1. 서 론
2. 중온 개질 SMA 아스팔트의 실내성능 평가
2.1 중온 개질 아스팔트 바인더
2.2 중온 개질 SMA 아스콘의 다짐 온도 실험
2.3 중온 개질 SMA 아스콘 품질 실험
3. 중온 개질 SMA의 현장적용성 평가
3.1 중온 개질 SMA 아스팔트 시험 생산 및 포장
3.2 중온 개질 SMA의 비용 효과 분석
4. 결 론
1. 서 론
1997년‘교토의정서’채택을 시작으로 온실가스 배출 저감은 매우 중요한 국가적 과제가 되었다. 2015년 제21차 유엔기후변화협약 당사국총회에서 채택한‘파리협정’을 통해 선진국을 비롯한 모든 국가들이 이산화탄소 순 배출량 0을 목표로 자체적으로 온실가스 배출 목표를 정하고 실천하도록 하였다. 우리나라도 2020년‘2030 국가 온실가스 감축목표’를 설정하여 2030년까지 2018년 총배출량 대비 40% 이상의 온실가스 감축 목표를 설정하였다. 이러한 목표의 달성을 위해 모든 산업 분야에서 온실가스 배출을 절감하는 방안의 마련이 시급한 상황이다. 아스팔트 혼합물을 생산할 때 골재와 아스팔트 바인더를 높은 온도로 가열하기 위해 많은 연료를 소비하고 그 과정에서 다량의 온실가스를 배출하는 산업 분야로 온실가스 배출 저감 기술의 도입과 확대가 필요한 분야 중 하나이다.
고속도로의 경우 2000년대 들어 중차량의 증가와 기온 상승으로 인해 소성변형 발생이 늘어나 굵은 골재의 비중을 늘려 골재 맞물림 효과를 극대화하여 아스팔트 혼합물의 내유동성을 확보할 수 있는 Stone Mastic Asphalt(SMA) 혼합물이 적용되게 되었다. 이후 2010년대 초부터 증가하는 교통하중과 환경하중에 보다 잘 견딜 수 있도록 개질 아스팔트 바인더를 이용한 개질 SMA(PSMA)가 적용되기 시작하였다(Park et al., 2020). PSMA 아스팔트 포장은 고점도의 개질아스팔트 바인더를 사용하고 갭입도에 따른 온도저하를 감안하여 일반 아스팔트 포장에 비해 더 높은 온도에서 생산 및 시공이 이루어진다. 따라서 일반 아스팔트 포장에 비해 더 많은 에너지 소비와 온실가스를 배출하게 된다.
유럽에서는 온실가스 감소를 위해 1995년 MHI에서 중온 아스팔트(Warm mix asphalt) 기술을 발명하였으며, 1999년 노르웨이에서 폼드아스팔트를 이용한 중온 아스팔트 기술이 처음 시도되고, 독일에서는 제올라이트를 이용한 기술이 처음으로 시공되었다. 미국은 2002년에 중온 아스팔트 기술이 도입되었다(Han, 2019). 중온 아스팔트는 아스팔트 혼합물의 생산온도를 낮춰 에너지 절약 및 온실가스를 비롯한 오염물질의 배출을 저감할 수 있는 기술로 많은 관심을 받고 있다.
PSMA의 경우 아스팔트 함량을 높여 피복 두께를 증가시키는 배합을 하기 때문에 바인더의 흐름을 최소화하기 위해서 아스팔트 바인더에 높은 점도가 요구된다. 반면 중온 아스팔트 기술은 생산 및 다짐 온도를 낮추기 위해 아스팔트 바인더의 점도를 낮추는 기술로써 서로 상충되는 성능이 요구된다. 본 연구에서는 중온 아스팔트 혼합물의 품질기준을 만족하면서 PSMA 아스팔트에 적용 가능한 중온 개질 SMA 아스팔트 포장 기술의 적용성을 평가하고자 하였다.
