[논문]유전율 측정을 통한 아스팔트 콘크리트의 공극률 추정 연구

김부일; 김영민; 조인선

유전율 측정을 통한 아스팔트 콘크리트의 공극률 추정 연구
Evaluation and Determination of Air Void for Asphalt Concrete using a dielectric constant measurement 원문보기

한국도로학회논문집 = International journal of highway engineering, v.11 no.1 = no.39, 2009년, pp.95 - 104

김부일 (한국건설기술연구원) , 김영민 (한국건설기술연구원) , 조인선 (서울대학교 신소재공동연구소)

초록
AI-Helper

본 연구는 아스팔트 콘크리트의 유전율과 공극률의 상관성을 평가하기 위해 수행되었다. 이를 위해 다양한 범위 $(0%{\sim}20%)$의 공극률을 갖는 아스팔트 콘크리트 시편을 제작하였고, 저주파 유전율 측정법인 parallel plate법을 사용하여 아스팔트 콘크리트 시편의 유전율을 측정하였다. 아스팔트 콘크리트 시편의 경우 주파수가 증가함에 따라 유전율은 감소하는 경향을 나타내었고, 사용한 아스팔트 바인더의 종류에 따라 그 감소폭이 다르게 나타났다. 또한 공극률 $0%{\sim}20%$ 사이에서 공극률이 증가함에 따라 유전율 값은 선형적으로 감소하는 경향을 보였다. 더불어 아스팔트 콘크리트 시편의 유전율에 대한 온도 및 함수량 영향을 보정하여 유전율에 따른 공극률의 상관식을 제시하였다. 본 연구를 통해 제시된 아스팔트 콘크리트의 유전율과 공극률의 상관식은 현재 국내외에서 사용하고 있는 유전율을 활용한 비파괴 밀도 측정장비의 보정모델로 활용 가능하며, 향후 국내에서 개발하고자 하는 아스팔트 포장 비파괴 밀도 측정장비의 기본적인 알고리즘으로 활용이 가능할 것이다.

Abstract ▼ AI-Helper

This study was conducted to evaluate the relationship between the dielectric constant and air void of asphalt concrete. Standard specimens that have air voids of various range $(0%{\sim}20%)$ were used to measure the dielectric constant using parallel plate method that measures low frequency dielectric constant. From the tests, dielectric constant of asphalt concrete was tend to decrease as the frequency was increased, and the decrement slope was varied with the types of asphalt binders. Dielectric constant was decreased linearly as air void was increased from zero to twenty percent. Consequently, the effect of temperature and moisture content on dielectric constants of asphalt concrete was evaluated to develop the standard curve between dielectric constant and air void of asphalt concrete. The standard curve developed in this study can be used to calibrate or develop the algorithm of non-destructive density gauge.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

본 연구에서는 다양한 유전율 측정 법 중 가장 일반적인 평행도체판법 (parallel plate method) 을 이용하여 아스팔트 콘크리트 시편의 유전율을 측정하고 이들 값과 공극률과의 상관관계를 분석하고, 유전율의 온도 및 함수량 의존성을 확인한 후 최종적으로 아스팔트 콘크리트 시편의 공극률을 추정 할 수 있는 상관관계식을 제안하고자 하였다. 이를 통해 아스팔트 콘크리트의 일반적인 유전율 특성을 평가하고자 한다.
본 연구에서는 아스팔트 콘크리트의 일반적인 유전율 특성을 파악하고 궁극적으로 공극률과 유전율의 상관성을 도출하고자 하였다. 이를 통해 현재 국내외에서 사용하고 있는 유전율을 활용한 비파괴 밀도 측정장비의 보정모델로 활용이 가능할 것으로 판단되며, 향후 본 측정장비 개발의 기본적인 알고리즘으로 활용하고자 한다.
제안하고자 하였다. 이를 통해 아스팔트 콘크리트의 일반적인 유전율 특성을 평가하고자 한다. 또한 현재 국내외에서 사용하고 있는 유전율을 활용한 비파괴 밀도 측정장비의 보정모델로 활용할 수 있으며, 향후 국내에서 개발하고자 하는 아스팔트포장 비파괴 밀도 측정장비의 기본적인 알고리즘으로 활용이 가능할 것이다.

