1. 서 론
2. 재료 및 방법
2.1 사용재료
2.2 시험방법
3. 시험결과
3.1 폐플라스틱 골재 사용에 따른 최적 아스팔트함량
3.2 변형강도
3.3 간접인장강도
3.4 인장강도비
3.5 변형강도비
4. 결 론
1. 서 론
국내에서 폐플라스틱(waste polyethylene)의 발생은 2018년 6,375 ton으로 연평균 9%로 급격하게 증가하고 있으며, 발생량의 약 38%가 재활용되지 못하고 소각/매립 처리되어 환경오염 및 생태계 파괴 등 심각한 사회문제를 야기하고 있다(Kim, 2021). 플라스틱을 아스팔트에 적절한 비율로 혼합하여 아스팔트를 개질하면 아스팔트 감온성과 아스팔트 혼합물 내구성(durability)을 향상시킬 수 있다. 하지만 폐플라스틱을 아스팔트 개질재(modifier)로 사용하는 경우 아스팔트양의 최대 10%가 사용되지만, 전체 혼합물 중량의 약 0.5~0.6%에 불과하여 사용량이 매우 적다. 따라서 폐플라스틱을 가능한 많은 양을 안정적으로 재활용하는 방안이 필요하다. 이를 위해 본 연구에서는 개발된 폐플라스틱 인공골재의 아스팔트 혼합물 적용 가능성을 검토하기 위해 천연골재의 일부를 폐플라스틱 골재로 대체하여 배합설계를 수행하여 최적 아스팔트 함량(Optimum asphalt content: OAC)을 결정하였다. 결정된 OAC로 변형강도, 간접인장강도, 인장강도비, 변형강도비를 측정하여 소성변형 저항성, 균열 저항성, 수분 저항성을 평가하였다.
2. 재료 및 방법
2.1 사용재료
본 연구에 사용된 재료는 굵은골재로 최대치수 25 mm, 19 mm, 13 mm 화강암(Granite) 골재와 5 mm 이하 부순모래를 잔골재로 사용하였고, 채움재로 석회석분(limestone powder)을 사용하였고, 공용성 등급 (PG) 64-22의 AP-5 아스팔트를 바인더로 사용하였다.
본 연구에 사용된 폐플라스틱 골재의 경우 국내외에서 아스팔트에 첨가하여 폴리머 개질 아스팔트(polymer modified asphalt: PMA) 제조용으로 사용되고 있는 개질재의 한 종류인 LDPE(low-density polyethylene)의 폐기물인 폐LDPE를 재활용하여 미량의 다른 재료들과 함께 고온에서 압출 성형한 폐플라스틱 골재(Waste plastic aggregate: WPA)를 5 mm 이하로 조정하고 천연 잔골재의 5% 대체하여 사용하였다. 본 연구에서는 기층용(BB-2) 입도와 중간층용(MC-1) 입도를 적용하여 폐플라스틱 재활용 아스팔트혼합물(waste plastic aggregate recycling asphalt mix: WPAM)의 실험을 수행하였다. Fig. 1은 연구에 사용된 폐플라스틱 골재의 모습이며 폐플라스틱 골재의 특성은 Table 1과 같다.
Table 1.
Properties of waste plastic aggregate (WPA)
2.2 시험방법
2.2.1 배합설계
본 연구에서의 아스팔트 혼합물은 국토교통부(MOLIT, 2021) 중간층용 MC-1과 기층용 BB-2 기준을 만족하도록 입도를 조정하고 배합설계를 위해 직경 10 mm 공시체를 선회다짐 75회로 제조하였다. 각 혼합물은 실험실 Paddle 믹서로 1분간 비빈 후 160°C에서 1시간씩 오븐에 넣어 단기노화시킨 후 선회다짐기로 공시체를 제조하였다. 각각의 입도별 5가지 함량으로 공시체를 제조하여 SD ≥ 3.2 MPa(MC-1), SD ≥ 2.7 MPa(BB-2), VFA = 65~80%(MC-1), VFA = 60~75%(BB-2), VMA ≥ 13%(MC-1), VMA ≥ 13%(BB-2)를 만족하는 범위에서 공극률 4%(MC-1), 5%(BB-2)의 아스팔트함량을 최적 아스팔트함량(optimum asphalt concrete: OAC)으로 결정하였다.
