1. 서 론

아스팔트 포장은 우기에 포트홀이 발생하는 등 수분 취약성을 가지고 있다. 우수가 아스팔트 혼합물의 골재로 침투하면 이러한 침투수는 아스팔트 피막과 골재를 분리시키며 친수성 골재인 경우 이러한 현상이 쉽게 일어나게 된다. 이러한 현상을 박리(stripping) 현상이라 하고, 박리현상으로 인하여 포트홀, 피로균열, 밀림 등의 파손이 일어나게 된다.

이와 같이 아스팔트 포장에서 우수 침투에 의하여 포트홀 등의 포장 파손이 발생할 경우에 교통사고의 위험이 증대될 수 있다. 그러므로 우수 침투에 의한 포장 파손을 방지하기 위하여 아스팔트 혼합물의 수분 민감성을 분석하고 수분에 민감한 영향인자를 분석하여 수분민감성을 개선하여야 한다.

따라서, 본 연구에서는 골재 및 첨가제, 아스팔트 혼합물의 종류에 따른 아스팔트 혼합물의 수분 민감 특성을 분석하고자 한다.

2. 아스팔트 혼합물의 종류에 따른 수분 민감 특성

아스팔트 혼합물의 수분 민감 특성 분석을 위하여 Table 1과 같은 시험인자를 이용하여 아스팔트 혼합물의 수분 민감도 시험 분석을 실시하였다. 골재는 화강암과 석회암을 사용하였고, 첨가제로는 소석회와 시멘트, 박리방지제를 사용하였다. 혼합물의 종류로는 밀입도 혼합물은 WC-3와 WC-1을, 그리고 특수 혼합물은 SMA를 사용하였다. 수분 민감 특성을 평가하는 시험 방법으로는 잔류안정도 시험과 TSR 시험을 사용하였다.

Table 1. Test factor

2.1 잔류안정도 특성

잔류안정도는 Fig. 1과 같이 48시간 수침 후 아스팔트 혼합물의 마샬 안정도를 수침 전 안정도로 나눈 값으로서, 수분의 침투에 의한 아스팔트 혼합물의 강도 저하 특성을 평가하는 물성치이며, 일반적으로 0.75 이상을 기준으로 하고 있다.

Fig. 1.

Residual stability test

Table 2와 Fig. 2는 골재의 입도 별 잔류안정도 결과를 나타낸 것이다. Fig. 2에서 WC-3와 WC-1의 잔류안정도 결과를 살펴보면 아스팔트 함량 변화에 대한 영향이 일정한 결과를 보이지 않는 것으로 나타났고, SMA 13mm의 경우 아스팔트 함량 변화에 따른 잔류안정도 값이 대체적으로 일정한 결과를 보이는 것을 알 수 있다. 따라서 잔류안정도가 아스팔트 함량 변화에 의한 영향을 받지는 않는 것으로 판단된다.

Table 2. Residual stability by the type of asphalt mixture

Fig. 2.

Residual stability by the type of mixture

2.2 TSR 특성

TSR(Tensile Strength Ratio) 시험은 Kandhal(2001)에 의해 개발되었으며, AASHTO에서 표준 시험법으로 채택되었다. 이 시험 방법은 물로 진공 포화(55~80% 수준으로 포화) 한 후, Lottman이 제안한 1회 동결과 1회 융해를 거친다. 모든 공시체는 51mm/분의 하중 속도로 25°C에서 간접인장강도를 측정하여 TSR을 결정한다. AASHTO T-283에서 수정된 Lottman의 아스팔트 혼합물 수분 처리 방법은 5~10분 동안 13~67kPa의 기압에 해당하는 진공 수준으로 수침한 후 진공 상태를 제거하고 다시 5~10분 동안 수침시킨다. 혼합물을 플라스틱 백에 넣고 -18±3°C의 저온 챔버에 최소 16시간동안 거치시킨 다음 꺼낸 시료를 60±1°C의 수조에 24±1시간동안 거치시킨다. 실험을 하기 전에 다시 25±0.5°C의 수조에 24±1시간동안 거치한 후 간접인장강도 시험을 수행한다. TSR은 보통 0.7 이상이면 수분에 영향을 받지 않는 혼합물로 규정한다. 현재 국내 기준은 KS 시험법(2017)에서는 동결 융해 과정을 거치도록 하였고, 아스팔트 혼합물 생산 및 시공지침(국토 해양부, 2015)에서는 동결 융해 과정없이 수분 포화만을 하도록 하였으며, 그 기준을 0.8이상으로 하였다.

본 연구에서 TSR은 아스팔트 혼합물의 간접인장강도 시험에서 아스팔트 혼합물의 수분 침투를 위하여 Fig. 3의 장비를 사용하여 진공 포화를 시키고 포화도를 측정한다. 포화도가 55~80%에 이르면 AASHTO T-283 규정에 의하여 시편의 동결융해 과정을 수행한다. 동결 융해 후 간접인장강도 시험을 실시하며, TSR은 다음과 같이 계산한다.

