1. 서 론
아스팔트 혼합물의 박리는 골재와 아스팔트가 분리됨으로써 아스팔트 혼합물의 결합력을 약화시켜서 혼합물의 안정성과 내구성이 상당히 저하된다. 특히 장기 공용된 아스팔트 포장에서는 하부 기층에서 박리가 발생됨으로써 표층 절삭 덧씌우기를 하여도 지속적인 파손이 발생된다. 아스팔트 포장의 장수명화를 위해서는 하부 기층의 내구성이 증진되어야 하며, 내구성 증진을 위해서는 아스팔트 혼합물의 박리에 대한 저항성 개선이 선행되어야 한다.
아스팔트 포장의 박리현상으로 Fig. 1과 같이 포장의 파손으로 발전되고 있으며, 박리로 인한 아스팔트 포장의 파손이 증가되고 있는 실정이다. 그러므로 수분의 침투에 따른 아스팔트와 골재의 박리를 저감시키기 위해 박리방지제의 사용을 적극적으로 검토할 필요가 있다.
SMA 포장 공법은 조골재가 약 70%이상을 차지하므로써 굵은 골재의 맞물림을 극대화하여 소성변형에 대한 저항성을 향상시키며, 셀룰로스 화이버를 첨가하여 아스팔트의 흘러내림을 방지하고 골재를 두껍게 피복하므로써 내구성을 증대시키는 포장 공법이다. SMA 포장은 일반 밀입도와 달리 채움재가 골재의 약 10%를 차지한다. 채움재 중의 일부를 소석회로 치환하는 아스팔트 혼합물의 박리 방지 역할에 대한 연구 결과가 나오면서 국내에서도 소석회를 사용하여 SMA 포장을 하는 사례가 증가하고 있다.
본 연구에서는 소석회를 첨가한 SMA 혼합물의 강도 특성 및 수분 저항 특성을 분석하고자 한다.
2. 문헌 고찰
Kennedy and Ping(1991)은 소석회의 박리 저항성과 소성변형에 대한 저항성 연구를 하였다. 이 연구에서 실내시험 및 플랜트에서 제공받은 혼합물을 사용하여 제작한 시편과 현장 코어 시편을 채취하여 Lottom Test와 Boiling Test등을 수행하였다. 액상 박리방지제의 경우 조골재 함량이 높은 혼합물에, 소석회의 경우 모든 혼합물에 대해 효과적인 것으로 발표하였다.
Shahrour(1992)와 Al-Suhaibani(1992)도 사우디아라비아에서 사용되는 소석회 및 여러 종류의 채움재들을 선택하여 회복탄성계수 시험, 간접인장강도 시험, 빔 안정도 시험, 마샬 특성치 시험 등을 통해 소석회가 채움재로서 우수하다고 발표하였다.
Bari and Witczak(2005)는 소석회의 첨가 유무에 대한 혼합물의 동탄성계수를 비교 분석하였다. 미국 전역의 실제 현장에서 생산된 17개(소석회 첨가 11개, 소석회 미 첨가 6개)의 혼합물에 대해 동탄성계수 시험을 수행하였으며, 소석회가 첨가된 혼합물의 동탄성계수가 미 첨가된 혼합물에 비해 17%~50% 증가되어 소석회를 첨가할 경우 미 첨가된 혼합물보다 우수한 공학적 특성을 보이는 것으로 발표하였다.
Ping(1991)은 예방적 수분손상에서 박리방지제와 소석회의 효과를 평가 할 수 있는 현장 연구 결과를 발표하였다. 미국 텍사스주에서는 소석회와 박리방지 첨가제의 효과를 평가하기 위해서 Wet-Dry 간접인장강도 시험과 Boiling 시험을 수행하였다. 이 연구에서 TSR의 경우 박리방지제를 첨가하였을때 70% 이상의 결과를 보이며 일부 시험결과는 100% 이상의 값이 나타났다. Boiling 시험의 경우 대부분의 결과에서 70% 이상의 값을 보여 박리방지 특성이 향상됨을 보였다.
3. 시험 재료 및 방법
본 연구를 수행하기 위하여 Table 1과 같이 골재는 화강암을 사용하였으며, 아스팔트 혼합물은 SMA 13 mm를 사용하였다. 아스팔트 바인더는 PG 64-22와 PG 76-22의 두 가지 종류를 사용하였고, 박리방지제는 소석회와 액상 박리방지제를 사용하였다. 본 논문에서 소석회는 HL, 액상 박리방지제는 AS로 표현하였다.
