1. 서 론

아스팔트 포장에 발생하는 대표적 형태의 손상은 소성변형(rut)과 균열(crack)이다. 이 두 종류 손상은 형태는 다르지만 바인더의 강성(stiffness)이 온도에 따라 변하는 현상 때문에 야기된다. 포장의 소성변형 저항성을 위해 변형강도(strength against deformation: S_D)가 그리고 균열 저항성을 위해 간접인장강도(indirect tensile strength: ITS)가 일정수준 이상으로 요구된다. 1940년대부터 전 세계적으로 널리 사용된 마샬안정도(Marshall stability: MS)는 2,000년대부터 개발 국인 미국에서는 사용치 않고 있다. 그러나 이것도 아스팔트의 강성이 높으면 크게 나타나므로 국내 일부에서는 혼합물의 견고성(stability) 척도로 여전히 시용되고 있다. 이에 본 연구에서는 마샬안정도를 포함한 4가지 시험 특성치[Wheel tracking(WT) rut depth, S_D, MS, ITS]가 상호간에 어떤 수준의 상관성을 보이는지를 공용성과 연관 지어 평가하고자 한다.

연성재료(flexible materials)인 아스팔트 콘크리트는 고온 공용온도에서 바인더의 강성이 높으면 혼합물의 탄성 증가로 소성변형에 강한 특성을 보인다. 균열저항성은 재료의 인장강도와 관련이 있어 ITS 시험을 통해 평가할 수 있다. 균열은 상대적은 낮은 온도에서 주로 발생하므로 ITS의 측정 온도도 5∼25°C로 국가마다 다르나 우리나라에서는 25°C를 적용하고 있다(Judycki, 2008).

소성변형 시험은 다양한 방법이 있으나 재료 특성 치보다는 누적침하를 왕복주행으로 측정하는 WT이나 그와 유사한 시험법이 널리 사용된다. WT 시험은 혼합물의 소성변형 저항성을 상대비교하기 위한 시험법 중 하나로서 재료의 강도나 강성지수 등을 측정하는 것이 아니다. 그러나 추정성(predictability)이 우수하여 널리 사용되나 장비가 고가이고 시험체 제조와 준비에 시간이 많이 걸리므로 대형연구기관 외에 현장이나 소규모 실험실에서는 보급되지 못하고 있다.

이러한 문제의 대안으로 고온변형에 저항하는 강도특성을 평가하기 위하여 변형강도(S_D)가 개발되었다(Kim et al., 2004a; Doh et al., 2007; Kim et al., 2011a). S_D는 파괴하중(P)과 그때 발생된 수직변형의 함수로부터 공시체 상단에 형성된 투영 원 면적(area of projected circle: Ap)을 구하여 강도를 계산하는 새로운 개념의 강도이다. 일반적인 강도(strength)는 파괴하중(P)을 면적(A)으로 나누어 구하는 표준식 σ = P/A에서 재하면적 A는 고정되고 P만의 함수로 구한다. 하지만 σ를 SD로 대체한 변형강도 식의 골격인 SD=P/Ap에서는 하중 봉 하단의 접지 bowl의 Ap가 공시체마다 변하므로 SD는 P와 A_P 두 가지의 함수이다.

A_P는 하중 봉 전체 직경(D), 하단의 원형절삭 반경(r)과 수직 변형깊이(y)의 함수로부터 구해진다. 표준 하중봉의 경우 D = 40 mm, r = 10 mm인 상수이므로 AP는 변수인 y만의 함수로 구해지므로 결국 SD=f(P,y)이다. 따라서 S_D는 구조적 파괴 이전에 변형증가로 기능에 영향을 미치는 아스팔트 포장 체와 같은 연성재료의 공용성능을 구분하기에 적합한 시험법이다.

S_D는 WT나 그와 유사한 시험들과 상관성이 매우 높으며 특히 같은 골재와 입도를 사용할 경우 아스팔트의 rutting factor인 G*/sin δ와도 매우 상관성이 높아 바인더 특성에 영향을 받는 것을 알 수 있다(Kim et al., 2005a, 2011a; Bibek et al., 2020). 이는 WT 시험시 PG 고온등급이 높은 바인더를 사용한 혼합물이 우수한 결과를 보이는 것과 같은 맥락이다. 하지만 본 연구에서는 바인더 특성을 다루지 않고 혼합물 시험에서 얻어지는 특성치 만으로 비교 평가하였다.

