현재의 마샬 배합설계는 공극률, VFA. VMA와 함께 가열 아스팔트 혼합물의 현장 공용성과 관련이 적은 안정도와 흐름값을 포함하고 있다. 게다가, 안정도와 흐름값은 거의 대부분 기준값에 만족하며. 최적 아스팔트 함량(OAC)은 공극률, VFA, VMA와 같은 용적특성에 의해 결정되고 있다. 그러므로 많은 연구자들은 현장 공용성과 관계를 가지는 혼합물을 만들기 위하여 안정도와 흐름값을 대신할 수 있는 역학적 특성에 관심을 가지고 있다. 본 연구에서는 마샬 배합설계방법의 안정도와 흐름값을 대신하여 역학적 특성과 관련있는 변형강도$(S_D)$와 파괴에너지(FE)를 도입하는 배합설계를 제안할 것이다. Kim test로부터 소성변형 저항성과 상관성이 높은 변형강도$(S_D)$와, 간접인장시험으로부터 피로균열을 모사하는 파괴에너지 (FE)를 도입하였다. 현재의 배합설계방법과 제안한 배합설계 방법을 비교하기 위하여 4가지 아스팔트 흔합물을 사용하였다. 제안한 배합설계가 현재의 배합설계방법에 비해 OAC결정에 역학적 특성이 반영되는 결과를 볼 수 있었다.
현재의 마샬 배합설계는 공극률, VFA. VMA와 함께 가열 아스팔트 혼합물의 현장 공용성과 관련이 적은 안정도와 흐름값을 포함하고 있다. 게다가, 안정도와 흐름값은 거의 대부분 기준값에 만족하며. 최적 아스팔트 함량(OAC)은 공극률, VFA, VMA와 같은 용적특성에 의해 결정되고 있다. 그러므로 많은 연구자들은 현장 공용성과 관계를 가지는 혼합물을 만들기 위하여 안정도와 흐름값을 대신할 수 있는 역학적 특성에 관심을 가지고 있다. 본 연구에서는 마샬 배합설계방법의 안정도와 흐름값을 대신하여 역학적 특성과 관련있는 변형강도$(S_D)$와 파괴에너지(FE)를 도입하는 배합설계를 제안할 것이다. Kim test로부터 소성변형 저항성과 상관성이 높은 변형강도$(S_D)$와, 간접인장시험으로부터 피로균열을 모사하는 파괴에너지 (FE)를 도입하였다. 현재의 배합설계방법과 제안한 배합설계 방법을 비교하기 위하여 4가지 아스팔트 흔합물을 사용하였다. 제안한 배합설계가 현재의 배합설계방법에 비해 OAC결정에 역학적 특성이 반영되는 결과를 볼 수 있었다.
Criteria of the current asphalt mix design, Marshall method, includes the stability and flow which are not related with field performance of HMA mixture, together with the air void, Void filled with asphalt (VFA) and/or Void of mineral Aggregate(VMA). In addition, the limits of stability and flow ar...
Criteria of the current asphalt mix design, Marshall method, includes the stability and flow which are not related with field performance of HMA mixture, together with the air void, Void filled with asphalt (VFA) and/or Void of mineral Aggregate(VMA). In addition, the limits of stability and flow are satisfied in most cases, the Optimum asphalt content (OAC) is determined based on volumetric properties, such as the air void and/or VFA and/of VMA. Therefore, many researchers have sought mechanistic properties which can replace the stability and flow, making the designed mixture having potential for better field performance. This study initiated to develope a mix design by introducing two performance-related mechanistic properties, the deformation strengh and fracture energy, in place of the stability and flow of the Marshall method. The deformation strength $(S_D)$ from the Kim Test has a high correlation with rutting property and the fracture energy(FE) from the indirect tensile test represents the fatigue cracking property of asphalt mixture. Four types of asphalt mixture were prepared for examining possibility of using the suggested mix design method in comparison with current methods. The results showed that mechanical properties were reflected in determination of OAC with this suggested mix design, unlike the existing Marshall method.
