1. 서 론

최근 주행 안전과 저소음 환경조성을 위해 배수성 아스팔트 포장(porous asphalt pavement, 이하 배수성 포장)의 개발 및 적용이 활발하게 진행 중이다. 배수성 포장은 유럽 및 일본에서 널리 적용되고 있으나 국내의 경우 아직 조기파손 등으로 문제가 있는 편이다. 국내의 배수성 포장은 20%의 높은 공극률로 강우를 신속하게 배수시킴으로써 수막(hydroplaning) 및 물보라(sprinkling) 억제로 노면 미끄럼 저항성을 유지하고 주행시야를 확보함으로써 안전운전에 매우 유리한 포장이다. 아울러 다공성 포장체 내부 공간으로의 흡음 기능은 타이어와 노면의 마찰소음과 엔진소음을 흡수하는 저소음 포장으로써의 기능도 크다(Lee et al., 2017). 따라서 도심 고속도로의 경우 소음에 따른 주민들의 민원으로 방음벽 및 방음 터널 등의 설치에 따른 비용이 막대하므로 배수성 포장의 요구는 절실한 실정이다.

배수성 아스팔트 혼합물은 주지한 대로 20%의 공극률을 가진 다공성포장 재료로 1등급 골재와 고성능 아스팔트 바인더가 사용된다(Takahashi, 2013). 일본의 원천기술을 개량한 국내 배수성 포장이 일본과 달리 공용수명을 제대로 유지하지 못하고 조기 파손되는 문제가 발생하고 있는데 이에 대한 원인으로 교통량 과다에 의한 지·정체와 높은 과적 차량 비율, 추운 기후와 박리가 심한 골재의 사용을 들기도 한다.

하지만 이러한 원인의 중요한 한 가지는 우리나라 도로교통 규정의 트럭 허용 단축하중(single axle load: SAL)이 미국과 같이 8.2톤임을 간과할 수 없다. 왜냐하면, 일본은 허용 최대 SAL이 우리나라의 ½ 수준인 4.1톤이기 때문이다. 공학적으로 축 하중(Pa)이 포장에 가하는 압력 환산계수(αi)는 AASHTO(American Association of States Highway Transportation Officials)의 αi=(Pa/8.2)4.2 식으로 계산된다. 이 식으로 국내 Pa=8.2톤 표준트럭 SAL이 포장에 가하는 압력환산계수는 αi=(8.2/8.2)4.2=1.0이다. 그러나 일본의 Pa=4.1톤 표준트럭에 의하면 αi=(4.1/8.2)4.2=0.054로 우리나라의 5.4% 수준이다. 그러므로 일본의 배수성 포장은 표준트럭에 의해 우리나라의 약 5% 수준의 압력만을 받는다. 이는 포장 내부에 우리 포장의 약 5% 수준의 응력만이 유발되므로 구조적으로 훨씬 안전하며 내구성이 잘 유지될 수 있는 원인이 된다. 이에 비해 우리나라 배수성 포장은 구조적으로 20배의 강한 응력을 견딜 수 있게 제조되어야 하나 그렇지 못하면 파괴확률(probability of failure)이 20배 높다고 할 수 있다.

한편 국내에서는 결빙방지 배수성 아스팔트(anti-icing porous asphalt) 포장의 적용이 시도되고 있다. 이 혼합물 제조 시는 결빙방지재(anti-icing filler: AIF)를 사용하며 AIF가 채움재(석회석분: mineral filler 이하 filler)와 유사하게 미분말이므로 filler를 대체하여 혼합물 중량의 3% 이상을 사용한다. 그러나 AIF는 수분과 접촉하여 발열반응을 일으키며 점차 소모되는데 filler를 AIF로 대체하는 것은 그렇지 않아도 밀입도(SMA 포함) 포장에 비하여 다공성으로 구조적으로 취약한 배수성 포장이 더 약해지는 원인이 될 것이다. 더군다나 일본과 비교하여 20배 강한 응력을 견뎌야 하는 교통조건에서 배수성 포장을 filler 없이 제조하는 현재의 방식은 구조적으로 문제가 있을 것이다.

