Scientific Paper

Journal of the Korean Asphalt Institute. 30 June 2021. 52-66
https://doi.org/10.22702/jkai.2021.11.1.6

ABSTRACT


MAIN

  • 1. 서 론

  • 2. 재료 및 방법

  •   2.1 사용재료

  •   2.2 시험 방법

  •   2.3 순환아스팔트 혼합물 역학적 특성 시험

  • 3. 결과 및 고찰

  •   3.1 RAP의 특성시험

  •   3.2 혼합 방법에 따른 순환아스팔트 혼합물 내 노화상태 분석

  •   3.3 가열재생혼합물의 역학적 특성

  • 4. 결 론

1. 서 론

회수아스팔트 포장재료 (Reclaimed Asphalt Pavement: RAP)를 재활용함에 있어서 신규재료와 RAP을 믹서에 모두 넣고 동시에 혼합 (Instant Mixing: IM)하여 제조하는 순환아스팔트 혼합물 (Recycled asphalt mix) 내 바인더는 노화도가 불균등한 상태로 존재하는 것이 확인된 것은 이미 알려진 사실이다 (Kim et al., 2005; Doh et al., 2006; Doh et al., 2008; Kim et al., 2007). 이는 IM 방법으로 제조한 순환아스팔트 혼합물 내에서 신규 굵은 골재와 RAP 굵은 골재 입자를 코팅하고 있는 바인더에 대하여 겔-투과 색층 분석 (Gel-Permeation Chromatography: GPC) 시험으로 노화도에 차이가 있음을 발견한 것이다. 그리고 같은 재료를 단계적 혼합 (Stage Mixing: SM) 방법으로 제조한 경우 그 순환아스팔트 혼합물 내에는 이 둘의 차이가 현저히 줄어듦을 확인할 수 있었다 (Doh et al., 2006; Kim et al., 2007; Park et al., 2007).

국토교통부 배합설계지침 (MOILT, 2017)에서는 순환아스팔트 혼합물 제조 시 상기에 언급한 SM 방법을 사용할 것을 제시하고 있다. 하지만 아직도 순환아스팔트 혼합물 제조 시 전통적으로 사용하던 IM 방식을 많이 사용하고 있어 RAP의 재활용에 문제가 되는 실정이다. 이에 본 연구는 순환아스팔트 혼합물에서 RAP에 있는 굵은 골재 (이하 RAP 굵은 골재)와 신규 굵은 골재를 구분하여 각각 혼합방법 별로 분석하여 노화도 차이를 재확인하고, 그 차이가 순환아스팔트 혼합물의 공용특성에 어떻게 결과로 나타나는지를 확인하기 위하여 수행되었다.

혼합 및 제조 과정에서 제대로 회생되지 못한 고점도의 RAP 바인더는 포장이 다져지고 나면 바인더의 유동이 제한되므로 더 이상 회생이 되지 못한 채 다시 노화가 시작되면서 취성이 더 증가된다. 그러므로 포장 초기에는 강성이 높고 강도기준을 높게 만족하여 성능이 우수한 것처럼 보이지만 조기에 균열 및 손상이 발생하게 될 것이다. 예를 들어 이러한 순환아스팔트 혼합물은 고점도로 존재하는 RAP 바인더 영향으로 반복주행 (Wheel Tracking: WT) 시험 등 고온특성시험에서 우수한 것으로 나타나지만, 내재한 고 강성으로 인한 취성증가로 수분저항성 등이 조기에 취약해질 것이다. 따라서 이러한 점 때문에 순환아스팔트 혼합물이 초기에는 현실규격을 충족하나 중장기적으로 안전한지에 대한 우려의 원인이 된다.

본 연구에서는 30% RAP을 사용한 순환아스팔트 혼합물의 바인더가 보다 균등하게 되거나, 또는 RAP의 노화된 바인더 점도를 회복시킬 것으로 예상해서 과거에 사용된 몇 가지 혼합방법으로 제조한 순환아스팔트 혼합물의 노화도 차이를 분석하였다. 그리고 그 중 노화개선 효과가 가장 큰 방법으로 제조한 순환아스팔트 혼합물의 4가지 공용특성을 기존방식 (IM)으로 제조한 혼합물과 비교하여 그 차이를 분석하였다.

