1. 서 론
아스팔트 포장을 시공하기 위해서는 160°C 이상의 고온에서 생산되는 가열 아스팔트 혼합물을 사용하고 있으며, 이로 인하여 비산 먼지와 CO2 가스가 배출되어 환경 피해가 예상된다. SMA 및 배수성 포장을 적용하기 위해서는 생산 온도를 일반 아스팔트보다 10~15°C 이상 높여야 하므로 악취 및 유해가스 발생이 증가하고 있다.
가열 아스팔트는 또한 동절기 시공 시 온도관리에 어려움을 겪게 되며, 하절기 시공 시 교통개방 지연으로 교통 정체가 발생된다. 개질아스팔트와 굵은 골재의 함량을 증가시킨 SMA 포장과 배수성 포장은 고온에서 아스팔트 혼합물 생산의 및 시공이 이루어져야 하나, 온도가 조금이라도 낮은 경우에는 아스팔트 포장의 다짐도 확보가 어려운 상황이 발생하고 있다. 이를 개선하기 위하여 생산 및 시공 온도를 낮추어 다짐도를 확보할 수 있는 기술 개발이 필요하다.
중온 아스팔트는 가열 아스팔트에 비하여 가열 온도를 약 20~30°C 정도 낮춤으로써 미세 먼지, 악취 및 유해 가스를 감소시킬 수 있다. 그리고 중온 아스팔트는 생산 및 시공 현장에서 작업자의 작업 환경을 개선시키고, 아스팔트 포장의 양생 시간이 단축되므로 조기 교통 개방이 가능하고, 다짐 허용 온도범위가 넓어져서 동절기에 품질관리가 용이하다.
현재 중온 아스팔트는 밀입도 아스팔트 포장에 한하여 적용 중이며, 사용 실적은 미미한 실정이다. 본 연구에서는 SMA와 배수성 포장의 중온화를 위하여 중온 SMA 및 배수성 아스팔트 혼합물의 공극률 특성을 분석하고자 한다.
2. 중온 SMA의 배합설계 분석
중온 아스팔트는 일반적으로 다짐 온도를 30°C 저감하는 것으로 정의하고 있다. 그렇지만 SMA는 “아스팔트 콘크리트 포장 시공 지침(국토부)”에 근거하여 다짐 온도를 30°C 저감하였을 경우 Fig. 1과 같이 공극률이 기준에 미흡하는 것으로 나타났고, 다짐 온도를 20°C 저감하여야 공극률이 기준에 만족하는 것으로 나타났다.
이는 SMA가 골재 맞물림을 강화한 공법으로 중온 첨가제의 온도 저감 효과가 일반 밀입도 혼합물보다 감소하기 때문인 것으로 판단된다. 따라서 본 연구에서는 중온 SMA는 일반 아스팔트 혼합물보다 온도를 20°C 저감하여 분석을 하였다.
중온 첨가제의 투입에 따른 개질 SMA 혼합물의 역학적 특성을 확인하기 위하여 아래와 같이 중온 첨가제로 사용되고 있는 대표적인 제품 중 왁스계열(A, B, C), 케미컬계열(D, E, F, G), 왁스와 케미컬 혼합(H)의 8종에 대한 혼합물 물성을 분석하였다.
중온 첨가제의 첨가량은 제조사에서 제시하는 권장 함량을 적용하였고, 중온첨가제를 아스팔트 함량에 포함을 시켜서 제조하였다. 중온 첨가제를 투입하지 않은 개질 SMA 혼합물은 규정 다짐온도인 150°C를 적용하였고, 중온 첨가제 혼합물은 중온 효과를 고려하여 130°C에서 다짐하여 공시체를 제작하였다.
Fig. 2는 각 시편의 밀도와 공극률을 측정한 결과이다. 공극률은 1.9~3.1%로 나타났고, 밀도는 중온 첨가제가 투입되지 않은 PG 76-22의 혼합물이 가장 높은 수치를 보였다. 나머지 중온 첨가제 혼합물은 높은 공극률과 낮은 밀도의 결과를 나타내고 있었다. 시험에 사용된 공시체가 모두 동일한 조건에서 제작되었으므로 이는 중온 첨가제에 의한 영향으로 판단된다.
Fig. 3은 동적안정도의 시험 결과로써 모든 혼합물은 동적안정도 기준인 2,000회/mm를 상회하는 성능을 발현하고 있었으며, 중온 첨가제 혼합물이 일반 개질 SMA 혼합물보다 상대적으로 낮은 동적안정도를 나타내고 있고, 중온 첨가제 혼합물 중에서는 A, B, D, H의 동적안정도가 PG 76-22 혼합물과 유사함을 보이고 있다. 이러한 결과는 아스팔트에 혼합된 중온 첨가제의 점도 저감 특성에 기인한 것으로 판단된다.
TSR 시험을 위해 제작된 공시체는 공극률이 7 ± 0.5%보다 작은 5 ± 0.5%로 제작하였는데, 이는 타 혼합물에 비해 상대적으로 작은 SMA 혼합물의 공극률 기준과 현장 다짐율을 반영하기 위함이다.
