Evaluation of Impact Energy Absorption Characteristics of Flexible Sand Asphalt Pavement for Pedestrian Way

보도용 연성 샌드 아스팔트 포장의 충격흡수 특성 평가

Evaluation of Impact Energy Absorption Characteristics of Flexible Sand Asphalt Pavement for Pedestrian Way

최창정

⋅동배선

⋅김광우

⋅김성운

Choi, Chang-jeong⋅Dong, Baesun⋅Kim, Kwang W.⋅Kim, Sungun

Ⅰ. 서 론

아스팔트 콘크리트 포장은 유연성 (flexibility)이 크며, 우수 한 승차감, 보수의 용이성 등과 같은 특성으로 세계적으로 90% 이상의 도로에 적용되는 포장 (pavement) 공법이다 (Roberts et al., 1996). 하지만 국내의 경우 보도용 포장은 대부 분이 강성(rigid)의 콘크리트 고압블록, 보도블록 등 (공식용 어: 보도용 콘크리트 판)을 사용하고 있어 단차로 인한 평탄성 불량, 물고임, 파손에 따른 결함 및 골재 탈락 등이 발생하여 보행 시 문제를 야기 할 수 있다 (ibabynews.com, March 27, 2019).

국내에서는 고령화 사회 (graying society)가 시작되면서 고

령자 보행 시 보도의 단차로 인한 낙상위험이 높아질 뿐만 아니라 (Choi 2015, Roh et al., 2018), 보행 시나 낙상 시 인체 에 미치는 충격 문제가 제기되면서 충격을 완화하고자 기존 의 보도 포장재 표면에 고무를 덧씌운 기능성 보도블록이 등 장하였다. 하지만 이는 이질적인 고무부분이 조기에 분리되 면서 오히려 보행에 장애가 되어 안전을 위협하는 단점이 발 생하였다. 따라서 보행자 보행감 및 낙상 안전성을 개선하는 평탄성이 우수하고, 단차가 없으며, 충격흡수 성능을 가지는 보포포장재가 요구된다.

Kentucky 교통 센터 연구보고서는 샌드 아스팔트 혼합물 특별규격 제안하였고, 적절한 마찰저항을 가지는 샌드 아스 팔트 혼합물의 합성입도 통과율과 아스팔트 함량범위 (7∼

10%)를 제시하였다 (Havens, 1961). Burtwell과 Atkinson (1996)은 보도포장을 위한 설계보고서에서 보행자를 위한 아 스팔트 포장을 적용하중 조건에 따라서 분류하고, 각 조건에 따른 보도 포장의 층별 두께를 제시하였다. 보행자 전용포장 인 경우 전체 층 두께를 160㎜로 제안하였다. 또한, South Australia (2015) 주 정부는 교통 및 환경 조건에 따라서 자전 거 도로용 샌드 아스팔트 혼합물의 합성입도 기준을 제안하 였다.

NAPA 연구보고 (2002)는 소로, 보행자 도로 등에 적용되 는 아스팔트 포장에 대한 내구성을 제공하기에 충분한 아스

ABSTRACT

More than 90% of roadway in the world are paved as asphalt concrete pavement due to its excellent properties compared with other paving materials;

excellent riding quality, flexibility, anti-icing property and easy maintenance-ability. In this study, to make best use of the softer property of the asphalt mixture, the flexible sand asphalt mixture (FSAM) was developed for pedestrian ways. The mix design was conducted to prepare FSAM using PG64-22 asphalt, screenings (sand) less than 5㎜, crumb rubber, hydrated lime and limestone powder without coarse aggregate. The deformation strength (SD), indirect tensile strength (ITS) and tensile strength ratio (TSR) tests were conducted to make sure durability of FSAM performance. The impact energy absorption and flexibility were measured by drop-boll test and the resilient modulus (MR) test. The impact energy absorption of FSAM was compared with normal asphalt pavement, concrete pavement, stone and concrete block for pedestrian way. As a result of drop-boll test, FSAM showed higher impact energy absorption compared with other paving materials with the range of 18% to 43%. Impact energy absorption of FSAM increased with increasing test temperature from 5 to 40℃. The results of MR test at 5℃ showed that the flexibility of FSPA was increased further, because the MR

value of the sand asphalt was measured to be 38% lower than normal dense-graded asphalt mixture (WC-1). Therefore, it was concluded that the FSAM could provide a high impact absorbing characteristics, which would improve walking quality of the pedestrian ways.

