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문제 정의
- 본 연구에서는 순환골재 비율 50%의 재활용 아스팔트 혼합물에 대하여 유리섬유 보강재의 첨가량에 따른 실내시험을 수행하였다. 그 결과, 다음과 같은 결론을 도출하였다.
- 이 기술은 순환골재를 사용하여 내구성을 높이기 위하여 다발성 유리섬유를 아스팔트 혼합물에 첨가를 통해 여러 개의 섬유가 골재 및 바인더와 함께 3차원 형태로 보강하는 것이 특징이다. 즉, 아스팔트 혼합물내 유리섬유는 Fig.
- 이에 따라, 본 연구에서는 순환골재 50%를 사용한 재활용 아스팔트 혼합물에 균열 및 소성변형 저항성능이 우수한 유리섬유 보강재를 첨가하여 역학적 성능을 평가하고 새로운 재활용 아스팔트 혼합물 기술로서 타당성을 검토하였다.
- 수분저항성(인장강도비)시험은 아스팔트 혼합물의 수분저항성을 평가하는 시험이다. 함부르크 휠트래킹 시험은 아스팔트 혼합물의 소성변형 및 수분저항성을 평가하는 시험이며, 본 연구에서는 함부르크 휠 트래킹 시험을 통해 소성변형 저항성만을 평가하였다.
제안 방법
- 수분저항성(인장강도비) 시험은 아스팔트 혼합물의 건조상태 건조 상태에서의 간접 인장 강도와 수분 포화 동결융해 후 상태에서의 간접 인장 강도를 측정하여 수분 저항성을 측정하는 인장 강도비를 시험하는 것으로서, 구해진 결과는 혼합물에 발생되는 박리 현상을 예측하는데 이용된다. KS F 2398(2017) 표준에 따라 일반 재활용 아스팔트 혼합물과 유리섬유 보강재 함량을 일부 수정한 유리섬유 보강 재활용 아스팔트 혼합물에 대하여 수분저항성 시험을 수행하였다. 각 혼합물 대안에 따라서 목표 공극률 7%의 시편을 8개씩 제작하였다.
- 다양한 온도에서 수집된 데이터는 하중시간에 대해 상대적으로 이동시켜 다양한 곡선들을 하나의 Master Curve로 정렬할 수 있으며, 이를 통해 점탄성 재료의 물성을 비교할 수 있다. 각 혼합물의 시험 온도 및 주기에 따라 측정된 동탄성 계수 값을 21℃의 기준온도에 대하여 하중시간과 온도의 중첩원리를 적용하여 Fig. 9, 10과 같이 Master Curve를 도출하였다. 하중시간과 온도의 중첩원리 적용을 위한 전이함수(Shift Factor)는 최소자승법을 이용하여 전체 오차를 최소화하는 비선형 회귀분석을 통해 결정하였다.
- 결정된 재활용 아스팔트 혼합물의 배합에 대하여 Table 4와 같이 유리섬유 보강재 첨가량에 따른 4개의 혼합물 배합을 결정하였다. 유리섬유 보강재를 첨가하지 않은 재활용 아스팔트 혼합물을 Control로 선정하였으며, 그에 따른 유리섬유 보강재 첨가 총량 0.
- 제작된 시편을 건조시편과 동결융해 시편으로 나누었으며, 건조시편은 25℃의 온도 조성 후 간접인장강도 시험을 실시하였다. 동결융해 시편은 70~80% 포화 후 -18℃의 온도에서 16시간 동결, 60℃의 온도에서 24시간 수침, 25℃의 온도에서 2시간 수침 후 간접인장강도 시험을 실시하였다. 건조시편과 동결융해 시편의 간접인장강도를 통해 인장강도비를 산출하였으며, 결과는 Table 9에 정리하였다.
- 22b SPT Dynamic Modulus Test 프로그램을 통해 실험을 진행하였다. 동탄성 계수 시험의 시험온도는 -5℃, 5℃, 21℃, 40℃, 54℃의 5개 온도에서 실시하였으며, 시험주기는 25㎐, 10㎐, 5㎐, 1㎐, 0.5㎐, 0.1㎐, 0.01㎐에서 실시하였다. 동탄성 계수 시험결과는 Table 7, 8에 자세히 정리하였다.
