1. 서 론
2. 아스팔트 혼합물 소성변형 저항성 평가
3. 재료 및 방법
3.1 사용 재료
3.2 시험 방법
4. 결과 및 고찰
4.1 Wheel Tracking(WT) 시험
4.2 상관성 분석
5. 결 론
1. 서 론
소성변형(rutting)은 윤하중의 반복에 따라 서서히 발생하며 일반적으로 바퀴가 접촉하는 바닥이 침하되어 종 방향으로 고랑처럼 들어가는 형태로 나타난다. 이러한 현상은 반복 윤하중에 의한 압밀에 이은 미 회복 변형의 누적손상으로 아스팔트 혼합물의 밀도증가와 이와 함께 수반되는 혼합물의 전단변형의 합성 결과(영구변형)이다.
전자는 포장체가 압밀됨에 따라 체적변화를 수반한다. 반면 후자의 전단 변형은 포장의 체적이 그대로 유지되면서 윤하중에 의해 유발된 전단력에 의해 포장 재료가 횡 방향으로 전단 파괴 면을 따라 이동하는 것을 의미 한다(Korean Society of Road Engineers, 1999).
호주, 영국 프랑스 등에서는 아스팔트 혼합물의 소성변형 저항성 평가에 관한 연구에서 왕복 윤하중 주행 (Wheel tracking: WT) 시험이 도로포장의 소성변형과 밀접한 상관관계가 있다고 보고 국가별로 표준화가 되어있다(Austroads, 2006; Brown and Brodrick, 1981; European Committee for Standardization, 2004; Gabet et al., 2011). 이 시험은 시험방법의 간편성과 적절한 모사성, 소성변형과의 긴밀한 상관관계로 인해 소성변형 저항성을 측정하는데 많이 이용된다. 하지만 WT 시험은 세계적으로 표준화된 방법이 정해지지 않은 상태이며 미국은 이와 유사한 APA 시험법이 널리 활용 된다(Kandhal and Cooley, 2003; Kandhal and Mallick, 1999; Skoke, 2002). 그리고 최근에는 독일에서 개발되어 수중에서 시험하는 함브르그 WT 시험이 미국에서도 널리 사용되고 있다. 그들은 대부분 침하깊이를 위주로 혼합물의 소성변형 저항성을 평가한다.
우리나라에서는 WT 시험 결과로 얻어지는 최종침하깊이를 중시하지 않고 동적안정도(dynamic stability: DS)를 일본식으로 계산하여 이를 거의 그대로 적용하고 있다. 이 일본식 DS는 KS에 표준화 되어 있지만 아스팔트 혼합물에 적용해 오면서 불합리한 점이 발견되었다(Kim et al., 2004, 2005, 2006; Doh et al., 2005).
따라서 본 연구의 목적은 가열아스팔트(Hot-mix asphalt: HMA) 혼합물은 물론 준고온 아스팔트(Warm-mix asphalt: WMA) 혼합물에 대해서도 WT 시험 후 DS를 평가하여 적용상의 문제점을 분석하는 것이다. 같은 입도의 혼합물이라도 바인더에 따라 WT시험에 차이가 나므로 변수를 단순화하기 위해 입도는 고정하고 바인더의 차이에 따른 결과 분석하는데 주안점을 두었다. 그리고 새로운 방법으로 제시된 DS를 산출하고 그 결과를 비교하여 어느 것이 혼합물의 소성변형 저항성을 더 잘 반영하는지 비교 평가하여 이를 결과로 개선점을 제시하고자 하였다.
2. 아스팔트 혼합물 소성변형 저항성 평가
WT 시험은 실내에서 현장을 모사하여 소성변형에 대한 저항성을 평가하는 대표적 방법이다. 일정한 방법으로 윤하중 왕복재하에 따른 침하깊이로 혼합물 간의 상대비교가 가능하고 현장특성과 상관성이 크며, 공기 중에서 시험하는 경우와 수침하여 시험하는 경우 모두 가능하다(Aschenbrener, 1995). 그러나 WT 소성변형 시험 시 포장 하부 층(보조기층, 노상)의 변형에 대한 모사가 불가능하다(Cho, 2008).
