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문제 정의
- 을 일정한 비율로 혼합하여 제조한다. 본 연구에서는 MMA를 주원료로 하는 수지에 경화시 발생되는 수축량을 감소시키고 열팽 창계수를 감소시키기 위하여 PMMA를 첨가한 다음, 연성 및 탄성을 강화하기 위하여 BA와 기타 첨가제를 일정 량 혼합하여 기존 아크릴 수지에 비해 탄성 및 연성이 3배 이상 증가된 고탄성 아크릴 수지를 사용하였다.
- 본 연구에서는 배수성 포장의 내구성 향상을 위하여 최근 일본에서 시도되고 있는 수지코팅에 대한 효과를 분석하는 연구를 수행하였다. MMA(Methly Methacrylate) 또는 에폭시 수지 등을 배수성 포장의 표면에 두께 2mm 내외로 코팅하여 골재의 탈리나 포트홀 등의 발생을 억제하는 동시에 추가적인 소음감소 효과를 기대하는 것이다.
- 본 연구에서는 세종대학교와 국내 L사에서 공동으로 개발한 MMA 수지 (이하 아크릴 수지로 명칭 함)를 적용하여 배수성 아스팔트 콘크리트의 내구성 향상 연구를 수행하였다. 이를 위하여 아크릴 수지로 표면 코팅된 배수성 아스팔트 콘크리트 시편과 일반 시편에 대한 투수계수, 공극률, 역학적 특성시험 등 실내시험을 통하여 아크릴 수지 코팅의 효과를 분석하였다.
- 모든 시편에 가해지는 하중크기를 조절하여 시편에 발생되는 초기 수평 변형률이 일정하게 한 다음 피로시험을 실시하였고, 각 시편 당 최소 2회 이상 시험을 실시하였다. 본연구에서는 아크릴 수지가 코팅된 배수성 시편의 상대적인 피로수명을 단기간에 규명하기 위하여 휴지기를 적용하지 않고 0.1 초의 하중을 연속재하 하였다
제안 방법
- Kandhal(1999)이 제안한 배합설계법으로 3.5%에서 5%의 아스팔트 함량을 갖는 혼합물을 이용하여 드레인 다운 시험과 칸타브로 시험을 실시하였다. 그림 2(a)는 아스팔트 함량에 따른 칸타브로 손실율과 드레인다운 손실율의 관계를 나타내며, 그림 2(b)는 아스팔트 함량에 따른 공극률의 변화를 나타낸다.
- Type A 수지는 점도가 상이한 두 가지 유형의 수지를 적용하였다. T\pe AATe 점도가 lOOcP 이고, Type AA-2는 점도가 450cP이다 수지의 점도는 배수성 포장의 표면 코팅에 있어서 매우 중요한 고려요소 중의 하나이다.
- 공극률 측정은 이론최대밀도 시험기와 core-lok장비를 사용하여 공극률을 측정하였다. 코팅 전후의 공극률 측정결과는 표 4와 같다.
- 1차 코팅 후 규사를 뿌린 이유는 2차 코팅 후 규사를 뿌렸을 경우 규사가 외부에 노출되어있기 때문에 외부충격으로 인해 경화된 아크릴 수지로부터 규사가 박리될 가능성을 줄이기 위해서 1차 코팅 후 규사를 뿌렸다. 규사를 어느 양만큼 뿌려야 아크릴 수지를 코팅하기 전의 배수성 슬래브 시편의 미끄럼 저항과 같은 성능을 보이는지 확인하기 위하여 규사의 양을 조절하여 준비된 슬래브시편에 뿌려서 BPT실험을 실시하였으며 그 결과는 표 8과 같다.
- 아크릴 수지를 코팅하여 시험을 하였기 때문에 선회다짐기로 만든 시편을 코어를 뚫지 않고 시험을 수행하였다. 모든 시편에 가해지는 하중크기를 조절하여 시편에 발생되는 초기 수평 변형률이 일정하게 한 다음 피로시험을 실시하였고, 각 시편 당 최소 2회 이상 시험을 실시하였다. 본연구에서는 아크릴 수지가 코팅된 배수성 시편의 상대적인 피로수명을 단기간에 규명하기 위하여 휴지기를 적용하지 않고 0.
