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문제 정의
- 따라서 수퍼페이브 입도 혼합물의 소성 변형 저 항성 을 반복주행 (Wheel tracking: WT) 시험으로 측정했을 때의 계수가 Kim test의 변형강도와 어느 정도나 상관성을 보이는지를 확인하여 변형강도의 실효성을 파악할 필요가 있다. 따라서 본 연구의 목적은 PG 등급별로 제조된 수퍼페이브 입도 혼합물의 WT와 변형강도 측정치와의 상관관계를 분석하여 변형강도 적용의 타당성을 검토하는데 있다.
- 교통량을 산출하기 위해서 1일 1방향 교통량을 1000대 이상으로 간주하고 포장의 공용기간을 20년으로 보고 천만대 이상으로 한 배합설계를 하였다. 본 연구는 사전배합에 사용된 3가지의 예비입도 중 하나를 선택하여 얼마나 성능 면에서 뛰어난지에 대한 확인 및 분석을 하고 본연구를 수행하였다. 먼저 재료 선정에 있어서 골재의 품질시험과 관련된 새로운 시험법이 개발되지 않아 기존의 시험법을 따랐으며 , 골재의 입도는 제한구역을 통과하는 입도를 포함하여 3가지의 예비 입도를 가지고 예비배합 및 실제 본 배합을 하였다.
제안 방법
- 그리고 골재는 강원도 지역의 편마암(A) 13mm와 잔골재, 화강암(B) 13mm와 잔골재, 그리고 동일한 채움재를 사용하였다. 각각의 골재는 KS 규정 에 따라 품질시 험을 수행하였으며 수퍼페이브 배합설계시 미국 아스팔트협회 골재입도 규격을 적용해 3가지 예비입도를 선정하여 각각의 배합설계를 수행하였다.
- 그러나 많은 연구 결과 그 실효성에 문제가 있다고 하여 제한입도 규정을 특별히 고려하지 않고 공용성능에 중점을 두고 경제성이 뛰어난 입도를 선택해야 한다는데 의견이모아지고 있다. 따라서 본 연구에서는 초기 아스팔트량이 적게 추정되는 입도곡선을 선택하였고 그것이 제한구역을 지난다고 하더라고 양호한 파쇄 면과 최소 VMA 규정을 만족한다면 사용하였다.
- 점도 시험은 ASTM D 2170에 의해서 측정되었다. 점도시험의 경우 높은 등급의 PG 바인 더는 절대점도로 측정하기에 신뢰성이 떨어지므로 135℃ 의 동점도 방법을 채택하여 수행하였다.
- 본 연구에서 혼합물의 배합설계는 수퍼페이브 배합설계 방법을 근거로 하였다. 교통량을 산출하기 위해서 1일 1방향 교통량을 1000대 이상으로 간주하고 포장의 공용기간을 20년으로 보고 천만대 이상으로 한 배합설계를 하였다.
- 방법을 근거로 하였다. 교통량을 산출하기 위해서 1일 1방향 교통량을 1000대 이상으로 간주하고 포장의 공용기간을 20년으로 보고 천만대 이상으로 한 배합설계를 하였다. 본 연구는 사전배합에 사용된 3가지의 예비입도 중 하나를 선택하여 얼마나 성능 면에서 뛰어난지에 대한 확인 및 분석을 하고 본연구를 수행하였다.
- 본 연구는 사전배합에 사용된 3가지의 예비입도 중 하나를 선택하여 얼마나 성능 면에서 뛰어난지에 대한 확인 및 분석을 하고 본연구를 수행하였다. 먼저 재료 선정에 있어서 골재의 품질시험과 관련된 새로운 시험법이 개발되지 않아 기존의 시험법을 따랐으며 , 골재의 입도는 제한구역을 통과하는 입도를 포함하여 3가지의 예비 입도를 가지고 예비배합 및 실제 본 배합을 하였다.
- 설계 아스팔트함량은 예비 입도 수퍼페 이브 배합설계법에 따라 3가지를 가지고 사전배합을 한 후 선회다짐기 (gyratory compactor) 로 직경 10cm 공시체를 제조해서 각 입도에 대한 공극율이 4%일 때의 추정 아스팔트함량을 구하여 , 결정 된 추정 아스팔트함량에 ±0.5%, +1%의 4가지로 아스팔트 함량을 변화시켜 본 배합설계를 진행하여 Ndes에서 최적 아스팔트 함량(Optimum asphalt content : OAC)을 결정하였다. 아스팔트 혼합물은 다짐 전에 현장 상태를 모사하기 위해 135℃ 오븐에서 4시간 동안 단기 노화시 켰다.
