[논문]바인더 Stiffness와 혼합물의 변형강도 및 동적크리프 특성과의 상관성 분석을 통한 김테스트 적용성 고찰

김광우; 도영수; 조문진

문제 정의

따라서 본 연구에서는 시험 방법이 비교적 간단한 Kim test의 를 바인더스티프니스(Stiffness) 시험 결과와의 상관성 분석 변수로 사용하고 이를 동적 크리프 시험 결과와 함께 비교 분석하여 적용성을 검토하였다. 본 연구의 가설은 바인더 G*/sind 가 크면 혼합물의 동적크리프(DC) 시험에서 높은 내변형성 을 보일 것이라는 것이다.
특히 DC 시험은 WT 시험 과 함께 아스팔트 혼합물의 소성변형 특성을 파악할 수 있는 중요 시험법(Zhu and Fwa, 2005)으로 인식되고 있으므로 같은 혼합물에 대한 Sd와 DC 결과 비교는 Sd의 적용성 연구에 중요한 근거가 될 것이다. 따라서 본 연구의 목적은 아스팔트 혼합물의 소성변형 저항성 측정을 위해 바인더 스티프니스 (Stiffness)와 혼합물의 변형강도 및 동적크리프 특성과의 상관성을 분석하고 이를 토대로 변형강도의 적용성을 고찰하는 것이다.
공시체 제조시 일반 아스팔트 혼합물은 135-145℃에서, 폴리머 개질 아스팔트 혼합물은 145~155℃에서 선회다짐기를 이용하여 직경 100mm의 공시체를 제작하였다. 선회다짐 기를 사용한 이유는 우선 마샬 다짐 방식이 충격식으로 실제 도로포장의 다짐과 달라 제조된 공시체가 현장 혼합물 특성을 제대로 나타내지 못하므로 현장다짐과 유사한 선회다짐기를 이용하여 현장 다짐을 모사하고자 하였다. 배합설계에 사용된 선회다 짐횟수는 교통량 100만대 미만이고, 대기온도 39℃이 하일 때인 Ndes 76회를 선정하였다.
동적크리프(Dynamic creep) 시험은 아스팔트포장의 소성변형 발생 메커니즘을 모사한 시험 방법 중에 하나이다. 본 연구에서는 배합설계에서 결정된 최적아스팔트 함량으로 100mnix62mni의 원형 공시체를 공극률 4±0.5%를 목표로 제작하였다. 제작된 공시체는 24시간 양생 후 시험온도에서 6시간 이상 저장 후 AMTM(Asphalt mechanical property testing machine) 시험기로 동적크리프 시험에 사용되었다.

가설 설정

따라서 본 연구에서는 시험 방법이 비교적 간단한 Kim test의 를 바인더스티프니스(Stiffness) 시험 결과와의 상관성 분석 변수로 사용하고 이를 동적 크리프 시험 결과와 함께 비교 분석하여 적용성을 검토하였다. 본 연구의 가설은 바인더 G*/sind 가 크면 혼합물의 동적크리프(DC) 시험에서 높은 내변형성 을 보일 것이라는 것이다. 특히 DC 시험은 WT 시험 과 함께 아스팔트 혼합물의 소성변형 특성을 파악할 수 있는 중요 시험법(Zhu and Fwa, 2005)으로 인식되고 있으므로 같은 혼합물에 대한 Sd와 DC 결과 비교는 Sd의 적용성 연구에 중요한 근거가 될 것이다.
Note: 0: AC60-80, R7: SBR 1%, S3: SBS 3%, S5: SBS 5%. L6: LDPE 6%. RL8: RLDPE 8%, RH8: RHDPE 8%
본 분석의 가정은 비록 골재의 영향이 존재해도 바인더의 G*/sina 와 혼합물의 동적크리프(DC) 시험 결과는 상관성이 있으리라는 것이다. 그림 7~10에서는 바인더의 스티프니스(Stiffness)인G*/sinJ 를 종속변수, 동적크리프 시험에서 얻어지는 두 가지 변수인 최종변위 (Final deformation .

