MSCR을 포함한 PG 실험법을 이용한 고분자 개질 바인더의 성능평가
Performance Evaluation of Polymer Modified Asphalt Binder with PG Testing Protocols
윤`태`영 Yun, Tae Young 정회원·한국건설기술연구원 수석연구원 (E-mail: [email protected]) 엄`병`식 Ohm, Byung Sik 정회원·한국건설기술연구원 전임연구원 (E-mail: [email protected]) 유`평`준 Yoo, Pyeong Jun 정회원·한국건설기술연구원 연구위원 (E-mail:[email protected])
ABSTRACT
PURPOSES : SUPERPAVE binder grade tests including Multiple Stress Creep and Recovery(MSCR) test are applied to evaluate rheological properties of four polymer modified binders.
METHODS : To evaluate grade of four modified binders, PG testing protocols, such as DSR, BBR and MSCR are employed.
RESULTS : It is observed that MSCR test shows different performance grades especially on modified binders. Both DMP and EG binder show similar high temperature performance to SBS 5% modified binder.
CONCLUSIONS : Binder Grading system in Korea need to be reviewed to properly reflect the performnace of modified binders. The binders modified with DMP and EG can be possible alternatives SBS 5% modified binder considering its performance and cost.
Keywords
polymer modified asphalt binder, SUPERPAVE performance grade, bending beam rheometer, dynamic shear rheometer, multiple stress creep and recovery test, asphalt pavement
한국도로학회 논문집 제14권 제5호 2012년 10월
pp. 47 ~ 55
1. 연구배경 및 목적
일반적으로 도로 포장용으로 사용되는 가열 아스팔트 혼합물(Hot-mix Asphalt Mixture, HMA)은 골재 사 이의 부착을 위하여 사용되는 아스팔트 바인더의 온도에 대한 민감성(Temperature Susceptibility)으로 인하여 140℃ 이상의 고온에서 혼합 및 포설되어 상온에서 공용 되는 열가소성(Thermoplastic) 건설재료이다. 이러한 아스팔트 혼합물의 온도 민감성 및 열가소적 특성으로 인하여, 0℃ 이하의 온도조건에서는 인장응력으로 인한
균열이, 50℃ 이상의 온도조건에서는 전단하중에 의한 소성변형 또는 영구변형이 발생할 가능성이 높다. 이러 한 특성으로 인하여 가열 아스팔트 혼합물의 시공성 (Workability)을 유지하면서 파손에 대한 저항성을 높 이기 위하여, 시공온도 이하에서 아스팔트 바인더의 온 도 민감성을 감소시키거나, 소성변형이 발생할 수 있는 온도범위에서 열가소적 특성을 감소시키는 방법이 일반 적으로 적용된다. 이러한 방법을 적용한 대표적인 개질 아스팔트 바인더로 SBS(Styrene-Butadiene-
Main Author : Yun, Taeyoung, Senior Researcher
Highway Research Division, Korea Institute of Construction Technology, 283, Goyangdae-Ro, Ilsanseo-Gu, Goyang-Si, Gyeonggi-Do, 411-712, Korea Tel : +82.31.910.0445 Fax : +82.31.910.0161
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ISSN 1738-7159 (Print) ISSN 2287-3678 (Online)
Styrene)와 Elvaloy 등이 빈번하게 사용되고 있으나, 삼구역 공중합체인 SBS는 스티렌(Styrene) 단량체 (Monomer)를 구성하는 페닐(Phenyl)그룹, 비닐(Vinyl) 그룹 또는 부타디엔(Butadiene)에 존재하는 탄소이중결 합(Carbon Double Bond)의 산소와의 빈번한 결합으로 인하여, 일정 시간(약 500시간) 공용 이후 개질 아스팔트 바인더의 급격한 노화(Aging) 및 취화(Embattlement) 되며, 연화점(Softening Point)이 일반 아스팔트와 유 사해지는 문제가 있다. 한편 비결정성(Amorphous) 특 성을 나타내는 Elvaloy는 아스팔트의 망상구조 (Network) 형성에 불리한 면이 있으며, 상분리(Phase Separation)의 문제가 있다(Lee et al. 2011).
