배경

성능 및 특성을 향상시키기 위해서 아스팔트 결합재의 수정이 신도로연구프로그램 결합재 시방 이후 현저하게 발전되어왔다. 폴리머, 폐타이어 고무분말 개질제 및 폴리인산(PPA)의 사용이 증가되었다. 많은 도로기관들은 PPA 개질제의 성능특성과 석회와 액체 노면요철 방지제와 같은 다른 혼합성분과의 있을 수 있는 부작용에 대하여 관심을 가졌다. 실패와 성공에 대한 입증되지 않은 일화적인 설이 있었다. 미국교통연구원(TRB)과 미네소타 교통국과 협력하는 연방도로청은 PPA개질 아스팔트에 대한 실상과 성능을 함께 가져오기 위한 시도로서 워크숍을 후원했다. 연구원들과 실질적인 지식과 경험을 겸비한 전문가들은 PPA 개질과 성능특성에 대한 최신정보를 제시했다. 그 워크숍의 의제는 발표자와 참가자 간의 상호 토론을 증대시키기 위해 발의되었다.

개요

2002 및 2008년에 펜실베니아 교통국이 수행했던 조사에 근거한 것이 2007년 온타리오 교통국이 수행한 조사와 결합되었기 때문에 PPA를 사용하려는 도로기관들의 접근방법에 있어서 폭넓은 다양성이 있다. 조사의 정확한 시점으로는 현재 12개 주는 PPA의 사용에 대한 제한사항이 없었고 15개 주는 PPA의 사용을 전면적으로 금지했다. 14개 교통기관 표준시방서에는 PPA의 사용에 대한 제약사항이 있었다. 이러한 제약사항들에는 폴리머와 결합된 개질제로서 PPA의 사용을 허용하는 것만을 포함했거나 결합재를 수정하기 위해 사용될 수 있는 PPA의 양에 대한 제한사항을 수립했었다. 7개 기관은 PPA사용에 대해 중립적인 입장을 나타내었다. 이것은 여러 도로기관들에 의한 아스팔트 결합재에 PPA의 사용과 효과에 대한 실질적인 정보가 아주 많이 부족하다는 것을 지적하고 있다.

조사가 수행된 이후 PPA의 사용을 제한하고 있는 주의 수는 아스팔트 위원회에 의해 보고된 주의 표준시방서에 따라 감소되었다.

PPA란 무엇인가

폴리인산은 오르토인산의 폴리머(중합체, 고분자화합물)이다. 산업용으로 제공된 폴리인산은 이인산, 삼중인산 및 그 이상의 산과 오르토인산의 혼합물이며 예를 들어 115%에 대해 계산된 오르토인산 함량을 근거로 판매된다. 과인산은 105%의 오르토인산에서 판매된 비슷한 혼합물이다. 그 외 등급의 인산은 물을 포함할 수 있지만, 아스팔트 개질에 전형적으로 사용되지는 않는다. 이것은 정제소나 터미널에서

기포발생과 부식의 문제를 제거한다. PPA를 주로 응용하는 곳은 계면 활성제 생산, 물 처리, 약물합성, 안료 생산, 방염 가공, 금속표면처리, 아스팔트 개질에서이다.

이 회람에서는 아스팔트 개질로서 PPA의 사용을 명백히 논의할 것이다.

아스팔트와 함께 폴리인산의 사용에 관한 여러 특허가 있었다. 결합재 개질에 대한 최초의 특허들 가운데 하나는 1973년에 있었다. 이 특허에는 침투력을 증가시키지 않은 상태에서 점성을 증가시키기 위해 아스팔트 결합재에 PPA를 첨가한다는 것을 포함하고 있었다. 이후의 특허에는 대개 폴리머 개질이 있는 PPA의 사용을 포함하고 있다. 과거의 경험을 보면 PPA가 중간 및 낮은 온도 특성에 대해서 단지 최소의 효과만으로 아스팔트 결합재의 고온 강성을 증가시킨다는 것을 나타냈었다.

PPA는 어떻게 사용 되는가

수퍼페이브(아스팔트배합설계 방법 및 새로운 아스팔트 시방)성능등급(PG) 결합재 시방은 미국에서 대부분 사용된다. 그 PG시스템에서 고온 및 저온 성능 범위는 PG 64-22로 명시되어있다. 64는 결합재의 예상 고온 범위을 나타내고 22까지는 예상 저온 범위이다. 결합재의 고온과 저온 범위 사이의 차이는 사용할 수 있는 온도 간격(UTI)이라고 한다. PG 64-22는 86℃의 UTI나 64-(-22)= 86℃일 것이다. 원유에서 정제된 모든 아스팔트 결합재는 명확한 UTI가 있다. 정제과정에서의 변화는 그 UTI의 위나 아래로 이동할 수 있지만, 일반적으로 그 변화가 정해진 UTI를 변화시킬 수는 없다. 특정 원유는 PG 58-28이나 PG 64-22 또는 PG 70-16을 만들기 위해 정제될 수 있지만, PG 70-22로 정제될 수는 없다. 아스팔트 결합재의 UTI를 변화시키기 위해서 다른 UTI를 가진 아스팔트 결합재와 혼합시키거나 어떤 유형의 첨가제로 수정시켜야 할 것이다. 정제과정에서 행해질 수 있는 대개의 등급이동을 그림 1에서 볼 수 있다.

