1. 서 론
해외에서는 기후변화에 대한 관심으로 저탄소를 위한 많은 노력들이 포장분야에서도 진행되고 있다. 일본은 1990년대 후반부터 20°C 낮은 저탄소 구스아스팔트 포장으로 바뀌었다. 독일을 포함한 유럽은 1990년대 초반부터 20°C 낮은 저탄소 구스아스팔트 포장을 사용하고 있으며, 현재는 40-80°C 더 낮은 구스아스팔트 포장공법을 개발하고 있다. 국내에서는 1997년 구스아스팔트포장 공법이 도입된 이후에 많은 연구개발로 2010년도에 20°C 낮은 저탄소 구스아스팔트포장 공법을 실용화 하였지만 발주처의 인센티브가 없어서 기존의 구스아스팔트 공법보다 시공실적이 적다. 세계 각국에서는 기후 변화를 위기로 인식하고 탄소제로 정책 및 계획을 실현하고 있다. 2021년 우리 정부도 탄소제로를 위한 계획을 제시하였다. 그러나 현시점에서는 발주처가 저탄소 포장공법에 대한 선택을 하지 않고 있는 것이 현실이다. 본 연구는 2010년부터 상용화된 국내의 2세대 프리믹스(pre mix) 방식의 저탄소 구스아스팔트포장과 TLA(Trinidad lake asphalt)를 사용하는 플랜트 믹스(plant mix)방식의 1세대 및 2세대 구스아스팔트포장의 바인더, 생산, 운반, 포장, 온도 등을 비교 분석하고, 시공된 현장의 혼합물 시험결과 자료들을 조사 및 분석하였다.
2. 저탄소 구스아스팔트포장
2.1 재료의 특성
구스아스팔트 바인더를 구성하는 물질에 따라서 크게 1세대와 2세대로 구분하고 있다. 1세대와 2세대를 구분하는 것은 기초아스팔트(origin asphalt binder)로 경질아스팔트(hard asphalt binder)를 사용하는지 아니면 기초아스팔트로 개질아스팔트(modify asphalt)를 사용하는 가에 따라서 구분하고 있다. 또한 구스바인더에 첨가되는 천연아스팔트(natural asphalt) 및 첨가제 등을 아스팔트 플랜트에서 투입하는 경우를 플랜트 믹스라고 하며, 아스팔트 화학공장에서 첨가제(천연아스팔트 등)를 바인더에 첨가하여 구스아스팔트 바인더를 생산한 경우에는 프리믹스라고 한다.
1세대 구스아스파트바인더는 기초아스팔트바인더가 Fig. 1과 같은 경질아스팔트바인더로 되어있으며 Fig. 2와 같은 천연아스팔트의 한 종류인 정제된 TLA를 첨가하여 구스아스팔트를 플랜트 믹스방식으로 생산하고 있다. 이것의 성분들은 Table 1과 같다. 1세대 구스아스팔트는 경질아스팔트 바인더 함량과 정제된 TLA의 함량의 비율을 75:25를 사용하지만 중교통량의 경우 50:50까지 사용하고 있다. 2세대 구스아스팔트가 만들어지게 된 원인중의 하나는 TLA의 불용분 함량의 늘어남에 따라 변동성이 커지고 구스아스팔트 혼합물의 유동성이 떨어지게 되어 아스팔트 함량(경질아스팔트 + 천연아스팔트)이 증가되는 배합설계를 하게 되는데 Fig. 2와 같이 덩어리로 된 정재된 TLA의 불용분의 함량이 다르기 때문에 혼합물을 적재한 쿠커(cooker)마다 유동성이 달라지는 문제점이 발생하는데 있다. 즉 1개 배치(bath)마다 전체 아스팔트의 함량이 달라지게 된다. 특히, TLA의 불용분 함량 높아서 녹여서 프리믹스방식으로 구스아스팔트 바인더를 만들어서 저장탱크에 보온 저장할 경우에 생산을 위해서 구스아스팔트 바인더를 공급하는 배관과 노즐의 막힘 현상이 발생하기 때문에 프리믹서 방식의 구스아스팔트 바인더를 제조하기가 쉽지 않다. 따라서 퍼그밀 믹서(pugmill mixer)에 골재가 투입되고 자동적으로 계량된 경질아스팔트바인더(또는 개질아스팔트 바인더)가 투입되고 나서 인력으로 매 배치마다 TLA를 인력으로 투입하여야 하는 플랜트 믹스 방식으로 생산할 수밖에 없다.
