1. 서 론
1.1 연구 배경
1.2 연구 범위 및 목적
2. 문헌조사
2.1 국내외 건설폐기물 현황
2.2 순환골재 품질 기준
2.3 순환골재 사용에 관한 규정
2.4 재생첨가제
2.5 재활용 아스팔트 혼합물
3. 재료 및 시험포장
3.1 아스팔트 바인더
3.2 골재
3.3 아스팔트 혼합물
3.4 현장 공용성 평가를 위한 시험포장
4. 현장 공용성 평가
4.1 현장 공용성 평가 방법
4.2 현장 공용성 평가 결과
5. 결론
1. 서 론
1.1 연구 배경
순환골재(Recycled Aggregate)는 천연골재(Mineral Aggregate)를 대체할 수 있는 친환경적인 재료이다. 자원 고갈, 환경 보호, 지속 가능한 발전, 그린 뉴딜정책 등에 대응하기 위해서는 순환골재의 사용을 더욱 적극적으로 확대할 필요가 있다. 이에 정부는 자원의 효율적 이용과 폐기물의 발생 억제 및 순환이용을 촉진하기 위해 2018년 1월부터 ‘자원순환기본법’을 제정하여 시행하고 있다. 순환골재를 사용한 아스팔트 콘크리트(이하 순환 아스콘) 포장은 순환골재를 대량으로 사용할 수 있는 매우 효과적인 방법이지만, 순환골재가 광범위하게 사용되지 못하고 단순 매립이나 보조기층 또는 기층과 같이 저부가가치용으로 사용되고 있는 이유는 순환골재의 품질이 저조하거나 혹은 저조하다는 인식 때문이다. 따라서 순환 아스콘 포장에서 순환골재 사용을 활성화하기 위해서는 일반 아스팔트 콘크리트(천연골재를 사용한 아스팔트 콘크리트, 이하 일반 아스콘) 포장과 비교하여 동등 이상의 성능을 보여주는 객관적인 자료를 근거로 하여 발주자, 시공자, 이용자가 순환골재를 적극적으로 사용할 수 있도록 뒷받침해야 한다. 그러나 순환 아스콘의 성능을 객관적으로 판단할 수 있는 자료는 최근까지도 충분하지 않은 것이 현실이다. 특히 실제 도로에서의 현장 공용성이 어느 정도인지를 파악하는 것이 중요한데 이를 위해서는 체계적인 연구가 필요하다. 현장 공용성 평가를 위해 시험 구간을 확보하고, 자료 조사를 통해 시공 및 유지보수 이력, 교통량 등 현황을 파악하며, 현장 공용성을 객관적이고 과학적으로 조사해야 한다.
1.2 연구 범위 및 목적
본 연구에서는 순환골재를 사용한 아스팔트 포장의 품질을 좀 더 극명하게 살펴보기 위해 도로 공사에서의 순환골재 사용 의무량인 40%를 초과하는 순환골재 100% 사용을 목표로 하였으나, 배합설계 과정에서 입도 조건을 맞출 수 없어 사용할 수 있는 최대치인 70% 순환골재를 사용한 아스팔트 혼합물을 제작하여 시험 구간의 표층 재료로 사용하였다. 또한 객관적인 비교 평가를 위해 천연골재만을 100% 사용한 일반 아스팔트 혼합물을 제작하여 비교 구간의 표층 재료로 사용하였다. 두 종류의 포장을 일반국도 현장에 시험 시공하고 약 6년 동안 현장 공용성을 관찰하여 순환골재를 사용한 아스팔트 콘크리트 포장의 현장 공용성을 직접적이고, 객관적이며 체계적으로 평가하고자 하였다.
2. 문헌조사
2.1 국내외 건설폐기물 현황
건설폐기물은 건설폐기물의 재활용촉진에 관한 법률 제2조에 의해 건설공사로 인하여 발생하는 5톤 이상의 폐기물을 의미하며, 건설폐재류, 가연성 건설 폐기물, 불연성 건설폐기물, 건설폐토석, 혼합건설폐기물로 구분된다. 이 중 폐아스팔트 콘크리트는 건설폐재류에 해당하며 Table 1과 같이 2019년 기준으로 전체 건설폐기물의 18.6%를 차지하고 있으며 최근까지 꾸준히 증가하고 있다.
