1. 서 론
아스팔트 포장 재료는 구성이나 거동에 있어서 매우 복잡하며, 특성 중에는 온도나 함수비와 같은 환경요인에 의한 영향을 많이 받는다. 포장재료의 역학적 구조 해석을 위해서는 포장층의 탄성계수와 포아송 비가 필수적으로 규정되어야 한다. 이러한 포장층의 탄성계수 중 회복탄성계수는 열차 하중의 반복재하 조건에서 유발되는 포장 재료의 동적인 응력-변형률 상태를 합리적으로 반영할 수 있는 특성값으로 포장 구조의 설계 및 해석에 최적의 물성값으로 평가되고 있다(Lee et al., 1999).
이와 관련하여 미국의 AASHTO는 종래의 CBR값에 의한 노상 및 포장재료의 지지력을 평가하는 경험적 설계방법에서 회복탄성계수 시험을 적용하여 준역학적 설계 방법을 제정하였고 기존 포장의 내하력 평가 및 덧씌우기 설계를 목적으로 널리 쓰이고 있는 다층 탄성 해석 이론에 입각한 역학적 포장해석에서는 회복탄성계수를 기본적인 물성 값으로 사용하고 있다(Park, 1999; Xiao et al., 2007).
차량주행에 따른 역학적 포장해석을 필요로 하고 고온에서도 탄성력을 유지하여 차량 주행 진동에 적응할 수 있는 재료의 개발을 통해 내구성을 향상시키는 것이 필요하다. 이를 위한 성능 개선은 개질재를 이용한 개질 아스팔트 혼합물로 보완이 가능하며 향상된 개질 아스팔트 혼합물의 사용은 장기공용 성능에서도 그 우수성을 인정받고 있다. 따라서 본 연구에서는 개질 아스팔트 바인더의 유변학적 특성을 소개하고 아스팔트 혼합물의 회복탄성계수 시험을 통해 온도변화에 따른 특성을 분석함으로써 개질 아스팔트 혼합물의 적용시 내하력을 평가하고자 한다.
2. 사용재료 및 시험방법
2.1 사용재료
2.1.1 아스팔트 바인더
아스팔트의 종류는 국내에서 주로 생산되고 있는 PG 64-22의 AP(N), ST(M)과 PG 76-22인 CR(M), ST(M)을 사용하고 Table 1과 같은 물리적 특성을 가진다.
Table 1.
Test factor of resilient modulus
| Performance grade | Asphalt type |
Penetration (1/10 mm) |
Softening point (°C) |
Viscosity (cP, 135°C) |
| PG 64-22 | AP (N) | 64 | 47.7 | 415 |
| ST (N) | 71 | 54.3 | 513 | |
| PG 76-22 | CR (M) | 48 | 85.2 | 1965 |
| ST (M) | 44 | 84.8 | 1025 |
2.1.2 골재
골재는 화강암 19 mm를 이용하였으며 이때 공극률은 2~4%로 정하였다. 골재의 합성입도는 밀입도 혼합물로서 아래 Fig. 1과 같다.
2.2 시험방법
2.2.1 동적전단유동시험
아스팔트 바인더의 점탄성 거동특성을 분석하기 위한 시험 장비로서 아스팔트의 거동은 시간 및 온도의 영향을 받으므로 시간 및 온도에 대한 영향을 동시에 측정하는 것이 이상적이다(Fig. 2). DSR(Dynamic shear rheometer) 시험은 바인더의 복합 전단계수(Complex shear modulus) 및 위상각(Phase angle)을 측정함으로서 아스팔트 바인더의 점성 및 탄성거동 특성을 분석한다. 복합전단계수는 지속적으로 전단 작용을 받는 조건하에서 재료가 가지고 있는 변형에 대한 전단 저항력을 탄성(회복)과 점성(비회복)의 두 부분으로 구성되어 있다. 위상각은 탄성 및 점성 변형의 상대변위를 나타내고 G*Sinδ 값은 G*와 δ의 두가지 특성으로 구성된 특성치로서 탄성이 강한 바인더는 G*/Sinδ의 값이 높고, 점성이 강한 바인더는 낮은 값을 갖는다(Na, 2019).
DSR 시험용 아스팔트 시료를 하부의 고정판에 올려놓고 10분간 안정화 시킨 후 상부의 지름 25 mm 스핀들을 내려서 시료를 하부 고정판과 압착시켜 1 mm 두께를 유지하였다. 온도에 따라 아스팔트 시료가 수축하거나 팽창하여 지름 및 두께가 변하므로 시료의 두께를 고정한 후에 온도 변화는 ±0.1°C 이내로 하였다.
스핀들에 의해 일정한 Strain이 발생하도록 비틀림을 가하여 발생하는 토크(Torque)와 위상각(δ)의 측정을 통해 G*Sinδ를 구하였다. 또한, 복합전단계수의 측정은 식 (2)의 응력과 식 (3)의 응력변형의 관계를 이용하여 식 (1)와 같이 구한다.