국내에서 소성변형 저항에 대한 평가는 KS F 2374(2010)(아스팔트 혼합물의 휠 트래킹 시험 방법)에 의하여 제반 사항을 규정하고 있다. KS 표준에 의하면 300×300×50 mm 또는 300×150×50 mm의 슬래브 공시체를 6시간 이상 60°C에 보관 한 후 60°C에서 수행한다. 재하 윤하중은 686±10N(70 kg), 통과횟수 42±1회/min로 60분 동안 2,520회 반복주행(시간과 통과횟수)에 따른 침하량을 측정 한다. 바퀴는 지름 200 mm, 폭 50 mm이고 1회 왕복거리(stroke)는 230 mm이다. WT 시험 후 45분과 60분 사이의 침하량을 측정하여 다음의 식 (1), (2)에 의거하여 DS와 변형 속도를 계산한다.
| $$DS=42\times\frac{t_2-t_1}{d_2-d_1}\times c$$ | (1) |
여기서, DS = dynamic stability(pass/mm), d1 = t1(45분)에서의 변형량(mm), d2 = t2(60분)에서의 변형량(mm), c = 보정계수 (1.0)이다.
| $$RD=\frac{d_{60}-d_{45}}{15}$$ | (2) |
여기서, RD= 분당 변형속도(mm/min), d60 = 60분에서의 변형량(mm), d45 = 45분에서의 변형량(mm)이다.
그러나 김광우, 도영수(2006)의 연구에 의하면 현재 KS에서 규정한 DS는 불합리한 점이 있다. 즉, 총 60분 동안의 하중-변위(침하) 곡선 중에서 후반 15분간(45분과 60분 사이) 만의 기울기(구배)가 DS의 크기를 좌우한다. 즉, Fig. 1에 나타낸 것처럼 샘플 A는 초기의 침하가 크고 최종 침하 깊이(6.67 mm)가 더 깊다. 그럼에도 불구하고 45분에서 60분 사이의 침하량의 변화가 작아 DS가 높게 산출되어 소성변형 저항성이 우수한 것으로 판정되는 모순이 있다.
아스팔트 포장 소성변형은 그 깊이 자체가 문제가 된다. 특히 시공 초기 발생되는 초기 변형은 가장 큰 약점임에도 이를 고려하지 않도록 계산되어있어 대상 혼합물의 소성변형 저항특성을 제대로 반영한다고 할 수 없다. 특히 짧은 1시간의 시험 기간 중 초기 변형이 큰 것은 압밀이 심하게 발생하는 것이므로 공용 초기부터 문제가 많은 혼합물임에도 이를 무시하는 것은 문제이다. 즉, 시험 초기에 깊은 침하가 일어나는 혼합물을 현장에 시공하였을 경우 개통 초기에 이미 소성변형이 크게 될 것이다. 게다가 더해 최종 침하깊이는 더 깊음에도 Fig. 1에서와 같이 끝부분 15분의 깊이변화가 적어 DS가 더 큰 우수한 혼합물로 판정되는 것이 더 문제이다. 시험 시작 후 15분(2,700초) 이후의 삼각형에서 보듯이 초기 900초에 4.5 mm 침하된 B 혼합물이 900초에 2.2 mm침하된 A혼합물보다 기울기가 낮아 DS가 크게 되므로 이에 대한 심도 있는 분석이 필요하다. 이후 KS에 의한 DS 산출 방법은 DSKS라 명하기로 한다.
이러한 DSKS의 모순을 개선하고자 초기, 중기, 말기의 변형 특성을 모두 고려하여 DS를 구하는 모델이 제안되었다(Kim et al., 2003, 2004, 2005, 2006). Fig. 2에 나타낸 바와 같이 초기, 중기, 말기의 아스팔트 혼합물의 변형을 반영하는 새로운 DS 산정방법을 DSNew라 명명하였다. 이 방법에 의한 DS(식 (3))는 WT 최종침하깊이(final rut depth: FRD)와 상관성을 잘 반영하며, 소성변형 저항성이 좋은 것과 나쁜 것의 차이를 보다 분명하게 나타냈다(Kim et al., 2006). 즉, DSKS는 이론적으로 보면 45~60분까지 구배의 단순 역수에 해당되는 값이나, 이는 최종 25% 구배의 역수만을 고려하므로 문제가 있는 것이다. 하지만 새로운 DSNew는 초기, 중기, 전체 기울기의 역수를 더하여 계산함으로써 곡선 전체의 변화율을 합리적으로 고려한 것이다.