- 본래 소성변형은 동하중 하에서 발생하는 누적된 영구변형 현상이므로 단순히 모사하기가 어렵다. 따라서 본 연구팀은 재하방법은 정하중으로 하고, 속도는 기존의 마샬안정도나 간접인장강도 측정시와 같은 50mm/min로 한 Kim test라 명명한 새로운 시험법을 개발하고 있다. 이 시험법은 그림 3에서와 같은 몰드와 하중 봉(loading head) 을 사용하고 소성변형과의 상관성이 높은 특성치인 변형강도 (Deformation strength :Sd)를 측정하여 소성변형 저항성을 추정한다(김광우 등 2002).
- 시험온도는 이제까지 혼합물의 소성변형을 측정하는 반복주행 (Wheel tracking) 시험과 같이 60℃에서 수행되었다. 하지만 본 시험에서는 각 바인더별 공시 체를 9개씩 만들어 수침시간을 30분, 40분, 50 분으로 하여 각 바인더별 공시체를 3개씩 무작위로 선정하여 각각의 수침시간에 따른 상관성을 분석하고자 하였다. 본 시험에 사용된 변형강도 측정장치는 직경 4cm, 하중봉 하단을 r= 1.
- 반복주행시험을 수행하기 위하여 변형강도 시험에 사용된 것과 같은 혼합물로 30.5 X 30.5 X 6.2cm의 슬래브 공시체를 공극율 약 4±0.5%에 맞추어 Roller compactor로 다짐하여 제작하였다. 각 바인더별로 제작된 공시체는 롤러진행 방향으로 반으로 절단한 후 25℃에서 24시간 양생시키고 시험전 60 ℃에서 6시간 동안 양생시킨 후 시험을 수행하였다.
- 공시체에 적용된 휠트랙킹용 바퀴는 재질이 일반 강철인 직경 200mm, 폭 53mm로서 주행거리 200mm, 속도는 왕복 30회/min이다. 시험온도는 60℃에서 수행되었고 재하된 윤하중은 70kgf로 왕복 2, 700 cycle(5400 sec)동안의 수직변형을 측정하였다. 반복주행시험을 통하여 각각의 혼합물에 대한 동적안 정도(Dynamic stability : DS)와 최종 침하량(Rut depth : DR) 을 구하였다.
- 시험온도는 60℃에서 수행되었고 재하된 윤하중은 70kgf로 왕복 2, 700 cycle(5400 sec)동안의 수직변형을 측정하였다. 반복주행시험을 통하여 각각의 혼합물에 대한 동적안 정도(Dynamic stability : DS)와 최종 침하량(Rut depth : DR) 을 구하였다.
- 각 PG 등급 혼합물을 30분, 40부 50분씩 3가지로 수침 후 변형강도 (Deformatin strength : So)값을 구하고 그 결과를 가지고 소성변형과의 상관성 분석을하였다. 표3〜5는 Kim test로 측정한 최대하중(P), 수직변위 (y), 변형강도(SD)를 나타내고 있다.
- 본 분석은 각각의 PG 등급 바인더를 사용한 수퍼페이브 혼합물의 Kim test에 의한 역학시험 결과인 변형 강도(SQ와 반복주행시험 결과인 최종 침하깊이 (DR)와 동적 안정도(DS)를 사용하였다. 회귀분석은 독립변수(X)를 변형강도(Sd), 종속변수(Y)를 반복 주행시험의 DR과 DS로 하여 각 특성별치로 선형(Linear), 곡선(Curvilinear), 대수(Logarithm), 지수(Exponential), x의 누승(Power) 등 5가지 회귀분석을 통해 가장 R2이 높은 모델을 선정하였다.
- 회귀분석은 독립변수(X)를 변형강도(Sd), 종속변수(Y)를 반복 주행시험의 DR과 DS로 하여 각 특성별치로 선형(Linear), 곡선(Curvilinear), 대수(Logarithm), 지수(Exponential), x의 누승(Power) 등 5가지 회귀분석을 통해 가장 R2이 높은 모델을 선정하였다.
- 본 연구는 바인더 PG등급별 Superpave 배합설계를 통해 제작된 공시체의 역학적 특성으로 Kim test의 변형강도(Deformation strength : SQ를 측정하였고, 반복주행시험을 통한 소성변형 저항성을 측정 하였다. 그리 고 Kim test의 변 형강도(Deformation strength : Sd)와 반복 주행시험에 의한 최종침하깊이 (Rut depth : DR) 및 동적 안정도(Dynamic stability : DS) 와의 상관성을 분석하여 다음과 같은 결론을 얻었다.
