1. 서 론
2. 재료 및 방법
2.1 사용재료
2.2. 시험방법
3. 결과 및 고찰
3.1. 바인더 노화도 추정 모델
3.2. 순환혼합물 배합설계
3.3. 순환혼합물 바인더 추정절대점도 평가
4. 결 론
1. 서 론
가열 순환(재생)아스팔트혼합물(recycled asphalt mixture)의 제조온도는 일반적으로 가열아스팔트 혼합물(hot-mix asphalt: HMA) 온도 수준이므로 많은 화석연료 사용과 그로 인한 탄소발생과 유해가스 및 냄새발생 등 환경문제가 따른다. 따라서 아스팔트재활용도 기존의 HMA 온도 수준에서 WMA 수준으로 낮추는 노력이 필요하다. 기존 방법은 폐아스콘을 부순 아스콘순환골재(회수아스팔트포장재료, reclaimed asphalt pavement: RAP)를 믹서에 신규골재, 신재아스팔트 및 재생첨가제와 모두 함께 넣고 혼합해서 출하한다. 그리고 이 순환혼합물의 품질이 일반아스팔트 혼합물의 특성기준을 만족하여야 하되 순환혼합물에서 추출･회수한 바인더의 절대점도가 5,000p 이하이어야 한다(MOLIT, 2021).
아스팔트 혼합물 재활용의 기본원리는 장기 노화된 RAP의 구재아스팔트가 사전가열로 어느 정도 녹은 상태에서 고온의 신재아스팔트･재생첨가제와 섞인 용융상태에서 회생(rejuvenation)되며 신규골재와 혼합 제조되는 것이다. 이렇게 제조된 순환혼합물은 덤프트럭에 실려 1~2시간 운반되는 동안 고온상태에서 산소와 접하며 다시 산화(oxidation)가 일어나는 단기노화 (short-term aging: STA) 과정을 거치게 된다. 그리고 포설･다짐되어 식고나면 아스팔트 콘크리트(세칭 아스콘) 포장체로 고체화되어 더 이상의 회생은 진행될 수 없고 이때부터 기화(aeration), 산화(oxidation)와 자외선 등에 의해 장기노화가 일어난다. 만일 RAP의 심하게 경화된 구재아스팔트가 제대로 회생되지 못한 채로 존재하면 덜 회생된 구재바인더는 포장체내의 신규골재에 피막 된 아스팔트보다 노화도가 높은 상태일 것이다. 그러므로 다시 노화가 시작되면 이 부분은 조기균열의 원인이 된다.
더구나 WMA 온도수준으로 재활용하면 낮은 믹싱온도 때문에 RAP의 구재아스팔트가 덜 융해되고, 혼합시 신재아스팔트 온도도 낮은 편이라 구재를 제대로 용융･회생시키지 못하여 노화도가 높은 상태로 출하된다. 따라서 WMA 공법으로 재활용시는 RAP 바인더를 제대로 회생시키기 위한 기술적 조치가 필요하다.
이에 본 연구의 목적은 중온순환첨가제로 순환아스팔트혼합물의 제조온도를 135 ± 5°C로 낮추어 중온순환아스콘을 단계적 비빔(stage mixing: STM)공법으로 제조하고 이 순환혼합물의 바인더가 국토부 지침을 만족하도록 회생되었는지를 비교 평가하는 것이다(Kim et al., 2007). 이를 위해 GPC시험 기법을 적용하여 아스팔트를 추출･회생하지 않고 대형분자(large molecular size: LMS)로 절대점도를 추정･평가하는 기법을 활용하였다(Kim et al., 2006; Doh et al., 2008). 이 방법은 순환아스팔트혼합물의 바인더 회생정도를 단시간(약 2시간) 내에 절대점도로 추정할 수 있으므로 이를 세계최초로 아스팔트 재활용공법에 적용토록 한 것이다. 따라서 STM공법과 LMS로부터 절대점도추정 방법이 성공적으로적용될 경우 국내 순환아스팔트제조 공정을 진일보 시키는 계기가 될 수 있을 것이다.
