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문제 정의
- 이에 본 연구는 소다회(NazCQ) 생산과정 중 발생하는 산업부산물인 부산 석회를 아스팔트 혼합물의 채움재로서 대체 가능성에 대한 공학적인 평가를 실시하고, 이를 통해 부산 석회 재활용 기술의 실용화 가능성을 검토하고자 한다. 이를 위하여 부산 석회를 재가공한 분말을 석회석 분 채움재의 중량 대비 25%, 50%, 75%, 100%로 대체하고, 이를 각각 배합한 아스팔트 혼합물에 대해 기본 물성 시험, 간접 인장강도 시험, 회복탄성계수 시험, 수분 민감성 시 험, 반복하중 간접인장 시험, 휠트래킹 시험 등의 실내 실험을 실시하였다.
제안 방법
- 이를 위하여 부산 석회를 재가공한 분말을 석회석 분 채움재의 중량 대비 25%, 50%, 75%, 100%로 대체하고, 이를 각각 배합한 아스팔트 혼합물에 대해 기본 물성 시험, 간접 인장강도 시험, 회복탄성계수 시험, 수분 민감성 시 험, 반복하중 간접인장 시험, 휠트래킹 시험 등의 실내 실험을 실시하였다. 또한 기존 석회석 분 채움재만을 사용한 아스팔트 혼합물과 소석회 (Hydrated Lime)를 사용한 아스팔트 혼합물에 대해서도 실내 실험을 실시하고, 그 결과를 상기의 시험 결과와 비교 분석하였다. 이를 통해 부산 석회를 채움재로 재활용한 아스팔트 혼합물의 성능 증진 효과를 평가하였다.
- 부산석회를 첨가한 아스팔트 혼합물의 수분 민감성을 평가하기 위해 마샬 잔류 안정도와 Lottman 시험 (AASHTO T 283)을 실시하였다. 마샬 잔류 안정도 시험을 통해 MSR(Marshall Stability Ratio) 을 구하고, Lottman 시험을 통해 TSR(Tensile Strength Ratio) 을 측정하여 수분 민감성을 평가하였다. MSR과 TSRe 다음과 같이 정의할 수 있다.
- 본 연구에서는 부산 석회를 채움재로서 대체 가능성을 평가하기 위하 여 부산 석회 분말의 양을 석회석 분 채움재의 중량 대비 25%, 50%, 75%, 100% 비율로 변화시켜 아스팔트 혼합물에 혼합하였다. 아래의 그림3은 실험계획과 시험 종류를 나타낸 것이다.
- 부산 석회 분말의 배합비율별로 각 아스팔트 혼합물의 마샬배합설계를 실시하였으며, 실내실험으로 마샬 안정도, 간접인장, 휠트래킹, 수분민감성 등의 시험을 수행하였다. 표3은 부산 석회의 배합비별로 각 아스팔트 혼합물의 시험코드를 나타낸 것이다.
- 아스팔트 혼합물의 피로 균열에 대한 저항성을 평 가하기 위해 반복하중을 적용한 간접인장 시험을 실시하였다. 시험에 적용한 반복 하중은 0.1 초간 haversine 형태의 하중을 재하하고 0.4초간 휴지기간을 갖는 2Hz의 주기로 실시하였다. 본 시험에서 사용한 하중 크기는 최대 규정 하중인 5001b(227kg)로 결정하였고, 301b(13.
- 실내 시험인 휠트래킹 시험은 동적 반복 크리프 시 험의 일종으로 아스팔트 혼합물의 내유동성과 소성 변형 저항성을 평가하는데 사용된다. 시험을 통해 시간당 침하량(Relative Deformation)과 동적 안정도 (Dynamic Stability) 를 구하여 아스팔트 혼합물의 소성변형 저항성을 평가하였다.
- 아스팔트 포장은 계절적 기후변화나 습윤상태와 같은 환경적 요인에 따라 다양한 거동 특성을 파악하기 위해 Roque(1992) 등이 개발한 간접인장 시험을 이용하여 -20, -10, 0, 5, 25, 60℃로 온도별로 시험을 실시하였다. 그림5는 시험에서 사용된 0.
- 아스팔트 혼합물의 피로 균열 저항성과 온도 균열 저항성을 평가하기 위해 -20, -10, 0, 25℃ 온도별로 간접인장 강도 시험을 실시하였다.
- 아스팔트 혼합물의 피로 균열에 대한 저항성을 평 가하기 위해 반복하중을 적용한 간접인장 시험을 실시하였다. 시험에 적용한 반복 하중은 0.