Keywords: Sand asphalt mixture; pedestrian way; flexibility; impact energy absorption; drop-boll test

a PhD Students, Department of Regional Infrastructure Engineering, Kangwon National University

b Professor, Department of Regional Infrastructure Engineering, Kangwon National University

c Lecturer, Department of Regional Infrastructure Engineering, Kangwon National University

† Corresponding author

Tel.: +82-33-250-7283 Fax: +82-33-242-2095 E-mail: [email protected]

Received: March 22, 2019 Revised: April 11, 2019 Accepted: April 22, 2019

팔트 함량, 휨과 변형에 대한 안정성, 부드럽고 균일한 표면질 감, 수분손상에 저항할 수 있는 충분한 부착성능 및 작업성을 제공하기 위한 배합설계 방법 및 기준을 제시하였다. 배합설 계 시 최적아스팔트 함량 (optimum asphalt content: OAC) 결 정기준으로 다짐횟수, 공극률 (air voids), 골재 간극률 (voids in mineral filler: VMA), 마샬 안정도 (Marshall stability) 및 흐름 (flow), 인장강도 비 (tensile strength ratio: TSR) 등을 제 시하였다. 굵은 골재 최대치수 (nominal maximum aggregate size: NMAS)가 작은 아스팔트 혼합물은 상대적으로 큰 굵은 골재 최대치수를 가지는 혼합물과 비교하여 표층 평탄성 (smoothness), 주행성 (riding quality), 소음저감 (noise reduction), 낮은 투수성 (permeability), 우수한 작업성 (workability), 내마모성 (durability of abrasion) 등을 증가시킬 수 있다고 보고하였다. Louisiana의 4.75㎜ 아스팔트 혼합물은 최소 18.5%의 VMA를 제시하고 있다 (Danny Gierhart 2016).

최근 한국건설기술연구원에서는 초고령 사회를 대비하여 도시부의 보행시설물 설계를 위한 표준 보행모델을 개발하려 는 연구를 수행하였다 (Roh et al., 2018). 현장실태조사에서 과거보다 기준에 적합한 시설이 공급되고 있음에도 상대적으 로 보행환경에 대한 만족도가 낮은 것으로 조사되었고, 이는 현재 보도 시스템이 고령자의 보행행태와 맞지 않음에서 원 인을 찾고 있다. 조사결과 고령자의 전체적인 보행 능력은 일 반인 대비 78% 수준으로 속도는 68% 느리고, 보폭은 87%

수준으로 좁아 보도 보행 시 폭 넓은 돌출물 및 얕은 단차를 극복하는데 어려움이 있는 것으로 나타났다. 이는 보도설계 및 시공에 있어 평탄성 및 완만한 경사가 고려되어야 함을 의미한다. Park 등 (2016)은 낙상보호 팬츠개발을 위한 충격흡 수 소재 특성 평가 연구에서 낙상사고는 65세 이상의 고령자 에게서 20∼50% 많이 발생하는 것으로 조사되었으며 (Lee and Kim, 2003), 75세 이상의 고령자 사망원인은 낙상이 가장 많은 것으로 보고하였다 (Dellinger and Stevens, 2006).

일반적으로 보도 포장에는 보행안전을 위하여 미끄럼 저항성, 내구성 및 우천 시 원활한 보행을 위해 배수 및 투수기능 등이 요구되며 이러한 요구에 부합되게 다양한 재료가 개발되어 적용되고 있다. 하지만 보도용 일부 재료 는 차도용 아스팔트 혼합물에 비하여 1.5배 이상 고가 (http://cmpi.or.kr/main_new/, April 3, 2019)이므로 시외 지역 에 모두 적용하기에는 경제적 문제가 있을 수 있다. 따라서 보도 포장에 요구되는 기능과 내구성을 가지며 경제적으로 유리한 재료의 개발과 적용이 필요하다. 하지만 국내의 경우 보도 포장재로 아스팔트 혼합물 사용에 대한 연구는 거의 없 으며 일반 밀입도 (국토부기준 WC-1, WC-2) 아스팔트 혼합 물이 차도용 기준으로 보도에 적용되는 상황이다. 특히 초 고

령화 사회로 교통량이 적은 농촌 소도로 포장은 보행 감 및 낙상안전성이 우수한 연성포장이 절실히 필요하다.