2. 재료 및 방법
2.1 사용재료
본 연구에 사용된 RAP은 전남순천지역에서 수집된 것이며, 신규 골재로는 굵은골재 최대치수 19 mm 화강편마암과 잔골재로는 부순모래 (screenings), 채움재로는 석회석분을 사용하여 국토부기준의 WC-4 혼합물을 제조하였다. 순환첨가제(rejuvenator)로는 바이오원료를 활용하여 개발된 바이오중온순환첨가제(bio-warm-mix asphalt rejuvenator: BWR)로 아스콘순환첨가제로서의 검증승인을 받은 제품을 사용하였다. 아스팔트는 PG64-22(AP-5) 한 종류를 사용하였다.
2.2. 시험방법
RAP의 아스팔트함량은 KS F 2490(연소법을 이용한 아스팔트 함량 결정방법)을 사용하여 측정하였다. RAP에 함유된 아스팔트의 노화도 측정을 위하여 Abson recovery 방법(KS F 2381, ASTM D 2172)으로 RAP 바인더를 추출･회수하고, 회수된 아스팔트의 절대점도(absolute viscosity: AV)를 60°C에서 측정(KS M2247)하였다. 제조된 순환아스팔트 혼합물로부터 추출･회수된 바인더의 AV가 국토부기준치인 5,000p 이하가 되는지 확인하였다.
또한 아스팔트의 노화도 분석을 위하여 GPC(gel-permeation chromatography) 시험장치(Fig. 1(a))를 이용한 크로마토그램(chromatogram) 시험을 수행하였다. 아스팔트 혼합물 입자를 THF(tetra- hydro-furan: THF)에 0.25% 농도로 녹인 용액을 0.45 주사기필터로 걸러서(Fig. 1(b)) 한번에 50의 샘플을 주입기(injector)에 넣고 GPC시험을 수행하였다. 한 번의 시험은 30분이 걸리며 한 샘플당 3회의 실험으로 LMS를 구하고 그 평균을 분석에 사용하였다.
Fig. 1(c)에서 보여주듯이 크로마토그램은 분자입자의 분포를 보여주는 하나의 곡선이며, 이 곡선이 수평기선(base line)과 이루는 전체면적(100%) 중 필요한 구간에서의 면적 비(%)를 구하여 분석에 사용하였다. 아스팔트가 노화되면 아스팔틴(Asphaltene)의 증가로 점도가 높아지며 이를 크로마토그램으로 분석하면 대형분자 (Large molecular size: LMS) 비율이 상대적으로 증가되어 LMS와 노화도는 밀접한 관계가 있다(Kim et al., 2011; Kim et al., 2015). 크로마토그램에서 노화된(Aged) 아스팔트는 신규(Virgin) 아스팔트보다 LMS 부분이 불룩하여 상대적으로 비율이 높게 나타나는 것을 Fig. 1(c)에서 보여준다.
RAP을 포함한 아스팔트 혼합물로부터 무작위로 채취한 소량의 샘플을 THF에 녹여 LMS 비율을 측정하여 LMS 비율이 높고 상대적으로 중형분자(medium molecular size: MMS)와 소형분자(small molecular size: SMA) 비율이 줄면 노화도가 높음을 추정할 수 있다. 그러나 LMS는 AV와 같이 일반적으로 인지되는 물리적 값이 아니므로 국토부의 노화도 기준은 AV 값으로 나타낸다.
LMS의 측정은 아스팔트 바인더는 물론 혼합물 샘플로 부터도 단 시간(약 2시간)에 정밀하게 측정이 가능하다. 이에 비해 AV의 측정은 바인더의 경우도 노화가 심하면 하루 이상의 시간이 필요하다. 게다가 혼합물로부터 바인더를 추출･회수하여 AV를 측정하려면 추출･회수를 통한 바인더 샘플 준비에만 최소 하루와 AV측정까지 다하면 2~3일의 시간이 필요하며 시험오차도 수반된다.
앞서 언급하였듯이 노화아스팔트는 LMS가 증가되고 AV가 높아지므로 AV와 LMS는 밀접한 상관관계가 있다. 따라서 이 두 특성간의 회귀분석을 통해 노화도를 추정할 수 있는 최적모델(식)을 구하고, 이 식을 이용하여 측정이 간편한 LMS로부터 AV를 추정하였다. 즉, LMS를 독립변수(x)로, AV를 종속변수(y)로 하는 모델에 LMS를 대입하여 AV를 추정하였다.