이 식을 응용하면 KS 시험방법으로 1시간(3,600초) 동안 측정된 data에서는 초기 500초(8.33분), 중간인 1,800초(30분) 그리고 최종 3,600초(60분)에서의 침하깊이로부터 구할 수 있다.
| $$DS_{new}=m_1+m_2+m_3=\frac{500}{D_{500}}+\frac{1,800}{D_{1,800}}+\frac{3,600}{D_{3,600}}$$ | (3) |
여기서, D500 = 500초에서 침하깊이(mm), D1800 = 30분 침하깊이(mm), D3600 = 최종침하깊이(mm)이다.
3. 재료 및 방법
3.1 사용 재료
본 연구에 사용된 골재는 Table 1과 같이 화강암 쇄석으로 최대치수 19 mm, 13 mm의 굵은골재와 screenings 잔골재, 석회석분을 채움재로 사용하였다. 아스팔트는 기본 바인더로 침입도 60-80(PG64-22)인 무개질 아스팔트(AP-5)를 사용하였고, 준고온 아스팔트는 5종(각각 WA, WB, WC, WD, WE)의 첨가제를 생산자가 제시한 대로 기본 아스팔트에 첨가하여 사용하였다(Table 2).
Table 1.
Properties of aggregate
Table 2.
Properties of asphalt
| Test Item | WA | WB | WC | WD | WE | NO |
| Penetration at 25°C,dmm | 74 | 72 | 73 | 73 | 73 | 73 |
| Absolute vis. at 60°C (p) | 1,620 | 1,610 | 1640 | 1610 | 1630 | 1680 |
3.2 시험 방법
각 골재를 체가름 시험 후 입도 분석하여 국토교통부 “아스팔트 혼합물 생산 및 시공 지침”의 WC-3 입도 및 혼합물 기준에 의거하여 배합설계를 수행하였다(Fig. 3). 배합설계 시 최적아스팔트 함량(Optimal asphalt content: OAC)은 공극률, 골재 간극률(Voids in Mineral Aggredate: VMA), 포화도(Voids Filled with Asphalt cement: VFA) 및 변형강도(SD ≥3.2 MPa) 기준을 적용하였다. WMA 혼합물의 OAC는 HMA에서 얻어진 값을 거의 그대로 적용하였으며 필요시 미세 조정하였다.
충분한 WT 시험 data확보를 위하여 Fig. 4에서 보듯이 HMA 혼합물은 5개의 슬래브를 제조하여 10회의 WT시험과, 같은 입도로 WMA 바인더는 3개의 슬래브를 제조하여 각각 6회의 WT시험을 수행하여 총 40개의 data를 확보하였다.
4. 결과 및 고찰
4.1 Wheel Tracking(WT) 시험
HMA 혼합물의 배합설계 결과 OAC는 공극률 4%일 때 4.7%로 결정되었다. 각각의 혼합물을 OAC로 WT 시험을 수행하기 위해 제조한 슬래브 공시체의 물리적 특성을 측정 후 공극률이 3~5% 범위에 있는 공시체를 대상으로 시험을 수행하였다. 1종의 Normal HMA(AP-5) 10회와 5종의 WMA 혼합물에서 각각 6회(5×6=30) 등 총 40 개의 소성변형 저항성 비교 평가를 위해 최종침하깊이(FRD)를 측정하고 DS를 두 가지 방법으로 계산하였다.
Table 3은 HMA와 WMA 혼합물 40가지에 대해 KS 방법에 의하여 산출한 DSKS와 새로운 방법에 의해 산출한 DSNew를 보여준다. WT 시험은 KS 방법에 따라 시험시간을 60분으로 고정하였기에 FRD(D3600)은 60분일 때의 침하량을 적용하였고, D1800 침하량은 30분일 때의 침하량, 초기 침하량은 8.333분일 때의 침하량(D500)을 적용하여 DSNew를 계산하였다.
Table 3.
Dynamic stabilities (DSs) and FRDs by KS and New methods
Table 3에서 보듯이 일반적으로 최종침하깊이가 깊으나 DSKS가 높게 계산된 혼합물은 소성변형 저항성이 우수하다고 볼 수 없다. 일예로 Table 3에서 음영으로 표시한 HMA 중 FRD는 7.7116 mm이고 45분의 변형량 7.6771 mm로 계산한 KS 방법의 DSKS는 18,290 pass/mm로 비현실적인 값을 나타냈다. 그러나 DSNew 방법으로 계산하면 DS는 863 pass/mm로 FRD가 유사한 다른 DSNew와 비슷하게 계산되어 침하 깊이에 따른 소성변형 저항성을 합리적으로 잘 반영함을 알 수 있음을 알 수 있다.
