1. 서 론
실험실에서 아스팔트 혼합물의 고온특성 시험을 위해서는 직경 100 mm 공시체를 60°C 수조에 30분간 수침하여 공시체 내부까지의 온도를 60°C로 올린다(Ministry of Land, Infrastructure and Transport, 2015). 하지만 wheel tracking (WT) 시험에 사용하는 슬래브 공시체는 60°C 오븐에 3~6시간 보관하여 온도를 올린다. 수침은 혼합물의 온도를 신속히 가열하는 보편적인 방법이지만 도로에서 대기온도와 태양의 복사열에 의해 포장체가 60°C에 달하는 과정과는 다르다. 따라서 WT용 슬래브처럼 100 mm 공시체도 오븐에서 가열하여 사용하는 방법을 고려할 수 있다. 현재 변형강도(deformation strength: SD) 시험은 공시체를 30분 수침으로 60°C로 가열하는데 이를 어떻게 하면 현장상태와 보다 유사하게 모사하며 시험 결과가 현장특성을 잘 반영할 수 있는 연구할 필요가 있다. 따라서 본 연구에서는 기존의 30분간 수침하는 방법(Wet process)과 건조오븐에 가열(Dry process)하는 두 가지 방법에 대해서 고려하였다.
실제 도로에서 아스팔트 포장체는 일시적으로 수침되는 경우가 있다는 점에서 강도 시험 전에 수침이 현실성을 반영한다고 볼 수 있지만, 도로에서 수침에 의해 포장체가 60°C가 되는 경우는 드물다. 즉, 노면의 포장체는 일부 수분을 포함한 기건 상태에서 태양의 복사열에 의해 60°C가 올라가지만, 강우 시 침수나 범람상태에서는 물이 차가워(국내의 경우 하절기 25°C 내외) 포장체가 60°C까지 데워지지 못한다. 또한 대기 중 복사열에 의한 온도상승시의 포장체의 기건 상태와 오븐에서 온도 상승시 공시체의 노 건조 상태도 서로 다르다. 특히 도로 포장체는 강수 등에 의해 이미 수침 이력이 있는 기건 상태에서 윤하중을 받지만, 배합설계나 강도시험은 신재 혼합물의 특성을 측정하기 위한 것이므로 수침은 신재 공시체의 내부 상태를 다르게 만들 수 있다.
즉 수침가열 공시체는 재하시 내부가 상당부분 포화상태이고 오븐가열 공시체는 노 건조 상태이므로 내부 공극이 완전 비어있어 두 가지 방법 모두 현장상태와는 다르다고 할 수 있다. 따라서 배합설계나 강도시험 시는 가능한 실제현장의 신재 혼합물 상태와 유사하게 만들기 위해 단기노화도 시키고 해머식 마샬 다짐보다는 롤러를 모사한 선회다짐기로 공시체를 다짐한다. 그리고 본 연구는 그렇게 제조한 공시체의 온도를 어떻게 60°C로 올리는 것이 보다 현장조건과 유사한 것이며 실용적인지를 실제 data를 통해 분석 제시하고자 하는 것이다.
아스팔트 혼합물은 일단 수침되면 혼합물의 특성 변화가 유발될 수 있어 공시체의 사전 수침은 긍정적인 면도 있으나 물의 온도가 60°C라는 점이 현실과 다르고, 건조 상태에서의 가열은 혼합물의 수분함유 상태가 다르다는 점에 차이가 있다. 기존 방식은 마샬 시험 장비를 사용하는 국내 실험실의 편리성 등을 고려한 점이 크며, 두 방법 다 현실과 다소의 거리가 있으므로 통계적으로 데이터의 평균과 표준편차 등의 분석을 통하여 검토해보고자 한다. 따라서 본 연구의 목적은 아스팔트 혼합물 공시체를 수침 가열하는 기존방식과 오븐에 넣어 가열하는 두 가지 방식으로 공시체가 60°C가 되게 하여 변형강도를 측정하고 그 결과를 토대로 더 적합한 방식을 모색하고자 하는 것이다.