추정모델의 개발을 위해서는 기본상태(original)의 아스팔트와 이를 rolling thin film oven(RTFO)으로 단기노화 처리한 것, 그리고 이를 pressure aging vessel(PAV)로 장기노화 처리한 바인더를 준비하고 이로부터 AV와 LMS를 측정하였다. 또한 AP5로 제조한 일반아스팔트 혼합물을 180°C에서 3시간과 4시간 단기노화(STA) 시킨 후 혼합물로부터 바인더를 Abson 방법으로 추출･회수하여 AV를 측정하고, 또한 두 혼합물로부터 LMS를 측정하였다.
그리고 이 5가지 AV 값(original, RTFO, PAV, 180°C 3-h, 4-h STA 혼합물 회수바인더)과 같은 5가지 재료의 LMS 데이터를 이용하여 회귀분석(regression)을 수행하였다. 회귀분석에서 최적회귀 모델(식)을 구하여 임의의 순환혼합물 샘플의 LMS로부터 해당 순환혼합물 노화정도를 AV로 추정하였다. 이 방법의 장점은 혼합물을 녹여서 바인더를 추출･회수하는데 수반되는 시간과 노력을 줄이고 노화도를 파악할 수 있다는 점이다. 이 실험에 대한 상세한 내용은 Kim et al.(2006)에 수록되어있으며, GPC 분석에 대한 사항은 Kim and Burati(1993), Kim et al.(1995; 2015), Doh et al.(2008)에 수록되어있다.
3. 결과 및 고찰
3.1. 바인더 노화도 추정 모델
본 연구에 사용된 RAP으로부터 추출･회수한 바인더의 절대점도는(AV)는 12,457poise (p)이고 대형분자(LMS) 비율은 23.49(%)이며, 아스팔트 함량(asphalt content: AC)은 5.51%이었다. 또한 LMS로 AV 추정모델을 구하기 위한 AP5아스팔트 바인더 상태별 측정치와 AP5로 제조한 혼합물의 단기노화에 따른 AV와 LMS는 Table 1과 같다. 이 표의 값들은 모두 3회 측정치의 평균값이며 기본아스팔트의 절대점도는 1,780p, 이를 RTFO 처리하면 4,055p 그리고 PAV 처리하면 15,422p로 높아졌다. 그리고 제조된 신규 혼합물을 180°C에서 3, 4-h 단기노화 (short-term aging: STA) 시킨 혼합물로부터 추출･회수한 바인더의 AV는 각각 47,303p와 81,450p로 크게 높아졌다.
Table 1에서 RAP을 제외한 5개 LMS 값과 5개 AV 데이터 세트로 회귀분석 하여 최적회귀모델(식)을 결정한 결과를 Fig. 2에서 보여준다. 회귀분석으로부터 얻어진 최적 회귀모델은 지수 함수로 이며 R2 = 0.9888로 매우 높아 두 특성 간 상관관계가 매우 밀접함을 알 수 있다. 이식의 x값에 LMS를 대입하면 얻어지는 y값은 추정 AV(estimated AV: EAV)이다. 그러므로 추정모델은 식 (1)로 나타낼 수 있으며 이를 이용하여 임의의 LMS로부터 EAV 값을 얻을 수 있다.
Table 1.
Absolute viscosity (AV) and large molecular size (LMS) of RAP binder, 3-conditioned AP5 binder, and STA mixes
Table 2에서는 Table 1의 LMS를 이용하여 식 1로 계산한 추정절대점도(EAV)를 보여주며, Fig. 3은 EAV와 AV 간의 관계가 밀접함을 보여준다. Table 2에서 보여주듯이 RAP의 EAV는 12,219p로 PAV의 EAV 값과 유사하다. PAV는 일반아스팔트 혼합물이 도로에 포장되어 5~7년 지난 상태의 아스팔트를 모사(simulation)하기 위한 시험기법이다. 그러므로 본 연구에 사용된 RAP은 도로에서 약 5~7년 공용된 포장으로부터 폐기된 것으로 추정된다. 기존의 연구에 의하면 현장에서 채취한 코어로부터 공용연도별 절대점도 추정치는 공용 5.25년에 EAV 12,772p이다. 따라서 본 연구에 사용된 RAP은 이와 비슷한 공용연수인 약 5년 정도된 것으로 추정할 수 있다(Kim et al., 2016).
Table 2.