제안 방법

이것을 재생 HDPE(RHDPE)와 재생 LDPE(RLDPE)라고 명명하였다. 폴리머 첨가량은 아스팔트 양의 중량비로 LDPE 6%, SBS 3%, 5%, SBR 7%, 재생폴리머는 각각 8%로 AC 60-80 아스팔트에 혼합하여 개질 아스팔트를 제조하였다.
전단에 의한 변형이 유발되도록 바닥이 둥근 하중봉을 사용하였다. 시험온도는 반복주행(Wheel tracking) 시험에서와 같은 온도인 60P에서 수행하고, 그림 1과 같은하중봉을 통해 수직으로 정하중을 가하도록 하였다.
9초의 휴지기를 주었으며 시험온도 60 ℃에서 총 3600cycle 동안 수행되었다. 윤하중 압력은 50psi(2.7kN)을 사용하였고, 그림 3과 같이 하중 재하판 양쪽에 LVDT를 설치하여 반복하중에 따른 수직 변위를 컴퓨터로측정 - 기록하고 최종변위 (Final deformation:FD)와 동적안정도(Dynamic stability: DS)를 분석에 사용하였다. 여기서 동적안정도는 혼합물이 단위깊이 침하되는데 필요한 반복재하 회수(cycle) 이다.
하지만(T와 3 중 어느 하나만으로 바인더의 특성을 평가하기에는 무리가 있어서 점탄성 특성치로 G*/sin5 를 사용하는데, 일반적으로 탄성이 강한 바인더는 이 값이 높고, 점성이 강한 바인더는 낮다. 본 연구에서는 그림 4와 같이 B사의 DSR을 사용하였으며 노화전(Original) 바인더와 단기노화(RTFO) 처리 후 바인더의 G*/sM 를 사용된 침입도 AC₆₀-80의 PG 고온등급인 64℃에서 측정하였다.
본 연구에서는 두 종류의 골재(편마암, 화강암)에 8종류 바인더를 첨가한 총 16종류 혼합물의 배합설계 결과로부터 각각의 OAC를 결정하였다. 본 연구에서는 마샬배합설계시 사용되는 안정도와 흐름은 제외하였다.
서론에서도 언급하였듯이 안정도는 아스팔트 혼합물의 내변형성을 반영하지 못하기 때문이다. 대체 시험으로 소성변형과 상관성이 높은 Kim test를 배합설계에 적용하여, 공극(3~5%)과 포화도(70~85%)를 만족하면서 변형강도(%)가 가능한 높은 쪽에서 최적아스팔트 함량을 결정하였다.
이 시험은 각 혼합물별로 2회씩 수행되었고 공시 체당 3600cycle동안 시험이 이루어졌다. 하지만 혼합물의 수직변위(침하)가 대략 4mm정도일 때부터 변위가 급속도로 증가하며 붕괴되므로 그때를 공시체의 파괴시점으로 보고 그 이후의 변형은 분석에서 제외하였다.
본 연구에서는 총 16종류의 혼합물에 대하여 Kim test를 수행하였으며, 그 결과는 표 3과 같다. 편마암의 경우 변형강도(SQ는 3.
본 연구에서는 시험에 사용된 총 8가지의 바인더에 대하여 DSR 시험을 수행하였다. 표 3은 DSR 시 험결과를 보여준다.
즉, 내변형성이 높은 바인더로 만들어진 혼합물은 Sd나 DS가 높고 FD는 낮은 경향이 비교적 일관되게 나타났다. 따라서 본 절에서는 Sd와 동적크리프 시험결과와의 회귀분석을 통하여 두 특성간의 상관성을 분석하였다. 회귀분석의 독립변수로는 SD를, 종속변수로는 동적크리프 시험의 FD와 DS로 하였다.
따라서 본 절에서는 Sd와 동적크리프 시험결과와의 회귀분석을 통하여 두 특성간의 상관성을 분석하였다. 회귀분석의 독립변수로는 SD를, 종속변수로는 동적크리프 시험의 FD와 DS로 하였다. 그림 13, 14는 변형강도와 동적크리프시험과의 상관성 분석 결과를 보여준다.
본 연구에서는 8가지 바인더를 제조하여 DSR 시험에서 G*/sinδ를 측정하고 각 바인더를 2가지 골재로 총 16가지 혼합물을 제조하여 동적크리프(DC) 시험과 Kim test를 수행하였다. 바인더 G*/sinδ 와 Kim test의 변형강도(S0, DC의 최종변위 (FD) 및 동적안정도(DS)와의 회귀분석을 통해 바인더와 혼합물 간의 소성변형 저항성(내변형성)의 상관관계를 조사하여 다음과 같은 결론을 얻었다.
본 연구에서는 8가지 바인더를 제조하여 DSR 시험에서 G*/sinδ를 측정하고 각 바인더를 2가지 골재로 총 16가지 혼합물을 제조하여 동적크리프(DC) 시험과 Kim test를 수행하였다. 바인더 G*/sinδ 와 Kim test의 변형강도(S0, DC의 최종변위 (FD) 및 동적안정도(DS)와의 회귀분석을 통해 바인더와 혼합물 간의 소성변형 저항성(내변형성)의 상관관계를 조사하여 다음과 같은 결론을 얻었다.

