[논문]박리방지제에 따른 아스팔트 혼합물의 박리방지 특성 연구

김원재; 트란 반 푹; 두탄충; 박창규; 이현종

doi:10.7855/ijhe.2017.19.2.127

박리방지제에 따른 아스팔트 혼합물의 박리방지 특성 연구
The effect of anti-stripping on asphalt mixtures depending on the types of anti-stripping agents 원문보기

한국도로학회논문집 = International journal of highway engineering, v.19 no.2 = no.82, 2017년, pp.127 - 135

김원재 (세종대학교 건설환경공학과) , 트란 반 푹 (세종대학교 건설환경공학과) , 두탄충 (세종대학교 건설환경공학과) , 박창규 (세종대학교 건설환경공학과) , 이현종 (세종대학교 건설환경공학과)

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PURPOSES: The objective of this study is to evaluate the effect of anti-stripping on asphalt mixtures constituting anti-stripping agents. METHODS : Based on the literature review, asphalt mixture added with anti-stripping agents was prepared, and these asphalt mixtures were evaluated for anti-stripping properties for each anti-stripping agent through various lab tests, namely, tensile strength ratio (TSR), dynamic immersion test, uniaxial compression test, and indirect tensile strength test (IDT). The liquid anti-stripping agents used in the lab test were premixed with each asphalt binder (PG 64-22, PG 76-22) before being mixed with the aggregate. RESULTS :The result of the TSR test revealed that the effect of anti-stripping was highest when hydrated lime and liquid anti-stripping agent W were added. The correlation coefficient $R^2$ between the TSR result and cohesion ratio is 0.99, which indicates that the sensitivity of the TSR to moisture damage is reliable from the mechanical point of view. The covering ratio of the asphalt binder to the liquid anti-stripping agent W was determined to be higher than that to the other liquid anti-stripping agents. CONCLUSIONS :It is considered that the improved moisture resistance of asphalt mixture as a result of the use of anti-stripping agents can reduce the incidence of various pavement damages such as portholes caused by stripping, and the performance life of the asphalt road pavement can be prolonged.

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문제 정의

본 연구에서는 박리방지제에 따른 아스팔트 혼합물의 박리방지 특성을 분석하기 위한 문헌조사를 실시하였다. 국내외에서 적용하고 있는 박리방지제의 특성을 분석하는 시험법에 대해 조사하였으며, 다양한 박리방지제 사용 목적 및 적용사례에 대한 조사를 하였다.
본 연구에서는 국내에서 생산되는 2종의 골재(화강암, 석회암)와 4종의 박리방지제(소석회, 액상 박리방지제 W, N, S 제품), 2종의 골재 입도(SMA, BB-4), 2종의 아스팔트 바인더(PG64-22, PG76-22)를 사용하여 총 20종의 아스팔트 혼합물에 대한 수분민감성 평가를 위한 실내시험을 진행하였다. 수분민감성 평가를 위해 총 4종류의 실내시험(TSR 시험, 간접인장강도 시험, 일축압축강도 시험, 동적 수침시험)을 수행하였으며, 이를 통해 아스팔트 혼합물의 박리방지 특성 연구를 진행하였다.
본 연구에서는 다양한 박리방지 첨가제를 적용한 아스팔트 혼합물에 대한 실내시험을 통하여 효과 및 특성을 분석하였다.
본 연구에서는 박리방지제에 따른 아스팔트 혼합물의 박리방지 특성을 분석하기 위한 문헌조사를 실시하였다. 국내외에서 적용하고 있는 박리방지제의 특성을 분석하는 시험법에 대해 조사하였으며, 다양한 박리방지제 사용 목적 및 적용사례에 대한 조사를 하였다.
앞서 조사한 바와 같이 국내의 포트홀 발생 빈도가 증가하고 있으며 대부분의 해외 국가에서도 수분저항성에 대한 방지책으로 박리방지제를 적용하고 있어 본 연구에서는 소석회와 액상 방리방지제를 첨가한 아스팔트 혼합물의 박리방지 특성을 분석하기 위해 다음과 같은 실내시험을 진행하였다.