Table 1. Test Factor
| Gradation | Aggregate | Asphalt | Additive |
| SMA (SMA 13 mm) | Granite | PG 64-22 | Hydrated Lime (HL) |
| PG 76-22 | Anti-Stripping agent (AS) |
SMA 포장의 원리는 골재의 맞물림(Interlocking) 효과를 극대화하여 혼합물의 유동에 대한 저항성을 최대로 확보하기 위한 것이다. 이러한 맞물림 효과를 최대로 발휘하게 하기 위해서는 편평 및 세장편의 함유량이 작아야함은 물론 사용되는 골재의 입형이 좋아야 한다. 또한 골재의 표면이 매끈한 것 보다는 표면이 거친 골재가 전단에 대한 높은 저항력을 제공한다. Fig. 2는 SMA 혼합물과 밀입도 아스팔트 혼합물의 단면이다.
SMA 혼합물의 구성은 골재, 아스팔트 바인더, 셀룰로오스 화이버(Cellulose Fiber)의 3종류로 나눌 수 있다. SMA는 다량의 굵은 골재와 그 사이를 채워줄 수 있는 결합재로서 매스틱(Mastic)이 사용된다. 매스틱은 아스팔트 바인더, 잔골재, 채움재(석회 성분) 및 셀룰로오스 화이버로 구성되어 있다.
다량의 굵은 골재 사용에 따른 탈리 및 균열에 대한 저항성을 향상시키기 위해 상대적으로 많은 양의 아스팔트 바인더가 사용되는데, 이로 인해 발생하는 아스팔트 바인더의 흘러내림 현상(Drain down) 및 블리딩(Bleeding)을 방지하기 위한 목적으로 셀룰로오스 화이버를 첨가한다.
본 연구에 사용된 SMA는 표층용 SMA 13 mm 입도를 적용하였으며 입도 기준은 Table 2와 같다.
Table 2. Gradation Requirement for SMA 13 mm
| Sieve size (mm) | 19 | 13 | 10 | 5 | 2.6 | 0.6 | 0.3 | 0.15 | 0.075 |
| Mass percent passing (%) | 93~100 | 93~100 | 40~55 | 16~30 | 12~23 | 10~18 | 8~15 | 7~14 | 7~12 |
SMA 13 mm에 사용된 골재는 13 mm, 10 mm, 잔골재, 채움재로 구성되어 있으며, 사용한 단입도 골재의 입도는 Table 3과 같다.
Table 3. Gradation of Each Aggregates
본 연구에서 사용한 SMA 13 mm 아스팔트 혼합물의 배합설계 시 적용한 최종 합성입도는 Fig. 3과 같다. 박리방지제로 소석회를 사용할 경우 아스팔트 함량의 변화가 나타나므로 별도의 배합설계를 수행하였다.
시험 방법으로는 강도 특성 시험은 간접인장강도 시험을 수행하였으며, 수분 저항성 시험은 TSR시험을, 피막박리 시험은 동적 수침 시험을 실시하였다. 강도 특성 시험과 수분 저항성 시험은 최적 아스팔트 함량이 결정된 아스팔트 혼합물의 공시체를 제조하여 시험을 진행하였다.
4. 시험 결과 및 분석
4.1 강도 특성
강도특성 시험은 간접인장강도 시험을 실시하였다. Fig. 4는 표층의 SMA 13 mm 혼합물에 대한 간접인장강도 시험 결과를 나타낸 것으로 개질재를 사용한 PG 76-22의 경우에는 소석회가 무첨가보다 1.2배 정도 큰 것으로 나타났고, 일반 아스팔트인 PG 64-22의 경우에는 그 반대로 무첨가가 소석회보다 1.1배 정도 큰 것으로 나타났다. 박리방지제와의 비교에서는 PG 76-22와 PG 64-22 모두 소석회가 액상 박리방지제보다 1.2~1.5배 정도 간접인강도가 큰 것으로 나타났다. Fig. 4의 결과에서 소석회는 일반 아스팔트보다 개질 아스팔트에서 강도 특성이 크게 발현되는 것으로 나타났다.
