1. 고분자를 이용한 아스팔트 바인더의 향상

1.1 고분자 개질아스팔트란?

고분자 개질 아스팔트란 일반아스팔트에 열가소성 고분자 계열의 엘라스토머(elastomer, 대표적인 예: 고무)나 플라스토머(plastomer, 플라스틱)와 같은 고분자 개질제를 첨가한 아스팔트를 말한다. 고분자를 간단히 정의하면 “다중 반복적으로 연결된 분자들로 구성된 고분자 천연 또는 합성 화합물”을 뜻한다. 
고분자를 아스팔트에 첨가함으로써 아스팔트 바인더에서 발생하는 물리적 또는 화학적 변화를 이용하면 아스팔트 바인더의 점탄성 특성을 개선할 수 있다. 이렇게 개선된 아스팔트 바인더를 사용하면 아스팔트 포장은 내구성이 향상되고 공용수명  연장이 가능하게 된다.
고분자가 아스팔트 바인더에 혼합될 경우 아스팔트 바인더 내에서 상호 연결된 모형을 구성하게 된다. 이러한 모형을 구성한 아스팔트 바인더는 아스팔트 바인더 고유의 특성에 영향을 미치지 않으면서 고온에서는 영구변형에 대한 저항성 개선이 가능하게 된다. 이는 아스팔트 바인더의 강성이 증대되어 점탄성반응에서 영구변형이 감소하게 되기 때문이다. 아스팔트 바인더의 강성이 증가됨으로써 동적강성이 증가하게 되고, 아스팔트 포장의 동적강성도 증가하게 된다. 포장의 동적강성이 증대되면 포장의 구조적 강도가 증가하고 포장체가 하중을 전달하는 능력이 개선되는 것이다(whiteoak, 1991). 일부 연구에 의하면 고분자 개질 아스팔트 포장을 사용 할 경우 일반아스팔트 포장에 비하여 포장두께를 얇게 할 수 있다고 서술하고 있으나 이는 구조적인 성능평가와 설계를 통해 신중하게 검증되어야 할 사항이다. 또한, 기온이 낮은 지역에서는 필요 따라 저온 개선용 고분자 개질제를 사용하여 저온 공용성을 개선시킬 수 있다. 
위에서 언급한 것처럼 아스팔트 포장용 혼합물에 고분자 개질아스팔트 바인더를 사용하여 포장용 혼합물을 제조할 경우 고온의 공용온도(60℃ 이상)에서는 단단하고 강성이 큰 혼합물이 되어 영구변형(소성변형)에 대한 저항성이 증대하며 중간 공용온도(10℃- 25℃)에서는 피로균열에 대한 저항성을 저온(5℃ 이하)에서는 온도 균열에 저항할 수 있는 연성을 지닌 혼합물을 제조가 가능해 진다. 
고무와 플라스틱이 아스팔트 개질제로 사용되는 예를 <표 1-1>에 정리하였다. 고무 개질제의 가장 대표적인 개질제는 SBR(styrene butadiene rubber)과 SBS(styrene butadiene styrene)이다. 현재는 개질제로 SBS가 가장 많이 사용되고 있다. 스티렌(styrene)은 단단하고, 깨어지기 쉬운 플라스틱인 반면, 부타디엔(butadiene)은 연하고 고무와 같은 탄력성이 지니고 있다. 이러한 두 가지 서로 다른 모노머가 임의적으로 혼합되어 함께 반응하면, 다른 특성을 가지는 공중합체라고 부르는 새로운 고분자가 만들어지며 이러한 성질을 점탄성 재료인 아스팔트에 적용하면 고분자 개질아스팔트 바인더가 생산되는 것이다. 플라스틱이 아스팔트 개질제로 사용되는 재료는 LDPE(low density polyethylene), EVA(ethyl-vinyl-acetate) 등이 사용되었으나 현재는 제한적으로 사용되고 있는 실정이다.

<표 1-1> 고분자의 종류(Terrel, R.L. & J.L. Walter, 1986)

1.2 고분자 개질 아스팔트의 영향인자

아스팔트에 엘라스토머(elastomer)를 사용할 경우 탄성을 개선시키며 플라스토머(plastomer)를 사용할 경우는 강성(스티프니스; stiffness)을 증가시킨다. 이 두 가지 경우에 개질효과는 특정한 폴리머의 함유량, 분자중량, 화학적 구성과 분자구조에 크게 좌우된다. 고분자 개질 아스팔트의 성능을 결정하는 주요한 요소 중의 하나는 원 아스팔트 바인더의 성능이다. 왜냐하면 원 아스팔트 바인더의 원산지, 정제과정, 화학성분 및 등급품질에 따라 같은 종류 및 량의 고분자 개질제를 사용하더라도 원 아스팔트의 성능이 우수하지 못할 경우 개질제를 첨가하여도 개질할 수 있는 한계가 발생하기 때문이다. 원 아스팔트 바인더는 원유회사 마다 서로 다른 공정과 원유를 사용하고 있기 때문에 개질아스팔트 바인더의 제조에 앞서 반드시 조사되어야 한다. 국내에서 아스팔트 생산용으로 사용되는 원유는 주로 중동산 중질 원유들로서, 같은 중동산 원유라 할지라도 원유의 아스팔텐 및 유황함량이 다르며, 이러한 원유의 조성의 차이는 최종제품인 아스팔트의 조성 및 성능에 영향을 끼치게 된다. 양질의 고분자 개질 아스팔트를 제조하기 위해서는 원유 정제과정에서부터 아스팔텐과 유황 함량이 다른 유종을 선별, 아스팔트 생산용 유종에 대한 아스팔트 바인더의 특성 평가가 필요하다. [그림 1-1]과 [그림 1-2]는 원유의 아스팔텐과 썰파 함량에 따라 소성변형과 강성에 미치는 영향을 시험한 결과이다. 그림에서 볼 수 있는 것처럼 아스팔텐과 썰파의 함유량에 따라 소성변형과 강성에 큰 영향을 미치는 것으로 나타나고 있다.

    [ 그림 1-1 ], [ 그림 1-2 ]
원유가 아스팔트바인더에 미치는 영향(설파, 아스팔텐)