1. 서 론
2. 선행 연구사례 조사
3. 연구 수행 방법
3.1 순환골재 정보
3.2 실험 계획
4. 실험 결과
4.1 다짐방법에 따른 공시체 육안 관찰 결과
4.2 다짐방법 및 양생조건에 따른 체적 특성 변화 결과
4.3 다짐방법 및 양생조건에 따른 간접인장강도 결과
4.4 75회 마샬다짐과 동등한 선회다짐 횟수 추정 결과
5. 결 론
1. 서 론
국내 도로 포장은 약 95%가 아스팔트 포장으로 구성되어 있으며, 일반국도의 경우, 30년 이상의 아스팔트 포장이 약 50% 이상을 차지하고 있다. 현재, 도로포장 유지보수 예산 부족으로 아스팔트 포장의 노후화가 가속화되고 있으며 정부에서는 증가하는 노후 아스팔트 포장의 유지보수를 위한 최적의 유지보수 공법을 도입하는데 공감대를 가지고 있다. Table 1과 같이 미국이나 유럽 등 해외에서는 노후 아스팔트 포장을 효율적으로 유지보수하기 위해 노후 아스팔트 포장을 현장에서 재활용하여 시공하는 공법인 가열 현장 재활용 공법(HIR, Hot In-Place Recycling), 상온 현장 재활용 공법(CIR, Cold In-Place Recycling) 및 상온 현장 전단면 재활용 공법(FDR, Full-Depth Reclamation)을 적극적으로 활용하고 있다(ARRA, 2015). 특히, 상온 현장 재활용 공법은 시공과정에서 이산화탄소가 발생하지 않는 노후 아스팔트 포장의 유지보수 공사에 적용하는 사례가 급격하게 증가하고 있다. 현재, 상온 현장 재활용 공법은 유화 아스팔트와 기포 아스팔트를 사용하여 상온 현장 재활용 아스팔트 혼합물 생산 및 시공이 가능하다. 미국이나 유럽의 경우, 양생시간을 단축하기 위해 기포 아스팔트를 사용하는 상온 현장 재활용 공법을 많이 적용하고 있다.
Table 1.
Comparisons of in-place recycling methods for maintaining aged asphalt pavement
국내에서는 2024년에 상온 현장 재활용 공법을 노후 아스팔트 포장의 유지보수 공사에 적용하기 위해 전용 시공 장비를 처음으로 도입하여 시험 적용을 준비하고 있다. 하지만, 2024년 개정된 국토교통부 “아스팔트 콘크리트 포장 시공 지침”에는 플랜트 상온 재활용과 관련된 순환 상온 아스팔트 혼합물에 대한 배합설계 및 품질 기준만을 제시하고 있어 상온 현장 재활용 공법에 대한 기준 마련이 필요하다. 본 연구에서는 상온 현장 재활용 공법의 배합설계 변수 중에서 실내 다짐방법(마샬다짐방법, 선회다짐방법) 및 양생온도(40°C, 60°C)에 따른 상온 현장 재활용 기포 아스팔트 혼합물의 체적 특성 및 간접인장강도에 미치는 영향을 비교 평가하였다.
2. 선행 연구사례 조사
상온 현장 재활용 공법(CIR, Cold In-place Recycling)은 기존 아스팔트 포장을 현장에서 바로 재활용하여 보수하는 공법으로 노후 아스팔트 포장을 절삭하여 현장에서 100% 재활용이 가능하고 상온에서 시공이 가능하므로 환경친화성 측면에서 매우 우수한 공법이다. 일반적으로 상온 현장 재활용 공법은 소성변형 및 균열 제거, 산화된 아스팔트 포장의 복원, 종단구배 재조정 가능, 골재 입도 개선, 신규 골재 사용 최소화 및 포장 강도 향상 등의 목적으로 활용되고 있다(ARRA, 2015). Fig. 1과 같이 상온 현장 재활용 공법은 절삭장비, 아스팔트 탱크 차량, 물탱크 차량, 혼합 차량, 페이버 및 다짐장비 등으로 구성된 다수의 시공장비가 필요하다. 또한, Fig. 2와 같이 상온 현장 재활용 공법으로 재포장된 포장층은 교통량에 따라 표면처리 또는 가열 아스팔트 포장으로 덧씌우기를 실시해야 한다.
