A Study for Evaluation of Hot Mixed Asphalt Mixtures with Tack-Coat Regarding High-Frequency Dynamic Resistance Performance and Bonding Property

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택코트 첨가 가열아스팔트 혼합물의 고주파 동적저항 특성 및 접착성능 평가에 대한 연구

A Study for Evaluation of Hot Mixed Asphalt Mixtures with Tack-Coat Regarding High-Frequency Dynamic Resistance Performance and Bonding Property

김`도`완 Dowan Kim 정회원·(주)건화 도로공항부 2팀 사원 (E-mail : [email protected])

문`성`호 Sungho Mun 정회원·서울과학기술대학교 건설공학과 부교수·교신저자 (E-mail : [email protected])

1. 서론

도로를 설계 및 시공하는 경우 포장의 다양한 성능이 나 수명을 연장시키기 위한 목적으로 역청재료를 사용 한다. 그 중 프라임코트(Prime Coat)는 기층이나 보조 기층에 이를 침투시켜 방수성능을 증가시키는 목적으로 사용되며, 이는 궁극적으로 골재간의 결합능력과 아스

팔트 포장의 접착성능을 높인다. 또 다른 코트의 종류로 서 표층과 기층 또는 중간층 사이의 부착력을 높이기 위 한 목적으로 택코트(Tack-Coat)를 사용한다. 실제 이 러한 역청재료들은 연성포장 구간이나 강성포장구간 및 교면포장구간 등의 다양한 현장에서 적용되고 있다. 특 히 택코트의 경우 포장의 상부표층과 기층 및 중간층에

Int. J. Highw. Eng. Vol. 17 No. 3 : 35-47 JUNE 2015 http://dx.doi.org/10.7855/IJHE.2015.17.3.035

ABSTRACT

PURPOSES : A tack coat has been utilized to increase the bond performance between the surface layer and base course (intermediate course) at various road pavement sites. This is similarly true in other nations. Based on this connection, the objective of the present study is to evaluate the properties of hot mix asphalt (HMA) mixtures with an RSC-4 or BD-Coat and determine the application rate of the tack coat.

METHODS : The HMA specimens were manufactured using superpave gyratory compaction. The HMA mixtures were composed of a 5-cm thick surface layer and a 10-cm thick base course. An impact hammer resonance test (IHRT) and a static load shear test were conducted to evaluate the performance of the HMA mixtures with a tack coat. From these tests, the dynamic moduli related to the high-frequency resistance and interlayer shear strength (ISS) of HMA could be obtained.

RESULTS : The results of the dynamic moduli of HMA are discussed based on the resonance frequency (RF). To check the accuracy of the IHRT, we conducted a coherence analysis. A direct shear test using the application of a static load test was carried out to evaluate the interlayer shear strength (ISS) of HMA.

CONCLUSIONS : The maximum ISS was demonstrated at an RSC-4 application rate of 462 gsm, and the maximum dynamic modulus was demonstrated at an RSC-4 application rate of 306 gsm. By averaging the results of the ISS, the maximum ISS values were obtained when a BD-Coat application rate of 602 gsm was applied.

Keywords

Impact hammer resonance test, Interlayer shear strength, Non-destructive test, Dynamic modulus, Tack coat

Corresponding Author : Sungho Mun, Associate Professor Dept. of Civil Engineering, Seoul National Univ. of Science and Technology, 232, Gongneng-ro, Nowon-gu, Seoul, 139-743, Korea Tel : +82.2.970.9014

E-mail : [email protected]

International Journal of Highway Engineering http://www.ksre.or.kr/

ISSN 1738-7159 (print) ISSN 2287-3678 (Online)

Received Mar. 18. 2015 Revised Mar. 19. 2015 Accepted Mar. 25. 2015

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서 층간의 분리현상을 억제시키기 때문에 노면자체의 포장수명 및 성능에 직접적으로 영향을 미친다. 택코트 의 적절한 사용은 하부층과 상부층의 접착력을 증가시 켜 포장의 파손이나 소성변형(Rutting)을 억제시킬 수 있는 반면, 과잉 살포되는 경우 표층재료와 역청재료가 혼합되어 소성변형을 일으킬 수 있기 때문에 설계지침 이나 시방서에서 이와 관련된 사항을 명확하게 규정해 야 한다.

2011년 국토해양부의 간행물인‘교면포장 설계 및 시 공 잠정지침’에 따르면 택코트를 아래 Fig. 1과 같이 연 성포장과 마찬가지로 교면포장에서 역시 상부층과 하부 층을 접착시키는 역할로 사용하는 것을 제시하고 있다.

택코트를 적용하게 되는 경우 살포온도, 포설량, 가용 택코트의 종류가 중요한 인자로 작용한다.

다양한 택코트의 종류 중 일반적으로 사용하는 택코트 는 RSC-4이지만 최근 국내 도로환경에 맞춘 특수한 역 청재료가 개발됨에 따라 그 종류도 다양해지고 있다. 이 에 대한 예로 고무계의 폴리머를 역청재료에 투과시키고 배합율에 변화를 준 BD-Coat와 부착성능뿐만 아니라 내구성까지 보완시키고자 개발된 Super Coat가 있다.