Table 1.
Construction waste status (Ministry of Environment, 2020) (unit : Ton/day)
한편, 건설폐기물의 재활용률은 Table 2에서 보는 바와 같이 98%를 상회하고 있으며 연도별로 비슷한 수준을 유지하고 있다.
미연방도로청(Federal Highway Administration, 이하 FHWA)에 따르면 미국에서는 연간 4,500만 톤의 재활용 아스팔트(Reclaimed Asphalt Pavement, 이하 RAP)가 발생하며 이 중 80%~85% 정도가 재활용된다고 알려져 있다.
Table 2.
Annual change of construction waste recycling (Ministry of Environment, 2020) (unit : Ton/day)
2.2 순환골재 품질 기준
순환골재란 건설폐기물의 재활용촉진에 관한 법률 제2조 제7호 및 제35조의 규정(Ministry of Environment, 2023)에 적합한 골재를 말한다. 국내 아스팔트 콘크리트용 순환골재의 품질은 국토교통부 공고 순환골재 품질 기준에서 Table 3과 같이 정하고 있다.
Table 3.
Recycled aggregate quality standard for asphalt concrete (Ministry of Land, Infrastructure and Transport, 2021a)
2.3 순환골재 사용에 관한 규정
국내 건설공사의 순환골재 및 순환골재 재활용 제품의 의무사용량은 건설폐기물의 재활용촉진에 관한 법률 제38조 제3항에 따른 「순환골재 등 의무사용 건설공사의 순환골재･순환골재 재활용 제품 사용 용도 및 의무사용량에 관한 고시」를 통해 규정하고 있다. 순환골재의 경우 도로 보조기층용, 동상방지층 및 차단층용, 기초다짐용 및 채움용, 매립시설 복토용 등에 사용되며 순환골재 의무사용 건설공사에서 순환골재는 사용 용도별로 각각 골재 소요량의 40% 이상을 의무적으로 사용하도록 하고 있다. 순환골재 재활용 제품의 경우 대부분 아스팔트 콘크리트 포장용으로 사용되며, 제품 소요량의 40% 이상을 순환골재 재활용 제품 의무사용량으로 규정하고 있다.
미국에서는 RAP가 거의 모든 주에서 아스팔트 포장에 사용되고 있는데, RAP의 상태에 따라 대체로 10~50% 정도 사용하고 있다. 기층 재료 및 바인더로는 모든 주에서 RAP의 사용을 허용하지만, 표층으로는 알래스카, 플로리다, 하와이, 루이지애나, 메인, 메릴랜드, 뉴욕, 오클라호마, 로드아일랜드와 테네시 10개 주에서 RAP의 사용을 제한하고 있다(FHWA, 2016)
2.4 재생첨가제
재생첨가제(Recycling Agents)는 순환골재에 포함된 구(舊) 아스팔트의 물성을 향상하기 위하여 재활용 아스팔트 혼합물 제조 시 플랜트에서 첨가하는 재료이다. 재생첨가제는 60°C의 점도를 기준으로 Table 4와 같이 RA 1, RA 5, RA 25, RA 75, RA 250, RA 500의 등급으로 구분하며, 국내 GR 품질인증기준과 미국 ASTM에서 제시하는 Table 5의 기준을 만족하여야 한다.
Table 4.
Recycling agents grade (ASTM, 1999; KATS, 2019)
| Recycling Agents Grade | Viscosity at 60°C, cSt |
| RA 1 | 50~175 |
| RA 5 | 176~900 |
| RA 25 | 901~4,500 |
| RA 75 | 4,501~12,500 |
| RA 250 | 12,501~37,500 |
| RA 500 (ASTM D 4552) | 37,501~60,000 |
Table 5.
