Evaluation of Rutting Resistance and Moisture Sensitivity of Warm-Mix Asphalt Mixtures Using the Model Mobile Loading Simulator(MMLS3)

요지

아스팔트 혼합물을 중온에서 생산하여 다짐할 수 있는 중온 아스팔트 기술이 개발되었다. 중온 아스팔트 기술은 유해가스를 줄일 수 있어 친환경적 아스팔트 포장 기술로 인정받고 있으며 전 세계적으로 그 사용량이 점점 증가하고 있다. 최근, 국내에서도 순수 국 산화 기술로 중온 아스팔트 혼합물용 첨가제를 개발하여 이에 대한 품질평가와 중온 아스팔트 혼합물에 대한 성능평가를 수행하고 있 다. 2008년도부터 다수의 신설 국도 구간에 자체 개발한 중온 아스팔트 첨가제를 사용하여 생산한 중온 아스팔트 혼합물을 이용하여 시험포장을 성공적으로 완료하였다. 2010년 대전지방국도관리청 산하 신설 국도포장의 중간층에 두 종류에 중온화 첨가제(일반 중 온화 첨가제(WMA), 폴리머 개질 중온화 첨가제(WMA-P))를 사용한 두 종류에 중온 아스팔트 혼합물과 한 종류에 가열 아스팔트 혼 합물을 각각 생산하여 시험포장을 완료하였으며 시함포장에 사용한 혼합물을 사용하여 본 연구를 수행하였다. 현장 아스팔트 플랜트 에서 생산된 두 종류의 중온 아스팔트 혼합물(WMA, WMA-P)과 일반 가열 아스팔트 혼합물(HMA)을 각각 채취하였으며 실내에서 실제 도로에서 발생하는 차량하중과 환경을 모사할 수 있는 소형 포장 가속시험기(MMLS3)를 사용하여 아스팔트 혼합물의 소성변형 저항성과 수분민감도를 비교₩평가하였다. 소형 포장 가속 시험결과 현장 아스팔트 플랜트에서 생산한 중온 아스팔트 혼합물은 가열 아스팔트 혼합물보다 우수한 소성변형저항성과 수분민감도를 보여 주었다. 순수 국산화 기술로 중온 아스팔트 혼합물용 첨가제는 가 열 아스팔트 혼합물 보다 낮은 온도에서 중온 아스팔트 혼합물을 생산하고 다짐하는데 효과적인 것으로 평가되었다.

핵심용어

중온 아스팔트, 소형 포장 가속시험기, 소성변형저항성, 수분민감도

소형 포장 가속시험기를 이용한 중온 아스팔트 혼합물의 소성변형저항성 및 수분민감도 평가

Evaluation of Rutting Resistance and Moisture Sensitivity of Warm-Mix Asphalt Mixtures Using the Model Mobile Loading Simulator(MMLS3)

이 재 준 Jaejun Lee 정회원·한국건설기술연구원 기반시설연구본부 도로연구실 수석연구원·주저자 (E-mail : [email protected]) 김 용 주 Yongjoo Kim 정회원·한국건설기술연구원 기반시설연구본부 도로연구실 수석연구원·교신저자 (E-mail : [email protected]) 양 성 린 Sunglin Yang 정회원·한국건설기술연구원 기반시설연구본부 도로연구실 연구원·공저자 (E-mail : [email protected]) 권 수 안 Sooahn Kwon 정회원·한국건설기술연구원 기반시설연구본부 도로연구실 선임연구위원·공저자 (E-mail : [email protected]) 황 성 도 Sungdo Hwang 정회원·한국건설기술연구원 기반시설연구본부 도로연구실 연구위원·공저자 (E-mail : [email protected])

ABSTRACT

Warm-mix asphalt(WMA) technology has been developed to allow asphalt mixtures to be produced and compacted at a significantly lower temperature. The WMA technology was identified as one of means to lower emissions for CO

and has been spread so quickly in the world.

Recently, two innovative WMA additives has been developed to reduce mixing and paving temperatures applied in asphalt paving process in Korea.

Since the first public demonstration project in 2008, many WMA projects have successfully been constructed in national highways. In 2010, the WMA field trial was conducted on new national highway construction under Dae-Jeon Regional Construction Management Administration. The two different WMA loose mixtures(WMA and WMA-P) and a HMA mixture were collected at the asphalt plant to evaluate their mechanical performance in the laboratory. The Third-scale Model Mobile Loading Simulator(MMLS3) was adopted to evaluate rutting resistance and moisture damage under different traffic and environmental conditions. In this study, plant-produced WMA mixtures using two WMA additives along with the conventional hot mix asphalt(HMA) mixtures were evaluated with respect to their rutting resistance and moisture susceptibility using MMLS3.