변형에 대한 저항을 나타내는 강도인 S_D는 하중-변형(P-y) 곡선에서 파괴 발생 이전의 정보만으로 계산되고 파괴 시까지 P-y곡선 하의 면적은 파괴인성으로 간주된다. P가 같고 그때의 y가 작을수록 SD는 크지만, 파괴인성은 P가 같아도 y가 클수록 크므로 둘은 상반되는 특성치이다. ITS는 인장특성 평가에 적용되지만 바인더 강성이 그 값에 영향을 미치는 요인이므로 PG 고온등급이 높으면 높은 값을 보인다.

본 연구에서 비교된 3가지 특성(MS, S_D, WT)은 측정방법이 다르고 용도도 다르나 고온에서 측정한다는 점이 같아 상호간에 어느 정도 상관성이 있는지를 파악하는 것은 의미가 있다. ITS는 시험온도는 다르지만 균열저항을 나타내고, 혼합물의 강성과 관련이 있으므로 고온에서 측정되는 다른 특성 치와 어느 정도 상관성이 있을 것으로 추정된다. 본 연구의 목적은 이들이 상호간에 어느 정도의 상관성을 가지는지 파악하여 공용특성 추정성이 우수한 시험법을 상호 연관 지어 이해하는 자료를 제시코자 하는 것이다.

2. 재료 및 방법

2.1 사용재료

본 연구에서는 2가지 기본 아스팔트(PG58-22, 64-22)와 한 가지 개질아스팔트 (PG 76-22), 골재는 편마암(A)과 화강암(B) 그리고 다양한 개질제와 한 가지 순환(재생)아스팔트 혼합물(Recycled asphalt mixture)이 사용되었다. PG58-22 아스팔트는 AP-3로 칭하여 약자로 3으로 그리고 PG64-22는 AP-5로 5로 표기하였다.

골재 입도는 13 mm 밀입도와 수퍼페이브 입도 [본 연구에서는 밀입도(Dense-grade: D)와 구분하기 위해 Gap (G) 입도로 칭함]를 사용하였다. 사용된 개질제는 SBR latex, 저밀도폴리에틸렌(low-density polyethylene: LDPE), 고밀도폴리에틸렌(high-density polyethylene: HDPE), SBS(styrene-butadiene- styrene), 재생 LDPE (RLDPE), 재생 HDPE(RHDPE)이다. SBR latex는 액상이고, LDPE와 HDPE는 분쇄하여 30번체에 거의 다 통과하는 고운입자, SBS는 이보다 굵어 8번체는 거의 다 통과하고 50번체에 대부분 남는 입자들이다. RLDPE와 RHDPE는 자원재생공사에서 생산한 펠렛을 분쇄하여 신제 LDPE, HDPE와 유사한 분말로 사용하였다.

모든 개질 폴리머는 건식혼합 방식으로 소정의 양을 골재, 58-22 또는 64-22 바인더와 함께 믹서에 넣어 약 175°C 온도로 가열 개질아스팔트 혼합물을 제조하였다. 개질바인더 등급은 76-22 또는 82-22 등급이 되도록 사전에 정해진 폴리머 함량을 넣었으며 재생혼합물은 15%, 30%의 RAP과 58-22 바인더를 사용하였다. 배합설계 혼합물은 선회다짐기로 75회(일반 및 순환혼합물), 100회(개질 혼합물) 다짐한 직경 100 mm 공시체를 사용하였으며 얻어진 최적아스팔트 함량(Optimum asphalt content: OAC)으로 공시체를 제조하여 각종 시험에 사용하였다. 각각의 혼합물에 대해 수행한 시험 방법은 아래와 같다.

2.2. 시험 방법

2.2.1 변형강도 시험

변형강도 (S_D)는 공시체에 하중을 가하여 얻은 하중-변형 곡선에서 최대 하중과 이때 표면으로부터 y만큼 아스팔트 콘크리트로 눌려 들어간 수직변형 깊이를 읽어 식 (1)로 계산하였다. 공시체의 시험온도는 60°C이며 이를 위해 공시체를 60°C 항온수조에 30분간 수침 후에 꺼내어 신속히 Fig. 1(a)와 같은 Kim Test 어셈블리에 넣고 하중 재하속도 30 mm/min를 가하였다. 이때 Fig. 1(b)와 같이 최대하중(P)과 이때의 수직변위(y)를 읽어 계산하며, 한 혼합물 당 측정된 3개 SD의 평균값을 표에 제시하였다.

여기서 S_D = 변형강도 (MPa), P =최대하중(N), y =최대하중에서의 수직 변형 값(mm) 이다.

Fig. 1.

