1. 서 론
2. 발포제의 개요
2.1 발포제의 개요
2.2 발포제 적용하는 아스팔트 포장
3. 시험방법 설명
3.1 시험방법
3.2 동적전단 유변물성 측정 시험
3.3 노화도 측정 시험
4. 시험결과 및 분석
4.1 마스터커브 작성과 결과 분석
4.2 각 영역에서의 특성
4.3 온도변화에 따른 발포 아스팔트와 전단탄성계수 변화
5. 발포 아스팔트 혼합물의 성능 및 역학시험
5.1 시험계획 및 방법
5.2 시험결과
6. 결 론
1. 서 론
발포제는 이미 여러 다양한 산업분야 플라스틱, 고무, 종이, 가죽등과 같은 생활용품에 오래전부터 적용 사용되어온 재료이다. 아스팔트에 적용하고자 하는 시도는 90년도 초반 일본에서 시작되었으며 90년도 중반부터는 북해도 일부지역에서 사용하기 시작하여 최근에는 아스팔트 혼합물에 대한 관심이 커지면서 많은 관심이 고조되고 있는 실정이다. 발포제를 사용한 아스팔트는 기존 아스팔트 공법에 비하여 이산화탄소 저감과 생산 및 다짐온도를 더 큰 폭으로 저감할 수 있어서 친환경적인 아스팔트 공법으로 평가되고 있다. 발포제가 지니고 있는 장점을 아스팔트에 적용함으로써 국내에서도 발포제를 이용한 아스팔트에 관한 적용성에 대하여 연구를 수행할 필요성이 있다.
본 연구는 발포제를 사용한 중온 아스팔트 개발 가능성에 대한 기초연구로써 현재 국내에서 생산되고 있는 공업용 발포제를 사용하여 아스팔트 바인더와 혼합물에 혼합해서 실내시험을 실시하여 검토하였다. 현재 상용화된 아스팔트용 발포제와 국내에서 생산되고 있는 발포제 4종을 선정하였고, 일반아스팔트(AP-5)와 혼합하여 점탄성시험인 Frequency sweep(oscillatory mode)을 실시하였다.
회전박막가열 시험(Rolling Thin Film Oven, RTFO)을 통해 아스팔트 혼합물의 생성 및 시공단계에 이르기까지 발생하는 단기적인 아스팔트 바인더의 노화와 압력노화 시험(Pressure Aging Vessel, PAV)을 통해 5년에서 10년 정도가 경과된 장기적인 아스팔트 바인더의 노화를 모사하고 산화 전후(단기 및 장기)의 발포 아스팔트 바인더 거동 비교분석하였다.
2. 발포제의 개요
2.1 발포제의 개요
발포제는 거의 모든 플라스틱에 적용된다. 발포제는 물리 발포제와 화학 발포제로 나누어지는데 물리 발포제는 증발형 발포제라고도 불리고, 무기계의 공기, 질소가스, 탄산가스, 유기계 탄화수소, 염화탄화 수소, 프레온이 있다. 화학 발포제는, 분해형 발포제라고도 불리고 무기계와 유기계로 나누어진다. 화학발포제는 합성수지 또는 고무 등과 같은 고분자재료에 배합하여 열분해에 의해 가스를 발생시켜 스폰지(Sponge) 제품을 제조하기 위해 첨가되는 화공약품으로서, 크게 유기 화학 발포제(Organic Chemical Blowing Agent)와 무기 화학 발포제(Inorganic Chemical Blowing Agent)로 구분된다. 발포 기술(Blowing Technology)은 제품의 경량화, 쿠션(Cushion), 부양성, 흡음성 & 흡수성, 탄성, 단열성, 장식성, 치수안정성, 충격보완 등 여러 가지 특성들을 수지 또는 고무에 부여하기 위해 광범위하게 적용할 수 있다. 발포제의 용도로는 플라스틱 또는 고무에 배합하여 제품에, 스폰지 구조, 또는 셀(cell)구조를 부여하기 위한 물질을 말한다. 물리적인 상태 변화에 의해 발포시키는 것과 화학 변화에 의해 가스를 발생시켜 발포시키는 것으로 크게 나누어진다고 정의되어 있다. 즉, 플라스틱 안에서 기포를 발생시키고 형성시키기 위해서 사용하는 약재가 발포제이다. 발포제의 이점으로는 원료절감, 전기절연성·단열성 · 방음성 향상이고 주로 TV · 오디오 등에 사용되어 음향효과 개선, 충격흡수력 향상 등의 기대효과를 얻기 위해 행해진다. 발포방법으로는 기계적인 교반에 의해서 발포시키는 방법, 반응생성가스를 이용하는 방법, 발포제를 사용하는 방법, 가용성 물질을 제거하는 방법, 스프레이에 의한 발포방법 등이 있다(Woo, 1983).
