1. 서 론

국내에서 건설폐기물은 전체 폐기물 발생량의 46%(통계청, 2020)로 가장 높으며, ｢건설폐기물 재활용 촉진에 관한 법률｣에 따라 다양한 활성화 정책이 추진되고 있다. 건설폐기물에서 폐아스팔트 콘크리트는 도로, 주차장 등 포장에서만 발생하므로 별도로 수집 및 보관할 경우 다른 폐기물과 다르게 이물질이 거의 없는 장점이 있다. 또한, 가열시 아스팔트의 유동성과 접착력을 확보할 수 있어 해외에서도 폐아스팔트 콘크리트는 100% 아스팔트 포장으로 재활용이 가능한 자원으로 다루고 있다. 우리나라는 상기 법률에 따른 ｢순환골재 등 의무사용건설공사의 순환골재·순환골재 재활용제품 사용용도 및 의무사용량에 관한 고시｣에 따라 재활용 아스팔트 혼합물을 2010년부터 의무사용하고 있다. 그리고 의무사용 비율은 점점 높아져서 2016년 이후에는 아스팔트 혼합물 구매량의 40% 이상이며, 일정 규모 이상의 도로, 주차장, 택지등 대부분의 아스팔트 포장이 사용하는 공사가 해당된다. 이러한 정책에도 불구하고 2018년 재활용 아스팔트 혼합물 생산량은 전체 아스팔트 혼합물의 약 19%이었다. 이는 일본, 유럽 등의 50 ~ 70% 보다 낮으며, 국내 의무사용량 기준의 약 50%에 불과하다.

재활용 아스팔트 혼합물은 환경적인 장점만 아니라 경제성 측면에서도 단가가 2015년 기준 신아스팔트 혼합물 대비 87.8%(한국건설기술연구원, 2015)이었으며, 2020년 나라장터종합쇼핑몰의 자료를 검색시 지역별 편차가 있지만 약 95% 수준으로 우수하다. 그러나 사용 비율이 저조한 이유는 발주처에서 재활용 아스팔트 혼합물 사용에 대한 인식이 낮을 뿐만 아니라 품질에 대한 신뢰가 낮기 때문으로 판단된다. 특히, 재활용 아스팔트 포장은 공용기간 동안 노화된 아스팔트 콘크리트용 순환골재(Reclaimed Asphalt Pavement: RAP)를 사용하므로 조기 균열의 발생 우려가 활성화에 영향을 끼치고 있다. 일반적으로 RAP에 포함된 노화 아스팔트가 충분히 회생되지 못할 경우 균열의 원인이 될 수 있다(한국건설기술연구원, 2015). 따라서 국내 재활용 아스팔트 혼합물의 품질기준에는 균열저항성을 평가하기 위해 간접인장강도와 인성(Toughness) 기준을 포함하였다. 그런데 이 기준은 균열저항성 평가 기준으로는 세계적으로 잘 사용되지 않는 기준이며, 이에 대한 효율성 및 적합성에 대한 평가가 미흡한 실정이다. 따라서 본 논문에서는 재활용 아스팔트 포장의 균열저항성 평가를 위해 간접인장강도를 포함한 해외 기준을 조사하여 국내에 적용하기 위한 적합한 방법을 고찰하였다.

2. 재활용 아스팔트 혼합물의 균열 저항성

NCHRP (2011) 보고서에서는 아스팔트 혼합물의 성능에 대하여 Table 1과 같이 피로균열, 저온균열, 소성변형, 물과 공기 침투에 대한 저항성, 수분저항성 등으로 구분하였다. 그리고 아스팔트, 골재, 체적특성 등으로 구분한 영향 요소를 제시하였다. 이 표에서 화살표의 개수는 영향도의 크고 작음을 나타내며, 화살표의 방향에서 상향은 해당 파손이 높아짐, 하향은 낮아짐을 의미한다.