제안 방법

기존의 아스팔트 혼합물의 다져진 공시체에 대한 수분 손상을 평가하는 방법 중 가장 일반적으로 적용하는 TSR 기준에 대한 신뢰성을 평가하기 위하여 간접인장강도 시험과 일축압축강도 시험을 통해 산정된 점착력 비를 사용하여 TSR 값과 비교·분석하였다.
‘European Standard EN 12697-11’에서 제시하는 동적 수침시험 후 피복률은 100%, 95%, 90%, 80%, 60%, 40%, 20%로 구분되어 있지만 기준 폭이 좁아 측정자들의 의견이 엇갈리는 경향이 있다. 본 시험에서는 2명의 육안조사자가 피복률을 100%, 90%, 80%, 60%, 20%로 구분하여 시험 시작 후 6, 24, 48시간마다 피복률을 측정하였다.
본 연구에서는 국내에서 생산되는 2종의 골재(화강암, 석회암)와 4종의 박리방지제(소석회, 액상 박리방지제 W, N, S 제품), 2종의 골재 입도(SMA, BB-4), 2종의 아스팔트 바인더(PG64-22, PG76-22)를 사용하여 총 20종의 아스팔트 혼합물에 대한 수분민감성 평가를 위한 실내시험을 진행하였다. 수분민감성 평가를 위해 총 4종류의 실내시험(TSR 시험, 간접인장강도 시험, 일축압축강도 시험, 동적 수침시험)을 수행하였으며, 이를 통해 아스팔트 혼합물의 박리방지 특성 연구를 진행하였다.
아스팔트 혼합물의 수분저항성 시험은 KS F 2398(아스팔트 혼합물의 수분 저항성 시험 방법), AASHTO T283(Standard Method of Test for Resistance of Compacted Asphalt Mixtures to Moisture Induced Damage)에 따라 시험을 진행하였다. 수분저항성 시험은 실험실에서 다짐을 통해 제작된 시편을 사용하여, 실제 포장체의 상태 모사가 가능하기 때문에 가장 합리적으로 혼합물에 대한 수분 저항성을 측정할 수 있을 것으로 판단하여 본 연구에 적용하였다. Table 7은 수분 저항성 시험에 사용된 아스팔트 혼합물의 종류를 보여준다.
실내시험은 국내에서 생산되는 2종의 골재(화강암, 석회암)와 4종의 박리방지제(소석회, 액상 박리방지제 W, N, S), 2종의 골재입도(SMA, BB-4), 2종의 아스팔트 바인더(PG64-22, PG76-22)를 사용하였으며 이를 사용하여 국내외 수분저항성 및 박리방지 시험방법을 참고하여 박리방지제가 첨가된 아스팔트 바인더를 사용하여 제작한 아스팔트 혼합물의 수분저항성 및 박리방지 특성을 분석하였다.
)의 점착력을 평가하여 수분손상에 대한 저항성을 평가할 수 있다. 즉, TSR과 유사하게 c_wet/c_dry를 이용하여 수분손상에 대한 저항성 평가를 수행하였다.

대상 데이터

를 산정하고 TSR 결과와 비교 분석하였다. 본 시험에서는 BBG에 박리방지제를 적용한 총 5종의 아스팔트 혼합물을 사용하였다. Fig.

데이터처리

점착력과 내부마찰각을 계산한 다음 C_wet/C_dry를 산정하고 TSR 결과와 비교 분석하였다. 본 시험에서는 BBG에 박리방지제를 적용한 총 5종의 아스팔트 혼합물을 사용하였다.