포설온도는 현장의 조건에 따라 다양하게 조정할 수 있으며, 포설량 역시 포장의 설계수명 또는 조건에 따라 달라질 수 있다. 그러나 택코트를 사용하는 경우 달라질 수 있는 이러한 변수들에도 불구하고 택코팅에 대한 사 항이 설계지침이나 시방서에 명확하게 제시되어 있지 않은 실정이다.

실제 도로포장공사 시방서에 따르면 설계 시 택코트 는 1m²당 0.2~0.6kg으로 포설하며, 살포온도는 현장의 상황을 고려하여 감독자가 지시하도록 되어 있다. 이러 한 지침 때문에 실제 도로현장에서 사용된 택코트의 양 과 종류 및 밀도가 달라질 수밖에 없다. 결국, 현장 환경 에 의해 변화하는 택코트 적용조건 때문에 택코트에 대

한 성능을 정확하게 파악하는 것이 어렵다.

최근 2012년에 이와 관련하여 NCHRP(National Cooperative Highway Research Program) Report-712에서 택코트에 대한 연구결과를 제시하였 다. 이 연구는 현재까지 전 세계적으로 택코트의 적용 및 설계가 현장 감독자의 경험과 공학적 판단에 의존했 기 때문에 이로 인해 발생하는 문제를 해결하려는 목적 을 기반으로 최적 택코트 사용사항을 결정하기 위해 진 행되었다. 그러나 이 연구는 국내 현장 및 적용조건을 고려하지 않는다는 한계사항을 내포하고 있다.

이와 관련하여 본 연구는 국내 환경 조건을 고려한 최 적 택코트 적용률을 결정하기 위한 목적을 가지고 있으 며, 목적을 달성하기 위해 다양한 택코트를 사용한 가열 아스팔트 혼합물의 접착성능과 동적저항 특성을 파악하 는 것에 중점을 두었다. 본 연구에서 사용된 아스팔트 혼합물은 실제 도로 현장 환경을 적용하기 위해 선회다 짐시험을 활용했으며, 첨가되는 역청재료의 경우 BD- Coat와 RSC-4를 사용함으로써 우수한 성능을 발휘하 는 코트를 선정하도록 하였다. 택코트를 첨가한 아스팔 트 혼합물의 외력에 대한 동적저항성능을 평가하기 위해 충 격 해 머 공 진 시 험 (IHRT, Impact Hammer Resonance Testing)을 실시하였으며, 접착면의 전단성 능을 평가하기 위해 만능재료시험기(UTM, Universal Testing Machine)를 이용하여 수행할 수 있는 새로운 전단 시험장비를 개발하여 접착성능시험을 실시하였다.

이 시험과정에서 역청재료의 적절한 사용량을 규명하기 위해 다양한 포설량을 설정하여 가열아스팔트 혼합물에 이를 적용하였다.

2. 택코트 첨가 가열아스팔트 혼합물 제작

본 연구에서는 표층과 기층 또는 중간층 사이의 접착 성능을 최적으로 발휘하는 역청재료의 종류와 적용률을 판별하기 위해 BD-Coat와 RSC-4를 사용하였으며, 국토해양부의 설계지침에서 지정한 사용량에 한하여 적 용률을 3단계로 구분하였다.

아스팔트 혼합물을 제작하는 과정에서 골재의 파손으 로 인해 각 층에 남는 이물질의 영향을 방지하고 현장의 조건을 보다 정확하게 구현하기 위해서 일반적으로 사 용하는 마샬다짐(Marshall Compaction)을 이용하기 보다 수퍼페이브 선회다짐(Superpave Gyratory Compaction)을 이용하여 가열아스팔트 혼합물을 제작 하였다. 또한 본 연구의 목적이 택코팅 성능을 평가하는

(국토해양부 교면포장 설계 및 시공 잠정지침, 2011)

Fig. 1 Layer Detail for Bridge Deck Pavement

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것이기 때문에 수퍼페이브 선회다짐 공시체의 구성이 표층과 기층으로 구현되도록 설계하였다. 설계 시 표층 과 기층의 두께는 일반적인 표층의 두께인 5cm(10% 오 차범위 내)와 기층의 두께인 10cm(10% 오차범위 내)로 구성하였다. 두 층을 만들기 위한 과정에서 기층을 제작 한 다음 역청재료를 포설하였으며, 역청재료 포설 역시 현장의 상황을 최대한 묘사하기 위해 기층을 생성한 후 기층의 표면상태를 청결하게 유지한 뒤 역청재료를 포 설하였다. 역청재료의 포설을 실시한 이후 택코트의 침 투 및 기층재료와의 혼합 문제를 해결하기 위해 약 한 시간에서 두 시간이 지난 후 다시 역청재료 위에 표층을 구성함으로써 택코트가 첨가된 가열 아스팔트 혼합물을 제작하였다. 아래 Fig. 2는 본 연구를 수행하기 위해 제 작된 가열 아스팔트 혼합물에 대한 설계 모형이다.

