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문제 정의
- 따라서 본 연구의 목적은 밀입도 WMA 콘크리트의 DTC 영향을 아스팔트 포장체에 중요한 강도특성 중 하나인 휨강도의 변화를 통하여 HMA와 비교·평가하는 것이다.
- 본 연구에서는 30~40℃ 더 낮은 온도에서 골재를 가열하여 제조한 WMA 콘크리트의 저온 시차열수축(Differential thermal contraction: DTC) 영향이 HMA와 비교하여 어느 정도 나타나는지를 휨강도를 통해 비교한 결과 다음과 같은 결론을 얻었다.
제안 방법
- 87 정도이다. 그러므로 LDPE와 EVA 그리고 EPDM을 적정 비율로 혼합하여 사용하였으며 이를 LVM으로 명명하였다.
- 시료는 개질재가 첨가된 경우 175℃, 준고온화 첨가제만 사용된 경우 165℃에서 가열한 후 용기에 담아 무게를 측정하였다. 그리고 S27 스핀들을 회전속도 20rpm으로 유지하여 필요한 점성 토크(torque)를 1분 간격으로 3회 측정하였다. 표준 시험 온도는 135℃이나 WMA 혼합물의 다짐 온도로 추정되는 115℃에서도 측정하였다.
- 그리고 WMA 혼합물은 HMA의 OAC를 기준으로 공극률 4±0.5%가 얻어지도록 조정을 통해 OAC를 결정하였다.
- (1)에 의하여 구하였다. 그리고 이 모든 기준을 만족하는 아스팔트 함량 중에서는 공극률 4%가 얻어진 아스팔트 함량을 OAC로 결정하였다. 혼합물은 선회다짐기로 100회씩 다짐하였다.
- 동전단유동시험기(Dynamic shear rheometer : DSR)를 이용하여 바인더의 Stiffness(rutting factor)인 G*/sinδ를 측정하였다.
- 롤러 컴팩터를 이용하여 두께 70mm를 기준으로 305mm×305mm 정사각 슬래브를 제조하여 두께를 높이(W=70mm)로 하고, 폭(B) 60mm×길이(L) 305mm의 보 공시체를 다짐 방향으로 잘랐다.
- 배합설계를 통해 결정된 최적 아스팔트 함량을 이용하여 슬래브 공시체를 제작하였다. 롤러 컴팩터를 이용하여 두께 70mm를 기준으로 305mm×305mm 정사각 슬래브를 제조하여 두께를 높이(W=70mm)로 하고, 폭(B) 60mm×길이(L) 305mm의 보 공시체를 다짐 방향으로 잘랐다.
- 본 연구에서는 혼합물의 최적아스팔트 함량(Optimum asphalt content: OAC) 결정을 위하여 국토해양부(2009) 지침의 변형강도(SD), 골재간극률(Void in mineral aggregate: VMA), 공극률(Air void: Air) 과 채움률(Voids filled with asphalt: VFA)을 OAC 결정기준으로 적용하였다. 일반 도로용 아스팔트 포장의 기준치는 Air=3∼5%, VFA=65~80%, SD≥3.
- 본 연구에서는 화강암 굵은 골재최대 치수 13mm와 9종의 바인더를 조합하여 총 9종의 배합설계를 수행하였다. HMA 최적 아스팔트 함량(Optimum asphalt content: OAC)은 국토해양부(2009) 지침을 적용하여 각 혼합물 별로 공극률 3~5%, VFA 70~85%, VMA 14% 이상, SD는 비개질 HMA 3.
- 따라서 본 연구의 목적은 밀입도 WMA 콘크리트의 DTC 영향을 아스팔트 포장체에 중요한 강도특성 중 하나인 휨강도의 변화를 통하여 HMA와 비교·평가하는 것이다. 이를 위해 본 연구에서는 밀입도 아스팔트 콘크리트 보(beam)를 제조하고 이를 3점 휨 시험방법으로 휨강도(Flexural strength: Sf)를 3가지 저온(-5, -15, -25℃)에서 측정하였다.
- HMA 일반도로용 아스팔트 콘크리트는 선회 다짐 75회, 중 차량 도로(ESAL≥1,000)용은 100회의 다짐을 하나 WMA는 별도의 기준이 없다. 하지만 WMA는 다짐 특성이 다르기 때문에 본 연구에서는 모두 100회를 적용하였다.
