1. 서 론
2. 재료 및 방법
2.1 사용재료
2.2 배합설계
2.3 변형강도 시험
2.4 APA 시험
3. 결과 및 고찰
3.1 배합설계
3.2 변형강도 시험 결과
3.3 APA 시험결과
3.4 상관분석
4. 결 론
1. 서 론
아스팔트 포장은 각종 폴리머 첨가제(polymer modifiers)의 사용으로 품질의 변화가 이루어지고 있으며, 기능면에서도 단순포장에 의한 승차감 향상기능 뿐만 아니라 고 마찰(high friction), 저소음(low noise) 등의 기능이 향상된 포장의 개발도 이루어지고 있다. 국내에서 널리 적용이 시도되고 있는 배수성 아스팔트 포장은 기존의 밀입도 표층아스팔트 포장의 불투층을 투수성(permeable)으로 개선하고 높은 공극으로의 소음 흡수를 통한 저소음 기능과 고 마찰기능으로도 활용하고 있다.
국내에서의 이러한 배수성 포장은 높은 공극 상태로 표층에서의 구조적 기능(structural function)을 유지해야 하므로 공용성(serviceability) 유지에 어려움을 겪고 있다. 왜냐하면 국내의 경우 허용 축 하중(axle load) 기준이 미국과 같이 8.2 ton이므로 포장에 가해지는 윤하중 압력을 공극률 20% 전후의 배수성 포장체가 표층에서 받아내기에 어려움이 크기 때문이다. 반면에 일본의 경우 허용 축 하중 기준이 우리나라의 절반인 4.1 ton이어서 표층에서 포장에 가해지는 윤하중 압력이 약 5% 수준으로 낮아 배수성포장 공용성이 상대적으로 잘 유지되고 있다. 이 수치는 AASHTO(American association of state highways and transportation officials) 설계법에서 포장에 가해지는 윤하중 압력 계산식 = 0.054으로 계산된 값이다(AASHTO, 1993). 게다가 일본 대부분의 지역보다 우리나라 서울 등 중부지방을 기준으로 볼 경우 동절기 -10°C 이하의 기온 강하가 빈번하여 동결-융해로 인한 포장체의 와해와 과적차량 등의 주행도 일본에 비해 배수성포장의 공용수명이 빨리 단축되게 하는 이유이기도 하다.
이에 비해 미국의 경우 우리가 원하는 배수성, 고 마찰, 저소음 기능을 개립마찰포장 층(open-graded friction course: OGFC)을 표층위에 얇게(25 mm 두께) 마모층(wearing course)으로 적용하여 활용하고 있다. 기존의 밀입도 표층 위에 1인치 두께로 얇게 포설되는 OGFC 층은 기능성 마모층으로 3~5년의 수명을 유지하고 구조적 기능은 하부의 표층에서 한다(CALTRANS, 2020). 따라서 배수기능과 마찰 및 저소음 기능은 표면부의 얇은 기능성 마모층이 하고 8.2 t의 축 하중 압력을 지지하는 구조적 기능은 표층, 기층 및 보조기층 등이 그대로 수행하는 장점이 있다.
따라서 이러한 OGFC 포장을 국내에 도입하는 것이 권장할 만한 사항으로 보고 있으나 국내에서는 아직 적용이 시도되지 않고 있는 실정이다. 하지만 이의 도입은 국내에서 여러 가지 장점이 있을 것이다. 그중 가장 중요한 것은 기존 포장에 적용할 경우 기존 표층을 절삭 제거하고 50 mm 두께의 배수성 포장층을 구조 층으로 적용하는 문제의 해결이다. 구조적 기능을 다공성 포장이 해야 하므로 파손이 빠른 것에 비하여, 시공 시 표층을 그대로 두고 얇게 마모층을 포설하는 OGFC가 구조적, 경제적인 면에서 장점이 크다. 이는 스쿨존 등의 마찰포장과 같이 마모층이나 수명은 3년이므로 비교적 양호하고 하부 표층을 보호하여 기존포장 수명은 증가시키고, 파손 시 마모층만 재포장하는 장점도 있다. 따라서 국내에서 고가의 비용으로 구조적 기능을 유지해야 하는 표층으로 적용되는 두꺼운 배수성포장의 단점을 개선하는 효과가 클 것이다.
