1. 서 론

생활 수준이 향상됨에 따라 도로포장은 기능적 측면 이외에도 환경적 측면에 대한 관심이 증가하고 있다. 에폭시 아스팔트 포장은 강성과 탄성계수가 크고 응력 흡수층으로 반사균열 억제와 피로수명 향상 및 방수층으로 역할이 우수하여 온도 변화가 심한 강상판 교량용 포장에 적용되어 왔다.

에폭시 아스팔트 바인더는 아스팔트 바인더에 에폭시 수지와 경화제를 첨가하여 제조하는 특수한 아스팔트 바인더이며, 강도와 강성이 일반 및 개질 아스팔트에 비해 우수한 것으로 알려져 있다. 현재 에폭시 아스팔트는 일본, 미국, 중국 등 여러 나라에서 활발히 포장공사에 적용되고 있으나 국내에서는 복잡한 배합과정, 어려운 시공 및 높은 가격 등을 이유로 제한적으로 사용되고 있다. 본 연구에서는 오랫동안 전 세계적으로 강상판 교량에 사용되어온 미국 Chemco사 제품(이하 A제품)과 국산 에폭시 아스팔트(이하 B제품)를 개발하여 강상판 교량용 아스팔트 포장으로 적용 가능성을 검토하였다. 또한, 강상판 교량용 이외에도 국내의 도로포장으로 많이 사용되는 밀입도 아스팔트 혼합물, SMA 및 배수성과 Chemco사에서 입도 아스팔트 혼합물을 비교하여 국내에 적용하기 위해 다양한 실내시험을 수행하여 A제품과 국내에서 개발된 에폭시 아스팔트 B제품울 비교 분석하였다. B제품이 A제품과 비교했을 시 성능이 동등 이상으로 확인되면, 에폭시 아스팔트 바인더의 장점을 이용하여 다양한 아스팔트 혼합물에 적용을 시도함으로써 공용성능이 우수한 도로포장의 발전에 기여가 가능할 것이다.

2. 에폭시 아스팔트의 특성 및 적용사례

2.1 에폭시 아스팔트 특성

에폭시 아스팔트 바인더는 아스팔트 바인더에 에폭시 수지와 경화제를 첨가하여 혼합한 것으로, 에폭시 수지로 인해 열가소성인 아스팔트 바인더가 열경화성의 성질을 띠게 된다. 이때 에폭시 아스팔트 바인더는 물리학적으로 우수한 특성을 가지게 된다(Huang et al., 2003).

주로 교량포장에 사용되는 골재입도 기준은 Chemco, 강상판 입도가 있다. 두 가지의 골재입도 기준은 교량의 바닥판을 보다 유연한 재료를 사용하여 교통하중에 의한 충격을 흡수하여 바닥판을 보호하고 쾌적한 주행성을 확보하기 위하여 잔골재의 비율이 높은 입도 기준이다.

이러한 특성으로 발현되는 에폭시 아스팔트의 장점을 아래와 같이 정리하였다.

1) 수밀성 및 유동성, 내마모성, 내약품성이 우수하며 강도와 강성의 증가로 소성변형 및 균열 발생이 감소한다.

2) 상판과의 접착성 및 방수성이 우수하여 강상판의 부식을 보호한다.

3) 유동성이 우수하여 균열 내부로 침투하여 경화되므로 신설도로 포장 및 유지보수에 적합하다.

4) 일반 아스팔트 포장에 비해 얇은 두께로 시공이 가능하여 장대교량 적용 시 포장층의 두께 감소로 인해 교량 자체의 무게를 현저히 감소시키고 소성변형 및 피로균열에 대하여 큰 저항성을 가진다(Kim et al., 2016).

5) 상온에서 혼합 및 시공이 가능하여 가열 아스팔트 포장에 비해 CO₂ 발생 저감효과 및 에너지 저감효과를 볼 수 있다(Eom, 2014).

6) 환경 조건에 따라 경화시간 및 재료의 탄성 조절이 가능하다(Eom, 2014).

에폭시 아스팔트는 많은 장점을 가지고 있으나 에폭시와 아스팔트를 섞은 후 경화가 완료되기 전까지 포설을 완료해야 하는 제약이 있다. 높은 온도나 외부 요인에 의해 경화시간은 현저히 감소하므로 플랜트에서 에폭시 아스팔트 제작 후 이른 시간 내에 시공을 완료해야 하며 포장체로서 휨성이 부족한 결점 또한 가지고 있다. 이러한 재료적 성질 및 화학적 특성으로 인해 고도의 제조방법과 시공방법이 요구되며 에폭시 아스팔트의 제조와 시공 시 경험이 많은 기술자와 전문제조업체를 필요로 한다.

2.2 국내외 적용사례

2.2.1. 국내 적용사례

우수한 성능을 가진 에폭시 아스팔트는 도로포장의 미끄럼 방지층이나 공항 활주로 포장, 광장, 컨테이너 부두, 작업장, 교차로 등 다양한 곳에서 적용되고 있고 특히, 대형 교량의 교면포장에 많이 적용되고 있는 실정이다. 에폭시 아스팔트 포장이 국내 교면포장에 적용된 사례를 아래와 같이 정리하였다.

1) 이순신대교

이순신 대교는 2013년 2월에 개통된 강상판 교량으로 국내 최초로 에폭시 아스팔트를 적용한 시공 사례이다. 이순신대교는 전남 여수시와 광양시를 연결하는 진입도로로써 높이 80 m, 포설 두께 5 cm, 총 길이 2,260 m, 주경간 1,545 m으로 왕복 4차로의 현수교이다(Jin and Jang, 2021).

Fig. 1은 이순신대교의 사진을 보인 것이다.

