1. 서 론
일상생활에서 발생하는 폐 유리병(waste glass bottle)은 분리, 수거, 운반, 세척과정을 거쳐 유리병으로 재사용되거나, 파쇄․선별, 용융 후 유리병 생산에 재활용되고 있다. 국내에서 발생하는 폐 유리병 재생원료의 경우 약 97%가 제병용도로 사용되고 있으나, 유리병 수요의 급감으로 유리병 재생원료의 적체가 심화되고 있다. 특히 3색(무색, 갈색, 녹색) 선별이 용이하지 못해 제병 용도로 재활용되지 못하는 폐 유리병 재생원료의 적체가 늘어나고 있는 실정이다.
건설재료로서 폐유리 재활용은 수거된 유리제품을 미분으로 분쇄하여 콘크리트 제조 및 2차 제품 제조, 아스팔트 혼합물 생산, 보도블록 생산 등에 잔골재를 대용하거나, 고도화 공정을 통해 글라스울, 단열재, 발포유리 등의 고부가가치 제품으로 활용이 가능하다(Song, 2016). 또한, 도로 포장용 아스팔트 혼합물 제조에 천연의 잔골재를 파쇄유리로 대체하여 생산하고자 하는 연구가 진행되어 여러 특허가 출원되었으나, 현재 국내에서는 파쇄유리 아스팔트 혼합물의 내구성, 공용성, 현장 생산성 등의 문제로 널리 적용되지 못하는 실정이다.
북미에서는 1960년대 말에서 1970년대 초에 파쇄 폐유리를 아스팔트 포장 재료로 재활용하는 연구를 수행하였고, 파쇄 유리(cullet)를 사용한 아스팔트 혼합물을 Glasphalt란 용어로 수십 년간 사용 중에 있다. FHWA에서는 도로의 기층 및 중간층용 아스팔트 혼합물 제조에 10~15%, 최대 25%의 파쇄 유리를 사용하여 만족할 만한 결과를 도출하였다. 아스팔트 표층에 15% 이상의 파쇄유리를 사용하는 경우 파쇄 유리로부터 아스팔트의 박리발생이 우려되기 때문에 소석회와 박리방지제의 사용을 권고하고 있으며, 12.7~6.4 mm, 9.5 mm 이하 입도의 파쇄 유리를 사용하여 아스팔트 혼합물을 제조할 수 있지만, 최적의 공용성은 4.75 mm보다 작은 입도에서 나타난다고 보고하였다. 파쇄 유리의 입도, 비중, 내구성에 대한 특성을 평가하고, 혼합물에 대하여 미끄럼 저항성, 안정성, 박리저항성, 반사율에 대한 특성을 평가하도록 하였다(FHWA, 1997).
높은 비율로 각이진 파쇄 유리는 둥근 입형의 모래와 비교하여 혼합물의 안정도를 개선하는 효과가 있음이 보고되었고, 아스팔트 도로 표층에 높은 비율로 파쇄유리를 사용하거나 또는 파쇄유리의 입자가 큰 경우에는 박리와 라벨링의 문제가 발생하였으며, 높은 타이어 마모율과 차량 라이트의 난반사로 인하여 운전자의 시야를 방해하는 것이 보고되었다(asphalt pro, glass in asphalt...). 또한, 파쇄 유리 사용 아스팔트혼합물의 공용성 평가 연구에서 파쇄 유리를 사용하면 아스팔트 함량은 감소하고, 작업성은 증가하며, 소성변형 저항성은 감소하고, 10%의 파쇄 유리 사용 시에 온도균열에 대한 영향은 없으며, 파쇄 유리 사용량에 따른 박리저항성은 파쇄 유리 사용량에 따라 부정적인 영향을 받는 것으로 보고되었다(Eric et al., 2016).