따라서 기존의 filler를 모두 AIF로 대체하는 제조방식을 보완하여 AIF와 함께 filler 일부를 유지한 상태로 배수성 포장체의 내구성을 보완할 수 있도록 개선할 필요가 있다. 그리고 배수성 포장은 수분이 내부로 침투되므로 박리에 대한 대책필요하며, 그 대책의 하나로 filler의 일부를 박리에 강하며 filler 역할을 하는 소석회(Kim, 2015)로 대체하는 방안도 고려하였다. 그러므로 본 연구의 목적은 입도 조정, 결빙 방지재-채움재(AIF-filler) 조합, 석회석분과 소석회 비율 조정 등을 통하여 강도특성, 수분 저항성, 골재 이탈 저항성 등의 실험연구를 통하여 결빙방지 배수성포장의 내구성을 개선(reform)하는 것이다.

2. 재료 및 방법

2.1 아스팔트 및 골재

본 연구에서 아스팔트는 공용성 등급(performance grade: PG) 82-34를 사용하였다. 결빙방지 아스팔트 배수성 혼합물 제조에 박리에 가장 취약한 호수성(hydrophilic) 골재인 화강암 쇄석 굵은골재 10 mm와 잔골재로 화강암 부순모래(screenings, 5 mm 이하)를 사용하였다(Table 1, Fig. 1(a), (b)). 이는 수분손상이 가장 심한 재료로부터 개선 효과를 도출하여 이 연구결과를 확대적용 시 보다 효과적인 결과를 얻기 위한 재료선정이다.

2.2 섬유첨가제, 채움재, 소석회, 결빙방지재

아스팔트의 흐름손실(drain down) 방지를 위하여 섬유첨가제(cellulose fiber)로 바이오탑을 사용하였다(Fig. 1(c)). 내구성 및 수분 저항성을 개선하기 위해서 filler로 석회석분(limestone powder: LP)과 소석회(hydrated lime: HL)를 함께 사용하였다(Fig. 1(d), (f), Table 2). 결빙방지재(AIF)의 제품명은 Grilkol이며 Fig. 1(e)와 같은 분말로 아스팔트 혼합물에 3~4%를 첨가하여 결빙방지 효과를 발생한다. 또한, 결빙방지재는 filler와 유사한 입도로 혼합물 제조 시 filler와 같이 공극에 영향을 미친다. 하지만 물과 접촉하면 발열 반응을 일으키며 소모되므로 장기적으로는 그 비율이 줄어든다. 따라서 실제 filler(석회석분과 소석회)를 최소한 일정량 이상 사용되도록 배합하였다.

Fig. 1.

(a) 10 mm aggregate, (b) screenings, (c) cellulose fiber, (d) limestone powder (LP), (e) anti-icing filler (AIF: Grikol), (f) Hydrated lime (HL)

2.3 시험방법

2.3.1 배수성 10 mm 합성입도 조정

배수성 포장의 공극률을 결정하는데 있어 4.75~2.36 mm 크기 골재 비율과 0.075 mm(#200체) 통과율은 Fig. 2와 같이 filler와 잔골재 비율을 수정하여 합성입도를 조정하였다. 최종적으로 결빙방지재를 첨가제 취급하고 석회석분과 소석회를 적정량 사용하여 200번체 통과율을 증가시킴으로써 유효 아스팔트 함량을 늘려 골재간의 결합력을 증가시켰다. 또한 4.75 mm(#4)~2.36 mm(#8) 체 골재 통과율을 유지시켜 공극을 확보하고자 하였다. 조정된 합성입도 통과율은 4.75 mm, 2.36 mm, 0.075 mm에서 각각 16.7, 12.4, 5.8%이다. 조정된 입도를 적용하여 결빙방지 배수성 혼합물을 제조하고 각종 실험을 수행하였다.

Fig. 2.