대상 데이터

본 연구에서 사용된 아스팔트는 국내에서 생산되고 널리 사용되고 있는 침입도 등급 AC₆₀~80(PG 64-22) 및 PG 76-22를 사용하였다. 골재는 전국적으로 분포가 많은 편마암(Gneiss)과 화강암(Granite)을 사용하였다.
~80(PG 64-22) 및 PG 76-22를 사용하였다. 골재는 전국적으로 분포가 많은 편마암(Gneiss)과 화강암(Granite)을 사용하였다. 굵은골재 최대치수는 13mm로 각각 KS F 2503, 2504, 2508에 규정된 방법에 따라 품질시험을 수행하였고, 건설교통부 13mm 밀입도 규격에 적합한 입도로 혼합 조정하여 사용하였다.
본 연구에서는 일반 아스팔트(AC 60-80)외에 7종류 개질아스팔트 (Polymer-modified asphalt :PMA)를 두 종류 골재(편마암, 화강암)와 혼합하여 총 16가지 혼합물을 제조하였다. 배합설계를 통하여 결정된 각각의 최적아스팔트 함량(Optimum asphalt content'.
공시체 제조시 일반 아스팔트 혼합물은 135-145℃에서, 폴리머 개질 아스팔트 혼합물은 145~155℃에서 선회다짐기를 이용하여 직경 100mm의 공시체를 제작하였다. 선회다짐 기를 사용한 이유는 우선 마샬 다짐 방식이 충격식으로 실제 도로포장의 다짐과 달라 제조된 공시체가 현장 혼합물 특성을 제대로 나타내지 못하므로 현장다짐과 유사한 선회다짐기를 이용하여 현장 다짐을 모사하고자 하였다.
선회다짐 기를 사용한 이유는 우선 마샬 다짐 방식이 충격식으로 실제 도로포장의 다짐과 달라 제조된 공시체가 현장 혼합물 특성을 제대로 나타내지 못하므로 현장다짐과 유사한 선회다짐기를 이용하여 현장 다짐을 모사하고자 하였다. 배합설계에 사용된 선회다 짐횟수는 교통량 100만대 미만이고, 대기온도 39℃이 하일 때인 Ndes 76회를 선정하였다. 선회다짐 압력은 600kPa, 선회각은 1.
5%를 목표로 제작하였다. 제작된 공시체는 24시간 양생 후 시험온도에서 6시간 이상 저장 후 AMTM(Asphalt mechanical property testing machine) 시험기로 동적크리프 시험에 사용되었다.
또한 사용된 폴리머 개질제는 LDPE (Low-density-polyethylene), SBS(Styrene-butadiene- styrene), SBR(Styrene-butadiene-rubber), 폐비닐을 재생한 2종류(HDPE, LDPE)의 펠렛을 분 말(체 No.8 체 No.30) 형태로 분쇄하여 사용하였다. 이것을 재생 HDPE(RHDPE)와 재생 LDPE(RLDPE)라고 명명하였다.

