1. 서 론

2016년 한해동안 국내에서 710만톤 이상 발생된 것으로 알려진 폐플라스틱(waste plastic)은 분리가 복잡하고 이물질 함유 등으로 재활용이 어려워 소각/매립 처리되기 때문에 환경오염 및 생태계 파괴 등의 주요 원인으로 대두되고 있다(Kim et al., 2018; ME, 2020). 하지만 폐플라스틱은 재활용이 가능하며 아스팔트와 적절한 비율로 혼합 시 아스팔트 바인더의 감온성(temperature sensitivity) 개선 및 아스팔트 콘크리트 내구성(durability) 강화 효과가 있다(Kim and Choi, 1998; Kim et al., 2000; Jung et al., 2020). 폐플라스틱을 아스팔트 개질재로 6~8% 사용하여 제조한 폐플라스틱 개질 아스팔트 바인더는 일반 아스팔트에 비하여 고온에서 강성 및 탄성 개선, 안전성 및 소성변형 저항성 개선 효과가 있고(Mashaan et al., 2021), 파괴 특성 개선(White and Reid, 2018), 회복탄성계수 및 creep modulus 개선 효과가 있다(Abdullah et al., 2017; Ma et al., 2021). 또한 폐플라스틱 개질 아스팔트 혼합물의 부착강도시험을 통해 습식개질 HDPE 혼합물의 부착력이 개선되고, 화강암과 같은 산성골재의 부착력이 다른 골재에 비하여 감소하였다는 연구결과가 발표된 바 있다(Haider et al., 2020).

더불어 철강 제조공정에서 발생되는 슬래그는 고로슬래그와 제강슬래그로 분류되며 철에서 강을 제조하기 위해서 쇳물에 녹아있는 탄소, 규소 성분을 제거하는 과정에서 제강슬래그가 발생된다. 제강슬래그는 철, 탄소, 석회 등을 포함하고 있는 자원으로 건설용 골재로 재활용이 가능한 유효자원이다. 하지만, 제강슬래그는 고로슬래그와는 달리 물과 반응하여 팽창붕괴성(Ca(OH)2 생성과 팽창반응)이 있어 건설재료로 이용하기 위해 수개월 간 에이징(aging) 처리 또는 증기에 의한 촉진에이징 처리 과정을 거쳐 사용이 가능하다(Kim, 2014; Yoo, 2009). 제강슬래그는 강도 및 밀도가 높고, 내화성, 내마모성이 우수하며, 가격이 저렴하여 적절한 입도조정을 통하여 아스팔트 포장용 골재(KS F 2535, MOLIT, 2017)로의 활용이 가능하다. 더불어 제강슬래그 재활용은 환경보호, 천연자원 절약 및 폐기물 재활용을 통한 골재 자원확보로 양질의 골재 수급이 원활하지 않은 현실에서 대책이 될 수 있다(Yoo, 2009). 제강슬래그를 굵은골재로 사용한 아스팔트 혼합물은 일반 혼합물에 비해 기계적 특성과 열전도도 개선 효과가 있고(Ahmedzade and Sengoz, 2009), 굵은골재의 25%를 대체사용하는 것이 적정하고(Asi et al., 2007), 30% 제강슬래그와 최적아스팔트 함량 4.5%에서 안정성과 강성 개선 효과가 크다(Dondi et al., 2021)고 보고되었다.

본 연구에서는 폐플라스틱을 압출․성형한 아스팔트 성능강화재를 개질재(WPM)로 사용하여 개질 아스팔트 바인더를 제조하고, 공용성 고온등급 76을 만족하는 최적사용량을 결정하였다. WPM과 제강슬래그 및 화강암 골재를 사용하여 개질 아스팔트 혼합물을 제조하였고, WPM 개질 제강슬래그 재활용 아스팔트 혼합물의 상온 및 고온에서 내구성 및 수분저항성을 평가하여 일반 혼합물과 특성을 비교하였다.

2. 재료 및 방법

2.1 사용재료

2.1.1 아스팔트

본 연구에서 아스팔트는 국내에서 널리 사용되는 공용성 등급(performance grade: PG) 64-22 아스팔트(AP-5)를 기본 아스팔트를 사용하였다.

2.1.2 펠렛형 폐플라스틱 개질강화재(WPM)

폐플라스틱을 고온에서 압출하여 펠렛으로 제조한 아스팔트 성능 강화재 2종(pelletized waste-plastic modifier: WPM No.1, No.2)을 아스팔트 개질재로 사용하였다.

