1. 서 론

중온아스팔트 혼합물의 장점으로 꼽히는 이산화탄소 감소에 따른 환경보호는 현 사회의 최대 관심사인 기후 변화와 같은 환경적 문제에 매우 적절한 주제로 이를 실현하기 위한 아스팔트 콘크리트 포장 분야에서 새로운 기술로 인정되기 시작하여 많은 기대를 받고 있는 실정이다. 그러나, 중온아스팔트는 저온(-5°C이하)에 노출이 되면 수축팽창 균열로 인한 내부의 파괴 인성이 저하된다는 연구가 보고되고 있다(El Hussein et al., 1993; Kim et al., 1995; Ra et al., 2009; Punith et al., 2012; Park et al., 2012). 따라서, 중온 아스팔트 혼합물의 단점으로 지적되어온 소성변형과 균열 발생에 따른 파괴를 방지하기 위하여 여러 종류의 개질 첨가제가 사용되고 있다. 개질 첨가제가 중온아스팔트에 혼입되어 발생할 수 있는 최적 아스팔트량의 변화, 개질 중온 아스팔트의 소성변형과 균열 저항성에 대한 효과와 영향을 조사하기 위하여 본 연구를 수행하였다.

2. 재료 및 시험방법

2.1 아스팔트 바인더

일반적인 아스팔트(Hot-mix asphalt: HMA) 포장은 최적아스팔트 비를 적용하여 잔골재, 굵은 골재, 채움재를 160°C±10°C의 고온으로 가열하여 혼합한 아스팔트 혼합물을 생산하여 시공하는 것이다. 본 연구에서 사용한 기본이 되는 아스팔트 바인더는 국내에서 많이 사용되고 있는 AP-5로 PG 64-22 (침입도 60~80)이며, Table 1은 국토교통부 지침에서 제시한 중온 아스팔트품질 기준이다.

2.2 골재 및 입도

본 연구에 사용한 골재는 화강암 쇄석으로 굵은 골재 최대 치수 13 mm와 그 부순 모래를 잔골재로 그리고 채움재는 석회석분을 사용하였다. 아스팔트 혼합물의 품질에 미치는 영향이 큰 골재는, 중량대비 약 90%~95%를 차지하며 골재가 미치는 영향을 최소화하기 위하여 편장석 비율이 적게 차지하는 1등급 골재를 선정하였다(Ministry of Land, Infrastructure and Transport, 2015, 2017). 대부분이 석산에서 생산되는 쇄석 골재를 사용하는데, 아스팔트 혼합물의 균등한 배합과 입도 관리를 용이하게 할 수 있도록 단립도의 굵은 골재를 사용하여야 한다. 사용된 굵은 골재의 입도는 국토교통부 WC-1입도 기준을 따랐으며, 골재 입도는 Table 2와 같고, 합성입도 곡선은 Fig. 1과 같다.

Fig. 1.

Gradation curve of maximum size 13 mm combined aggregate

2.3 개질제

2.3.1 개질제 선정 배경

본 연구에서 선정한 개질제 폴리머는 국내외에서 널리 사용되는 EVA (Ethylene vinyl acetate), EPDM (Ethylene propylene diene monomer), LDPE (Low-density polyethylene), SBS (styrene-butadiene-styrene)를 사용하였다. 이들 개질제는 아스팔트 바인더 개질에 가장 많이 사용되는 폴리머 첨가제이다(Lee and Hesp, 1994; Kim et al., 1997; Kim et al., 2003; Yoo et al., 2011; Hong, 2012).

LDPE, EVA, EPDM을 적정비율(30:30:40)로 혼합하여 LVM을 제조하였으며, Table 3은 기본 아스팔트에 각 재료별 함량에 따라 개질한 PG 76-22 폴리머 개질 아스팔트(Polymer-modified asphalt: 이하 PMA로 표기함) 바인더에 대한 설명과 각 재료별 첨가량(중량, %)을 보여준다.