4.2 상관성 분석
전체 data를 가지고 보다 명확한 분석을 하기 위해 Table 4는 FRD를 기준으로 침하가 가장 낮은 것부터 순서(Rank)를 1부터 40번까지 서열분석(Ranking analysis)을 한 것이다. 이는 침하깊이 기준으로 WT 시험 결과를 소성변형 저항성이 가장 좋은 것부터 나쁜 것까지 순서대로 정렬한 것이다. 통계적 분석 시 여러 배치의 다양한 종류의 혼합물 특성을 비교함에 있어 특정 값 자체를 비교하는 것보다 서열을 비교하는 것이 합리적인 기법으로 사용되는 경우가 많다. 본 data의 경우 모두 유사한 재료(혼합물)이나 공시체의 다짐도에 따라 그리고 현장으로 보면 시공성에 따라 결과에 차이가 나므로 1차적으로 서열 통계 분석법 사용하였다.
Table 4.
Ranking analyses of FRD, DSKS and DSNew
즉, 전체 40개의 혼합물 data 중 어떤 혼합물의 WT FRD가 가장 낮다면 해당 시험 값이 소성변형 저항성이 가장 우수한 것이므로 DS 값도 그에 상응하게 가장 높게 산출되어야 타당할 것이다. 따라서 이 두 서열을 비교하여 모두 일치한다면 두 시험법은 100% 서로 상응하는 결과로 R2=1.0을 얻을 것이다. 하지만 실제 실험 데이터에서 그러한 일을 기대하기는 힘들고, 유사한 서열을 보인다면 회귀분석에서 R2로 평가할 때 높은 값을 얻을 수 있을 것이다.
Fig. 5는 Table 4의 FRD rank(왼쪽부터 첫째 컬럼의 순번)과 DSKS rank(4번째 컬럼 순번)의 data로 회귀 분석한 결과이다. 그림에서 보듯이 두 특성 간에는 상관관계가 매우 낮아 R2= 0.2845로 나타나서 DSKS가 FRD와는 동떨어진 결과를 보이므로 적용상에 문제점이 크다는 것을 알 수 있다. 한 예로 상기 표에서 FRD rank 1번(가장 침하가 낮은 data)과 18번이 DSKS에서는 각각 10위와 1위로 나타내고 있다. 이 결과는 침하깊이가 가장 낮은 data를 KS 방법으로 동적안정도를 분석하면 11번째 높은 것으로 나타나고, 반면 KS 방법으로 가장 높은 동적안정도가 얻어진 data의 최종 침하 깊이 상으로는 18번째인 것이다.
일반적으로 WT FRD는 전 세계적으로 소성변형을 잘 반영하는 시험법 중 하나로 알려져 있고, DSKS는 일본에서 도입된 계산치로 국내에서 소성변형 저항성 평가에 사용된다. 하지만 DS를 판정 기준으로 사용한다면 소성변형 저항특성을 잘 반영하도록 WT FRD에 유사한 결과를 보이는 것이 타당할 것이다. 하지만 KS 방법은 FRD 데이터와 상관성이 너무 낮아 그렇지 못한 것으로 판단된다. 이는 앞서 언급한대로 DSKS가 초, 중반 또는 전체 침하는 고려치 않고 최종 25% 곡선 구배의 역수만 고려하기 때문인 것이다.
우리와 유사한 장비와 속도를 사용하는 호주의 Austroads(2006) 규정에서는 곡선구배(tracking rate)를 고려하지만 전체 기간 중 훨씬 긴 후반 60%의 구배를 고려하고 있다. 또한 싱가폴에서는 동적 creep를 초기 압밀이 지난 점부터 최종 파괴단계 직전까지 긴 구간에서 평가하고 있다(Zhu and Fwa, 2005).
본 연구에서는 새로운 DSNew의 rank로 기 사용된 FRD rank와 회귀분석을 수행하여 비교하였다. Fig. 6는 두 특성 간에 상관관계가 매우 높아 R2=0.92 이상으로 나타나, DSKS가 적용상에 문제점이 큰데 비하여, DSNew는 그렇지 않음을 보여주고 있다. 그림과 Table 4에서 보듯이 두 특성 치 간에는 rank가 같은 것이 1, 2, 3, 15, 26, 28 등 상당히 많았고, 또한 같지는 않아도 유사한 범위의 rank에 있는 것들이 많은 것을 알 수 있었다. 따라서 DSKS보다는 DSNew를 적용하는 것이 아스팔트 혼합물의 소성변형 저항성을 보다 더 합리적으로 나타낸다고 할 수 있을 것이다.
