아스팔트 시멘트

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배경

아스팔트는 역청이라고 하는 여러 탄화수소 혼합물 중 하나인 무겁고 짙은 갈색에서 검은색의 광물성 물질입니다. 아스팔트는 다양한 용도에 적응할 수 있는 강력하고 다재다능한 날씨 및 내화학성 결합재입니다. 아스팔트는 쇄석과 자갈(일반적으로 골재라고 함)을 도로, 거리 및 공항 활주로의 단단하고 거친 표면으로 묶습니다. 미네랄 피치라고도 알려진 아스팔트는 천연 아스팔트 또는 브레아(brea)와 같은 천연 광상 또는 석유 산업의 부산물(석유 아스팔트)에서 얻습니다. 선사 시대 동물의 골격은 천연 아스팔트 퇴적물에서 완전히 손상되지 않은 상태로 보존되었으며, 가장 유명한 곳 중 하나는 캘리포니아주 로스앤젤레스의 La Brea Tar Pits입니다.

아스팔트는 문명 초기부터 사용되어 온 세계에서 가장 오래된 엔지니어링 자재 중 하나입니다. 기원전 6000년경 <소> 수메르인들은 코킹과 방수를 위해 아스팔트를 생산하고 사용하는 조선 산업이 번성했습니다. 기원전 2600년 <작은> 이집트인들은 방수재로 아스팔트를 사용하고 있었고 방부제로 미라 포장을 함침시켰습니다. 고대 문명은 사원, 관개 시스템, 저수지 및 고속도로에서 사용되는 블록을 건설하고 포장하기 위한 모르타르로 아스팔트를 널리 사용했습니다. 초기 문명에서 사용된 아스팔트는 자연적으로 발생했으며 지질 지층에서 부드럽고 작업 가능한 모르타르 또는 단단하고 부서지기 쉬운 암석 지층(아스팔트 석탄이라고도 함)으로 발견되었습니다. 천연 아스팔트는 원유가 갈라지고 갈라진 틈을 통해 지표면으로 올라갈 때 형성되었습니다. 태양과 바람의 작용으로 더 가벼운 기름과 가스를 몰아내고 검은 잔류물을 남겼습니다. 천연 아스팔트는 1900년대 초반까지 광범위하게 사용되었습니다. 원유에서 정제 아스팔트의 발견과 자동차의 대중화는 아스팔트 산업을 크게 확장시키는 데 기여했습니다. 현대의 석유 아스팔트는 천연 아스팔트와 동일한 내구성을 가지며 유기 및 광물 불순물이 없는 균일한 상태로 정제된다는 장점이 있습니다.

오늘날 생산되는 석유 아스팔트의 대부분은 고속도로 포장재로 사용됩니다. 아스팔트 포장 재료는 아스팔트 시멘트, 모래 및 쇄석의 둔한 검은 혼합물입니다. 가열된 후 뜨거운 김을 내며 노반 위에 버려지고 수평으로 긁힌 다음 무거운 증기 롤러로 압축됩니다. 아스팔트는 콘크리트 도로의 확장 조인트 및 패치에도 사용됩니다. 공항 활주로, 테니스 코트, 운동장 및 건물 바닥도 모두 아스팔트를 사용합니다. 도로 기름이라고 하는 가벼운 형태의 석유 아스팔트를 도로에 뿌려 먼지를 가라앉히고 자갈을 묶습니다. 아스팔트의 또 다른 주요 용도는 아스팔트 슁글과 롤 루핑으로, 일반적으로 아스팔트로 포화된 펠트로 구성됩니다. 아스팔트는 지붕 재료를 보존하고 방수하는 데 도움이 됩니다. 아스팔트의 다른 응용 분야에는 다음이 포함됩니다. 방수 터널, 교량, 댐 및 저수지; 방청 및 방음 금속 파이프 및 자동차 하부; 그리고 방음벽과 천장.

원자재

현대 아스팔트 제조에 사용되는 원료는 석유이며, 이는 자연적으로 액체 역청 발생. 아스팔트는 석유의 천연 성분이며 거의 전체가 아스팔트인 원유가 있습니다. 유정은 원유를 정유 공장에 공급하며, 여기서 원유는 다양한 구성 요소 또는 분획으로 분리됩니다.

