[논문]아스팔트 혼합물의 물리적 특성을 이용한 간접인장강도의 특성 분석

이문섭

doi:10.7855/ijhe.2014.16.6.019

[국내논문] 아스팔트 혼합물의 물리적 특성을 이용한 간접인장강도의 특성 분석
The Analysis of Indirect Tensile Strength (ITS) Characteristic using Physical Properties of Asphalt Mixtures 원문보기

한국도로학회논문집 = International journal of highway engineering, v.16 no.6 = no.68, 2014년, pp.19 - 25

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PURPOSES : This study was performed to evaluate the possibility of Indirect Tensile Strength (ITS) as a testing method that can predict cracking on pavement. METHODS : Three asphalt binders and one kind of aggregate were used in this study, and all asphalt mixtures were produced using Gyratory Compactor followed asphalt mix design. The ITS test was performed for the mixture which are artificially short-term aged using the oven. The ITS properties were analyzed by air void, compaction temperature, asphalt content, and asphalt binder. RESULTS : The results of this study indicated that (1) the compaction temperature did not show relationship with the ITS test; (2) there was no specific trend between the asphalt content and the ITS test; (3) the ITS could reveal the property of kinds of asphalt binders; (4) the asphalt mixture that were produced at optimum temperature suggested by manufacturer did not exhibit optimum result for all asphalt binder. CONCLUSIONS : The possibility of ITS was confirmed from this study for replacement of the Marshall Stability method. However, it needs to perform in further studies of aggregate and compaction property to suggest a new ITS standard value.

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문제 정의

이와 같이 간접인장강도는 오랜 시간 동안 많은 연구자들이 시험을 수행하면서 아스팔트 혼합물의 균열을 평가하거나 배합설계에 적용하는 연구를 수행하고 있다. 이에 본 연구에서는 균열발생 가능성을 예측하기 위하여 널리 사용되는 간접인장강도 시험법과 이에 영향을 미치는 요인들을 분석하여 균열 예측 시험법으로서의 가능성을 평가하였다. Fig.
본 연구는 균열발생 가능성을 예측할 수 있는 간접인장강도 시험법(IDT, Indirect Tension strength test)에 대한 특성을 분석하기 위하여 바인더 종류 별로 배합설계에 따라 혼합물을 제작하고 간접인장강도 값을 측정하여 아스팔트 함량 및 다짐온도에 따른 영향을 분석하였다. 연구에 대한 결론은 다음과 같다.
6. 본 연구는 간접인장강도 시험이 마샬 안정도 시험을 대체하여 혼합물의 균열저항성을 측정함으로서 그 특성을 평가할 수 있는 정적재하시험인지를 가늠하고자 수행하였다. 하지만, 골재 및 다짐 특성에 따른 연구를 추가적으로 수행하여 간접인장강도의 기준값을 제시하는 연구가 필요할 것으로 사료된다.

제안 방법

본 비교실험에서는 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 한 가지 씩과, 중온아스팔트 혼합물(Warm-Mix Asphalt: WMA)용 PG70-22 한 가지이다.
Table 1은 선정된 골재의 물리적 성질을 보여주고 있다. 굵은골재 최대치수를 19mm와 잔골재, 채움재와 혼합하여 각각 밀입도 규격에 적합한 입도로 조정하여 실험을 수행하였다(Fig. 2).
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 추가로 투입되어 개발된 중온 고내구성 아스팔트(Durable Semi-hot-mix Asphalt: DSA)를 사용하였다.
Table 2는 각각의 아스팔트 바인더 생산자가 제시하고 있는 다짐온도를 보여준다. 간접인장강도의 다짐온도에 따른 특성을 분석하기 위해 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.
간접인장강도의 다짐온도에 따른 특성을 분석하기 위해 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 Table 3에서 보여주고 있다.
이와 같이 결정한 다짐온도를 Table 3에서 보여주고 있다. 또한, 각각의 다짐온도에서 제조된 공시체들은 용적특성을 측정하여 간접인장강도와의 상관성을 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 1시간 동안 오븐에 각각의 다짐온도에서 단기노화(shortterm aging) 시켰으며 이때 몰드도 함께 넣어 같은 온도를 유지토록 하였다.
각각의 다짐온도는 각각의 아스팔트 바인더의 다짐온도를 기준으로 ±20℃, ±40℃씩 선정하여 3개씩 공시체를 제작하여 평가하였다.
6~8는 아스팔트 함량별 간접인장강도의 특성을 분석하였다. 각각의 다짐온도는 아스팔트 함량 4.0%에서부터 0.5%씩 증가하여 6.0%까지 아스팔트 함량별로 3개씩 공시체를 제작하여 평가하였다.
이 온도는 혼합물을 1시간 단기노화 시킨 온도이므로 실제 다짐온도는 약간 낮을 수 있으나 신속한 다짐으로 그 차이는 미미하였다. 또한 다짐초기와 다짐 후기에 다소의 온도차이도 있을 수 있으나 그 변화를 일일이 측정하기란 쉽지 않으므로 혼합물이 다짐몰드에 들어가는 온도인 상기 온도를 다짐온도로 간주하였다.

