유한요소해석을 통한 현장 가열 재활용 시공 장비의 가열판 용량에 따른 아스팔트 포장의 열전도성 평가
Finite Element Analysis of Heat Transfer Effects on Asphalt Pavement Heated by Pre-Heater Unit Used in Hot In-Place Recycling
이`강`훈 Lee, Kang Hun 정회원·한국건설기술연구원 도로연구소 전임연구원 (E-mail : [email protected])`
임`진`선 Lim, Jin Sun 정회원·삼우아이엠씨 기술연구소 선임연구원 (E-mail : [email protected]) 정`규`동 Jeong, Kyu Dong 정회원·한국건설기술연구원 도로연구소 수석연구원 (E-mail : [email protected]) 임`정`혁 Im, Jeong Hyuk 정회원·한국건설기술연구원 도로연구소 수석연구원 (E-mail : [email protected])
권`수`안 Kwon, Soo Ahn 정회원·한국건설기술연구원 국가건설기준센터 선임연구위원 (E-mail : [email protected]) 김`용`주 Kim, Yong Joo 정회원·한국건설기술연구원 도로연구소 수석연구원·교신저자 (E-mail : [email protected])
Int. J. Highw. Eng. Vol. 18 No. 2 : 73-82 APRIL 2016 http://dx.doi.org/10.7855/IJHE.2016.18.2.073
ABSTRACT
PURPOSES : The national highways and expressways in Korea constitute a total length of 17,951 km. Of this total length of pavement, the asphalt pavement has significantly deteriorated, having been in service for over 10 years. Currently, hot in-place recycling (HIR) is used as the rehabilitation method for the distressed asphalt pavement. The deteriorated pavement becomes over-heated, however, owing to uncontrolled heating capacity during the pre-heating process of HIR in the field.
METHODS : In order to determine the appropriate heating method and capacity of the pre-heater at the HIR process, the heating temperature of asphalt pavement is numerically simulated with the finite element software ABAQUS. Furthermore, the heating transfer effects are simulated in order to determine the inner temperature as a function of the heating system (IR and wire). This temperature is ascertained at 300
℃, 400℃, 500℃, 600℃, 700°℃, and 800℃ from a slab asphalt specimen prepared in the laboratory. The inner temperature of this specimen is measured at the surface and five different depths (1 cm, 2 cm, 3 cm, 4 cm, and 5 cm) by using a data logger.
RESULTS : The numerical simulation results of the asphalt pavement heating temperature indicate that this temperature is extremely sensitive to increases in the heating temperature. Moreover, after 10 min of heating, the pavement temperature is 36%~38% and 8%~10% of the target temperature at depths of 25 mm and 50 mm, respectively, from the surface. Therefore, in order to achieve the target temperature at a depth of 50 mm in the slab asphalt specimen, greater heating is required of the IR system compared to that of the gas.
CONCLUSIONS : Numerical simulation, via the finite element method, can be readily used to analyze the appropriate heating method and theoretical basis of the HIR method. The IR system would provide the best heating method and capacity of HIR heating processes in the field.
Keywords
hot in-place recycling, pre-heater, heat transfer, finite element method
Corresponding Author : Kim, Yong-Joo, Senior Researcher Highway and Transportation Division, Korea Institute of Civil Engineering and Building Technology, 283, Goyangdae-ro, Ilsanseo-gu, Goyang-si, Gyeonggi-do, 10223, Korea
Tel : +82.31.910.0248 Fax : +82.31.910.0161 E-mail : [email protected]
International Journal of Highway Engineering http://www.ksre.or.kr/
ISSN 1738-7159 (print) ISSN 2287-3678 (Online)
Received Mar. 14. 2016 Revised Mar. 16. 2016 Accepted Mar. 30. 2016
1. 서론
우리나라는 1970년 경부고속도로 건설 이후부터 본격 적인 도로포장의 인프라를 건설하기 시작하였으며 이후, 국가 경제력의 상승에 따라 고속국도 및 일반국도의 신설 및 확장 건설을 지속적으로 실시하였다. 2014년 말 통계 자료에 따르면 4,139km의 고속도로 연장과 13,950km의 일반국도 연장이 운영₩관리되고 있다(Molit, 2015).
