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문제 정의
- 본 연구에서는 고분자를 이용하여 아스팔트 혼합물(asphalt concrete)의 바인더 역할을 하는 물질인 스트레이트 아스팔트를 개질하고, 그에 따른 혼합물의 소성변형 내구성 및 강도의 향상에 대하여 알아보았다. 특히 저장탱크에서 아스팔트와 개질제간의 비중차와 비상용성 때문에 발생하는 상분리로 인한 저장안정성의 문제점을 파악하고자 현미경을 통한 형태학적인 관찰과 레오메터를 통한 점탄성적인 거동을 분석하였다.
- 고분자 물질로는 폐비닐을 이용하였으며 개질보조제로서 과산화물을 사용하였다. 물성 비교를 위하여, 개질아스팔트로서 가장 널리 쓰이고 있는 Superhphalt도 제조하여 본 연구에서 얻고자 하는 개질아스팔트와의 성능을 함께 조사하였다.
제안 방법
- 본 연구에서는 고분자를 이용하여 아스팔트 혼합물(asphalt concrete)의 바인더 역할을 하는 물질인 스트레이트 아스팔트를 개질하고, 그에 따른 혼합물의 소성변형 내구성 및 강도의 향상에 대하여 알아보았다. 특히 저장탱크에서 아스팔트와 개질제간의 비중차와 비상용성 때문에 발생하는 상분리로 인한 저장안정성의 문제점을 파악하고자 현미경을 통한 형태학적인 관찰과 레오메터를 통한 점탄성적인 거동을 분석하였다. 고분자 물질로는 폐비닐을 이용하였으며 개질보조제로서 과산화물을 사용하였다.
- 동적전단유변측정기 (Physica, MCR300)를 이용하여 점탄성 성질을 갖는 시료의 온도 변화에 따른 저장탄성률 (G'), 복소전단탄성률 (complex shear modulus) (G*), 그리고 G*/sinδ를 측정하여 시료의 탄성적인 성질과 저장안정성 및 공용성을 조사하였다.
- 200 ℃로 유지되는 배합기에 아스팔트 100 g, 골재 (길이 2.5∼5.5 mm) 2 kg, 개질제 (WV) 5 g, 개질보조제 (DPO 또는 LPO)를 0.5 g 넣고 2시간동안 교반하여 개질아스팔트 혼합물을 얻고, 이에서 시험시료를 구하였다.
- 140 ℃의 오븐에서 용융시킨 아스팔트를 케틀 (160℃)에 넣고 여기에 준비된 폐비닐가루와 과산화물을 첨가하고 고전단믹서인 J-UV (JISICO)를 사용하여 4200 rpm의 속도로 1시간 동안 교반하였다. 개질에 사용된 물질은 아스팔트를 무게 100으로 하고 무게비율 (wt%)로 첨가하였다.
- 아스팔트 바인더만의 필름상 인장시험으로 만능재료시험기 (UTM, 대경사)를 사용하여 인장속도를 10 mm/min 으로 시험하였다. 시료는 -5℃에서 냉동보관 뒤 다시 -10℃에서 30분간 유지한 후 챔버 안에서 신속히 꺼내어 시험을 수행하였다.
- 개질 아스팔트의 장기 저장안정성 품질 규격은 American Association of State Highway and Transportation Officials (AASHTO) PP5 평가방법을 참고하였다. 개질보조제 DPO 또는 LPO가 첨가된 개질 아스팔트를 교반 직후에 메스실린더에 부어 넣고 160 ℃가 유지되어진 오븐에서 7일간 보관하였다가 꺼내어 상부와 하부로 나누어 비이커에 따라낸 후 현미경 분석으로 실린더 상부에서의 입자 분산을 교반 직후의 분산과 비교하여 저장안정성을 분석하였다.
