폼드 아스팔트의 포밍 장치 및 방법{APPARATUS AND METHOD FOR FOAMING FOAMED ASPHALT}

본 발명은 아스팔트 포장 기술(Asphalt pavement technology)에 관한 것으로, 보다 상세하게는 가열 아스팔트(Hot asphalt)를 거품 모양으로 만들기 위한 폼드 아스팔트의 포밍 장치 및 방법에 관한 것이다.

아스팔트 콘크리트(Asphalt concrete)는 모래, 자갈 등의 골재를 녹인 아스팔트로 결합시킨 혼합물로, 아스팔트 혹은 아스콘이라 약칭하고 있으며, 아스팔트 혼합물, 가열 아스팔트 혼합물 등으로 부르고도 있다. 중온 아스팔트 포장(Warm Mix Asphalt, WMA)은 가열 아스팔트 포장(Hot Mix Asphalt, HMA)보다 약 20~40℃의 낮은 온도에서 아스팔트를 생산 및 시공할 수 있어 유해가스의 배출 감소, 연료 소모량의 절감, 공사기간 단축 등 많은 장점이 있다.

중온 아스팔트 포장에 속하는 폼드 아스팔트 포장(Formed asphalt pavement)은 수증기 등을 이용하여 가열 아스팔트를 거품 모양으로 만들고, 믹서(Mixer), 믹싱 박스(Mixing box) 속에 분사하여 골재와 섞어 가열 아스팔트 혼합물로 만든 후, 노면에 포설 및 다짐하여 안정화시키는 것을 말한다. 아스팔트가 거품 모양으로 만들어지기 때문에 아스팔트의 부피는 늘어나지만, 점도가 떨어져 골재와 잘 섞이는 특성이 있다. 또한, 아스팔트의 거품(기포)이 소실되면, 본래의 아스팔트 성질로 돌아가 한랭지역의 포장에 장점이 있다.

이러한 폼드 아스팔트 포장에 대한 기술은 한국 등록특허 제10-0983344호 "아스팔트 거품특성을 이용한 아스팔트 콘크리트 및 이의 제조 방법", 한국 등록특허 제호"아스팔트 거품 특성을 이용한 반가열 보강식 아스팔트 혼합물 및 그 제조 방법 및 그를 이용한 시공 방법", 한국 등록특허 제10-0508011호 "아스팔트 팽창-거품 특성을 이용한 토사의 아스팔트 혼합물 및 그 제조 방법 및 시스템" 등 많은 특허문헌들에서 찾아볼 수 있다. 이 특허문헌들의 기술은 가열 아스팔트를 믹서의 팽창실(Expansion chamber)에 공급하고, 물을 소정의 압력으로 팽창실에 분사하여 아스팔트의 순간적인 체적팽창을 발생시킴으로써 폼드 아스팔트를 제조하고 있다. 위 특허문헌들에 개시되어 있는 내용은 본 명세서에 참고로 포함된다.

상기한 바와 같은 폼드 아스팔트의 제조 방법은 상온의 물 또는 차가운 물(Cold water)을 가열 아스팔트에 분사하기 때문에 아스팔트의 거품 발생률이 낮은 단점이 있다. 가열 아스팔트는 약 150℃ 이상, 바람직하기로는 약 170℃로 팽창실에 공급되고 있다. 상온의 물은 팽창실로 분사되면서 가열 아스팔트로부터 열에너지를 흡수하여 수증기로 기화되고, 이 수증기에 의해 가열 아스팔트의 순간적인 체적팽창이 발생되는 것이나, 상온의 물이 수증기로 기화되기까지 소요되는 시간으로 수증기와 가열 아스팔트의 접촉 면적이 작아져 거품의 발생이 적게 된다. 따라서 가열 아스팔트의 거품 발생률을 높일 수 있는 폼드 아스팔트의 포밍 장치 및 방법의 개발이 요구되고 있다.

본 발명은 상기와 같은 요구를 충족할 수 있는 새로운 폼드 아스팔트의 포밍 장치 및 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명의 일 측면에 따르면, 폼드 아스팔트의 포밍 장치가 제공된다. 본 발명에 따른 폼드 아스팔트의 포밍 장치는, 가열 아스팔트를 폼드 아스팔트로 포밍할 수 있도록 형성되어 있는 팽창실과, 물과 압축공기의 혼합물을 팽창실에 공급할 수 있도록 형성되어 있는 혼합물 공급 회로와, 혼합물을 열교환에 의해 가열할 수 있는 열매체유를 공급할 수 있도록 형성되어 있는 열매체유 공급 회로를 갖는 믹서와; 혼합물을 팽창실에 분사할 수 있도록 혼합물 공급 회로의 종단에 설치되어 있는 분사기구와; 분사기구에 의해 분사되는 혼합물이 설정 압력 이상으로 분사되도록 제어하는 릴리프밸브를 포함한다.