Based on the limited laboratory test results, plant-produced WMA mixtures are superior to HMA mixtures in rutting resistance and the moisture susceptibility. The WMA additive was effective for producing and compacting the mixture at 30℃ lower than the temperature for the HMA mixture.

KEYWORDS

warm-mix asphalt, third-scale model mobile loading simulator, rutting resistance, moisture sensitivity 한국도로학회 논문집

제13권 제2호 2011년 6월

pp. 41 ~ 48

1. 서론

중온 아스팔트 기술은 1996년 독일에서 최초로 개발되었으 며 미국에서는 2002년 도입되어 2004년부터 중온 아스팔트 기 술을 이용한 시험포장이 이루어졌다. 최근 여러 주 교통국에서 중온 아스팔트 포장이 가열 아스팔트 포장을 대신하여 현장에 시공이 되고 있으며 시공 실적이 2008년부터 증가하고 있는 추 세에 있다. 미국 국립 아스팔트 포장 협회(National Asphalt Pavement Association, NAPA)에서는 년간 약 100만톤 이상 에 중온 아스팔트 혼합물이 가열 아스팔트 혼합물을 대체할 것 으로 예상하고 있다(Acott 2009). 이러한 흐름에 맞추어 NCHRP에서는 중온 아스팔트 혼합물에 대한 배합설계법 개발, 현장적용 및 장기 공용성 평가에 대한 연구를 수행하고 있으며 중온 아스팔트 포장에 대한 국가 표준화 작업을 진행하고 있다 (AAT 2008; Anderson et al. 2008). 최근, 국립 아스팔트기 술센터(National Center for Asphalt technology, NCAT)에 서는 미국에 주 교통국을 대상으로 중온 아스팔트 기술 인증 프 로그램에 대한 설문조사를 실시하였다. 설문조사 결과 중온 아 스팔트 혼합물에 대한 성능 평가방법 가운데 소성변형저항성과 수분민감도를 가장 중요한 평가항목으로 선택하였다(Kvasnak et al. 2010). 이러한 설문조사를 바탕으로 국립 아스팔트 기술 센터에서는 중온 아스팔트 혼합물의 소성변형저항성과 수분민 감성을 AASHTO T 283 수분민감도 시험, 휠 트래킹 시험, Asphalt Pavement Analyzer(APA) Rut 시험, 및 동적 크리 프시험을 수행하여 평가하고 있다.

국내 도로포장 분야에서는 저탄소 녹색성장 정책에 기여하 고자 2006년 국가연구사업의 일환으로 중온 아스팔트 기술 개발에 대한 연구가 처음으로 시작되었으며 2008년도에 순 수 국산화 기술에 의한 중온 아스팔트 첨가제를 개발하여 이 에 대한 품질평가 및 중온 아스팔트 혼합물에 대한 성능평가 를 수행하고 있다. 이와 함께, 2008년도부터 6곳의 신설 국 도구간에 국내 자체 개발한 중온화 첨가제를 사용하여 생산 한 중온 아스팔트 혼합물을 성공적으로 시험포장에 적용하였 으며 단기₩장기 포장 공용성을 평가하기 위해 중온 아스팔트 시험포장 구간에 대한 모니터링을 실시하고 있다.

국내에서는 아스팔트 혼합물의 소성변형저항성을 평가하기 위하여 KS F 2374 “역청 포장 혼합물의 휠트래킹시험”을 수 행하고 있으며 수분민감도는 KS F 2398 “아스팔트 혼합물 의 수분 저항성 시험”을 수행하고 있다. 하지만, 최근에는 단 순한 시험방법 대신 실제 도로환경과 유사한 온도와 하중 조 건을 실내에서 모사하여 아스팔트 혼합물의 소성변형저항성 이나 수분민감도를 평가할 수 있는 시험장비와 시험방법이 개 발되고 있다. 특히, 남아프리카공화국에서는 Full Scale 포장 가속시험기를 1/3로 축소하여 실내에서 소성변형 및 균열저 항성, 수분으로 인한 아스팔트 혼합물의 손상 등을 종합적으

로 평가할 수 있는 소형포장가속시험기(Third-scale Model Mobile Loading Simulator(MMLS3))를 개발하였다. 현재 미국, 스위스, 중국 등에서 포장관련 연구 분야에서 널리 사용 되고 있다(Kruger et al. 2004). 국내에서는 2009년 한국건 설기술연구원에서 소형 포장 가속시험기를 구입하여 다양한 아스팔트 혼합물에 대한 소성변형저항성, 균열저항성, 수분민 감도에 대한 공용성 평가 자료를 축적하고 있다.

