[논문]아스파민을 사용한 중온아스팔트혼합물의 실험적 평가와 포장설계 비교평가

진명섭

doi:10.7855/ijhe.2011.13.1.041

문제 정의

현재까지의 문헌연구를 종합해 보면 WMA를 시용해도 혼합시 작업성이나 시료의 구조에 변화가 없었으며 혼합온도와 다짐온도를 낮춤으로써 오히려 소성변형가능성이 낮아진다는 것을 알 수 있다. 그러나 WMA의 사용이 포장설계에 미치는 영향을 분석한 연구가 미비한 실정이므로, 본 연구에서는 폼드화 기술로 생산된 WMA 첨가제인 아스파민을 사용한 WMA혼합물에 대해, 대표적인 재료의 역학시험인 회복탄성계수시험을 실시하고, 이 결과를 새로운 포장설계법인 MEPDG의 입력변수로 포장설계를 수행하여 소성변형 결과를 분석하고자 한다.
다만, 낮은 온도에서 혼합이 가능하도록 하기 위해서 아스팔트의 점도를 낮추어 골재피복을 도와주는 첨가제가 필요하다. 본 연구에서는 WMA를 생산하기 위해 현재까지 개발된 기술과 방법, 그리고 첨가제의 종류를 알아보고, 이 중 대표적인 첨가제를 이용하여 WMA를 제조하고 실험을 통하여 WMA의 성능을 평가하고자 한다.
본 연구에서는 기존혼합물과 WMA 혼합물에 대해 회복탄성계수실험을 실시하고, 이 결과를 새로운 포장설계방법인 역학적-경험적 설계방법, 즉 MEPDG(MechanisticEmpirical Pavement Design Guide)의 설계변수로 하여 포장설계를 시행하여 예상소성변형을 비교해 보고자 한다.