또한, 믹서는 팽창실이 중앙에 형성되어 있으며, 혼합물 공급 회로를 구성하는 히팅 자켓이 원주 방향을 따라 한쪽 면에 형성되어 있고, 열매체유 공급 회로를 구성하는 열매체유 유로가 원주 방향을 따라 다른 쪽 면에 형성되어 있는 몸체를 구비한다.

본 발명의 다른 측면에 따른 폼드 아스팔트의 포밍 방법은, 가열 콘크리트를 믹서의 팽창실에 공급하는 단계와; 가열 콘크리트를 폼드 아스팔트로 포밍하기 위한 물과 압축공기의 혼합물을 믹서의 혼합물 공급 회로에 공급하는 단계와; 혼합물 공급 회로에 공급되는 혼합물을 열교환에 의해 가열하기 위한 열매체유를 믹서의 열매체유 공급회로에 공급하는 단계와; 열매체유와의 열교환에 의해 가열된 혼합물을 혼합물 공급 회로의 종단에 장착되어 있는 분사기구에 의해 팽창실의 가열 콘크리트에 분사하여 폼드 아스팔트를 포밍하는 단계와; 폼드 아스팔트를 팽창실로부터 배출하는 단계를 포함한다.

본 발명에 따른 폼드 아스팔트의 포밍 장치 및 방법은, 물과 압축공기의 혼합물을 열교환에 의해 가열하여 혼합물의 기화율을 높인 후 팽창실의 가열 콘크리트에 분사시킴으로써, 가열 아스팔트와 수증기의 접촉 면적을 증가시켜 거품 발생량을 크게 증가시킬 수 있다. 따라서 폼드 아스팔트의 생산성을 향상시켜 도로 포장 등을 효율적으로 실시할 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 폼드 아스팔트의 포밍 장치를 나타낸 계통도이다.
도 2는 본 발명에 따른 폼드 아스팔트의 포밍 장치를 나타낸 단면도이다.
도 3은 본 발명에 따른 폼드 아스팔트의 포밍 장치를 분리하여 나타낸 사시도이다.
4는 본 발명에 따른 폼드 아스팔트의 포밍 장치에서 믹서의 몸체를 나타낸 평면도이다.
도 5는 본 발명에 따른 폼드 아스팔트의 포밍 장치에서 믹서의 몸체를 나타낸 저면도이다.
도 6은 본 발명에 따른 폼드 아스팔트의 포밍 장치에서 분사기구와 릴리프밸브를 나타낸 단면도이다.

본 발명의 그 밖의 목적, 특정한 장점들과 신규한 특징들은 첨부된 도면들과 연관되어지는 이하의 상세한 설명과 바람직한 실시예들로부터 더욱 분명해질 것이다.

이하, 본 발명에 따른 폼드 아스팔트의 포밍 장치 및 방법에 대한 바람직한 실시예들을 첨부된 도면들에 의거하여 상세하게 설명한다.

먼저, 도 1 내지 도 5를 참조하면, 본 발명에 따른 폼드 아스팔트의 포밍 장치(10)는 가열 아스팔트(1)를 폼드 아스팔트(2)로 포밍하기 위한 믹서(20)를 구비한다. 믹서(20)는 몸체(Body: 30), 톱 엔드 플레이트(Top end plate: 40)와 보텀 엔드 플레이트(Bottom end plate: 50)로 구성되어 있다.

가열 아스팔트(1)를 폼드 아스팔트(2)로 포밍하기 위한 팽창실(31)이 몸체(30)의 중앙에 형성되어 있다. 팽창실(31)은 몸체(30)의 위아래로 관통되어 가열 아스팔트(1)의 유입을 위한 아스팔트 유입구(31a)와, 폼드 아스팔트(2)의 배출을 위한 아스팔트 배출구(31b)를 갖는다.

