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문제 정의
- 본 연구에서는 재생 폼드 아스팔트 혼합물의 성능을 시험 분석하기 위해서 배합설계로부터 구해진 최적 아스팔트비를 사용하여 역학시험을 동시에 실시하여 3종류의 시료에 대하여 역학적 성능을 시험 분석하였다. 제작된 시료는 탄성 및 소성 변형 특성을 분석하기 위한 반복 크리프시험 및 휠 트래킹 시험, 온도 변화에 대한 민감도를 분석하기 위한 회복탄성계수시험, 균열특성을 분석하기 위한 간접인장강도시험 및 국내아스팔트혼합물의 기준인 마샬안정도시험을 실시하여 상호 비교하였다.
- 본 연구의 주요 목적은 재활용 폼드 아스팔트 혼합물에 대한 성능을 실내시험을 통하여 분석하는 것이다. 성능 시험은 구재 사용량을 1) 최대로 한 경우: 81%, 2) 70%, 3) 50%로 변경하여 폐재 사용량에 따른 성능을 아스팔트 기층용으로 사용 가능성을 실내 시험으로 부터 검토하였다.
- 재생가열혼합물의 경우 산화 정도와 재령이 서로 다를 경우에는 재생첨가제를 사용하거나 배합비율을 서로 달리해야 하는 배합설계 절차가 필요하기 때문이다. 재생가열혼합물의 구재:신재 비율이 70:30으로 결정된 이유는 재생폼드 아스팔트 혼합물의 비율 중 70:30 혼합물의 성능과 직접 상호 비교를 실시하고 이를 바탕으로 재생폼드 혼합물 81:19 및 50:50에 대한 결과와 유추 비교하기 위하여 결정되었다.
제안 방법
- 본 연구의 주요 목적은 재활용 폼드 아스팔트 혼합물에 대한 성능을 실내시험을 통하여 분석하는 것이다. 성능 시험은 구재 사용량을 1) 최대로 한 경우: 81%, 2) 70%, 3) 50%로 변경하여 폐재 사용량에 따른 성능을 아스팔트 기층용으로 사용 가능성을 실내 시험으로 부터 검토하였다. 검토 시험 항목은 마샬안정도, 간접인장강도, 회복탄성계수, 크리프 시험 및 휠 트래킹 시험을 실시하였으며 시험 결과를 가열 재생아스팔트 혼합물(폐재 사용량 70%) 시험 결과와 비교분석하였다.
- 간접인장시험으로 최적의 아스팔트함량을 결정하였다. 이 때 간접인장시험은 건조상태와 습윤상태 두 가지 경우를 실시하여 습윤상태에서 최대인장강도값을 나타내는 아스팔트함량을 최적아스팔트함량으로 결정하였다.
- 시험 실시 전에 공시체를 3시간 동안 온도 양생실에서 양생을 실시하여 공시체의 온도평형상태가 되도록 하였다. 공시체에 150kPa의 수직하중을 3,600초 동안 가하고 이후 4,500초까지 하중을 제하하여 이때 발생한 영구 변형량을 측정하여 각 혼합물의 영구변형 특성을 비교 분석하였다. 윤하중 시험은 KS F 2374에 따라 시편을 제작하고 시험을 실시하였다.
- 배합시험 전에 골재의 다짐시험을 실시하여 골재의 최적함수비의 결정이 필요하다. 다짐시험은 KS F 2312를 이용하여 최적함수비를 구하고 다짐시험 결과를 밀도와 함수비로 나타내고 최대밀도를 나타내는 함수비를 최적함수비로 결정한다. 다짐시험은 합성입도에 맞도록 각각 5세트를 준비하였고 함수비를 변화시켜 가면서 수정 D다짐으로 시험을 실시하였다.
- 다짐시험은 KS F 2312를 이용하여 최적함수비를 구하고 다짐시험 결과를 밀도와 함수비로 나타내고 최대밀도를 나타내는 함수비를 최적함수비로 결정한다. 다짐시험은 합성입도에 맞도록 각각 5세트를 준비하였고 함수비를 변화시켜 가면서 수정 D다짐으로 시험을 실시하였다.
