ABSTRACT
PURPOSES : The liquid-type chemical warm-mix asphalt (WMA) additive has been developed. This study evaluates the basic properties of the additive and the mechanical properties of WMA asphalt and mixture manufactured by using the newly developed chemical additive.
METHODS : First, the newly developed WMA additive was applied to the original asphalt by various composition of additive components and dosage ratio of additive. These WMA asphalt binders were evaluated in terms of penetration, softening point, rotational viscosity, and PG grade. Based on the binder test results, one best candidate was chosen to apply to the mixture and then the mechanical properties of WMA mixture were evaluated for moisture susceptibility, dynamic modulus, and rutting and fatigue resistance.
RESULTS : According to the binder test, WMA asphalt binders showed the similar properties to the original asphalt binder except the penetraion index of WMA additive was a little higher than original binder. From the Superpave mix design, the optimum asphalt content and volumetric properties of WMA mixture were almost the same with those of hot mix asphalt (HMA) mixture even though the production and compaction temperatures were 30 ℃ lower for the WMA mixture. From the first set of performance evaluation, it was found that the WMA mixture would have some problem in moisture susceptibility. The additive was modified to improve the resistance to moisture and the second set of performance evaluation showed that the WMA mixture with modified chemical additive would have the similar performance to HMA mixture.
CONCLUSIONS : Based on the various laboratory tests, it was concluded that the newly developed chemical WMA additve could be successfully used to produce the WMA mixture with the comparable performance to the HMA mixture. These laboratory evaluations should be confirmed by applying this additive to the field and monitoring the long-term performance of the pavement, which are scheduled in the near future.
Keywords
warm-mix asphalt, chemical additive, asphalt binder test, laboratory performance
중온화 액상형 화학첨가제 개발과 이를 적용한 중온 아스팔트의 성능 평가
Development and Performance Evaluation of Liquid-type Chemical Additive for Warm-Mix Asphalt
백`철`민 Baek, Cheolmin 정회원·한국건설기술연구원 도로포장연구실 수석연구원 (E-mail: [email protected]) 양`성`린 Yang, Sunglin 정회원·한국건설기술연구원 도로포장연구실 전임연구원 (E-mail: [email protected])
황`성`도 Hwang, Sungdo 정회원·한국건설기술연구원 도로포장연구실 연구위원·교신저자 (E-mail: [email protected])`
Corresponding Author : Sungdo Hwang, Research Fellow
Korea Institute of Construction Technology, (Daehwa-Dong) 283, Goyangdae-Ro, Ilsanseo-Gu, Goyang-Si, Gyeonggi-Do, 411-712, Korea Tel : +82-31-910-0180 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 : 107-116 August 2013 http://dx.doi.org/10.7855/IJHE.2013.15.4.107
1. 서론
중온 아스팔트 포장 공법은 생산 및 시공 온도를 기존 가열 아스팔트 포장 공법에 대비하여 약 30℃ 감소시켜
생산 시 발생하는 유해가스 및 생산 연료비 저감, 시공
가능기간 연장, 시공 후 조기 교통개방, 그리고 아스팔
트 노화 감소로 인한 피로균열 공용성 향상 등 다양한
장점을 가지고 있는 친환경 공법이다. 국내에서는 2006년부터 한국건설기술연구원에서 국내 기술을 기반 으로 한 최초의 중온 아스팔트 공법을 개발하기 시작하 여 사용목적 및 기후조건에 따른 다양한 중온 아스팔트 기술을 개발하여 왔다. 이러한 중온 아스팔트 기술은 다 양한 실내실험과 국내₩외 다수의 시험시공을 통하여 그 성능이 기존 가열 아스팔트 포장과 비교하여 동등한 수 준인 것으로 나타났다(Yang 외 4인 2012, Kim 외 5인 2012, Yang 외 5인 2012).