특히 이를 시가지도로 및 지방도 등에 적용할 경우 표층 제거 없이 얇게 포설이 가능하므로 시공성과 경제성이 좋다. 그리고 강우시의 수막현상 방지로 표면 마찰저항성 향상, 물 분사(sprinkle) 현상 감소, 시가지 야간 운행시 상대차량에 의한 바닥 조명등 빛 반사 감소에 의한 시인성 향상과 함께 소음 감소 등의 효과가 크다. 이에 본 연구의 목적은 OGFC를 국내에 적용할 경우 의문시될 것으로 예상되는 소성변형 저항성을 평가하기 위한 것이다. 이를 위해 변형강도(strength against deformation: SD)와 아스팔트 포장분석기(asphalt pavement analyser: APA) 시험을 수행하여 비교 평가하였다.
2. 재료 및 방법
2.1 사용재료
본 연구에서는 PG64-22 등급의 일반 아스팔트를 기본 아스팔트로 사용하였다. 습식혼합 (wet mixing)용 개질재로는 폐타이어분말인 CRM(crumb rubber modifier) 12%와 건식혼합(dry mixing) 용으로 널리 사용된 저밀도폴리에틸레인(low-density polyethylene: LDPE) 6%를 개질제로 사용하여 각각 PG76-22등급의 바인더가 되도록 하였다. 그리고 SBS(styrene-butadiene-styrene)를 개질재로 사용하여 PG76-22로 상용화된 개질아스팔트 (첨가비율 미지) 한 종류 사용하였다.
사용되는 골재의 입도나 품질은 아스팔트 혼합물의 특성에 영향을 미치는 중요한 요소이며 OGFC와 같이 공극률이 높은 특수 혼합물의 경우는 더욱 그렇다. 따라서 골재가 우수하고 강도가 높은 편마암 굵은골재와 잔골재로 같은 곳에서 생산된 Screenings를 사용하였다. 굵은골재 최대치수는 10 mm, 13 mm 두 종류를 사용하였다. 한편 입도기준은 국내에 없어서 실제로 OGFC를 널리 사용하고 있는 미국 South Carolina(SC)주 도로교통국(South Carolina Department of Transportation: SCDOT)의 기준(SCDOT, 2000)에 맞도록 Table 1과 같이 입도를 조정하여 사용하였다.
Table 1.
Gradation of aggregates for OGFC
| Sieve | OGFC limit (%) |
Designed gradation (10 mm) |
Designed gradation (13 mm) | |
| lower | upper | |||
| 20 mm | 100 | 100 | 100 | 100 |
| 13 mm | 85 | 100 | 100 | 89 |
| 10 mm | 55 | 75 | 72 | 72 |
| #4 | 15 | 25 | 18 | 18 |
| $8 | 5 | 10 | 7 | 7 |
| #200 | 2 | 4 | 2.56 | 2.56 |
2.2 배합설계
OGFC 아스팔트 혼합물의 배합설계는 미국 SCDOT 규정에 따라 수행하였다. 두 입도 혼합물을 각 바인더별로 아스팔트 함량 5.5%~7.0%까지 0.5%씩 변화시켜가며 Paddle 믹서로 175°C에서 1분간 혼합 후 각 혼합물을 Pyrex glass(지름 200~230 mm 유리접시) 6개에 나누어 담았다. 그리고 이를 173°C 오븐에 1시간 넣어 둔 후에 꺼내어 접시의 밑면을 육안으로 관찰하여 아스팔트 함량의 적정성을 확인 하는 방법을 사용하였다(SCDOT, 2000). 이 방법은 아스팔트 바인더가 바닥에 흘러내린 침강 양(drain down)이 적절한지를 경험적으로 판정하여 선정하는 것이다.
