1. 서 론
고성능 칼라 아스팔트는 도로의 기능 및 내구성은 물론이고 보행 및 주행시의 안전성과 쾌적성, 디자인, 색상, 패션 등이 강조된 미적 도로와 주변 환경과의 조화를 통한 자연 융화를 목적으로 개발된 기술로(Doh et al., 2004) 기존의 아스팔트 콘크리트 포장은 어두운 검정색이기 때문에 미적인 아름다움이 강조되는 공원이나 관광지는 칼라 아스팔트 포장을 선호한다.
또한, 생활 수준의 향상과 획일적 도시 미관에서 탈피한 환경 인식 변화는 건설 시설물(도로, 교량 등)이 단순히 그 기능을 수행하는데 만족하지 않고 좀 더 아름다우면서 환경친화적으로 주변 경관을 쾌적하게 만드는 변화가 중요시되고 있다(MSS, 2013). 특히 국내에서는 보도에 투수성 칼라 아스팔트 포장을 많이 사용하고 있으며 일본, 유럽 등 선진국들은 칼라 아스팔트를 도로포장에까지 적용하고 있다. 칼라 아스팔트 포장은 미관을 좋게 하는 것 이외에도 다양한 칼라로 포장이 가능하여 버스전용차로, 횡단보도, 학교앞 도로, 도로 분기점 등 운전자나 보행자에게 안전성을 높여(Park, 2004) 시각적 효과를 최대한 발휘할 수 있고 원할한 교통흐름 및 위험 예방 등의 효과를 거둘 수 있다.
국민권익위원회의 중앙버스전용차로 교통사고 방지를 위한 제도개선 권고문(2011)에 의하면 버스전용차로에서 사고가 발생할 경우 일반교통사고에 비해 약 9배 이상 사망사고 발생률이 높고 서울시의 경우 버스전용차로 감시 카메라에 적발돼 발급되는 범칙금 스티커가 연간 7~8만건에 이르는 점을 감안할 때 시민들의 안전을 위해 버스전용차로의 시인성 강화가 필요한 실정이다(KICT, 2021).
이렇듯 미관과 안전을 위한 칼라 아스팔트 포장은 아스팔트 혼합물에 안료를 첨가하거나 도색을 하는 방법으로 다양한 색상의 포장이 가능하고 보도에 주로 사용되어 획일적인 도시 도로의 색상을 다양한 색채로 조성하는데 기여한다(Doh et al., 2004).
그러나 국내에서는 칼라 아스팔트 포장이 보도에 많이 사용되는데 비해 도로용 칼라 아스팔트 포장은 아직까지 확대 적용되지 못하고 있다. 보도용 또는 자전거 도로는 차량에 의한 큰 하중이 발생하지 않으나 도로용의 적용을 위해서는 일반 도로용 아스팔트 포장 수준의 공용성능을 확보해야 하기 때문이다.
따라서 본 내용에서는 국내외 기술 및 적용 사례들을 통해 칼라 아스팔트 포장을 적용하기 위한 재료적 공용성능개선 및 칼라 오염방지 기술 수준을 높이기 위한 방안을 확인하고자 한다.
2. 칼라 아스팔트 포장의 용도 및 공법
2.1 칼라 아스팔트 포장의 용도
자유로운 색 선택이 가능한 칼라 아스팔트는 고온 안정성, 내수성, 접착성 및 내마모성이 확보된 기술들이 개발 및 시공되고 있으며 일반 아스팔트 포장과 시공방법이 같아 플랜트 및 장비를 그대로 활용이 가능하다.
칼라 아스팔트 포장의 적용은 ① 환경조성을 위한 보도, 공원 내의 산책로, 운동경기장, 주차장, 광장 플랫폼 등과 같이 미관상으로 착색하는 경우, ② 교차점, 교통안전을 위한 사고 많은 지점, 횡단보도, 터널 내 포장, 학교 앞 도로 등과 같이 교통 안전대책 상 착색하는 경우, ③ 도로기능 향상을 위한 버스 정류장, 도로의 분기점 등과 같이 도로의 기능을 높이기 위해 용도별로 분류하여 적용된다(Figs. 1, 2, 3, 4, 5, 6).