데이터처리

본 분석의 가정은 비록 골재의 영향이 존재해도 바인더의 G*/sina 와 혼합물의 동적크리프(DC) 시험 결과는 상관성이 있으리라는 것이다. 그림 7~10에서는 바인더의 스티프니스(Stiffness)인G*/sinJ 를 종속변수, 동적크리프 시험에서 얻어지는 두 가지 변수인 최종변위 (Final deformation .' FD)와 동적안정도(Dynamic stability: DS)를 독립변수로 사용하여 회귀분석을 수행하였다. 단, 중간에 파괴된 공시체 ADO의 데이터는 분석에서 제 외하였다.

이론/모형

골재는 전국적으로 분포가 많은 편마암(Gneiss)과 화강암(Granite)을 사용하였다. 굵은골재 최대치수는 13mm로 각각 KS F 2503, 2504, 2508에 규정된 방법에 따라 품질시험을 수행하였고, 건설교통부 13mm 밀입도 규격에 적합한 입도로 혼합 조정하여 사용하였다.
또한 파괴시의 변형의 형태도 실제 포장의 어떤 변형형태와도 같지 않아 현장과 유사성이 없는 시험법이라 할 수 있다(Kim et al, 2004). 따라서 본 연구에서는 내변형성과 상관성이 높은 변형강도(Deformation strength, Sd)를 정하중 하에서 측정하는 Kim test(김광우 등 2002a, b, c, 2004,2005a, b)를 사용하였다. 이 시험법은 하중을 혼합물이 다져진 방향과 같은 방향으로 가하고 재하에 의해 혼합물이 소성변형과 유사하게 압밀 .