Fig. 3.

TSR test

인장강도비(Tensile Strength Ratio, TSR) = $\frac{S_2}{S_1}$

여기서, S₁: 건조 공시체의 인장강도

S₂: 수분 포화 및 동결 융해를 거친 공시체의 인장강도

Table 3과 Fig. 4는는 골재 입도 별 TSR 결과를 나타낸 것이다. Fig. 4에서 정도의 차이는 있으나 아스팔트 함량이 증가할수록 TSR이 증가하는 경향이 뚜렷하게 나타나고 있으며, WC-1과 WC-3 모두 5.0% 이상에서는 0.75 이상을 만족하는 것으로 나타났다. SMA는 밀입도 혼합물에 비하여 설계 아스팔트 함량이 2% 이상 높은 혼합물로써 아스팔트 함량 변화에 관계없이 0.75 이상을 모두 만족하는 것으로 나타났다.

Table 3. TSR by the type of asphalt mixture

Fig. 4.

TSR by the type of asphalt mixture

3. 첨가제 및 골재의 종류에 따른 수분 민감 특성

3.1 잔류안정도 특성

Table 4와 Fig. 5는 혼합물에 따른 사용 골재와 첨가제 별 잔류안정도 결과를 나타낸 것이다. Fig. 5에서 화강암 골재는 WC-3와 SMA가 첨가제의 종류에 따른 잔류안정도 특성이 전혀 다른 경향을 보여주는 반면에, 석회암 골재는 모든 혼합물에서 첨가제의 종류에 따른 잔류안정도 특성이 대략적으로 비슷한 경향을 보여주고 있다.

Table 4. Residual stability by the type of aggregate

Fig. 5.

Residual stability by the type of aggregate

전체 골재에 대하여 종합적으로 살펴보면 밀입도 혼합물에서는 첨가제로 소석회를 사용한 경우가 시멘트를 사용한 경우보다 잔류안정도가 높게 나타난 반면에, SMA에서는 그 반대로 나타났다. 첨가제의 특성에서는 A 계열의 박리방지제를 사용한 혼합물이 잔류안정도가 가장 높은 것으로 나타났고, 골재의 특성에서는 화강암이 석회암보다 잔류안정도가 높은 것으로 나타났다.

3.2 TSR 특성

Table 5와 Fig. 6은 혼합물의 종류에 따른 TSR 결과를 나타낸 것이다. Fig. 6에서 화강암 골재에서는 첨가제로 소석회를 사용한 경우가 시멘트를 사용한 경우보다 TSR이 높게 나타났고, 석회암 골재에서는 큰 차이는 없는 것으로 나타났다.

Table 5. TSR by the type of aggregate

Fig. 6.

TSR by the type of aggregate

전체 골재에 대하여 종합적으로 살펴보면 A 계열의 박리방지제가 TSR이 가장 높은 것으로 나타났다. 첨가제의 특성에서는 소석회가 시멘트보다 TSR이 높은 것으로 나타났고, 혼합물의 특성에서는 SMA가 밀입도 혼합물보다 TSR이 높은 것으로 나타났다. 그리고 골재의 특성에서는 석회암이 화강암보다 TSR이 높은 것으로 나타났다.

4. 수분 민감성에 영향을 미치는 인자 분석

4.1 골재 및 혼합물의 종류에 따른 수분 민감성

Table 6과 Fig. 7은 골재의 종류에 따른 잔류안정도와 TSR을 타나낸 것이다. Fig. 7에서 잔류안정도는 화강암 골재가 석회암 골재보다 크게 나타난 반면에 TSR에서는 석회암이 화강암 골재보다 높은 값을 나타냈다.

Table 6. Residual stability and TSR by the type of aggregate

Fig. 7.

Test results by the type of aggregate

혼합물의 종류에 따른 분석 결과를 Table 7에 나타냈다. Table 7에서 잔류안정도와 TSR의 평균 값은 SMA 13mm 혼합물이 가장 높은 값을 가지며, 그 다음은 WC-1, WC-3의 순으로 나타났다. 골재의 종류 별 분석에서 잔류안정도는 화강암이 석회암보다 큰 것으로 나타난 반면에, TSR은 석회암이 화강암보다 큰 것으로 나타났다.