본 연구의 목적은 보도포장용으로 개발된 연성 샌드 아스 팔트 포장 (flexible sand asphalt pavement: FASP) 혼합물의 여러 가지 특성 중에서 충격흡수 특성을 평가하여 이를 일반 차도용 아스팔트 포장, 콘크리트 포장 및 보도용 콘크리트 블 록과 비교⋅평가하는 것이다. 연성 샌드 아스팔트 혼합물을 기본 재료로 사용하여, 향후 고령화 사회에 대비하여 아스팔 트 포장 재료의 고유특성인 연성(flexibility)을 더욱 효과적으 로 활용하기 위한 것이며, 농촌 소도로, 보도포장 등에 적용을 위한 기초연구이다.

Ⅱ. 재료 및 방법

1. 사용 재료

국내에서 일반적으로 사용되는 공용성 등급 (performance grade: PG) 64-22 (침입도 규격 60-80, AP-5)의 도로포장용 아 스팔트를 사용하여 샌드 아스팔트 혼합물 (FSAM)을 제조하 였다. 연구에 사용된 골재는 굵은 골재 최대치수 5㎜ 이하의 화강암 (granite) 부순 모래 (screenings)이며, FSAM의 역학적 특성과 충격흡수성을 개선할 목적으로 #16체 (1.18m)를 모두 통과하고 #30체 (0.6㎜)에 35% 잔류하는 CRM (crumb rubber modifier: CRM)을 사용하였다. 기존 연구 (Kim et al., 2014)에 따르면 CRM을 5%이하로 사용하는 경우 일반 혼합물과 연성 차이가 크지 않아 본 연구에서는 아스팔트 중량대비 7.5%와 10% 사용하였다. 더불어 CRM 사용으로 인하여 발생할 수 있는 박리 (stripping) 현상을 방지하고 수분취약성 (moisture susceptibility) 및 노화 저항성 (aging resistance) 개선 등 우수 한 특성을 가지는 소석회 (hydrated lime)를 채움재의 일부로 사용하였다 (Kim 2015, Jeong et al., 2016). 채움재 (filler)로 석회석분 (limestone powder)을 사용하였으며, 문헌조사 (Havens et al., 1961, Rahman et al., 2011, Government of South Australia, 2015) 결과를 바탕으로 FSAM 입도를 개발하여 배 합설계를 수행하였다. 연구에 사용된 재료 (Fig. 1)와 FSAM 합성입도는 Fig. 2와 같다.

2. 배합설계

보도용 샌드 아스팔트 혼합물 포장에 요구되는 내구성, 수 밀성, 평탄성, 충격흡수 성능을 확보하기 위하여 배합설계를 수행하여 OAC를 결정하였다. 배합설계를 위한 공시체 제조 시 골재 (165℃), 아스팔트 (160℃)를 4시간 이상 가열하여 혼 합에 충분한 온도를 유지하였고, 혼합이후 단기노화 (short

term aging: STA)를 160℃ 비 환풍 오븐에서 1시간 수행하였 다. 단기노화가 끝난 혼합물로 이론최대밀도 (KS F 2366)를 측정하고, 공시체를 제조하여 양생 후 용적특성을 평가하고, 강도특성을 측정하였다. 본 연구에서는 선회 다짐횟수 75회, 공극률, 2∼5%, 인장강도 비 (Tensile strength ratio: TSR) 0.75 이상을 배합설계 기준으로 적용하였다. 문헌조사 결과 차도 용 아스팔트 혼합물과 달리 보도용 아스팔트 혼합물 기준에 는 골재간극률 (VMA), 포화도 (voids filled with asphalt: VFA) 및 강도 기준은 제시되지 않았으므로 본 연구에서 VMA 및 VFA 기준을 제외하고 공극률, TSR, 변형강도를 적용하였다.

Table 1은 문헌조사 결과를 바탕으로 FSAM 배합설계에 적용 한 기준이다.