본 연구에 사용된 고분자 단량체인 디메틸 페놀 (Dimethyl Phenol, DMP)은 열가소성 고분자 (Thermoplastic Polymer)인 폴리스티렌(Polystyrene) 이나 1965년에 최초로 소개된 열경화성 탄성체 (Thermoset Elastomer)인 SBS에 용매로 작용하여 극 성용매(Polar Solvent)를 조성한다. 한편, SBS와 함께 극성용매를 조성한 DMP는 아스팔트 바인더에 있는 구 리(Cu)와 아민(Amine)을 주 촉매(Catalyst)로 사용하 여 대기 중의 산소와 함께 산화 축중합반응(Oxidative Polycondensation)을 일으키고, 분자의 말단 일부가 안정한 화합물로 떨어지면서 연결되어 거대분자를 형성 한다.
그 결과로서 SBS와 아스팔트 바인더 내에 열가소성 폴리페닐렌 에테르(Poly Phenylene Ether, PPE) 또 는 폴리페닐렌 옥사이드(Poly Phenylene Oxide, PPO)가 상호침투 망상조직(Network Topology)을 형 성하여 아스팔트 바인더의 고온 및 저온 성능을 모두 증 대시키는 역할을 한다(General Electric, 1965). 또한 SBS와 DMP 극성 용매는 아스팔트 바인더의 용융온도 범위에서 액체 상태로 존재하여 아스팔트 바인더와 혼 합이 용이하다는 장점이 있다. 본 연구에서는 화학적 개 질특성이 확인된 DMP, SBS 등의 아스팔트 바인더에 대하여 SUPERPAVE Performance Grade(PG)에 적 용되는 실험방법을 적용하여 물리적인 특성을 확인하고 자 하였다.
2. 실험재료 및 방법 2.1. 실험재료
다음 Table 1은 실험에 사용된 대조군과 실험군으로 구분된 아스팔트 바인더의 조성비를 나타내고 있다. 실
험에 사용된 아스팔트 바인더는 총 5가지로, 대조군으로 서 AP5 아스팔트 바인더와 실험군으로서 AP5에 SBS 및 DMP를 혼합한 바인더에 분산제로서 에틸렌글리콜 (Ethylene Glycol, EG) 및 고온특성 및 가교도(Cross- links) 증대를 위한 황(Sulfur, S)을 추가한 4가지 바인 더가 사용되었다. 본 논문에서는 편의성을 고려하여 대 조군과 실험군에 사용된 재료들에 대하여 각각 AP5, DMP, EG, EGS, SBS으로 명칭을 단순화 하였다.
2.2. 실험방법
SUPERPAVE에서는 노화되거나 노화되지 않은 바 인더의 물성확인을 통한 PG등급 결정을 위하여, 회전 점도계(Rotational Viscometer, RV), 동적전단 레오 미터(Dynamic Shear Rheometer, DSR), 휨저항시험 기(Bending Beam Rheometer), 직접인장시험기 (Direct Tension Tester) 등을 사용한다. 바인더의 단 기노화는 박막가열 노화장비(Rotational Thin Film Oven, RTFO)를 이용하며, 장기노화는 압력노화 장비 (Pressure Aging Vessel, PAV)를 사용하는데, 각 실 험의 목적 및 등급결정에 사용되는 기준값은 Fig. 1에 개략적으로 나타나 있다. 최근에는 일반아스팔트 바인 더 또는 개질아스팔트 바인더의 고온에서의 소성변형 또는 영구변형(Rutting)과 관련된 물성을 보다 효과적 으로 평가하기 위하여, DSR을 이용한 다중하중 크리 프-리커버리(Multiple Stress Creep and Recovery,
Table 1. Notation and Weight Proportion of Binders
Notation Proportion (to total weight)
AP5 AP5 100%
DMP AP5 95% + SBS 1% + DMP 4%
EG AP5 95% + SBS 1% + (DMP + EG) 4%
EGS AP5 95% + SBS 1% + (DMP + EG + S) 4%
SBS AP5 95% + SBS 5%
Fig. 1 PG Binder Testing Protocols
MSCR) 실험이 RTFO가 노화된 DSR 실험에서의 평가
기준인 을 대체하기 위하여 제시되었다
(AASHTO 2009, Tabatabaee and Tabatabaee 2010).