- 본 연구를 통해 유리섬유 보강 시 재활용 아스팔트 혼합물의 균열, 소성변형 및 수분 저항성능의 증진을 확인하였다. 향후 적정 유리섬유 함량 도출을 위한 연구와 포장가속시험 및 시험시공 등과 같은 장기 공용성 검증연구 수행이 필요하며, 유리섬유 보강을 통해 재활용 아스팔트 혼합물의 적용성을 높일 수 있을 것으로 기대할 수 있다.
- 본 연구에서 순환골재의 적용비율은 50%로 계획하였으며, 순환골재와 동일한 입도의 신규골재를 추가하여 Fig. 7과 같이 재활용 아스팔트 혼합물의 합성입도를 결정하였다.
- 본 연구에서는 바인더의 점도 개선 측면에서의 보강이 아닌, 유리섬유 보강재를 이용하여 물리적으로 보강할 수 있는 기술을 사용하였다.
- 06%로 도출되었다. 본 연구에서는 재생첨가제를 배제하였으므로 아스팔트의 점도를 최대한 낮추기 위하여 침입도 등급 AP-3의 신규 아스팔트를 사용하였다. 본 연구에서 사용한 재활용 아스팔트의 배합은 Table 3과 같다.
- 본 연구에서는 재활용 아스팔트 혼합물에 유리섬유 첨가 배합에 따라 실험용 공시체를 제작하고, 간접인장강도 시험, 동탄성 계수 시험, 수분저항성 시험, 함부르크 휠 트래킹 시험을 수행하였다.
- 결정된 재활용 아스팔트 혼합물의 배합에 대하여 Table 4와 같이 유리섬유 보강재 첨가량에 따른 4개의 혼합물 배합을 결정하였다. 유리섬유 보강재를 첨가하지 않은 재활용 아스팔트 혼합물을 Control로 선정하였으며, 그에 따른 유리섬유 보강재 첨가 총량 0.7%를 기준으로 3개의 보강재 비율에 따라 혼합물 대안을 선정하였다.
- 일반 재활용 아스팔트 혼합물과 유리섬유 보강 재활용 아스팔트 혼합물에 대하여 함부르크 휠 트래킹 시험을 실시하였다. 함부르크 휠 트래킹 시험은 AASHTO T324(2016)에 따라 선회다짐을 통하여 목표 공극률 7%, 직경 150mm, 높이 60mm의 시편을 제작하여 실시하였다.
- 일반 재활용 아스팔트 혼합물과 유리섬유 보강 재활용 아스팔트 혼합물의 간접인장강도 시험을 위하여 양면 75회의 마샬다짐을 통하여 목표 공극률 4%의 시편을 제작하였으며, KS F 2382 (2013) 표준에 의한 시험방법으로 간접인장강도 시험을 수행하였다. 간접인장강도 시험 결과는 Table 6과 같이 나타났으며, 유리섬유로 보강한 재활용 아스팔트 혼합물이 무보강 혼합물 대비 139.
- 일반 재활용 아스팔트 혼합물과 유리섬유 보강 재활용 아스팔트 혼합물의 동탄성 계수 시험을 위해 선회다짐을 통하여 목표 공극률 4%, 직경 150mm, 높이 170mm의 시편제작을 하였다. 제작한 시편에 대하여 코어링 및 커팅을 통해 직경 100mm, 높이 150mm로 가공하였으며, Fig.
- 각 혼합물 대안에 따라서 목표 공극률 7%의 시편을 8개씩 제작하였다. 제작된 시편을 건조시편과 동결융해 시편으로 나누었으며, 건조시편은 25℃의 온도 조성 후 간접인장강도 시험을 실시하였다. 동결융해 시편은 70~80% 포화 후 -18℃의 온도에서 16시간 동결, 60℃의 온도에서 24시간 수침, 25℃의 온도에서 2시간 수침 후 간접인장강도 시험을 실시하였다.