2010년 6월 대전국도관리청 산하 신설 국도포장의 중간층 에 두 종류에 중온화 첨가제(일반 중온화 첨가제, 폴리머 개 질 중온화 첨가제)를 사용하여 두 종류에 중온 아스팔트 혼합 물과 가열 아스팔트 혼합물을 동일한 플랜트에서 각각 생산 하여 시험포장을 완료하였다. 아스팔트 플랜트에서 생산된 두 종류에 중온 아스팔트 혼합물(WMA, WMA-P)과 일반 가열 아스팔트 혼합물을 각각 채취하여 실내에서 실제 도로 에서 발생하는 차량하중과 환경을 모사할 수 있는 소형 포장 가속시험기(MMLS3)를 사용하여 중온 아스팔트 혼합물의 소성변형저항성과 수분민감도를 비교₩평가하였다.

2. 포장 가속시험기의 종류 및 현장 공용성과의 관계

다양한 포장 가속시험기들이 소성변형저항성, 수분민감도, 피로파괴 등과 같은 공용성능을 실내에서 평가하기 위해 널 리 사용되고 있다(Epps 2001). 대표적인 포장 가속시험기 로는 Georgia Loaded Wheel Tester(GLWT), Asphalt Pavement Analyzer(APA), Hamburg Wheel-Tracking Device(HWTD), French Rutting Tester(FRT), Purdue University Laboratory Wheel Tracking Device (PURWheel), Model Mobile Load Simulator(MMLS3) 등이 있다. 포장 가속시험기는 실제 도로에서 차량하중이 포 장체 표층부에 가해지는 하중을 모사하기 위해 차륜하중을 시편의 표면 위를 반복적으로 작용시켜 이때 발생하는 파괴 현상을 측정하거나 관찰하여 아스팔트 혼합물의 공용성능을 평가한다.

Collins et al.(1996)은 포장 가속 시험에서 아스팔트 혼 합물의 소성변형저항성에 영향을 미치는 중요한 변수로 공극 률과 시험온도를 제시하였으며 공극률이 증가하고 시험온도 가 높을수록 소성변형에 대한 발생량이 증가하는 것으로 나 타났다(Collins et al. 1996; Shami et al. 1997; Stuart and Izzo 1995). 또한, 동일한 수준에 공극률로 다짐된 원형 공시체와 슬래브 공시체를 사용하여 각각 포장 가속 시험을 수행한 결과 소성변형저항성과 수분민감도에서 차이를 보여 공시체의 형식이 포장 가속 시험에 큰 영향을 미치는 것으로 나타났다(Hall and Williams, 1999). 동일한 골재와 입도 를 사용하고 다른 아스팔트 등급을 사용하여 준비한 아스팔

트 혼합물에 대한 포장 가속 시험을 수행한 결과 강성이 높은 아스팔트를 사용한 혼합물이 우수한 소성변형저항성을 보여 주었다(Collins et al. 1996; Stuart and Izzo 1995). 동일 한 골재와 아스팔트를 사용하고 서로 다른 공칭최대골재치수 를 사용하여 준비한 아스팔트 혼합물은 골재의 공칭최대골재 치수가 큰 입도를 가진 아스팔트 혼합물이 우수한 소성변형 저항성을 나타났다(Lai 1986).

2.1. 포장 가속 시험결과와 현장 공용성과의 관계 포장 가속 시험결과와 실제 현장에서 측정한 공용성 결과 와의 상관관계에 대해 많은 연구가 수행되었다. 대부분에 연 구결과는 포장 가속 시험이 실제 현장에서 발생하는 소성변 형을 대표할 수 있는지에 대한 상관관계로서 Lai(1986)와 Miller et al.(1995)은 Georgia Loaded Wheel Tester (GLWT)를 사용하여 측정한 소성변형저항성은 현장에서 측 정한 소성변형 저항성과 유사한 경향을 나타냈으며 West et al.(1991)와 Choubane et al.(1998)은 GLWT와 Asphalt Pavement Analyzer(APA)를 사용하여 소성변형저항성을 예측한 결과는 현장에서 측정한 실측결과와 유사한 경향을 나타내 포장 가속시험기가 현장에서 발생하는 소성변형을 평 가하고 예측할 수 있다고 보고하였다. 콜로라도 주 교통국에 서는 콜로라도 주에 33개 포장구간에서 측정한 현장 소성변 형 측정결과와 실내에서 French Rutting Tester(FRT)를 사용하여 예측한 소성변형 측정결과를 비교한 결과, 차륜하 중 통과 횟수를 줄이고 시험온도를 낮출 경우 실내에서 예측 한 소성변형 값과 현장에서 측정한 소성변형 값에 상관관계 가 증가하는 것으로 나타났다(Aschenbrener 1992).

