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문제 정의
- 본 연구에서는 열분해시 발생하는 잔류물인 열분해 카본블랙을 이용하여 아스팔트 혼합물의 소성변형 성능 개선효과를 평가하고자 한다. 본 연구에서 사용하는 열분해 카본블랙은 부산지역의 폐타이어 열분해 공정을 이용한 공장에서 생산되는 것으로, 기존의 폐타이어 고무 분말과는 완전히 다른 형태로, 덩어리로 배출되는 카본블랙을 밀링 처리하여 0.
- 이를 위해 열분해 카본블랙의 사용량을 아스팔트 사용량 대비 0%, 5%, 10%, 및 15% 를 혼합한 개질아스팔트 시편을 제작하였다. 이를 이용하여 열분해 카본블랙을 혼합한 개질아스팔트 혼합물의 기본배합설계 및 소성변형 시험을 통해 열분해 카본블랙을 활용한 아스팔트 혼합물의 소성변형 저감 효과를 평가하고자 한다.
제안 방법
- (2) 소성변형 특성 평가를 위해 반복삼축압축시험을 이용하였다. 구속응력은 138 kPa, 축차응력은 551 kPa, 시험온도는 45도를 적용하였다.
- 배수성 아스팔트 혼합물의 배합설계는 국토해양부에서 제안하는 배수성 아스팔트 혼합물의 표준 배합표에 명시된 PA-13으로 배합설계를 시행하였다. 본 실험에서는 일반 혼합물과 다르게 PA-13의 최적 아스팔트 함량을 구하기 위해 바인더의 양을 4%에서 6%까지 0.
- 배수성 아스팔트 혼합물의 배합설계는 국토해양부에서 제안하는 배수성 아스팔트 혼합물의 표준 배합표에 명시된 PA-13으로 배합설계를 시행하였다. 본 실험에서는 일반 혼합물과 다르게 PA-13의 최적 아스팔트 함량을 구하기 위해 바인더의 양을 4%에서 6%까지 0.5%씩 증가 시켜가며 배합을 하고 170℃정도에서 1시간 방치후 아스팔트가 용기에 흘러내린 정도를 판정하였다. 아스팔트 함량의 변화에 따라 각각의 손실률을 결정하고 아스팔트 함량과 흐름율과의 관계에서 변곡점을 나타내는 아스팔트 함량을 최적 아스팔트 함량으로 결정하게 되는 침강 손실률 시험을 시행하여, 최적 아스팔트 함량은 5.
- 시험온도는 45도를 적용하였다. 시험에 필요한 시편은 SHRP의 슈퍼페이브 다짐장비를 이용하여 중규모 교통량 조건을 구현하는 50회 선회다짐조건을 적용하였다.
- 5%씩 증가 시켜가며 배합을 하고 170℃정도에서 1시간 방치후 아스팔트가 용기에 흘러내린 정도를 판정하였다. 아스팔트 함량의 변화에 따라 각각의 손실률을 결정하고 아스팔트 함량과 흐름율과의 관계에서 변곡점을 나타내는 아스팔트 함량을 최적 아스팔트 함량으로 결정하게 되는 침강 손실률 시험을 시행하여, 최적 아스팔트 함량은 5.1%로 결정하였다. 최적아스팔트 함량을 이용하여 제작한 배수성 아스팔트 혼합물의 기본물성은 Table 5에 나타내었다.
- 075mm 이하의 미분말로 밀링한것을 이용하였다. 이를 위해 열분해 카본블랙의 사용량을 아스팔트 사용량 대비 0%, 5%, 10%, 및 15% 를 혼합한 개질아스팔트 시편을 제작하였다. 이를 이용하여 열분해 카본블랙을 혼합한 개질아스팔트 혼합물의 기본배합설계 및 소성변형 시험을 통해 열분해 카본블랙을 활용한 아스팔트 혼합물의 소성변형 저감 효과를 평가하고자 한다.