2. 중온 개질 SMA 아스팔트의 실내성능 평가
2.1 중온 개질 아스팔트 바인더
개질 SMA 아스팔트(PSMA ; Polymer modified Stone Matrix Asphalt) PSMA 혼합물을 위한 아스팔트 바인더에 요구되는 공용성 등급은 PG 76-22 이상이다. 바인더의 고온성능을 높이기 위해 고무 계열의 폴리머를 개질제로 사용하면 아스팔트 바인더의 점도가 높아지게 되고 이는 생산 및 시공 온도를 상승시키는 원인이 된다. 본 연구에서는 공용성 등급 PG 76-22를 만족하면서도 중온 아스팔트 혼합물의 생산 및 다짐온도 기준을 만족하기 위해 왁스형 개질제를 사용하였다. 사용된 개질제는 폴리아미드계 고분자 화학물로 세부 조성은 저밀도 폴리에틸렌 수지와 폴리에틸렌 왁스 그리고 프로세스 오일로 이루어져 있다.
스트레이트 아스팔트 바인더(PG 64-22)를 150~160°C로 가열하고 4%의 중온 개질제를 첨가하고 약 1분간 교반하여 중온 개질 아스팔트 바인더를 제조하였으며, Table 1은 중온 개질 아스팔트 바인더의 공용성 등급 실험 결과로 DSR 실험결과 G*/sindδ가 76°C에서 노화 전 1.0 kPa 이상과 단기노화 후 2.2 kPa 이상의 기준을 만족하여 고온등급 76을 나타냈으며 저온 등급 산정을 위한 –12°C에서의 BBR 실험 결과 저온등급은 –22를 만족하여 공용성 등급이 PG 76-22로 개질 아스팔트 바인더의 기준을 만족하는 것으로 나타났다.
Table 1.
Results of PG tests
중온 아스팔트 혼합물은 생산 및 다짐 온도를 기존 가열 아스팔트 혼합물에 비해 30°C 이상 저감하는 데 목적이 있다. 따라서 아스팔트 혼합물의 생산 및 다짐 온도를 결정하는 아스팔트 바인더의 고온에서의 점도를 회전점도계를 이용하여 측정하였다. 실험은 Brookfield사의 회전점도계를 사용하여 120°C, 135°C, 150°C 그리고 175°C에서 점도를 측정하였으며 시험은 스트레이트 아스팔트 바인더(PG64-22)와 SBS 개질 아스팔트 바인더(PG76-22) 중온 개질 아스팔트 바인더(PG76-22)에 대하여 수행하였으며, 결과는 Table 2와 같다.
Table 2.
Rotational viscosity of asphalt binders
Temperature (°C) Item | 120 | 135 | 150 | 175 |
| Warm Asphalt (PG 76-22) | 495 cP | 285 cP | 175 cP | 65 cP |
| Straight Asphalt (PG 64-22) | 905 cP | 400 cP | 203 cP | 83 cP |
| SBS Asphalt (PG 76-22) | 6,875 cP | 2,200 cP | 913 cP | 350 cP |
중온 개질 아스팔트 바인더는 135°C에서 스트레이트 아스팔트 바인더에 비해서도 낮은 285 cP로 측정되었다. 측정된 회전 점도를 통해 170±20cP를 나타내는 온도에서 혼합을 하게 되며, 점도 280±30 cP를 나타내는 온도에서 다짐하게 된다(Roberts et al., 1997). Fig. 1에 나타난 바와 같이 중온 개질 아스팔트 바인더의 혼합온도는 약 150°C이며, 다짐 온도는 약 135°C로 나타났다. 그러나 회전점도에 의한 혼합 및 다짐 온도의 결정은 개질제에 의해 유변학적 특성이 변화되는 개질 아스팔트 바인더에서는 다소 차이가 발생하며, 국토교통부(MLIT, 2021)의 지침에서도 회전 점도에 의한 혼합 및 다짐 온도는 일반 신규 가열 아스팔트에만 적용하도록 하여 그 한계를 나타낸다.