2. 재료 및 방법
2.1 사용 재료
본 연구에 사용된 재료는 두 가지 모암[횡성지역 화강암(Granite)과 춘천지역 편마암(Gneiss)]의 굵은 골재 최대치수(nominal maximum aggregate size: NMAS) 13 mm와 19 mm 골재와 4가지 바인더(AP-5, R10, RL6R5, SPMA)이며 선회다짐기를 이용하여 100 mm 공시체로 제조하였다. 기본 아스팔트는 PG 64-22 등급의 AP-5였으며 여기에 바인더 양에 CRM 10%를 첨가한 R10은 PG70-22, 재생 LDPE (recycled low-density polyethylene: RL) 6%와 CRM5 %를 첨가한 RL6R5와 상품화된 S사의 SPMA는 모두 76-22 등급의 개질아스팔트이다.
2.2 시험 방법
2.2.1 배함설계
본 연구에서의 혼합물은 국토부 WC-1 (13 mm)과 WC-3 (19 mm) 기준을 만족하도록 입도를 조정하고 배합설계를 위해 직경 10 mm 공시체를 선회다짐 75회(64-22, 70-22)와 100회(76-22)로 제조하였다. 각 혼합물은 실험실 Paddle 믹서로 1분간 비빈 후 AP-5 혼합물은 160°C에서, R10 혼합물은 170°C, 두 가지 개질혼합물은 175°C에서 각가 1 시간씩 오븐에 넣어 단기노화 시킨 후 선회다짐기로 공시체를 제조하였다. 각각의 바인더별 5가지 함량으로 공시체를 제조하여 SD≥ 3.2 MPa (64-22, 70-22), 4.25 MPa (76-22), VFA = 65~80%, VMA ≥ 13% (19 mm), VMA ≥ 14% (13 mm)를 만족하는 범위에서 공극률 4%의 아스팔트함량을 최적 아스팔트함량(optimum asphalt concrete: OAC)으로 결정하였다. 본 연구의 시험에 사용된 총 공시체 수는 2 골재 × 2 굵은골재 최대치수 × 4 바인더 × 2 가열방법 × 3 공시체 = 96개 이다. 그러나 공시체를 각각 6개씩 제조하여 공극률이 4 ± 1% 범위를 만족하지 못하는 공시체는 폐기하고 다시 제조하였다.
2.2.2 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., 2004, 2005, 2008, 2011). 이 시험은 공시체를 60°C물에 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(MLIT, 2015).
하지만 본 연구에서는 변형강도 시험용 100 mm 공시체를 60°C로 만들기 위하여 기존의 항온 수조에 30분간 수침 하는 방식 외에 60°C로 유지되는 오븐에 사전연구에서 결정된 시간인 2시간 보관 후 측정하는 2가지 방식을 사용하였다. Fig. 1과 같이 60°C 공시체 상단에 하중을 가하여 얻어지는 최대하중과 이때의 수직변위를 측정하여 변형강도를 식 (1)로 계산 하였다.
여기서, SD = 변형강도(MPa), P = 최대하중(N), y = 최대하중에서 수직 변형 값(mm)이다. 각 혼합물당 3개의 공시체로부터 변형강도 값을 측정하여 그 평균(), 표준편차(s) 및 변동계수(Coefficient of variation: CV = s / ×100 (%))를 계산하여 분석에 사용하였다.
같은 혼합물 당 6개를 두 개조로 나누어 60°C의 수조에서 수침가열(Wet) 30분과 오븐에서 건조가열 (Dry) 위해 2시간 보관 후 꺼내어 변형강도를 측정하였다. 사전 연구에 의하여 60°C의 물에 공시체를 넣어 30분이 지나면 내부까지 60°C다 되는 것을 확인 하였으며, 건조가열은 강제순환 오븐에 공시체를 넣고 그 내부까지가 소요 온도에 도달하는데 2시간이 걸리므로 2시간을 건조가열 시간으로 선정하였다(Kim et al., 2002; Ra et al., 2008). Fig. 2는 60°C의 수조(a)와 오븐(b)에서 공시체를 가열하는 광경을 보여준다.
