1. 서 론

아스팔트 혼합물은 골재 가열온도 범위에 따라 가열 아스팔트 혼합물 (hot mix asphalt: HMA), 중온 아스팔트 혼합물 (warm mix asphalt: WMA), 상온 아스팔트 혼합물 (cold mix asphalt: CMA) 제조방식으로 구분할 수 있다. WMA 방식은 아스팔트 혼합물 생산온도를 약 30°C 정도 낮출 수 있어 골재 가열에 사용되는 화석연료를 HMA 대비 11~35% 절감할 수 있으며, 온실가스 배출을 유해가스 종류에 따라 10~70%까지 저감 할 수 있어 경제적, 환경적, 기술적 효과를 기대할 수 있다 (Angelo et al., 2008).

WMA는 HMA에 비해 낮은 온도에서 혼합물을 제조하는 방식으로 화석연료 사용저감 및 유해가스 배출저감, 아스팔트 고유의 냄새발생 저감, 작업자 안전성 개선 등 다양한 장점이 있어 세계적으로 다양한 WMA 기술이 개발되어 현장에 적용되고 있다. 현재까지 개발되어 적용되는 WMA 기술은 물을 사용하는 폼드 아스팔트 (foamed asphalt) 방식과 유기계, 무기계 첨가제 (warm mix additive)를 사용하는 첨가제 방식으로 대표될 수 있고 (Kheradmand et al., 2014), 국내에서는 아스팔트 산업 여건상 첨가제 방식을 주로 적용하여 다양한 첨가제가 개발되어 적용 중에 있으나, 현장적용 및 활용은 시작단계에 머물고 있다.

WMA 기술은 다양한 방법을 적용하여 목표로 하는 아스팔트 혼합물 생산온도 (일반적으로 135°C 이하)에서 아스팔트의 점도 (viscosity)를 낮춤으로서 아스팔트 혼합물 생산, 운반, 포설, 다짐에 필요한 소요점도를 확보하는 것이다. 비록 WMA가 낮은 온도에서 생산 및 다짐되지만, 물리적 특성 및 공용성능은 HMA와 비교하여 유사한 성능을 확보하여야 한다.

더불어 도로의 확․포장과 유지보수 현장에서 발생되는 RAP (reclaimed asphalt Pavement)은 아스팔트와 양질의 골재를 포함하고 있기 때문에 100% 재활용이 가능하여 지속 (sustainable) 사용 가능한 유용한 자원이다. 선행연구결과 RAP에 포함된 굵은 골재 및 잔골재는 밀링 (milling) 작업으로 인해 골재입도는 변화되지만, 골재의 물리적 특성은 일반 골재와 비교하여 차이를 보이지 않고 도로포장용 골재 품질기준을 만족한다. 하지만, RAP으로부터 추출․회수한 바인더는 교통작용과 환경요인으로 인하여 노화․경화 (aged-hardening)가 진행되어 강성 (stiffness)이 증가된 상태이기 때문에 바인더 회생을 위한 재생첨가제 사용 (Choi et al., 2019; Ziari et al., 2019; Kim et al., 2020), 혼합방법 개선 (MOLIT, 2017; Kim et al., 2020; Kim et al., 2021), 저점도 아스팔트 사용 (Asphalt Institute 2014; MOLIT, 2017) 등 적절한 방법으로 순환아스팔트 혼합물 제조에 적용해야 한다.

본 연구에서는 Wax 베이스 중온첨가제를 개발하여 WMA 혼합물 제조에 사용하였다. WMA 첨가제는 아스팔트의 점도를 낮추는 역할과 함께 노화된 RAP 바인더를 일부분 회생시키는 역할도 기대할 수 있다. 또한 RAP을 사용한 순환아스팔트 혼합물을 HMA에 비해 상대적으로 낮은 온도에서 제조하기 위해 사용된 WMA 첨가제가 순환아스팔트 혼합물에 미치는 영향을 분석할 필요가 있다.