본 연구의 목적은 혼합방법 차이에 따른 순환아스팔트 혼합물 내 노화도의 차이가 공용특성에 어떻게 반영되어 나타나는지를 실험적으로 규명하는 것이다. 이를 위해 두 종류의 RAP이 순환아스팔트 혼합물을 제조에 사용되었으며, GPC 시험을 수행하여 대형분자 (Large Molecular Size: LMS) 비율(%)로 노화도를 상대비교하고, 이로부터 추정된 절대점도 (Absolute Viscosity: AV)로 노화도 차이를 분석하였다. 또한 대표적인 공용특성시험으로 간접인장강도, 변형강도, WT 및 수분저항성 시험인 인장강도비를 측정하여 비교 및 분석 하였다.

2. 재료 및 방법

2.1 사용재료

본 연구에서는 경기도 용인지역에서 평면 절삭하여 얻어진 RAP1과 강원도 춘천지역에서 수집된 RAP2를 실험에 사용하였다. 수집된 RAP은 13 mm 이하로 파쇄되어 각종 실험에 사용하였고, 아스팔트는 침입도 등급이 AC60-80, AC80-100인 국내산 아스팔트를 사용하였다. 침입도 등급 AC60-80인 아스팔트는 비교용 일반혼합물 (Control) 제조에 사용하였고, AC80-100은 국내에서 생산되는 아스팔트 중 가장 절대점도가 낮은 평균 1,000 poise이므로 (AC60-80의 점도 약 2,000 poise) 순환아스팔트 혼합물 제조 시 신규바인더로 사용하였다. RAP의 노화도는 심각하지 않아 재생 첨가제 사용 없이 순환아스팔트 혼합물을 제조 할 수 있도록 재생혼합물 배합설계가 가능하였다. 신규 골재로는 경기 지역의 화강암 (Granite) 쇄석과 강원 영서 지역의 편마암 (Gneiss) 쇄석 굵은 골재 (최대치수 13 mm), 8번 채 이하 스크리닝스 (Screenings) 잔골재, 채움재로 석회석분을 사용하였다.

한편, 순환아스팔트 혼합물로부터 GPC 분석용 시료를 구분 채취하는데 있어서 RAP의 굵은 골재와 신규골재의 혼동을 방지하기 위하여 굵은 골재만 쇄석대신 13 mm 원형골재를 사용하였다. Fig. 1에서 보여주는 원형골재는 혼합물을 비빈 후 식혀서 노화상태 분석을 위한 GPC 시험용으로만 사용되었고, 강도측정용 순환아스팔트 혼합물에는 앞서 언급한 13 mm 쇄석 신규골재가 사용되었다.

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Fig. 1.

Gravel coarse aggregate (13 mm) used only for aging level test mix

2.2 시험 방법

2.2.1 재생혼합물 제조방법에 따른 노화도 분석

본 연구에서는 기존 연구에서 RAP이 신규재료와 잘 비벼져서 노화된 바인더가 잘 회생될 것으로 예상되는 몇 가지 혼합방법을 시도하였다 (Kim et al., 2007). RAP 첨가 비율은 30%로 고정하였고 비교용 혼합물로써 신규혼합물도 제조하였다. Table 1은 본 연구에서 사용한 재생혼합물의 혼합방법을 설명해 준다.

Table 1.

Mixing method for recycled asphalt mixture

No. Description (for producing a 30% hot-mix recycled mixture) Note
0 RAP, new aggregates, virgin asphalt and rejuvenator, if any, were blended together for one min using a
paddle mixer.
IM
1 The mixing time was simply increased 6 times longer than method 0 to make a thorough blending for
rejuvenation.
2 RAP and 1/2 virgin asphalt were blended for 30 seconds and then rest of the materials were added and
mixed for one min.
3 RAP, all virgin asphalt and rejuvenator, if any, were blended first for 30 seconds and then hot new
aggregates were added and mixed for another 30 seconds.
SM

