1. 서 론
2. 인도네시아 천연 아스팔트 (Asbuton) 특징
3. 연구수행방법
3.1 연구순서
3.2 물리적 특성 시험
3.3 기포 아스팔트 특성 평가 시험
3.4 MCSR 시험
4. 시험결과 및 분석
4.1 원(Original) 아스팔트의 물성평가
4.2 반감기 특성 평가
4.3 기포 아스팔트의 물성평가
4.4 MSCR 시험결과
5. 결 론
1. 서 론
인도네시아 천연 아스팔트(Natural Asphalt)인 Asbuton은 1924년 부톤섬(Buton Lsland)에서 최초 발견되어 1926년부터 도로포장 재료로 사용되고 있으나(Huda and Sapto, 2020), 일반 석유 아스팔트(Petroleum asphalt) 대비 천연 아스팔트 추출 및 상용화 비용이 크게 발생하여 상온 패칭(Cold patching) 등 국한되어 사용되고 있다(Ivan et al., 2013). 하지만 인도네시아 정부에서는 2060년까지 이산화탄소 배출 넷 제로(Net-zero emissions)를 목표로 하는 탄소중립 국가전략을 수립함에 따라 도로포장분야에서도 기존 석유 아스팔트의 수입과 사용을 줄이고, 천연 아스팔트를 포괄적으로 사용하고자 하는 분위기가 형성되고 있다. 천연 아스팔트를 적극적으로 활용하고 인도네시아 탄소중립정책에도 기여하고 할 수 있는 방안은 국내 기포 아스팔트를 적용하여 인도네시아 건설환경에 맞춰 커스터마이징(Customizing)을 하는 것이다. 국내 기포 아스팔트는 고온의 아스팔트에 물과 고압의 에어를 분사하여 아스팔트를 기포화시켜 아스팔트의 점도를 물리적으로 낮춤으로서 가열 아스콘보다 낮은 온도에서 골재 코팅(마이크로 버블) 및 다짐(매크로 버블)이 가능 탄소배출 저감형 도로포장 기술로서 본 연구는 인도네시아 맞춤형 기포 아스팔트 기술에 적합한 현지 천연 아스팔트를 선정하기 위해 실내 기포 아스팔트 발생장치를 사용하여 기포 발생 전후의 물리적 특성을 평가하였다.
2. 인도네시아 천연 아스팔트 (Asbuton) 특징
Asbuton은 1920년 네덜란드인 Hetzel에 의해 부톤섬에서 처음 발견되었으며, 섬내 Rongi, Kabungka, Lawele, Repe, Rota, Madullah 등 여러 지역에 분산되어 있으나 Kabungka 및 Lawele에서 채굴하는 Asbuton이 대표적이다(Budi et al., 2002; Erdawaty et al., 2019). Table 1부터 Table 3은 Kabungka Asbuton과 Lawele Asbuton의 화학적 구성성분 및 특징을 보인 것이다(Furqon Affandi, 2012; Huda and Sapto, 2020). Asbuton은 질소(N)와 아스팔텐(Aspalten)으로 주로 구성되어 있으며, 동일한 부톤섬에서도 채굴 지역에 따라 물성이 상이한 것을 확인할 수 있다. Fig. 1은 암석형태로 존재하는 Asbtuon을 묘사한 것이다(BAI, 2004). Asbuton는 일반 아스팔트와 같이 순수한(Pure) 바인더 형태가 아닌 암석(Rock) 형태로 존재하며 공극 내 미네랄(Mineral)를 골재와 분리시켜 따로 추출하는 공정이 굉장히 까다롭기 때문에 추출 공정에서 일부 미네랄 성분이 섞여 화학적 구성이 상이할 수 있다(Zamhari, 1989).
Table 1.
Chemical properties test of Asbuton (Erdawaty et al., 2019)
Table 2.
Chemical component of Asbuton (Erdawaty et al., 2019)
| Component | Content | |
| Kabungka Asbuton | Lawele Asbuton | |
| CaCO3 | 86.66 | 72.90 |
| MGCO3 | 1.43 | 1.28 |
| CaSO4 | 1.11 | 1.94 |
| CaS | 0.36 | 0.52 |
| H2O | 0.99 | 2.94 |
| SiO2 | 5.64 | 17.06 |
| Al2O3+Fe2O3 | 1.52 | 2.31 |
| Residue | 2.29 | 1.05 |
Table 3.
