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문제 정의
- 동적수침 실험은 수침 상태에서의 아스팔트 바인더와 골재 사이의 점착력을 평가하기 위하여 수행하였다. 실험은 ‘EN 12697-11, Determination of the affinity between aggregate and bitumen’에 따라서 진행하였다.
- 국내에서 배포한‘건설폐자재 재활용 도로 포장 지침’,‘ GR F 4005, 재활용 가열 아스팔트 혼합물’에서도 고비율 순환골재를 활용한 중온재생 아스팔트 혼합물에 대한 내용을 수록하고 있지 않아 추가적인 연구가 필요할 것으로 판단된다. 본 연구에서는 RAP를 100% 사용한 중온 재생 혼합물의 품질을 평가하여 중온 현장가열재생공법에 대한 적용 가능성을 평가하고자 한다.
- 본 연구에서는 국내에서 개발 중에 있는 중온화 재생첨가제의 성능을 평가하기 위하여 재생첨가제 투입 전·후동적전단레오미터(DSR) 실험을 수행하여 각각의 PG등급에 필요한 첨가량 산정을 토대로 재생 아스팔트 혼합물을 제작하여 동적수침 실험, 인장강도비 실험 및 변형강도 실험을 수행하였다.
- 본 연구에서는 신규 재료를 투입하지 않고 RAP에 국내에서 개발된 중온화 재생첨가제를 투입하여 중온 재활용 아스팔트 혼합물을 제작하여 변형강도, 인장강도 비 및 동적수침 실험을 통한 소성변형 저항성 및 수분저항성 평가에 대한 연구를 수행하였으며, 다음과 같은 결론을 얻었다.
제안 방법
- 공시체는 공극률이 7±0.5%가 되도록 다짐횟수를 조정하여 제작하였으며 동결과정은 생략하였다.
- 실험은 ‘EN 12697-11, Determination of the affinity between aggregate and bitumen’에 따라서 진행하였다. 동적수침 실험에서 사용한 혼합물은 8mm~11.2mm 크기의 RAP에 각각의 목표 PG에 맞게 재생첨가제를 투입하여 제작하여 24시간 동안 실온에서 양생하였다. 양생을 거친 혼합물은 동적수침용 유리병에 각각 150g씩 투입하고 Fig.
- Kim 외 3인(2007)은 재생첨가제에 의한 폐 아스팔트의 공용 특성에 관한 연구를 진행하였다. 본 연구에서는 침입도를 기준으로 하는 바인더의 물성평가방법을 통하여 얻은 기준과 PG 등급을 만족시키는 재생첨가제의 첨가량과의 상관성에 대하여 검토하였으며, 국내에서 생산된 S社의 AP 5를 RTFO 및 PAV 시험장비를 이용하여 노화시킨 후 실험을 진행하였다. 실험결과, PAV를 2회 진행시켜 최장기노화시킨 바인더의 경우 침입도에 의한 재생방법이 점도나 PG 등급보다 10% 이상 더 많은 양의 재생첨가제를 필요로 하였으며, 폐아스팔트 바인더만을 재생첨가제로 신규 아스팔트 바인더만큼의 물성을 얻고자 할 경우 국내에서 사용되어지고 있는 재생첨가제 비율은 약간 과소평가 되었음을 언급하였다.
- 5%가 되도록 다짐횟수를 조정하여 제작하였으며 동결과정은 생략하였다. 수분처리 공시체는 이론최대밀도 시험기를 이용하여 강제포화 후 60℃의 항온수조에서 24시간 수침시키고 2시간동안 25℃의 수조에 양생하여 간접인장강도 실험을 수행하였으며 기준공시체는 25℃의 항온수조에 수분이 침투하지 않도록 하여 2시간 동안 양생 후 간접인장강도 실험을 수행하였다.