- 수분 손상시험의 경우에는 시편의 간접인장강도를 측정하기 때문에 강도 측정시 상하면의 균형을 생각하여 상하면을 코팅하였다. 미끄럼저항 및 휠트래킹 시험은 시편의 상면만을 코티처리 하였고, 간접인장 피로시험의 경우에는 하중재하시의 균형을 고려하여 시편의 상하면을 코팅하였다. 피로시험은 단기간에 혼합물의 피로수명을 파악하기 위하여 휴지기를 적용하지 않고 하중을 연속재하였다.
- 본 시험에서는 슬래브 다짐으로 만든 300X300X 50mm 시편에 표 3.4와 같은 배합비로 코팅을 하되 미끄럼 저항을 증가시키기 위해서 1차 코팅 후 아크릴 수지가 경화되기 전에 규사 5호사를 뿌리고 2차 코팅을 하였다. 1차 코팅 후 규사를 뿌린 이유는 2차 코팅 후 규사를 뿌렸을 경우 규사가 외부에 노출되어있기 때문에 외부충격으로 인해 경화된 아크릴 수지로부터 규사가 박리될 가능성을 줄이기 위해서 1차 코팅 후 규사를 뿌렸다.
- 본 연구에서는 K사에서 개발한 폴리머 개질제를 일반 아스팔트(AC 60-80)에 첨가하여 개질 아스팔트를 제조하였다. 폴리머 개질제의 첨가량은 아스팔트 중량 대비 12%이고, 본 연구에서 사용된 개질 아스팔트 바인더의 일반적인 물리적 성질은 표 1과 같다(이현종 등, 2007).
- 본 연구에서는 모든 시험을 실내시험으로 국한하며, 앞서 설명한 3종의 아크릴 수지가 코팅된 배수성 아스팔트 콘크리트 시편과 코팅을 하지 않은 배수성 아스팔트 콘크리트 시편을 가지고 실내 공용성 시험을 하였으며 , 시험계획은 표 2와 같다. 표에서 보는 바와 같이 공극률 및 투수계수 측정 시에는 시편의 상면만을 코팅하여 이에 따른 공극률 및 투수계수의 변화를 측정하였다.
- 수분 손상시험의 경우에는 시편의 간접인장강도를 측정하기 때문에 강도 측정시 상하면의 균형을 생각하여 상하면을 아크릴 수지로 코팅하였다. 수분손상시험은 25P 의 물에서 20분간 수침시킨 건조시편과 60P물에서 24시간 수침시킨 포화시편을 사용하여 간접인장강도를 측정하였다. 그 결과는 표 7과 같다.
- 공극률에 적합하도록 제작하였다. 시편의 제작은 먼저 체적은 동일하게 두고 혼합물의 중량을 3단계로 나누어 시편을 제작한 다음 공극률을 측정하고, 측정된 공극률과 혼합물의 중량관계에서 목표 공극률에 해당하는 혼합물의 중량을 결정하여 제작하였다.
- 우리나라에서 발생되는 수분에 의한 포장의 손상은 주로 여 름철 우기 에 집 중되고 있기 때문에 본 연구에서는 동결처리를 하지 않고 시험을 실시하였다. 시험 방법으로는 마샬 다짐기를 사용하여 공극률 18±1%가 얻어지도록 다짐을 실시하여 각 코팅 유형별 6개의 시편을 제작하였다. 수분 손상시험의 경우에는 시편의 간접인장강도를 측정하기 때문에 강도 측정시 상하면의 균형을 생각하여 상하면을 아크릴 수지로 코팅하였다.
