본 연구는 말뚝 부마찰력 저감용으로 사용하는 역청재료의 유변학적 특성을 분석한 결과이다. 역청재료는 효과적으로 부마찰력을 저감시키고 경제적인 장점으로 인하여 말뚝의 부마찰력 저감 공법으로 사용하여 왔다. 본 연구에서는 세 종류의 말뚝용 역청재료를 선택하여 비교 시험을 실시하였다. 물리적 특성시험으로는 침입도 시험, 연화점 시험 및 침입도 지수를 실시하였으며 유변학적 시험으로는 동적전단 유동기를 사용하여 위상각, 복합계수, 크리프시험 및 흐름시험을 시험온도 15, 30, 45 및 6$0^{\circ}C$에서 수행하였다. 시험 결과는 역청재료의 유변학적 특성을 나타내는 위상각, G$^*$/sin $\delta$, 크리프 컴플라이언스 및 전단점도로 분석하여 상호 비교하였다. 시험 결과 온도와 위상각은 비례관계를 나타냈으며 G$^*$/sin $\delta$는 반비례 관계를 보였다. 또한, 크리프 컴플라이언스는 하중시간이 증가함에 따라 증가하여 역청재료가 시간의 변화에 따라 점성유체로 작용하는 것으로 나타났다. 크리프시험으로 인한 시간 및 온도의 변화는 크리프 컴플라이언스 값을 크게 변화 시켰으나 전단점도의 변화는 그다지 심하게 나타나지 않아서 말뚝 역청재료의 평가에는 크리프 컴플라이언스를 측정 할 수 있는 크리프시험이 적절한 것으로 평가되었다. 본 연구에서 유변학적 시험을 실시한 결과 물리적 시험으로부터 분석할 수 없는 온도와 시간의 변화에 따른 역청재료의 특성변화를 상세하게 분석할 수 있었는데 이러한 시험 결과는 말뚝용 역청재료의 선정에 큰 영향을 미칠 것으로 판단된다.
본 연구는 말뚝 부마찰력 저감용으로 사용하는 역청재료의 유변학적 특성을 분석한 결과이다. 역청재료는 효과적으로 부마찰력을 저감시키고 경제적인 장점으로 인하여 말뚝의 부마찰력 저감 공법으로 사용하여 왔다. 본 연구에서는 세 종류의 말뚝용 역청재료를 선택하여 비교 시험을 실시하였다. 물리적 특성시험으로는 침입도 시험, 연화점 시험 및 침입도 지수를 실시하였으며 유변학적 시험으로는 동적전단 유동기를 사용하여 위상각, 복합계수, 크리프시험 및 흐름시험을 시험온도 15, 30, 45 및 6$0^{\circ}C$에서 수행하였다. 시험 결과는 역청재료의 유변학적 특성을 나타내는 위상각, G$^*$/sin $\delta$, 크리프 컴플라이언스 및 전단점도로 분석하여 상호 비교하였다. 시험 결과 온도와 위상각은 비례관계를 나타냈으며 G$^*$/sin $\delta$는 반비례 관계를 보였다. 또한, 크리프 컴플라이언스는 하중시간이 증가함에 따라 증가하여 역청재료가 시간의 변화에 따라 점성유체로 작용하는 것으로 나타났다. 크리프시험으로 인한 시간 및 온도의 변화는 크리프 컴플라이언스 값을 크게 변화 시켰으나 전단점도의 변화는 그다지 심하게 나타나지 않아서 말뚝 역청재료의 평가에는 크리프 컴플라이언스를 측정 할 수 있는 크리프시험이 적절한 것으로 평가되었다. 본 연구에서 유변학적 시험을 실시한 결과 물리적 시험으로부터 분석할 수 없는 온도와 시간의 변화에 따른 역청재료의 특성변화를 상세하게 분석할 수 있었는데 이러한 시험 결과는 말뚝용 역청재료의 선정에 큰 영향을 미칠 것으로 판단된다.
This paper presents the rheological properties of bitumen for reducing negative skin friction. The bitumen has been widely used due to both the cost and construction effectiveness. Also, it is well known that the use of bitumen for reducing negative skin friction renders the best results among other...
This paper presents the rheological properties of bitumen for reducing negative skin friction. The bitumen has been widely used due to both the cost and construction effectiveness. Also, it is well known that the use of bitumen for reducing negative skin friction renders the best results among other available methods. Three different modified bitumens were used for the testing programs. The physical tests include the penetration, the softening point and penetration index. The rheological tests include phase angle, complex modulus, creep tests and flow tests. The tests were conducted at four different temperatures(15, 30, 45 and 6$0^{\circ}C$) in order to simulate the field condition. The test results were analyzed using the phase angle, G$^*$/sin $\delta$, creep compliance and shear viscosity. The result of tests showed that the phase angle increased and G$^*$/sin $\delta$ decreased with the increase of temperature. The creep compliance increased as the loading time increased. The difference of the creep compliance is detected as the time and temperature are varied, however, the difference of the shear viscosity is not significant among the samples tested in this study. The rheological properties of the bitumen also showed that the physical testing method and the temperature dependant testing method are somewhat limited to showing and expressing the full rheological properties of the modified bitumen. The introduction of the time and the temperature dependent testing method is necessary to find out the full rheological properties of the modified bitumen.