상기 4가지 방법으로 제조된 순환아스팔트 혼합물은 노화상태 파악을 위한 GPC 분석에만 이용되었는데 특히 다음과 같이 제조하였다. 즉, 순환아스팔트 혼합물에서 RAP 굵은 골재와 신규 굵은 골재를 구분하기 위하여 13 mm 신규 굵은 골재만은 Fig. 1에서 보여준 원형 골재를 사용하였다. 그리고 이 순환아스팔트 혼합물로부터 RAP 굵은 골재와 신규 굵은 골재를 구분하여 채취하고, GPC 분석을 수행하였다. 제조된 혼합물로부터 채취한 골재시료에는 잔 입자들이 붙어있어 순수 굵은 골재를 코팅한 아스팔트의 특성이 희석되는 오차를 유발하게 된다. 그러므로 이를 미연에 방지하기 위하여 잔 입자를 최대한 제거한 후에 굵은 골재만을 THF (Tetrahydrofuran)에 녹여 GPC 시험을 수행하였다.

2.2.2 RAP 바인더의 추출․회생 및 물성시험

RAP 바인더의 절대점도 측정을 위하여 ASTM D 1856의 Abson recovery 방법으로 아스팔트를 추출·회수하였으며, 회수된 아스팔트 바인더에 대하여 절대점도 (KS M 2247)를 측정하였다. 하지만 RAP 또는 순환아스팔트 혼합물에서 바인더를 추출·회수하는 일은 복잡하고 시간도 많이 걸린다. 또한 회수과정에서 실험자에 따른 오차와 절대점도 측정 시 실험오차가 수반될 수 있다. 하지만 GPC에 의한 LMS 측정은 바인더를 회수하지 않고도 가능하므로 LMS 자체로 노화도를 상대비교 하였고, 절대점도와 LMS의 관계식을 이용하여 LMS로부터 절대점도를 추정하였다.

2.2.3 GPC 시험

아스팔트가 노화되면 아스팔틴 (Asphaltene) 함량이 증가되며 점도가 높아지고, 이를 GPC로 분석하면 아스팔트 대형분자의 증가로 나타나므로, LMS와 노화도는 밀접한 상관관계가 있다 (Jennings and Pribanic, 1988; Kim et al., 1993). Fig. 2는 GPC 시험에서 하나의 노화된 (Aged) 아스팔트와 원 (Original) 아스팔트 샘플이 검출되어 나타난 크로마토그램을 보여준다. 크로마토그램은 대형분자가 일찍 검출되며 시간에 따라 점차 작은 분자가 검출되므로 일종의 분자입도 분포곡선이다. 이 곡선이 수평기선 (Base line)과 이루는 전체면적을 100%로 하여 필요한 구간에서의 면적 비를 구하며, 앞부분 (왼쪽)이 대형분자 (LMS)를 나타낸다.

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Fig. 2.

Illustration of typical GPC for virgin and old asphalts

일반적으로 아스팔트의 GPC 분석은 바인더를 THF에 녹여 필터 (filter)로 거른 후 일정량의 용액을 Fig. 3의 GPC 분석기에 넣어 LMS를 측정하는 것이 일반적인 방법이다. 따라서 어떤 혼합물을 구성하고 있는 바인더에 대한 GPC 시험을 하려면 우선 혼합물을 녹여 바인더를 추출․회수하는 것이 필요하였다. 하지만 이 방법으로는 원하는 골재입자 만에 코팅된 바인더의 LMS를 얻을 수 없고, 모든 골재를 포함한 혼합물로부터 바인더를 회수하게 된다. 이 경우 회수된 바인더는 원하는 골재에 코팅된 바인더의 LMS를 나타내지 못한다. 따라서 이러한 바인더에 대한 GPC 결과는 혼합물 전체 바인더의 평균 LMS 특성을 나타내는 것이다. 그러므로 본 연구에서는 혼합물로부터 바인더를 추출하지 않고 혼합물 내의 원하는 골재입자를 바로 THF에 녹여 이로부터 GPC 샘플을 만들어 분석하는 방법 (Kim et al., 2006)을 사용하였다. 이 방법에 의해서는 각 골재에 코팅된 바인더별 LMS 파악이 가능하다.