성능/효과

위의 배합설계 결과로부터 결정된 각 혼합물의 최적 아스팔트 함량(OAC)으로 공시체를 제조한 혼합물의 체적 및 강도 특성은 표 2와 같다. OAC는 개질 아스팔트 혼합물이 일반 밀입도 혼합물보다 다소 높게 나타났고, 변형강도나 간접인장강도 역시 개질 아스팔트 혼합물이 일반 밀입도 혼합물보다 높게 나타났다.
편마암의 경우 ADO를 제외한 모든 혼합물이 총 3, 600cycle까지 진행되었다. 최종변위로 보면 편마암 중에서 ADRL8이 0.522mm로 가장 작은 값을 보였다. 반면 ADRH₈은 동적안정도(DS)가 29, 324로 가장 높은 값을 보여, ADRL8, ADRH₈이 변형저항성이 가장 우수한 것으로 나타났다.
522mm로 가장 작은 값을 보였다. 반면 ADRH₈은 동적안정도(DS)가 29, 324로 가장 높은 값을 보여, ADRL8, ADRH₈이 변형저항성이 가장 우수한 것으로 나타났다.
본 연구에 사용된 편마암과 화강암의 시험 결과, 화강암이 편마암보다 낮은 FD값과 높은 DS값을 보여 더 우수한 변형저항성을 보였다. 표 3은 전체 동 적크리프 시험 결과를, 그림 5~6은 각 골재별 대표적 동적크리프 곡선을 보여준다.
아스팔트 바인더에 따른 각 혼합물의 변형강도는 개질 아스팔트를 사용한 혼합물이 일반 아스팔트를 사용한 혼합물보다 전반적으로 높았다. 이는 폴리머 개질이 바인더의 스티프니스를 향상시킨 결과라 보인다.
표 3은 DSR 시 험결과를 보여준다. 개질에 따른 G*/sinJ 증진 효과는 RLDPE 와 RHDPE 그룹에서 가장 크게 나타나고, 그 다음 LDPE6과 SBS5 그룹으로 이들은 PG 76-22보다 다소 높게 나타났다.
바인더는 노화 전 (Original)과 회전박막가열(RTFO) 노화 후의 G*/sinJ 값이 이용되었다.G*/sinδ와 FD와의 회귀분석 결과 두 골재 혼합물에 대한 평균 결정계수(R2)가 약 0.74 G*/sin3 와 DS와의 회귀분석결과 평균 1*은 약 0.80으로 비교적 양호한 상관성이 얻어졌다(표 4). 즉, 바인더의 스티프니스(Stiffness)가 크면 반복하중 하에도 혼합물이 덜 변형되며 골재별로 다소 차이는 있으나 R2이 평균 약 0.
80으로 비교적 양호한 상관성이 얻어졌다(표 4). 즉, 바인더의 스티프니스(Stiffness)가 크면 반복하중 하에도 혼합물이 덜 변형되며 골재별로 다소 차이는 있으나 R2이 평균 약 0.77이 되어 그 상관성이 양호함을 확인할 수 있었다.
88 이상으로 상당히 높았다(표4). 이 회귀분석 결과의 R2 평균은 앞에서 분석한 G*/sinδ와 FD의 회귀분석 평균보다 0.14 정도 높고, G*/sinδ 와 DS와의 회귀분석 평균보다 약 0.09정도 높은 것이다. (표 4).
이는 사용된 바인더의 스티프니스(Stiffness) 차이가 혼합물의 SD 값에 보다 잘 반영되어 나타남을 의미한다. 즉, SD가 Rutting 저항 특성을 나타내는 G*/sin3 와 매우 높은 상관성을 가짐을 보이며, 본 연구에서 조사된 혼합물의 변형저항 특성치 3가지와의 상관관계 중에서 가장 높은 값을 보이고 있다. 따라서 이는 혼합물에 내재해있는 내변형성의 차이를 동적크리프 시험보다 Kim test가 더 잘 구분해 낼 수 있음을 시사하는 것이다
앞의 결과에서 혼합물의 내변형성이 변형강도와 동적크리프 두 시험에서 모두 유사하게 나타났다. 즉, 내변형성이 높은 바인더로 만들어진 혼합물은 Sd나 DS가 높고 FD는 낮은 경향이 비교적 일관되게 나타났다. 따라서 본 절에서는 Sd와 동적크리프 시험결과와의 회귀분석을 통하여 두 특성간의 상관성을 분석하였다.
Sd와 FD의 회귀분석 결과 평균은 약 0.64, Sd 와 DS와의 회귀분석 결과 평균 R2은 약 0.84로 SD 와 DS의 상관관계가 훨씬 더 높았다. 두 특성(FD와 DS) 중 DS가 Sd와 더 높은 을 보이는 것은 바인더 스티프니스(Stiffness)와의 회귀분석에서도 나타난 것과 같은 경향이다.
현재 국내 아스팔트 혼합물 배합설계 기준으로 이용되는 먀샬시험법의 안정도나 흐름치는 소성변형과 상관성이 아주 낮아 이를 어느 정도 반영할 수 있는 대체 특성치 (Surrogate property) 의 개발이 필요하 다(Huber et al, 1987). 본 연구결과를 보면 에 바인더의 스티프니스(Stiffness) 특성이 잘 반영됨은 물론 DC 시험과도 좋은 상관관계를 보이고, 기존 연구에서 WT와도 상관성이 높게 (R2>0.95) 나타났으므로 새로운 특성치로 활용 가능성이 매우 높음을 확인할 수 있었다.
1. 바인더의 G*/sinδ와 혼합물의 3가지 내변형 특성(Sd, FD, DS)간의 회귀분석 결과, G/* sin 再 SD간에 가장 밀접한 상관관계 (R2>0.88)가 얻어졌다. 이는 혼합물의 내변형성의 차이를 동적크리프 시험보다 Kim test가 더 잘 구분해 낼 수 있음을 시사하는 것이다.
2. 바인더의 G*/sinδ 와 혼합물의 FD 및 DS간의 회귀분석 결과, G*/sinδ 와 이 두 특성간에 양호한 상관관계(평균 R2=0.77)가 얻어졌다. 이는 비록 %보다는 낮지만 그래도 혼합물에 내재해있는 내 변형성의 차이가 동적크리프 시험에 잘 반영됨을 의미한다.
3. 바인더의 노화 전(Original) 상태에서 얻은 G*/sinδ 보다는 단기노화(RTFO) 처리 후의 G*/sinδ가 상기의 모든 혼합물 특성들과 더 높은 상관관계를 보였다. 이는 혼합물 내의 바인더 상태가 이미 단기노화를 거친 것과 유사한 상태이므로 나타난 결과라 판단된다.
64 이상이 얻어졌다. 따라서 두 시험 간에는 양호한 상관관계가 존재하며, SD는 동적크리프 시험의 DS와 더 좋은 상관성을 가짐을 확인하였다.
5. 이상의 결과,SD는 바인더의 스티프니스 (Stiffness) 특성을 잘 반영함은 물론 동적안정도 시험과도 좋은 상관관계를 보이며, 기존 연구에서 휠트랙킹 시험과도 상관성이 높게 (R2>0.95) 나타나므로 혼합물의 내변형성과 상관성이 큰 특성치임을 알 수 있었다. 특히 현재 배합설계 기준으로 이용되는 마샬안정도나 흐름치가 소성변형과 상관성이 아주 낮아 이를 대체할 특성치의 개발이 필요한 시점에서 향후 체계적인 연구를 수행한다면 Sd의 활용 가능성은 매우 높다고 하겠다.
4. 동적크리프 시험과 Kim test 간의 측정치에 대한 상관관계를 분석한 결과, DS와 SD 간에 R2은 약 0.84, FD와 Sd간에는 I * 이 0.64 이상이 얻어졌다. 따라서 두 시험 간에는 양호한 상관관계가 존재하며, SD는 동적크리프 시험의 DS와 더 좋은 상관성을 가짐을 확인하였다.