MMLS3를 사용하여 평가한 소성변형저항성과 피로균열저 항성 결과는 텍사스의 Full-scale TxMLS를 사용하여 측정 한 시험결과와 매우 유사한 경향을 나타내 소형 포장 가속시 험기가 영구변형 및 피로균열에 대한 포장의 공용성을 예측 할 수 있는 것으로 평가되었다(Hugo et al. 1999). 미연방 도로국(FHWA)과 버지니아 교통국에서는 West Track의 10개 구간에 포장된 아스팔트 포장에 소성변형을 예측하기 위하여 3가지 포장 가속시험기(FRT, GLWT, HWTD)를 사 용하여 소성변형을 측정한 결과 West Track에서 측정한 결 과와 매우 높은 상관관계를 보여주었다(Williams and Prowell 1999). 또한, Hamburg Wheel-Tracking Device(HWTD)를 사용하여 아스팔트 혼합물에 수분민감도 평가결과를 20개 실제 도로구간을 대상으로 상관관계를 조사 한 결과 HWTD의 시험결과에서 stripping inflection point 와 stripping slope는 아스팔트 혼합물의 박리저항성을 구분 할 수 있 는 근 거 로 사 용 할 수 있 다 고 제 안 하 였 다 (Aschenbrener 1995). MMLS3는 수분으로 인하여 아스팔

트 혼합물의 스티프니스 손실에 의해 발생하는 박리현상을 평가하는데 효과적인 것으로 나타났다(Smit et al. 2002;

Walubita et al. 2002).

3. 소형 포장 가속시험기 특징 및 시험절차

소형 포장 가속시험기(Third-scale Model Mobile Loading Simulator(MMLS3))는 아스팔트 혼합물이 실제 도로포장에 노출되어 있는 환경을 최대한 모사하여 소성변형 저항성, 수분민감도, 균열저항성 등을 평가하기 위하여 남아 프리카공화국에서 개발되었으며 미국, 스위스, 중국 등에서 아스팔트 포장의 공용성 평가 연구에 널리 사용되고 있다. 남 아프리카공화국에서는 소형 포장 가속시험기를 활용하여 아 스팔트 포장의 소성변형저항성과 수분민감도를 평가할 수 있 는 국가 표준화 작업이 진행중이다(Rossmann 2008). 일반 대형 포장 가속시험기의 크기를 1/3로 축소한 소형 포장 가 속시험기는 그림 1과 같이 연속적인 루프 형식으로 단일방향 으로 현장 교통하중을 모사한다. 다짐된 원형 공시체 또는 슬 래브 공시체를 사용하여 시험이 가능할뿐만 아니라 실제 도 로포장 위에서 직접 소형 포장 가속시험기를 운영할 수 있어 보다 빠르게 아스팔트 혼합물의 성능을 실험실과 현장에서 동시에 평가할 수 있는 장점을 가지고 있다. 시험온도는 -10

℃~70℃까지 조절이 가능하며 건조상태와 수침상태에서 모 두 시험이 가능하다. 그림 1과 같이 소형 포장 가속시험기는 4개의 보기(bogie)로 구성되어 있으며, 각각의 보기에 직경 30cm의 고무타이어가 장착되어 있다. 이 타이어의 직경은 표 준타이어 트럭 직경의 1/3 크기이며 타이어의 회전속도는 자 유롭게 조절이 가능하다. 타이어의 압력은 102kg/m²을 유지 하여 최대 하중 275kg까지 적용이 가능하며 하중조건은 0.3 초 동안 harversine 하중이 작용하고 0.3초 동안 휴지기로 구성되어 있다(Muller and Hugo 2009).

그림 1. 소형 포장 가속시험기(MMLS3)

3.1. 공시체 준비

소형 포장 가속 시험을 위한 공시체는 수퍼패이브 선회다 짐시험기를 사용하여 다짐된 직경 150mm 원형 공시체 또는 현장에서 코어링한 직경 150mm 원형 공시체 모두 사용이 가능하다. 원형 공시체의 두께는 최소 30mm에서 최대 90mm까지 조절이 가능하다. 그림 2(a), (b)는 소형 포장 가 속 시험에 필요한 공시체의 단면을 나타낸 Schematic Diagram을 보여주고 있다. 수퍼패이브 선회 다짐시험기를 사용하여 다짐된 직경 150mm 원형 공시체는 소형 포장 가 속시험기에 설치하기 위해 원형 공시체에 양 끝단을 절삭해 야 하는데 그림 2(a)와 같이 직경 150mm 원형 공시체는 양 끝단에서 24mm 떨어진 부분(적색 점선)을 따라 절삭하게 되 고 절삭 후 그림 2(b)와 같이 소형 포장 가속시험을 위한 공 시체만 남게 된다. 양 끝단을 절삭한 소형 포장 가속시험 공 시체는 그림 2(c)와 같이 9개에 공시체를 한 세트로 설치하 여 소형 포장 가속 시험을 수행하며 차륜하중은 일렬로 나열 된 9개 공시체의 105mm 폭 안에서 작용하게 된다.

