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문제 정의
- 본 논문에서는 아스팔트 혼합물의 실내 선회다짐기의 다짐횟수에 대한 적정성 검토를 위해 마샬다짐기와 비교를 통해 다양한 온도에서의 다짐 효과 연구를 수행하였으며 다음과 같은 결론을 얻었다.
- 특히 새로이 적용이 되기 시작한 중온아스팔트(Warm mix asphalt: WMA) 혼합물에 대한 검증은 전무한 상태이다. 이에 본 연구에서는 국내에서 일반적으로 사용되는 가열 아스팔트 혼합물 2가지와 WMA 혼합물 1가지에 대해서 다양한 조건으로 지침에 제시된 선회다짐기의 다짐횟수에 대한 적정성을 검토하는데 그 목적이 있다.
가설 설정
- 이때의 공극률 ±0.5(즉, 1%)의 차이는 공용성 평가에서 큰 영향을 미치지 않는 것으로 가정한다.
제안 방법
- 그림 4~6은 다짐온도별 다짐기 간의 상관관계를 공극률로 보여주고 있다. 각각의 다짐온도는 아스팔트 함량 4.0%에서부터 0.5%씩 증가하여 6.0%까지 아스팔트 함량별로 6개씩 공시체를 제작하여 평가하였다. 일반적으로 아스팔트 함량의 증감에 따라 공극률은 낮거나 높게 되므로, 그림에서 공극률이 높은 점들은 아스팔트 함량이 낮고 낮은 점들은 함량이 높은 부분이다.
- 표 1은 선정된 골재의 물리적 성질을 보여 주고있다. 굵은골재 최대치수를 19mm와 13mm에 잔골재, 채움재와 혼합하여 각각 밀입도 규격에 적합한 입도로 조정하여 실험을 수행하였다(그림 2~그림 3).
- 이를 바탕으로 HMA용 PG64-22와 76-22는 각각 135℃와 155℃를 현장 다짐온도로 보고 그 위 아래로 각각 20℃를 가감하여 혼합물을 제조하였다. 그리고 중온화 바인더인 PG70-22는 135℃를 최고의 다짐온도로 보고 그 밑으로 얼마나 낮은 온도에서의 다짐이 가능한지를 보기위해 20℃씩 3단계를 낮추어 제조하였다. 이와 같이 결정한 다짐온도를 표 3에서 보여주고 있다.
- 이 온도는 혼합물을 1시간 단기노화 시킨 온도이므로 실제 다짐온도는 약간 낮을 수 있으나 신속한 다짐으로 그 차이는 미미하였다. 또한 다짐 초기와 다짐 후기에 다소의 온도차이도 있을 수 있으나 그 변화를 일일이 측정하기란 쉽지 않으므로 혼합물이 다짐몰드에 들어가는 온도인 상기 온도를 다짐온도로 간주하였다.
- 선회다짐기를 최초로 도입한 미국은 선회 다짐횟수 선정을 위하여 현장 밀도와 일치하는 선회다짐기의 횟수를 선회 다짐횟수로 결정하였다. 또한 포장의 초기밀도, 고온에서의 PG등급, 누적 등가축하중(Accumulated ESALs)등을 고려하여 2년 공용 후 밀도의 비율을 100회로 선정하였다(NCHRP, 2002).
- 선회다짐기의 다짐 횟수를 선정하기 위하여 Oliver 등(1993)은 Marshall과 Gyropac 다짐기의 밀도를 비교하여, 마샬 75회에 대응되는 선회 다짐횟수를 120회 결정하였다. 또한, AUSTROADS 배합설계는 교통량을 3가지로 구분하고 있으며, 각각의 교통량에 대한 Gyropac의 횟수를 선정하였다.
- 한국형 포장 설계법(2008)에서는 선회다짐기를 도입하는 방안에 대한 연구를 진행하여 ‘아스팔트 혼합물 생산 및 시공 지침’에 도입하였다. 마샬 다짐 50회와 75회에 대응하는 선회 다짐횟수를 75회와 100회로 선정하여 적용하였다.
