ABSTRACT
PURPOSES : The purpose of this study is to evaluate of field application and laboratory performance of warm-mix asphalt (WMA) according to the dosage rate of organic-based WMA additive.
METHODS : Three asphalt mixtures, i.e., hot mix asphalt (HMA), WMA with the dosage rate of 1.5%, WMA with the dosage rate of 1.0%, were sampled from the asphalt plant when the field trial project were constructed. With these mixtures, the laboratory testings were performed to evaluate the linear viscoelastic characteristics and the resistance to moisture, rutting and fatigue damage.
RESULTS : From the laboratory test results, it was found that the WMA with the reduced dosage rate of additive would be comparable to HMA and WMA with the original dosage rate in terms of the dynamic modulus, tensile strength ratio, rutting resistance. However, the fatigue reisistance of WMA with the reduced dosage rate was slightly worse but it should be noted that the fatigue performance is necessarily predicted by combining the material properties and pavement structure.
CONCLUSIONS : Through the field construction and laboratory testings, the dosage rate of organic-based WMA additive could be reduced from 1.5% to 1.0% without the significant decrease of compactability and laboratory performance. The long-term performance of the constructed pavement will be periodically monitored to support the findings from this study.
Keywords
warm-mix asphalt, organic-based additive, dosage rate, laboratory performance
중온화 첨가제 첨가비율에 따른 현장 적용성 평가 및 실내 역학적 거동 특성 연구
Evaluation of Field Application and Laboratory Performance of Warm-Mix Asphalt According to the Dosage Rate of Additive
양`성`린 Yang, Sunglin 정회원·한국건설기술연구원 도로포장연구실 전임연구원 (E-mail: [email protected])
백`철`민 Baek, Cheolmin 정회원·한국건설기술연구원 도로포장연구실 수석연구원·교신저자 (E-mail: [email protected]) 황`성`도 Hwang, Sungdo 정회원·한국건설기술연구원 도로포장연구실 연구위원 (E-mail: [email protected])`
권`수`안 Kwon, Soo-Ahn 정회원·한국건설기술연구원 도로포장연구실 선임연구위원 (E-mail: [email protected])
Corresponding Author : Cheolmin Baek, Senior Researcher Korea Institute of Construction Technology, (Daehwa-Dong) 283, Goyangdae-Ro, Ilsanseo-Gu, Goyang-Si, Gyeonggi-Do, 411-712, Korea Tel : +82.31.995.0853 Fax : +82.31.910.0161
E-mail : [email protected]
International Journal of Highway Engineering http://www. ijhe.or.kr/
ISSN 1738-7159 (Print) ISSN 2287-3678 (Online)
Int. J. Highw. Eng. Vol. 15 No. 4 : 117-125 August 2013 http://dx.doi.org/10.7855/IJHE.2013.15.4.117
1. 서론
최근 전세계적으로 저탄소 중온 아스팔트 포장 공법이 활성화되면서 다양한 중온화 첨가제가 개발되고 있는 상황이다. 개발업계에서는 선두주자에 의해 개발된 중
온화 첨가제 제품에 대하여 지속적인 수정₩보완 작업이
진행되고 있으며 후발주자는 선 개발된 제품에 대한 분
석을 통하여 문제점을 파악하고 포장 공용성 평가를 수
행하여 부족한 부분에 대한 연구를 토대로 제품개발을
수행하고 있는 추세이다. 최근 국내 도로포장 산업에서 도 기후 온난화에 따른 이산화탄소(CO
2)를 저감시킬 수 있는 다양한 포장 공법들이 앞 다투어 개발되고 있거나 이미 상용화되어 현장에 적용되고 있다. 잘 알려진 바와 같이 국내 온실가스의 90% 이상은 화석연료를 사용함 으로써 발생되며, 정부에서는 이러한 온실가스를 2020 년 전망치 대비 30%를 저감한다는 목표를 세우고 있다.