- 일반 재활용 아스팔트 혼합물과 유리섬유 보강 재활용 아스팔트 혼합물의 동탄성 계수 시험을 위해 선회다짐을 통하여 목표 공극률 4%, 직경 150mm, 높이 170mm의 시편제작을 하였다. 제작한 시편에 대하여 코어링 및 커팅을 통해 직경 100mm, 높이 150mm로 가공하였으며, Fig. 8과 같이 거치 및 120도 간격으로 3개의 LVDT 부착 후 동탄성 계수 시험을 실시하였다. 시험에 사용된 장비는 IPC Global사의 EN Standard Tester를 사용하였으며, UST006 2.
- 폐아스콘 연소 후 아스팔트 바인더가 포함되지 않은 순환골재의 입도를 체가름 시험을 통해 확인하였다. 체가름 시험은 KS F 2502에 따라 실시하였으며, 체가름 시험에 따른 골재입도는 Table 2와 같다.
- 폐아스콘의 바인더 함량 및 입도 확인을 위해 Fig. 6과 같은 Asphalt Ignition Oven을 사용하여 KS F 2490 규격에 따라 540±5℃의 온도에서 연소를 실시하여 폐아스콘의 바인더 함량을 측정하였다.
- 일반 재활용 아스팔트 혼합물과 유리섬유 보강 재활용 아스팔트 혼합물에 대하여 함부르크 휠 트래킹 시험을 실시하였다. 함부르크 휠 트래킹 시험은 AASHTO T324(2016)에 따라 선회다짐을 통하여 목표 공극률 7%, 직경 150mm, 높이 60mm의 시편을 제작하여 실시하였다. 함부르크 휠 트래킹 시험은 아스팔트 혼합물의 소성변형 및 수분저항성을 평가하는 시험으로 시편을 수침시킨 후 철륜을 통해 하중을 재하하여 그에 따른 변위를 측정하는 시험이다.
대상 데이터
- KS F 2398(2017) 표준에 따라 일반 재활용 아스팔트 혼합물과 유리섬유 보강재 함량을 일부 수정한 유리섬유 보강 재활용 아스팔트 혼합물에 대하여 수분저항성 시험을 수행하였다. 각 혼합물 대안에 따라서 목표 공극률 7%의 시편을 8개씩 제작하였다. 제작된 시편을 건조시편과 동결융해 시편으로 나누었으며, 건조시편은 25℃의 온도 조성 후 간접인장강도 시험을 실시하였다.
- 일반적으로 아스팔트 혼합물에 사용되는 보강용 섬유는 셀룰로스 섬유, 광물성 섬유, 폴리에스터 섬유, 폴리프로필렌 섬유, 아라미드 섬유, 유리 섬유 등이 있으며, 본 연구에서는 균열 저항성 향상에 도움이 되는 유리섬유를 사용하였다. 유리섬유를 특별한 처리 없이 사용하게 되면, 혼합물 제작 시 섬유끼리 뭉치는 현상이 발생되며, 이에 따라 플라스틱으로 코팅 처리된 유리섬유를 사용하였다.
- 첨가되는 유리 섬유는 세 가지 종류로, 길이가 짧은 봉형 유리섬유, 길이가 긴 봉형 유리섬유, 파분형 유리섬유이다.
데이터처리
- 8과 같이 거치 및 120도 간격으로 3개의 LVDT 부착 후 동탄성 계수 시험을 실시하였다. 시험에 사용된 장비는 IPC Global사의 EN Standard Tester를 사용하였으며, UST006 2.22b SPT Dynamic Modulus Test 프로그램을 통해 실험을 진행하였다. 동탄성 계수 시험의 시험온도는 -5℃, 5℃, 21℃, 40℃, 54℃의 5개 온도에서 실시하였으며, 시험주기는 25㎐, 10㎐, 5㎐, 1㎐, 0.
- 9, 10과 같이 Master Curve를 도출하였다. 하중시간과 온도의 중첩원리 적용을 위한 전이함수(Shift Factor)는 최소자승법을 이용하여 전체 오차를 최소화하는 비선형 회귀분석을 통해 결정하였다.
이론/모형
- 폐아스콘 연소 후 아스팔트 바인더가 포함되지 않은 순환골재의 입도를 체가름 시험을 통해 확인하였다. 체가름 시험은 KS F 2502에 따라 실시하였으며, 체가름 시험에 따른 골재입도는 Table 2와 같다. 체가름 시험 결과 순환골재의 입도는 국내 표층용 아스팔트 혼합물의 입도기준 중 WC-2 범위 내에 있음을 확인하였다.