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Fig. 3.

Gel Permeation Chromatography (GPC) system

LMS는 바인더의 점도와 밀접한 관계가 있어 어떤 두 샘플 간에 LMS의 차이가 난다는 것은 두 샘플의 노화상태가 다르다는 것을 의미한다. 본 연구의 가정은 GPC 분석에서 RAP 굵은 골재와 신규 굵은 골재의 LMS 차이가 적은 것이 순환아스팔트 혼합물 내에서 신․구 바인더가 골고루 혼합된 것으로 판단하는 것이다.

2.3 순환아스팔트 혼합물 역학적 특성 시험

2.3.1 배합설계, 간접인장강도, TSR 시험

아스팔트 혼합물의 배합설계를 위해 선회다짐기로 75회 다짐으로 직경 100 mm 공시체를 제조하여 국토교통부 기준 (MOLIT, 2017)으로 배합설계를 통해 최적아스팔트함량 (Optimum Asphalt Content: OAC)을 결정했다. 간접인장강도 (Indirect Tensile Strength: ITS)는 배합설계로 결정된 OAC로 공극률 4±1%의 100 mm 공시체 3개를 제조하여 24시간 상온에 보관하였다. 이후 물성을 측정하고 25°C 오븐에 4시간이상 보관 후 꺼내어 50 mm/mim의 속도로 하중을 가하여 식 (1)로부터 ITS를 구하였다.

(1)
ITS=2PπDt

여기서, ITS = 간접인장강도 (MPa), P = 최대하중 (N), D = 공시체 직경 (mm), t = 공시체 두께 (mm)이다.

인장강도비 (tensile strength ratio: TSR) 시험용 공극률 7±0.5% 공시체 제조를 위하여 다짐회수를 45회로 조정하여 공시체를 제조하여 한 혼합물 당 6개의 공시체를 제조하였다. 제조된 공시체는 24시간 상온보관 후 무작위로 3개씩 나누어 3개는 25°C 오븐에 기건 상태로 보관한 48시간 후 꺼내어 ITS를 측정하였다. 나머지 3개는 70~80% 포화 시킨 후 진공 포장하여 –18°C에 16시간 동결 후 꺼내어 60°C 수조에 24시간 수침시켰다. 그리고 25°C 항온수조에 2시간 넣어 공시체 온도를 25°C가 유지시킨 후 ITS를 측정하였다. TSR은 각각 3개 ITS의 평균을 식 (2)에 대입하여 구하였다.

(2)
TSR=SwetITSdry×100

여기서 TSR = 인장강도비 (%), ITSwet= 수분처리 간접인장강도 (MPa), ITSdry= 무처리 간접인장강도 (MPa)이다.

2.3.2 반복주행 시험

본 연구에서는 배합설계를 거쳐 결정된 최적아스팔트 함량으로 305 mm×305 mm×62 mm의 슬래브 공시체를 공극율 4±0.5% 되도록 롤러 가압 다짐으로 제조하였다. 제조된 공시체는 24시간 상온 양생 후 2개로 잘라서 시험온도 60°C에서 4시간 이상 저장 후 각 조각마다 WT 시험기로 반복주행 시험을 수행하여 두 개의 평균값을 분석에 사용하였다 (Fig. 4). 반복주행시험은 강재 (鋼材) 바퀴를 사용하였고, 지름 200 mm, 너비 53 mm로서 왕복 거리 200 mm, 속도는 42 pass/min로 하였다. 시험은 60°C에서 수행되었고 재하된 윤하중 압력은 100 psi로 2,520 pass (3,600 sec) 후 최종침하량을 구하였다.

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Fig. 4.

