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문제 정의
- 이에 본 연구에서는 PE Wax를 단독으로 첨가한 경우 아스팔트 바인더의 물리적 특성 변화를 분석하고, 국내에서 가장 많이 이용되고 있는 개질재인 SBS, 폐타이어 고무분말이 첨가된 아스팔트 바인더와 비교.분석하였다.
- DSR 실험은 아스팔트 바인더의 점탄성적 물성을 파악하기 위해 수행된다. 본 연구에서는 TA Instuments사의 CSA500 시험장비를 사용하였다.
- 경우가 많다. 따라서 본 연구에서는 Wax와 다른 개질재가 혼합되어 사용될 경우, Wax가 바인더에 미치는 특성을 분석하고자 하였디..
- 본 연구에서는 Wax가 첨가된 개질 아스팔트 바인 더의 물리적 특성을 실내실험을 통해 평가하였다. 이를 위해 Wax, SBS, 폐타이어 고무분말을 단독으로 사용하였을 경우와 Wax+SBS, Wax+폐타이어 고 무분말을 사용한 경우에 대하여 DSR, BBR, 회전점 도, 동점도 실험을 수행하였으며, 다음과 같은 결론 을 얻을 수 있었다.
제안 방법
- 분석하였다. 또한 PE Wax가 기존 개질재인 SBS와 폐타이어 고무분말과 혼합되어 사용되었을 때 Wax가 어떠한 기능을 하는지 실내 실험을 통해 그 특성을 분석하였다.
- 단위 부피당 들어가 있는 분자량의 많고 적음에 따라 HD(High Density) 와 LD(Low Density) 로 나 눠지게 되는데, 본 연구에서는 H사의 High Density Oxidized Homopolymer(HD계)와 Oxidized Homopolymer(LD계) Wax를 사용하였는데, 구분 의 편의상 본 연구에서는 전자는 type I 으로 후자는 type Ⅱ로 명명하였다. 표 1은 H사에서 제공한 PE Wax의 기본 물성값을 나타내고 있다.
- 그림에 나타낸 것과 같이 Wax ・SBS .폐타이어 고무 분말 각각의 타입마다 base 아스팔트인 AP-5에 첨가하여 개질재로서 단독으로 사용되었을 때 각각의 물리적 특성을 비교.분석하였다.
- 폐타이어 고무분말 각각 1종류씩을 우선 선정하였다. 이후 Wax가 다른 개질제와 혼합되어 첨가되었을 때 아스팔트 바인더의 특성을 확인하기 위하여 Wax와 SBS, Wax와 폐타이어 고무분말을 혼입비율별 첨가하여 아스팔트 바인더의 물리적 특성을 분석하였다.
- 본 연구에서는 TA Instuments사의 CSA500 시험장비를 사용하였다. 본 실험은 하부의 고정판과 상부의 스핀들 사이에 시료를 장착하고 스핀들에 의해 일정한 strain이 발생 하도록 비틀림을 가하고 이때 발생되는 토크(T)와 위상각(3)을 측정하여 복합전단계수(complex shear modulus, G*) 를 계산한다. 고온에서의 PG 기준치는 original 바인더에 대해 G*/sind 값이 l.
- 실험방법은 아스팔트 포장의 공용 중 평균온도라고 가정된 25P에서 100g의 하중이 재하된 바늘이 5초 동안아스팔트 바인더 시료에 관입된 깊이를 0.1mm 단위로 측정 한다. 아스팔트의 굳기 (consistency)가 부드러울수록 침입도는 커지며, 침입도 2 이하와 500 이상의 값은 신뢰할 수 없는 범위로 보고 있다.
- 회전점도실험은 믹싱 온도에서 아스팔트 바인더의 작업성 (workability)을 측정 하는데 사용된다. 약 13512의 아스팔트 시료 내에 원통형 스핀들이 일정한 회전속도를 유지하는데 필요한 토크를 측정하여 바인더의 점도를 자동적으로 계산하고 계기반에 계시한다. PG 기준점도는 3Pa-s (3000 cP) 이하이다.