Recycling agents quality standard (ASTM, 1999; KATS, 2019)
2.5 재활용 아스팔트 혼합물
재활용 아스팔트 혼합물은 아스팔트 도로포장의 유지보수나 굴착공사 시에 발생한 폐아스팔트 콘크리트를 기계 파쇄 또는 가열 파쇄하여 아스팔트 콘크리트용 순환골재를 생산한 후, 소요의 품질이 얻어지도록 보충재(천연골재, 아스팔트 또는 재생첨가제 등)를 첨가하고 재생 장비를 이용하여 생산한 혼합물을 말한다.
재활용 아스팔트 혼합물의 종류는 표층용, 중간층용, 기층용으로 나눈다. 표층용으로 쓰이는 재활용 아스팔트 혼합물은 Table 6의 표준 배합을 따라야 한다. 또한 재활용 아스팔트 혼합물의 품질은 KS F 2337에 따라 시험하여 Table 7의 기준값을 만족하여야 한다.
Table 6.
Aggregate gradation standards of asphalt mixtures for surface course (Intermediate course)
Table 7.
Quality standards of asphalt mixtures for surface layer
미국 FHWA의 포장 공사의 폐기물 및 부산물 재료에 대한 사용자 지침(FHWA, 2016)에 따르면 재활용 아스팔트 혼합물의 전형적인 배합비 및 특성은 Table 8 및 Table 9와 같다.
Table 8.
Typical range of particle size distribution for reclaimed asphalt pavement of FHWA
Table 9.
Physical and mechanical properties of reclaimed asphalt pavement of FHWA
3. 재료 및 시험포장
본 연구에서의 아스팔트 콘크리트 재료는 도로 표층용 WC-5로 규격화하였다. 당초 순환골재 100% 사용을 목표로 하였으나 배합설계 과정에서 WC-5 입도 조건을 맞출 수 없어 25 mm 크기의 천연골재를 일부 혼입하여 WC-5 입도 조건을 맞추었다. 또한 비교 구간에는 순환골재를 사용한 아스팔트 콘크리트 포장 구간과의 현장 공용성능 비교를 위해 일반골재를 사용한 가열 아스팔트 혼합물을 표층 재료로 사용하였다. 본 연구에서 사용된 재료들의 특성은 다음과 같다.
3.1 아스팔트 바인더
순환 아스콘의 신재로 투입된 아스팔트 바인더와 일반 아스콘에 사용된 아스팔트 바인더는 같은 것을 사용하였으며 이에 대한 품질시험 결과는 Table 10과 같다. 또한 채움재에 대한 시험 결과는 Table 11에서 보는 바와 같으며 아스팔트 바인더와 채움재 모두 정해진 기준을 만족하였다.
Table 10.
Asphalt binder test results
Table 11.
Filler test results
| Test, Unit | Criteria | Results |
| Specific Gravity | 2.67 | |
| Water Content, % | ~1.0 | 0.1 |
| Plastic Index | ~6.0 | N.P |
| Flow, % | ~50 | 39 |
| Expansion, % | ~3.0 | 1.0 |
| Stripping Resistance | 1/4 below | 1/4 below |
3.2 골재
본 연구에서 사용된 순환골재의 물성은 Table 12와 같다. 또한 WC-5 입도 조건을 맞추기 위해 혼입된 25 mm 천연골재의 물성은 Table 13과 같다.
Table 12.
Recycled aggregate test results
Table 13.
Mineral aggregate test results
3.3 아스팔트 혼합물
배합설계는 Ministry of Land, Infrastructure and Transport(2021b) 아스팔트 콘크리트 포장 시공 지침에서 제시하고 있는 배합설계 방법에 따라 수행하였다. Table 14에서는 순환골재를 사용한 아스팔트 혼합물의 골재 입도를 보여주고 있으며, Table 15는 비교 구간의 일반 아스팔트 혼합물의 골재 입도를 보여준다. 순환골재를 사용한 아스팔트 혼합물의 최종 배합비는 무게 비로 아스팔트 1.27%(순환골재의 구(舊) AP 함량과 재생첨가제에 포함된 AP(8.3%)를 고려하여 재산출한 값), 25 mm 천연골재 26.5%, 순환골재 70.0%, 채움재 1.89%, 재생첨가제 0.315%이다. 비교 구간의 아스팔트 혼합물은 배합설계 결과에 따라 아스팔트 함량 5.0%를 적용하였다. 또한 순환골재를 사용한 아스팔트 혼합물 및 비교 구간에 사용된 일반 아스팔트 혼합물은 아스팔트 혼합물 품질 기준을 만족하였다.