대상 데이터

골재품질에 따른 아스팔트 혼합물의 영향이 크므로, 골재의 영향을 최소화하기 위하여 편장석(flat and elongated particles) 비율이 낮은 1등급 골재를 선정하였다. Table 1은 선정된 골재의 물리적 성질을 보여주고 있다.
아스팔트 혼합물의 작업온도를 30~50℃ 낮추어 중온에서 작업이 가능하게 하기 위해서는 상온에서는 고체상태이면서 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.

성능/효과

4는 중온 아스팔트 혼합물의 다짐온도에 따른 간접인장강도의 변화를 보여주고 있다. 아스팔트 함량 4.5%는 다짐온도가 증가하면 강도는 감소하다가 증가하는 경향을 보였다. 하지만, 5.
0%는 다짐량이 증가할수록 간접인장강도가 증가하는 경향을 나타내었다. 5.5, 6.0%는 다짐량이 증가할수록 강도가 증가하다가 감소하는 위쪽으로 볼록한 2차원곡선을 보였다.
1. 아스팔트 혼합물의 다짐온도를 기준으로 ±20~40℃를 변화시켜 간접인장강도 시험을 수행한 결과, 일정한 경향을 보이지 못함으로써 다짐온도는 간접인장강도 특성에 영향을 미치지 못하는 것으로 나타났다.
HMA PG76-22 혼합물은 최소 1,100kPa 이상으로 높은 강도를 보여주었으며, HMA PG64-22, WMA PG70-22순으로 간접인장강도값을 나타내었다. 일반적으로 바인더 시험에서는 PG64-22 아스팔트 바인더보다 PG70-22바인더가 역학적 특성이 좋게 나타난다.
아스팔트 바인더의 다짐온도, 함량 등의 용적특성 변화는 간접인장강도의 특성에 어떠한 영향도 미치지 못하는 것으로 나타났다. 하지만, 아스팔트 바인더 종류별 특성을 파악할 수 있는 시험법으로 선정이 가능한 것으로 나타났다.
2. 아스팔트 함량을 4.5%부터 0.5% 증가시켜 6.0%까지 4가지 변화를 주어 시험한 결과, 아스팔트 함량 역시 함량에 따른 경향을 보이지 못하면서 아스팔트 함량이 간접인장강도에 미치는 영향이 미미한 것으로 나타났다.
3. 아스팔트 바인더 종류별 간접인장강도의 특성을 분석한 결과, 바인더 종류에 따라 일정한 경향을 갖는 간접인장강도 결과를 보였으며 이는 간접인장강도 시험이 아스팔트 바인더의 종류별 특성을 반영할 수 있는 시험법임을 나타낸다.
4. 가열 아스팔트 혼합물은 제시한 다짐온도 및 최적 아스팔트 함량 근처에서 가장 높은 간접인장강도를 보여줌으로써 제시된 다짐온도 및 최적 아스팔트 함량의 적합성을 확인할 수 있었다.
5. 반면, 중온 아스팔트 혼합물은 제시된 다짐온도와 최적 아스팔트 함량 근처에서 가장 낮은 간접인장강도를 나타내었으며, 아스팔트 공용성 등급과도 다른 결과값을 보여주었다. 환경문제와 더불어 이슈화되고 있는 중온 아스팔트 혼합물은 균열 및 피로특성에 대한 추가적인 연구가 필요할 것으로 예상된다.