최근에 개발된 중온화 첨가제는 타 제품에 대한 가격 경쟁력과 공용성능을 확보하기 위해 첨가제의 첨가 비율 을 저감하여 중온 아스팔트 혼합물의 생산 및 시공이 가 능하도록 개발되고 있는 추세이다. 실질적으로 화학첨가 제인 Evotherm 같은 경우에는 아스팔트 함량의 약 0.5%로 매우 적은 량을 첨가하고 있다. 본 연구에서 사 용된 중온화 첨가제의 경우에는 유기첨가제인 왁스를 기 반으로 개발된 제품으로 석유화학제품의 원재료 가격변 동률에 따라 크게 변화되는 것을 알 수 있다. Fig. 1은 본 연구에서 사용된 중온화 첨가제의 주 원료인 PE 왁스의 가격변동률(유럽기준)을 나타내고 있으며 그림에서와 같 이 매년 가격이 지속적으로 상승됨을 알 수 있다.
따라서 본 연구에서는 유기첨가제인 왁스를 기반으로 개발된 중온화 첨가제의 첨가비율에 따른 공용성능을 평가하기 위해 K 기술연구소 단지내 포장 시공 시, 중 온화 첨가제의 첨가비율을 달리하여 생산된 중온 아스 팔트 혼합물 2종과 가열 아스팔트 혼합물 1종을 이용하 여 실내 역학적 특성 실험을 수행하였다. 기존 가열 아 스팔트 혼합물과의 비교₩평가뿐만 아니라 중온화 첨가 제의 감소 비율에 따른 중온 아스팔트 혼합물의 역학적 특성 평가를 수행하고자 한다.
2. 현장 시험시공 2.1. 재료 및 배합설계
본 연구에서 사용된 중온 첨가제의 특징은 기존 왁 스계열 아스팔트 첨가제가 가지고 있는 저온물성 저하 로 인한 아스팔트 포장 도로에 균열을 쉽게 유발하는 단점을 보완하는 결정화 조절제가 첨가되어 있으며 재 료의 내후성을 증진시키기 위한 산화방지제, UV 안정 제 등이 추가로 혼합되었다는 것이다. 그리고 이러한 왁스재료와 결정화 조절제의 배합비 및 적절한 배합조 건이 중온화 유기첨가제의 핵심기술이라고 할 수 있 다. 또한 중온 아스팔트 혼합물의 가장 취약점인 수분 에 대한 저항성을 증대시키기 위해 박리방지 첨가제 (Anti-stripping Agent)를 소량 첨가하여 골재와 바 인더의 결합력, 즉 부착력을 증가시키는 성능을 보완 하였다.
본 연구에서는 중온 아스팔트 혼합물의 점탄성 특성 을 평가하기 위해 일반 가열 아스팔트 혼합물(이하, HMA)과 중온 첨가제의 첨가비율(아스팔트 대비 무게 비, 1.0% 또는 1.5%)에 따른 중온 아스팔트 혼합물 2 종(이하, WMA_1.0%, WMA_1.5%)에 대하여 현장시 공을 수행하였다. 골재의 혼합입도는 2009년 국토해 Fig. 1 Wax Price Trend in Europe (ChemLOCUS 2013)
(a) Organic Additive
(b) Basic Concept of Organic Additive
Fig. 2 WMA Additive
양부에서 제정된「가열 아스팔트 혼합물의 생산 및 시 공 지침」 의 표층용 WC-2 기준에 따라 결정하였다. 현 장 배합설계는 가열 아스팔트 혼합물에 대해서만 수행 하여 최적 아스팔트 함량을 결정하고 중온 아스팔트 혼 합물 2종에 대해서는 각 첨가비율에 따라 단순치환(아 스팔트 대비 무게비)하여 생산 및 다짐을 수행하였다.
가열 아스팔트 혼합물 현장 배합설계는 타격식 다짐기 를 이용하였으며 다짐횟수는 중교통도로 포장의 기준 인 양면 75회로 결정하였다. 배합설계를 통해 결정된 최적 아스팔트 함량은 5.6%로 결정되었으며 이때 모든 혼합물이 체적특성에 대한 시방기준을 만족하는 것으 로 나타났다.