일반적으로 도로포장의 공용수명을 아스팔트 포장의 경우 10년, 콘크리트 포장의 경우 20년으로 기대할 때, 고속도로에서 노후포장의 연장은 앞으로 급격하게 증가 하게 될 것으로 예상된다. 일반국도의 경우에도 도로를 건설한지 30년 이상이 되는 도로 연장이 전체에 14%
(1,570km)에 이르고 있어 유지보수에 대한 요구가 급격 하게 발생할 것으로 예상되고 있다.
지속적으로 증가하고 있는 노후된 도로포장을 체계적 으로 유지 보수해야 하지만 건설경기 침체 및 경제 위기 감이 높아지면서 도로포장에 투자하는 유지보수 비용의 예산 확보가 어려운 상황이다.
향후 지속적으로 증가하는 노후된 도로포장의 유지보 수를 위해서는 비용투자 대비 고효율을 제공해 줄 수 있 는 유지보수 공법의 개발 및 도입이 반드시 필요하다.
미국과 유럽에서도 도로포장의 유지보수 예산이 감소 함에 따라 제한된 유지보수 예산을 효과적으로 집행하 여 최대의 유지보수 효과를 얻을 수 있는 예방적 유지보 수와 재활용 유지보수 공법을 도입하여 도로포장의 유 지관리에 사용하고 있다(Terrel et al , 1997). 특히, 노 후된 아스팔트 포장의 경우 현장에서 100% 아스팔트 포장을 재활용하여 공사비를 절감할 수 있는 현장 가열 재활용 아스팔트 포장 공법(HIR, Hot-in Place Recycling) 및 현장 상온 재활용 아스팔트 포장(CIR, Cold-in Place Recycling)이 도로포장의 유지보수 공 법으로 활성화되어 사용되고 있다(Kim and Lee, 2011). 국내에서는 1980년대에 현장 가열 표층 재활용 아스팔트 포장 공법이 처음으로 도입되었다. 현재 유일 하게 1개 회사에서 현장 가열 표층 재활용 아스팔트 포 장용 전용 시공 장비를 보유하고 있으며 일반국도와 지 자체 일부 도로에 제한적으로 적용되고 있다.
최근, 환경 보호와 건설 폐기물 재활용 촉진을 권장하 고자 환경부에서는『순환골재 등 의무사용 건설공사의 순환골재₩순환골재 재활용제품 사용용도 및 의무사용량 에 관한 고시』에 따라 2016년 1월 1일부터는 골재 소요 량의 40% 이상을 순환골재로 사용하도록 의무화하였 다. 이에 따라, 아스팔트 순환골재를 현장에서 100% 재
활용할 수 있는 현장 가열 재활용 아스팔트 포장 공법이 순환골재 사용의 의무화를 만족시킬 수 있는 공법으로 매우 효과적이다.
하지만, 노후된 아스팔트 포장을 현장에서 절삭하여 사용하기 위해서 노후된 아스팔트 포장을 프리히터로 가열해야 하는데 이 과정에서 가열판의 과다한 가열로 인해 아스팔트 순환골재의 노화 및 유해가스를 배출하 는 문제점이 발생하기도 한다.
따라서 본 논문에서는 현장 가열 재활용 아스팔트 포 장의 시공 장비에서 가장 중요한 역할을 하는 가열판의 용량에 따른 아스팔트 포장의 열전도 효과를 유한요소 해석과 모형실험을 통하여 최적의 가열판 용량을 제안 하고자 한다.
2. 현장 가열 재활용 아스팔트 포장 공법
현장 가열 재생 아스팔트 포장 공법은 노후된 아스팔 트 포장을 현장에서 프리히터(Pre-Heater)와 리사이 클러(Recycler)의 연속 시공 장비를 사용하여 재활용하 는 방법으로, Fig. 1과 같이 리페이빙, 서패이싱, 리믹 싱 세 가지 방법으로 시공이 가능하다.
리페이빙 방법은 노후된 아스팔트 포장을 프리히터로 가열하고 절삭한 후, 리사이클러에서 순환골재에 재생 첨가제를 첨가하여 포설하고, 그 후에 신규 아스팔트 포 장을 함께 시공하는 공정으로 이루어진다. 서패이싱 방 법은 노후된 아스팔트 포장을 프리히터로 가열하고 가 열된 노면을 긁어 순환골재를 교란시킨 후 바닥에 놓인 순화골재에 재생 첨가제를 살포하고 바로 다짐을 진행 하는 공정으로 이루어진다. 리믹싱 방법은 노후된 아스 팔트 포장을 프리히터로 가열하고 절삭된 순환골재에
Fig. 1 Schematic of HIR Construction Methods
리사이클러에서 재생첨가제를 투입하고 신규혼합물과 혼합한 후 포설하는 공정으로 이루어진다.