3. 결과 및 고찰
Table 1은 골재별, 바인더별로 배합설계에서 결정된 OAC를 보여 준다. 무 개질아스팔트인 AP-5의 최적아스팔트 함량은 13 mm 골재의 경우 평균 5% 초반, 19 mm 경우 평균 5% 이하로 약 10% 낮게 나타났고, 개질아스팔트 인 RL6R5가 13 mm 골재의 경우 평균 6% 초반, 19 mm 경우 평균 5% 중반으로 나타나 가장 높게 나타났다. 한편 전체 13 mm 골재 OAC 평균은 5.688%로 19 mm보다 약 10% 높았다. 그러나 대부분 바인더에서와 전체 평균에서도 편마암(총 평균 5.413%)과 화강암(총 평균 5.438%) 간에는 거의 OAC 차이가 없었다.
Table 1.
Optimum asphalt content (OAC) for each mixture by NMAS
Tables 2~3은 모암의 종류 및 굵은 골재 최대치수(NMAS) 별 혼합물의 변형강도(SD)로 각 가열방식으로 공시체를 처리 후 SD를 측정한 각 조별 3개의 공시체 값과 그 평균을 보여준다. 두 Table의 편마암과 화강암 혼합물 모두의 데이터에 의하면 13 mm 혼합물의 SD보다 19 mm의 SD가 전체적으로 더 높은 것을 알 수 있으며, 일반 아스팔트 보다는 개질 아스팔트 혼합물의 SD가 더 높은 것도 알 수 있다. 변형강도는 혼합물의 소성변형 저항성과 상관관계가 높은 특성이며 바인더의 강성(stiffness)이 크면 높게 나타난다(Kim et al., 2005). 그러므로 무개질 64-22등급 AP-5 혼합물의 SD보다는 76-22등급 개질아스팔트 혼합물의 SD가 높게 나타나는 것은 당연한 현상이다. 하지만 70-22 등급의 R10 혼합물은 AP5와 그 차이가 크게 나타나지 않았다.
전체 결과에서 특이한 점은 SD의 시험온도인 60°C로 같은 혼합물을 2시간 건조 가열(Dry) 후 측정한 SD가 30분 수침(Wet) 후 측정한 SD보다 전체적으로 골재 종류와 관계없이 다소 높게(1.046~1.13배) 나타난 것이다. 비록 R10 바인더 편마암 19 mm는 거의 비슷하지만 나머지는 모두 Dry가 높아 60°C물에 30분간의 수침이 변형강도에 다소 영향을 미치는 것으로 보인다. 이와 같이 수침으로 강도가 다소나마 저하될 경우 변형강도 기준을 통과하지 못하는 경우가 나올 수 있다. 예를 들어 편마암 RL6R5의 경우 13, 19 mm 공히 Dry SD는 4.28, 4.37 MPa로 국토부 중차량 도로기준 SD≥ 4.25 MPa을 통과하나, Wet SD는 4.04, 4.13 MPa로 국토부 4.25 MPa 기준에 미달한다.
Table 2.
Comparison of SD for dry and wet conditioned mixture by binder (Gneiss aggregate)
Table 3.
Comparison of SD for dry and wet conditioned mixture by binder (Granite aggregate)
한편 SD의 표준편차(Standard deviation: s)를 비교해보면 거의 모두 혼합물의 건조 가열 한 s 값이 수침한 값보다 골재 종류와 관계없이 다소 높게 나타났다. 비록 편마암 R10 19 mm, 화강암 RL6R5 13 mm와 19 mm에서는 비슷하거나 같지만 나머지는 모두 Dry가 높으며 평균값으로 표 맨 밑의 두 번째 줄에서 볼 수 있듯이 차이가 나타난다. 표에서 Dry: Wet의 Mean s를 보면 편마암 13 mm는 0.44: 0.31, 19 mm는 0.62: 0.45, 화강암 13 mm는 0.42: 0.35, 19 mm는 0.30: 0.25로 Dry (앞의 수치)이 골재크기와 종류에 따라 다소 차이는 있으나 모두 Wet보다 큰 것을 알 수 있다. 이를 Dry/Wet ratio로 보면 편마암 13 mm, 19 mm가 1.42와 1.26, 화강암 13 mm, 19 mm가 1.20과 1.24로 모두 1 보다 높아 Dry의 변동계수가 큰 것을 알 수 있다.
