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문제 정의
- 급속 동결융해 실험은 시멘트 콘크리트에 적용하는 동결 융해 저항성 평가 실험으로 본 연구에서는 아스팔트 콘크리트 포장에도 적용 시켜 보았다. 1사이클은 -18℃ → 4℃→ -18℃로 동결상태에서는 건조된 상태이며, 융해 과정은 물이 주입되어 시료가 물에 잠긴 상태에서 적용된다.
- 동결융해로 인한 포장의 파손은 온도의 변화에 의한 포장체의 수축과 팽창으로 발생하는 인장력으로 인해 발생한다. 따라서 온도 변화에 따른 포장체의 변위를 측정함으로써 포장체의 동결융해에 따른 거동 특성을 평가하였다. 그림 1은 실험을 위해 제작된 공시체에 스트레인 게이지(strain gage)를 부착한 모습이며 데이터 로거를 사용하여 변위를 측정하였다.
- 또한 눈이 올 경우 사용되는 제설제는 대부분 염화물계로서 포장체에 화학적 열화를 발생시킬 수 있다. 본 연구에서는 골재간의 맞물림 면적이 적고 고점도의 아스팔트 바인더를 사용한 다공성의 특성을 지닌 배수성 아스팔트 콘크리트 포장의 겨울철 환경하중에 대한 저항성을 알아보기 위해 배수성 아스팔트 콘크리트 포장의 동결 융해 저항성을 평가하고자 한다.
제안 방법
- 30cm×10cm×5cm로 시료를 제작하여 반복적인 동결융해과정을 진행하였으며, 동결융해 사이클의 진행에 따른 질량 손실량과 휨강도의 변화를 측정하였다.
- 일반적인 아스팔트 콘크리트의 동결융해 저항성 평가 실험뿐만 아니라 시멘트 콘크리트 포장에 적용되는 동결 융해 저항성 평가 실험도 검토하였으며, 공극의 영향을 보다 명확히 하기 위해 투수 시멘트 콘크리트 포장과 시멘트 콘크리트 포장도 함께 실험 하였다. 또한 염소이온계 제설제의 영향을 살펴보기 위한 제설제 표면 박리 저항성 실험을 실시하였다.
- 포장 재료의 동결융해 저항성을 평가하기 위한 방법은 여러 가지가 있으며, 포장의 종류에 따라 평가하는 방법에 차이가 있다. 본 연구에서는 5종류의 포장 종류들, 밀입도 아스팔트 콘크리트 포장(DA), 배수성 아스팔트 콘크리트 포장(PA), 배수성 아스팔트 콘크리트 포장에 보수성 시멘트 페이스트를 충진한 보수성 포장(WA), 시멘트 콘크리트 포장(CC), 투수 시멘트 콘크리트 포장(PC)에 대하여 표 1과 같이 평가하였다. 연구에 사용된 골재는 동일 골재원의 화강암 부순 골재를 사용하였으며, 각 포장의 시방 규정에 따른 입도의 골재를 사용하였다.
- 일반적으로는 표 1과 같은 처리를 통해 1사이클 후 처리 전 ⋅ 후의 간접인장 강도비(TSR)를 측정하는 것이 일반적이나, 보다 가혹한 조건을 통해 동결융해 저항성을 평가하고자 10사이클까지 반복 실험 하였다. 수침 시킨 시료는 그림 4와 같이 간접인장강도 실험을 실시하여 아스팔트 콘크리트 포장의 수분과 동결융해에 의한 손상 정도를 평가하였다.
- 실험을 위해 30cm×30cm×5cm의 시료를 제작하고, 고무 재질 다이크를 모서리에 설치하고 10%의 염화칼슘 용액을 5mm 높이로 부은 후, -18℃에 12시간, 상온(20℃)에 12시간 보관하는 것을 1사이클로 하였으며, 수시로 염화칼슘 용액을 보충하였다.
- 일반적인 아스팔트 콘크리트의 동결융해 저항성 평가 실험뿐만 아니라 시멘트 콘크리트 포장에 적용되는 동결 융해 저항성 평가 실험도 검토하였으며, 공극의 영향을 보다 명확히 하기 위해 투수 시멘트 콘크리트 포장과 시멘트 콘크리트 포장도 함께 실험 하였다. 또한 염소이온계 제설제의 영향을 살펴보기 위한 제설제 표면 박리 저항성 실험을 실시하였다.