- Kwon 외 4인(2013)은 국내 현장가열재생아스팔트 시공 혼합물 평가를 위하여 일반국도 21호선 덧씌우기 포장 현장에서 포설 직전의 현장 가열 재생아스팔트 혼합물을 회수하여 실내실험을 수행하였다. 실내 시험으로는 휠트랙킹 시험, 간접인장강도, 수분저항성 실험, 마샬안정도 시험을 진행하였으며, 현장에 시공된 포장체의 코어를 채취하여 간접인장강도와 마샬안정도를 측정하였다. 실험 결과, 소성변형 저항성을 알아보기 위한 동적안정도 측정결과 일반 가열아스팔트 혼합물 기준에 만족하였으며, 혼합물의 믹싱시간이 증가함에 따라 동적안정도 값이 증가하고 결과값의 분포폭이 줄어드는 것을 확인할 수 있었다.
- 혼합물은 세 가지 종류의RAP를 각각의 함량(0%, 20%, 35%, and 50%)에 맞게 투입하고, 일반 Hot mix asphalt(HMA), zeolite 및Sasobit을 투입한 경우로 변수를 두어 제작하였다. 실험 시편은 HMA 및 제안된 WMA 가열온도에 맞게 제작하였으며 소성변형, 간접인장강도, 인장강도비 및 피로수명에 대한 시험을 진행하였다. 연구결과, 각각의 RAP 투입 조건에서 Zeolite는 HMA보다 불리한 성능을 보일 것으로 보여진다.
- 양생을 거친 혼합물은 동적수침용 유리병에 각각 150g씩 투입하고 Fig. 5와 같은 동적수침 실험장비를 이용하여 24시간동안 60rpm의 속도로 회전시킨 후 실험 시작 전·후의 무게비로 결과를 도출하였다.
- 이러한 문제점을 고려하여 본 연구에서는 실험 전·후의 중량손실비율을 통하여 첨가제 투입량에 따른 동적수침 실험을 진행하였으며 결과는 Fig. 9와 같다.
- 중온화 재생첨가제의 투입량에 따른 재생 아스팔트 혼합물의 특성을 평가하기 위하여 준비된 RAP를 8mm 체 기준으로 잔골재와 굵은골재로 분류하였으며, 분류된 RAP는 배합 시에 50:50 비율로 혼합하여 합성입도를 구축하였다. 재생 아스팔트 혼합물은 가열온도 130℃, 다짐온도 115℃에서 마샬 다짐기를 이용하여 다짐횟수별 공시체를 제작하였으며, 중온화 재생첨가제를 투입하지 않은 혼합물은 일반 가열 아스팔트 혼합물과 같이 가열온도 160℃, 다짐온도 145℃에서 제작하였다. 제작된 공시체는 Table 3에 나타난 바와 같이 ‘아스팔트 혼합물 생산 및 시공 지침’에 명시된 품질기준과 본 연구에서 제작한 재생 아스팔트 혼합물의 결과를 비교해본 결과 75회 다짐 시에 기준에 부합하는 결과를 얻을 수 있었다.
- 재생첨가제가 첨가된 재생아스팔트 혼합물을 평가하기 위하여 마샬 시험방법에 따른 공시체를 제작하였으며 이론밀도와 실측밀도를 측정한 결과 공극률, 골재간극률 및 포화도가 표층용 아스팔트 혼합물 기준범위를 통과함을 확인하였다. 제작된 공시체는 평가기준에 따라서 실험을 진행하였다.
- 중온화 재생첨가제의 투입량에 따른 재생 아스팔트 혼합물의 특성을 평가하기 위하여 준비된 RAP를 8mm 체 기준으로 잔골재와 굵은골재로 분류하였으며, 분류된 RAP는 배합 시에 50:50 비율로 혼합하여 합성입도를 구축하였다. 재생 아스팔트 혼합물은 가열온도 130℃, 다짐온도 115℃에서 마샬 다짐기를 이용하여 다짐횟수별 공시체를 제작하였으며, 중온화 재생첨가제를 투입하지 않은 혼합물은 일반 가열 아스팔트 혼합물과 같이 가열온도 160℃, 다짐온도 145℃에서 제작하였다.
