한 국 방 재 학 회 논 문 집 제9권 1호 2009년 2월
pp. 49 ~ 55
도로교통방재
저소음 포장체 개발을 위한 아스팔트 혼합물의 역학적 특성 연구
A study of Mechanical Properties of Hot Mix Asphalt for Developing of Quiet Pavement
이관호*·정태현**
Lee, Kwan-Ho · Jeong, Tae-Hyun
···
Abstract
Our domestic economy has been developed very rapidly after 1960's. Also, it is dramatically increasing traffic on road and sur- round environmental issues. Especially, rapid economic growth has been induced large construction of pavement, and bigger and higher traffic for transportation. These are making air pollution, traffic noise and vibration. The social requirement against the revealed road environment and traffic sound reduction is being demanded. Traffic noise of city zone is showed over the envi- ronmental specification more than 57%. In order to overcome these situations, the social attention is being increased. The quiet pavement is the same format of permeable pavement, but is not same for functional performance. In this research, it has been car- ried out to evaluate the fundamental-mechanical properties of hot mix asphalt for quiet pavement. Especially, couple of laboratory tests are conducted like marshall stability, resilient modulus, indirect tensile test, and compaction energy analysis with gyratory compaction curve. Also, two-layer pavement system has been adopted for developing of quiet pavement. The basic performance of hot mix asphalt of quiet pavement show a satisfaction of specification of hot mix asphalt.
Key words : aggregate gradation, gyratory compaction, low noise pavement, optimum asphalt content, resilient modulus
요 지
1960년대 이후 국내의 경제성장은 비약적인 발전을 해왔으나, 이로인해 교통량의 급증 및 생활환경오염문제가 크게 급증하고 있는 실정이다. 특히, 급속한 경제성장은 대규모 도로건설 및 물류에필요한 차량의 대형화 및 고속화를 유도하였으나, 이로인해 발생하는 대기오염 및 자동차의 소음, 진동은 사회적 문제로 대두되고 있는 실정이다. 도심도로의 경우 측정한 차량소음의 57% 이상이 환경기준을 초과하는 것으로 나타났다. 이러한 문제를 해결하기 위해 저소음 도로포장에 대한 사회적 관심이 커지 고 있는 실정이다. 저소음 포장은 기본적으로 배수성포장과 같은 형식을 이용하며, 단지 기능적인 측면에서 소음저감효과부분이 강조된 것이다. 최근 국내에 저소음 포장 기술이 도입되고 있고, 이를 국내 실정에 맞는 기술로 변환하는 것이 시급한 실정이 다. 이에 본 연구에서는 국내에 적합한 저소음 도로포장 연구중 저소음포장체를 구성하는 골재입도, 아스팔트 혼합물의 기본적 인 역학적 특성을 평가하였다. 평가항목은 마샬안정도, 회복탄성계수, 간접인장강도 및 소성변형특성평가를 위한 선회다짐곡선 활용등이 포함되고, 실험을 통해 복층구조의 저소음 포장체를 구현하기 위한 기본자료를 정리하여 제시하였다. 복층형 구조의 저소음 아스팔트 포장체 구성을 위한 아스팔트혼합물의 역학시험결과 기본적인 구조성능은 충분히 만족시킴을 알 수 있었다.
핵심용어 : 골재입도, 선회다짐, 저소음포장, 최적아스팔트함량, 회복탄성계수
···
1. 서 론
최근 생활수준의 향상과 더불어 쾌적한 생활환경을 추구하 는 국민들의 요구는 증대되었고, 산업의 발달과 레저문화의 확산으로 국내의 자동차 등록대수는 증가 되었다. 증가하는 교통량을 고려한 도로망이 크게 확충되었다. 이로인해 도로교 통소음의 영향을 받는 지역이 크게 증가하였고, 소음피해는 더욱더 심각해지고 있다. 이러한 도로교통 소음을 줄이기 위 한 대책으로 교통소음규제지역을 지정·관리하도록 하고 있
음에도 불구하고, 서울, 부산 등 주요 대도시 지역은 교통소 음 한도를 초과하고 있고 교통소음 규제 지역을 지정조차 하 지 않고 있는 실정이다. 지정된 경우도 사후관리 미흡 등으 로 인해 도로변 지역에서의 민원이 많이 발생하고 있어 운영 상의 많은 문제점이 노출되고 있다.