Kabungka Asbuton & Lawele Asbuotn properties (Huda and Sapto, 2020)
3. 연구수행방법
3.1 연구순서
Fig. 2는 연구수행 순서를 정리한 것이다. 본 연구에서는 2종의 인도네시아 Asbuton과 비교분석을 위한 1종의 일반 아스팔트를 준비하였다. 2종의 Asbuton은 원석 형태의 천연아스팔트를 공정으로 바인더만을 추출한 형태로서 고온성 등급 PG70(이하 AsbutonPG70) 및 PG76(이하 AsbutonPG76)에 해당되고, 1종의 일반 아스팔트는 인도네시아 도로포장에 흔히 적용하는 침입도 60-70등급의 바인더(이하 Pen6070)이다. 시편의 물성시험을 통해 인도네시아 품질기준인 ‘Spesifikasi Umum 2018(Revisi 2)’ 만족여부를 검토 후 기준을 만족하는 시편을 추려 기계적 발포를 위하여 반감기 시험을 실시, 최적 수분함량(Optimum Water Contents)을 계산하였다. 발포 후 물성시험 및 MSCR 시험을 통해 물성변화를 관찰하였고, 인도네시아 맞춤형 기포 아스팔트 기술의 재료로서의 적합여부를 판단하였다.
Fig. 3은 본 연구에서 사용한 실내 기포 발생장치 전경 및 컨트롤 화면을 보인 것이다. 해당 실내 기포 발생장치는 Expansion Chamber 방식으로 고온의 아스팔트에 물과 공기를 동시에 주입하여 순간적으로 아스팔트 바인더 내 기포를 형성, 바인더가 팽창되는 방식이다. 각 탱크에 유량계가 설치되어 있어, 목표시간동안 정확한 계량 및 유출이 가능하다.
3.2 물리적 특성 시험
주어진 시편의 발포전･후 물성은 인도네시아 품질기준 ‘Spesifikasi Umum 2018(Revisi 2)’에 명시되어 있는 항목과 기준을 적용하여 비교하였다(PUPR, 2018). Table 4는 인도네시아 품질기준에 명시되어있는 아스팔트 시험항목별 품질기준을 정리한 것이다. 인도네시아는 기후특성상 아스팔트의 고온 공용성등급만을 고려하기 때문에 저온 공용성 등급 시험은 생략하였다.
Table 4.
List of physical property test for asphalt binder (PUPR, 2018)
3.3 기포 아스팔트 특성 평가 시험
Fig. 4는 반감기 시험을 통해 얻는 팽창곡선을 보인 것이다(Abhary et al., 2021). 밀폐된 챔버 내 뜨거운 아스팔트 바인더에 공기와 찬 수분이 추가되면 물의 증발과 함께 바인더가 일시적으로 부풀어 올라 부피가 팽창하게 되고 시간이 지나면서 발포효과가 사라지게 된다. 이때 바인더가 최대로 팽창한 부피를 초기 부피로 나눈 것을 팽창비(Expantion ratio)라 하고, 최대 팽창한 부피가 절반으로 감소하기까지 소요되는 시간(Seconds)을 반감기(Half life)라 한다. 발포효과를 극대화하기 위해서는 최적 수분함량(Optimum water content)을 찾는 것이 필수적이다. 최적 수분함량으로 물을 첨가하였 때 바인더의 발포 능력, 즉, 바인더가 팽창하여 유지되는 능력이 최적화되기 때문이다. 기계적 발포를 위한 수분 첨가량이 하면 바인더의 팽창은 증가하나 일정 함량을 초과시 부피 팽창의 증가가 없으며 동시에 유지시간이 감소한다(Kang et al., 2020). 따라서 반감기시험을 통해 최적수분함량을 계산하였으며, Fig. 5는 반감기 시험 수행 장면을 보인 것이다.
