◀ 아스팔트(ASPHALT) ▶
아스팔트의 개요
아스팔트는 석유를 구성하고 있는 성분중에서 경질유분이 제거되고 남은 최종 잔사물로서, 천연으로 얻어지는 천연아스팔트(Native Asphalt)와 원유 정제후 얻어지는 석유아스팔트(Petroleum Asphalt)로 구분된다.
천연아스팔트는 미네랄물질(Mineral Matter)을 거의 함유하지 않은 아스팔트로부터 아스팔트의 함량이 적은 록아스팔트(Rock Asphalt)에 이르기까지 천연으로 발견된다.
가장 잘 알려진 천연아스팔트는 호수에서 산출되는 호수아스팔트(Lake Asphalt)로서 Trinidad Asphalt와 Bermudez Asphalt가 있다.
일반적으로 미네랄물질을 거의 함유하지 않은 고 융해점의 견고한 천연아스팔트를 Asphaltite라 부르고 모래, 사암, 석회암, 점토 등의 미네랄 물질을 함유하고 있는 아스팔트를 록아스팔트라고 부른다.
석유아스팔트는 1880년경 처음으로 원유를 증류한 후에 얻은 잔류물질이 천연아스팔트와 동일한 성질을 가지고 있는 것이 인정되었고 이때 얻은 아스팔트는 천연아스팔트와 구별하여 석유아스팔트라고 한다.
아스팔트의 정의
아스팔트의 명칭을 통일시키기 위하여 오랫동안 노력해 왔으나 아직 세계적으로 아스팔트의 정의를 통일시키지 못하고 있다.
- 천연적으로든 인공적으로든 석유로부터 휘발분이 제거되고 남은 고분자의 잔사물(Residue)을 역청질(Bitumen)이라 하고
- Bitumen을 주성분으로 하여 미네랄물질이 혼합되어 있는 역청물질을 Asphalt로 구분하여 정의하기도 하나 나라마다 다소 상이한 의미로 사용되고 있다.
미국과 프랑스에서는 역청물질을 아스팔트라 부르고 있으나, 영국과 독일에서는 도로건설용 재료라는 뜻으로 비투멘으로 부르고 있으며 국내에서는 미국과 같이 아스팔트란 명칭을 주로 사용하고 있다. 일반적으로 비투멘은 아스팔트보다 더 넓은 의미로 사용되고 있다.
목재나 석탄의 건류로 부터 얻어지는 역청물질도 비투멘에 포함시키는 경우도 있으나 주로 타르(Tar)라 부르고 타르를 증류하여 얻어진 흑색의 탄소질 고형 잔유물은 피치(Pitch)라 부른다.
미국 재료협회 (ASTM : American Society for Testing and Materials)에서는 아스팔트란 점착성이 있는 흑색 또는 흑갈색의 고체 또는 반고체물질로서 천연 또는 석유정제로부터 얻어지는 역청물질(Bitumiㅜous Material)이라고 정의하고 있다.
아스팔트의 조성 및 성질
- 원유의 화학적 조성
아스팔트의 품질을 결정하는 가장 중요한 인자는 원유이다. 원유의 조성은 일정하지 않고 산지에 따라 다르다. 원유는 크게 파라핀계원유, 나프텐계원유, 그리고 혼합계원유 등으로 구분되며, 파라핀계원유는 경질유분과 왁스분을 많이 함유하고 있으며 나프텐계원유는 중질유분과 아스팔트분을 많이 함유하고 있다.
원유는 수많은 종류의 탄화수소 혼합물로 이루어져 있으며, 그 혼합물의 종류는
- 화학적으로 가장 안정한 파라핀계 탄화수소
- 원유중에는 거의 존재하지 않으나 석유정제 중에 분해생성물로 많이 생산되는 올레핀계 탄화수소
- 환상구조를 가지고 있는 나프탄계 탄화수소
- 벤젠핵을 가지고 있는 아로마틱계 탄화수소 등으로 분류할 수 있으며
파라핀계와 나프탄계는 포화탄화수소이고 올레핀계와 아로마틱계는 불포화 탄화수소이다.
원유중에는 탄화수소 이외에 산소, 질소, 유황화합물 등이 함유되어 있다.