상기 세 가지 다른 시공과정 중, 현장 가열 재생 아스 팔트 포장공법에서 공통적으로 사용되는 공정은 프리히 터에 설치된 가열판을 통하여 노후된 아스팔트 포장을 가열하는 공정이다. 이 때, 노후된 아스팔트 포장을 최 적의 온도조건으로 가열해야만 순환골재의 손상을 최소 화할 수 있으며, 현장 가열 재활용 아스팔트 포장의 성 능을 향상시킬 수 있다.
2.1. 프리히터의 가열 방식
현재, Table 1과 같이 국₩내외에서 사용하고 있는 현 장 가열 재활용 아스팔트 포장 시공 장비는 총 8종류가 있는 것으로 조사되었다. Table 1에서 알 수 있듯이 프 리히터에서 사용하는 가열판의 가열 방식은 적외선 가 열 방식(Fig. 2)과 열풍순환 가열 방식(Fig. 2)이 있다.
대부분의 현장 가열 재활용 아스팔트 포장 시공 장비에 서는 노후된 아스팔트 포장을 가열하기 위해 적외선에 의한 가열 방식을 사용하고 있으며, 유일하게 1개 업체 에서만 뜨거운 열을 순화시키는 열풍순환에 의한 가열 방식을 사용하고 있는 것으로 조사되었다.
2.2. 가열 방식의 문제점
최근, 현장 가열 재활용 아스팔트 포장의 활성화가 시 작되면서 현장에서 사용하는 재활용 시공 장비에 대한
고효율 및 고도화 작업이 진행되고 있다. Fig. 3과 같이 프리히터에 설치된 가열판에서 열을 과다하게 가할 경 우 노후된 아스팔트 포장을 태워 다량의 유해가스가 발 생하고 아스팔트 포장의 노화를 급진적으로 진행시켜 순환골재를 경화시키는 경우가 발생하기도 한다. 반대 로, 프리히터에 설치된 가열판에서 열을 과소하게 가할 경우 노후된 아스팔트 포장을 파쇄할 때 일정한 입도를 유지하기 힘들고, 리사이클러에서 재생첨가제와 혼합 시 혼합온도를 유지하기 어려워 현장에서 재활용 아스 팔트 혼합물의 작업성 및 일정한 품질을 유지하는데 어 려운 경우가 발생하기도 한다.
따라서 프리히터 장비에서 가열판의 설계 및 가열 방 식은 노후된 아스팔트 포장의 순환골재를 100% 현장에 서 재활용하는 공법의 경우 매우 중요한 공정이므로 노 후된 아스팔트 포장의 손상을 최소화하고 순환골재의 노후화 및 설계입도를 확보할 수 있도록 최적의 설계가 필요하다.
3. 미국 현장 가열 재활용 아스팔트 포장 시 공 현장의 가열판 온도 측정
2014년 11월 미국의 피닉스 지역에 현장 가열 재활용 아스팔트 포장 공사 현장을 방문하여 현장 가열 재활용 아스팔트 시공 과정동안 프리히터의 가열판 온도 및 가 열된 열로 인해 열전도된 노후된 아스팔트 포장 및 파쇄 된 순환골재의 온도를 직접 측정하였다. 피닉스지역에 HIR 시공은 Fig. 4와 같이 Cutler사의 Repaving장비 를 사용하여 시공을 진행하였다. 본 현장 가열 재활용 아스팔트 포장은 리페이빙 방식으로 진행되었다. 노후 된 아스팔트 포장을 2.5cm 절삭하여 이때 발생한 순환 골재를 100% 재활용하여 2.5cm로 다시 포설하고 3.5cm 신규 아스팔트 혼합물을 함께 포설하였다.
Table 1. Heating Methods of Pre-heater
Name of equipment Heating method Pyropaver 300E Infrared Cutler's single machine asphalt
recycling system Infrared
DMR9 Infrared
Enviro-Paver R-1015 Infrared AR2000 Super Recycler Hot Air
MARS Infrared
RX4500 & HM450 Infrared
HITONE Infrared
Fig. 2 Infrared (left) and Hot Air Heating System
Fig. 3 Overheating Problems of Pre-heater
3.1. 온도측정 결과
Cutler사의 Repaving장비를 사용하여 현장 가열 재 활용 아스팔트 시공과정에서 프리히터의 가열온도, 절 삭 전 노후된 아스팔트 포장의 온도 등을 현장에서 측정 하였다.