Table 1에서 피로균열 저항성이 낮아지는 가장 큰 영향요소는 상온에서의 아스팔트 강성 증가, 다짐도 증가, 공극률 감소이며, 저온균열 저항성은 아스팔트 저온 등급이 가장 큰 영향을 준다고 하였다.

한국건설기술연구원(2015)에서는 재활용 아스팔트 포장 구간과 신아스팔트 포장의 공용성능을 평가하기 위하여 서울시에서 2013년과 2014년에 시공되고 1~2년 공용된 구간을 조사하였다. 이 결과 대부분의 재활용 아스팔트 포장은 소성변형이 적게 발생한 반면 균열은 높게 발생한 것으로 나타났다(Fig. 1, Fig. 2).

Fig. 1.

Asphalt Pavements Rutting in Seoul

Fig. 2.

Asphalt Pavements Crack Ratio in Seoul

이에 반해 미국 NCAT에서는 시험주로에 신아스팔트 포장과 50% RAP을 사용한 재활용 아스팔트 포장을 비교·평가한 결과 신아스팔트 포장 구간은 소성변형이 9 mm, 균열율이 2%인데 비하여, 재활용 아스팔트 포장구간은 소성변형이 4 mm, 균열율은 0%이었다. 따라서 재활용 아스팔트 포장이 신아스팔트 포장에 비하여 소성변형뿐만 아니라 균열저항성이 우수한 것으로 평가되었다(Willis and West, 2014).

국내에서는 재활용 아스팔트 혼합물의 품질을 높이기 위해 2017년부터 ｢(국토교통부) 아스팔트 콘크리트 포장 시공 지침｣에서 재생첨가제를 의무 사용하도록 하고 있으며, 새로운 재생첨가제를 개발시 재활용 아스팔트 포장을 시공하여 균열율, 소성변형, 평탄성 등의 공용성에 대한 평가 후에 적용하도록 하고 있다(국토교통부, 2017).

3. 재활용 아스팔트 혼합물의 균열 저항성 시험 방법

3.1 간접인장강도 및 인성(Toughness)

국내외 연구에서 균열 저항성은 주로 반복하중 시험으로 평가하였으나 배합설계에서 적용하기 어려운 문제가 있다. 이에 따라 국내에서는 Table 2와 같이 간접인장강도 및 인성(Toughness)이 균열저항성에 대한 시험기준으로 사용되고 있다.

간접인장강도 시험은 1953년 콘크리트의 인장강도 측정방법으로 처음 도입되었으며, 그 후 1983년에 Kennedy와 Anagnos가 아스팔트 혼합물의 인장강도를 압축시험기를 이용하여 간접적으로 측정하기 위하여 사용하였다(Yoder and Witczak, 1975; Kennedy et al., 1984). 간접인장강도는 25°C에서 측정하며, 공시체 상하에 직경 101.6 mm 또는 100 mm 공시체의 반경과 동일한 곡률의 표면으로 가공된 폭 13 mm의 금속 띠를 이용하여 공시체에 50 mm/min의 속도로 압축하중을 재하하여 측정한다. 간접인장강도는 하중값을 이용하여 계산하며, 인성(Toughness)은 간접인장강도 시험 시작부터 최대하중까지의 하중 × 변형의 총합으로 계산된다.

간접인장강도는 비교적 쉽게 시험하여 결과를 도출할 수 있는 장점이 있으나, 김남호 등(2010)은 재생 아스팔트 혼합물의 변형강도 및 간접인장강도 시험에서 RAP 사용 비율이 증가할수록 변형강도와 간접인장강도가 증가하는 것으로 나타났다. 그리고 김현환(2010)은 간접인장강도가 소성변형 저항성 기준인 휠트래킹 시험이나 변형강도와 상관성이 있으며, 이는 바인더의 강성의 영향이 크기 때문이라고 하였다. Al-Qadi et al. (2007)은 Fig. 3에서 신규 아스팔트 혼합물 보다 RAP 아스팔트 혼합물의 간접인장강도가 높고, RAP의 가열시간 증가에 따른 간접인장강도가 증가한다고 하였다. 그리고 다양한 시험온도에서의 평가가 있어왔는데, 도영수 등(2002)은 개질 및 비개질 아스팔트 혼합물을 이용하여 간접인장강도를 시험기준 온도인 25°C는 물론 -40°C까지 시험한 결과 온도가 낮아질수록 간접인장강도 값이 커진다고 하였다. 그리고 -20°C에서 대부분 최대값을 나타내고, -40°C에서 다소 낮아진다고 하였다.

