[논문]수분민감성 관련 소석회 및 박리방지제 첨가 투수성 가열 아스팔트 혼합물의 최적 함량 평가

김도완; 이상염; 문성호

doi:10.7855/ijhe.2016.18.6.123

수분민감성 관련 소석회 및 박리방지제 첨가 투수성 가열 아스팔트 혼합물의 최적 함량 평가
Evaluation of Optimum Contents of Hydrated-Lime and Anti-Freezing Agent for Low-Noise Porous Asphalt Mixture considering Moisture Resistance 원문보기

한국도로학회논문집 = International journal of highway engineering, v.18 no.6 = no.80, 2016년, pp.123 - 130

김도완 ((주)건화 도로공항부) , 이상염 (인덕대학교 건설정보과) , 문성호 (서울과학기술대학교 건설시스템공학과)

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OBJECTIVES : The objective of this research is to determine the moisture resistance of the freeze-thaw process occurring in low-noise porous pavement using either hydrated-lime or anti-freezing agent. Various additives were applied to low-noise porous asphalt, which is actively paved in South Korea, to overcome its disadvantages. Moreover, the optimum contents of hydrated-lime and anti-freezing agent and behavior properties of low-noise porous asphalt layer are determined using dynamic moduli via the freeze-thaw test. METHODS : The low-noise porous asphalt mixtures were made using gyratory compacters to investigate its properties with either hydrated-lime or anti-freezing agent. To determine the dynamic moduli of each mixture, impact resonance test was conducted. The applied standard for the freeze-thaw test of asphalt mixture is ASTM D 6857. The freeze-thaw and impact resonance tests were performed twice at each stage. The behavior properties were defined using finite element method, which was performed using the dynamic modulus data obtained from the freeze-thaw test and resonance frequencies obtained from non-destructive impact test. RESULTS : The results show that the coherence and strength of the low-noise porous asphalt mixture decreased continuously with the increase in the temperature of the mixture. The dynamic modulus of the normal low-noise porous asphalt mixture dramatically decreased after one cycle of freezing and thawing stages, which is more than that of other mixtures containing additives. The damage rate was higher when the freeze-thaw test was repeated. CONCLUSIONS : From the root mean squared error (RMSE) and mean percentage error (MPE) analyses, the addition rates of 1.5% hydrated-lime and 0.5% anti-freezing agent resulted in the strongest mixture having the highest moisture resistance compared to other specimens with each additive in 1 cycle freeze-thaw test. Moreover, the freeze-thaw resistance significantly improved when a hydrated-lime content of 0.5% was applied for the two cycles of the freeze-thaw test. Hence, the optimum contents of both hydrated-lime and anti-freezing agent are 0.5%.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 고성능 바인더의 적용으로 개선되지 않는 수분저항성 문제를 해결하기 위해 아스팔트 혼합물에 소석회를 첨가했다.
본 연구에서는 소석회를 첨가한 저소음 배수성 아스팔트 혼합물의 수분민감성을 평가하기 위해 ASTM D 6857기준에 의거한 동결융해 시험을 실시했다. 동결융해시험을 실시하기 전 비파괴시험을 통한 동탄성계수를 파악한 뒤, 이 공시체를 영하 20℃의 냉동고에 24시간 동결시켰다.
본 연구에서는 소석회를 첨가한 투수성 아스팔트 혼합물의 수분민감도를 평가하기 위해 2 Cycle에 걸친 동결융해시험을 실시하였으며, 이 동결융해시험을 거친 혼합물에 대하여 비파괴충격파 시험을 실시함으로써 피로거동에 대한 혼합물의 수분민감도를 평가했다. 동탄 성계수를 이용하여 수분민감도를 평가한 본 연구의 결론은 다음과 같다.
이 때문에 수분민감성을 파악할 수 있는 동결융해에 대한 동탄성 계수 시험은 본 연구의 핵심사항이 된다. 본 연구에서는 저소음 배수성 포장의 특성을 보완하는 일환으로 서울시에서 개발한 필렛형(Pellet) 소석회와 액상형 박리방지제를 첨가한 저소음 배수성 아스팔트 혼합물을 제작했다. 필렛형 소석회의 경우 첨가될 때 아스팔트 혼합물에 대한 첨가율이 적용되기 때문에, 소석회를 첨가한 아스팔트 혼합물의 OAC를 획득한 뒤 본 제작에 들어갔다.
또한 각 지자체에서는 도심지의 민원을 고려해 저소음 배수성 포장의 적용을 점차 증가시키고 있다. 본 장에서는 국내의 저소음 배수성 포장 현황을 조사하고 연구되는 포장형식의 중요성 및 문제점을 파악하고자 하는 것에 그 목적을 두고 있다.