2.2. 아스팔트 혼합물의 생산 및 시료 채취
현장 시험 시공 전, 생산 플랜트 및 시공구간을 방 문하여 플랜트 실사를 통한 사전 협의를 수행하고 중 온 아스팔트 혼합물 생산공정에 대한 협의를 수행하였 다. 오전 10시부터 생산을 시작하였으며 WMA_1.5%, WMA_1.0% 그리고 HMA 순서로 생산을 수행하였 다. 중온화 첨가제의 투입방법은 아스팔트 혼합물 생 산 시 플랜트 믹서에 직접 투입하였으며 골재가 계량 되고 약 3초 정도의 간격으로 첨가하였다. 생산 당일 의 오전 날씨가 0℃ 전₩후인 것을 감안하여 HMA 및 WMA의 생산온도를 약 10℃ 정도 높여 생산을 수행 하였다. 따라서 생산 시의 온도는 HMA의 경우 170±
3℃이고 이에 반해 WMA 2종 모두 140±3℃에서 생 산하였다.
Fig. 4는 저탄소 중온 아스팔트 혼합물의 생산을 나 타내며 Fig. 5는 저탄소 중온 아스팔트 혼합물의 생산 온도를 적외선 온도계로 게이트를 통해 쏟아지는 혼합 물의 온도를 직접 측정하는 것을 보여준다.
위에서와 같이 이렇게 생산된 표층용 혼합물 모두 총 3종에 대한 실내 역학적 특성 평가를 위해 각 혼합물 별 약 200kg의 샘플을 채취하였다. 실제 샘플 채취는 생산 되는 혼합물을 로우더로 직접 받아서 삽을 이용하여 미 리 준비한 종이 박스에 담았으며 한 박스에 약 10kg을 Fig. 3 Aggregate Gradation of Asphalt Mixtures
Fig. 4 WMA Production
Fig. 5 Production Temperature of WMA
Fig. 6 Mixture Sampling
기준으로 20박스를 채취하였다. Fig. 6은 로우더에 받 은 각 혼합물에 대한 샘플 채취 모습을 나타낸다.
아스팔트 혼합물의 생산 시 아스팔트 바인더의 골재 피복정도를 육안으로 조사한 결과, 세가지 혼합물 모두 완전한 피복이 되었음을 확인하였다. 또한 시공 시 동일 한 장비를 사용하여 수행하였으며, 다짐도 또한 세가지 혼합물 모두 유사한 것으로 나타났다.
3. 실내 역학적 특성 평가
본 연구에서는 현장에서 생산된 아스팔트 혼합물을 이용하여 표층용 아스팔트 혼합물 총 3종(HMA, WMA_1.5%, WMA_1.0%)에 대한 역학적 특성 평가를 수행하였다. 각 혼합물 별 기본적인 재료의 선형 점탄성 특성(Linear Viscoelasticity : LVE)을 결정하기 위해 총 4개의 온도(5, 20, 40, 54℃)와 6개의 하중주기(25, 10, 5, 1, 0.5, 0.1Hz)를 통하여 동탄성계수실험 (Dynamic Modulus Testing : DMT)을 수행하였으며 소성변형에 대한 저항성을 평가하기 위해 54℃에서 삼 축압축 반복하중 실험(Triaxial Repeated Load Permanent Deformation : TRLPD)을 수행하였다.
또한 피로균열에 대한 저항성을 평가하기 위해 직접인 장반복실험(Cyclic Loading Test)을 수행하였으며 수 분에 대한 저항성을 평가하기 위해 간접인장강도 비 (Tensile Strength Ratio : TSR)에 대한 실험을 수행 하였다. Table 1은 본 연구에서 사용된 실내 역학적 특 성 평가항목 및 분석방법을 나타낸다.
3.1. 실내 역학적 특성 평가를 위한 시편 준비
본 연구에서는 IPC사의 선회다짐기를 이용하여 실험
시편을 제작하였다. 실내 역학적 특성 평가를 위해 높이 178mm×지름 150mm로 제작하였으며 수분민감도 평 가를 위해서는 높이 95mm×지름 150mm를 제작하였 다. 각 혼합물의 시편 제작 시 균일한 온도분포를 확보 하기 위해 중온아스팔트 혼합물은 혼합온도인 약 130℃
까지 가열 후 115±2℃에서 다짐을 수행하였으며 가열 아스팔트 혼합물은 약 150℃까지 가열한 후 135±2℃에 서 다짐을 수행하였다. 실내 역학적 특성 평가용으로 제 작된 시편은 공극의 분포가 일정하도록 코어링하고 끝 단을 절단하여 높이 150mm×지름 100mm의 크기로 제 작하였으며 이때 공시체의 목표공극률은 5.5±0.5%로 결정하였다. 반면 수분민감도 평가용으로 제작된 시험 시편은 AASHTO T 283에서 제시한 공극률 기준인 7±
0.5%로 결정하였다. 또한 수분민감도 평가용 시험 시편 은 KS F 2446(SSD 방법)에 따라 밀도를 측정하였으며 실내 역학적 특성 평가용 실험 시편은 코어락 시험 장비 를 이용하여 공극률을 선정하였다. Fig. 7과 Fig. 8은 코어 절단 후의 공시체 모형과 목표공극률을 선정하기 위한 혼합물 양을 선정하는 도표를 나타낸다.