2.3.2 LVM

본 연구에서 사용한 LVM은 LDPE, EVA, EPDM을 적정비율(30:30:40)로 혼합한 폴리머로 저온에서 균열과 소성변형에 대한 저항성을 증진시키기 위해 사용한 개질제이다. 본 연구에서는 LVM을 총 바인더(아스팔트+LVM) 중량의 4.8%를 첨가하여 PG 76-22 개질 아스팔트를 제조하였다.

LDPE는 합성수지의 일종으로 1922년 영국의 ICI사 연구진들에 의해 최초로 개발되어 1930년대 말 공업적 생산이 이루어졌으며, No. 50 (0.30 mm)체 통과량이 99.5%인 비교적 고운 분말이다(Fig. 2). LDPE는 밀도가 평균 0.918 g/cm³로 분자구조가 가장 간단한 합성고분자 물체 중 하나이며, 고압 라디칼 중합방식으로 제조되기 때문에 Long Chain Branch가 많은 것이 특징이다.

Fig. 2.

Low-density polyethylene (LDPE)

EVA는 가루 형태의 파우더로 파우더 케미컬 분쇄법으로 제조된 에틸렌 초산 비닐로 Fig. 3과 같은 분말을 사용하였으며 밀도는 0.922 g/cm³이고, 용융지수는 75 g/10min, 용융점은 98°C이다. EVA는 LDPE에 비하여 강도가 좋아 시트, 발포 생성품, 접착제 등으로 사용되고 있으며, 식초산비닐과 에틸렌을 혼합하여 제조한 것으로 고무와 유사한 성질을 갖고 있다.

Fig. 3.

Ethylene vinyl acetate (EVA)

EPDM은 에틸렌, 프로필렌과 디엔을 삼원 공중 화합한 열가소성 합성고무로, –40°C의 저온에서도 유연성이 유지되며, 비중이 0.87 정도인 폴리머이다. Fig. 4는 본 연구에 사용된 EPDM을 보여준다.

Fig. 4.

Ethylene propylene diene monomer (EPDM)

2.3.3 SBS

스티렌 합성고무(Styrene butadiene styrene: 이하 SBS로 표기함)는 블록 공중합체로서 스티렌과 부타디엔의 공중합체의 일종이다. Fig. 5에 보여준 것과 같이 첫 번째 폴리스티렌 사슬과 중간에 폴리부타디엔 사슬이 있고 마지막에는 다시 폴리스티렌 사슬이 연결된 구조로 되어있다. No. 50 (0.30 mm) 통과량이 1%이며, No. 8 (2.5 mm) 통과량이 99.5%로 입자가 굵은 형태로 되어있다. SBS는 합성수지의 일종인 폴리머로 고무의 특성은 가지고 있으며, 고무에 비해 성형이 쉽고 제반 물성치는 떨어지나, 아스팔트와 잘 혼합되는 성질을 갖고 있다. 본 연구에서는 SBS를 총 바인더(아스팔트+SBS) 중량의 4.0%를 첨가하여 PG 76-22 개질 아스팔트를 제조하였다.

Fig. 5.

The connection structure of SBS

2.4 WMA 첨가제

2.4.1 WMA 첨가제 선정 배경

본 연구에서 사용한 Warm mix asphalt (WMA) 첨가제는 왁스계의 컴파운드인 K-Pearl (KP)를 사용하였다. KP는 Paraffin wax 외에 Stearic acid, Hydrated lime, oil 등을 적정비율(30:20:20:30)로 혼합하여 펠렛 형태(Fig. 6)로 제조한 첨가제로, Paraffin 왁스는 주성분이 탄소(C) 수 20~36개인 직쇄 포화 탄소수이며, 양초제조 등에 사용된다. 저온에서 변형 및 균열에 대한 파괴 저항성을 증대시키는 목적으로 사용하였다.

