[논문]폐기물 자원화를 위한 폐플라스틱의 도로포장 적용기술

정해국; 김용재; 박철우

doi:10.14190/mrcr.2020.15.3.018

폐기물 자원화를 위한 폐플라스틱의 도로포장 적용기술
Research Trends and Technology of Asphalt Concrete Pavement using Waste Plastic for Resource Circulation 원문보기

Magazine of RCR = 한국건설순환자원학회지, v.15 no.3, 2020년, pp.18 - 27

정해국 (강원대학교 토목공학과) , 김용재 (강원대학교 건설융합학부) , 박철우 (강원대학교 건설융합학부)

초록이 없습니다.

표/그림 (16)

표 [표 1] 플라스틱의 구분
그림 그림 1. 폐플라스틱 용도별 연구현황
그림 그림 2. 폐플라스틱 종류별 연구현황
그림 그림 3. 폐플라스틱 종류별 연구현황
표 [표 5] 적용 굵은골재의 체가름분석결과
표 [표 6] 적용 잔골재의 체가름분석결과
표 [표 2] 실험변수
표 [표 3] 혼합비율
표 [표 4] 배합표
표 [표 7] 시편제작과정
그림 그림 4. 마샬안정도 측정결과(석분 아스콘)
그림 그림 5. 마샬안정도 측정결과(폐플라스틱 아스콘)
그림 그림 6. 흐름도 측정결과(석분 아스콘)
그림 그림 7. 흐름도 측정결과(폐플라스틱 아스콘)
표 [표 8] 마샬안정도 측정결과
표 [표 9] 흐름도 측정결과

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문제 정의

본 연구에서는 폐플라스틱을 도로포장재료로 활용하기 위한 기초연구로 폐플라스틱의 종류 및 특성에 대해 조사하고, 관련 국내외 연구현황을 분석하였다. 나아가 폐플라스틱을 혼입한 아스팔트콘크리트의 기초물성을 평가하여 도로포장재료로의 활용을 위한 기초자료를 제공하고자 하였다.
본 실험에서는 폐플라스틱의 재활용성 증대를 위한 기초연구의 일환으로 폐플라스틱을 채움재로 적용한 가열아스팔트콘크리트의 마샬안정도 및 흐름도 특성을 상대비교하여 분석하고자 하였다.
본 연구에서는 폐플라스틱을 도로포장재료로 활용하기 위한 기초연구로 폐플라스틱의 종류 및 특성에 대해 조사하고, 관련 국내외 연구현황을 분석하였다. 나아가 폐플라스틱을 혼입한 아스팔트콘크리트의 기초물성을 평가하여 도로포장재료로의 활용을 위한 기초자료를 제공하고자 하였다.

제안 방법

국내에서 농업용으로 주로 농업용으로 사용되는 LDPE를 19 mm 단일크기의 골재로 제작하여 BB-3 기층용 입도에 대하여 아스팔트 콘크리트 시편의 물성을 평가하였다. 전체 혼합물 중량의 0 %, 2.
폐플라스틱을 적용한 아스팔트의 기초물성평가를 위해 다음 [표 2]와 같이 사용AP, 골재, 배합비율 등 기타 조건은 모두 동일하도록 설정하고 채움재만 석분과 폐플라스틱으로 구분하여 변수로 설정하였다. 따라서 표준시편에는 일반석분을 적용하고, 비교시편에는 물질가공형 재활용 폐플라스틱을 적용하였다.
시험체 제작을 위한 아스팔트의 배합비율은 다음 [표 3]및 [표 4]와 같이 도로포장현장에서 일반적으로 사용하는 비율을 적용하였다.
폐LDPE와 폐HDPE를 각각 10~15 %, 8~10 %를 첨가하고, 혼합물의 가열온도를 약 15 ℃ 상승시켜 시편을 제작하고 성능을 평가하였다. 실험결과, 폐LDPE 및 폐HDPE의 첨가량이 증가할수록 강성지수가 증가하는 특성을 나타내었다.
폐비닐을 재생한 HDPE 펠렛을 분말형태로 분쇄하여 아스팔트의 약 0 ~10%까지 건식혼합하고, 이를 골재 및 AC 80-100, AC 60-80 아스팔트와 배합하여 시편을 제작함. 실험결과, 폐HDPE의 혼입률이 증가할수록 마샬안정도와 간접인장강도는 증가하였으며, 약 8% 이상의 혼입률부터는 마샬안정도 및 간접인장강도가 감소하기 시작하였다.
폐플라스틱을 적용한 아스팔트의 기초물성평가를 위해 다음 [표 2]와 같이 사용AP, 골재, 배합비율 등 기타 조건은 모두 동일하도록 설정하고 채움재만 석분과 폐플라스틱으로 구분하여 변수로 설정하였다. 따라서 표준시편에는 일반석분을 적용하고, 비교시편에는 물질가공형 재활용 폐플라스틱을 적용하였다.
폐플라스틱의 활용도를 높이기 위해 폐플라스틱의 종류, 특성 및 연구현황에 대해 조사하고, 폐플라스틱을 혼입한 아스팔트콘크리트의 기초물성을 평가한 결과는 다음과 같다.