성능/효과
- 3%, 순환골재 및 신규골재 비율을 고려하여 Eq. (2)에 의해 계산한 결과 신규 아스팔트 함량은 3.06%로 도출되었다. 본 연구에서는 재생첨가제를 배제하였으므로 아스팔트의 점도를 최대한 낮추기 위하여 침입도 등급 AP-3의 신규 아스팔트를 사용하였다.
- 1. 간접인장강도 시험 결과, 유리섬유 보강 재활용 아스팔트 혼합물(PEGS 0.3%, Micro PPGF 0.3%, Macro PPGF 0.1%)이 일반 재활용 아스팔트 혼합물(No Fiber) 대비 139.4%의 간접인장강도 증진을 보였다.
- 2 동탄성계수 시험에 따라 도출된 마스터 커브를 비교한 결과 유리섬유 보강 재활용 아스팔트 혼합물(PEGS 0.3%, Micro PPGF 0.3%, Macro PPGF 0.1%)이 일반 재활용 아스팔트 혼합물(No Fiber)에 비해 저온에서 더 낮은 동탄성을 보였으며, 고온에서 더 높은 동탄성을 보였다.
- 3. 수분저항성(인장강도비) 시험결과 유리섬유 보강 재활용 아스팔트 혼합물(PEGS 0.3%, Micro PPGF 0.1%, Macro PPGF 0.3%)이 0.77의 가장 높은 인장강도비를 보였으며, 유리섬유 보강 재활용 아스팔트 혼합물(PEGS 0.1%, Micro PPGF 0.3%, Macro PPGF 0.3%)이 0.63의 가장 낮은 인장강도비를 보였다.
- 4. 수분저항성(인장강도비) 시험에서 간접인장강도의 절대값을 비교한 결과 유리섬유 보강 재활용 아스팔트 혼합물(PEGS 0.3%, Micro PPGF 0.1%, Macro PPGF 0.3%)이 일반 재활용 아스팔트 혼합물(No Fiber) 대비 건조 시편에서 136.6%의 강도증진을 보였으며, 동결융해 후의 시편에서 146.3%의 강도증진을 보였다.
- 5. 함부르크 휠 트래킹 시험결과 유리섬유 보강 재활용 아스팔트 혼합물(PEGS 0.3%, Micro PPGF 0.1%, Macro PPGF 0.3%)이 20,000회의 하중재하 시 17.3mm의 변형을 보였으며, 일반 재활용 아스팔트 혼합물(No Fiber), 유리섬유 보강 재활용 아스팔트 혼합물(PEGS 0.1%, Micro PPGF 0.3%, Macro PPGF 0.3%)의 경우 15,000회 하중재하 전 20mm 이상의 변형을 보였다.
- 수분저항성(인장강도비) 시험결과 D 혼합물에서 0.77의 가장 높은 인장강도비를 보였으며, 모든 시편상태에서 유리섬유 보강 재활용 아스팔트 혼합물(C, D)이 일반 재활용 아스팔트 혼합물(A)보다 증가된 간접인장강도를 보였다.
- 체가름 시험은 KS F 2502에 따라 실시하였으며, 체가름 시험에 따른 골재입도는 Table 2와 같다. 체가름 시험 결과 순환골재의 입도는 국내 표층용 아스팔트 혼합물의 입도기준 중 WC-2 범위 내에 있음을 확인하였다.
- 함부르크 휠 트래킹 시험 결과 A, C 혼합물의 경우 15,000회 하중재하 전 20mm 이상의 소성변형이 발생하였으며, D 혼합물의 경우 20,000회 하중재하 시 17.3mm의 소성변형을 보였다.
후속연구
- 본 연구를 통해 유리섬유 보강 시 재활용 아스팔트 혼합물의 균열, 소성변형 및 수분 저항성능의 증진을 확인하였다. 향후 적정 유리섬유 함량 도출을 위한 연구와 포장가속시험 및 시험시공 등과 같은 장기 공용성 검증연구 수행이 필요하며, 유리섬유 보강을 통해 재활용 아스팔트 혼합물의 적용성을 높일 수 있을 것으로 기대할 수 있다.
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