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문제 정의
- 그러나 모든 아스팔트 혼합물은 소성변형, 균열, 수분에 대한 저항성을 가져야 하므로 이에 대해 보다 구체적인 연구가 진행되어야 한다. 따라서 본 연구에서는 이중에서도 국내에서 가장 중요한 손상인 소성변형(rutting)을 발생억제를 위한 연구를 수행하였다.
- 하지만 준고온에서의 사용을 위해서는 용융온도가 120℃ 이하로 낮어야 하며, 이를 만족하는 재료중 하나인 LDPE를 본 연구에서는 사용하였다. 따라서 본 연구의 목적은 일반 HMA를 상기 두 재료로 WMA로 생산하고 이를 LDPE로 개질한 개질 준고온 아스팔트 (Modified WMA: MWMA) 혼합물의 소성변형 저항특성을 HMA와 비교 고찰하는 것이다.
제안 방법
- 그림 2에서 보여주는 저밀도 폴리에틸렌(LDPE)는 화학적 안정성과 높은 인장력을 가지는 수지이며 아스팔트 개질제로 널리 사용되고 있다. 본 연구에서는 이 파우더 형태의 LDPE를 가열된 골재와 바인더가 혼합될 때 믹서에 직접 넣는 건식 방법을 사용하여 플랜트에서의 혼합 방법과 같게 하였다.
- 별도의 준고온 아스팔트 혼합물에 대한 배합설계 기준은 없으나 가열 아스팔트 혼합물과 유사한 작업성과 다짐특성을 가질 것으로 보고 HMA 배합설계법을 통해 OAC를 결정하였다. 적용된 배합설계 기준치들을 모두 만족하는 함량 중에서도 공극률이 4%에 가장 근접한 함량을 최적 아스팔트 함량으로 결정하였다.
- 본 연구는 굵은골재 최대치수 13㎜와 19㎜를 가지고 Evotherm 첨가 바인더로 준고온 아스팔트 혼합물을 제조하였으며 변형강도시험과 반복주행시험을 통하여 준고온 아스팔트 혼합물의 소성변형 저항성을 분석하여 다음과 같은 결론을 얻었다.
- 본 연구에서는 한 종류의 골재와 2 가지의 골재 합성입도, 첨가량에 따른 4 종류의 바인더로 실험을 진행하였으며 최적 아스팔트 함량 (Optimum asphalt content: OAC)은 국토해양부 지침(아스팔트 혼합물 생산 및 시공 지침 2009)의 표층용 배합 설계법에 따라 수행하였다. 별도의 준고온 아스팔트 혼합물에 대한 배합설계 기준은 없으나 가열 아스팔트 혼합물과 유사한 작업성과 다짐특성을 가질 것으로 보고 HMA 배합설계법을 통해 OAC를 결정하였다. 적용된 배합설계 기준치들을 모두 만족하는 함량 중에서도 공극률이 4%에 가장 근접한 함량을 최적 아스팔트 함량으로 결정하였다.
대상 데이터
- 일반적으로 HMA가 생산되는 165℃ 전후의 온도를 30-40℃ 낮추기 위해서는 준고온화 재료제의 첨가가 필요하다. 본 연구에서는 국제적으로 통용되고 있는 첨가제중 대표적인 2가지 (Evotherm, Sasobit)중 Evotherm을 사용하였다. 이의 사용을 통해 아스팔트 혼합물을 준고온인 130℃ 전후로 제조할 수 있었다.
- 아스팔트 바인더는 침입도 60～80의 것을 기본 바인더로 선정하였으며 준고온 아스팔트 혼합물의 제조를 위한 화학 첨가제로는 액체 형태인 Evotherm 사용하였다. Evotherm의 첨가량은 아스팔트 바인더 함량의 0.