후속연구

반면, 중온 아스팔트 혼합물은 제시된 다짐온도와 최적 아스팔트 함량 근처에서 가장 낮은 간접인장강도를 나타내었으며, 아스팔트 공용성 등급과도 다른 결과값을 보여주었다. 환경문제와 더불어 이슈화되고 있는 중온 아스팔트 혼합물은 균열 및 피로특성에 대한 추가적인 연구가 필요할 것으로 예상된다.
본 연구는 간접인장강도 시험이 마샬 안정도 시험을 대체하여 혼합물의 균열저항성을 측정함으로서 그 특성을 평가할 수 있는 정적재하시험인지를 가늠하고자 수행하였다. 하지만, 골재 및 다짐 특성에 따른 연구를 추가적으로 수행하여 간접인장강도의 기준값을 제시하는 연구가 필요할 것으로 사료된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	마샬 특성치의 단점은 무엇인가?	마샬 안정도 시험법은 60여 년 전에 미국의 Bruce Marshall에 의해 개발된 시험법으로, 혼합물을 다진 후 하중에 대한 혼합물의 견고성으로서 배합설계에서 중요한 항목으로 되어 있다. 그러나 마샬 특성치는 시험장치가 간단하고 측정하기 쉽지만 대부분의 혼합물이 기준치를 모두 만족하여도 소성변형 및 피로균열 등 포장의 공용성과 관련된 특성을 제대로 반영하지 못하는 것으로 알려져 있다. 따라서 혼합물의 마샬 안정도 값이 기준을 크게 상회하더라도 실제 포장에서 소성변형과 피로균열과 같이 포장성능을 저해하는 문제가 빈번히 발생하고 있다.
	마샬 안정도 시험법이란?	마샬 안정도는 국내 뿐 아니라 많은 국가에서 아스팔트 혼합물의 배합설계 특성치 중 한 가지로 사용되고 있다. 마샬 안정도 시험법은 60여 년 전에 미국의 Bruce Marshall에 의해 개발된 시험법으로, 혼합물을 다진 후 하중에 대한 혼합물의 견고성으로서 배합설계에서 중요한 항목으로 되어 있다. 그러나 마샬 특성치는 시험장치가 간단하고 측정하기 쉽지만 대부분의 혼합물이 기준치를 모두 만족하여도 소성변형 및 피로균열 등 포장의 공용성과 관련된 특성을 제대로 반영하지 못하는 것으로 알려져 있다.
	아스팔트 혼합물의 균열저항성을 평가할 수 있는 시험방법으로 피로시험보다 간접인장강도시험을 주로 사용하는 이유는 무엇인가?	마샬 안정도를 대체하여 아스팔트 혼합물의 균열저항성을 평가할 수 있는 보다 진보한 시험방법으로 간접인장강도(IDT, Indirect Tension Strength test), 피로시험 등이 있다. 그러나, 피로시험은 동적재하시험이고, 고가이며, 시험방법이 비교적 어렵고 미숙련자의 경우 작은 환경변화에도 결과의 변동성이 크게 나타나게 되며 해석도 어려워 아스팔트 플랜트 등 현장에서의 실용성이 떨어진다. 따라서, 균열을 모사하는 시험으로 간접인장강도를 가장 많이 사용되고 있는 실정이다.

참고문헌 (8)

Li Xian Fan(2001), Estimation of Permanent Deformation bas ed on Volumetric and Stiffness Properties of Asphalt Concrete, Kangwon National University, Graduate School, Doctoral Dissertation
Asphalt Mixture Production and Construction(2009), Ministry of Land, Transport and Maritime Affairs
Yu Jin Myoung(2001), Analysis of Strength Characteristics for the Kinds of Hot Mix Asphalt, Incheon National University, Graduate School, Master's thesis
Ko Chul Seung(2002), "Correlation Analysis of Mechanical Strengths for Hot Mix Asphalt", Incheon National University, Graduate School, Master's thesis
Kennedy, T. W. (1978). "Practical Use of the Indirect Tensile Test for the Characterisation of Pavement Materials". ARRB Proceedings, Volume 9, Part 3.
Harold, L. Von Quintus. and Thomas, W. Kennedy. (1989), AAMAS "Mixture Properties Related to Pavement Performance Proceedings Association of Asphalt of Asphalt Paving Technologists", vol. 5.
Hohn T. Harvey, John A. Deacon, Bor-Wen Tsai, Carl L. Monismith, (1995), "Fatigue Performance of Asphalt Concrete Mixes and ITS Relationship to Asphalt Concrete Pavement Performance in California", California Department of Transportation, 1995.
Johnny Tran, Hugo Val Loon, "Indirect Tensile Strength of Asphalt Mixes in South Australia", Transportation research Board.

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