아스팔트 혼합물의 폐유리 함량 변화 및 입도에 따라 다양한 온도 조건에서 가열아스팔트 혼합물(HMA)의 거동 평가와 온도, 첨가제 비율 및 입도의 3가지 변수에 따라 Glasphalt의 강도특성 평가 연구에서 마샬 안정도 시험, ITS 시험의 결과 15%의 폐유리를 첨가하는 것이 최적의 함량이라고 제안하였다. 파쇄유리와 소석회를 첨가한 혼합물의 강성계수는 증가하였는데, 소석회의 박리방지 특성이 바인더로 코팅된 골재와 파쇄유리 사이의 응집력을 강화시킨다고 밝혔다. 아스팔트는 온도변화에 대한 감도가 높기 때문에 아스팔트의 점도 및 강성이 낮아져 Glasphalt 혼합물의 강성계수는 고온에서 감소하므로 Glasphalt의 동적 거동은 HMA에 비하여 온도변화에 민감하다고 하였다(Arabani, 2011).
반면 Farzaneh et al.(2018)은 재생골재와 폐유리를 사용하여 아스팔트 혼합물의 바인더 흡수 및 부피특성에 관한 연구 결과 재생골재와 폐유리를 함께 사용한 혼합물은 VFA의 증가를 보였고, 재생골재와 폐유리를 함께 사용하여 만든 혼합물에 대한 탄성률 시험결과 기존의 일반 아스팔트 혼합물보다 약 15% 더 높은 강성을 보이는 것을 발견하였다. 더불어 폐유리는 흡수율이 매우 낮기 때문에 아스팔트 바인더의 사용량을 줄일 수 있어 경제성이 높아지고, 아스팔트 혼합물의 탄성계수는 포장층 두께, 사용 수명 및 전체 비용에 영향을 미치는 포장특성을 결정하는 중요한 요소이기 때문에 재생골재와 폐유리의 조합으로 만들어진 아스팔트 혼합물은 환경 및 경제적 이점과 함께 포장체의 구조적 성능까지 함께 개선할 수 있는 방법이라고 하였다.
최근 국내에서 한국순환자원유통센터, 건설교통사업본부와 ㈜삼성아스콘에서는 공동으로 폐유리병을 파쇄한 파쇄유리를 잔골재로 사용하여 도로포장에 재활용함으로서 폐유리의 사용을 확대하고자하였다. 아스팔트 혼합물 생산에 천연 잔골재의 50%를 파쇄유리로 대체하여 배합설계를 수행하고, 실내시험 및 시험생산을 거쳐 포항시 오천-문덕 간 도시계획도로 400 m 구간에 약 70 ton의 기층용 폐유리 아스팔트 혼합물 시험포장을 성공적으로 수행하였다(Eco Journal, 2018).
도로 포장용으로 사용되는 아스팔트 혼합물 내부에서 골재와 아스팔트간의 결합력은 내구성 즉, 변형 및 균열에 대한 저항성에 큰 영향을 미친다. 점탄성 재료인 아스팔트는 높은 온도에서 액상으로 골재 표면을 피복(coating)하고, 온도가 떨어지면서 아스팔트는 고체화되며, 결합력이 발현된다. 이때 골재에 일부 흡수된 아스팔트는 혼합물에서 골재 간의 결합력을 강화시키고, 물로 의한 박리, 차량의 반복 윤하중으로 의한 변형 및 균열, 온도 응력에 의한 균열 발생 등에 저항하게 된다(Roberts et al., 1999). 하지만 파쇄유리를 사용하는 경우 파쇄유리 골재의 특성 중 하나인 매우 낮은 흡수율로 인하여 파쇄유리 골재는 아스팔트를 흡수하지 못하기 때문에 일반 혼합물과 비교하여 낮은 결합력이 예상되며, 이로 인하여 고온변형, 물에 의한 박리 및 피로 균열저항성 감소가 우려된다.