도로교통소음의 원인은 크게 3가지로 대별되고 있는데, 자 동차 엔진과 부속 장비에서 발생하는 엔진소음, 흡배기계 및 자동차 표면과 공기의 흐름에 의해 발생되는 기체소음, 타이 어와 도로 표면과의 마찰에 의해 발생하는 노면소음(타이어
****정회원·공주대학교 건설환경공학부 부교수 (E-mail: [email protected])
****삼보기술단 기사
소음) 등이다. 소음저감 방법으로는 발생한 소음을 차폐하는 간접적 방식과 소음의 발생량 차체를 저감시키는 직접적 방 식으로 나눌 수 있다. 특히, 도로포장 상태에 따라 달라지는 타이어 소음이 자동차 정상 운행 중에 소음의 기여율이 높다.
이러한 직접적인 소음저감효과를 높이기 위해 사용하는 직접 적 소음 저감 방식에서는 노면 재료 및 포장 기법 선택등이 중요한 항목이 된다.
본 연구는 도심지 시공을 위한 민원저감형 대체공법 개발 연구 분야 중 하나로서, 도로상의 교통소음 문제를 해결할 수 있는 대안으로 도로포장체 위를 주행하는 차량에서 발생 하는 소음을 저감하기 위해 저소음도로포장공법 개발을 주 목적으로 한다. 이러한 목적을 달성하기 위하여 본 연구에서 는 복층구조의 저소음 포장단면에 적합한 골재의 입도 및 이 를 이용한 저소음 포장용 아스팔트 혼합물의 도로공학적 특 성을 평가하고자 한다. 평가항목으로는 아스팔트 혼합물 배합 설계, 마샬안정도시험, 간접인장강도시험, 회복탄성계수시험 및 선회다짐곡선을 이용한 다짐에너지 평가 등을 있다.
2. 저소음포장 2.1 정의
소음이란, 원하지 않는 시끄럽고 음색이 불쾌감을 주는 큰 소리로서 강한 충격에 의해 물체에 심하게 진동하는 현상을 말한다. 소음에 대한 느낌은 사람에 따라 다르며 지속 시간 에 따라 느낌이 다르다. 일반적으로 사람이 불쾌하게 느끼는 소리. 이것은 상당히 주관적인 정의이며 어떤 사람에게는 소 음이라 해도 다른 사람에는 마음에 드는 소리도 될 수 있다.
보통의 일반적인 사람은 20~200 Hz까지 음을 감지한다. 최근 들어 자동차의 증가와 도로의 확대, 주택이 도로와 인접해서 건설됨에 따라 교통소음으로 인한 피해건수는 해마다 늘고 있는 추세이다. 피해 장소는 주로 병원이나 학교 도로인데, 도시권 지역 학교의 소음도는 60~65 dB(A) 수준이며 병원 및 공공도서관 등의 소음도는 64~69 dB(A)로 환경기준은 물 론이며 도로교통 소음한도를 초과 하는 지역이 늘어나고 있 다(노성열, 2005).
저소음 포장은 포장체내에 존재하는 공극으로 배수기능을 보완하는 포장이며, 공극이 건조한 상태에서 공기의 투과성도 높고, 그림 1에 나타낸, 패턴 홈 공명음과 공기파열음(Air- pumping)을 억제해서, 타이어도로소음을 저감시킨다.