Photo (a) showing WT setting and (b) two pieces slab after WT test

2.3.3 변형강도 시험

본 연구에서는 아스팔트 혼합물이 소성변형과 유사하게 압밀․전단에 의한 변형이 유발되도록 개발된 Kim Test로 혼합물의 변형강도 (Deformation Strength: SD)를 측정하였다. 시험온도는 WT 시험과 같은 60°C에 직경 100 mm 공시체를 30분간 수침 후 꺼내어 신속히 수행하였다. 하단을 원형절삭한 하중 봉으로 정하중을 수직 재하 하여 그때의 파괴하중 (P)과 바닥으로부터 수직변형 (v) 만큼 하중봉이 눌려 들어간 변형을 측정하여 식 (3)으로 변형강도를 계산하였다 (MOLIT, 2017; Kim et al., 2002; Doh et al., 2007; Kim et al., 2011). 하중봉을 편심 없이 수직으로 재하 하도록 Kim Test 어셈블리에 Fig. 5와 같이 공시체를 넣고 고 정하중을 30 mm/min의 속도로 재하하여 하중-변형곡선에서 P와 v를 구하였다.

(3)
SD=0.32P[10+20v-v2]2

여기서, SD= 변형강도 (MPa), P = 최대 하중 (kN), v = 수직변형 (mm)이다.

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Fig. 5.

Photograph showing (a) Kim test setting in loading frame and (b) a P-v curve

3. 결과 및 고찰

3.1 RAP의 특성시험

수집된 두 회수아스팔트 포장재료 (RAP)는 노화특성이 비슷하여 둘을 1:1로 섞어 순환아스팔트 혼합물 제조에 사용하기 위해 13 mm 이하의 입자만을 사용하여 무작위로 채취하여 실험에 사용하였다. 제조된 혼합물병 명칭은 Table 2와 같고, RAP 바인더의 기본 특성은 Table 3과 같다. RAP1, RAP2 바인더의 점도가 12,000~14,000 poise (p)로 아주 심한 노화 상태는 아니어서 되어 포설 후 5~6년 정도 지난 포장 재료인 것으로 추정된다 (Kim et al., 2016).

Table 2.

Mixture designation

Agg. Designation Description by letter Note
1st 2-letter 3rd letter 4th letter 5th letter
Agg. Binder RAP 30% Mixing No.
Gneiss GN5N0 GN (gneiss) 5 (AP5) N (none) 0 (No. 0) IM
GN3R0 // 3 (AP3) R (RAP used) 0 (No. 0)
GN3R1 // // // 1 (No. 1)
GN3R2 // // // 2 (No. 2)
GN3R3 // // // 3 (No. 3) SM
Granite GR5N0 GR (granite) 5 (AP5) N (none) 0 (No. 0) IM
GR3R0 // 3 (AP3) R (RAP used) 0 (No. 0)
GR3R1 // // // 1 (No. 1)
GR3R2 // // // 2 (No. 2)
GR3R3 // // // 3 (No. 3) SM
Table 3.

Properties of RAP binder and virgin asphalt

Material OAC (%) Property Note
LMS (%) AV (p) Pen (0.1 mm)
RAP1 5.4 18.76 13,751 25
RAP2 5.5 18.35 12,407 26
AP3 - 12.94 1,349 84
AP5 - 13.54 2,075 67
GN5N0 mix 5.5 14.78 2,485 52 recovered after mixing

Table 4의 LMS와 AV를 이용하여 회귀분석을 수행하여 두 특성간의 상관관계를 분석하였다. Fig. 6의 R2 > 0.98에서 보듯이 두 특성 간에는 매우 밀접한 상관관계가 있다. 그리므로 이 회귀분석 모델의 관계식 y=8.5233e0.3943x에 종속변수 y는 추정절대점도 (Estimated Absolute Viscosity: EAV)로, 독립변수인 x는 LMS로 대체하여 노화도 분석을 위한 절대점도 추정에 식 (4)를 사용하였다.

(4)
EAV=8.5233e0.3943(LMS)

여기서, EAV = 추정 절대점도 (p)이고, LMS = 대형분자비율 (%)이다.

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Fig. 6.

Relation of absolute viscosity and LMS

3.2 혼합 방법에 따른 순환아스팔트 혼합물 내 노화상태 분석

노화상태 분석용 순환아스팔트 혼합물은 4가지 혼합방법 (0~3)에 따라 제조하였고, 각각의 혼합물로부터 RAP 굵은 골재 시료와 신규 굵은 골재 (원형) 시료를 채취하여 GPC 분석을 하였다. Fig. 7은 순환아스팔트 혼합물로부터 채취된 GPC용 두 골재 시료의 세부모습이다. Table 4는 혼합방법별 각각의 LMS 측정값과 LMS로부터 식 (4)로 절대점도를 추정한 값인 EAV 값과 각각의 비율을 보여주고 있다.

