1. 머리말
2. 연구배경 및 목적
3. 주요 연구내용
3.1 기존 개질 아스팔트 기술 현지 적용 및 문제점 파악
3.2 개질첨가제 개량 기술 개발
3.3 개질첨가제 활용 공용성능 평가
4. 결 론
1. 머리말
인도의 위치는 남아시아, 면적은 3,287,260 km2(한반도의 15배, 남한 면적의 33배), 기후는 열대 몬순, 온대시후, 고산 기후이며, GDP는 US$ 2,971십억(‘19년 IMF), 경제성장률 6.1%(‘19년 IMF), 1인당 GDP US$ 2,198(‘19년 IMF, 세계 118위), 소비자물가상승률 4.95%(‘19년 IMF) 이다. 인도 건설 산업은 2020년 7.1% 성장을 기대하고, 2024년까지는 연평균 6.7% 성장 가능할 것으로 전망되며, 도시화 문제 완화를 위해 주별 발전을 진행 중이며, 세계 주요국의 프로젝트 참여 및 투자가 활발하게 진행 중이다. 특히 운송과 관련된 인프라 산업은 도로, 철도가 우선적으로 시행될 것으로 예상되고, 사업전망이 우수하다고 판단되며, 인도 신규지역에 스타트업 교류 활성화를 통해 체계 기틀을 마련하여 케랄라주와 텔랑가나주의 거대 내수시장에 우리나라의 도로분야 전문 기술력과 노하우를 적용한다면 큰 시너지가 발생하리라 판단된다. 본 연구에서는 홍수로 인한 수분저항성과 많은 교통량으로 발생되는 포장 파손을 막을 수 있는 고내구성이 확보되는 아스팔트 콘크리트 혼합물 개발이 필요한 현지 니즈를 고려하여 인도 맞춤형 개량 개질 아스팔트 포장 기술 개발을 수행하였다.
2. 연구배경 및 목적
인도의 교통하중 및 이상기후 변화에 대응할 수 있는 기술 개발 제품을 토대로 인도 현지화 및 사업화 추진이 필요하였다. 이에 ‘17년 8월 인도 케랄라주 Thangal Kunju Musaliar College of Engineering(이하 TKM공대)과 MOU 체결 후, 현지 도로기술자가 인도 현지 도로 공공기관인 Public Works Department(이하 PWD)와 협업을 진행하였다. ‘18년 3월에는 TKM공대 현지 도로기술자가 한국을 방문하여 인도 현지에 국내업체가 진출 가능할 수 있도록 국내 A사 제품에 대해 시험용역을 진행하였고, 지속적 협업체계를 구축하였다. ‘18년 5월에 우선적으로 인도 케랄라주에 많은 강수량으로 인해 도로의 침수가 발생하여 포트홀이 많이 발생하는 이슈를 공유하여 국내A사의 도로 유지 보수재(콜드콘) 제품을 인도에 보내 시험시공을 수행하였고, 현장을 방문하는 등의 교류를 진행하였다. ‘20년 상반기 인도 케랄라주 지방도 시험시공 프로젝트에 국내 A사의 아스콘 기술 제품 3종이 선정됨에 따라 한국건설기술연구원(KICT)의 협력을 통해 인도 현지 도로건설 시장 진출 및 기술 현지화가 필요하였다. 이에 한국건설기술연구원의 기술지원을 통해 인도 현지 니즈를 고려한 개질첨가제 및 이를 이용한 개질 아스팔트 혼합물을 개발하였다.
3. 주요 연구내용
3.1 기존 개질 아스팔트 기술 현지 적용 및 문제점 파악
인도에 적합한 포장기술의 개발을 위해 우선 인도의 개질 아스팔트 포장재료에 대한 품질기준을 분석하였다. 국내 기준과 다른 점은 탄성회복시험과 FRAASS 취하점 시험항목을 포함하고 있는 점이며 인도의 개질아스팔트 혼합물은 지방도인 경우, 표층 포장두께 2.5 cm에 대해 골재 최대 크기는 9.5 mm를 적용하도록 되어 있고 아스팔트 함량의 최소 기준은 5%이다.