- 마샬다짐기와 선회다짐기의 다짐 정도 차이를 비교하기 위하여 같은 혼합물의 공시체를 두 다짐기로 제조하였다. 두 다짐기의 다짐정도 차이는 용적특성중 공극률을 이용하여 비교 분석하였다.
- 배합설계는 상기 각각의 온도로 아스팔트 함량을 4.5%, 5.0%, 5.5%, 6.0%까지 4단계로 변화시켜가며 선회다짐 횟수 100회, 마샬다짐 횟수 75회로 혼합물을 다짐하였다. 비빈 혼합물(loose-mix)은 다짐 전 1시간동안 오븐에 각각의 다짐온도에서 단기노화(short-term aging) 시켰으며 이때 몰드도 함께 넣어 같은 온도를 유지토록 하였다.
- 배합설계에서는 최적 아스팔트 함량(Optimum asphalt content: OAC)을 아스팔트 혼합물의 용적특성인 공극률((Air-void), VFA (void filled with asphalt)와 VMA(void in mineral aggregate)와 변형강도를 이용하여 결정한다. 이 세 가지 특성 중 본 논문에서는 공극률 분석을 통하여 두 다짐기 사이의 특성을 평가하였다.
- 본 비교 실험에서는 3가지 아스팔트 바인더를 사용하여 혼합물을 각각 4가지 온도에서 혼합 및 다짐하여 직경 100mm 공시체를 제조하고 용적특성을 분석하였다. 3가지 바인더는 가열아스팔트 혼합물(hot-mix asphalt: HMA)용 PG64-22와 PG76-22 한가지 씩과, 중온아스팔트 혼합물(warm-mix asphalt: WMA)용 PG70-22 한가지이다.
- 0)이며, 다원분산분석(Multi-way ANOVA) 방법을 사용하였다. 분산분석의 인자(source variable)로는 바인더 종류, 다짐온도, 아스팔트 함량, 다짐기를 사용하였으며, 이들 각 인자가 밀도에 미치는 영향을 굵은골재 최대치수 별로 통계적 유의성을 분석하였다.
- 배합설계에서는 최적 아스팔트 함량(Optimum asphalt content: OAC)을 아스팔트 혼합물의 용적특성인 공극률((Air-void), VFA (void filled with asphalt)와 VMA(void in mineral aggregate)와 변형강도를 이용하여 결정한다. 이 세 가지 특성 중 본 논문에서는 공극률 분석을 통하여 두 다짐기 사이의 특성을 평가하였다. VMA의 경우 모든 혼합물에서 거의 기준치를 크게 상회하며 만족하여 분석의 의미가 없었다.
- 표 2는 각각의 아스팔트 바인더 생산자가 제시하고 있는 다짐온도를 보여준다. 이를 바탕으로 HMA용 PG64-22와 76-22는 각각 135℃와 155℃를 현장 다짐온도로 보고 그 위 아래로 각각 20℃를 가감하여 혼합물을 제조하였다. 그리고 중온화 바인더인 PG70-22는 135℃를 최고의 다짐온도로 보고 그 밑으로 얼마나 낮은 온도에서의 다짐이 가능한지를 보기위해 20℃씩 3단계를 낮추어 제조하였다.
대상 데이터
- 골재 품질에 따른 아스팔트 혼합물의 영향이 크므로, 골재의 영향을 최소화하기 위하여 편장석(flat and elongated particles) 비율이 낮은 1등급 골재를 선정하였다. 표 1은 선정된 골재의 물리적 성질을 보여 주고있다.
- 아스팔트 혼합물의 작업온도를 30~50℃ 낮추어 중온에서 작업이 가능하게 하기 위해서는 상온에서는 고체 상태이면서 중온에서는 유체로 변하는 분자량 수백 정도로 낮은 물질로 바인더의 융점을 낮추기 위하여 Wax계의 컴파운드를 사용하였다. 또한, 개질제로는 가루 형태의 폴리머로 LDPE(Low-Density Polyethylene)를 사용하였다. 특히 LDPE는 종류에 따라 차이가 있지만 작업온도범위(110~130℃)에서 아스팔트 혼합물의 작업성에 지장을 주지 않는 대표적인 폴리머 중 하나이다.