Table 14.
Aggregate gradation of recycling asphalt mixtures
Table 15.
Aggregate gradation of asphalt mixtures used in comparative section
3.4 현장 공용성 평가를 위한 시험포장
시험 구간은 2015년 9월에 일반국도 38호선 충청남도 당진시 석문면 삼봉리 팽개교를 전후하여 상행 1, 2차로에 각각 순환골재를 사용한 아스팔트 콘크리트 포장 0.540 km, 비교 구간으로 일반골재를 사용한 아스팔트 콘크리트 포장 0.540 km가 시공되었다. 본 구간의 공식적인 개통은 2016년 1월로 조사되었다. 시험 구간의 위치는 Fig. 1과 같고 순환 아스콘 시험포장 전경은 Fig. 2에서 보는 바와 같다.
포장의 공용성에 영향을 줄 수 있는 다양한 인자 중 표층 재료를 제외한 다른 인자들은 모두 같은 조건으로 시공되었다. 따라서 두 포장 구간은 시공 이후 현재까지 같은 조건으로 공용되고 있다고 할 수 있다. 또한 본 구간은 2021년 총 3차례의 현장 공용성 평가 전까지 유지보수 실적이 없는 것으로 조사되었다. 본 시험 구간은 편도 2차로이며 화물차 비율이 약 28%로 일반국도의 화물차 비율 약 22%에 비해 중차량 비율이 높은 구간이다. 본 시험포장 구간의 교통량은 Table 16에서 보는 바와 같다.
4. 현장 공용성 평가
4.1 현장 공용성 평가 방법
현장 공용성 평가는 일반적인 포장 평가지수에 활용되는 균열률(%), 소성변형 깊이(mm), 종단평탄성(mm/m)을 대상으로 하였으며, 자동노면조사장비를 이용하여 세 가지 항목을 동시에 측정하였다. 균열률은 자동노면조사장비에 탑재된 고해상도 라인스캔 카메라를 이용하여 1 mm 이하 분해능을 갖는 노면 이미지를 획득하고 노면 이미지를 30 cm × 30 cm 크기의 격자망(Grid)에 분포시켜 균열이 발생한 곳을 조사하여 균열을 정량화하는 격자망 분석 방법으로 산출하였다. 균열률은 아래와 같은 식 (1)을 사용하여 10 m 간격으로 산출하고 구간 연장 540 m에 대해 산술평균하였다.
소성변형은 자동노면조사장비에 탑재된 레이저 변위 센서로부터 도로의 횡단 프로파일을 측정하고 수학적 시뮬레이션을 통해 양쪽 차륜부의 최대 변형 깊이를 산출하고 이를 평균한 값을 사용하였다. 종단평탄성은 정밀도 0.01 mm 이하의 고정밀 고속레이저를 자동노면조사장비의 주행궤적과 동일하게 양측 바퀴 부분에 장착하고 차량 주행 방향으로의 노면의 평탄한 정도를 정량화시킨 값을 사용하였다. 주행 중 차량의 떨림 보정을 위해 가속도센서를 이용하여 주행속도에 따른 차량 떨림의 영향을 최소화해 정확한 종단평탄성을 측정하였다. 종단평탄성은 국내외에서 가장 보편적으로 이용되고 있는 IRI(International Roughness Index) 형태로 산출하였다.
4.2 현장 공용성 평가 결과
순환골재가 아스팔트 콘크리트 포장에 미치는 영향을 살펴보기 위해 약 6년 동안 총 3차례 걸쳐 동일 시험 구간에서 균열, 소성변형, 종단평탄성 등 현장 공용성을 추적조사하였다. 한국건설기술연구원에서 2017년 7월 실시한 현장 조사에 추가하여 본 연구에서는 2020년 7월과 2021년 7월에 현장 공용성 조사를 수행하였고, 그 결과를 Figs. 3, 4, 5에 정리하였다.