2.2 발포제 적용하는 아스팔트 포장
일반적인 가열 아스팔트 포장은 150°C∼160°C인 고온의 아스팔트 혼합물을 사용하여 시공을 하고 있는데 반해 저탄소 아스팔트 포장은 120°C∼140°C 정도의 온도에서 아스팔트 혼합물을 생산하는 친환경 포장공법이다. 가열 아스팔트 포장과 비교하여 혼합물의 생산과정이 동일하고 시공방법 역시 동일한 방법을 적용하고 있다. 저탄소 아스팔트 혼합물은 가열 아스팔트 혼합물보다 시공온도를 약 30°C 저하시켜 도로포장 시공에 사용할 수 있는 공법이다(Jung, 2008).
발포제를 이용하는 저탄소 포장기술은 가열 아스팔트 혼합물을 제조하는 과정에서 발포제를 첨가함으로써 아스팔트 내에 미세포를 발생 분산시켜 혼합물의 포설 완료 시까지 아스팔트 혼합물 내에 미세포를 보관하는 것이다. 이에 따라 가열 아스팔트 혼합물의 제조 시 아스팔트 바인더의 발포에 의해서 골재와 아스팔트 바인더와의 혼합성이 향상되고, 혼합물의 포설 시에 혼합물 내에 함유되어 있는 미세포의 베어링적인 작용으로 인하여 다짐작업 시 다짐성을 향상시키는 원리이다(Hwang, 2010).
본 연구에서는 가열 아스팔트 혼합물을 제조하는 과정에서 발포제를 첨가함으로써 아스팔트 내에 미세포를 발생 분산시켜 혼합물의 포설 완료 시까지 아스팔트 혼합물 내에 미세포를 보관하는 것이다. 이에 따라 가열 아스팔트 혼합물의 제조 시 아스팔트 바인더의 발포에 의해서 골재와 아스팔트 바인더와의 혼합성이 향상되고, 혼합물의 포설 시에 혼합물 내에 함유되어 있는 미세포의 베어링적인 작용으로 인하여 다짐작업 시 다짐성을 향상시키게 된다.
3. 시험방법 설명
3.1 시험방법
아스팔트 바인더의 점탄성 특성을 분석하기 위하여 주파수 점진시험(frequency sweep)을 진동모드(oscillotory)를 적용하여 수행하였다. 시험은 선형 점탄성(Linear Visco Elastic:LVE) 구역에서 실시하였다(Fig. 1). 진동모드 시험은 DSR(Dynamic Shear Rheometer)을 사용하였다. 서로 다른 하중주기와 온도를 적용하여 평형판 사이에 아스팔트 바인더 시료를 위치시키고 전단응력과 변형을 진동변환 적용하는 방법으로 실시하였다.
DSR 시험모드는 25 mm의 지름을 가진 스핀들을 사용하였으며 시료 장착 두께는 1 mm를 적용하였다. 본 연구에서 적용한 DSR 시험은 다음과 같은 조건으로 수행하였다.