이론/모형

동적 수침시험은 물속에서 골재와 아스팔트 사이의 피막이 벗겨지는 비율을 측정하는 시험이며 유럽 EN-12697-11 기준을 적용하였다. 동적 수침시험은 Fig.
기존에는 아스팔트 혼합물의 점착력을 측정하기 위해서는 삼축압축강도시험(Triaxial Compressive Strength Test, TCS)을 수행하여야 하지만 TCS 시험을 실시하기 위해서는 고가의 시험장비와 많은 시험시간이 요구된다. 따라서 본 연구에서는 간접인장강도시험(Indirect Tensile Strength Test, IDT)와 일축압 축강도시험(Uniaxial Compressive Strength Test, UCS)으로부터 혼합물의 점착력을 평가할 수 있는 방법(Christensen and Bonaquist, 2002)을 적용하여 TSR 시험 결과에 대한 신뢰성을 평가하였으며, 기층용 혼합물 BB-4(화강암)를 사용하였다.
아스팔트 혼합물의 수분저항성 시험은 KS F 2398(아스팔트 혼합물의 수분 저항성 시험 방법), AASHTO T283(Standard Method of Test for Resistance of Compacted Asphalt Mixtures to Moisture Induced Damage)에 따라 시험을 진행하였다. 수분저항성 시험은 실험실에서 다짐을 통해 제작된 시편을 사용하여, 실제 포장체의 상태 모사가 가능하기 때문에 가장 합리적으로 혼합물에 대한 수분 저항성을 측정할 수 있을 것으로 판단하여 본 연구에 적용하였다.