- 본 논문에서는 ESAL>107에 해당하는 마샬다짐 75회와 선회다짐 100회에 대한 다짐기별 다짐 특성만을 연구하였다.
- 사용된 재료는 바인더 3종류와 골재입도 2가지이며 이를 4가지 온도에서 총 24 조합의 혼합물로 6개씩 총 576개의 공시체를 제조하였으며, 다짐횟수 비교 실험에 대한 흐름도는 그림 1과 같다.
- 아스팔트 혼합물의 변형강도(Kim et al. 2011) 및 간접인장강도 등과 같은 공용성 평가를 하기위해서는 동일한 아스팔트 함량으로 3개의 공시체를 제조한다. 이때 각각의 공시체는 시험에 사용되는 공극률(보통 4%를 기준 공극률로 사용) 기준 ±0.
데이터처리
- 겉보기 밀도의 특성을 통계적 분석을 통해 각종 실험 인자의 유의성 분석을 수행하였다. 사용된 통계 Software는 Statistical Analysis System (SAS 9.
- 마샬다짐기와 선회다짐기의 다짐 정도 차이를 비교하기 위하여 같은 혼합물의 공시체를 두 다짐기로 제조하였다. 두 다짐기의 다짐정도 차이는 용적특성중 공극률을 이용하여 비교 분석하였다.
- 겉보기 밀도의 특성을 통계적 분석을 통해 각종 실험 인자의 유의성 분석을 수행하였다. 사용된 통계 Software는 Statistical Analysis System (SAS 9.0)이며, 다원분산분석(Multi-way ANOVA) 방법을 사용하였다. 분산분석의 인자(source variable)로는 바인더 종류, 다짐온도, 아스팔트 함량, 다짐기를 사용하였으며, 이들 각 인자가 밀도에 미치는 영향을 굵은골재 최대치수 별로 통계적 유의성을 분석하였다.
이론/모형
- 특히 LDPE는 종류에 따라 차이가 있지만 작업온도범위(110~130℃)에서 아스팔트 혼합물의 작업성에 지장을 주지 않는 대표적인 폴리머 중 하나이다. 그 외에 성형성의 강화, 스티프네스 강화 등을 위해 미량의 첨가제들이 추가 투입되어 개발된 중온 고내구성 아스팔트(Durable Semi-hot-mix Asphalt: DSA)를 사용하였다.
성능/효과
- 1. 13mm 골재 밀입도 혼합물의 경우 일정 온도 이상에서는 선회다짐기의 다짐횟수 100회는 마샬 다짐기 양면 75회와 공극률로 비교한 결과 유사하거나 더 나은 다짐량을 보이는 것으로 나타났으며 이는 가열혼합물은 물론 중온혼합물에서도 유사하게 나타났다.
- 2. 하지만 일정 다짐온도 이하로 다졌을 경우 두 다짐기의 다짐 량에 차이를 나타내어 다짐온도를 확보하여 다짐하는 것이 매우 중요한 것으로 나타났다.
- 3. 13mm보다는 19mm와 같은 최대 입경이 큰 골재 혼합물의 경우 롤러 방식으로 밀며 눌러 다지는 선회다짐기가 더 좋은 다짐 효과를 나타내었다.
- 4. 두 다짐기의 공극률의 차이는 1% 정도를 보여 선회다짐기가 다짐 량이 더 크며 19mm 혼합물에서 통계적 유의차가 나타나는 것을 알 수 있었다. 하지만 13mm의 경우 두 다짐기 사이의 다짐량은 유의차가 없는 것으로 나타났다.
