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문제 정의
- 연구가 있었다.3,4,5) 따라서 본 연구에서는 사용된 5가지 바인더의 물성을 통한 아스팔트 혼합물의 강도특성을 추정하기 위해 회귀 분석을 수행하여 가장 상관성이 높은 추정식을 개발하고자 하였다. 본 연구에서 직접인장강도, 간접인장강도 및 회복탄성계수 값을 종속변수로 하고 아스팔트 바인더의 동점도, 절대점도, 연화점, 침입도 및 PG 고온등급을 독립(매개)변수로 하여 회귀분석을 수행하였다.
- 아스팔트 혼합물을 제조하였다. 그리고 직접인장강도, 간접인장강도 및 회복탄성계수 시험을 수행하여 상관 분석을 통해 폴리머 개질에 따른 바인더 특성 변화가 혼합물 특성과 가지는 관계를 분석하는데 연구 목적이 있다. 이와 같이 결합재의 성질로부터 그것으로 제조될 혼합물의 역학적 특성을 추정할 수 있다면 사전에 바인더 특성만을 가지고도 필요한 혼합물의 특성을 예측할 수 있으므로 매우 유용한 연구가 될 것이다.
- 본 연구에서는 결합재의 특성이 혼합물 특성에 미치는 영향을 보다 분명히 파악하기 위하여 직접인장강도(direct tensile strength: DTS)를 간접 인장강도와 병 행 하여 측정 하였다. 간접 인장강도 (indirect tensile strength- ITS)는 시멘트 콘크리 트나 아스팔트 혼합물과 같이 양단을 그립 (grip) 으로 잡기 어려운 재료를 직접인장으로 시험하기 에 어려워 수행되는 우회적 시험방법이다1,2).
제안 방법
- 간접인장강도 시험은 마샬 공시체를 제작하여 마샬가압 장비에 Lottman loading head를 이용해 50mm/min 재하속도로 하중을 가하여 수행하였다. 이 시험시 최대하중과 그때의 수직변위로부터 그림 2와 같이 강성지수(stiffness index: SI)를 구하였으며 이에 대한 자세한 설명은 문헌 7에 제시되어 있다.
- 그림에서 보듯이 각 혼합물의 강도특성(DTS1, DTS2, ITS, Mr, SI)을 회귀분석 모델의 종속변 수(y)로 사용하고, 절대점도, 동점도, 침입도, 연화점, PG 고온등급 등 각각을 독립변수(X)로 사용하여 결정계수(R2)가 가장 높게 나타나는 모델로 회귀분석을 수행하였다. 그 결과 여러 가지 혼합물의 특성 중 DTS2가 침입도를 제외한 모든물리적 성질과 가장 상관성이 높게 나타났으며 그 다음이 DTS1, ITS, SI, Mr인 것으로 나타났 다.
- 간접 인장강도 (indirect tensile strength- ITS)는 시멘트 콘크리 트나 아스팔트 혼합물과 같이 양단을 그립 (grip) 으로 잡기 어려운 재료를 직접인장으로 시험하기 에 어려워 수행되는 우회적 시험방법이다1,2). 따 라서 이를 위해 특수 그립을 제작하여 가운데가 잘록한 공시체를 별도의 접착 • 고착하지 않고 시 험 할 수 있는 새로운 기법을 개발하여 사용하였 다.
- 따라서 단일 바인더 물성의 변화와 혼합물의 강도특성변화가 가지는 상관성보다는 종합적으로 여러 물성을 이용하여 상관성을 분석해보기로 하였다.
- 즉, 굵은골재를 포함하는 혼합물은 결합재의 특성변화가 혼합물 인장강도에 미치는 영향을 판단하는데 있어서 굵은골재의 존재 때문에 변동성이 커진다. 따라서 본 연구에서는 결과에서의 불확실성을 줄이기 위해 샌드아스팔트 혼합물을 사용하였다. KS 규정에 따라서 품질 시험을 수행하여 그 결과를 표 2에 나타내었다.
- 따라서 본 연구에서는 두 가지의 폴리머를 사용하여 4종류의 아스팔트를 개질하여 12가지 개질 아스팔트 혼합물을 제조하였다. 그리고 직접인장강도, 간접인장강도 및 회복탄성계수 시험을 수행하여 상관 분석을 통해 폴리머 개질에 따른 바인더 특성 변화가 혼합물 특성과 가지는 관계를 분석하는데 연구 목적이 있다.