Criteria of the current asphalt mix design, Marshall method, includes the stability and flow which are not related with field performance of HMA mixture, together with the air void, Void filled with asphalt (VFA) and/or Void of mineral Aggregate(VMA). In addition, the limits of stability and flow are satisfied in most cases, the Optimum asphalt content (OAC) is determined based on volumetric properties, such as the air void and/or VFA and/of VMA. Therefore, many researchers have sought mechanistic properties which can replace the stability and flow, making the designed mixture having potential for better field performance. This study initiated to develope a mix design by introducing two performance-related mechanistic properties, the deformation strengh and fracture energy, in place of the stability and flow of the Marshall method. The deformation strength $(S_D)$ from the Kim Test has a high correlation with rutting property and the fracture energy(FE) from the indirect tensile test represents the fatigue cracking property of asphalt mixture. Four types of asphalt mixture were prepared for examining possibility of using the suggested mix design method in comparison with current methods. The results showed that mechanical properties were reflected in determination of OAC with this suggested mix design, unlike the existing Marshall method.
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문제 정의
이에 본 연구의 목적은 아스팔트포장의 공용성과 상관성이 보다 높은 배합설계방법을 개발하기 위한 연구의 일환으로 설계기준에 현장성능과 상관성이 큰 역학적 특성을 추가하는 방안을 제시하는 것이다.
본 연구에서는 배합설계시 소성변형과의 상관성이 매우 높게 나타나고 있는 Kim test의 변형강도와 피로 균열을 모사하는 간접인장 시험의 파괴 에너지를 배합설계 기준치로 적용할 수 있을지 여부를 파악하기 위한 실험을 수행하였다. 이를 위해서 마샬방법을다소 변형하여 기본 골격은 마샬 배합설계와 유사하나 다짐장치로 현장의 다짐을 잘 모사할 수 있는 Superpave gyratoiy compactor (SGC)를 사용하였다.
제안한 배합설계방법과의 비교 . 분석을 수행하고자 한다. 이를 위해 공시체에 가해지는 다짐 에너지를 동일하게 하여 이로 인한 차이를 제거할 필요가 있다.
4. 본 연구에서는 변형강도(岛)와 파괴에너지 (FE) 를 배합설계에 이용하기 위한 기초적인 실험을 하였다. 앞으로 교통량별 선회다짐회수 결정, 보다 다양한 혼합물에 대한 배합설겨L 두 특성의 적용 범위에 대한 연구 등을 통해서 역학적 특성이 고려된 아스팔트 혼합물의 배합설계 방법으로의 개선이 필요할 것으로 판단된다.
제안 방법
이들을 각기 KS F 2503, KS F 2504, KS F 2508에 규정된 방법에 따라 품질 시험한 결과는 표 2와 같다. 또한 굵은 골재 최대치수를 19mm와 13mm로 하여 잔골재, 채움재와 혼합하여 건설교통부 19mm및 13mm 밀입도 규격 (KS F 2349)에 적합한 입도로 조정하여 사용하였다(그림 1, 그림 2).
균열 저항성 평가를 위해 간접인장 모드로 회복 탄성계수(resilient modulus) 시험과 강도시험 (Strength test)를 실행하고 계산된 파괴 에너지 (Fracture Energy: FE)를 배합설계에 적용하였다.
위한 실험을 수행하였다. 이를 위해서 마샬방법을다소 변형하여 기본 골격은 마샬 배합설계와 유사하나 다짐장치로 현장의 다짐을 잘 모사할 수 있는 Superpave gyratoiy compactor (SGC)를 사용하였다. 또한 배합설계 기준 항목으로서 Kim test의 灸와 간접 인장시험에서 얻어지는 FE를 적용하였다.
앞서 기술한 것처럼 현재 국내 배합설계방법은 마샬방법이며 최근 이를 약간 수정한 방법이 있으며, 본 연구에서는 기존의 마샬 배합설계방법과 본 연구에서 제안한 배합설계방법과의 비교 . 분석을 수행하고자 한다.