- 아크릴 수지가 배수성 시편의 피로수명에 미치는 영향을 파악하기 위하여 일반 배수성 시편과 아크릴 수지가 코팅된 시편을 사용하여 간접인장 피로시험을 실시하였다. 시험은 20℃에서 실시하였고, 시험을 실시하는 동안 정밀한 온도조절을 위하여 온도조절 챔버를사용하였다.
- 아크릴 수지를 2회 도포하는 본 시험의 특성상 1 차 도포에 사용되는 수지가 아스팔트 콘크리트에 직접 닿는다는 점과 2차 도포시의 수지가 외부의 충격을 받는 점을 고려하여 하도 및 상도용 수지를 개발하였다. Type A 수지는 별도로 하도 및 상도용 수지로 구성되지 않은 단일형 수지이다.
- 하중은 10Hz의 주기를 갖는 Haversine하중을 일정하게 시편에 가한다. 아크릴 수지를 코팅하여 시험을 하였기 때문에 선회다짐기로 만든 시편을 코어를 뚫지 않고 시험을 수행하였다. 모든 시편에 가해지는 하중크기를 조절하여 시편에 발생되는 초기 수평 변형률이 일정하게 한 다음 피로시험을 실시하였고, 각 시편 당 최소 2회 이상 시험을 실시하였다.
- 이 시험법은 AASHTO T283-89시험법과 거의 유사하나 ASTM 규정에서는 동결처리가 선택사항인데 반해 AASHTO에서는 의무사항으로 되어있다. 우리나라에서 발생되는 수분에 의한 포장의 손상은 주로 여 름철 우기 에 집 중되고 있기 때문에 본 연구에서는 동결처리를 하지 않고 시험을 실시하였다. 시험 방법으로는 마샬 다짐기를 사용하여 공극률 18±1%가 얻어지도록 다짐을 실시하여 각 코팅 유형별 6개의 시편을 제작하였다.
- 수 있다. 이러한 문제점을 개선하기 위하여 미세한 규사분말을 사용하여 미끄럼 저항성을 증진시키도록 하였다.
- 수행하였다. 이를 위하여 아크릴 수지로 표면 코팅된 배수성 아스팔트 콘크리트 시편과 일반 시편에 대한 투수계수, 공극률, 역학적 특성시험 등 실내시험을 통하여 아크릴 수지 코팅의 효과를 분석하였다.
- 표에서 보는 바와 같이 공극률 및 투수계수 측정 시에는 시편의 상면만을 코팅하여 이에 따른 공극률 및 투수계수의 변화를 측정하였다. 칸타브로 시험의 경우에는 실제 배수성 포장의 경우 포장 노면에만 차량하중이 가해지나 시험에서는 시편의 모든 면에 충격이 가해지므로 시편의 전면을 코팅처리하여 시험을 실시하였다. 수분 손상시험의 경우에는 시편의 간접인장강도를 측정하기 때문에 강도 측정시 상하면의 균형을 생각하여 상하면을 코팅하였다.
- , 시험계획은 표 2와 같다. 표에서 보는 바와 같이 공극률 및 투수계수 측정 시에는 시편의 상면만을 코팅하여 이에 따른 공극률 및 투수계수의 변화를 측정하였다. 칸타브로 시험의 경우에는 실제 배수성 포장의 경우 포장 노면에만 차량하중이 가해지나 시험에서는 시편의 모든 면에 충격이 가해지므로 시편의 전면을 코팅처리하여 시험을 실시하였다.
- 있다(건설교통부, 2002). 하지만 변형률 진폭에 의한 방법은 최소 곡률반경 지점을 명확히 파악하기가 어렵기 때문에 본 연구에서는 시편의 강성이 초기 강성의 50%에 도달할 때가지 적용된 하중 회수를 피로수명으로 결정하였으며, 시험결과는 표 10 및 그림 6과 같다.