Estimated absolute viscosity (EAV) by Eq. 1 using LMS
3.2. 순환혼합물 배합설계
RAP을 40% 사용하고 바이오중온재생첨가제(BWR) 4%를 사용하여 WC-4 입도기준의 순환혼합물 배합설계를 수행한 결과는 Table 3과 같다 . 또한 RAP을 넣지 않은(RAP 0%) 일반혼합물을 WC-4 기준에 맞추어 제조하여 비교용으로 사용하였다. 순환혼합물의 제조는 국토부지침의 단계적 혼합(stage mixing: STM)방법을 적용하였다(MOLIT, 2021). 단계적 혼합은 RAP과 바인더(신규아스팔트와 재생첨가제) 만을 실험실 믹서에 넣고 1차로 초기 20~25초 동안 비빈 후, 2차로 가열된 신규골재를 넣고 35~40초를 더 비볐다(Kim et al., 2007). RAP은 110 ± 10°C 오븐에 1시간 사전가열 하고, 신규골재와 바인더는 160 ± 5°C로 가열하여 혼합하면 전체혼합물 온도는 135 ± 5°C인 WMA 수준으로 혼합되며 공시체는 약 130°C에서 선회다짐기로 75회 다짐･제조하였다.
일반혼합물(RAP0)의 변형강도(SD)는 3.49 MPa로 국토부기준 3.2 MPa 이상을 만족하였으며, 135°C에서 제조된 순환혼합물도 기준을 모두 만족하였다. 순환혼합물은 변형강도(SD)가 일반혼합물(RAP0)에 비해 더 높았는데 이는 노화된 RAP이 완전히 회생되지 못해 상대적으로 강성(stiffness)이 크기 때문인 것으로 추정된다.
Table 3.
Mix-design results of normal and recycled asphalt mixes
| RAP ratio |
Rejuvenator (%) |
Mixing temp. (°C) |
OAC (%) |
Air void ratio (%) |
VMA (%) |
VFA (%) |
SD (MPa) |
| RAP 0 | 0 | 160 ± 5 | 5.0 | 3.92 | 15.7 | 72.0 | 3.49 |
| RAP 40% | 4 | 135 ± 5 | 5.5 | 4.15 | 16.3 | 75.1 | 4.24 |
3.3. 순환혼합물 바인더 추정절대점도 평가
상기 순환혼합물의 바인더 회생여부를 평가하기 위하여 각 순환혼합물 샘플로부터 GPC로 LMS를 측정하고 이를 식 (1)에 대입하여 EAV를 구하였다. 이를 위하여 BWR의 양을 달리한 순환혼합물 제조시에 단계적 혼합에 따른 효과를 비교하기 위하여 같은 BWR 함량으로 STM을 적용하지 않은 혼합물도 제조하였다. Table 4는 RAP 40% 중온순환혼합물에 BWR의 함량을 2%부터 5%까지 변화시켜가며 그에 따른 바인더의 추정점도(EAV)의 변화를 보여준다. 제조된 혼합물은 BWR 5 x STM 2로 총 10가지 중온순환혼합물과 일반혼합물도 한 가지 제조하여 LMS로부터 EAV를 추정･검증하였다. 비벼진 순환혼합물은 135°C, 일반혼합물은 160°C 오븐에서 각각 1시간씩 단기노화 시킨 후 식혀서 GPC 시험용 샘플을 채취하였다.
Table 4에서 보듯이 40% 순환혼합물을 일반방식(단계적 혼합 미사용)으로 BWR 없이 (0%) 제조한 순환혼합물의 EAV가 약 9,200p로 RAP의 EAV가 약 12,200p(Table 1)이던 것과 비교하면 제대로 회생되지 못한 상태라 할 수 있다. 이는 RAP이 40%이므로 구재바인더 약 40%가 신재바인더 약 60%와 혼합되었으나 온도가 135°C로 낮은 상태에서 재생첨가제도 없어 유동성이 낮기 때문에 제대로 회생되지 못한 것으로 판단된다. 하지만 같이 BWR 없이도 STM 방법을 적용한 경우는 점도가 9,200p보다 약 25% 더 낮아져 약 6,900p가 된 것을 알 수 있다. 이는 신규골재가 투입되기 전에 신재바인더와 RAP 만이 우선 비벼지며 RAP의 노화된 아스팔트를 더 많이 융해시키는 효과를 발휘했기 때문인 것으로 볼 수 있다.
Table 4.