Gradation adjustment for improving durability of AIPA (anti-icing porous asphalt) mixture

2.3.2 배합설계 및 공시체 제조

본 연구에서 AIF가 수분과 접촉시 발열 반응으로 소모되므로 혼합물 성능에 영향이 있어 filler(석회석분과 소석회)를 최소 2~4% 사용토록 배합을 조정하였다. 결빙방지 배수성 아스팔트 혼합물 배합설계를 수행하여 Table 3의 고속도로공사 전문시방서 품질기준(2018)을 만족하는 굵은골재 최대치수 10 mm 입도와 최적 아스팔트 함량(OAC)을 결정하였다. OAC로 100회 선회다짐하여 직경 100 mm 공시체 제조 후 각종 특성시험에 사용하였다.

2.3.3 결빙방지 배수성혼합물 내구성 실험

(1) 변형강도(deformation strength: S_D) 시험

아스팔트 혼합물의 변형강도(S_D)는 소성변형 저항성과 높은 상관관계를 나타내며, 아스팔트 혼합물 배합설계의 중요 변수 중 하나이다(MOLIT, 2017). 선행 연구에 의하면 다양한 밀입도 아스팔트 혼합물에 대하여 wheel tracking 시험결과와 변형강도는 R²≒0.9로 높은 상관관계를 보였다(Kim et al., 2004; Doh et al., 2007; Kim et al., 2011). 아스팔트 포장체의 하절기 고온(국내외 적으로 60°C전후) 상태의 소성변형은 포장표면의 침하 깊이(rut depth)로 나타난다. 그러므로 S_D 측정 시 60°C로 가열된 아스팔트 포장체를 모사하기 위하여 공시체를 60°C 수조에 30분 수침한다.

30분간 수침된 공시체를 꺼내어 신속히 Kim Test 어셈블리에 넣고 재하속도 30 mm/min로 수직 하중을 가하였다. 최대하중(P)과 이때의 수직 변위(v)를 곡선으로부터 읽어 S_D를 식 (1)로 계산하며, 한 혼합물 당 3개 S_D 시험의 평균값을 분석에 사용하였다. Fig. 3은 각각의 공시체를 변형강도 시험 30분 전에 60°C 수조에 수침 후 꺼내어 Kim Test 어셈블리에 세팅하여 측정한 후 얻어진 3개의 P-v 곡선의 예를 보여준다(Kim et al., 2004, 2011).

여기서, S_D =변형강도(MPa), P =최대하중(N), v =최대하중에서의 수직변위(mm)이다.

Fig. 3.

Illustration of Kim Test procedure for measuring SD by average of 3 tests for one mixture

(2) 간접인장강도시험 및 수분저항성

간접인장강도(indirect tensile strength: ITS)는 Fig. 4에서 보여주듯이 직경 100 mm 공시체에 안쪽이 직경 100 mm로 오목한 하중 스트립을 공시체 상하 중심에 대고 하중을 가하여 공시체 파괴시 최대하중(P)을 구하여 식 (2) (KS F 2382)로 계산하였다. 표준시험온도인 25°C로 유지 되도록 공시체를 항온조에 4시간 보관 후 꺼내어 신속히 50 mm/min 속도로 하중을 가하여 측정하였다. 변형강도와 마찬가지로 3개 공시체의 ITS 평균값을 분석에 사용하였다.

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

수분 저항성은 인장강도 비(tensile strength ratio: TSR)로 평가하며 이는 건조상태 공시체의 강도에 비해 수분 처리한 공시체 강도의 비율로 식 (3)으로 계산한다. 한 조 6개의 공시체를 제조하여 공극률 등 물리적 특성 측정 후 무작위로 3개씩 나누었다. 이중 수분처리 공시체는 60°C 물에 24시간 수침처리 후 25°C 물로 옮겨 2시간 수침하여 공시체 온도를 25°C로 만든 후 ITS_wet를 측정하였다. 그리고 그동안 실내 보관했던 무 처리(건조) 공시체는 25°C 항온 조에 2시간 이상 보관 후 꺼내어 ITSdry를 측정하였다.

여기서, TSR=인장강도비, ITS_wet=수분처리 공시에의 간접인장강도(MPa), ITS_dry=무처리 공시체의 간접인장강도(MPa)이다.

Fig. 4.