후속연구

하지만 이 차이를 기존 정하중 하에서의 아스팔트 혼합물 시험법으로는 제대로 구분해 내지 못한다. 만일 간단한 정하중 시험을 통해 이를 측정할 수 있다면 그 시험법은 혼합물의 내변형성의 차이를 판정하는 좋은 시험법이 될 수 있을 것이다. 현재 배합설계에서 쓰이는 마샬 안정도나 흐름은 그렇지 못하다 (한국형2004).
본 연구의 가설은 바인더 G*/sind 가 크면 혼합물의 동적크리프(DC) 시험에서 높은 내변형성 을 보일 것이라는 것이다. 특히 DC 시험은 WT 시험 과 함께 아스팔트 혼합물의 소성변형 특성을 파악할 수 있는 중요 시험법(Zhu and Fwa, 2005)으로 인식되고 있으므로 같은 혼합물에 대한 Sd와 DC 결과 비교는 Sd의 적용성 연구에 중요한 근거가 될 것이다. 따라서 본 연구의 목적은 아스팔트 혼합물의 소성변형 저항성 측정을 위해 바인더 스티프니스 (Stiffness)와 혼합물의 변형강도 및 동적크리프 특성과의 상관성을 분석하고 이를 토대로 변형강도의 적용성을 고찰하는 것이다.
95) 나타나므로 혼합물의 내변형성과 상관성이 큰 특성치임을 알 수 있었다. 특히 현재 배합설계 기준으로 이용되는 마샬안정도나 흐름치가 소성변형과 상관성이 아주 낮아 이를 대체할 특성치의 개발이 필요한 시점에서 향후 체계적인 연구를 수행한다면 Sd의 활용 가능성은 매우 높다고 하겠다.

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