중온 아스팔트 기술은 고유가와 최근의 저탄소 녹색 성장 정책에 따라 국내₩외 연구소 및 산업계에서 지속 적으로 개발하고 있으며 후발주자일수록 기존 중온화 첨가제에 대한 문제점을 분석하고 이에 따른 취약부분 에 대해 개선된 기술을 출시하고 있다. 국내에서도 이러 한 추세에 따라 다양한 중온화 첨가제가 지속적으로 개 발되고 있으며 대부분 개발되는 중온화 첨가제는 유기 질 재료인 왁스(Wax)를 기반으로 하는 중온화 첨가제 가 주를 이루고 있다. 그러나 이러한 왁스 타입의 첨가 제는 아스팔트의 점도를 감소시켜 작업성 및 다짐도를 증대시키는 역할은 탁월하지만 일반적으로 혼합물 내에 서 왁스의 결정화 현상 때문에, 적절한 결정화 조절제가 포함되지 않은 첨가제의 경우 저온과 피로균열 그리고 수분에 대한 저항성이 감소하는 것으로 알려졌다(Yang 외 4인 2012). 또한 유기첨가제인 왁스를 기반으로 개 발된 첨가제의 경우, 석유화학제품의 원재료 가격 변동 률에 따라 가격 변동이 있으며 최근 원자재 가격의 증가 로 첨가제 가격도 상승하고 있는 것으로 나타났다.
본 연구에서는 저가의 중온 화학첨가제(Chemical Additive)를 개발하였으며 이를 첨가한 중온 아스팔트 바인더의 기초실험을 통해 중온화 첨가제로서의 특성을 평가하고자 한다. 또한 선정된 화학첨가제를 이용한 중 온 아스팔트 혼합물의 실내 역학적 특성 실험을 수행하 여 기존 가열 아스팔트 혼합물과의 비교₩평가를 통해 취약한 성능에 대한 분석 및 개선하기 위한 연구를 수행 하였다.
2. 액상형 중온 화학첨가제의 개발
왁스를 기본으로 하는 유기첨가제를 이용한 중온 아스 팔트 바인더는 회전점도 측정 시 일반적으로 일정 온도 에서 급격한 점도변화가 일어나서 변곡점이 발생한다.
이에 반해 화학첨가제를 이용한 아스팔트는 회전점도변 화는 거의 없으나 골재와 골재 사이에서 윤활작용을 높
여 응력을 감소시킴으로서 생산온도와 다짐온도를 낮추 는 중온화 기술이다. Fig. 1~Fig. 2는 일반적인 유기첨 가제와 화학첨가제에 대한 회전점도 시험을 통한 온도별 점도변화를 나타낸다. 그림에서와 같이 왁스 계열의 유 기첨가제는 일반적으로 약 100℃에서 녹는점을 가지게 되는데, 아스팔트와 함께 혼합할 경우 아스팔트 자체의 점도를 감소시키는 역할을 하며 그 결과 낮은 온도에서 의 혼합과 다짐이 용이하도록 하는 원리이다. 그러나 화 학첨가제의 경우 아스팔트 자체의 점도변화를 유도하는 것이 아니라 골재와 골재사이의 마찰력을 감소시키는 역 할을 하여 혼합 및 다짐이 용이하도록 한다. 따라서 일반 아스팔트 점도와 화학첨가제를 첨가한 중온 아스팔트의 점도는 Fig. 2와 같이 거의 유사한 것을 알 수 있다.
따라서 중온 화학첨가제를 개발하기 위한 가장 중요한 핵심사항은 혼합 시 낮은 온도에서도 아스팔트에 의한 골재 피막이 가능하도록 하는 것과 동시에 다짐 시 아스 Fig. 1 Rotational Viscosity Curve of Asphalt Binder
using Organic Additive
Fig. 2 Rotational Viscosity Curve of Asphalt Binder
using Chemical Additive
팔트로 코팅된 골재 사이의 마찰력을 감소시켜 낮은 온 도에서도 다짐도를 확보하는 것이다.
이러한 중온 화학첨가제의 기본개념을 바탕으로 본 연 구에서는 오일을 기반으로 골재와 골재 사이의 마찰력을 감소시키기 위한 계면활성제를 선정하였으며 이는 용융 아스팔트에 직접 첨가할 수 있는 높은 인화점( 200℃) 을 가진 것으로 선정하였다. 혼합물의 성능을 향상시키 기 위한 별도의 첨가제로서는 강도를 발휘할 수 있는 폴 리머 개질제 및 산, 온도에 따른 점도의 민감도를 감소시 킬 수 있는 점도조절제, 수분에 대한 저항성 확보를 위해 박리방지제 등을 첨가하였다. 또한 본 개발 첨가제는 비 개질 아스팔트와 폴리머 개질제(SBS, SBR, Evaloy, EVA 등)를 적용한 개질 아스팔트에 모두 적용될 수 있 도록 사용성에 초점을 맞추어 개발되었으며 편의성을 위 해 연속 플랜트 또는 배치 플랜트에서 건식 및 습식 투입 방식 모두 사용이 가능하도록 액상형태로 개발되었다.