- 따라서 WMA 비개질 혼합물의 경우 골재는 135℃에서 5시간, 바인더는 160℃에서 2시간, 개질 혼합물의 경우 골재는 145℃에서 5시간, 바인더는 175℃에서 약 2시간씩 오븐에 넣어 가열하였다. 혼합물을 비빈 후 HMA와 WMA는 각각 1시간과 2시간씩 단기 노화 후 몰드에 넣고 선회다짐기(Superpave gyratory compactor: SGC)로 다짐을 하였다. Table 3은 혼합물별 처리 온도와 시간을 보여준다.
대상 데이터
- /sinδ를 측정하였다. DSR 시험용 아스팔트 시료는 직경 25mm를 사용하였으며 상하 간격은 1mm를 유지하였다. 온도에 따라 아스팔트 시료가 수축하거나 팽창하여 지름 및 두께가 변하므로 시료의 두께를 고정 후의 온도 변화는 0.
- Bio oil은 식용유 등과 같은 식물성 기름이다. 개질재는 고온변형 저항성과 저온 균열저항성 증진을 위해 저밀도 폴리에틸렌(LDPE: Low-density polyethylene), EVA(Ethylene vinyl acetate), EPDM(Ethylene propylene diene monomer rubber)을 혼합한 것과 SBS(Styrene butadiene styrene)를 사용하였다. LDPE는 비교적 고운 분말이며 밀도가 0.
- 본 연구에서는 화강암의 쇄석을 굵은 골재와 부순 잔골재(Screenings)로, 채움재(Mineral filler)는 석회석 분을 사용하였다. 골재의 물리적 성질을 KS 시험법에 따라 측정하여 Table 2에 보여주며, Fig.
- 아스팔트는 침입도 60~80(PG64-22, 세칭 AP5)을 사용하였고, 준고온화 첨가제(WMA additive)로 Evotherm(ET)과 Wax compound(WC)를, 개질재로는 LVM과 SBS를 사용하였다. ET는 미국 Meadwestvaco Asphalt Innovations사의 액상제품으로 플랜트에서 바인더에 투입하여 사용하는 WMA 첨가제이다.
- 922g/cm3이며 MI는 75g/10min, 융점은 98℃이다. 이와 함께 에틸렌, 프로필렌과 디엔을 삼원 공중합한 열가소성합성고무인 EPDM을 사용하였다. EPDM은 -40℃까지도 유연성을 유지하며 비중은 0.
데이터처리
- WMA)를 보면 WMA의 휨강도가 HMA보다 -15℃와 -25℃에서 통계적으로 높은 것으로 나타나, 온도가 낮아지면 WMA가 저온에 더 강한 것을 알 수 있었다. 또한 HMA와 WMA 모두 -15℃에서의 최고 강도에 비해 -25℃에서 강도가 낮아져 통계적으로 유의차가 나타났다(-15℃ vs. -25℃ t-test). 이는 비록 강도 수준의 차이는 있지만 두 형태의 혼합물이 모두 DTC로 인하여 심각한 강도 저하가 발생함을 통계적으로 보여주는 것이다.
- 한편 DTC에 의한 손상으로 -25℃에서의 휨강도가 -5℃ 수준을 유지하는지를 보기 위해 -5℃와 -25℃간의 휨강도 평균(-5℃ vs. -25℃)에 대한 t-test를 수행하였다. WMA의 경우 -25℃에서 8.
이론/모형
- 본 연구에서는 화강암 굵은 골재최대 치수 13mm와 9종의 바인더를 조합하여 총 9종의 배합설계를 수행하였다. HMA 최적 아스팔트 함량(Optimum asphalt content: OAC)은 국토해양부(2009) 지침을 적용하여 각 혼합물 별로 공극률 3~5%, VFA 70~85%, VMA 14% 이상, SD는 비개질 HMA 3.2MPa, 개질 HMA 4.25MPa 이상의 조건을 만족하는 구간에서 공극률 4%를 기준으로 결정하였다(김부일 등 2006, 라일호 등 2009). 그리고 WMA 혼합물은 HMA의 OAC를 기준으로 공극률 4±0.
- 동점도(Kinematic viscosity) 시험은 KS F 2392에 의해 수행하였다. 시료는 개질재가 첨가된 경우 175℃, 준고온화 첨가제만 사용된 경우 165℃에서 가열한 후 용기에 담아 무게를 측정하였다.
성능/효과
- 1. 아스팔트 콘크리트의 휨강도는 -5℃에서 7MPa 이상, -15℃에서는 10MPa까지 매우 높게 나타났다. 이는 포장용 시멘트 콘크리트의 휨강도 기준이 4.