- 본 실험은 직접인장강도 시험에서 잘록한 공시체를 만들기 때문에 마샬 공시체의 안정도를 측정하지 않고 간접인장강도를 이용하여 배합설계를 수행하였다. 아스팔트 함량을 7〜9%까지 0.
- 3,4,5) 따라서 본 연구에서는 사용된 5가지 바인더의 물성을 통한 아스팔트 혼합물의 강도특성을 추정하기 위해 회귀 분석을 수행하여 가장 상관성이 높은 추정식을 개발하고자 하였다. 본 연구에서 직접인장강도, 간접인장강도 및 회복탄성계수 값을 종속변수로 하고 아스팔트 바인더의 동점도, 절대점도, 연화점, 침입도 및 PG 고온등급을 독립(매개)변수로 하여 회귀분석을 수행하였다. 회귀분석 방법은 linear, log, polynomial, power regression 중 최상의 R2 값이 얻어지는 모델을 선정하였다.
- 본 연구에서는 아스팔트 바인더의 5가지 물리적 성질을 이용하여 샌드아스팔트 혼합물의 직접인장강도. 간접인장강도, 회복탄성계수 등 역학적특성을 추정하기 위한 연구를 수행한 것으로 다음과 같은 결론을 얻었다.
- 본 연구에서는 아스팔트 바인더의 점도, 침입도 등 물리적 성질을 이용하여 샌드 아스팔트 혼합물의 DTS1, DTS2, ITS, Mr, SI를 추정하기 위한 회귀분석을 수행하였다(그림 6〜 15). 그림 6〜10은 혼합물의 특성과 바인더 물성간의 회귀분석을 통해 인장강도를 각각의 물리적 성질로 추정한 것을 R2과 함께 보여준다.
- 상하 그립 간격을 일정(80mm)하게 설정하고 재하속도는 간접인장강도와 같이 빠른 속도인 50mm/min와 아주 저속인 0.5mm/min 두 가지로하였다. .
- 수행하였다. 아스팔트 함량을 7〜9%까지 0.5%씩 증가시키면서 배합설계를 수행하였으며 공시체의 제작은 마샬 다짐기를 이용하여 상하양면을 50회씩 다짐하여 공극률 4%를 기준으로 가장 높은 ITS에서 0AC를 구하였다.
- 아스팔트를 개질하기 위한 개질재의 양은 문헌 11)을 통하여 작업성을 고려하여 개질 효과가 뛰어난 폴리머 첨가량을 결정하여 AP3에는 P 6%, S 5%를 첨가하였고 AP5에는 P와 S를 각각 5% 씩 첨가하였다. 이와 같이 함량에 차이를 둔 것은 두 폴리머의 특성차이로 같은 함량에서 작업성에 차이가 생기므로 S3 아스팔트를 기준으로 혼합물의 다짐온도(약 135°C) 수준에서 측정하는 동점도가 대등하게 얻어지는 함량으로 조절한 것이다.
- 5mm/min인 초 저속은 속도에 의한 충격이 최소화된 상태에서 결합재의 결합력 (binding force) 만으로 혼합물이 인장응력에 저항하도록 하기 위해서이다. 이 두 가지를 각각 DTS1(고속), DTS2(저속)라 명명하였고 모든 공시체는 1조에 3개씩 제작화였으며 탈형 후 24시간 동안 25°C에서 양생시킨 후 동일 온도에서 시험을 수행하였다.
- 일어나도록 하였다. 이 시험을 위하여 특수한 그립을 제작하였으며 Instron 만능 재료 시험기를 사용하여 하중을 재하하였다. 공시체를 그립에 설치한 장면을 그림 3에서 보여주며 공시체제조 방법 등 보다 상세한 사항은 기존 문헌中) 에 상세히 제시되어 있다.
- 즉, 본 연구에 사용된 모든 물성을 이용하여 혼합물의 직접 인장강도를 추정할 수 있는 모델(추정식)을 얻기 위하여 각 물성 값들 5가지와 그것의 자승 값들 5가지를 독립변수로, 그리고 인장강도 특성을 종속변수로 하여 모델을 설정하였다. 또한 비교적 실험이 어려운 회복탄성계수 값도 추정이 가능토록 같은 방법으로 모델을 설정하였다.