2.2 칼라아스팔트 포장의 공법
칼라포장의 공법으로는 크게 가열 아스팔트 혼합물의 골재에 유색골재나 착색골재를 사용하는 공법, 가열 아스팔트 혼합물에 안료를 첨가하는 공법, 석유수지를 가열 아스팔트 혼합물의 아스팔트 대신 사용하는 공법, 착색한 침투용 시멘트 페이스트를 개립도의 혼합물에 침투시키는 공법이 사용된다(Kim, 2021)
이중 다양한 색상적용이 가능하고 아스팔트 혼합물의 생산 및 시공이 일반아스팔트와 큰 차이가 없는 방법인 투명 석유수지 아스팔트 바인더에 안료 첨가 방법을 주로 사용하고, 칼라 아스팔트 혼합물 제조시 투명아스팔트 바인더에 안료를 첨가하는 방법의 경우 다양한 안료 색깔에 따라 색상을 구현 가능하여 도로의 목적과 위치에 맞게 시공된다. 또한 아스팔트 플랜트 생산시 기존의 아스팔트 혼합물 생산 장치에 별도 장치 없이 생산 가능하며, 시공 시 기존 장비 사용으로 일반 아스팔트 혼합물과 동일한 시공방법이 적용되기 때문에 생산 및 시공이 용이하다.
칼라 아스팔트 혼합물 제조를 위한 투명 석유수지 아스팔트 바인더는 석유 아스팔트의 성분 분석을 통해 원유의 정제과정 중 고진공 증류로부터 얻어지는 유분에 수지를 배합하여 기존 아스팔트 바인더와 유사한 물성을 가지는 투명 아스팔트 바인더를 제조 후 사용한다(Hong, 2008). 여기에 적용 용도에 따라 공용성능 향상을 목적으로 특수 비결정성 폴리머 및 고무, 각종 첨가제를 사용하여 물성을 개선한다.
2.2.1 원재료의 종류 및 특징
도로의 포장을 획일적인 암회색이 아닌 다양한 칼라를 사용하려는 노력은 오래전부터 계속 되어 왔다(Jo, 2003). 특히 최근 주변환경의 조화 및 미관이 중요시 되고 있는 상황에서 칼라 포장에 대한 요구가 높아지고 있다.
칼라포장에 사용되는 원재료의 종류에는 아크릴 수지, 에폭시 수지, 폴리머, 폴리우레탄 엘라스트머, 에멀젼, MMA(Methyl metha acrylate) 등이 있다(Table 1). 아크릴 수지는 아크릴산이나 메탈크릴산 등의 에스테르로부터의 중합체이고, 에폭시 수지는 분자 내에 에폭시기가 2개 이상을 갖는 수지상 물질 및 에폭시기의 중합에 의해서 생긴 열경화성 수지이다(Kim, 2008). 또한 폴리우레탄 엘라스토머는 분자 구조 중 우레탄 구조를 가지고 있는 고무상의 탄소고분자체를 가리키는 것으로 내마모성과 유연성, 인장강도가 우수하다. 에멀젼은 보일유, 바니쉬, 기름, 수지 등을 수중에 유화하여 만든 액상물을 전색제로 사용하는 도료이며 MMA는 아크릴 수지의 일종으로 투명하고 경화제를 사용하여 시간조절이 가능하고 자외선에 의한 변색 저항성이 우수한 특징을 가진다.
Table 1.
Curing time by material (Park, 2011)
2.2.2 공법의 특징
(1) 가열 아스팔트 혼합물에 안료 첨가 공법
아스팔트 포장에 칼라를 내는 경우 여름철 고온 시에는 아스팔트가 스며 나와 더욱 어두운 색으로 변색되기 쉽고 아스팔트 자체의 암갈색으로 밝은색을 내기가 어려운 단점이 있다(Kim, 2021). 선명한 칼라를 만들기 위해서는 아스팔트와 혼합성이 우수해야하고 색상의 변화가 적으며 혹독한 기후조건에 대한 내후성이 우수한 안료를 첨가해야 한다.
일반적으로 사용되는 안료는 청색을 나타내기 위해 5~10%의 울트라마린 블루(Ultramatine blue)나 프루시안 블루(Prussian blue)를 혼합하고, 적색은 아스팔트 혼합물에 5~7%의 적색 산화철(Iron oxide red), 녹색은 5~10%의 산화크롬(Chromium oxide)을 혼합한다. 안료의 첨가량은 아스팔트량에 비례시키며, 첨가량은 용적으로 환산하고 그 만큼의 채움재 양을 줄인다(Kim, 2021). 안료의 착색효과는 동일한 첨가량에서도 색깔이 다르게 나타날 수 있고, 안료의 종류와 질에 따라 다를 수 있으므로 현장적용 전 실내배합을 통해 확인해야 한다. 이때 아스팔트 콘크리트 표층의 배합설계 방법을 적용한다.
(2) 유색골재나 착색골재 사용 공법
본 공법은 일반적인 아스팔트 혼합물 제조에서 굵은 골재를 일반적인 골재 대신 천연 유색골재나 인공 착색골재로 대체하여 혼합 및 포설하는 공법이다. 이 공법에서는 표면의 아스팔트 피막이 마모되고 나서 칼라효과를 기대할 수 있는 것이므로 시공 직후에 표면을 연마하는 방법이 쓰인다(Kim, 2021).