기포 아스팔트(Foamed Asphalt 또는 Bubble Asphalt) 기술은 아스팔트 바인더에 물을 주입하여 순간적으로 아스팔트를 거품 형태로 만들어 상온에서 기포 아스팔트와 순환골재를 혼합하여 사용하기 때문에 에너지 절감, 온실가스 저감 및 재활용 효과가 매우 높아 재활용 및 친환경 아스팔트 포장에 적용되고 있다(Kim and Lee, 2006). 많은 연구자들은 상온 현장 재활용 기포 아스팔트 혼합물의 공극 배열 및 역학적 특성이 다짐방법에 따라 차이가 발생하므로 적절한 다짐방법을 적용해야 한다고 보고하고 있다(Quick and Guthrie, 2011; Castillo and Caro, 2013). 일반적으로 마샬다짐방법으로 상온 현장 재활용 기포 아스팔트 혼합물을 제작하여 배합설계를 하고 있으나, 선회다짐방법으로 상온 현장 재활용 기포 아스팔트 혼합물을 제작하기도 한다. Brennen et al.(1983)은 선회다짐 20회와 마샬다짐 75회로 제작한 상온 현장 재활용 기포 아스팔트 혼합물의 안정도에 미치는 영향을 연구하였다. 선회다짐방법으로 제작된 공시체의 안정도 값이 마샬다짐방법으로 제작된 공시체의 안정도 값보다 2~3배 더 높은 것으로 나타났다. Murphy and Emery(1996)는 상온 현장 재활용 기포 아스팔트 혼합물은 선회다짐방법이 마샬다짐방법보다 높은 다짐밀도를 제공하는 것으로 나타났으며 선회다짐방법으로 제작된 공시체의 회복 탄성계수 값이 마샬다짐방법으로 제작된 공시체의 회복 탄성계수 값보다 낮은 것으로 보고하였다. 상온 현장 재활용 기포 아스팔트 혼합물에 대한 양생조건에 대한 많은 선행 연구가 수행되었다. Muthen(1999)은 60°C 오븐에서 3일 동안 양생하는 방법을 사용하였다. 반면, Ruckel et al.(1980)은 초기 양생은 40°C 오븐에서 1일, 장기 양생은 40°C 오븐에서 3일이 적절하다고 제안하였다. Castedo et al.(1983)는 상온 현장 재활용 기포 아스팔트 혼합물의 강도는 양생 시간이 증가할수록 증가하며, 특히 1일에서 3일 사이에 뚜렷한 증가가 있다고 보고하였다. Roberts et al.(1984)은 양생 환경이 간접인장강도에 미치는 영향을 연구하였으며, 건조상태에서 양생한 공시체의 간접인장강도가 습윤상태에서 양생한 공시체보다 약 2배 높은 것으로 보고하였다. 많은 연구자들은 상온 현장 재활용 아스팔트 혼합물을 다양한 양생조건에서 실험을 수행하였다. SABITA(1999)는 실험실에서 상온에서 24시간, 40°C 오븐에서 2일, 60°C 오븐에서 45시간에 대한 양생조건을 사용하였다. Lee et al.(2003)은 현장에서 여름철 낮에 기온을 모사하기 위해 60°C 오븐에서 6시간, 여름철 밤에 기온을 모사하기 위해 25°C 오븐에서 24시간 양생하는 조건을 사용하였다. Gandi et al.(2017)는 38°C 오븐에서 10일간 양생하는 조건으로 연구를 수행하였다. Apparao et al.(2019)는 높은온도에서 양생한 상온 재활용 아스팔트 혼합물은 더 높은 강도를 나타내는 경향이 있어, 현장에서 초기 양생 온도가 강도를 발현하는데 중요한 요인이라고 언급하였다.
