1. 서 론
2. 재료 및 방법
2.1 사용재료
2.2 시험방법
3. 결과 및 고찰
3.1 배합설계 결과
3.2 SAM의 변형저항성 및 균열 저항성
3.3 SAM 저온 휨 특성
4. 결 론
1. 서 론
샌드 아스팔트 혼합물(sand asphalt mixture: SAM)은 굵은 골재를 사용하지 않고, 잔골재만을 사용하여 제조하므로 잔골재의 넓은 비표면적과 상대적으로 높은 흡수율로 인하여 혼합물 제조 시 높은 아스팔트 함량을 필요로 한다. SAM의 이러한 특징은 시공 시 우수한 노면 평탄성을 제공하므로 블록포장의 단차 발생으로 인한 보행불편을 줄이고 부드러운 표면질감을 제공한다. 하지만 차도용 밀입도 혼합물에 비해 SAM은 비교적 약한 골격구조를 가지므로 변형(deformation) 저항성이 약하여 차량하중이 크게 작용하는 차도에 적용에는 제한이 있다. 반면, 하중이 차도에 비하여 크게 작용하지 않는 보행자 전용도로, 농촌 소도로, 오솔길, 시골길, 도시 내․외곽에 길게 설치된 자전거전용도로, 보도 등 보행자가 주로 이용하는 도로에 적용 시 보행자 안전과 편안한 보행을 제공할 수 있는 장점이 있다(Choi et al., 2019).
최근 들어 지난 20여 년 전부터 지구온난화로 인한 환경문제가 크게 대두되고 있으며, 세계적으로 이상기후 현상이 발생하고 있다. 이에 대한 대책으로 온실가스 발생량을 감축하기 위한 노력이 진행 중이며, 건설 분야에서도 환경 친화적 기술개발과 이의 현장 적용 노력이 지속적으로 이루어지고 있다. 일반적으로 아스팔트 혼합물은 원활한 혼합(mixing), 피복(coating)과 충분한 다짐도 확보를 위하여 골재를 160°C(동절기에는 20°C 이상 상승) 이상의 온도에서 가열하고, 아스팔트도 마찬가지로 150°C 이상의 온도에서 가열 혼합물(hot mix asphalt: HMA)을 생산 한다. 이 과정에서 다량의 화석에너지 소비와 CO2와 같은 온실가스 배출이 발생하므로 이러한 점을 개선하고자 유럽 등 선진국에서는 생산온도를 20~50°C 낮춘 준고온 아스팔트(warm mix asphalt: WMA)를 개발하였다. WMA는 아스팔트 혼합물 제조 시 화석연료 사용 저감, 온실가스 배출 저감, 현장다짐성능 개선과 이로 인한 혼합물의 원거리 운반가능 및 현장 작업 안전성 개선 등의 효과가 있으며, 세계적으로 WMA 혼합물 생산량이 점차 증가하는 추세이다(John and Rajendran, 2005; Angelo et al., 2008; Lee et al., 2013, Kim et al., 2014; Williams et al., 2018).
WMA는 HMA에 비하여 낮은 온도에서 생산, 운반, 시공되지만 HMA와 동등한 품질을 요하고 있다. 많은 선행연구에서 WMA의 공용성 평가에 대한 연구를 수행하여 HMA의 공용특성을 비교 평가하고, WMA의 공용성은 HMA와 유사하거나 일부는 우수하다는 결과를 보고하였다(Na et al., 2009; Kim et al., 2011a; Kim et al., 2011b; Lee et al., 2011, Kim et al., 2012; Choi et al., 2012, Youn et al., 2014; Xiao et al., 2016).
Choi et al.(2019)은 보행자 친화적 인도용 연성샌드아스팔트 포장개발 연구에서 보행감을 개선한 보행자 친화적 샌드아스팔트 혼합물을 개발하였다. 문헌조사를 바탕으로 입도와 배합설계 기준을 개발하여 배합설계를 수행하고, SAM의 특성 시험을 수행하여 공용성을 확인하였다. 그리고 시험생산 및 도시외곽 인근 현장에 시험포장을 수행하여 장기 공용성능을 평가하였다.
본 연구는 기존의 가열방식으로 개발한 보행자 친화적 샌드아스팔트 혼합물(hot mix sand asphalt mixture: H-SAM)을 준고온 방식을 적용하여 준고온 샌드아스팔트 혼합물(warm mix sand asphalt mixture: W-SAM)을 개발하였다. 하지만 일반적인 차도용과 비교하여 가장 우려가 되는 특성 중 하나는 취약한 강도로 인한 조기파손이다. 그러므로 본 연구의 목적은 변형강도(deformation strength: SD), 간접인장강도(ITS), 저온 휨 강도(Sf) 시험을 수행하여 일반적으로 알려진 차도용 값에 비하여 어느 정도 수준의 값을 보이는지를 비교 평가하는 것이다.