⦿ 하중모드 : Controlled - Strain
⦿ 시험온도 : 10°C, 20°C, 30°C, 40°C, 60°C
⦿ 주파수 : 0.01~20 Hz
⦿ 변형 진폭 : 선형점탄성 구역 내에서 G* 값에 따라 결정(0.5~10%)
아스팔트 바인더의 점탄성 특성은 복합전단계수(G*), 저장계수(G') 및 위상각(δ)을 측정하여 비교분석 할 수 있는데 본 연구에서는 복합전단계수(G*)을 이용하여 발포제 혼입과 산화 전후의 아스팔트 바인더 변화특성에 대하여 분석하였다.
3.2 동적전단 유변물성 측정 시험
아스팔트 바인더의 거동은 시간 및 온도의 영향을 받으므로 시간 및 온도에 대한 영향을 동시에 측정하는 것이 이상적이다. 동적전단 유동기(Danamic Shear Rheometer, DSR)를 사용함으로써 이상적인 실험을 실시할 수 있는데 플라스틱 업계에서 플라스틱의 품질관리에 사용되던 실험장비를 미국의 신도로연구계획(Strategic Highway Research Program, SHRP)에서 아스팔트 바인더 측정에 맞도록 개량한 것이다. 동적전단 유동기는 복합전단계수(G*)와 위상각(δ)을 측정함으로써 아스팔트 바인더의 점성 및 탄성거동 특성을 실험, 분석하는데 사용된다. 복합전단계수(G*)는 지속적으로 전단작용을 받는 조건하에서 재료가 가지고 있는 변형에 대한 전단저항력으로 탄성(회복) 및 점성(비회복)의 두 부분으로 구성되어 있다. 위상각(δ)은 탄성 및 점성변형의 상대변위를 나타낸다. Fig. 2는 DSR 시험 장비를 나타낸 것이다.
3.3 노화도 측정 시험
아스팔트 바인더의 노화는 산화와 휘발의 서로 다른 작용에 의해서 발생한다. 회전박막가열 시험(Rolling Thin Film Oven, RTFO)은 아스팔트 혼합물의 생성 및 시공단계에 이르기까지 발생하는 아스팔트 바인더의 노화를 모사한 시험이다. RTFO 시험 장비는 Fig. 3과 같으며, 시험하는 동안 아스팔트에서 증발되는 휘발성 물질의 양으로 가열 아스팔트 혼합물의 생산과 시공 중에 발생하는 노화의 정도를 측정하게 된다. 시험방법은 KS M 2259에 의해 163°C에서 75분간 시험한다.
압력노화 시험(Pressure Aging Vessel, PAV)은 5년에서 10년 정도가 경과된 공용중인 아스팔트 바인더의 노화를 모사한 시험이며, PAV 시험 장비는 Fig. 4와 같다. 아스팔트 바인더는 생산과 시공단계에서의 단기노화를 거쳤기 때문에 회전박막가열 시험에 사용된 아스팔트 바인더를 압력노화 시험에 사용한다. 시험방법은 KS F 2391에 의해 2,070 kPa의 압력에서 20시간 시험한다.
4. 시험결과 및 분석
4.1 마스터커브 작성과 결과 분석
여러 영역의 온도와 하중주기에서 수행한 하중주기시험결과를 마스터커브로 작성하여 일반아스팔트 바인더의 거동특성을 기준으로 발포제 혼입량(1%, 3%) 및 단기, 장기산화에 따른 발포아스팔트 바인더의 변화 특성을 관찰하였다. Figs. 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13은 모든 시료에 대한 마스터커브 작도 결과를 보인 것이다. 도시된 그림으로부터 발견되는 공통적인 사항은 다음과 같다.
① 발포제의 종류와 사용량에 따라 서로 다른 복합전단계수가 측정되고 있으며
② 저주파수영역(0.0001~0.01 Hz), 중주파수영역(0.01~100 Hz) 그리고 고주파수영역(100~1,000,000 Hz)에서 주파수의 변화에 따라 각 시료들은 서로 다른 반응을 보이고 있다. 즉 저영역에서 복합전단계수가 크게 나타나는 시료가 중,고영역에서도 반드시 복합전단계수가 크게 나타나지는 않고 있다.