- 공시체는 KS F 2337과 ASTM D 1559의 마샬식 아스팔트 혼합물 제조 방법에 따라 제조하였다. 공시체의 높이는 약 64 mm, 직경은 101.6 mm로서 중량 4.5 kg의 마샬햄머를 45.7 cm의 높이에서 낙하시키는 마샬 자동 다짐기를 이용하여 공시체의 상하양면을 각각 50회씩 다짐하였다. 다짐 몰드 안의 공시체는 상온에서 24시간 보관 후 탈형하였다.
- 다짐 몰드 안의 공시체는 상온에서 24시간 보관 후 탈형하였다. 각각의 공시체는 5개씩 제조하여 마샬안정도 시험기를 이용하여 마샬안정도 값을 측정하였다.
- 일반적으로 플라스틱 계열의 아스팔트 개질제를 사용하면 아스팔트 혼합물의 강성도가 증대되어 소성변형 저항성이 증대되며, 아스팔트의 온도 감온성을 저하시켜 온도 균열에 대한 저항성이 증대되는 것으로 알려져 있다.7 이에 따라 폐비닐 (WV) 함량을 아스팔트 (AP)에 대해 1, 2, 3, 5, 7 wt%의 비율로 첨가하여 개질 아스팔트를 제조한 후 개질제와 개질보조제의 함량에 따른 아스팔트 바인더만의 -10 ℃에서의 인장시험 결과를 아래 Table 1에 나타내었다.
- 개질된 아스팔트의 저장안정성은 교반직후의 아스팔트와 160℃의 온도에서 실린더에 7일간 보관된 아스팔트의 상층부를 전자현미경을 통하여 비교 관찰하였으며 각각의 분산 상태는 Figure 1에 나타나있다. 아스팔트와 WV는 비중차 (아스팔트 1.
- 다시, 개질보조제 DPO와 LPO를 사용하여 WV입자 분산에 대한 저장안정성을 알아보았다.
- 폴리에틸렌이 과산화물에 의해 아스팔트 내에 상하부 골고루 퍼져 있다면 동탄성 면에서도 같은 크기를 나타낼 것이다. 이에 동적전단유변측정기를 사용하여 고온에서 7일간 보관되었던 시료의 메스 실린더 상․하부의 점탄성적인 물성을 측정하였다. Figure 3과 4는 온도변화에 따른 아스팔트용액의 상부와 하부 시편에 대한 복소전단탄성률 (G*)과 저장탄성률 (G')을 나타낸 것이다.
대상 데이터
- 특히 저장탱크에서 아스팔트와 개질제간의 비중차와 비상용성 때문에 발생하는 상분리로 인한 저장안정성의 문제점을 파악하고자 현미경을 통한 형태학적인 관찰과 레오메터를 통한 점탄성적인 거동을 분석하였다. 고분자 물질로는 폐비닐을 이용하였으며 개질보조제로서 과산화물을 사용하였다. 물성 비교를 위하여, 개질아스팔트로서 가장 널리 쓰이고 있는 Superhphalt도 제조하여 본 연구에서 얻고자 하는 개질아스팔트와의 성능을 함께 조사하였다.
- 특히 저장탱크에서 아스팔트와 개질제간의 비중차와 비상용성 때문에 발생하는 상분리로 인한 저장안정성의 문제점을 파악하고자 현미경을 통한 형태학적인 관찰과 레오메터를 통한 점탄성적인 거동을 분석하였다. 고분자 물질로는 폐비닐을 이용하였으며 개질보조제로서 과산화물을 사용하였다. 물성 비교를 위하여, 개질아스팔트로서 가장 널리 쓰이고 있는 Superhphalt도 제조하여 본 연구에서 얻고자 하는 개질아스팔트와의 성능을 함께 조사하였다.
- 연구에서 사용된 순수 아스팔트는 국내 S사의 제품 (AP-5, 침입도 60～70)이다. 본 실험의 개질제로서, 한국환경자원공사에서 제공한 폐비닐 필름을 매우 잘게 분쇄하여 (폭 2 mm이하) 사용하였다.