3.2. 수분민감도 평가
현장에서 채취한 아스팔트 혼합물 총 3종에 대한 수 분민감도 평가를 위해 AASHTO T 283 실험 방법에 Table 1. Laboratory Performance Testing Methods
Contents Test Method Mechanistic Properties
Test Temp. Note
Moisture Susceptibility
AASHTO T 283
KS F 2398 TSR (%) 25℃ -
LVE AASHTO TP 62 KS F 2485
Dynamic Modulus (|E*|)
5, 20, 40, 54℃ -
Permanent Deformation
AASHTO TP
79-11 & 54, 40℃
NCHRP Report 465
Fatigue
Resistance - Nf, Stiffness 20℃ -
Fig. 7 Specimen after Coring and Cutting
Fig. 8 Selection of Mixture Weight(by Weight) for
Target Air Void
따라 인장강도 비(Tensile Strength Ratio ; TSR) 시험을 수행하였다. 각 혼합물 별 총 8개의 공시체를 제작하였으며 이때의 공극률은 앞서 서술한 것과 같이 7.0±0.5%로 결정하였다. 여기서, 4개의 공시체는 수 분처리 전 공시체로 기준공시체로 적용되었으며 나머 지 4개의 공시체는 수분처리 후 공시체로 적용되었다.
기준공시체는 25℃ 수조에 지퍼백을 이용하여 수분이 침투되지 않도록 하여 약 2시간 동안 양생을 한 후 간 접인장강도 시험을 수행하였다. 반면 수분처리 후 공 시체는 부분포화도가 70~80%가 되도록 진공압력을 가하여 강제포화를 시킨 후 동결 없이 60±1℃에서 24시간 동안 수침시킨 후 다시 25℃ 수조에서 약 2시 간 동안 양생하고 간접인장강도 시험을 수행하였다.
이 때, 중요한 요소로서는 2그룹(수분처리 전₩후 공시 체 그룹)의 평균공극률을 유사하게 적용시켜야 인장강 도 비의 신뢰성을 확보할 수 있으며 시편 내부의 수분 존재 여부에 따라 수분처리 전₩후의 인장강도 변화로 서 평가될 수 있다. Fig. 9는 각 혼합물에 대한 TSR 결과를 나타낸다. 그림에서와 같이 기준공시체 (Control)의 인장강도는 HMA가 가장 높게 나타났으 며 WMA_1.0% 및 WMA_1.5%는 거의 유사한 결과를 나타냈다. 또한 수분처리 후 인장강도도 수분처리 전 혼합물에 대한 인장강도와 거의 유사하게 HMA가 가 장 높 은 결 과 를 나 타 냈 으 며 WMA_1.0% 및 WMA_1.5%는 거의 유사한 결과를 나타냈다. TSR 결 과는 HMA가 89.7%로 가장 높은 것으로 나타났으며 WMA_1.0% 및 WMA_1.5%는 각각 86.8%, 87.4%를 나타내었다. HMA와 WMA의 TSR 결과 값은 거의 유 사한 것으로 평가되었으며 또한 모든 혼합물은 국내 기준인 75%를 모두 만족하는 것으로 나타났다. 다만 인장강도의 크기가 HMA가 약 20% 정도 높은 결과를 나타내어 혼합물의 강성에 대한 차이를 나타내는 것으 로 평가되었다.
