고분자 개질 아스팔트 균열보수재 제조 및 물성에 관한 연구 = A Study on the Preparation and Characterization of Polymer-Modified Asphalt Crack Sealants

국문 초록 (Abstract)

아스팔트 포장 도로는 계절별 온도 변화와 교통량 증가 및 중차량의 반복적인 교통 하중에 의해 도로 균열이 빈번하게 발생하고 있다. 적절한 시기에 보수되지 않을 경우 균열이 가속화되어 포트홀과 같은 구조적 2차 파손이 발생하며 이에 따라 도로 수명이 단축되고 장기적인 유지관리 비용이 증가한다. 따라서 도로의 장기적 공용성을 확보하기 위해 도로의 성능 저하를 사전에 억제할 수 있는 예방적 유지보수의 필요성이 제기되고 있다. 예방적 유지보수의 대표적인 균열실링과 균열충진에 적용되는 균열보수재는 열간 주입 아스팔트 균열보수재(Hot-poured asphalt sealant)와 냉간 주입 아스팔트 균열보수재(Cold-poured asphalt sealant)로 분류된다. 열간 주입 균열보수재는 우수한 점탄성으로 인해 장기적인 내구성을 확보할 수 있다는 점에서 가장 일반적으로 사용되고 있으나 약 170~190℃의 고온 시공에 따른 복잡한 장비 운용이 요구되며 화석연료 사용으로 인한 유해 가스 발생으로 탄소중립을 실현하는데 어려움이 있다. 이를 보완하기 위해 상온에서 시공이 가능한 냉간 주입 균열보수재가 개발 및 적용되고 있으나 물성 측면에서 열간 주입 균열보수재에 비해 낮은 점탄성과 탄성 회복력으로 인하여 단기간 내 포장면에서 탈리되는 내구성 문제가 보고되고 있다. 따라서 아스팔트 포장의 유지관리 효율성을 향상시키기 위해서는 냉간 주입 균열보수재의 시공성과 안전성을 유지하면서도 물성을 향상시킬 필요가 있다.
그러므로 본 연구에서는 SBS와 CR을 사용하여 고분자 첨가제를 제조하였으며 이를 아스팔트에 분산시켜 각 조성에 따른 아스팔트 바인더의 물성을 분석하였다. 아스팔트 바인더 내 고분자의 분산성을 확인하고자 형광현미경을 사용하였으며 고분자 첨가제에 따른 아스팔트 바인더의 점탄성 거동을 확인하기 위하여 DSR(Dynamic Shear Rheometer)을 사용하였다. 또한 아스팔트 바인더의 고온 안정성과 경도를 향상시키기 위해 보강제로 resin을 첨가하였고 이에 따른 연화점, 콘침입도 및 원상회복율을 측정하여 물리적 특성을 확인하였다. 추가적으로 제조된 냉간 주입 균열보수재의 상온 시공성을 확인하기 위해 점도를 측정하였다. 고분자 첨가제를 분산시킨 아스팔트 바인더 중 SBS 20 phr, CR 4 phr 조성의 SCR4를 첨가하였을 때 가장 균일한 분산성과 우수한 특성을 나타냈다. 또한 SCR4를 43 phr 첨가한 고분자 개질 아스팔트 바인더에 resin을 3 phr 첨가했을 때 물리적 특성이 가장 우수하였으며 고점도로 상온에서 점착성이 높고 유동성은 낮지만 의가소성 비뉴턴 특성을 보임으로써 상온 시공성을 나타내었다.
따라서 본 연구에서 제조한 냉간 주입 균열보수재는 의가소성 비뉴턴 특성을 기반으로 상온에서도 안정적인 주입 시공성을 확보할 수 있어 유지보수 효율성이 높을 것으로 판단된다. 또한 상온 시공에 따른 에너지 절감과 이산화탄소 배출을 억제하여 탄소중립 실현에도 기여할 수 있는 냉간 주입 균열보수재의 기초 연구이다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Asphalt pavements frequently develop cracks due to seasonal temperature changes and repeated heavy-load applications. If not repaired at an appropriate time, such cracks can lead to secondary damagesuch as potholes; therefore, preventive maintenance is required to secure long-term pavement service ability. Crack sealants used in preventive maintenance are classified into hot-poured asphalt sealants and cold-poured asphalt sealants. Hot-poured sealants exhibit excellent durability but have limitations in achieving carbon neutrality due to complex equipment operation required for high-temperature construction at approximately 170~190℃ and the emission of harmful gases produced from the use of fossil fuels. To address these limitations, cold-poured sealants have been developed; however, they still present durability issues such as debonding from pavement surfaces due to lower viscoelasticity and elastic recovery compared to hot-poured sealants. Therefore, it is necessary to improve the material properties of cold-poured asphalt sealants while maintaining their work ability and safety. In this study, polymer additives were prepared using SBS and CR, which were then dispersed into asphalt, and the properties of the asphalt binder were analyzed according to the composition. The viscoelastic behavior was evaluated using a DynamicShear Rheometer (DSR) and polymer dispersion was examined using fluorescence microscopy. As a reinforcing agent, resin was added and the softening point, cone penetration and recovery rate were measured. Additionally, the viscosity of the manufactured cold-poured asphalt sealants was measured to assess their applicability for ambient-temperature construction. As a result, the asphalt binder containing 43 phr of SCR4 with a composition of SBS 20 phr and CR 4 phr exhibited the most excellent dispersion and overall properties, and the addition of 3 phr of resin was confirmed to be the most effective in enhancing the properties of the polymer-modified asphalt binder. Furthermore, the cold-poured asphalt sealants produced in this study exhibited high viscosity but demonstrated pseudoplastic non-Newtonian behavior ensuring applicability under ambient-temperature conditions. Therefore, the cold-poured asphalt sealants developed in this study are expected to providestable injection and construction performance at ambient temperature thereby improving maintenance efficiency. In addition, this study provides foundational research contributing to carbon neutrality by reducing energy consumption and CO2 emissions through ambient-temperature construction.