2.2.1 변형강도 시험
각각의 OAC로 제조된 아스팔트 콘크리트 공시체의 변형강도(deformation strength: SD)를 Kim Test 시험법에 의하여 측정하였다(Kim et al., 2004; 2007; Park et al., 2008; Doh et al., 2007; Kim et al., 2005a; 2005b; 2008). 이 시험은 공시체를 60°C 물에 30분간 수침 후 꺼내어 신속히 수직 정하중을 30 mm/min의 속도로 가하여 측정하며, 도로현장에서 발생하는 소성변형 특성과 상관성이 매우 높음이 검증되었다. 보다 자세한 시험법은 국토교통부 아스팔트 혼합물 배합설계 기준으로 제시되었다(MOLIT, 2021).
Fig. 2와 같이 60°C 공시체 상단에 하중을 가하여 얻어지는 최대하중과 이때의 수직 변위를 측정하여 변형강도를 식 (1)로 계산하였다.
여기서, SD= 변형강도(MPa)
P = 최대하중(N)
y = 최대하중에서 수직 변형 값(mm)
2.2.2 간접인장강도 시험
간접인장강도(Indirect tensile strength: ITS)는 아스팔트 콘크리트의 균열에 대한 저항성을 나타내는 지표로써 높은 인장강도는 균열에 대한 저항성이 우수한 것으로 판단한다. 본 연구에서 공시체를 국내 표준시험온도인 25°C 온도에서 24시간 안정화 후 50 mm/min 속도로 하중을 가하여 얻어진 최대하중과 공시체 치수를 식 (2)에 대입하여 계산하였다. Fig. 3은 간접인장강도 시험 모습이다.
여기서, ITS = 간접인장강도(MPa)
P = 최대하중(N)
D = 공시체 직경(mm)
t = 공시체 두께(mm)
2.2.3 인장강도비 시험
본 연구에서 인장강도 비(Tensile Strength Ratio: TSR)를 구하여 수분 취약성을 평가하였다(MOLIT, 2021). TSR 값은 수분에 의한 취약성 평가, 아스팔트 혼합물에 발생하는 박리 현상의 예측, 박리방지제의 사용 여부에 따른 혼합물의 비교 평가 등 내구성 평가에 효과적인 시험방법이다.
공극률 7 ± 0.5%인 공시체를 6개 제조하여 3개는 25°C에서 24시간 안정화 후 Dry상태에서 ITS를 측정하고, 나머지 3개는 전처리 (부분적 포화 및 수분처리) 후 60 ± 1°C 수조에서 24시간 동안 수침 후 25 ± 0.5°C의 항온수조에 2시간 동안 넣은 뒤 ITS를 측정하여 얻어진 두 인장강도를 계산하여(식 (3)) 인장강도 비를 구하였다.
여기서, TSR = 인장강도 비(%)
ITSWet = 24시간 수침처리 후 간접인장강도(MPa)
ITSDry = 건조 공시체 간접인장강도(MPa)
2.2.4 변형강도비 시험
변형강도비(Deformation strength ratio: SDR)는 아스팔트 공시체의 수분에 의한 손상 정도 및 수분 저항성을 빠르고 간편하게 평가하기 위해 개발된 시험방법이다(이성진, 2015; 한중연, 2016; 윤지현, 2017). SDR은 TSR 방식과는 달리 혼합물의 공극률을 7 ± 0.5°C인 공시체를 제조하지 않고 배합설계를 통해 구해진 공극률의 공시체를 그대로 사용한다. 따라서 7 ± 0.5% 공극률 결정을 위해 공시체 다짐횟수 조정을 통한 제조과정과 60 ± 1°C 항온수조에 수침 후 25 ± 0.5°C의 항온수조에 2시간 동안 식힌 후 Wet 상태의 강도를 구하는 과정이 생략되기 때문에 상당히 많은 시간과 노력이 절약된다.
SDR 값 측정용 공시체는 혼합물의 공극률을 배합설계 기준대로 제조하였다. 건조 공시체는 일반적인 SD 측정과 같이 60 ± 1°C 항온수조에서 수침 30분, 수침 공시체는 48시간 60 ± 1°C 수조에 수침 후 바로 SD를 측정하여 수분 저항성 평가에 활용하였다. 변형강도 비는 식 (4)를 통해 TSR과 마찬가지로 건조 공시체 값에 대한 수침처리 공시체의 비율로 계산하였다.