- 아스팔트의 화학적 조성
아스팔트는 원유의 조성과 제조방법에 따라 여러가지의 특성을 가진 제품으로 생산된다. 아스팔트는 평균분자량이 500-2000정도의 각종 탄화수소가 주성분이고 그밖에 유황, 질소, 산소, 그리고 미량의 금속화합물로 이루어져 있으며 화학적으로는 대단히 복잡한 구조를 가지고 있다. 아스팔트를 구성하고 있는 원소의 구성비율은 표1과 같다
표 1. 아스팔트의 구성 원소
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원소명 |
구성비율(wt%) |
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탄소(C) |
80-85 |
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수소(H) |
9-10 |
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산소(O) |
2-8 |
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질소(N) |
0.5-1.0 |
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유황(S) |
0.5-7.0 |
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금속(Fe, Ni) |
미 량 |
아스팔트의 성분은 아스팔텐(Asphaltene), 수지(Resin), 오일(Oil) 등으로 구분된다. 결국 역청질이란 이들 성분의 복합체인 것이다.
성분함량은 아스팔트에 따라 다르지만 침입도가 100인 아스팔트의 성분비는 대략 아스팔텐 13-29%, 수지 2.3-4.5%, 오일 44-58%로 구성되어 있다.
- 아스팔트의 성분 분석
1) Asphaltic Bitumen : 석유아스팔트를 증류하여 액상의 Petrolene을 분리시킨 후 남은 잔사로서 이유화탄소(CS2)에 용해된다. 비휘발성성분과 고비점 성분의 혼합물이다.
2) Petrolene : 석유아스팔트를 증류할 때 생성되는 액상의 저비점 탄화수소성분의 혼합물로서 저비점 포화탄화수소에 용해된다.
3) Maltene : 비교적 고비점 물질로서 노르말펜탄 등 저비점 포화탄화수소에 용해된다. 이것을 Alumina Gel 또는 Silica Gel에 침투시키면 Resin분만 흡착되고 Oil분이 통과되어 Resin과 Oil분이 분리된다.
Silica Gel에 흡착된 Resin은 벤젠(Benzene), 아세톤(Acetone) 또는 사염화탄소 (CCl4)에 의하여 용해되고 Silica Gel로부터 추출된다.
4) Asphaltene : 석유아스팔트 성분 중 20-30%를 차지하는 이 성분은 접착능력이 없으며 주로 아스팔트의 색상, 유동성(점도), 견고성에 영향을 끼친다.
아스팔텐은 저분자량의 나프텐계 탄화수소를 탈수소중합반응을 행할 때 생성된다. 따라서 Straight Run Asphalt 보다 탈수소 중합반응인 산화공정을 거친 Blown Asphalt가 아스팔텐의 함량이 훨씬 많다.
아스팔텐의 함량이 증가함에 따라 아스팔트의 침입도는 저하된다. 아스팔텐의 분자량은 1,000-80,000 정도이다. 결국 아스팔트는 저분자량의 탄화수소로 구성된 Petrolene속에 고분자량의 탄화수소로 구성된 Asphaltene이 Petrolene을 일부 흡수하여 미셀(Micelle)을 형성하면서 분산되어 콜로이드상을 이루고 있는 상태이다.
5) Resin : 레진은 약 90℃의 용융점을 갖는 적색의 고체 또는 반고체로서 노르말펜탄 (n-pentane)과 같은 유기용제에 용해된다. 분자량은 1,000내외로 아스팔트의 접착성과 가소성에 영향을 주며 저온에서는 유리와 같은 성질을 가지고 고온에서는 점도가 낮다.
6) Oil : 오일은 대부분의 유기용제에 용해되고 광학적으로는 활성이며 적갈색의 바셀린상을 하고 있다. 분자량은 500내외로서 표면장력이 적고 응집력이 없어 침투력이 강하다.
7) Carben : 카벤은 아스팔텐이 고도로 중합할 때 얻어지는 방향족 탄화수소의 성질을 가지며 산소와 유황의 함유량이 많고 분자량은 아스팔텐보다 높다. 카벤은 이유화탄소에는 잘 녹으나 사염화탄소에는 용해되지 않는 아스팔트에서는 매우 희소한 성분이다.
8) Oxygen : 아스팔트 속에 존재하는 대부분의 산소는 히드록실(Hydroxyl)기, 카보닐(Carbonyl)기와 같은 Radical형태의 산 및 에스테르로서 존재하고 있으며 산소의 60%가량이 에스테르화합물로서 산소를 형성하고 있다. 이와 같은 에스테르의 형성은 2종의 다른 탄화수소분자를 결합하므로 고분자물질을 형성하게 된다.
9) Sulfur : 유황은 모든 아스팔트에 함유되어 있으며 아스팔텐, 페트로렌, 오일분 등에 Gel, Sol-Gel 또는 Sol의 형태로 함유되어 있다.
10) Asphaltic Acid : 아스팔트의 Oil 성분 중에 나타나는 산성성분의 다핵화합물을 말한다.
- 아스팔트의 물리적 성질
아스팔트는 고도의 접착성, 가소성, 내수성, 전기부도성 등의 특성을 가지고 있으며 도로포장, 방수재료, 접착제 등 그 용도가 다양하다.