3. 연구 수행 방법
3.1 순환골재 정보
본 연구를 수행하기 위해 2곳의 노후 아스팔트 포장의 유지보수 공사에서 절삭 시공장비를 통해 파쇄된 순환골재를 채취하여 채취하였다. 현장에서 절삭되는 순환골재의 입도를 그대로 유지하기 위해 채취한 순환골재의 수분을 제거하기 위해 오븐에서 고온으로 건저하지 않고 30°C 내외의 외부에서 30일 동안 자연 건조하였으며, 자연 건조된 순환골재의 최종 함수비는 0.1% 내외로 측정되었다. 채취한 순환골재 정보 및 입도시험 결과를 Table 2에 정리하였다. 13년 공용수명을 가지고 있는 순환골재와 30년 공용수명을 가지고 있는 순환골재를 사용하여 실내 다짐방법 및 양생조건에 따른 상온 현장 재활용 기포 아스팔트 혼합물의 강도에 미치는 영향을 평가하였다.
Table 2.
Performance year and sieve analysis results of two RAP sources
3.2 실험 계획
실험실에서 상온 현장 재활용 기포 아스팔트 혼합물을 혼합하기 위한 사용한 배합설계 조건을 Table 3에 정리한 것이다. 먼저, 독일 Wirtgen사에서 제작한 실험실용 기포 아스팔트 발생 장치를 이용하여 170°C 온도의 PG 52-34 아스팔트를 사용하여 기포 아스팔트 팽창비와 반감기를 측정하여 최적 기포 아스팔트 발생 함수량을 1.3%로 결정하였다. 현장에서 채취한 순환골재의 양이 제한되어 기포 아스팔트 함량별로 2개의 공시체를 제작하였다. 2가지 순환골재(13Y, 30Y)를 100% 각각 사용하고 실제 상온 현장 재활용 시공 현장에서 사용한 4.0%의 최적 함수량 조건을 적용하여 4개의 기포 아스팔트 함량(1.5%, 2.0%, 2.5%, 3.0%)별로 공시체를 제작하였다. 다짐조건으로는 75회 마샬다짐과 20회전, 30회전 50회전, 100회전 선회다짐회수로 공시체를 제작하였다. 마샬다짐방식과 선회다짐방식으로 각각 다져진 공시체는 40°C 오븐에 3일 및 60°C 오븐에서 2일 동안 각각 양생하였다. 40°C와 60°C 오븐 양생조건은 상온 현장 재활용 기포 아스팔츠 포장 시공이 여름철에 대부분 수행되고 실제 현장에서 약 1주에서 한 달 이상을 양생하는 기간을 고려하여 실험실에서 양생조건으로 선정하였다.
Table 3.
Mix design parameters of cold in-place recycling mixture with bubble asphalt
4. 실험 결과
4.1 다짐방법에 따른 공시체 육안 관찰 결과
Fig. 3은 75회 마샬다짐과 50회 선회다짐 직후 상온 현장 재활용 기포 아스팔트 혼합물 공시체의 표면을 보여주고 있다. Fig. 3에서 볼 수 있듯이, 타격식의 마샬다짐 공시체는 갈색을 나타내었으며 압력식의 선회다짐 공시체는 검정색을 나타내었다. 압력식의 선회다짐방식이 순환골재 사이에 기포 아스팔트를 압착(squeezing)시켜 접착력을 높여주는 효과가 타격방식의 마샬다짐 보다는 우수한 것으로 판단되었다.
4.2 다짐방법 및 양생조건에 따른 체적 특성 변화 결과
마샬다짐방식과 선회다짐방식으로 제작된 공시체의 높이와 무게를 측정하여 다짐밀도 계산하였으며 기포 아스팔트 함량별 이론최대밀도 시험을 각각 수행하여 공극율을 계산하는데 사용하였다. 마샬다짐방식과 선회다짐방식으로 제작된 공시체를 40°C 오븐에 3일 및 60°C 오븐에서 2일 동안 각각 양생 후, 측정한 다짐밀도와 공극율 결과를 Fig. 4와 Fig. 5에 나타내었다. 마샬다짐방법과 선회다짐방법으로 다짐하여 40°C 오븐에서 3일 동안 및 60°C 오븐에서 2일 동안 각각 양생한 상온 현장 재활용 기포 아스팔트 혼합물의 공시체는 기포 아스팔트 함량 증가에 따라 유사한 다짐밀도 및 공극율은 변화를 보여주었다. 하지만, 동일한 다짐방법과 양생조건에서 13년 노화된 순환골재를 사용한 상온 현장 재활용 기포 아스팔트 혼합물은 30년 노화된 순환골재를 사용한 상온 현장 재활용 기포 아스팔트 혼합물의 공극율보다 작게 나타나 상대적으로 노화가 심한 순환골재 순환골재를 사용할 경우, 기포 아스파트 함량이 증가할 것으로 예상된다. 75회 마샬다짐으로 다짐된 공시체는 30회~50회 선회다짐으로 다짐된 공시체와 유사한 다짐밀도 수준을 나타내었다. 반면, 75회 마샬다짐으로 다짐된 공시체의 공극률은 9.5%에서 10.8% 사이로 나타났으며 20회~50회 선회다짐으로 다짐된 공시체의 공극률이 12.8%에서 7.5% 사이로 나타났다.