제조
프로세스

원유는 정유 공장에서 증류 과정을 거쳐 다양한 유분으로 분리됩니다. 분리 후, 이러한 분획은 아스팔트, 파라핀, 가솔린, 나프타, 윤활유, 등유 및 디젤유를 포함하는 다른 제품으로 추가로 정제됩니다. 아스팔트는 원유의 기본 또는 중질 성분이기 때문에 증류 과정에서 증발하거나 끓지 않습니다. 아스팔트는 본질적으로 정유 공정의 무거운 잔류물입니다.

원유 증류

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1 정제 공정은 저장 탱크의 원유를 열교환기 또는 튜브 히터로 배관하여 초기 증류를 위해 온도를 급격히 상승시키는 것으로 시작됩니다. 그런 다음 더 가볍고 휘발성이 강한 성분 또는 분획물이 기화되어 일련의 응축기와 냉각기를 통해 배출되는 대기 증류탑으로 들어갑니다. 그런 다음 가솔린("경질" 증류액으로 간주), 등유("중간" 증류액으로 간주), 디젤유("중질" 증류액으로 간주) 및 기타 많은 유용한 석유 제품으로 추가 정제를 위해 분리됩니다.

이 상압 증류 공정에서 나오는 중질 잔류물을 일반적으로 토핑 원유라고 합니다. 이 토핑된 원유는 연료유로 사용되거나 아스팔트와 같은 다른 제품으로 추가 처리될 수 있습니다. 진공 증류는 "직선" 아스팔트를 생성하기에 충분한 고비점 분획을 제거할 수 있습니다. 그러나 토핑된 원유에 증류를 통해 경제적으로 제거할 수 없는 낮은 휘발성 성분이 충분히 포함되어 있는 경우, 원하는 농도의 아스팔트 시멘트를 생산하기 위해 용매 추출(용매 탈아스팔팅이라고도 함)이 필요할 수 있습니다.

축소

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2 아스팔트는 다음으로 휘발성 물질과 혼합되거나 "절단"되어 순수한 아스팔트 시멘트보다 더 낮은 온도에서 부드럽고 작업 가능한 제품이 될 수 있습니다. 컷백 아스팔트가 포장이나 건설에 사용될 때 공기나 열에 노출되면 휘발성 요소가 증발하여 단단한 아스팔트 시멘트가 남습니다. 절단제의 상대적인 증발 속도 또는 휘발성은 컷백 아스팔트가 완속, 중 또는 급속 경화로 분류되는지 여부를 결정합니다. 가열된 아스팔트 시멘트는 완속 경화 아스팔트의 경우 초기 증류 공정의 잔류 아스팔트 오일, 중간 경화의 경우 등유, 급속 경화 아스팔트의 경우 가솔린 또는 나프타와 혼합됩니다.

유화

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3 아스팔트 시멘트는 또한 파이프를 통해 쉽게 펌핑되거나 골재와 혼합되거나 노즐을 통해 분무될 수 있는 액체를 생성하기 위해 유화될 수 있습니다. 유화를 위해 아스팔트 시멘트를 5~10미크론 이하(1미크론은 100만분의 1미터)로 분쇄합니다. 이것은 물과 혼합됩니다. 유화제가 첨가되어 아스팔트와 물이 분리되는 경향을 줄입니다. 유화제는 콜로이드 점토, 가용성 또는 불용성 규산염, 비누 또는 설폰화된 식물성 오일일 수 있습니다.

분쇄

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4 아스팔트를 분쇄하여 분말 아스팔트를 생성할 수도 있습니다. 아스팔트는 분쇄되고 일련의 미세한 메쉬 체를 통과하여 과립의 균일한 크기를 보장합니다. 강화 아스팔트는 포장 도로 건설을 위해 도로 기름 및 골재와 혼합될 수 있습니다. 도로의 열과 압력은 분말을 골재 및 결합유와 천천히 융합시키고, 물질은 일반 아스팔트 시멘트와 유사한 농도로 경화됩니다.