이렇게 결정된 최적아스팔트 함량(optimum asphalt content: OAC)으로 혼합물을 제조한 후 침강손실(drain down loss)을 계량으로 실측하여 손실률이 0.3% 이하인지를 확인하고 필요시 조정하였다. 이는 OAC로 배수성 혼합물 공시체를 제조하여 안정도나 변형강도 또는 칸타블로 손실률 등을 확인하는 국내와는 다른 방식이다. 그리고 공극률 확인을 위하여 선회다짐기(gyratory compactor)로 지름 100 mm 공시체를 100회 다짐으로 3개 제조하여 공극률 기준인 16%~18% 만족하는 지를 Corelock 장비를 사용하여 확인하였다.
2.3 변형강도 시험
변형강도(SD)는 아스팔트 혼합물의 고온 내변형 특성 측정치로 개발되어 정하중에 의해 측정되는 강도치 임에도 동적하중에 의한 소성변형 측정시험치인 wheel tracking 시험 결과, APA시험, 그리고 동적 크리프시험 결과와도 상관성이 높게 나타난다. 또한 바인더의 절대점도 및 고온 강성()과도 상관성이 높으며 실제도로의 소성변형 깊이와도 상관성이 높은 것으로 확인되었다(Kim et al., 2004, 2005; Doh et al., 2007; Kim et al., 2011a; Bibek et al., 2020).
변형강도는 아스팔트 혼합물의 소성변형 저항성과 상관성이 높은 것으로 알려져 있으며 국토교통부 배합설계기준에 맞도록 지름 100 mm, 두께 63 mm 공시체로 시험을 수행하였다(MOLIT, 2015). OGFC 혼합물을 비빈 후 170°C 오븐에서 1시간 단기노화(short-term aging) 후 공시체를 제조하여 1일 후 물성을 측정하고 SD를 측정하였다. 변형강도 시험 방법을 Kim test라 하며 방법은 Fig. 1(a)와 같이 공시체를 60°C 항온수조에서 30분간 수침 후 꺼내어 신속히 Fig. 1(b)와 같이 Kim Test 어셈블리에 넣고 30 mm/min의 속도로 수직하중을 가하였다. 시험에서 얻어지는 하중-변형 곡선(Fig. 1(c)의 P-y curve)에서 최대 하중(P)과 이때 표면으로부터 눌려 들어간 수직변형(y)을 읽어 식 (1)로 SD를 계산하였으며, 한 혼합물 당 3개 SD 시험의 평균값을 분석에 사용하였다.
여기서 SD = 변형강도 (MPa), P = 최대하중(N), y = 최대하중에서의 수직 변형 값(mm)이다.
2.4 APA 시험
APA(asphalt pavement analyser) 시험은 wheel tracking 시험과 유사하게 아스팔트 혼합물의 소성변형 저항성을 평가하기 위하여 미국 South Corolina(SC) 등 미국의 여러 주에서 사용하는 시험 방법이다. 이 시험의 장점은 아스팔트 혼합물의 시험체 제조에 wheel tracking의 슬래브와 같은 공시체가 아니라 선회다짐기로 제조된 150 mm 원형공시체 두 개를 몰드에 붙여놓고 사용하여 별도의 공시체 제조 장치가 필요 없다는 점이다. 그리고 초기에는 본 실험에 사용된 것과 같은 3개조를 동시에 시험하는 것에서 최근에는 2개 조를 사용하는 것도 사용된다.
본 연구에 사용된 시험기의 외형은 Fig. 2(a)와 같으며 선회다짐기로 제조된 150 mm 공시체 6개를 2개씩 세줄 한조로 Fig. 2(b)와 같이 배열하여 몰드에 놓고 시험하였다. 공시체 위에는 100 psi 압력의 공기를 주입한 지름 30 mm 고무호스를 궤도로 이용하여 690 kpa의 압력을 가하는 골이 패인 강재바퀴가 왕복 주행한다. 주행속도는 1.0 Hz이며 총 140분간 8,400 cycle을 주행 후 Fig. 2(c)와 같이 침하된 깊이를 측정하여 혼합물의 소성변형 저항성을 평가한다(SCDOT, 2000; Skoke et al., 2002). APA 시험온도는 64°C를 표준온도로 하며 필요시 조정이 가능하다. 본 연구 실험은 미국 SC주 Clemson대학교 실험실의 APA시험기로 수행하였다. 시험 전 공시체를 시험온도에서 4시간 이상 안정화 시킨 후 수행하였다.