제안 방법

대부분의 아스파민 첨가 혼합물 즉 WMA시료는 회복탄성계수값이 비교용 시료와 비교하여 일부를 제외하고 더 큰 것을 알 수 있다. 0.5% 아스파민 첨가 혼합물을 120℃에서 다진 시료가 21.1℃를 제외하고 비교적 가장 큰 회복탄성계수값을 보여주는데, 이것이 포장의 파손결과에는 어떠한 영향을 미치는지 MEPDG분석을 통해 알아보았다.
MEPDG 프로그램 분석으로 소성변형, 피로균열과 같은 포장손상들의 예상값이 출력되는데, 본 연구에서는 MEPDG를 이용하여 얻어지는 예상 소성변형값을 비교용 포장손상값으로 사용하였다. 아래 그림 13은 본 연구에서 사용한 5가지 시료에 대한 포장수명 10년 동안의 예상 소성변형값을 나타낸다.
먼저 각각의 다른 온도, 본 연구에서는 -5℃, 4℃, 21.1℃의 세 온도와 각각의 온도에서 6가지의 주파수별로 측정한 회복탄성계수를 log-log지에 그린다. 이 세 그래프를 기준 온도, 본 연구에서는 4℃에 맞추어 이동시켜 한 개의 지배곡선을 그리기 위해 다음과 같이 각 온도에서 회복탄성계수와 주파수와의 회귀직선식을 구한다.
역학적-경험적 포장설계법(Mechanistic-Empirical Pavement Design Guide : MEPDG, 이하 MEPDG로 명명함)은 기존의 경험적 설계방법인 AASHTO 설계법을 대체할 새로운 설계법으로써 포장재료의 역학적 실험값을 입력하여 예측되는 포장파손을 결과물로 출력할 수 있다. 먼저, 설정된 포장 단면에 대해 구조해석을 실시하여 각 지점에서의 응력, 변형률, 처짐 등을 계산한다. 입력된 설계기간 동안 교통량이나 환경 변수, 재료의 특성에 따라 포장 손상이 축적되며 이는 개발된 포장 손상 모델을 이용하여 소성변형, 균열율, 요철량 등의 포장 손상 예상값을 출력할 수 있도록 한다.
반면, Level 3는 프로그램에 저장되어 있는 기존값들을 사용하므로 재료에 대한 실험이 필요 없는 설계수준이고 Level 2는 입력을 위해 부분적인 실험이 필요한 중간 단계 수준의 설계이다. 본 연구에서는 소성변형값을 예측, 비교하기 위하여 본 연구에서 수행한 회복탄성계수의 실험값 입력은 Level 1 설계를 사용하였고, 그 외의 온도균열과 크리이프값의 예측에 필요한 입력값은 Level 3의 디폴트값을 사용하였다. 본 연구에서 수행한 4가지의 WMA시료와 비교시료인 WMA의 회복탄성계수값 외의 다른 변수들은 동일한 값을 사용하였다.
회복탄성계수는 동하중하에서의 축차응력과 회복수직변위의 비로써 MEPDG의 중요한 재료입력변수이다. 본 연구에서는, -5℃, 4℃, 21.1℃의 온도에서 각각 0.1Hz, 0.5Hz, 1Hz, 5Hz, 10Hz, 25Hz의 주파수를 갖는 동하중을 이용하여 실험이 행해졌다. 하중은 수직변위가 50~150με발생하는 크기의 반사인파하중(sinusoidal loading)으로 가했고, 변위는 시료주변의 세 지점에 설치된 변위계를 이용하여 측정하였다.
하중은 수직변위가 50~150με발생하는 크기의 반사인파하중(sinusoidal loading)으로 가했고, 변위는 시료주변의 세 지점에 설치된 변위계를 이용하여 측정하였다. 사용된 혼합물은 5종류로, 비교용 시료, 0.3% 아스파민 첨가 혼합물로써 100℃에서 다진 시료와 120℃에서 다진 시료, 0.5% 아스파민 첨가 혼합물로써 100℃에서 다진 시료와 120℃에서 다진 시료이다. 이 시료들은 표 2와 같이 분류하였다.
5% 비율로 비교용 HMA시료에 혼합하였다. 아스파민을 사용하여 WMA시료를 제작할 때 별도의 배합설계는 불필요하여 HMA의 배합설계로 제작된 시료에 무게만 측정하여 혼합하였다. 본 연구에서 사용한 아스파민은 분말가루 형태로 다음 그림 1과 같은 크기이며 25kg 포장으로 공급된 것을 사용하였다.
1℃의 세 온도와 각각의 온도에서 6가지의 주파수별로 측정한 회복탄성계수를 log-log지에 그린다. 이 세 그래프를 기준 온도, 본 연구에서는 4℃에 맞추어 이동시켜 한 개의 지배곡선을 그리기 위해 다음과 같이 각 온도에서 회복탄성계수와 주파수와의 회귀직선식을 구한다.
하중은 수직변위가 50~150με발생하는 크기의 반사인파하중(sinusoidal loading)으로 가했고, 변위는 시료주변의 세 지점에 설치된 변위계를 이용하여 측정하였다.

대상 데이터

아스파민을 사용하여 WMA시료를 제작할 때 별도의 배합설계는 불필요하여 HMA의 배합설계로 제작된 시료에 무게만 측정하여 혼합하였다. 본 연구에서 사용한 아스파민은 분말가루 형태로 다음 그림 1과 같은 크기이며 25kg 포장으로 공급된 것을 사용하였다.
본 연구에서는 PG 64-28 바인더가 사용되었으며 최대공칭치수 12.5mm의 같은 골재와 아스팔트함량을 사용하여 비교용 HMA시료와 WMA시료를 제작하였다. WMA시료에 첨가되는 아스파민은 혼합물 전체 중량의 0.
MEPDG의 또 다른 특징은 도로설계가 이루어지는 지역의 다양한 기후자료와 교통자료를 입력하여 환경적 요인이 포장설계에 미치는 영향을 반영한다는 것이다. 본 연구에서는 저자가 방문교수로 있던 미국 미시건주 랜싱시의 기후자료와 교통자료를 이용하였다. 아래의 표 6은 표층의 월평균기온, 표 7은 기층의 월평균기온 자료를 보여준다.

