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문제 정의
- 따라서 본 연구의 목적은 현장에서 높은 소성변형 저항성을 보이는 SMA 혼합물에 대한 변형강도와 반복주행시험과의 상관성 분석을 통하여 SMA 혼합물에 대한 변형강도의 적용성을 고찰하는 것이다.
- 본 연구에서는 최적아스팔트 함량으로 2종류의 공시체를 제작하여 변형강도를 측정하였다. 첫째로 30.
- 본 연구는 SMA 혼합물의 소성변형 저항성 평가를 위해 변형강도 시험의 적용성을 고찰하는 것이다. 변형강도와의 상관성을 분석하기 위하여 SMA 혼합물의 소성변형 특성시험으로 배합설계 기준으로 명시된 반복주행시험을 수행하였다.
- 본 연구는 SMA 혼합물의 소성변형 저항성의 측정 시험법으로 변형강도의 적용 가능성을 반복주행시험과의 상관성 분석을 통하여 고찰하고 더불어 개질재 첨가에 따른 SMA 혼합물의 특성을 분석하기 위하여 수행하였다. 본 연구를 통하여 얻은 결론은 다음과 같다.
제안 방법
- SMA 혼합물의 배합설계를 위한 공시체는 175℃ 온도에서 5.5%~7.5%의 5가지 아스팔트 함량별로 양면 75회의 마샬 다짐을 가하여 제조하였다. 양생된 공시체는 물성을 측정하고 아스팔트 함량의 증가에 따라 표 3의 기준들이 변화하는 것을 고려하여 최적아스팔트 함량(Optimum asphalt content: OAC)을 결정하였다.
- 5%의 5가지 아스팔트 함량별로 양면 75회의 마샬 다짐을 가하여 제조하였다. 양생된 공시체는 물성을 측정하고 아스팔트 함량의 증가에 따라 표 3의 기준들이 변화하는 것을 고려하여 최적아스팔트 함량(Optimum asphalt content: OAC)을 결정하였다. 표 3에서 VMA의 경우 목표 공극률에 따라 최소 VMA가 다르게 나와 있다.
- 표 3에서 VMA의 경우 목표 공극률에 따라 최소 VMA가 다르게 나와 있다. 본 연구에서는 공극률을 2~3%를 목표로 하여 13mm와 10mm의 VMA 를 각 17과 18 이상으로 정하고 배합설계를 수행하였다. 그리고 드레인 다운 시험은 1kg의 혼합물을 종이가 깔려 있는 팬에 고르게 펴 170±2℃ 오븐에서 1시간 보관한다.
- 두 번째로 SMA 혼합물의 특성상 직경이 작은 공시체의 경우 측면 구속력이 부족하다는 판단 하에 15cm 선회다짐 공시체를 제작하여 변형강도를 측정하여 비교·분석하였다.
- 본 연구는 SMA 혼합물의 소성변형 저항성 평가를 위해 변형강도 시험의 적용성을 고찰하는 것이다. 변형강도와의 상관성을 분석하기 위하여 SMA 혼합물의 소성변형 특성시험으로 배합설계 기준으로 명시된 반복주행시험을 수행하였다.
- 반복주행시험은 직경 200mm, 폭 50mm의 강재바퀴를 시험온도 60℃에서 6시간 이상 안정화된 공시체 위에 접지압 100psi(700kPa)를 야기하는 윤하중을 가하며 한국형포장 설계법연구(2005)에서 개발된 왕복 40cycle/min의 속도로 90분간(5,400sec) 총 3,600cycle을 주행하였다. 반복주행중 침하량 측정은 LVDT (Linear variable differential transformer)를 이용하여 수집빈도 3Hz으로 하여 컴퓨터에 기록하여 분석하였다.
- 반복주행중 침하량 측정은 LVDT (Linear variable differential transformer)를 이용하여 수집빈도 3Hz으로 하여 컴퓨터에 기록하여 분석하였다. 반복주행시험의 결과인 동적안정도는 실시간 변위를 토대로 계산식을 사용하여 구하였다. 식 (3) 은 KS의 계산식으로 분당 21cycle(42pass)의 속도로 60분간 수행하는 시험에서의 결과를 대입하여 구하는 식이다.
