3.3 아스팔트 유제의 물리·화학적 특성

  유화아스팔트는 유화제의 도움으로 아스팔트 입자들이 물속에 잘 분산된 상태이다. 아스팔트 시멘트는 직경이 약 1～10 마이크론 정도의 작은 방울형태로 물에서 분산된다. 물은 연속특성이 있고 아스팔트는 분산특성이 있다. 그러므로 이러한 형태의 유화아스팔트의 많은 특성들은 물의 특성과 유사하다.

  3.3.1 하이플롯트 유제의 특성 및 품질기준

  중속 경화(MS) 유화 아스팔트는 골재와 혼합하기 위해 개발된 것으로 중속 경화 유화아스팔트는 골재와 접촉하자마자 즉시 분해되지 않고 혼합물 작업을 할 수 있도록 작업성이 유지된다. 중속 경화 유화 아스팔트는 강도와 내구성이 약하고 골재와의 코팅력이 떨어지기 때문에 중(重)교통의 도로에는 적절하지 못하다. 이러한 문제점을 해결하기 위해 하이플롯트(HF)타입의 유화 아스팔트가 일찍이 미국을 중심으로 개발되었다.

  하이플롯트(HF) 타입의 유화 아스팔트는 음이온계로서 아스팔트를 유화시키는 첨가제의 작용에 의해 아스팔트 바인더를 독특한 겔구조(Gel-Structure)로 변화시킨 개질 유화 아스팔트이다.  하이플롯트(HF) 타입의 유화 아스팔트는 겔상태를 유지하므로 골재의 코팅 및 아스팔트의 결합력 향상은 물론 저온 균열뿐만 아니라 고온에서의 강도를 증진시켜주는 것으로 나타났다. 

  하이플롯트(HF) 타입의 유화 아스팔트의 성질은 하이 플롯트 특성을 측정하는 부유시험(ASTM D 139)을 실시하는데, 유화 아스팔트를 증류하고 남은 잔유물을 사용하여 60℃의 항온수조에서 잔유물을 채운 플러그 안으로 물이 침투해 들어오는 시간을 측정하게 된다. ASTM에서는 이 시간을 모든 하이플롯트(HF) 타입의 유화 아스팔트에 대해서 20분 이상으로 규정하고 있다. 보통의 아스팔트가 약 60℃에서 3분 이내에 흘러내리거나 유동하는 반면 하이플롯트(HF) 타입의 유화 아스팔트는 몇 시간 이상을 흘러내리지 않도록 개발되었는데 [사진 3-1]은 침입도 시험용 시료캔에 일반 아스팔트와 하이플롯트(HF) 유제를 담아 실내온도(25℃)에서 수일을 경과시킨 후, 유동이 없는 하이플롯트(HF) 타입의 유화 아스팔트(좌)와 유동이 발생한 일반 유화아스팔트(우)를 비교·관찰한 것이다. [사진 3-1]에서도 알 수 있듯이 하이플롯트(HF) 타입의 유화 아스팔트는 일반 유화 아스팔트에 비해 흘러내리는 현상이 없어 고온에서도 점성을 유지하는 것을 알 수 있다.

  ASTM에서는 하이플롯트(HF) 타입의 유화 아스팔트를 4가지 등급인 HFMS-1,  HFMS-2, HFMS-2h, HFMS-2s로 규정하여 사용하고 있다. <표 3-1>은 본 현장에서 사용한 HF 타입의 유화 아스팔트 품질규격을 정리한 것이다.

[표 3-1] 하이플롯트 타입 유화아스팔트의 품질규격

  3.3.2 아스팔트 유제의 물리·화학적 특성

   유화아스팔트는 전기적으로 거동하고 물처럼 동결되고, 물과 혼합되며, 다른 기름과는 섞이지 않는다. 기름이나 물과 같은 서로 다른 액체는 일반적으로 분리된다. 그러나 유화 과정에서 아스팔트 방울들은 전기적 특성과 상대적인 비중차이로 인해 물에서 떠있게 된다. 생산과정에서 아스팔트는 유화제를 함유하고 있는 물에서 분산되는 작은 방울로 분리하는 콜로이드 분쇄기 또는 고성능 전단장치를 통과하게 된다. 유화아스팔트는 아스팔트를 액체로 만드는데 사용되는 열에너지와 콜로이드 분쇄기의 전단력에 의한 기계에너지 그리고 화학적 계면 활성제를 통하여 아스팔트 입자들이 완전히 가라않지 못하도록 하여 안정되어진다. 

