[논문]재생 아스팔트 첨가제의 성능비교 연구

김인수; 강민수; 서영찬; 이봉원

재생 아스팔트 첨가제의 성능비교 연구
A Study on the Performance Comparison of the Agents for Asphalt Pavement Recycling 원문보기

한국건설순환자원학회논문집 = Journal of Korean Recycled Construction Resources Institute, v.6 no.4, 2012년, pp.82 - 88

김인수 (한국도로공사 도로교통연구원) , 강민수 (한국도로공사 도로교통연구원) , 서영찬 (한양대학교 교통공학과) , 이봉원 (누보켐)

초록
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재생아스팔트 포장은 환경과 경제성 측면에서 일석이조의 대안으로 인식되고 있습니다. 이런 효과를 얻기 위해서는 국내에서 이 분야에 필요한 기초적인 연구가 필요하다고 판단됩니다. 특히, 재생 첨가제는 재생아스팔트의 품질 향상에 가장 큰 효과를 얻을 수 있기 때문에 조속히 발전하고 연구되어야 할 분야입니다. 본 연구에서는 국내에서 시판되는 재생 첨가제에 대해서 물성 실험을 수행하였습니다. 인공 노화 아스팔트 시료에 첨가제를 혼합하여 침입도 실험결과 오일계 첨가제는 목표 침입도를 회복하였습니다. 같은 시료를 기존의 공용성 등급실험 방법으로 실험한 결과에 따르면 $G^*/sin{\delta}$ 값이 대폭 증가하여 기준을 매우 크게 상회하는 것으로 나타났으며, 피로시험에서는 노화바인더 수명과 근접한 결과를 보였습니다. 기존 공용성 등급의 소성변형 저항관련 시험인 MSCR 결과에서는 폴리머형 첨가제의 리커버리가 향상되는 것으로 나타났습니다.

Abstract ▼ AI-Helper

The usage of recycling agent is the most effective way of enhancing the performance of recycled asphalt pavement. Generally, many countries accepted these recycling agents retarding the various types of cracks resulted in binder aging. Contrary to such general tendency, recycling agents are used as very small amount in domestic recycling plant. The main reason of this is relatively high price of recycling agent. Even though agent price is high, agent can be a effective and economical way of alternative in asphalt recycling. In this study, penetration and softning point test performed by using RTFO(Rolling Thin Film Oven) aged binder. And, PG(Performance Grade) at high temperature, fatigue and MSCR(Multi Stress Creep and Recovery) tests exercised. The oil type agent is worked well to retrieving target penetration number. In PG test, $G^*/sin{\delta}$ of agents identically showed high value and polymer type agent is good at recovery value.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 이런 재생아스팔트 포장의 품질향상 및 관리 노력의 일환으로 그동안 별다른 주목을 받지 못하던 재생아스팔트 포장의 첨가제에 대한 실내실험을 실시하고 결과를 분석하고자 하였다.
본 연구에서는 재생아스팔트포장의 성능을 향상 시킬 수 있는 최적 대안인 첨가제의 성능을 종류별로 실험하였다.
본 연구에서는 첨가제의 성능을 확인하고자 DSR(Dynamic Shear Rheometer)과 RTFO(Rolling Thin Film Oven), 침입도 시험기 등을 사용하여 첨가제를 혼합한 각 종류별 아스팔트 바인더의 물성을 실험하였다.
기존의 공용성등급은 재료비 상승 뿐 만아니라 고점도의 특성만 고려하여 바인더의 고온등급을 상향시키는 결과를 나타내었다. 이에 미국의 여러 주와 연구소에서는 아스팔트 바인더의 실제 공용성능으로서 탄성회복(percent recovery)를 고려한 시험법을 탄생시켰는데 본 연구에서는 국내에서는 최초로 이 방법으로 국내 바인더와 첨가제 혼합 바인더에 대한 실험을 실시하고 결과를 분석하였다. 이 MSCR시험법은 고온에서의 아스팔트포장의 소성변형저항 특성과 가장 관련이 깊은 인자로 평가되고 있다.
첨가제와 혼합되는 노화 아스팔트는 정유사에서 수집한 AP-5아스팔트를 인공노화시켜 제조하였다. 혼합방법은 제조사에서 권장한 방법을 그대로 적용하여 재료분리 발생을 최소화 하고자 하였다.