여기서, : 시료에 가해진 최대토크, : 아스팔트 시료의 반경(12.5 mm), : 회전각, : 샘플의 높이(1 mm) 이다.
2.2.2 회복탄성계수 시험
아스팔트 혼합물의 회복탄성계수 시험은 마샬시험 공시체의 원주면에 하중을 재하하는 간접인장강도시험으로 반복재하시험에서 전형적인 하중 변형 관계는 Fig. 3과 같다. 하중이 순간적으로 가해지면 그에 따라 변형이 일어나고 이 변형은 회복되는데 순간적으로 회복되는 변형을 순간회복변형(), 휴지기간내 회복되는 변형을 전체회복변형()라하며 계산에 의해 순간회복 탄성계수()와 전체회복 탄성계수()로 나타낸다.
순간회복 탄성계수는 하중제거와 동시에 회복되는 변형성분만을 고려한 탄성계수이고, 전 체회복탄성계수는 1싸이클내에서 하중제거와 동시에 즉시 회복되는 탄성변형과 하중제거 후 시간의 경과와 더불어 회복되는 점탄성 변형성 모두를 고려한 회복탄성계수로 정의할 수 있다.
여기서, a = 하중 1주기당 하중 재하 시간, b = 하중 1주기당 하중 휴지 시간, c = 1주기 이다.
일반적으로 간접인장방식의 회복탄성계수 시험에서는 직경 100 mm공시체를 사용할 경우 반복재하 하중은 아스팔트 혼합물의 극한강도의 10~50%범위 내에서 설정하도록 되어 있다. 하중이 순간적으로 가해지면 그에 따라 변형이 일어나고 이 변형은 회복되는데, 순간적으로 회복되는 변형을 순간회복 변형, 휴지기간 내 회복되는 변형을 전체회복변형이라 하며 순간 회복 탄성계수와 전체회복 탄성계수는 아래의 식 (4)과 식 (5)에 의해 구한다. 연직 변형 측정은 포아송 비를 구해야 할 필요가 없을 경우나 일정한 포아송 비 값이 주어질 경우 생략할 수 있으며, 일반적으로 적용되는 역청 혼합물의 포아송 비는 5°C에서 0.2, 25°C에서 0.35, 40°C에서 0.5를 적용한다.
여기서, = 순간회복탄성계수(MPa), = 전체회복탄성계수(MPa), = 순간회복 포아송비(25°C 조건에서 0.35로 가정함), = 전체회복 포아송비(25°C 조건에서 0.35로 가정함), = 반복하중(N), = 공시체 두께(mm), = 순간회복 수평 변형(mm), = 전체회복 수평 변형(mm) 이다.
본 연구에서는 아스팔트 바인더의 점성과 골재간의 마찰력에 의존하여 역청 혼합물이 물성을 측정하는 반복재하에 의한 간접인장 시험방법을 적용하였다(Fig. 4). 각 아스팔트 혼합물의 회복탄성계수를 5°C, 25°C, 40°C의 챔버 내에서 측정하였다. 100 kgf의 하중을 0.1초 재하하고 휴지기간을 0.9초간 적용하였으며, 총 100 cycle의 하중을 가하여 초기 압밀 등에 의한 변형이 안정되면 마지막 5 cycle의 평균 변형을 회복탄성계수에 사용하였다. 변형 측정을 위해서 Fig. 5와 같이 공시체의 양면을 평평하게 자르고 스트레인 게이지를 부착하였다. 각 공시체에 대한 회복탄성계수 시험은 2회 측정하였으며, 1차 측정 후 공시체를 90° 회전 시킨 후 2차 측정을 하였다.
3. 시험결과
3.1 아스팔트 바인더의 점탄성 거동 특성
바인더의 G*/sinδ는 포장의 공용온도에서 바인더의 Stiffness를 나타내므로 Rutting factor로 불리며 아스팔트 바인더의 공용성 등급을 평가하는데 사용된다. Fig. 6은 64°C에서 실험한 아스팔트 바인더의 측정 결과를 제시한다. 본 결과는 동적전단 유동시험을 통한 점탄성거동 특성의 경우 CR(M)이 64°C에서 Original 및 RTFO(단기노화)의 G*/sinδ값이 가장 높게 나타남으로써 아스팔트 바인더가 가지는 탄성력이 우수할 것으로 예상된다.