에어 블로잉

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5 아스팔트가 지붕, 파이프 코팅 또는 언더실런트 또는 방수재와 같은 포장 이외의 목적으로 사용되는 경우 아스팔트가 산화되거나 에어 블로잉될 수 있습니다. 이 공정은 아스팔트 포장보다 더 높은 온도에서 연화되는 재료를 생산합니다. 정제소, 아스팔트 가공 공장 또는 지붕 재료 공장에서 공기를 불어넣을 수 있습니다. 아스팔트는 260°C(500°F)로 가열됩니다. 그런 다음 1~4.5시간 동안 공기를 버블링합니다. 냉각되면 아스팔트는 액체로 남아 있습니다.

아스팔트 포장 혼합물

아스팔트 시멘트는 도로 포장에 사용되는 주요 성분이므로 다음과 같이 간략히 설명합니다. 아스팔트 믹스에는 핫 믹스와 콜드 믹스의 두 가지 유형이 있습니다. 핫 믹스 아스팔트(HMA)는 일반적으로 교통량이 많은 지역에 사용되는 반면 콜드 믹스 아스팔트는 2차 도로에 사용됩니다. 아스팔트 포장 혼합물이 생산되는 방법에 대한 설명. 아스팔트 시멘트로 만든 아스팔트 포장 혼합물은 일반적으로 아스팔트 혼합 시설에서 준비됩니다. 아스팔트 믹스에는 핫 믹스와 콜드 믹스의 두 가지 유형이 있습니다. 핫 믹스 아스팔트(HMA)가 더 일반적으로 사용되는 반면 콜드 믹스 아스팔트(일반적으로 유화 또는 컷백 아스팔트로 만든 혼합물)는 보통 교통량이 적은 보조 도로나 원격 위치 또는 유지 보수 용도로 사용됩니다. 핫 믹스 아스팔트는 아스팔트 시멘트로 코팅된 적절한 골재의 혼합물입니다. "핫 믹스"라는 용어는 골재와 아스팔트를 혼합하기 전에 가열하여 골재에서 수분을 제거하고 적절한 혼합 및 작업성을 위해 아스팔트 시멘트의 충분한 유동성을 얻는 과정에서 유래합니다.

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6 아스팔트 시멘트와 골재는 혼합 시설에서 결합되어 원하는 포장 혼합물을 생성하기 위해 가열되고, 비례하고, 혼합됩니다. 핫 믹스 시설은 영구적으로 위치하거나("고정" 시설이라고도 함) 이동식으로 작업에서 작업으로 이동할 수 있습니다. 고온 혼합 설비는 배치 설비 또는 드럼 혼합 설비로 분류될 수 있으며 둘 다 고정식 또는 이동식일 수 있습니다. 배치식 열간 혼합 설비는 혼합을 위한 하나의 배치를 구성하기 위해 저장통에서 비례량으로 끌어온 열골재의 다양한 크기 분획을 사용합니다. 골재의 조합은 퍼그밀(pugmill)이라고 하는 혼합 챔버에 버려집니다. 무게도 측정한 아스팔트는 그런 다음 퍼그밀에서 골재와 완전히 혼합됩니다. 혼합 후, 재료는 퍼그밀에서 트럭, 저장 사일로 또는 서지 통으로 비워집니다. 드럼 혼합 공정은 드럼 믹서에서 동시에 골재를 가열하고 아스팔트와 혼합합니다.

7 혼합이 완료되면 핫 믹스를 포장 현장으로 운반하고 포장 기계를 사용하여 부분적으로 압축된 층으로 균일하고 고른 표면으로 살포합니다. 여전히 뜨거운 상태에서 포장 혼합물은 무거운 롤링 기계에 의해 더 압축되어 매끄러운 포장 표면을 생성합니다.