2.2 외국의 저소음포장
미국에서는 고무아스팔트 포장을 많이 사용하고 있으며, 대 표적인 사용 예는 캘리포니아주의 세크라멘토 카운티 (Sacramento County)에서 발표한 보고서이다. 6년 동안 연구 한 결과를 보면 고무를 섞은 아스팔트로 포장한 아덴(Alta Arden) 고속도로에서의 교통소음이 재래식(일반적인) 아스팔 트로 포장한 일반도로에서의 교통소음보다 무려 평균 4 dB 감소한 것으로 나타났다. 고무 아스팔트로 포장한 후 4 dB 소음감소는 6년 동안 계속되었다. 이러한 소음 감소로 교통 소음 에너지를 60% 감소시켰으고, 교통 소음이 상당히 줄어
들었다는 것을 의미하고 있다. 이 연구에서 제시한 고무 아 스팔트에서의 4 dB 감소는 미국내외에서 같은 방법으로 포장 된 도로에서도 비슷한 양상을 보여주고 있다. 이 연구 결과 는 아덴(Alta Arden) 고속도로와 일반도로를 관할하고 있는 세크라멘토 지방 자치 단체에서 실험한 결과를 기초로 하고 있다. 고무 섞인 아스팔트로 포장된 도로에서의 소음감소는 기후가 다른 지역과 중/대형 트럭들이 얼마나 많이 다니느냐 에 의해 그 소음 감소가 달라질 수 있다(Douglas et al., 2005, NAPA, 2005).
네덜란드에서 도로교통 소음 혁신프로그램(IPG)의 일환으 로 조사한 2겹으로 된 다공성 포장노면 위를 승용차와 소형 화물자동차가 80 km/h의 속도로 주행할 때 기준 노면에 비해 소음 저감량은 포장초기에는 4~6dB(A)이고, 포장 후 4년 후 에는 1.8~5.3 dB(A)이다. 100 km/h의 속도의 경우 초기 소음 저감량은 4.5~7 dB(A)로 나타났다. 여기서 기준노면은 새로이 포장한 일반 밀입도 아스팔트노면이다(Nielsen, 2005).
영국은 다른 국가들보다 더 오랫동안 다공성 표면의 소음 저감효과를 조사해 왔으며 그 결과는 다음과 같이 요약된다.
• 첫 1년 동안에 소음저감량은 3~6 dB(A)이었는데 소형차는 소음저감이 크고 대형차는 소음저감량이 작게 나타났다.
• 다음 4년 동안 소음저감량은 4 dB(A) 정도로 일정하였다.
• 5~6년이 경과할 때에 소음저감량은 궁극적으로 3 dB(A) 로 줄어들었다.
• 최근에 소음저감효과는 소형차에 대해서와 동일하게 대형 차에 대해서도 좋게 나타나고 있다.
스웨덴의 국립도로 교통연구소(Swedish National Road and Transport Research Institute, VTI)에서 처음 포장할 때 공극률이 20~30%이고, 최대 칩크기(chipping size)가 12 mm 인 다공성 표면을 다양한 두께에 대해서 4년에 걸쳐 조사하 여 칩 크기가 10~13 mm이고, 포장 후 1년이 경과한 아스팔 트콘크리트 기준노면의 소음도와 비교하였다. 도로의 중심선 으로부터 10 m 떨어진 곳에서 2시간 등가소음도(Leq,2h)와 최 고소음도(Lmax)를 동시에 조사하였으며 이때 차량의 주행속도 는 60~100 km/h 범위에서 일정하였다.
일본에서는 포장의 표층부에 복층구조의 저소음 포장기술 이 개발되고 있는데 이는 골재의 최대치수가 5~10 mm 정도 로 단층의 구조보다 작은 골재치수를 가지고 있어 골재 최대
그림 1. 타이어 노면 소음
치수 13 mm 혼합물과 비교해 볼 때 저소음 효과가 큼을 나 타내었다. 이러한 포장기술은 표층두께 5 cm (상층 2 cm, 하 층 3 cm)로서 골재최대치수 5 내지 8~13 mm, 공극률이 20~23% 정도의 혼합물로 구성된다. 이 경우 단층 저소음 포 장보다 최대 2 dB의 소음저감 효과를 가지고 있다. 최근에는 매우 견고하고 탄성체에 가까운 배수 및 투수성 포장의 실용 화를 위해 우레탄 레진과 폐타이어로부터 나오는 고무칩 등 이 혼입된 아스팔트 혼합물들이 개발되고 있으며 밀입도 포 장에 비해 12~15 dB에 가까운 소음 저감의 효과가 있다. 그 림 2는 탄성체의 배수 및 투수성 포장의 시공 단면 예를 보 여주고 있다. 탄성체에 가까운 배수 및 투수성 포장은 공극 률이 25~30% 정도로 밀입도 포장보다 더 효과적인 소음저 감을 확보할 수 있다.