이에 본 연구에서는 천연잔골재(natural fine aggregate: NFA)와 함께 5 mm 이하의 파쇄유리 잔골재(recycled glass fine aggregate: GFA)를 사용하여 기층용 파쇄유리 아스팔트 혼합물을 제조하여, 소성변형 저항성, 균열저항성, 수분저항 특성시험을 수행하여 공용성능을 평가하고, 일반 혼합물 및 표층용 혼합물과 특성치를 비교하였다.
2. 재료 및 방법
2.1 사용 재료
2.2.1 아스팔트
본 연구에서 공용성 등급 64-22의 아스팔트(AP-5)를 사용하였다. Table 1은 아스팔트의 물리적 특성을 나타낸다.
Table 1. Property of asphalt binder
2.1.2 천연 골재(NFA)
본 연구에서 굵은 골재는 골재최대치수 25, 20, 13 mm의 화강암 굵은 골재를 사용하였고, 잔골재로 화강암 부순 모래, 채움재로 석회석분을 사용하였다. Table 2는 골재의 물리적 특성을 보여준다.
Table 2. Property of aggregate
2.1.3 파쇄유리 잔골재(GFA)
기층용 아스팔트 혼합물 제조 시 천연 잔골재를 일부 대체하기 위해서 GFA를 사용하였다. GFA 골재의 물리적 특성은 Table 3에 나타내었으며, Fig. 1은 아스팔트 혼합 플랜트의 야적장에 야적된 NFA 및 GFA이다.
Table 3. Property of GFA
2.2 시험 방법
2.2.1 배합설계
본 연구에서 NFA의 50%를 GFA로 대체하여 기층용 아스팔트 혼합물을 제조하였다. MOLIT (2017)에 의거 기층용 아스팔트 혼합물 입도(BB-2) 기준(Fig. 2)을 적용하여 배합설계를 수행하였다. 최적아스팔트 함량 결정 기준으로 변형강도 2.7 MPa 이상, 공극률 4~6%, 포화도 60~75%, 골재 간극률 12% 이상, 간접인장강도 0.6 MPa 이상, 터프니스 6,000 N.mm 이상을 기준으로 적용하였다.
Fig. 3은 아스팔트 혼합물 제조에 사용된 SGC(superpave gyratory compactor)로 강원대학교 미래포장연구실에서 다년간의 연구개발 결과로 KS F 2377 규격에 적합하도록 자체 개발한 장비로 고가의 외산장비를 국산화시켜 사용 중인 다짐기이다.
2.2.2 변형강도(deformation strength: SD) 시험
변형강도는 아스팔트 포장의 소성변형 저항성을 보다 합리적이고 간단하게 측정할 수 있도록 개발된 시험방법이다(Kim et al., 2006; Jeong et al., 2006; Baek et al., 2007; Kim et al., 2008; Doh et al., 2008; Park et al., 2008). 이 시험방법은 마샬 안정도에 비하여 객관적이고, 합리적일 뿐만 아니라 공용 중인 도로포장 현장에서 발생하는 소성변형 특성과 상관성이 매우 높음이 검증되어 현재 국토교통부 아스팔트 혼합물 배합설계 기준으로 제시되었다(MOLIT, 2017). 변형강도는 60°C 온도의 공시체에 하중을 가하여 얻은 하중-변형 곡선에서 최대 하중과 이때 표면으로부터 눌려 들어간 수직변형 을 측정하여 산출하였다(Fig. 4).
2.2.3 간접인장강도(indirect tensile strength: ITS) 시험
본 연구에서 직경 100 mm 공시체로 간접인장강도측정을 위해 안쪽이 직경 100 mm로 오목한 하중 스트립을 공시체 상하 중심에 대고 하중을 가하였다(Fig. 5). ITS는 공시체를 표준시험온도인 25oC 항온조에 4시간 이상 넣었다가 꺼내어 신속히 50.8 mm/min 속도로 하중을 가하여 얻어진 최대 하중을 적용하여 구하였다.