따라서 본 연구의 목적은 Wax 베이스 중온 첨가제 특성 평가, WMA 첨가제 사용량에 따른 중온 순환아스팔트 혼합물 소성변형 저항성 및 균열저항성 평가, 나아가 WMA 첨가제가 노화된 RAP 바인더의 강성 회복에 미치는 영향을 평가하는 것이다.

2. 사용재료 및 방법

2.1 사용재료

2.1.1 아스팔트 및 중온첨가제

본 연구에서 공용성 등급 (performance grade: PG) 64-22 (침입도 등급 60-80)의 스트레이트 아스팔트를 사용하였다. 중온 순환 아스팔트 혼합물을 제조하기 위해서 2종류 왁스와 무기, 유기계 첨가제를 사용하여 중온 첨가제를 개발하였다. Fig. 1(a)는 본 연구에서 사용된 펠렛형 중온 첨가제이다.

Fig. 1.

(a) Pellet type WMA additive, (b) Crumb rubber modifier (CRM), and (c) Waste polyethylene (WPE)

2.1.2 개질재

본 연구에서 혼합물의 고온 소성변형 저항성 및 저온 특성 개선을 목적으로 CRM (crumb rubber modifier, Fig. 1(b))와 폐 폴리에틸렌 (waste polyethylene: WPE, Fig. 1(c))을 사용하였다.

2.1.3 골재 및 채움재

중온 순환 아스팔트 혼합물을 제조하기 위해 굵은 골재 최대치수 13 mm의 화강암 골재를 사용하였고, 잔골재로 5 mm 이하의 화강암 부순모래 (screenings)를 사용하였다. 채움재로는 석회석분 (limestone powder)을 사용하였고, 박리방지제로 소석회 (hydrated lime)를 사용하였다 (Fig. 2).

Fig. 2.

(a) Coarse aggregate 13 mm, (b) screenings, (c) limestone powder, and (d) hydrated lime

2.1.4 RAP

본 연구에서 순환 아스팔트 혼합물을 제조하기 위해서 경북 포항에서 수집한 RAP을 사용하였다. 연소방법 (KS F 2490)으로 RAP에 포함된 아스팔트 함량 시험결과 6.0%로 나타났다. 75% 만을 유효 아스팔트 함량으로 적용하여 RAP의 아스팔트 함량을 4.5%로 결정하고, RAP을 30% 사용하는 순환아스팔트 혼합물 배합설계에 반영하였다.

2.2 시험방법

2.2.1 중온 첨가제 함량별 중온 아스팔트 고온특성 실험

본 연구에서 PG 64-22 일반 아스팔트와 CRM, WPE를 각각 4.5% 첨가하여 개질한 PG 76-22 개질 아스팔트에 개발된 중온첨가제를 아스팔트 함량의 0, 2.5, 5.0, 7.5%를 사용하여 중온 일반 및 중온 개질 아스팔트 바인더를 제조하였다. 각각 함량으로 제조한 바인더를 동점도 및 DSR (dynamic shear rheometer) 시험을 수행하여 작업성 및 고온 강성을 평가하였다.

2.2.2 배합설계

중온 순환아스팔트 혼합물 배합설계는 국토교통부 지침 (MOLIT, 2017)에 의거 수행하였다. 표층용 WC-2 입도를 적용하여 중온 순환 HMA 및 WMA 제조를 위한 골재 및 아스팔트 가열 조건은 Table 1과 같고, 배합설계 후 최적아스팔트 함량 (optimum asphalt content: OAC) 결정 기준은 Table 2와 같다.

