[논문]태양열 에너지에 의한 아스팔트 포장의 열전달 특성

이관호; 김성겸

doi:10.5762/kais.2020.21.1.717

초록
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일반적으로 아스팔트 포장체의 열전달에 영향을 미치는 인자는 크게 날씨와 포장체의 재료로 나뉘며, 그 중 포장체의 재료 요인으로는 열-물리적 인자(Thermophysical properties)과 포장체 표면의 인자(Surface property)으로 나뉜다. 본 연구에서는 포장체 전반적인 파손 모형에 기본이 되는 아스팔트의 열-물리적 인자에 대한 실험을 진행하였으며, 평가한 아스팔트의 열전달 특성 인자로는 열전도도(Thermal Conductivity), 비열용량(Specific Heat Capacity), 열확산특성(Thermal Diffusivity), 열방사률(Thermal Emissivity)를 평가하였다. 샘플로 사용한 표층용 혼합물 입도는 밀입도 포장 WC-2와 배수성 포장 PA-13으로 선회다짐기를 이용하여 제작하였다. WC-2와 PA-13의 실험결과로 열전도도는 1.18W/m·K과 0.9W/m·K로 나타났고, 비열용량은 970.8J/kg·K과 960.1J/kg·K으로 공극률이 더 낮은 혼합물인 WC-2가 혼합된 재료의 량이 많아 비열용량이 더 높은 나타나는 것을 알 수 있었다. 또한 열방사률은 0.9와 0.91, 열확산률은 5.15㎡/s와 4.66㎡/s으로 WC-2가 PA-13 대비 약 10% 더 빠른 열 확산을 보이는 것을 알 수 있다. 이러한 결과는 향후 아스팔트 포장의 열에너지 활용 및 열에너지에 의한 아스팔트 포장의 파손평가 및 모형개발 등에 연구 및 활용에 가장 근간이 되는 자료가 될 것이라 판단되다.

Abstract ▼ AI-Helper

In general, the factors affecting the heat transfer of asphalt pavement are divided into weather factors and pavement materials. Among them, material factors include the thermophysical and surface properties. An experiment was conducted on the thermal-physical factors of asphalt, which are the basis...

In general, the factors affecting the heat transfer of asphalt pavement are divided into weather factors and pavement materials. Among them, material factors include the thermophysical and surface properties. An experiment was conducted on the thermal-physical factors of asphalt, which are the basis for the pavement failure model. The thermal conductivity, specific heat capacity, thermal diffusivity, and thermal emissivity were evaluated as the thermo-physical properties of asphalt. The specimens (WC-2 & PA-13) used in the experiment were compacted with a Gyratory Compactor. The experimental results of WC-2 and PA-13 showed a thermal conductivity of 1.18W/m·K and 0.9W/m·K, specific heat capacity of 970.8J/kg·K and 960.1J/kg·K, thermal emissivity of 0.9 and 0.91, and thermal diffusivity of 5.15㎡/s and 4.66㎡/s, respectively. Experiments on the heat transfer characteristics (thermo-physical properties) of asphalt pavement that can be used for thermal failure modeling of asphalt were conducted.

주제어

표/그림 (15)

그림 Fig. 1. Radiation, Conduction and Convection
그림 Fig. 2. Heat conduction through a section of asphalt pavement
그림 Fig. 3. Heat transfer by radiation of asphalt pavement
그림 Fig. 4. Asphalt specimens
표 Table 1. Property of hot mix asphalts
표 Table 2. Thermal conductivity of pavement constituents[7-9]
그림 Fig. 5. Heat Flow Meter[10]
표 Table 3. Specific Heat Capacity of Pavement Constituents [7-9,11]
표 Table 4. Mean values of dry-state specific heat capacity of pavement components (Max variation of ±7%) (Dehdezi, 2012)
그림 Fig. 6. Experimental setup schematic diagram
그림 Fig. 7. Emissivity Experimental setup
그림 Fig. 8. Infrared camera photo
그림 Fig. 9. Emissivity results of the test samples
표 Table 6. Thermal Diffusivity results
표 Table 7. Thermo-physical Properties of the asphalt mixtures results

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 아스팔트 포장의 열에너지 활용 및 열에너지에 의한 아스팔트 포장의 파손평가 및 모형개발 등에 연구 및 활용에 가장 근간이 되는 열전달 특성에 대한 연구를 진행하였다. 평가한 아스팔트의 열전달 특성인자로는 열전도도(Thermal Conductivity), 비열용량(Specific Heat Capacity), 열확산특성(ThermalDiffusivity), 열방사률(Thermal Emissivity)를 평가하였다.