표준편차가 크다는 것은 혼합물의 SD 값이 고르지 못하다는 것을 의미한다. 그러므로 수침에 비해 건조가열 처리된 혼합물의 변형강도가 높지만 변동성이 크게 나타난다는 것을 의미할 수도 있고, 반대로 수침은 강도를 낮추지만 변동성을 줄이는 효과가 있는 것으로 볼 수 도 있다. 하지만 평균이 높으면 상대적으로 표준편차도 크게 나타날 수 있다. 따라서 단순 표준편차 값의 크기를 비교하는 것보다 변동계수 [CV (%) = 표준편차/평균 × 100] 비교하는 것이 더 옳은 방법일 것이다. 즉, CV는 표준편차를 평균으로 나눈 백분율 이므로 표준편차가 커도 평균이 더 크면 CV는 적을 수 도 있다.
이를 CV의 Dry/Wet ratio로 비교해보면 편마암 13 mm, 19 mm가 각각 1.30, 1.18, 화강암 13 mm, 19 mm가 각각 1.12, 1.10로 모두 1보다 커서 여전히 Dry가 높다. 그리고 이를 변동계수 자체 수치로 보면 편마암 13 mm는 10.88%과 8.35%, 19 mm는 13.36%과 11.37%, 화강암 13 mm는 10.71%, 9.58%, 19 mm는 6.71%, 6.09%로 역시 모두 Dry가 Wet에 비하여 다소 차이는 있지만 모두 큰 값을 보인다. 아직까지 변형강도의 품질 변동성 기준은 정립되어 있지 않지만, 콘크리트의 품질 변동성을 기준으로 볼 때 변동계수 10%는 우수, 15%는 양호인 점과 비교하면 모두 양호나 우수로 만족스러운 범위내의 수치임을 알 수 있다.
Table 4는 앞의 Table data를 골재 모암별, 바인더별 최대치수에 따라 요약하여 정리한 것이다. 편마암과 화강암 간의 변형강도 차이를 보면 건조가열인 Dry에서는 Mean이 편마암 = 4.328 MPa, 화강암 = 4.262 MPa로 큰 차이가 없고 13 mm, 19 mm 모두 두 모암 간에 차이가 적다. 그러나 수침인 Wet에서는 Mean이 편마암 = 4.105 MPa, 화강암 = 3.820 MPa로 차이가 좀 있으며 특히 19 mm에서 10% 이상의 차이가 난다. 이는 화강암이 수분에 취약한 특성이 19 mm 골재의 경우 나타난 것으로 판단된다.
Table 4.
Comparison of mean SD by materials for dry and wet conditioned mixtures
또한 바인더별로 보면 Dry와 Wet의 비율이 1.037부터 1.114까지 모두 Dry가 크며 13 mm의 경우 AP-5가 가장 그 비율(차이)이 적고 SPMA가 가장 크다. 이는 76-22인 SPMA의 Dry SD가 가장 높은 수준인 것에 비하여 Wet SD가 상대적으로 낮아 나타난 결과이다. 그리고 이를 좀더 구체적으로 보면 64-22인 AP-5에 비하여 70-22인 R10과 76-22인 나머지 두 바인더로 가면서 점점 Dry/Wet ratio가 높아지는 경향을 보이는 점이 특이하다. 일반적으로 PMA 바인더가 수분저항성이 좋은 것으로 알려져 있어 비율이 낮아져야 하는데, 이 결과는 그와 역으로 나타난 것이다. 또한 이 표 마지막 줄에서 보듯이 19 mm와 13 mm 골재의 SD 비는 1.105로 10% 이상 19 mm가 높았다.
Fig. 3은 골재 모암별 및 바인더별 NMAS에서 변형강도와 Dry/Wet 비율을 눈으로 볼 수 있도록 나타낸 것이다. 그림에서 보듯이 모든 바에서 Dry가 Wet보다 높게 나타났으며 그 비율이 모두 1.04 이상이었다. 또한 13 mm와 19 mm간의 변형강도는 같은 모암 내에서, 그리고 같은 바인더 내에서 모두 19 mm가 높다. 그리고 모암 간의 변형강도 수준은 편마암이 화강암보다 다소 높아 보이나 큰 차이가 없다. 하지만 바인더간의 변형강도 수준을 보면 13 mm R10을 제외하고는 AP-5부터 PSMA로 PG등급이 높아지며 올라가는 것을 볼 수 있다.
