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문제 정의
- 따라서 본 연구에서는 아스팔트 실런트에 carbon chopped fiber를 충진하여 기계적 물성과 열 저항성이 우수한 아스팔트 혼합물을 개발하여 균열을 억제하고자 하였다. 탄소섬유의 혼입량에 따른 분산성과 이로 인한 여러 가지 기계적, 열적, 점탄성적인 특성을 분석하였다.
제안 방법
- KS M ISO 6721에 준용하여 승온속도 2 oC/min로 20 oC에서 180 oC 범위까지 주파수는 1 Hertz로 실험을 진행하였고, 시험을 통해 저장탄성률(storage modulus)과 손실탄성률(loss modulus)을 분석하였고 tan δ를 통해 댐핑특성을 분석하였다.
- 아스팔트 혼합물을 만능재료 시험기(UTM)를 통하여 기계적 물성을 관찰하고 또한 점탄성적인 특성을 DMA(Dynamic Machine Analysis) 시험기를 이용하여 저장탄성률(G')과 손실탄성률(G'') 및 tan δ를 분석하였다. 그리고 열전도도분석기를 통해 열적 특성 분석에 관한 연구를 수행하였다.
- 동적 점탄성 특성을 관찰하기 위해 동적 역학적 특성 분석기(DMA N535, Perkin-Elmer, USA)를 이용하였다. KS M ISO 6721에 준용하여 승온속도 2 oC/min로 20 oC에서 180 oC 범위까지 주파수는 1 Hertz로 실험을 진행하였고, 시험을 통해 저장탄성률(storage modulus)과 손실탄성률(loss modulus)을 분석하였고 tan δ를 통해 댐핑특성을 분석하였다.
- 본 연구에서는 carbon chop fiber의 혼입량을 변화하여 아스팔트 혼합물에 나타나는 기계적, 열적 특성 등을 비교, 평가했으며 다음과 같은 결론을 얻었다.
- 시험 시편은 –10 oC에서 2시간 이상을 유지한 다음 실험을 진행하였으며, crosshead speed는 5 mm/min로 유지하면서 5회 이상 인장시험을 반복하여 수행하고 해당 값을 측정하였다.
- 아스팔트 실런트를 180 oC까지 가열한 후 길이 1 mm의 carbon chopped fiber(T700, Toray)를 소량씩 나누어 첨가하여 균일하게 분산시켰다. 고속 혼합 교반기(HS-30D, DAIHAN Scientific)를 통해 3500−5000 rpm의 속도로 200 oC의 온도에서 1시간 동안 혼합 반응시켰다.
- 아스팔트 혼합물을 만능재료 시험기(UTM)를 통하여 기계적 물성을 관찰하고 또한 점탄성적인 특성을 DMA(Dynamic Machine Analysis) 시험기를 이용하여 저장탄성률(G')과 손실탄성률(G'') 및 tan δ를 분석하였다.
- 열전도율 분석은 아스팔트 혼합체의 유동열용량을 분석하기 위해 진행되었으며, 열전도도측정기(QUICKLINETM-30, Anter Corporation, USA)를 이용하여 열전도도, 열확산율, 체적비열을 측정하였다. 프로브(probe)를 시편에 접촉하고 정전류(constant current)를 인가하여 초기온도와 가열 후의 온도 차이에 따른 결과를 통해 식 (1)에 의해 열전도율을 계산하였다.
- 따라서 본 연구에서는 아스팔트 실런트에 carbon chopped fiber를 충진하여 기계적 물성과 열 저항성이 우수한 아스팔트 혼합물을 개발하여 균열을 억제하고자 하였다. 탄소섬유의 혼입량에 따른 분산성과 이로 인한 여러 가지 기계적, 열적, 점탄성적인 특성을 분석하였다. 아스팔트 혼합물을 만능재료 시험기(UTM)를 통하여 기계적 물성을 관찰하고 또한 점탄성적인 특성을 DMA(Dynamic Machine Analysis) 시험기를 이용하여 저장탄성률(G')과 손실탄성률(G'') 및 tan δ를 분석하였다.