TSR 결과값은 Fig. 4와 같이 나타났으며, A, D, F, G 및 H 혼합물은 국토교통부 품질기준인 85%에 미달하였다. 기준에서 미달된 혼합물은 기준 혼합물인 PG 76-22와 간접인장강도를 비교했을 때, Dry시료의 간접인장강도는 유사한 강도를 보였으나, Wet 시료의 간접인장강도가 감소하는 경향을 보였다. 반면 기준값을 충족한 첨가제 3종은 TSR 기준값을 만족하였지만, 기준 혼합물과 비교했을때 간접인장강도가 크게 감소한 것을 알 수 있었다. 따라서 중온첨가제의 영향을 평가하기 위해서는 단순히 TSR의 충족 여부 뿐만 아니라 간접인장강도에 대한 비교 검토도 필요하다고 판단되며, 향후 해당 시험방법 및 기준에 대한 검토가 필요하다고 판단된다.
3. 다짐온도변화에 따른 공극률 특성
다짐 온도 변화에 따른 공극률 특성을 분석하기 위하여, SMA 10 mm의 경우 165°C 혼합에 150°C 다짐을 기본으로 하였고, 120~160°C까지 10°C 간격으로 시험을 진행하였다. 다짐온도가 120~160°C로 변경함에 따라서 Fig. 5와 같이 일반 아스팔트 혼합물의 경우 공극이 3.8%에서 1.9%로 줄어드는 경향을 볼 수 있었고, 중온첨가제를 사용한 혼합물의 경우 종류에 따라 유기첨가제 A는 3.0%에서 2.0%, 화학첨가제 E는 2.8%에서 1.8%로 공극률이 변함을 볼 수 있었다. 단, 다짐온도 150°C 이상부터는 다짐온도 상승에 의한 다짐효과가 미미한 것으로 보인다.
SMA 13 mm의 경우 다짐온도를 120~160°C로 변경함에 따라 Fig. 6과 같이 일반 아스팔트 혼합물의 경우 공극이 4.6%에서 2.1%로 줄어드는 경향을 볼 수 있었고, 중온첨가제를 사용한 혼합물의 경우에는 종류에 따라 유기첨가제 A는 3.7%에서 2.0%, 화학첨가제 E는 3.5%에서 2.2%로 공극률이 변함을 볼 수 있었다. SMA 13 mm 혼합물도 SMA 10 mm 혼합물처럼 다짐온도 150°C이상부터는 다짐의 한계점까지 도달되는 것으로 보였다.
다짐온도를 120~160°C로 변경함에 따라 공극률 감소는 SMA 10 mm가 1.9%, SMA 13 mm는 2.5%로 SMA 13 mm가 SMA 10 mm보다 온도변화에 따른 공극률 감소가 큰 것으로 나타났다.
WC-3 일반 아스팔트 혼합물의 다짐온도에 따른 공극률 거동을 보면, 다짐온도를 120~160°C로 변경함에 따라 Fig. 7에서 공극률이 4.6%에서 3.7%로 줄어드는 경향을 볼 수 있었고, 특이할만한 사항은 150°C에서 160°C로 다짐온도가 상승함에도 공극률이 3.6%에서 3.7%로 증가함을 볼 때 일반 아스팔트 혼합물의 경우 다짐온도는 150°C가 한계점인 것을 알 수 있었다.
배수성 혼합물의 시험결과, Fig. 8에서 다짐온도가 130~170°C 로 변경함에 따라서 일반 아스팔트 혼합물의 경우는 공극률이 약 18%에서 17%로 줄어드는 경향을 볼 수 있었고, 중온첨가제를 사용한 혼합물의 경우 종류에 따라 유기첨가제 A는 약 19%에서 17%, 화학첨가제 E는 약 20%에서 17%로 공극률이 감소함을 볼 수 있었다.
Fig. 8에서 배수성 아스팔트 혼합물은 온도에 대한 공극률의 민감도가 유기첨가제 A는 0.05, 화학 첨가제 B는 0.04로 나타나서 무첨가 혼합물이 0.035로 나타난 것에 비하여 온도에 대한 공극률의 만감도가 큰 것으로 나타났다.
4. 결 론
중온 SMA 및 배수성 포장의 공극률 특성을 분석하여 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
1)중온 SMA 및 배수성 포장은 일반적인 개념의 중온 아스팔트처럼 온도를 30°C 저감하면 공극률 기준을 만족할 수 없고, 중온 SMA의 저감 온도는 20°C인 것으로 분석되었다.
2)다짐온도를 120~160°C 로 변경함에 따라 공극률은 SMA 10 mm가 1.9%, SMA 13 mm는 2.5% 감소하는 것으로 나타나서, SMA 13 mm가 SMA 10 mm보다 온도변화에 따른 공극률 감소가 큰 것으로 나타났다.
3)다짐온도가 150°C 이상에서는 일반 아스팔트와 중온 첨가제 모두 공극률 감소가 미미한 것으로 나타났다.
4)중온 배수성 아스팔트 혼합물은 일반 배수성 아스팔트 혼합물에 비하여 온도에 대한 공극률 민감도가 큰 것으로 나타났다.