4.2 수분 저항 특성
수분 저항 특성 시험으로는 TSR(Tensile Strength Ratio) 시험을 실시하였다. 표층용 SMA 13 mm 혼합물에 대한 TSR 시험 결과는 Fig. 5와 같고, 개질 아스팔트인 PG 76-22에서는 액상 박리방지제가 TSR이 가장 큰 것으로 나타났으며 무첨가에 비하여 1.5배 정도 높은 것으로 나타났다. 일반 아스팔트인 PG 64-22에서는 소석회가 TSR이 가장 큰 것으로 나타났고 무첨가에 비하여 1.3배 정도 높은 것으로 나타났다. Fig. 5의 결과에서 소석회와 액상 박리방지제는 무첨가에 비하여 수분 저항성이 높은 것으로 나타났고, 소석회는 개질아스팔트보다 일반아스팔트에서 높은 수분 저항성을 주는 것으로 나타났다.
4.3 피막 박리 특성
피막 박리 특성 시험으로는 동적 수침 시험을 실시하였다. 동적수침 박리시험 결과는 Fig. 6과 같이 나타났으며, PG 76-22인 SMA에서는 액상 박리방지제가 피복율이 가장 높은 것으로 나타났고, 무첨가에 비하여 3.1배 정도 높은 것으로 나타났다. 소석회도 피복율이 우수한 것으로 나타났으며 무첨가에 비하여 2.9배 정도 높은 것으로 나타났다. PG 64-22인 SMA에서도 PG 76-22와 마찬가지로 액상 박리방지제가 피복율이 가장 높은 것으로 나타났고, 무첨가에 비하여 3.4배 정도 높은 것으로 나타났다. 소석회도 피복율이 우수한 것으로 나타났으며 무첨가에 비하여 2.7배 정도 높은 것으로 나타났다. Fig. 6의 결과에서 SMA의 동적 수침 박리 시험에서는 소석회와 액상 박리방지제 모두 무첨가에 비하여 피복율이 우수한 것으로 나타났다.
Fig. 7은 시험 시간의 경과에 따른 동적 수침 시험 결과를 나타낸 것으로 일반적인 시험 규정에서는 동적 수침 시간이 24시간이나 본 연구에서는 48시간 동안 수침 시험을 실시하여 6시간, 24시간, 48시간에서의 피복율을 조사하였다. Fig. 7에서 동적 수침 시간이 48시간이 되면 무첨가의 경우에는 골재에 대한 아스팔트의 피복이 거의 상실되지만 소석회와 액상 박리방지제의 경우에는 48시간이 지나도 피복율이 60% 이상을 유지함을 알 수 있다.
Fig. 8은 수침 시간에 따른 TSR과 동적수침 피복률의 관계를 나타낸 것으로 6시간일 때는 R2가 18%로 나왔고 수침 시간이 24시간일 때는 R2가 35%로 증가하였다. 수침 시간이 48시간일 때는 R2가 36%로 수침 시간이 24시간일 때와 비슷하게 나타나서 시험 규정에 수침시간을 24시간으로 하는 것은 적정한 것으로 판단된다.
5. 결 론
본 연구에서는 소석회를 첨가한 SMA 혼합물의 강도 특성 및 수분 저항 특성을 분석하였다. 본 연구의 결론은 다음과 같다.
1. 간접인장강도 시험 결과, 소석회는 액상 박리방지제보다 1.2~1.5배 정도 간접인장강도가 큰 것으로 나타났으며, 소석회를 첨가 시 일반 아스팔트보다 개질 아스팔트에서 강도 특성이 크게 발현되는 것으로 나타났다.
2. TSR 시험 결과, 소석회와 액상 박리방지제는 무첨가에 비하여 1.3~1.5배 정도 수분 저항성이 높은 것으로 나타났고, 소석회는 개질아스팔트보다 일반아스팔트에서 높은 수분 저항성을 주는 것으로 나타났다.
3. 피막 박리 특성 시험에서는 소석회와 액상 박리방지제 모두 무첨가에 비하여 피복율이 우수한 것으로 나타났다. 동적 수침 시간이 48시간이 되면 무첨가의 경우에는 골재에 대한 아스팔트의 피복이 거의 상실되지만 소석회와 액상 박리방지제의 경우에는 48시간이 지나도 피복율이 60% 이상을 유지함을 알 수 있다.
4. 수침 시간에 따른 TSR과 동적수침 피복률의 관계에서는 수침 시간이 24시간일 때와 48시간일 때의 결정계수(R2)가 비슷하게 나타나서 시험 규정에 수침시간을 24시간으로 하는 것은 적정한 것으로 판단된다.
이상의 결과에서 소석회를 첨가한 SMA 혼합물은 수분 저항성이 증가하는 것으로 나타났고, 무첨가에 비하여 우수한 피막 박리에 대한 저항 특성을 보여주므로써 SMA 혼합물의 박리 방지 특성이 기대된다.
