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문제 정의
- 본 연구의 목적은 다양한 종류의 SBS와 준고온화 첨가제(warm-mix additive: WAD)의 적정한 첨가비율을 결정하여 사용온도를 낮춘 WMA 바인더를 제조하여 바인더의 고온 특성을 평가하는 것이다. 또한 준고온화 첨가제를 사용하지 않은 PMA와 WMA PMA의 특성을 비교하여 적용 가능성을 평가하였다.
- 본 연구의 목적은 다양한 종류의 SBS와 준고온화 첨가제(warm-mix additive: WAD)의 적정한 첨가비율을 결정하여 사용온도를 낮춘 WMA 바인더를 제조하여 바인더의 고온 특성을 평가하는 것이다. 또한 준고온화 첨가제를 사용하지 않은 PMA와 WMA PMA의 특성을 비교하여 적용 가능성을 평가하였다.
제안 방법
- BBR 시험을 위해 먼저 Rolling thin film oven(RTFO)으로 단기노화 처리한 바인더를 압력노화시험기(Pressure aging vessel: PAV)를 이용하여 장기노화 시켰다. 일정 저온 하에서 아스팔트 보(beam)에 휨 모드의 크리프 하중을 가하며, 그 온도는 methanol이 들어있는 수조에 의해 유지하였다.
- 5% 첨가하였을 때 모두 PG76-22 등급의 PMA를 얻었다. Normal(N) HMA 및 N WMA, SBS PMA와 SBS WMA를 제조하고 바인더 특성 실험을 수행하였다. 그 결과는 Table 3에 나타내었다.
- 60-80(PG64-22) 등급의 일반 아스팔트를 사용하였고 개질재로 국내 L사의 SBS 3종류, 외국 K사의 SBS 1종류를 사용하였다(Table 1). SBS PMA를 준고온 용도로 만들기 위하여 3가지 WAD를 사용하였다. 이들은 액상인 Evotherm(E), 2종류의 wax와 bio oil 등을 조합한 Pexbol(P), 입상인 Leadcap(L)이다.
- 각WAD는 교반 끝 무렵 5분전에 사용함량별로 넣었다. SBS의 종류에 따라서 HMA와 WMA PMA를 제조하였다. 또한 사용된 WAD의 사용량은 Table 2와 같다.
- 동전단류계(dynamic shear rheometer: DSR, Fig. 6) 시험은 복합전단계수(complex shear modulus: G*) 및 위상각(phase angle: δ)을 측정하여 바인더의 점성 및 탄성거동을 분석하였다.
- 동점도(kinematic viscosity) 시험(KS F 2392)은 브룩필드 회전점도계(Fig. 5)를 사용하여 표준 온도인 135℃와 WMA 작업 추정온도인 115℃에서도 측정하였다. 아스팔트와 스핀들을 시험온도에 30분간 안정화 시킨 후 15분간 스핀들을 회전속도 20rpm으로 유지하며 필요한 점성 torque를 1분 간격으로 3회 측정하였다.
- 본 연구에서는 일반 아스팔트에 4종의 SBS와 3종의 준고온화 첨가제(WAD)를 첨가하여 HMA 및 WMA PMA를 제조하고 동점도, DSR, BBR 시험을 수행하여 다음과 같은 결론을 얻었다.
- 5)를 사용하여 표준 온도인 135℃와 WMA 작업 추정온도인 115℃에서도 측정하였다. 아스팔트와 스핀들을 시험온도에 30분간 안정화 시킨 후 15분간 스핀들을 회전속도 20rpm으로 유지하며 필요한 점성 torque를 1분 간격으로 3회 측정하였다.
대상 데이터
- 본 연구에서는 Pen. 60-80(PG64-22) 등급의 일반 아스팔트를 사용하였고 개질재로 국내 L사의 SBS 3종류, 외국 K사의 SBS 1종류를 사용하였다(Table 1). SBS PMA를 준고온 용도로 만들기 위하여 3가지 WAD를 사용하였다.
- 일정 저온 하에서 아스팔트 보(beam)에 휨 모드의 크리프 하중을 가하며, 그 온도는 methanol이 들어있는 수조에 의해 유지하였다. 시편은 길이 125mm, 폭12.7mm, 두께 6.35mm의 규격이고, 시편에 100g의 하중을 240초 동안 재하하였다. 이를 통해 stiffness와 m-value를 구하여 PG 저온등급 결정에 활용하였다.
이론/모형
- 저온에서 바인더의 강성(stiffness)과 변형률을 측정하기 위해서 휨보류계(bending beam rheometer: BBR) 시험(KS F 2390)을 수행하였다. 공학적인 보 이론을 적용하여 크리프 하중 하에서 아스팔트 보 시편의 강성을 측정하고, log 크리프 stiffness와 log(sec)와의 관계에서 60초일 때 변화율 기울기를 m-value로 나타낸다.