1) 비 중 (Specific Gravity)
아스팔트의 비중은 화학적인 조성과 연관성이 있다. 아스팔트를 구성하고 있는 성분 중 방향족 탄화수소화합물은 비중을 증가시키고 지방족 포화탄화수소화합물은 비중을 저하시킨다. 스트레이트 아스팔트는 블론 아스팔트보다 비중이 낮다. 표 1은 아스팔트의 침입도와 비중과의 관계를 나타낸 것이다.
표 2. 아스팔트의 침입도와 비중 관계
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침입도(at25°C,0.1mm) |
비 중(at25°C,g/ml) |
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300 |
1.01±0.02 |
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200 |
1.02±0.02 |
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100 |
1.02±0.02 |
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50 |
1.03±0.02 |
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25 |
1.04±0.02 |
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15 |
1.04±0.02 |
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10 |
1.05±0.02 |
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5 |
1.07±0.03 |
|
|
1.07±0.03 |
2) 열적 성질 (Thermal Properties)
① 비열(Specific Heat) : 아스팔트의 비열은 물의 비열에 1/2정도이다.
0℃에서 0.40 cal/g
100℃에서 0.45 cal/g
200℃에서 0.50 cal/g
300℃에서 0.55 cal/g
② 열전도도(Thermal Conductivity)
0℃에서 0.14 kcal/m·℃·hr
70℃에서 0.13 kcal/m·℃·hr
③ 열팽창계수(Coefficient of Expansion, Volume)
60℉에서 0.000033/℉
360℉에서 0.000042/℉
3) 전기적인 성질 (Electric Properties)
아스팔트는 뛰어난 전기절연성을 가지고 있다. 순수한 아스팔트는 부도체이나 무기염류 등이 함유되어 있을 때는 무기염류에 의해 전도성을 나타낸다.
① 절연내력 (Dielectric Strength) : 20℃에서 10 - 60KV/mm
② 유전상수 (Dielectric Constant) : 80℃에서 2.9 - 3.2
4) 수분투과율 과 흡수성
아스팔트의 가장 중요한 성질 중 하나가 물의 투과율과 흡수성이 낮다는 것이다.
1) 투과율 : 1 - 2.4 x 10-8 g/h·cm·Torr
2) 흡수성 : 1 - 3%
5) 융해성
아스팔트는 대부분의 유기용제에 녹는다. 아스팔트의 각 성분은 특정한 유기용제에 대하여 용해도가 다르므로 용해도의 차를 이용하여 아스팔트의 성분을 분석하기도 한다.
6) 접착력 및 응집력 (Adhesion & Cohesion)
아스팔트의 접착성은 Resin의 함량에 의해 영향을 받는다. Resin의 함량이 증가하면 접착성이 증가되나, 파라핀의 량이 증가하면 접착성은 저하된다.
습한 표면에서 아스팔트의 접착력은 약화된다. 그러므로 물이 골재와 아스팔트 계면에 스며들게 되면 접착성을 잃게된다.
아스팔트의 접착력과 응집력을 개선하기 위하여 소량의 천연고무나 합성고무를 첨가하면 접착력과 응집력을 개선시킬 수 있다. 이런 제품을 개질아스팔트(Modifier Asphalt)라 한다.
7) 내약품성
아스팔트는 많은 화학약품에 대해서 상온에서 높은 내약품성을 가지나 높은 온도에서는 산소, 유황, 염소 등과 반응하므로 내약품성이 저하된다. 이러한 성질은 탈수소반응 등 아스팔텐을 생성하는 공정에 응용하여 다양한 아스팔트제품을 제조하는데 이용된다.
화학약품에 대한 반응도와 저항력은 아스팔트의 화학적인 조성에 좌우된다. 일반적으로 아스팔트는 일반적으로 산과 염기에 대하여 강한 것으로 되어 있으나 강산에는 침식된다. 그러나 묽은산에 대해서는 반응하지 않는다. 화학적인 작용에 대한 내약품성은 스트레이트런 아스팔트보다 블로운아스팔트와 같이 Hard한 아스팔트일수록 좋다.
8) 아스팔트의 노화
아스팔트는 시간이 경과됨에 따라 공기와 빛에 의해 산화되어 서서히 열화한다.
아스팔트의 산화정도는 공기중에 노출된 비표면적과 빛의 량에 비례하므로 빛이 없으면 그 속도는 느려진다.
아스팔트는 산화로 말미암아 불용해성의 응축물과 산성분해 물질이 생성되므로 아스팔트의 표면은 희미하게 변하면서 노화가 진행된다. |