- 2. HMA는 물론 WMA 콘크리트도 온도가 -5℃에서-15℃로 낮아지면 휨강도가 증가하다가 -25℃로 더 낮아지면 휨강도가 다시 낮아지는 DTC에 의한 손상이 나타났다. 즉 -25℃에서 휨강도가 -15℃ 수준 또는 그 이상을 유지하지 못하고 -15℃를 정점으로 대부분 저하하였고 -25℃에서의 강도가 -5℃수준 이하로 DTC 손상이 매우 심각한 것도 있었다.
- 3. 하지만 재료별로 다소 차이는 있으나 HMA보다는 WMA가 -25℃에서 더 높은 휨강도를 유지하는 것으로 나타났다. 그리고 이 현상은 Normal 아스팔트나 PMA에서 모두 나타나 WMA가 DTC 손상을 덜 받는 것으로 나타났다.
- 4. T-test를 이용한 통계적 검증에서도 -15℃와 -25℃ 의 WMA 휨강도 평균이 HMA보다 통계적으로 유의성이 있게 높은 것으로 나타나 저온에서 WMA가 더 우수한 휨강도를 보이는 재료라는 결론을 얻을 수 있었다. 이와 같이 HMA보다 30~40℃ 낮은 온도에서 제조된 WMA가 HMA보다 DTC 손상에 덜 취약하다는 사실은 새로운 발견이다.
- 한편 Figs. 8~10에서와 같이, 미국산 E 첨가제는 W 보다 온도변화에 따른 강도증진과 하강의 변동 폭이 더 큰 것으로 나타났다. 반면 W 첨가제는 변동 폭이 적을뿐만 아니라 Table 7의 세 가지 온도에서 모두 E보다 휨강도가 높았으며 Table 9에서처럼 -5℃, -15℃에서는 통계적으로 유의차를 보여 저온에 유리한 첨가제임을 알 수 있었다(E vs.
- Figs. 8~10의 휨강도 비(-5℃를 기준으로 한 ratio)에서 보듯이 대부분 혼합물이 -5℃부터 -15℃까지는 증가하다가 -25℃에서는 낮아지는 경향을 보여 -25℃에서는 시차열 수축(DTC)의 영향을 받는 것으로 나타났다. 즉, -25℃에서 휨강도가 -15℃ 수준 또는 그 이상을 유지하지 못하고 -15℃를 정점으로 대부분 저하하였고-25℃에서의 강도가 -5℃ 수준보다도 낮아 DTC 손상이 매우 심각한 것도 있었다.
- 6%로 동점도가 더 낮아져 WMA 다짐온도 부근에서 더 효과가 큰 것으로 나타났다. DSR의 고온 임계온도(Original과 RTFO 바인더가 모두 stiffness 기준치를 통과하는 온도)는 HMA 바인더에 WMA 첨가제가 들어가 평균 0.2℃ 낮아져 거의 변화가 없이 HMA의 고온 등급을 유지하는 것을 알 수 있었다.
- 반면 WMA 일반(APE, APW) 역시 -15℃로 까지는 휨강도가 커졌다가 10℃ 더 내려가면서 강도가 저하되기는 하나 -5℃때 보다는 높은 수준을 유지하였다. HMA LV0 PMA는 -15℃로 낮아지며 휨강도가 약간 증가하다 -25℃에서도 거의 저하되지 않았고 WMA는 둘 다 증가-감소 현상을 보였으나 -25℃에서 -5℃보다는 약 10% 높은 강도를 보였다. HMA SB0 PMA는 온도저하에 따라 약간 증가하다가 -25℃에서는 -5℃보다 강하되는 현상을 보였으나 WMA SBS는 -25℃에서도 -5℃와 유사한 강도를 유지하는 것으로 나타났다.
- HMA LV0 PMA는 -15℃로 낮아지며 휨강도가 약간 증가하다 -25℃에서도 거의 저하되지 않았고 WMA는 둘 다 증가-감소 현상을 보였으나 -25℃에서 -5℃보다는 약 10% 높은 강도를 보였다. HMA SB0 PMA는 온도저하에 따라 약간 증가하다가 -25℃에서는 -5℃보다 강하되는 현상을 보였으나 WMA SBS는 -25℃에서도 -5℃와 유사한 강도를 유지하는 것으로 나타났다. 이는 Normal이나 PMA에서 모두 WMA가 HMA보다 DTC 영향을 덜 받음을 보여주는 것이다.