- 혼합된 시료는 수분의 손실을 방지하기 위하여 5개의 배치가 모두 혼합될 때까지 봉인된 상자 안에 보관하였다. 다짐은 마샬다짐장치를 사용하였으며, 직경 100mm인 공시체에 양면 75회 다짐을 실시하여 시편을 제작하였다. 다짐이 완료된 시편은 몰드 내에서 60℃의 오븐에 넣고 72시간을 양생하였다.
- 배합 설계에 사용할 골재 10Kg를 1 배치로 하여 기계 믹서를 사용하여 바인더량을 0.5%씩 증가시켜 가면서 5개의 배치를 제작하였다. 폼드 아스팔트 플랜트에서 미리 가열시키고 가열이 완료되면 계량된 골재에 물을 가하고 1분 정도 혼합하고, 즉시 제조된 폼드 아스팔트 바인더를 30초 동안 혼합하였다.
- 크리프시험은 60℃에서 비구속 반복정적시험으로 실시하였다. 시험 실시 전에 공시체를 3시간 동안 온도 양생실에서 양생을 실시하여 공시체의 온도평형상태가 되도록 하였다. 공시체에 150kPa의 수직하중을 3,600초 동안 가하고 이후 4,500초까지 하중을 제하하여 이때 발생한 영구 변형량을 측정하여 각 혼합물의 영구변형 특성을 비교 분석하였다.
- 간접인장시험으로 최적의 아스팔트함량을 결정하였다. 이 때 간접인장시험은 건조상태와 습윤상태 두 가지 경우를 실시하여 습윤상태에서 최대인장강도값을 나타내는 아스팔트함량을 최적아스팔트함량으로 결정하였다. 각 시료에 대한 설계(최적)폼드 아스팔트 비에 대한 결과를 표 3에 정리하였다.
- 재생 폼드 아스팔트 혼합물의 성능을 평가하기 위해서 마샬안정도시험, 간접인장강도시험, 회복탄성계수시험, 크리프시험 및 휠트래킹시험을 실시하였다. 마샬안정도시험은 KS F 2214의 기준에 따라 실시하였으며, 25℃로 습윤 및 건조 상태에서 시험을 실시하였다.
- 다짐이 완료된 시편은 몰드 내에서 60℃의 오븐에 넣고 72시간을 양생하였다. 재생 폼드 아스팔트의 구재:신재 비율은 81:19, 70:30 및 50:50으로 변경하여 신구재 비율 변화에 따른 성능 변화를 시험 분석하였으며, 70:30으로 제작된 재생가열아스팔트 혼합물의 시험 결과와 비교하였다. 재생폼드 아스팔트 혼합물에 사용된 구재는 이미 언급된 것처럼 3 현장의 서로 다른 재령 및 물리적 특성을 가진 구재를 포함하고 있다.
- 본 연구에서는 재생 폼드 아스팔트 혼합물의 성능을 시험 분석하기 위해서 배합설계로부터 구해진 최적 아스팔트비를 사용하여 역학시험을 동시에 실시하여 3종류의 시료에 대하여 역학적 성능을 시험 분석하였다. 제작된 시료는 탄성 및 소성 변형 특성을 분석하기 위한 반복 크리프시험 및 휠 트래킹 시험, 온도 변화에 대한 민감도를 분석하기 위한 회복탄성계수시험, 균열특성을 분석하기 위한 간접인장강도시험 및 국내아스팔트혼합물의 기준인 마샬안정도시험을 실시하여 상호 비교하였다.
- 서울시내 아스팔트 보수공사에서 4군데에서 채취한 폐아스팔트를 혼합하여 배합설계에 사용하였다. 채취한 폐아스팔트는 K.S의 관련 규격에 따라 점도, 침입도, 아스팔트 비 및 입도시험을 실시하여 회수아스팔트 혼합물의 특성을 시험 분석하였다. 표 1은 회수아스팔트의 물리적 특성을 요약한 것이다.