3.2. 시험절차

그림 3은 소형 포장 가속 시험의 시험절차를 요약한 것이 다. 그림 3(a)에서는 시험용 공시체가 설치된 테스트 배드에 온도를 조절하는 시스템으로 그림 3(b)에서 볼 수 있는 것처

럼 9개의 시험용 공시체를 테스트 배드에 설치한 후 프레임 내부에 물을 강제 순환시켜 공시체의 온도를 테스트 배드 온 도로 가열시킨다. 그림 3(c)는 테스트 배드 위에 소형 포장 가속시험기가 올려져 있는 모습이다. 그림 3(d), (e), (f)는 소형 포장 가속시험기로 일정 시간 동안 차륜하중을 작용시 킨 후 시험 공시체 표면의 프로파일을 측정하는 과정을 설명 해 주고 있다. 프로파일러는 RS232 시리얼 포트로 컴퓨터와 연결하여 컴퓨터 프로그램에 의해 자동으로 공시체 표면의 프로파일을 측정한다. 프로파일러는 직경 25mm, 폭 10mm 의 스틸 휠이 그림 3(e)와 같이 공시체 표면 위를 움직이면서 측정하게 된다. 변위측정의 resolution은 1 마이크로미터이 며, 총 540mm까지 프로파일을 측정할 수 있다. 그림 3(f)는 5만회에 교통하중을 운행한 후 공시체의 상태를 육안으로 비 교한 것이다.

4. 실험개요 및 평가방법 4.1. 공시체 준비

2010년 6월 대전지방국도관리청 산하 신설 국도포장의 중

그림 2. 소형 포장 가속 시험용 공시체의 Schematic Diagram

(a) 150mm 원형 공시체 (b) MMLS3 시험 공시체

(c) 9개 MMLS3 시험 공시체 세트

그림 3. 소형 포장 가속 시험 과정

(a) 온도 조절 시스템 (b) 9개 시험용 공시체 설치

(c) MMLS3 셋업 (d) 프로파일러 셋업

(e) 소성변형 측정 (f) 시험종료 후 공시체

간층에 두 종류에 중온 아스팔트 혼합물(WMA; 일반 중온화 첨가제 사용, WMA-P; 폴리머 개질 중온화 첨가제 사용)과 일반 가열 아스팔트 혼합물(HMA)을 동일구간에서 시공하여 시험포장을 완료하였다. 두 종류에 중온 아스팔트 혼합물과 한 종류의 가열 아스팔트 혼합물은 동일한 아스팔트 플랜트 에서 연속적으로 생산되었으며 핫 빈 배합설계 시 최적 아스 팔트 함량은 5.0%로 결정되었다. 중온화 첨가제는 최적 아 스팔트 함량의 3.0%를 퍼그밀 믹서에 직접 투입하는 방법 (플랜트 믹스 타입)으로 중온 아스팔트 혼합물을 생산하였 다. 일반 중온 아스팔트 혼합물 (WMA)은 약 125±2℃, 폴 리머 개질 중온 아스팔트 혼합물(WMA-P)은 약 135±5℃, 가열 아스팔트 혼합물은 약 155±5℃에서 각각 생산되었다.

일반 중온 아스팔트 혼합물 (WMA)에서 아스팔트는 PG 70-22의 성능을 나타내며 폴리머가 첨가된 개질 중온 아스 팔트 혼합물(WMA-P)에서 아스팔트는 PG 76-22의 성능을 나타낸다. 일반 가열 아스팔트 혼합물에서 아스팔트는 PG 64-22를 나타낸다.

실내에서 소형 포장 가속 시험을 수행하기 위해 플랜트에 서 생산된 두 종류에 중온 아스팔트 혼합물과 가열 아스팔트 혼합물을 각각 채취하여 표 1에 정리한 것처럼 오븐에서 2시 간 동안 다짐온도에서 재가열하여 소형 포장 가속 시험용 선 회다짐 공시체를 준비하였다. 모든 공시체의 공극률은 4±

0.3% 내에서 준비되었다.