- 이에 본 연구는 소다회(NazCQ) 생산과정 중 발생하는 산업부산물인 부산 석회를 아스팔트 혼합물의 채움재로서 대체 가능성에 대한 공학적인 평가를 실시하고, 이를 통해 부산 석회 재활용 기술의 실용화 가능성을 검토하고자 한다. 이를 위하여 부산 석회를 재가공한 분말을 석회석 분 채움재의 중량 대비 25%, 50%, 75%, 100%로 대체하고, 이를 각각 배합한 아스팔트 혼합물에 대해 기본 물성 시험, 간접 인장강도 시험, 회복탄성계수 시험, 수분 민감성 시 험, 반복하중 간접인장 시험, 휠트래킹 시험 등의 실내 실험을 실시하였다. 또한 기존 석회석 분 채움재만을 사용한 아스팔트 혼합물과 소석회 (Hydrated Lime)를 사용한 아스팔트 혼합물에 대해서도 실내 실험을 실시하고, 그 결과를 상기의 시험 결과와 비교 분석하였다.
- 또한 기존 석회석 분 채움재만을 사용한 아스팔트 혼합물과 소석회 (Hydrated Lime)를 사용한 아스팔트 혼합물에 대해서도 실내 실험을 실시하고, 그 결과를 상기의 시험 결과와 비교 분석하였다. 이를 통해 부산 석회를 채움재로 재활용한 아스팔트 혼합물의 성능 증진 효과를 평가하였다.
대상 데이터
- 본 연구에 사용한 일반 아스팔트는 국내에서 생산된 S사의 AP-5 (침입도 기준 60~80)를 사용하였다. 또한 아스팔트 혼합물의 제조에 사용된 굵은 골재와 부순 모래는 포천석산에서 생산된 편마암 종류의 쇄석을 사용하였다. 그림4는 본 연구에서 적용한 골재의 합성 입도를 나타낸 것이다.
- 4초간 휴지기간을 갖는 2Hz의 주기로 실시하였다. 본 시험에서 사용한 하중 크기는 최대 규정 하중인 5001b(227kg)로 결정하였고, 301b(13.6kg) 정도의 하중을 시편의 구속 하중으로 항상 재하되도록 설정하였다.
- 본 연구에 사용한 일반 아스팔트는 국내에서 생산된 S사의 AP-5 (침입도 기준 60~80)를 사용하였다. 또한 아스팔트 혼합물의 제조에 사용된 굵은 골재와 부순 모래는 포천석산에서 생산된 편마암 종류의 쇄석을 사용하였다.
- 그림 2는 슬러지 상태의 부산 석회와 이를 열처리 후 채움재분말로 가공처리한 사진을 비교한 것이다. 초기 무기성 슬러지 상태인 부산 석회를 100℃의 일정한 온도로 24시간 가열한 후 파쇄기를 이용하여 0.075mm 이하의 입도조정을 통해 부산 석회 분말로 만들어 아스팔트 혼합물의 채움재로 사용한다.
이론/모형
- 본 연구에서는 마샬배합설계 방법으로 아스팔트 혼합물을 제작하였다. 표4는 각 아스팔트 혼합물의 배합설계 결과를 나타낸 것이다.
- 부산석회를 첨가한 아스팔트 혼합물의 수분 민감성을 평가하기 위해 마샬 잔류 안정도와 Lottman 시험 (AASHTO T 283)을 실시하였다. 마샬 잔류 안정도 시험을 통해 MSR(Marshall Stability Ratio) 을 구하고, Lottman 시험을 통해 TSR(Tensile Strength Ratio) 을 측정하여 수분 민감성을 평가하였다.
성능/효과
- 1. 상온에서 부산석회 혼합물의 인장강도는 일반 혼 합물, 소석회 혼합물과 차이가 없었다. 그러나 저온(-20℃~0℃)에서 인장강도는 다른 혼합물에 비해 모두 높게 나타났다.
- 2. 온도 균열의 발생 가능성을 파악하기 위한 회복탄 성계수 시험에서 부산석회 혼합물의 온도 감온성 은 일반 혼합물, 소석회 혼합물보다 낮은 것으로 나타났다. 이는 부산석회 혼합물이 다른 혼합물에 비해 온도 균열에 대한 저항성이 우수한 성능을 나타내는 결과로 판단된다.
- 3. 박리 저항성이 뛰어난 소석회 혼합물과의 비교를 위해 마샬 잔류안정도 시험과 Lottman시험을 수 행한 결과, 부산석회를 첨가한 아스팔트 혼합물의 박리 저항성은 소석회 혼합물에 비해 상대적으로 모두 낮게 측정되었다. 그러나 일반 혼합물과 비 교하면 부산석회 혼합물의 박리 저항성은 뛰어난 것으로 나타났다.