- 골재의 품질이나 입도는 아스팔트 콘크리트 혼합물의 강도에 중요한 영향을 미치며 생산지 별로 그 조건이 다르기 때문에 사용 전에 규정에 적합한지를 반드시 검토해야한다. 본 연구에서는 영서지역에서 많이 사용하고 있는 화강암의 쇄석 골재를 굵은골재와 부순 잔골재(Screenings)로, 채움재(Mineral filler)는 석회 석분을 사용하였다. 굵은골재 최대치수는 표층용 아스팔트 콘크리트 혼합물의 포장에 널리 쓰이는 13㎜와 19㎜로 하여 2종류를 사용하였고 본 연구에 사용된 화강암 골재의 물리적 성질은 표 1에 나타내었다.
- 본 연구에서는 영서지역에서 많이 사용하고 있는 화강암의 쇄석 골재를 굵은골재와 부순 잔골재(Screenings)로, 채움재(Mineral filler)는 석회 석분을 사용하였다. 굵은골재 최대치수는 표층용 아스팔트 콘크리트 혼합물의 포장에 널리 쓰이는 13㎜와 19㎜로 하여 2종류를 사용하였고 본 연구에 사용된 화강암 골재의 물리적 성질은 표 1에 나타내었다. 그림 3과 4는 본 연구에 사용된 13㎜와 19㎜의 합성 입도를 보여준다.
이론/모형
- HMA의 경우 여기에 사용되는 폴리머의 종류는 LDPE, SBS, SBR, HDPE, EVA, CRM 등 다양하다. 하지만 준고온에서의 사용을 위해서는 용융온도가 120℃ 이하로 낮어야 하며, 이를 만족하는 재료중 하나인 LDPE를 본 연구에서는 사용하였다. 따라서 본 연구의 목적은 일반 HMA를 상기 두 재료로 WMA로 생산하고 이를 LDPE로 개질한 개질 준고온 아스팔트 (Modified WMA: MWMA) 혼합물의 소성변형 저항특성을 HMA와 비교 고찰하는 것이다.
- 본 연구에서는 한 종류의 골재와 2 가지의 골재 합성입도, 첨가량에 따른 4 종류의 바인더로 실험을 진행하였으며 최적 아스팔트 함량 (Optimum asphalt content: OAC)은 국토해양부 지침(아스팔트 혼합물 생산 및 시공 지침 2009)의 표층용 배합 설계법에 따라 수행하였다. 별도의 준고온 아스팔트 혼합물에 대한 배합설계 기준은 없으나 가열 아스팔트 혼합물과 유사한 작업성과 다짐특성을 가질 것으로 보고 HMA 배합설계법을 통해 OAC를 결정하였다.
성능/효과
- 5L5)의 배합설계 후 변형 강도치를 보여준다. 각각의 첨가제 종류와 개질제 양에 따라 변형강도의 차이가 나타났다.
- 13㎜ 골재의 준고온 아스팔트 혼합물에서 가열 아스팔트 혼합물과 비교하여 13㎜ 골재의 준고온 아스팔트 혼합물에서 E0.5만을 넣은 것 보다 LDPE를 첨가하였을때 소성변형에 효과가 있는 것으로 나타났다. 또한 13㎜ 준고온 아스팔트 혼합물은 모두 변형강도 기준치 3.
- 5만을 넣은 것 보다 LDPE를 첨가하였을때 소성변형에 효과가 있는 것으로 나타났다. 또한 13㎜ 준고온 아스팔트 혼합물은 모두 변형강도 기준치 3.2MPa 이상을 상회하는 것으로 나타났다.
- 19㎜ 준고온 아스팔트 혼합물에서는 E0.5를 제외하고는 모두 변형강도 기준치를 상회하는 것으로 나타났다. 그러나 S1.
- 13㎜ 준고온 아스팔트 혼합물의 반복주행시험 결과, Evotherm 만을 첨가 시 소성변형이 가열 아스팔트 혼합물보다 크게 나타난 반면에 이에 LDPE 첨가는 소성변형 저항성이 향상되는 것으로 나타났다. 게다가 LDPE 준고온 아스팔트 혼합물들이 가열 아스팔트 혼합물에 비해 소성변형이 적게 발생되는 것으로 나타났다.