2.2.3 변형강도

변형강도 (deformation strength: S_D , Kim test)는 아스팔트 포장에서 발생하는 소성변형 저항성을 보다 합리적이고 간단하게 측정할 수 있도록 개발된 시험법이다 (Kim et al., 2006; Jeong et al., 2006; Baek et al., 2007; Kim et al., 2011; Doh et al., 2008; Park et al., 2008). S_D 시험은 마샬 안정도 시험방법과 동일한 조건에서 시험용 공시체 고정 장치 (fixture)를 달리하여 시험하게 된다 (Fig. 3). S_D는 마샬 안정도에 비하여 객관적이고, 합리적일 뿐만 아니라 공용중인 도로에서 발생하는 소성변형 특성과 상관성이 매우 높음이 검증되어 국토교통부 아스팔트 혼합물 배합설계 기준으로 제시되었다 (MOLIT, 2017). 변형강도는 60°C 수조에 30분 수침 후 30 mm/min의 속도로 하중을 가하고 최대하중 (P)과 그 때의 변위 (y)를 구하여, 식 (1)에 의거하여 계산하였다.

여기서, SD = 변형강도 (MPa), P = 최대하중 (N), y = 최대하중에서 수직변형 (mm) 이다.

2.2.4 간접인장강도

아스팔트 콘크리트의 간접인장강도 (indirect tensile strength: ITS), 강성지수 (stiffness index: SI) 등 균열저항성을 평가할 수 있는 영향인자를 제공하는 간접인장강도 시험 (KS F 2382, Fig. 4)을 수행하였다. 중온 순환아스팔트 공시체를 25°C 항온기에 4시간 보관 후 50 mm/min의 속도로 하중을 가하고, 최대하중 (P)과 변위 (ν)를 읽어 (Fig. 5) 식 (2)에 의거하여 계산하였다.

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

Fig. 3.

Strength against deformation test setting in a loading frame (φ100mm specimen)

Fig. 4.

Indirect tensile strength

2.2.5 강성지수

간접인장강도 시험결과 강성지수 (stiffness index: SI)는 식 (3)과 같이 파괴 시 최대하중과 변형량의 비로 나타내며, 높은 강성지수는 하중의 작용정도에 비하여 변형이 적다는 것을 의미한다. 아스팔트 포장도로에서 일반적으로 고온에서 소성변형 발생이 우려되고, 저온에서 수축균열 발생 가능성이 있다. 따라서 고온에서는 혼합물 강성을 증가시키고, 저온에서는 감소시키는 것이 바람직하다 (Roberts et al., 1996). RAP을 사용한 순환아스팔트 혼합물 공시체의 강성지수는 상대적으로 덜 노화된 (일반 또는 상대적으로 적은 양의 RAP이 사용된) 혼합물 공시체보다 높게 나타난다. 본 연구에서는 중온첨가제 함량과 RAP 사용 함량에 따른 중온 순환아스팔트 혼합물의 강성지수를 계산하고, 중온 첨가제가 노화된 바인더의 회생에 미치는 영향을 강성지수 변화로 관찰하였다.

여기서, SI = 강성지수 (N/mm), P = 최대하중 (kN), ν = 최대하중에서 변위 (mm) 이다.

Fig. 5.

ITS (MPa), Toughness (N.mm), and SI (N/mm) by P (N) and υ (mm) from ITS test result

3. 결과 및 고찰

3.1 중온아스팔트 바인더 고온특성

Figs. 6~7은 일반 및 개질 아스팔트에 본 연구에서 개발한 Wax 베이스 중온첨가제를 2.5~7.5%까지 첨가하여 115, 135, 145°C에서 동점도 (kinematic viscosity: KV)를 각각 측정한 결과이다. 일반 및 개질 아스팔트 모두 중온 첨가제 사용이 증가하면 KV는 감소하였다. 중온첨가제 사용량에 따른 KV 감소폭은 일반, 개질 모두 115°C에서 가장 크게 나타났다. 또한 일반, 개질 아스팔트 모두 2.5~5.0% 중온 첨가제 사용에서는 변별력이 약하고, 5.0%를 초과하면 KV는 다시 감소하였다. 따라서 일반 중온 순환아스팔트 혼합물 제조 시 품질기준 만족 여부를 고려하여 중온 첨가제 사용량을 2.5~5.0% 범위에서 결정해야 할 것으로 판단되었다. 개질 아스팔트의 KV는 135°C에서 첨가제 사용량 2.5, 5.0, 75%일 때 1 069, 948, 680 cP를 나타내, 혼합온도를 140°C로 할 경우 첨가제 사용량은 5~7.5% 범위에서 결정될 것으로 예상되었다.