4.3 다짐방법 및 양생조건에 따른 간접인장강도 결과
상온 현장 재활용 기포 아스팔트 혼합물은 실온(23°C)에서 다짐된 후, 40°C 오븐에서 3일간 및 60°C 오븐에서 2일간 양생하였다. 양생이 완료된 후 시편은 실온으로 24시간 보관하였다. Kim et al.(2007)은 상온 현장 재활용 기포 아스팔트 혼합물의 실내 배합설계절차에서 마샬안정도 측정방법 대신 다짐된 공시체를 25°C 수조에 20분간 수침 후 20 mmHg의 진공 상태에서 30분간 포화시킨 후 포화된 공시체를 수조에서 추가로 30분간 수침 후 간접인장강도를 측정하는 것을 제안하였다. 본 연구에서도 상온 현장 재활용 기포 아스팔트 혼합물의 공시체를 포화시켜 습윤처리 한 후, 간접인장강도를 측정하였다. 마샬다짐방식과 선회다짐방식으로 제작하여 양생이 완료된 공시체를 습윤 포화시켜 측정한 간접인장강도 시험결과를 Fig. 6에 나타내었다. Fig. 6에서 알 수 있듯이 거품 아스팔트 함량이 2.5%일 때 가장 높은 간접인장강도가 측정되었으며 거품 아스팔트 함량이 2.5%~3.0%일 때 일정한 수준에 간접인장강도를 제공하는 것으로 나타났다. 60°C 오븐에서 2일 동안 양생한 공시체는 40°C 오븐에서 3일 동안 양생한 공시체보다 높은 간접인장강도를 나타내었다. 제한된 상온 현장 재활용 기포 아스팔트 혼합물 공시체에 대한 간접인장강도 결과에 의하면 양생시간과 양생온도는 상온 현장 재활용 기포 아스팔트 혼합물의 간접인장강도 발현에 큰 영향을 미치는 것으로 나타났다. 높은 온도에서 양생된 상온 현장 재활용 기포 아스팔트 혼합물의 강도 발현이 빠르게 도달할 것으로 판단된다. 하지만 양생온도에 관계없이 양생시간이 길어기지면 간접인장강도는 증가할 것으로 판단된다.
4.4 75회 마샬다짐과 동등한 선회다짐 횟수 추정 결과
75회 마샬다짐한 상온 현장 재활용 기포 아스팔트 혼합물과 50회 선회다짐한 상온 현장 재활용 기포 아스팔트 혼합물의 다짐밀도 및 공극율간의 상관관계를 분석하였다. 2.0%, 2.5%, 3.0%의 기포 아스팔트 함량별 75회 마샬다짐한 상온 현장 재활용 기포 아스팔트 혼합물에 각각의 공시체별 다짐밀도 및 공극율과 동등한 수준의 최소 및 최대 선회다짐 횟수 범위를 Table 4에 정리하였다.
Table 4.