  전형적인 유화아스팔트 입자는 직경이 약 3미크론 또는 1인치당 백만 방울정도의 크기이다. 사람의 눈은 약 40미크론 크기의 입자를 분간 할 수 있기 때문에 유화제 속의 아스팔트 입자들은 육안으로는 볼 수 없다. 즉, 소금알갱이는 유화아스팔트 방울보다 50배에서 500배정도 크다는 것을 간접적으로 알 수 있다. 주어진 한 체적이 8개의 작은 입자로 나누어진다면, 작은 입자들의 표면적은 큰 입자의 표면적의 2배가 될 것이다. 유화아스팔트가 혼합이나 살포형태로 현장에서 사용되었을 때, 작은 아스팔트 방울들은 연속적인 아스팔트 막을 형성하게 된다. 물은 작은 방울에서 분리되고 증발된다. 

  유화제 생산에 사용하는 계면 활성제는 중요한 요소이다. 유화제의 양, 아스팔트 입자에 재하된 전하온도와 PH는 유화아스팔트의 특성을 결정하게 된다. 이러한 요소들은 유화아스팔트 제조자가 책임감 있게 잘 조절해야 한다. 마찬가지로 유화아스팔트를 생산하는 데에 사용하는 아스팔트 시멘트도 중요한 요소이다. 아스팔트는 아스팔텐(Asphaltenes)와 말텐(Maltenes)으로 알려진 내용물로 구성되어있다. 아스팔트는 화학적인 구조의 복합성으로 인해 분석하기가 매우 어렵고 유화아스팔트 속에서 어떻게 거동하는가를 예측하기가 매우 힘들다. 아스팔트 층속에서의 변화는 시공이 끝난 유화아스팔트층을 변화시킨다는 사실이 알려졌다. 가장 주요한 아스팔트 변수는 원료, 생산, 형태, 첨가물, 입자의 크기, 온도와 양이다. 골재 혼합에 사용되는 물 뿐만아니라 유화아스팔트를 생산하는데 사용되는 물은 사람이 마시기에 적합해야 한다. 그리고 가능한 깨끗하고 순수해야 한다. 파괴를 일으킬 수  있는 용해되지 않는 소금이나 미세한 오염물이 포함되지 말아야 한다. 수온은 안정된 유화아스팔트를 생산하는데 중요한 역할을 한다. 

  유화제는 용매의 표면에너지를 바꾸는 독특한 특성을 가지고 있다. 유화제는 아스팔트 입자와 입자를 돌러싸는 물 사이의 경계면에서 표면장력을 변화시킨다. 사용되는 유화제 종류로는 에멀전(Emulsion)이 음이온인지 또는 양이온인지에 따라 결정된다. 아스팔트와 물 사이의 경계면에서 유화제의 흡수작용은 아스팔트와 물 사이의 경계면에서 유화제의 친수성을 갖는 용해되는 부분은물의 역할을 하고, 친유성을 갖는 부분은 아스팔트의 역할을 하게 된다. 유화제는 섞일 수 없는 아스팔트와 물 사이에 교량역활을 한다. 유화제와 함께 에멀전내의 아스팔트 작은방울(droplet)들이 표면에서 방향을 정하게 된다. 분쇄기의 전단력이 새로운 아스팔트 표면을 노출시키자마자 콜로이드 분쇄기의 경계면에 유화제가 붙게 된다. 이 시점부터 유화아스팔트의 안정성은 유화제의 종류와 양 그리고 이후의 유화아스팔트의 취급에 따라 좌우된다. 아스팔트 작은방울들은 골재나 다른 물질과 접촉할 때 물과는 분리(breaking)된다. 몇가지 요소들은 아스팔트막이 안정화되는 속도에 영향을 준다. 표면적이 큰 골재(잔골재)는 표면적이 작은골재(굵은골재)보다 분리속도가 빠르다. 이것은 매우 작은 세립분 함유량이 더욱 빠른 분리를 발생시킨다는 것을 의미한다. 혼합(Mixing) 역시 유화아스팔트 분리를 앞당기고 기상상태 또한 분리속도를 결정하는데 중요한 요소로 작용한다.