- 합성입도가 목표 입도에 얼마나 근접하는가를 확인하기 위하여 목표입도에 따라 합성된 골재의 체가름을 실시하고 No. 200체를 통과하는 세립분을 완전히 제거하기 위하여 각 체에 남아있는 골재를 물로 씻은 다음 건조로에서 완전히 건조하여 통과 중량백분율을 구하여 목표입도와 비 교하였다.
- 피로시험에사용될 시편은 선회다짐기 (Gyratory Compactor)를사용하여 제작하였다. 혼합물의 다짐에는 슈퍼페이브에서 제안한 방식으로 다짐각은 1.25°, 압축응력은 600Pa, 다짐속도는 분당 30회를 적용하였다.
- 피로시험은 단기간에 혼합물의 피로수명을 파악하기 위하여 휴지기를 적용하지 않고 하중을 연속재하였다. 휠 트래킹시험은 윤하중을 686N을 적용하여 실시하였으며, 수분손상시험은 25℃의 물에서 20 분간 수침시킨 건조시편과 60℃물에서 24시간 수침시킨 포화시편을 사용하여 간접 인장강도를 측정하였다.
대상 데이터
- 간접인장 피로시험용 시편은 직경 150mm, 높이 50mm의 원통형 시편을 선회다짐기로 다진 후 시편의 온도가 실내온도로 낮아졌을 때 공극률을 측정하고 피로시험에 사용하였다.
- 경화제로는 일명 BPO로 불리는 벤졸 페록사이드를 사용한다. 벤졸 페록사이드는 여러 유기과산화 물 중 그 산화력 이 가장 강하여 가열 및 마찰, 충격 등에의 해 쉽게 폭발, 인화되나 수분을 함유하고 있으면 그 위험성이 현저히 떨어지는 물질이다.
- 비빔으로 혼합하였다. 공극률 및 투수계수, 칸타브로 시험 , 수분손상시험 등에 사용된 시편은 모두 마샬다짐기를 사용하여 직경 100mm, 높이 63mm의 원통형 시편을 제작하여 시험에 사용하였다. 피로시험에사용될 시편은 선회다짐기 (Gyratory Compactor)를사용하여 제작하였다.
- 따라서 본 연구에서는 다양한 점도의 수지를 사용하여 배수성 혼합물의 시편에 적용해본 결과 적정한 점도 범위는 최소 lOOcP 이상 최대 800cP 이하가 바람직한 것으로 나타났다. 따라서 본 연구에서는 lOOcP 및 450cP 점도를 가지는 두종류의 수지를 시험에 적용하였다.
- 본 연구에서 사용된 아크릴 수지는 세종대학교와 국내의 L사에서 자체개발한 아크릴 수지를 사용 하 였고, 기본적으로 두 종류(Npe A 및 B)의 물리적 성질이 다른 수지를 사용하였으며 , 각각의 수지의 기본적 인 특성은 다음과 같다.
- 휠트래킹 시험과 미끄럼저항 측정 시에 사용한 시편은 크기 300X300x50mm인 슬래브형 시편으로서휠트래킹 다짐기를 사용하여 공극률이 각 혼합물의 목표 공극률에 적합하도록 제작하였다. 시편의 제작은 먼저 체적은 동일하게 두고 혼합물의 중량을 3단계로 나누어 시편을 제작한 다음 공극률을 측정하고, 측정된 공극률과 혼합물의 중량관계에서 목표 공극률에 해당하는 혼합물의 중량을 결정하여 제작하였다.
이론/모형
- 본 연구에서는 버교적 간단하고 필요한 장소에서 쉽게 미끄럼 저항성을 측정할 수 있는 영국식 장비인BPT(British Pendulum Tester)를 이용하여ASTM E 303(1983)의 절차에 따라 시험을 실시하였고, 아크릴 수지를 배수성 시편에 코팅을 할 경우 아스팔트 혼합물 표면에 돌출되어 있는 굵은 골재를 코팅하기 때문에 전반적으로 미끄럼 저항성이 저하될 수 있다. 이러한 문제점을 개선하기 위하여 미세한 규사분말을 사용하여 미끄럼 저항성을 증진시키도록 하였다.