3.3. 동탄성계수 실험(Dynamic Modulus Test)
본 연구에서의 동탄성계수(|E*|) 실험은 MTS 810 장비를 이용하여 총 4개의 온도(5, 20, 40, 54℃)와 총 6개의 하중속도(20, 10, 5, 1, 0.5, 0.1Hz)로 AASHTO TP62(5) 절차를 따라서 수행되었다. 이 실험은 일축압 축실험으로 높이 150mm×지름 100mm 시편에 85mm 변형률계(extensometer)를 90。 간격으로 설치하여 수 직변위를 측정하였다. 본 실험에서 적용된 하중레벨은 변형률이 50~75 microstrain이 되도록 결정하였으며, 혼합물 종류당 2개씩의 시편을 제작하여 실험을 수행하 였다. Fig. 10은 MTS 810 시스템과 동탄성계수 실험을 위해 시편과 실험에 대한 개략도를 나타낸다.
Fig. 11~Fig. 14는 HMA, WMA_1.0%, WMA_1.5%
에 대한 동탄성계수 마스터커브 및 위상각(phase angle) 마스터커브를 나타내고 있으며 각 혼합물의 동 탄성계수 마스터커브를 선정하기 위해 사용된 기준온도 는 5℃이다. 그림에서와 같이 동탄성계수 마스터커브는 semi-log(Fig. 11)와 log-log(Fig. 12) 그래프로 나타 낼 수 있으며 semi-log 그래프는 낮은 온도에서의 거 동을 비교하기 위해서 그리고 log-log 그래프는 고온에 서의 거동을 분석하기 위해서 사용되었다.
Fig. 9 TSR Test Results
Fig. 10 MTS 810 System and Dynamic Modulus Test
그 림 에 서 와 같 이 모 든 영 역 대 에 서 HMA와 WMA_1.0% & 1.5%의 선형점탄성 거동은 거의 유사한 것으로 나타났으며 WMA_1.5%인 경우 높은 하중주기 및 낮은 하중주기에서 HMA 및 WMA_1.0%에 비해 다 소 낮은 동탄성계수를 가지는 것으로 나타났다. 일반적 으로 하중주기가 낮은 경우의 동탄성계수는 아스팔트 혼합물의 소성변형 저항성을 반영하며 아스팔트 혼합물 의 탄성 거동 특성은 위상각 마스터커브(Phase Angle Mastercurve)를 측정하여 평가할 수 있다(Fig. 13). 다 시 말해서, 위상각이 낮은 경우에는 혼합물의 거동특성 이 탄성적이며 반대로 위상각이 높은 경우에는 탄성 특 성이 낮은 혼합물이라고 할 수 있다. Fig. 13과 Fig. 14 는 위상각 마스터커브와 동탄성계수 및 위상각 마스터 커브를 위한 전이함수(shift factor function)를 나타 낸다. 위상각의 변화에 따른 점탄성 특성은 저온 또는 상온에서는 바인더에 의해 지배적인 특성을 갖게 되고 고온으로 올라가면서 바인더보다는 골재가 지배적인 특 성을 가지게 되는데 골재는 탄성체이기 때문에 위상각 이 낮아 골재가 지배하는 고온에서는 혼합물의 위상각 이 온도가 증가함에 따라 감소하게 되는 것이다. Fig.
13에서도 하중주기가 작아질수록 위상각이 증가되다가 다시 감소되는 것으로 나타나 실질적으로 감소되는 구 간은 골재가 점탄성 특성을 지배하는 부분이라고 할 수 있다. 그림에서와 같이 HMA는 저온과 상온에서 WMA_1.0% & 1.5%보다 다소 높은 탄성특성을 가지는 것으로 나타났지만 고온에서는 반대로 WMA_1.0% &
1.5%보다 낮은 탄성특성을 가지는 것으로 평가되었다.
또한 WMA_1.0%와 WMA_1.5%는 모든 영역대에서 거 의 유사한 위상각을 가지는 것으로 나타났다.