데이터처리

5%의 아스파민혼합 WMA시료는 각각 100℃와 120℃에서 다짐이 행해졌다. 이 시료들에 대한 회복탄성계수시험을 실시하여 MEPDG포장설계분석에 이용하였다. 그림 2는 본 연구의 실험설계 흐름도를 보여준다.

성능/효과

혼합물이 충분한 워커빌리티를 발휘하는 100℃~120℃의 온도에 이르러 폼드작용이 거의 끝날 때 다짐작업이 수행된다. 따라서, 비교용 HMA시료는 142℃ 온도에서 자이러토리 다짐기로 다짐하였고, 0.3%의 아스파민혼합 WMA시료와 0.5%의 아스파민혼합 WMA시료는 각각 100℃와 120℃에서 다짐이 행해졌다. 이 시료들에 대한 회복탄성계수시험을 실시하여 MEPDG포장설계분석에 이용하였다.
또한 MEPDG설계법으로 일반시료와 WMA시료에 대한 소성변형값을 비교한 결과, WMA시료의 소성변형값이 훨씬 더 낮음을 알 수 있었다. 이는 WMA를 이용한 포장이 소성변형에 대한 저항성을 향상시켜줌으로써 향후 이를 적극적으로 활용할 수 있는 가능성을 제시해 준 것이라고 할 수 있다.
WMA는 고온혼합과 다짐할 때 발생하는 가스분출을 줄이면서 더 낮은 온도에서 혼합과 다짐을 시행할 수 있는 혼합물이다. 문헌 연구 결과 아스파민을 첨가한 WMA시료는 워커빌리티도 향상시키고, 혼합온도와 다짐온도를 낮출 수 있다는 것이 밝혀졌다. 본 연구에서 비교용 시료와 WMA시료에 대해 동적회복탄성계수실험을 실시한 결과 아스파민을 첨가한 WMA시료의 회복탄성계수값이 비교용 시료에 비해 대체로 더 크다는 것을 알 수 있었다.
이는 WMA를 이용한 포장이 소성변형에 대한 저항성을 향상시켜줌으로써 향후 이를 적극적으로 활용할 수 있는 가능성을 제시해 준 것이라고 할 수 있다. 문헌연구에서 언급한 바와 같이 독일의 WMA 단면의 소성변형과 균열율이 HMA와 비슷하거나 더 향상된 공용성 분석자료와도 일치하는 결과를 보여 준다.그러나 본 연구의 결과는 실내 시험과 포장설계를 통해 얻은 제한된 결과물로써, 실제 현장에서 WMA를 적용시 골재의 품질이나 낮은 생산온도로 인해 수분민감성이 증가할 수 있으므로 이에 대한 대비를 철저히 마련해야 할 것이다.
문헌 연구 결과 아스파민을 첨가한 WMA시료는 워커빌리티도 향상시키고, 혼합온도와 다짐온도를 낮출 수 있다는 것이 밝혀졌다. 본 연구에서 비교용 시료와 WMA시료에 대해 동적회복탄성계수실험을 실시한 결과 아스파민을 첨가한 WMA시료의 회복탄성계수값이 비교용 시료에 비해 대체로 더 크다는 것을 알 수 있었다.
미국의 미주리주에서 행한 WMA와 HMA의 공용성 현장조사에서도(Schroer 2006) 비슷한 결과를 나타내었다. 즉 HMA를 사용한 시험단면과 Aspha-min, Sasobit, Evotherm을 사용한 WMA 시험단면의 소성변형을 측정한 결과, HMA단면이 1.1mm, Aspha-min 단면이 0.3mm, Sasobit 단면이 0.8mm, Evotherm 단면이 1.1mm로써 Aspha-min을 사용한 WMA 단면이 가장 우수한 소성변형 저항성을 보여 주었다.
현재까지의 문헌연구를 종합해 보면 WMA를 시용해도 혼합시 작업성이나 시료의 구조에 변화가 없었으며 혼합온도와 다짐온도를 낮춤으로써 오히려 소성변형가능성이 낮아진다는 것을 알 수 있다. 그러나 WMA의 사용이 포장설계에 미치는 영향을 분석한 연구가 미비한 실정이므로, 본 연구에서는 폼드화 기술로 생산된 WMA 첨가제인 아스파민을 사용한 WMA혼합물에 대해, 대표적인 재료의 역학시험인 회복탄성계수시험을 실시하고, 이 결과를 새로운 포장설계법인 MEPDG의 입력변수로 포장설계를 수행하여 소성변형 결과를 분석하고자 한다.