3. 시험방법

가. 변형강도 시험 (deformation strength: SD)

아스팔트 혼합물의 내구성 (durability) 및 소성변형 (rutting) 에 대한 저항성은 전통적으로 마샬 안정도 (Marshall stability) 와 휠 트래킹 (wheel tracking) 시험 후 계산되는 동적안정도 (dynamic stability)로 평가해왔다. 하지만 마샬 안정도 시험 은 수직으로 다짐한 공시체를 수평방향으로 뉘어 놓고 시험 을 한다. 즉, 차량 윤하중이 작용하는 방향과 수직방향으로 하중을 가하여 시험하므로 합리적이지 못하다. 변형강도 (SD) 는 이러한 문제를 개선하여 보다 합리적이고 간단하게 측정

할 수 있도록 개발된 시험방법이다 (Kim et al., Jeong et al., 2006, Baek et al., 2007, Kim et al., Doh et al., Park et al., Jo et al., 2008, Kim et al., 2011). 변형강도 시험은 기존의 마샬 안정도 시험방법과 조건, 절차는 거의 동일하지만 시험 용 공시체 고정 장치 (fixture)를 달리하여 시험하게 된다. 이 시험방법은 수년간의 연구를 통하여 마샬 안정도에 비하여 객관적이고, 합리적일 뿐만 아니라 공용 중인 도로포장 현장 에서 발생하는 소성변형과 상관성이 매우 높음이 검증되어 국토교통부 아스팔트 혼합물 배합설계 기준으로 제시되었다 (Ministry of Land, Infrastructure and Transport, 2017).

본 연구에서 변형강도는 60℃ 항온 수조에 공시체를 30분 동안 수침 후 꺼내어 신속히 Kim-test 어셈블리에 넣고, 30㎜

/min의 속도로 수직 정하중을 가하여 얻어진 하중-변위 (P-δ) 곡선으로부터 최대하중 (P)과 이때의 변위 (δ)를 구하여 식 (1)을 이용하여 측정되었다 (Fig. 5).

_{ }

 ^  ^^



(1)

여기서, SD= 변형강도 (MPa), P= 최대하중(N), = 최대하 중시의 수직변형 (㎜)이다.

Fig. 3은 FSAM 혼합물 제조에 사용된 선회다짐기 (superpave gyratory compactor: SGC)이고, Fig. 4는 공시체 용적특성 평가 Fig. 1 Materials for FSAP; (a) sand (screenings), (b) CRM,

(c) limestone powder, and (d) hydrated lime Fig. 2 Gradation of FSAP mixture

Test Item Specifications Remark

Compaction Superpave Gyratory Compactor. 75 Marshall 50 blows of both side Deformation Strength (S_D, MPa) ≥2.2 Criteria of vehicle road is 3.2 MPa over

Tensile Strength Ratio (TSR, %) ≥75 The same as criteria with vehicle road

Air voids (%) 2-5 securement of watertightness

Table 1 Mix design criteria for sand asphalt mixtures

후 변형강도 시험을 위해서 60℃ 수조에서 공시체를 30분간 수침하는 사진이다. 특히, Fig. 3에 보여주는 SGC는 다년간의 연구개발 결과로 KS F 2377 규격에 적합하도록 자체 개발한 장비로 고가의 외산장비를 국산화시킨 것으로 둘 중 우측의 것을 사용하였다.

나. 간접인장강도 시험 (indirect tensile strength: ITS) 및 수분저항성

아스팔트 혼합물의 균열발생을 예측하는데 있어 유용한 특 성인 인장강도 (tensile strength)와 파괴 시 인장 변형률을 간 접인장강도 시험으로부터 구할 수 있다. 간접인장강도 시험 은 25℃ 시험온도에서 50.8㎜/min의 속도로 하중을 가하여 파 괴 시 최대 하중 (max load: P)과 파괴시의 변위 (displacement) 를 측정하여 대상 혼합물의 간접인장강도와 강성 (stiffness) 및 인성 (toughness)을 계산할 수 있는 시험방법이다 (Roberts

et al., 1996).

본 연구에서는 간접인장강도 측정을 위해 직경 100㎜ 원형 공시체를 내측 직경 100㎜로 오목한 하중 스트립을 공시체

상하 중심에 대고 하중을 가하였다. ITS는 공시체를 표준시험 온도인 25^oC 항온조에 4시간 넣었다가 꺼내어 신속히 50.8㎜

/min 속도로 하중을 가하여 얻어진 최대 하중을 식(2)에 대입 하여 구하였다.

수분저항성은 인장강도비 (tensile strength ratio: TSR)로 측 정하였다. 이를 위해 공시체 6개를 공극률을 7±0.5%로 제조 하여 물성 측정 후 3개는 60℃에 24시간 수침 후 25^oC 수조에 옮겨 2시간 넣었다가 꺼내어 ITS를 측정하고, 3개는 실온에 보관하였다가 측정하였다. 그리고 TSR은 식 (3)으로 구하였 다. Fig. 6은 본 연구에서는 수행한 ITS 시험을 보여준다.