(a) Kim Test setting and (b) a P-y curve obtained from a Kim Test

2.2.2 Wheel Tracking (WT) 시험

WT 시험은 배합설계로부터 결정된 OAC로 혼합물을 비빈 후 롤러다짐기로 공극률 4 ± 0.5%의 슬래브 공시체(305 mm × 305 mm × 62 mm)를 제조하였다. 몰드에서 탈형한 슬래브를 Fig. 2와 같이 170 mm 폭과 130 mm 폭 2쪽으로 절단하여 25°C 항온기에 24시간 양생 후 130 mm 공시체는 60°C(시험온도) 챔버에 3시간 이상 보관했다가 Fig. 3의 내부온도가 60°C로 유지되는 WT시험기로 침하깊이를 측정하였다. 170 mm 공시체에서는 Fig. 2에서와 같이 100 mm 직경의 코어 공시체를 3개 채취하여 SD측정에 사용하였다. 그리고 세 SD의 평균값과 WT 침하깊이(Rut depth: RD)를 회귀분석에 사용하였다. WT 시험기는 접지압 100 psi(700 kPa)로 설정된 축 하중 하에 왕복 40 cycle/min의 속도로 60분간 주행하여 주행회수에 따른 침하깊이를 측정하였다.

Fig. 2.

Three cores takedn from a slab for S_D and WT-tested part from the same slab specimen

Fig. 3.

Schematic illustration of WT test setting

2.2.3 간접인장강도와 마샬 안정도 시험

본 연구에서는 직경 100 mm 공시체로 간접인장강도(indirect tensile strength: ITS) 측정을 위해 안쪽이 직경 100 mm로 오목한 하중 스트립을 공시체 상하 중심에 대고 하중을 가하였다(Fig. 4). ITS는 공시체를 표준시험온도인 25°C 항온조에 4시간 넣었다가 꺼내어 신속히 50 mm/min 속도로 하중을 가하여 얻어진 최대 하중을 식 (2)에 넣어 구했다.

여기서 ITS = 간접인장강도 (MPa), P =최대하중(N), D =공시체 직경(mm), t=공시체 두께(mm)이다. 한 혼합물 당 3개 시험의 평균값을 표에 제시하였다.

마샬안정도(MS)는 최적아스팔트 함량으로 제조된 직경 100 mm 공시체로 측정하였다. 공시체는 변형강도와 같이 60°C 물에 30분간 수침 후 꺼내어 Fig. 5와 같은 안정도 홀더에 세워 넣고 수직하중을 50 mm/min로 가하여 최대하중(N)과 그때의 변위를 흐름(flow) 값을 0.1 mm 단위로 측정하였다. 한 혼합물 당 3개 시험의 평균값을 표에 제시하였다.

Fig. 4.

ITS test setting

Fig. 5.

Marshall test setting

3. 결과 및 고찰

Table 1은 다양한 폴리머 개질아스팔트를 사용한 밀입도(Dense)와 갭입도 (Gap) 혼합물에 대한 시험 결과이며 Table 2는 순환혼합물이다. 순환혼합물의 비빔 방법에는 일반(Normal) 방법과 단계적 비빔(stage mixing) 방법을 사용하였다. 일반비빔은 모든 재료를 다 넣고 동시에 1분간 비비는 일반적인 방법이며, 단계적 비빔은 국토부 기준의 방법으로 본 연구에서는 RAP과 신규바인더를 넣고 1차로 20초 비빈 후 신규골재를 넣고 2차로 40초 비비는 방법이다(MOLIT, 2021). Stage mixing방법에 의하면 노화바인더를 효과적으로 회생시켜 신규골재와 RAP 골재의 노화도가 고르게 되도록 한다(Kim et al., 2005a, 2006, 2007). 같은 혼합물에 대해 각각의 슬래브 공시체 1개와 100 mm 공시체 6개를 제조하였으며 슬래브는 Fig. 1과 같이 절단하여 WT와 S_D 측정에 사용하였고, 별도의 100 mm 공시체 6개는 ITS와 마샬안정도 측정에 사용하였다.

Fig. 6은 Table 1의 밀입도 (dense) 데이터를 이용하여 4가지 특성들 상호 간의 회귀분석을 수행한 것이다. Fig. 6(a), (b), (c)는 고온 특성간의 상관관계를 보여주며 SD의 증가에 따라 WT 침하깊이가 감소하며 결정계수(R²)가 두 골재 혼합물 모두에서 0.82 이상으로 우수하게 나타났다.