성능/효과

BBG 혼합물은 Fig. 4에서 보는 바와 같이 무첨가와 BBG S 혼합물을 제외한 혼합물에서 100% 이상의 값을 보였다. 이 중에서 BBG 혼합물은 소석회를 사용하였을 경우 TSR이 153%로 가장 크게 나타났으며, BBL 혼합물의 경우 액상 박리방지제 W를 사용하였을 때 131%로 가장 크게 나타났다.
TSR 시험결과, 시험에 사용된 모든 혼합물에서 박리방지제를 첨가하였을 때 무첨가한 혼합물에 비해 우수한 수분저항성을 보였다. 기존의 아스팔트 혼합물의 다져진 공시체에 대한 수분 손상을 평가하는 방법 중 가장 일반적으로 적용하는 TSR 기준에 대한 신뢰성을 평가하기 위하여 간접인장강도 시험과 일축압축강도 시험을 통해 산정된 점착력 비를 사용하여 TSR 값과 비교·분석하였다.
대부분의 TSR 결과가 100% 이상의 결과를 보이고 있으며 이는 아스팔트 바인더와 적용된 박리방지제의 화학 반응에 의해 아스팔트 바인더와 골재의 점착력이 증가하여 발생한 결과로 판단된다. 또한 앞서 언급한 CTR 연구보고서 441-1과 441-2F(1991) 및 해외 다른 연구 결과에서도 TSR 결과가 100% 이상의 결과를 보인 사례가 있다.
동적 수침시험 결과, 박리방지제를 첨가한 아스팔트 혼합물이 첨가하지 않은 아스팔트 혼합물에 비해 수분 손상에 대한 저항성이 높은 것으로 나타났고 혼합물에 대한 TSR 시험 결과 또한, 동적 수침결과와 전반적으로 유사한 것으로 나타나 본 연구에서 사용된 박리방지제의 효과는 신뢰할 수 있는 수준으로 판단된다.
또한 점착력과 TSR 결과값에 대한 상관관계를 분석한 결과 Fig. 7에서 보는 바와 같이 R² 값이 0.99로 상관성이 매우 높은 것으로 나타났다. 따라서 TSR을 사용한 아스팔트 혼합물의 수분 저항성 평가는 어느 정도 신뢰성이 확보된 것으로 판단된다.
6%로 나타났다. 무첨가 혼합물과 가장 우수한 시험결과인 액상 박리방지제 W와 S를 첨가한 혼합물의 시험 결과를 비교하면 48시간 후의 피복률은 약 60%의 차이를 보였다.
무첨가 혼합물을 기준으로 박리방지제를 첨가한 혼합물의 Normalized TSR 값은 Table 9와 같으며, 분석 결과 소석회와 액상 박리방지제 W의 수분 저항성이 무첨가 대비 약 20~100% 향상된 것으로 나타났다.
Bari and Witczak(2005)는 소석회의 첨가 유무에 대한 혼합물의 동탄성계수를 비교·분석하였다. 미국 전역의 실제 현장에서 생산된 17개(소석회 첨가 11개, 소석회 미 첨가 6개)의 혼합물에 대해 동탄성계수 시험을 수행하였으며 소석회가 첨가된 혼합물의 동탄성계수가 미 첨가된 혼합물에 비해 17%~50% 증가되어 소석회를 첨가할 경우 미 첨가된 혼합물보다 우수한 공학적 특성을 보이는 것으로 발표하였다. CTR 연구보고서 441-1과 441-2F(1991)는 TSR 시험과 Boiling 시험을 통해 예방적 수분손상에서 박리방지제와 소석회의 효과를 평가할 수 있는 현장 연구 결과를 발표하였다.
본 연구의 시험결과와 같이 각 아스팔트 혼합물에 적합한 박리방지제를 사용하면 현재의 도로포장보다 수분 손상에 대한 저항성이 우수한 아스팔트 혼합물의 생산이 가능한 것으로 판단된다.
기존의 아스팔트 혼합물의 다져진 공시체에 대한 수분 손상을 평가하는 방법 중 가장 일반적으로 적용하는 TSR 기준에 대한 신뢰성을 평가하기 위하여 간접인장강도 시험과 일축압축강도 시험을 통해 산정된 점착력 비를 사용하여 TSR 값과 비교·분석하였다. 분석 결과, TSR과 점착력 비의 상관관계 지수 R²가 0.99로 나타났으며, 이는 TSR을 사용한 수분 손상에 대한 저항성 평가는 역학적 측면에서 어느 정도 신뢰성이 확보된 것으로 판단된다.
5%로 미국보다 약 1% 내외로 더 사용하는 것으로 나타났다. 사용량 차이는 혼합 방법의 차이로 발생하였지만 적용 효과는 동일하게 유효한 것으로 발표했다.
Kennedy and Ping(1991)은 소석회와 액상 박리방지제의 박리 저항성과 소성변형 저항성을 실내시험 및 플랜트에서 제공받은 혼합물을 사용하여 제작한 시편과 현장 코어 시편을 채취하여 Lottom Test와 Boiling Test 등을 수행하였다. 액상 박리방지제의 경우 조골재 함량이 높은 혼합물에, 소석회의 경우 모든 혼합물에 대해 효과적인 것으로 발표하였다. Bari and Witczak(2005)는 소석회의 첨가 유무에 대한 혼합물의 동탄성계수를 비교·분석하였다.
4에서 보는 바와 같이 무첨가와 BBG S 혼합물을 제외한 혼합물에서 100% 이상의 값을 보였다. 이 중에서 BBG 혼합물은 소석회를 사용하였을 경우 TSR이 153%로 가장 크게 나타났으며, BBL 혼합물의 경우 액상 박리방지제 W를 사용하였을 때 131%로 가장 크게 나타났다. 소석회와 액상 박리방지제를 첨가시 대부분의 TSR값은 무첨가보다 높은 값이 나타났지만 적용하는 박리방지제와 암종, 아스팔트 바인더에 따른 경향은 나타나지 않았다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	아스팔트 혼합물의 박리의 문제점은 무엇인가?	아스팔트 혼합물의 박리는 골재와 아스팔트가 분리됨으로써 아스팔트 혼합물의 결합력을 약화시켜 혼합물의 안정성과 내구성을 저하시킨다. 특히 장기 공용된 아스팔트 포장의 박리현상은 포장의 하부 기층에서 발생하여 표층 절삭 덧씌우기를 하여도 지속적인 파손이 발생된다. 따라서 아스팔트 포장의 장수명화를 위해서는 하부 기층의 내구성이 증진되어야 하며, 아스팔트 혼합물의 박리에 대한 저항성 개선이 선행되어야 한다.
	포트홀이 발생되는 원인은 무엇인가?	포트홀이 발생하게 되면 차량의 주행 안정성과 운전자의 쾌적성을 저해하며, 대형사고로도 이어질 수 있는 위험성을 가지게 된다. 포트홀은 강우 또는 강설 시 포장체 내부로 우수가 침투하여 아스팔트 혼합물을 약화시키고 통과차량 하중의 재하시 발생되는 침투수의 압력으로 인하여 발생된다. 2015년도 포트홀 보수 현황은 고속도로에서 약 2.
	아스팔트 포트홀 방지를 위해 어떤 개선 노력이 필요한가?	도로포장의 장수명화를 위해서는 아스팔트 포트홀 방지를 위한 개선 기술의 마련이 시급한 실정이다. 포트홀 발생을 저감하기 위해서는 골재 및 아스팔트의 수분민감성을 평가하고 개선하려는 노력이 필요하며, 수분민감성이 취약한 골재는 박리방지제를 사용하여 개선하여야 한다. 지금까지는 수분민감성에 대한 품질관리 기준이 없어서 이에 대한 관리가 사실상 어려워 사후 긴급 보수에만 의존하고 있는 실정이다.