Illustration of ITS test and load-deformation curve

(3) 골재 비산저항성 시험

배수성 아스팔트 혼합물의 골재 충격파괴 및 비산(이탈) 저항성을 평가하기 위하여 칸타브로(Cantabro) 시험을 수행하였다(KS F 2492; Korean Expressway Corp., 2018). 칸타브로는 영어의 counter blow의 일본식 표현으로 추정된다. 시험 전 공시체의 건조 질량을 0.1g까지 측정한 후, +20±1°C 또는 -20±1°C에서 20시간 보관하였다. 준비된 공시체를 로스앤젤레스(LA) 마모시험기에 넣고, 분당 30~33회의 속도로 300회 회전 후 공시체를 꺼내어 무게를 측정하여 식 (4)를 이용하여 칸타브로 손실률(Cantabro loss: CL)을 계산하였다. Fig. 5는 칸타브로 시험용 LA 마모시험기에 공시체를 넣는 모습과 시험 후 공시체 1조의 사진을 보여준다.

여기서, C.L.: 칸타브로 손실률(%), A: 시험 전 공시체 질량(g), B: 시험 후 공시체 질량(g)이다.

Fig. 5.

Illustration of (a) dropping a specimen into LA abrasion tester, (b) specimens (with air void ratio of 20%) after Catabro test

3. 결과 및 고찰

3.1 공극률 및 변형강도

본 연구의 접근방법은 결빙방지재(anti-icing filler: AIF)를 filler가 아닌 첨가제로 취급하고, 입도기준을 초과하지 않는 범위에서 filler를 최대한 증가시켜 배수성 혼합물의 공극률, 변형강도(S_D), 간접인장강도(ITS), 칸타브로 손실율(Cantabro loss: CL) 개선효과를 평가하였다. AIF를 첨가제로 취급하므로 filler는 5%까지 사용할 수 있고 이 경우 AIF + filler=4% + 5%=9%까지 사용할 수 있으나, 본 연구에서는 AIF를 3%로 고정하고 filler를 4%까지로 제한하여 AIF + filler=3% + 4%=7%를 최대사용 비율로 하였다.

Filler는 석회석분(LP)과 소석회(HL)을 사용하였으며 그 함량이 증가하면 공극률이 줄어들고 변형강도는 증가되는 것으로 나타났다. Filler+AIF 비율이 4%에서 평균 18.8%이던 유효공극률은 5~7%로 증가됨에 따라 Fig. 6에서 보여주듯이 평균 17.2%로 낮아졌으나 기준인 16% 이상은 만족하였다. 이는 filler를 추가하면서 증가된 아스팔트 함량(asphalt content: AC) 하에서도 기준 공극률을 만족한 것이다. 또한, 변형강도는 평균 1.87 MPa에서 2.76 MPa로 높아졌고, 특히 filler가 4% 증가된 경우는 3 MPa 이상으로 강해짐을 알 수 있다.

따라서 AIF만 4% 넣고 filler를 전혀 넣지 않는 경우 S_D=1.87 MPa보다 AIF 3%를 넣고 그와 함께 filler로 석회석분(LP)과 소석회(HL)를 4% 넣어 AIF+Filler의 합이 7%인 것들이 S_D≥3.0 MPa 이상으로 큰 값이 얻어졌다. 특히 AIF 3%와 LP와 HL을 각각 2%씩 넣는 경우 S_D가 최고 3.23 MPa까지 높아져 filler 없이 AIF만 4% 넣은 경우의 1.85 MPa과 비교하면 74.6% 증가 된 것을 알 수 있다. 이는 AIF로 사용된 Grikol도 제조 초기 혼합물에서는 filler 역할을 하므로 배수성 아스팔트 혼합물에서 filler의 양이 많을수록 강한 혼합물이 되기 때문에 나타난 결과라 할 수 있다.

Fig. 6.

Illustration of S_D and air void ratio by AC, CA, AIF and filler change

3.2 ITS 및 TSR

Fig. 7의 ITS 변화를 보면 filler 없이 AIF만 4% 사용하던 ITSdry=0.27 MPa, ITSwet=0.18 MPa에 비해 filler를 추가한 7가지 개선혼합물의 ITS_dry, ITS_wet는 각각 평균 40%와 66% 증가되었다. 따라서, 변형강도와 마찬가지로 filler가 가장 많이 추가된 4% 경우에서 dry, wet 상태 모두 ITS가 가장 높아짐을 알 수 있다.