본 연구에서는 기존 개질 아스팔트 포장 기술에 대한 현지 적합성을 평가하기 위하여 인도 케랄라주 알라푸자(Alappuzha) 근교에 시험시공을 수행하였다. 인도 현지 플랜트 실험실에서 배합설계를 수행하였으며, 개질첨가제는 현지 상황을 고려하여 첨가제를 플랜트 믹서에 직접 투입하는 건식 믹싱 타입으로 수행하였다. 포장 포설은 인력으로 수행하고 다짐 역시 1차 다짐 장비인 머케덤 롤러만으로 다짐을 수행하였으며 일정 기간의 모니터링을 통하여 몬순기후에 대한 적합 여부를 평가하였다. 현지에서 사용하는 아스팔트(Convention), 지원기업에서 개발한 개질아스팔트(PAMA), 배수성 개질아스팔트(D-PAMA), 중온 개질아스팔트 (W-PAMA) 총 4종이다. 현장 시공 후, 몬순기후에 대한 저항성을 파악하기 위해 Fig. 1과 같이 약 9개월 동안 모니터링을 수행하였으며, PAMA가 현지 사용 기존 포장과 가장 유사한 결과를 나타냈다. 다만, 기존 포장에 비해 동등한 성능을 가지는 것으로 나타나 개질 아스팔트 포장임에도 불구하고 일반 포장과 유사한 성능을 나타내는 것으로 개선된 기술로 인도 현지 적용하기에 적합하지 않는 것으로 판단되었다.
3.2 개질첨가제 개량 기술 개발
본 연구에서 최초 개발한 개질첨가제는 폐타이어를 기반으로 한 제품이었으나 실내 공용성능 평가 결과, 폐타이어로 인해 발생되는 다양한 문제점이 발생하였다. 특히, 고온에서의 Swelling(부풀음) 현상과 PG 등급 중 고온등급 감소(70-22) 등의 문제점은 보완하기 힘든 부분을 본 연구에서는 기존 폐타이어 기반에서 고점도 폴리머(SBS 기반) 기반으로 원재료 변경하였으며, 현지 적용성 극대화를 위해 기존 개질첨가제와 동일한 건식형으로 개발하였다. 특히, SBS 등 고점도 폴리머를 활용한 건식형 첨가제 개발은 성능향상에 한계가 있는 점을 고려하여 본 연구에서는 우선적으로 물성 즉, 성능을 발휘하기 위한 적절한 개질제를 선정하였다. 이때, 대부분 분자량이 낮은 선형 분자구조의 SBS를 사용하는 국내 상용 건식형 개질첨가제와는 달리, 본 연구에서는 분자량이 높은 방사형 분자구조를 가지는 SBS와 선형 분자구조의 SBS를 혼합하여 개질첨가제를 개발하였다. 또한 분산성 향상 및 극대화를 위해 SBS 끼리의 강한 결합에 물리적 경계를 만들어 주어 퍼그밀에서 골재로 인한 밀링 효과로 찢김이 쉽도록 유도하였다. 그 결과, 건식타입임에도 불구하고 PG 82-22를 만족하는 결과를 나타내었으며, 융해시간은 국토부 지침 기준으로 약 16분 만에 완전 용해되는 것으로 나타났다. Fig. 2는 건식 타입의 개질첨가제 생산과 기본 물성을 나타낸다.