유색 골재(=이암 : Mudstone)은 점토가 굳어서 생긴 퇴적암으로 점토와 실트를 비슷한 비율로 포함하며, 구성비는 SiO2가 66.5%, Al2O2가 13.2%, Fe2O3가 4.12%로 3가지 성분이 적색 골재 성분의 80% 이상을 구성한다(Table 2).
Table 2.
Colored aggregate composition ratio (Kim 2021)
| component | SiO2 | Al2O3 | Fe2O3 | CaO | MgO | Na2O | K2O | TiO2 | MnO |
| Rate (%) | 66.5 | 13.2 | 4.12 | 3.37 | 1.9 | 3.16 | 2.63 | 0.64 | 0.06 |
(3) 석유수지 사용 공법
석유 수지에 칼라를 내기 위한 안료의 첨가량은 유기안료일 경우 결합재료의 1~4%, 무기안료일 경우 10~20%를 사용하며, 안료로는 유기안료나 무기안료를 사용한다. 무기안료는 유기안료에 비해 자외선 등에 대하여 비교적 안정적이지만 변색되기 쉬운 단점도 있으므로 변색정도를 앞서 확인하여야 한다(Kim, 2021).
사용 안료는 산화철적(적색), 산화크롬(녹색), 2산화티탄(Titanium dioxide, 백색), 산화철황(황색), 울트라마린 블루(청색), 프루시안 블루(청색) 등이 주로 사용되며 아스팔트 콘크리트 배합 및 혼합방법을 준용한다.
(4) 개립도 혼합물에 착색 시멘트 페이스트 침투 공법
개립도 아스팔트 콘크리트는 시멘트 페이스트를 주입하는 모체로 쓰이며, 이러한 방식은 반강성 포장의 내용에 따라 마샬시험에 대한 표준시험과 혼합물 배합을 한다.
안료가 혼합된 침투용 시멘트 페이스트를 사용하거나 칼라시멘트를 사용하는 방법이 사용되지만 보통 포틀랜드 시멘트를 사용하는 경우 시멘트 고유 색깔로 인해 선명한 색상을 얻기 어려운 경우가 있어 실내에서 사전시험을 실시하여 색깔을 확인해야 한다.
3. 도로포장 파손 유형
아스팔트 포장에서 발생하는 포트홀 비율 조사 결과 Fig. 7과 같이 버스전용차로에서 가장 높은 비율의 포트홀이 발생하였고, 마찰 및 타이어 자국, 기름 등의 손상도 있었다(Fig. 8). 그 이유는 중하중(버스 하중) 집중으로 포장 파손이 상대적으로 더 많이 발생하는 것으로 나타났다.
포트홀 이외에도 소성변형, 균열, 탈색 등과 같은 파손이 일반 아스팔트 포장에 비해 더 많이 발생하는 것으로 조사되었으며 특히 버스정류장 부근에서 집중적인 파손이 발생한다. 그 이유는 버스가 정차 후 출발하면서 아스팔트 포장에 전단력을 가중시키기 때문이며, 좌측 차축보다 승객이 승･하차하는 우측차축에서 더 많은 파손이 발생한다(Kim, 2021). 현재 버스의 평균 하중은 14톤에서 19톤으로 버스전용차로의 포장단면의 적정 설계를 통해 버스전용차로의 파손을 예방하는 것이 필요하다.
칼라 코팅 공법에 대한 시공 결과 많은 교통량과 주행하중으로 인해 칼라 아스팔트 포장에서 파손이 발생하였고 그 주요 원인으로는 일반 아스팔트 포장처럼 소성변형, 밀림, 포장층의 침하와 같은 포장 구조체의 결함이 있다. 그러나 칼라 아스팔트 포장에서는 오염, 탈색, 변색, 타이어 마모, 기름 낙하와 토사의 혼입으로 인한 표면의 오염이 발생하고 있어서 칼라 아스팔트 도입의 당초 목적이었던 전용차선의 구분과 미관 향상 기능, 일반 아스팔트 포장과의 시인성 확보 등의 기능이 Fig. 9와 같이 제대로 발휘하고 있지 못하게 되었다(Park, 2011).
또한 Fig. 10과 같은 어린이 보호구역, 교통안전 취약 구간 등의 시인성 확보를 위해 에폭시 수지와 안료를 이용한 적색의 미끄럼방지포장을 시공하기도 한다. 그런데 에폭시 수지의 강성 및 열팽창계수가 기존의 아스팔트 포장과 차이가 있어 쉽게 탈리되는 문제가 발생한다. 이로 인해 어린이 보호구역을 일반 아스팔트 포장으로 적용하는 경우가 있지만 운전자의 인식이 어렵기 때문에 안전에 취약하게 된다.