제안 방법

4). RTFO 시험기를 사용하여 PG규격 시험에 규정된 온도 및 시험조건을 동일하게 유지하고 노화 시료를 제작하였다.
구제 아스팔트(침입도 18, 28, 36, 48)의 시료에 석유계와 식물계 재생첨가제를 투입하고 침입도회복 효과를 실험하였다. 실험 결과 신재아스팔트와 거의 같은 수준으로 회복되었으며 그 경향은 투입비율에 따라 비례적이었다.
순환골재에서 추출한 구제 아스팔트 바인더의 화학적 조성과 성분들을 분석하고 아로마틱기유를 첨가제로 사용(10%, 20%)하여 성상복원정도를 침입도, 연화점, 신도 등 측면에서 분석하였다. 화학적 성분들을 분석한 결과 첨가제를 20% 사용했을 때 AP-3 아스팔트와 유사한 성분비로 복원되는 것을 확인하였다.
Table 2는 재생아스팔트 첨가제의 피로성능을 비교하기 위한 DSR 실험조건 및 재료계획을 표로 나타낸 것이다. 시험온도는 영하의 기온에서는 아스팔트 바인더의 경화 현상으로 인한 DSR 시험장비 과부하로 인한 시스템손상을 막기 위하여 10℃ 온도를 선택하여 실험을 실시하였다. 또한 변위레벨도 몇 차례의 시행착오를 거쳐 선택하였다.
연구방법은 고온에서의 소성변형 저항성과 관련된 기존 아스팔트 바인더 공용성능(PG)시험, 저온에서의 반복하중에 의한 균열 저항성과 관련된 피로(Fatigue) 시험, 공용성능 시험의 고온소성변형 저항 성능과 관련된 MSCR시험을 실시하고 분석을 실시하였다.
왁스계 첨가제에 대한 중온형 아스팔트 혼합물에 대한 자외선노화를 모사하고 인장력시험과 유변학적인 거동을 실험한 결과를 발표하였다. 동 연구에서 자외선 노출실험을 통한 노화의 영향은 그리 크지 않았으며 왁스 첨가제를 혼합한 결과 고온에서는 공용성등급을 만족하며 저온에서의 인장특성도 동시에 개선된다는 연구결과를 발표하였다³⁾.
이 실험결과로 부터 76℃에서 A바인더의 G*/sinδ값이 1kPa 이하였고 A' 바인더의 G*/sinδ값이 76℃에서 2.2kPa로 나타나 A 바인더의 고온등급을 PG 70로 결정하였다.
특히, 이들 첨가제들 중에서 중온형은 일반과 재생 아스팔트포장에서 그 효과가 나타나 그 사용처도 확대 추세에 있다. 이에 일반적인 오일형(석유계) 첨가제 뿐만 아니라 중온형과 폴리머 첨가제까지 침입도 및 DSR실험을 실시하였다.

대상 데이터

실험에 사용된 DSR은 HAAKE RS-1 모델이며 평판은 지름 25mm와 8mm를 사용하였다(Fig 3).
실험에 사용된 재생첨가제 b, c의 성상은 다음의 Fig 1, 2와 같은 입상재료형을 사용하였으며, a는 액상형을 사용하였다. Fig 1, 2에서와 같이 재생첨가제 b, c는 현장 플랜트에서 배합조에 투입이 용이하도록 입상형으로 제조되었다.
실험재료로 사용된 첨가제는 오일류, 중온형 개질제, 폴리머 계열 개질제이며 Table 1에 순서대로 a, b와 c로 표시하였다.
아스팔트 바인더의 인공노화에는 RTFO 시험기를 사용 하였다(Fig. 4). RTFO 시험기를 사용하여 PG규격 시험에 규정된 온도 및 시험조건을 동일하게 유지하고 노화 시료를 제작하였다.
첨가제와 혼합되는 노화 아스팔트는 정유사에서 수집한 AP-5아스팔트를 인공노화시켜 제조하였다. 혼합방법은 제조사에서 권장한 방법을 그대로 적용하여 재료분리 발생을 최소화 하고자 하였다.

이론/모형

RTFO 노화바인더를 ASTM 시험법⁷⁾에 따라 실험을 수행하였고 고온 공용성 등급이 70으로 결정되었음으로 64℃에서 MSCR 시험을 실시하였다.