This paper presents the rheological properties of bitumen for reducing negative skin friction. The bitumen has been widely used due to both the cost and construction effectiveness. Also, it is well known that the use of bitumen for reducing negative skin friction renders the best results among other available methods. Three different modified bitumens were used for the testing programs. The physical tests include the penetration, the softening point and penetration index. The rheological tests include phase angle, complex modulus, creep tests and flow tests. The tests were conducted at four different temperatures(15, 30, 45 and 6$0^{\circ}C$) in order to simulate the field condition. The test results were analyzed using the phase angle, G$^*$/sin $\delta$, creep compliance and shear viscosity. The result of tests showed that the phase angle increased and G$^*$/sin $\delta$ decreased with the increase of temperature. The creep compliance increased as the loading time increased. The difference of the creep compliance is detected as the time and temperature are varied, however, the difference of the shear viscosity is not significant among the samples tested in this study. The rheological properties of the bitumen also showed that the physical testing method and the temperature dependant testing method are somewhat limited to showing and expressing the full rheological properties of the modified bitumen. The introduction of the time and the temperature dependent testing method is necessary to find out the full rheological properties of the modified bitumen.
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문제 정의
이들 시험법은 ASTM D 2170, ASTM D 2171 그리고 ASTM D 3205에 서술되어 있는더}, 이런 전형적인 점도 시험의 한계는 단지 한 온도에 대한 점도 값만이 측정 가능하고 전단 변형률 값을 알 수 없다는 것이다. 따라서 본 연구에서는 고분자의 연구에 기초적으로 사용되는 흐름 시험을 응용하여 지반 침하에 의해서 말뚝에 발생하는 부 마찰력과 역청재료 간의 흐름거동을 모사 하였다. 본 연구에서는 전단변형률은 0.
G* 의 증가는 역청재료의 강성이 커짐을 의미하고 <5 의 감소는 역청재료의 탄성이 커지는 것을 의미하기 때문에 고온 상태에서 변형에 대한 저항성이 커지게 된다. 따라서, 본 연구에서는 복합전단 계수와 위상각의 조합의 G7sin 8 를 산출하여 온도에 따른 역청 재료의 점탄성 특성을 분석하였다.
말뚝 부 마찰력 저감용 역청재료는 원유 아스팔트가 주재료로 사용되고 있으며 말뚝의 특성을 고려하여 도로 포장용 아스팔트와는 다른 화학 첨가물을 혼합한 개질 (改質) 아스팔트를 사용하고 있다. 본 논문에서는 개질 아스팔트를 넓은 의미와 그동안 지반공학자들이 사용해온 용어와 혼동을 피하기 위하여 역청재료로 표기하기로 한다.
본 연구에서는 말뚝용 역청재료에 온도의 변화와 하중 작용시간을 고려한 점탄성 특성을 분석할 수 있는 유변학적 시험을 실시하여 역청재료의 종류에 따라 말뚝용 역청재료도 서로 다르게 거동할 수 있다는 사실을 실험적으로 분석하였다.
제안 방법
또한 크리프시험을 실시한 후 시간-온도 중첩 원리를 적용하여 저온에서 고온까지의 광범위한 마스터 곡선으로부터 실제로 환경 적인 조건들을 고려한 역청 재료의 성능을 비교하였다.
본 연구에서는 말뚝의 부마찰력 저감을 위해 말뚝 표면에 도장흐]는 역청재료에 대한 유변학특성 시험을 실시하여 다음과 같은 결론을 도출하였다.
본 연구에서는 복합전단계수(European Commission Directorate General Transport, 1999) 를 결정하는데 사용되는 시험은 식 (8)에서처럼 주파수 Fr 또는 각속도 3 를 가진 sinusoidal 비틀림과 힘 F(t)를 시편에 가하여 온도별로 실시하여 역청재료의 위상각(6 )과 온도에 대한 공용 인자인 G7sin 8 을 측정하였다. 시험은 20, 40, 60 및 80℃에서 실시하여 온도 변화에 따른 복합전단 계수와 위상각의 변화를 비교 분석하였다.
따라서 본 연구에서는 고분자의 연구에 기초적으로 사용되는 흐름 시험을 응용하여 지반 침하에 의해서 말뚝에 발생하는 부 마찰력과 역청재료 간의 흐름거동을 모사 하였다. 본 연구에서는 전단변형률은 0.01(l/sec)~ 100(l/sec)으로 변화 시켜 전단점도를 측정하였으며, 시험온도는 크리프시험과 동일하게 수행하였다.