여기서, = 인장강도비(%)
= 60°C로 수침 24시간 처리 후 변형강도()
= 60°C로 수침 30분 처리 후 변형강도()
3. 시험결과
3.1 폐플라스틱 골재 사용에 따른 최적 아스팔트함량
Table 2는 천연골재만을 사용한 혼합물 Control과 WPA를 5% 대체한 혼합물 WPAM의 배합설계 결과이다. 배합설계 결과 MC-1 입도를 적용한 혼합물 중에서 천연골재 일부를 폐플라스틱 골재로 대체한 혼합물이 천연골재만 사용한 혼합물보다 OAC가 높게 나왔다. 이는 폐플라스틱 골재는 천연골재보다 밀도는 낮고 부피는 크기 때문에 골재의 표면적이 증가하고 이를 피복하기 위하여 바인더의 함량이 증가한 것으로 판단된다. 그러나 BB-2 입도의 경우는 OAC가 균일한 결과를 나타냈다. 이는 BB-2 입도에 25 mm 굵은 골재가 포함되어있고 잔골재 및 채움재의 비율이 다르기 때문에 MC-1과는 달리 OAC가 균일하게 나타난 것으로 판단된다.
Table 2.
Mix design results
3.2 변형강도
Table 3은 변형강도를 측정한 결과이다. BB-2 입도의 혼합물은 Control이 4.29 MPa 천연골재를 WPA로 5% 대체한 WPAM이 5.98 MPa로 1.68 MPa 증가하였다. MC-1 입도의 경우 WPAM이 Control의 변형강도 4.59 MPa보다 0.4 MPa 증가한 4.99 MPa의 변형강도가 측정되었으며 모든 혼합물이 국토교통부 기준(MC-1: 3.2 MPa, BB-2: 2.7 MPa)을 만족하였다.
Table 3.
Deformation strength (SD)
3.3 간접인장강도
Table 4는 간접인장강도를 측정한 결과이다. 변형강도와 마찬가지로 BB-2 혼합물은 WPAM이 Control의 1.03 MPa 보다 0.32 MPa 증가한 1.35 MPa이 측정되었다. MC-1 또한 WPAM이 Control의 1.03 MPa 보다 0.31 MPa 증가한 1.34 MPa의 간접인장강도가 측정되었다.
Table 4.
Indirect tensile strength (ITS)
3.4 인장강도비
인장강도비의 시험결과는 Table 5와 같다. 폐플라스틱 골재를 5% 대체한 WPAM은 인장강도비가 BB-2 입도에서 97.7%의 매우 높은 인장강도비가 측정되었으며 MC-1 입도 또한 85.9%로 증가하여 국토부 기준을 만족하는 결과가 나타났다. 이는 폐플라스틱 골재가 혼합물의 수분저항성을 강화시킨다고 판단된다.
Table 5.
Tensile strength ratio (TSR)
3.5 변형강도비
Table 6은 변형강도비 결과이다. 변형강도비 또한 인장강도비와 마찬가지로 폐플라스틱 골재를 5% 대체한 WPAM은 인장강도비가 BB-2 입도에서 Control은 76.3%, WPAM은 88.9%로 Control보다 높은 변형강도비가 측정되었으며 MC-1 입도 또한 77.1%에서 84.7%로 증가하였다.
Table 6.
Deformation strength ratio (SDR)
4. 결 론
본 연구는 천연골재만을 사용한 혼합물과 천연골재를 폐플라스틱 골재로 일부 대체하여 사용한 혼합물을 비교한 것으로서 결과분석을 통해 다음의 결론을 얻었다.
1)변형강도로 평가한 소성변형 저항성, 간접인장강도로 평가한 균열 저항성, 변형강도비와 인장강도비로 평가한 수분 저항성 모두 일반 혼합물에 비하여 WPA를 5% 사용한 혼합물이 우수한 저항성을 나타냈다.
2)WPA 5% 사용한 혼합물은 일반 혼합물보다 우수한 성능을 발휘함으로 일반 골재를 일부 대체하여 실제 도로에 포장에 적용 가능할 것으로 판단되었다.
3)폐플라스틱 골재의 활용은 폐플라스틱을 개질재로 사용하는 방법 보다 많은 양을 사용하기 때문에 폐플라스틱의 소각/매립되는 양을 줄일 수 있는 좋은 방법으로 판단되었다.
4)그러나 본 연구는 한 종류의 바인더 및 폐플라스틱 인공골재가 사용되었기 때문에 보다 일반적인 결론을 얻기 위해서는 좀 더 다양한 조건의 실험이 필요할 것으로 판단된다.