- 배합설계는 한 가지 골재(화강암)와 2종의 굵은골재 최대 치수(13mm, 10mm) 그리고 4가지 바인더(Control, R10, RL5, L4E10)로 총 8가지 혼합물에 대하여 수행하였다. 표 4에서 알 수 있듯이 SMA 혼합물의 배합설계 기준을 만족하는 구간에서 최적아스팔트 함량을 결정하였다.
- 변형강도 시험을 위해 17cm로 커팅 한 슬래브 공시체에서 지름이 10cm인 3개의 코어를 채취하여 변형강도 시험을 수행하였다. 표 6은 시험에서 측정된 최대하중과 변형 및 변형 강도를 나타낸 것이며 그림 6은 혼합물 별로 변형강도의 결과를 비교한 그래프이다.
- 표 6과 그림 6에서 알 수 있듯이 결과는 전체적으로 낮은 변형강도를 보이는 것으로 나타났다. 이 결과의 원인을 코어 채취 과정에서의 공시체 손상과 현장과 달리 하중봉의 규격에 비하여 공시체의 크기가 작아 측면 구속력이 상대적으로 적다고 판단하여, 지름이 15cm인 선회다짐 공시체를 제작하여 변형강도시험을 수행하였다. 표 7과 그림 7은 각각 15cm 선회다짐 공시체의 변형강도와 이를 혼합물 별로 비교한 것이다.
- 본 연구에서는 최적아스팔트 함량으로 2종류의 공시체를 제작하여 변형강도를 측정하였다. 첫째로 30.5cm의 정사각형 슬래브를 제작하여 17cm와 13cm로 잘라 17cm 슬래브에서 직경이 10cm인 3개의 코어 공시체를 채취하여 변형강도를 측정하고 13cm 슬래브는 반복주행 시험을 수행하였다(그림 3). 두 번째로 SMA 혼합물의 특성상 직경이 작은 공시체의 경우 측면 구속력이 부족하다는 판단 하에 15cm 선회다짐 공시체를 제작하여 변형강도를 측정하여 비교·분석하였다.
- 2cm의 슬래브 공시체를 제작하였다. 제작된 공시체는 12시간 이상 상온에서 식히고 물성을 측정한 후 목표 공극을 가지는 슬래브는 24시간 양생을 거쳐 실험방법에서 언급한 바와 같이 13cm와 17cm로 커팅 후 13cm 공시체로 반복주행시험을 수행하였다. 표 5는 반복주행시험의 결과로 SMA 혼합물의 동적안정도와 최종침하깊이를 보여주며 그림 5는 혼합물 별 동적안정도의 비교를 나타내었다.
대상 데이터
- 60∼80(AP-5)을 사용하였다. 개질아스팔트 바인더를 위하여 개질제로는 #30 체를 통과한 폐타이어 분말(Crumb rubber modified: CRM)과 재생 저밀도 폴리에틸렌(Recycled lowdensity polyethylene: RLDPE), 저밀도 폴리에틸렌(Lowdensity polyethylene: LDPE)과 에틸렌 프로필렌 다인 모노머 러버(Ethylene propylene diene monomer rubber: EPDM)를 조합하여 사용하였다. 표 1은 본 연구에 사용된 아스팔트 바인더의 명칭과 첨가 방법을 나타낸다.
- 특히 SMA 혼합물에 사용되는 골재는 맞물림 특성을 최대로 발휘하게 하기 위하여 골재의 파쇄면이 많고 양호한 입형의 골재를 사용해야 하므로 골재의 편·장석율을 20% 이하로 적용하고 있다. 본 연구에 사용된 굵은 골재와 잔골재는 화강암으로 굵은 골재의 최대치수는 13mm와 10mm를 사용하였다. 잔골재는 굵은골재 파쇄 때에 발생한 Screenings를 사용하였으며, 채움재로는 석회석분을 사용하였다.