Fig. 3.

Effect of RAP Preheating Time on Unconfined Compression and Indirect Tensile Strength (Al-Qadi et al., 2007)

3.2 DC(T) 시험

DC(T) (Disk-shaped Compact Tension) 시험은 아스팔트 혼합물의 파괴에너지를 얻기 위해 시험한다. 이 시험방법은 ASTM E399 “Standard Test Method for Linear-Elastic Plane-Strain Fracture Toughness K_IC of Metallic Materials”의 Fig. 4와 같은 ‘Special Requirements for Testing Disk-Shaped Compact Specimens’ 시험방법을 참조하여 개발하였다. DC(T) 시험은 원주형 시편을 이용할 뿐 만 아니라 기존의 간접인장강도 시험 등과는 다르게 순수한 균열 Mode I으로 균열이 발생하는 특징이 있다. 다양한 온도와 시험속도 등을 결정하여 Fig. 5와 같은 시험방법으로 제안되었다.

Fig. 4.

Disk-Shaped Compact DC(T) Specimen—Standard Proportions and Tolerances (ASTM E399)

Fig. 5.

DC(T) Geometry for Asphalt Concrete (Wagoner et al., 2005)

Wagoner et al. (2005)는 ASTM E399에 따른 DC(T) 시험 결과 약 50% 이하의 공시체가 원형 홀에서 파괴가 발생하는 단점이 있어 홀의 위치를 안쪽으로 이동시킨 시험방법을 제시하였다. 시험 온도를 -20°C, -10°C, 0°C, 시험속도를 10 mm/min ~ 0.1 mm/min으로 시험한 결과 온도가 높아질수록, 시험속도가 낮을수록 파괴에너지가 증가하였다. 그리고 파괴시 각도는 평균 5° 차이가 있었으나 결과의 신뢰성에는 크게 영향을 주지 않는다고 하였다.

3.3 Fenix 시험

Fenix 시험은 스페인의 Road Research Laboratory of the Technical University of Catalonia에서 개발하였다. 간접인장강도 시험과 다르게 아스팔트 공시체를 직접인장하는 시험으로써 강성과 소산에너지(dissipated energy)를 이용하여 온도변화를 고려한 공용중의 파손을 평가할 수 있다(Valdés et al., 2009). 이 시험은 원형 공시체를 1/2로 절단한 시편에 6 mm 두께의 노치를 만들고 스틸판을 노치 양옆의 평면에 붙여서 시험기에 셋팅한 후 1 mm/min의 속도로 직접인장 시험한다. 하중과 변형값을 이용하여 소산에너지와 인장강성지수를 구한다(Fig. 6).

Fig. 6.

Fenix Test and Typical Load vs. Displacement Output Curve (Valdés et al., 2009)

Valdés et al. (2009)은 일반아스팔트(침입도 등급 60-70, 40-50, 13-22)와 개질아스팔트를 적용하여 공칭최대골재 크기 13 mm, 20 mm인 아스팔트 혼합물을 공극률 3.5% ~ 5.5%로 제작하였다. 공시체를 4일간 80°C의 오븐에서 노화시킨 후 비노화 시료와 함께 시험온도 -10°C, 5°C, 20°C에서 비교평가 하였다. 소산에너지는 개질 아스팔트 혼합물이 모든 온도에서 가장 높았으며, 시험온도별 평가에서 대부분 혼합물이 -5°C에서 가장 높은 값을 나타내었다. 다짐온도별 평가에서 155°C는 120°C와 비교시 강도는 45%, 소산에너지는 58.8%, 인장강성지수는 47% 향상되었다. 이 시험을 EN 12697-24 시험방법에 따른 3점 휨시험과 비교평가한 결과 Fenix 시험의 I_RT와 3점 휨시험의 동탄성계수 및 변수 b와 상관성이 있었다고 하였다(Pérez-Jiménez et al., 2010). 또한 최대하중의 50%하중에서의 변위는 3점 휨시험의 변수 a와 상관성이 있다고 하였다(Pérez-Jiménez et al., 2011).

