[논문]밀도와 흡수율을 고려한 제강슬래그 아스팔트 콘크리트의 배합설계 방법 연구

김경남; 조신행; 김낙석; 김현욱

doi:10.7855/ijhe.2018.20.1.059

밀도와 흡수율을 고려한 제강슬래그 아스팔트 콘크리트의 배합설계 방법 연구
A Study on a Steel Slag Asphalt Concrete Design Method Considering Density and Absorption 원문보기

한국도로학회논문집 = International journal of highway engineering, v.20 no.1 = no.87, 2018년, pp.59 - 67

김경남 (경기대학교 토목공학과) , 조신행 (경기대학교 토목공학과) , 김낙석 (경기대학교 토목공학과) , 김현욱 (포스코건설 R&D CENTER P4)

Abstract ▼ AI-Helper

PURPOSES : This paper presents a mix design method for using steel slag as an aggregate for asphalt mixtures. METHODS : Steel slag has a different density and absorption rate than natural aggregates. The asphalt content was calculated according to the steel slag characteristics, and the formula for aggregate-gradation correction was presented. RESULTS : The asphalt mix was designed using the proposed equations. Using the proposed mix design method, it was possible to design the asphalt mixture according to the target-usage amount of the recycled aggregate. CONCLUSIONS : The suggested method can be used for asphalt mix design using aggregates with different densities and absorption rates. It is expected to contribute to quality improvement by ensuring accurate calculation of mixing ratios for steel slag asphalt mixtures.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

1과 같이 동일 면적에 동일 두께의 포장을 위해 더 많은 아스팔트 혼합물을 필요로 하며 이는 공사비용의 상승을 초래할 수 있다. 따라서 순환골재의 사용비율을 높이고 재료비의 절감을 위해 슬래그 골재와 함께 폐아스콘의 활용을 검토하였다.
그러나 제강슬래그는 천연골재에 비해 높은 밀도를 갖기 때문에 밀도차이가 큰 골재를 혼합하기 위한 별도의 배합방식이 필요하다. 본 연구에서는 제강슬래그를 아스팔트 콘크리트용 골재로 활용하기 위한 배합설계 방안을 마련하고자 한다.
슬래그 골재를 아스팔트 혼합물용 골재로 활용하기 위한 배합설계 연구결과를 토대로 시험포장을 수행하였다. 시험포장에는 WC-1(13mm)과 박층포장을 위한 10mm 밀입도 슬래그 아스팔트 콘크리트를 적용하였 다.
제강슬래그를 아스팔트 혼합물용 골재로 활용하기 위해 제강슬래그의 특성을 반영한 배합설계 방안을 도출하고자 연구를 진행하여 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.

제안 방법

슬래그 골재와 사용시 밀도 보정을 감안하여 설계 폐아스콘 사용량을 Eq. (6)과 같이 폐아스콘의 목표 사용량과 잔류아스팔트 바인더 함량, 설계 아스팔트 함량, 슬래그 골재 및 천연골재의 밀도를 사용하여 계산한다.
슬래그 골재와 같은 순환골재를 사용할 경우에는 사용비율이 특정되는 경우가 많으며 이를 감안하여 골재 합성입도를 결정하여야 한다. 골재 사용량은 아스팔트 함량에 영향을 받기 때문에 추정 아스팔트 함량을 먼저 결정한 후 골재 합성입도를 결정하는 순서로 배합설계를 진행하였다.
따라서 배합설계는 5.4±0.5, ±1.0%의 아스팔트 함량으로 공시체를 제작 하고 배합설계를 진행하였다.
슬래그 골재와 RAP, 천연골재(화강암)를 혼합 사용한 아스팔트 혼합물의 배합설계를 실시하였다. Fig.
슬래그 골재와 천연골재의 밀도 차이로 합성입도의 변화가 발생함으로 이를 보정하여 배합설계를 진행하였다. 골재 밀도 차이에 따른 보정을 실시하지 않을 경우 목표 입도와 실제 입도와는 약 3~5%의 차이가 발생하는 것으로 나타났다.
슬래그 골재의 밀도는 화강암 골재를 비롯한 천연골재에 비해 높기 때문에 슬래그 골재를 아스팔트 혼합물용 골재로 사용 시 슬래그 골재의 특성을 반영한 배합설계가 필요하다. 슬래그 골재의 밀도와 흡수율을 고려하여 추정 아스팔트 함량식을 제시하였으며, 순환골재의 경우 특정 사용 비율로 제한되는 경우가 많기 때문에 이를 감안하여 배합설계 시 합성입도 결정을 위한 최소 골재 사용량 산정식을 제시하였다. 제시된 식을 사용하면 목표로 하는 순환골재 사용량에 맞춰 배합설계를 수행 할 수 있다.
폐아스콘(RAP)의 활용을 높이기 위한 재생 아스콘의 의무사용 권장에 따라 폐아스콘의 사용을 고려하였다. 폐아스콘 사용은 신규 골재에 비해 가격이 저렴하고 잔류 아스팔트 바인더로 인해 신재 아스팔트 바인더의 사용량을 감소시킬 수 있어 아스팔트 혼합물의 경제성을 높일 수 있는 장점이 있다.