미국 SC 주의 경우에 일반도로(2nd class highway) 표층용 밀입도 포장의 APA 침하깊이 허용 기준은 5 mm이며, 고속도로 등 중 차량도로(1st class highway)는 3mm를 기준으로 한다. SC주가 관리하는 도로의 포장 사업을 시행할 경우 해당 공사의 포장시공업체가 선정되면 해당기업의 엔지니어는 사용될 혼합물의 배합설계를 통해 OAC를 결정한다. 그리고 엔지니어는 사용될 재료를 모두 가지고 SCDOT 실험실로 방문하고 거기서 OAC로 공시체를 제조하고 주 도로국 담당자 관리 하에 APA 시험을 시행한다. 그 결과가 상기 기준인 3 mm 또는 5 mm 이하에 합격하면 해당 배합설계는 그대로 사용토록 허용된다. 불합격의 경우 엔지니어는 배합설계를 조정하여 OAC를 결정하고 APA 시험을 통해 평가를 받는 엄격한 과정을 거친다(SCDOT, 2000).
3. 결과 및 고찰
3.1 배합설계
본 연구에서 사용된 굵은골재 최대치수 10 mm와 13 mm OGFC 혼합물의 배합설계 결과는 Table 2와 같다. 혼합물의 OAC는 5.9%~7.2%였고, 공극률은 16.2%~17.3%로 나타났다. 또한 침강 손실률은 모두 0.3%이하를 만족하는 것으로 확인되었다. 앞서 언급하였듯이 배합설계된 OGFC 혼합물에 대한 안정도나, 칸타브로 손실 등에 대한 기준이 SC주에는 없다.
Table 2.
Mix-design results for OGFC mixtures
3.2 변형강도 시험 결과
본 연구에서 사용된 OGFC 혼합물에 대한 안정도나 소성변형에 대한 평가 기준이 SC 주에는 없으나 본 연구에서는 국내 적용시에 대비하여 변형강도 시험을 수행하였다. OGFC 혼합물로만 변형강도 시험을 수행시 공극률이 매우 높아 하중에 의한 변형이 지속적으로 일어나므로 인해 Fig. 3과 같은 변형이 수평으로 진행되어 Fig. 1(c)에서와 같은 P-y곡선의 정점을 찾는데 어려움이 있었다. 이를 해결하기 위하여 Fig. 4와 같이 선회다짐기로 제조된 OGFC 공시체를 실제포장에서의 두께인 25 mm로 절삭하여 38 mm로 절삭된 밀입도(dense) 공시체상단에 표준 택코팅으로 부착하여 63 mm 두께의 공시체를 만들고 OGFC상단에 하중을 가하였다. 이렇게 제조된 공시체는 밀입도와 같은 선명한 피크는 아니나 비교적 양호한 P-y곡선을 보였다. 하지만 일부 공시체는 상단에 부착된 OGFC가 재하시 약간 밀려나와 측정이 제대로 되지 못했는데 이는 절삭시 손상이 원인인 것으로 판단되었다.
Fig. 5는 각 혼합물별 SD 평균을 보여준다. 사용된 바인더의 PG등급은 모두 76-22이나 같은 등급 밀입도 혼합물의 국토부 기준 4.25 MPa에 비하면 낮은 것으로 나타났다. 이는 공극률 기준이 4%인 밀입도 혼합물에 비해 공극률이 4배 이상 큰 OGFC 혼합물이므로 당연한 결과로 여겨진다. 특히 곡선의 피크가 곡선 초기에 선명하게 만들어지면 y값이 작아 식 (1)로 계산시 같은 P이면 SD 값이 크지만 OGFC에서는 상대적으로 y가 다소 커서 SD가 낮은 원인도 있다. 폴리머 별로 보면 SBS가 상대적으로 가장 낮고 LDPE가 높으며 CRM이 중간이었다. 향후 OGFC 같은 공극률이 높은 공시체의 변형강도 시험의 경우는 별도의 수단을 마련하는 연구가 필요해 보인다.