2.2.1. 회전점도계를 이용한 고온 점도 실험
회전점도계를 이용한 실험에서는 회전력(Torque)와 각속도(Angular Velocity)를 이용하여 재료의 역학점 도(Dynamic Viscosity)를 결정하는 실험으로 ASTM D 4402 및 KS F 2392에 따라 수행하였으며, 정확한 결과를 얻기 위하여 바인더의 점도범위에 따라 다른 크 기의 스핀들(Spindle)을 사용하였다. 일반적으로 노화 되지 않은 PG 64-22 바인더는 135℃에서 0.57Pa₩s, PG 76-22 바인더는 1.80Pa₩s 정도의 역학점도를 나 타내는 것으로 알려져 있으며, SUPERPAVE에서는 혼 합 시의 작업성을 고려하여 아스팔트 바인더의 역학점 도가 135℃에서 3Pa₩s 이하일 것으로 제한하고 있다.
2.2.2. PG 동적전단 레오메터(DSR) 실험
PG DSR 실험은 노화되지 않거나(Unaged), 단기노 화(RTFO Aged), 장기노화(PAV Aged)된 바인더의 전 단계수( )와 위상각( )을 지역의 온도 조건 및 하중 각속도(Angular Frequency) 조건에서 측정하는 실험 으로서, 온도와 노화정도에 따라서 최소 또는 최대 기준 값을 만족하는 바인더는 해당되는 지역 또는 온도에 적 합한 것으로 판정한다. 일반적인 절차에 따라 본 연구에 서는 소성변형에 대한 저항성을 평가하기 위하여 58℃, 64℃, 70℃ 및 76℃ 순서로 실험을 진행하였으며, 균열 에 대한 저항성을 평가하기 위한 장기노화 바인더에 대 한 실험은 고온으로부터 저온으로의 순서로 실험을 진 행하였다. 다음 Eq. (1)은 PG DSR 실험을 통하여 얻을 수 있는 응력과 변형률과 이들을 이용하여 얻어지는 동 탄성계수를 나타내고 있다. 실험에서 얻어진 동탄성계 수와 위상각을 이용하여 Eq. (2)와 같이 재료의 탄성을 평가하는데 활용되는 특정 각속도에서의 저장탄성률 (Storage Modulus) 등을 결정할 수 있다.
여기서, : 동탄성계수 : 저장탄성률
: 각속도 : 위상각
노화되지 않은 바인더에 대한 실험결과와 단기노화된 바인더의 실험결과는 시공 초기의 소성변형에 대한 저 항성을 평가하기 위한 것으로, 응력의 함수로 표현된 손 실에너지(Dissipated Work) 개념에서 도출된 에 의하여 평가된다. 장기노화된 바인더의 실 험결과는 일정기간 이상 공용된 얇은 포장에서 발생되 는 피로균열이 변형률에 지배되어 발생하는 것으로 가 정하여 변형률의 함수로 표현되는 손실 에너지 개념에 서 도출된 를 이용하여 평가되는데, 모든 바인 더에 대한 DSR의 각속도는 10rad/sec (1.59Hz)로 일 정하게 적용되며, 이는 차량속도 90km/h를 모사하기 위한 것이다. PG DSR 실험은 KS F 2393에 따라, 실 험온도가 46℃ 이상에서는 두께 1mm, 직경 25mm의 바인더 샘플을 이용하며, 40℃ 이하에서는 두께 2mm, 직경 8mm의 바인더 샘플을 사용한다.
2.2.3. 휨저항(BBR) 실험
BBR 실험은 노화된 바인더의 스티프니스(Stiffness) 특성을 확인하기 위한 방법으로, DSR로 평가하기 어려 운 노화된 바인더의 저온조건에서의 균열에 대한 저항 성을 평가하기 위하여 크리프 스티프니스(Creep Stiffness, )와 크리프율(Creep Rate, m-value)을 측정한다. 크리프 스티프니스와 크리프율은 일정한 온 도와 하중조건에서 빔 형태의 시편 중앙부의 처짐을 측 정하여 계산하는데, 실험 온도와 크리프 시간은 일반적 인 바인더에 대하여 시간-온도 중첩이론(Time- Temperature Superposition Principle)을 적용한다.