그림 1. 수퍼페이브 성능등급(PG) 및 그 PG 라인

수퍼페이브 결합재 시방의 사용은 교통기관이 인장등급을 명시하기 위해 장려되어왔다. 이들은 대부분의 니트 아스팔트의 UTI를 넘는 등급이다. PG 76-22는 대부분 일반적으로 정련된 아스팔트의 UTI를 훨씬 넘는 98℃의 UTI를 필요로 할 것이다. 이러한 등급에 필요한 요구조건을 충족시키기 위해서 어떤 유형의 개질이 필요했다. 많은 경우에 이것은 폴리머일 가능성이 있다. 폴리머는 결합재의 고온특성을 증가시키는데 아주 적합하다. 그러나 폴리머 개질은 또한 일부 아스팔트 결합재의 중온특성에 영향을 줄 수 있다. 약 3% 보다 더 큰 퍼센티지에서 폴리머를 첨가하는 것이 PG 64-22에서 PG 76- 까지 변화를 주기위해 필요한 경우에 결합재를 중간 강성으로 상승시키려는 경향이 있게 되어서 그 등급은 PG 76-16으로 나오게 될 수도 있다. 폴리머 결합에 있어서 PPA의 사용은 중간 강성의 강성 증가를 최소화 할 것이며 PG 76-22의 생산을 허용할 것이다. 필요한 PPA의 양은 원유자원과 사용되고 있는 폴리머를 근거로 다양할 것이다.

한 가지 문제는 결합재를 고온 PG 등급으로 변화시키기 위해서 PPA가 얼마나 많이 필요하고 PPA가 모든 아스팔트 결합재에 얼마나 똑같은 효과를 낼 것인가 하는 것이다. 이것을 평가하기 위해서 105%의 PPA를 다른 원유와 매우 다른 2개의 결합재에 첨가했다. 결합재의 질량 백분율 0.5%에서 PPA가 베네수엘라 원유에서 정제된 PG 70-22와 사우디 원유에서 정제된 PG64-22에 첨가되었다. 원래 결합재와 개질된 결합재 모두에 대한 고온연속등급은 그림 2에서 볼 수 있다.

그림 2. 서로 다른 원유와 0.5% PPA로 개질된 결합재의 고온연속등급.

고온 결합재 특성은 2개의 시스템, 기존의 G*/sin ∂과 공용성 등급의 소성변형 저항관련 시험인 MSCR Jnr을 사용해서 측정되었다. 베네수엘라 결합재에 0.5%의 PPA 첨가로 그 결합재는 G*/sin ∂에 대해 71.6℃에서 78.0℃로 Jnr 에 대해 70.1℃에서 77.2℃로 완전한 고온등급으로 변화되었다. 사우디 결합재에 0.5%의 PPA 첨가로

G*/sin ∂에 대해 66.7℃에서 69.6℃로 고온등급으로 다소 증가되었고 65.8℃에서 67.9℃로 손실이 있었다.

워크숍 결과에 대한 요약

PPA 워크숍에서는 아스팔트 결합재에 대한 개질제로서 확장적인 실험실 실험과 현장평가를 망라했다.

· 결합재에 대한 PPA의 보강효과는 결합재 등급을 증가시키기 위해 0.5%에서 3% 이상이 필요로 되는 어떤 곳에 의존적인 원유이다.

· PPA는 SBS와 에틸렌 삼원공중합체와 같은 폴리머와 함께 사용했을 때 보강재로서 그리고 가교제로서 역할을 한다.

· PPA는 폴리머 개질 결합재의 지연 탄성반응을 현저하게 향상시킬 수 있다.

· 물이 함유된 석회는 PPA의 보강효과를 다소 감소시킬 수 있지만 어떤 손실보다 더 큰 석회에서 증가된 보강을 감소시킬 수 있다는 일부 지적이 있다. 석회석 골재는 결합재에 대한 PPA의 보강효과를 뒤바꾸거나 감소시킬 수없다.

여러 가지 실험실 연구를 통해서 PPA 개질 결합재로 생산된 혼합물의 잠재적인 수분 손실을 평가했다. 혼합시험에서 PPA 개질 결합재는 특별한 아스팔트 골재 결합물에 1.0%에서 1.5% 또는 더 큰 퍼센티지의 적용비율로 잠재적인 수분손실을 증가시킬 수 있을 것이라는 사실을 지적했다.