2.2.4 수분 저항성(moisture sensitivity) 시험
국내의 경우 친수성 골재인 화강암이 도로포장용 재료로 주로 사용되어 장마철과 동절기 동결융해 시 박리와 부분적인 파손이 우려된다(Kim, 2015). 일반적으로 사용되는 수분저항성 평가방법으로 TSR(KS F 2398) 방법이 있지만, 이 방법은 시험용 공시체의 공극률을 조정하는 과정과 전처리 과정을 거치므로 시험방법이 복잡하고 시간의 소요가 많다. 본 연구에서는 이를 개선하고자 개발된 SDR 방법(Jeong et al., 2016; Yun et al., 2017)을 적용하여 수분저항 특성을 비교하였다. 배합설계 결과 결정된 최적아스팔트함량으로 2조의 공시체를 제조하였고, 한 조는 25°C에서 건조시키고, 다른 한 조는 60°C 수조에서 24시간 동안 수침한 후에 변형강도 시험을 수행하였다(SDw). 건조 처리 공시체 1조는 60°C 온도 수조에서 30분 동안 처리한 후 변형강도(SDD)를 측정하였다. SDD와 SDW의 비를 계산하여 수분저항성을 비교하였다.
2.2.5 휠 트래킹(wheel tracking) 시험
차량의 반복 윤하중에 의해 발생되는 소성변형 특성평가는 KS F 2374에 시험방법을 규정하고 있다. 반복주행 시험은 300×300×50 mm 또는 300×150×50 mm의 슬래브 공시체를 제조하고, 60°C 온도에서 6시간 이상 거치하여 공시체 내부의 온도를 안정화하고, 재하 윤하중 686±10 N(70 kg)을 통과횟수 42±1회/min로 60분 동안 2,520회 통과시켜 반복주행시험을 수행하였고, 시간에 따른 공시체 침하량을 측정․기록하였다. 바퀴는 지름 200 mm, 폭 50 mm이고 1회 왕복거리는 230 mm이다. 반복 주행 시험 후 45분과 60분 사이의 침하량을 분석하여 동적안정도를 구하였다.
3. 결과 및 고찰
본 연구에서 NFA의 일부를 GFA로 대체하여 제조한 기층용 아스팔트 혼합물에 대하여 변형강도, 변형강도 비, 간접인장강도, 동적안정도를 측정하였다. 국내 도로포장에 일반적으로 적용되고 있는 일반 밀입도 혼합물, 개질 혼합물, 재생 혼합물, 준고온 아스팔트 혼합물(warm mix asphalt: WMA) 등과 그 성능을 비교 평가하였다. 다음의 Table 4는 GFA 아스팔트 혼합물을 포함한 다양한 도로 포장용 아스팔트 혼합물의 물리적 특성을 정리한 것이다. 이 특성 값들은 수년간 연구를 통해 축적된 자료의 일부이며, 이 값들과 GFA 혼합물의 특성을 비교하고, GFA 혼합물의 현장 적용가능성을 평가하였다.