Fig. 7.

Comparison of ITS and TSR by filler type and AIF combination

인장강도비 기준인 TSR≥0.85(MOLIT, 2020)를 만족하는 조합은 AIF 없이 LP만 4% 사용된 것 외에 AIF 3%가 사용된 경우에 LP 1% + HL 1%, LP 3% + HL 1%, LP 2.5% + HL 1.5% 3가지 경우로 나타났다. 이들은 LP 양은 다양해도 HL은 1% 이상의 경우였다. 하지만 HL이 2% 사용된 두 경우는 모두 TSR이 0.8 이하였다. 즉, HL이 2%로 LP보다 많거나 같은 것은 오히려 나쁜 결과를 가져왔으므로 이를 통해 HL은 LP보다 적게 사용하는 것이 적절할 것으로 판단된다.

인장강도비 기준을 만족하려면 ITSwet가 어느 수준 이상이면서 ITSdry가 너무 높지 않아야 한다. ITSdry가 너무 높으면 ITSwet가 높아도 TSR은 낮게 나타나므로 무조건 TSR만 0.85 이상이라는 높은 기준을 적용하는 것보다는 ITSwet를 어느 이상 유지토록 요구하는 기준이 필요해 보인다.

이상의 결과는 입도 기준을 만족하고자 굵은골재 비율(CA)을 감소시킨 것도 한 원인으로 판단되었다. 즉, CA=87%보다는 filler 비율 증가에 따라 굵은골재 비율을 86%, 85%로 감소시켜 좋은 결과로 나타났다. 그리고 앞선 S_D 분석에서 3 MPa 이상이 얻어진 AIF: LP: HL(A:L:H) 비율 3: 3: 1과 3: 2.5: 1.5에서 가장 우수한 ITS_dry, ITS_wet와 TSR≥0.85 이상도 얻어졌다.

3.3 Cantabro 손실률

결빙방지 배수성 포장의 골재 파손 및 비산 저항성으로 칸타브로 손실율(Cantabro loss: CL)을 측정하였다. 여러 AIF-filler 조합에 따라 배수성 혼합물을 제조하고, 상온(+20°C)과 저온(-20°C)에서 충분히 양생 후 시험을 수행한 결과는 Fig. 8과 같다.

아스팔트 함량이 증가하고, AIF-filler 비율 증가로 인한 200번체(0.075 mm) 통과율이 증가되면 상온은 물론 저온 CL이 개선되는 것으로 나타났다. 상온인 +20°C에서 CL은 모두 10% 미만에서 5% 미만까지도 줄어 골재비산 저항성 기준을 모두 만족하였다. 그리고 －20°C 저온에서는 filler 없이 AIF만 4% 사용한 경우 매우 높은 CL=43.4%에서 filler의 증가로 줄인 굵은골재 86~85% 조합에서 모두 CL≤30% 기준을 만족하였다. AIF + filler 비율이 5%, 6%, 7%로 증가됨에 따라 CL 평균이 27%, 24.8, 17.3%로 낮아지는 좋은 결과를 보였다.

Fig. 8.

Cantabro loss (%) of porous asphalt mixtures (10 mm NMSA)

3.4 종합 고찰

상기의 S_D, ITS_dry, ITS_wet, TSR, CL 시험결과를 고려한 종합한 소견은 filler를 넣지 않고 AIF만 4% 사용한 결빙방지 아스팔트 혼합물은 S_D=1.85 MPa, ITS_dry=0.27 MPa, ITS_wet=0.18 MPa, TSR=0.67, CL=43.4% (-20°C)로 매우 취약하였다. 하지만 AIF를 3%로 제한하고 filler를 2~4% 추가한 경우 상기 5가지 특성 모두 filler 비율의 증가에 따라 분명히 향상되었다. 그중에서도 가장 효과적인 것은 S_D≥3.0 MPa이면서 ITS_wet=0.35 MPa 이상, TSR=0.88이상이고 –20°C에서 CL=15.2%와 21.7%로 CL≤30%를 만족하는 A: L: H =3: 3: 1과 3: 2.5: 1.5 두 조합이었다. 이들 조합은 아스팔트 함량 6%에 유효공극률 평균 16.8% 이상으로 모든 기준을 만족하였다. 이는 가장 filler가 많이 사용되었으므로 상기 특성들이 가장 우수할 것임은 자명한 사실이다. 그럼에도 불구하고 높은 아스팔트 함량(6%)에서도 유효공극률이 평균 16.9%로 기준(16%) 이상으로 충분히 유지되고 있어 실용성이 큰 결과이다.