3.4. 소성변형 저항성 평가
현장 혼합물에 대한 소성변형 저항성에 대한 평가는 삼축반복하중 소성변형(Triaxial Repeated Load Permanent Deformation, TRLPD) 시험을 통하여 수행되었다. 이 실험은 0.1초의 반정현하중과 0.9초의 회복기를 반복하여 수행되었다. 이 실험의 하중조건은 미국 NCHRP 9-30A 연구에서 추천하는 응력상태인 483 MPa의 구속압력(Confining Pressure)과 69 MPa의 유효응력(Deviator Stress)를 사용하였고 온도 는 54±0.1℃에서 수행되었다(Von Quintus et al.
2012). 이러한 형태의 하중에 대하여 개발된 모형은 회 복 변형률비 모형(Resilient Strain Ratio Model)으로 소성변형률을 회복가능한 변형률의 평균값으로 표준화 하기 때문이다. 이러한 모형은 NCHRP 1-37A 경험 Fig. 11 Dynamic Modulus Mastercurves (Semi-log)
Fig. 12 Dynamic Modulus Mastercurves (Log-log)
Fig. 13 Phase Angle Mastercurves
Fig. 14 Shift Factors for Dynamic Modulus and
Phase Angle Mastercurves
적-역학적 포장 설계법(Mechanistic Empirical Pavement Design Guide)에 활용되고 있다(ARA 2004). Fig. 14는 전형적인 TRLPD 실험의 결과를 나 타내며 이는 총 누적 소성변형률과 하중재하 수와의 관 계를 대수공간에서 나타내고 있다. 잘 알려진 바와 같 이, Fig. 15에서 누적 소성변형률 곡선을 3개의 구간으 로 나눌 수 있다. 세 번째(Tertiary Flow) 구간이 발생 하는 시점의 하중재하수를 흐름값(Flow Number)로 정의하고 있으며, 알려진 바와 같이 공용성이 우수한 혼 합물은 일반적인 실험조건에서 세 번째 구간이 발생하 지 않는다(Kaloush and Witczak 2002). 본 연구에서 는 두 번째 구간이 혼합물의 소성변형률을 표현하기 위 하여 사용되었다.
Fig. 16~Fig. 17은 TRLPD 실험결과로 하중 횟수 증 가에 따른 각 혼합물의 소성변형률 변화를 나타내고 있 다. 그림에서와 같이 54℃에서 하중 증가에 따른 소성 변형률은 HMA와 WMA_1.0%가 상대적으로 가장 낮은 소성변형률을 나타내고 있으며 WMA_1.5%가 가장 높 은 소성변형률을 가지는 것으로 나타났다. 또한 본 실험
에서는 모든 혼합물이 세번째 구간까지 변형률 변화가 나타나지는 않았기 때문에 소성변형에 대한 저항성이 우수할 것으로 판단되며 특히 WMA_1.0%의 경우 HMA와 거의 유사한 소성변형률을 내어 HMA와 유사 한 소성변형 저항성을 가질 것으로 판단된다.
3.5. 피로균열 저항성 실험
아스팔트 포장의 피로균열(Fatigue Cracking)은 소 성변형(Permanent Deformation)과 함께 아스팔트 포 장의 주요 파손 형태로 알려져 있다. 피로균열은 넓은 범 위에 걸쳐 변화하는 반복하중과 온도하중에 의하여 발생 하는데, 이는 반복하중에 의한 포장하부의 인장변형률 (Tensile Strain)에 의하여 발생되는 것으로 이해되고 있으며, 이것이 하부의 미세균열(Microcrack)을 발생시 키는 것으로 알려져 있다. 반복적 하중에 의하여 미세균 열은 포장 표면에서 관찰될 수 있는 거시균열 (Macrocrack)로 발전되는 것으로 알려져 있다. 최근 수 년간의 연구 결과에 따르면 특정 조건에서 균열은 상부 에서 하부로 진전될 수 있음도 알려져 있다(Myers et al. 1998).
미국 Strategic Highway Research Program (SHRP) A-003 과제의 연구 결과에 따르면, 재료와 포 장구조요소는 동시에 고려하여 공용성을 평가하는 것이 바람직하다(Rao Tangella et al. 1990). 여기에서, 실 내실험은 피로균열에 대한 재료의 특성을 확인할 수 있 도록 수행되어야 하며, 포장 구조내의 응력과 변형률을 예측할 수 있는 역학적 분석이 별도로 수행되어야 하는 것으로 결론되었다. 보 형태의 피로실험에서 괄목할만 한 진전을 이룬 것은 사실이나, 이 실험의 문제점은 재 료의 특성을 포장구조의 영향에서 분리할 수 없는 것에 있다.