4.2. 시험 조건

소형 포장 가속시험기는 직경 30cm의 고무타이어가 한 방 향으로 연속적으로 교통하중을 모사하도록 설계되었다. 교통 하중을 모사하는 고무타이어의 회전속도는 다양하게 조절이 가능하지만 본 연구에서는 시간당 7,200회에 차륜하중이 회 전하도록 선택하였다. 이 조건은 2Hz의 동적하중이 실제 도

로포장 위에 작용하는 것과 유사한 수준이며 9km/hour 속도 로 주행하는 것과 동일한 효과를 나타낸다. 소성변형 저항성 을 평가하기 위한 시험온도는 54℃를 선택하였다. 수분민감 도를 평가하기 위한 시험조건은 소성변형저항성을 평가하기 위한 시험조건과 동일한 하중조건을 적용하였으며 시험온도 는 60℃를 선택하였다. 수분민감도 평가를 위한 소형 포장 가속 시험은 건조상태에서 뿐만 아니라 그림 4와 같이 공시 체가 완전히 물에 수침된 상태에서 소형 포장 가속 시험을 수 행하였다.

4.3. 평가방법

일반적으로 국내에서는 휠 트랙킹 시험 결과인 동적안정도 값을 이용하여 아스팔트 혼합물의 소성변형저항성은 평가하 고 있다. 하지만, 휠 트래킹 시험은 시편에 가해지는 접지압 조절이 어렵고(장비에 따라 조절범위 다름) 시험조건이 제한 되어 있어 실제현장에 발생되는 응력과 현장조건을 재현하기 힘들다는 단점을 가지고 있다. 하지만, 소형 포장 가속 시험 은 다양한 시험조건에서 소성변형량을 차륜하중별로 측정할 수 있다. 그림 5에서 알 수 있듯이 공시체 표면은 전체 소성 변형 깊이와 Heaving 구간, 패임구간으로 구분하여 아스팔 트 혼합물의 소성변형뿐만 아니라 균열 발생 정도를 육안으 로 관찰할 수 있다. 본 연구에서는 총 7회(15,000회,

표 1. 소형 포장 가속시험을 위한 공시체 제작 조건 및 시험조건

공시체 제작조건 및 시험조건

혼합물 종류 일반 중온(WMA)

아스팔트 혼합물

폴리머 개질 중온 (WMA-P) 아스팔트 혼합물

일반 가열(HMA) 아스팔트 혼합물 혼합물 가열온도 130 (2시간) 130 (2시간) 150 (2시간)

혼합물 다짐온도 115 130 145

혼합물 선회다짐 회수 60 65 60

소성변형저항성 평가시험

시험 공시체 수: 각 혼합물 당 3개 시험온도: 54℃(건조상태) 하중 주기: 2Hz(9km/hr) 차륜하중 통과 회수: 165,000회

수분민감도 평가시험

시험 공시체 수: 각 혼합물 당 3개 시험온도: 60℃(건조상태, 수침상태) 하중 주기: 2Hz(9km/hr)

차륜하중 통과 회수: 80,000회

그림 4. MMLS3시험을 위한 건조상태(상)와 수침상태(하)의 공시체

30,000회, 52,500회, 75,000회, 105,000회, 135,000회, 165,000회)에 걸쳐 차륜하중의 통과횟수에 따른 소성변형량 의 변화를 측정하여 소성변형저항성을 평가하였다.

소형 포장 가속시험기의 또 다른 장점은 빗길에서 노면에 서 일어나는 조건을 모사할 수 있다는 것이다. 따라서, 여름 철에 고온에서 발생하는 공용성 평가뿐만 아니라 비가 오거 나 눈이 내릴 때에 아스팔트 포장의 공용성도 평가할 수 있 다. 본 연구에서는 중온 아스팔트 혼합물의 수분민감도를 평 가하기 위하여 디지털 이미지 프로세스 장비를 사용하여 건 조상태와 수침상태에서 각각 소형 포장 가속 시험이 끝난 공 시체에 표면을 3차원으로 이미지화하여 소성변형이 발생한 부분과 골재가 탈리된 부분을 체적으로 계산하고 건조상태와 수침상태에서 공시체의 부피손실을 계산하여 중온 아스팔트 혼합물에 수분민감도를 평가하였다.

5. 실험결과 분석

먼저, 165,000회에 차륜하중을 통과시킨 후 두 종류에 중 온 아스팔트 공시체와 한 종류에 가열 아스팔트 공시체의 표 면을 육안으로 관찰하였다. 표 2에서 볼 수 있듯이 타이어가

반복적으로 통과한 휠 패스부분에는 소성변형이 분명하게 발 생하였으며, 타이어가 통과하지 않은 부분에서는 골재와 골 재 사이에 미세한 균열이 발생한 것이 나타났다. 이러한 균열 발생 현상은 테스트 배드로 구속된 부분에서 shear flow가 억제되어 발생한 것으로 판단된다. 또한, 중온 아스팔트와 가 열 아스팔트 공시체 사이에서 균열 진행 정도도 차이가 있음 을 관찰할 수 있었다.