Table 4. Properties of various asphalt mixture with GFA mixture
PMA: SBS (styrene butadiene styrene) modified asphalt, CRM: Crumb rubber modified asphalt
RAP: Reclaimed asphalt mixture, WMA: Worm mix asphalt
SDD: Deformation strength using non-preconditioning specimen, SDW: Deformation strength using preconditioning specimen
ITSD: Indirect tensile strength using non-preconditioning specimen,
ITSW: Indirect tensile strength using preconditioning specimen
RD: Final rut depth, DS: Dynamic stability
*TSR values of recycled mixture containing hydrated lime as anti-stripping additive
3.1 소성변형 저항성
3.1.1 변형강도
60°C 고온에서 소성변형에 대한 저항성을 평가하기 위한 GFA 아스팔트 혼합물의 변형강도와 일반적으로 사용되고 있는 포장용 아스팔트 혼합물의 변형강도와 비교하여 Fig. 6에 나타내었다. 그림에서 보여주는 것과 같이 GFA 혼합물의 SD는 3.52 MPa을 나타내고 있으며, 기층용 일반 아스팔트 혼합물의 약 80% 수준을 나타냈지만, 표층용 밀입도 13 mm(WC1) 일반혼합물 평균(3.61 MPa)과 비교하여 유사한 변형강도를 나타냈다. SBS 개질아스팔트 혼합물과 비교해서 평균 74% 수준, CRM 개질 혼합물과는 CRM 사용량에 따라 차이를 보이며, 8, 10, 12%의 CRM과 비교하여 각각 90, 84, 80%로 평균 85%의 수준의 SD를 나타내었다. 또한, 30, 50, 70% RAP과 재생첨가제를 함께 사용한 재생 아스팔트 혼합물과 비교하여 평균 99%로 유사한 변형강도를 나타내고 있으며, 최근 들어 여러 가지 환경적, 경제적 이익으로 인하여 국내에서 적용되기 시작한 표층용 WMA 혼합물과 비교하여 굵은 골재 최대치수에 따라 변형강도 차이를 보이기는 하지만 평균 99% 수준으로 유사한 SD를 나타냈다.
3.1.2 동적안정도
60°C 온도에서 Wheel tracking 실험 결과 최종침하깊이(final rut depth: RD) 및 45분과 60분 사이의 변형량으로부터 동적안정도(DS)를 구하여 다양한 혼합물과 DS를 비교하였다. GFA 아스팔트 혼합물 및 비교혼합물의 침하깊이와 동적안정도는 Fig. 7과 같은 결과를 나타내었다.
동적안정도는 하중이 접촉하는 공시체 표면이 1 mm 침하를 일으키는데 소요되는 하중의 통과횟수(mm/ passes)로 표현되며, 최종 침하깊이 및 45분 침하 깊이와는 역의 관계이고, 침하깊이가 증가하면 동적안정도는 감소한다. Fig. 7에서처럼, GFA 혼합물의 RD는 5.02 mm, DS는 1,374 pass/mm로 기층용 일반혼합물(1,827 pass/mm)과 비교하여 75% 수준을 보였고, 표층용 밀입도 혼합물 평균 DS와 유사한 DS를 나타냈다. SBS 개질아스팔트 혼합물과는 평균 36%, WMA 혼합물과는 평균 67% 수준의 동적안정도를 나타냈다. 또한, RAP을 30, 50, 70%와 재생첨가제를 사용한 13 mm 밀입도 재생 혼합물과 비교하여 각각 132, 97, 70% 수준으로 RAP 함량에 따라 달리 나타났으나, 평균 DS는 99.8%로 유사하였다. SD와 DS의 비교를 통해서 GFA 기층용 아스팔트 혼합물의 소성변형 저항성은 기층용 일반 혼합물과 표층용 개질 아스팔트 혼합물에 비하여 낮은 수준이나, 표층용 일반 및 30, 50% 재생 아스팔트 혼합물과 비교하여 유사한 수준의 소성변형 저항성을 나타낸다 할 수 있다.
3.2 균열 저항성 평가
상온에서 균열 저항성을 평가하기 위한 방법으로 널리 이용되는 간접인장강도 시험결과 GFA 아스팔트 혼합물의 간접인장강도는 Fig. 8과 같은 결과를 나타내었다. ITS 시험결과 GFA 혼합물은 0.74 MPa의 간접인장강도를 나타냈다. GFA 혼합물의 간접인장강도는 기층용 일반 혼합물의 87% 수준, 표층용 13 mm 밀입도 혼합물 평균 88% 수준이며, 개질 아스팔트 혼합물과 비교하여 60% 수준을 보였다. 또한, CRM 개질 아스팔트 혼합물과 비교하면 CRM 사용량에 따라 약간의 차이는 있지만 평균 71% 수준의 ITS를 나타냈다. RAP 30, 50, 70%와 재생첨가제를 사용한 재생 혼합물과 비교해서 평균 78% 수준(각각 88, 57, 60%)을 WMA와는 유사한 수준의 ITS를 나타냈다.