3. 배합 재료 선정 및 방법 3.1 아스팔트 바인더
저소음 포장체 개발을 위해 중요한 요소중의 하나가 아스 팔트 바인더이다. 국내에서 개발되어 상용화된 각종 아스팔트 바인더중에서 저소음 아스팔트 포장용으로 이용되는 고점도 개질아스팔트를 이용하였다. 사용된 고점도 개질아스팔트는 플라스틱과 고무의 두 가지 성질을 가진 열가소성의 탄성중 합체와 접착력이 우수한 공중합수지 및 아스팔트와 반응하는
개질재를 사용하여 물리적, 화학적, 안정성을 갖도록 제조된 고성능 아스팔트 바인더로서 도로포장용 기본 물성은 표 1에 나타내었다.
3.2 골재의 기본물성
골재의 품질이나 입도는 아스팔트 콘크리트 혼합물의 역학 적 특성, 현장 공용성, 강도 및 소성변형에 중요한 영향을 미치며 생산지 별로 그 조건이 각각 다르므로 사용 전에 시 방서 규정에 적합한지 반드시 조사해야한다. 골재는 반드시 깨끗하고 단단해야 하며 내구성이 커야한다. 본 연구에서 사 용된 골재는 화강암계열로서, 비중, 흡수율, 마모감량에서 기 준치에 만족함을 실험을 통해 알 수 있었고, 골재의 실험 결 과 값, 품질 기준 및 시험방법을 표 2에 나타내었다.
3.3 배합설계
3.3.1 최적 아스팔트 함량 결정
배합설계에 적용된 방법은 일반 아스팔트 혼합물의 최적 아스팔트 함량을 구하는 방법과 다르다.어느 특정 골재입도를 큰 비율로 사용하는 개립도 혼합물에서는 공극이 많아 혼합 물을 제조한 후 포설 현장까지 이동하는 동안 바인더의 유출 이 심각하게 나타나기 때문이다(노성열, 2005). 본 실험에서 는 일반 혼합물과 다르게 하부층의 최적 아스팔트 함량을 구 하기 위해 바인더의 양을 4%에서 6%까지 0.5%씩 증가 시 켜가며 배합을 하고 170oC 정도에서 1시간 방치 후 아스팔 트가 용기에 흘러내린 정도를 판정하게 된다. 아스팔트 함량 의 변화에 따라 각각의 손실률을 결정하고 아스팔트 함량과 흐름율과의 관계에서 변곡점을 나타내는 아스팔트 함량을 최 적 아스팔트 함량으로 결정하게 되는 침강 손실률 시험을 시 행하였다. 그림 3과 같이 하부층의 최적 아스팔트 함량은 5.1%의 결과 값이 나왔으며 상부층의 최적 아스팔트 함량은 그림 2. 일본의 단층 및 복층형 저소음 포장 단면
표 1. 바인더 물성 실험
구분 기준 시험방법 시험결과
실험명 단위
침입도(25oC) 1/10 mm 40 이상 ASTM D 5 55.3
연화점 oC 80 이상 ASTM D 36 99.0
신도(15oC) cm 50 이상 ASTM D 113 75
박막가열 질량변화율 % 0.6 이하 JIS K 2207(조건변동) 0.13
박막가열 침입도잔류율 % 65 이상 '' 94
터프니스(25oC) kg.cm 200 이상 일본포장시험법편람 373.6
테너시티(25oC) kg.cm 150 이상 '' 256.9
점도(60oC) poise 200,000 이상 ASTM D 2171 500,000 이상
밀도(15oC) g/cm3 - ASTM D 70 1.03
인화점(oC) g/cm3 - ASTM D 92 300 이상
표 2. 골재의 물리적 특성
항 목 시험 방법 기준 실험결과
비 중(%) KS F 2503 2.45 이상 2.767 흡 수 율(%) KS F 2504 3.0 이하 1.867 마모감량(%) KS F 2508 30 이하 27.24 편평 및 세장편 함유량(%) 한국도로공사 20 이하 7.60
5%가 나오게 되었다.