Fig. 5와 같이 프리히터의 가열판에서 측정된 온도는 632℃로 측정되었으며 가열 후 노후된 아스팔트 포장의 표면에서 좌측 온도는 131℃, 우측 온도는 109℃로 측정 되었다. 이는 프리히터에서 약 630℃ 정도의 온도로 노 후된 아스팔트 포장을 가열할 경우, 포장 전체 폭에서 동 일한 온도로 가열해주지 못하는 것으로 평가된다. 또한, 절삭된 노후 포장의 순화골재를 재생첨가제와 혼합한 재 활용 혼합물의 온도는 약 120℃로 측정되었다.
본 시공 현장에서 측정한 온도 측정결과에 의하면, 일 반적으로 현장 가열 재활용 아스팔트 포장에서 약 5cm
정도 두께의 노후된 아스팔트 포장의 온도 130℃를 유지 하기 위해서는 가열판의 온도가 630℃ 이상이 되어야 할 것으로 판단된다. 따라서 노후된 아스팔트 포장을 현장 에서 일정한 온도로 가열하기 위해서는 프리히터에 설치 된 가열판의 가열용량을 정확하게 설계하여 현장에 적용 하는 연구가 반드시 필요할 것으로 판단된다.
3.2. 프리히터의 문제점
미국의 현장 가열 재활용 아스팔트 시공 현장에서 사 용된 Cutler사의 프리히터에 설치된 가열판은 노후된 아스팔트 포장에 직접 불꽃이 닿지 않는 적외선 방식으 로 설계되었다. 하지만, Fig. 6과 같이 실제로는 가열판 에서의 과도한 가열로 노후된 아스팔트 포장 표면에서 다량의 유해가스가 발생하는 현상이 종종 발견되었으 며, 이는 순환골재의 품질에도 영향을 미칠 것으로 예상 되었다. 따라서 프리히터에 설치된 가열판은 노후된 아 스팔트 포장의 손상 및 유해가스 발생을 최소화할 수 있 는 간접가열 방식 적용 및 포장 표면과 가열판 사이의 간격 등에 대한 자료 분석이 필요할 것으로 판단된다.
4. 유한요소해석
본 연구에서는 현장 가열 재활용 아스팔트 시공 장비 에서 프로히터에 설치된 가열기로 노후된 아스팔트 포 장을 가열할 경우 가열판의 용량 및 시간에 따른 노후된 아스팔트 포장의 열전도성을 평가하고자 유한요소해석 을 수행하였다.
4.1. 유한요소해석 모델
현장 가열 재활용 아스팔트 시공 장비에서 프리히터 의 가열판으로 가열하여 열 전도된 노후된 아스팔트 포 장의 시간에 따른 포장층의 온도변화 및 가열판에 필요 한 열용량을 알아보기 위하여 유한요소해석 프로그램인 ABAQUS를 사용하였다.
Fig. 4 HIR Equipment of Cutler Repaving
Fig. 5 Measurements of Temperatures During the Heating Process at HIR Project Site
Fig. 6 Observation of Overheating Problem and
Emission
Fig. 7과 같이, 아스팔트 포장의 열전도 해석을 위해 유한요소모형의 형상은 3차원으로 구성하였으며, 해석 모형의 형상은 가열판의 크기를 고려하여 넓이 4m 및 길이 7m로 선정하였다. 각 아스팔트 포장의 두께는 표 층 50mm, 중간층 50mm, 아스팔트 기층 150mm, 보조 기층 250mm, 노상 3,500mm로 가정하였다.
해석에 사용된 요소는 3차원 8절점 열전도 요소인 DC3D8이며, 해석결과를 분석할 표층 및 중간층은 깊이 방향으로 5mm간격으로 촘촘히 요소를 분할하였다. 기 층은 30mm간격, 50mm 간격으로 요소를 분할하였다.
