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문제 정의
- 그리하여 본 연구에서는 첫째, 투명 바인더의 구성 성분에 대한 파악과, 바인더 배합에서 가장 많은 함량 을 차지하는 '석유수지'의 특성에 대한 이해를 돕고자 관련 정보를 정리하였고, 둘째, 석유수지가 다양한 폴 리머들과 혼합 사용된 투명 바인더에 대해 여러 실내 실험을 수행하여 바인더의 물성 변화를 파악하였으며, 마지막으로 배합과정에서 조성 변화가 투명 바인더 물성에 미치는 영향에 대해서도 평가를 실시하였다. 투명 바인더의 평가는 소성변형과 저온균열에 대한 저항성 평가를 위하여 미국에서 수행된 전략적 도로 연구사업 (Strategic Highway Research Program, SHRP)의 연구 결과인 Superpave 시방 규정에 의하여 바인더의 공 용특성을 평가하였으며, 공용성등급(PG Grade)중 'PG 76-22'를 충족하는 유색 아스팔트용 투명 바인더 제조 롤 위한 배합 설계를 하고자 실험을 수행하였다.
제안 방법
- Superpave 시 방규정의하면 아스팔트 바인더 의 단기 노화(시 공직 후)를 모사하기 위하여 RTFO(Rolling Thin Film Oven) 실험을 실시하여 시공단계에서의 아스팔트 노화 저항성을 측정하도록 되어 있으며, 아스팔트 바인 더의 장기노화(공용중인 아스팔트의 5~10년 정도 경과 후)를 모사하기 위하여 PAV(Pressure Aging Vessel)> 사용하도록 하였다.
- 그리하여 본 연구에서는 첫째, 투명 바인더의 구성 성분에 대한 파악과, 바인더 배합에서 가장 많은 함량 을 차지하는 '석유수지'의 특성에 대한 이해를 돕고자 관련 정보를 정리하였고, 둘째, 석유수지가 다양한 폴 리머들과 혼합 사용된 투명 바인더에 대해 여러 실내 실험을 수행하여 바인더의 물성 변화를 파악하였으며, 마지막으로 배합과정에서 조성 변화가 투명 바인더 물성에 미치는 영향에 대해서도 평가를 실시하였다. 투명 바인더의 평가는 소성변형과 저온균열에 대한 저항성 평가를 위하여 미국에서 수행된 전략적 도로 연구사업 (Strategic Highway Research Program, SHRP)의 연구 결과인 Superpave 시방 규정에 의하여 바인더의 공 용특성을 평가하였으며, 공용성등급(PG Grade)중 'PG 76-22'를 충족하는 유색 아스팔트용 투명 바인더 제조 롤 위한 배합 설계를 하고자 실험을 수행하였다.
- 단기노화 된 아스팔트 바인더는 DSR 실험을 실시하여 노화후의 바인더 특성을 평가하여 소성변형에 대한 저항성을 예측하였고, 장기노화 된 아스팔트 바인더는 BBR 시험을 통해 저온균열에 대한 저항성을 예측하였다.
- 본 연구에서 단기노화의 경우는 RTFO를 사용하여 163℃의 온도에서 85분간 노화를 시키는 방법을 사용하였으며, 장기노화는 RTFO에서 단기노화를 거찬 시료를 100℃의 온도에서 2, 070kPa의 압력을 가한 상태에서 20 시간 동안 노화 시켰다.
- 본 연구에서는 ARES 사의 장비를 사용하여 25mm Plate에 시료의 두께는 limn로 시험을 수행하였고 제반 과 정은 Superpave의 시방규정에 의하여 실시하였다. 그리고, 공용성 등급 'PG 76-22'를 만족하는 유색 아스팔트 용 투명 바인더의 배합설계를 위해 단기노화(박막가열, RTFO, Rolling Thin Film Oven) 전.
- 본 연구의 목표중의 하나인 공용성 등급 'PG 76-22'를 만족하는 유색' 아스팔트용 투명 바인더의 배합설계를 위해 시험 항목은 Superpave Binder (Superior Performing Asphalt Pavement) 규격에서 요구하는 기본적인 물 성항목에 대한 평가를 실시하였다.
- 유색 아스팔트 바인더 분야에서 사용 가능한 지방족계, 공중합계 그리고 지환족계 석유수지가 동일한 배합 설계에서 나타내는 물성을 측정하여 표 3과 같이 정리하였다. 3종의 석유수지 중 지방족계 석유수지는 가장 높은 회전 점도를 보이며 초기상태의 G7sin6 값(동적전단응력) 또한 가장 높은 수준을 보였다.