기존 현장 플랜트에서 사용하는 것과 같은 방법인 0방법의 경우, RAP과 신규골재의 LMS 차이가 가장 크게 나타났다. 이는 단시간 (1분)의 혼합으로 순환아스팔트 혼합물 내 RAP의 노화된 아스팔트가 신규 아스팔트에 의해 제대로 점도회복이 되지 못하고 높은 노화 상태가 유지되는 것을 말한다.

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Fig. 7.

Two aggregate types in a recycled mixture for aging level test, (a) virgin coarse aggregate, and (b) coarse aggregate from RAP

Table 4.

GPC results of three types of aggregate

Mixing
method
LMS (%) EAV (poise) Note
RAP agg.
New agg.
Ratio
(①/②)
RAP agg.
New agg.
Ratio
(③/④)
0 16.77 14.86 1.129 6,344 2,987 2.124 IM
1 16.03 15.47 1.036 4,738 3,799 1.247
2 15.89 15.01 1.059 4,484 3,163 1.418
3 15.86 15.42 1.029 4,431 3,725 1.189 SM
0 - 14.23 - 2,330 - Control

혼합물의 혼합시간을 증가시킨 1방법의 경우, 0방법에 비해 LMS 차이가 적어지는 것으로 나타나, 혼합시간이 증가하면서 노화아스팔트와 신규아스팔트가 섞일 수 있는 시간이 늘어남에 따라 0방법보다 골고루 혼합된 것으로 판단된다. 하지만 현실적으로 6배 증가는 플랜트에서 현실적으로 어려움이 있을 것이다. 가열 RAP과 신규 아스팔트를 선비빔 하는 2, 3 방법의 경우, RAP과 신규골재 시료의 LMS가 유사해져 다른 방법에 비해 차이가 적어지며, 신규바인더 1/2보다는 전체를 RAP과 미리 비비는 3방법이 더 좋은 것으로 나타났다. 이는 RAP과 신규아스팔트가 사전 혼합되면서 노화아스팔트와 신규아스팔트가 비교적 잘 혼합되어 혼합물 내의 바인더 점도가 균등하게 되었다는 의미로 볼 수 있다.

LMS의 비율로 보면 기존방식인 0방법이 1.129으로 가장 높고 3방법이 가장 낮아 1.029이다. 하지만 이것의 차이는 수치적으로 의미를 알기 어렵다. 따라서 이를 절대점도로 추정한 EAV로 보면 0방법의 경우 RAP을 코팅하고 있는 바인더는 6,300 p 대로 신규골재에 코팅된 약 3,000 p보다 2배 이상 높다. 반면, 이 차이가 3방법에서는 4,400 p와 3,700 p로 1.2배 이하수준으로 낮아졌다. 이는 RAP 골재의 노화바인더가 2,000 p 가까이 회생되며 신규골재에 코팅된 바인더와 가까운 수준이 되었음을 보여주는 것이다. 본 순환아스팔트 혼합물의 경우 RAP이 30%이고 신규골재 약 70%로 RAP의 두 배가 넘는다. 따라서 3방법으로 RAP 바인더가 2,000 p 가까이 회생되어 신규골재 바인더를 3,000에서 3,700 p 수준으로 높인 것은 점도 평준화에 적절수준 기여를 한 효과를 낸 것이라 판단된다.

Table 4에서는 일반적으로 시행되는 재생혼합물의 혼합방법으로는 노화된 RAP 내 굵은 골재에 붙어있는 바인더가 제대로 회생되지 못하고 순환아스팔트 혼합물 내 바인더가 불균등하게 분포하고 있음을 검증할 수 있었다. 이와 같이 순환아스팔트 혼합물에 고르게 회생되지 못한 부분이 존재하면 그곳이 여타부분 보다 빠르게 노화가 진행되므로 결국 균열발생의 시점이 될 것으로 사료된다. 따라서 가장 효과가 좋은 3방법과 기존의 0방법으로 혼합물 공시체를 제조하여 공용특성분석을 수행하였다.