2.2 중온 개질 SMA 아스콘의 다짐 온도 실험
회전 점도에 의한 혼합 및 다짐 온도 결정에 따르면 SBS 개질 아스팔트 바인더의 경우 다짐 온도가 180°C 이상이어야 하는 것으로 나타난다. 따라서 개질 아스팔트 혼합물의 생산 및 다짐 온도의 확인은 혼합물을 통해 이루어지는 것이 더욱 합리적이다.
국토교통부의 “아스팔트 콘크리트 포장 시공 지침”에 따르면 Table 3과 같이 중온 아스팔트 혼합물의 기준을 제시하고 있다. 본 연구는 개질 SMA 아스팔트 혼합물을 중온화하고자 하는 것으로 W76 항목의 기준을 만족하여야 한다.
Table 3.
Standard of warm-mix asphalt mixture (MLIT, 2021)
| Item | W64 | W70 | W76 |
| Performance grade | PG 64-22 | PG 70-22 | PG 76-22 |
| The maximum mixing temperature (°C) | 130 | 135 | 140 |
| The maximum compaction temperature (°C) | 115 | 120 | 125 |
| compaction ratio | Max. 1 | ||
중온 개질 SMA(WPSMA) 아스팔트 혼합물의 배합설계는 국토교통부의 지침에 따라 수행하였으며, 바인더의 성능에 보다 민감하게 반응할 것으로 예상되는 최대입경 10 mm SMA 혼합물을 적용하였다. Table 4는 10 mm WPSMA에 적용된 골재 혼합 입도 이며, Table 5는 골재를 비롯한 섬유와 중온 개질 아스팔트 바인더 배합비이다.
Table 4.
Aggregate gradation of 10 mm WPSMA
Sieve Size Gradation | 10 mm | 5 mm | 2.5 mm | 0.6 mm | 0.3 mm | 0.15 mm | 0.08 mm |
| Specification | 100-93 | 45-25 | 30-15 | 20-11 | 16-10 | 15-9 | 13-8 |
| Bland | 100 | 32.7 | 21.9 | 15.6 | 14.0 | 11.6 | 9.0 |
Table 5.
Mixing ratio of 10 mm WPSMA
| Classification | 10 mm Agg. | Fine Agg. | Filler | Fiber | A.P | Total |
| Ratio (%) | 65.6 | 19.4 | 7.4 | 0.5 | 7.1 | 100 |
실험의 목적이 혼합 및 다짐 온도의 확인이므로 Fig. 2와 같이 혼합 및 다짐 시 온도를 정확히 측정하여 공시체를 제작하였다. WPSMA 혼합물은 135±5°C 에서 혼합하고, 최고다짐온도 125°C를 만족하기 위해 혼합물을 실온에 방치하여 122±3°C에서 다짐을 실시하였다. 다짐도를 구하기 위해 비교군으로 SBS로 개질된 가열 PSMA 혼합물을 제조하였으며, 이때 혼합온도는 170±5°C, 다짐온도는 155±5°C에서 수행하였다. SBS PSMA 아스팔트 혼합물의 골재입도와 배합은 WPSMA 혼합물과 동일하게 적용하여 바인더만 차이가 있도록 하였다.
제작된 공시체로 다짐도를 평가한 결과 Table 6과 같이 WPSMA 공시체의 밀도가 2.364 ton/m3으로 더 높은 온도에서 다짐을 실시한 SBS PSMA에 비해 더 높은 밀도를 나타내어 다짐도 0.998을 나타냈으며 이는 기준 1 이하를 만족하는 것으로 WPSMA가 국토교통부의 개질 중온 아스팔트 혼합물의 기준을 만족하는 것으로 나타났다.
Table 6.