5.1. 소성변형저항성 평가

두 종류의 중온 아스팔트 혼합물(WMA, WMA-P)과 일반 가열 아스팔트 혼합물(HMA)에 대한 소성변형저항성을 평가 하기 위해 공시체의 온도가 54℃인 고온에서 165,000회까지 반복 차륜하중을 통과시켜 소형 포장 가속 시험을 수행하였 다. 시험오차를 줄이기 위해 두 종류에 중온 아스팔트 혼합물 과 가열 아스팔트 혼합물에 대하여 각각 3개의 공시체를 준비 하여 동시에 소형 포장 가속 시험을 수행하였다. 그림 6은 세 종류의 아스팔트 혼합물에 대하여 3개 공시체에 대한 평균 소 성변형량을 차륜하중 통과횟수 별로 나타낸 것이다. 그림 6에 서 볼 수 있듯이 차륜하중의 통과 횟수가 증가 할수록 소성변 형 깊이가 증가하고 있으며 초기 소성변형 발생량이 큰 것으 로 나타났다. 3개의 폴리머 중온 아스팔트 공시체의 소성변형 량은 1.44mm에서 2.36mm로 측정되었으며 3개의 일반 중온 아스팔트 공시체의 소성변형량은 2.53mm에서 3.39mm로 측 정되었다. 3개의 일반 가열 아스팔트 공시체의 소성변형량은 2.60mm에서 5.56mm로 측정되었다. 전체적으로 중온 아스 팔트 혼합물은 일반 가열 아스팔트 혼합물과 비교하여 소성변 형 발생량이 작은 것으로 나타났으며 폴리머를 사용한 개질 중온 아스팔트 혼합물은 일반 가열 아스팔트 혼합물보다 소성 변형 저항성이 약 2배 우수한 결과를 나타내었다.

5.2. 수분민감도 평가

실제 아스팔트 포장에서 발생하는 수분에 의한 파손형태는 아스팔트가 수분에 의하여 노화되거나 경화되어 골재와의 점

그림 5. 차륜하중 별 소성변형 발생량 예

그림 6. 차륜하중 통과 횟수에 따른 3가지 아스팔트 혼합물의 소성변형량 변화 표 2. 소형 포장 가속 시험 후 공시체 표면 및 균열부분 모습

WMA 공시체 표면 WMA-P공시체 표면 HMA 공시체 표면

WMA 공시체 균열부분 WMA-P 공시체 균열부분 HMA 공시체 균열부분

착력 및 부착력을 약화시켜 골재 탈리현상과 함께 균열을 발 생시키고 이로 인하여 포트홀과 같은 부분 파손 형태로 발전 될 수 있는 잠재성을 가지게 된다. 또한 수분에 의한 손상이 발생되기 전, 초기 침하가 발생하게 되는데 이때의 침하 발생 량은 소성변형과 같은 형태로 발생한다. 굵은 골재의 탈리 및 포트홀, 소성변형 등의 파손은 결국 포장 표면에 변형을 발생 시키고 부피변화를 발생시키게 된다. 따라서 이러한 현상을 모사하기 위하여 소형 포장 가속시험기에서 수분에 의한 중 온 아스팔트 혼합물의 성능을 평가하기 위해 건조상태와 수 침상태에서 공시체의 온도가 60℃에서 80,000회의 차륜하 중을 통과시켰다. 소형 포장 가속 시험이 완료된 공시체는 25℃의 항온 건조로에서 3일 동안 항온 건조 후 디지털 이미 지 프로세스 장비를 사용하여 시험이 종료된 공시체의 표면 을 3차원으로 이미지화하여 소성변형이 발생한 부분과 골재 가 탈리된 부분을 체적으로 계산하고 건조상태와 수침상태에 서 공시체의 부피손실을 계산하여 세 종류에 아스팔트 혼합 물에 대한 수분민감도를 비교₩평가하였다.

그림 7은 건조상태와 수침상태에서 세 종류에 아스팔트 혼 합물의 손실부피와 부피변화율을 나타낸 것이다. 그림 7과 같이 모든 아스팔트 혼합물에서 건조상태의 부피손실이 수침 상태보다 더 큰 것으로 나타났다. 폴리머 개질 중온 아스팔트 혼합물의 건조상태 및 수침상태에서 부피손실이 각각 32,657mm³, 26,410mm³로 가장 작은 것으로 나타났으며 일 반 가열 아스팔트 혼합물의 건조상태 및 수침상태에서 부피 손실이 각각 61,554mm³, 38,5340mm³로 가장 큰 것으로 나 타났다. 또한, 건조상태와 수침상태에서 부피변화율을 계산 한 결과, 일반 중온 아스팔트 혼합물의 부피변화율이 일반 가 열 아스팔트 혼합물의 부피변화율보다 19.1% 낮은 것으로 나타났다. 따라서, 중온 아스팔트 혼합물은 수분에 의해 발생 할 수 있는 손상이 일반 가열 아스팔트 혼합물보다 작은 것으 로 평가되었다. 일반 가열 아스팔트 혼합물의 경우 건조상태 와 수침상태에서 부피변화율이 37.4%로 가장 큰 차이를 나 타내었다. 이러한 현상은 타이어 휠이 지나간 부분과 지나가

지 않은 부분의 경계면에서 전단력에 의한 히빙(heaving)현 상이 발생하여 소성변형 량이 크게 발생되었기 때문이다. 반 면 수침상태에서는 히빙현상이 발생되지 않고 단순 침하만이 발생하여 건조상태보다 적은 부피변화율을 나타내었다.