Fig. 15 Relationship between the Number of Repeated Loading and Permanent Strain
Fig. 16 TRLPD Results : Permanent Strain vs Cycle Number
Fig. 17 TRLPD Results : Permanent Strain/Resilient
Strain vs Cycle Number
이러한 단점을 극복하기 위해서 최근 원통형 모양의 시편을 사용한 직접인장 피로실험이 개발되었으며, 빔 피로 실험과 유사한 결과 값을 도출할 수 있다는 것이 검증되었다(Kutay 외 2인 2008). 그러므로 본 연구에 서는 직접인장 피로실험을 통하여 각 혼합물의 피로균 열 저항성을 평가하였다. 이 실험에서는 두가지 방식, 즉 응력 제어 또는 변형률 제어 방식의 두가지 방법이 가능하다. 하지만, 이 두 가지 제어 방식은 서로 상반되 는 결과를 도출한다는 실험결과들이 보고되어 왔으며, 두 가지 제어 방식 중 변형률 제어 방식이 현장 결과와 일치되는 것으로 평가되어 왔다. 따라서 본 연구에서는 변형률 제어 방식인 크로스헤드 반복실험(Controlled Crosshead Cyclic Testing, 이하 CX)을 수행하였으며 MTS 장비의 크로스헤드를 이용하여 시편에 일정 변형 을 반복적으로 적용하였다. 변형률 제어 방식은 응력 제 어 방식에 비해 안전하며 응력과 변형률이 복합적으로 발생되는 현장을 더 잘 모사할 수 있는 장점을 가진다.
CX 실험은 20℃에서 시편에 일정한 인장력을 10Hz 주 기(haversine loading)로 가하며 시편이 파손될 때까지 수행되었다. 시편의 파괴시점은 Reese(2005)가 제안한 방법으로 위상각이 급격하게 변화될 때를 파괴시점으로 결정하였다. 일반적으로 하중 횟수가 증가함에 따라 동 탄성계수는 점점 감소하고 위상각은 증가하게 되는데 이때 어느 일정 하중이 재하된 후 위상각이 급격하게 감 소되는데 이때가 시편이 파손된 것을 의미한다.
Table 2는 실험조건 및 실험결과(N
f)를 나타낸 것이 다. 여기서 CX input 값은 일정하게 적용된 변위 크기 를 의미하는 것이다. 초기 응력과 변형률은 적용된 하중 에 따른 초기 반응 상태를 나타낸 것이며 하중 적용 횟 수가 50회 일 때를 기준으로 측정되어 진다. 초기 응력 과 변형률은 각 시편들의 강성이 서로 다르기 때문에 다 양한 초기 반응 상태를 반영하기 위해 측정되어 진다.
Fig. 18에서는 동일한 초기 변형률(300μ ε )에서의 각 혼 합물의 파괴횟수를 나타낸다. HMA 혼합물의 파괴횟수 는 2,044회로 가장 우수한 피로수명을 나타냈으며 다 음으로는 WMA_1.5%이 1,675회, WMA_1.0%이 1,371 회 순으로 나타났다. 하지만 본 연구에서는 시험시공 시 채취한 시료의 부족으로 인하여 혼합물당 2개의 시편만 을 이용하여 피로실험을 수행하였으며 이에 따른 오차 가 생길 것으로 판단된다. 또한 이러한 결과는 대략적인 경향을 나타내고 각 혼합물에 대한 상대적인 평가는 가 능하지만 실제 포장구조에서의 결과를 예측하기에는 무 리가 있다. 궁극적으로 피로균열에 대한 공용성은 실제 포장구조에 대한 평가를 통해 강성 및 손상에 대한 저항
성을 고려하여 평가해야만 한다.
4. 결론
본 연구에서는 유기첨가제인 중온화 첨가제의 첨가비 율을 달리하여 현장 적용성 및 현장에서 채취한 혼합물 을 이용한 실내실험을 수행하였으며, 다음과 같은 결론 을 도출하였다.