Estimated number of gyrations equivalent to 75-blow Marshall compaction
Fig. 7에서 알 수 있듯이, 13년 노화된 순화골재를 사용할 경우, 75회 마샬다짐한 공시체의 동등한 수준의 다짐밀도와 공극율을 확보하기 위해서는 2.0% 기포 아스팔트 함량에서는 23~41 선회다짐, 2.5% 기포 아스팔트 함량에서는 31~37 선회다짐, 3.0% 기포 아스팔트 함량에서는 26~34 선화다짐이 필요한 것으로 나타났다. Fig. 8에서 알 수 있듯이, 30년 노화된 순환골재를 사용할 경우, 75회 마샬다짐한 공시체의 동등한 수준의 다짐밀도와 공극율을 확보하기 위해서는 2.0% 기포 아스팔트 함량에서는 15~28 선회다짐, 2.5% 기포 아스팔트 함량에서는 20-25 선회다짐, 3.0% 기포 아스팔트 함량에서는 19~25 선화다짐이 필요한 것으로 나타났다. 노화가 심한 순환골재를 사용한 상온 현장 재활용 기포 아스팔트 혼합물은 75회 마샬다짐한 공시체의 동등한 수준의 다짐밀도 및 공극율를 확보하기 위해서는 더 많은 선회다짐 횟수가 필요한 것으로 나타났다. 전체 기포 아스팔트 함량 범위내에서 75회 마샬다짐한 상온 현장 재활용 기포 아스팔트 혼합물의 동등한 수준의 다짐밀도와 공극율을 확보하기 위해서는 23~43의 선회다짐 횟수가 필요한 것으로 추정되었다. 본 연구에서는 매우 제한된 실험결과만을 분석하였으므로 75회 마샬다짐방법으로 다짐된 상온 현장 재활용 기포 아스팔트 혼합물 공시체와 동등한 수준의 선회다짐 회수는 다양한 순환골재를 사용하여 추가 시험을 수행하여 75회 마샬다짐과 동등한 선회다짐 회수는 최종적으로 결정되어야 할 것으로 판단된다.
5. 결 론
본 연구는 상온 현장 재활용 기포 아스팔트 혼합물이 다짐방법과 양생조건에 다짐밀도, 공극율 및 간접인장강도에 미치는 영향을 평가 분석하였으며, 실내 시험결과를 다음과 같이 요약하였다.
1) 마샬다짐방법과 선화다짐방법으로 상온 현장 재활용 기포 아스팔트 혼합물을 다짐한 공시체의 다짐밀도 및 공극율은 동일한 경향을 나타내었으며 선회다짐방법으로 다져진 공시체의 다짐밀도 및 공극율의 오차가 마샬다짐방법으로 다져진 공시체보다 상대적으로 낮은 것으로 나타났다.
2) 동일한 기포 아스팔트 함량에서 60°C 오븐에서 3일 동안 양생된 상온 현장 재활용 기포 아스팔트 혼합물의 간접인장강도는 40°C 오븐에서 2일 동안 양생된 상온 현장 재활용 기포 아스팔트 혼합물의 간접인장강도 보다 높게 측정되었다. 이는 양생 초기 단계에서 높은 온도 조건이 상온 현장 재활용 기포 아스팔트 혼합물의 강도를 향상시켜주는 것으로 판단된다.
3) 동일한 기포 아스팔트 함량에서 양생조건과 관계없이 노화가 심한 순환골재를 사용한 상온 현장 재활용 기포 아스팔트 혼합물의 간접인장강도가 크게 나타나, 상온 현장 재활용 기포 아스팔트 혼합물의 간접인장강도는 순환골재의 노화 정도에 영향을 받는 것으로 판단된다.
4) 상온 현장 재활용 기포 아스팔트 혼합물을 75회 마샬다짐으로 제작한 공시체의 다짐밀도 및 공극율을 확보하기 위해서는 23~43의 선회다짐 횟수가 필요한 것으로 추정되었다. 순환골재의 종류 및 입도, 기포 아스팔트 함량에 대한 추가 연구를 통해 최적의 선회다짐 회수를 결정해야 할 것으로 판단된다.
5) 상온 플랜트 재활용 혼합물과 달리 상온 현장 재활용 기포 아스팔트 혼합물의 체적 특성 및 간접인장강도는 배합설계 변수인 다짐방법 및 양생조건에 영향을 받는 것으로 나타났다. 따라서, 상온 현장 재활용 기포 아스팔트 혼합물의 배합설계 변수를 선정하기 위한 연구가 지속적으로 수행되어져야 할 것으로 판단된다.