2. 재료 및 방법
2.1 사용재료
2.1.1 아스팔트
본 연구에서는 PG 64-22 등급의 아스팔트를 기본으로 준고온 첨가제(warm mix additive)를 사용하여 PG 64-28 등급의 준고온 아스팔트 바인더를 개발하여 W-SAM 제조에 사용하였다. 아스팔트의 특성은 Table 1과 같다.
Table 1. Property of Asphalt
| Material | PG | DSR (G*/sinδ at 64℃, kPa) | BBR | |||
| Original | RTFO | Stiffness at -12℃ (MPa) | m-value | Critical temp. (℃) | ||
| HMA binder | 64-22 | 1.38 | 3.33 | 212 | 0.31 | -14 |
| WMA binder | 64-28 | 1.63 | 3.32 | 180 | 0.30 | -19 |
2.1.2 Screenings
본 연구에서는 SAM 제조에 굵은 골재 최대치수 5 mm 이하의 화강암 잔골재를 사용하였다. Tables 2, 3에 잔골재의 물리적 특성과 입도를 나타냈다.
Table 2. Property of Fine Aggregate for Manufacturing the SAM
| Material | Specific Gravity (g/cm3) | Absorption (%) | Remark | ||
| Bulk | S.S.D | Apparent | |||
| Screenings | 2.790 | 2.812 | 2.865 | 0.936 | |
Table 3. Gradation of the SAM (Choi et al., 2019)
| Gradation | Sieve size (mm) | ||||
| 9.5 | 4.75 | 2.36 | 0.3 | 0.08 | |
| Lower limit | 100 | 70 | 35 | 10 | 2 |
| Upper limit | 100 | 100 | 100 | 70 | 13 |
| Percent passing | 100 | 91.2 | 68.7 | 35 | 7.4 |
2.1.3 CRM(crumb rubber modifier)
SAM 혼합물의 연성을 개선하여 보다 편안한 보행감을 제공하기 위해서 개질재로 CRM을 사용하였다. 본 연구에 사용된 CRM은 폐타이어로부터 철심 등 이물질을 제거하고 2 mm 체를 모두 통과하는 A사의 폐타이어 분말을 사용하였다(CRM-3). CRM은 SAM 제조 시 아스팔트 중량의 0, 7.5, 10%를 사용하였고, SAM은 가열된 골재와 아스팔트에 상온상태의 CRM을 투입하여 혼합하는 건식방법(dry mix)으로 제조되었다.
2.1.4 Hydrated lime
선행연구(Kim et al., 2008; Lee et al., 2008; Kim et al., 2014; Kim, 2015) 에 의하면 CRM을 사용한 아스팔트 혼합물은 박리 발생 우려가 있으며, 박리에 대한 대책을 강구해야 한다. 본 연구에서는 SAM 혼합물의 박리 저항을 개선하고자 박리방지제로 소석회를 사용하였다. Figs. 1, 2는 본 연구에서 SAM 제조에 사용된 CRM과 소석회를 보여준다.
2.2 시험방법
2.2.1 배합설계
샌드아스팔트 혼합물은 공용특성을 발현하기 위하여 포설 후 내구성과 수밀성을 요하고, 본 연구에서 배합설계를 수행하여 최적 아스팔트 함량(Optimum asphalt content: OAC)을 결정하였다. SAM의 역학적 특성을 개선하기 위해서 CRM을 아스팔트 함량의 7.5, 10%를 사용하였고, 유연성 확보와 노화방지, 박리에 대한 저항성을 개선하고자 소석회를 혼합물 중량의 1%를 사용하였다. 형식에 따라 골재 가열온도와 단기노화 온도를 달리하였고, 다짐횟수는 동일하게 75 선회 다짐하였다. 혼합물 제조 형식에 따른 배합설계 조건은 Table 4와 같다.
단기 노화시킨 흐트러진 상태의 혼합물의 이론최대밀도를 실측(KS F 2366)하여 공시체 용적특성을 확인하였다. 문헌조사 결과를 바탕으로 공극률 2~5%, 변형강도 2.2 MPa 이상을 배합설계 기준(Table 5)으로 결정하였다(Havens et al., 1961; Rahman et al., 2011; Government of South Australia, 2015).