제안 방법

1차 동결융해에 대한 각 혼합물의 수분민감성 평가는 동결융해를 실시하기 전 동탄성계수와 동결융해 실시후 동탄성계수를 비교함으로써 수분저항성을 파악하도록 했다. 2차 동결융해에 대한 시험 결과 역시 1차 및 동결융해 전 동탄성계수의 차이를 비교함으로써 동결융해 저항성을 파악했다.
1차 동결융해에 대한 각 혼합물의 수분민감성 평가는 동결융해를 실시하기 전 동탄성계수와 동결융해 실시후 동탄성계수를 비교함으로써 수분저항성을 파악하도록 했다. 2차 동결융해에 대한 시험 결과 역시 1차 및 동결융해 전 동탄성계수의 차이를 비교함으로써 동결융해 저항성을 파악했다. 이 차이는 3가지 공시체의 동탄 성계수 차이에 대한 RMSE(Root Mean Squared Error) 및 MPE(Mean Percentage Error)를 적용해 동결융해에 가장 큰 저항성을 갖는 소석회 및 박리방지제 함량을 탐색했다.
이후 융해과정에서 항온수조에 16시간 방치함으로써 동결융해의 전 과정을 마무리했다. 단, 여기서 비파괴시험의 특성을 반영하기 위해 건조로에서 완전건조시킨 상태에서 다시 충격 공진에 대한 비파괴충격파시험을 실시했다. Fig.
액상형 박리방지제는 고온으로 녹여진 바인더에 대한 함량으로 첨가되었다. 더불어, 제작된 아스팔트 혼합물에 대한 동결융해를 통한 동탄성계수 시험을 실시했다. 이로부터 도출된 동탄성계수를 이용해 포장의 수분민감성을 파악했으며, 유한요소해석(FEM, Finite Element Method)을 통해 실제 교통하중에 대한 변형 메카니즘을 확인했다.
08))에서는 소석회 첨가 가열 아스팔트에 대한 비파괴충격파시험을 통해 각 시편에 대한 동탄성계수를 도출했다. 도출된 동탄성계수는 시간-온도 중첩의 원리 (TTSP, Time-Temperature Superposition Principle)에 의해 Sigmoidal의 마스터커브로 작도된 뒤 , 한국형포장설계프로그램 (KPRP, Korea Pavement Research Program)의 기본 자료로 활용되어 횡단을 설계했다. 이때, 1등급 포장설계에서 사용 되는 마스터커브를 해당 시험으로 도출된 자료로 활용했지만, 한국형 포장설계에서는 단순히 동탄성계수만을 반영할 뿐 소석회 및 박리방지제의 성능을 반영할 수 없었다.
또한, 본 연구에서는 소석회 및 박리방지제를 첨가한 아스팔트 혼합물의 성능을 평가하기 위해 충격공진시험을 통해 동탄성계수를 파악했으며, 유한요소해석을 통해 실제 적용에 앞서 교통하중에 대한 포장체의 성능을 평가했다. 이러한 평가를 통해 소석회 및 박리방지제의 최적 첨가율을 파악했다.
본 연구에서 파악하고자 하는 것은 표층과 기층 사이에서 발생하는 응력 및 변형 분포로서, FEM결과 중 표층과 기층 사이 하중전달 방향에서 수직이 되는 노드와 요소의 응력 및 변형분포를 파악했다. KICTPAVE를 활용한 각 조건 별 유한요소해석 결과는 다음 Fig.
본 연구에서는 배수성 표층 포장의 하중에 대한 거동을 파악하기 위해 하부층은 기층, 보조기층, 노상으로 구분하여 각 층의 물성은 변동시키지 않았다. 각 층의 두께 및 푸아송비는 Table 2와 같이 적용했으며, 탄성계수는‘도로포장 구조 설계 해설서(국토해양부,2011.
본 연구에서는 비파괴시험을 통해 FRF 및 공진주파수를 파악했으며, Eq (1)을 이용해 각 공시체에 대한 동탄성계수를 도출했다. 아래.