- 4. 간접인장 반복하중 시험을 통해 피로 균열 저항성 을 평가한 결과, 부산석회 혼합물의 피로 균열 저 항성이 일반 혼합물, 소석회 혼합물보다 높게 측 정되었다. 부산석회 혼합물의 첨가 비율이 높을수록 피로 균열 저항성은 증진되는 것으로 나타났다.
- 5. 고온(60℃)에서 부산석회 혼합물의 동적 안정도는 일반 혼합물에 비해 2.8~4.5배까지 월등히 높았으며, 소석회 혼합물과 비교해도 1.5배정도 높게 나타났다. 부산석회의 배합비가 높을수록 동 적 안정도는 높게 나타나 부산석회 혼합물이 고온 에서 소성변형 저항성을 증진시키는 것으로 판단된다.
- 다음의 그림 6과 같이 일반 석회석분과 부산석회 비 율에 따른 각 아스팔트 혼합물의 마샬 안정도는 다 소의 차이를 나타냈으나, 모두 시방 기준을 만족하는 것으로 나타났다. 또한 부산석회를 일정 비율로 첨가 한 경우에 다른 혼합물보다 안정도가 더 높게 측정되었다.
- 이 중에서 부산 석 회 구성 성분의 50%를 구성하는 칼슘화합물은 골재 표면박리 방지의 효과적인 성분으로 알려져 있다. 따라서 부산 석회의 50%를 구성하는 칼슘 화합 물이 아스팔트 혼합물의 박리를 억제시키는 데 효과적 인 특성을 나타낼 것으로 판단된다.
- 다음의 그림 6과 같이 일반 석회석분과 부산석회 비 율에 따른 각 아스팔트 혼합물의 마샬 안정도는 다 소의 차이를 나타냈으나, 모두 시방 기준을 만족하는 것으로 나타났다. 또한 부산석회를 일정 비율로 첨가 한 경우에 다른 혼합물보다 안정도가 더 높게 측정되었다. 채움재의 배합비율에 따른 마샬 안정도의 변동폭은 최대 9.
- 다음의 그림 12, 13과 같이 부산석회 혼합물의 동 적 안정도가 control 혼합물보다 월등히 높은 것으로 측정되었다. 부산석회 혼합물의 동적 안정도는 최대4, 219cycle/min(WL100), 최소 2, 598cycle/min(WL50)을 나타내어 control 혼합물과 비교하여 2.8~4.5배 정도로 소성변형 저항성이 개선된 것으로 나타났다. 특히 부산석회 배합비가 높을수록 동적 안정도도 높게 측정된 것으로 나타나 부산석회가 고 온에서 혼합물의 소성변형 저항성을 개선시키는데 효과적인 채움재 분말로 판단된다.
- 간접인장 반복하중 시험을 통해 피로 균열 저항성 을 평가한 결과, 부산석회 혼합물의 피로 균열 저 항성이 일반 혼합물, 소석회 혼합물보다 높게 측 정되었다. 부산석회 혼합물의 첨가 비율이 높을수록 피로 균열 저항성은 증진되는 것으로 나타났다.
- 그림 9, 10과 같이 박리 저항성을 개선시키는 박리방지제로 알려진 소석회는 MSR(Marshall Strength Ratio), TSR(Tensile Strength Ratio) 모두에서 가장 우수한 시험값이 측정되었다. 이와 비교하여 부산석회는 상대적으로 낮은 MSR, TSR을 나타내었지만, control 혼합물보다는 높은 박리 저항 성을 나타내는 것으로 측정되었다. 이러한 결과는 소 다회를 생산하는 과정에 생산된 부산석회의 성분 변 화로 인해 박리 저항성을 개선시키는 칼슘 화합물이 소석회보다 상대적으로 낮은 비율을 차지하기 때문 인 것으로 판단된다.
- 또한 부산석회를 일정 비율로 첨가 한 경우에 다른 혼합물보다 안정도가 더 높게 측정되었다. 채움재의 배합비율에 따른 마샬 안정도의 변동폭은 최대 9.5%로 모두 유사한 거동 특성을 나타내었다.
- 5배 정도로 소성변형 저항성이 개선된 것으로 나타났다. 특히 부산석회 배합비가 높을수록 동적 안정도도 높게 측정된 것으로 나타나 부산석회가 고 온에서 혼합물의 소성변형 저항성을 개선시키는데 효과적인 채움재 분말로 판단된다.
후속연구
- 위와 같은 결과를 통해 부산석회의 채움재 대체 가 능성은 상당히 높은 것으로 나타났으며, 향후 현장 적용성 및 실내 검증 연구를 통해 실용화 등의 추가 연구가 이루어져야 할 것으로 사료된다
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