_{ }





(2)

_{  }

_

_

×  (3)

여기서, ITS= 간접인장강도 (MPa), P= 최대하중 (N), D=

Fig. 3 SGC Fig. 4 Curing at 60℃ for Kim test

Fig. 5 Kim-test set up Fig. 6 ITS test set-up

공시체직경 (㎜), t= 공시체 두께 (㎜), TSR= 인장강도 비 (%),

_= 수침 후 ITS, _= 건조 상태의 ITS이다.

다. 충격에너지 흡수 (impact energy absorption) 시험 충격 에너지 (impact energy)는 물체에 일정 충격을 가했을 때 물체가 받는 에너지 총량이다. 일반적으로 충격시험은 충 격력에 대한 재료의 취성 (brittleness) 및 인성 (toughness)을 측정하는 시험으로 시험편에 충격을 가하고 반응 할 때 흡수 되는 에너지 량을 측정하는 시험이다. 충격에너지는 온도, 시 간, 습도 등에 영향을 받으며, 물체에 충격이 가해지면 충격 면에서 받는 에너지의 90%는 대상 물체의 표면 상층 90%에 몰려있고, 충격완충 소재는 외부로부터 가해진 충격을 물체 의 반대편으로 전달하여 충격량을 흡수하고, 내부에 가해지 는 충격을 최소화하는 특성이 있다 (Park et al., 2016).

본 연구에서는 충격흡수에너지를 측정하기 위하여 낙구 (Drop boll) 충격시험을 수행하였다 (Fig. 7). 그림과 같이 내경 80㎜의 투명한 원형 플라스틱 관 안에 직경 63㎜, 무게 237g (2.324N)의 공을 포장체 표면 1,000㎜ (1m) 높이에서 자유 낙 하시켰다. 이때 공이 원형 관내에서 마찰 없이 자유 낙하 후 공시체 표면으로부터 반발되는 것을 촬영하여 동영상으로부 터 1차 반발높이를 측정하였다 (Japan Road Association, 1996, Choi 2015). 초기의 위치에너지 (potential energy: PE)와 반발 된 공의 높이를 측정하여 계산된 낙하 후 위치에너지의 차 (ΔPE)를 구하여 위치에너지 변화량, 즉 충격흡수에너지를 식 (4)로 구하였다. FSAM과 도로포장용 콘크리트, 도로용 아스팔트 콘크리트 및 보도용 블록 등에 대하여 drop-boll 시험을 수행하여 충격 흡수에너지를 측정하여 비교하였다.

Fig. 8은 다양한 재료에 대하여 drop boll 시험을 수행하는 모습이다.

∆  __ (4)

여기서,

Δ PE= 충격에너지 흡수량 (N-㎜), W= 공의 무게

라. 회복탄성계수 (resilient modulus) 시험

회복탄성계수는 아스팔트 혼합물 공시체의 공학적 성질을 평가하기 위해서 사용되고 있으며, 낮은 온도에서의 회복탄 성계수는 균열발생과 다소 관련이 있다고 알려져 있으며, 낮 은 온도에서 강성인 혼합물은 좀 더 연성인 혼합물에 비하여 이른 시기에 균열이 발생한다고 알려져 있다 (Roberts et al., 1996).

본 연구에서 CRM 함량에 따른 FSAM과 도로용 밀입도 (WC-1) 혼합물에 대하여 회복탄성계수 시험을 수행하였다.

시험온도는 5, 25, 40℃이고, 시험 전 6시간 이상을 온도조절 챔버에 넣은 후 간접인장강도의 10% 수준으로 haver-sine wave 하중을 작용시켜 시험을 수행하였다. 시험용 공시체에 는 strain gage를 부착하여 종 방향 및 횡 방향 변위를 데이터 로거로 기록 하였다 (Fig. 9). 실험 결과 수집된 하중-변위 곡 선으로부터 하중과 변위를 분석하여 5, 25, 40℃에서 포아송 비를 각각 0.25, 0.35, 0.4를 적용하여 회복탄성계수를 식 (5)로 계산하였다 (Roberts et al., 1996).