- 개질재를 단독으로 첨가한 경우, 150±2℃에서 가열된 base 아스팔트 (AP-5) 에 Wax를 교반기에 투입하여 130~ 140P에서 혼합을 실시하고, SBS와 폐타이어는 교반기에 투입하여 150~ 160℃에서 혼합을 실시하여 개질아스팔트 바인더를 제조하였다. 두 가지 종류의 개질재를 첨가한 경우, 150±2℃에서 가열된 base 아스팔트(AP-5)에 Wax를 교반기에 투입하여 130~ 140℃에서 1차 혼합을 실시한후, SBS 또는 페타이어를 교반기에 투입 150~160 ℃ 에서 2차혼합을 실시하여 개질아스팔트 바인더를 제조하였다.
- 제조하였다. 두 가지 종류의 개질재를 첨가한 경우, 150±2℃에서 가열된 base 아스팔트(AP-5)에 Wax를 교반기에 투입하여 130~ 140℃에서 1차 혼합을 실시한후, SBS 또는 페타이어를 교반기에 투입 150~160 ℃ 에서 2차혼합을 실시하여 개질아스팔트 바인더를 제조하였다.
- Wax type I , H 각각에 대하여 첨가량을 3%, 5%, 7%씩 변화시켜 base 아스팔트에 첨가하여 DSR(original), 회전점도, 침입도 실험을 수행하였다. 그림 4는 DSR(original) 실험결과를 나타내고 있다.
- Wax를 첨가한 경우에 아스팔트 바인더의 안전성 문제를 파악하기 위해, Wax 첨가량 7%에 대하여 인화점 실험을 수행하였다. 표 2는 인화점 실험결과를 나타내고 있다.
- SBS는 linear type과 radial type 각각 2종류에 대하여 함유량을 3, 5%씩 변화시켜 base 아스팔트 에 첨가하여 DSR(original), 회전점도, 침입도 실험을 수행하였다. 그림 7은 DSR(original) 실험결과를 나타내고 있다.
- 폐타이어 고무분말은 80 mesh와 120 mesh에 대하여 각각 5%, 10%, 12%, 15%씩 변화시켜 base 아스팔트에 첨가하여 DSR(original), 회전점도, 침 입도 실험을 수행하였다. 그림 10은 폐타이어 고무 분말 함유량에 따른 DSR(original)실험결과를 나타내고 있는데, 폐타이어 고무분말의 첨가비율이 증가함에 따라 G*/sind 값이 증가하는 것을 알 수 있으며, 폐타이어 고무분말 80mesh와 120mesh 간에 큰 차이를 나타내고 있지 않다.
- . 이를 위해 이제까지의 실험결과를 토대로 각각의 개질재 중에서 그 특성이 우수한 재료를 아래와 같이 선정하여 복합 개질 재(두 가지 재료가 혼합된 개질재)의 재료로 이용하고자 하였다.
- ▷ SBS의 경우, linear type I 과 radial type I 이 다른 것과 비교하여 좋은 결과를 나타내었다. 그러나 radial type의 경우 분자량이 많고, 재료분 리가 일어나 저장안정성이 문제점이 야기될 가능성이 있기 때문에 본 연구에서는 SBS linear type I 을 선택하였다
- ▷폐타이어 고무분말의 경우, 80mesh와 120mesh 모두 비슷한 특성을 나타내었다. 하지만 입자크기가 가는 것이 좀 더 안정적인 아스팔트 바인더를 제조하는데 효과가 있다고 판단하여, 본 연구에서는 폐타이어 고무분말 120 mesh를 선택하였다.
- 정하였다. 또한 각각의 개질 아스팔트 바인더에 대하여 DSR(original, RTFO), BBR, 동점도, 침입도 실험을 수행하였다.