- 하였다. 그리 고 Kim test의 변 형강도(Deformation strength : Sd)와 반복 주행시험에 의한 최종침하깊이 (Rut depth : DR) 및 동적 안정도(Dynamic stability : DS) 와의 상관성을 분석하여 다음과 같은 결론을 얻었다.
대상 데이터
- 본 연구에서 사용한 바인더는 국내 S사의 PG 58-22, PG 64-22, PG 70-22, PG 76-22, PG 82-22를 사용하였다. 그리고 골재는 강원도 지역의 편마암(A) 13mm와 잔골재, 화강암(B) 13mm와 잔골재, 그리고 동일한 채움재를 사용하였다.
- 본 연구에서 사용한 바인더는 국내 S사의 PG 58-22, PG 64-22, PG 70-22, PG 76-22, PG 82-22를 사용하였다. 그리고 골재는 강원도 지역의 편마암(A) 13mm와 잔골재, 화강암(B) 13mm와 잔골재, 그리고 동일한 채움재를 사용하였다. 각각의 골재는 KS 규정 에 따라 품질시 험을 수행하였으며 수퍼페이브 배합설계시 미국 아스팔트협회 골재입도 규격을 적용해 3가지 예비입도를 선정하여 각각의 배합설계를 수행하였다.
- 하지만 본 시험에서는 각 바인더별 공시 체를 9개씩 만들어 수침시간을 30분, 40분, 50 분으로 하여 각 바인더별 공시체를 3개씩 무작위로 선정하여 각각의 수침시간에 따른 상관성을 분석하고자 하였다. 본 시험에 사용된 변형강도 측정장치는 직경 4cm, 하중봉 하단을 r= 1.0cm로 원형 절삭한 4(1.0) 하중 봉을 사용하였고 그림 4는 시험 방법의 개 략도를 보여준다.
- 각 바인더별로 제작된 공시체는 롤러진행 방향으로 반으로 절단한 후 25℃에서 24시간 양생시키고 시험전 60 ℃에서 6시간 동안 양생시킨 후 시험을 수행하였다. 공시체에 적용된 휠트랙킹용 바퀴는 재질이 일반 강철인 직경 200mm, 폭 53mm로서 주행거리 200mm, 속도는 왕복 30회/min이다. 시험온도는 60℃에서 수행되었고 재하된 윤하중은 70kgf로 왕복 2, 700 cycle(5400 sec)동안의 수직변형을 측정하였다.
- 본 연구에 사용된 바인더는 PG 58-22, PG 64- 22, PG 70-22, PG 76-22, PG 82-22이며 각각의 바인더에 대하여 참고적으로 수행한 점도시험과 침입도 시험의 결과는 표 2와 같다. 바인더 등급이 PG 58-22에서 PG 82-22로 올라갈수록 침입도는 감소하였고, 점도는 증가하였다.
이론/모형
- 따라서 본 연구는 변형강도(김광우 등 2002)가 소성변형 특성과 어느정도의 상관성을 가지는지를 구명을 위한 연구의 일환으로 성능등급(Performance grade: PG) 바인더로 제조된 수퍼페이브 혼합물을 이용하였다. 수퍼페이브 1단계는 바인더의 레올러지특성에 근거한 것이므로 등급별로 소성변형 저항성을 잘 나타낸다.
- 침입도 시험(KS M 2201)은 도로 포장용 아스팔트의 컨시스턴시를 침의 관입저항으로 평가하는 방법이다. 점도 시험은 ASTM D 2170에 의해서 측정되었다. 점도시험의 경우 높은 등급의 PG 바인 더는 절대점도로 측정하기에 신뢰성이 떨어지므로 135℃ 의 동점도 방법을 채택하여 수행하였다.
성능/효과
- 시험의 결과는 표 2와 같다. 바인더 등급이 PG 58-22에서 PG 82-22로 올라갈수록 침입도는 감소하였고, 점도는 증가하였다.
- 각각의 PG 등급에 따라 그리고 혼합물의 종류에 따라 값들이 차이를 보이고 있다. 즉, Sd 값은 약 4, 000-6, 000 kPa 범위에 있었으며 PG 고온등급이 높아질수록 크게 나타났고 수침시간 30분에서 PG 등급에 따른 차이가 타 수침시간 보다 더 크게 나타났다. 수침 50분의 경우는 PG 등급에 따른 차이가 크게 작아져 수침시간이 길어지며 혼합물이 내부적으로 크게 와해되는 것으로 추정되었다.