4.2. 해석조건
본 연구에서 수행된 유한요소해석에서는 포장표면에 온도조건을 부여하여 가열판에서 발생하는 열이 복사, 대류 등을 통해 아스팔트 포장 표면에 전달된 것으로 가 정하였으며, 바람과 같은 외부의 영향은 고려하지 않았 다. Fig. 8과 같이 열원이 유입되는 경계조건인 아스팔트 포장의 표층에 특정 온도를 일정하게 유지시켜 포장체로 열전도가 되는 과정과 이 과정에서 소요되는 열용량을 분 석하였다. 초기조건으로 아스팔트 포장층의 온도를 15℃로 가정하였으며 아스팔트 포장의 표면에 300℃, 400℃,
500℃, 600℃, 700℃ 그리고 800℃의 온도를 10분동안 동일하게 가하여 온도변화를 분석하였다. 포장의 4방향 측면 및 노상 하부 밑면은 단열 경계조건으로 정의하여 열원의 출입이 없는 것으로 가정하였다.
4.3. 해석 변수
열전도 해석에 사용된 각 포장층의 해석 변수는 Table 2에 정리하였다. 아스팔트 포장에서 표층, 중간층 및 기층 의 열전도, 비열 및 밀도는 Li 외(2013)의 연구결과를 참 고하였으며, 보조기층 및 노상의 열전도, 비열 및 밀도 값 은 Zhang 외(2011)의 연구결과를 참고하여 적용하였다.
4.4. 해석 결과
유한요소해석을 통하여 현장 가열 재활용 아스팔트 포장 시공 장비에서 프리히터에 설치된 가열판의 열용 량에 따른 노후된 아스팔트 포장의 깊이에 따른 열전도 분포를 비교 분석하였다.
4.4.1. 표층의 깊이별 온도 변화
아스팔트 포장의 표층 표면에 균일한 온도를 10분 동 안 가하고 10초 간격으로 표층에서의 온도 변화를 분석 하였다. 표층에서의 온도는 표면을 기준으로 5mm 간격 으로 총 11곳에서 온도 변화를 관찰하였다.
Fig. 9는 아스팔트 포장의 표층 표면에 300℃, 400℃, 500℃, 600℃, 700℃ 그리고 800℃의 온도를 가했을 때 표층으로부터 깊이별(50mm까지)로 해석된 결과를 나타 낸 것이다. 표층에서 온도변화는 해석 초기에 경계조건에 부여한 온도와 동일하게 급격히 상승한 것으로 나타났다.
열원이 시간에 따라 전도되어 표층에서 가까운 위치일수 록 온도변화가 급격하게 상승하였다. 열원을 10분 동안 가한 후의 표층의 중앙(깊이 25mm)에서 온도는 경계 조 건온도의 약 36~38% 수준에 도달한 것으로 나타났으며 표층과 중간층의 경계(깊이 50mm)에서 온도는 경계 조건 온도의 약 8~10% 수준에 도달한 것으로 나타났다.
Fig. 7 Finite Element Model of Asphalt Pavement
Fig. 8 Initial and Boundary Conditions of FE Model
Table 2. Thermal Parameters of Heat Transfer Analysis
Asphalt pavement
layer
Thermal conductivity,
W/(m℃)
Specific heat, J/(kg℃)
Density, kg/m3
Surface 1.65 1150.6 2,405
Intermediate 1.65 1150.6 2,405
Base 1.65 1150.6 2,405
Sub-base 1.3 860 1,700
Subgrade 1.05 805 1,550
4.4.2. 표층의 평균온도 및 열량
현장 가열 재활용 아스팔트 포장의 하루 시공 용량을 고려하여 프리히터 장비의 성능 목표치를 7분 안에 아스 팔트 포장의 표층 온도를 130℃ 이상으로 설정하고 가 열판의 열량을 Eq. (1)로 산정하였다. 계산 결과, 4.0m
×7.0m×0.05m 부피에 온도 15℃의 아스팔트 표층을 130℃까지 가열하는데 필요한 열량은 약 212,823 로 예측되었다.
여기서, 은 가열장치의 열량( ), 는 단위 변환계수(=0.0002388495), 는 밀도( ), 는 부피, 는 온도변화량, 는 에너지 효율(본 연구에 서는 0.5 적용)이다. 7분 동안 아스팔트 포장의 표층에 평균온도를 130℃ 이상으로 가열하는데 필요한 경계조 건은 표층의 평균온도 는 다음 Eq. (2)와 같이 표층 요소 의 온도의 평균으로 정의하였다. 투입된 열량은
(a) BC 300℃
(b) BC 400℃
(c) 500℃
(d) 600℃
(e) 700℃
(f) 800℃
Fig. 9 Temperature Changes by Heat Transfer Analysis
(1)
Eq. (3)으로 산정하였다.
여기서, 는 포장의 열량, 요소 밀도, 요소 의 비열, 는 요소 부피, 는 요소 온도변화량이다.