G7sin 8 을 측정하였다. 시험은 20, 40, 60 및 80℃에서 실시하여 온도 변화에 따른 복합전단 계수와 위상각의 변화를 비교 분석하였다.
매우 오랜 시간이 소요된다. 실험적으로 측정할 수 있는 시간이 한정되어 있기 때문에 장기간의 역청 재료의 거동을 분석하기 위해서 저온부터 고온까지의 온도에서 단시간 시험을 실시하여 그 결과를 하나의 기준온도로 중첩을 시키는 원리를 이용한다. 이 원리를 적용하여 작성된 역청재료의 거동에 대한 그래프를 마스터 곡선(master curve)이라고 한다.
역청재료의 물리적 특성 시험을 위해서 침입도 시험 (KS M 2252)과 연화점 시험(KS M 2250)을 실시하였으며 침입도와 연화점으로부터 침입도지수(penetration index, PI)를 구하여 온도에 대한 민감성을 분석하였다. 표 1은 각각의 시료들에 대한 물리적 성질을 정리한 것이다.
이 원리를 이용하여 본 연구에서는 크리프시험과 흐름 시험을 실시한 후 시간과 하중조건을 재현하여 말뚝용 역청 재료에 대한 전체적 거동특성을 분석하였다.
구할 수 있다. 크리프시험에서는 우선 각각의 시험온도에 대하여 시험하중을 변화시키면서 그 역청 재료가 가지고 있는 선형점탄성 영역을 구한 후 선형점탄성 영역 내의 응력 범위에서 시험을 실시한다. 역청재료는 점탄성 재료이기 때문에 점성과 탄성을 지니고 있는 범위 내에서 시험을 실시하여 그 재료가 지니고 있는 고유의 특성을 분석할 수 있는데 선형점탄성 영역이란 응력과 변형이 선형관계를 이루고 있는 영역으로 시험전 이영 역을 찾아내는 것은 매우 중요하다.
본 연구에서 사용한 세 시료의 선형점탄성 영역은 온도별로 차이를 보이고 있으나 재료별로는 크게 차이를 보이지 않았다. 한편, 60℃ 에서는 온도가 고온화 됨에 따라 점성이 지배적이므로 비선형거동을 보여 선형점탄성 영역을 구할 수 없었으며 그 결과도 많은 오차를 발생시키기 때문에 크리프시험은 60℃를 제외한 세 온도에서 실시하였다. 각각의 온도에서 구한 선형점탄성 영역의 하중 조건은 표 2와 같다.
대상 데이터
본 연구에서는 국내에서 생산되고 있는 말뚝용 역청 재료 2종류(기호명: sample A 및 sample B)와 일본에서 생산된 말뚝용 역청재료 1종류(기호명: sample C)를 수집하여 시험을 실시하였다. 최근 생산되고 있는 말뚝용 역청 재료는 온도 변화에 대한 민감성 저감과 내구성 증대를 위하여 원유 아스팔트에 고무계통의 열가소성 탄성 중합체인 SBS(styrene-butadiene-styrene block co-polymer) 와 같은 고분자Qolymer) 개질재(modifier)를 첨가하고 메이커에서 개발한 화학첨가제를 사용하여 말뚝 부 마찰력 저감용 역청재료로 사용하고 있다.
이론/모형
역청재료의 유변학적 특성을 측정하기 위하여 사진 1의 독일 Physica사의 동적전단유동기(dynamic shear rheometer, DSR) 를 사용하였다. 동적전단유동기 (dynamic shear rheometer, DSR)는 다양한 점탄성 재료특성을 시험할 수 있는 시험장비이다.
성능/효과
(1) 유변학특성 시험은 물리적 특성 시험으로부터 분석할 수 없는 온도 및 시간의 변화에 따른 점탄성 특성을 흐卜중 및 환경조건에 맞게 분석할 수 있음은 물론 물리적 특성시험과 동시에 실시함으로써 말뚝용 역청 재료의 성능을 재료의 특성에 맞게 현실적으로 정확한 분석을 실시할 수 있었다.
(2) 온도 변화만을 고려하여 시험한 결과에서는 sample B가 탄성 복원력 이 우수한 것으로 나타났으나 하중작용 시간을 동시에 고려한 경우 sample A의 크리프컴플라이언스의 변화가 작고 수치도 작게 나와서 sample A가 우수한 것으로 판단되며 말뚝 역청 재료의 평가는 시간 및 온도의 변화를 동시에 고려하는 것이 필요하다.
(3) 흐름시험 결과 말뚝용 역청재료는 주어진 전단 변형률에 대해 온도가 증가할수록 그리고 전단 변형률이 커질수록 점도가 감소하는 것으로 나타났다.