- 5% 감소하였다. WMA 첨가제의 효과를 온도별로 종합해서 보면 135℃에서 평균 14.5%보다는 115℃에서 18.6%로 동점도가 더 낮아져 WMA 다짐온도 부근에서 더 효과가 큰 것으로 나타났다. DSR의 고온 임계온도(Original과 RTFO 바인더가 모두 stiffness 기준치를 통과하는 온도)는 HMA 바인더에 WMA 첨가제가 들어가 평균 0.
- 8% 감소하였다. 그리고 WMA PMA는 HMA PMA에 비해 동점도가 9.7~21.5% 감소하였다. WMA 첨가제의 효과를 온도별로 종합해서 보면 135℃에서 평균 14.
- 하지만 재료별로 다소 차이는 있으나 HMA보다는 WMA가 -25℃에서 더 높은 휨강도를 유지하는 것으로 나타났다. 그리고 이 현상은 Normal 아스팔트나 PMA에서 모두 나타나 WMA가 DTC 손상을 덜 받는 것으로 나타났다.
- 27 MPA보다 통계적으로 유의성이 있게 높음을 알 수 있었다. 반면 HMA 휨강도 평균은 비록 통계적 유의차는 없지만 -25℃의 평균이 7.86MPa로 -5℃의 8.07MPa보다 다소 낮아 이 비교에서도 WMA가 -25℃에서 약간 더 강함을 알 수 있었다. 그 이유를 정확히 알 수는 없지만 이는 상대적으로 골재 온도가 낮아 코팅된 바인더가 덜 산화되기 때문인 것으로 추정된다.
- T-test를 이용한 통계적 검증에서도 -15℃와 -25℃ 의 WMA 휨강도 평균이 HMA보다 통계적으로 유의성이 있게 높은 것으로 나타나 저온에서 WMA가 더 우수한 휨강도를 보이는 재료라는 결론을 얻을 수 있었다. 이와 같이 HMA보다 30~40℃ 낮은 온도에서 제조된 WMA가 HMA보다 DTC 손상에 덜 취약하다는 사실은 새로운 발견이다.
- 본 연구에서 HMA 및 WMA 혼합물 제조를 위해 Table 1과 같이 각 바인더를 제조하였으며 바인더 종류별로 측정된 동점도와 PG 등급은 Table 4, 5와 같다. 표에서 보듯이 WMA Normal 바인더(APE, APW)의 동점도는 HMA Normal(AP0)에 비해 13.6~25.8% 감소하였다. 그리고 WMA PMA는 HMA PMA에 비해 동점도가 9.
후속연구
- 5. 그 이유를 정확히 알 수는 없지만 상대적으로 낮은 골재 온도 때문에 DTC의 주원인인 코팅된 바인더가 덜 산화되기 때문인 것으로 추정되나, 보다 확실한 규명을 위해 심도 있는 연구가 필요할 것으로 사료된다. 또한 본 연구에서 사용된 바인더 저온 등급은 모두 -22℃이나 만일 더 낮은 -28 등급 등을 사용하고 보다 다양한 온도에서의 재료별 DTC 손상 임계 온도를 연구한다면 WMA 저온특성에 대한 좋은 자료가 될 것이다.
- 하지만 WMA는 덜 가열된 골재에 바인더가 코팅되므로 상대적으로 단기노화 정도가 낮아 오히려 그 반대일 수 도 있을 것이다. 따라서 DTC의 발생온도인 -15~-20℃는 한반도 중부에서 처할 수 있는 온도이므로 이의 확인을 위해 체계적인 연구가 필요하다.
- 그 이유를 정확히 알 수는 없지만 상대적으로 낮은 골재 온도 때문에 DTC의 주원인인 코팅된 바인더가 덜 산화되기 때문인 것으로 추정되나, 보다 확실한 규명을 위해 심도 있는 연구가 필요할 것으로 사료된다. 또한 본 연구에서 사용된 바인더 저온 등급은 모두 -22℃이나 만일 더 낮은 -28 등급 등을 사용하고 보다 다양한 온도에서의 재료별 DTC 손상 임계 온도를 연구한다면 WMA 저온특성에 대한 좋은 자료가 될 것이다.
- 그 이유를 정확히 알 수는 없지만 이는 상대적으로 골재 온도가 낮아 코팅된 바인더가 덜 산화되기 때문인 것으로 추정된다. 한편 본 연구에 사용된 바인더의 PG 저온등급이 -22이나 -28등 더 낮은 등급의 바인더가 사용되면 어떤 결과를 가져올지도 연구해 볼 가치가 있을 것이다.
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