- 직 접 인 장강도시 험 (direct tensile strength: DTS)은 그림 3에서와 같이 가운데 부분이 잘록한 공시체(slender specimen)를 제작하여 노치 (Notch)를 만들지 않고도 잘록한 목 부분에서 파괴가 일어나도록 하였다. 이 시험을 위하여 특수한 그립을 제작하였으며 Instron 만능 재료 시험기를 사용하여 하중을 재하하였다.
- 침입도 시험(KS M 2252), 연화점 시험(KS M 2250), 절대점도 시험(KS M 2247), 동점도 시험 (KS M 2248), DSR 시험(AASHTO TP5)을 수행하여 아스팔트 바인더 별로 물리적 특성과 미국 슈퍼페이브 제 1단계 바인더시험에서 제시한 PG 고온등급을 측정하였다.
- 25°C에서 수행하였다. 하중 재하시 수직변위는 시험기 자체의 position을 이용하여 구하였으며 수평변위 측정을 위해서는 공시체 양면에 LVDT를 설치하였다(그림 4).
- 본 연구에서 직접인장강도, 간접인장강도 및 회복탄성계수 값을 종속변수로 하고 아스팔트 바인더의 동점도, 절대점도, 연화점, 침입도 및 PG 고온등급을 독립(매개)변수로 하여 회귀분석을 수행하였다. 회귀분석 방법은 linear, log, polynomial, power regression 중 최상의 R2 값이 얻어지는 모델을 선정하였다.
대상 데이터
- 본 연구에서는 국내 3개 정유사(S, L, H) 에서 생산되는 AP3(침입도 등급 85〜100)와 국내 1개 정유사(S)에서 생산되는 AP5(침입도 등급 60〜 70)를 사용하였으며 각각 아스팔트의 물리적 특성은 표 1과 같다.
- 사용된 아스팔트 개질재는 국내에서 생산되는 LDPE(P)와 SBS(S)를 사용하였다. P와 S에 대한 기본 성질과 설명은 기존 문헌7,8,11,12)에 자세히 나와있다.
데이터처리
- 또한 비교적 실험이 어려운 회복탄성계수 값도 추정이 가능토록 같은 방법으로 모델을 설정하였다. 그리고 SASli) 의 stepwise procedure를 이용하여 선형 다중회귀분석 (multiple linear regression analysis)을 수행하였다. 이 stepwise 과정은 주어진 10개의 변수 중 종속변수와 유의차가 낮은 변수들을 차례로 제거하여 필요한 최적의 모델을 설정하는 방법인데 그 결과 제시된 모델들은 다음과 같다.
- 9sec)으로 구분되며 재하시간과 휴지기간의 합은 1초로서 반복 횟수(frequency)는 1Hz이었다. 상기의 방법으로 구한 수직변위와 수평변위를 이용하여 포아슨 비를 측정하였으며 수직변위와 수평변위가 모두 안정화된 100사이클 후 5 사이클(101〜105)을 채택하여 평균값을 사용하였다.
이론/모형
- 본 연구에서 사용된 골재는 영서지방에서 생산되는 편마암(Gneiss)이며 굵은골재 사용시 골재의 다양성으로 인해 결합재의 특성이 불분명해지는 것을 최소화하기 위하여 잔골재만을 사용한 샌드 아스팔트 혼합물 입도(ASTM D 3515)로 조정하였다. 즉, 굵은골재를 포함하는 혼합물은 결합재의 특성변화가 혼합물 인장강도에 미치는 영향을 판단하는데 있어서 굵은골재의 존재 때문에 변동성이 커진다.
- 시험기를 이용하여 ASTM D 4123의 규정에 따라 마샬공시체로 25°C에서 수행하였다. 하중 재하시 수직변위는 시험기 자체의 position을 이용하여 구하였으며 수평변위 측정을 위해서는 공시체 양면에 LVDT를 설치하였다(그림 4).
성능/효과
- 1) 아스팔트 혼합물의 성질을 바인더의 단일물성으로 추정하기 위하여 여러 가지 방법으로 회귀분석을 수행한 결과 직접인장강도 중에서도 저속(0.5mm/min)으로 측정한 값(DTS2) 이 동점도 연화점, PG 고온등급으로 추정시 이 0.8 이상으로 나타나 단일 물성으로 가장 상관성이 높은 역학적 특성임을 알 수 있었다.