Fenix 시험과 SCB (Semi-Circular Bend) 시험을 비교 평가한 결과 SCB 시험은 5°C 이상에서는 시험이 어려운 것으로 나타났다. 시험결과에 따르면 -15°C에서는 온도하중이 소산되지 않기 때문에 낮은 공용성을 보인다고 하였다. 따라서 이러한 시험방법은 아스팔트 혼합물의 종류에 따라 아스팔트 종류나 함량을 조정하여 강성인자를 낮추고 균열에너지를 향상시키기 위한 시험으로 사용할 수 있다고 하였다(Pérez-Jiménez et al., 2013).

시험온도를 -30°C까지 시험한 결과 개질아스팔트 혼합물이 -5°C 및 -10°C에서 균열저항성이 높고, -20°C와 -30°C에서는 CRM (Crumb rubber modified) 아스팔트 혼합물이 개질 아스팔트 혼합물보다 높은 것으로 나타났다(Miró et al., 2014). 그러나 연구 논문의 실험결과를 분석한 결과 Table 3과 같이 침입도 증가에 따라 파괴시의 최대하중은 낮아지며, 인장강성지수(I_RT)와 소산에너지(G_D)도 감소하거나 증감이 있었다.

따라서 Fenix 시험과 같이 실제 균열파괴를 모사한 직접인장 시험을 수행하여도 아스팔트 혼합물의 강성에 영향을 크게 받기 때문에 간접인장강도 시험에 비하여 균열저항성과 상관성이 높다고 볼 수 없는 것으로 파악되었다.

3.4 OT (Overlay test)

Overlay test는 TTI overlay test 시험을 개선한 것으로 미국 텍사스 A&M 대학교에서 150 mm의 공시체를 이용하여 아스팔트 혼합물의 반사균열 저항성을 빠르게 시험하기 위해 Fig. 7과 같은 장비를 개발하였다. 일정한 변위로 반복하여 실험하며, 반사균열에 취약한 아스팔트 혼합물은 몇 분 내에 시험이 종료된다(FHWA, 2005). Fig. 8과 같이 길이 150 mm, 폭 76 mm, 높이 38 mm ~ 76 mm 크기의 공시체를 사용하며, 일반적으로 150 mm의 공시체의 양면을 절단하여 시험용 공시체로 사용한다. 시험시 공시체를 시험용 판에 접착제로 부착하여 시험기에 장착한다. 시험시 시험용 판이 좌우로 이동하며 Fig. 9 파형의 피로를 가하고, 반복 재하로 인해 공시체가 파괴될 때의 하중 재하 횟수로 공시체의 반사균열 저항성을 평가한다.

Fig. 7.

Overlay Tester (FHWA, 2005)

Fig. 8.

Specimen Set-up (FHWA, 2005)

Fig. 9.

Schematic Diagram of Overlay Test Loading Types (FHWA, 2005)

TxDOT (2013)에 따르면, 시험결과 Fig. 10과 같이 중앙에서 균열이 1개로 발생하는 경우도 있지만 2개 이상으로 발생하는 경우도 있었다. 이는 공시체 중간에 노치가 없기 때문으로 판단되었다. FHWA (2007)에서는 OT를 이용하여 피로균열 수명을 예측한 결과와 포장가속시험기인 FHWA-ALF를 이용하여 평가한 결과의 상관성이 매우 높다고 하였다.