Table 1.
Guss (Mastic) asphalt ingredients (Lee, 1999; Park and Cho, 2021)
| Category | Standard value | ||
|
Oil asphalt (Hard asphalt) |
Natural asphalt (TLA) |
PG82-22 (Park and Cho, 2021) | |
| Penetration at (25°C), 1/10 mm | 20~40 | 1~4 | 20~40 |
| Softening point, °C | 55.0~65.0 | 93~98 | 55.0~65.0 |
| Elongation (25°C), cm | 50 over | - | 50 over |
| Evaporative mass change rate (%) | 0.3 under | - | 0.3 under |
| Toluene soluble ingredients (%) | 99.0 over | 52.5~55.5 | 99.0 over |
| Flash point (C.O.C), °C | 260 over | 240 over | 260 over |
| Gravity (25°C) g/cm3 | 1.0 over | 1.38~1.42 | 1.0 over |
Fig. 3은 연도별 정제된 TLA의 MSDS(material safety data sheet)로 아스팔트 함량과 불용분 함량을 표시하고 있다. 2009년에는 불용분 함량이 35-37.5%, 2012년에는 33-38%, 2014년도에는 35.84%로 계속적으로 변화하고 있다. 또한, 구스아스팔트의 타입에 따른 물성을 나타낸 Table 2(BS 1447, 1988)를 보면, 1988년부터 영국에서는 구스아스팔트 바인더를 만드는 석유계 아스팔트 바인더의 불용분에 대한 함량을 4%까지 제한하고, 50:50의 비율로 섞인 경질아스팔트와 혼합된 정제된 TLA에 대하여 불용분을 20%미만으로 제한해 오고 있다. 중국의 경우도 TLA의 불용분 허용치를 20%미만으로 제한하고 있지만 수입된 정재된 TLA의 불용분 함량이 40%를 초과하는 경우도 보도되고 있다(Choi, 2015). 독일의 경우는 TLA내 불용분의 함량이 일정하지 않아서 최대 32-39%로 제한을 하고 있지만 현재는 TLA를 거의 사용하지 않고 있다(Choi, 2015). 이와 같이 불용분 함유량의 문제로 해외에서는 TLA를 구스아스팔트의 첨가제로 사용하는 기준을 강화하였으며, 품질적인 문제로 대체 재료를 사용하고 있다.
Table 2.
Guss (Mastic) asphalt types (BS 1477, 1988)
2세대 구스아스팔트 중에서도 프리믹스방식의 바인더를 사용하는 저탄소 구스아스팔트는 TLA를 사용하는 1세대 및 2세대 플랜트 믹스 방식의 구스아스팔트 혼합물보다 품질관리가 용이하고 자동화 계량 및 자동화 생산을 할 수 있다. 또한 20°C 낮은 온도에서 운반 및 포설을 하여 에너지를 절감할 수 있다. 국내에서 프리믹스 방식의 저탄소 구스아스팔트가 도입된 것은 2010년도이다. 프리믹스방식의 저탄소 구스아스팔트 바인더의 물성은 Table 3과 같으며 기초아스팔트바인더를 개질아스팔트를 기반으로 하여 천연아스팔트(길소나이트: Gilsonite)를 사용하여 만들어졌다(MOLIT, 2017). TLA로는 프리믹서 방식의 구스아스팔트 바인더를 생산할 수 없기 때문에 길소나이트를 사용하고 있다. 길소나이트 중에서도 수용성 이황화탄소에 쉽게 잘 녹는 것을 아스팔트 포장 분야에 사용하고 있으며 특성은 Table 4와 같다. 프리믹스 방식의 저탄소 구스아스팔트 바인더 제조에는 PG82-22의 개질아스팔트 바인더를 기초아스팔트바인더로 사용하고 길소나이트와 그 밖의 첨가제 등을 사용하여 프리믹스 방식으로 제조공장에서 생산하고 있다. 한국도로공사의 구스아스팔트 바인더의 등급은 Table 5와 같으며, 플랜트 믹서 또는 프리믹서 방식의 구스아스팔트 바인더인지에 대해서는 Table 3과 같이 국토교통부의 시방서는 구분하지 않고 있다.
Table 3.
Guss (Mastic) asphalt binder quality standards (MOLIT, 2017)
Table 4.