3.3 개질첨가제 활용 공용성능 평가
본 연구를 통해서 개발된 분산성 향상 건식형 개질첨가제(Modified PAMA Additive, MPA)를 활용하여 개질 아스팔트 혼합물에 대한 소성변형 및 수분저항성 평가를 수행하였다. 성능평가를 위해 국내 WC-2(13 mm) 표층 기준으로 배합설계를 수행하였으며, 최적 아스팔트 함량은 5.4%로 결정하였다. MPA 혼합물과 기존 개발 PAMA와의 비교 평가를 수행하였다. 이때, MPA 혼합물에 대한 소성변형 저항성을 평가하기 위하여 KS F 2374를 준용하여 하중 횟수에 따른 침하량과 동적안정도 측정 및 분석 수행하였다. 소성변형 저항성 평가 결과, MPA 혼합물의 동적안정도는 6,230 cycle/mm로 상용 개질아스팔트 혼합물과 유사한 결과를 나타냈으며 총 침하량은 1.6 mm로 상용 개질아스팔트 혼합물 1.78 mm보다 낮은 것으로 나타나 소성변형 저항성이 우수할 것으로 판단되었다. 또한, 본 연구에서는 MPA 개질 아스팔트 혼합물의 수분 민감도 검증 및 평가를 위하여 전 세계적으로 공통적으로 사용되고 있는 인장강도 비(TSR) 시험 수행하였다. 인장강도 비(TSR) 실험 결과, MPA 개질 아스팔트 혼합물의 인장강도 비는 91.0%로 국내 상용 개질 아스팔트 혼합물의 인장강도 비인 91.3%와 거의 유사한 결과를 나타내었으며 특히, 기존 개질 아스팔트 혼합물의 인장강도 비 85.7%보다 약 6%, 일반 아스팔트 혼합물의 인장강도비 77.0%에 비해 약 14% 향상된 결과를 나타내었다. 이는 상용 개질 아스팔트에 적용된 개질아스팔트 바인더는 습식인 반면, MPA 개질아스팔트 혼합물은 건식으로 적용되어 개질첨가제가 혼합물 내 분산성을 향상시킨데 기인한 것으로 판단된다.
또한, 인도 현지 공용성능 평가를 위하여 텔랑가주 NIT-와랑갈대학교와의 협업을 통한 개량 개질첨가제 성능 및 현지 적용 가능성 평가를 수행하였다. 총 5가지 시험항목(탄성계수, 수분저항성, 소성변형 저항성, ITS, 피로균열 저항성)에 대한 성능 평가 수행하였으며 수분저항성 및 소성변형 저항성은 국내와 유사한 공용성능을 나타내는 것으로 나타았다. Fig. 3은 NIT-와랑갈대학교에서 수행한 실험 결과에 대한 보고서를 나타내고 있다.
본 연구에서는 코로나19로 인해 인도 현지 적용성 검토를 수행할 수 없어 국내에서 개질첨가제의 현장 생산성 및 적용성, 시공성을 평가하였다. 개질첨가제 적용 개질 아스팔트 혼합물에 대한 성능 평가를 위해 일반 가열 아스팔트 혼합물을 비교군으로 적용하였으며, 각 혼합물별 도로연장을 100 m로 적용하였다. 현장 적용 결과, 개질첨가제 적용 개질 아스팔트 혼합물의 생산온도는 170~180°C였으며, 포설온도는 160~170°C에서 수행되었다(Fig. 4). 현장 시험시공 결과, 퍼그밀에서의 분산성 및 시공성에 큰 무리가 없는 것으로 나타났으며, 향후 약 1년간 지속적으로 모니터링을 통한 성능 평가를 수행할 예정이다.
4. 결 론
본 연구에서는 고내구성이 확보되는 아스팔트 콘크리트 혼합물 개발이 필요한 인도 맞춤형 개량 개질 아스팔트 포장 기술 개발을 수행하였다. 지원기업 개발 기술에 대한 시험시공 구간에 대한 9개월의 추적조사를 통한 상태 평가를 수행하였으며, 기존 인도 포장과의 비교 평가를 통한 문제점 도출 및 해결 방안 마련하였다. 특히, 인도 현지 환경을 고려한 수분저항성 및 소성변형에 대한 부분을 개선하고 현지 적용성을 고려하여 개질첨가제를 개발하였다. 또한, 개발된 개질첨가제의 현장 생산성 및 적용성, 시공성을 평가를 위해 현장 시험시공을 수행하였다.
연구결과, 본 연구를 통해 개발된 개질 아스팔트 포장 기술은 인도 현지 검증을 통하여 현지화 및 사업화가 가능할 것으로 판단되며, 향후 인도 현지 적용을 통하여 맞춤형 기술 개선과 인도 도로 설계 및 시공에 대한 기준 제시가 가능할 것으로 판단된다.