Fig. 6.

Photographs showing KP

2.4.2 K-Peal (KP)

왁스계의 컴파운드인 KP는 합성 왁스로서 바인더의 강성을 높여주며, 오일은 식용유 등과 같은 식물성 기름을 사용하였다(Kim, 2009). 고분자 첨가제(ET, KP)는 생산시 130°C정도의 온도에서 WMA 혼합물의 유동성을 확보하고, 공용 온도에서는 변형 및 균열에 대한 파괴 저항성을 확보하는 효과를 발휘할 목적으로 사용하였다.

이 두 가지 WMA 첨가제는 일반 가열아스팔트 혼합물의 고온 작업온도인 150°C~160°C보다 약 20°C~30°C 낮은 중온 작업온도인 약 130°C 이하에서 아스팔트 혼합물의 작업성을 확보해주는 것으로 알려져 있다. 그리고 개질 아스팔트 혼합물은 고온 작업온도인 170°C~180°C에서 약 25°C~35°C 낮춘 145°C이하에서 작업을 가능하게 해주는 것으로 알려져 있다.

2.5 시험방법

2.5.1 변형 강도(S_D)

S_D는 고온에서 아스팔트 혼합물의 변형에 대한 저항성을 나타내는 강도로 다년간의 연구를 통해 개발되었으며, 소성변형 저항특성과 상관성이 높아 국토교통부 지침에 포함된 특성치이다(Ministry of Land, Infrastructure and Transport, 2015; Kim et al., 2002, 2004, 2007; Lee et al., 2004). 아스팔트 포장체 표면으로부터 2 cm 아래의 온도는 여름철 기온이 30°C이상에 달할 때 60°C 전후에 도달한다. 아스팔트 포장의 공용중 고온인 60°C에서 변형에 저항하는 강도를 평가하는 S_D는 Kim이 개발한 것으로(Doh et al., 2007; Kim et al., 2004, 2011), S_D의 테스트 절차를 “Kim Test”라 한다(Fig. 7).

S_D 측정을 위한 Kim Test는 직경 100 mm인 공시체 내부온도가 60°C까지 되도록 60°C의 수조에서 30분 동안 수침시켜서 꺼낸 공시체의 정중앙에 하중을 가하여 얻어진 하중-변형 곡선에서 최대하중(P)에서 표면으로부터 눌려 들어간 수직변형(υ)을 읽어 계산에 사용하였다. 변형 강도는 일반적으로 계산되는 강도와 마찬가지로 공시체가 파괴에 이를 때 가해진 하중 값을 하중이 가해진 면적(Area:A)으로 나누어 SD=P/A로 계산한다.

Fig. 7.

Schematic illustration of (a) a tire loading and (b) Kim Test loading

S_D는 식 (1)로 계산한다.

여기서, S_D = 변형강도(MPa), P = 최대하중(N), υ = 최대하중에서의 수직변형(mm)이다.

S_D 시험에서의 시험결과 및 분석사례는 Fig. 8에 제시하였다. Fig. 8와 같이 두 개의 혼합물 공시체가 같은 P = 3,000 N에 의해 하나(A)는 2 mm 침하되어 파괴되고, 다른 하나(B)는 4 mm 침하되어 파괴되었다면, 각각의 S_D는 큰 차이가 있다(A가 B 혼합물보다 27% 큼). 만일, 이 혼합물이 일반도로포장용 혼합물이라면 A는 S_D = 3.75 > 3.2 MPa로 합격이고 B의 S_D = 2.96 MPa < 3.2 MPa은 불합격 됨을 알 수 있다(Kim et al., 2002; Doh et al., 2007; Kim et al., 2004, 2011).

Fig. 8.