3.3.2 골재의 입도 및 시험시편제작
골재의 배합입도 결정은 배수성 아스팔트의 입도기준(노성렬, 2005)에 맞추어 배합을 시행하였으며, 공극률 20%로 만들기 위해 반복적 시편제작을 통해 그림 4와 같이 하부층은 굵은 골재 80%, 잔골재 16%, 채움재 4%로 배합을 하였고, 상부층 은 굵은골재 30%, 잔골재 65%, 채움재 5%로 배합을 하였다.
그림 4의 입도로 골재와 바인더를 건조로에 넣고 180oC 의 온도에서 최소 4시간동안 가열한 뒤 4시간 후에는 건조 로의 골재와 바인더를 꺼내어 배합을 하였고, 다시 건조로에 넣어 160oC의 온도에서 4시간의 동안 단기 노화를 시킨다.
그 후 직경 100 mm의 시편을 제작 할 수 있는 몰드를 핫 플레이트에 180oC~190oC로 가열 시킨 뒤 건조로 안의 배 합된 아스팔트 혼합물을 꺼내어 몰드에 넣고 선회다짐기를 이용해 50회 다짐을 실시하여 공극률 20%의 시편을 제작하 였다. 배합과 다짐을 통해 만들어진 시편은 공극률을 측정하 여 20%에 만족할 때 역학적 실험을 할 수 있도록 절단하 였다. 그림 5는 상부층의 시편을 50~55 mm로 시편제작을 끝낸 것이며, 그림 6은 하부층과 상부층을 각 25~30 mm로 커팅을 하여 접착 바인더로 접착을 한 그림이다.
4. 역학적 특성 평가 4.1 마샬안정도시험
본 시험은 표준 시험실 다짐도로 다져진 아스팔트 혼합물
의 강도를 측정하기 위한 것으로 하층부는 기존 시방서 기준 에 제시된 양면 50회 다짐을 이용하였고, 상층부는 마모층 개념으로 특별한 규정이 없는 관계로 30회를 적용하여 평가 하였다. 마샬안정도시험은 KS표준규격(KS F 2337) 시험을 준용하였고, 실험결과를 표 3 및 4에 나타내었다. 실험에 이 용된 시편은 상부층 및 하부층, 각각 4개 시험시편 결과의 평균값을 이용하였다. 하부층의 경우 배수성포장기준을 적용 하였을 경우, 강도는 문제가 없으나, 흐름값은 기준값의 상한 값에 근접한 값을 나타내었다.
4.2 간접 인장강도 시험
본 시험은 아스팔트 혼합물 공시체의 인장강도 시험을 간 그림 3. 최적아스팔트함량 결정(하층부)
그림 4. 상부층(4.75 mm) 및 하부층(13 mm)의 배합 입도
그림 5. 상부층 시편
그림 6. 복층(상·하부층) 시편
표 3. 하부층의 마샬안정도 시험 실험시편결과 배수성 품질
기준
결과값
평균 표준편차
안정도 (N) 4900 이상 5678 905
흐름값 (1/10 mm) 20~40 39.9 10.5
표 4. 상부층의 마샬안정도 시험 실험시편결과 배수성 품질
기준
결과값
평균 표준편차
안정도 (N) - 2011 150
흐름값 (mm) - 38.2 5.6
접적으로 모사한 것으로서 아스팔트 혼합물은 온도에 민감하 기 때문에, 온도별 인장 강도를 측정하는 것으로, KS F 2383 실험규정을 준용하였다. 간접 인장강도 ST는 구한 최대 하중 값을 이용하여 아래 식 (1)을 이용하였다.