^MR t․ _h P  

(5)

여기서, MR=회복탄성계수 (MPa), P= 반복 하중 (N),

ν ₌

Fig. 8 Drop-ball test for paving material (a) asphalt pavement, (b) concrete pavement, (c) footway block and (d) curve stone between asphalt pavement and pedestrian way Fig. 7 Illustration of (a) drop-ball test concept

and (b) test on FSAP slab

Ⅲ. 시험 결과 및 고찰

1. 배합설계 결과 및 강도 특성 평가

CRM 함량이 0, 7.5%, 10%가 각각 사용된 FSAM 배합설계 결과 Table 2와 같은 결과를 얻었다. 차도용 밀입도 혼합물 (dense graded asphalt mixture: DGA) WC-1 과 비교하여 FSAM은 잔골재만을 사용하므로 최적 아스팔트 함량이 매우 높게 결정되었다. 변형강도는 CRM 7.5, 10%에서 평균 3.65 MPa로 국토교통부 차도용 기준인 3.2 MPa을 상회하여 내구 성이 우수할 것으로 나타났다.

간접인장강도 시험결과 FSAM은 개질재로 사용된 CRM 함량이 증가하면서 간접인장강도의 증가를 보이며 균열 저항 성이 향상되는 것으로 나타났고, 차도용 혼합물 1.0 MPa과 큰 차이를 보이지 않았다. 이는 본 연구에서 개발된 FSAM의 강도특성이 차도용 혼합물 수준과 동등 이상으로 확보된 것 을 의미한다.

2. 샌드 아스팔트 혼합물의 충격흡수 성능 평가

drop boll 시험을 10회 반복 실시하였고, 낙하 후 1차 반발 높이를 측정하여 계산한 평균 위치에너지 변화로 충격흡수 성능을 비교하였다. 실내 시험의 경우 온도변화와 CRM 함량 에 따른 FSAM과 WC-1의 충격 흡수 에너지를 비교하였고, 현장 실험은 보도 및 차도에 포설되어 공용중인 포장 재료에 대하여 충격 흡수에너지를 비교하였다.

Fig. 10은 우리나라의 계절에 따른 온도상태를 모사하여 5, 25, 40℃에서 drop boll 시험결과 충격 흡수에너지를 나타낸 것이다. 각각의 혼합물은 시험온도 상승과 함께 충격 흡수에 너지가 증가하였다. DGA의 경우 5℃에서 25℃, 40℃로 시험 온도가 상승하면서 충격 흡수에너지는 각각 13, 33%가 증가 하였다. CRM 0% FSAM은 온도가 상승함에 따라 각각 23, 37% 증가된 충격 에너지 흡수를 나타내었으며, CRM 7.5, 10%를 사용한 FSAM은 각각 15, 29% 및 20, 30%의 충격 흡수 에너지가 증가하는 것으로 나타났다.

모든 시험온도에서 CRM 10%를 사용한 FSAM의 충격 흡 수에너지가 가장 높게 나타났다. 각 시험온도에서 혼합물별 충격 흡수에너지 비교결과, 5℃에서 CRM 10% FSAM은 DGA에 비하여 14%, CRM 0% FSAM에 비하여 11% 증가한

Designation OAC

(%)

Air voids (%)

SD

(MPa, 60℃)

ITS (MPa, 25℃)

TSR (%)

DGA WC-1 5.0 4.0 4.6 1.0 94.0

CRM 0% 7.2 2.5 3.6 0.9 90.3

CRM 7.5% 7.8 2.3 3.7 1.1 93.2

CRM 10% 8.0 3.2 3.6 1.2 91.5

DGA: dense grade asphalt mixture, WC-1: gradation of 13㎜ of nominal maximum aggregate size CRM: crumb rubber modifier, contents of 0, 7.5, 10% of weight of total binder for sand asphalt mixture Table 2 Mix design results of sand asphalt mixtures

Fig. 9 Resilient modulus test system; ⓐ test fixture within temperature chamber, ⓑ load controller and data logger, and ⓒ strain gage-installed specimens to be tested

충격 흡수에너지를 나타내었고, CRM 7.5% FSAM과는 유사 한 흡수 능력을 나타내었다. 25℃에서 CRM 10% FSAM은 DGA, CRM 0%, CRM 7.5% FSAM에 비하여 각각 20, 7, 5%

증가한 충격에너지 흡수를 나타내었다. 40℃에서는 5, 25℃에 비하여 모든 혼합물의 충격 흡수에너지가 높게 나타났다. 이 를 통해 아스팔트포장 표면 온도가 50∼60℃까지 높아지는 여름철에는 충격에너지 흡수가 더 크게 나타날 것임을 예견 할 수 있다.