Fig. 10.

Example of Single Crack and Double Cracks after Overlay Test (TxDOT, 2013)

4. 균열저항성 시험 고찰

재활용 아스팔트 혼합물의 연구 결과를 검토한 결과 균열 저항성을 확보하기 위해서는 순환골재에 포함된 아스팔트의 상온에서의 강성을 낮추고, 저온 등급을 높이는 것이 필요한 것으로 평가하였다. 그리고 이를 고려하여 아스팔트 혼합물의 균열 저항성에 관한 시험을 검토한 결과는 다음과 같았다.

4.1 간접인장강도 및 인성(Toughness)

간접인장강도는 아스팔트 혼합물의 강성에 큰 영향을 받으며, 노화 등에 따라 강성이 커질 경우 값이 커지는 특성이 있다. 따라서 균열저항성의 기준으로 적용하기에 한계가 있으며, 0.8 N/mm² 등의 하한기준으로 적용하는 현재 국내 기준은 보완이 필요한 것으로 판단된다. 그리고 인성도 하중 × 변형의 누적으로 계산되므로 하중값에 영향을 크게 받는 문제점이 있다. 따라서 이를 개선한 시험 또는 분석 방법이 필요하다.

4.2 DC(T) 시험, Fenix 시험

균열파괴를 모사한 직접인장 시험을 수행시 아스팔트 혼합물의 강성의 영향을 크게 받기 때문에 다양한 에너지 개념을 이용하여 분석방법을 제시하였다. 그러나 연구결과를 분석한 결과 혼합물의 강성에 의한 영향이 높은 것으로 판단되었다.

4.3 OT (Overlay test)

원래 반사균열 저항성을 평가하기 위해 개발되었으나 일반적인 균열저항성 평가에 사용될 수 있는 것으로 파악되었다. 비교적 간단한 시험장비로 반복 피로가 가능하며, 조기에 종료되는 장점이 있다. 그러나 균열이 중앙에서 발생하지 않고 2개이상의 균열이 발생하거나 사선으로 균열이 발생하여 오류가 발생할 수 있고, 삼각파형으로 실제하중과 차이가 있으므로 이에 대한 개선이 필요하다.

5. 결 론

재활용 아스팔트 혼합물의 균열 저항성 평가 시험에 대한 연구 결과 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.

∙아스팔트 혼합물의 피로균열이나 온도균열은 아스팔트의 강성과 연관이 있으며, 이에 대한 영향을 고려하여 균열저항성을 평가할 수 있는 시험이 필요하다.

∙국내 재활용 아스팔트 혼합물의 기준인 간접인장강도와 인성(Toughness)는 균열 저항성에 대한 평가 기준으로 적합하지 않으며, 개선된 시험이나 분석 방법이 필요하다.

∙직접인장에 의한 균열저항성 시험인 DC(T), Fenix의 연구 결과를 분석한 결과 아스팔트 혼합물의 강성에 따른 영향을 받으며, 충분히 검증되지 않았으므로 기준으로 적용하기 어렵다.

∙OT시험은 반복 피로시험이며 조기에 종료될 수 있어 균열저항성 평가에 적합하지만, 신뢰성을 높이기 위해 시험방법의 개선이 필요하다.

품질기준으로 적용할 수 있는 국내·외 시험방법을 평가한 결과 재활용 아스팔트 혼합물의 균열저항성을 평가하기 위해서는 공시체를 이용한 직접적인 시험이 아닌 아스팔트 혼합물 추출 후 점도 시험 기준인 5,000 poise 이하 여부로 관리하는 것이 현재로써는 중요한 것으로 판단된다. 다만, 점도를 이용한 방법은 개질 재활용 아스팔트 혼합물에 적용할 수 없는 한계점이 있다. 따라서 향후에는 재활용 아스팔트 혼합물의 품질관리를 위해 현재의 문제점을 개선한 균열저항성 시험 방법의 개발이 필요한 것으로 사료된다.