이에 근거하여 특정한 실험온도에서 60초 동안 크리프 하중을 재하하여 실험온도보다 10℃ 낮은 온도에서 2시 간 동안 재하된 크리프 하중을 모사한다. 엄밀하게는 실 험온도보다 10℃ 낮은 온도조건에서 2시간동안의 크리 프 하중을 모사하기 위해서는 평가하려는 바인더의 동 탄성계수를 활용한 시간-온도 이동계수(Time- Temperature Shift Factor)를 결정하는 것이 바람직 하나, 큰 오차를 발생시키지 않는다고 가정하여 일반적 으로 60초 동안 크리프 하중을 재하한다. 일반적으로 실 험은 고온에서 저온으로 수행되므로, 본 연구에서는 KS F 2390에 따라 -12℃, -18℃, -24℃순으로 실험을 수 행하였다. 아래 Eq. (3)은 바인더 시편의 크리프 스티프 니스를 결정하는데 사용되며, 시편의 형태와 하중 및 시 (1)
(2)
간에 따른 처짐값을 이용하여 빔이론(Beam Theory)과 탄 성 -점 탄 성 대 응 이 론 (Elastic-Viscoelastic Correspondence Principle)을 이용하여 유도된다.
여기서, : 처짐량 : 하중
: Heaviside Step Function : 보의 지지거리
: 단면 2차 모멘트 : 보의 폭
: 보의 높이
m-value는 크리프하중 재하가 60초인 시점에서의 크리프 스티프니스 곡선의 기울기를 나타내어 스티프니 스의 약화정도 또는 유연한 정도를 나타낸다. 따라서 SUPERPAVE에서는 PAV 노화된 바인더의 m-value 가 0.3 이상되고 스티프니스가 300MPa 이하가 되어야 해당 온도에서의 PG등급을 획득할 수 있도록 하였으 며, 스티프니스가 300MPa 이상이 되는 경우에는 직접 전단실험(Direct Tension Test, DTT)를 수행하여 그 결과로 판단하는 것으로 제안하고 있다.
2.2.4. 다중하중 크리프-리커버리(MSCR) 실험 MSCR 실험은 ASTM D7405-10a, AASHTO TP70 에 제시된 실험방법으로 아스팔트 바인더의 주로 고온 탄성 회복력을 평가하기 위하여 적용된다. 기존의 ASTM D6373의 바인더 선정 방법에서는 바인더가 사 용될 지역에 교통량이 많거나 차량의 운행속도가 낮을 경우, DSR 실험으로 결정된 바인더의 등급을 한단계 또는 두단계 올려서 적용하는 것을 권장하고 있다. 그러 나 이는 해당지역의 최고온도가 상대적으로 낮은 경우 에도 일괄적으로 적용하도록 되어 있어 불필요한 고가 의 개질 바인더를 사용하도록 유도하는 문제점이 있다.
또한, 기존의 DSR 실험을 이용한 PG 등급실험에서는 를 평가기준으로 사용하여 작은 변형률에서의 바인더의 소성변형에 대한 저항성을 평가하였으나, 일 반적인 소성변형은 변형률이 큰 상태에까지 이르기 때 문에 이러한 재료의 특성을 적절히 반영하지 못하는 한 계가 있다(Andrew et al., 2009). 그러나 MSCR 실험
에서는 상대적으로 큰 변형률 범위에서의 재료의 특성 을 고려하여 아스팔트 바인더의 소성저항성을 평가하기 위한 탄성 또는 점탄성 특성을 적절히 반영하고 있으며, 실제 하중에 의하여 혼합물이 받을 수 있는 응력조건을 모사한 후 평가한다는 장점이 있다(Nader et al., 2010). 또한 다중하중 크리프-리커버리 실험은 기존의 PG 바인더 등급실험에서 DSR 장비로 구분하기 어려웠 던 개질 아스팔트 바인더의 특성을 상대적으로 정확하 게 표현할 수 있으며, 실험방법이 복잡하지 않아 사용하 기 편리하게 적용할 수 있다는 장점이 있다. ASTM D7405-10a나 AASHTO TP70에 제시된 MSCR 실험 에서 사용되는 하중은 0.1kPa과 3.2kPa인데, 0.1kPa 의 하중을 1초 동안 재하한 후 9초 동안의 휴지기를 두 는 과정을 10회 반복한 후 3.2kPa로 증가시켜 동일하 게 반복한다. 다음 Table 2는 각각 ASTM D7405-10a 이나 AASHTO TP70에서 제시하는 2개의 하중을 포함 한 10개의 하중조건을 나타내고 있으며, Fig. 2, Fig. 3 은 특정 크기의 하중을 재하하고 휴지기를 부여했을 때 의 응력곡선 및 이에 따른 변형률곡선을 나타내고 있다.