③ 단기 및 장기산화된 일반 아스팔트의 경우 저,중영역에서 산화전, 단기산화, 장기산화의 순서로 복합전단계수가 증가하는 현상이 뚜렷하게 발견되었다. 한편, 고영역에서는 복합전단계수가 혼재하여 차이가 발생하지 않았다. 그러나 발포제가 혼입된 경우 일반 아스팔트와 다른 거동 특성을 보이고 있다. 거동특성은 발포제 별로 서로 다르게 나타나고 있으며 상용화된 A 발포제의 경우 장기산화된 시료가 저, 중영역에서 단기산화시료에 비하여 낮은 전단탄성계수를 보이다가 고영역으로 옮겨가면서 산화전과 단기산화 시료보다 낮은 전단탄성계수를 나타내는 것으로 관찰되었다. A발포제는 1%와 3% 함량에 따른 변화가 크게 발생하지 않았으나, B발포제에서는 함량 변화로 인하여 다른 특성을 보였다.
4.2 각 영역에서의 특성
Fig. 14는 산화전 저주파영역에서 발포제 A와 B의 혼입이 복합전단계수에 미치는 영향을 도시한 그림을 보인 것이다. 발포제 B의 혼입이 발포제 A의 혼입에 비하여 복합전단계수의 향상이 뚜렷하게 나타나고 있다. 중주파영역에서도 발포제 B가 혼입된 바인더의 복합전단계수의 향상이 발견되었다(Fig. 15). 고주파영역에서는 일반아스팔트의 전단탄성계수가 큰 차이는 아니지만 B 발포제가 혼입된 아스팔트 바인더와 A 발포제 혼입아스팔트에 비하여 크게 나타났다(Fig. 16). 이러한 특성의 차이는 아스팔트 포장의 공용성에 영향을 미칠 것으로 예상되는데 일반적으로 복합전단계수가 큰 아스팔트 바인더 일수록 공용성이 좋은 아스팔트 바인더로 알려져 있다.
4.3 온도변화에 따른 발포 아스팔트와 전단탄성계수 변화
발포제의 혼입이 온도변화에 따라 전단탄성계수를 어떻게 변화 시키는지를 분석하기 위하여 주파수를 0.01 Hz, 1 Hz 및 10 Hz로 고정시키고 각 경우의 변화를 분석하였다. 분석온도는 20°C와 40°C에서 실시하였다. 분석 방법으로는 발포아스팔트의 복합전단탄성계수(G*foam)과 일반아스팔트의 복합전단탄성계수(G*AP5)를 G*foam/ G*AP5로 표현하여 변화를 분석하였다. Table 1, 2는 분석결과를 정리한 표이다.
20°C와 40°C의 0.01 Hz~ 10 Hz에서 발포제의 혼입으로 인한 개질효과는 발견되지 않았다. 일반아스팔트에 비하여 전체적으로 전단탄성계수가 저하되는 것으로 나타났다. 전단탄성계수의 저하가 아스팔트혼합물에 직접적으로 미치는 영향에 대하여는 구체적으로 알려진 바는 없으나 일반적으로 소성변형 저항성이 저하되는 것으로 알려져 있다.
Table 1.
Changes in rheological parameters according to the incorporation of blowing agents (20°C)
Table 2.
Changes in rheological parameters according to the incorporation of blowing agents (40°C)
5. 발포 아스팔트 혼합물의 성능 및 역학시험
5.1 시험계획 및 방법
발포성능시험으로부터 얻어진 시험결과를 이용하여 일반아스팔트 혼합물과 일반아스팔트 혼합물에 발포제를 혼합하여 공시체를 제작하여 혼합물에 대한 성능 및 역학시험을 실시하였다. 일반아스팔트 혼합물은 130°C에서 다짐을 실시하고 발포 아스팔트 혼합물은 100°C에서 마샬공시체를 제작하여 이들 공시체에 혼합물에 대한 간접인장강도, 수분민감도, 회복탄성계수 및 반복크리프시험을 실시하였다. 다짐도를 측정하기 위하여 선회다짐시험기를 사용하여 다짐 횟수변화에 따른 밀도를 측정 비교하였다. 발포제는 A와 B를 사용하였다.