제안 방법

도로에 적용되어지는 두 가지 입도인 WC-2 밀입도와 PA-13 배수성 포장의 열전달 인자 도출 실험을 진행하여 다음과 같은 결과를 도출하였다.
본 연구에서 일반적으로 사용되어지는 밀입도 아스팔트 혼합물과 배수성 혼합물을 이용하여 아스팔트 포장체의 열에너지 전달 특성 인자를 산출하였고 열에너지 누적에 따른 열특성인자 값의 변화를 실험을 통하여 평가하였다.
시편제작은 현장 다짐과 유사한 선회 다짐기를 이용하여 다짐각 1.25°,다짐 압력 600kPa, 다짐속도 30회/mim로 지름 150㎜에 높이 50㎜의 시편을 제작하였다.
본 연구에서는 아스팔트 포장의 열에너지 활용 및 열에너지에 의한 아스팔트 포장의 파손평가 및 모형개발 등에 연구 및 활용에 가장 근간이 되는 열전달 특성에 대한 연구를 진행하였다. 평가한 아스팔트의 열전달 특성인자로는 열전도도(Thermal Conductivity), 비열용량(Specific Heat Capacity), 열확산특성(ThermalDiffusivity), 열방사률(Thermal Emissivity)를 평가하였다.

대상 데이터

실험에 사용되어진 아스팔트 혼합물의 기본 물성은 Table 1과 같다. 골재 입도는 일반적으로 사용되어지는 미립도 아스팔트 표층인 WC-2(KS F 2349)와 공극률이 높은 배수성 아스팔트 표층인 PA-13를 이용하였다. 결정된 샘플은 실제 사용되어지는 두 아스팔트 혼합물 입도로써 공극률 차이에 의한 열전달 차이를 알아보기 위함이다.
결정된 샘플은 실제 사용되어지는 두 아스팔트 혼합물 입도로써 공극률 차이에 의한 열전달 차이를 알아보기 위함이다. 사용되어진 바인더는 WC-2의 경우 AP-3, PA-13의 경우 고분자 개질 아스팔트 (SBS PMA)를 사용하였다. 시편제작은 현장 다짐과 유사한 선회 다짐기를 이용하여 다짐각 1.

이론/모형

대류에 의한 열전달 특성은 뉴턴의 법칙(Newton's Law)을 바탕으로 Eq.
1 ~ 100μm 범위의 파장을 가지는 전자기 스펙트럼을 의미한다. 물체로부터 방사되는 열량(Q_emitted)은 Stefan-Boltzman Law를 이용하여 Eq. (2)와 같이 결정된다.
기존 열평형상태 방법(Steady State Method)은 열평형 상태에 도달하는 시간이 오래 소요되고 열 유속을 정확하기 측정하기 어려운 단점을 가지고 있다. 이를 보안한 HFM 방법은 ASTM C518, ISO 8301에 따라 열평형 상태일 때의 열전도도를 측정하였다. 실험은 Fig.

성능/효과

(1) 시편으로 사용된 혼합물에 대한 열전도도 실험 결과 WC-2는 1.18W/m·K, PA-13는 0.90W/m·K로 결과적으로 밀입도 혼합물이 배수성 포장 혼합물 보다 약 31% 큰 값을 나타냈으며, 이는 혼합물의 공극률 차이로 인해 샘플 부피 내에 혼합물와 공기의 열전도도가 달라 생기는 차이로 판단되다.
(2) 비열용량은 WC-2 경우 970.8J/kg·K로 나타났고 PA-13의 경우 960.1J/kg·K로 나타났다.
(3) 열방사률 시험을 통해 45 ~ 85℃온도에 평균을 열방사율은 WC-2는 0.90, PA-13는 0.91을 나타냈다. 열확산률는 WC-2 경우 5.
9은 각 시편의 45 ~ 85℃온도에 따른 열방사율을 타나낸 그래프이다. 이러한 데이터의 평균을 열방사율로 이용하였고, 결과적으로 WC-2 경우 0.9 PA-13는 0.91로 유사한 값을 나타냈다.
66㎡/s로 나타났다. 제한된 시험결과이나 WC-2가 PA-13 대비 약 10% 더 빠른 열 확산을 보이는 것을 알 수 있다.