3.2 온도변화에 따른 회복탄성 특성
온도 변화에 따른 철도 아스팔트 혼합물의 회복탄성계수 시험결과 온도에 가장 민감하게 반응함을 알 수 있었고, 온도 변화에 의한 실험 결과 수치는 Table 2와 같다. 실험결과를 토대로 5°C와 40°C까지의 회복탄성계수는 1.6~3.9배 정도 차이를 나타내고 있고, 온도에 대한 민감도에서는 ST(M)로 개질 된 아스팔트 혼합물이 가장 큰 것으로 나타났다. 하지만 CR(M)와 더불어 전체회복탄성계수와 순간회복탄성계수에서 높은 수치를 보이고 있고 특히 순간회복탄성계수 값이 PG 64-22등급의 바인더보다 높게 측정됨으로써 개질로 인한 회복속도가 빠름으로 인해 변형에 대한 회복력도 향상될 수 있을 것이다. 이는 순간적 속도에 적응하기에는 PG 64-22의 아스팔트 혼합물 보다는 PG 76-22등급의 아스팔트 혼합물이 적합할 것으로 판단된다.
그리고 순간회복탄성계수에 대한 전체 탄성계수 비는 식 (4)와 식 (5)로부터 아래 식 (6)과 같이 유도 될 수 있다. 식을 통해 순간회복 탄성계수에 대한 전체회복 탄성계수의 비는 점탄성 회복 변형 특성을 표시하는데, Table 2에서 PG 64-22의 경우에는 온도에 따라 점탄성 변형성분의 차이가 크게 나지는 않았으나 탄성을 부여한 PG 76-22의 개질 아스팔트의 경우에는 온도가 증가할수록 점탄성 변형성분이 대체적으로 증가하는 경향을 보이고 있다.
Table 2.
Test factor of resilient modulus
여기서, = 순간회복 변형(mm), = 점탄성 회복변형(mm)
Fig. 7와 Fig. 8에서 아스팔트 혼합물 온도가 증가할수록 감소하는 경향을 보였고 바인더의 종류에 따라 CR(M), ST(M), ST(N), AP(N) 순으로 나타났으며 25°C에서 회복탄성계수 변동 폭이 대체적으로 크게 나타났다. Fig. 7에서 전체회복탄성계수 AP(N)와 ST(N)는 일정하게 감소하는 데 반해 CR(M)와 ST(M)은 25°C를 기준으로 하여 40°C와 거의 유사한 값을 보였다.
Table 3은 고온(40°C)과 저온(5°C) 조건에서 온도변화에 따른 탄성계수 증가비와 각 온도에서 탄성계수비를 나타낸 것으로 고온인 40°C조건에서 탄성계수비가 가장 큰 혼합물은 PG 76-22 등급을 가지는 CR(M), ST(M) 혼합물이 높게 나타났으며 PG 64-22의 AP(N)와 ST(N)이 작게 나타났다. 저온인 5°C 조건에서 탄성계수비가 가장 큰 혼합물도 역시 PG 76-22 등급의 ST(M), CR(M)으로 나타났고 PG 64-22에서 가장 작게 나타나는 경향을 보였다. 이러한 결과들을 통해 PG 등급에 따라 탄성계수의 확연한 차이가 나타나고 있음을 확인하였다.
이는 아스팔트 바인더 자체가 가지는 점탄성 물질로 개질의 형태에 따라 그 물성이 상당한 차이가 있으나 본 연구에서 사용된 CR(M)와 ST(M)의 경우 아스팔트 바인더의 소성변형 인자 값이 G*/sinδ값이 높게 나타남으로써 탄성 영역이 PG 64-22의 등급보다 아스팔트 혼합물에서 회복탄성계수의 값이 증가됨을 알 수 있었다.
Table 3.
Comparison of resilient modulus increase rate and resilient modulus ratio
4. 결 론
본 연구에서는 아스팔트 바인더의 PG 등급에 따라 아스팔트 혼합물에서 회복탄성계수의 역학적 거동을 평가하였다. 개질 아스팔트 바인더에서 CR(M)의 G*/sinδ 값이 가장 높게 나타났고, 아스팔트 혼합물의 회복탄성계수 시험을 통한 전체회복탄성계수와 순간회복탄성계수에서도 가장 높은 수치를 보여 바인더의 시험결과가 혼합물에서도 유사한 경향성을 보였다.
이러한 결과들을 바탕으로 아스팔트 바인더의 공용성 등급이 높을수록 고속주행 시 변형에 대한 빠른 복원속도를 예상해볼 수 있었으며 회복탄성계수의 결과와 비교하여 PG 64-22의 경우에는 5°C, 25°C, 40°C에서 온도상승에 따라 일정하게 감소하는 반면 PG 76-22의 등급에서는 5°C에서 25°C로 온도상승 시 급격히 감소하는 경향을 보이다가 25°C에서 40°C로 상승 시 거의 유사한 수치를 나타냈고, 저온(5°C)에서 상온(25°C)으로 온도 전환 시 개질 아스팔트는 온도에 민감하게 반응하는 것으로 판단되며 이는 개질재의 영향으로 추측됨으로 향후, 개질재 자체의 온도 변화 연구도 추가적으로 필요할 것으로 사료된다.