Table 7. Test results by the type of aggregate and mixture

4.2 골재 및 첨가제의 종류에 따른 수분 민감성

첨가제는 소석회, 시멘트, A 계열 박리방지제의 3가지를 사용하여 잔류안정도 및 TSR에 대한 비교 분석을 하였다. Table 8은 첨가제의 종류에 따른 수분 민감도를 평균한 것이다. 잔류안정도의 경우에는 화강암 골재에서는 소석회가 시멘트보다 높게 나타났고, 석회암 골재에서는 시멘트가 소석회보다 높게 나타났다. TSR의 경우에는 화강암과 석회암 골재 모두 소석회가 시멘트보다 높게 나타났다. 전체적으로는 A 계열의 첨가제가 잔류안정도와 TSR 모두에서 가장 높은 것으로 나타났다.

Table 8. Test results by the type of aggregate and additive

원배치 분산분석을 사용하여 잔류안정도와 TSR을 비교 분석한 결과를 Table 9에 나타냈다. 여기서 P-value는 작은 값을 가질수록 수분 영향인자에 대하여 유의함을 나타낸다. 잔류안정도와 TSR에 대한 P-value를 분석한 결과, TSR의 평균 P-value가 0.207로 잔류안정도보다 낮은 P-value를 가지고 있으므로 수분 민감 특성 인자를 밝혀내기 위한 유의한 시험법으로 판단된다. 수분 민감도는 잔류안정도와 TSR의 두 가지 특성 모두가 혼합물, 골재, 첨가제 순으로 유의한 것으로 나타났다. 결론적으로 혼합물의 영향이 수분 민감 특성에 가장 많은 영향을 주는 것으로 나타나서, SMA가 밀입도 혼합물에 비하여 수분 침투에 대한 저항성이 우수한 것으로 판단된다.

Table 9. P-value by one-way ANOVA

분산분석 방법 중 인자 간의 교호작용을 알아보기 위해 이원배치 분산분석을 사용하여 분석한 결과를 Table 10에 나타냈다. Table 10에서 골재와 혼합물간의 조합이 수분 민감 특성을 가장 잘 나타내는 것으로 판단된다.

Table 10. P-value by two-way ANOVA

5. 결 론

본 연구에서는 아스팔트 혼합물의 수분 민감 특성에 영향을 미치는 인자를 분석하기 위하여 아스팔트 함량 변화, 골재 및 첨가제의 종류, 그리고 아스팔트 혼합물의 종류 별로 수분 민감도 시험을 실시하였고, 수분민감도 시험 방법으로는 잔류안정도 시험과 TSR시험을 실시하였다. 본 연구에서 얻어진 결론은 다음과 같다.

1) 아스팔트 함량 변화에 따른 분석 결과, 잔류안정도는 아스팔트 함량 변화에 따른 영향을 받지는 않는 것으로 나타난 반면에, TSR은 아스팔트 함량 변화에 따른 영향을 받는 것으로 나타났다. 아스팔트 혼합물에서는 SMA가 아스팔트 함량 변화에 대한 영향을 가장 적게 받는 것으로 나타났다.

2) 골재의 종류에 따른 분석결과, 잔류안정도는 화강암 골재가 석회암 골재보다 크게 나타난 반면에, TSR의 경우 석회암 골재가 화강암 골재보다 수분 침투에 대한 저항성이 높은 것으로 나타났다.

3) 혼합물에 대한 분석결과, 밀입도인 WC-3와 WC-1에 비해 SMA13mm가 첨가제의 종류에 따른 수분 민감도의 영향을 적게 받으며, SMA13mm가 밀입도인 WC-3와 WC-1보다 수분 침투에 대한 저항 특성이 큰 것으로 평가되었다.

4) 첨가제 특성에 대한 분석 결과, A 계열의 박리방지제가 수분에 대한 저항성이 가장 큰 것으로 평가되었다. 그리고 소석회는 시멘트보다 수분 침투에 대한 저항성이 우수한 것으로 평가되었다.

5) 분산 분석결과, TSR이 잔류안정도보다 혼합물의 종류를 평가하기에 유의한 방법으로 평가되었다. 재료 특성에서는 혼합물이 수분 민감도에 가장 큰 영향을 미치는 인자로 평가되었다. 수분 민감도에 영향을 미치는 인자 간의 교호 특성을 분석한 결과, 골재와 혼합물의 조합이 수분 침투에 대한 저항성에 가장 큰 영향을 주는 것으로 평가되었다.

이상의 분석 결과를 종합해보면 시험 방법에 대한 특성에서는 TSR이 잔류안정도보다 신뢰성이 높은 시험법으로 판단된다. TSR 특성을 기준으로 석회암 골재가 화강암 골재보다 수분 침투에 대한 저항성이 높으며, 혼합물 비교에서는 SMA가 일반 밀입도보다 수분 침투에 대한 저항성이 높은 것으로 나타났고, 소석회는 시멘트보다 수분 침투에 대한 저항성이 높은 것으로 나타났다.

향후에는 보다 다양한 골재의 종류별 수분 민감도 특성 분석과 첨가제의 종류 별 특성에 대한 분석과 검증이 이루어져야 할 것으로 판단된다.