Fig. 2에서 는 재하된 전단응력을 나타내며, Fig.
3에서 와 는 각각 전단응력으로 발생
할 수 있는 회복 가능한 점탄성변형률과 회복 불가능한 소성변형률을 나타낸다.
(3)
Table 2. MSCR Testing Procedure
LoadingNumber 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
Creep loading
(kPa)
0.1 0.2 0.4 0.8 1.6 3.2 6.4 12.8 25.6 61.2
Time and repetition
Creep loading period(sec) = 1.0 Recovery period(sec) = 9.0
Number of repetition of creep and recovery = 10
Fig. 2 Example of Stress History in MSCR Test
일정한 크기의 하중을 재하하고 휴지를 부여하는 MSCR 실 험 은 비 회 복 컴 플 라 이 언 스 (Non- Recoverable Compliance, )를 바인더의 평가기준 으로 적용하는데, 이는 미연방도로국(Federal Highway Administration, FHWA)의 가속실험장비 (Accelerated Loading Facility, ALF)에서 나온 소성 변형과 비회복 컴플라이언스 사이의 높은 상관관계에 따른 것이다. 비회복 컴플라이언스, 는 다음 Eq.(4) 와 같이 회복되지 않은 소성변형률을 재하된 전단하중 의 크기로 나누어 얻은 값으로, 일반적으로 하중의 크기 가 커질수록 값이 커지며, 동일한 하중에서는 바인더 의 소성변형 저항성이 작을수록 커지는 경향을 나타낸 다. 따라서, 새롭게 제시된 PG 등급 기준에서는 의 최대값을 바인더의 평가기준으로 제시된다.
여기서, : 비회복 컴플라이언스(kPa-1) : 비회복 전단 변형률 : 전단하중
또한 Eq. (4)에서 정의된 회복변형률과 비회복변형률을 이용하여 다음 Eq. (5)에 나타낸 % 회복률(Recovery)을 결정할 수 있는데, 이는 동일한 하중에 대하여 동일한 최 대 변형률이 발생하는 두 가지 다른 바인더의 탄성회복특 성을 구분하는데 효과적으로, 개질바인더의 특성을 평가 하는데 효과적으로 사용될 수 있다.
여기서, : 회복률
: 회복 전단 변형률
: 최대 전단변형률
% 회복률은 위의 비회복 컴플라이언스와 함께 단기 노화에 해당되는 RTFO 노화바인더의 소성변형 저항성 을 평가하는 기준으로 활용된다.
3. 실험결과 및 분석 3.1. PG 등급 실험결과 3.1.1. RV 실험결과
다음 Fig. 4는 회전점도계를 이용한 역학점도의 평균 값을 나타내는 것으로서, SUPERPAVE에서 제안하는 135℃에서 3.0Pa₩s 이하의 조건을 5개의 바인더가 모 두 만족하는 것으로 나타났다. 한편, SBS를 제외한 일 반바인더 AP5와 개질바인더 3종(DMP, EG 및 EGS)은 모두 거의 비슷한 역학점도를 나타내어, 개질재를 첨가 한 이후에도 작업성에서는 큰 변화가 없을 것으로 나타 났다.