성능/효과
- 1. 바인더의 동점도 시험결과 SBS의 종류에 따라 다소 차이가 있으나 개질 후 약 3~3.7배 높아졌으나, 115℃에서 개질 WMA 바인더가 개질 HMA보다 평균 약 10% 동점도가 낮아 유동성이 향상된 것으로 나타났다.
- 2. PG64-22 바인더에 4가지 SBS 개질 모두 PG76-22 등급의 바인더가 얻어졌다. 등급판정(P/F) 온도도 개질 WMA와 개질 HMA 바인더에 차이가 미미하였고, 3가지 WAD간에도 차이가 0.
- 3. P/F 온도와 동점도 간에는 밀접한 관계(R2＞0.97)가있어 동점도가 높으면 P/F 온도가 높다는 사실을 발견하였다.
- 4. HMA와 WMA 바인더 모두 저온등급 -22를 만족하였으나 HMA 바인더의 저온 P/F 온도는 -16℃에서 WAD의 첨가로 -14.7℃로 약간 높아졌고, SBS로 개질 후 평균 -13.3℃로 높아졌다.
- 5. 결론적으로 SBS 개질은 고온성능향상은 확실하나 저온 P/F 온도를 높여 저온성능을 다소 저하시키는 것으로 나타났다. 하지만 개질 WMA 바인더와 개질 HMA 바인더는 유사한 수준이어서 개질아스팔트에WAD 사용에 따른 저온성능 변화는 거의 없었다.
- WAD를 첨가하면 각각 HMA 바인더에 비하여 다소 낮은 동점도를 보였다. Fig. 9, 10에서 보여주듯이 일반 아스팔트에 WAD 첨가는 115℃에서 25% 이상, 135℃에서 20% 이상의 동점도 저하를 보였으나, SBS PMA에서는 평균 10% 정도 낮아져 덜 효과적인 것을 알 수 있다.
- HMA N의 P/F 온도는 -16℃에서 HMA PMA 평균은 -13.5℃로 개질에 의해 저온 P/F 온도가 2.5℃ 높아지는 것으로 나타났다. 이는 개질을 위해 1시간 이상 고온교반 등에 의한 바인더의 노화와 개질재의 특성 때문인 것으로 추정된다.
- 11). P/F온도가 높은 바인더는 동점도도 높았고 낮은 것은 동점도도 낮은 편이어서 두 특성 간에 상관성이 있음을 추측할 수 있었다. 따라서 동점도와 P/F간의 상관성 분석을 수행한 결과 Fig.
- 폴리머별 P/F 온도를 보면 HMA와 WMA 모두 78℃~81℃로 76 등급을 만족했다. WAD 첨가로 인한 P/F온도의 차이는 매우 미미하여, WMA 바인더의 P/F는 모두 HMA의 약 98% 이상 이었다(Fig. 11). P/F온도가 높은 바인더는 동점도도 높았고 낮은 것은 동점도도 낮은 편이어서 두 특성 간에 상관성이 있음을 추측할 수 있었다.
- 12와 같은 결과를 얻었다. 두 특성 간에는 동점도 측정온도에 관계없이 모두 매우 밀접한 상관관계가 있음을 알 수 있었다.
- 하지만 이는 HMA의 동점도가 높고 낮은 것에 기인한 점이 크다 할 수 있다. 즉, HMA의 동점도가 높은 PMA가 WAD에 의해 동점도가 상대적으로 많이 저하되고 낮은 것은 덜 저하되는 흥미로운 점을 발견하였다. 이 원인에 대해서는 향후 별도의 연구가 있어야 할 것으로 본다.
- 7배 높은 동점도 값을 나타냈다. 폴리머별로 보면 HMA에서는 SB가 가장 높고 WMA에서는 SA가 평균이 가장 높았고, SC가 HMA, WMA 모두에서 가장 낮은 동점도를 보였다.
후속연구
- 즉, HMA의 동점도가 높은 PMA가 WAD에 의해 동점도가 상대적으로 많이 저하되고 낮은 것은 덜 저하되는 흥미로운 점을 발견하였다. 이 원인에 대해서는 향후 별도의 연구가 있어야 할 것으로 본다.
- 본 연구에서는 SBS 개질 WMA 바인더의 특성에 대해 몇 가지 중요한 점을 발견하였다. 하지만 이는 제한된 SBS 재료와 한 가지 기본 아스팔트를 사용한 것이므로 보다 일반화된 결론을 위해서는 보다 많은 재료의 사용이 향후 추진되어야 할 것으로 사료된다.
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