3.4 MCSR 시험
다중 하중 크리프-리커버리 시험(Multiple-stress creep-recovery test)은 2011년 미연방도로국(Federal highway administration)에서 고온 탄성회복력을 평가하기 위해 고안한 방법이다. 기존 PG 등급에서는 동적전단레오미터(DSR)을 사용하여 G*/sinδ값이 1.0 kPa 이상을 만족하는 온도를 확인, 포장체의 소성변형을 예측하였으나 MCSR 시험은 보다 큰 변형률 범위(3.2 kPa)에서 재료의 특성을 확인하기 때문에 실제 교통하중에 의한 응력조건을 모사하여 소성변형을 예측하는 방법이다(Lee and Lee, 2021). 또한 일반아스팔트와 달리 개질아스팔트는 응력의 증가에 따라 바인더 내부에서 고분자 사슬의 변형이 발생하면서 바인더의 점탄성 성질이 변하는 비선형적인 특성을 가지기 때문에 PG 시험 외 점탄성 특성을 확인하고자 사용되는 시험이다(Cha, 2018). 회전박막가열시험(RTFO)으로 단기노화를 시킨 시편에 1초 동안 크리프(Creep) 하중을 재하(Loading)하고, 9초 동안 회복(Relaxation)을 시켜 시간-전단 스트레인(Time vs. strain) 그래프를 Fig. 6과 같이 도식한다(Joëlle et al., 2016). 시편의 소성변형저항성은 비회복성 크리프 변형계수 Jnr(Non-recoverable creep compliance)과 탄성회복률(%Recovery) 그리고 민감성 계수 Jnr_diff를 통해 평가한다. Jnr은 반복 하중하에서 영구 변형에 대한 바인더의 민감성, 즉, 소성변형률을 의미하고 %Recovery는 하중에 따른 회복정도, 즉, 탄성회복률을 의미한다. 해당 인자들은 바인더의 강성 및 회복에 따라 상이하며 탄성이 높을수록, 개질 바인더의 경우 개질정도가 높을수록 소성변형률은 감소하고, 탄성회복률은 증가한다. Jnr_diff은 (1)부터 (3)를 통해 계산하며, Jnr_diff의 기준은 75% 이하이다. 본 연구에서는 기계적 발포전･후 영향을 분석하기 위하여 Jnr 및 Jnr_diff의 변화를 관찰하였다.
4. 시험결과 및 분석
4.1 원(Original) 아스팔트의 물성평가
Table 5는 AsbutonPG70, AsbutonPG76 그리고 Pen6070의 발포전 원 시편(Control)의 물성시험결과를 보인 것이다. 2종의 Asbuton 시편 모두 각 시험항목별 값의 차이가 근소하고 인도네시아 품질기준을 만족시켰다. 고온 공용성 등급을 위한 동적전단레오미터(DSR) 시험 결과, AsbutonPG76 시편의 노화 전 G*/sinδ값이 76°C에서 기준을 만족시키지 않고, AsbutonPG70 시편의 노화전･후 G*/sinδ값이 76°C 기준을 만족하였다. 따라서 고온 공용성 등급 기준을 만족시키지 못하는 AsbutonPG76을 제외하고, AsbutonPG70을 선택하여 기계적 발포를 적용, 발포전･후 물성변화를 관찰하였다.
Table 5.
Physical properties of bitumen (control)
4.2 반감기 특성 평가
Fig. 7은 AsbutonPG70 및 Pen6070의 반감기 시험결과를 나타낸 것이다. 물의 함량을 아스팔트 양의 1%, 2%, 3%로 조절하여 반감기 시험을 수행한 결과 AsbutonPG70의 최적수분함량은 1.75%, Pen6070의 최적수분함량은 1.8%로 값이 유사하였다. 이는 AsbutonPG70 바인더 내 기타 첨가물질이 포함되어 있지 않기 때문에 일반 아스팔트인 Pen6070과 최적 수분함량이 유사하게 나온 것으로 판단되며, 최적 수분함량을 첨가하였을 때 AsbutonPG70의 발포유지시간은 56초로 Pen6070의 발포유지시간인 48초보다 약 8초 길게 측정되었다.
4.3 기포 아스팔트의 물성평가
Table 6은 AsbutonPG70과 Pen6070의 기계적 발포 후 물성변화를 관찰한 것이다. 기포 아스팔트는 공기와 수분 첨가로 인해 바인더의 체적이 순간적으로 증가한 후 시간이 흐름에 따라 바인더 내 기포 및 수분이 제거되면서 기포효과가 사라지게 된다. 기계적 발포로 인한 AsbutonPG70의 물성저하 및 변화는 발견되지 않았으며, 4.2장의 반감기 시험에서 AsbutonPG70는 Pen6070 대비 최적 수분함량에서 발포유지시간이 더 길고, 기포 발생 후에도 성능변화가 없음을 확인하였기 때문에 해당 시편은 인도네시아 맞춤형 기포 아스팔트 기술의 재료로서 적합한 것으로 판단된다.