제안 방법

. 평행도체판법을 이용하여 다양한 공극률, 온도 및 함수량 조건에서 아스팔트 콘크리트 시편의 유전율을 측정하였다.
또한 실제 아스팔트 콘크리트 포장 시에 공극률변화폭의 경우 20% 미만인 상태이기 때문에 측정된 유전율 값의 경우 Linear fitting을 통해 표준 곡선을 얻는 것이 타당할 수 있다. 따라서 측정된 아스팔트콘크리트 표준시편의 유전율을 공극률의 함수로 나타내고 Linear fitting을 한 다음 1차 함수 관계식을 도출하였다. 그 결과 다음과 같은 유전율과 공극률 상관 식을 도출하였다.
실험실에서 밀도측정을 수행하여 표 3과 같이 시편의 공극률을 얻었다. 또한 시편 표면은 구리전극과 시편의 밀착성 향상을 위해 표면연마처리를 하였다.
아스팔트 콘크리트 시편의 유전율에 대한 함수량 변화를 평가하기 위해 항온항습기를 이용하여 함수량을 0%, 50%, 100%로 바꿔 가며 유전율을 평가하였다. 그림 9는 유전율의 함수량 의존성을 보여준다.
아스팔트 함량은 PG 64-16 바인더를 사용한 아스팔트 혼합물은 5.1%, PG 82-22 바인더를 사용한 아스팔트혼합물은 4.9%를 각각 적용하였다. 시편제작에 사용된 다짐 장비는 IPC사의 Servopac 선회 다짐기를 사용하였으며 , 지름 150mm, 높이 170mm로 제작하였다.
온도(25℃, 40℃, 60℃)에 따른 유전율 변화를 측정하기 위해 온도조절기(hot plate)위에 아스팔트콘크리트 시편과 측정치구를 올려놓고 일정 온도가 될 때까지 10분정도 유지시킨 후 동일한 방법으로 유전율을 측정하였다. 이때 온도 오차범위는 ±50 를 유지하였다.
온도에 따른 아스팔트 콘크리트 시편의 유전율 변화를 평가하기 위해 온도를 25℃, 40℃, 60℃로 변화시키며 유전율을 측정하였다. 그림 8은 온도변화에 따른 유전율 변화를 보여준다.
그러나 아스팔트콘크리트의 경우 골재의 최대크기가 10mm를 넘고 시편을 절단하는 커터 날이 두껍기 때문에 시편을 잘라 얇게 만드는데 한계가 있어 시편의 크기가 제한적일 수밖에 없다. 이러한 이유 때문에 비교적 시편의 크기에 영향을 덜 받는 평행도체판법을 이용하여 lOOKHz-50MHz 주파수 범위에서 유전율을 측정하였다. 또한 임피던스분석기를 이용한 유전율 측정은 아래 식들을 이용하여 계산하였다.
이상의 공극률, 온도, 함수량 의존성 결과를 바탕으로 아스팔트 콘크리트 시편의 온도와 함수량을 보정한 최종 유전율과 공극률의 상관관계식을 아래와 같이 도출하였다.
함수량의 영향을 확인하기 위해 아스팔트 콘크리트 시편을 항온항습기를 이용하여 0%, 50%, 100%로 포화시킨 후 동일한 방법으로 유전율을 측정하였다.
시편제작에 사용된 다짐 장비는 IPC사의 Servopac 선회 다짐기를 사용하였으며 , 지름 150mm, 높이 170mm로 제작하였다. 혼합물 양을 조절하여 시편의 공극률을 0%~20%로 제작하였다. 제작된 시편은 두께 25mm로 자른 후, 약 7일 동안 열풍건조기에서 완전건조상태로 건조시켰다.

대상 데이터

9%를 각각 적용하였다. 시편제작에 사용된 다짐 장비는 IPC사의 Servopac 선회 다짐기를 사용하였으며 , 지름 150mm, 높이 170mm로 제작하였다. 혼합물 양을 조절하여 시편의 공극률을 0%~20%로 제작하였다.
아스팔트 콘크리트 시편제작을 위해 아스팔트 바인더는 PG 64-16과 PG 82-22를 사용하였고 동일한 골재종류 및 입도를 사용하여 제작하였다. 아스팔트 함량은 PG 64-16 바인더를 사용한 아스팔트 혼합물은 5.

데이터처리

이용하였다. 온도 및 함수량의 영향을 확인하기 위한 실험 시에도 동일한 방법으로 3회 반복측정 후 평균값을 이용하였다.
통계처리를 용이하게 하기 위해 동일한 공극률을 가진 아스팔트 콘크리트 시편을 3개 제작하여 평균값을 이용하였다. 온도 및 함수량의 영향을 확인하기 위한 실험 시에도 동일한 방법으로 3회 반복측정 후 평균값을 이용하였다.