Fig. 6.

Kinematic viscosity of PG 64-22 asphalt by WMA additive contents

Fig. 7.

Kinematic viscosity of PG 76-22 asphalt by WMA additive contents

Figs. 8~9는 일반 및 개질 아스팔트와 중온첨가제 사용량에 따른 DSR 시험결과 고온강성 (G*/sinδ) 변화를 나타낸 것이다. 일반 및 개질 아스팔트 모두 중온 첨가제 사용량이 증가하면 고온강성은 감소하였다. 일반 중온 아스팔트의 경우 첨가제 2.5% 사용 시 일반 스트레이트 아스팔트에 비하여 고온 Pass/Fail (P/F) temperature가 약 2°C 증가하였다. 개질 아스팔트의 경우 첨가제 사용량 2.5~7.5%는 P/F temperature가 76~77°C 범위를 나타냈다.

Fig. 8.

G*/sinδ of normal asphalt by WMA additive contents

Fig. 9.

G*/sinδ of modified asphalt by WMA additive contents

3.2 중온 순환아스팔트 혼합물 변형강도

일반 및 개질 중온 순환아스팔트 혼합물 모두 중온 첨가제 사용량이 증가하면 변형강도는 감소하였다 (Figs. 10, 11). RAP을 사용하지 않은 일반 혼합물의 경우 중온첨가제를 사용하면 변형강도 기준을 만족하지 못하였다. 따라서 소성변형 저항성 보강대책이 필요한 것으로 나타났다. 개질 WMA는 중온 첨가제 7.5% 사용 WMA를 제외하고 품질기준을 만족하였다. RAP을 30% 사용한 일반 및 개질 WMA는 변형강도 기준을 만족하였고, RAP 30% 사용으로 인하여 RAP에 포함된 노화된 바인더 강성이 순환 WMA의 강도증진에 영향을 미친 것으로 판단되었다.

Fig. 10.

S_D of normal WMA mixture by WMA additive contents with 30% RAP

Fig. 11.

S_D of modified WMA mixture by WMA additive contents with 30% RAP

3.3 중온 순환아스팔트 혼합물 간접인장강도

일반 및 개질 HMA, WMA 모두 중온 첨가제 사용량이 증가하면 ITS는 감소하였다. RAP을 사용하지 않은 일반 WMA는 일반 HMA에 비하여 낮은 간접인장강도를 나타내 품질기준을 만족하지 못하였다 (Fig. 12). 개질 WMA는 개질 HMA에 비하여 낮은 ITS를 보이나, 품질기준을 만족하였다 (Fig. 13). RAP을 30% 사용한 일반 및 개질 WMA는 ITS 0.8 MPa 이상으로 품질기준을 만족하였고, 중온 첨가제를 7.5% 사용 시 일반 및 개질 HMA와 유사한 수준의 ITS를 나타냈다.

Fig. 12.

ITS of normal WMA mixture by WMA additive contents with 30% RAP

Fig. 13.

ITS of modified WMA mixture by WMA additive contents with 30% RAP

3.4 중온 순환 아스팔트 혼합물 강성지수

일반 및 개질 WMA 모두 중온 첨가제 사용량이 증가하면 강성지수는 감소하였다. RAP을 사용하지 않은 일반 WMA의 강성지수보다는 개질 WMA의 강성지수가 높게 나타났고, 일반 및 개질 WMA는 일반 및 개질 순환 HMA에 비하여 낮은 강성을 보였다. RAP을 사용하지 않은 WMA의 강성이 감소하는 것을 알 수 있고, 이는 중온 첨가제 영향으로 판단된다. 또한, RAP을 30% 사용한 일반 및 개질 WMA 강성지수는 HMA와 비교하여 낮은 값을 보이며, 중온 첨가제 사용량이 증가하면 감소폭은 증가하였다 (Figs. 14, 15).