다만, 습식 방식으로 투입할 경우에는 별도의 추가설비 및 플랜트 변경이 필요할 것으로 판단된다. Fig. 3은 본 연구에서 개발된 액상형 중온 화학첨가제(이하, Warm Chemical Additive-WCA)의 실제 모습을 보여주며 Fig. 4는 개발된 WCA에 대한 구성도를 나타낸다.
3. 초기 개발된 첨가제의 성능평가
본 연구에서는 앞 절에서 언급한 액상형 중온 화학첨 가제의 구성 성분에 따른 적합한 첨가제를 선정하고 각 각의 구성비율을 달리하여 총 6가지의 화학첨가제를 제 조하였으며, 첨가비율별로 아스팔트 바인더의 기본 물성 시험인 침입도, 연화점, 회전점도, PG시험을 수행하였 다. 아스팔트 바인더의 기본물성 시험결과를 토대로 가 장 적절한 구성비율을 결정하였으며 이를 중온 아스팔트 혼합물에 적용하여 배합설계 및 공용성 평가를 수행하였 다. 중온 아스팔트 혼합물의 배합설계는 수퍼페이브 배 합설계 방법을 이용하였고, 공용성 평가로는 수분민감도 를 평가하기 위해 인장강도비(Tensile Strength Ratio, TSR) 시험과 선형 점탄성 거동특성을 평가할 수 있는 동 탄성계수 실험, 그리고 소성변형 저항성을 평가하기 위 한 TRLPD(Triaxial Repeated Loading Permanent Deformation) 실험을 수행하였다. 성능 평가를 위한 비 교군으로는 동일한 입도와 아스팔트 바인더를 사용한 가 열 아스팔트 혼합물을 채택하였다.
3.1. 아스팔트 바인더의 기초물성 실험
앞서 언급한 것과 같이 PG 64-22의 등급을 가지는 아스팔트 바인더(이하, Straight Binder)에 초기 개발된 화학첨가제 6종을 아스팔트 대비 0.5%, 1.0%의 무게비 율로 각각 혼입하여 시험시료을 제작하였다. Fig. 5는 총 12가지 시편에 대한 침입도와 연화점 시험결과를 나 타낸다. 표에서와 같이 연화점은 화학첨가제를 혼입한 시료의 값이 일반 아스팔트 바인더와 거의 동일한 것을 알 수 있으며 첨가비율에 따라 변동성이 없는 것으로 나 타났다. 반면 침입도의 경우에는 일반 아스팔트 바인더 에 비해 6종 모두 침입도 값이 다소 높은 것으로 나타났 으며 첨가비율이 클수록 대부분 침입도가 높아지는 것을 알 수 있다.
Fig. 3 Liquid Warm Chemical Additive
Fig. 4 Composition of Liquid Warm Chemical Additive Fig. 5 Test Results of Pentration and Softening Point Paraffin
Oil
Fig. 6은 각 시료에 대한 회전점도 시험을 수행한 결 과를 나타내며 종류와 첨가비율에 상관없이 전반적으로 점도변화 추세가 일반 아스팔트와 유사하게 나타나는 것을 알 수 있다. 이는 앞서 언급한 것과 같이 액상형 중 온 화학첨가제는 골재와 아스팔트 바인더 사이의 마찰 력을 감소시켜 중온화하는 원리이기 때문에 중온화 첨 가제를 혼입하여도 점도 및 강성에 대한 변화가 크게 없 는 것으로 판단된다.
액상형 중온 화학첨가제를 혼입한 아스팔트 바인더 의 PG 등급을 선정하기 위해 첨가비율이 0.5%인 3가 지의 시료를 선정하여 수퍼페이브 실험방법에 따라 측 정하였으며 Table 1은 PG 등급 실험결과를 나타낸다.