6. 결론

1996년 중온 아스팔트 기술이 처음으로 소개된 이후, 최근 에너지 절감과 환경보호라는 전 세계적으로 사회적인 이슈로 대두되면서 중온 아스팔트 기술에 대한 관심이 증가하고 있 으며 이에 대한 연구가 빠르게 진행되고 있다. 국내에서도 2006년 국가연구사업의 일환으로 중온 아스팔트 기술 개발 에 대한 연구가 처음으로 시작되었으며 2008년도에 국산화 기술로 중온화 첨가제를 자체 개발하여 이에 대한 품질평가 와 중온 아스팔트 혼합물에 대한 성능평가를 수행하고 있다.

본 연구에서는 2010년 6월 대전지방국도관리청 산하 신설 국도구간의 중간층에 국내에서 개발한 두 종류에 중온화 첨 가제(일반 중온화 첨가제(WMA), 폴리머 개질 중온화 첨가 제(WMA-P))를 사용하여 두 종류에 중온 아스팔트 혼합물 과 가열 아스팔트 혼합물을 각각 생산하여 시험포장을 완료 하였으며 아스팔트 플랜트에서 생산된 두 종류에 중온 아스 팔트 혼합물(WMA, WMA-P)과 일반 가열 아스팔트 혼합물 을 각각 채취하여 소형 포장 가속시험기(MMLS3)를 사용하 여 실제 포장에서 발생하는 차량하중과 환경을 모사하여 중 온 아스팔트 혼합물의 소성변형저항성과 수분민감도를 평가 하였으며 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.

1. 국내에서 개발한 중온화 첨가제는 일반가열 아스팔트 혼 합물의 생산 온도보다 약 30℃ 정도 낮은 온도에서 아스 팔트와 골재가 혼합하여 다짐할 수 있는 역할을 해 준다.

2. 소형 포장 가속시험기(MMLS3)는 실제 도로환경과 유사 한 온도와 하중 조건을 실내에서 모사하여 아스팔트 혼합 물의 공용성능을 평가할 수 있다. 특히, 아스팔트 혼합물 의 소성변형저항성과 수분민감도를 평가하는데 유용하게 사용될 수 있다.

3. 소형 포장 가속시험기를 사용하여 54℃에서 165,000회까 지 차륜하중을 통과시킨 후 중온 아스팔트와 가열 아스팔 트 혼합물의 소성변형량을 측정한 결과 중온 아스팔트 혼 합물에서 소성변형이 작게 발생하여 가열 아스팔트 혼합물 보다 소성변형저항성이 우수한 것으로 평가되었다. 특히, 폴리머 개질 중온 아스팔트 혼합물은 일반가열 아스팔트보 다 2배 이상의 소성변형 저항성이 우수한 것으로 나타났다.

4. 건조상태와 수침상태에서 소형 포장 가속 시험을 수행한 결과, 중온 아스팔트 혼합물의 부피변화율이 가열 아스팔

그림 7. 아스팔트 혼합물에 따른 손실부피와 부피변화율 비교

트 혼합물의 부피변화율보다 작은 것으로 나타났다. 따라 서 중온 아스팔트 혼합물의 수분저항성이 가열 아스팔트 혼합물보다 우수한 것으로 평가되었다.

아직까지, 국내에서는 중온 아스팔트 혼합물에 대한 평가 자료가 부족할 뿐만 아니라 소형 포장 가속시험기와 같은 공 용성능을 평가할 수 있는 시험기관도 매우 제한되어 있다. 따 라서, 다양한 종류의 중온 아스팔트 혼합물에 대해 실제 도로 에서 경험하고 있는 하중조건과 환경조건을 변화시켜 중온 아스팔트 혼합물에 대한 공용성능을 검증해야만 한다.

감사의 글

이 논문은 한국건설기술연구원 저비용 저탄소 아스팔트 포장공법 개발 과제('09∼'13) 연구결과의 일부입니다.

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접 수 일 : 2010. 12. 22

심 사 일 : 2010. 12. 25

심사완료일 : 2011. 5. 20