- 참고적 으로 기존의 국내 아스팔트 분류법 에 사용되는 시험 방법인 침 입 도와, 일 반적 인 아스팔트 바인더 의 물 성 측정 항목인 연화점을 함께 측정하여 기록 하였다.
- 투명 바인더를 구성하는 주요 성분인 폴리머, 석유수지 그리고 프로세스 오일의 세 가지 성분 함량 변화에 의한 바인더 물성 영향을 파악하고자 표 5와 같은 배합비율로 바인더를 제작하여 물성을 평가하였다.
- 유색 아스팔트 바인더의 배합 원재료 중 폴리머는 가장 낮은 함량을 차지 하지만 그 종류와 함량수준에 따라 유색 아스팔트 바인더의 전체 물성에 미치는 영향은 매우 크기에 폴리머의 선택과 함량 결정은 투명 바인더 배합 설계에 있어 매우 중요하다. 투명 바인더에 사용가능한 대표적 폴리머 중 올레핀계는 LDPE(Low Density Polyethylene)를, 엘라스토머계는 EVA(Ethylene Vinyl Acetate)를 고무계는 SBS(Styrene-Butadiene-Styrene Block Copolymer)를 동일한 배합설계에 사용하여 물성을 비교하였으며, 그 결과는 표 4에 정리하였다.
- 그리고, 공용성 등급 'PG 76-22'를 만족하는 유색 아스팔트 용 투명 바인더의 배합설계를 위해 단기노화(박막가열, RTFO, Rolling Thin Film Oven) 전.후에 76℃와 82℃ 에서의 G*(Complex modulus)와 8(Phase angle)를 측정한 뒤 각종 바인더간의 G7sin8 값을 비교, 평가하였다.
이론/모형
- 본 연구에서는 Brookfield Thermosel 장치와 Brookfield Viscometer 장치를 사용하여 ASTM D 4402에 의하여 실험을 수행하였다.
성능/효과
- 2) 두명바인더 배합시에 사용되는 폴리머는 비록 타 성분에 비해 적은 함량을 차지 하지만 소성변형에 대한 저항성 등 투명바인더의 특성 결정에 중요한 역할을 한다. 올레핀계 폴리머를 사용한 경우 폴리머 함량이 7.
- 3) 투명바인더의 배합에서 폴리머의 함량이 증가할수록 G/* sin6 값의 증가 현상이 나타나며, 이는 폴리머 함 량의 증가가 소성변형에 대한 저 항성 향상에 기 여하는 것을 의미 한다. 공용성등급 중 고온등급을 만족하기 위해서는 단기노화(RTFO) 이후의 G7sin8 값이 2.
- 유색 아스팔트 바인더 분야에서 사용 가능한 지방족계, 공중합계 그리고 지환족계 석유수지가 동일한 배합 설계에서 나타내는 물성을 측정하여 표 3과 같이 정리하였다. 3종의 석유수지 중 지방족계 석유수지는 가장 높은 회전 점도를 보이며 초기상태의 G7sin6 값(동적전단응력) 또한 가장 높은 수준을 보였다. 하지만, 장기노화 (PAV)후 Stiffness 역시 가장 높은 값을 보임으로 저온균열에 대한 저항성은 상대적으로 낮을 것으로 판단된다.
- 4) 폴리머 함량 증가로 소성변형에 대한 저항성 향상은 가능하지만, 저온균열의 저항성 향상을 위해서는 석 유수지의 함량 조절이 동반되어야 한다. 투명 바인더에서 석유수지의 함량이 증가 될수록 BBR Test에 의한 Stiffness 값이 증가되어 저온균열에 대한 저항성이 악화되는 것으로 나타났으며, 폴리머 함량이 높아질수록 석 유수지의 배합 가능 함량이 증가되는 것으로 파악되었다.
- 하지만, 장기노화 (PAV)후 Stiffness 역시 가장 높은 값을 보임으로 저온균열에 대한 저항성은 상대적으로 낮을 것으로 판단된다. 공증합계 석유수지는, 단기노화 전, 후의 G7sin8 값과 장기노화후의 Stiffness에서 안정적인 값을 나타내며, 지 환족계 석유수지는 저온균열 측면에서 상대적으로 우수한 물성을 보일것으로 예측된다.
- 따라서, 유사수준의 소성변형에 대한 저항성을 가진다 하더라도, 저온균열에 대한 저항성에서는 상당한 차이를 보일 수 있으며, 실험결과의 해석을 바탕으로, 유색 아스팔트 바인더의 저온균열 저항성 향상을 위해서는 고온물성 즉, GVsinS 값을 만족하는 범위 내에서 최소량의 석유수지를 배합 하는 것이 바람직하다.