앞서 Fig. 3에서 편마암과 화강암간에 변형강도의 차이가 거의 없어보이므로 이를 보다 자세히 분석하기 위하여 Fig. 4를 보여준다. 모든 경우에서 흰색의 편마암의 막대가 높은 것이 더 많다. 이를 Gneiss/Granite ratio로 나타내면 이 수치가 1 보다 크면 편마암이 높은 것이고 1보다 적으면 화강암이 높은 것이다. 전체 16개의 비율 중에 1보다 큰 값이 11개이고 5개가 1보다 적다. 이를 통해 편마암이 화강암 보다는 높다는 것을 알 수 있다. 이중에서 Wet에서는 화강암이 높은 경우가 전체 8가지 중 단 2개로 역시 화강암이 수분에 취약한 점을 보여주는 한 예로 볼 수 있다.
Table 5에 나타낸 바와 같이, 전체적으로 보면 건조 가열의 변형강도(Dry SD)는 수침 가열 변형강도(Wet SD)보다 약 8% 포인트 정도 더 높게 나타났다. 이는 혼합물이 물에 의하여 약간의 강도저하가 발생되었음을 의미한다. 또한 같은 혼합물 내에서 변형강도의 변동성(Variation)을 나타내는 변동계수를 보면 건조 가열처리의 경우가 수침 가열의 경우보다 크게 나타났다. 건조가열의 변동계수는 약 10.4%로 수침 가열 약 8.8% 보다 1.18배 변동성이 높았다. 따라서 건조가열 보다는 수침가열이 변동성이 낮고 고른 변형강도를 얻을 수 있는 방법으로 판단된다.
Table 5.
Comparison of mean SD and standard deviation (s) classified by NMAS, aggregate and binder for dry and wet conditioning
건조가열은 공시체가 60°C에 도달하는데 최소한 2시간이 걸린다. 따라서 수침가열을 사용하는 것이 시간적으로 절약되고 결과치의 변동계수가 더 낮았다. 변형강도는 건조가열 공시체가 약간 높게(약 8%) 나타나지만 변동성이 높게(약 18%) 나타나 고른 품질의 시험결과가 얻어지는 30분 수침가열방법이 나은 것으로 판단된다. 하지만 앞서 언급하였듯이 수침에 의한 강도저하 발생은 기준 미달의 염려가 있다. 그러나 이 기준 설정시의 시험방식이 수침에 의한 결과를 토대로 한 것이다(Kim et al., 2007). 그러므로 이 기준은 이미 약간의 수분저항성 판단의 효과도 있다 할 수 있으므로 이의 염려 시 만족하는 품질의 혼합물을 제조하기 위해 보완조치를 취해야 할 것이다.
4. 결 론
본 연구는 변형강도 시험시 가열방식을 기존의 수침 방식 외에 건조가열 방식과 비교한 것으로서 결과분석을 통해 다음의 결론을 얻었다.
1. 공시체의 건조가열과 수침가열에 따른 영향을 분석한 결과 SD의 시험온도인 60°C로 같은 혼합물을 2시간 건조 가열 후 측정한 SD가 30분 수침 후 측정한 SD보다 전체적으로 골재 종류와 관계없이 다소 높게(1.046~1.13배) 나타났다.
2. 같은 혼합물 내에서 변형강도의 변동성(Variation)을 나타내는 변동계수를 보면 수침 가열의 경우가 건조 가열처리의 경우보다 작게 나타났다. 건조가열이 수침가열 보다는 변형강도가 약 8% 높고 변동계수는 17%가 높아 고른 변형강도를 얻을 수 있는 수침가열이 더 나은 방법으로 판단되었다.
3. 또한 수침 가열 시간은 30분으로 건조가열 2시간의 1/4 이어서 시간 절약과 함께 측정치의 분산이 낮은 방법으로 판단되어 기존의 방식대로 수침방식을 적용함이 합당한 것으로 판단되었다.
4. 하지만 수침을 사용한 것이 변형강도가 낮게 나타나는 현상이 발견되었으므로 수분에 취약한 골재를 사용한 혼합물의 경우 기준에 미달되지 않도록 수분취약성을 보완토록 해야 할 것이다.