- (2011)는 RAP가 다량 첨가된 아스팔트 혼합물 내에서 중온화 첨가제의 영향을 결정하기 위한 연구를 수행하였다. 혼합물은 세 가지 종류의RAP를 각각의 함량(0%, 20%, 35%, and 50%)에 맞게 투입하고, 일반 Hot mix asphalt(HMA), zeolite 및Sasobit을 투입한 경우로 변수를 두어 제작하였다. 실험 시편은 HMA 및 제안된 WMA 가열온도에 맞게 제작하였으며 소성변형, 간접인장강도, 인장강도비 및 피로수명에 대한 시험을 진행하였다.
대상 데이터
- 중온화 재생첨가제는 유증기 또는 다량의 CO2를 발생시키는 현장가열재생공법의 단점을 20~30℃ 낮은 혼합 및 시공온도를 통하여 개선하여 환경부하를 저감할 수 있을 것으로 판단된다. 개발한 재생첨가제의 비교군으로는 현장에서 사용되고 있는 재생첨가제를 선정하였다.
- 국토교통부에서 제시한‘아스팔트 혼합물 생산 및 시공 지침’에 따르면 아스팔트 순환골재는 생산되는 혼합물에 균일한 입도의 아스팔트 순환골재가 재료분리 없이 적정 비율로 투입될 수 있게 분급하여야 하며, 일반적으로 13mm 이하의 2단계로 나눔을 언급하였다. 본 연구에서 사용된 골재는 슬래브 형태의 포장체를 가열하여 Fig. 2와 같이 8mm체로 굵은골재, 잔골재로 분류하여 사용하였다.
- 본 연구에서 사용된 중온화 재생첨가제는 사슬구조의 아마이드계 박리방지제와 중온화 시공을 위한 Soybean Oil을 혼합한 첨가제이다. 아스팔트 바인더는 탄소사슬이 긴 소수성을 가지고 있기 때문에 첨가제의 소수성 사슬 부분과 결합하게 된다.
이론/모형
- 제작된 공시체는 Table 3에 나타난 바와 같이 ‘아스팔트 혼합물 생산 및 시공 지침’에 명시된 품질기준과 본 연구에서 제작한 재생 아스팔트 혼합물의 결과를 비교해본 결과 75회 다짐 시에 기준에 부합하는 결과를 얻을 수 있었다. 그러나 50회 다짐 시에는 공극률과 포화도가 기준에 만족하지 않아 ESAL＞107 기준을 적용하여 75회 다짐한 공시체를 사용하였다. 또한 Table 3의 결과를 통해 인장강도 비(TSR) 실험을 위한 공시체 제작에 필요한 다짐횟수를 55회로 결정하였다.
- 본 연구에서는 첨가제 투입량에 따른 수분저항성의 경향을 평가하기 위하여 ‘KS F 2398, 아스팔트 혼합물의 수분저항성 시험 방법’에 따라서 진행하였다.
성능/효과
- 1. 본 연구에서 사용된 두 종류의 재생첨가제 모두 RAP의 성능을 효과적으로 회복시켰다.
- 2. 변형강도 및 인장강도비 실험을 통하여 포장체의 연성 회복능력은 확인할 수 있었으며 아스팔트 혼합물의 품질기준에 만족하였다. 그러나 첨가량의 변화에 따른 일정한 경향은 파악하기 어려웠다.
- 3. 동적수침 결과로 보아 개발된 재생첨가제는 비교군의 재생첨가제보다 박리저항성이 우수한 것으로 판단된다. 또한 단입도의 RAP 사용은 재생첨가제 혼입량에 따른 선형적인 경향을 파악하는데 용이한 것으로 판단된다.
- 또한 수분민감도 실험에서 모두 국내 기준을 만족하는 결과값을 얻을 수 있었다. Remixing 혼합물의 경우 간접인장강도값 증가로 인하여 TSR값이 다소 감소하는 경향을 보였지만 현장가열재생아스팔트 혼합물도 수분저항성이 양호함을 알 수 있었다.
- 26의 수분저항성의 향상을 보였다. 개발된 재생첨가제의 실험결과가 일정한 경향을 보이며 성능의 향상을 보이지만 비교군의 결과에서 볼 수 있듯이 RAP의 불균질성이 영향을 미친 것으로 판단된다.