표에서와 같이 Straight Binder를 포함한 모든 종류 의 아스팔트 바인더는 PG 64-22를 나타내었다. 이는 앞서 명시한 것과 같이 액상형 중온 화학첨가제의 원리 가 아스팔트 바인더의 특성을 크게 바꾸는 데에 있지 않기 때문이다. 하지만, 첨가제가 혼입된 아스팔트 바
인더 3종 모두 저온에서의 스티프니스와 m-value 값 이 Straight Binder보다 우수한 결과를 나타내어 온 도 균열에 대한 저항성이 기준 바인더보다 증가될 것으 로 예상된다.
3.2. 아스팔트 혼합물의 실내 공용성능 평가
개발된 액상형 중온 화학첨가제를 이용한 중온 아스팔 트 혼합물의 공용성능을 평가하기 위해, 아스팔트 바인 더의 실험결과를 바탕으로 Task 6을 선정하였고, 화학 첨가제의 비율은 아스팔트 바인더 무게대비 0.5%로 결 정하였다.
일반 가열 아스팔트 혼합물(이하, HMA)과 액상형 중 온 화학첨가제가 첨가된 중온 아스팔트 혼합물(WCA) 의 기초적인 성능실험을 위해 2009년 국토해양부에서 제정된「가열 아스팔트 혼합물의 생산 및 시공 지침」 의 표층용 WC-3 기준에 따라 골재 합성입도를 Fig. 7과 같이 선정하여 배합설계를 수행하였다. HMA 및 WCA 두 혼합물 모두 선회다짐기를 이용하였으며 다짐횟수를 중교통도로 포장의 기준인 100회로 결정하였다. 또한 HMA 및 WCA의 혼합온도는 각각 155±3℃와 130±3
℃, 다짐온도는 135±3℃, 115±3℃에서 수행하였다.
액상형 화학첨가제는 바인더 함량의 0.5%(무게비)를 치 환하여 사용하였다. Table 2는 각 혼합물의 배합설계 후 체적특성 결과를 나타내며 표에서와 같이 두 혼합물 은 거의 동일한 최적 아스팔트 함량을 가지는 것으로 나 타났다.
Fig. 6 Rotaional Viscosity Test Results
Table 1. PG Grade Test Results
PG Grade
PG
Task 4_0.5% Task 5_0.5% Task 6_0.5% Straight Binder Virgin(G*/sinδ), 1.0kPa 이상
52 5.91 52 5.66 52 5.57 52 6.31 58 2.75 58 2.69 58 2.64 58 2.97 64 1.35 64 1.33 64 1.30 64 1.45
RTFO(G*/sinδ), 2.2kPa 이상
52 11.70 52 11.70 52 11.70 52 12.40 58 5.40 58 5.47 58 5.45 58 5.78 64 2.58 64 2.62 64 2.62 64 2.77
BBR (-12℃) Stiffness
≤300MPa 141 Stiffness
≤300MPa 172 Stiffness
≤300MPa 177 Stiffness
≤300MPa 201 m-value 0.335 m-value 0.336 m-value 0.334 m-value 0.319 PG
Grade 64-22 64-22 64-22 64-22
Fig. 7 Mixture Gradation(WC-3)
Table 2. Superpave Mix Design Results
Mix OAC (%)
Density (g/㎤)
Gmm (g/㎤)
Air Voids (%)
VMA (%)
VFA (%)
- - - - 3~6 Min 13 65~80
HMA 4.75 2.436 2.537 4.0 15.33 73.86 WCA 4.76 2.433 2.535 4.0 15.35 73.94
Sieve Size(mm)
Passing Percent(%)
배합설계 결과를 바탕으로 동탄성계수 실험과 소성변 형 실험을 위해 높이 178mm, 지름 150mm로 선회다짐 기를 이용하여 시편을 제작하고 Fig. 8과 같이 코어 및 절단을 통해 높이 150mm, 지름 100mm의 크기로 실험 용 시편을 준비하였다. 또한 공용성 평가용 시편의 공극 률은 5.5±0.5%로 결정하였다. 수분민감도를 평가하기 위한 시편은 높이 95mm, 지름 150mm로 선회다짐기를 이용하여 제작하였으며 이때의 공극률은 7.0±0.5%로 결정하였다.