3.1.2. PG DSR 실험결과
PG DSR 실험은 동일한 실험 조건 및 시료에 대하여 2회씩 수행되었으며, 다음 Fig. 5는 노화되지 않은 5가 지 바인더의 값을 나타내고 있다. Fig. 1에 나 타난 바와 같이, 노화하지 않은 바인더의 경우에는 특정 실험온도에서 가 1.0kPa 이상이 되면 실험이 수행된 온도 등급을 만족하는 것으로 정의한다. AP5, EGS는 58℃, 64℃에서 주어진 조건을 만족하는 것으로 나타났으며, DMP와 EG는 58℃, 64℃, 70℃에서 주어 진 조건을 만족하는 것으로 나타났다. SBS는 실험 내 모 든 온도조건인 58℃, 64℃, 70℃, 76℃, 82℃를 모두 만 족하여 노화가 없는 조건에서의 소성변형에 대한 저항성 이 가장 우수한 것으로 나타났다. 한편, RTFO 단기노화
Fig. 3 Definition of Strains in MSCR Test
(4)
(5)
Fig. 4 Rotational Viscometer Test Results
된 바인더가 해당 온도 등급을 만족하기 위한 최소 는 2.0kPa이며, RTFO 단기노화된 5종의 바인 더의 값은 Fig. 6에 나타나 있다. RTFO 단기 노화된 AP5와 DMP는 58℃, 64℃에서 만족했으며, EG 와 EGS 바인더는 58℃, 64℃, 70℃를 만족하는 것으로 나타났다. 또한 SBS 바인더는 58℃, 64℃, 70℃, 76℃
조건을 만족하는 것으로 나타나 단기노화에서도 SBS가 소성변형에 대한 저항성이 가장 좋은 것으로 나타났다.
Fig. 7은 PAV로 장기노화된 바인더의 값을 나 타내고 있으며, 최대 는 5,000kPa이다. 장기 노화된 AP5, DMP, EGS의 경우에는 22℃까지 만족하 였으나 19℃를 만족하지 못하는 것으로 나타났으며, EG 바인더와 SBS 바인더는 25℃까지 만족하였으나, 22℃부 터 만족하지 못하는 것으로 나타났다.
Fig. 5~Fig. 7에 나타난 결과에 따르면, SBS가 첨가 된 바인더는 저온 및 고온에서 소성변형에 대한 저항성 이 증대되지만 저온에서의 균열에 대한 저항성은 오히 려 감소된다는 것을 알 수 있다. 소성변형에 대한 저항 성을 증가시키는 스티프니스의 증가는 SBS를 1% 첨가 하고 디메틸페놀과 에틸렌글리콜을 첨가한 바인더인 DMP와 EG에서도 SBS를 5% 첨가한 경우와 유사하게 발생된다. 그러나 메틸페놀과 에틸렌글리콜의 SBS에 대하여 저렴한 비용을 고려할 때, 메틸페놀과 에틸렌글 리콜을 이용하여 개선된 개질재에서 PG DSR 실험을 통하여 얻은 결과는 의미있는 것으로 판단된다.
3.1.3. BBR 실험결과
PAV 노화된 5개 바인더의 BBR 실험을 통하여 측정 된 크리프 스티프니스와 m-value는 다음 Fig. 8~Fig.
12에 나타나 있다. 각 재료는 실험조건에 따라 2회씩 반 복 수행되었는데, Fig. 8에 -12℃에서 수행된 AP5와 같이 모든 바인더의 다양한 조건에서 얻은 스티프니스 는 반복성이 매우 좋은 것으로 나타났다.
다음 Fig. 9는 -12℃의 온도조건에서 BBR 실험으로 얻은 5개 바인더의 평균 스티프니스를 나타내고 있다.
AP5의 스티프니스가 가장 작은 것으로 나타났으며, EG의 스티프니스가 가장 큰 것으로 나타났다. 5개의
Fig. 5 PG DSR Test Results for Unaged Binders
Fig. 6 PG DSR Test Results for RTFO Aged Binders
Fig. 7 PG DSR Test Results for RTFO and PAV Aged Binders
Fig. 8 Stiffness of RTFO+PAV Aged AP5 Binder(-12℃)
Fig. 9 Stiffness of RTFO+PAV Aged Binders(-12℃)
바인더 중에서 EG와 EGS 바인더의 경우에는 개질 첨 가물 및 화학적 반응에 의하여 스티프니스가 상대적으 로 높게 나타났으나, 60초에서의 최대값인 300MPa보 다 충분히 작아 -12℃에서의 기준을 만족시키기에는 문제가 없는 것으로 확인되었다.
