기 노화(RTFO) 후 G*/sinδ이 증가함 을 알 수 있다. 또한 자외선에 3시간 동안 노출된 아스팔트 바인더는 노화 전(Pure Virgin)과 거의 동일한 거동을 하는 것으로 나타났다. 반면 그림 9와 같이 중온화 첨가제 (LEADCAP)가 첨가된 중온 아스팔트 바인더에서는 G*/sinδ값이 시험한 모든 온도 영역에서 약 2∼3배 정도로 증가된 것으로 나타났으며, 특히 자외선에 3시간 노출된 아스팔트의 경우와 노화되지 않은 아스팔트의 경우에는 76℃의 고온영역에서 약 2배 정도의 증가를 나타내었다.
반면 그림 9와 같이 중온화 첨가제 (LEADCAP)가 첨가된 중온 아스팔트 바인더에서는 G*/sinδ값이 시험한 모든 온도 영역에서 약 2∼3배 정도로 증가된 것으로 나타났으며, 특히 자외선에 3시간 노출된 아스팔트의 경우와 노화되지 않은 아스팔트의 경우에는 76℃의 고온영역에서 약 2배 정도의 증가를 나타내었다. 또한 중온 화 첨가제가 혼입된 중온 아스팔트 바인더는 고온 등급이 PG 70-16으로 2단계를 증가한 결과를 나타내었으며, 노화 전 시료의 경우에는 76℃에서도 기준 값을 만족하는 것으로 나타났다. 이는 중온화 첨가제가 혼입됨으로써 아스팔트 바인더의 점탄성 특성 중 고온에서의 탄성 특성을 증가시켜 변형에 대한 저항성을 크게 증진시키는 것으로 판단된다.
본 연구에서 사용된 중온화 첨가제인 LEADCAP은 폴리 에틸렌 계열 왁스를 기반으로 하며, 아스팔트 바인더의 유동성을 향상시킴과 동시에 아스팔트 혼합물의 제조 온도 및 다짐 온도를 감소시키는 효과를 발휘한다. 그럼에도 불구하고 고온에서 발생되는 소성변형에 대한 저항성을 향상시킴과 동시에 아스팔트 혼합물의 저온 특성 저하 현상을 억제할 수 있는 개질형 첨가제이다.
특히 온도가 증가됨에 따라 G*/sinδ값의 변화폭이 중온 아스팔트 바인더보다 첨가되지 않은 스트레이트 아스팔트 바인더가 더 크게 나타났다.
표 2는 중온화 첨가제가 혼입된 중온 아스팔트 바인더와 스트레이트 아스팔트 바인더의 인장시험 결과를 나타낸다. 표 2에서와 같이 중온 아스팔트 바인더의 자외선 노출 전/후 의 인장강도를 보면 노출 전보다 노출 후의 값이 약 0.1N/mm² 높은 결과를 나타내는 것을 알 수 있으며, 인장력 역시 약 2배 정도 증가하는 것을 알 수 있다. 일반적으로 자 외선에 노출된 아스팔트 바인더의 경우 노화 및 경화가 더 많 이 진행되어 저온에서 취성 특성이 매우 강해 인장강도 및 인 장력(elongation)이 감소(강현승 등, 2009)되어야 하는데 오히려 증가되는 것으로 나타났다.

후속연구

본 연구에서는 국내에서 개발된 중온화 첨가제인 LEADCAP를 사용한 중온 아스팔트 바인더에 대한 실내시험으로 다음과 같은 결론을 도출하였다. 본 실험에서는 중온 아스팔트 혼합물의 실험결과가 포함되어 있지 않은 것이 다소 미진한 부분이어서 향후에는 중온 아스팔트 혼합물 공용성 평가를 수행하여 비교 평가하는 것이 요구되어진다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	중온화에 적합한 왁스는 무엇을 가져야 하는가?	중온화에 적합한 왁스는 낮은 점도와 상대적으로 높은 물리적 물성을 가져야 하는데 부산물로 얻어지거나 열분해를 통해 얻어진 폴리에틸렌 왁스는 피셔트로프슈법에 의해 제조된 폴리에틸렌 왁스에 비해 선형성이 떨어져 물리적 특성을 향상시키려면 점도가 높아져 중온화 첨가제로 사용이 제한적이다.
	지구온난화 방지조약 회의는 언제 어디서 열렸는가?	전 세계적인 지구온난화와 이상기온 현상 등으로 환경문제에 대한 관심이 고조되면서 지구 온난화 주범인 이산화탄소의 발생을 억제시키고자 하는 노력이 가속화되고 있으며, 1997년 12월 교토에서 지구온난화 방지조약 회의(The 3rd session of the Conference Of the Parties to the United Nations Framework Convention on Climate Change)를 통하여 2012년까지 1990년의 CO2 배출량을 5.2%까지 저감하는 것을 합의하였다(Angelo et al, 2008).

참고문헌 (14)

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원문보기 상세보기
조희구, 이방용, 이준석, 박선욱(2001) 한국 전역의 지표홍반 자외선 복사 계절기후, 한국기상학회지, Vol. 37, pp. 525-539

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강현승, 빛(자외선)에 의한 아스팔트 개질에 관한 연구(2007), 수원대학교 석사학위 논문
양성철, 황인동, 한승환, 김성민(2009) "단면보수용 콘크리트 패치 재료의 역학적 특성 및 내구성 실험", 한국도로학회 논문집, 제 11권 3호, pp.23-32

원문보기 상세보기
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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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