2.1.3 골재, 채움재 및 제강슬래그

아스팔트 혼합물 조성에 대부분을 차지하며 내구성 및 공용성에 영향을 미치는 골재(Roberts et al., 1996)는 제강슬래그와 화강암 부순모래(5 mm 이하, screenings), 채움재로 석회석분(limestone powder)을 사용하였다. 본 연구에서 제강슬래그는 4.75 mm 체(No.4)를 기준으로 굵은골재(13-5 mm, Fig. 1)를 선별하여 사용하였다. 각 골재에 대해 밀도 및 흡수율을 측정하였다(Table 1).

Fig. 1.

Surface condition of steel slag

2.2 시험방법

2.2.1 최적 WPM 함량 결정

본 연구에서 일반 아스팔트(PG 64-22)를 180°C 오븐에서 충분히 가열한 후, WPM No.1, No.2를 각각 3, 6, 9%를 섞은 후 고속전단믹서(homogenizer)를 사용하여 3,000 rpm으로 1시간 동안 교반하여 WPMA(wastic plastic modified asphalt)를 제조하였다. WPMA을 Original 및 RTFO(rolling thin film oven) 처리 후 DSR (dynamic shear rheometer) 실험을 수행하여 공용성 고온등급 76°C가 얻어지는 적정 WPM 첨가량을 결정하였다.

2.2.2 배합설계

국토교통부 기준(MOLIT, 2017)에 의거 표층용 WC-2 입도를 적용하고 No.1, No.2 개질재를 사용하여 배합설계를 수행하였다. 배합설계는 비교용 일반(N), 비교용 습식개질 PMA(P), 제강슬래그와 화강암 잔골재를 사용하고 WPM No.1, No.2 개질재를 각각 사용한 (A), (B)로 구분하여 수행하였다. 각 혼합물 조성은 Table 2, 혼합물 제조 조건은 Table 3과 같다. 국토교통부 표층용 WC-2 품질기준을 적용하여 최적아스팔트함량(optimum asphalt content: OAC)을 결정하였다.

2.2.3 변형강도

배합설계 후 각 혼합물의 OAC로 공시체를 제조하여 이론최대밀도(Gmm)를 측정하고 밀도, 공극률, 골재간극률(VMA), 포화도(VFA)를 계산하였다. 각 혼합물 OAC 공시체를 60°C온도에서 30분간 수침 시킨 후 30 mm/min 속도로 하중을 재하하여 변형강도(deformation strength: S_D)를 측정하였다(Jeong et al., 2016; Baek Et al., 2007; Doh et al., 2008; Kim et al., 2002, 2011; Lee et al., 2004). 하중-변위 곡선에서 최대하중(P)과 그때의 변위(y)를 읽고 식 (1)을 적용하여 변형강도를 계산하였다. 변형강도는 현장에서 발생하는 소성변형 특성과 상관관계가 매우 우수하여 국토교통부 지침에 시험법으로 적용되었다(MOLIT, 2017).

2.2.4 간접인장강도(ITS), 터프니스(Toughness), 강성지수(Stiffness Index)

각 혼합물의 OAC로 제조한 직경 100 mm 공시체로 25°C에서 ITS 시험을 수행하였다. 시험결과 하중-변위 곡선에서 최대하중(P)과 그때의 변위(δ)를 읽어 ITS(식 (2)), 터프니스(식 (3), Kim et al., 2007), 강성지수(식 (4))를 구하였다(D는 공시체 직경, t는 공시체 두께, mm).

2.2.5 인장강도비(TSR) 및 변형강도비(SDR)

각 혼합물의 OAC로 두 조의 공시체를 제조하여 한 조는 25°C에서 건조(Dry) 처리하고, 다른 한 조는 60°C 수조에서 24시간 수침 처리(Wet) 후 시험 전 25°C에서 최소 2시간 온도양생 후 ITS 시험을 수행하였다. Dry 및 Wet 상태에서 각각 ITS를 (ITS_DRY, ITS_WET) 측정하여 식 (5)에 적용하여 인장강도비(tensile strength: TSR)를 구하였다.

또한, 각각의 혼합물에 대하여 OAC로 공극률을 만족하는 2조의 원형공시체를 제조하여, 한 조는 25°C에서 건조(Dry) 시키고, 다른 한 조는 60°C 수조에서 48시간 동안 수침(Wet) 후 변형강도 시험을 수행하였다. Dry 처리 공시체 1조는 60°C 온도 수조에서 30분 동안 처리한 후 변형강도를 측정하였다. 각각 측정된 변형강도(S_Ddry, S_Dwet)를 식 (6)에 적용하여 변형강도 비를 구하였다.