- 12가지 바인더로 제작한 혼합물의 시험 결과 개질하지 않은 4가지 아스팔트 혼합물의 회복탄성계수는 963〜1106 MPa였고, 8가지 폴리머 개질아스팔트 혼합물의 회복탄성계수는 1083-1413 MPa로 나타났다. H3 및 S5의 경우 P로 개질을 하면 약 28.
- 2) 5가지 물성을 모두 이용하여 각각의 역학적 특성을 추정한 결과 인장강도, 회복탄성계수, 강성지수 모두 매우 신뢰성이 높게 추정이 가능함을 알 수 있었다(r5 0.9). 그중 직접인장 및 간 접인장강도는 R2이 0.
- 2) 5가지 물성을 모두 이용하여 각각의 역학적특성을 추정한 결과 인장강도, 회복탄성계수, 강성지수 모두 매우 신뢰성이 높게 추정이 가능함을 알 수 있었다(마>0.9). 그중 직접인장 및 간접인장강도는 R2 이 0.
- 3) 회복탄성계수 및 강성지수의 경우 직접 및 간접인장강도보다 IF가 상대적으로 낮게 나타났다. 특히 회복탄성계수의 R2가 0.
- 3) 회복탄성계수 및 강성지수의 경우 직접 및 간접인장강도보다 R2가 상대적으로 낮게 나타났다. 특히 회복탄성계수의 r2가 0.
- 23% 선에서 결정되었다. 4가지 무개질 혼합물의 DTS]은 6.2〜8.02kgf/cm2이었고, 8가지 폴리머 개질 아스팔트 혼합물의 DTS1 는 7.6~9.37kgf/cm2 로 무개질 혼합물에 비하여 상당히 향상된 것으로 나타났다. 또한 DTS2는 무개질이 2.
- R?가 0.85 정도의 높은 상관 관계를 보여 PG 고온 등급이 높은 바인더를 사용하면 직접인장강도가 큰 혼합물을 얻을 수 있음을 알 수 있었다. 또한 연화점과 동점도도 R2>0.
- 개질 아스팔트는 일반아스팔트에 비해 절대점도(AV), 동점도(KV), 연화점(SP)은 상승하였고 침입도(PN)는 감소하였으며 PG 고온등급도 한두 단계 높아졌다. 표 3은 바인더의 개질에 따른 두 가지 점도, 침입도와 연화점 및 PG 고온 등급변화를 보여준다.
- 회귀분석을 수행하였다. 그 결과 여러 가지 혼합물의 특성 중 DTS2가 침입도를 제외한 모든물리적 성질과 가장 상관성이 높게 나타났으며 그 다음이 DTS1, ITS, SI, Mr인 것으로 나타났 다.
- 9). 그중 직접인장 및 간접인장강도는 R2 이 0.99 이상으로 추정식이 매우 정확했으며, 회복탄성계수와 강성지수는 R2이 각각 0.91, 0.93 이상이어서 비교적 신뢰성이 높은 추정식을 얻을 수 있었다.
- 9). 그중 직접인장 및 간접인장강도는 R2 이 0.99 이상으로 추정식이 매우 정확했으며, 회복탄성계수와 강성지수는 R2이 각각 0.91, 0.93 이상이어서 비교적 신뢰성이 높은 추정식을 얻을 수 있었다.
- 37kgf/cm2 로 무개질 혼합물에 비하여 상당히 향상된 것으로 나타났다. 또한 DTS2는 무개질이 2.26 〜 2.85kgf/cm2였고, 폴리머 개질 아스팔트 혼합물에서는 3.12〜4.20kgf/cn]2로 더욱 크게 향상된 것으로 나타났다. 전반적으로 DTS1 은 DTS2에 비해 1.
- 4%)하였다. 또한 P가 S 보다 상대적으로 높은 향상율을 보였다. 전반적으로 개질에 따른 Mr 향상비율은 상기 세 가지 인장강도 향상 비율보다 약 10〜50% 포인트 낮았다.
- 보여진다. 또한 SI도 R2이 인장강도보다는 낮으나 0.93 이상이어서 추정치가 상당히 정확함을 알 수 있었으며 Mr보다는 정확하고 인장 강도 값들보다는 떨어지는 수준에 있다.