대상 데이터

② 적용골재

적용대상이 기층용 가열아스팔트이며, 적용입도는 BB-3이이다. 이를 위한 시편제작의 적용기준 및 골재의 입도를 평가한 결과는 다음 [표 5] 및 [표 6]과 같다.

성능/효과

PE레진에서 발생한 찌꺼기에 열을 가해 분자고리를 열분해하여 왁스계열로 환원시킨 PE Wax를 약 3 ~ 7%까지 혼합한 결과, PE Wax의 혼입률이 증가할수록 회전점도가 증가하고, 침입도가 감소하였다. 따라서 PE Wax가 고온에서의 바인더 점성을 증가시키며, 아스팔트 바인더의 소성변형에 대한 저항성을 증가시키는 것으로 확인되었다(김부일 외 3인, 2006).
877 mm로 산출되었다. 따라서 폐플라스틱을 채움재로 적용한 경우 석분을 채움재로 적용한 아스팔트콘크리트 대비 흐름도는 약 40.8%가 증가되는 것으로 확인되었다.
건설분야에서는 최근 열가소성 합성수지에 폐유 등과 같은 용제를 사용하여 용해시킨 후 접착제를 첨가하고 충전재로서 모래, 점토 등을 섞어 가압 성형하여 골재를 생산하여 도로포장에 적용하고 있는 것으로 분석되었다. 또한 단일 또는 복합 합성수지 폐기물을 용융점 이상으로 가열하여 용융시킨 후 냉각 또는 압축하여 재생품(고체제품)을 도로포장의 충진재 및 개질제로의 적용이 시도되고 있는 것으로 확인되었다.
실험결과, 폐LDPE 및 폐HDPE의 첨가량이 증가할수록 강성지수가 증가하는 특성을 나타내었다. 또한 폐LDPE 15%이상, 폐HPED 10% 이상 첨가한 경우, 혼합이 어렵고 폐비닐이 응집형태로 존재하는 특성을 나타내었다. 따라서 폐LDPE는 약 12%, 폐HDPE는 약 8% 첨가시 성능이 개선된 혼합물의 생산이 가능한 것으로 판단되었다(김광우 외 3인, 2002).
5%로 판단되며, 해당 치환율 적용시 강성이 증대되는 것으로 확인되었다. 모든 변수에서 소성변형저항성이 증가되는 것으로 확인되었으며, 특히 치환율 약 15% 이하에서 저항성이 높은 것으로 확인되었다. 따라서 아스팔트 혼합물에 약 5.
5 %로 달리하여 12종류의 시편을 제작하였으며, 아스팔트 바인더는 도로 포장용 바인더로 널리 사용되는 AP-5를 적용하여 특성을 평가한 결과, 폐비닐골재의 혼합률이 증가할수록 아스팔트 콘크리트의 단열효과를 나타내는 열전도율 및 초음파 속도가 감소하였다. 모든 시편이 마샬 안정도 기준을 충분히 만족하였고 폐비닐 혼합률이 높을수록 안정도가 급격히 증가하였다. 휠트래킹 시험결과, 폐비닐골재 혼합률이 증가할수록 동적안정도는 감소하고, 변형속도는 증가하였으나, 폐비닐골재를 혼합한 시편 모두 기준을 만족하여 소성변형에 대한 저항성은 확보된 것으로 판단되었다.
폐플라스틱의 활용용도 및 종류별 가열아스팔트 성능개선 관련연구현황을 분석한 결과는 다음 <그림 3>과 같다. 분석결과, 폐LDPE는 대부분 아스팔트의 개질을 위한 용도로 적용되었으며, 폐PET는 주로 개질제와 골재대체재의 용도로 연구에 적용된 것으로 조사되었다. 폐PE도 주로 개질을 위한 연구와 골재를 위한 연구로 적용되었으며, 섬유보강을 위한 용도로도 활용된 것으로 확인되었다.
상기 4가지 폐플라스틱(PET, LDPE, PE, HDPE)이 관련 연구에서 차지하는 비중은 약 76 %로 가열아스팔트의 물성 개선을 위한 연구에 많이 활용되고 있으며, 특히 PE계열(PE, HDPE, LDPE)의 폐플라스틱이 가장 많이 활용되고 있은 것으로 조사되었다. 이외에도 폐폴리프로필렌(Polypropylene,PP), 폐나일론(Nylon), 폴리염화비닐(Polyvinyl chloride,PVC), 폐폴리에스테르(Polyester), 합성고무(Ethylene Propylene Dien Monometer, EDPM) 등의 폐플라스틱도 아스팔트의 물성개선을 위해 시도되어지고 있으며, 다양한 종류의 폐플라스틱을 혼합한 폐플라스틱(Mix)도 연구되고 있는 것으로 분석되었다.