가열아스팔트 혼합물을 제작하는 과정에서 기층과 표 층의 혼합온도 및 다짐온도는 각 165℃, 155℃를 기준 으로 하였다. 배합설계 과정에서 골재의 입도 선정기준 은 최적아스팔트 함량 시험 중 KS F 2349의 기준에 맞 는 다짐횟수, 포화도(VFA), 간극률(VMA)을 통해 선정 하였다. 그 결과 표층과 기층용 골재는 각각 WC-2 및 BB-3로 결정하였다.

본 연구에서 사용하는 공시체가 직경 10cm의 선회다 짐 혼합물이기 때문에 역청재료의 투과량은 설계지침

내의 최소, 평균, 최대량의 3가지로 구분하여 적용하였 다. 또한 연구의 정확성을 높이기 위해 RSC-4를 투과 한 가열아스팔트 혼합물, BD-Coat를 적용한 가열아스 팔트 혼합물 2종으로 적용률에 따라 각 3구씩 제작하였 다. Fig. 3 및 Table 1은 본 연구에서 제작한 공시체의 사진 및 제원을 나타낸다.

Fig. 2 Data for HMA with Tack Coat

Fig. 3 Picture of HMA Mixtures

Table 1. Design Information about HMA Mixtures

HMA

No. Des. Design Inf.

1 2 3

No. 1

Void ratio(surface) 0.04 0.05 0.06 Weight(kg) 2.7526 2.7441 2.7472

Void ratio(base) 0.055

Diameter(cm) 9.99 9.98 9.99

Length(cm) 16.5 16.2 16.1

Quanity of tack coat

(g/m², RSC-4) 2.4

No. 2

Diameter(cm) 9.96 9.96 9.97

Length(cm) 16.5 17 16.4

(g/m², RSC-4) 3.6

No. 3

Diameter(cm) 9.97 9.99 9.97

Length(cm) 16.4 16.9 16.7

(g/m², RSC-4) 4.7

No. 4

Diameter(cm) 10 9.97 9.98

Length(cm) 16.7 16.8 16.8

(g/m², BD) 2.4

No. 5

Diameter(cm) 9.98 9.97 9.98

Length(cm) 16.7 16.3 16.5

(g/m², BD) 3.6

No. 6

Diameter(cm) 9.97 9.97 9.96

Length(cm) 16.6 16.6 16.5

(g/m², BD) 4.7

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3. 연성 포장의 택코팅 성능

최근 택코트의 접착성능을 강화시키고 다양한 환경에 적용하기 위해 새로운 종류의 역청재료가 개발되고 있 다. 이렇게 택코트의 기능적 의미가 중요시됨에도 불구 하고 국내 환경에 맞춘 명확한 택코팅 기준이 명시되어 있지 않은 실정이다. 본 장에서는 국내의 택코팅 기준과 국외의 연구결과를 비교함으로써 택코팅 기능 및 기준 의 중요성을 언급하고자 한다.

3.1. 연성포장의 택코팅 적용

일반 도로 또는 공항 내의 연성포장 구간 내에서 적용 되는 택코팅은 현장 환경의 조건을 고려하지 않는 경우 동등하게 적용된다. 일반적으로 택코팅에 사용되는 역 청재료는 유화아스팔트의 RS(C)-4로서, 이는 KS M 2203(유화아스팔트)기준에 맞는 것을 사용하여야 한다.

그러나 개질아스팔트 포장 구간 내에서 층간의 접착력 을 요구하여 택코팅을 실시하는 경우 폴리머 계열의 유 화아스팔트를 사용한다. 더욱이 택코트의 종류를 선정 하는 과정에서 역청재료는 제조된 후 60일 내에 사용해 야하기 때문에 각별한 주의가 필요하다.

역청재료를 사용하는 경우 시공표면 내에 있는 이물질 이 택코팅 후 부착능력에 영향을 미치기 때문에 파워 브 룸(Power Broom) 또는 파워 블로워(Power Blower)와 같은 장비를 이용하여 제거해야 한다. 역청재료를 포설 하는 경우 전 단면에 균일하게 살포되어야하기 때문에 이물질이 없는 표면의 포장 환경을 고려하여 아스팔트 디스트리뷰터(Asphalt Distributor)나 엔진스프레이 또 는 핸드스프레이 등의 장비를 이용하여 택코팅을 실시한 다. 부득이하게 살포되는 과정에서 균등하게 택코팅을 실시하지 못한 경우 타이어 롤러를 이용하여 포설된 택 코팅을 재정비하는 경우도 존재한다. 살포되는 과정에서 는 장비의 적절한 포설속도를 유지하여 과잉 살포되지 않도록 주의하여야 한다.

또한, 환경적 제약사항으로서 택코트 포설작업은 우 천 시 또는 기온이 5℃ 이하로 내려가는 경우 실시할 수 없다.

택코팅이 완료된 후에는 적용된 택코트의 휘발성분과 수분이 건조될 때까지 충분한 시간을 두고 양생을 실시 한 뒤 상부층을 포설해야한다.

시방서에 따르면 택코팅의 살포온도는 가열시킬 필요 가 있는 경우 감독자가 지시하는 온도로 맞추며, 양생시 간은 포장구간의 환경조건에 따라 달라질 수 있지만 보 통 1시간에서 2시간 사이로 명시하고 있다.