- Wax가 저온특성에 어떠한 영향을 미치는지 확인하기 위하여 , 폐타이어 고무분말을 10%로 고정하고 Wax를 1%, 2%, 3% 변화시켜 제조한 개질 아스팔트 바인더의 BBR(실험온도:-12℃) 실험을 수행하였으며, 그 결과는 그림 17에 나타내었다. 그림에서 나타낸 것과 같이 Wax의 첨가비율이 증가하면서 m-value 값이 떨어지는 것을 확인할 수 있다.
- 본 연구에서는 Wax가 첨가된 개질 아스팔트 바인 더의 물리적 특성을 실내실험을 통해 평가하였다. 이를 위해 Wax, SBS, 폐타이어 고무분말을 단독으로 사용하였을 경우와 Wax+SBS, Wax+폐타이어 고 무분말을 사용한 경우에 대하여 DSR, BBR, 회전점 도, 동점도 실험을 수행하였으며, 다음과 같은 결론 을 얻을 수 있었다.
대상 데이터
- 본 연구에서 사용된 SBS는 4가지 종류로 L사와 K사의 linear 및 radial type을 사용하였으며 , 제조사별 type I 과 type I 로 구분하였다.
- 본 연구에서 사용된 폐타이어 고무분말은 C사에서 생산되는 고무분말 중에 냉동분쇄기술을 이용해 제조된 80mesh(180ym), 120mesh(125ym) 입자 크기의 고무분말을 사용하였다.
- 이 분석내용을 바탕으로 Wax ・SBS .폐타이어 고무분말 각각 1종류씩을 우선 선정하였다. 이후 Wax가 다른 개질제와 혼합되어 첨가되었을 때 아스팔트 바인더의 특성을 확인하기 위하여 Wax와 SBS, Wax와 폐타이어 고무분말을 혼입비율별 첨가하여 아스팔트 바인더의 물리적 특성을 분석하였다.
- DSR 실험은 아스팔트 바인더의 점탄성적 물성을 파악하기 위해 수행된다. 본 연구에서는 TA Instuments사의 CSA500 시험장비를 사용하였다. 본 실험은 하부의 고정판과 상부의 스핀들 사이에 시료를 장착하고 스핀들에 의해 일정한 strain이 발생 하도록 비틀림을 가하고 이때 발생되는 토크(T)와 위상각(3)을 측정하여 복합전단계수(complex shear modulus, G*) 를 계산한다.
- BBR 실험이 적용되고 있다. 본 연구에서는 미국의 ATS사에서 제작한 BBR 시험기를 사용하였다. BBR 실험은 장기노화시킨 아스팔트 바인더를 12.
성능/효과
- Wax type I 의 경우 첨가비율이 증가함에 따라 아스팔트 바인더의 G*/sin5 값이 증가함을 알 수 있다. 특히 실험온도 64℃에서 Wax 3% 첨가 시 base 아스팔트에 비해 G*/sin3 값이 2배 정도, Wax 7% 첨가 시 4배 정도 증가하였다. Wax type H 의 경우 base 아스팔트에 비해 G7sin5 값이 약간 감소하거나 거의 유사한 값을 보여 주는데, 첨가비율이 증가함에 따라 G*/sinJ 값이 약간씩 감소함을 알 수 있다.
- 이와 같은 결과를 종합하여 보면, Wax type I 은 함유량이 증가함에 따라 고온에서의 바인더 점성을 증가시킴을 알 수 있다. 즉, Wax type I 은 아스팔트 바인더의 소성변형에 대한 저항성을 증진시키는 효과를 발휘한다.
- 따라서 Wax type Ⅱ는 소성변형에 대한 저항성은 떨어뜨리지 않 으면서 아스팔트 바인더의 작업성을 크게 개선시킴 을 알 수 있다. 또한 상온에서의 부드러운 특성으로 인해 균열에 대한 저항성을 증진시키는데 큰 효과를 발휘할 수 있다고 판단된다.
- 그림 7은 DSR(original) 실험결과를 나타내고 있다. SBS의 첨가비율이 증가함에 따라 아스팔트 바인더의 G*/sinS 값이 증가하며, radial type I 과 linear type I 이 다른 것에 비해 좀 더 우수한 특성을 나타냄을 알 수 있다. 특히 실험온도 64 ℃ 에서 linear type I 5% 첨 가 시 base 아스팔트에 비해 G7sin*/sin<5 값을 비교해 보면.