Fig. 9.
Tire marks at red asphalt sections paved by the Initial Red mixture: (a) newly paved section; (b) two-year-old section (Liu et al., 2017).
Park(2011)은 버스전용차로를 대상으로 칼라아스팔트 포장의 표면 색채를 보수하기 위하여 사용되는 칼라코팅 공법을 실내･외 시험을 통해 평가하였다. 칼라아스팔트 표면은 교통과 시간의 경과에 따라 탈변색과 마모가 발생하여 표면 색상에 손상이 발생하게 된다. 실내시험과 육안 조사, 현장시험 결과, 각 공법들은 서로 다른 공학적 특징을 보였으며 각 공법에 사용한 주재료와 관련이 있는 결과인 것으로 판단하였다. 평가된 공법 중에서 고무 에폭시를 주재료로 사용한 공법이 만족할 만한 결과를 보였으나, 현장 추적조사 결과 100일 후 모든 공법이 벗겨짐 현상, 마모, 탈 변색이 심하게 발생하여 코팅공법으로 적합하지 않으며 추후 적용하기 위해서는 연구가 필요하다고 하였다.
New York City Department of Transportation(NYCDOT) 2010년 보고서에 따르면 칼라 아스팔트 코팅 표면 손상 유형이 콘크리트 포장면의 경우 손상된 콘크리트 면과 매끈한 콘크리트 도로에서 부착성능 저하로 인해 벗겨짐 현상, 균열, 마모 등이 발생하였다. 아스팔트 포장면의 경우 부착성능 저하로 인한 균열, 표면탈락, 마모, 등이 발생하고 버스정류장의 정차 및 출발에 의한 전단력은 표면의 마모 및 타이어에 의한 색상변화, 소성변형 등의 손상이 발생한다. 이 밖에도 가장자리 연석부 손상, 오염, 컷팅 보수에 의한 비매칭 등이 주요 손상 요인으로 작용한다(Table 3).
Table 3.
Damage to colored asphalt coating surface
4. 결 론
국내외 내용을 미루어 볼 때 칼라 아스팔트 및 코팅기술 등 여러 종류의 공법이 사용되어 왔고, 도로포장 및 주차장 등 현장 적용시 장기공용성을 확보하기 위해서는 앞선 내용을 바탕으로 칼라 아스팔트 공법의 몇 가지 검토사항에 대해 확인해 볼 필요가 있다.
첫 번째, 칼라 아스팔트는 아스팔트를 기본으로 하는 경우도 있지만 수지재료를 이용하는 공법이 있어 두 방법 모두 자외선에 의한 탈색변화가 적어야 하고 차량에서 떨어지는 기름때, 햇빛의 노출로 인한 탈색 및 변색에 대한 저항성 확보를 위해 자외선(Ultraviolet)에 대한 안정성이 요구되고 광산화방지제 적용을 검토한다면 칼라 아스팔트 포장의 장기 공용성이 개선될 수 있을 것으로 판단된다.
두 번째, 대부분 칼라 아스팔트에 적용되고 있는 수지는 햇빛에 노출되면 자외선에 의한 산화반응이 빠르게 일어나 수명이 저하되거나 부러지기 쉬운 불안정한 상태로 변화하여 차량의 통행시 아스팔트 위에 칼라로 코팅하는 경우에는 기존의 아스팔트 포장면 혹은 골재로부터 탈락, 벗겨짐 등이 발생될 수 있으므로 부착성능 및 마모 저항성을 향상시키기 위한 재료적 개선 방안이 필요하다.
세 번째, 최근 친환경에 대한 기술적 관심이 높아지는 상황에서 코팅제의 경우 휘발성이 강하거나 유독성분이 다량 포함 되어 있을 경우 대기오염 및 인체에 피해를 줄 수 있으므로 친환경적 재료에 대한 재료의 적용 및 개발이 요구된다.
칼라 아스팔트는 수지를 기반으로 한 재료적 특성상 앞선 내용들과 같이 다양한 기후･환경적 변수들로 내구성에 큰 영향을 미칠 수 있으므로 일반국도 및 고속도로 적용시 안정적인 아스팔트 포장을 구현하기 위해서는 재료의 개선뿐만 아니라 기존 포장과의 접착력, 온도변화에 따른 균열저항성 등의 사전검토가 요구되며 더불어 시공시 발생할 수 있는 시공절차 및 재료 관리상 저해 요인들까지도 종합적으로 검토하는 것이 필요하다.