Physical properties of Gilsonite (CMWL, 2021)
| Category | Gilsonite | Note |
| Penetration at (25°C), 1/10 mm | 0~2 | |
| Softening point, °C | 185~205 | |
| Flash point (C.O.C), °C | 316 | |
| Gravity(25°C) g/cm3 | 1.04~1.06 | |
| Ash Content (%) | 0.5~12 |
Table 5.
Guss (Mastic) asphalt binder (EXCS 45 50 05, 2018)
| Category | unit | Standard value |
| Penetration at (25°C) | 1/10 mm | 25-40 |
| Softening point | °C | over 90 |
| Evaporation mass change rate | % | under 2 |
| Flash point | °C | over 240 |
| Performance gride | PG | 82-22 |
2.2 혼합물의 생산
TLA를 사용하는 1세대 및 2세대 구스아스팔트 혼합물에 사용하는 구스아스팔트 바인더를 프리믹서로 제조를 못하는 원인중의 하나가 TLA에 포함된 불용분 함량이 높아서이고, 두 번째가 TLA는 상온상태에서 고체덩어리고 되어 있기 때문에 부셔서 작은 알갱이로 만들어야 하는데 과정이 매우 어렵기 때문이다. Fig. 4의 TLA를 사용하는 1세대 및 2세대 플랜트 믹스 구스아스팔트 혼합물을 생산과정에서 TLA를 저울로 계량하여서 포대에 담아서 퍼그밀에서 습식비빔(wet mixing)이 진행될 때에 인력으로 투입하거나 생산 후에 구스를 운반하는 쿠커에 투입하는 방식으로 혼합물을 만들고 있다. TLA는 자동화 계량 및 자동 투입방식으로 구스아스팔트 혼합물을 생산할 수 없으며, 또한 TLA 투입량을 슈퍼프린트로 인쇄할 수도 없다. 한국도로공사의 시방서에서 첨가제를 사용하는 플랜트 믹스 방식의 경우에는 자동화 계량 및 자동화 투입을 하도록 명시하고 있지만 TLA를 사용하는 1세대 및 2세대 플랜트 믹스 방식의 구스아스팔트 혼합물은 규정을 지키고 있지 않다.
2세대 프리믹스 방식의 저탄소 구스아스팔트 혼합물의 생산 과정은 Fig. 5와 같이 일반 아스팔트 혼합물의 생산과정과 동일하다. 모든 재료들이 자동 계량되고 자동으로 투입되고 슈퍼프린트로 투입된 재료에 대하여 매 배치마다 사용량을 확인할 수 있으며, 품질관리가 용이하고 일정한 품질을 확보할 수 있다.
2.3 운반 및 포설
TLA를 사용하는 1세대 및 2세대 구스아스팔트 혼합물은 쿠커로 가열과 교반 그리고 운반하는 과정에서 240°C미만으로 혼합물이 관리되고 포설직전에는 240-260°C에서 포설을 하여 시공하게 된다(Fig. 4). 일반적으로 구스아스팔트 혼합물이 생산되고 240°C±10°C에 도달한 이후에 TLA를 고온에서 완전하게 융해시켜서 교반이 필요하기 때문에 최소 2시간정도의 숙성시간이 있어야 시공에 적합한 구스아스팔트 혼합물이 된다.
2세대 프리믹스 방식의 저탄소 구스아스팔트 혼합물의 경우에는 쿠커에서 가열과 교반 그리고 운반과정에서 220°C미만에서 혼합물이 관리되고 있으며 포설직전에 온도를 올려서 220°C-240°C에서 포설하여 시공하게 된다(Fig. 5). 기존의 구스아스팔트와 다른 점은 아스팔트 플랜트에서 생산 후에 220°C±10°C에서 1시간정도면 포설이 가능한 혼합물이 되기 때문에 많은 숙성시간으로 소비되는 에너지를 줄여서 탄소발생을 줄일 수 있다. 또한 운반 및 생산과정에서 TLA를 사용하는 구스아스팔트에 비해서 약 20°C 정도의 낮은 온도에서 가열하기 때문에 에너지가 절감되고 탄소배출을 저감할 수 있다.
3. 혼합물 시험결과 및 분석
3.1 시험결과
구스아스팔트 혼합물에 대한 시방규정은 Table 6과 같이 국토교통부의 교량 및 도로포장기층용으로 사용되는 구스아스팔트 포장의 동적안정도에 대한 기준이 동일하지만, 한국도로공사는 토공부에 기층으로 사용되는 구스아스팔트 포장 기층에 대하여 동적안정도 기준이 높다. Table 7은 플랜트 믹스로 생산된 TLA를 사용하는 1세대 및 2세대 구스아스팔트 혼합물에 대한 시험 성적서이다. Table 8은 프리믹스로 생산된 저탄소 구스아스팔트 혼합물에 대한 시험 성적서이다.