- 85 정도의 높은 상관 관계를 보여 PG 고온 등급이 높은 바인더를 사용하면 직접인장강도가 큰 혼합물을 얻을 수 있음을 알 수 있었다. 또한 연화점과 동점도도 R2>0.8이 얻어져 DTS2와 상당한 상관관계가 있음을 알 수 있었다. 반면 절대점도나 침입도는 DTS2와 상관관계가 낮았지만 그래도 R2가 0.
- 시험 결과 개질하지 않은 4가지 아스팔트 혼합물의 ITS는 4.9〜5.6kgf/cm2이었고 8가지 폴리머개질 아스팔트 혼합물의 ITS는 5.3 〜7.3kgf/cm2로 나타났으며 혼합물 종류별 강성지수 측정결과도표 4에 제시하였다. 표 4에서 같은 재하속도로 측정한 직접인장강도(DTS1)와 간접인장강도(ITS) 의 비율은 전체적으로 DTS1 값이 ITS에 비해더 크며 그 평균이 1.
- 이상의 분석 결과 바인더의 물리적 성질들을 이용하여 어느 정도 인장강도 등을 추정할 수 있으나 각각의 물리적 성질만으로는 신뢰도가 낮게 나타났다. 따라서 단일 바인더 물성의 변화와 혼합물의 강도특성변화가 가지는 상관성보다는 종합적으로 여러 물성을 이용하여 상관성을 분석해보기로 하였다.
- 또한 P가 S 보다 상대적으로 높은 향상율을 보였다. 전반적으로 개질에 따른 Mr 향상비율은 상기 세 가지 인장강도 향상 비율보다 약 10〜50% 포인트 낮았다.
- 5이어서 신뢰성은 떨어진다. 즉, 강성지수는 물론 회복탄성계수도 바인더의 여러 물성중 PG 고온등급과 동점도와 가장 상관성이 높았으 강성지수인 SI가 모든 바인더(연화점 제외) 특성에 Mr 보다 더 연관성이 큰 것으로 나타났으나 모두 마<0.5이어서 신뢰성은 떨어진다. 즉, 강성지수는 물론 회복탄성계수도 바인더의 여러 물성중 PG 고온등급과 동점도와 가장 상관성이 높았으나 R2이 모두 0.
- 특히 회복탄성계수의 R2가 0.91 로 가장 낮게도 연화점, PG 고온등급으로 추정시 미이 0.8 이상으로 나타나 단일 물성으로 가장 상관성이 높은 역학적 특성임을 알 수 있었다.
후속연구
- 4) 본 연구에서는 제한된 숫자의 공시체를 가지고 시험을 수행하였으나 보다 많은 종류의 혼합물과 많은 숫자의 공시체에 대한 시험을 수행하면 좀더 일반화된 결과를 도출할 수 있을 것으로 사료된다. 향후 직접인장 반복 하중 시험 및 소성변형 실험도 수행하여 일반 아스팔트 혼합물의 피로 및 변형 특성에 대한 상관성을 분석하는것도 값어치 있는 연구가 될 것이다.
- 그리고 직접인장강도, 간접인장강도 및 회복탄성계수 시험을 수행하여 상관 분석을 통해 폴리머 개질에 따른 바인더 특성 변화가 혼합물 특성과 가지는 관계를 분석하는데 연구 목적이 있다. 이와 같이 결합재의 성질로부터 그것으로 제조될 혼합물의 역학적 특성을 추정할 수 있다면 사전에 바인더 특성만을 가지고도 필요한 혼합물의 특성을 예측할 수 있으므로 매우 유용한 연구가 될 것이다.
- 발견하였다. 이와 같이 결합재인 아스팔트(개질 아스팔트 포함)의 물리적 성질이 혼합물의 특정 역학적 성질과 상관관계를 가지고 있어 이를 분석하면 혼합물의 특성을 결합재로부터 추정하는 것이 가능할 것으로 보여진다.
- 사료된다. 향후 직접인장 반복 하중 시험 및 소성변형 실험도 수행하여 일반 아스팔트 혼합물의 피로 및 변형 특성에 대한 상관성을 분석하는것도 값어치 있는 연구가 될 것이다.
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