- 아스팔트 혼합물의 수분 민감성을 측정하는 데는 여러 종류의 시험이 있으나 현재 가장 많이 적용되고있는 ASTM D4867-92 (1988)의 규정에 따라 시험을 실시하였다. 이 시험법은 AASHTO T283-89시험법과 거의 유사하나 ASTM 규정에서는 동결처리가 선택사항인데 반해 AASHTO에서는 의무사항으로 되어있다.
- 투수계수는 실내 투수 시험방법 (KS F 2494)으로측정하였으며, 결과는 표 5와 같다. 아크릴 수지 코팅 전 보다 아크릴 수지 코팅 후 투수계수가 약0.
성능/효과
- 08cm/sec(19%) 감소하였으며, 이는 공극이 아크릴 수지를 코팅하였을 때 약간 줄어들었기 때문인 것으로 사료된다. 그러나 코팅을 실시한 이후에도 평균투수계수가 0.35cm/sec 이상인 것으로 나타나 배수성 포장의 투수계수 기준인 0.01cm/sec을 훨씬 상회하는 것을 확인하였다.
- 반면 점도가 너무 높을 경우에는 공극을 채우는 문제는 없으나 시공시 충분한 워커빌리티가 확보되지 않아 시공이 힘들 수 있다. 따라서 본 연구에서는 다양한 점도의 수지를 사용하여 배수성 혼합물의 시편에 적용해본 결과 적정한 점도 범위는 최소 lOOcP 이상 최대 800cP 이하가 바람직한 것으로 나타났다. 따라서 본 연구에서는 lOOcP 및 450cP 점도를 가지는 두종류의 수지를 시험에 적용하였다.
- 것을 알 수 있었다. 또한 그림 6에서 보는 바와 같이 아크릴 수지가 코팅된 시편이 본 연구에서 사용된 배수성 시편보다 피로 균열 저항성이 3배에서 6배까지 좋은 것을 알 수 있었다.
- 반면 Type A의 경우 소성변형 저항성이 유사 또는 다소 향상되는 것이 기대되고 피로 저항 특성도 개선되는 것으로 나타났다. 또한 실내시험 결과 아크릴 수지를 배수성 아스팔트 콘크리트의 표면에 코팅 하였을 때 일반 배수성 혼합물의 내구성을 상당히 향상시킨다는 것을 알 수 있었다. 그러나 본 연구의 결과는 실내 물성 및 공용성 시험 결과에 국한된 것으로 본 연구에서 개발된 아크릴 수지 코팅의 장기 공용성을 평가하기 위해서는 포장 가속시험 및 .
- Type B 수지의 경우 소성변형 저항성을 상당히 저하시킬 우려가 있다. 반면 Type A의 경우 소성변형 저항성이 유사 또는 다소 향상되는 것이 기대되고 피로 저항 특성도 개선되는 것으로 나타났다. 또한 실내시험 결과 아크릴 수지를 배수성 아스팔트 콘크리트의 표면에 코팅 하였을 때 일반 배수성 혼합물의 내구성을 상당히 향상시킨다는 것을 알 수 있었다.
- 본 연구에서 세 종류의 아크릴 수지들의 공용특성을 분석해 보면 공극률이나 투수계수, 칸타브로 손실률, 수분손상 등에서는 유사한 특성을 나타내었다. Type B 수지의 경우 소성변형 저항성을 상당히 저하시킬 우려가 있다.
- 코팅 전후의 공극률 측정결과는 표 4와 같다. 아크릴 수지를 배수성 시편에 2회 코팅하였을 때 표 4에서 보는 바와 같이 약 0.9%정도의 공극률이 감소하는 것을 확인 하였다. 즉 1% 미만으로 공극률이 감소하는 것으로 나타나 배수성 포장의 배수 및 흡음 기능상에는 큰 변화가 없을 것으로 예상된다.