- 13㎜ 준고온 아스팔트 혼합물의 반복주행시험 결과, Evotherm 만을 첨가 시 소성변형이 가열 아스팔트 혼합물보다 크게 나타난 반면에 이에 LDPE 첨가는 소성변형 저항성이 향상되는 것으로 나타났다. 게다가 LDPE 준고온 아스팔트 혼합물들이 가열 아스팔트 혼합물에 비해 소성변형이 적게 발생되는 것으로 나타났다.
- 19㎜ 준고온 아스팔트 혼합물의 경우에는 Evotherm 만을 첨가했을 때보다 LDPE를 첨가한 것이 소성변형 저항성이 향상하는 것으로 나타났으나 가열 아스팔트 혼합물보다는 크게 나타났다.
- 2. 반복주행시험에서 화강암 13㎜의 Evotherm 준고온 아스팔트 혼합물은 LDPE 개질과 비개질에 따라 소성변형이 3㎜ 정도의 차이를 보여, LDPE 개질이 소성변형저항성을 크게 향상시킴을 알 수 있었다.
- 3. 19㎜ 준고온 아스팔트 혼합물에서 Evotherm와 LDPE 개질에 따른 소성변형 저항성의 향상을 나타냈다. 그러나 Evotherm 준고온 아스팔트 혼합물들이 가열아스팔트 혼합물에 비하여 소성변형 저항성이 낮았다.
- 1. Evotherm 첨가 아스팔트 바인더에 LDPE 개질 준고온 아스팔트 혼합물이 소성변형 저항성에 있어서 비개질 혼합물에 비해 높게 나타났다. 이는 LDPE가 준고온 아스팔트 혼합물의 소성변형 저항성을 향상시키는 것으로 보여지며 다른 개질제의 효과도 기대할 수 있을 것으로 판단된다.
후속연구
- 배출량 저감을 위한 방안으로 가열아스팔트 혼합물(Hot-mix asphalt mixture: HMA) 생산온도를 30-40℃ 정도를 낮추어서 준고온으로 아스팔트 (Warm-mix asphalt: WMA) 포장을 건설하는 기술에 대한 많은 연구가 진행되고 있다. 준고온 아스팔트 혼합물은 가열 아스팔트 혼합물에 비하여 이산화탄소발생 억제, 조기교통개방, 장기 공용성의 확보 및 에너지 절약 등의 효과가 기대된다.
- 이의 사용을 통해 아스팔트 혼합물을 준고온인 130℃ 전후로 제조할 수 있었다. 그러나 모든 아스팔트 혼합물은 소성변형, 균열, 수분에 대한 저항성을 가져야 하므로 이에 대해 보다 구체적인 연구가 진행되어야 한다. 따라서 본 연구에서는 이중에서도 국내에서 가장 중요한 손상인 소성변형(rutting)을 발생억제를 위한 연구를 수행하였다.
- 5L3의 혼합물을 제외하고는 가열 아스팔트 혼합물의 변형강도보다 모두 낮은 변형 강도를 나타났다. Evotherm에 LDPE 첨가 시에도 변형강도가 낮게 나온 이유는 최적아스팔트함량으로 제조된 공시체의 포화도가 기준에 미치지 않은 것이 그 원인으로 제공될 수 있으므로 이에 대한 연구가더 진행되어야 할 것으로 판단된다.
- 준고온 혼합물의 반복주행시험에서 굵은골재 최대치수와 화학첨가제에 따라 상이한 결과를 나타냈는데 이에 대한 연구가 심도 있게 더 진행되어야 할 것으로 판단된다.
- Evotherm 첨가 아스팔트 바인더에 LDPE 개질 준고온 아스팔트 혼합물이 소성변형 저항성에 있어서 비개질 혼합물에 비해 높게 나타났다. 이는 LDPE가 준고온 아스팔트 혼합물의 소성변형 저항성을 향상시키는 것으로 보여지며 다른 개질제의 효과도 기대할 수 있을 것으로 판단된다.
- 4. 준고온 아스팔트 혼합물의 국내의 도로 포장의 적용을 위해서는 수분취약성 분석을 포함하여 더욱 많은 심도 있는 연구가 진행되어야 할 것이다.
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