3.3 APA 시험결과
Fig. 6는 OGFC 혼합물의 APA시험 결과이다. 바인더가 모두 76-22이고 혼합물이 밀입도라면 미국 SC주의 APA 기준인 3 mm 이하를 만족해야 한다. 하지만 앞서 언급하였듯이 OGFC 공시체의 공극률은 밀입도에 비해 4배나 높아 같은 기준의 적용은 무리가 있어 보인다. 그럼에도 모든 혼합물이 5 mm 이하의 rut depth를 보였고, LDPE의 경우는 1 mm대로 매우 낮아 소성변형에 매우 강할 것임을 보여주며, CRM과 SBS 개질 혼합물도 3~4 mm대로 양호한 결과를 보여주었다. 그리고 골재 치수에 따라서는 APA시험은 물론 앞서 분석한 SD 시험에서도 거의 차이를 보이지 않았다.
3.4 상관분석
본 연구에 사용된 OGFC 혼합물들의 SD 데이터와 APA rut depth 데이터의 회귀분석을 수행한 결과 R2 = 0.8165로 비교적 높은 상관관계가 있음을 알 수 있었다(Fig. 7). 기존의 밀입도 혼합물에서 SD 데이터와 APA rut depth 데이터 간에 R2은 0.78로부터 0.89까지 나타났다(Kim et al., 2004b, 2011; Bibek et al., 2020; Kim, 2020). 이와 비교할 경우 OGFC 혼합물도 R2 수준에서 크게 차이가 나지 않으므로 변형강도를 통해 OGFC 혼합물의 소성변형 저항성 추정이 가능 할 것으로 판단된다. 하지만 OGFC 혼합물의 SD 측정 방법에 대한 보다 체계적인 연구가 필요함은 주지의 사실이다.
4. 결 론
본 연구에서는 OGFC 아스팔트 혼합물의 소성변형 저항성 평가를 위해 변형강도(SD)와 APA rut depth를 2가지 골재와 3가지 개질혼합물을 이용하여 측정하고 비교 분석을 통해 다음과 같은 결론을 도출하였다.
1) SD시험결과 LDPE, CRM, SBS 혼합물은 각각 평균 4.2 MPa, 3.6 MPa, 2.7 MPa의 변형강도를 보였다. 또한 APA 시험에서도 SD와 유사한 경향으로 LDPE, CRM, SBS 순으로 1.35 mm, 3.5 mm, 4.2 mm의 평균 침하깊이가 얻어졌다.
2) 비록 변형강도 최고치가 국내 중 차량 도로에 적용되는 국토부 밀입도 개질아스팔트 혼합물 기준인 4.25 MPa 보다는 약간 낮았으나 APA에서는 LDPE 혼합물의 경우 매우 낮은 침하깊이를 보여 재료별 차이가 큰 것을 알 수 있었다.
3) OGFC는 밀입도 공시체에 비해 공극률이 4배 이상 높아 밀입도 기준을 그대로 적용하는 것은 무리가 있어 보이며 향후 별도의 기준마련이 필요하다. 또한 APA 침하깊이와 변형강도의 회귀분석 결과 R2 > 0.81로 높은 상관성을 보여 향후 심도 있는 연구를 통해 변형강도로 OGFC 혼합물의 소성변형 저항성 추정이 가능할 것으로 보인다.
4) 본 연구에서는 한정된 재료를 사용하고 국내에서 적용치 않는 미국의 APA 시험과 기준을 이용한 연구결과이므로 보다 일반화된 결론 도출을 위해서 향후 보다 다양한 재료와 wheel tracking 등의 시험이 수반된 연구가 필요할 것으로 사료된다.