Comparison of S_D values computed by the same P, but different v as shown below

2.5.2 간접인장강도 시험(ITS)

본 연구에서 아스팔트 혼합물의 기본 특성 중 하나로 상온(25°C)에서 ITS 시험을 수행하였다. ITS시험으로부터 얻어진 인장강도는 아스팔트 혼합물의 균열 저항성을 평가하는데 유용한 것으로 알려져 있다. ITS는 Fig. 9와 같이 공시체의 정중앙에 속도 50 mm/min로 하중을 가하여, 최대하중을 측정하고 식 (2)에 의해 계산하였다.

여기서, ITS= 간접인장강도(MPa), P = 최대하중(N), D = 공시체의 직경(mm), t = 공시체의 두께(mm).

본 연구에서는 S_D 시험에 사용된 것과 같은 직경 100 mm 원통형 공시체 상하 중심에 공시체와 같은 곡선으로 접촉면을 절삭한 재하 띠를 통해 하중을 가하여 ITS를 측정하였다(Fig. 9). 공시체는 표준시험온도인 25°C에 약 4시간 이상 보관후에 꺼내어 신속히 측정하였다. 혼합물 종류별로 3개의 공시체를 측정하였으며, 3개의 평균값을 분석에 사용하였다.

Fig. 9.

Indirect tensile strength (ITS) test set up and a typical curve obtained from an ITS test

3. 배합설계

본 연구에서는 배합설계를 통한 OAC를 결정하기 위해 WMA 용으로 일반 혼합물과 개질 혼합물의 골재는 각각 135°C와 145°C, 바인더는 160°C와 175°C로 가열하였다. 개질 아스팔트의 제조 방법은 기본 바인더를 175°C에서 녹인 후 각각의 개질 폴리머를 첨가하여 60분 동안 Fig. 10의 Homogenizer를 이용해 5,000 rpm의 속도로 교반하였다. 이때 WMA 첨가제를 사용하는 WMA 바인더의 경우는 교반 마지막 4~5분 전에 소정량의 첨가제를 넣어 잘 섞이도록 하였다.

Fig. 10.

Homogenizer used in this study

혼합물의 STA는 HMA는 160°C에서 1시간, 개질 HMA 중 LVM 폴리머는 융점이 상대적으로 낮아 작업성이 우수하므로 170°C, 반면 융점이 높은 SBS는 180°C에서 1시간 처리하였다. WMA는 135°C, 개질 WMA는 145°C에서 각각 2시간 STA 처리하였다.

본 연구에 사용된 바인더와 골재의 가열 온도 및 시간은 Table 4에서와 같다. STA 용기는 직경 100 mm, 깊이 200 mm 원통으로 Fig. 11에서와 같이 공시체 1개용 혼합물을 각 용기에 넣고 덮개 없이 드라이 오븐에 환풍 없이 주어진 시간 보관 후 꺼내어 몰드에 넣고 공시체를 다짐하였다. 공시체의 다짐은 Fig. 12의 SGC를 이용하여 국토교통부 기준(2017)에 따라 PG64-22로 제조한 혼합물은 HMA, WMA 모두 2nd class highway pavement 포장용 기준인 75회 다짐하였다. PG 76-22 바인더로 제조한 개질 아스팔트 혼합물은 HMA, WMA 모두 1st class highway 포장용 기준인 선회다짐 횟수 100회로 다짐하였다.

Fig. 11.

Short-term aging of asphalt mixture in canister in a drying oven without forced air draft

Fig. 12.

Super pave gyratory compactor

4. 시험 결과 및 분석

4.1 배합설계 결과 HMA, WMA

본 연구에서는 일반 HMA 1종류(AP)와 개질 HMA 3종류(LVM, SBS, LS)의 배합설계를 우선 수행하여 OAC를 결정하였다. 그리고 WMA에서 Table 5의 4가지 배합설계 기준을 적용하여 필요시 다소 조정하였다. Table 5에서 보듯이 HMA과 WMA의 OAC는 대부분 5.6~5.8%이었으나 SBS만 모두 5.8% 이상으로 나타나 다소 높게 나타났다.