3.2. NCHRP Report-712

NCHRP Report-712는 택코트 재료의 선정과 가장 이상적인 성능을 발휘하는 택코트 적용률을 결정하기 위해 수행되었다. 이 연구는 본 연구에서 진행하는 개요 와 동등한 목적을 가지고 수행되었다. 이 연구는 더 나 아가 택코팅 적용장비의 선정, 측정방법, 아스팔트 바인 더 재료의 선정과 기존 택코팅과 관련된 AASHTO (American Association of State Highway and Transportation)의 기준 및 방법을 개정하는 것에 주 된 목적을 둠으로써 본 연구의 진행목적보다 포괄된 연 구를 진행하였다. 이 연구에서는 택코팅의 정확한 성능 을 조사하기 위하여 LTCQT(Louisiana Tack Coat Quality Tester) 및 LISST(Louisiana Interlayer Shear Strength Test)를 개발하였다.

NCHRP Report-712의 연구 결과에 따르면 이 연구 에서 사용된 모든 택코팅 물질이 0.155gsy(gallon per square yard)의 적용률에서 가장 높은 접착면 전단강도 (ISS, Interface Shear Strength)를 갖는 것으로 나타 났다. 이때 이물질 및 수분은 택코트의 성능에 지대한 영 향을 미치기 때문에 택코팅 표면의 청결 및 수분 제거를 강조하고 있다. 택코팅 온도의 경우 이 연구에서 -10℃

부터 60℃사이에서 시험을 수행하였으며, 그 결과 ISS 는 온도가 감소함에 따라 증가하는 추세를 보였다.

그러나 이 연구에서 가장 강조하는 것은 현장에서 코 어한 시험체나 연구실에서 제작한 공시체 모두 적용조 건이나 현장 환경에 따라 다소 큰 차이를 보인다는 것이 다. 다음 Table 2는 NCHRP Report-712에서 제시한 표면종류에 따른 택코팅 적용률에 대한 결과이다.

4. 택코트 성능시험

본 연구에서 수행하고자 하는 택코트 성능시험은 2가 지로 분류된다. 첫 번째 성능시험은 택코트가 첨가된 아 스팔트 혼합물의 동탄성계수 시험이다. 동탄성계수 시 험을 실시하는 목적은 기층과 표층의 부착성능을 증가

Table 2. Recommended Tack Coat Residual Application

Rate

(NCHRP Report-712, gsy) Surface type Residual application rate

New asphalt mixture 0.035

Old asphalt mixture 0.055

Milled asphalt mixture 0.055 Portland cement concrete 0.045

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시키기 위해 첨가된 택코트의 성능이 정확히 발휘되었 는지를 판단하기 위함이다. 만약 미리 제작되어 있는 기 층에 적용된 역청재료가 표층과 분리현상을 발생시키는 경우, 충격시험에서 충격파가 분산되어 정확한 신호에 응답할 수 없다. 이러한 이유 때문에 본 연구에서는 비 파괴 충격파를 이용하여 택코트가 첨가된 가열아스팔트 혼합물의 동적저항능력을 평가하였다. 또한 아스팔트 혼합물은 점탄성체로 외력의 조건에 따라 소성변형 (Rutting) 또는 피로균열(Fatigue Cracking)이 발생할 수 있는데, 이 시험의 비파괴 충격파를 이용하여 피로파 괴에 대한 고주파 외력 저항성능 평가를 실시하였다.

두 번째 성능시험은 택코팅의 접착성능을 평가하기 위한 목적으로 직접 전단시험을 수행하였다. 전 세계적 으로 택코트의 전단성능을 평가하기 위해 다양한 시험 장비가 개발되었으나, 본 연구에서는 연구조건 및 목적 에 맞는 새로운 장비를 개발함으로써 이를 수행하였다.

이 전단시험은 택코트가 첨가된 가열아스팔트 혼합물에 대한 각각의 ISS를 구함으로써 최적의 택코트 적용률을 파악하고자 하는 목적을 가지고 있다.

4.1. 비파괴충격파를 이용한 동탄성계수 측정시험 동탄성계수를 측정하는 방법은 시험의 목적에 따라 크 게 두 가지로 구분된다. 이는 점탄성체인 아스팔트 혼합 물의 특성과 관련되는 것이다. 일반적인 동탄성계수 시 험으로는 UTM(Universial Test Machine)을 사용하여 비교적 긴 외력주기(저주파 외력)에 대한 소성변형 저항 성능을 판단하기 위한 시험이 있다. 이 시험의 장점은 하 중 주기와 온도의 선정에 따라 시험을 반복 수행함으로 써 정확한 저주파 동적저항성능을 판별할 수 있다는 것 이다. 이 시험의 결과로서, 아스팔트 혼합물의 동탄성계 수를 파악할 수 있으며, TTSP(Time-Temperature Superposition Principle)이론과 Witzak의 이론을 이 용하여 Master Curve를 도출함으로써 전반적인 동적 저항 특성을 확인할 수 있다. 그러나 시험이 장시간 걸린 다는 것과 파괴시험이기 때문에 시험체의 반복적 사용이 어렵다는 단점을 가지고 있다. 또한 고주파 외력에 대한 정확한 성능을 파악할 수 없다.