- 크리프시험은 60℃에서 비구속 반복정적시험으로 실시하였다. 시험 실시 전에 공시체를 3시간 동안 온도 양생실에서 양생을 실시하여 공시체의 온도평형상태가 되도록 하였다.
- 5%씩 증가시켜 가면서 5개의 배치를 제작하였다. 폼드 아스팔트 플랜트에서 미리 가열시키고 가열이 완료되면 계량된 골재에 물을 가하고 1분 정도 혼합하고, 즉시 제조된 폼드 아스팔트 바인더를 30초 동안 혼합하였다. 혼합된 시료는 수분의 손실을 방지하기 위하여 5개의 배치가 모두 혼합될 때까지 봉인된 상자 안에 보관하였다.
대상 데이터
- 또한 박과 최(2003)는 현장에서 발생하는 토사를 사용하여 흙의 안정처리 공법에 대하여 연구하였으며 폼드 아스팔트의 취약점인 골재의 완전 코팅 문제를 해결하기 위하여 반가열 폼드 아스팔트 공법을 사용하여 연구를 실시하였다. 국내 연구사례는 적용가능성에 대하여 검토한 기초연구로 한 종류의 구재만을 사용하였다.
- 서울시내 아스팔트 보수공사에서 4군데에서 채취한 폐아스팔트를 혼합하여 배합설계에 사용하였다. 채취한 폐아스팔트는 K.
- 공시체에 150kPa의 수직하중을 3,600초 동안 가하고 이후 4,500초까지 하중을 제하하여 이때 발생한 영구 변형량을 측정하여 각 혼합물의 영구변형 특성을 비교 분석하였다. 윤하중 시험은 KS F 2374에 따라 시편을 제작하고 시험을 실시하였다.
- 재생 폼드 아스팔트의 구재:신재 비율은 81:19, 70:30 및 50:50으로 변경하여 신구재 비율 변화에 따른 성능 변화를 시험 분석하였으며, 70:30으로 제작된 재생가열아스팔트 혼합물의 시험 결과와 비교하였다. 재생폼드 아스팔트 혼합물에 사용된 구재는 이미 언급된 것처럼 3 현장의 서로 다른 재령 및 물리적 특성을 가진 구재를 포함하고 있다. 한편, 재생가열아스팔트 제작에 사용한 구재는 B현장의 구재만을 사용하였다.
- 64이었다. 폼드 아스팔트 생산에 사용한 아스팔트는 침입도 80-100을, 성능등급으로는 PG58-22를 사용하였다.
- 재생폼드 아스팔트 혼합물에 사용된 구재는 이미 언급된 것처럼 3 현장의 서로 다른 재령 및 물리적 특성을 가진 구재를 포함하고 있다. 한편, 재생가열아스팔트 제작에 사용한 구재는 B현장의 구재만을 사용하였다. 재생가열혼합물의 경우 산화 정도와 재령이 서로 다를 경우에는 재생첨가제를 사용하거나 배합비율을 서로 달리해야 하는 배합설계 절차가 필요하기 때문이다.
데이터처리
- 성능 시험은 구재 사용량을 1) 최대로 한 경우: 81%, 2) 70%, 3) 50%로 변경하여 폐재 사용량에 따른 성능을 아스팔트 기층용으로 사용 가능성을 실내 시험으로 부터 검토하였다. 검토 시험 항목은 마샬안정도, 간접인장강도, 회복탄성계수, 크리프 시험 및 휠 트래킹 시험을 실시하였으며 시험 결과를 가열 재생아스팔트 혼합물(폐재 사용량 70%) 시험 결과와 비교분석하였다.
이론/모형
- 마샬안정도시험은 KS F 2214의 기준에 따라 실시하였으며, 25℃로 습윤 및 건조 상태에서 시험을 실시하였다. 간접인장 시험은 ASTM D 4123의 규정에 따라 실시하였는데 시험 조건은 50.5mm/분의 변형속도와 25℃의 온도에서 실시하여 파괴시 간접인장 응력과 변형률을 아래 식으로 산정하였다. 회복탄성계수시험은 ASTM D 4123의 규정에 따라 5℃, 25℃ 및 40℃에서 실시하였다.