균열률의 경우 2015년 9월 시험 구간 준공 이후 약 6년 동안 최소 12.32%에서 최대 20.45%까지 증가하였다. Fig. 3에서 보듯이 2차로가 1차로에 비해 순환 아스콘 포장 구간과 일반 아스콘 구간 모두에서 균열률이 큰 폭으로 증가하였으며 이는 본 구간의 2차로 중차량 비율이 1차로에 비해 현저히 큰 것에 기인한 것으로 판단된다. 차로별로 균열률을 비교해보면, 1차로에서는 순환 아스콘 구간이 일반 아스콘 구간에 비해 1%~2% 크게 발생하였으나 2차로에서는 순환 아스콘 구간이 일반 아스콘 구간에 비해 1%~3% 작게 발생하였다. 그러나 균열률은 매우 미미한 차이를 보여주고 있다. 이를 종합하면 순환골재 사용으로 인해 아스팔트 포장의 균열이 더 증가하거나 감소한다고 확증하기 어려울 것으로 판단된다.
소성변형의 경우 Fig. 4에서 보듯이 약 6년의 공용기간 동안 2차로에서의 소성변형 증가 폭이 1차로에 비해 훨씬 크게 나타났다. 이는 본 시험 구간 2차로의 중차량 비율이 1차로에 비해 높은 것에 기인한 것으로 판단된다. 또한 소성변형은 1차로와 2차로 모두 순환 아스콘에 비해 일반 아스콘 구간에서 크게 발생하였다.
이러한 경향은 통계적으로도 확인할 수 있다. 2020년 7월에 시험 구간 540 m에서 10 m 간격으로 측정된 소성변형 결과를 이용하여 순환 아스콘과 일반 아스콘 포장을 포함하는 1차로 및 2차로 총 4개 구간에 대한 데이터(54개 × 4개 시험구간)를 통계 분석한 결과, Fig. 6에서 보는 바와 같이 1차로와 2차로 간에는 확연한 차이를 확인할 수 있으며, 1차로 및 2차로 모두에서 순환 아스콘이 일반 아스콘 구간에 비해 소성변형을 작게 발생했음을 알 수 있다. t 검정을 통해 이를 통계적으로 확인한 결과, Table 17에서 보는 것처럼 순환 아스콘이 일반 아스콘 구간에 비해 소성변형이 작다는 통계적 유의성을 확인할 수 있었다.
Table 17.
t-test between rap and comparative sections for rutting data of second lane tested on 2022.7
| N | Mean | SD | SE | ||||
| RAP (2nd Lane) | 54 | 12.431 | 3.591 | 0.489 | |||
| Comparative (2nd Lane) | 54 | 13.767 | 2.847 | 0.387 | |||
| Paired Samples T-Test | |||||||
| Measure 1 | Measure 2 | t | df | p | |||
| RAP | Comparative | -2.280 | 53 | 0.013 | |||
종단평탄성의 경우, 준공 후 6년이 지난 2021년 7월 시점에서 순환 아스콘 구간이 1차로 2.37 mm/m, 2차로 2.87 mm/m, 일반 아스콘 구간이 1차로 1.40 mm/m, 2차로 2.45 mm/m로 분석되어 6년의 공용기간 동안 순환 아스콘 구간이 일반 아스콘 구간에 비해 종단평탄성이 떨어지는 결과를 보여주었다. 이는 현장에서의 면밀한 육안 조사에 의하면 순환 아스콘의 골재탈리 현상이 일반 아스콘에 비해 좀 더 많이 발생하였으며 그 결과가 반영된 것으로 판단된다. 통계적으로 확인해 보면, Fig. 7에서 보는 것처럼 1, 2차로 모두에서 순환 아스콘 포장의 종단평탄성이 큼을 알 수 있다. 또한 Table 18의 t 검정 결과, 순환 아스콘이 일반 아스콘 구간에 비해 종단평탄성이 크다는 통계적 유의성을 확인할 수 있다.