대상 데이터

(2015) 의 슬래그 아스팔트 콘크리트용 10mm 밀입도 배합 기준을 적용하였다. WMRA PG 76-22 등급의 바인더를 사용하였으며, 슬래그 골재 82%, 천연골재 18%를 사용하였다. 슬래그 아스팔트 혼합물의 배합비와 배합설계 결과는 Table 14와 같다.
WMRA 바인더는 Table 5와 같이 PG 64-22와 PG 76-22 두 종류가 있으며 본 연구의 배합설계에서는 PG 76-22 바인더를 사용하였다.
경기 파주시의 국도 77번선 당동 IC 부근에 10mm 밀 입도 슬래그 아스팔트 콘크리트 시험 포장을 2016년 10 월에 실시하였다(Fig. 6). 배합설계는 Jo et al.
배합설계는 국토교통부(MLIT, 2017)의 WC-1 입도의 아스팔트 혼합물을 기준으로 하였으며, 슬래그 골재 30% 이상, 폐아스콘 30% 이상 사용을 목표하였다. 추정아스팔트 함량을 계산하기 위한 잠정 입도를 Table 6 과 같이 결정하였다.
5). 시험포장에 사용된 바인더는 슬래그 아스팔트 콘크리트용으로 개발된 중온 개질 아스팔트 바인더(WMRA 76-22)를 사용하였으며, 슬래그 골재 70%와 폐아스콘 30%를 사용하는 골재 배합을 사용하였다. 시험에 사용된 공시체의 배합설계 결과는 Table 13과 같다.
슬래그 골재를 아스팔트 혼합물용 골재로 활용하기 위한 배합설계 연구결과를 토대로 시험포장을 수행하였다. 시험포장에는 WC-1(13mm)과 박층포장을 위한 10mm 밀입도 슬래그 아스팔트 콘크리트를 적용하였 다.
시험포장은 2016년 3월 인천의 아스콘 플랜트의 차량 진출입로에 실시하였으며, 표층 5cm 절삭 후 덧씌우기 포장을 실시하였다(Fig. 5). 시험포장에 사용된 바인더는 슬래그 아스팔트 콘크리트용으로 개발된 중온 개질 아스팔트 바인더(WMRA 76-22)를 사용하였으며, 슬래그 골재 70%와 폐아스콘 30%를 사용하는 골재 배합을 사용하였다.
기초물성 평가 결과는 Table 1과 같다. 연구에 사용된 제강슬래그는 광양 P제철소에서 생산된 것으로 밀도가 3.37g/cm3 이었으며, 흡수율은 1.68% 로 아스팔트 혼합물용 골재의 품질기준을 만족하였다.
, 2017). 이에 따라 본 연구에서는 슬래그 골재와 폐아스콘 사용을 위해 개발된 WMRA(Warm Mix Recycled Asphalt) 아스팔트 바인더를 사용하였다. WMRA 바인더는 Table 5와 같이 PG 64-22와 PG 76-22 두 종류가 있으며 본 연구의 배합설계에서는 PG 76-22 바인더를 사용하였다.
배합설계에 사용된 골재와 채움재의 입도는 Table 4와 같다. 폐아스콘은 5mm를 기준으로 체가름 하여 사용하였고 천연골재는 경기도 아스콘플랜트에서 입수한 화강암 골재이며, 채움재는 석회석분을 사용하였다.

이론/모형

배합설계는 Jo et al.(2015) 의 슬래그 아스팔트 콘크리트용 10mm 밀입도 배합 기준을 적용하였다. WMRA PG 76-22 등급의 바인더를 사용하였으며, 슬래그 골재 82%, 천연골재 18%를 사용하였다.