3.2.1. 수분민감도 평가
개발 첨가제에 대한 수분 민감도 평가를 위해 AASHTO T283 실험방법에 따라 인장강도비(Tensile Strength Ratio ; TSR) 시험을 수행하였다. 각 혼합물별 6개씩 공시체를 제작하였으며, 3개의 공시체는 수분처리 전 공시체로 기준 공시체로 적용되었으며 나머지 3개의 공 시체는 수분처리 후 공시체로 적용되었다. 기준 공시체 는 25℃ 수조에 지퍼백을 이용하여 수분이 침투되지 않 도록 하여 약 2시간 동안 양생을 한 후 간접인장강도 시 험을 수행하였다. 반면 수분처리 후 공시체는 부분 포화 도가 70~80%가 되도록 진공압력을 가하여 포화를 시 킨 후 동결 없이 60±1℃에서 24시간 동안 수침시킨 후 다시 25℃ 수조에서 약 2시간 동안 양생하고 간접인장 강도 시험을 수행하였다. 이 때, 중요한 요소로서는 수 분처리 전₩후 공시체의 평균 공극률이 유사하여야 인장 강도비의 신뢰성을 확보할 수 있으며 인장강도비 시험 에서의 수분손상 평가는 시편 내부의 수분 존재 여부에 따라 수분처리 전₩후의 인장강도 변화로서 평가될 수 있다.
Fig. 9는 HMA와 WCA의 TSR 시험 결과를 나타낸 다. 그림에서와 같이 WCA의 TSR 결과 값은 약 60%로
국내 TSR 기준(KS F 2398 ; 아스팔트 혼합물의 수분 저항성 시험 방법)인 75%를 만족하지 못하는 결과를 나 타냈으며 HMA와 비교한 결과 약 20% 정도 감소된 결 과를 나타내었다.
3.2.2. 선형 점탄성 특성 평가
본 연구에서의 동탄성계수(|E*|) 실험은 MTS 810 장비를 이용하여 총 4개의 온도(5, 20, 40, 54℃)와 온 도별 6개의 하중속도(20, 10, 5, 1, 0.5, 0.1Hz)를 적용 하여 수행하였으며, 전반적으로 AASHTO TP62의 절 차를 따라서 수행되었다. 이 실험은 일축압축방식의 실 험으로 높이 150mm×100mm 시편에 길이 85mm의 변 형률계(extensometer)를 시편 중앙에 90。간격으로 설치하여 수직변위를 측정하였다. 본 실험에서 적용된 하중레벨은 측정된 수직변형률이 50~75 microstrain 이 되도록 결정하였다.
Fig. 10과 Fig. 11은 온도별, 하중주기별 측정된 동탄 성계수를 하나의 곡선으로 변환한 동탄성계수 마스터커 브를 나타내며, 저온과 고온영역을 보다 명확하게 평가 하기 위해 y축의 스케일을 달리하여 보여주고 있다.
Fig. 8 Specimen Dimension for Performance Tests
Fig. 9 TSR Test Results
Fig. 10 Dynamic Modulus Mastercurves for HMA and WCA (semi-log scale)
150mm
178mm 178mm 150mm
100mm
Fig. 12와 Fig. 13은 위상각 마스터커브 및 전이함수 를 나타내며 이때의 기준 온도는 5℃이다. 동탄성계수 그래프로부터 WCA의 동탄성계수 값이 전반적으로 HMA에 비해 낮은 것으로 나타났다. 저온의 경우 탄성 계수가 낮을수록 취성적인 특성이 감소되어 온도 균열 에 대한 저항성이 증가될 가능성이 있지만 고온의 경우 에는 탄성계수가 낮을수록 소성변형에 대한 저항성이 감소될 가능성이 있을 것으로 판단된다.