3. 결과 및 고찰

3.1 WPMA 공용성 고온등급

WPM No.1, No.2 개질재 사용량이 증가하면 폐플라스틱의 개질 효과로 인하여 고온강성이 증가하였다. No.1, No.2 개질재를 각각 7%, 9% 사용하여 개질한 WPMA는 노화전(original)과 RTFO 처리 후 DSR 시험결과 공용성 고온등급 76을 만족하였다(Table 4). 단기노화 후 바인더 강성은 일반에 비하여 PMA, No.1, No.2 각각 2.67, 2.59, 3.57배 높은 강성을 나타냈다.

3.2 WPMA 혼합물 변형강도

일반(N) 및 습식개질 혼합물(P)는 일반도로용 변형강도 기준 3.2 MPa을 모두 만족하였다. (P)혼합물과 건식개질(P-SBS, P-LDPE) 혼합물은 중차량 도로 기준 4.25 MPa을 만족하였다. 제강슬래그 13-5 mm 굵은골재와 화강암 잔골재를 사용한 (A), (B) 혼합물은 각각 3.75, 4.03 MPa의 변형강도를 나타내어 국토부 일반도로용 기준을 만족하였다(Fig. 2).

또한, 제강슬래그 13-5 mm 굵은골재와 화강암 잔골재를 사용한 혼합물 (A), (B)의 변형강도가 화강암을 사용한 일반 및 개질 혼합물보다 낮은 원인이 바인더 성능 또는 제강슬래그 사용인지 여부를 확인하기 위해서 화강암 골재만을 사용한 혼합물에 동일한 바인더 함량을 적용하여 실험을 수행하였다. 그 결과 화강암과 WPM No.2를 사용한 (Reference, Granite, No.2) 혼합물은 건식개질 혼합물 (P-SBS), (P-LDPE)과 유사한 변형강도를 나타내었다(Fig. 2). 이러한 사실로부터 제강슬래그 골재 사용으로 인하여 배합설계시 높게 결정된 OAC가 변형강도를 저하시키는 것으로 판단된다.

Fig. 2.

S_D by mix type

3.3 WPMA 혼합물 균열저항성

3.3.1 간접인장강도(ITS)

각 혼합물의 ITS 실험결과 (N), (P), (A), (B)의 4종 모두 국토교통부 품질기준(ITS 0.8 MPa 이상, Toughness 8,000 N․mm 이상)을 만족하였다. (A), (B)혼합물은 일반 (N)혼합물(0.95 MPa)에 비해 1.17, 122배 각각 높은 1.11, 1.16 MPa의 ITS를 나타냈고, 습식개질 (P)혼합물(1.66 MPa)의 70% 수준의 ITS를 나타냈다(Fig. 3). 본 연구에서 개질재로 사용한 WPM No.1과 No.2의 경우, 개질효과로 ITS는 증가한 것으로 나타났다. 다만, WPM No.1, No.2 사이의 ITS는 크게 차이를 보이지 않았다.

Fig. 3.

ITS by mix type

3.3.2 터프니스(Toughness)

25°C에서 간접인장강도 시험을 통해 획득된 하중-변위 곡선에서 최대하중과 그 시점에서의 변위가 이루는 곡선 아래 면적을 터프니스(인성)라고 하며, 이 면적으로 각 혼합물의 균열 발생 및 진전에 대한 저항성을 평가할 수 있다. 본 연구결과 터프니스는 Fig. 4와 같다. 일반 혼합물 (N)에 비하여 습식개질 (P) 및 건식개질 (A), (B) 혼합물의 터프니스는 2.01, 1.25, 1.29배 각각 높게 나타나 폐플라스틱에 의한 균열저항성 개선효과를 확인하였다. 본 연구에서 평가한 WPM No.1, No.2는 일반에 비하여 높은 터프니스를 보였고, No.2가 No.1에 비하여 보다 우수한 특성을 나타났다.

Fig. 4.

Toughness by mix type

3.3.3 강성지수(Stiffness index)

간접인장강도 시험결과 SI는 파괴 시 최대하중과 변형량의 비로 나타내며, 높은 강성지수는 하중 작용에 비하여 변형이 적은 것을 의미하며, 아스팔트 포장도로는 고온 강성을 증가시키고, 저온 강성은 감소시키는 것이 바람직하다(Roberts et al., 1996).

본 연구에서 WPMA 혼합물의 SI는 Fig. 5와 같이 일반(N) 혼합물에 비하여 습식개질(P) 및 건식개질 (A), (B) 혼합물은 모두 증가하였다. (N)에 비하여 (P), (A), (B) 혼합물은 각각 1.48, 1.20, 1.28배 증가한 강성을 보여 개질효과가 나타난 것을 확인하였다.