- 나타내고 있다. 그림에서 나타낸 것과 같이 SBS 함유량이 증가함에 따라 회전점도는 증가하였으며, 특히 linear type I 5% 첨 가 시 base 아스팔트에 비해 회전점도가 약 225%, radial type I 5% 첨가 시 약 490% 증가하였다.
- 있다. 그림에서 나타낸 것과 같이 SBS 함유량이 증가함에 따라 침 입도가 감소하는 경향을 나타내었으며, type별로는 큰 차이가 없는 것을 확인할 수 있다. base 아스팔트와 비교하여 보면 SBS 3% 첨가 시 침입도가 약 24%, SBS 5% 첨가 시 약 39% 감소하였다.
- 이와 같은 결과를 종합하여 보면, SBS radial type I 과 linear type I 이 아스팔트 바인더의 소성 변형에 대한 저항성을 증진시키는데 좀 더 큰 효과를 발휘한다고 판단되며 , 작업성 측면에서는 linear type이 radial type에 비해 좀 더 우수한 것으로 판단된다.
- base 아스팔트와 비교하여 보면, 실험온도 64"0에서 폐타이어 고무분말 5% 첨가 시 G*/sin3 값이 약 70% , 폐타이어 고무 분말 15% 첨가 시 약 380% 증가하였다. 또한 실험 온도 76P에서 폐타이어 고무분말을 15% 첨가한 아 스팔트 바인더만이 PG 기준치를 넘는 것으로 나타 났으며 , 시험온도 82℃에서는 모든 바인더가 PG 기 준치를 넘지 못하였다.
- 실험결과를 나타내고 있다. 그림에서 나타낸 것과 같이 폐타이어 고무분말 첨가비율이 증가함에 따라 회전점도는 증가하며, 폐타이어 고무분말 5% 첨가 시 base 아스팔트에 비해 약 60%, 폐타이어 고무분말 15% 첨가 시 약 600% 증가하였고, 폐타이어 고무분말 80mesh와 120mesh 간에 큰 차이를 나타내지 않았다. 하지만, 폐타이어 고무분말 12%와 15%가 첨가된 아스팔트 바인더의 경우 회전점도값은 120mesh가 약간 작게 나왔다.
- 표에서 나타낸 것과 같이 Wax type I 은 SBS·폐타이어 고무분말 보다 고온에서의 내유동 성을 강화하는데 더 큰 효과를 발휘함을 알 수 있다. 또한 Wax type I 은 회전점도값 증가율이 SBS · 폐 타이어 고무분말보다 훨씬 더 낮아 상대적으로 작업 성 개선에도 효과가 있음을 알 수 있다.
- 침입도 실험결과에서는 Wax type I 이 SBS · 폐 타이어 고무분말에 비해 침입도 감소율이 약간 크게 나타났지만 큰 차이를 보이지는 않았다. 하지만 Wax typeQ는 침입도 실험결과 base 아스팔트에 비해 오히려 증가하여 상온에서 부드러운 특성을 강 화하게 만드는 것으로 나타났다
- 침입도 실험결과에서는 Wax type I 이 SBS · 폐 타이어 고무분말에 비해 침입도 감소율이 약간 크게 나타났지만 큰 차이를 보이지는 않았다. 하지만 Wax typeQ는 침입도 실험결과 base 아스팔트에 비해 오히려 증가하여 상온에서 부드러운 특성을 강 화하게 만드는 것으로 나타났다
- ▷ Wax의 경우, type J 과 type I 가 모두 Wax 본 래의 특성인 작업성 개선 효과는 우수한 것으로 나타났다. 그러나 type I 이 type![에 비해 고온 에서의 내유동성이 증진어도 효과가 있으며, 특히 typel 3% 첨가 시 DSR 시험온도 82℃에서도 PG 기준치를 통과하여, SBS와 폐타이어 고무분 말보다 더 좋은 내유동성을 나타내었다.