3.3 가열재생혼합물의 역학적 특성

RAP을 30% 첨가하여 각 혼합방법 별로 가열 순환아스팔트 혼합물 배합설계를 수행하였다. 배합설계로부터 결정된 최적아스팔트함량으로 각 혼합물별 공시체를 제조하여 간접인장강도 등 4가지 특성시험을 수행하여 그 측정치를 Table 5에 제시하였다.

Table 5.

Fundamental properties of each mixture

Agg. Mix ITS (MPa) WT Rut (mm) SD (kpa) TSR (%) Note
Gneiss GN5N0 0.66 6.3 3.33 81.3 control
GN3R0 0.98 4.8 3.75 71.0 IM
GN3R3 0.86 5.9 3.48 87.1 SM
Granite GR5N0 0.74 5.5 3.38 80.4 control
GR3R0 1.00 4.4 3.89 75.8 IM
GR3R3 0.89 5.5 3.56 88.4 SM

3.3.1 간접인장강도 및 TSR 특성

Table 5의 간접인장강도와 혼합물별 차이를 Fig. 8로 나타내었다. 골재별로 AP5로 제조한 일반혼합물 (Con) 보다 두 가지 순환혼합물의 ITS가 높게 나타났고, 같은 그중에서도 IM방식이 SM보다 크게 더 높은 것을 알 수 있다. 이를 통해 일반적인 방법 (IM)으로 제조되는 순환아스팔트 혼합물의 초기 강성이 커서 나타나는 현상으로 판단되었고, SM 방식으로 혼합 시 중간 정도의 강성을 보이는 것으로 나타났다.

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Fig. 8.

Comparison of ITS by mixing method

또한, 수분취약성 평가를 위한 TSR 결과를 Fig. 9에서 보여준다. 골재별로 AP5로 제조한 일반혼합물 (Con) 보다 두 가지 순환혼합물의 TSR은 차이를 보이는데, IM방법의 경우 TSR이 낮아진 반면 SM 방법에서는 증가하였다. 이는 IM방식은 RAP의 높은 강성의 바인더가 동결융해로 취약해지는데 비해 어느 정도 바인더가 회생된 SM방식은 오히려 골재와의 결합을 강화에 도움을 준 결과로 추정된다. 1차 비빔으로 가열된 신규바인더에 RAP이 충분히 녹은 후 가열 신규골재의 투입과 2차 비빔은 다량 (70%)인 신규 골재의 거친 표면이 쉽게 RAP 표면의 나머지 노화바인더도 추가로 흩어내어 고르게 회생시켜 결합시켰기 때문인 것으로 판단된다.

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Fig. 9.

Comparison of TSR by mixing method

3.3.2 고온특성

본 연구에서는 고온 특성으로 60°C에서 변형강도와 반복주행 시험을 수행하였다. 시험 결과는 Table 5에서 보여주었으며 이를 도식적으로 골재별로 AP5로 재조한 일반혼합물의 값과 비교하여 도식적으로 Figs. 10, 11에서 보여준다. 순환아스팔트 혼합물이 일반혼합물에 비해 변형강도는 크고 침하 깊이는 낮게 나타나 소성변형 저항성이 우수한 것으로 나타났다.

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Fig. 10.

Comparison of SD by mixing method

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Fig. 11.

Comparison of wheel tracking final rut depth by mixing method

변형강도에서 보면 두 골재의 Control 혼합물이 일반도로의 기준인 SD3.2 MPa을 약간 넘는데 비하여 순환아스팔트 혼합물들은 5~15% 더 높게 나타났다. 이는 내재해있는 RAP의 강성 때문인 것으로 판단되며 그중에서도 IM방식이 크게 더 높고 SM 방식의 SD는 Control 값에 가깝게 나타나 상당한 회생 효과를 보여준다.