- 연구에서 사용된 순수 아스팔트는 국내 S사의 제품 (AP-5, 침입도 60～70)이다. 본 실험의 개질제로서, 한국환경자원공사에서 제공한 폐비닐 필름을 매우 잘게 분쇄하여 (폭 2 mm이하) 사용하였다. 개질보조제로서 과산화물을 사용하였다.
- KS 규정에서는 마샬안정도의 품질기준값을 안층은 750 kgf 이상, 표층은 400 kgf 이상을 요구하고 있다. 기존의 개질아스팔트와 비교차원에서 Superphalt (SBS 5% 함유)를 제조하여 비교 대상에 넣었다. Table 2를 보면 공시체에 대한 마샬안정도 값은 그 기준이상을 훨씬 넘어서고 있어 소성변형에 대한 큰 저항성을 나타내고 있다.
데이터처리
- 시료는 -5℃에서 냉동보관 뒤 다시 -10℃에서 30분간 유지한 후 챔버 안에서 신속히 꺼내어 시험을 수행하였다. 결과값은 각 시료를 5개로 하여 그 평균값을 취하였다.
이론/모형
- 개질 아스팔트의 장기 저장안정성 품질 규격은 American Association of State Highway and Transportation Officials (AASHTO) PP5 평가방법을 참고하였다. 개질보조제 DPO 또는 LPO가 첨가된 개질 아스팔트를 교반 직후에 메스실린더에 부어 넣고 160 ℃가 유지되어진 오븐에서 7일간 보관하였다가 꺼내어 상부와 하부로 나누어 비이커에 따라낸 후 현미경 분석으로 실린더 상부에서의 입자 분산을 교반 직후의 분산과 비교하여 저장안정성을 분석하였다.
- 공시체는 KS F 2337과 ASTM D 1559의 마샬식 아스팔트 혼합물 제조 방법에 따라 제조하였다. 공시체의 높이는 약 64 mm, 직경은 101.
성능/효과
- 일의 양 (work-done) 또한 내구성 (toughness)을 나타낸다. 1차개질에서의 WV의 첨가량의 증가에 따라 인장강도와 일의 양이 증가하는 것을 볼 수 있으며, 5 wt%에서의 그 값이 가장 높게 나타났다. WV이 7 wt%를 넘으면 계면에서 파괴가 일어나 그 값이 낮게 나오는 것으로 보인다.
- 5, Superphalt)의 휠 트래킹 시험 후 결과를 비교한 사진이다. 이 시험은 소성변형을 실내에서 재현하여 평가하는 속성시험으로, 동적안정도가 일반아스콘에서는 약 600회, AP+WP5 및 AP+ WP5+D0.5에서는 6000회 및 7000회, 그리고 Superphalt에서는 2000회로 나타났다. 동적안정도 면에서도 폐비닐로 개질된 아스팔트가 SBS로 개질된 아스팔트보다 우수하다는 것을 보여 주었다.
- 5에서는 6000회 및 7000회, 그리고 Superphalt에서는 2000회로 나타났다. 동적안정도 면에서도 폐비닐로 개질된 아스팔트가 SBS로 개질된 아스팔트보다 우수하다는 것을 보여 주었다. 이는 또한 소성변형에 그만큼 더 견딜 수 있음을 말해 준다.
- 본 실험의 분석 결과에 따라 다음과 같은 결론을 도출하였다. 폐비닐의 함량을 5 wt%로 개질하여 제조된 아스팔트는 강성도가 증대되어 인장강도와 마샬안정도, 동적안정도 등의 기계적 물성의 향상을 가져와 소성변형에 대한 저항성이 크게 증가한 것으로 나타났다. 저장안정성 도모를 위하여 첨가된 DPO와 LPO는 외관적으로는 아스팔트와 균일상을 나타내었으나 분자단위에서는 상분리를 나타내었다.
후속연구
- 그러나 아직까지는 그 실효성이 확연히 입증되지는 않고 있다. 하지만 갈수록 줄어드는 아스팔트의 수명과 막대한 유지보수비용의 절감을 위하여 폐자재를 이용한 새로운 아스팔트 개질 기술의 개발 및 연구는 지속적으로 필요하다.5
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