아스팔트는 온도에 매우 민감한 특성을 가지며, 고온과는 달리 상온에서 아스팔트의 온도 민감성이 저하되고 강성이 확보된다. GFA 혼합물의 상온에서 ITS는 비개질 일반 혼합물, RAP을 30% 사용한 재생혼합물 및 WMA와는 유사한 수준의 ITS를 보이며, 상온에서 균열 저항성을 확보한 것으로 판단되었다.
3.3 수분 저항성
아스팔트 포장은 물과 접촉 시 아스팔트와 골재의 계면에서 부착력 저하가 발생하며 박리, 골재탈락, 포트홀, 부분파손으로 손상이 진행된다. GFA 아스팔트 혼합물의 수분저항성을 평가하고자 시험한 SDR 및 TSR 시험으로부터 Fig. 9와 같은 결과가 나타났다.
GFA 혼합물의 TSR은 84% 수준으로 밀입도 혼합물과 비교하여 유사한 수준으로 나타났다. 개질아스팔트 혼합물의 TSR 95%에 비하여 88% 수준을 보였다. 30, 50, 70% RAP과 재생첨가제를 사용한 재생혼합물과 비교하여 각각 89, 98, 131% 수준으로 나타났다.
GFA 아스팔트 혼합물의 SDR은 TSR과 유사한 경향을 보였으며 전체적으로 TSR에 비하여 높은 값을 나타냈다. GFA 혼합물의 SDR은 94%로 기층용 일반 혼합물 및 개질 아스팔트 혼합물과 유사하였고, 표층용 일반 혼합물에 비하여 약간 높은 값을 보였다. 본 연구에서 비교군으로 활용된 혼합물의 SDR 및 TSR은 70% RAP을 활용한 재생아스팔트 혼합물을 제외하고 모두 75% 또는 85% 이상의 값을 나타내어 아스팔트 혼합물의 수분저항성 품질기준을 만족하는 것으로 나타났다.
4. 결 론
본 연구에서 기층용 아스팔트 혼합물 제조에 천연 잔골재를 대체하기 위해서 5 mm 이하의 파쇄유리 잔골재(GFA)를 사용하였다. 기층용 BB-2 입도기준에 따라 배합설계를 수행하여 최적아스팔트 함량을 결정하고, 시험생산 후 샘플링한 플랜트 GFA 혼합물 대하여 소성변형 저항성, 균열저항성, 수분 저항성 등 물리적 특성 시험결과 다음과 같은 결론을 도출하였다.
1. GFA 기층용 아스팔트 혼합물의 소성변형 저항성은 기층용 일반 혼합물과 표층용 개질 아스팔트 혼합물에 비하여 낮은 수준이나, 표층용 일반 및 30, 50% 재생 아스팔트 혼합물과 비교하여 유사한 수준의 소성변형 저항성을 나타내었다.
2. GFA 혼합물의 간접인장강도는 기층용 일반 혼합물, 개질 아스팔트 혼합물보다 낮았으나, 비개질 일반 혼합물, RAP을 30% 사용한 재생혼합물 및 WMA와는 유사한 수준의 ITS를 보이며, 상온에서 균열 저항성을 확보한 것으로 판단되었다.
3. GFA 아스팔트 혼합물의 TSR 및 SDR 시험결과 수분저항성은 표층용 밀입도 혼합물과 비교하여 유사한 수준으로 나타났으나, 개질아스팔트 혼합물과 30% RAP과 재생첨가제를 사용한 재생혼합물과 비교하여 약간 낮은 수준을 나타냈다.
4. 본 연구에서 GFA를 적용하여 제조한 기층용 GFA 혼합물은 소성변형저항성, 균열저항성 및 박리저항성에 대한 품질기준을 만족하였다.