Table 6.
Physical properties of bitumen (Foaming)
4.4 MSCR 시험결과
Table 7 및 Fig. 8은 AsbutonPG70의 MSCR시험 결과를 보인 것이다. AsbutonPG70의 MSCR 곡선에서 비선형적인 거동은 발견되지 않았다. 이는 바인더 내부에 고분자 사슬 등이 존재하지 않아 점탄성 특성이 일정하다는 것을 의미하며, 추후 개질제를 첨가 후 MSCR 시험의 반복을 통해 적절량을 산정할 수 있다. 또한 기계적 발포 전･후의 MSCR 곡선 형태가 유사한데, 이는 4.3장에서 발포 전･후의 물성변화가 발견되지 않은 것과 같은 맥락이다. 하지만 기계적 발포 후 소성변형률인 Jnr3.2와 탄성회복률인 R3.2이 동시에 감소되기 때문에 탄성회복률을 강화하기 위한 개질제 사용을 고려할 수 있다. 따라서 향후 개질제 사용량에 따른 점탄성 변화를 관찰하기 위하여 MSCR시험을 추가적으로 실시할 계획이다.
5. 결 론
본 연구는 Asbuton을 활용하여 인도네시아 맞춤형 기포 아스팔트 기술 개발의 기초연구로서, Asbuton에 기계적 발포가 물성에 미치는 영향을 분석하였으며, 시험결과를 다음과 같이 요약하였다.
1) 2종의 Asbuton 천연 아스팔트(AsbutonPG70, AsbutonPG76)와 1종의 일반 아스팔트(Pen6070)를 준비하여 원 시편의 물성시험을 인도네시아 품질기준 ‘Spesifikasi Umum 2018(Revisi 2)’에 준하여 실시하였다. 각 시험항목별로 인도네시아 기준을 만족시켰으나, AsbutonPG76의 경우 고온(76°C)에서 공용성등급 평가인자중 하나인 G*/sinδ를 만족시키지 못하였기 때문에 AsbutonPG70과 Pen6070을 이용하여 반감기 시험을 수행하였고, 발포 전･후의 물성변화를 관찰하였다..
2) 물의 함량을 아스팔트 양의 1%, 2%, 3%로 조절하여 반감기 시험을 수행한 결과 AsbutonPG70의 최적수분함량은 1.75%, Pen6070의 최적 수분함량은 1.8%로 값이 유사하였다. 개질 아스팔트와 다르게 AsbutonPG70에는 폴리머 첨가제가 들어있지 않기 때문에 최적 수분함량은 일반 아스팔트와 유사하게 나왔다. 기계적 발포 전･후의 AsbutonPG70의 물성저하 및 유의미한 변화는 발견되지 않았으며, 4.2장의 반감기 시험에서 AsbutonPG70는 Pen6070 대비 최적 수분함량에서 발포유지시간이 더 길고, 발포 후에도 성능변화가 없음을 확인하였기 때문에 해당 시편은 인도네시아 맞춤형 기포 아스팔트 기술의 재료로서 적합한 것으로 판단된다.
3) AsbutonPG70으로 MSCR 시험을 수행한 결과 발포 전･후의 MSCR 곡선의 양상은 유사하였으며, 소성변형률인 Jnr3.2과 탄성회복률인 R3.2의 변화는 미소하였다. 하지만 탄성회복률인 R3.2을 개선시키기 위하여 일정량의 개질제 사용을 고려할 필요가 있다.
4) 본 연구를 통해 AsbutonPG70은 반감기 및 발포성능이 일반 아스팔트와 유사하고, 발포 후의 물성저하가 없으며 이는 바인더 내부에 고분자 사슬 등이 존재하지 않아 점탄성 특성이 일정한 것을 확인하였으며, 인도네시아 맞춤형 기포 아스팔트 기술 개발재료로 적합하다고 판단하였다. 추후 국산 골재 및 인도네시아 골재를 사용한 기포 중온 아스팔트 혼합물 제작으로 물성 및 공용성능평가를 통해 연구를 보충할 예정이다.