Fig. 14.

SI of normal WMA mixture by WMA additive contents with 30% RAP

Fig. 15.

SI of modified WMA mixture by WMA additive contents with 30% RAP

3.5 중온 아스팔트 바인더 Rutting factor와 소성변형 저항성과의 상관성

아스팔트의 rutting factor (G*/sinδ)는 아스팔트 혼합물의 소성변형 저항성을 예측할 수 있는 영향인자이다. 본 연구에서는 DSR 실험결과 60°C에서 중온 아스팔트 바인더의 rutting factor를 추정하였고, 소성변형 저항특성치인 60°C에서 변형강도 및 강성지수를 계산하여 rutting factor와 상관성을 확인하였다. HMA뿐만 아니라 WMA의 rutting factor는 아스팔트 혼합물 소성변형 저항성을 나타내는 변형강도와 상관성 (R² = 0.969, Fig. 16), 60°C 강성지수와 상관성 (R² = 0.868, Fig. 17)이 매우 높게 나타나, 선행연구결과와 일치함을 확인하였다. rutting factor가 높으면 변형강도와 강성지수가 높은 값을 보였으며, 중온 첨가제를 사용하면 중온 아스팔트의 강성이 감소하여 rutting factor가 낮아지고, 변형강도 및 강성지수는 감소하였다.

Fig. 16.

Relationship between rutting factor (G*/sinδ) and S_D at 60°C

Fig. 17.

Relationship between rutting factor (G*/sinδ) and Stiffness at 60°C

4. 결 론

본 연구를 통해 개발한 Wax 베이스 중온 첨가제의 고온특성을 평가하고, 중온 첨가제 및 RAP을 30% 사용한 일반 및 개질 중온 순환아스팔트 혼합물에 대하여 중온 첨가제 함량별 강도특성을 분석하여 다음과 같은 결론을 도출하였다.

1) 본 연구에서 개발한 중온 첨가제는 아스팔트 바인더의 동점도 및 고온강성을 감소시켜 중온효과 (warm mix)를 확인하였고, 첨가제 사용량이 증가하면 점도와 고온강성이 감소하였다.

2) 중온 첨가제를 2.5~7.5% 사용한 일반 WMA는 공용성 고온등급을 만족하였으나, WMA 혼합물의 변형강도 및 간접인장강도 기준을 만족하지 못하여 소성변형 및 균열 저항성 증가를 위한 추가 조치가 필요한 것으로 나타났다. 하지만, RAP을 30% 사용하는 경우 변형강도 및 간접인장강도 기준을 만족하였다. 이는 RAP의 노화된 바인더 강성으로 인하여 순환 WMA의 강성 증가가 원인이다. 그러므로 일반 WMA 및 순환 WMA를 구분하여 중온 첨가제 사용량을 결정해야 할 것으로 판단되었다.

3) 일반개질 및 순환개질 WMA는 품질기준을 만족하였으며, 적정 사용량은 2.5~5.0% 범위로 예측되었고, RAP을 사용한 일반 순환 혼합물과 마찬가지로 RAP의 노화특성을 반영하여 중온 첨가제 사용량을 결정해할 것으로 판단되었다.

4) 더불어 중온 첨가제 사용량이 증가하면 WMA 혼합물의 강성지수는 감소하여 중온 첨가제가 WMA의 노화도 개선에 영향을 미치는 것으로 판단되었다.

5) 아스팔트 바인더 강성을 나타내는 G*/sinδ는 순환 WMA의 변형강도와 매우 깊은 상관관계를 나타내, 변형강도가 소성변형 저항특성을 잘 반영한다는 기존 연구결과를 확인하였다.