- 재생 폼드 아스팔트 혼합물의 성능을 평가하기 위해서 마샬안정도시험, 간접인장강도시험, 회복탄성계수시험, 크리프시험 및 휠트래킹시험을 실시하였다. 마샬안정도시험은 KS F 2214의 기준에 따라 실시하였으며, 25℃로 습윤 및 건조 상태에서 시험을 실시하였다. 간접인장 시험은 ASTM D 4123의 규정에 따라 실시하였는데 시험 조건은 50.
- 배합설계는 국내에서 사용하고 있는 다짐장치 및 배합설계 방법을 고려하여 마샬다짐 장치를 사용하고 있는 남아프리카공화국의 배합설계 절차를 따랐다. 배합설계 절차는 아래에 요약하여 순서로 표기하였다.
- 입도 시험은 수거한 폐아스팔트 시료를 혼합하여 4분법으로 채취한 후 실시하였다. 입도 시험은 각각 3~4회를 실시하였다.
- 5mm/분의 변형속도와 25℃의 온도에서 실시하여 파괴시 간접인장 응력과 변형률을 아래 식으로 산정하였다. 회복탄성계수시험은 ASTM D 4123의 규정에 따라 5℃, 25℃ 및 40℃에서 실시하였다.
성능/효과
- 1. 재생 폼드 아스팔트 혼합물은 폐아스팔트의 재령이나 물리적 특성 구분없이 많은 량의 폐아스팔트를 혼합하여 사용할 수가 있어서 재활용 측면에서 뛰어난 효과를 나타내는 것으로 실내 시험 결과로부터 발견되었다.
- 2. 재생 폼드 아스팔트의 마샬안정도는 국내 설계기준을 만족하고 소성변형 저항성이 크고, 온도 변화에 따른 회복탄성계수의 변화가 크지 않아 온도 감온성이 작은 것으로 나타났다.
- 3. 구재량은 70%를 사용한 재생 폼드 혼합물이 전반적으로 우수한 성능을 보였다. 소성변형에 대한 저항성 및 회복탄성계수는 동일한 조건으로 제조된 재생 가열 아스팔트 혼합물과 유사한 결과를 나타냄으로써 혼합된 많은 량의 폐아스팔트를 재활용 가능성이 기대된다.
- 각 시료의 마샬안정도는 모두 국내 시방 기준을 만족하고 있으며 습윤상태에서 측정된 마샬안정도는 모든 시료에서 최소 250Kg~최대 450Kg이 감소하는 것으로 나타나서 재생가열아스팔트혼합물과 유사한 수준을 보이고 있다. 그림 4는 각 혼합물에 대한 마샬안정도시험 결과를 비교한 것이다.
- 간접인장강도 역시 시방기준을 만족하고 있으며 구재사용량에 따라 간접인장강도와 변위가 크게 변화하지 않는 것으로 나타났다. 표 4는 간접인장강도 시험결과를 보인 것이다.
- 표 4는 간접인장강도 시험결과를 보인 것이다. 간접인장강도는 가열재생에 비하여 작게 측정되었으며 습윤 상태에서 측정한 간접인장강도는 더욱 작게 측정되었다. 이는 폼드 아스팔트 혼합물의 특성상 골재가 아스팔트로 완전히 코팅되지 않기 때문에 골재와 골재간의 결합력이 재생가열에 비하여 약하기 때문에 발생하고 있는 현상으로 판단된다.
- 그림 4는 각 혼합물에 대한 마샬안정도시험 결과를 비교한 것이다. 마샬안정도시험에서 나타난 특이한 결과는 구재를 가장 많이 사용한 시료가 모두 마샬안정도가 크게 나타났다. 이 경우 마샬안정도가 크게 나오는 현상은 재생가열아스팔트혼합물, 상온유화 아스팔트혼합물에서도 발견되는 현상이다(Tia 등, 1983).
