1. 서 론
2. 재료 및 방법
2.1 사용재료
2.2 실험방법
3. 결과 및 고찰
3.1 RAP 함량에 따른 SMA 공시체 배합설계 결과
3.2 RAP 함량별 간접인장강도
3.3 소성변형 저항성 평가
4. 결 론
1. 서 론
독일에서 개발되어 아스팔트 포장 도로에 세계적으로 적용되고 있는 SMA(stone mastic asphalt)는 많은 양의 굵은골재를 사용함으로 생기는 큰 공극을 높은 함량의 아스팔트로 채우고 아스팔트의 흐름 손실(drain down)을 방지하기 위해서 섬유 첨가제를 사용하여 제조한다(Expressway construction specification, 2020). 견고한 골재골격 구조 및 골재-아스팔트 사이의 강한 결합력을 가지는 SMA는 널리 알려진 바와 같이 중차량 하중작용에도 소성변형 저항성이 우수하다. 더불어 SMA의 높은 아스팔트 함량으로 인해 수분 작용에 대한 저항성이 우수하여 국내의 고속국도 및 주요 간선도로에 적용하고 있다. 최근 들어 고속국도의 신설 또는 유지보수에 굵은골재 최대치수 13 mm 및 10 mm와 공용성 등급(PG) 76-22 개질아스팔트를 사용한 PSMA(polymer modified stone mastic asphalt) 혼합물이 주로 적용되고 있다.
한편 2020년 도로의 확･포장과 유지보수 공사로 인하여 발생하는 폐아스콘(reclaimed asphalt pavement: RAP)은 약 1,500만 톤/년(E-country indicator, 2022)이다. 골재와 아스팔트를 포함하는 RAP은 재활용이 100% 가능하며 지속순환 사용이 가능한 고급의 자원이다. 아스팔트 혼합물 제조에 RAP의 재활용은 세계적인 경향이며, 국내에서도 일반 밀입도(dense grade) 혼합물 제조에 RAP을 재활용한 순환아스팔트 혼합물 생산은 증가하는 추세에 있으나, 여전히 일본, 미국 등과 비교하면 재활용 비율은 낮은 편이다.
본 연구에서는 SMA 혼합물 제조에 RAP을 사용하여 RAP을 포함한 SMA 혼합물의 강도특성, 용적특성 및 공용특성을 평가하였다. 이를 수행하기 위해 혼합물 중량의 0%, 15%, 30% 비율로 RAP을 사용하여 배합설계를 수행하여 최적 아스팔트 함량(optimum asphalt content: OAC)을 결정하였다. OAC로 공시체를 제조하여 용적특성을 평가한 후 25°C에서 간접인장강도 시험(indirect tensile strength test: ITS), 60°C에서 변형강도 실험(deformation strength: SD)을 수행하여 RAP을 사용한 SMA 혼합물의 균열 및 소성변형 저항성을 실내실험을 통해 평가하였다.
2. 재료 및 방법
2.1 사용재료
2.1.1 아스팔트
본 연구에서 공용성 등급(performance grade) PG 64-22의 아스팔트를 사용하였다.
2.1.2 골재 및 채움재
SMA는 굵은골재 골격구조를 형성하여 차량의 하중을 지지하므로 골재의 품질이 매우 중요하며 아스팔트 혼합물 대부분을 차지하는 골재는 아스팔트 포장 내구성에 큰 영향을 미친다(Roberts et al., 1996). 본 연구에서 골재는 Georgia 주의 Atlanta 북부 지역의 화강암으로 12.5 mm, 9.5 mm, 4.75 mm 굵은골재와 2.36 mm 이하의 부순모래를 잔골재로 사용하였다(Fig. 1(a) and (b)). 채움재로 석회석 분말(limestone powder)을 사용하였으며, 소석회(hydrated lime)를 혼합물 중량의 1%를 사용하였다(Kim, 2015). 아래의 Table 1은 골재의 물리적 특성을 보여준다.
Table 1.
Property of aggregates
2.1.3 RAP(reclaimed asphalt pavement)
본 연구에서 사용된 RAP의 물리적 특성을 Table 2에 나타내었다. RAP은 0%(control), 15%, 30%를 각각 사용하여 신규 골재를 대체하였다. 연소시험 방법(AASHTO T308)으로 측정한 RAP의 아스팔트 함량은 5.8%이었고 SMA 혼합물 배합설계 시 75%를 유효아스팔트 함량으로 간주하여 RAP의 구재 아스팔트 함량은 4.35%를 적용하였다(GDOT SP-2, 2014).
Table 2.