반면 마샬 안정도와 SD의 관계는 두 골재 혼합물 모두에서 R²이 0.2 이하로 상관성이 매우 낮게 나타났다. 즉, 변형강도가 높아지면 안정도도 높아지는 경향이 나타나긴 하지만 R²이 낮아 신뢰도가 낮다. WT와 안정도의 관계도 두 골재의 R² 평균이 0.2 이하로 상관성이 매우 낮아 안정도가 높은 혼합물이 소성변형에 강한 것이라고 판단하기 어려운 것으로 나타났다. 이는 변형강도가 높으면 WT에서 우수한 결과를 보여주는 것과 비교하면 안정도는 변별력이 크게 낮은 특성임을 보여준다. 따라서 배합설계에서 SD기준의 적용은 배합설계 단계에서부터 소성변형에 강한 혼합물을 선별할 수 있음을 보여주는 것이라 할 수 있다.

Fig. 6(d), (e), (f)는 상온(25°C)에서 측정한 균열저항 특성으로 알려진 ITS와 고온 특성성간의 관계 평가로 ITS와 SD, ITS와 안정도, 그리고 WT과 ITS의 상관관계를 보여준다. ITS와 SD의 관계를 보면 SD의 증가는 ITS 증가와 어느 정도 상관관계를 보이며, 두 골재 혼합물 평균 R2≒0.53으로 나타나 기존의 연구와 유사한 결과를 보임을 알 수 있었다(Kim et al., 2011b). ITS의 증감은 WT 침하깊이와 평균 R2≒0.57로 비교적 양호한 상관관계를 보이는 것을 알 수 있다. 이와 같이 ITS, WT, SD 세 가지 시험결과가 상호간에 어느 정도 양호한 상관관계를 보이는 것은 이 세 가지 특성이 모두 바인더 강성과 관련이 있기 때문인 것으로 판단된다(Kim et al., 2010). 바인더 강성이 높으면 아스팔트 혼합물은 균열에 강하지만 소성변형에도 강하게 되며, 취성이 극대화되는 극저온이나 열대지역 포장온도가 아닌 경우 이 현상은 사실이다.

하지만 안정도의 증감은 ITS와 평균 R2≒0.25로 상대적으로 낮아 안정도는 인장특성과도 상관관계가 낮게 나타났다. 안정도는 같은 고온에서 측정되는 WT이나 SD와 상관성이 낮음은 물론 ITS와도 상관성이 낮은 것을 보면 바인더 강성에 지배되는 특성이 아닌 것으로 판단된다. Fig. 6에서 보여 주었듯이 안정도는 3특성과 모두 상관관계가 낮아 이후 갭입도 실험에서 제외하였다.

Fig. 6.

Relationship of (a) rut depth vs. S_D, (b) ITS vs. S_D, (c) stability vs. S_D, (d) rut depth vs. stability, (e) ITS vs. stability and (f) rut depth vs. ITS for dense-graded mixtures

Fig. 7은 Table 1의 갭입도 (gap) 데이터를 이용하여 2가지 특성간의 상관관계를 확인하기 위하여 회귀분석을 수행한 것이다. Fig. 7(a)는 WT 침하깊이와 SD를 보여주며 두 골재 모두 R₂ > 0.91의 매우 높은 상관성을 보여준다. 이는 밀입도 혼합물보다 R₂이 약 0.1 포인트 더 높아 갭입도에서 두 특성 간에 상관관계가 더 높게 나타내는 것임을 보여준다. Fig. 7(b)와 (c)는 ITS와 SD, 그리고 WT와 ITS의 회귀분석 결과를 보여준다. ITS와 SD의 회귀분석에서 두 골재 평균 R2≒0.64로 양호하였고, WT와 ITS의 회귀분석에서도 R2≒0.68로 밀입도보다 더 높은 상관관계를 보였다.

Fig. 7.

Relationship of (a) rut depth vs. S_D, (b) ITS vs. S_D and (c) rut depth vs. ITS for gap-graded asphalt mixtures.

Fig. 8은 Table 2의 순환(recycled) 혼합물 데이터를 이용하여 3가지 특성 중 2특성 간의 회귀분석을 수행한 것이다. Fig. 8(a)는 고온 특성인 WT 침하깊이와 SD를 보여주며 두 골재 평균 R2≒0.86으로 높은 상관성을 보여준다. 이는 밀입도 혼합물과 갭입도의 중간정도의 R²으로 두 특성 간에는 모든 혼합물에서 상관관계가 높게 나타내는 것임을 보여준다. Fig. 8(b)와 (c)는 ITS와 SD, 그리고 WT와 ITS의 회귀분석 결과로 ITS와 SD의 회귀분석에서 두 골재 평균 R2≒0.6으로 양호하였고, WT와 ITS의 회귀분석에서도 R2≒0.83로 높은 상관관계를 보였다. 같은 밀입도라도 순환혼합물에서 더 높은 R²을 보이는 것은 순환혼합물의 강성이 신규혼합물보다 더 높기 때문이라 추정할 수 있다. 강성이 높은 혼합물은 고온의 WT과 SD는 물론 상온의 ITS도 우수하게 나타나기 때문이다.