3.2.3. 소성변형 저항성 평가
개발첨가제에 대한 아스팔트 혼합물의 소성변형 저항 성 평가는 삼축반복하중 소성변형(Triaxial Repeated Load Permanent Deformation, TRLPD) 시험을 통 하여 수행되었다. 이 실험은 0.1초의 반정현 하중과 0.9 초의 회복기를 반복하여 수행되었다. 이 실험의 하중조 건은 미국 NCHRP 9-30A 연구에서 추천하는 응력상 태인 483MPa의 구속압력(Confining Pressure)과 69MPa의 유효응력(Deviator Stress)를 사용하였고 온도는 54±0.1℃에서 수행되었다(Von Quintus et al. 2012). 이러한 형태의 하중에 대하여 개발된 모형은 회복변형률비 모형(Resilient Strain Ratio Model)이 라고 하며, 소성변형률을 회복가능한 변형률의 평균값 으로 표준화하여 표현한다. 이러한 모형은 NCHRP 1- 37A 경험적-역학적 포장 설계법(Mechanistic Empirical Design Guide, MEPDG)에 활용되고 있다 (ARA 2004).
Fig. 14와 Fig. 15는 반복하중횟수와 소성변형률 및 소성변형률/회복변형률과의 상관관계를 나타낸다.
그림에서와 같이 각 혼합물에 대하여 2번의 TRLPD 시험을 수행하였으며 평균값을 취했을 경우 WCA의 Fig. 11 Dynamic Modulus Mastercurves for HMA
and WCA (log-log scale)
Fig. 12 Phase Angle Mastercurves for HMA and WCA
Fig. 13 Shift Factor Function for HMA and WCA
Fig. 14 Permanent Strain versus Number of Cycle for HMA and WCA
Fig. 15 Permanent Strain/Resilent Strain versus
Number of Cycle for HMA and WCA
소성변형률이 HMA보다 낮은 결과를 나타내는 것으 로 평가되었다. 시험 결과를 토대로 WCA에 대한 소 성변형 저항성은 HMA보다 다소 높을 것으로 판단되 지만 동탄성계수 실험에서의 경향과는 다른 것으로 나 타났다.
4. 첨가제 개선에 따른 실내 공용성능 평가
앞 절에서와 같이 초기 개발첨가제를 이용한 아스팔 트 바인더와 혼합물의 실내실험 결과, 액상형 중온 화학 첨가제의 성능이 미비한 부분들이 발견되었다. 특히, 초 기 개발된 액상형 중온 화학첨가제는 수분에 대한 저항 성이 HMA에 비해 많이 떨어지며 국내 기준에도 통과 하지 못하는 것으로 평가되었다. 이러한 실험 결과를 토 대로 성능 향상을 위해 첨가제 구성성분의 비율을 변화 시켜 개선된 첨가제를 개발하였다. 즉, 소성변형에 대한 저항성을 증가시키면서 동시에 수분에 대한 저항성을 향상시키기 위해 기본 베이스 오일의 비율을 감소시키 고 박리방지제의 비율을 증가시키는 등의 개선을 하였 다. 이와 같이 개선된 액상형 중온 첨가제의 성능을 평 가하기 위해 앞서 수행했던 실내 공용성능 평가를 동일 한 방법으로 수행하였다. 추가적으로 직접인장반복하중 실험(Cyclic Fatigue Test)을 수행하여 피로균열에 대 한 저항성을 평가하였다.
4.1. 수분저항성 평가
Fig. 16은 개선된 액상형 중온 화학첨가제(Modified Warm Chemical Additive, M-WCA)에 대한 TSR 시험 결과를 나타낸다. 그림에서와 같이 M-WCA를 이용한 아스팔트 혼합물의 TSR 시험 결과 약 82.1%
로 기존 WCA에 비해 약 40% 정도 증가된 것을 알 수 있었다. 그러나 개선 전₩후의 시험 모두 간접인장강도
가 HMA보다 낮은 결과를 나타내는 것을 알 수 있다.
NCHRP 691 「Mix Design Practices for Warm Mix Asphalt」 보고서에 의하면 중온 아스팔트 혼합물 의 인장강도는 HMA보다 낮게 나타나며 이는 아스팔 트 노화에 기인한 것으로 기술하였다(Bonaquist 2011). 중온 아스팔트 혼합물의 간접인장강도는 노화 시간에 따라 변화되며 노화시간이 증가될수록 골재와 아스팔트의 부착력이 증가되고 이에 따라 간접인장강 도가 증가되는 것으로 평가하고 있다. 따라서 개선된 액상형 중온 화학첨가제의 간접인장강도가 낮게 측정 된 것은 이러한 노화시간의 정도에 의한 것으로 판단 된다.