대상 데이터
- 연구에 사용된 골재는 동일 골재원의 화강암 부순 골재를 사용하였으며, 각 포장의 시방 규정에 따른 입도의 골재를 사용하였다. 밀입도 아스팔트 콘크리트 포장에 사용된 아스팔트 바인더는 AC 60-80의 스트레이트 아스팔트를 사용하였으며, 배수성 아스팔트 콘크리트 포장과 보수성 포장에는 PG 82-22 등급의 폴리머 개질 아스팔트를 사용하였다. 시멘트 콘크리트 포장과 투수 시멘트 콘크리트 포장에 사용된 시멘트는 H사의 1종 보통 포틀랜드 시멘트를 사용하였다.
- 밀입도 아스팔트 콘크리트 포장에 사용된 아스팔트 바인더는 AC 60-80의 스트레이트 아스팔트를 사용하였으며, 배수성 아스팔트 콘크리트 포장과 보수성 포장에는 PG 82-22 등급의 폴리머 개질 아스팔트를 사용하였다. 시멘트 콘크리트 포장과 투수 시멘트 콘크리트 포장에 사용된 시멘트는 H사의 1종 보통 포틀랜드 시멘트를 사용하였다.
- 본 연구에서는 5종류의 포장 종류들, 밀입도 아스팔트 콘크리트 포장(DA), 배수성 아스팔트 콘크리트 포장(PA), 배수성 아스팔트 콘크리트 포장에 보수성 시멘트 페이스트를 충진한 보수성 포장(WA), 시멘트 콘크리트 포장(CC), 투수 시멘트 콘크리트 포장(PC)에 대하여 표 1과 같이 평가하였다. 연구에 사용된 골재는 동일 골재원의 화강암 부순 골재를 사용하였으며, 각 포장의 시방 규정에 따른 입도의 골재를 사용하였다. 밀입도 아스팔트 콘크리트 포장에 사용된 아스팔트 바인더는 AC 60-80의 스트레이트 아스팔트를 사용하였으며, 배수성 아스팔트 콘크리트 포장과 보수성 포장에는 PG 82-22 등급의 폴리머 개질 아스팔트를 사용하였다.
- 25사이클 후의 시료의 상태가 그림 10이다. 이때 투수성 시멘트 콘크리트 포장과 배수성 아스팔트 콘크리트 포장의 경우 공극을 통해 염화칼슘 용액이 내부로 침투하여 표면 용액의 깊이 5mm를 평가하기 어려워 포장 시멘트 콘크리트와 동일한 양의 염화칼슘 용액을 사용하였다.
성능/효과
- 1. 온도에 따른 변위를 측정결과 배수성 아스팔트 콘크리트 포장이 시멘트 콘크리트 포장에 비해 변위가 큰 것으로 나타났으나 밀입도 아스팔트 포장에 비해서는 작은 변위를 보였으며, 물로 완전히 포화된 상태에서는 반복되는 동결융해에 있어 급격히 변위가 증가하는 것으로 나타났다. 또한, 수정 로트만 실험을 통한 수분 민감성 및 동결융해 저항성 실험결과 배수성 아스팔트 콘크리트 포장은 10사이클 후에도 잔류인장 강도비가 0.
- 2. 급속 동결융해 실험을 통해 300사이클의 동결융해 작용결과 배수성 아스팔트 콘크리트 포장의 휨강도 저하율이 시멘트 콘크리트 포장에 비해서 양호한 것으로 나타났으며 골재 탈리나 표면 손상과 같은 육안 관찰 결과도 양호하게 나타났다. 또한, 제설 화학제에 대한 저항성을 살펴보기 위한 표면 박리 저항성 실험에서도 표면 파손이 나타나지 않았으며, 아스팔트 콘크리트 포장은 제설 화학제에 대한 저항성이 양호한 것으로 나타났다.
- 3. 배수성 아스팔트 콘크리트 포장의 공극은 물의 침투가 원활하지만 배수 또한 원활하여 물이 포장체내에 잔류하지 않으며, 시멘트 콘크리트 포장이나 밀입도 아스팔트 콘크리트 포장 내부의 미세 공극과 달리 물의 동결팽창 시에도 자유면의 확보로 내부 압력을 소산시키기 때문에 동결 융해 저항성이 높은 것으로 도출되었다.