Fig. 11은 15℃ 온도에서 실시한 실내 및 현장 drop boll

실험 결과를 나타낸 것이다. 본 연구에서 개발한 보도용 FSAM과 차도 및 보도에 적용되어 공용 중에 있는 다양한 포장 재료를 대상으로 낙구 시험을 수행하여 충격흡수에너지 를 구하여 상대비교 하였다. 실험결과 CRM 10% FSAM은 차 도용 아스팔트 (실내), 차도용 콘크리트 (실내), 아스팔트 도로 (현장), 콘크리트 포장 (현장), 보도용 블록 A, B와 비교하여 각각 23%, 28%, 18%, 43%, 26%, 32% 이상의 높은 충격 흡수 에너지를 나타내었다. 이 결과는 FSAM이 외부 충격을 다른 포장 재료에 비하여 더 많이 흡수한다는 의미이다.

Fig. 11 Impact energy absorption for various field paving materials (test temperature at 15℃) Fig. 10 Impact energy absorption of sand asphalt mixtures by CR contents at various test

temperature

본 연구에서 가장 높게 충격에너지를 흡수하는 포장 재료 는 CRM 10% FSAM이고, 이를 사용한 현장 포설 FSAM에서 Drop ball 시험결과는 1,803 N-㎜로 실험실에서의 1,508 N-㎜

보다 약 20% 더 높게 나타났다. 이는 실험실 공시체의 공극률 이 3.2% (Table 2)에 비하여 현장다짐 밀도가 배합설계 밀도 의 약 96%로 다짐 되어 공극률이 7% 전후이기 때문에 나타난 현상이라 추정된다. 이렇게 FSAM의 충격 에너지 흡수율이 전체적으로 높은 것은 고무 성분인 CRM 사용과 혼합물을 구 성하는 5㎜ 이하의 잔골재 및 이로 인한 높은 아스팔트 함량 이 영향을 미치는 것으로 판단되었다. 본 실험에서 가장 낮은 충격에너지 흡수를 보이는 재료는 경계석인 석재, 콘크리트 포장도로, 보도용 콘크리트 블록 순으로 나타나 강성 재료인 석재와 콘크리트 제품의 에너지 흡수 능력이 낮은 것으로 나 타났다.

3. 샌드 아스팔트 혼합물 회복탄성계수 평가

Fig. 12는 5, 25, 40℃의 시험온도에서 CRM 함량에 따른 FSAM과 차도용 혼합물 (DGA WC-1)의 회복탄성계수 (Resilient modulus: MR)를 나타낸 그래프이다. 실험 결과 5℃

에서 25℃, 40℃로 온도가 증가함에 따라 MR은 크게 낮아졌 다. 이러한 현상은 아스팔트와 같은 점탄성 재료의 전형적인 특징이다. 시험온도 5℃에서 CRM 0% FSAM의 MR은 DGA WC-1에 비하여 39% 수준으로 낮아졌으며, CRM 함량이 7.5, 10%로 증가되면 MR은 30%, 28.9%로 더 낮아졌다. 시험온도 25℃와 40℃에서는 FSAM은 차도용 혼합물에 비하여 강성 (stiffness) 차이가 크지 않음을 알 수 있다. 이는 여름철 고온 상태에서 변형에 대한 저항성이 DGA WC-1에 비해 크게 감

소하지 않음을 의미 하는 것이다. 하지만 비교적 저온인 5℃

에서는 DGA WC-1과 FSAM의 MR 값 차이가 크게 낮아짐을 확인 한 것은 매우 고무적인 결과이다. 즉 상대적으로 낙상 위험이 높은 저온에서 FSAM의 충격흡수력이 상대적으로 우 수하고, 연성을 유지하므로 보행자에게 안락한 보행감과 안 전을 보장할 수 있기 때문이다.

그리고 저온에서도 낮은 MR로 높은 연성을 보이는 것은 균열 발생에 대한 저항성이 DGA WC-1에 비하여 우수함을 보여주는 것이다. Roberts et al., (1996)은 낮은 온도에서의 회 복탄성계수는 균열발생과 다소 관련이 있으며, 낮은 온도에 서 강성인 혼합물은 좀 더 연성인 (상대적으로 낮은 강성을 가지는) 혼합물에 비하여 균열이 이른 시기에 발생한다고 하 였다. 그러므로 FSAM은 본 연구에서 사용된 DGA WC-1에 비하여 보행안정성 뿐만 아니라 균열발생에 대해서도 안전하 여 수명유지에도 유리하다고 할 수 있다. 즉, 본 연구에 사용 된 FSAM은 고온에서 변형에 대한 저항성이 유지되며, 저온 에서 균열저항성이 개선된 보행자에게도 안전한 재료임을 알 수 있다.