몸체(30)는 물(3)과 압축공기(4)의 혼합물(5)을 외부로부터 팽창실(31) 안으로 공급하기 위한 혼합물 공급 회로(32)를 갖는다. 혼합물 공급 회로(32)는 몸체(30)의 외면에 형성되어 있는 혼합물 유입구(32a)와, 혼합물 유입구(32a)와 연통되도록 몸체(30)의 원주 방향을 따라 몸체(30)의 한쪽 면에 형성되어 있는 히팅 자켓(Heating jacket: 32b)과, 히팅 자켓(32b)의 양쪽 끝과 팽창실(31)을 연통하도록 몸체(30)의 내측에 형성되어 있는 한 쌍의 혼합물 분출구(32c)로 구성되어 있다. 혼합물 분출구(32c)들은 팽창실(31)의 중심에 대해 서로 90도의 각도를 이루도록 배치되어 있다. 몇몇 실시예에 있어서, 혼합물 분출구(32c)들의 개수 및 위치는 필요에 따라 증감될 수 있다.

몸체(30)는 히팅 자켓(32b)에 공급되는 혼합물(5)을 가열하기 위한 열매체유(Heating medium oil: 6)를 공급하는 열매체유 공급 회로(33)를 구비한다. 열매체유 공급 회로(33)는 몸체(30)의 외면 한쪽에 형성되어 있는 열매체유 유입구(33)와, 열매체유 유입구(33a)와 반대쪽에 위치하는 몸체(30)의 외면 다른 쪽에 형성되어 있는 열매체유 배출구(33b)와, 열매체유 유입구(33a)와 열매체유 배출구(33b)를 연결하도록 몸체(30)의 원주방향을 따라 몸체(30)의 다른 쪽 면에 형성되어 있는 열매체유 유로(33c)로 구성되어 있다.

도 2와 도 3에 도시되어 있는 바와 같이, 톱 엔드 플레이트(40)는 히팅 자켓(32b)을 덮도록 몸체(30)의 한쪽 면에 장착되어 있다. 구멍(41)이 아스팔트 유입구(31a)와 연통되도록 톱 엔드 플레이트(40)의 중앙에 형성되어 있다. 톱 엔드 플레이트(40)는 복수의 볼트(42)의 체결에 의해 몸체(30)의 한쪽 면에 결합되어 있다. 톱 엔드 플레이트(40)는 히팅 자켓(32b)의 기밀을 유지할 수 있도록 몸체(30)의 한쪽 면에 용접될 수도 있다. 보텀 엔드 플레이트(50)는 열매체유 유로(33c)를 덮도록 몸체(30)의 다른 쪽 면에 용접되어 있다. 구멍(51)이 아스팔트 배출구(33b)와 연통되도록 보텀 엔드 플레이트(50)의 중앙에 형성되어 있다.

가열 아스팔트(1)의 공급을 위한 공급관(60)이 톱 엔드 플레이트(40)의 구멍(41)에 연결되어 있다. 폼드 아스팔트(2)의 배출을 위한 배출관(61)이 보텀 엔드 플레이트(50)의 구멍(51)에 연결되어 있다. 공급관(60)은 톱 엔드 플레이트(40)를 덮고 있는 톱 조인트 플레이트(Top joint plate: 62)에 결합되어 있다. 배출관(61)은 보텀 엔드 플레이트(50)를 덮고 있는 보텀 조인트 플레이트(Bottom joint plate: 63)에 결합되어 있다. 톱 및 보텀 조인트 플레이트(62, 63) 각각은 복수의 타이 볼트(Tie bolt: 64)의 체결에 의해 서로에 대해 결합되어 있다.

도 3 내지 도 6을 참조하면, 본 발명에 따른 폼드 아스팔트의 포밍 장치(10)는 혼합물(5)을 팽창실(31)에 분사하도록 혼합물 공급 회로(32)의 종단, 즉 혼합물 분출구(32c)들에 장착되어 있는 한 쌍의 분사기구(70)를 구비한다. 분사기구(70)들은 혼합물 분출구(32c)를 통해 공급되는 혼합물(5)을 팽창실(31)에 분사하는 노즐(Nozzle: 71)로 구성되어 있다. 노즐(71)은 혼합물 분출구(32c)와 연통되어 있는 노즐구멍(72)을 갖는다. 노즐(71)의 선단은 팽창실(31) 안에 진입되어 있다. 분사기구(70)들은 노즐(71) 이외에도 오리피스(Orifice)를 갖는 튜브(Tube), 모세관(Capillary tube) 등으로 다양하게 구성될 수 있다. 몇몇 실시예에 있어서, 혼합물 분출구(32c)는 혼합물(5)의 분사수단으로 노즐구멍의 형태로 형성될 수도 있다.

본 발명에 따른 폼드 아스팔트의 포밍 장치(10)는 노즐(72)을 통해 분사되는 혼합물(5)이 설정압력이상으로 분사되도록 제어하는 릴리프밸브(Relief valve: 80)를 구비한다. 릴리프밸브(80)는 밸브 하우징(Valve housing: 81), 스템(Stem: 82), 코일스프링(Coil spring: 83)과 캡(Cap: 84)으로 구성되어 있다.