- 9%정도의 공극률이 감소하는 것을 확인 하였다. 즉 1% 미만으로 공극률이 감소하는 것으로 나타나 배수성 포장의 배수 및 흡음 기능상에는 큰 변화가 없을 것으로 예상된다.
- 표 6은 전체 시험 시편에 대한 손실률과 평균 손실률이다. 평균 손실률을 살펴보면 코팅을 실시하지 않은 일반 시편이 약 20% 인데 비해 코팅 처리한 시편들의 경우 5.9~7.9%로 서약 1/3 수준으로 칸타브로 손실률이 감소하였다. 이는 그림 2에서 보는 바와 같이 아스팔트 바인더를 1.
- 표 10에서 알 수 있듯이 배수성 시편보다 아크릴수지로 코팅된 시편의 경우가 평균 변형률이 더 크다는 것을 알 수 있었다. 또한 그림 6에서 보는 바와 같이 아크릴 수지가 코팅된 시편이 본 연구에서 사용된 배수성 시편보다 피로 균열 저항성이 3배에서 6배까지 좋은 것을 알 수 있었다.
- 표 8에서 보는 바와 같이 규사의 살포량이 증가할수록 BPT가 증가하는 것을 알 수 있었고, 0.08ecm2 로 뿌린 결과가 배수성 일반 시편보다 약 1.3배 정도 미끄럼 저항성이 증가하였다는 것을 알 수 있었다.
- 표 9 및 그림 5와 같다. 표 9에서 보는 바와 같이 일반시편과 코팅된 시편에 대한 동적안정도를비교분석해 본 결과 아크릴 수지 Type B를 이용하여 코팅한 경우 기존의 시편이 가지고 있는 동적 안정도보다 떨어지는 것을 볼 수 있지만 Type A를 사용하여 코팅한 경우 점성이 높을수록 동적안정도가 높다는 것을 알 수 있었다. Npe AA-2로 코팅한 시편은 동적안정도가 표층의 기준치인 3000(회/mm)을 상회하는 것으로 나타났다.
- 그러나 연성이 너무 크기 때문에 외부의 충격 등에 의해 스크래치가 발생할 수 있고 쉽게 벗겨질 수 있는 단점이 있다. 하도용 수지를 코팅한 다음 상도용 수지 Type BB-2는 점도가 128cP 이며 2차 코팅시 사용하였는데 상도용 수지는 하도용 수지에 비해 유리 전이 온도가 높아 경화가 완료되면 표면이 충분히 딱딱하여 외부의 충격에도 스크래치 등이 발생하지 않고 배수성 포장의 표면을 충분히 보호할 수 있다.
후속연구
- 9%로 서약 1/3 수준으로 칸타브로 손실률이 감소하였다. 이는 그림 2에서 보는 바와 같이 아스팔트 바인더를 1.5% 이상 더 첨가하는 효과와 거의 같은 수준으로서 아크릴 수지로 코팅할 경우 골재의 비산 저항성을 상당히 개선할 수 있을 것으로 기대된다. 코팅 시편들의 경우 점도가 칸타브로 손실률에 미치는 영향은 그다지 크지 않은 것으로 판단된다.
- 그러나 본 연구의 결과는 실내 물성 및 공용성 시험 결과에 국한된 것으로 본 연구에서 개발된 아크릴 수지 코팅의 장기 공용성을 평가하기 위해서는 포장 가속시험 및 .현장 시험이 추가로 수행되어야 할 것으로 판단된다. 또한 아크릴 수지 코팅을 현장에 적용하기 위해서는 아크릴 수지 코팅 장비의 개발이 필요하다.
- 이는 아크릴 수지가 아스팔트를 일부 녹이는 성질이 있어 강도의 저하가 발생했을 수도 있고, 또는 다른 원인에 의해 유발된 것 일수도 있다. 현재로서는 이러한 원인에 대한 정확한 규명은 되지 않아 차후 연구에서 좀 더 명확한 연구가 필요한 것으로 판단된다.
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