대상 데이터
- 본 연구에 사용된 아스팔트계 실런트는 ㈜로드씰에서 제공받았다. 스티렌-부타디엔-스티렌 블록공중합체(SBS triblock copolymer, 이하 SBS)와 폐타이어 고무 분말(crumb rubber, 이하 CR)을 첨가한 폴리머 개질 아스팔트 바인더 특성을 가진 제품으로, 사용된 SBS 블록공중합체는 고무탄성 성질과 열가소성의 성질을 함께 가지고 있어 기존의 도로포장용 혼합물의 반사균열 및 취성파괴의 억제효과가 있는 아스팔트 포장용 균열 실링재이다.
- 시험 시편의 모양은 아령형 2호(너비×두께×길이, 10×2×100 mm)형태로 제작하였다.
이론/모형
- 아스팔트 혼합물의 기계적 특성 변화를 평가하기 위하여 만능재료시험기(AG-250kNX, Shimadzu Co.)를 사용하여 KS M ISO 37에 준용하여 기계적 물성을 평가하였다. 시험 시편의 모양은 아령형 2호(너비×두께×길이, 10×2×100 mm)형태로 제작하였다.
- 시험 시편은 –10 oC에서 2시간 이상을 유지한 다음 실험을 진행하였으며, crosshead speed는 5 mm/min로 유지하면서 5회 이상 인장시험을 반복하여 수행하고 해당 값을 측정하였다. 인열강도는 KS M ISO 34-2에 준용하였으며, carbon chopped fiber 혼입량에 따른 인장강도와 인열강도를 각각 구하였다.
성능/효과
- 1.만능재료시험기를 이용하여 인장강도를 측정한 결과 혼입량에 따라 인장강도는 2.24−2.72 MPa의 범위로 나타났으며, 혼입률이 증가함에 따라 아스팔트 혼합물의 균열을 억제하여 인장강도가 증가하는 것으로 나타났다.
- 2.역학적 특성 분석기를 통해 화학적 유변 물성인 저장탄성률과 손실탄성률 및 tan δ를 측정하였으며, 혼입량이 증가할수록 저장탄성률은 증가했으며, 손실탄성률은 감소하는 결과를 나타내었다.
- 3.아스팔트 혼합물의 열적 특성을 관찰하기 위해 열전도도 측정기로 열전도율을 분석한 결과, 순수아스팔트 혼합물의 경우 1.864 Wm-1K-1였고, carbon chopped fiber의 혼입량이 증가할수록 2.210 Wm-1K-1까지 열전도율이 증가하는 것을 관찰할 수 있었다. 그러나 2.
- 4.아스팔트 실런트에 carbon chopped fiber를 혼입하여 아스팔트 혼합물을 제작할 경우 순수 아스팔트 혼합물보다 우수한 기계적, 열적, 점탄성 특성을 보였으며, carbon chopped fiber의 혼입량이 1.5 wt%일 경우 가장 뛰어난 특성을 보였다. 이러한 결과로 보아 일정량의 carbon chopped fiber를 혼입한 아스팔트 혼합물은 더 높은 강도를 가지고, 균열을 억제하는데 많은 효과가 있을 것이라 판단된다.
- Figure 6에 carbon chopped fiber의 혼입량에 따른 아스팔트 혼합물의 평균 열전도율 측정 결과를 나타내었다. 결과를 통하여 열전도성이 우수한 carbon chopped fiber의 혼입량이 증가할수록 1 wt% 범위까지는 혼입되지 않은 아스팔트 혼합물에 비해 급격히 열전도율이 증가하는 것을 관찰할 수 있으나 1.5 wt%의 혼입량 이후에는 열전도율의 증가폭이 감소하는 것을 알 수 있다. 이는 앞서 언급되었던 뭉침 현상으로 인해 아스팔트 혼합물상에서의 섬유 분산성이 감소하며, 또한 열전달 네트워크 형성이 부족하여 열적 전도 특성이 혼입량에 비하여 감소하는 것으로 나타난다[11].