밸브 하우징(81)은 혼합물 분출구(32c)의 위쪽에 결합되어 있다. 보어(Bore: 81a)가 밸브 하우징(81)의 중앙에 형성되어 있다. 혼합물 분출구(32c)의 기밀을 유지하기 위해 실링(Seal ring: 85)이 몸체(30)와 밸브 하우징(81) 사이에 개재되어 있다.

스템(82)은 보어(81a)를 따라 병진운동(Translational motion)하여 노즐구멍(72)을 여닫을 수 있도록 보어(81a)에 끼워져 있다. 피스톤(Piston: 82a)이 스템(82)의 외면 중앙 부분에 형성되어 있다. 피스톤(82a)은 보어(81a)를 따라 슬라이딩(Sliding)되도록 보어(82a)에 끼워져 있다. 보어(81a)의 기밀을 유지하기 위해 실링(86)이 보어(81a)와 피스톤(82a) 사이에 개재되어 있다. 노즐구멍(72)의 폐쇄를 위해 팁(Tip: 82b)이 스템(82)의 선단에 형성되어 있다.

코일스프링(83)은 피스톤(82a)을 지지하여 스템(82)이 노즐구멍(72)을 폐쇄시키는 방향으로 스템(82)을 탄성 편향시키도록 보어(81a) 안에 장착되어 있다. 캡(84)은 보어(81a)를 통해 몸체(30) 밖으로 돌출되어 있는 스템(82)의 후단에 결합되어 있다.

도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 폼드 아스팔트의 포밍 장치(10)는 물(3)과 압축공기(4)의 혼합물(5)을 공급하기 위한 혼합물 공급 장치(90)를 구비한다. 혼합물 공급 장치(90)는 물 공급 유닛(100)과 압축공기 공급 유닛(110)으로 구성되어 있다. 물 공급 유닛(100)은 물(3)을 저장하는 탱크(Tank: 101)와, 탱크(101)와 혼합물 유입구(32a)를 연결하고 있는 워터 파이프라인(Water pipeline: 102)과, 워터 파이프라인(102)에 장착되어 탱크(101)을 물을 펌핑(Pumping)하는 펌프(103)로 구성되어 있다. 압축공기 공급 유닛(110)은 압축공기(4)를 생성하는 에어컴프레서(Air compressor: 111)와, 에어컴프레서(111)와 워터 파이프라인(102)을 연결하고 있는 에어 파이프라인(Air pipeline: 112)으로 구성되어 있다. 물(3)과 압축공기(4)의 흐름을 제어하기 위해 밸브(Valve), 유량계(Flowmeter), 압력계(Pressure gage) 등의 부속 장치가 워터 및 에어 파이프라인(102, 112) 각각에 장착되어 있다.

본 발명에 따른 폼드 아스팔트의 포밍 장치(10)는 믹서(20)에 공급되는 혼합물(5)이 열교환에 의해 가열되도록 열매체유 유로(33c)에 열매체유(6)를 공급하는 열매체유 공급 장치(120)를 구비한다. 열매체유 공급 장치(120)는 열매체유(6)를 저장하는 탱크(121)와, 탱크(121)와 열매체유 유입구(32a)를 연결하고 있는 파이프라인(122)과, 파이프라인(122)에 장착되어 탱크(121)을 열매체유(6)를 펌핑하는 펌프(123)와, 열매체유(6)를 가열하는 히터(Heater: 124)와, 열매체유(6)를 열매체유 배출구(33b)로부터 탱크(121)로 회수하는 리턴 파이프라인(Return pipeline: 125)으로 구성되어 있다. 열매체유(6)는 정제된 광유(Mineral oil), 글리콜 수용액(Glycol solution) 등으로 구성될 수 있다. 몇몇 실시예에 있어서, 열매체유(6)는 증기(Steam)로 대체될 수 있다. 히터(124)는 탱크(121) 안에 저장되는 열매체유를 가열하거나 파이프라인(122)을 통해 공급되는 열매체유를 가열하는 버너(Burner), 전기히터(Electric heaters), 유도가열기(Induction heater) 등으로 구성될 수 있다. 열매체유(6)의 흐름을 제어하기 위해 밸브, 유량계, 압력계 등의 부속 장치와 온도계가 파이프라인(122) 각각에 장착되어 있다.

지금부터는, 이와 같은 구성을 갖는 본 발명에 따른 폼드 아스팔트의 포밍 장치에 대한 작용을 설명한다.