반면, 비파괴 충격파 시험의 경우 파괴시험의 단점을 해결하고, 시험시간이 짧다는 장점이 있다. 또한 본 시 험에서는 충격파의 전달신호를 추적함으로써 접착불량 또는 탈리현상의 발생을 파악할 수 있다는 장점을 가지 고 있다. 이러한 비파괴 충격파의 특성을 이용해 동탄성 계수 시험을 실시하였으며, 비파괴 충격파 시험 중 새롭

게 개발된 충격해머공진시험(IHRT, Impact Hammer Resonance Test)을 수행하였다. 단, 파괴시험의 경우 저주파 외력을 적용하여 소성변형에 대한 저항만을 측 정하지만 비파괴 충격파 시험의 경우 피로파괴에 대한 저항특성만을 파악할 수 있다는 특징이 있다. 다음 Fig.

4는 본 연구에서 수행한 IHRT시험 사진이다.

IHRT의 시험방법은 Fig. 4의 우측에 있는 충격해머 를 이용하여 아스팔트 혼합물의 상단을 타격함으로써 발생되는 가진을 공시체 하부 진동계에서 수신하게 된 다. 수신된 신호는 다시 디지털신호로 변환하여 디지털 신호처리(DSP, Digital Signal Processing)과정을 거 쳐 주파수분석(Frequency Analysis)을 통해 시험체의 고유 공진특성(Resonance Characteristic)을 탐색하 게 된다. 파악된 혼합물의 고유 공진주파수는 자유도 결 정에 의한 동탄성계수 산정에 사용된다. 다음 Eq . (1)은 공진주파수를 이용한 아스팔트 혼합물의 동탄성 계수 산정식이다.

여기서, 은 택코트를 첨가한 아스팔트 혼합물의 밀 도이며, 은 충격해머를 통해 충격이 전달되는 경로의 최단거리를 의미한다. 또한 은 충격으로 인해 공진이 발생되는 자유도의 순번을 나타내며, 공진이 발생되는 경우 이에 해당하는 아스팔트 혼합물의 공진주파수가

이다.

따라서 본 연구에서 수행한 시험의 특성 상 가진에 의 해 아스팔트 혼합물 고유의 공진주파수를 탐색함으로써 동탄성계수를 산정할 수 있다. 다음 Fig. 5는 택코트를

Fig. 4 IHRT for Determining Dynamic Moduli

(1)

(6)

(a) 1-1 Specimen

(b) 1-2 Specimen

(c) 1-3 Specimen

(d) 2-1 Specimen

(e) 2-2 Specimen

(f) 2-3 Specimen

(g) 3-1 Specimen

(h) 3-2 Specimen

(i) 3-3 Specimen

(j) 4-1 Specimen

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첨가한 아스팔트 혼합물에 대한 주파수응답특성(FRF, Frequency Response Function)을 탐색한 결과이다.

본 연구를 진행하기 위해 제작된 아스팔트 혼합물 고유 의 공진주파수를 파악하기 위해서는 FRF, Coherence, 동탄성계수, 자유도에 대한 결과를 확인해야 한다.

강(Steel)과 같은 단일체와는 다르게 아스팔트 혼합 물은 바인더로 인해 골재가 결합되어 있는 연속체로 구

성이 되어 거동하기 때문에 공진 결과를 주파수에 따라 명확하게 판명하기 어렵다. 그러나 이러한 오류를 Coherence나 자유도를 탐색함으로써 연속체의 공진주 파수를 파악할 수 있다.

본 시험에서 한 공시체 당 가진을 한번 가하는 경우 오차가 발생할 수 있고, 이 오차로 인해 공진주파수가 일정하게 탐색되지 않을 가능성이 있다. 이를 해결하기

(k) 4-2 Specimen

(l) 4-3 Specimen

(m) 5-1 Specimen

(n) 5-2 Specimen

(o) 5-3 Specimen

(p) 6-1 Specimen

(q) 6-2 Specimen

(r) 6-3 Specimen

Fig. 5 FRF using IHRT

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위해 일관성을 나타내는 Coherence를 사용하여 오차 를 보정하고자 3회 가진을 적용하였으며, Coherence 를 이용해 공진주파수 및 시험의 정확성을 판별했다. 실 시한 IHRT시험에서 주파수특성의 Spand을 넓게 조사 하기 위해 가진을 탄성으로 발생시켰다. 다음 Eq. (2)는 Coherence에 대한 시험의 일관성을 파악하기 위한 번째 가진 보정식을 나타낸다.

여기서, 는 주파수 별 입₩출력에 따른 함수 결과이 다. 는 입력, 는 출력, 는 입₩출력신호를 나 타낸다.