Wheel tracking 시험에서 보면 두 골재의 Control 혼합물이 모두 6.3, 5.5 mm로 가장 깊이 들어간 것에 비해 순환아스팔트 혼합물들은 4~26% 덜 침하되는 것으로 나타났다. 이는 내재하는 RAP 바인더의 높은 강성이 고온에서 변형에 대해 저항하기 때문인 것으로 판단되며, 그중에서도 IM방식이 크게 더 높고 SM 방식의 SD는 Control 값에 가깝게 나타났다. 이는 변형강도 측정 결과와 유사한 것으로 SM방식이 상당한 회생 효과를 보여주는 결과이라 할 수 있다.

이를 통해 순환아스팔트 혼합물 내 노화바인더의 불균형이 역학적 특성 시험에서도 잘 반영되어 나타남을 확인 할 수 있었다. 이와 유사한 결과가 피로 특성평가 (Doh et al., 2006)에서도 나타났으나 장기공용성에 대한 연구는 없었다. 만일 이를 장기 공용성으로 비교하면 더 큰 차이를 보일 것으로 추정된다. 그러므로 RAP 바인더의 노화도 개선을 위해 국토부 기준 (MOLIT, 2017)이 SM 방식을 채택한 것은 매우 중요한 선택이며, 순환아스팔트 포장의 공용성능 확보를 위해서 반드시 따라야하는 혼합방식임을 확인할 수 있었다.

4. 결 론

본 연구에서는 아스팔트 생산 플랜트에서 기존 방식인 모든 재료를 넣고 동시혼합 (Instant mixing: IM)하는 방식으로 제조되는 순환아스팔트 혼합물 내 바인더의 노화불균등 상태를 GPC를 통해 확인하였다. 또한 이 바인더의 노화불균등 상태를 개선하기 위해 개발된 단계적 혼합 (Stage mixing: SM) 방식과 IM 방식으로 제조된 혼합물의 공용특성을 비교분석하였다. 각각의 혼합방법에 따라 제조된 순환아스팔트 혼합물의 공용특성으로는 간접인장강도, 인장강도비, 변형강도 및 반복주행시험이며 이들을 분석한 결과 다음과 같은 결론을 얻었다.

1) 순환아스팔트 혼합물로부터 RAP 굵은 골재, 신규 굵은 골재 부분으로 구분 채취하여 GPC 분석을 수행한 결과 대형분자 (LMS)와 추정절대점도의 비율에 큰 차이가 나타나 일반적으로 제조되는 순환아스팔트 혼합물 내 신규골재가 대부분 신규 아스팔트로 코팅되고 RAP 굵은 골재의 노화바인더가 제대로 회생되지 못함을 알 수 있었다.

2) 이를 개선하기 위하여 개선된 SM방식으로 제조된 순환아스팔트 혼합물은 IM방식에 비하여 강성이 낮아져 (본 연구에서 최대 18%) 상대적으로 낮은 간접인장강도와 높은 TSR 특성을 보여 상당한 노화회생 효과가 있는 것으로 판단되었다.

3) 순환아스팔트 혼합물의 고온 특성을 평가하기 위하여 반복주행 시험과 변형강도 시험을 수행한 결과 SM 순환아스팔트 혼합물이 AP5로 제조한 일반아스팔트 혼합물에 가까운 값을 보였다. 이는 SM방식이 IM방식보다 노화바인더 회생효과가 커서 IM 순환아스팔트 혼합물보다는 일반혼합물에 가까운 성능을 보인 것으로 판단되었다.

4) 이상의 결과를 통해 순환아스팔트 혼합물 내 노화바인더의 불균형이 역학적 특성 시험에서도 잘 반영되어 나타남을 확인 할 수 있었다. 그러므로 국토교통부 기준 (MOLIT, 2017)이 RAP 바인더의 노화도 개선을 위해 SM 방식을 채택한 것은 순환아스팔트 포장의 공용성능 확보를 위해서는 적절한 혼합방식임을 확인할 수 있었다.

Acknowledgements

본 연구는 2019년도 정부 (과학기술정보통신부)의 재원으로 한국연구재단-공공조달 연계형 국민생활연구실증사업화 사업의 지원을 받아 수행된 연구 (No. 2019M3E8A1067629)로서 강원대학교 첨단건설기술연구소의 시설․장비를 이용하여 수행된 연구임.

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