성능/효과

1) RTFO 노화 시료에 각 개질 첨가제를 혼합하여 침입도 시험을 실시한 결과 a 첨가제는 3% 혼합비율에서 비노화 아스팔트(A)와 비교하여 80%정도 회복되는 것을 알 수 있다. 현재 침입도를 이용한 재생 아스콘 배합 설계에 a첨가제를 사용하는데 문제가 없다.
2) 노화도가 매우 높은 재생 추출 아스팔트를 이용한 침입도 변화 실험에서는 약 20%의 a 첨가제를 사용하는 경우에 기준 침입도 55로 완전히 회복되는 것으로 나타났다.
3) 노화시료(A')에 각 첨가제를 혼합하여 기존의 아스팔트 바인더 공용성 등급 시험법으로 실험한 결과 고온등급이 매우 크게 나타났다.
4) 저온에서의 피로시험결과 “c” 첨가제가 노화 시료(A') 보다 수명이 향상된 것으로 나타났다.
5) MSCR 시험 결과에서는 “c” 첨가제가 RTFO 노화 바인더의 리커버리를 크게 향상시키는 것으로 나타났다.
4와 같다. Fig. 4에서 보는 바와 같이 초기 침입도 14와 19로 나타난 노화 시료가 기준 침입도(55)로의 회복에는 약 20%의 첨가제의 함유량이 적절한 것으로 나타났다.
c 첨가제 혼합 바인더는 폴리머가 주성분으로 침입도가 크게 하락하였다. 그러나, 연화점의 경우에는 a첨가제를 제외하고 b, c첨가제가 회복성능을 보여주고 있는 것으로 나타났다.
노화 아스팔트(침입도 35), 일반 AP-3와 첨가제를 70:25:5로 배합한 경우와 첨가제를 사용하지 않은 경우에 대한 실내실험결과 저온 피로균열성능은 첨가제를 사용하여 증진되었다. 또한, 이 실험에서 노화 아스팔트의 G^*/sin δ 값은 64℃에서 6.
또한, 노화 아스팔트를 사용하여 RTFO시험을 실시한 후 G*/sinδ값은 15.9kPa에서 2.9kPa 로 떨어져 성성이 개선되는 것을 알 수 있다5).
실험 결과 신재아스팔트와 거의 같은 수준으로 회복되었으며 그 경향은 투입비율에 따라 비례적이었다. 석유계 재생 첨가제의 효과가 식물유계 재생첨가제보다도 침입도, 연화점가 점도를 현저히 회복시키는 것으로 나타났다. 침입도 회복 실험에 적용된 첨가제 투입비율은 14.
구제 아스팔트(침입도 18, 28, 36, 48)의 시료에 석유계와 식물계 재생첨가제를 투입하고 침입도회복 효과를 실험하였다. 실험 결과 신재아스팔트와 거의 같은 수준으로 회복되었으며 그 경향은 투입비율에 따라 비례적이었다. 석유계 재생 첨가제의 효과가 식물유계 재생첨가제보다도 침입도, 연화점가 점도를 현저히 회복시키는 것으로 나타났다.
실험결과 a 첨가제 혼합 바인더의 침입도 회복이 가장 크게 나타났다. c 첨가제 혼합 바인더는 폴리머가 주성분으로 침입도가 크게 하락하였다.
이들 첨가제들 실험결과 전통적 시험법인 침입도, 연화점 회복 부분에서는 일정부분 효과가 나타난 첨가제도 있었다. 그러나, 현재 널리 적용 중인 PG등급시험에서는 등급감소효과가 나타나지 않았다.
순환골재에서 추출한 구제 아스팔트 바인더의 화학적 조성과 성분들을 분석하고 아로마틱기유를 첨가제로 사용(10%, 20%)하여 성상복원정도를 침입도, 연화점, 신도 등 측면에서 분석하였다. 화학적 성분들을 분석한 결과 첨가제를 20% 사용했을 때 AP-3 아스팔트와 유사한 성분비로 복원되는 것을 확인하였다. 침입도, 연화점과 신도 시험에서도 20% 첨가량으로 AP-3 수준으로 회복되었다⁴⁾.

후속연구

현재 침입도를 이용한 재생 아스콘 배합 설계에 a첨가제를 사용하는데 문제가 없다. b, c 첨가제는 침입도 회복이 각각 50%, 38%로 배합설계에 주의를 필요로 하며 배합비율에 따른 추가적인 침입도 실험이 반드시 필요하다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	재생아스팔트는 무슨 대안으로 활발하게 사용되고 있는 실정인가?	재생아스팔트는 친환경적이고 경제적인 대안으로 이미 선진 각국에서는 실용화되어 활발하게 사용되고 있는 실정이다. 이런 해외사례를 살펴보면 단순히 일반 아스팔트 포장으로의 재활용뿐만 아니라 OGFC(Open Grade Friction Course) 포장 등과 같은 다양한 고내구성 포장재로서도 재활용이 추진되고 있는 상황이다.
	재생아스팔트 첨가제가 순환골재로 사용되는데 실적이 미미한 가장 큰 이유는?	재생아스팔트 첨가제는 선 경험 국가들에서는 사용이 보편화되어 아스팔트 순환골재를 포장용으로 사용하는데 필수적인 것으로 인식되고 있으나 한국에서는 현재까지 사용실적이 미미한 수준에 머물러 있다. 그 이유는 재료비 상승으로 신재 아스팔트포장과 비교측면에서 불리하게 작용하는 것이 가장 주요한 이유이다. 그러나, 첨가제를 사용하여 표층 또는 순환골재의 투입 비율을 높이는 경우 가격경쟁력을 높일 수 있게 되기 때문에 첨가제의 활용은 품질경쟁력까지 갖게 되는 합리적인 선택이다.
	MSCR시험법이란?	MSCR시험법은 기존의 아스팔트 시험법과는 달리 선형 특성뿐만 아니라 비선형적 특성까지 고려한 시험법이다. 기존의 공용성등급은 재료비 상승 뿐 만아니라 고점도의 특성만 고려하여 바인더의 고온등급을 상향시키는 결과를 나타내었다.

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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