- 낮은 수준(혼입량 0.5 wt%)에서의 저장탄성률의 차이는 크지 않으나, 섬유 혼입량 1.0−1.5 wt% 범위에서는 저장탄성률이 보다 증가하였으며, 1.5 wt%의 혼입량인 경우 80 oC까지 다른 시편보다 항상 높은 저장탄성률을 가졌다.
- 또한 tan δ 값의 경우 혼입량이 증가할수록 증가하는 경향을 보이고 높은 온도에서 peak를 나타내었다.
- C)에서도 다른 보강섬유에 비해 섬유용융 문제가 발생되지 않는 장점이 있다. 또한 탄소섬유의 높은 인장강도는 아스팔트 혼합물의 기계적 물성 향상에 따른 교통 하중의 부하와 포장의 구조적 스트레스에 저항하고 균열 및 영구변형에 대한 저항성을 증가시킴으로 피로도 개선 가능성이 증가하고 기계적 특성을 향상시킬 수 있다.
- C까지 온도구간에서의 저장탄성률(G')과 손실탄성률(G'')을 구하고 이를 각각 Figure 3과 Figure 4에 나타내었다. 먼저, 순수 아스팔트 혼합물에 비해 carbon chopped fiber 혼입량이 증가할수록 증가하는 경향을 보였다. 낮은 수준(혼입량 0.
- 섬유보강 아스팔트 혼합물의 인장거동 특성은 섬유의 체적비, 형상비, 계면접착강도 및 분포도 등에 의해 영향을 받는다[4]. 섬유의 혼입량이 증가함에 따라 섬유를 혼입하지 않은 아스팔트 혼합물의 인장강도에 비하여 20% 정도 증가하는 것으로 나타났다. 섬유의 혼입량이 증가할수록 섬유가 아스팔트 혼합물의 균열을 억제하여 인장강도가 증가하는 것이라 판단되며, micro 섬유 첨가 시 인장강도의 성능을 향상시켜 준다는 기존의 연구와 유사한 경향을 나타내었다[6].
- 손실탄성률의 경우 저장탄성률과 반대로 혼입량이 1.5 wt%까지일 경우 손실탄성률이 감소하였으나, 2.0 wt%의 경우 1.5 wt% 대비 약간 증가함을 보였다. 혼입량이 증가함에 따라 손실탄성률이 점점 감소했다는 것은 혼입량이 증가함에 따라 아스팔트 혼합물의 점착력이 점점 감소했다는 것을 의미하고 이는 탄소섬유의 혼입량이 증가함에 따라 강직성이 더 증가했다는 것을 의미한다[8].
- 5 wt%일 경우 가장 뛰어난 특성을 보였다. 이러한 결과로 보아 일정량의 carbon chopped fiber를 혼입한 아스팔트 혼합물은 더 높은 강도를 가지고, 균열을 억제하는데 많은 효과가 있을 것이라 판단된다.
- 탄소섬유가 2.0 wt%의 경우, 섬유가 다소 뭉치는 현상을 확인할 수 있었고, 이로 인해 과다한 섬유가 혼입되었을 때 분산성이 저하되어 기계적 특성을 비롯한 열적 특성 등이 저하되는 것을 확인할 수 있었다.
- 역학적 특성 분석기를 통해 화학적 유변 물성인 저장탄성률과 손실탄성률 및 tan δ를 측정하였으며, 혼입량이 증가할수록 저장탄성률은 증가했으며, 손실탄성률은 감소하는 결과를 나타내었다. 하지만 2.0 wt%의 양을 혼입하였을 경우 각각의 값이 1.5 wt%일 때보다 오히려 저장탄성률은 감소, 손실탄성률은 증가하였다. 또한 tan δ 값의 경우 혼입량이 증가할수록 증가하는 경향을 보이고 높은 온도에서 peak를 나타내었다.
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