참고문헌 (14)

AASHTO (2011), "T 283-07 ; Standard Method of Test for Resistance of Compacted Asphalt Mixtures to Moisture-Induced Damage". American Association of State and Highway Transportation Officials. 8pp.
Bari J. and Witczak, M.W., "Evaluation of the Effect of Lime Modification on the Dynamic Modulus Stiffness of Hot-Mix Asphalt Use with the New Mechanistic- Empirical Pavement Design Guide," Transportation Research Record No. 1929, pp. 10-19, 2005.
Christensen, D.W., and R. Bonaquist (2002). "Use of Strength Tests for Evaluating the Rut Resistance of Asphalt Concrete". Journal of the Association of Asphalt Paving Technologists, Volume71, pp.692-711.
Dybalski, J. N. (1982). "Cationic surfactants in asphalt adhesion", In Association of Asphalt Paving Technologists Proceedings (Vol. 51).
EN 12697-11 Bituminous mixtures - Test methods for hot mix asphalt, Part 11: Determination of the affinity between aggregate and bitumen.
European Lime Association (EuLA), (2011), "Hydrated Lime: A Proven Additive for Durable Asphalt Pavements - A Critical Review". 80pp. www.eula.eu.
Hicks, R.G. and Scholz, T.V. (2003), "Life Cycle Costs For Lime in Hot Mix Asphalt," Final Report Volumes 1, 2,and 3, National Lime Association, Arlington VA, http://www.lime.org/publications.html#asphalt.
Kennedy, T. W. and Ping, W. V., "Evaluation of Effectiveness of Antistripping Additives in Protecting Asphalt Mixtures from Moisture Damage," Journal of the Association of Asphalt Paving Technologists, from the Proceedings of Technical Sessions, Volume 60, Seattle, WA, March 1991.
Mathews, D. H. (1964). "The effect of cationic surface-active agents in the adhesion of bituminous binders to roadstones", In (paper to) International Congress on Surface Activity, 4th, Brussels, Belgium (No. LN583).
Ming-jen Liu, Thomas W. Kennedy (1991), "Field Evaluation of Stripping and Moisture Damage in Asphalt Pavements Treated with Lime and Anti-stripping Agents", Center for Transportation Research, Research Report Number 441-2F.
Missouri Standard Specifications for Highway Construction (2011), "Section 1071: Asphalt Release Agents, Fiber Additives and Liquid Anti-Strip Additives", Missouri Department of Transportation (MoDOT). http://www.modot.org.
Rsis(2015), "Road Statistics and Maintenance Information System", http://www.rsis.kr.
W.Virgil Ping, Thomas W. Kennedy (1991), "Evaluation of Stripping and Moisture Damage in Asphalt Pavements Treated with Lime and Anti-stripping Agents", Center for Transportation Research, Research Report Number 441-1.
Yang, Sung Lin., Hwang, S.D., Kim, Y.M., Jeong, K.D. (2008), "Evaluation of Moisture Susceptibility on Mixtures mixing Anti-Stripping Agent". Journal of the Korean Society of Road Engineers. vol. 10, No. 4, pp. 41-52.

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