Effect of stage mixing by bio warm-mix asphalt rejuvenator (BWR) content
재생첨가제(BWR) 효과는 2%부터 그 비율이 증가되며 추정점도를 낮추는 것을 볼 수 있으나 STM을 적용치 않을 시 5%에서야 국토부기준인 5,000p 이하의 EAV(4,912p)를 얻을 수 있었다. 하지만 STM을 적용한 경우는 BWR 3%부터 기준을 만족하여, 향후 3% 또는 보다 안정적으로 3.5%를 사용하여도 기준에 만족하는 EAV를 얻을 수 있을 것으로 판단되었다. Fig. 4에서는 BWR 비율별 STM 적용에 따른 EAV 감소비율의 우 하향경향을 보여준다. 평균 감소율은 23.3%(Table 4)이며 그 차이는 BWR를 넣지 않은 경우 약 25%로 가장 크고 BWR의 첨가량이 증가될수록 줄어드는 경향을 보였다. 하지만 모든 경우에서 STM 적용은 적용하지 않은 경우보다 20%이상 점도를 낮추는 효과를 보여 순환혼합물 제조시 단계적 비빔은 국토부 지침대로 반드시 수행해야 할 것임을 확인 하였다.
Table 4에서 일반혼합물의 경우 추정점도가 약 3,900p이며 이는 혼합물이 160°C에서 1시간 단기노화 되며 AP5의 original 상태의 절대점도(Table 1의 1,780p)가 약 2배 이상 높아진 것임을 알 수 있다. 그리고 이는 Table 1의 RTFO 바인더의 AV값 4,055p와 유사한 수준이며, Table 4의 STM방식을 사용한 BWR 5% 경우의 추정점도와 비슷하다. 하지만 다른 경우들은 모두 이 보다 높고, 국토부 기준 5,000p을 통과한 경우도 일반혼합물의 바인더와 비교하면 EAV가 높아 순환혼합물 내 바인더는 강성이 더 높은 상태임을 알 수 있다.
4. 결 론
본 연구에서는 RAP 40%와 바이오중온순환첨가제(bio warm-mix asphalt rejuvenator: BWR)를 사용한 중온순환 아스팔트혼합물을 제조하고 바인더 노화정도를 단계적 혼합(stage mixing: STM) 방법을 기준으로 평가하였다. 바인더 절대점도(absolute viscosity: AV)를 GPC시험으로 얻어진 LMS로부터 추정하여 추정절대점도(estimated AV: EAV)를 사용하여 순환혼합물 바인더의 회생정도를 평가하였으며 이를 통해 다음과 같은 결론을 얻었다.
1. RAP 40%를 사용하고 바이오중온순환첨가제(BWR) 4%를 사용하고 단계적 혼합방식을 적용하여 135°C 수준에서 국토부기준의 일반아스팔트 혼합물 특성을 만족하는 중온순환아스팔트 혼합물을 제조할 수 있었다.
2. 이 순환혼합물의 제조에 BWR 첨가량을 0, 2, 3, 4, 5%까지 사용하고 단계적 혼합방식의 적용효과를 분석한 결과 BWR 0%의 경우 순환혼합물 바인더의 EAV가 9,166p로 높던 것이 STM적용으로 6,900p 수준으로 약 25% 낮아지는 효과를 보였다.
3. BWR는 첨가량 2%부터 1%씩 높이면 추정점도가 낮아지는 효과를 보였으나 STM을 적용치 않을 시 5%에서 국토부기준인 5,000p 이하의 EAV가 얻어졌다. 하지만 STM 방식으로 혼합시는 BWR 3%부터 기준을 만족하여 단계적 비빔이 매우 효과적임을 확인하였다.
4. STM 혼합방식의 적용은 5가지 BWR 함량에서 평균 23.3% EAV를 낮추는 효과를 보여, 순환혼합물 제조시 노화바인더의 회생에 매우 효과적임을 확인하였다. 그러므로 가열순환아스팔트 혼합물은 물론 상대적으로 온도가 낮은 중온순환혼합물의 경우는 RAP 바인더의 효과적 회생을 위하여 반드시 STM 방식을 적용해야 한다는 결론을 얻었다.
이상의 결과를 토대로 향후 GPC를 이용한 순환아스콘 바인더의 노화도를 평가하는 시스템을 준비하고 시범적용과 보완･수정을 통하여 체계적인 시스템으로 발전시킬 필요가 있다. 이를 통해 단계적 혼합의 효율성을 널리 보급시켜 국내 순환아스콘포장의 품질을 한 단계 높이는 계기를 마련할 것이다.