1. 수분민감도 평가결과, WMA_1.0% & 1.5% 모두 HMA와 거의 유사한 인장강도 비(TSR) 결과를 가지 는 것으로 나타났다. 또한 국내 TSR 기준인 75%보다 현저히 높은 약 85% 이상을 나타내어 WMA_1.5%는 물론 첨가비율을 감소시킨 WMA_1.0%도 수분에 대 한 저항성을 확보할 수 있을 것으로 판단된다.
2. 선형 점탄성 특성 시험 결과, WMA_1.0%는 저온 &
고온 모두 HMA와 거의 유사한 결과를 나타내어 소 성변형 및 온도 균열에 대한 저항성 모두 HMA와 유 사한 것으로 나타났다. 다만 WMA_1.5%의 경우에는 고온에서 다소 낮은 탄성계수를 나타내어 소성변형 저항성이 감소될 것으로 판단된다.
Table 2. Summary of Cyclic Fatigue Test
Mix Type
CX Input (microstrain)
Initial Stress Amplitude in Tension (kPa)
Initial Peak- to-Peak Strain (microstrain)
Nf
HMA 3,000 1,401 284 8,742
2,500 1,332 237 26,456
WMA_
1.0%
3,000 1,391 303 7,889
2,000 881 180 25,916
WMA_
1.5%
3,000 1,346 290 6,581
2,500 1,142 215 19,257
- The size of initial stress and strain is determined at the 50th of repeated loading cycle.
Fig. 18 Cyclic Fatigue Test Results
3. 소성변형 저항성 평가 실험 결과, 선형 점탄성 특성 시험 결과와 동일하게 WMA_1.0%와 HMA는 거의 유사한 거동 특성을 나타냈으며 WMA_1.5%만 높은 영구변형률을 나타내었다. 본 연구에서는 중온 아스 팔트 혼합물에 대하여 배합설계를 수행하지 않고 치 환(아스팔트 대비 무게비)하여 생산을 유도하였기 때 문에 실질적으로 비중이 낮은 중온화 첨가제를 치환 했을 경우, 아스팔트 바인더의 체적이 증가하게 됨으 로 기존 최적 아스팔트 함량을 가진 혼합물에 비해 아스팔트 바인더의 양이 증가하게 된다. 따라서 고온 에서의 거동 특성이 다르게 나타날 수 있을 것으로 판단되며 각 혼합물에 대한 배합설계 수행 여부에 따 라 거동 특성이 달라지는 것으로 사료된다.
4. 피로균열 저항성 평가 결과, WMA_1.5%와 HMA는 거의 유사한 피로균열 저항성을 가지는 것으로 평가 되었으며 WMA_1.0%는 다소 낮은 저항성을 가지는 것으로 나타났다. 그러나 이러한 결과는 상대적인 단 순 비교로서 활용될 수 있으나 실제 현장에서 발휘할 수 있는 공용성능에 대하여 예측하는 것에는 무리가 있다. 따라서 궁극적으로 피로균열에 대한 공용성은 실제 포장 구조에 대한 평가 및 해석을 기반으로 시 간에 따른 강성 및 포장체 손상에 대한 것을 고려하 여야 할 것으로 판단된다.
본 연구를 통해 중온화 첨가제의 감소비율에 따른 중 온 아스팔트 혼합물의 현장 적용성 및 실내 역학적 특성 을 통한 공용성능 평가 결과, 잠정적으로 중온화 첨가제 의 첨가비율 저감이 가능한 것으로 판단된다. 다만 본 연구에서는 중온 아스팔트 혼합물 1종(13mm 밀입도)에 대해서만 실내 공용성 평가를 수행하여 전반적인 중온 아스팔트 혼합물에 대한 평가는 수행하지 않았다. 따라 서 향후에 다양한 중온 아스팔트 혼합물에 대한 역학적 특성 평가를 통해 보다 내실있는 평가가 수행되도록 지 속적인 연구를 수행할 예정이다.
감사의 글
본 연구는 한국건설기술연구원 주요사업(저비용 저탄소 아
스팔트 포장공법 개발 (’ 09~’ 13))의 연구비 지원에 의해 수
행되었습니다.
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( 접수일 : 2013. 7. 12 / 심사일 : 2013. 7. 15 / 심사완료일 : 2013. 8. 6 )