석분을 채움재로 적용한 아스팔트콘크리트의 평균 마샬안정도는 약 9,052N로 측정되었으며, 폐플라스틱을 채움재로 적용한 아스팔트콘크리트의 평균 마샬안정도는 약 9,015N로 측정되었다. 시편제작오차로 추정되는 폐플라스틱 아스팔트 콘크리트 시편 1번의 마샬안정도 측정값을 제외할 경우 평균 마샬안정도는 약 10,558N로 산출되었다.
석분을 채움재로 적용한 아스팔트콘크리트의 평균 흐름도는 약 2.043 mm로 측정되었으며, 폐플라스틱을 채움재로 적용한 아스팔트콘크리트의 평균 흐름도는 약 2.913 mm로 측정되었다. 시편제작오차로 추정되는 폐플라스틱 아스팔트콘크리트 시편 1번의 흐름도 측정값을 제외할 경우 평균 흐름도는 약 2.
폐타이어(#4 ~ #30) 조각을 혼합물 중량의 3%를 치환한 결과, 마샬안정도는 일반 아스팔트와 유사하나 흐름도는 다소 증가하였다. 수침처리를 하지 않은 페타이어 혼입시편의 간접 인장강도는 일반 시편의 약 85 %로 확인됨. 회복탄성계수 시험결과, 폐타이어를 혼입한 시편의 회복탄성계수는 일반 시편의 약 67 %로 측정되었으며, 40 ℃에서는 폐타이어 혼입시편보다 우수한 특성을 나타내었다(김광우 외 2인, 1996).
석분을 채움재로 적용한 아스팔트콘크리트의 평균 마샬안정도는 약 9,052N로 측정되었으며, 폐플라스틱을 채움재로 적용한 아스팔트콘크리트의 평균 마샬안정도는 약 9,015N로 측정되었다. 시편제작오차로 추정되는 폐플라스틱 아스팔트 콘크리트 시편 1번의 마샬안정도 측정값을 제외할 경우 평균 마샬안정도는 약 10,558N로 산출되었다. 폐플라스틱을 채움재로 적용한 경우 석분을 채움재로 적용한 아스팔트콘크리트 대비 마샬안정도는 약 16.
폐비닐을 재생한 HDPE 펠렛을 분말형태로 분쇄하여 아스팔트의 약 0 ~10%까지 건식혼합하고, 이를 골재 및 AC 80-100, AC 60-80 아스팔트와 배합하여 시편을 제작함. 실험결과, 폐HDPE의 혼입률이 증가할수록 마샬안정도와 간접인장강도는 증가하였으며, 약 8% 이상의 혼입률부터는 마샬안정도 및 간접인장강도가 감소하기 시작하였다. 그러나 마샬안정도 및 간접인장강도의 감소는 과다 혼입에 의해 배합이 균일하게 이루어지지 않은 것으로 추정되었다(김광우 외 3인, 2004).
폐LDPE와 폐HDPE를 각각 10~15 %, 8~10 %를 첨가하고, 혼합물의 가열온도를 약 15 ℃ 상승시켜 시편을 제작하고 성능을 평가하였다. 실험결과, 폐LDPE 및 폐HDPE의 첨가량이 증가할수록 강성지수가 증가하는 특성을 나타내었다. 또한 폐LDPE 15%이상, 폐HPED 10% 이상 첨가한 경우, 혼합이 어렵고 폐비닐이 응집형태로 존재하는 특성을 나타내었다.
약 0.06 mm이하의 폐PE를 골재 및 채움재의 목적으로 5 % 혼입한 결과, 소성변형의 저항성이 증가되었으며, 수분민감성도 감소하였다. 탄성계수 및 피로균열에 대한 저항성도 일부 증가하는 것으로 확인되었으므로 용도에 맞는 혼합율의 결정이 필요한 것으로 판단된다(Liliana M.
약 1.18 ~ 3.36 mm의 폐PET를 0 ~ 25%를 치환하여 제작한 시편의 특성분석결과, 폐PET의 적정치환율은 아스팔트 혼합물 중량의 5.5%로 판단되며, 해당 치환율 적용시 강성이 증대되는 것으로 확인되었다. 모든 변수에서 소성변형저항성이 증가되는 것으로 확인되었으며, 특히 치환율 약 15% 이하에서 저항성이 높은 것으로 확인되었다.
약 19 mm의 폐PE를 0 ~ 10%로 혼합한 시편의 마샬안정도, 열전도율, 초음파시험, 휠 트래킹시험을 실시한 결과, 폐 PE 혼합율이 2.5%, 5%, 10%일 경우 혼합율 증가에 따라 마살안정도와 흐름치가 증가하였다. 폐PE 혼합율이 증가할수록 열전도율은 감소하였으며 초음파속도는 폐PE 혼합율이 증가할수록 감소하였다.