(1) ST:간접 인장 강도(MPa) P : 공시체 파괴 하중(N) D : 공시체 지름(mm) h : 공시체 높이(mm)
표 5에는 상부층, 하부층 및 복층의 각 온도별 간접인장강 도 및 수직 변위를 나타내었으며 이 값들의 표준편차도 나타 내었다. 그림 7(a)는 상부층, 하부층 및 상하부를 접합한 복 층구조 형식의 간접인장강도와 시험온도를 표시한 것이다. 교 통하중에 대한 구조적인 안정성에 큰 영향을 주는 하층부의 경우 저온영역을 나타내는 5oC에서 910 kPa, 상온영역을 나 타내는 25oC에서 440 kPa, 고온영역을 나타내는 40oC에서 215 kPa의 간접인장강도값을 나타내었다. 상부층의 경우 교통 하중에 대한 마모층 개념으로 적용된 단면으로 저온, 상온 및 고온영역에서 각각 730 kPa, 480 kPa 및 280 kPa 값을 나타냈다. 상층부와 하층부를 접착한 복층구조의 경우 저온, 상온 및 고온영역에서 각각 700 kPa, 260 kPa 및 210 kPa
값을 나타내었고, 상층부 및 하층부를 각각 실험한 결과에 비해 다소 작게 나타나는 경향을 보여주고 있다. 이는 상층 부와 하층부의 접착부분에서 강도의 저감효과가 발생한 것으 로 판단된다. 간접인장강도는 5oC에서 가장 크게 나오는데 바인더의 영향을 많이 받는 하부층의 값이 크게 나왔으며 최 대공칭치수 13 mm로 상부층에 비해 골재 입도가 크므로 저 온에서 인장강도가 크게 나왔다. 25oC와 40oC에서는 상부층 의 인장강도가 크게 나왔는데 최대공칭치수가 4.75 mm로 바 인더의 영향보다는 골재의 영향을 많이 받음을 알 수 있다.
반면 복층의 25oC 에서는 상부층, 하부층의 값보다 작게 나 와 40oC와 차이가 거의 나타나지 않았다. 이는 상부층, 하부 층을 결합시켜주는 접착 바인더 때문이라고 판단된다.
그림 7(b)는 간접인장시험에 사용된 상층부, 하층부 및 복 층구조용 시편의 온도감온성을 평가한 것이다. 상부층과 복층 구조의 온도감온성은 비교적 유사한 경향을 나타내었다. 하부 층의 경우 상부층과 복층구조에 비해 다소 온도감온성이 크 게 나타났다. 이는 온도의 변화에 따른 재료의 물성이 다소 크게 변함을 의미한다. 사용된 재료 전체에 대한 경향을 파 악하기 위하여 추세선 및 공식을 결정하였다. 추세선의 방정 식은 y = -15.3814x + 856.9이고, 상관도는 0.9392로 비교적 높게 나타났다. 그림 7(b)의 결과에서 볼 수 있듯이, 작은골재 를 사용하는 상층부와 굵은골재를 이용하는 하층부가 복합부재 로서 작용하고, 기능적으로 좋은 상관관계를 가짐을 의미한다.
4.3 회복탄성계수 시험(MR)
본 시험은 KS F 2376의 표준규격 시험을 준용하였다. 시 험에 이용된 하중조건은 교통하중을 모사하기 위하여 반복적 인 반정현(haversine) 파형을 이용하였다. 하중 주파수와 온도 에 따라 최소한 50~200회의 반복 하중을 가하도록 한다. 회 복 탄성 계수의 측정은 일반적으로 3가지 온도인 5, 25, 40± 1oC에서 시험을 실시하며, 하중 주파수는 각 온도에서 0.33, 0.5, 1.0Hz 중 하나 또는 그이상의 하중 주파수로 시 험을 실시하도록 한다. 적정한 하중 범위는 간접 인장 강도 의 10~50%의 범위 내에 있도록 한다. 간접 인장 강도는 공 시체의 지름이 100 mm 인 경우 13 mm의 금속 막대를 커치 ST 2P
πDh---
=
그림 7. 온도감온성 평가
표 5. 간접 인장 강도
포장명 온도 간접인장
강도 (kPa) 표준편차 최대수직
변위 (mm) 표준편차
상부층
5oC 730 60 6.80 1.14
25oC 480 10 4.86 0.44
40oC 280 40 5.50 0.24
하부층
5oC 910 80 4.71 1.18
25oC 440 10 7.16 1.11
40oC 215 40 9.40 2.27
복층 (상하부층)
5oC 700 50 7.51 0.79
25oC 260 40 9.41 1.30
40oC 210 20 11.29 0.35
시켜 25oC에서 50 mm/min의 재하 속도로 하중을 주어 공시 체가 파괴될 때까지의 최대 하중을 측정하였다.