4.2 변형강도

Fig. 13의 변형 강도 그림에서는 HMA와 WMA 모두 2nd class highway 포장용인 일반 아스팔트 혼합물의 경우 S_D≥ 3.2 MPa, 1st class highway 포장용인 개질 아스팔트 혼합물의 경우 모두 S_D≥ 4.25 MPa 이상을 만족하는 것을 보여준다. 일반 혼합물은 WMA 첨가제에서 다소 높게 나타났으며, 개질 혼합물은 WMA 첨가제 및 폴리머 종류에 따라 다소 차이를 보였다. 이를 구분해서 분석해보면 WMA 첨가제는 KP가 무첨가보다 전체적으로 다소 높은 값을 보였고, 폴리머별로는 SBS가 다른 폴리머에 비해 다소 높은 값을 보이는 것을 알 수 있었다.

Fig. 13.

Deformation strength (S_D) showing by polymer, mix type and WMA additive for HMA and WMA mixtures

이와 같이 S_D에서 혼합물간에 약간의 차이를 보이므로 이를 통계적으로 확인하기 위하여 t-test를 수행하였다. 본 연구에서는 통계적 검정을 위한 t-test를 같은 폴리머 내의 두 세트의 강도 데이터가 평균 간에 통계적으로 의미 있는 차이 즉, 유의차가 있는지를 One-tail test를 통해 α= 0.05 수준에서 확인하였다.

α 값은 보편적으로 5% (0.05)가 가장 많이 쓰이며 특별한 경우에 0.01 또는 0.1이 사용된다. t-test는 두 집단 간 평균이 유의미한 차이가 있는지 검증하는 가장 보편적인 통계검증 방법이다. 특히 본 연구에서 뿐만 아니라 일반적으로 공학 실험에서와 같이 3개의 공시체 평균으로 강도를 측정하는 것처럼 한 집단의 표본수가 적고 표준편차를 모르는 경우 유용하게 사용된다(Park, 2002).

Table 6에서 보듯이 본 연구에서의 t 검정은 같은 폴리머 내의 2가지 혼합물(HMA 1개, WMA 1개)을 비교 대상 모델로 하여 Excel 프로그램의 t-test로 검정을 수행하였다. 예를 들어 Table 6의 Model에서 보듯이 Polymer 중 None의 2가지 혼합물에 각각 원문자 번호를 지정하고 HAP0 vs. WAPK 간의 검정은 ①: ②로 나타내었다. 만일 어떤 두 세트의 S_D 데이터 평균이 α=0.05 수준으로 통계적으로 유의차가 있다면 표의 검정 값(Pr>|t|)이 0.05 이하로 나타나게 될 것이다.

Table 6에서와 같이 통계적 검정 결과(Pr>|t|)의 값이 0.05 이하인 것은 하나도 없어 α = 0.05 수준에서 유의차를 보이는 혼합물은 하나도 없었다. 예를 들어 일반 혼합물인 HAP0의 평균 3.54 MPa은 WAPK의 평균 3.86 MPa와 0.32 MPa 차이가 나서 WAPK 보다 약 9%나 낮으나 통계 검정 모델 ①: ②의 검정 값은 0.0866으로 α=0.05보다 커서 의미 있는 차이가 있다고 할 수 없다. 또한, LVM 폴리머 그룹 내에서 HLV0의 평균 4.29 MPa과 WLVK의 평균 4.60 MPa은 차이가 0.21 MPa로 약 4.9% 높게 나타났으나, 검정 값이 0.0885로 α=0.05보다 커서 의미 있는 차이가 있다고 할 수 없다.

4.3 간접인장강도

Fig. 14는 본 연구에 사용된 HMA와 WMA 혼합물의 중요한 기본 특성중 하나로 25°C에서 측정한 ITS를 보여준다. ITS는 변형 강도와 달리 일정 값이 기준으로 설정되어 있지 않은 특성치이나 일반적으로 균열 저항성과 상관성이 있는 특성치로 인식되고 있다.