다음 Fig. 10은 Fig. 9와 동일한 조건인 -12℃에서 5 개 바인더의 m-value의 값을 나타내고 있다. Fig. 9의 스티프니스와는 달리 같은 조건에서의 m-value에서는 실험간의 편차가 다소 발생하는 것으로 나타났으나, 5 종의 바인더 모두 기준값인 0.3을 만족하여 스티프니스 의 변화율 또한 -12℃에서의 조건을 만족시키기에는 충분한 것으로 나타났다.
-18℃에서 얻어진 5개 바인더의 스티프니스는 다음 Fig. 11에 나타나 있다. 5개 바인더 모두 주어진 조건 인 300MPa 보다 크게 나와 -18℃에서의 조건을 만 족시키지 못하는 것으로 나타났다. 또한 이들 바인더 의 -12℃, -18℃에서의 m-value를 비교한 결과는 Fig. 12에 나타나 있는데, AP5를 제외한 모든 바인더 가 최대값 0.3 보다 작은 값을 -18℃에서 나타내어 - 18℃에서의 등급조건을 만족시키지 못하는 것으로 나 타났다.
한편, 온도에 따른 m-value값의 저하는 SBS를 5%
첨가한 바인더에서 가장 작은 것으로 나타났으며, 이는 SBS를 5% 첨가한 바인더의 저온에서의 온도 민감성이 가장 작은 것을 의미한다.
3.2. MSCR 실험결과
앞서 언급한 바와 같이, MSCR 실험은 RTFO 노화된 바인더에 대하여 DSR 실험으로 얻어진 값을 기준으로 등급을 구분하는 방법을 대체하는 것으로서, MSCR 실험에 의한 등급분류는 AASHTO MP19 등에 나 타나 있다. 다음 Table 3은 64℃에서의 중차량 비중에 따 른 기준을 예로 나타내고 있는데, 이 방법에서는 DSR로 재하된 전단응력이 3.2kPa일 때 측정되는 바인더의 비회 복 컴플라이언스( )의 최대값을 기준으로 하고 있으며, 비회복 컴플라이언스가 중차량의 비율에 따라 4.0에서 2.0, 1.0으로 변화하는 것을 알 수 있다. 다음 Table 4는 회복률에 대한 기준을 나타내고 있으며, 주어진 5종의 바 인더는 모두 이 기준을 만족하는 것으로 나타났다.
Fig. 10 m-value of RTFO+PAV Aged Binders(-12℃)
Fig. 11 Stiffness of RTFO+PAV Aged Binders(-18℃)
Fig. 12 m-value of RTFO+PAV Aged Binders (-12℃, -18℃)
Table 3. Binder Grade Specification by Using (AASHTO MP 19)
Criteria for RTFO Aged Binder 64 Standard MSCR3.2 4.0 64
64 Heavy MSCR3.2. 2.0 64 64 Very Heavy MSCR3.2 1.0 64
% Recovery Criteria for RTFO Aged Binder
@3.2kPa Minimum % Recovery
2.0 - 1.01 30%
1.0 - 0.51 35%
0.50 - 0.251 45%
0.25 - 0.125 50%
Table 4. Binder Grade Specification by Using
% Recovery(AASHTO MP19)
Fig. 13~Fig. 17은 5개의 온도조건(58℃, 64℃, 70
℃, 76℃, 82℃)에 대하여 수행된 MSCR 실험에서 얻 은 값을 나타내고 있다. AP5는 를 이용하 여 평가한 결과와 MSCR 실험을 이용하여 평가한 결과 가 동일하였으며, 개질 바인더 중에서는 전체적으로는 EGS의 값이 다른 바인더에 비하여 큰 것으로 나타 났다. SBS는 하중에 따른 민감성이 가장 컸으나 값 이 가장 작은 것으로 나타났는데, 이는 SBS가 뿐만 아니라 MSCR 실험으로 평가한 결과에 서도 소성변형에 대한 저항성이 가장 큰 것으로 확인되 었음을 의미한다.