또한 공진주파수를 탐색하는 과정에서 자유도의 경우, 본 연구에서 제작한 아스팔트 혼합물이 표층과 기층을 묘 사했다는 점과 FRF에서 2회 공진이 발생했다는 것 때문

(a) 1-1 Specimen

(b) 1-2 Specimen

(c) 1-3 Specimen

(d) 2-1 Specimen

(e) 2-2 Specimen

(f) 2-3 Specimen

(g) 3-1 Specimen

(h) 3-2 Specimen

(2)

(9)

(i) 3-3 Specimen

(j) 4-1 Specimen

(k) 4-2 Specimen

(l) 4-3 Specimen

(m) 5-1 Specimen

(n) 5-2 Specimen

(o) 5-3 Specimen

(p) 6-1 Specimen

(q) 6-2 Specimen

(r) 6-3 Specimen

Fig. 6 Coherence Rearding FRF

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에 어떠한 자유도를 적용할 것인가에 대한 결정을 해야 한다. 이뿐만이 아니라 점탄성 물체는 고온에서 점차 외 력에 대한 저항성이 작아진다는 것을 고려하여 공진주파 수를 탐색하여야 한다. 이러한 고려사항들을 충분히 반영 하기 위해 Fig. 6과 같은 Coherence를 도출하였다.

Coherence, FRF, 자유도를 탐색하여 동탄성계수를 구한 결과는 다음 Table 3과 같다.

4.2. 기존 택코팅 단면 전단 시험 연구

택코트를 첨가한 아스팔트 혼합물의 전단 및 강도특성 을 파악하기 위해 전 세계적으로 다양한 연구를 진행하였 다. 이는 우리나라뿐만이 아니라 택코팅에 대한 장비, 재 료, 적용률 등에 대한 정확한 지침이 존재하지 않기 때문 이다. 이러한 이유로 인해 다양한 국가에서 택코트에 대 한 영향을 평가하기 위해 수행한 연구들은 본 연구의 진 행목적과 크게 다르지 않다. 그러나 접착면의 전단강도를 측정하는 경우 시험방법에 따라서 비틀림, 압축, 피로 등 다양한 연구결과가 제시되었다. 다시 말해, 이 연구들의 택코팅의 성능을 평가하기 위한 일반적인 목적은 같으나 연구 세부 진행사항에 따라 시험방법이 다르다.

이와 관련하여 본 연구는 택코팅 아스팔트 혼합물의 파괴 시 최대 접착면 전단강도를 구하기 위해 수행되었 기 때문에 본 장에서 이와 관련된 연구 사례들에 대해 언 급하고자 한다. 아래 시험들은 택코트를 첨가한 혼합물 의 접착성능을 평가하는 시험방법에 따라 구분되었다.

Table 3. Dynamic Moduli Results from IHRT

0℃ 10℃ 20℃ 30℃ 40℃

1-1

Resonance

Frequency (Hz) 9082.00 8868.00 8098.00 7656.00 7186.00 Dynamic Moduli

(kPa) 10988.83 10477.07 8736.63 7808.94 6879.60

1-2

Resonance

(kPa) 9254.43 9389.90 8960.73 8189.74 5475.99

1-3

Resonance

(kPa) 10081.81 9919.79 9289.14 8114.29 6439.35

2-1

Resonance

(kPa) 9767.81 9658.90 8219.15 7855.92 6015.58

2-2

Resonance

(kPa) 9237.78 9096.94 8518.09 7319.72 5005.63

2-3

Resonance

(kPa) 11185.68 10853.06 10161.17 9300.65 7347.35

3-1

Resonance

(kPa) 10165.68 9614.01 8287.54 6720.80 5947.55

3-3

Resonance

(kPa) 9143.94 9049.55 8333.52 7377.42 4548.30

4-1

Resonance

(kPa) 10484.11 9783.73 8938.98 7078.17 5880.29

4-2

Resonance

(kPa) 9040.47 8956.39 8061.55 7020.94 5747.64

4-3

Resonance

(kPa) 7420.20 6583.22 5810.63 4561.10 3554.49

5-1

Resonance

(kPa) 7848.42 7865.06 7177.50 6192.19 5056.97

5-2

Resonance

(kPa) 7848.42 7865.06 7177.50 6192.19 5056.97

5-3

Resonance

(kPa) 9210.60 8542.99 7695.89 5804.44 4557.56

6-1

Resonance

(kPa) 9434.94 9022.70 7947.84 6792.00 4641.96

6-2

Resonance

(kPa) 8417.82 8439.09 7324.92 6143.46 4696.84

6-3

Resonance

(kPa) 9672.75 8468.36 8113.88 7730.26 4189.30

Fig 7. Dynamic Moduli according to Temperature Variations

Temperature(℃)

Dynamic Moduli(MPa)

(11)

4.2.1. Static Load Shear Test

일정한 하중을 가함으로써 혼합물 파괴 시의 최대응 력을 파악하는 시험에는 Leutner Shear Test, LTRC Direct Shear Test, Florida Direct Shear Test, ASTRA Interface Shear Test, Loboratorio de Caminos de Barcelona Shear Test(LCB)가 있다.

그 중 LCB와 ASTRA의 전단시험은 재하중 경계조건을 수평으로 적용하여 파괴를 유도하는 시험이다. 본 시험 을 수행하는 경우 경계조건에 상관없이 혼합물 접착면 의 접착 전단강도를 구할 수 있으며, 일정한 하중의 적 용으로 인해 Mohr-Coulmb의 파괴포락선에 따라 변 형과 파괴의 관계를 파악할 수 있다는 장점을 가지고 있 다. 그러나 아스팔트 혼합물의 도로 및 교통특성을 구현 하는 점하중을 적용하지 않기 때문에 실제 거동특성을 파악하기 어렵다는 단점을 갖는다.