- 본 연구에 사용된 굵은 골재와 잔골재는 화강암으로 굵은 골재의 최대치수는 13mm와 10mm를 사용하였다. 잔골재는 굵은골재 파쇄 때에 발생한 Screenings를 사용하였으며, 채움재로는 석회석분을 사용하였다. 표 2와 그림 1은 각 각 본 연구에 사용된 골재의 특성과 입도를 나타낸다.
- 배합설계를 통해 얻은 최적아스팔트 함량으로 30.5cm×30.5cm×6.2cm의 슬래브 공시체를 제작하였다.
데이터처리
- SMA 혼합물에 대한 변형강도의 적용을 고찰하기 위하여 변형강도의 결과를 소성변형과의 상관성이 높은 반복주행시험 결과와 회귀분석을 통해 상관관계를 분석하였다. 그림 8의 (a)는 10cm 코어 공시체와 최종 침하깊이와의 상관성을 나타낸 것이며, (b)는 15cm 선회다짐 공시체와 최종 침하깊이와의 상관성을 나타낸 것이다.
이론/모형
- 반복주행시험은 직경 200mm, 폭 50mm의 강재바퀴를 시험온도 60℃에서 6시간 이상 안정화된 공시체 위에 접지압 100psi(700kPa)를 야기하는 윤하중을 가하며 한국형포장 설계법연구(2005)에서 개발된 왕복 40cycle/min의 속도로 90분간(5,400sec) 총 3,600cycle을 주행하였다. 반복주행중 침하량 측정은 LVDT (Linear variable differential transformer)를 이용하여 수집빈도 3Hz으로 하여 컴퓨터에 기록하여 분석하였다. 반복주행시험의 결과인 동적안정도는 실시간 변위를 토대로 계산식을 사용하여 구하였다.
- KS의 동적안정도 산정식은 아스팔트 혼합물의 침하가 많이 발생하는 초기부분의 변위를 배제하여 현장과 상관성이 떨어진다는 지적이 있다. 이에 본 연구에서는 식 (4)와 같이 초기, 중기, 말기의 침하 그래프의 기울기의 역수를 누적하여 사용하는 최근에 개발된 방법(김광우 등, 2006)을 병행하여 연구를 수행하였다.
성능/효과
- 표 5에 나타난 동적안정도 결과는 모든 혼합물이 2000pass/mm 이상을 만족하였다. 바인더 별 동적 안정도는 확연한 차이를 보이며 SMA 혼합물에서도 바인더의 영향으로 소성변형 저항성이 좌우된다는 것을 알 수 있다. 하지만 현장에서 SMA 혼합물이 매우 우수한 소성변형 저항성을 나타내는 것과 달리 그다지 높은 동적안정도를 나타내지 않았으며 침하깊이도 또한 소성변형에 매우 강하다고 할 수 없는 것으로 판단된다.
- 선회다짐기로 다짐된 15cm 공시체의 변형강도가 10cm 코어 공시체의 변형강도 결과보다는 약간 높은 변형강도 결과가 나타났으나 여전히 전체적으로 낮은 변형강도 결과가 나타났다. 일반도로 밀입도 혼합물의 변형강도 기준인 3.
- 상관성 분석은 코어 공시체 및 선회다짐 공시체의 변형강도와 최종 침하깊이가 낮은 결정계수(R2)를 보여 상관성이 낮은 것으로 나타났다.
- 그림 10의 (a)와 (b)는 10cm 코어 공시체와 15cm 선회다짐 공시체의 변형강도와 두 가지 동적안정도 산정 방법에 대한 상관관계를 나타낸 것이다. 10cm 코어공시체와 15cm 선회다짐 공시체 모두 R2 값이 전체적으로 낮게 나타났으나 두 가지 동적안정도 산정 방법 중 KS에 의한 동적안정도보다는 본 연구에서 제시하는 새로운 동적안정도와 다소 높은 R2 값을 보이는 것으로 나타났다.