- 5℃의 정밀도로 실온에서 60℃로 조절할수 있어야 한다. 재하하중은 0.1초의 재하기와 0.9초의 휴지기를 가지는 반사인파(Haversine)로 이용하여 현장에서 발생하는 교통하중을 구현하였다. 시험에 이용한 구속응력은 138 kPa, 축차응력은 551 kPa를 이용하였다.
대상 데이터
- 골재는 파쇄한 화강암 골재를 이용하였다. 배수성 포장용 골재 입도는 국내에서 사용하는 13mm 배수성 포장 표준입도를 적용하였고, 입도는 Table 3과 같다.
- 본 연구에는 AP-3 아스팔트 바인더를 기본으로, , 열분해 카본블랙 혼합량을 0%, 5%, 10%, 15% 및 20%로 만든 개질아스팔트 바인더를 이용하였다. 열분해 카본블랙의 주요 성분은 Fixed Carbon 62.
- 본 연구에서는 열분해시 발생하는 잔류물인 열분해 카본블랙을 이용하여 아스팔트 혼합물의 소성변형 성능 개선효과를 평가하고자 한다. 본 연구에서 사용하는 열분해 카본블랙은 부산지역의 폐타이어 열분해 공정을 이용한 공장에서 생산되는 것으로, 기존의 폐타이어 고무 분말과는 완전히 다른 형태로, 덩어리로 배출되는 카본블랙을 밀링 처리하여 0.075mm 이하의 미분말로 밀링한것을 이용하였다. 이를 위해 열분해 카본블랙의 사용량을 아스팔트 사용량 대비 0%, 5%, 10%, 및 15% 를 혼합한 개질아스팔트 시편을 제작하였다.
- 소성변형 측정 시험시스템은 Fig. 1과 같이 하중재하 프레임, 온도챔버, 측정시스템 그리고 삼축셀로 구성된다. 온도조절챔버(Environmental chamber)는 시험에 필요한 온도로 시편의 온도를 조절하기 위한 챔버로서, 온도조절챔버는 ±0.
이론/모형
- PA-13mm 배수성 포장에 사용된 골재의 기본물성은 KS 표준시험법을 이용하였고, 실험결과는 Table 4와 같다.
- 골재는 파쇄한 화강암 골재를 이용하였다. 배수성 포장용 골재 입도는 국내에서 사용하는 13mm 배수성 포장 표준입도를 적용하였고, 입도는 Table 3과 같다.
성능/효과
- (1) PA-13 배수성 아스팔트 혼합물의 경우 열분해 카본블랙양이 양이 많을수록 최대안정도값이 커지는 경향을 나타냈다. 열분해 카본블랙 10%를 사용한 아스팔트 혼합물의 안정도 값이 3.
- (3) 초기소성변형이 끝나고, 이후 2단계 Steady -State 상태 구간이 시작되는 변형 크기는 평균적으로 1.2mm 정도이고, 이는 시편의 높이 100mm를 기준으로 보면 약 1.2% 변형수준에서 2단계 Steady-State 구간에 진입하는 것으로 평가되었다. 2단계 구간이 끝나고 3단계 소성 변형파괴구간에 진입하는 변형량의 크기는 평균 4.
- 2% 변형수준에서 2단계 Steady-State 구간에 진입하는 것으로 평가되었다. 2단계 구간이 끝나고 3단계 소성 변형파괴구간에 진입하는 변형량의 크기는 평균 4.5mm 정도이고, 시편의 높이 기준으로 보면 약 4.5% 변형 시소성변형 파괴가 시작되는 것으로 판단된다.
- 이를 근거로 아스팔트 혼합물의 소성변형 저항성을 평가하는 것이 의미있는 것으로 판단된다. 4.5% 변형 률에 도달하는 하중재하시간을 기준으로 보면 PCB 0% 시편이 520초, PCB 5% 시편은 830초, PCB 10% 시편은 965초, PCB 15% 시편은 800초로 나타났고, 이를 근거로 보면 PCB 10%를 사용한 시편의 소성변형 저항성이 가능 큰 것으로 나타났다.