Fig. 10은 각각 경계조건 온도에 대한 아스팔트 포장의 표층에서 평균 온도 변화를 나타낸 것이며, Fig. 11은 표 층 아스팔트 포장의 열량을 나타낸 것이다. 가열시간 7분 안에 아스팔트 포장의 표층 온도가 목표 온도인 130℃에 도달하기 위해서는 경계조건의 온도를 400℃ 이상으로 선정해야 하는 것으로 나타났다. 반면, 요구한 열량인 212,823 을 만족시키기 위해서는 경계조건의 온도를 700℃로 선정해야 하는 것으로 나타났다. 목표 온도에 비하여 목표 열량을 검토한 경우에 경계조건의 온도가 더 높은 이유는 가열판의 목표 열량을 산정할 때 에너지 효
율 즉, 손실을 고려하였기 때문이다. 가열판의 에너지 손 실 및 현장에서 바람과 같은 외부조건 등에 의해 발생하 는 에너지 손실이 발생할 것으로 예상되며, 가열시간 7분 안에 15℃의 온도에 아스팔트 포장을 목표 온도인 130℃
까지 가열하는데 필요한 경계조건은 700℃ 이상의 온도 를 아스팔트 포장의 표층에 일정하게 가해주어야 하는 것 으로 분석되었다.
5. 실내 모형 시험을 통한 해석결과 검증
상기 언급한 바와 같이 유한요소해석을 통하여 현장 가 열 재활용 아스팔트 시공 장비의 프리히터에 설치된 가열 판에 의해 가해진 열용량에 따라 노후된 아스팔트 포장의 깊이에 따른 온도 변화를 유한요소해석 모델을 통하여 분 석하였다. 유한요소해석으로부터 선정된 가열판의 열용 량에 대한 검증을 위하여 실내에서 소형으로 모형을 제작 하여 아스팔트 포장의 온도 변화를 측정하였다.
5.1. 파일럿 모형
가열판 용량에 따른 아스팔트 포장의 열전도 효과에 대한 유한요소 해석결과를 비교₩검증하기 위해 실내에 서 소규모 가열판의 모형을 제작하여 열판의 종류에 따 (2)
(3)
Fig. 10 Average Temperature Change of Surface Layer
Fig. 11 Heat Capacity of Asphalt Pavement at Surface Layer
Fig. 12 Pilot Heating System of Infrared Rays Type
Fig. 13 Pilot Heating System of Thermic Rays Type
른 아스팔트 포장층의 온도변화를 측정하였다.
본 연구에서는 Fig. 12와 Fig. 13과 같이 적외선에 의 한 가열방식과 열선에 의한 가열방식을 선택하여 파일 럿 모형을 제작하였으며, 아스팔트 포장의 표면에 가해 지는 열량에 따른 포장 깊이별 온도변화를 측정하여 유 한요소해석결과를 검증하였다.
5.2. 실험조건
가열판의 파일럿 시험은 Fig. 14와 같이 300mm×
300mm×50mm 크기의 아스팔트 슬래브 샘플을 제작하 여 슬래브 표면으로부터 10mm 간격으로 온도 센서를 매설하고 열이 가해지는 시간에 따른 아스팔트 슬래브 층의 깊이별 온도를 측정하였다. 사용된 가열판은 적외 선 타입과 열선 타입으로 가열판의 표면온도가 각각 1200℃, 900℃로 측정되었다.
5.3. 결과 및 분석
Fig. 15는 적외선 히터형 가열판을 사용하여 아스팔 트 슬래브 샘플을 가열했을 때, 공시체의 깊이별 온도 변화를 나타낸 것이다. 적외선 히터형 가열판으로 30분 동안 아스팔트 슬래브를 가열한 결과 아스팔트 슬래브 샘플의 표면 온도는 303.2℃까지 상승하였으며, 슬래 브 샘플의 깊이별 온도 변화는 표면으로부터 10mm인 지점에서는 65.3%, 20mm 지점에서는 47.5%, 30mm 지점에서는 42.7%, 40mm 지점에서는 35.2%, 50mm 지점에서는 32.5%로 나타났다.
열선 가열판의 경우, Fig. 16과 같이 아스팔트 슬래브 샘플의 표면온도가 최고 402.9℃까지 상승하였으며, 슬 래브 샘플의 깊이별 온도 변화는 표면으로부터 10mm 지 점에서는 57.4%, 20mm 지점에서는 42.8%, 30mm 지점
에서는 36.9%, 40mm 지점에서는 28.6%, 50mm 지점에 서는 26.4%로 나타났다.