- ▷ Wax의 경우, type J 과 type I 가 모두 Wax 본 래의 특성인 작업성 개선 효과는 우수한 것으로 나타났다. 그러나 type I 이 type![에 비해 고온 에서의 내유동성이 증진어도 효과가 있으며, 특히 typel 3% 첨가 시 DSR 시험온도 82℃에서도 PG 기준치를 통과하여, SBS와 폐타이어 고무분 말보다 더 좋은 내유동성을 나타내었다. 따라서 총 6가지 Wax type 및 함유량 중에서 Wax type I 3%를선택하였다
- 그러나 type I 이 type![에 비해 고온 에서의 내유동성이 증진어도 효과가 있으며, 특히 typel 3% 첨가 시 DSR 시험온도 82℃에서도 PG 기준치를 통과하여, SBS와 폐타이어 고무분 말보다 더 좋은 내유동성을 나타내었다. 따라서 총 6가지 Wax type 및 함유량 중에서 Wax type I 3%를선택하였다
- DSR(original) 실 험의 경우, 모든 개질 아스팔트 바인더가 실험온도 82℃에서 기준치 이상을 나타내고 있다. 또한 그림 13을 그림 7과 그림 10에서 SBS와 폐타이어 고무 분말만을 첨가한 실험결과와 비교하여 보면, Wax 와 SBS가 복합 개질재로 사용된 경우 SBS가 단독 으로 사용한 경우에 비해 500% 이상의 내유동성이 증가되었음을 알 수 있다. 따라서 Wax가 SBS와 함께 개질재로 사용되었을 경우에도 고온에서의 내유 동성을 증가시키는데 크게 기여하고 있음을 알 수 있다.
- 그림 14의 DSR(RTFO) 실험의 경우, C5W3과 C10W3을 제외한 나머지 개질 아스팔트 바인더는 실험온도 82℃에서 PG 기준치 이상을 나타내고 있다. 이와 같은 실험결과를 종합하여 보면, SBS와 폐 타이어 고무분말에 Wax를 첨가함으로써 고온에서의 점성이 증가하여 PG 82를 만족하는 아스팔트 바인 더 제조가 충분히 가능함을 알 수 있다.
- 그림에서 나타낸 것과 같이 실험온도 T2℃에서 C5W3, C12W3, C15W3이 PG 기준치 이상을 나타내고 있다. 기준 치를 통과하지 못한 개질 바인더에 대하여 실험온도 -6℃와 0℃에서 BBR 실험을 수행하였는데, C10W3의 경우 실험온도 -6℃에서 PG 기준치 이상 을 나타내었으나, S3W3과 S5W3의 경우 실험온도 -6℃와 -0℃ 모두에서 PG 기준치를 넘지 못하였다. 이와 같은 결과로부터 개질 아스팔트 바인더 C5W3,C12W3, C15W3은 저온등급 PG-22를, C10W3은 저온등급 PG-16을 만족하며 , S3W3과 S5W3은 저온등급 PG-1O에도 미치지 돗하는 것으로 나타났다.
- 기준 치를 통과하지 못한 개질 바인더에 대하여 실험온도 -6℃와 0℃에서 BBR 실험을 수행하였는데, C10W3의 경우 실험온도 -6℃에서 PG 기준치 이상 을 나타내었으나, S3W3과 S5W3의 경우 실험온도 -6℃와 -0℃ 모두에서 PG 기준치를 넘지 못하였다. 이와 같은 결과로부터 개질 아스팔트 바인더 C5W3,C12W3, C15W3은 저온등급 PG-22를, C10W3은 저온등급 PG-16을 만족하며 , S3W3과 S5W3은 저온등급 PG-1O에도 미치지 돗하는 것으로 나타났다.
- 위의 결과를 종합해 볼 때 , Wax와 SBS는 저온에서 너무 딱딱한 성질을 유지하여 저온균열 저항성을 약화시키는 단점이 있으며, 폐타이어 고무분말은 저온균열 저항성을 증진시키는데 효과가 있는 것으로 판단된다.