- 1. SMA 혼합물의 변형강도의 측정 결과 매우 낮은 값이 나타냈으며 밀입도 혼합물 10cm 공시체의 간선도로 기준인 4.25MPa은 물론 일반도로 기준인 3.2MPa에도 훨씬 못 미쳤다. 이는 밀입도 혼합물과 SMA 혼합물의 강도 발현 메커니즘이 다르기 때문이라 판단되며 이의 규명을 위해서는 지속적인 연구가 필요할 것으로 판단된다.
- 2. 일반 AP-5의 SMA 혼합물보다는 개질재를 첨가한 SMA 혼합물의 동적안정도와 변형강도가 높게 나왔다. 이는 개질재의 첨가에 따른 소성변형 저항성의 향상이 밀입도 혼합물과 마찬가지로 SMA 혼합물에서도 나타난다는 것을 알 수 있다.
- 3. SMA 혼합물의 배합설계 기준으로 명시되어 있는 반복 주행시험의 동적안정도의 경우 기준인 2000pass/mm를 모두 만족하였으나 실제 현장에서 SMA 혼합물이 소성변형 저항성에 매우 강한 것과 같은 높은 수준의 결과를 보이지 않았다. 이것은 반복주행시험으로 SMA 혼합물의 소성변형 저항성을 예측한다고 할 수 없으며, SMA 혼합물의 소성변형 저항성 측정을 위한 시험법에 대한 연구가 필요할 것으로 사료된다.
- 4. SMA 혼합물은 실제 도로에서 소성변형 저항성이 매우 우수한 점과 비교하여 반복주행 시험의 결과인 동적안 정도와 최종 침하깊이, 그리고 변형강도가 매우 미흡하게 나타났다. 이는 간접인장강도나 마샬 안정도에서도 그렇듯이 변형에 관련한 시험에는 SMA 혼합물의 우수성이 제대로 반영되지 못하는 특징이 있음을 재확인한 것이라고 할 수 있다.
- 그림 9는 두 가지 공시체의 변형강도를 상관성 분석한 것이다. 반복주행시험의 결과에서는 최종 침하깊이와 동적안정도가 바인더 별로 확연한 차이를 보였으나 변형강도의 경우에는 전체적으로 강도가 낮고 구분도 힘든 것으로 나타났다. 변형강도의 상관성이 너무 낮아 밀입도 혼합물의 변형강도 측정방법으로 SMA 혼합물의 변형강도를 측정한 변형강도만으로 소성변형 저항성을 예측하는데는 한계가 있는 것이라 할 수 있겠다.
후속연구
- 2MPa에도 훨씬 못 미쳤다. 이는 밀입도 혼합물과 SMA 혼합물의 강도 발현 메커니즘이 다르기 때문이라 판단되며 이의 규명을 위해서는 지속적인 연구가 필요할 것으로 판단된다.
- SMA 혼합물의 배합설계 기준으로 명시되어 있는 반복 주행시험의 동적안정도의 경우 기준인 2000pass/mm를 모두 만족하였으나 실제 현장에서 SMA 혼합물이 소성변형 저항성에 매우 강한 것과 같은 높은 수준의 결과를 보이지 않았다. 이것은 반복주행시험으로 SMA 혼합물의 소성변형 저항성을 예측한다고 할 수 없으며, SMA 혼합물의 소성변형 저항성 측정을 위한 시험법에 대한 연구가 필요할 것으로 사료된다.
- 5. 또한 두 가지 변형강도 결과의 상관성 역시 매우 낮게 나타남으로써 본 연구에서 SMA 혼합물의 소성변형 특성을 일반 밀입도의 소성변형과 아주 높은 상관성을 보이는 변형강도 시험방법으로 측정한 변형강도로 평가하는 것은 적용이 어려울 것으로 판단된다.
- 6. 마지막으로 위의 결론에서 지적한 바와 같이 SMA 혼합물의 소성변형 저항성을 예측할 수 있는 시험법의 개발이 필요한 것으로 판단된다.
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