4.2.2. Cyclic Load Shear Test

본 시험을 수행하는 과정에서 혼합물에 균열이 발생 하거나 파손될 때까지 초기 선택하중을 반복적으로 적용 함으로써 접착면에 대한 최대전단강도를 파악할 수 있 다. 이러한 방법으로 진행된 전단시험으로는 Virginia Shear Fatigue Test(36)이다. 본 시험의 장점은 반복 하중의 재하로 인해 실제 도로 및 교통특성을 묘사할 수 있다는 것이며, 이러한 이유로 인해 피로에 대한 접착성 능의 변화를 파악할 수 있다. 더 나아가 Virginia Polytechnic & State University와 Virginia Tech Transportation Institute에서 이에 대한 시험결과를 이용해 최적 택코팅 적용률까지 산정하였다. 결국 전단 시험 수행으로 성능뿐만 아니라 최적화 모듈까지 도출 할 수 있다.

4.2.3. Shear Test using Torque Force 일반적인 전단시험은 혼합물의 강도를 파악하기 위해 시험체의 접착면에 직접하중을 수직으로 가한다. 그러 나 이 시험방법은 위 두 시험방법과는 다르게 두 혼합물 층을 고정하여 비틀림(Torsion)을 가함으로써 토크에 의한 부착력을 파악하는 원리이다. 이 시험의 장점은 전 단강도뿐만 아니라 인장강도까지 파악할 수 있다는 것 이며, 이와 관련된 시험으로는 The ATacker Test, Torque Bond Test가 있다.

4.3. 택코트 첨가 접착면 전단강도 시험

본 연구에서 수행한 시험은 접착면에서 택코트가 발

휘하는 성능이 어느 정도인지 파악하고 이 결과를 통해 최고의 효율을 발휘하는 택코트 적용률을 결정하고자함 에 목적이 있다. 이와 관련하여 본 연구에서는 택코팅 성능을 평가하기 위해 새로운 시험방법을 개발하였다.

기존 연구에서는 택코팅의 성능을 평가하기 위해 새로 운 장비를 도입하는 고가의 시험을 수행하였다. 그러나 아스팔트 혼합물의 동적저항특성을 파악하는데 사용하 는 만능재료시험기를 개조함으로써, UTM장비 하나로 동탄성계수 시험과 전단시험을 수행할 수 있는 장비를 개발했다. 다음 Fig. 8은 본 연구에서 설계한 초기 장비 의 모형이다.

위 Fig. 8의 장비는 정적하중재하시험의 일종으로 전단 시험을 수행하도록 하는 장비이다. 그러나 본 연구에서 개발한 시험장비는 UTM장비의 특성을 활용할 수 있기 때문에 동적하중의 적용 역시 가능하다는 장점을 갖는다.

본 연구에서는 피로에 의해 발생하는 전단강도를 파 악하기보다 실제 택코팅 성능을 파악하기 위한 목적을 가지고 있기 때문에 택코팅 접착면에 대한 정적하중재 하시험을 수행하였다. 다음 Fig. 9는 본 연구에서 수행 한 전단시험을 보여준다.

Fig. 8 A Design Drawing for Shear Test

Fig 9. Shear Test using UTM

(12)

본 연구에서 개발한 장비를 사용하는 경우 고정부와 자유부의 휨응력이 발생할 수 있기 때문에 이를 방지하 고자 고정부 주위를 탄성체로 보호하였다. 시험은 22℃

에서 수행되었으며, 하중은 혼합물이 파괴될 때까지 가 하여 접착면이 저항할 수 있는 최대전단응력을 구함으 로써 택코팅의 접착면 전단강도를 산정하였다. 다음 Table 4는 각기 다른 택코트 적용률로 제조된 아스팔트 혼합물의 전단강도 및 최대전단하중 값을 나타낸다.

위 전단시험의 결과와 택코트의 적용률을 활용하여 다음 Fig. 10과 같은 결과를 도출하였다.

5. 결론

본 연구의 목적은 택코트를 첨가한 가열아스팔트 혼합 물의 동적저항성능과 접착면 전단강도를 파악하여 최적 의 택코팅 적용률을 도출하는 것이다. 택코팅의 실제 적 용을 고려하여 표층과 기층으로 구성된 선회다짐 가열아 스팔트 혼합물을 설계 및 제조하였다. 이 시험체에 첨가 된 택코트의 종류로는 BD-Coat와 RSC-4가 사용되었 으며, AASHTO기준에 제시되어 있는 적용량의 최소, 평균, 최대로 구분하여 첨가하였다. 이는 국내 기준에 맞 춘 최적 택코팅 적용률과 재료를 선정하기 위함이다.

제작된 혼합물의 성능을 평가하기 위해 IHRT시험과 직접전단시험을 수행하였으며, 이로 인해 혼합물의 피 로에 대한 동적저항특성과 전단강도를 파악하였다. 이 에 대한 본 연구의 결론은 다음과 같다.