Table 6.
The quality standard of Guss (Mastic) asphalt mixture (MOLIT, 2017)
* exception bridge pavement, only expressway pavement (EXCS 45 50 05, 2018)
Table 7.
Value of TLA Guss (Mastic) asphalt mixture by plant-mix (Kim, 2000; Kim et al., 2004)
| No. |
Lueer fluidity Test | Penetration test |
Wheel tracking test |
Bending test (breaking and deformation) | Note |
|
under 20 sec (under 240°C) |
1~4 mm (30 minutes, 40°C, 52.5 kg/5 cm2) | over 300th/mm | |||
| 1 | 18.5 | 1.527 | 768.4 | 8.3×10-3 |
Yongjong Br. (1st TLA Guss.), (Kim, 2000) |
| 2 | 18 | 1.9 | 417 | 6.0×10-3 |
Sengsu Br. (1st TLA Guss.), (Kim et al., 2004) |
| 3 | 10.86 | 2.41 | 602 | 1.7×10-2 | Incheon Br. 2009 |
| 4 | 11 | 2.4 | 358 | 8.9×10-3 | Wando Br. 2011 (2rd TLA Guss.) |
| 5 | 506 | 2013.01.07. KCL (2rd TLA Guss.) | |||
| 6 | 556 | 2013.03.28. KEC (2rd TLA Guss.) | |||
| 7 | 1,481 | 2013.04.05. KEC (2rd TLA Guss.) | |||
| 8 | 8.6 | 3.545 | 351 | 8.7×10-3 |
Palyoung Br. 2016 (2rd TLA Guss.). |
| Average | 13.4 | 2.36 | 629 | 0.00978 |
Table 8.
Value of Guss (Mastic) asphalt mixture by premix
3.2 결과 분석
TLA를 사용하는 플랜트 믹스 방식의 1세대 및 2세대 구스아스팔트 혼합물과 2세대 프리믹스 방식의 저탄소 구스아스팔트 혼합물의 품질은 Table 6의 국토교통부 기준을 만족하였다. 또한, Table 7과 Table 8의 시험 값을 분석하면 다음과 같다.
(1) 류엘 유동성 시험
쿠커에서 채취한 구스아스팔트 혼합물 온도가 240°C미만에서 시행하는 시험이다. TLA를 사용하는 플랜트 믹스 방식의 1세대 및 2세대 구스아스팔트 혼합물의 류엘 유동성 폭이 8.6-18.5초로 나타났고 평균값이 13.4초였다. TLA의 불용성 성분에 의해서 전체바인더의 함량을 떨어뜨리는 효과가 발생한 것을 사료된다. 2세대 프리믹스 방식의 저탄소 구스아스팔트 혼합물의 경우 류엘 유동성의 폭은 5.8-9.4초였으며 평균값은 7.6초였다. 약 2배정도 2세대 프리믹스 방식의 저탄소 구스아스팔트 혼합물의 유동성이 있었다.
(2) 관입시험
수침온도 40°C에서 진행하는 시험으로 혼합물의 소성변형 가능성을 추정할 수 있다. TLA를 사용하는 플랜트 믹스 방식의 1세대 및 2세대 구스아스팔트 혼합물은 평균값이 2.36 mm로 나왔다. 2세대 프리믹스 방식의 저탄소 구스아스팔트 혼합물이 1.92 mm 값이 나왔다. 두 종류 모두 시방기준에 만족하였으며 차이는 크지 않았다.
(3) 동적안정도
쳄버(chamber)의 온도가 60°C에서 실행하는 시험으로 고온에서 소성변형 저항성을 볼 수 있다. TLA를 사용하는 플랜트 믹스 방식의 1세대 및 2세대 구스아스팔트 혼합물의 동적안정도 값의 범위가 351-1,481회/mm의 값을 가지고 있었다. 플랜트믹서방식의 생산과 TLA의 불용분 성분의 영향을 받는 것으로 사료된다. 2세대 프리믹스 방식의 저탄소 구스아스팔트 혼합물에서 동적안정도가 750회/mm이상을 상회하고 있었다. 프리믹스 방식으로 생산된 2세대 저탄소 구스아스팔트 바인더의 품질이 일정하기 때문에 고온에 대한 저항성이 크게 나온 것으로 사료된다.