국내에서 농업용으로 주로 농업용으로 사용되는 LDPE를 19 mm 단일크기의 골재로 제작하여 BB-3 기층용 입도에 대하여 아스팔트 콘크리트 시편의 물성을 평가하였다. 전체 혼합물 중량의 0 %, 2.5 %, 5 %, 10 %에 해당하는 분량의 19 mm 크기의 골재를 폐비닐골재로 치환하고, 바인더의 양을 4.5 %, 5 %, 5.5 %로 달리하여 12종류의 시편을 제작하였으며, 아스팔트 바인더는 도로 포장용 바인더로 널리 사용되는 AP-5를 적용하여 특성을 평가한 결과, 폐비닐골재의 혼합률이 증가할수록 아스팔트 콘크리트의 단열효과를 나타내는 열전도율 및 초음파 속도가 감소하였다. 모든 시편이 마샬 안정도 기준을 충분히 만족하였고 폐비닐 혼합률이 높을수록 안정도가 급격히 증가하였다.
5%, 5%, 10%일 경우 혼합율 증가에 따라 마살안정도와 흐름치가 증가하였다. 폐PE 혼합율이 증가할수록 열전도율은 감소하였으며 초음파속도는 폐PE 혼합율이 증가할수록 감소하였다. 휠트래킹시험결과 폐PE 혼입률이 2.
폐타이어(#4 ~ #30) 조각을 혼합물 중량의 3%를 치환한 결과, 마샬안정도는 일반 아스팔트와 유사하나 흐름도는 다소 증가하였다. 수침처리를 하지 않은 페타이어 혼입시편의 간접 인장강도는 일반 시편의 약 85 %로 확인됨.
폐플라스틱 적용목적을 분석한 결과, 폐LDPE는 대부분 아스팔트의 개질을 위한 용도로 적용되었으며, 폐PET는 주로 개질제와 골재대체재의 용도로 연구에 적용된 것으로 분석되었다. 폐PE도 주로 개질을 위한 연구와 골재를 위한 연구로 적용되었으며, 섬유보강을 위한 용도로는 주로 폐Polyester, 폐Nylon, 폐PP 등의 폐플라스틱이 적용되었으며, 개질제의 용도로는 주로 폐PE계열, 폐PET가 연구에 활용되었다.
폐플라스틱을 가열아스팔트의 성능개선에 적용한 연구현황을 조사한 결과는 다음 그림 1과 같이 아스팔트의 개질제로 적용하기 위한 관련 연구는 조사된 연구의 약 58 %(28건)를 차지하여 가장 많은 연구가 진행된 것으로 분석되었다. 폐플라스틱을 아스팔트의 골재로 활용하기 위한 연구는 조사된 연구의 약 28 %(14건)로 확인되었으며, 섬유보강 및 채움재의 용도로 활용하기 위한 연구는 각각 12 %(6편), 4 %(2편)로 분석되었다.
시편제작오차로 추정되는 폐플라스틱 아스팔트 콘크리트 시편 1번의 마샬안정도 측정값을 제외할 경우 평균 마샬안정도는 약 10,558N로 산출되었다. 폐플라스틱을 채움재로 적용한 경우 석분을 채움재로 적용한 아스팔트콘크리트 대비 마샬안정도는 약 16.6%가 증가되는 것으로 확인되었다.
폐플라스틱의 재활용성 증대를 위한 기초 연구의 일환으로 폐플라스틱을 약 5%의 채움재로 적용한 기층용 가열아스팔트 콘크리트의 마샬안정도 및 흐름도 특성을 상대비교하여 분석한 결과, 폐플라스틱을 채움재로 적용한 경우 마샬안정도는 석분 사용시보다 약 16.6 %가 증가되는 것으로 확인되었으며, 흐름도는 약 40.8%가 증가되는 것으로 확인되었다. 폐플라스틱을 채움재로 적용할 경우 마샬안정도가 일부 증가하였으나 흐름도의 증가율이 매우 높으므로 추가적인 연구를 통해 아스팔트 최적성능개선을 위한 폐플라스틱의 종류, 적용율 등에 대한 검토가 필요할 것으로 판단되었다.
모든 시편이 마샬 안정도 기준을 충분히 만족하였고 폐비닐 혼합률이 높을수록 안정도가 급격히 증가하였다. 휠트래킹 시험결과, 폐비닐골재 혼합률이 증가할수록 동적안정도는 감소하고, 변형속도는 증가하였으나, 폐비닐골재를 혼합한 시편 모두 기준을 만족하여 소성변형에 대한 저항성은 확보된 것으로 판단되었다. 시험시공 결과, 폐비닐골재를 혼합한 아스팔트 콘크리트는 플랜트를 이용한 대량 혼합과정에서 폐비닐골재의 변형 및 재료분리 등의 문제점이 발견되지 않았으며, 포설이나 다짐 중에도 재료 분리 및 장비와 혼합물의 부착 등의 문제도 발생되지 않는 것으로 평가되었다(김병준 외 3인, 2013).