4. 온도에 따른 충격 흡수에너지와 회복탄성계수의 상관관계

Fig. 13은 시험온도 5, 25, 40℃에서 CRM 0, 7.5, 10%

FSAM과 DGA WC-1의 MR과 충격 흡수에너지와의 상관관계 를 나타낸 것이다. 그림에서 보여주듯이 모든 시험온도에서 거듭제곱의 관계를 가지며 결정계수 R²는 0.72부터 0.953까지 의 결정계수를 나타냈다. 전술한 바와 같이 아스팔트는 온도 에 매우 민감하며 온도변화는 아스팔트 혼합물의 강성과 연

Fig. 12 Comparison of resilient modulus on sand asphalt mixtures by temperature

성에 영향을 미친다 (Brown et al., 2009). 본 연구 결과 온도 변화는 회복탄성계수와 충격 흡수에너지 특성에 영향을 미치 는 것을 알 수 있다. 또한 상온인 25℃의 경우는 R² = 0.953으 로 매우 높으므로 MR 값을 알면 별도의 시험 없이 충격에너지 흡수치를 추정할 수도 있을 것으로 보인다.

Ⅳ. 결 론

본 연구에서는 연성을 강화시켜 보도 포장용으로 개발된 샌드 아스팔트 혼합물에 대하여 배합설계를 수행하고, 용적 및 강도 특성과 내구성을 평가하였다. 최적아스팔트 함량으 로 제조된 샌드 아스팔트 혼합물은 변형강도 3.6MPa, 간접인 장강도 1.0MPa 이상 이었으며 5, 25, 40℃에서 Drop-boll 시험 에 의한 충격 흡수에너지 및 샌드 아스팔트 혼합물의 회복탄 성계수를 측정하여 차도 및 보도용 포장재와 비교⋅평가한 결과 다음과 같은 결론을 얻었다.

1. Drop boll 시험결과 샌드 아스팔트 혼합물은 온도 상승에 따라 충격에너지 흡수는 증가하였고, 증가폭은 CRM 0%

샌드 아스팔트 혼합물이 가장 크게 나타타났으며, 모든 시험온도에서 CRM 10% 샌드 아스팔트 혼합물의 충격 흡수에너지가 가장 높게 측정되었다. 이는 샌드 아스팔 트가 상대적으로 충격흡수율이 크며 고무분말의 사용은 그 비율을 더 증가시킨 것을 알 수 있다.

2. 현장에 포설된 차도 및 보도 포장 재료에 대한 drop boll 실험결과 CRM 10%를 사용하여 현장에 시험포장한 샌 드 아스팔트 혼합물이 가장 높은 충격 흡수에너지를 나 타냈다. 이것은 샌드 아스팔트 혼합물을 조성하는 잔골 재, 높은 아스팔트 함량, 개질재로 사용된 CRM 등의 복 합적 효과인 것으로 판단되며, 향후 도시는 물론 초 고령 화 사회인 농촌 소도로 포장에 적용 시 매우 효과적일 것으로 추정된다.

3. 회복탄성계수 (MR) 시험결과 5℃에서 샌드 아스팔트 혼 합물의 MR은 차도용 혼합물에 비하여 38% 수준으로 낮 아졌으며, CRM의 함량이 7.5, 10%로 증가하면 MR은 30%, 28.9%로 더 낮아졌으나 CRM 7.5%와 10% 사이에 는 큰 차이를 보이지 않았다.

4. 온도에 따른 충격 흡수에너지와 회복탄성계수 간의 상관 성 분석결과 시험온도 5, 25, 40℃에서 결정계수 R²는 각각 0.72, 0.95, 0.85로 나타났다. 특히 25℃에서는 R²는 0.953으로 매우 높으므로 MR 값을 알면 별도의 시험 없 이 충격에너지 흡수치의 추정 가능성이 있다.

감사의 글

본 연구는 중소벤처기업부에서 지원하는 지역 주력산업육 성 기술개발사업, “보행자 친화적 인도용 연성 샌드 아스팔트 포장 개발” 연구 지원과 강원대학교 석재복합건설신소재연구 소의 시설을 활용하여 수행됨.

Fig. 13 Relationship between impact energy absorption and resilient modulus at three test temperatures

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