품질 관리

아스팔트 시멘트의 품질은 생산된 석유 원유의 고유한 특성에 영향을 받습니다. 다른 유전과 지역은 매우 다른 특성을 가진 원유를 생산합니다. 정제 방법은 또한 아스팔트 시멘트의 품질에 영향을 미칩니다. 엔지니어링 및 건설 목적을 위해 고려해야 할 세 가지 중요한 요소가 있습니다. 특정 온도에서 아스팔트의 점도 또는 유동성 정도라고도 하는 일관성, 순도 및 안전성입니다.

아스팔트 시멘트의 점도 또는 점도는 온도에 따라 달라지며, 아스팔트는 표준온도에서의 점도 범위에 따라 등급이 매겨집니다. 부주의한 온도 및 혼합 제어는 도로에서 수년 동안 사용한 것보다 아스팔트 시멘트에 더 많은 경화 손상을 일으킬 수 있습니다. 표준화된 점도 또는 침투 테스트는 일반적으로 포장 아스팔트 일관성을 측정하기 위해 지정됩니다. 에어 블로운 아스팔트는 일반적으로 연화점 테스트를 사용합니다.

아스팔트 시멘트는 거의 전체가 이황화탄소에 용해되는 역청으로 구성되어 있으므로 순도를 쉽게 테스트할 수 있습니다. 정제된 아스팔트는 일반적으로 이황화탄소에 99.5% 이상 용해되며 남아 있는 불순물은 불활성입니다. 이황화탄소의 위험한 가연성 때문에 아스팔트 시멘트의 우수한 용매이기도 한 트리클로로에틸렌(TCE)이 용해도 순도 시험에 사용됩니다.

아스팔트 시멘트는 정제소를 떠날 때 물이나 습기가 없어야 합니다. 그러나 아스팔트를 적재하는 운송 수단은 탱크에 수분이 존재할 수 있습니다. 이로 인해 아스팔트가 100°C(212°F) 이상으로 가열되면 거품이 발생할 수 있으며 이는 안전 위험입니다. 사양은 일반적으로 아스팔트가 최대 175°C(347°F)의 온도에서 거품이 발생하지 않도록 요구합니다. 아스팔트 시멘트는 충분히 높은 온도로 가열되면 불꽃이나 화염이 있을 때 번쩍이는 연기를 방출합니다. 이것이 발생하는 온도를 인화점이라고 하며 포장 작업에서 일반적으로 사용되는 온도보다 훨씬 높습니다. 아스팔트 발포 가능성과 적절한 안전 여유를 보장하기 위해 아스팔트의 인화점을 측정하고 제어합니다.

아스팔트 시멘트의 또 다른 중요한 공학적 특성은 연성이며, 이는 당기거나 당기거나 변형되는 재료의 능력을 측정합니다. 아스팔트 시멘트에서 연성의 유무는 일반적으로 실제 연성보다 더 중요합니다. 왜냐하면 연성이 높은 일부 아스팔트 시멘트도 온도에 더 민감하기 때문입니다. 연성은 표준 조건 및 치수에서 성형된 표준 아스팔트 시멘트 연탄을 인장 상태에서 파손될 때까지 표준 온도(보통 25°C[77°F])에서 잡아당기는 "신장" 테스트에 의해 측정됩니다. 아스팔트 시멘트 샘플이 파손되는 연신율은 샘플의 연성의 척도입니다.

부산물/폐기물

환경 보호법은 정유 공장과 아스팔트 처리 공장에서 나오는 물의 흐름과 미립자 및 연기 배출을 제한하는 엄격한 코드를 개발했습니다. 먼지뿐만 아니라 이산화황, 연기 및 기타 많은 배출물을 엄격하게 통제해야 합니다. 전기 집진기, 단일 또는 다중 원뿔형 사이클론을 사용하는 1차 집진기, 일반적으로 "백하우스"라고 하는 패브릭 필터 집진기로 구성된 2차 집진 장치는 모두 배출을 제어하는 ​​데 필요한 장비입니다. 아스팔트 생산에서 형성된 탄화수소는 확인하지 않을 경우 악취가 나는 연기와 오염 물질을 생성하여 공기를 더럽히고 어둡게 만듭니다. 아스팔트 생산에서 배출되는 오염 물질은 배기 가스를 포착한 다음 가열 과정을 통해 재순환시키는 인클로저에 의해 제어됩니다. 이것은 오염을 제거할 뿐만 아니라 공정의 가열 효율을 증가시킵니다.