이는 filler 없이 AIF만 4% 사용한 결빙방지 아스팔트 혼합물에 비해 S_D 평균 66%, ITS_wet 평균 106% 높았다. 특히 -20°C에서 CL은 43.4%에서 평균 18.45%로 1/2이하로 크게 낮아졌다. 그러므로 이들 조합으로 배수성 혼합물을 제조하면 기존방식(filler 없이 AIF만 사용)으로 제조하는 경우보다 내구성 향상으로 공용수명이 분명히 향상될 것으로 판단된다.

4. 결 론

배수성 아스팔트 포장 내 결빙방지재(anti-acing filler: AIF)는 강우, 강설 등으로 수분과 접촉하며 유실되어 포장의 내구성 저하로 이어지므로 이의 개선이 필요하다. 이에 본 연구에서는 입도 조정 및 결빙방지재-채움재(AIF-Filler) 사용비율 조정, filler에 소석회 사용 등으로 결빙방지 배수성 포장의 강도, 수분 저항성, 골재비산 저항성 실험을 통하여 내구성 개선효과를 확인하였으며 다음과 같은 결론을 도출하였다.

(1) 결빙방지재 3%에 더해 filler로 석회석분과 소석회 비율을 최대 4%까지 조정한 결빙방지 배수성 혼합물은 유효공극률 기준을 충분히 만족하였으며, filler 사용량이 증가하면서 성능이 개선되어 내구성이 향상된 것으로 나타났다.

(2) 구체적으로는 AIF-filler 사용비율이 증가하면 변형강도(S_D), 간접인장강도(ITS) 및 인장강도비(TSR)가 증가하였으며 골재비산 저항성 시험인 칸타브로 손실율(Cantabro loss: CL)이 낮아졌다. 특히 수분처리 후 간접인장강도(ITS_wet)가 높아졌고 저온(-20°C)에서의 CL이 현저히 낮아졌다.

(3) 특히 AIF와 filler로 사용된 석회석분(LP)과 소석회(HL)의 비율(A: L: H)이 (3: 3: 1)과 (3: 2.5: 1.5)의 경우에 S_D≥ 3.0 MPa, ITS_wet=0.35 MPa 이상, TSR=0.88 이상이며, –20°C에서 CL 평균 18.45%로 낮아졌다. 이는 AIF만 4% (filler=0%) 사용한 결빙방지 혼합물보다 S_D 평균 66%, ITS_wet 평균 106% 높은 것이고 -20°C에서 CL은 43.4%에서 평균 18.45%로 1/2 이하로 크게 낮아진 것이다.

(4) 그러므로 이들 조합으로 배수성 혼합물을 제조하면 기존방식(filler 없이 AIF만 사용)으로 제조하는 경우보다 내구성 향상으로 공용수명이 분명히 향상될 것으로 사료된다. 이는 결빙방지 배수성혼합물 제조 시 입도기준 범위 내 최대한 충분한 양의 AIF-filler를 사용해야 할 것임을 보여준 결과이다.

(5) 하지만 본 연구는 한정된 재료를 사용하여 얻어진 결과이므로 향후 보다 다양한 골재와 혼합물의 조합 등을 사용한 심도 있는 실내추가 연구와 현장검증 연구가 필요하다고 판단된다. 이러한 추가연구 결과는 향후 결빙방지 배수성 포장뿐만 아니라 일반 배수성 포장의 내구성 개선에도 효과적으로 적용될 수 있을 것으로 사료된다.