목차 (Table of Contents)

• Ⅰ 서 론 1
• Ⅱ 이론적 배경 5
• 2.1 아스팔트 포장 도로 유지보수 공법 5
• 2.1.1 근본적 유지보수 5
• 2.1.1.1 덧씌우기 5
• 2.1.1.2 재포장 6
• 2.1.2 예방적 유지보수 6
• 2.1.2.1 균열보수 6
• 2.1.2.2 표면처리 7
• 2.2 균열보수재 종류 7
• 2.3. 고분자 개질 아스팔트 8
• 2.3.1 열가소성 탄성체 9
• 2.3.2 플라스토머 9
• 2.3.3 고무 9
• Ⅲ 실험 10
• 3.1 원료 및 시약 10
• 3.2 실험방법 11
• 3.2.1 고분자 첨가제 제조 11
• 3.2.2 냉간 주입 균열보수재 제조 13
• 3.3 분석방법 15
• 3.3.1 모폴로지 15
• 3.3.2 레올로지 15
• 3.3.3 물리적 특성 17
• 3.3.3.1 연화점 17
• 3.3.3.2 콘침입도 17
• 3.3.3.3 원상회복율 17
• 3.3.4 점도 18
• Ⅳ 결과 및 고찰 19
• 4.1 고분자 첨가제에 따른 아스팔트 바인더의 특성 19
• 4.1.1 아스팔트 바인더 내 고분자의 분산성 19
• 4.1.2 레올로지 22
• 4.2 고분자 첨가제 함량에 따른 아스팔트 바인더의 특성 31
• 4.2.1 아스팔트 바인더 내 고분자 첨가제의 분산성 31
• 4.2.2 물리적 특성 33
• 4.2.2.1 연화점 33
• 4.2.2.2 콘침입도 35
• 4.2.2.3 원상회복율 37
• 4.3 냉간 주입 아스팔트 균열보수재의 특성 39
• 4.3.1 물리적 특성 39
• 4.3.1.1 연화점 39
• 4.3.1.2 콘침입도 41
• 4.3.1.3 원상회복율 43
• 4.3.2 레올로지와 물리적 특성 45
• 4.3.3 유동 특성 53
• Ⅴ 결론 55
• 참고문헌 57
• ABSTRACT 65