공극률과 VFA, 그리고 마샬 안정도 시험을 통한 안정도와 흐름값의 기준을 만족하는 각 아스팔트 함량 공통 범위에서의 중간값을 최적아스팔트 함량으로 결정하였다. 그림 6은 기존 배합설계 결과의 한 예로 19mm 골재에 PG64-22# 사용한 것이며, 표 3은 본 연구에서 사용한 4가지 혼합물에 대한 배합설계 결과이다.
하고자 하는 것이다. 4가지 아스팔트 함량으로 10cm 직경 공시체를 선회다짐기로 각각 3개씩 제작하여 마샬 안정도 대신 Kim test의 값을 적용하여 배합설계를 수행하였다. 그림 7에서 보는 것처럼 아스팔트 함량의 변화에 따라 SD 변화곡선이 위로 볼록한 형태를 띠고 있다.
변형강도(S0)를 도입하는 배합설계와 마찬가지로 역학적 개념을 도입하는 방안으로 피로균열을 모사하는 파괴 에너지 (FE)를 사용하였다. 앞에서와 같이 4가지 아스팔트 함량으로 10cm 직경 공시체를 3개 씩 제작하여 마샬 안정도 시험 대신 superpave IDT 시험을수행한 후, FE값을 계산하여 배합설계에 적용하였다.
에너지 (FE)를 사용하였다. 앞에서와 같이 4가지 아스팔트 함량으로 10cm 직경 공시체를 3개 씩 제작하여 마샬 안정도 시험 대신 superpave IDT 시험을수행한 후, FE값을 계산하여 배합설계에 적용하였다.
역학적-경험적 배합설계 개발을 위하여 경험적 특성으로는 아스팔트 혼합물의 체적 특성을 결정하는 요소인 공글률과 VMA를 사용하였다. 역학적 특성으로는 소성변형과 피로균열을 모사하는 命와 FE를 배합설계에 동시에 적용하였다.
공글률과 VMA를 사용하였다. 역학적 특성으로는 소성변형과 피로균열을 모사하는 命와 FE를 배합설계에 동시에 적용하였다. 앞에서 수행한 배합설계와 마찬가지로 마샬 안정도와 흐름값을 제외하고 Sd와 FE는 최고점을 기준으로 ±0.
대상 데이터
본 연구에서는 우리나라에서 널리 사용되고 있는 침입도 등급 60-80 아스팔트(세칭 AP-5로 PG 등급 64-22)와 개질 아스팔트 (PG 76-22)를 사용하였다 표 1).
본 연구에서 사용한 골재는 전국적으로 분포가 많고 성능이 좋은 화강암을 선정하였다. 이들을 각기 KS F 2503, KS F 2504, KS F 2508에 규정된 방법에 따라 품질 시험한 결과는 표 2와 같다.
이론/모형
이를 위해서 마샬방법을다소 변형하여 기본 골격은 마샬 배합설계와 유사하나 다짐장치로 현장의 다짐을 잘 모사할 수 있는 Superpave gyratoiy compactor (SGC)를 사용하였다. 또한 배합설계 기준 항목으로서 Kim test의 灸와 간접 인장시험에서 얻어지는 FE를 적용하였다.
"가열 아스팔트 배합설계 지침”에서 제시하는 방법을 사용하여 OAC를 결정하였다. 표 4는 공극률 4%를 기준으로 OAC를 결정한 결과이며 VFA(VFA) 및 안정도, 흐름값의 국내 기준치를 만족하였다.
성능/효과
그림에서 보는 바와 같이 국내에서 가장 널리 이용되는 일반아스팔트 혼합물(13mm, PG 64-22)의 경우 마샬 배합설계에 비해 본 연구에서 검토한 3가지 배합설계가 보다 낮은 OAC® 보인다. 이 결과는 비록 한가지 혼합물이지만 기존 마샬 방법의 배합설계보다 밀입도 아스팔트 혼합물의 OAC를 낮추는 결과를 보인 것이며 이는 과다한 아스팔트 함량이 소성변형의한 원인이 될 수 있다는 점에서 의미가 있다.