- 비록, 시험한 3종의 바인더 모두 장기노화 후 Stiffness 값이 PG 76-22 요구수준인 300MPa 보다 높게 측정 되었으나, 이는 사용된 배합비에 있어 낮은 폴리머 함량에 의한 결과로 판단되며, 표 3의 실험결과에서는 동일한 배합에서의 석유수지 종류별 바인더 특성 기여에 대한 비교는 가능하다.
- )2등 다양한 종류의 제품이 있는데, 유색 아스팔트용 투명 바인더 제작에 사용될 경우 타 원재료와의 상용성 고려가 석유수지 종류 선택의 중요한 결정인자이다. 석유수지와 폴리머 간 상용성 판단의 척도인 용해도지수(Solubility Parameter)를 고려할 때, 공중합계(C5-C9) 및 지환족계 (C5)2 석유수지가 투명 바인더에 널리 사용되는 폴리머와 우수한 상용성을 보 . 일 것으로 예상된다.
- 석유수지의 사용가능 함량은 배합비 중 폴리머 함량에 따라 변화되는데, 실험결과에 의하면, 폴리머 함량이 높아질 수 록 석유수지의 사용가능 함량이 증가되는 것으로 파악되며, 폴리머 함량이 11-14.5% 정도 일 경우에는 약 52% 가량의 석유수지의 사용이 바람직하고, 폴리머 함량이 증가되어 18% 수준일 경우 석유수지의 함량이 57%까지 증가되어도 저온균열의 문제가 없는 것으로 나타났다.
- 공용성등급 PG 76-22를 만족하기 위해서는 -120에서의 Stiffness 값이 300MPa 이하가 되기를 요구하는 데, 그림 4의 실험결과에 따르면, 투명 바인더의 Stiffness 값은 배합비 중 석유수지 함량에 상당히 민감한 것으로 파악된다. 앞서 소개한 소성변형의 저항성을 판단하는 G7sin8값은 배합비 중 폴리머 함량에 지배적인 영향을 받는 것으로 보인 것과 달리, Stiffness 값은 동일 함량의 폴리머를 사용하여 동일 수준의 GVsinS 값을 가지 더라도, 배합비 중 석유수지의 함량이 높을 경우 높은 Stiffness 값을 보였으며, 심지어 PG 76-22에서 요구하는 Stiffness의 규격상한을 초과하기도 하였다. 이것으로, 석유수지의 함량이 저온균열의 저항성에 대해 중요한 요 인으로 작용되는 것을 알 수 있다.
- 4) 폴리머 함량 증가로 소성변형에 대한 저항성 향상은 가능하지만, 저온균열의 저항성 향상을 위해서는 석 유수지의 함량 조절이 동반되어야 한다. 투명 바인더에서 석유수지의 함량이 증가 될수록 BBR Test에 의한 Stiffness 값이 증가되어 저온균열에 대한 저항성이 악화되는 것으로 나타났으며, 폴리머 함량이 높아질수록 석 유수지의 배합 가능 함량이 증가되는 것으로 파악되었다. 폴리머 함량이 11-14.
- 투명 바인더에서 석유수지의 함량이 증가 될수록 BBR Test에 의한 Stiffness 값이 증가되어 저온균열에 대한 저항성이 악화되는 것으로 나타났으며, 폴리머 함량이 높아질수록 석 유수지의 배합 가능 함량이 증가되는 것으로 파악되었다. 폴리머 함량이 11-14.5% 정도 일 경우에는 약 52% 가량의 석유수지 사용이 바람직하고, 폴리머 함량이 증가되어 18% 수준일 경우 석유수지의 함량이 57%까지 증 가되어도 저온균열의 문제는 없는 것으로 나타났다.
후속연구
- 본 연구에서 설명된 폴리머 및 석유수지의 함량별 물성에 대한 결과는 특정 폴리머와 특정 석유수지를 사용할 때 나타나는 결과임으로, 모든 종류의 폴리머와 석유수지에 공통적으로 적용되는 배합 설계는 아니다. 하지 만, 본 실험결과는 투명 바인더 제작에 있어 소성변형 그리고 저온균열 등에 대한 저항성 향상을 위한 기본적인 배합설계의 방향 제시를 하기에는 충분한 것으로 판단되며, 향후 각종 폴리머와 석유수지를 사용하여 최적조합 도출을 위한 연구가 필요할 것으로 보인다.
- 하지만, SBS를 사용한 고무계의 경우 매우 낮은 GVsinS 값을 보이기에, 유색 아스팔트 바인더의 폴리머로 SBS와 같은 고무계 폴리머를 단독 사용하여서는 공용성 등급 'PG 76-22'의 요구수준 만족이 어려울 것으로 예 상되며, 이러한 문제의 보완을 위해서는 물성 개량이 가능한 기타 폴리머와 혼용해야 할 것이다.
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