본 연구에서는 일반 저소음 배수성 아스팔트 혼합물, 소석회 첨가 저소음 배수성 아스팔트 혼합물, 액상형 박리방지제를 첨가한 저소음 배수성 아스팔트 혼합물의 3종류 아스팔트 혼합물을 선회다짐을 통해 제작한 후, 이를 이용해 비파괴충격파시험을 실시했다. 비파괴시험을 실시한 후 동결융해를 통한 수분민감성을 평가하기 위해 각 혼합물을 동결융해시켜 비파괴충격파시험을 실시 했다.
, 1985). 본 연구에서는 항온항습기를 이용하여 건조한 상태에서 온도를 0℃에서 40℃까지 올려가며 시험을 실시했다. 또한 주파수분석은 공진주파수를 명확하게 파악하기 위해 고속푸리에변환분석 (FFT, Fast Fourier Transform)을 적용했다.
본 연구에서는 일반 저소음 배수성 아스팔트 혼합물, 소석회 첨가 저소음 배수성 아스팔트 혼합물, 액상형 박리방지제를 첨가한 저소음 배수성 아스팔트 혼합물의 3종류 아스팔트 혼합물을 선회다짐을 통해 제작한 후, 이를 이용해 비파괴충격파시험을 실시했다. 비파괴시험을 실시한 후 동결융해를 통한 수분민감성을 평가하기 위해 각 혼합물을 동결융해시켜 비파괴충격파시험을 실시 했다. 이로부터 파악된 동탄성계수를 이용하여 수분저항성을 평가했으며, 유한요소해석을 통해 실제 구조적 거동을 파악했다.
2차 동결융해에 대한 시험 결과 역시 1차 및 동결융해 전 동탄성계수의 차이를 비교함으로써 동결융해 저항성을 파악했다. 이 차이는 3가지 공시체의 동탄 성계수 차이에 대한 RMSE(Root Mean Squared Error) 및 MPE(Mean Percentage Error)를 적용해 동결융해에 가장 큰 저항성을 갖는 소석회 및 박리방지제 함량을 탐색했다.
또한, 본 연구에서는 소석회 및 박리방지제를 첨가한 아스팔트 혼합물의 성능을 평가하기 위해 충격공진시험을 통해 동탄성계수를 파악했으며, 유한요소해석을 통해 실제 적용에 앞서 교통하중에 대한 포장체의 성능을 평가했다. 이러한 평가를 통해 소석회 및 박리방지제의 최적 첨가율을 파악했다.
더불어, 제작된 아스팔트 혼합물에 대한 동결융해를 통한 동탄성계수 시험을 실시했다. 이로부터 도출된 동탄성계수를 이용해 포장의 수분민감성을 파악했으며, 유한요소해석(FEM, Finite Element Method)을 통해 실제 교통하중에 대한 변형 메카니즘을 확인했다.
비파괴시험을 실시한 후 동결융해를 통한 수분민감성을 평가하기 위해 각 혼합물을 동결융해시켜 비파괴충격파시험을 실시 했다. 이로부터 파악된 동탄성계수를 이용하여 수분저항성을 평가했으며, 유한요소해석을 통해 실제 구조적 거동을 파악했다.
KPRP 내에서는 횡단포장설계에 대한 영구변형, 피로 균열, 국제평탄성지수(IRI, International Roughness Index)를 평가할 수 밖에 없기 때문에 박리나 탈리에 대한 영향효과를 분석하는 것이 불가능했다. 이와 관련하여 본 연구에서는 소석회 및 박리방지제를 첨가한 저소음 배수성 혼합물을 제작하여 비파괴 충격파시험을 통해 동결융해를 거친 공시체의 수분저항성을 파악 했다.
본 연구에서는 저소음 배수성 포장의 특성을 보완하는 일환으로 서울시에서 개발한 필렛형(Pellet) 소석회와 액상형 박리방지제를 첨가한 저소음 배수성 아스팔트 혼합물을 제작했다. 필렛형 소석회의 경우 첨가될 때 아스팔트 혼합물에 대한 첨가율이 적용되기 때문에, 소석회를 첨가한 아스팔트 혼합물의 OAC를 획득한 뒤 본 제작에 들어갔다. 액상형 박리방지제는 고온으로 녹여진 바인더에 대한 함량으로 첨가되었다.