5. 결론
순환골재를 사용한 아스팔트 콘크리트 포장의 현장 공용성을 평가하기 위해 순환골재가 70% 사용된 아스팔트 혼합물을 제작하여 일반국도 38호선 충남 당진시 일원에 1. 2차로 540 m에 시험 포장하였다. 비교 평가를 위해 천연골재가 100% 사용된 일반 아스콘을 동일 구간 1, 2차로 540 m에 연속적으로 시험포장 하였다. 2015년 9월에 시험 구간을 개통한 이래 약 6년간 총 3차례에 걸쳐 자동노면조사장비를 이용하여 균열, 소성변형, 종단평탄성 등 현장 공용성을 조사하였으며, 아래와 같은 평가 결과를 도출하였다.
1. 균열의 경우, 2015년 9월 시험 구간 준공 이후 약 6년 동안 최대 20.45%까지 발생하였다. 비록 2차로의 중차량 비율이 1차로에 비해 현저히 높아 순환 아스콘과 일반 아스콘 구간 모두에서 2차로의 균열률이 큰 폭으로 증가하였으나, 차로별로 비교해보면 1차로에서는 순환 아스콘 구간이 일반 아스콘 구간에 비해 1%~2% 크게 발생하였고 2차로에서는 순환 아스콘 구간이 일반 아스콘 구간에 비해 1%~3% 작게 발생하여 순환골재 사용으로 인한 균열률의 차이는 매우 미미하였다. 즉, 순환골재 사용으로 인해 아스팔트 포장의 균열이 더 증가하거나 감소한다고 확증하기 어려울 것으로 판단된다. 일반국도의 균열에 대한 보수 시점은 균열률 약 25%~30%인 것을 고려할 때, 순환 아스콘과 일반 아스콘 시험포장 구간은 향후 2~3년 내에 동시에 보수가 이루어질 것으로 예상되어 공용수명에도 차이가 없는 것으로 판단된다.
2. 소성변형은 공용기간 6년 동안 순환 아스콘 시험포장 구간이 1차로 6.96 mm, 2차로 14.34 mm, 일반 아스콘 구간이 1차로 8.03 mm, 2차로 15.83 mm 발생하여 일반 아스콘 포장 구간에 비해 순환 아스콘 포장 구간에서 소성변형이 적게 발생하였다. t 검정을 통해 통계적으로 확인한 결과, 순환 아스콘이 일반 아스콘에 비해 소성변형이 적게 발생한다는 통계적 유의성을 확인할 수 있었다.
3. 종단평탄성은 순환 아스콘 시험포장 구간이 1차로 2.37 mm/m, 2차로 2.87 mm/m로 분석되었으며, 일반 아스콘 구간이 1차로 1.40 mm/m, 2차로 2.45 mm/m로 조사되어 순환 아스콘이 일반 아스콘에 비해 낮은 평탄성을 보여주었다. 현장 육안조사에 의하면 순환 아스콘의 골재탈리가 일반 아스콘에 비해 좀 더 두드러진 것으로 확인되었으며 그 결과가 종단평탄성에 반영된 것으로 판단된다. t검정 결과, 순환 아스콘이 일반 아스콘 구간에 비해 종단평탄성이 크게 발생하는 통계적 유의성을 확인할 수 있었다.
4. 본 연구의 시험 구간은 순환 아스콘과 일반 아스콘이 같은 위치에 같은 조건으로 시공되었으며, 현재까지 유지보수 없이 같은 조건으로 공용되고 있는 점, 중차량이 많아 포장 파손이 가속화되고 있는 점 등을 고려할 때 된 순환골재를 사용한 아스콘 포장의 현장 공용성을 일반 아스콘 포장과 비교･평가하는데 유효적절하다고 판단된다. 이와 같은 조건에서 자동노면조사장비를 이용하여 공용기간 6년 동안 조사한 결과, 순환골재를 사용함으로 인해 아스콘 포장의 현장 공용성이 일반 아스콘 포장에 비해 저하된다고 보기 어려우며 특히 공용수명 측면에서의 차이는 없는 것으로 평가되었다.