후속연구

관련 연구문헌을 통해 폐플라스틱을 혼입한 아스팔트의 특성을 조사한 결과, 폐플라스틱의 종류에 따라 아스팔트의 성능변화가 매우 다양하며, 대부분의 연구에서 특성별 성능개선과 저하가 동시에 발생하는 것으로 조사되었다. 그러나 폐플라스틱의 종류 및 재생방법이 매우 다양하므로 폐플라스틱의 적용비율, 적용방법 등에 따라 아스팔트의 최적 성능유도가 가능할 것으로 판단된다.
8%가 증가되는 것으로 확인되었다. 폐플라스틱을 채움재로 적용할 경우 마샬안정도가 일부 증가하였으나 흐름도의 증가율이 매우 높으므로 추가적인 연구를 통해 아스팔트 최적성능개선을 위한 폐플라스틱의 종류, 적용율 등에 대한 검토가 필요할 것으로 판단되었다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	폐플라스틱은 아스팔트콘크리트 포장 분야에서 뭄엇으로 활용이 가능한가?	폐플라스틱은 아스팔트콘크리트 포장분야에서 인공골재, 채움재 등으로 활용이 가능하며, 폐플라스틱을 활용한 인공골재의 양산기술이 정립될 경우 고품질의 굵은 골재 및 잔골재를 안정적이고 경제적으로 생산함과 동시에 아스팔트포장에 적용할 수 있으므로 대규모의 자원화가 가능하다. 폐플라스틱을 채움재로 사용할 경우 재활용을 위한 처리단계가 비교적 간단하며 아스팔트포장의 물리적 및 내구적 성능개선에 기여할 수 있다.
	과거에 발생한 폐기물 중 플라스틱은 어디에 수출했는가?	과거 국내에서 발생되는 폐기물 중 플라스틱은 중국 및 개발도상국으로 수출되는 비중이 높았으며 국내의 재활용률은 비교적 낮은 편이었다. 그러나 최근 중국은 2015년 대기오염방지법, 2018년 환경보호세 부과 등의 제도를 통해 환경오염을 유발하는 기업에 대한 환경감찰 및 불시점검 등 고강도 환경규제를 시행하고 있으며 이로 인해 중국으로의 폐플라스틱의 수출이 축소되어 최근 국내에는 폐플라스틱에 의한 다양한 환경 및 사회적 문제가 발생하고 있다.
	폐플라스틱은 어떤 분야에서 새로운 기술을 정립할 수 있는가?	폐플라스틱을 도로포장에 적용할 경우 대규모 재활용이 가능하므로 사회적⋅ 환경적 비용을 감소시킬 수 있으며, 폐플라스틱의 도로포장용 소재 전환 기술 개발로 도로유지보수 비용 감소시킬 수 있다. 또한 도로건설분야에서 글로벌 경쟁력을 강화하고 신시장을 선점할 수 있는 기반을 구축할 수 있는 새로운 기술을 정립할 수 있다(한국건설기술연구원, 2018)

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저자의 다른 논문 :

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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