HMA와 WMA 모두 2nd class highway 포장용인 일반 아스팔트 혼합물의 경우 0.8 MPa 이하, 1st class highway 포장용인 개질 아스팔트 혼합물의 경우 모두 0.8 MPa 이상 1.0 MPa 미만을 보여주며, KP가 모두 높은 값을 보였다. 개질 혼합물은 WMA 첨가제 및 폴리머 종류에 따라 다소 차이를 보였으며 폴리머별로는 S_D와 마찬가지로 SBS가 LVM에 비해 다소 높은 값을 보이는 것을 알 수 있었다.

Fig. 14.

Indirect tensile strength (ITS) showing by polymer, mix type and WMA additive for HMA and WMA mixtures

이와 같이 ITS에서도 혼합물간에 약간의 차이를 보이므로 이를 통계적으로 확인하기 위하여 t-test를 수행하였다. S_D에서와 마찬가지로 t-test를 같은 폴리머 내의 두 세트의 데이터가 통계적으로 강도 평균의 유의차가 있는지를 one-tail test를 통해 α = 0.05 수준에서 확인하였다.

Table 7에서 보듯이 통계적 검정 결과(Pr>|t|)의 값이 0.05 이하인 것은 하나도 없어 α = 0.05 수준에서 유의차를 보이는 검정은 하나도 없었다. 이는 표나 그림의 ITS 값으로 보면 일반은 물론 개질 혼합물 모두 각각의 그룹 내에서 다소 차이가 있어 보이나 HMA는 물론 WMA 혼합물도 그룹 내에서 모두 통계적으로 심각한 차이가 없음을 알 수 있다.

5. 결 론

본 연구에서는 동일한 저온에서 특성을 비교하기 위하여 개질 폴리머로는 LVM, SBS를 사용하고, WMA 첨가제로는 K-Peal (KP)을 사용하였으며, 6종류의 바인더로 13 mm 밀입도 HMA와 WMA 콘크리트를 제조하였다. WMA 콘크리트의 기본 특성을 측정하기 위하여 S_D, ITS 시험을 실시하였으며, 통계적 검증을 위한 t-test를 실시하고 이를 비교 분석하여 다음과 같은 결론을 도출하였다.

1. WMA의 최적 아스팔트 비는 HMA의 최적 아스팔트 비와 동일한 수준으로 나타났으며, 관련 체적특성(공극률, VMA, VFA)도 변화가 발생하지 않은 것으로 나타났다.

2. S_D와 ITS에 대한 시험 결과 값의 비교에서는 차이가 발생하는 것으로 보이나 통계적 검정 결과 α = 0.05 수준에서 유의차를 넘지 않았다. 따라서 이러한 통계적 검정 결과는 S_D와 ITS 시험에서는 HMA와 WMA가 동등한 성능을 보이는 것이다.

3. 폴리머에서는 LVM이 -20°C에서는 KIC가 SBS보다 좀 더 우수한 것으로 나타났으나, 폴리머 자체보다는 사용된 WMA 첨가제에 따라 영향을 많이 받기 때문에 중온 첨가제와 폴리머의 적절한 조합이 중요함을 알 수 있었다.

이와 같이 개질 혼합물이 더 낮은 온도에서 강도가 높게 나타난 것은 온도가 –15°C에서 더 낮아지면 DTC로 인해 내부 손상이 발생하나 폴리머 아스팔트의 경우에는 더 낮은 온도에서까지 DTC 손상에 대한 저항성이 크기 때문인 것으로 판단된다. 즉, 다소 차이는 있지만 강도는 –15°C~-25°C 사이에서 정점을 이루었다가 다시 낮아지는 경향을 보여 이 온도가 DTC 발생 임계온도인 것으로 판단된다.