이를 모사하기 위한 흐름 시험을 실시한 결과 그림 10과 그림 11의 그래프를 얻었다. 그림 10과 그림 11 에서 알 수 있듯이 주어진 전단 변형률에 대해 온도가 증가할수록 점도가 감소한다는 것과 전단 변형률이 클수록 점도는 감소한다는 것을 알 수 있으며 본 연구에 사용된 말뚝용 역청재료는 전단 변형률에는 모두 유사한 점성거동을 보이는 것으로 나타나서 말뚝용 역청재료의 성능 측정에는 크리프시험이 적절한 것으로 판단된다.
복합전단계수 및 위상각 측정 결과에서는 sample B가 탄성 복원력 이 가장 우수한 것으로 나타났으나 이 시험 결과는 온도 변화만을 고려한 시험 결과로써 말뚝과 같이 오랜 시간 동안 하중을 받는 기초 구조물인 경우 온도 및 하중 작용 시간을 동시에 고려한 크리프시험 결과가 말뚝용 역청 재료의 성능을 보다 더 정확하게 나타내 주게된다. 그림 9에 보인 것처럼 시간-온도 중첩원리를 이용한 마스터 곡선을 작성하여 분석한 결과 sample A가 시간이 길어질수록 크리프 컴플라이언스 값이 작아지는 결과를 보여서 다른 역청재료에 비하여 성능이 우수한 것으로 나타났다.
시험 결과 sample A의 경우 저온 (15℃)에서는 다른 두 역청재료에 비하여 크리프 컴플라이언스가 크게 나타나고 고온 (45℃ 및 60℃) 에서는 작게 나타나서 강성이 매우 큰 재료임을 알 수 있다. 복합전단계수 및 위상각 측정 결과에서는 sample B가 탄성 복원력 이 가장 우수한 것으로 나타났으나 이 시험 결과는 온도 변화만을 고려한 시험 결과로써 말뚝과 같이 오랜 시간 동안 하중을 받는 기초 구조물인 경우 온도 및 하중 작용 시간을 동시에 고려한 크리프시험 결과가 말뚝용 역청 재료의 성능을 보다 더 정확하게 나타내 주게된다. 그림 9에 보인 것처럼 시간-온도 중첩원리를 이용한 마스터 곡선을 작성하여 분석한 결과 sample A가 시간이 길어질수록 크리프 컴플라이언스 값이 작아지는 결과를 보여서 다른 역청재료에 비하여 성능이 우수한 것으로 나타났다.
저온에서는 그림 7에 보인 것처럼 탄성체와 같은 거동을 하나 고온에서는 점성유체로 거동하기 때문에 고온에서 G7sin 8 값이 현저하게 감소하는 것으로 나타났다. 본 연구에 사용된 역 청재료 중 sample B는 위상각의 변화가 작은 동시에 G7sin 6 의 값도 크게 나타나고 있어서 전단변형 에 대한 높은 저항성 이 예상된다. 참고로 일반 도로용 아스팔트인 경우 60 ℃ 에서 위상각은 70~ 80。, G*/sin3의 값은 1.
그림 6에서 볼 수 있는 것처럼 15℃, 30℃ 및 45℃에서는 크리프 컴플라이언스가 응력의 변화에 대하여 거의 일정한 값을 보이다가 어느 순간 응력을 증가시킬 경우 크리프 컴 플라이 언스 값의 차이가 발생하는 것을 볼 수 있는데 이로부터 선형점탄성 영역을 구할 수 있다. 본 연구에서 사용한 세 시료의 선형점탄성 영역은 온도별로 차이를 보이고 있으나 재료별로는 크게 차이를 보이지 않았다. 한편, 60℃ 에서는 온도가 고온화 됨에 따라 점성이 지배적이므로 비선형거동을 보여 선형점탄성 영역을 구할 수 없었으며 그 결과도 많은 오차를 발생시키기 때문에 크리프시험은 60℃를 제외한 세 온도에서 실시하였다.
지배적임을 알 수 있다. 시험 결과 sample A의 경우 저온 (15℃)에서는 다른 두 역청재료에 비하여 크리프 컴플라이언스가 크게 나타나고 고온 (45℃ 및 60℃) 에서는 작게 나타나서 강성이 매우 큰 재료임을 알 수 있다. 복합전단계수 및 위상각 측정 결과에서는 sample B가 탄성 복원력 이 가장 우수한 것으로 나타났으나 이 시험 결과는 온도 변화만을 고려한 시험 결과로써 말뚝과 같이 오랜 시간 동안 하중을 받는 기초 구조물인 경우 온도 및 하중 작용 시간을 동시에 고려한 크리프시험 결과가 말뚝용 역청 재료의 성능을 보다 더 정확하게 나타내 주게된다.
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