대상 데이터

각 층의 두께 및 푸아송비는 Table 2와 같이 적용했으며, 탄성계수는‘도로포장 구조 설계 해설서(국토해양부,2011.12.)’및 한국형포장설계프로그램에 제시된 기본 데이터를 활용했다.
이러한 문제를 해결하기 위해 저소음 배수성포장에 최근 슈퍼팔트의 고등급 바인더를 활용한다. 국내에서 최근 개발된 바인더의 고공용등급은 PG 82-34이다.
)’및 한국형포장설계프로그램에 제시된 기본 데이터를 활용했다. 축하중의 경우 AASHTO 기준 혼합교통량인 18kips의 등가 단축하중 조건을 적용했다.

이론/모형

본 연구에서는 항온항습기를 이용하여 건조한 상태에서 온도를 0℃에서 40℃까지 올려가며 시험을 실시했다. 또한 주파수분석은 공진주파수를 명확하게 파악하기 위해 고속푸리에변환분석 (FFT, Fast Fourier Transform)을 적용했다. 아래 Eq.
이 모형의 구성은 4절점의 CAX4모형으로서 외형으로는 일반적인 2D 단면을 구현하고 있으나, 실제 적용 이론 모형은 실린더 형태의 중심부에 하중이 가해지는 원기둥 모형이다. 본 연구에서 사용한 KICTPAVE에서 표층 및 중간층을 제외한 기층 및 보조기층의 두께 및 제원은 한국형포장설계프로그램에서 제시하는 디폴트 값을 적용했다. 다음 Fig.
본 연구에서는 동결융해 및 비파괴시험에 의해 도출된각 혼합물의 구조적 거동 메카니즘을 파악하기 위해 한국건설기술연구원에서 개발한 KICTPAVE를 활용했다. KICTPAVE는 아스팔트 및 콘크리트 포장에 대한 구조적 거동을 평가하기 위해 개발된 유한요소해석 프로그램으로서 일반화된 맥스웰 모델이 적용되어 있다.
비파괴시험은 충격파를 3번 방사시켜 오차를 보정하는 방법으로 시험의 일관성을 확보하기 위해 FRF (Frequency Response Function)에 대한 일관성함수인 Coherence를 적용했다.