Fig. 5.

Stiffness index by mix type

3.4 WPMA 혼합물 수분저항성

3.4.1 인장강도비(TSR)

각 공시체에 대하여 ITS_WET과 ITS_DRY를 측정하여 TSR을 계산하였다. 본 연구에서 일반 및 습식, WPM 건식 개질 혼합물의 TSR은 국토교통부 기준을 모두 만족하였다. 습식 및 건식 개질 (P), (B) 혼합물의 TSR이 가장 우수하며 일반(N) 혼합물은 가장 낮은 TSR을 나타냈다(Fig. 6).

제강슬래그 13-5 mm 굵은골재와 화강암 잔골재를 사용한 WPMA No.1 (A) 혼합물의 ITS_DRY는 0.96, No.2 (B) 혼합물은 0.83 MPa을 나타냈고, WET 상태에서는 각각 0.87, 0.77 MPa을 나타내어 TSR은 각각 0.906, 0.917로 (B) 혼합물이 높게 계산되었다. 수분처리 후 ITS_WET이 낮음에도 ITS_DRY가 낮은 이유로 TSR은 상대적으로 높은 결과를 나타냈다. 반면 일반(N) 혼합물은 ITS_WET이 0.79MPa로 (B) 혼합물보다 약간 높은 값을 보이지만 ITS_DRY가 0.97 MPa로 TSR은 0.81로 계산되어 (B) 혼합물에 비하여 낮은 결과로 나타났다. 그러므로 TSR은 WET 상태 ITS 값이 중요하다고 판단된다. ITS_DRY가 높으면, ITS_WET이 높음에도 불구하고 TSR은 낮은 값을 나타낸다. 반대로 ITS_DRY가 낮은 값이면 ITS_WET이 낮아도 TSR은 상대적으로 높은 값을 보이며 기준을 만족할수 있다. 따라서 TSR 기준에 WET 상태 최소 ITS 값 기준 마련이 필요하다 사료된다.

Fig. 6.

TSR by mix type

3.4.2 변형강도비(SDR)

60°C 수조에서 48시간 처리한 공시체 변형강도(S_DWET)와 처리 전 공시체의 변형강도(S_DWET)를 측정하여 변형강도비를 구하였다. 습식개질(P) 혼합물의 S_DWET이 5.88 MPa, 일반(N) 혼합물은 3.74 MPa로 나타나 S_DR은 각각 0.953, 0.886을 나타냈다(Fig. 7).

WPMA No.1 (A), No.2 (B) 혼합물은 각각 0.981, 0.978로 매우 우수한 S_DR을 보이며, 일반에 비해 매우 높고 습식개질에 비해 우수한 결과를 나타내었다. 이는 폐플라스틱 개질재 사용으로 인한 수분저항성 개선효과로 판단되었다. 하지만 TSR과 유사한 경향으로 No.1 (A) 혼합물과 No.2 (B) 혼합물의 S_DWET이 각각 3.76, 3.95 MP로 (B) 혼합물의 수분처리후 S_DWET이 높으나 S_DR은 반대 결과를 나타냈다.

Fig. 7.

S_DR by mix type

4. 결과 요약 및 결론

본 연구에서 폐플라스틱을 압출․성형하여 제조한 개질재(WPM)와 제강슬래그 13-5 mm 굵은골재 및 화강암 잔골재를 사용하여 제조한 WPMA 혼합물의 내구성 실험결과 다음과 같은 결론을 도출하였다.

(1) 폐플라스틱을 7~9% 사용하여 개질한 아스팔트 바인더(WPMA)는 공용성 고온등급 76을 만족하였다. WPMA 혼합물은 개질효과로 인하여 일반 혼합물에 비하여 우수한 소성변형저항성을 나타냈다.

(2) 제강슬래그 13-5 mm와 화강암 잔골재를 사용한 WPMA 혼합물은 일반 혼합물보다 높은 ITS, TSR 및 S_DR을 나타내며 균열저항성 및 수분저항성을 확보한 것으로 판단된다.

(3) 결론적으로 제강슬래그 13-5 mm 굵은골재와 화강암 잔골재를 사용한 WPMA 혼합물의 내구성은 일반 혼합물보다 우수하여 제강슬래그 굵은골재는 포장용 아스팔트 혼합물 제조에 사용이 가능하여 천연골재를 대체할 수 있을 것으로 판단된다.

(4) 향후, 인장강도비 및 변형강도비 기준의 높은 신뢰성을 확립하기 위해서 수분처리 후 ITS_WET, S_DWET의 최솟값 제시에 대한 심도있는 연구가 필요할 것으로 사료된다.