- 77로 그 차이가 크지 않다. 그러나 처리 횟수가 늘어남에 따라 그 차이가 더욱 커졌으며 10사이클 후 측정결과 밀입도 아스팔트 콘크리트 포장의 경우 잔류인장강도비가 0.46으로 간접인장강도의 손실이 커지나 배수성 아스팔트 콘크리트 포장의 경우는 0.7 이상의 잔류인장강도비를 나타내었다. 로트만 실험에서는 물이 공극의 70~80%를 채우도록 되어 있으며, 배수성 아스팔트 콘크리트 포장의 경우 물로 채워지지 않은 공극도 충분히 크기 때문에 수분 팽창이나 포장체의 수축에 의한 내부 압력을 흡수하기 때문인 것으로 보인다.
- 그림 10에서와 같이 시멘트 콘크리트 포장의 경우 표면에 부분적인 파손이 발생하는 것을 확인 할 수 있었으며, 투수 시멘트 콘크리트 포장의 경우 포장의 기능을 완전히 상실하여 손으로 건드리기만 해도 포장체의 골재가 탈리되어 그림 10의 우측 상단과 같이 시멘트 페이스트 피복이 완전히 벗겨져 골재가 드러난 것을 확인하였다. 반면 밀입도 아스팔트 콘크리트 포장과 배수성 아스팔트 콘크리트 포장은 거의 변화가 발생하지 않았다.
- 그림 9에 나타난 것과 같이 잔류 휨강도비를 살펴보면, 투수 시멘트 콘크리트 포장의 경우 급속한 강도 저하가 발생함을 알 수 있으며, 시멘트 콘크리트 포장, 밀입도 아스팔트 콘크리트 포장과 시멘트 콘크리트 포장의 잔류강도비가 비슷한 경향을 나타내었다. 다공성 특성을 지닌 투수 시멘트 콘크리트 포장과 배수성 아스팔트 포장의 경우 배수성 아스팔트 콘크리트 포장이 투수 시멘트 콘크리트 포장보다 잔류 강도비가 우수함을 알 수 있었다.
- 시멘트 콘크리트 포장의 경우 표면에 침투된 수분이 동결 과정에서 팽창하며 강도의 손상을 나타내기 때문인 것으로 판단되며, 아스팔트 콘크리트 포장의 경우 밀입도는 불투수성이고 배수성의 경우 침투한 수분이 원활히 배출되어 동결시 팽창 작용을 하지 않음으로써 상대적으로 휨강도 저하율이 양호하게 나타났다. 다만 시멘트 콘크리트 포장을 제외한 나머지 시료의 휨강도 값이 매우 작기 때문에 휨강도의 저하로 동결융해 저항성을 평가하기에는 다소 무리가 있는 것으로 나타났다.
- 로트만 실험에서는 물이 공극의 70~80%를 채우도록 되어 있으며, 배수성 아스팔트 콘크리트 포장의 경우 물로 채워지지 않은 공극도 충분히 크기 때문에 수분 팽창이나 포장체의 수축에 의한 내부 압력을 흡수하기 때문인 것으로 보인다. 또한 배수성 포장에 사용되는 고점도의 바인더와 상대적으로 높은 바인더 함량은 피복 두께를 증가시켜 수분 민감성을 향상 시키는 것으로 나타났다.
- 이는 건조상태에서의 체적 변화는 골재와 바인더의 온도에 따른 수축과 팽창에 의한 것으로 체적 중 20%가 공극인 배수성 아스팔트에 비해 4%가 공극인 밀입도 아스팔트 콘크리트 포장의 변위가 더 크게 나타난 것이다. 또한 사이클이 반복될수록 변위의 크기가 커지는 것을 알 수 있었으며 이는 겨울철 밤사이 포장의 온도가 낮아지고 낮 동안 온도가 올라가는 상황이 반복되면 아스팔트 콘크리트 포장의 파손이 급격히 진행 될 수 있음을 알 수 있었다.