Fig. 8.

Relationship of (a) rut depth vs. S_D, (b) ITS vs. S_D and (c) rut depth vs. ITS for recycled asphalt mixtures

Fig. 9는 Figs. 6, 7, 8에서의 마샬, SD, WT, ITS 시험치 간 골재별로 회귀분석을 통해 얻어진 R² 을 그림으로 나타내고 평균(mean)을 수치로 보여준다. 이를 통해 고온 시험 값인 WT과 S_D는 매우 우수한 (평균 R2≒0.9 [Fig. 9에서 (0.83+0.92+0.86)/3=0.90] 상관관계가 있어 기존의 연구들과 유사한 결과임을 알 수 있다(Doh et al., 2007; Kim et al., 2008, 2011a). 반면 인장균열 저항성을 나타내는 ITS와 SD는 평균 R2≒0.61 [Fig. 9에서 (0.53+0.69+0.60)/3=0.61]로 어느 정도 양호한 상관성이 나타났다. 하지만 SD로 ITS관련된 인장특성의 추정은 평가는 시험온도의 조정 등 향후 더보다 많은 연구가 필요하다. WT과 ITS도 평균 R2≒0.69 [Fig. 9에서 (0.57+0.68+0.83)/3=0.69]로 비교적 양호한 상관성을 보여준다.

이에 비해 같은 고온에서 측정한 특성치 이지만 마샬안정도와 SD, WT는 물론 ITS와의 상관성도 평균 R2≒0.20 [Fig. 9에서 (0.18+0.25 +0.17)/3=0.20]로 매우 낮게 나타나 변형이나 균열특성과의 상관성이 낮음을 보여준다. 즉, 안정도의 압축 재하방식은 윤하중의 재하메커니즘과 달라 공용특성인 소성변형이나 인장강도 등과 상관성이 낮아 개발 국인 미국에서 사용치 않는 원인이 된 것으로 사료된다. 따라서 안정도는 강성에 지배는 특성이 아닌 것으로 판단되며 공용성 평가시 변별력이 낮은 특성임을 보여준 것이다.

Fig. 9.

Comparison of R² for various regression analyses

4. 결 론

1) 아스팔트 포장 혼합물의 특성과 관련된 시험치인 WT, S_D, 마샬안정도, ITS는 시험방법이 달라 직접비교는 어려우나 회귀분석을 통해 본 연구의 시험온도인 25°C~60°C 범위에서는 마샬안정도를 제외하고는 상호간에 상당한 상관관계(R2=0.61~0.90)가 있음을 확인하였다.

2) 강도치는 아니지만 아스팔트 혼합물의 기준치로 사용되어온 마샬안정도는 소성변형 저항특성을 나타내는 WT 시험이나 SD와는 물론 ITS와도 상관성이 매우 낮아 (R2=0.17 ~ 0.25) 적용성이 낮음을 확인 하였고, 이를 통해 개발 국인 미국이 더 이상 사용하지 않는 이유를 나름대로 추정할 수 있었다.

3) 특히 SD와 WT시험 결과와의 상관성은 매우 밀접하게 (R2≒0.9) 나타나서 소성변형저항성 측정시험으로 널리 사용되나 상대적으로 복잡한 동적재하 시험인 WT 대신 간편한 변형강도 시험이 소성변형저항성 추정에 유용함을 보여주었다.

4) ITS와 WT (R2≒0.69) 그리고 ITS와 SD (R2≒0.61)도 비교적 양호한 상관성 보임이 확인되었다. 강성이 큰 아스팔트 혼합물은 소성변형에 강하고 인장에도 강하며, 취성이 극대화되는 극저온이나 열대지방 포장온도가 아닌 경우 이 현상은 사실임이 확인되었다. 즉, ITS 시험온도인 25°C는 아스팔트 취성 온도가 아니고 WT와 S_D시험온도인 60°C는 초고온은 아니므로 변형특성과 인장특성 간에 어느 정도 양호한 상관성이 보이는 것이라 할 수 있을 것이다.

5) 이상의 결과를 통해 국내 기후수준에서는 S_D로 WT대신 소성변형 저항성 판정과 ITS가 인장특성 판정에 효과적인 것으로 추정되나 마샬안정도는 어느 면으로도 유용성이 떨어짐을 확인 하였다. 하지만 본 연구는 한정된 재료에 근거한 것이므로 향후 보다 다양한 재료를 통해 확인 할 것을 제시한다.