Results of compaction ratio test
| Item | WPSMA | SBS PSMA |
| Thickness (mm) | 65.04 | 65.47 |
| Density (kg/cm3) | 2.364 | 2.359 |
| Compaction ratio | 0.998 | - |
2.3 중온 개질 SMA 아스콘 품질 실험
PSMA 아스팔트 혼합물을 중온화하는데 있어 가장 우려되는 부분은 중온화를 위해 아스팔트 바인더의 점도를 낮추면 아스팔트 바인더의 흐름이 증가하게 되는 문제이다. KS F 2489(다져지지 않은 아스팔트 혼합물의 드레인 다운 시험방법)에 섬유질이 혼합된 아스팔트 혼합물 실험 방법에 따라 드레인 다운 시험을 실시하였다. SBS PSMA의 경우 170°C에서 1시간 보관 후 Fig. 3과 같이 아스팔트의 흐름량을 측정하였으며, WPSMA는 170°C와 중온 생산 온도인 140°C에서 실험을 수행하였다. 실험결과 Table 7과 같이 WPSMA는 170°C와 140°C에서 모두 기준을 만족하여 중온화를 위해 아스팔트 바인더의 점도를 낮추었으나 흐름손실에는 큰 영향을 미치지 않는 것으로 나타났다. Table 8과 같이 WPSMA 13 mm와 10 mm 혼합물에 대한 품질실험결과 기준을 만족하며 특히 동적안정도의 경우 5,000회/mm 이상으로 소성변형 저항성이 우수한 것으로 나타났다.
3. 중온 개질 SMA의 현장적용성 평가
3.1 중온 개질 SMA 아스팔트 시험 생산 및 포장
실내 실험을 통해 확인한 WPSMA의 품질은 기존의 가열 PSMA에 비해 동등 이상의 성능을 나타내어 현장 시험시공을 실시하였다. 시험시공을 통해 확인하고자 한 사항은 생산 플랜트에서 140°C 이하의 생산온도에서 충분한 혼합이 가능한가와 현장에서 125°C에서의 다짐이 원활히 이루어지는가 하는 부분이었다. 시험시공은 서해안고속도로 목표방면 군산휴게소 부근 2차로에서 실시하였으며, 기존 포장 절삭 후 5 cm 덧씌우기로 약 200 ton의 혼합물을 포장하였다. Fig. 4와 같이 생산 온도와 다짐온도를 측정하였으며 생산온도는 140°C 이하로 다짐은 125°C이하로 하였다. 생산온도에는 다소 편차가 있었는데 이는 아스팔트 플랜트에서 중온 생산의 경험이 적어 온도 설정에 익숙지 않았기 때문이었다. 아스팔트 혼합물의 생산온도는 초기에는 아스팔트 플랜트가 식어 있어 정확한 생산 온도를 맞추기 어렵고 어느 정도 생산을 진행하면서 일정한 온도를 유지하게 되는데 생산과정에서 골재에 습기가 있거나 하면 온도 변화가 있을 수 있다. 일반적인 생산온도에서는 경험에 따라 온도 변화에 대응이 신속하나 경험이 적은 중온 아스팔트 혼합물 생산은 온도 조절이 어려웠다. 향후 WPSMA의 적용이 늘어 아스콘 플랜트의 생산 경험이 쌓이면 이러한 문제는 해결될 것으로 보인다.
3.2 중온 개질 SMA의 비용 효과 분석
WPSMA 아스팔트 혼합물로 인한 환경적 편익비용을 계산하여 보았다. 가열온도 감소에 따른 연료소비량 절감 효과를 알아보기 위해 실제 플랜트에서 생산과정에서의 연료소비량을 측정하였다. Table 9에 나타난 것과 같이 WPSMA 아스팔트 혼합물의 생산온도가 가장 낮아 연료소모량도 아스팔트 혼합물 1 ton 생산시 6.2 ℓ 경유가 소비되었으며, 이는 일반 아스팔트 혼합물에 비해서는 약 14%, 개질 아스팔트에 비해서는 약 30%의 연료 절감 효과가 있는 것으로 나타났다. 이 측정값은 플랜트 한 곳에서 측정한 값으로 생산설비를 비롯한 여러 조건에 의해 변경될 수 있다. Jang(2020)의 연구에서 중온 아스팔트 혼합물이 아스팔트 혼합물 1 ton 당 11~35%의 연료 소비를 감소시킬 수 있다고 조사되어 측정값의 신뢰성을 확인할 수 있었다.