후속연구

(4) 본 연구의 결과와 같이 아스팔트 포장 표면에 발생하는 열전달 특성에 대한 실험을 진행하므로써 아스팔트의 열적 거동 및 파손 모형을 평가하는 기초자료로 활용 될 것이 판단된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	국내에서 아스팔트 포장에 주로 이용되는 아스팔트 혼합물은 무엇이 있는가?	국내에서 아스팔트 포장에 주로 이용되는 아스팔트 혼합물은 밀입도 가열아스팔트혼합물, 개질아스팔트 혼합물, 배수성(저소음) 아스팔트 혼합물 등이 있다. 최근에는 생산 및 시공온도를 낮춘 중온아스팔트 혼합물이 개발되어 국내외에 시공되고 있다.
	태양으로부터 지구에 유입되는 태양 에너지의 몇 %가 지구표면에 흡수되는가?	태양으로부터 지구에 유입되는 태양 에너지의 약 50%가 지구표면에 흡수된다. 국가의 중요 인프라시설 중 하나인 도로, 특히 아스팔트 포장은 매우 높은 열에너지 흡수 특성을 가지고 있어, 여름철 일사량으로 인해 아스팔트 포장 표면의 온도는 약 60도에서 70도까지 상승한다.

참고문헌 (11)

SHAOPENG, W., MINGYU, C. & JIZHE, Z. "Laboratory investigation into thermal response of asphalt pavements as solar collector by application of small-scale slabs", Applied Thermal Engineering, Vol31, No.10, pp1582-1587, Jul. 2011 DOI:http://dx.doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2011.01.028

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Wong, N. H., Y. Chen, "Tropical urban heat islands", p.272, Taylor & Francis, Abingdon, UK, 2008, pp272 DOI: http://dx.doi.org/10.4324/9780203931295
Stempihar, J. J., Pourshams-Manzouri, T., Kaloush, K. E. & Rodezno, M. C., "Porous Asphalt Pavement Temperature Effects for Urban Heat Island Analysis", Transportation Research Record, Vol2293, No1, pp123-130, Jan. 2012 DOI: http://dx.doi.org/10.3141/2293-15

상세보기
Bergman, T. L., Incropera, F. P., DeWitt, D. P. & Lavine, A. S. "Fundamentals of heat and mass transfer" p.1072, John Wiley & Sons, 2011, pp1072
Incropera, F. P., Lavine, A. S., Bergman, T. L. & DeWitt, D. P. "Principles of heat and mass transfer", p.1000, John Wiley & Sons, 2017, pp1000
Cengel, Y. A., "Heat Transfer: A practical Approach", p.896, WBC McGraw Hill, 2002 pp896
Sundberg, J., "Thermal properties of soils and rocks", p327, GEOLOGISKA INSTITUTIONEN Publ. A57, 1988. pp38-39
Somerton, W. H., "Thermal properties and temperature-related behavior of rock/fluid systems" p.256, Elsevier, March 1992. pp.256
Banks, D., "An introduction to thermogeology: ground source heating and cooling", p.339 John Wiley & Sons. 2008, pp.339 DOI: http://dx.doi.org/10.1002/9781444302677
Hilton LTD, P. A. 1994. "Experimental operating and maintenance manual:Netzsch HFM363/3/1" p.16, Netzsch. pp.7
Busby, J., Lewis, M., Reeves, H. & Lawley, R., "Initial geological considerations before installing ground source heat pump systems", Quarterly Journal of Engineering Geology and Hydrogeology, Vol42, No.3, pp.295-306, Aug. 2019 DOI: http://dx.doi.org/10.1144/1470-9236/08-092

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