실내 모형 시험결과, 열선 타입의 가열판이 적외선 히 터형 가열판보다 가열판 자체의 온도가 낮음에도 불구하 고, 열선 타입의 가열판 모형이 아스팔트 슬래브 샘플에 전달하는 열량은 많은 것으로 나타났지만, 아스팔트 슬 래브의 깊이별 열전달 효율은 적외선 타입이 50mm기준 32.5%로 열선 타입의 26.4%보다 더 효율적인 것으로 분석되었다.
아스팔트 포장 표면의 온도는 두 가지 타입의 가열판 모두 아스팔트 포장 표면에 충분한 열을 공급하지 못하였 으나, 이는 가열판과 아스팔트 슬래브 샘플 사이의 간격 에 따라 아스팔트 슬래브 샘플에 전달되는 열전도의 정도 가 변화하기 때문에 향후 가열판과 아스팔트 슬래브 샘플 사이에 간격을 조절하여 보다 높은 효율의 가열판 타입 및 적정 가열 온도를 결정할 수 있을 것으로 판단된다.
5.4. 유한요소해석결과와 모형시험결과 비교 유한요소해석결과와 실내 모형 시험결과를 비교₩분석 하기 위해 실내 모형실험에서 나타난 아스팔트 포장 표
Fig. 14 Panoramic View of the Pilot Test
Fig. 15 Test Result of Heat Transfer Using Infrared Rays
Fig. 16 Test Result of Heat Transfer Using Thermic Rays
면의 최고 온도를 기준으로 비교₩분석을 실시하였다.
유한요소해석은 그 경계조건이 해석 시작과 동시에 아 스팔트 포장 표면의 온도가 즉시 300℃, 400℃, 500℃, 600℃, 700℃, 800℃로 가해진 상태에서 10분 동안에 온 도 변화를 측정한 결과이기 때문에, 실제 모형시험 결과 와는 절대적으로 비교할 수 없어 본 연구에서는 모형 시 험에서 최고 온도가 도달했을 때(300℃, 400℃)의 깊이 별 온도와 유한요소해석에서 300℃와 400℃의 온도 경 계조건에서 가열시간 7분 경과 후의 아스팔트 포장층별 온도변화를 비교하여 유한요소해석결과를 검증하였다.
Fig. 17과 Fig. 18은 적외선 히터형 타입과 열선 타입 시험결과, 최고 온도에 도달했을 때의 층별 온도와 유한 요소해석 결과 해석 시작 후, 7분 경과 시점에서의 온도 를 비교한 것이다. Fig. 17 및 Fig. 18에서 알 수 있듯 이, 아스팔트 포장의 표면으로부터 깊어질수록 유한요 소해석결과와 모형시험으로부터 측정한 온도결과의 차 이가 상이한 것을 알 수 있었다. 이는 유한요소해석의 경우, 표층, 중간층, 기층, 노상까지를 고려하여 해석한 결과이기 때문에 표면으로부터 열이 하부로 전달되어 나타난 결과인 것으로 판단된다. 반면, 실내모형 시험의 경우에는 가열된 열은 아스팔트 슬래브 샘플(두께
50mm)에 모두 가해져 나타난 결과로 분석된다. 하지만, 유한요소해석 조건인 열전도율, 열용량이 실내 모형시 험에 사용된 아스팔트 슬래브 샘플의 실제 열전도율과 열용량을 유사하게 모사하는 것으로 나타나 아스팔트 포장의 표면에서 온도 차이는 유사한 결과를 나타낸 것 으로 분석되었다.
4장에서 기술한 바와 같이 가열시간 7분에 15℃의 온 도의 포장을 목표 온도 130℃까지 올리는데 필요한 경 계조건 700℃ 이상(요구 열량 212,823 이상)이 필 요한 것으로 분석되었다. 이같은 해석결과는 현재 미국 에서 사용되고 있는 가열식 재생 아스팔트 장비에서 사 용되고 있는 가열판의 공급 온도와 유사한 결과이다. 미 국 Cutler사의 가열식 재생 아스팔트 포장 장비로 현지 시공 당시 가열판 온도를 측정한 결과, 가열 시 포장 표 면온도가 약 630℃로 측정되었다. 즉, 열손실을 고려하 였을 때 실제 포장체가 받아야 할 열량은 700℃ 이상이 되어야 할 것으로 판단된다.