Percent passing of RAP in this study
|
Sieve size (mm) | 20 | 12.5 | 9.5 | 4.75 | 2.36 | 1.18 | 0.6 | 0.3 | 0.15 | 0.08 |
| % Passing | 100 | 91.9 | 81.8 | 58.7 | 42.6 | 33.0 | 25.9 | 18.9 | 11.3 | 5.6 |
2.1.4 섬유 첨가제(cellulose fiber)
다지지 않은 SMA 혼합물의 흐름 손실(ASTM D6390)을 억제하기 위해서 셀룰로오스 섬유를 혼합물 중량의 0.3%를 사용하였다(Fig. 1(d)).
2.2 실험방법
2.2.1 배합설계
SMA 배합설계는 GDOT SOP2(standard operating procedure 2)에 따라 수행하였다. Fig. 2는 SMA 혼합물의 입도곡선을 나타내며, Table 3은 SMA 혼합물 품질기준이다.
Table 3.
Specification of SMA
2.2.2 간접인장강도 실험
본 연구에서 RAP이 포함된 SMA 혼합물의 균열 저항성을 평가하기 위해서 RAP 함량별(0, 15, 30%) 공시체를 제조하여 25°C에서 간접인장강도(indirect tensile strength: ITS, ASTM D6931) 실험을 수행하였다. 공시체 상부에 50 mm/min의 속도로 하중을 가하여 공시체 파괴 시 최대하중(N)과 그때의 변위(δ)를 측정하여 간접인장강도(ITS), 터프니스(toughness) 및 강성지수(stiffness index: SI)를 계산하였다.
2.2.3 변형강도 실험
본 연구에서 RAP 함량별(0, 15, 30%) SMA 혼합물의 소성변형 저항성을 평가하기 위해서 60°C에서 변형강도(deformation strength: SD, MOLIT, 2021) 실험을 수행하였다. 60°C를 유지하는 수조에 30분 동안 수침 후 꺼내어 분당 30 mm의 속도로 하중을 가하였다. 공시체가 파괴될 때의 최대하중(N)과 그때의 변형량(y)을 구하여 변형강도를 계산하였다(Kim et al., 2006; Baek et al., 2007; Kim et al., 2011; Doh et al., 2008; Park et al., 2008).
3. 결과 및 고찰
3.1 RAP 함량에 따른 SMA 공시체 배합설계 결과
배합설계 결과 Table 4와 같이 12.5 mm SMA의 OAC는 RAP 사용이 0, 15, 30%로 증가하면서 6.1, 6.3, 6.4% 증가하였다. RAP 사용량이 15%, 30%로 증가하면 RAP의 유효아스팔트 함량은 각각 0.65%, 1.31% 증가하여 증가한 유효아스팔트 함량만큼 신재 아스팔트 함량이 감소하므로 골재 피복과 포화도(VFA) 기준을 만족하기 위해 OAC가 증가한 것으로 판단된다. 공극률은 3.3~3.8% 사이로 나타나 기준을 만족하였다. RAP 사용량과는 무관하게 흐름 손실률(ASTM D6390)은 0.3% 이하를 나타냈다. RAP을 사용한 SMA와 일반 SMA는 유사한 밀도를 나타냈다.
Table 4.
Mix design results
3.2 RAP 함량별 간접인장강도
RAP 사용량에 따른 SMA 혼합물의 간접인장강도(ITS), 터프니스(Toughness), 강성지수(Stiffness index)를 측정하여 Table 5에 나타냈다. SMA 혼합물의 RAP 사용량에 따른 균열 저항성을 25°C에서 ITS와 터프니스를 측정하여 일반 SMA 혼합물과 비교하였다. RAP을 사용하지 않은 일반(control) SMA 혼합물 ITS는 0.574 MPa이고, RAP 사용량이 15%, 30%로 증가하면 0.753, 0.810 MPa로 일반 SMA와 비교하여 각각 31%, 42% 증가하였다. RAP에 포함된 노화된 아스팔트의 영향으로 인하여 SMA 혼합물 강성이 증가한 것으로 판단되었다.