- 7에 나타내었다. 개발한 재생첨가제의경우에는 투입량에 따라서 재생첨가제가 투입되지 않은 혼합물에 비해 각각의 투입량에 따라 0.17~0.30 가량 수분에 대한 저항성이 향상됨을 확인할 수 있었으며 비교군의 첨가제를 투입하여 진행된 실험 결과에서는 0.07~0.26의 수분저항성의 향상을 보였다. 개발된 재생첨가제의 실험결과가 일정한 경향을 보이며 성능의 향상을 보이지만 비교군의 결과에서 볼 수 있듯이 RAP의 불균질성이 영향을 미친 것으로 판단된다.
- 또한 국내 아스팔트 혼합물 생산에 사용되는 골재는 주로 규산염으로 구성되어 있으며, 규산염 골재의 표면은 Si-Oδ의 약한 음전하를 띄므로, 양전하를 갖는 질소화합물이 정전기적 결합을 유도하기 적합하다. 결과적으로, 소수성인 아스팔트 바인더와 친수성인 골재 사이에서 부착을 도와 박리 저항성을 향상시킬 수 있다. 중온화 재생첨가제는 유증기 또는 다량의 CO2를 발생시키는 현장가열재생공법의 단점을 20~30℃ 낮은 혼합 및 시공온도를 통하여 개선하여 환경부하를 저감할 수 있을 것으로 판단된다.
- 3)에 비하여 더 빠르게 개선됨을 알 수 있다. 그러나 7.9% 투입량에서도 3.4% 정도의 성능 차이를 보이는 것과 재생첨가제가 혼합물 내에서 차지하는 비율을 고려한다면 박리저항성 측면에서 볼 때 개발한 재생첨가제가 비교군의 첨가제에 비해서 충분히 경쟁력을 확보할 수 있을 것으로 판단된다.
- 그러나 두 종류의 재생첨가제 모두 첨가 전·후의 변형강도가 감소하는 뚜렷한 경향을 보였으며, 또한 재생첨가제의 함량에 따라서 최대변위가 증가하였다.
- 동적수침 실험 결과 두 종류의 첨가제 모두 첨가량 증가에 따른 성능개선이 선형적으로 나타났다. 본 연구에서 수행한 타 실험의 경우에 RAP의 전체적인 입도를 고려하여 설계를 수행하여야 한다.
- 마샬안정도와 간접인장강도 결과는 모두 국내 GR F 4005에서 제시하고 있는 품질기준에 만족하는 양호한 성능을 가지고 있음을 제시해주고 있다. 또한 수분민감도 실험에서 모두 국내 기준을 만족하는 결과값을 얻을 수 있었다. Remixing 혼합물의 경우 간접인장강도값 증가로 인하여 TSR값이 다소 감소하는 경향을 보였지만 현장가열재생아스팔트 혼합물도 수분저항성이 양호함을 알 수 있었다.
- 4%를 치환 적용하였을 때 재생첨가제를 투입하지 않은 혼합물과 큰 차이를 보이지 않았으나 첨가제의 함량이 증가할수록 박리저항성이 개선됨을 확인하였다. 반면 개발된 재생첨가제는 목표 고온등급에 도달하기 위한 최소 첨가량인 2.4%(PG 76)에서의 중량감소율이 일반 RAP의 결과보다 두배 이상 개선되었으며 PG 64의 목표 고온등급에 도달하기 위한 7.9%의 투입량에서는 중량손실율이 2.0%로 매우 만족할만 한 결과를 얻을 수 있었다. 이는 재생첨가제에 포함된 박리방지제의 함량 증가에 따른 변화로 판단된다.
- 2mm의 단입도 골재를 선별하여 사용함으로 첨가제 투입량에 따른 경향을 보다 정확하게 파악할 수 있는 것으로 판단된다. 비교군의 재생첨가제의 경우 바인더 중량의 2.4%를 치환 적용하였을 때 재생첨가제를 투입하지 않은 혼합물과 큰 차이를 보이지 않았으나 첨가제의 함량이 증가할수록 박리저항성이 개선됨을 확인하였다. 반면 개발된 재생첨가제는 목표 고온등급에 도달하기 위한 최소 첨가량인 2.