Table 9.
Mixing temperature & fuel consumption due to asphalt mixture
| Item | Mixing temperature | Fuel consumption |
| Conventional asphalt mixture | 155°C | 7.2. ℓ/ton |
| Modified asphalt mixture | 177°C | 9.2 ℓ/ton |
| WPSMA asphalt mixture | 137°C | 6.2 ℓ/ton |
온실가스 배출량의 측정결과 Table 10과 같이 측정된 CO2 발생량은 WPSMA가 PSMA아스팔트 혼합물 생산에 비해 약 57%의 저감효과가 있는 것으로 나타났다. MLIT(2017)에 따라 탄소의 사회적 비용을 150,000원/ton으로 계산하면 PSMA 아스팔트 혼합물을 WPSMA로 적용할 경우 1,000 ton의 아스팔트 혼합물 생산 시 약 3,150,000원의 사회적 비용 편익이 발생하는 것으로 나타났다.
4. 결 론
PSMA 아스팔트 혼합물의 친환경 기술 접목을 위해 중온 첨가제를 이용한 중온 개질SMA 혼합물의 적용성에 대해 검토하였으며 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
1. 중온 개질 첨가제를 사용한 중온 개질 아스팔트 바인더의 회전 점도 시험 결과 스트레이트 아스팔트(AC 60-80) 보다 135°C에서의 점도가 낮아 아스팔트 혼합물의 생산 및 시공 온도를 낮출 수 있을 것으로 나타났으며, 공용성 등급 PG 76-22로 PSMA 아스팔트 혼합물에 사용할 수 있는 성능을 나타내었다.
2. 혼합온도 140°C 이하, 다짐 온도 122±3°C에서 제작한 공시체와 155±5°C에서 제작한 PSMA 공시체와의 밀도를 비교한 결과 다짐도 0.998로 국토교통부의 중온 아스팔트 혼합물 품질기준을 만족하는 것으로 나타났으며, 10 mm WPSMA와 13 mm WPSMA 혼합물 배합설계 결과 품질기준을 만족하며 특히 동적안정도가 5,000회/mm 이상으로 소성변형 저항성이 우수한 것으로 확인되었다. 시험시공을 통해 중온 아스팔트 혼합물의 생산 및 다짐 온도에서 양호한 피복상태와 다짐을 확인하여 현장 적용에도 무리가 없는 것으로 나타났다. 다만 혼합물 생산시 중온 아스팔트 혼합물의 생산 경험이 적어 플랜트에서 생산 온도를 일정하게 유지하기 어려운 부분이 있었다. 이는 중온 아스팔트 혼합물이 활성화되어 경험이 쌓이게 된다면 충분히 해결 가능한 문제로 향후 현장 적용시 생산온도 관리에 주의를 기울여야 할 것이다.
3. WPSMA 아스팔트 혼합물을 140°C 이하의 온도에서 생산하면, 연료 소비량 감소와 온실가스 배출 저감을 통한 사회적 비용 감소로 1 ton의 WPSMA 아스팔트 혼합물 생산 시 기존 PSMA 아스팔트 혼합물 생산에 비해 약 6,000원의 편익비용이 발생하는 것으로 나타났다. WPSMA 아스팔트 혼합물의 중온화로 인해 온실가스 뿐 아니라 유해가스 배출량의 감소와 시공 온도 관리의 편리성, 교통 개방 시간의 단축 등의 효과를 감안할 때 기존 PSMA 아스팔트 포장과 동등 이상의 성능을 확보하면서 다양한 장점을 가져 현장 적용성을 확보 할 수 있을 것으로 판단되었다.