아스팔트 시멘트, 석재 및 모래의 높은 비용으로 인해 업계는 효율성을 높이고 오래된 아스팔트 포장을 재활용해야 합니다. 아스팔트 포장 재활용에서는 오래된 포장에서 재생된 재료를 새로운 재료와 함께 재처리합니다. 아스팔트 재활용의 3가지 주요 범주는 1) 중앙 플랜트에서 재생된 자재를 신소재와 결합하여 핫 믹스 포장 혼합물을 생산하는 핫 믹스 재활용, 2) 재생된 자재를 신소재와 결합하는 콜드 믹스 재활용입니다. 현장 또는 중앙 공장에서 콜드 믹스 기본 재료를 생산하고, 3) 표면 재활용, 오래된 아스팔트 표면 포장을 제자리에서 가열하고, 긁어내거나, "긁어내거나", 재혼합, 다시 깔고 압연하는 과정입니다. 노화된 아스팔트를 원하는 사양으로 복원하는 데 도움이 되도록 유기 아스팔트 재활용제를 첨가할 수도 있습니다.

용매 증발 및 휘발성으로 인해 컷백 아스팔트, 특히 가솔린이나 나프타를 사용하는 급속 경화 컷백 아스팔트의 사용이 더욱 제한되거나 금지되고 있는 반면, 유화 아스팔트(물만 증발하는)는 비용 및 환경 규제로 인해 대중화되고 있습니다.

미래

증가하는 경제적 및 환경적 요구는 포장을 완전히 부수기 위해 마이크로웨이브를 사용하는 것과 같이 오래된 아스팔트 포장을 재활용하는 데 많은 새로운 기술적 개선을 가져올 것입니다. 마이크로파는 아스팔트 포장의 부서진 암석을 주변 시멘트보다 빠르게 가열하고 암석의 복사열에 의해 데워집니다. 이 방법은 아스팔트 시멘트가 타는 것을 방지합니다.

하수슬러지를 액화하여 합성아스팔트를 생산하는 것과 같은 대체 원료 공급원이 연구되고 있습니다. 일관된 제품 품질을 보장하기 위해 개질 아스팔트 및 유제 제조를 위한 새로운 방법이 개발되고 있습니다. 고성능 겔 투과 크로마토그래피(HP-GPC)와 같이 아스팔트 특성화에 도움이 되는 많은 새로운 테스트가 개발되고 있으며, 이를 통해 많은 특성을 연구하고 결과를 단 몇 분 안에 수집할 수 있습니다. 새로운 공정, 보다 효율적인 혼합 및 밀링 장치, 인라인 액체 질량 유량계, 온라인 모니터링 시스템 및 새로운 안전 장비는 개선을 위해 조사 중인 일부 다른 영역입니다.

고분자 개질 아스팔트 크랙 실러가 인기를 얻고 있으며 다른 많은 아스팔트 개질제가 개발되고 있습니다. 포장의 부식, 균열, 아스팔트 산화 및 물 손상을 제어하기 위해 수정제가 추가됩니다. 상업적으로 이용 가능한 일부 아스팔트 개질제는 엘라스토머, 금속 착물, 원소 황, 섬유, 소석회, 포틀랜드 시멘트, 실리콘, 다양한 충전제 및 유기 스트립 방지제를 포함한 중합체입니다. 이러한 수정자 중 많은 부분이 광범위하게 사용되지 않았으며 추가 개발을 위해 연구되고 있습니다. 언젠가는 수분의 존재 여부에 따라 특성을 변화시킬 수 있는 특정 아스팔트 마찰 조정제를 혼합하여 "스마트 아스팔트 시멘트"를 만드는 것이 가능할 수도 있습니다. 잠김 방지 브레이크 와 함께 자동 트랙션 컨트롤과 에어백은 미국 고속도로에서 많은 생명을 구할 수 있습니다.