4.2. 선형점탄성 특성 평가
Fig. 17~Fig. 18은 개선된 첨가제를 이용한 혼합물 의 동탄성계수와 가열 아스팔트 및 초기 개발첨가제를 이용한 혼합물의 값과 비교하기 위한 마스터커브를 보 여주며, Fig. 19~Fig. 20은 위상각 마스터커브 및 전이 함수를 나타낸다(기준온도 5℃). 그림에서와 같이 M-
Fig. 16 TSR Test Result of M-WCA
Fig. 17 Dynamic Modulus Mastercurves for HMA, WCA and M-WCA (semi-log scale)
Fig. 18 Dynamic Modulus Mastercurves for HMA,
WCA and M-WCA (log-log scale)
WCA 혼합물은 초기 개발첨가제를 이용한 WCA 혼합 물보다 전체적으로 동탄성계수가 증가하였으며, HMA 혼합물과 전범위에서 거의 유사한 값을 가지는 것을 알 수 있다. 이는 개선된 액상형 중온 첨가제의 구성요소 중 베이스 오일을 감소하고 수분에 대한 저항성을 향상 시키기 위해 첨가된 박리방지 첨가제에 의한 것으로 골 재와 아스팔트 사이의 부착성능을 향상시켜 혼합물의 강성을 향상시킨 결과로 판단된다.
4.3. 소성변형 저항성 평가
Fig. 21과 Fig. 22는 반복하중횟수에 따른 소성변형 률 및 소성변형률/회복변형률을 나타낸다. 그림에서와 같이 M-WCA 혼합물의 소성변형률은 HMA 혼합물 및 기존 WCA 혼합물에 비해 상대적으로 낮은 것으로 나 타났다. 이는 동탄성계수 시험에서 언급한 것과 같이 베 이스 오일의 비율을 감소함으로써 혼합물의 강성이 향 상된 것으로 사료되며 HMA 혼합물에 비해 높은 소성 변형 저항성을 가질것으로 판단된다.
4.4. 피로균열 저항성 평가
본 연구에서는 액상형 중온 화학첨가제를 이용한 중 온 아스팔트 혼합물의 피로균열 저항성을 평가하기 위 해 실린더 형태의 시편을 사용한 직접인장 피로실험을 이용하였다. 이러한 형태의 실험결과는 기존의 빔형태 의 시편을 이용한 피로실험과 유사한 경향을 보인다는 것이 기존 연구를 통해 보고되었다(Kutay 외 2인 2008). 피로실험의 하중제어방식은 MTS 장비의 크로 스헤드 변위를 일정한 크기로 반복적으로 가하는 방법 으로 적용하였다. 이러한 하중제어방식은 시편에서 발 생하는 응력과 변형률이 실제 현장에서 발생하는 복합 적인 하중형태와 유사한 것으로 알려져 있다(Kutay 외 2인 2008, Underwood 외 2인 2010).
실험조건은 20℃에서 10Hz 주기의 haversine 형태 의 인장하중을 시편이 파괴될 때까지 적용하는 방식으로 수행하였다. 시편의 파괴시점은 반복하중이 가해질수록 완만하게 증가하는 위상각이 급격하게 감소하는 시점에 서 변화될 때를 파괴시점으로 결정하였다(Reese, 2005).
Table 4와 Fig. 23은 HMA과 M-WCA 혼합물의 피 Fig. 19 Phase Angle Mastercurves for HMA, WCA
and M-WCA
Fig. 20 Shift Factor Function for HMA, WCA, M-WCA
Fig. 21 Permanent Strain versus Number of Cycle for HMA, WCA and M-WCA
Fig. 22 Permanent Strain/Resilent Strain versus
Number of Cycle for HMA, WCA and M-WCA
로균열 실험결과를 보여준다. 그림에서와 같이 동일한 변형률에서 M-WCA 혼합물이 HMA 혼합물에 비해 파 괴 시까지의 반복하중 횟수가 약 1,200회 더 많은 것을 알 수 있다. HMA와 M-WCA 혼합물의 동탄성계수가 거의 유사하므로 동일한 하중이 두가지 혼합물을 이용 한 동일한 포장구조에 작용할 때 발생하는 인장변형률 이 유사할 것으로 가정할 수 있다. 이러한 인장변형률을 250 이라고 가정하면 HMA 혼합물은 10,400회에서 파손이 발생하고 M-WCA 혼합물은 11,800회에서 파 손이 발생되는 것으로 나타나, M-WCA의 피로균열 저 항성이 다소 높을 것으로 판단된다.