- 5. “가열 아스팔트 혼합물의 생산 및 시공”에서 제시한 선회다짐횟수 100회는 지침에서 제시한 아스팔트 혼합물의 다짐온도를 준수한다면 마샬다짐기 양면 75회 다짐과 유사하거나 다소 좋은 다짐 량을 나타낸다는 결론을 얻었다.
- 하지만 155℃의 경우 그 차이가 미미하며 공극률도 1~7%에 고르게 분포되어 다짐이 잘 된것으로 판단되며 155℃ 이상을 유지하면 두 다짐기 간에 차이가 없는 것으로 사료된다. PG76-22 개질 아스팔트의 국토해양부 지침의 기준 다짐온도는 155℃ 이상이며, 본 실험결과에서도 이를 입증한 결과를 보여주었다.
- 공극률에 대한 분석결과 유의수준 5% (α=0.05)에서 바인더의 종류, 다짐온도, 아스팔트 함량의 유의확률(Pr>F값)이 <0.0001을 보여 공극률에 크게 영향을 미치는 것으로 13mm 및 19mm 모두에서 나타났다.
- 왜냐하면 115℃에서는 대부분이 공극률 4% 이상으로 다져졌고, 135℃에서는 선회다짐에 비해 마샬다짐이 공극률 1~2% 덜 다져졌기 때문이다. 그러나 155, 175℃의 다짐은 비교적 양호하며 두 다짐기 간의 공극률 차이도 약 1%이내로 나타나 155℃ 이상에서 두 다짐기 모두 다짐이 잘되는 것으로 확인되었다.
- 그리고 135℃에서는 두 다짐기 모두 다짐이 충분히 잘됨을 알 수 있다. 따라서 중온 혼합물이라도 다짐온도만 확보되면 선회다짐기가 마샬과 유사하거나 더 잘 다져짐을 확인하였다. 중온아스팔트 바인더의 제조사의 제시 기준 다짐온도는 115℃인데 본 실험결과는 75℃를 제외하고는 115℃는 물론 95℃부터 135℃까지 모두에서 다짐이 잘 이루어짐을 알 수 있었다.
- 그리고 135℃에서는 두 다짐기 모두 과다한 다짐이 이루어짐을 알 수 있다. 이를 통해 19mm 중온혼합물의 경우도 최소한의 온도만 확보된다면 선회다짐기의 다짐이 마샬다짐과 같거나 더 잘된다는 것을 확인할 수 있었다.
- 이상의 결과에서 13mm에 비해 19mm는 마샬다짐에 의한 공극률이 선회다짐보다 약 1% 정도 높아 선회다짐이 더 잘되는 것을 알 수 있다. 이는 골재 치수에 따른 차이로 볼 수 있다.
- 따라서 중온 혼합물이라도 다짐온도만 확보되면 선회다짐기가 마샬과 유사하거나 더 잘 다져짐을 확인하였다. 중온아스팔트 바인더의 제조사의 제시 기준 다짐온도는 115℃인데 본 실험결과는 75℃를 제외하고는 115℃는 물론 95℃부터 135℃까지 모두에서 다짐이 잘 이루어짐을 알 수 있었다. 하지만 보다 안전하게 다짐 량을 확보하기 위해서는 95℃보다는 높은 온도에서 다짐을 수행하는 것이 바람직할 것이다.
- 0001을 보여 공극률에 크게 영향을 미치는 것으로 13mm 및 19mm 모두에서 나타났다. 하지만, 13mm 입도에서 다짐기 변수는 유의수준 5%에서 유의 확률이 0.1150으로 공극률에 영향을 미치지 않는 것으로 나타난 반면에, 19mm 입도에서는 0.0002로 공극률에 영향을 미치는 것으로 나타났다. 이와 같은 통계분석 결과는 앞의 다짐기 종류에 따른 공극률 변화분석과 동일한 결과를 보여주고 있으며, 19mm 입도는 굵은골재 최대치수가 크기 때문에 다짐하는 방법에 따라서 공극 률에 영향을 미치는 것이다.
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