- 아스팔트 혼합물의 바인더 등급에 따른 소성변형 저항성 추정 및 Kim test와의 상관성분석을 위해 반복 주행 (Wheel tracking: WT)시험을 수행한 결과,예상대로 PG 등급이 높아질수록 최종침하량이 작아지는 것으로 나타났다. 또한 침하깊이에 따라 동적안정도 역시 PG 82-22가 PG 58-22, PG 64-22 그리고 PG 70-22보다 약 7배정도 컸으며 PG 76-22보다 3배이상의 높은 값을 보였다.
- 것으로 나타났다. 또한 침하깊이에 따라 동적안정도 역시 PG 82-22가 PG 58-22, PG 64-22 그리고 PG 70-22보다 약 7배정도 컸으며 PG 76-22보다 3배이상의 높은 값을 보였다.
- 얻어진 결정계수 (R2)를 보여준다. 표에서 알 수 있듯이 화강암(B의 경우가 편마암(A)보다 상관성이 높고 수침시간 30분의 경우 변형강도와 DR 의 관계는 화강암의 경우 R2 = 0.9873, 편마암의 경우 R2 = 0.9272로 매우 높았다. 또한 변형강도와 DS의 상관성 역시 수침 30분일 경우가 가장 높았으며 화강암과 편마암 각각 R2이 0.
- 수침시간별로 보면 30분에서의 평균이 타 시간보다 R2이 0.93 이상으로 월등히 높고 40분의 경우도 R2이 0.87 이상으로 매우 양호하여 Sd가 종속 변수인 소성변형 계수들의 변화를 잘 반영하는 것으로 보인다. 그림 8~9는 가장 R* 이 높게 나타난 30분 수침에서의 소성변형 특성과 SV의 관계를 대표적으로 보여준다.
- 즉, PG 바인더 혼합물의 소성변형저항성을 Kim test의 변형강도로 추정할시 60 ℃ 에서 30분간 수침시킨 공시체가 가장 WT 시험시의 특성과 상관성이 높은 Sd값이 얻어지는 것으로 나타났다. 하지만 본 분석의 결과로는 %시 험은 34분간 수침 이 가장 적절할 것으로 보이나 향후 보다 다양한 입도의 연구를 통해 소성변형 추정을 위한 적정 수침시간을 조사하여 최종적으로 실용화 가능성을 타진해야 할 것이다.
- 1. 본 연구에서 측정한 변형강도 Sd는 PG 고온 등급 차이 에 따른 소성 변형 저 항성의 차이를 잘 반영 하는 특성치임을 확인할 수 있었다. 이는 그간의 연구를 통해 밀입도 혼합물에서뿐만 아니라 수퍼페이브 입도혼합물에서도 유사한 결과가 얻어진 것이어서 소성변형 추정에 적용가능성을 한층 더 밝게 하는 결과라고 사료된다.
- 2. 회귀분석에 의한 상관성 측정결과 Sd에 의해 혼합물의 소성변형저항성 추정이 가능함을 확인할 수 있었으며 수침시간 30분에서 평균 R2이 0.93 이상으로 나타나 가장 좋은 결과를 보였다.
- 3. 각각의 바인더 등급에 따라 수침시간을 30분, 40 분, 50분으로 변화시켜가며 Sd를 측정한 결과 바인더 고온 등급이 높을수록 Sd 값도 높아지는 경향을 보였고, 34분 수침의 경우 변형강도 값이 소성변형 특성과 가장 상관성이 가장 크게 나타나는 것으로 추정되 었다.
후속연구
- Sd값이 얻어지는 것으로 나타났다. 하지만 본 분석의 결과로는 %시 험은 34분간 수침 이 가장 적절할 것으로 보이나 향후 보다 다양한 입도의 연구를 통해 소성변형 추정을 위한 적정 수침시간을 조사하여 최종적으로 실용화 가능성을 타진해야 할 것이다.
- 4. 현재 역학적 성능시험이 없는 수퍼페이브 1단계 배합설계에 변형강도와 같은 역학적 시험이 도입되는 것이 소성변형저항성에 근거하여 최적 입도를 결정하는데 도움이 될 것이라 사료된다. 하지만 본 연구는 그 가능성을 확인하기 위한 연구이며 향후 보다 다양한 재료 및 현장성능에 대한 연구가 있어야 그 실용성을 확인할 수 있을 것이다.
- 현재 역학적 성능시험이 없는 수퍼페이브 1단계 배합설계에 변형강도와 같은 역학적 시험이 도입되는 것이 소성변형저항성에 근거하여 최적 입도를 결정하는데 도움이 될 것이라 사료된다. 하지만 본 연구는 그 가능성을 확인하기 위한 연구이며 향후 보다 다양한 재료 및 현장성능에 대한 연구가 있어야 그 실용성을 확인할 수 있을 것이다.
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