성능/효과

1. RMSE 및 MPE에 기초하여 1차 동결융해시험 결과로부터 소석회 첨가율이 1.5%인 경우 저항성이 가장 큰 것으로 판단했으며, 박리방지제는 0.5% 첨가율인 경우 동결융해에 대한 저항성이 가장 큰 것으로 나타났다.
2. 2차 동결융해시험 결과 1차 동결융해 시험과 다르게 소석회가 0.5% 첨가된 경우 크게 저항성이 증가됐으며, 박리방지제는 1차 동결융해시험결과와 같은 0.5% 첨가율인 경우에 동결융해저항성이 크게 나타났다.
3. 일반 배수성 아스팔트에 비해 소석회를 0.5% 첨가한 경우, 박리방지제를 0.5% 첨가한 경우, 항상 하중에 더 높은 저항성을 갖는 것으로 나타났다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	저소음 배수성 포장은 어디서 적용되고 있는가 ?	저소음 배수성 포장은 포장형식의 고유특성 때문에 최근 도심지와 같은 환경에서 빈번하게 적용되고 있다. 최근 개발되고 있는 저소음 배수성 포장은 오차를 제외하고 약 20%의 공극률로 구성되어 포장의 배수기능과 소음을 저감시키는 기능을 동시에 발현하도록 하고 있다.
	저소음 배수성 포장의 최근 개발되고 있는 형태는 ?	저소음 배수성 포장은 포장형식의 고유특성 때문에 최근 도심지와 같은 환경에서 빈번하게 적용되고 있다. 최근 개발되고 있는 저소음 배수성 포장은 오차를 제외하고 약 20%의 공극률로 구성되어 포장의 배수기능과 소음을 저감시키는 기능을 동시에 발현하도록 하고 있다. 저소음 배수성포장은 포장의 표층 및 중간층의 우수를 횡단경사에 따라 배수시설로 유도시키는 역할로 그 기능을 발휘한다.
	저소음 배수성 포장의 결론적 특성은 무엇인가 ?	1. 배수능력 향상으로 인한 물고임 현상 완화 2. 수막현상 방지로 인한 포장 안정성 확보 3. 소음 저감으로 인한 방음벽 환산 높이 저감 4. 야간 및 우천 시 난반사율 저감 5. 마찰저항성 증가로 주행안전성 확보

참고문헌 (10)

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Kim, Dowan, Mun, Sungho, Lee, Sangyum, Taesup. "Application of Hydrated Lime-Modified Asphalt Mixture Properties to Korean Pavement Research Program", Journal of Korean Society of Road Engineers, 17(4), pp. 66-75. 2015.
Kim, Dowan, Mun, Sungho, Lee, Sangyum, Taesup. "Application of Hydrated Lime-Modified Asphalt Mixture Properties to Korean Pavement Research Program", Journal of Korean Society of Road Engineers, 17(4), pp. 66-75. 2015.
Korea Expressway Corp. "Review of Application Method of Porous Asphalt Pavement for Improvement of Driving Safety and Comfortability", 2015.05.
Lee, Sangyum. "Investigation of the Effects of Lime on the Performance of HMA using Advanced Testing and Modeling Techniques", North Carolina State Univ. Paper of Doctor of Philosophy, 2008.
Lee, Sangyum, Seo, Youngguk and Kim, Y. Richard. "Effect of Hydrated-Lime on Dynamic Modulus of Asphalt-Aggregate Mixtures in the State of North Carolina", Conference of Korean Society of Civil Engineering 2010.
Mun, Sungho, Kim, Dowan, Jun, Eunbe, Lee, Sangyum and Yoon, Taesup. "Performance Evaluation of Porous Asphalt Mixtures Using Hydrated-Lime", Journal of Korean Society of Hazard Mitigation, 14(6), pp. 73-82. 2014.

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Oyadiji S. O. and Tomlinson G. R. "Determination Of The Complex Moduli Of Viscoelastic Structural Elements By Resonance And Non-Resonance Methods", Journal of Sound and Vibration, 101(3), pp. 277-298. 1985.

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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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