Table 4. SAM Mix Design Conditions
| Mix type | Asphalt | Aggregate | Asphalt | Short-term aging | |||
| Temp. (℃) | Duration | Temp. (℃) | Duration | Temp. (℃) | Duration | ||
| HMA binder | PG64-22 | 165 | >4 H | 160 | >2 H | 155 | 1 H |
| WMA binder | PG64-28 | 145 | >4 H | 160 | >2 H | 140 | 1 H |
Table 5. Mix Design Criterion
| Mix type | Gyration Number | Air Voids | SD (MPa) | Remark |
| SAM | 75 | 2~5% | >2.2 MPa |
2.2.2 변형강도 및 간접인장강도 시험
아스팔트 혼합물의 소성변형 저항성을 합리적이고, 객관적으로 평가하고자 변형강도(deformation strength: SD) 시험법이 개발되었다(Kim et al., 2006; Jeong et al., 2006; Baek et al., 2007; Kim et al., 2008; Cho et al., 2008; Doh et al., 2008; Park et al., 2008). 기존의 마샬안정도 시험방법과 동일한 시험온도와 조건에서 측정하며, 도로현장에서 발생하는 소성변형 특성과 상관성이 매우 높음이 검증되었고, 국토교통부 아스팔트 혼합물 배합설계 기준으로 제시되었다(MOLIT, 2017).
본 연구에서 변형강도는 시험용 공시체를 60°C를 유지하는 항온 수조에서 30분 동안 수침 후 30 mm/min 속도로 수직 정 하중을 가하여 최대하중과 이때의 수직변위를 측정하여 변형강도를 식 (1)로 계산 하였다.
| $$S_D=\frac{0.32P}{(10+\sqrt{20y-y^2})^2}$$ | (1) |
여기서, SD= 변형강도(MPa), P= 최대하중(N), y= 최대하중에서 수직 변형 값(mm).
본 연구에서 SAM 혼합물의 상온상태에서 균열에 대한 저항성을 평가하고자 간접인장강도(indirect tensile strength: ITS) 시험을 수행하였다. 간접인장강도 시험결과로부터 얻어진 인장강도는 아스팔트 혼합물의 균열저항성을 평가하는데 유용하다. ITS는 직경 100 mm 공시체의 상하 중심에 50 mm/min의 속도로 하중을 가하고, 최대 하중 측정하여 식 (2)에 의해 계산하였다.
| $$ITS=\frac{2P}{\pi Dt}$$ | (2) |
여기서, ITS= 간접인장강도(MPa), P= 최대하중(N), D= 공시체 직경(mm), t=공시체 두께(mm)
2.2.3 저온 휨 시험
아스팔트 콘크리트는 감온성이 크고 점탄성(visco-elastic) 거동을 하며, 동절기에는 시멘트 콘크리트와 유사한 탄성을 가지므로 저온상태에서 균열발생에 대한 저항성을 평가해야 할 필요가 있다. 본 연구에서 SAM의 저온 휨강도(Flexural strength: Sf)를 평가하기 위해 –10°C에서 3점 휨 시험(three point bending test, KS F 2395)을 수행하였다. 시험결과 하중-변위 곡선에서 최대하중과 그때의 변위를 측정하여 휨 강도와 변형률을 식 (3)과 (4)로 구하였다.
| $$S_f=\frac{3l}{2bh^2P},$$ | (3) |
| $$\epsilon=\frac{6h}{l^2}d$$ | (4) |
여기서, Sf = 휨강도, b: 공시체 너비(mm), h: 공시체 두께(mm), l : 공시체 지점 간 길이(mm), P: 파괴 시 하중(N), = 파단시 변형률, d: 파괴 시 변형량(중앙부위의 처짐 량, mm).
3. 결과 및 고찰
3.1 배합설계 결과
배합설계 결과 H-SAM, W-SAM 혼합물은 동일하게 CRM 함량이 0, 7.5, 10%로 변화함에 따라서 최적아스팔트 함량(optimum asphalt content: OAC)은 7.8, 8.0, 8.0%로 나타났다(Table 6). CRM 사용량이 증가하면서 SAM 혼합물의 밀도는 감소하는 경향이 나타났다.