한편, MSCR 실험으로 평가한 DMP가 76℃ 이하 조 건을 만족하여, 로 평가한 최고 온도 64℃를 초과하는 것으로 나타났으며, SBS 바인더도
로 평가한 결과와는 달리 82℃ 온도에서도 기준을 만족 시키는 것으로 확인되었다. 바인더의 평가기준이 되는 3.2kPa에서의 값은 다음 Fig. 18에 나타나 있다.
Table 5는 기존 PG 실험방법을 통하여 결정된 바인더 의 등급과 기존 PG 실험방법과 MSCR 실험방법을 포 함하여 결정된 바인더의 등급을 나타내고 있으며, 두 방 법에서 다소의 차이가 발생되는 것을 알 수 있다.
Fig. 13 of RTFO Aged AP5 Binder at Various Temperature and Stress Level
Fig. 14 of RTFO Aged DMP Binder at Various Temperature and Stress Level
Fig. 15 of RTFO Aged EG Binder at Various Temperature and Stress Level
Fig. 16 of RTFO Aged EGS Binder at Various Temperature and Stress Level
Fig. 17 of RTFO Aged SBS Binder at Various Temperature and Stress Level
Fig. 18 of 5 Different Binders at Various
Temperature with Stress Level of 3.2kPa
4. 결론
본 연구에서는 일반 AP5 바인더와 디메틸페놀, 에틸 렌글리콜, 황 및 SBS를 조합하여 개질한 바인더(AP5, DMP, EG, EGS, SBS)의 등 급 을 대 표 적 인 SUPERPAVE PG 실험방법인 RV, DSR, BBR과 미국 에서 새롭게 PG 기준에 추가된 MSCR 실험을 통하여 확인하고자 하였다. Table 5에 나타난 바와 같이, 과 는 바인더 등급 결정에서 다른 결론을 나타내 고 있기 때문에, SUPERPAVE 바인더 등급결정을 준용 하여 바인더 등급을 결정할 경우에는 MSCR 실험결과를 검토한 실험절차가 제시되어야 할 것으로 판단된다.
또한 개질바인더의 특성으로는 SBS가 가장 넓은 온 도범위에서 사용될 수 있는 것으로 나타났으며, DMP와 EG가 그 다음으로 넓은 온도범위에서 사용될 수 있는 것으로 확인되었다. EG는 SBS의 일반적인 함량 5%가
아닌 1%의 SBS와 디메틸페놀, 에틸렌글리콜을 혼합하 여 얻은 바인더로서, DMP와 EG와 같은 개질바인더의 비용대비 고온에서의 성능향상 정도는 경제적인 의미가 있다고 할 수 있다. 그러나 본 연구에서 사용된 실험 방 법은 바인더의 등급결정에 관련된 것으로 개질 바인더 에 대하여 이론적 또는 실질적 가능성을 확인할 수 있었 으나, 혼합물의 성능 평가를 위해서는 추가적인 혼합물 또는 공용성 실험이 필요한 것으로 판단된다.
감사의 글
본 연구는 한국건설기술연구원의 주요사업 재원으로 수행 되었습니다.
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( 접수일 : 2012. 6. 18 / 심사일 : 2013. 7. 3 / 심사완료일 : 2012. 9. 17 )
Table 5. PG Grade Considering MSCR Test Results
Binder
Type Condition AP5 DMP EG EGS SBS
DSR
No Aging 64 70 70 64 82+
RTFO
Aging 64 64 70 70 76
RTFO+PAV Aging
-28 (22)*
-28 (22)*
-28 (25)*
-28 (22)*
-28 (25)*
MSCR RTFO
Aging 64 76 70 64 82+
BBR** RTFO+PAV Aging
-22 (-12)*
-22 (-12)*
-22 (-12)*
-22 (-12)*
-22 (-12)*
PG Grade 64-22 64-22
or 70-22***
70-22 64-22 76-22
or 82-22***
* Lowest Temperature at which the binder property satisfies the criterion
** Stiffness criteria for PAV aged binders = 300MPa, m- Value=0.3
*** PG considering MSCR test results