- 사진 1은 재생 폼드 아스팔트 공시체와 가열재생 혼합물을 보인 사진이다. 사진에서 볼 수 있는 것처럼 재생 폼드 아스팔트 혼합물은 골재의 코팅이 완전하게 이루어지지 않았으며 이러한 현상으로 인하여 습윤 조건에서의 간접인장강도는 건조시에 비하여 크게 저하하는 것으로 나타났다.
- 그림 6은 영구변형량 비교결과를 보인 것이다. 소성변형 특성을 분석하기 위해서 실시된 크리프시험에서는 구재를 70% 사용한 혼합물이 소성변형에 가장 높은 저항성을 갖는 것으로 나타났다. 한편 가열재생 아스팔트 혼합물은 영구변형량이 0.
- 이상으로 실내시험 결과에서 나타난 결과를 종합하여 볼 때 구재 70%혼합물이 간접인장강도를 제외하고는 구재 50%혼합물과 재생가열 혼합물에 비하여 비슷하거나 우수한 결과를 나타내고 있다. 따라서, 재생 폼드 아스팔트 공법은 가열 재생공법에 비하여 폐아스팔트의 재활용률을 크게 증가시킬 수 있을 것으로 기대되며 안정된 기층재료로서의 역할을 할 수 있는 것으로 판단된다.
- 위에서 열거한 연구에 비하여 근년에 수행된 미국 루이지아나 교통국(2003)에서는 재생 폼드 아스팔트 혼합물에 대한 현장 평가를 실시하였다. 재생 폼드 아스팔트 혼합물을 기초 안정처리와 콘크리트 포장의 기층으로 사용할 수 있다는 분석 결과를 도출하였다. 미국의 연구는 재생보다는 폼드 아스팔트 혼합물의 적용 가능성에 목적을 두고 있다.
- 폼드 아스팔트 바인더의 거품 생성이 최적 상태에서 생산되도록 함수비를 조절하면서 실시한 결과 최적 함수비는 1.4%로 결정되었다. 최적 함수량 절차와 사례는 기존 연구에 상세히 수록되어 있다(박, 2004).
- 그림 5는 회복탄성계수 시험결과를 보인 것이다. 회복탄성계수 시험으로부터 나타난 결과는 재생 가열아스팔트 혼합물에 비하여 감온성이 적은 것으로 나타났다. 온도 변화에 의해서 회복탄성계수가 크게 변화할 경우 불안정한 혼합물이 되기 쉬우나 재생폼드아스팔트 혼합물은 온도변화에 의한 회복탄성계수의 변화율이 크지 않기 때문에 안정된 혼합물로 평가된다.
- 표 1은 회수아스팔트의 물리적 특성을 요약한 것이다. 회수아스팔트의 침입도는 최소 27에서 최대 57을 나타내었으며 아스팔트 비는 최소 5.1%에서 최대 7.1%까지로 비교적 높게 나타났다. D시료는 알 수 없는 원인으로 인하여 점도가 매우 낮고 침입도시험이 불가능하였다.
- 휠트래킹 시험 결과에서도 구재:신재의 비율 70:30 재생 폼드 혼합물의 동적안정도가 4,500회/mm, 재생가열 혼합물이 1,100회/mm로 나타났다. 이러한 휠 트래킹 시험 결과는 크리프 시험 결과와도 일치하고 있다.
후속연구
- 이상으로 실내시험 결과에서 나타난 결과를 종합하여 볼 때 구재 70%혼합물이 간접인장강도를 제외하고는 구재 50%혼합물과 재생가열 혼합물에 비하여 비슷하거나 우수한 결과를 나타내고 있다. 따라서, 재생 폼드 아스팔트 공법은 가열 재생공법에 비하여 폐아스팔트의 재활용률을 크게 증가시킬 수 있을 것으로 기대되며 안정된 기층재료로서의 역할을 할 수 있는 것으로 판단된다.
- 구재량은 70%를 사용한 재생 폼드 혼합물이 전반적으로 우수한 성능을 보였다. 소성변형에 대한 저항성 및 회복탄성계수는 동일한 조건으로 제조된 재생 가열 아스팔트 혼합물과 유사한 결과를 나타냄으로써 혼합된 많은 량의 폐아스팔트를 재활용 가능성이 기대된다.
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