성능/효과

(1)을 통해 계산한 추정 아스팔트 함량을 Eq. (3)에 대 입하여 이론최대밀도를 계산하면 천연골재(화강암)만 사용하였을 경우 G_mmN는 2.484g/cm³ 이며, 천연골재 70%, 슬래그 골재 30% 비율의 아스팔트 혼합물의 G_mmS는 2.610g/cm³ 으로 밀도가 증가하는 것으로 계산된다.
RAP이 포함되어 있음으로 간접인장강도 실험을 통한 Toughness 측 정결과 18,114N₩mm로 기준 8,000N·mm의 2배가 넘었으며, 수분민감성을 평가하는 TSR 실험결과 0.78로 기준을 만족하는 것으로 나타났다.
결정된 배합비에 따른 최종 아스팔트 혼합물의 마샬안 정도는 Table 11과 같이 14,950N으로 기준 7,500N을 만족하였으며, Table 12의 동적안정도는 개질 아스팔트 사용시 품질기준 3,000회/mm를 만족하는 3,380회/mm 로 소성변형 저항성이 높게 측정되었다. RAP이 포함되어 있음으로 간접인장강도 실험을 통한 Toughness 측 정결과 18,114N₩mm로 기준 8,000N·mm의 2배가 넘었으며, 수분민감성을 평가하는 TSR 실험결과 0.
본 배합설계예시에서는 슬래그 골재와 폐아스콘, 천연골재를 굵은 골재와 잔골재가 모두 사용하여 서로 유사한 입도를 가지고 있어 계량값 변화에 따른 입도 차이가 크지 않았지만 굵은 골재나 잔골재를 슬래그 골재로 사용하여 특정 골재 크기의 입도 구간만 사용할 경우 Table 7과 같은 보정을 하지 않으면 골재입도의 차이가 더 커지게 되는데 Table 9는 굵은골재는 슬래그 골재로 잔골재는 화강암 골재의 경우로 입도의 차이가 5% 이상 더 커지는 것으로 나타났다.
골재 밀도 차이에 따른 보정을 실시하지 않을 경우 목표 입도와 실제 입도와는 약 3~5%의 차이가 발생하는 것으로 나타났다. 제시된 배합설계 방법에 따라 슬래그 아스팔트 혼합물을 생산하고 시험포장을 실시하였으며, 생산된 혼합물의 시험결과 양호한 것으로 나타났다.
흡수율이 높은 슬래그 골재로 인해 추정 아스팔트 함량이 늘어나야 하지만 슬래그 골재의 밀도 영향으로 아스팔트 혼합물의 밀도가 높아짐에 따라 단위 부피당 소요되는 아스팔트 함량이 줄어들어 천연골재와 유사한 추정 아스팔트 함량이 계산되었다. 다만 이 예시는 본 연구에서 사용된 슬래그 골재의 흡수율과 밀도를 적용 한 것으로 슬래그 골재의 사용비율, 밀도, 흡수율에 따라 달라질 수 있다.

후속연구

추정 아스팔트 함량 계산식은 실제 일반 천연 골재만 사용하는 배합설계에서도 배합설계 결과로 나타나는 최적 아스팔트 함량(OAC)과 차이를 보이기 때문에 배합 설계의 참고자료로 활용되는 것이 바람직하다. 하지만 슬래그 골재 사용시 흡수율 및 밀도에 따른 최적 아스팔트 함량 변화를 예측할 수 있으며, 충분한 경험이 쌓이지 못한 슬래그 아스팔트 혼합물의 배합설계를 위한 기초자료로 활용될 수 있을 것이다.
향후 순환 자원의 활성화와 친환경 재료에 대한 수요가 늘 것으로 예상되는 만큼 슬래그 골재를 비롯한 다양한 재료가 아스팔트 혼합물용 골재로 사용될 것이며 골재의 밀도와 흡수율이 천연골재와 차이가 있을 경우 본 연구성과를 바탕으로 배합설계를 진행한다면 보다 안정적인 품질의 아스팔트 혼합물을 얻을 수 있을 것이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	고로슬래그의 특성은?	고로슬래그는 철광석으로부터 선철을 생산하는 과정에서 철강석의 불순물과 코크스의 재, 석회석이 반응하여 생긴 용융물이다. 고로슬래그는 시멘트 수화생성물인 수산화칼슘과 황산염의 작용에 의해 경화 반응이 촉진되어 압축강도를 향상시키는 특성이 있다. 제강슬래그 는 철을 정련하여 강을 만들기 위해 쇳물에 녹아있는 탄소, 규소성분 등을 제거하는 공정에서 발생하며 전로슬래그와 전기로슬래그로 구분된다.
	슬래그란?	슬래그는 철강 제조공정에서 철광석 등으로부터 철을 분리하고 남은 암석 성분을 말한다. 철을 생산하는 과정 에서 다량의 부산물이 발생하는데 이들은 철, 탄소 및 석회석 등의 재활용이 가능한 유효한 자원을 다량 함유 하고 있다(Ann, 2016).

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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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