ITS 실험결과 하중-변위 곡선 아래 면적으로 표현되는 터프니스(25°C ITS 시험결과 하중-변위 곡선 아래 면적으로 계산한 값=⅔P(최대하중, kN)･δ(최대하중 시 변위, mm))는 균열의 발생과 진전에 대한 저항성을 평가하는 유용한 인자로 높은 터프니스는 균열에 저항하는 능력이 우수하다(Kim et al., 2007; Kim et al., 2022). RAP을 사용하지 않은 일반 SMA 혼합물 터프니스 15.93 kN.mm에 RAP을 15%, 30% 사용하면 19.52, 21.11 kN.mm로 일반에 비교하여 각각 22.5%, 32.5% 높게 증가하였다. ITS와 유사한 경향을 보이며 높은 강도와 변위로 터프니스가 증가하였다. 또한, SMA 혼합물의 강성증가는 변형(rutting)에 대한 저항성을 증가시킨다. Table 5와 같이 RAP을 사용한 SMA 혼합물은 노화된 바인더의 영향으로 인하여 일반 SMA에 비하여 높은 하중에서 파괴가 발생하였다. RAP을 15%, 30% 사용한 SMA는 일반 SMA와 비교하여 각각 33.3%, 39.6% 증가하였다.
Table 5.
ITS test results of SMA mixture by RAP content
| Mix |
Nominal Maximum Agg. Size (mm) |
RAP (%) | ITS | ||
|
ITS (MPa) |
Toughness @25°C (kN/mm) |
Stiffness Index @25°C (kN/mm) | |||
| SMA | 12.5 | 0 | 0.574 | 15.93 | 1.77 |
| 15 | 0.753 | 19.52 | 2.36 | ||
| 30 | 0.810 | 21.11 | 2.47 | ||
3.3 소성변형 저항성 평가
RAP 사용량에 따른 SMA 혼합물 소성변형 저항성을 60°C에서 변형강도(SD)를 측정하여 비교하였다(Table 6). SMA 혼합물의 변형강도(SD)는 RAP 사용량이 증가함에 따라 증가하여 15%, 30% RAP을 사용한 SMA는 일반 SMA와 비교해 각각 1.8%, 6.7%의 미미하게 증가하였고 반면, 파괴에너지(60°C SD 시험결과 하중-변형 곡선 아래 면적으로 계산한 값=⅔P(최대하중, kN)･υ(최대하중 시 변위, mm))는 각각 2.2%, 8.7% 증가하였다. 이는 60°C 온도에서 변형에 대한 저항성이 증가한다고 판단할 수 있다. RAP 사용량 15%까지는 강성의 증가가 미미하게 나타났고(2.2%), RAP을 30% 사용한 경우 강성의 증가는 8.7%를 나타냈다. 이는 15%의 RAP을 사용한 경우 SMA 혼합물의 높은 아스팔트 함량으로 인한 신규 아스팔트가 노화된 RAP 바인더 일부를 회생시킨 것으로 판단되며, RAP을 30% 사용하는 경우 15%보다 회생효과가 감소하여 강성증가 폭이 큰 것으로 판단되었다.
4. 결 론
본 연구에서는 RAP을 15%, 30% 사용하여 SMA 혼합물을 제조하였다. 배합설계 후 결정된 OAC로 공시체를 제조하여 RAP이 포함된 SMA 혼합물의 용적특성, 소성변형 저항성, 균열 저항성을 평가하였다. RAP을 사용하지 않은 일반 SMA, 15%, 30% RAP을 각각 사용한 12.5 mm SMA 공시체의 25°C와 60°C 강도특성을 비교하였다. 그 결과는 다음과 같다.
1)RAP을 사용한 SMA 혼합물 배합설계 결과 RAP 사용이 증가하면 OAC가 증가하였고, 공극률 3.3~3.8% 범위로 기준을 만족하였다. RAP을 사용한 SMA와 일반 SMA는 0.3% 이하의 흐름 손실률과 유사한 밀도를 보였다.
2)25°C ITS 시험결과 RAP을 사용한 SMA는 일반 SMA와 비교하여 ITS, 터프니스, 강성지수 모두 증가하였고, RAP 사용량이 증가함에 따라서 증가하였다.
3)60°C SD 시험결과 RAP을 사용한 SMA 혼합물의 소성변형 저항성은 RAP을 사용하지 않은 일반 SMA와 비교하여 우수한 것으로 나타났다.
본 연구에서는 RAP을 30%까지 사용하여 굵은골재 최대치수 12.5 mm를 가지는 SMA 혼합물을 제조하고 용적특성 및 강도를 측정하였다. RAP에 포함된 노화된 바인더의 영향으로 SMA 혼합물의 강성이 증가하여 간접인장강도, 터프니스, 변형강도가 증가하여 균열 및 소성변형 저항성이 개선되는 경향을 나타냈다. 하지만, 이 결과는 오직 강도특성에 근거한 것이며 박리저항, 수분 저항, 피로 균열 저항 등에 대한 추가 검토가 필요하다.