후속연구

문헌연구에서 언급한 바와 같이 독일의 WMA 단면의 소성변형과 균열율이 HMA와 비슷하거나 더 향상된 공용성 분석자료와도 일치하는 결과를 보여 준다.그러나 본 연구의 결과는 실내 시험과 포장설계를 통해 얻은 제한된 결과물로써, 실제 현장에서 WMA를 적용시 골재의 품질이나 낮은 생산온도로 인해 수분민감성이 증가할 수 있으므로 이에 대한 대비를 철저히 마련해야 할 것이다.
따라서 아스파민을 첨가함으로써 중온에서 포설이 가능하도록 할 뿐만 아니라 소성변형에 대한 저항성도 향상시켜 준다는 것을 알 수 있다. 본 연구의 결과는 예비시험결과이며, 향후 현장공용성을 평가하고 다양한 변수 조합을 통한 지속적 실험으로 WMA의 역학적 성능을 평가해야 할 것이다.
앞으로의 과제는 WMA포장의 장기공용성을 현장에서 확인하고 좀 더 다양한 변수를 활용한 실험과 MEPDG설계분석을 실시하는 것이다.
또한 MEPDG설계법으로 일반시료와 WMA시료에 대한 소성변형값을 비교한 결과, WMA시료의 소성변형값이 훨씬 더 낮음을 알 수 있었다. 이는 WMA를 이용한 포장이 소성변형에 대한 저항성을 향상시켜줌으로써 향후 이를 적극적으로 활용할 수 있는 가능성을 제시해 준 것이라고 할 수 있다. 문헌연구에서 언급한 바와 같이 독일의 WMA 단면의 소성변형과 균열율이 HMA와 비슷하거나 더 향상된 공용성 분석자료와도 일치하는 결과를 보여 준다.

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	전통적으로 생산되고 있는 고온아스팔트혼합물은 생산시 배출온도가 얼마에 이르는가?	이러한 노력의 일환으로 중온아스팔트혼합물(Warm-Mix Asphalt; WMA, 이하‘WMA’로 명명함)생산이 새로운 대안으로 부각되고 있다. 전통적으로 생산되고 있는 고온아스팔트혼합물(Hot-Mix Asphalt; HMA, 이하 ‘HMA’로 명명함)은 생산시 배출온도가 약 130℃에서 160℃에 이른다. 이 때 골재와 아스팔트를 혼합온도에 이르도록 지속적으로 가열해야 하므로, 소비되는 연료량은 상당히 크고, 따라서 에너지 비용과 온실가스 배출의 증가를 유발한다.
	WMA는 어떤 기술이며 특징은 무엇인가?	WMA는 유럽에서 시작된 새로운 방식의 아스팔트혼합물 생산기술로써, 기존의 생산설비와 시방서기준을 그대로 사용하면서 혼합온도와 다짐온도를 상당히 낮출 수 있다. 기존의 HMA의 혼합온도가 약 130℃~160℃인 것에 비해, WMA는 약 110℃~140℃의 혼합온도에서 생산이 가능한 것으로 알려져 있다(Jones 2004).

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