이와 같은 KS 기준의 불합리한 원인은 평가 구간이 너무 짧고 변동성이 큰 마지막 부분이라는데 있는 것으로 판단된다. 일반적으로 피로시험이나 동적크리프 시험 등에서 해당재료의 특성은 Fig. 7과 같은 곡선의 3 구간 중 선형을 나타내는 2차 직선구간의 기울기로 나타낸다. 이에 비해 DSKS는 비록 시험의 성격은 다르지만 맨 마지막 구간만을 가지고 평가하기 때문에 문제인 것으로 사료된다.
그렇다고 지금 후반 15분인 평가구간의 길이를 후반 30분이나 45분으로 늘려도 Fig. 1에서 볼 수 있듯이 전체적인 기울기에 영향을 받아 초기 침하깊이가 고려되지 못한다. 아스팔트 혼합물의 소성변형은 특히 초기에 침하가 많이 되는 것은 좋지 못한 것이기 때문에 초기 침하에 대한 특성이 평가에 반영이 되어야 한다. 그러므로 DSNew 방식은 초기 침하 깊이를 포함하도록 만든 것이며, 그 결과 최종침하 깊이와 상관성이 높게 나타났다.
Figs. 8과 9는 서열이 아닌 실제 data를 사용한 회귀분석을 실시한 결과이다. DSKS는 서열분석보다 실제 data에서 더 낮은 R2를 보인 반면 DSNew는 여전히 높은 상관관계를 보여 DSKS의 적용상에 문제점이 큰 것을 확인할 수 있다. 이의 개선을 위해서는 제시된 DSNew 방법을 적용하던지, KS 방법을 개선하기 위한 별도의 심도 있는 연구를 수행 하거나 아니면 외국에서와 같이 동적안정도를 사용하지 않고 최종침하 깊이만을 사용하는 방안을 고려해 볼 필요가 있다.
5. 결 론
본 연구에서는 40종의 HMA, WMA 혼합물의 Wheel Tracking 시험 data를 KS 방법에 의하여 구한 동적안정도(DSKS)의 적용성 평가를 위하여 최종침하깊이(rut dept)와의 서열(ranking) 분석 후 두 서열간의 회귀분석을 통해 상관관계를 평가하였다. 그 결과 두 특성치 간에는 매우 낮은 상관관계(R2=0.28)를 보여 실제 적용상에 문제점이 많음을 알 수 있었다. 이는 기존 HMA에서 나타났던 문제점이 WMA를 포함한 데이터에서도 유사하게 나타난 것이다.
DSKS는 후반기 15분(25%) 곡선구배만 역수를 취한 것이기 때문에 초기부터 침하가 크고 최종침하 깊이가 큰 혼합물도 매우 높은 DSKS로 계산되는 근본적인 문제점이 있음을 다시한번 확인하였다. 그에 비해 최종침하깊이(FRD)가 낮아 우수한 혼합물이나 전반적으로 처음부터 고르게 침하가 진행되면 DSKS가 낮게 계산되어 불량한 혼합물로 판정되는 문제점도 있다.
그러나 새로이 제시된 개선된 동적안정도(DSNew) 서열과 FRD 서열을 회귀분석한 결과 R2=0.92 이상으로 매우 높은 관계가 있음을 보여주었다. 이 결과는 같은 WT 시험 결과를 놓고 DS를 어떤 방식으로 계산 하느냐에 따라 그 혼합물의 소성변형 저항성을 판정하는데 큰 차이가 나타남을 보여준 것이다.
결론적으로 KS방법에 의한 DS는 모순이 많아 적용상에 문제점이 큰 것을 확인하였다. 이의 개선을 위해서는 기 제시된 동적안정도(DSNew) 계산방법을 적용하는 방안을 강구하던지, 아니면 KS 방법을 개선하기 위한 별도의 심도 있는 연구를 수행 하던가 외국에서와 같이 동적안정도를 사용하지 않는 방안도 고려해 볼 필요가 있을 것으로 판단된다.