표 6에는 상부층, 하부층, 복층구조의 각 온도별 회복탄성 계수를 나타내었으며, 실험값 별로 어느 정도의 차이가 나는 지 표준편차를 나타내었다. 회복탄성계수 시험의 기준이 되는 25oC에서 상층부, 하층부 및 복층구조 시편의 회복탄성계수 는 각각 4385.5 MPa, 2882.7 MPa, 및 2298.5 MPa를 나타 내었다. 상층부 시편의 경우 하층부에 비해 잔골재의 사용량 이 많아, 사용된 골재와 고점도 개질아스팔트 바인더의 점착 력 효과가 크게 나타난 것이다. 이에 비해, 하층부의 경우 굵은 골재의 사용량이 많아 상대적으로 회복탄성계수값이 적 게 나타난 것으로 판단된다. 복층형구조 시편의 경우 시험에 이용된 시편의 비균질성(non-homogeneous) 특성과 상층부 및 하층부의 접착부분에서의 강도발현 효과로 인해 회복탄성 계수값이 작게 나온 것으로 판단된다. 회복탄성계수 값은 상 부층, 하부층, 복층구조의 순으로 값이 작아짐을 알 수 있다.
그림 8은 시험에 이용된 시편의 온도감온성을 평가하기 위하 여 사용된 것으로 회복탄성계수 또한 간접인장강도와 같이 상부층의 온도 감온성이 크게 나타남을 알 수 있었다.
4.4 선회다짐곡선을 이용한 다짐에너지
선회다짐기의 다짐횟수와 다짐곡선과의 상관관계를 이용하 는 이 방법은 주로 선회다짐비(Gyratory Ratio)를 이용하는 것이다(Browne, 2006). 특히, Bahia(1998)는 다짐곡선을 이 용한 에너지 해석법을 제시하였다. 선회다짐시 다짐에너지는 다짐시편의 부피변화를 만들고, 이러한 다짐에너지는 주로 입 자의 형상 및 입도에 큰 영향을 받는다. 다짐동안의 전단응 력은 다짐되는 입자의 마찰특성과 밀접한 관계를 나타낸다.
마찰저항이 클수록 다짐에너지는 증가하고, 다짐이 어려워진
다고 볼 수 있다(박태성 등, 2007). 이러한 다짐에너지 조건 을 본 실험 시편의 다짐조건에 반영하기 위하여 다짐회수를 증가시켜 다짐에너지를 평가하였다. 선회다짐곡선을 이용한 다짐에너지는 그림 9와 같은 힘의 합력조건을 이용하여 결정 할 수 있다. 선회다짐기를 이용한 다짐은 다짐하는 동안 동 일한 크기의 연직방향압력이 작용되고, 연직방향압력을 이용 한 다짐에너지는 다음과 같다.
Wv=Pv× ∆H (2)
Pv=pv× A (3)
∆H =Hbefore− Hafter (4)
(5) 여기서, Wv :다짐하중 Pv과 시편의 높이 변화를 고려한 다
짐에너지 (Nm)
pv :선회다짐기 다짐압력 (kPa) A : 시편의 단면적 (m2)
∆H : 시편의 다짐전 초기높이와 다짐후 높이의 차이 wv :다짐압력에 의해 결정된 단위 일량(unit work) V : 다짐 후 시편의 부피(m3)
그림 10은 선회다짐 1회 증가에 따른 구간별 다짐에너지 변화를 보여주고 있다. 이로 인한 다짐효과가 커짐을 알 수 있다. 전체적으로 약 20-30회 선회다짐회수 범위에 이르면, 구간별 다짐에너지의 변화가 매우 작아지는 경향을 나타내며, 이는 다짐으로 인한 시편의 부피변화가 상대적으로 작음을 의미한다. 그림 11은 누적된 다짐에너지를 시편의 부피로 나 누어준 단위부피당 누적된 다짐에너지를 보여주고 있다. 100 N-m/m3의 단위 부피당 다짐에너지를 지나면서 그래프가 완 만해 짐을 알 수 있다. 누적된 다짐에너지 곡선은 아스팔트 혼합물 시편의 소성변형특성을 간접적으로 예측할 수 있는 자료로 활용이 가능하다.