도 1을 참조하면, 열매체유(6)는 히터(124)의 작동에 의해 설정 온도로 가열된다. 펌프(123)의 작동에 의해 열매체유(6)는 파이프라인(122)을 통해 열매체 유입구(33a)로 공급된다. 열매체유(6)는 열매체 유입구(33a), 열매체유 유로(33c), 열매체 배출구(33c)와 리턴 파이프라인(125)을 거쳐 탱크(121)로 회수된다.

도 2 내지 도 5를 참조하면, 열매체유(6)가 열매체유 유로(33c)에 공급되면, 가열 아스팔트(1)가 공급관(60)과 아스팔트 유입구(32a)를 통해 팽창실(31)로 공급된다. 물 공급 유닛(100)의 작동에 의해 공급되는 물(3)과 압축공기 공급 유닛(110)의 작동에 의해 공급되는 압축공기(4)가 혼합물(5)로 혼합되어 혼합물 유입구(32a)를 통해 히팅 자켓(32b)에 공급된다. 히팅 자켓(32b)에 공급된 혼합물(5)은 열매체유 유로(33c)에 공급된 열매체유(6)와의 열교환에 의해 설정온도로 가열된다. 혼합물(5)은 열매체유(6)와의 열교환에 의해 상온 이상, 끓는점 미만으로 가열될 수 있다.

계속해서, 열매체유(6)와의 열교환에 의해 가열된 혼합물(5)은 히팅 자켓(32b)과 혼합물 분출구(32c)을 거쳐 노즐(71)의 노즐구멍(72)을 통해 팽창실(31)에 분사된다. 이때, 혼합물(5)의 압력이 설정 압력 미만이면, 코일스프링(83)의 탄성에 의해 스템(82)이 노즐구멍(72)쪽으로 편향되어 노즐구멍(72)을 닫아주게 된다. 혼합물(5)의 압력이 설정 압력 이상, 즉 혼합물(5)의 압력이 코일스프링(83)의 탄성보다 커지게 되면, 혼합물(5)의 압력을 부여받는 피스톤(82a)에 의해 코일스프링(83)이 압축되고, 도 6에 화살표 "A"로 도시되어 있는 바와 같이 스템(82)이 보어(81a)를 따라 후퇴된다. 스템(82)이 후퇴되면, 팁(82b)에 의해 막혀있던 노즐구멍(72)이 열리고, 혼합물(5)이 노즐구멍(72)을 통해 팽창실(31)에 분사된다. 본 실시예에 있어서, 혼합물(5)의 분사 압력은 가열 콘크리트(1)의 압력보다 높게 설정된다.

혼합물(5)이 팽창실(31)에 분사되면서 가열 아스팔트(1)로부터 열에너지를 흡수하여 수증기로 기화되고, 이 수증기에 의해 가열 아스팔트(1)의 순간적인 체적팽창을 발생시켜 폼드 아스팔트(2)를 만든다. 혼합물(5)은 노즐(71)들을 통해 분사되기 전에 열교환에 의해 가열된 것이기 때문에 기화율이 높게 된다. 따라서 가열 아스팔트(1)와 수증기의 접촉 면적이 증가되어 거품 발생량이 높아지게 된다. 폼드 아스팔트(2)는 아스팔트 배출구(31b)와 배출관(61)을 통해 배출된다. 폼드 아스팔트(2)는 골재와 혼합되어 도로 포장 등에 사용된다. 아스팔트의 거품은 아스팔트와 골재의 접착력을 증진시킴으로써, 약 130℃ 전후의 중온에서 아스팔트 포장의 시공을 가능하게 한다.

이상에서 설명된 실시예는 본 발명의 바람직한 실시예를 설명한 것에 불과하고, 본 발명의 권리범위는 설명된 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술적 사상과 특허청구범위 내에서 이 분야의 당업자에 의하여 다양한 변경, 변형 또는 치환이 가능할 것이며, 그와 같은 실시예들은 본 발명의 범위에 속하는 것으로 이해되어야 한다.

10: 폼드 아스팔트의 포밍 장치 20: 믹서
30: 몸체 31: 팽창실
32: 혼합물 공급 회로 33: 열매체유 공급 회로
40: 톱 엔드 플레이트 50: 보텀 엔드 플레이트
70: 분사기구 71: 노즐
80: 릴리프밸브 81: 밸브 하우징
82: 스템 83: 코일스프링
90: 혼합물 공급 장치 100: 물 공급 유닛
110: 압축공기 공급 유닛 120: 열매체유 공급 장치