계획된 시험은 관련 KS규격과 방법에 따라 시험을 실시하였다. 간접인장강도는 KS F 2382, 수분민감도는 KS F 2398, 회복탄성계수는 KS F 2376의 방법에 따라 수행하였다. 회복탄성계수와 크리프시험은 노팀행 아스팔트 시험기를 사용하였는데 회복탄성계수 시험의 경우 재하시간은 0.1초, 휴지시간은 0.9를 적용하였으며 회복탄성계수 계산에는 5°C에서는 0.25, 25°C에서는 0.35를 40°C에서는 0.4를 사용하였다. 크리프시험의 추천에 따라 60분 재하 후 30분 재하하여 발생하는 회복변형율을 측정하여 각 경우의 소성변형 저항성을 측정하였다.
배합설계는 마샬 배합설계를 실시하여 일반아스팔트 혼합물과 발포아스팔트 혼합물에 대하여 각각 실시하였다. 배합설계는 13 mm 최대골재 밀입도 아스팔트 혼합물의 중간입도를 사용하였다. 일반아스팔트 혼합물 배합설계는 기존의 방법과 동일하게 실시하였으며, 발포아스팔트 혼합물은 혼합 시 발포제를 투입하고 100°C에 다짐을 실시하여 최적 아스팔트비를 구하였다. 배합설계 결과 일반아스팔트 혼합물은 최적아스팔트량이 5.7%로 발포아스팔트 혼합물은 5.5%로 나타났다.
5.2 시험결과
Fig. 17은 간접인장강도 시험결과를 도시한 것이다. 시험결과 일반아스팔트 혼합물의 간접인장강도는 10.5 kg/cm2, 첨가제 C 혼합물은 11 kg/cm2, 온도시험결과 나타났다.
간접인장강도가 발포제의 혼입으로 인하여 일반아스팔트 혼합물에 비하여 증가하는 이유에 대해서는 추가적인 분석이 필요하지만 다짐도 향상으로 인한 공시체 내부의 밀도가 증가된 것으로 판단된다. 한편, 수분민감도 시험결과 일반아스팔트 혼합물의 수분민감도가 가장 우수한 것으로 나타났다. 수분민감도 시험을 위하여 동결 융해를 반복하는 과정 중에 발포아스팔트 혼합물 공시체 내부로 수분이 침투할 경우 수분의 침투가 발생한 공시체의 간접인장강도가 저하하여 수분에 대한 저항성이 약화되어 건조 상태의 간접인장강도 시험결과와는 서로 상반된 결과를 보였다. Fig. 18은 수분민감도 시험결과를 도시한 것이다. 회복탄성계수 시험결과는 일반아스팔트 혼합물, 두 종류의 발포아스팔트 혼합물 모두 유사한 경향을 보였다. 일반아스팔트혼합물의 회복탄성계수가 두 종류의 발포아스팔트 혼합물에 비하여 5°C 및 25°C에서 각각 1,000 Mpa 및 500 Mpa가 크게 나타났으나 회복탄성계수의 범위를 고려했을 때 큰 차이로는 판단되지 않는다. 한편 40°C에서 회복탄성계수는 3종류의 혼합물 모두 유사한 수치를 보이고 있다. 발포제의 혼입으로 인한 회복탄성계수의 영향은 크지 않을 것으로 판단되며 온도 변화로 인한 공용성의 변화 역시 크게 영향을 받지 않을 것으로 판단되며 온도 변화로 인한 공용성의 변화 역시 크게 영향을 받지 않을 것으로 판단된다. Fig. 19는 회복탄성계수시험 결과를 보인 것이다.