(4) 저온 휨시험
쳄버의 온도가 –10°C에서 실행하는 시험으로 저온균열에 대한 척도로써 사용된다. TLA를 사용하는 플랜트 믹스 방식의 1세대 및 2세대 구스아스팔트 혼합물의 저온 휨시험 평균값은 0.00978이였다. 2세대 저탄소 구스아스팔트 혼합물(프리믹스)에서 저온 휨시험의 결과치 평균은 0.023으로 약 2.35배 우수한 것으로 나타났다. 프리믹스 방식으로 생산된 2세대 저탄소 구스아스팔트 바인더의 품질이 일정하기 때문에 고온에 대한 저항성이 크게 나온 것으로 사료된다.
2세대 프리믹스 방식의 저탄소 구스아스팔트 혼합물이 류엘 유동성이 좋았고, 동적안정도와 저온휨 시험 값이 TLA를 사용하는 플랜트믹스 방식의 1세대 및 2세대 구스아스팔트 혼합물보다 약간 좋은 시험 값을 가지고 있었다. 이러한 차이는 구스아스팔트 바인더를 프리믹스방식으로 공장에서 생산하고 아스팔트 플랜트에서 혼합물을 자동계량 및 자동생산하기 때문으로 사료된다.
4. 결 론
TLA를 사용하는 1세대 및 2세대 구스아스팔트(플랜트믹스방식)와 2세대 저탄소 구스아스팔트(프리믹스방식)으로 생산되고 있는 구스아스팔트 혼합물에 대하여 각각의 바인더의 특성, 생산방법, 가열운반 및 포설온도 등의 특성들과 현장의 시험 값들에 대하여 비교분석하였다. 2세대 저탄소 구스아스팔트는 프리믹스방식으로 생산되기 때문에 자동계량 및 자동 생산되어 재료투입량이 슈퍼프린트에 기록되는 등 품질관리가 용이하고 규격화된 제품생산이 가능할 뿐만 아니라 이로 인해 혼합물의 품질 또한 우수하다. 또한 20°C낮은 온도에서 운반 및 포설되기 때문에 조기산화(early aging)가 적고 품질도 상대적으로 타제품에 비해 우수한 것으로 나타나 탄소제로를 추구하고 있는 정부의 정책에 매우 부합하는 제품인 것으로 판단된다.
1) TLA를 사용하는 플랜트믹스 방식의 1세대 및 2세대 구스아스팔트는 TLA에 포함된 높은 불용분 함량과 TLA의 특성으로 자동화 계량 및 자동 투입에 의한 생산이 불가능하기 때문에 혼합물의 품질적인 편차가 크게 나타났다. 또한 류엘 유동성의 시험 값들의 편차가 크고, 동적안정도의 평균값도 작게 나타나고 있는 것을 알 수 있었다.
2) 2세대 프리믹스 방식의 저탄소 구스아스팔트 혼합물은 자동계량 및 자동생산으로 투입된 재료들에 대한 사용량들이 슈퍼프린트가 되기 때문에 품질관리가 용이하여 품질의 변화폭이 작았다. 각 제품에 대한 비교분석 결과, 2세대 프리믹스 방식의 구스아스팔트 혼합물은 TLA를 사용하는 구스아스팔트 혼합물보다 류엘 유동성 값들의 폭이 작고, 저온 휨시험 값도 약 2배정도 큰 값을 가진 것으로 나타났으며, 동적안정도는 750회/mm를 상회하고 있었다. 특히, 포설온도가 20°C 낮은 점을 감안하면 탄소저감에도 일정부분 기여하는 바가 클 것으로 예상된다.
세계적인 기후변화로 인하여 탄소 제로를 목표로 하는 정부의 정책에 부합하는 도로포장분야의 혁신으로 2세대 프리믹스 방식의 저탄소 구스아스팔트 포장공법이 사용될 경우 저탄소의 실현이 가능할 것으로 사료된다. 또한 자동화 계량 및 생산이 가능하여 고른 품질을 가지고 있어서 품질관리가 용이하다. 앞으로 많은 연구를 통하여 선진국과 같이 천연아스팔트를 대체할 수 있는 재료 개발과 보다 낮은 온도에서의 구스아스팔트 공법이 개발된다면 저탄소 아스팔트 도로포장분야에 기여할 것으로 사료된다.