- 전체적으로 PCB를 사용하지 않은 시편의 소성변형이 PCB 를 사용한 시편의 소성변형에 비해 크게 나타났다. PCB 사용 시 5%에서 10%를 이용하는 것이 소성변형을 최소화 할 수 있는 것으로 나타났다.
- 모든 시편이 2단계 시작 및 3단계 시작시의 변형량의 크기는 거의 차이가 없으나, 실제 1.2% 변형 및 4.5% 변형에 도달하는 하중재하 시간의 차이는 큰 것으로 나타났다. 이를 근거로 아스팔트 혼합물의 소성변형 저항성을 평가하는 것이 의미있는 것으로 판단된다.
- 열분해 카본블랙을 이용하지 않은 경우에 비해 50% 이상의 안정도 (kN) 증가 효과를 나타내었다. 배수성 아스팔트 혼합물의 경우 주로 굵은 골재가 많이 이용되므로, 굵은골재들 간의 접촉면에서 열분해 카본블랙을 첨가한 아스팔트 바인더의 결합력이 커져서 안정도 값이 증가되는 것으로 나타났다.
- PA-13 아스팔트 혼합물의 경우 열분해 카본블랙양이 양이 많을수록 최대 안정도값이 커지는 경향을 나타냈다. 열분해 카본블랙 10%를 사용한 아스팔트 혼합물의 안정도 값이 3.41 kN으로 가장 크게 나타났다. 열분해 카본블랙을 이용하지 않은 경우에 비해 50% 이상의 안정도 (kN) 증가 효과를 나타내었다.
- 41 kN으로 가장 크게 나타났다. 열분해 카본블랙을 이용하지 않은 경우에 비해 50% 이상의 안정도 (kN) 증가 효과를 나타내었다. 배수성 아스팔트 혼합물의 경우 주로 굵은 골재가 많이 이용되므로, 굵은골재들 간의 접촉면에서 열분해 카본블랙을 첨가한 아스팔트 바인더의 결합력이 커져서 안정도 값이 증가되는 것으로 나타났다.
- 41 kN으로 가장 크게 나타났다. 열분해 카본블랙을 이용하지 않은 경우에 비해 50% 이상의 안정도 (kN) 증가 효과를 나타내었다. 배수성 아스팔트 혼합물의 경우 주로 굵은 골재가 많이 이용되므로, 굵은골재들 간의 접촉면에서 열분해 카본블랙을 첨가한 아스팔트 바인더의 결합력이 커져서 안정도 값이 증가되는 것으로 나타났다.
- 2는 PCB를 0%, 5%, 10% 및 15% 혼합한 배수성 포장용 혼합물의 소성변형시험결과를 보여주고 있다. 전체적으로 PCB를 사용하지 않은 시편의 소성변형이 PCB 를 사용한 시편의 소성변형에 비해 크게 나타났다. PCB 사용 시 5%에서 10%를 이용하는 것이 소성변형을 최소화 할 수 있는 것으로 나타났다.
- Table 8은 2단계 steady-state 구간의 종료시 하중재하 횟수 및 3단계 파괴구간에 진입한 후 8% 수준의 변형이 생겼을 때의 하중재하 횟수를 나타낸 것이다. 전체적으로 PCB를 사용한 아스팔트 혼합물의 4.5% 및 8% 변형에 도달하는 하중재하 횟수가 크게 나타났다.
- Table 7은 소성변형 단계별로 변형 및 하중재하시간을 분석한 결과이다. 하중을 재하 한 직후 발생하는 초기 변형의 경우 0.6에서 1.2mm 정도로 나타났고, PCB를 사용할 경우 초기변형을 줄일 수 있는 것으로 나타났다.
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