성능/효과

. 공극률 0~20% 구간에서 공극률이 증가함에 따라 유전율 값은 선형적으로 감소하는 경향을 보였으며, linear fitting을 통해 상관관계식을 도출하였다.
. 아스팔트 콘크리트 시편의 경우 주파수가 증가함에 따라 유전율은 감소하는 경향을 나타내었으며, 아스팔트 바인더의 종류에 따라 그 감소 폭이 다르게 나타났다.
. 아스팔트 콘크리트 시편의 유전율에 대한 온도 및 함수량 영향을 평가한 결과, 온도 및 함수량이 증가함에 따라 유전율은 선형적으로 증가함을 알 수 있었다.
결론적으로, 함수량에 따른 유전율의 변화폭은 아스팔트 바인더 PG 82-22의 경우 훨씬 크게 나타났다. 아스팔트 바인더 PG 64-16의 경우 온도에 따른 유전율 감소율은 10MHz에서 0.
마찬가지로 아스팔트 콘크리트 시편의 측정결과도 주파수가 높아짐에 따라 유전율은 감소하는 경향을 보였다. 두 종류의 아스팔트 바인더를 사용한 경우 모두 주파수가 증가함에 따라 유전율이 선형적으로 감소하였고, 감소정도는 아스팔트 바인더 PG 82-22를 사용한 시편의 경우가 유전율 감소폭이 더 크게 나타났다. 이는 아스팔트 바인더로 사용된 고분자물질에 의한 영향 때문인 것으로 판단된다.
상관관계를 나타내었다. 두 종류의 아스팔트바인더를 사용한 시편 모두 공극률이 증가함에 따라선 형적으로 유전율이 감소함을 알 수 있다. 또한 아스팔트 바인더 PG 82-22를 사용했을 때 그 감소 폭이 좀 더 작게 나타났다.
일반적으로 유전율이 작은 물질의 경우 온도가 증가함에 따라 유전율은 선형적으로 증가하는 경향을 나타낸다. 따라서 온도 영향을 확인한 결과 아래 그림과 같이 두 종류의 아스팔트 바인더를 사용했을 때 모두 온도가 증가함에 따라 거의 선형적으로 유전율은 증가함을 알 수 있다. 또한 두 가지 종류의 아스팔트 바인더 에 따라 그 증가 폭은 다르게 나타났으며, 아스팔트 바인더 PG 64-16이 좀 더 증가폭이 크게 나타났다.
따라서 온도 영향을 확인한 결과 아래 그림과 같이 두 종류의 아스팔트 바인더를 사용했을 때 모두 온도가 증가함에 따라 거의 선형적으로 유전율은 증가함을 알 수 있다. 또한 두 가지 종류의 아스팔트 바인더 에 따라 그 증가 폭은 다르게 나타났으며, 아스팔트 바인더 PG 64-16이 좀 더 증가폭이 크게 나타났다. 위 측정 결과를 토대로 아스팔트 콘크리트 시편의 유전율에 대한 온도영향 보정관계식을 아래와 같이 나타내었다.
물(수분)의 경우 유전율 값이 80정도이므로 일반적으로 물의 함량이 많을수록 유전율은 증가하게 된다. 아스팔트 콘크리트 시편에서도 마찬가지로 함수량이 증가할수록 유전율은 증가하는 경향을 나타내었다.

후속연구

이를 통해 아스팔트 콘크리트의 일반적인 유전율 특성을 평가하고자 한다. 또한 현재 국내외에서 사용하고 있는 유전율을 활용한 비파괴 밀도 측정장비의 보정모델로 활용할 수 있으며, 향후 국내에서 개발하고자 하는 아스팔트포장 비파괴 밀도 측정장비의 기본적인 알고리즘으로 활용이 가능할 것이다.
상관성을 도출하고자 하였다. 이를 통해 현재 국내외에서 사용하고 있는 유전율을 활용한 비파괴 밀도 측정장비의 보정모델로 활용이 가능할 것으로 판단되며, 향후 본 측정장비 개발의 기본적인 알고리즘으로 활용하고자 한다. 본 연구를 통해 얻은 결론은 다음과 같다.
00934임을 확인하였다. 특이한 점은 아스팔트 바인더 PG 82-22를 사용한 시편의 경우 함수량이 50%일 때 유전율이 약간 감소하는 경향을 나타내었는데 좀 더 자세한 분석이 필요하지만, 이는 아스팔트 바인더 PG 82-22의 경우 수분과 반응함으로써 화학적으로 약간 불안정하여 나타난 결과로 생각된다.

참고문헌 (8)

김만일, 니시가끼 마코토, "유전율법을 이용한 다공질 매질의 공극률 및 유효공극률의 측정에 관한 연구," The Journal of Engineering Geology, Vol.13, No.4, December, 2003, pp. 419-428.
A. C. Rust, J. K. Russell, R. J. Knight (1999), Dielectric constant as a predictor of porosity in dry volcanic rocks. Journal of Volcanology and Geothermal Research, 91, pp79-96.

상세보기
A. J. Moulson and J. M. Herbert (2003), "Electroceramics: Materials Properties, Applications." 2nd Edition, Chapter 5. Dielectrics and Insulators.
D. J. Bergman and D. Stroud (1992), "Advances in Research and Applications: Solid State Physics", (Academic, New York, 1992), Vol. 46, pp. 147-269
Edward J. Jaselskis, Jonas Grigas and Algirdas Brilingas (2003), Dielectric properties of asphalt pavement, Journal of materials in civil engineering, 15, pp 427-434.

상세보기
Freddy L. Roberts (1996), "Hot Mix Asphalt Materials, Mixture Design, and Construction." Second Edition, Chapter6. Equipment and Construction.
G. Kent (1996) Nondestructive Permittivity Measurement of Substrates, IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement. 45, pp. 102-106.

상세보기
US Army Corp of Engineers, (2000), 'Hot-Mix Asphalt Paving Handbook 2000," Part III Hot-MIX Asphalt Laydown and Compaction.

저자의 다른 논문 :

LOADING...

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format

연합인증