Table 6. Mix Design Results
| Mix type | CRM (%) | Density (g/cm3) | Air voids (%) | OAC (%) |
| HMA binder | 0 | 2.457 | 3.0 | 7.8 |
| 7.5 | 2.440 | 3.2 | 8.0 | |
| 10 | 2.361 | 3.5 | 8.0 | |
| WMA binder | 0 | 2.410 | 2.9 | 7.8 |
| 7.5 | 2.403 | 3.3 | 8.0 | |
| 10 | 2.373 | 3.9 | 8.0 |
3.2 SAM의 변형저항성 및 균열 저항성
배합설계 결과 결정된 OAC로 실험용 공시체를 제조하여 60°C 변형강도, 25°C 간접인장강도 시험을 수행하였다. Fig. 3은 SAM 혼합물의 혼합방식에 따른 변형강도를 보여준다. H-SAM은 CRM 사용 함량이 증가하면서 SD가 증가하였고, W-SAM은 반대로 감소하는 경향을 나타내었다. H-SAM, W-SAM 모두 국토교통부 차도용 일반 밀입도 혼합물 변형강도 기준 3.2 MPa을 만족하는 것으로 나타났고, 문헌조사 결과 자체적으로 마련한 SAM 품질기준 2.2 MPa을 크게 상회하였다.
ITS 시험결과(Fig. 4) W-SAM은 H-SAM에 비하여 평균 95% 수준의 값을 나타냈다. CRM 사용량이 증가하면서 H-SAM, W-SAM 모두 미미하게 증가하는 것으로 나타났다. 일반 차도용 아스팔트 혼합물의 ITS는 0.8~1.0 MPa 수준임을 고려하면 SAM 혼합물의 균열저항성은 일반 밀입도 혼합물과 비교하여 큰 차이가 나지 않음을 알 수 있었다.
3.3 SAM 저온 휨 특성
저온(-10°C) 연성 및 휨 특성을 평가하기 위해 3점 휨 시험을 수행한 결과 Fig. 5에 나타냈다. 기존 연구에서 차도용 밀입도 혼합물의 휨강도는 8.4 MPa을 보였고, 파괴 시 변형률은 14*10-3을 나타냈다. H-SAM은 차도용 밀입도 혼합물과 유사한 수준의 휨강도와 평균 47% 높은 변형률을 보였다. W-SAM은 차도용 혼합물에 비하여 다소 휨강도는 낮게 나타났으나 20% 높은 변형률을 나타냈다.
그러므로 전반적으로 SAM 혼합물은 차도용 혼합물에 비하여 저온에서 유연성이 더 높은 것으로 나타났다. 즉, SAM의 제조방식에 따른 H-SAM의 휨강도는 평균 8.3 MPa, W-SAM은 7.3 MPa로 나타나 W-SAM은 H-SAM에 비하여 88% 수준의 휨 강도를 나타냈다. 파괴시 변형률은 H-SAM, W-SAM이 유사하게 나타났다(Fig. 6).
4. 결 론
본 연구는 제조 방식에 따른 샌드아스팔트 혼합물의 기본특성 평가에 대한 연구이다. 굵은 골재를 제외한 5 mm 이하의 잔골재를 사용하고, PG64-22 일반 아스팔트와 PG64-28 등급의 준고온 아스팔트 바인더를 사용하여 샌드 아스팔트 혼합물을 제조하여 변형강도, 간접인장강도, 저온 휨강도 시험결과로부터 변형저항성, 균열저항성, 저온 휨 특성을 평가하였다. 그 결과 다음과 같다.
1) H-SAM, W-SAM 모두 국토교통부 차도용 일반 밀입도 혼합물 변형강도 기준 3.2 MPa을 만족하였고, 문헌조사 결과 자체적으로 마련한 SAM 품질기준 2.2 MPa을 크게 상회하여 적용개소를 고려한 변형저항성을 확보하였다.
2) W-SAM은 H-SAM에 비하여 평균 95% 수준 ITS를 나타냈고, ITS는 CRM 사용량이 증가하면서 H-SAM, W-SAM 모두 미미하게 증가하였으며, 일반 차도용 아스팔트 혼합물과 비교하여 SAM 혼합물의 균열저항성은 유사한 것으로 나타났다.
3) 저온(-10°C) 휨 강도 시험결과 SAM의 제조방식에 따라서 W-SAM의 휨강도는 H-SAM에 비하여 88% 수준의 휨 강도와 유사한 수준의 변형률을 보였고, 전체적으로 SAM 혼합물은 차도용 혼합물에 비하여 저온에서 유연성이 높은 것으로 나타났다.
따라서 SAM 혼합물은 보도포장 및 소도로, 농촌도로, 자전거도로 등의 포장에 적용시 상대적인 강도는 가해지는 하중을 고려한다면 충분히 강할 것으로 평가되었다. 그리고 WMA 공법을 적용해도 큰 문제없이 현장적용이 가능할 것으로 추정되며 유연성 등에서 더 유리하여 보행감이 더 좋을 것으로 판단되었다.