- 그림 18에 나타내었다. 그림에서 나타낸 것과 같이 SBS, 폐타이어 고무분말의 첨가비율이 증가함에 따라 회전점도값이 커지는 것을 확인할 수 있으며, 특히 C15W3의 경우 3, 125cP 값을 나타내어 일반적인 PG등급기준에 만족하지 못하는 것으로 나타났다.
- 표 6은 위의 결과들을 종합하여 base 아스팔트에 대한 복합 개질 아스팔트의 실험결과 증가/감소율을 나타낸 것이다. 표에서 나타낸 것과 같이 노화되지 않은 바인더의 G*/sinJ 증가율은 Wax와 SBS를 첨가한 것이 크게 나왔고, 단기 노화된 바인더의 G7sin 증가율은 Wax와 폐타이어 고무분말을 첨가한 것이 더 크게 나왔다. 또한 단일 개질 아스팔트의 결과를 나타낸 표 2와 비교해 보면, 복합 개질 아스 팔트의 G*/sin3 증가폭이 훨씬 큰 반면에 회전점도 증가율을 거의 같은 수준을 유지하고 있다.
- -high density oxidized homopolymer 형태의 Wax(Wax type I)가 첨가된 바인더는 oxidized homopolymer 형태의 Wax(Wax type II) 에 비해 고온에서 내유동성이 크게 증가되며, 특히 3% 첨가 시 DSR 실험온도 82℃에서도 PG 기준치를 통과하여, SBS와 폐타이어 고무분말보다 더 좋은 내유동성을 나타내었다. 반면에 Wax type I 은 첨가비율의 증가에 따라 회전점도값이 소폭으 로 증가하나 고온에서 내유동성이 크게 강화되는 것을 고려한다면 상대적으로 믹싱 , 포설, 다짐 등 작업성 (workability)을 개선할 수 있는 것으로 판단된다.
- -Wax type II 는 아스팔트 바인더의 작업성개선 효과를 크게 하고, 상온에서 부드러운 특성으로 균열에 대한 저항성을 증진시키는데 큰 효과를 발휘하지만, 고온에서의 내유동성에 영향을 미치지 못하는 것으로 나타났다.
- - Wax type I 과 SBS를 함께 첨가한 개질 아스팔트 바인더는 고온등급 PG 82를 나타내지만, 저온등급 PG-10에 도달하지 못하여 , 저온균열 발생 가능성을 높게 만드는 단점이 나타났다. 이는 Wax type I 과 SBS 모두 저온에서 너무 딱딱한 성질을 만들기 때문인 것으로 판단된다.
- 이는 Wax type I 과 SBS 모두 저온에서 너무 딱딱한 성질을 만들기 때문인 것으로 판단된다. Wax type I 과 폐타이어 고무분말을 함께 첨가한 개질 아스팔트 바인더는 폐타이어 고무분말 첨가비율 12% 이상에서 고온등급 PG 82를 나타내었으며 , 저온등급은 폐타이어 고무분말 첨가비율 10%를 제외하고는 모두 PG-22를 나타내었다. Wax type I 이 저온특성을 약화시 킨다는 점을 고려한다면 폐타이어 고무분말이 Wax의 단점을 보완하여 저온균열 저항성을 증진시키는데 효과가 있음을 알 수 있다.
- 값을 나타내었다. 따라서 위에 기술한 것 처 럼 Wax type I 과 SBS/폐타이어 고무분말을 첨가한 복합 개질 바인더가 고온등급이 더 높다는 것을 감안한다면, Wax가 작업성을 약화시키지 않으면서 고온에서의 내유동성을 크게 향상시킴을 알 수 있다.
- - 본 결과를 종합하여 보면 , Wax type I 은 고온에서 내유동성 강화와 작업성 개선에 효과를 발휘하는 것으로 판단된다. 그러나 상온과 저온상태에서 바인더의 딱딱한 성질을 유지하게 하여 균열에 대해 취약하게 만드는 단점도 있는 것으로 판단된다.
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