5. 결론
본 연구에서는 국내에서 최초로 개발한 액상형의 중 온 화학첨가제를 이용한 중온 아스팔트 바인더와 혼합 물에 대한 실내실험을 수행하였다. 또한 실내실험을 통 해 초기 개발된 첨가제의 취약부분을 파악하고 이를 개 선한 첨가제를 개발하여 실내실험을 다시 수행하였으 며, 다음과 같이 요약하였다.
1. 기존 왁스타입의 중온 첨가제는 아스팔트 바인더와
혼합되었을 때 점도를 변화시킴으로서 중온화하는 원리인 반면, 본 연구에서 개발한 액상형 중온 화학 첨가제는 아스팔트로 코팅된 골재 사이의 마찰력을 감소시킴으로써 중온화하는 원리를 기반으로 개발 되었다. 이러한 중온화 원리를 확인하기 위하여 실 내 배합설계를 수행하였다. 배합설계시, 개발된 첨 가제를 이용한 중온 아스팔트 혼합물은 가열 아스팔 트 혼합물에 비해 약 30℃ 낮은 온도에서 혼합 및 다짐을 수행하였으며, 그 결과 최적아스팔트 함량 및 기본물성이 동일한 것으로 나타나므로 중온화 효 과가 충분한 것으로 판명되었다.
2. 초기 개발된 중온 화학첨가제의 경우 혼합물에 적용 하여 수분저항성 평가를 수행한 결과 가열 아스팔트 혼합물보다 훨씬 낮은 인장강도비를 가지는 것으로 나타났다. 이를 개선한기 위해 첨가제의 구성성분 비율을 조정하였고 재시험결과 가열 아스팔트와 유 사한 수분저항성을 갖는 것으로 나타났다.
3. 중온 아스팔트 혼합물의 선형점탄성 특성을 평가한 결과, 초기 개발된 첨가제를 이용한 혼합물의 경우 전반적으로 가열 아스팔트 혼합물에 비해 동탄성계 수가 낮게 나타났다. 하지만, 개선된 첨가제를 이용 한 혼합물의 경우 가열 아스팔트 혼합물과 거의 유 사한 동탄성계수 마스터커브를 가지는 것으로 나타 났다.
4. 실내 공용성 평가 결과, 액상형 중온 화학첨가제를 이용한 중온 아스팔트 혼합물이 가열 아스팔트 혼합 물보다 소성변형 및 피로균열 저항성이 유사하거나 더 좋을 것으로 판단되었다.
이상과 같은 연구결과를 바탕으로 본 연구에서 개발 한 액상형 중온 화학첨가제는 실내실험을 통하여 중온 화 효과가 충분하여 또한 일반 가열 아스팔트와 비교 하여 동등한 수준의 공용성을 갖는 것으로 사료된다.
향후, 개발시제품에 대한 현장 적용성 및 장₩단기 공용 성능에 대한 평가를 위해 지속적인 연구를 수행할 예 정이다.
감사의 글
본 연구는 한국건설기술연구원 주요사업(저비용 저탄소 아 스팔트 포장공법 개발 ('09∼'13))의 연구비 지원에 의해 수 행되었습니다.
References
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Mix Type CX Input (microstrain)
Initial Peak-to- Peak Strain (microstrain)
Nf
HMA 1400 276 7,101
1000 239 12,500
M-WCA
2500 420 1,987
2000 358 3,495
1500 291 4,824
1500 224 21,293
- strain amplitudes are measured at the first 50 cycles.
Fig. 23 Fatigue Test Results for HMA and M-WCA
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( 접수일 : 2013. 7. 12 / 심사일 : 2013. 7. 15 / 심사완료일 : 2013. 8. 6 )