- 온도에 따른 변위를 측정결과 배수성 아스팔트 콘크리트 포장이 시멘트 콘크리트 포장에 비해 변위가 큰 것으로 나타났으나 밀입도 아스팔트 포장에 비해서는 작은 변위를 보였으며, 물로 완전히 포화된 상태에서는 반복되는 동결융해에 있어 급격히 변위가 증가하는 것으로 나타났다. 또한, 수정 로트만 실험을 통한 수분 민감성 및 동결융해 저항성 실험결과 배수성 아스팔트 콘크리트 포장은 10사이클 후에도 잔류인장 강도비가 0.71로 양호한 값을 나타냈다.
- 급속 동결융해 실험을 통해 300사이클의 동결융해 작용결과 배수성 아스팔트 콘크리트 포장의 휨강도 저하율이 시멘트 콘크리트 포장에 비해서 양호한 것으로 나타났으며 골재 탈리나 표면 손상과 같은 육안 관찰 결과도 양호하게 나타났다. 또한, 제설 화학제에 대한 저항성을 살펴보기 위한 표면 박리 저항성 실험에서도 표면 파손이 나타나지 않았으며, 아스팔트 콘크리트 포장은 제설 화학제에 대한 저항성이 양호한 것으로 나타났다.
- 표 3은 측정된 휨강도 값이다. 시멘트 콘크리트 포장의 휨강도가 다른 포장에 비해 높은 강도 값을 나타내나 300사이클의 동결 융해 과정에서 휨강도 저하의 기울기가 -0.48로 급격한 강도 저하가 나타난 반면 배수성 아스팔트 콘크리트 포장은 -0.11의 기울기로 휨강도가 저하하여 강도 저하율 자체는 시멘트 콘크리트 포장에 비해 양호한 것으로 나타났다. 그림 9에 나타난 것과 같이 잔류 휨강도비를 살펴보면, 투수 시멘트 콘크리트 포장의 경우 급속한 강도 저하가 발생함을 알 수 있으며, 시멘트 콘크리트 포장, 밀입도 아스팔트 콘크리트 포장과 시멘트 콘크리트 포장의 잔류강도비가 비슷한 경향을 나타내었다.
- 표 4는 ASTM C 672의 평가표를 기준으로 각 재료를 평가한 것으로 시멘트 콘크리트 포장은 3, 투수 시멘트 콘크리트 포장은 5로 나쁜 상태로 평가되었으나 아스팔트 콘크리트 포장은 0으로 매우 양호한 상태로 평가되었다. 아스팔트 콘크리트는 비교적 내화학성이 우수한 포장 재료이며, 아스팔트 바인더와 염소이온은 화학적 반응을 하지 않기 때문에 제설제에 의한 파손 현상이 발생하지 않는 것으로 나타났다.
- 이는 강성체인 시멘트 콘크리트 포장의 경우 온도에 따른 변위 발생이 상대적으로 작은 것을 알 수 있으며 반면 연성 포장 재료인 배수성 아스팔트 콘크리트 포장과 밀입도 아스팔트 콘크리트 포장은 온도 변화에 따라 큰 변위가 발생함을 알 수 있었다. 특히 공극률이 4%인 밀입도 아스팔트 콘크리트 포장의 변위에 비해 공극률이 20%인 배수성 아스팔트 콘크리트 포장의 변위가 60% 가량 적게 나타났다. 이는 건조상태에서의 체적 변화는 골재와 바인더의 온도에 따른 수축과 팽창에 의한 것으로 체적 중 20%가 공극인 배수성 아스팔트에 비해 4%가 공극인 밀입도 아스팔트 콘크리트 포장의 변위가 더 크게 나타난 것이다.
- 표 4는 ASTM C 672의 평가표를 기준으로 각 재료를 평가한 것으로 시멘트 콘크리트 포장은 3, 투수 시멘트 콘크리트 포장은 5로 나쁜 상태로 평가되었으나 아스팔트 콘크리트 포장은 0으로 매우 양호한 상태로 평가되었다. 아스팔트 콘크리트는 비교적 내화학성이 우수한 포장 재료이며, 아스팔트 바인더와 염소이온은 화학적 반응을 하지 않기 때문에 제설제에 의한 파손 현상이 발생하지 않는 것으로 나타났다.
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