5. 결 론
저소음 포장체 개발을 위한 복층형 아스팔트 포장용 혼합 wv Wv
---V
= 표 6. 회복탄성계수
층구분 상층부 하층부 복층구조
강도온도 회복탄성 계수(MPa) 표준
편차 회복탄성
계수(MPa) 표준
편차 회복탄성
계수(MPa) 표준 편차 5oC 7102.3 2166.7 6815.9 2261.1 5576.7 2569.1 25oC 4385.5 591.8 2882.7 597.9 2298.5 499.6 40oC 1323.5 308.1 1092.1 403.9 1084.7 107.1
그림 8. 회복탄성계수의 온도감온성 평가
그림 9. 선회다짐 시편의 하중
물의 역학적 실험을 실행 하였고, 실험에 대한 결론을 다음 과 같이 평가하여 도출하였다.
(1) 마샬 안정도 시험의 하부층은 배수성 포장의 다짐횟수, 안정도, 흐름값, 공극률 모두 품질기준에 만족함을 알 수 있었다. 상부층의 경우에는 최대 공칭치수가 작은데 도 불구하고 다른 일반 적인 포장에 비해 다짐 횟수가 30회로 적고 공극률을 높게 하였기 때문에 안정도와 흐 름값이 다소 낮게 나타남을 알 수 있었다.
(2) 간접인장강도는 5oC에서 가장 크게 나오는데 바인더의 영향을 많이 받는 하부층의 값이 크게 나왔으며 최대공 칭치수 13 mm로 상부층에 비해 골재 입도가 크므로 저온에서 인장강도가 크게 나왔다. 25oC와 40oC에서는 상부층의 인장강도가 크게 나왔는데 최대공칭치수가 4.75 mm로 바인더의 영향보다는 골재의 영향을 많이 받음을 알 수 있다. 반면 복층의 25oC에서는 상부층, 하부층의 값보다 작게 나와 40oC와 차이가 거의 나타 나지 않았다. 이는 상부층, 하부층을 결합시켜주는 접착 바인더 때문이라고 판단된다.
(3) 회복탄성계수 시험의 기준이 되는 25oC에서 상층부, 하 층부 및 복층구조 시편의 회복탄성계수는 각각 4385.5
MPa, 2882.7 MPa, 및 2298.5 MPa를 나타내었다. 회복 탄성계수는 상부층, 하부층, 복층구조의 각 온도별로 높 게 측정되었는데, 각 공시체의 실험 값들의 표준 편차 를 분석해 보면 온도가 높아질수록 표준 편차가 작아짐 을 알 수 있었다. 이는 간접인장보다 작은 반복 하중 공시체에 주기 때문에 온도가 높아지면 응력에 대한 변 형률의 변화가 작게 되는데 최대 입도 크기가 작은 상 부층이 크게 나타난다고 판단된다.
(4) 선회 다짐기에 의한 다짐에너지는 작은 입도들로 배합 된 상부층에서 처음엔 하부층보다는 큰 다짐에너지로 시작하였지만, 다짐을 시작하고 바로 하부층과 다짐에 너지가 거의 같아짐을 알 수 있었다. 그리고 선회다짐 횟수별 단위부피당 다짐에너지는 하부층보다 상부층의 기울기 가 커짐을 알 수 있는데 이는 상부층의 최대 입도가 하부층에 비해 작기 때문으로 판단된다. 다짐에 너지를 누적한 경우 100 N-m/m3의 단위 부피당 다짐 에너지를 지나면서 다짐에너지가 일정한 값으로 수렴함 을 알 수 있다.
감사의 글
본 연구는 국토해양부 “도시재생사업단의 도심지 시공을 위 한 민원저감형 대체공법 개발” 연구비지원에 의해 수행되었고, 이에 감사드립니다.
참고문헌
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◎ 논문접수일 : 08년 11월 17일
◎ 심사의뢰일 : 08년 11월 25일
◎ 심사완료일 : 09년 01월 07일 그림 10. 상·하부층 시편의 다짐구간별 다짐에너지 변화
그림 11. 상·하부층의 단위부피당 다짐에너지 누적 변화량