1. 제조된 혼합물에 따라 전단시험의 결과에는 다소 차 이가 있으나 평균적인 전단강도를 확인한 결과, 전반 적으로 BD-Coat를 사용했을 때 접착면 전단강도가 높았으며, 이때 택코트 적용률은 602gsm이다.

2. 혼합물을 개별적으로 보았을 경우, RSC-4를 462 gsm의 비율로 적용했을 때 최대전단강도를 발휘하 는 것으로 나타났다.

3. Table 4.의 평균데이터에서 오차범위가 큰 혼합물을 제외하면 BD-Coat를 사용한 경우 평균적으로 전단 강도가 높지만, RSC-4를 적절하게 활용한다면 더 높은 전단강도를 발휘할 수 있을 것으로 사료된다.

4. 동탄성시험의 결과, RCS-4를 306gsm의 적용률로 두 층을 부착하는 경우 고주파외력에 대하여 가장 높 은 저항력을 발휘하는 것으로 나타났다. 또한, 전단 시험과는 다르게 BD-Coat를 사용하는 경우보다 택 코트를 사용할 때 항상 높은 동탄성계수를 갖는 것으 로 나타났다.

본 연구에서는 2가지 종류의 택코트에 대한 적용률이 포장체에 어떤 영향을 미치는지 확인하기 위해 수행되 었다. 차후 연구에는 더 다양한 택코트 종류를 사용하여 연구를 진행할 예정이며, 연구 진행 시 골재 배합구조에 따른 포장체 및 택코트 성능을 조사하고자 한다.

ACKNOWLEDGEMENTS

This study was conducted under research project (Development of Eco-Friendly Pavements to Minimize Greenhouse Gas Emissions) funded by the Ministry of Land, Infrastructure and Transport(MOLIT) and the Korea Agency for Infrastructure Table 4. Design Information about HMA Mixtures

HMA No.

Shear Test Results Max

Load (kN)

Aver.

Load (kN)

Max Shear Strength

(MPa)

Aver.

Shear Strength (MPa)

No.1

1 5.81 7.88

741.234

1006.11

2 9.24 1181.19

3 8.59 1095.90

No.2

1 11.81 9.51

1515.80

1219.87

2 8.27 1061.44

3 8.45 1082.37

No.3

1 8.01 8.70

1026.01

1112.82

2 9.21 1175.00

3 8.88 1137.45

No.4

1 9.93 9.40

1264.33

1200.65

2 8.06 1032.42

3 10.21 1305.19

No.5

1 6.77 8.93

865.44

1141.95

2 9.45 1210.46

3 10.56 1349.94

No.6

1 10.24 10.26

1311.66

1314.71

2 9.76 1250.17

3 10.77 1382.32

Fig. 10 Relationship between Application Rate and

Shear Strength

(13)

Technology Advancement(KAIA).

BIBLIOGRAPHY

American Association of State and Highway Transportation Officials(AASHTO; 1998). “Supplement to the AASHTO Guide for Design of Pavement Structures Part Ⅱ-Rigid Pavement Design and Rigid Pavement Joint Design”, Washington, D.C.: AASHTO.

American Association of State and Highway Transportation Officials(AASHTO; 1993). “AASHTO Guide for Design of Pavement Structures ”, Washington, D.C.: AASHTO.

Asphalt Institute. (1984). “Mix Design Methods for Asphalt Concrete and Other Hot Mix Types”, Manual Series No. 2(MS- 2). May. Lexington, KY: AI.

Jang, Byung-Kwan, Kim, Dowan, Mun, Sungho and Jang, Yeong- Sun. (2013). “Evaluation for Moisture Susceptibility of Asphalt Mixtures using Non-Destructive Impact Wave”, Journal of Korean Society of Road Engineers, 15(3), pp. 53-63.

Kim, Dowan, Han, Beomsoo, Kim, Yeonjoo and Mun, Sungho.

(2014). “A Study of Reliability of Predictive Models for permanent deformation and Fatigue Failure related to Flexible Pavement Design”, Journal of Korean Society of Road Engineers, 16(6), pp. 105-113.

Lee, Chang-Joon, Kim, Dowan, Mun, Sungho and Yoo, Pyeong- Jun. (2012). “Study on a Prediction Model of the Tensile Strain Related to the Fatigue Cracking Performance of Asphalt Concrete Pavements Through Design of Experiments and Harmony Search Algorithm”, Journal of Korean Society of Road Engineers, 14(2), pp. 11-17.

Mun, Sungho, Kim, Dowan, Jun, Eunbe, Lee, Sangyum and Yoon, Taesup. (2014). “Performance Evaluation of Porous Asphalt mixtures using Hydrated-lime ”, Journal of Korean Society of Harzard Mitigation, 14(6), pp. 1-10.

National Cooperative Highway Research Program(NCHRP).

(2012). “Optimization of Tack Coat for HMA Placement”, NCHRP Report 712.

Oyadiji S. O. and Tomlinson G.R. Determination Of The Complex Moduli Of Viscoelastic Structural Elements By Resonance And Non-Resonance Methods, Journal of Sound and Vibration, 101(3), pp. 277-298. 1985.

A Study for Evaluation of Hot Mixed Asphalt Mixtures with Tack-Coat Regarding High-Frequency Dynamic Resistance Performance and Bonding Property