본 연구에서는 유증기 발생, 포장체 재료의 손실 등 직접가열 방식의 단점을 보완하고자 간접가열 방식으로 가열판과 포장체의 간격 조정, 혹은 버너방식을 사용하 되 포장면과 가열판 사이에 세라믹 히팅 장비를 도입하 여 제작할 계획이며, 추가적인 해석 및 파일럿 테스트를 수행할 예정이다.
6. 결론
본 연구는 국내 현장 가열 재활용 아스팔트 포장 장비 개발을 위한 기초 연구로, 노후된 아스팔트 포장을 프리 히팅할 수 있는 가열판 제작을 위하여 가열판의 용량에 따른 아스팔트 포장의 열전도 효과를 유한요소해석과 모형실험을 실시하여 최적의 가열판 용량을 제안하고자 하며, 연구결과는 다음과 같다.
1. 현장 가열 재활용 아스팔트 시공 장비에서 프리히터 의 가열판으로 노후된 아스팔트 포장을 가열하여 시 간에 따른 포장층의 온도변화 및 가열판에 필요한 적 정 열용량을 추정하기 위하여 유한요소해석 프로그램 인 ABAQUS를 사용하여 분석한 결과, 아스팔트 포 장의 표면에 300℃, 400℃, 500℃, 600℃, 700℃
그리고 800℃의 온도로 가열했을 때, 표면에서 온도 변화는 급격히 상승한 것으로 나타났으며, 열원이 시 간에 따라 전도되어 표층에서 가까운 위치일수록 온 도변화가 급격하게 상승하는 것으로 분석되었다. 또
Fig. 17 Comparisons between Pilot Test and FEA at
300℃ of Asphalt Pavement Surface
Fig. 18 Comparisons between Pilot Test and FEA at
400℃ of Asphalt Pavement Surface
한 열원을 10분동안 가한 후의 표층의 중앙(깊이 25mm)에서 온도는 경계 조건온도의 약 36∼38% 수 준에 도달한 것으로 나타났으며 표층과 중간층의 경 계(깊이 50mm)에서 온도는 경계 조건온도의 약 8~10% 수준에 도달한 것으로 나타났다.
2. 현장 가열 재활용 아스팔트 포장에서 온도가 15℃인 노후된 아스팔트 포장(4.0m×7.0m×0.05m(폭×길 이×두께))의 표층 온도를 130℃까지 가열하는데 필 요한 열량은 약 212,823 로 분석되었으며, 이를 만족시키기 위해서는 포장 표면을 700℃ 이상의 가열 판으로 가열해야 하는 것으로 분석되었다. 이는 가열 판의 목표 열량을 산정할 때 에너지 손실을 고려하였 기 때문으로, 실제 현장에서도 바람과 같은 외부조건 등에 의해 발생하는 에너지 손실이 발생할 것으로 예 상되며, 미국에서 사용되고 있는 현장 가열 재활용 아 스팔트 포장의 시공과 유사한 결과인 것으로 분석되 었다.
3. 유한요소해석결과의 검증을 위해 실내 파일럿 실험 을 수행하여 비교 분석한 결과, 아스팔트 포장의 표 면으로부터 깊어질수록 유한요소해석결과와 모형시 험으로부터 측정한 온도가 차이가 나는 것으로 분석 되었다. 이는 유한요소해석의 경우, 표층, 중간층, 기 층, 노상까지를 고려하여 해석한 결과로, 표층만을 대상으로 한 실내 실험과는 달리 열이 하부로 전달되 어 나타난 결과인 것으로 판단된다. 하지만, 유한요 소해석 조건인 열전도율, 열용량이 실내 모형시험에
사용된 아스팔트 슬래브 공시체의 실제 열전도율과 열용량을 유사하게 모사하는 것으로 나타나 아스팔 트 포장의 표면에서 온도 차이는 유사한 결과를 나타 낸 것으로 분석되어, 유한요소해석을 통한 필요열량 산정을 통해 현장 재활용 아스팔트 포장 공법을 위한 가열판 제작의 설계 자료로 사용될 수 있을 것이라 판단된다.
감사의 글
본 논문은 국토교통부와 국토교통과학기술진흥원의 교통 물류연구사업인“온실가스 배출 최소화를 위한 친환경 포장
도로 연구” 의 연구지원으로 수행되었으며, 이에 관계자 분
들께 감사드립니다.
REFERENCES