크리프 시험결과를 Fig. 20에 도시하였다. 크리프시험에서는 일반아스팔트 혼합물의 영구변형율이 0.35%, A 발포제 혼합물이 0.4%, B 발포제 혼합물이 0.38%로 나타났다. 발포제가 혼입된 혼합물이 일반아스팔트 혼합물에 비하여 크게 나타났는데 이러한 결과는 아스팔트 혼합물에서 나타나는 일반적인 결과로써 아스팔트 혼합물이 향후 해결해야할 과제 중 하나로 지적되고 있다.
다짐도를 평가하기 위하여 선회다짐시험기를 사용하여 다짐시험을 실시하였다. 다짐각은 1.25°, 다짐압력은 600 kPa, 직경 10 cm, 속도 30 rpm의 사양이다. 시험결과를 Fig. 21에 도시하였다. 시험결과 밀도의 차이가 다소 발생하였으나 발포 아스팔트의 밀도가 일반아스팔트 밀도와 거의 유사하게 나타나는 것이 시험결과 발견되었다. 발포제 A 및 B로 제작된 혼합물의 밀도가 일반 혼합물밀도 대비 95%로 나타났다.
6. 결 론
발포제 A는 일본제품으로 현재 시공실적이 많은 발포제이고, 발포제 B, C, D는 국내 생산중인 발포제이다. 국내 발포제는 화학분야에서 사용되고 있는 재료로서 사전시험을 거쳐 아스팔트 바인더와 친화성이 있는 발포제를 선정한 것이다.
발포제 B는 실험 대상 발포제 중 가장 경제적이며 자기소화성 및 저장안정성이 우수하다. 발포제 C는 가격은 고가이나 분해온도가 다른 발포제들에 비해 낮다. 발포제 D는 담황색 미세 결정분말로 가장 범용적으로 많이 쓰이는 발포제 종이다. 아스팔트 바인더를 4종의 발포제에 혼입하여 산화 전후로 점탄성 시험을 실시하고 2종(발포제 A, B)의 발포제를 사용하여 제조한 아스팔트 혼합물의 시험결과 다음과 같은 결론을 도출했다.
1) 혼합물 시험결과 발포 아스팔트 혼합물은 일반아스팔트 혼합물에 비하여 간접인장강도는 증가하였으나 수분민감도와 영구변형 저항성에서 다소 감소를 보였다.
2) 일반적으로 복합전단계수가 큰 아스팔트 바인더 일수록 공용성이 좋은 아스팔트 바인더로 알려져 있다. 발포제가 혼입된 아스팔트 바인더는 일반 아스팔트 바인더에 비해 복합전단계수가 높으므로 아스팔트 포장의 공용성을 개선할 수 있다. 발포제 B의 혼입이 발포제 A의 혼입에 비하여 복합전단계수의 향상이 뚜렷하게 나타나므로 B 발포제가 혼입된 아스팔트 바인더가 A 발포제 혼입 아스팔트에 비하여 공용성이 좋은 아스팔트 바인더일 것으로 예측된다.
3) 발포 아스팔트 혼합물은 다짐도 향상으로 인한 공시체 내부의 밀도가 증가되어, 간접인장강도가 증가하므로써 성능 개선이 가능하다.
4) 일반아스팔트에 비하여 전단탄성계수가 저하되는 것으로 나타났다. 전단탄성계수의 저하가 일반적으로 소성변형 저항성이 저하될 수 있으나, 아스팔트혼합물에 직접적으로 미치는 영향에 대하여는 구체적으로 알려진 바는 없으므로 추가적인 실험을 통한 확인이 필요하다.
본 연구에서는 다수의 발포제를 이용한 아스팔트 바인더로 장기 및 단기산화 후의 점탄성 특성을 연구하였다. 발포제는 아스팔트 바인더의 성능 개선에 역할을 할 수 있다. 향후에는 더 다양한 점탄성 시험을 실시하고, 유변학적(Rheological) 해석을 통해 발포제의 특성을 보다 다각적인 측면으로 해석해볼 필요가 있다.
