아스팔트 바인더의 온도 저감을 위한 중저온 첨가제의 합성 및 특성에 대한 연구 = A Study on the Synthesis and Characteristics of Half Warm Additives for Reduce Temperature of Asphalt Binder

국문 초록 (Abstract)

최근 지구 온난화 가속화로 인해 기후 현상이 발생하면서 건설 현장에서 다양한 환경 문제가 대두되고 있다. 180℃ 이상의 고온에서 생산되는 가열 아스팔트(HMA)는 SO2, CO, CO2 등 다양한 유해가스 및 온실가스가 발생하고 있다. 이러한 HMA의 문제점을 해결하기 위해 아스팔트의 생산 온도를 약 30℃ 낮춘 중온 아스팔트(WMA)가 개발되었으나 온도 저하가 미비할 뿐만 아니라 물성 또한 저하되었다. 그러므로 온실가스 및 유해가스 배출량 감소를 위해 생산 온도를 낮출 뿐만 아니라 WMA보다 물성을 향상시켜야 한다. 따라서 본 연구에서는 생산 온도를 180도에서 100~110도로 낮추고 SBS, PVC 및 가교제를 사용하여 PG58-22 아스팔트와 PG64-22 아스팔트 특성에 맞는 중저온 첨가제를 제조하고 이를 분산시켜 각각의 아스팔트 바인더 특성을 비교하였다. 아스팔트 내 SBS와 PVC의 분산정도를 확인하기 위해 형광현미경을 사용하였고 분산력과 가교도의 관계를 확인하기 위해 표면자유에너지를 측정하였다. 그리고 가교제의 비율에 따라 제조된 첨가제의 가교밀도, 아스팔트와의 상용성을 확인하기 위해 팽윤도 시험을 하였으며 DSC와 SEM을 사용하였다. 첨가제를 분산시킨 아스팔트 바인더 중, PG58-22 아스팔트를 사용했을 때 ZnO 10 phr가 첨가된 중저온 첨가제를 분산시킨 아스팔트 바인더가, PG 64-22를 사용했을 때 4 phr의 MgO가 첨가된 중저온 첨가제를 분산시킨 아스팔트 바인더가 가장 우수한 특성이 나타난 것을 확인하였다. 또한 아스팔트 바인더의 규격을 확인하기 위해 기본 물성분석인 침입도와 연화점을 측정하였다. 그 결과 PG58-22 아스팔트 바인더에 CaCO3와 carbon black 모두 0.1 phr 첨가한 경우와 PG64-22 아스팔트 바인더에 chloroprene rubber 1.2 phr, 레진 11 phr 첨가한 경우에 최적 물성을 얻을 수 있었으며 PG64-22 규격에 만족하였다.
그러므로 이 연구를 통하여 중저온 아스팔트 바인더는 180℃ 이상에서 시공하고 있는 가열 아스팔트와 유사한 기계적 물성을 나타낼 수 있을 것으로 예상되며 실제 도로포장에 사용이 가능할 것으로 사료된다. 또한 아스팔트의 생산온도를 100℃와 110℃로 충분히 감소시켜 이산화탄소 배출량이 감축되어 탄소중립에 부합하는 고분자 개질 아스팔트 바인더의 기초 연구이다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Recently, due to the acceleration of global warming causing extreme climate phenomena various environmental issues have emerged in the construction field. Hot mix asphalt (HMA) produced at high temperature above 200℃ generates various harmful gases and greenhouse gases such as SO2, CO, and CO2. Warm mix asphalt(WMA) was developed to solve these
problems of HMA, but it reduced the production temperature of asphalt by only about 30℃, but not only the temperature drop was insufficient, but the physical properties also decreased. Therefore, it is necessary to reduce the production temperature and improve the physical properties more than WMA. In this study, the asphalt production temperature was lowered from 180℃ to 100~110℃, and half warm additives suitable for PG58-22 asphalt and PG64-22 asphalt were prepared using SBS, PVC, and crosslinking agents, and then dispersed to compare the characteristics of each asphalt binders. A fluorescence microscope was used to confirm the degree of dispersion of the SBS and PVC in the asphalt binder, and surface free energy was measured to confirm the relationship between dispersion force and crosslinking density. Swelling raito test, DSC and SEM were used to confirm the crosslinking density of half warm additives prepared according to the ratio of the crosslinking agent and compatibility with asphalt binder. Among the asphalt binders in which the half warm additive was dispersed, it was confirmed that the asphalt binder with half warm additive dispersed with 10 phr of ZnO when using PG58-22 asphalt, and the asphalt binder with half warm additive dispersed with 4 phr of MgO when using PG64-22 asphalt, was the best characteristics. In addition, the basic physical property analysis, penetration and softening point were measured to confirm the asphalt binder performance grade. As a result, the optimal properties were obtained when 0.1 phr of both CaCO3 and carbon black were added to the PG58-22 asphalt
binder, and when 1.2 phr of chloroprene rubber and 11 phr of resin were added to the PG64-22 asphalt binder, and were satisfied with the PG64-22 grade. Therefore, through this study, the half warm asphalt binder is expected to exhibit mechanical properties similar to the hot mix asphalt constructed above 180℃ and can be used for actual road pavement. In addition, this is a basic study on polymer modified asphalt binder that can significantly reduce the production temperature of asphalt to 100°C and 110°C, leading to a reduction in carbon dioxide emissions and achieving carbon neutrality.

목차 (Table of Contents)

• Ⅰ. 서 론 1
• Ⅱ. 이론적 배경 4
• Ⅱ-1. 아스팔트의 종류 4
• Ⅱ-2. 아스팔트의 등급 분류 5
• Ⅱ-3. 열가소성 탄성체 6
• 1. 열가소성 탄성체의 물리적 가교 6
• 1-1. 이온결합 7
• 1-2. 수소결합 7
• Ⅲ. 실험 8
• Ⅲ-1. 원료 및 시약 8
• Ⅲ-2. 실험방법 9
• 1. 아스팔트 중저온 첨가제 제조 방법 9
• 2. 아스팔트 바인더 제조 방법 11
• Ⅲ-3. 분석방법 15
• 1. 아스팔트 첨가제의 구조 확인 15
• 1-1. 폴리머의 분산성 측정 15
• 1-2. 표면 자유에너지 측정 15
• 1-3. 팽윤에 의한 가교밀도 측정 16
• 2. 아스팔트 바인더의 물성 확인 17
• 2-1. 열적 특성 17
• 2-2. 모폴로지 분석 17
• 2-3. 기계적 특성 17
• Ⅳ. 결과 및 고찰 18
• Ⅳ-1. 아스팔트 첨가제의 구조 확인 18
• 1. 아스팔트 내 고분자의 분산성 18
• 2. 표면 자유에너지 22
• 3. 가교밀도 27
• Ⅳ-2. 아스팔트 바인더의 물리적 물성 확인 31
• 1. 가교밀도 31
• 2. 모폴로지 분석 35
• 3. 상용성 39
• 4. 기계적 특성 42
• 4-1. 침입도 42
• 4-2. 연화점 46
• Ⅴ. 결론 50
• 참고문헌 53
• ABSTRACT 62