13mm 밀입도 골재에 점도가 높은 개질아스팔트 (PG 76-22) 를 혼합한 경우 洗와 FE를 이용한 배합설계가 마샬에 비해 0.1% 포인트 높은 OAC를 보였다. 이와 같이 0.
이 혼합물의 경우 소성변형 저항성은 굵은 골재 입도 (19mm)가 어느 정도 감당할 수 있으므로 아스팔트 함량을 줄여 소성변형 저항성을 키울 필요가 없다. 따라서 일반 아스팔트 혼합물(13mm, PG 64-22)의 경우는 마샬 배합설계에 비해 본 연구에서 제안하는 배합설계에서 낮은 OAC가얻어졌지만 19mm에서는 제안된 방법과 마샬 배합설계가 비슷한 OAC를 보였고 이와 같은 결과는 적절한 것으로 판단된다.
소성변형 저항성은 굵은골재 최대치수를 증가시켜 높일 수 있다고 알려져 있으며, 이와 같은 특성은 골재 크기별 변형강도의 변화에서 확인할 수 있다. 또한 같은 골재입도에서는 바인더 특성이 So에 영향을 주는 점을 통해 소성변형에 상당한 영향을 미치는 것을 확인할 수 있다.
있다. 본 실험 결과는 균열 저항성의 경우 같은 골재에서는 바인더 영향이 적어 오히려 골재 입도와 같은 혼합물의 구조적 특성에 더 큰 영향을 받는 것을 확인할 수 있다.
이상의 결과를 볼 때 Sp나 FE 어느 하나만을 사용하는 것 보다는 두 가지를 다 사용하는 것이 합리적인 것으로 보인다. 하지만 FE의 경우 그림 5와 같은 곡선 아래의 면적을 구하는 것이 쉽지 않으므로 당장 현장에의 적용은 어려워 보인다.
1. 현장공용성과 상관성이 높은 역학적 특성을 반영하기 위해 Kim test에 의한 변형강도(洗)와 간접인장시험에 의한 파괴에너지(FE)를 기존 마샬 배합설계법에서 사용하는 체적특성인 VMA와 공극률과 함께 기준값으로 적용하여 배합설계를 수행한 결과 그 활용 가능성이 있음을 확인하였다.
3. 소성변형을 반영하는 변형강도는 골재 입도와 아스팔트 바인더의 특성 두 가지 다에 영향을 받는 인자인 것으로 확인되었고, 균열 특성을 반영하는 파괴에너지는 아스팔트 바인더보다는 골재 입도에 더 많은 영향을 받음을 확인할 수 있었다.
후속연구
하지만 FE의 경우 그림 5와 같은 곡선 아래의 면적을 구하는 것이 쉽지 않으므로 당장 현장에의 적용은 어려워 보인다. 하지만 보다 정교한 장비의 개발과 소프트웨어의 개발을 통해 이를 실용화가 가능할 것으로 사료된다.
2. 기존 마샬 배합설계와 비교한 결과 변형강도나 파괴에너지 중 어느 하나만을 사용하는 것 보다는 두 가지를 다 사용하는 것이 보다 합리적 인 OAC 를 얻을 수 있음을 확인할 수 있어 이는 바로 적용이 가능하지만 파괴에너지를 손쉽게 계산하는 방안의 제시가 필요하다.
본 연구에서는 변형강도(岛)와 파괴에너지 (FE) 를 배합설계에 이용하기 위한 기초적인 실험을 하였다. 앞으로 교통량별 선회다짐회수 결정, 보다 다양한 혼합물에 대한 배합설겨L 두 특성의 적용 범위에 대한 연구 등을 통해서 역학적 특성이 고려된 아스팔트 혼합물의 배합설계 방법으로의 개선이 필요할 것으로 판단된다.
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