- 실내 시험으로는 휠트랙킹 시험, 간접인장강도, 수분저항성 실험, 마샬안정도 시험을 진행하였으며, 현장에 시공된 포장체의 코어를 채취하여 간접인장강도와 마샬안정도를 측정하였다. 실험 결과, 소성변형 저항성을 알아보기 위한 동적안정도 측정결과 일반 가열아스팔트 혼합물 기준에 만족하였으며, 혼합물의 믹싱시간이 증가함에 따라 동적안정도 값이 증가하고 결과값의 분포폭이 줄어드는 것을 확인할 수 있었다. 마샬안정도와 간접인장강도 결과는 모두 국내 GR F 4005에서 제시하고 있는 품질기준에 만족하는 양호한 성능을 가지고 있음을 제시해주고 있다.
- 본 연구에서는 침입도를 기준으로 하는 바인더의 물성평가방법을 통하여 얻은 기준과 PG 등급을 만족시키는 재생첨가제의 첨가량과의 상관성에 대하여 검토하였으며, 국내에서 생산된 S社의 AP 5를 RTFO 및 PAV 시험장비를 이용하여 노화시킨 후 실험을 진행하였다. 실험결과, PAV를 2회 진행시켜 최장기노화시킨 바인더의 경우 침입도에 의한 재생방법이 점도나 PG 등급보다 10% 이상 더 많은 양의 재생첨가제를 필요로 하였으며, 폐아스팔트 바인더만을 재생첨가제로 신규 아스팔트 바인더만큼의 물성을 얻고자 할 경우 국내에서 사용되어지고 있는 재생첨가제 비율은 약간 과소평가 되었음을 언급하였다.
- 실험 시편은 HMA 및 제안된 WMA 가열온도에 맞게 제작하였으며 소성변형, 간접인장강도, 인장강도비 및 피로수명에 대한 시험을 진행하였다. 연구결과, 각각의 RAP 투입 조건에서 Zeolite는 HMA보다 불리한 성능을 보일 것으로 보여진다. Sasobit의 경우 HMA와 동등하거나 그 이상의 성능을 갖는 것으로 나타났다.
- 재생첨가제가 첨가된 재생아스팔트 혼합물을 평가하기 위하여 마샬 시험방법에 따른 공시체를 제작하였으며 이론밀도와 실측밀도를 측정한 결과 공극률, 골재간극률 및 포화도가 표층용 아스팔트 혼합물 기준범위를 통과함을 확인하였다. 제작된 공시체는 평가기준에 따라서 실험을 진행하였다.
- 제작된 공시체는 Table 3에 나타난 바와 같이 ‘아스팔트 혼합물 생산 및 시공 지침’에 명시된 품질기준과 본 연구에서 제작한 재생 아스팔트 혼합물의 결과를 비교해본 결과 75회 다짐 시에 기준에 부합하는 결과를 얻을 수 있었다.
후속연구
- 국내에서 배포한‘건설폐자재 재활용 도로 포장 지침’,‘ GR F 4005, 재활용 가열 아스팔트 혼합물’에서도 고비율 순환골재를 활용한 중온재생 아스팔트 혼합물에 대한 내용을 수록하고 있지 않아 추가적인 연구가 필요할 것으로 판단된다.
- 변형강도 감소 및 변위 증가는 소성변형 저항성의 감소로써 해석할 수 있으나 강성이 증가한 RAP를 배합재료로 사용한 경우에 변형강도의 저하는 노화된 바인더가 연성을 회복한 것으로 추론할 수 있다. 재생첨가제가 첨가된 아스팔트 혼합물의 성능을 평가하기 위해서는 강제노화를 진행한 아스팔트 바인더와 신규골재를 혼합하여 RAP를 모사할 경우 합성입도나 아스팔트 함량 등에서 보다 통제가 용이할 것으로 판단된다.
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