Fig. 1.

Yi Sun-sin Bridge

2) 울산대교

울산대교는 2015년 6월 개통하여 에폭시 아스팔트 포장이 적용된 국내 두 번째 장대교량이자 미국(Chemco Systems)에서 생산된 에폭시 아스팔트로 적용된 최초의 교량이다. 울산대교는 울산항을 통과해 태화강을 횡단하는 현수교량으로 총 길이 1,800 m, 최대경간장이 1,150 m으로 세계 3번째, 국내 최장의 단경간 길이의 4차선 대교이다. 보강형 거더 전체 폭은 25.6 m이며 포장 폭은 19.5 m(왕복 4차로)이며 적용 포장공법은 미국의 에폭시 아스팔트 포장으로, 강바닥판에 두께 0.07 mm의 무기질아연(zinc paint)을 도포하고 그 위에 0.68 l/m2의 본드 코트 살포 + 두께 25 mm의 레벨링층 포설 + 0.45 l/m2의 본드 코트 살포 + 두께 25 mm 표층 포설로 구성되어 전체 두께는 50 mm이다(김완상 등, 2015).

3) 천사대교

천사대교는 2019년 4월에 개통된 국도 제2호선의 교량으로 신안군 압해읍과 암태면을 연결하는 연륙교로 현수교 구간의 강상판 포장에 에폭시 아스팔트 포장이 적용되었다. 미국(Chemco Systems) 제품을 이용하여 시공되었다. 천사대교는 교량길이 7,224 m, 너비 11.5 m의 가변 3차선으로 국내 최초 사장교와 현수교가 공존하는 복합교량 내풍에 대한 안전성을 극대화하여 주탑을 3개를 배치한 세계 최초 다경간 현수교이다.

Fig. 2는 천사대교의 사진을 보인 것이다.

Fig. 2.

Cheonsa Bridge

장대교량의 경우 대부분 강상판을 사용하고 있으며 강상판 교면포장은 진동 및 충격과 가혹한 기상조건 등에 그대로 노출되어 있어 일반도로포장에 비해 보다 더 큰 파손 요인을 가지고 있다. 또한, 포장 수명이 일반 도로 포장에 비해 짧기에 교면포장을 파손 없이 장기간 유지하기 위해 보다 높은 성능의 재료가 필요로 하게 된다. 에폭시 아스팔트 포장은 열경화성 재료서 높은 강성과 우수한 탄성으로 인해 일반 아스팔트 포장보다 얇은 두께로 시공하여 교량의 고정하중 감소가 가능하다. 또한 소성변형 및 피로균열에 대한 저항성이 큰 교면포장 공법으로 국내 장대교량의 포장공법으로 적용되고 있다(장영두 등, 2019).

2.2.2. 국외 적용사례

미국 Shell사에서 에폭시 아스팔트가 최초로 개발되어 1967년에 미국캘리포니아 San Mateo지역의 Hayward Bridge 교량에 처음으로 적용되었다. 이후 연구 및 개발이 계속되어 장대교의 교면 포장 적용을 시작으로 중국, 일본, 유럽 등지에서 장경간 교량에 적용되었다. 미국, 중국, 일본의 사례를 아래와 같이 정리하였다.

1) 미국

미국에서 에폭시 아스팔트가 교면포장 재료로 최초 사용된 것은 1961년 샌프란시스코 San Meteo의 Hayward Bridge이며 이후 많은 적용사례가 있다. 1986년 샌프란시스코의 금문교가 대표적인 사례이다. 미국의 Chemco systems사는 에폭시 아스팔트의 장점을 활용해 1980년대부터 현재까지 약 40년간 전 세계적으로 에폭시 아스팔트 포장 시장을 지배하고 있는 실정이다.

2) 중국

중국 최초 에폭시 아스팔트 도입은 2001년 Nanjing Second Yangtze River Bridge의 강상판 교면포장이 소개되었다. 이후 포장 적용사례가 늘어나 2011년까지 많은 강바닥판 교량에 에폭시 아스팔트 포장이 시공되었다. 적용 초기에 파손 사례가 있었으나 철저한 품질관리 기술의 습득으로 많은 적용이 이뤄지고 있다. Nanjing Third Yantze Bridge(2006), Runyang Cable Stayed Bridge(2005), Yangluo Bridge(2007) 등이 있다(Eom, 2014).

3) 일본

1970년대 일본은 교면포장에 에폭시 아스팔트를 적용하기 위한 연구를 시작으로 1983년 에폭시 아스팔트 포장기술의 상세 조항을 표준화하였다(Eom, 2014). 1990년대 중반 이후로는 에폭시 아스팔트 사용이 급속히 늘어났다. 이후 교량의 교면포장 적용뿐만 아니라 터널 내 포장, 중차량 통행 교차로, 배수성 포장 등 다양한 용도로 에폭시 아스팔트를 활용하고 있다.

장기수명 포장을 추구하는 많은 국가에서 에폭시 아스팔트 40년 이상 적용하여 입증된 탁월한 내구성으로 미국, 중국 일본을 포함한 국외 에폭시 아스팔트 교면포장 적용사례를 Table 1에 연도별로 정리하였다.

3. 재료 및 배합설계

3.1 사용재료

3.1.1 국외 에폭시 아스팔트

본 연구에서 사용된 국외 에폭시 아스팔트는 미국 Chemco사 제품으로 AP-5 아스팔트 바인더에 주제(A제) 그리고 경화제(B제)를 혼합하여 사용하는 아스팔트 바인더이다.

Fig. 3은 에폭시 아스팔트 혼합물에 사용된 주제(A제)와 경화제(B제)의 사진을 보인 것이다.

Fig. 3.

Epoxy Resin and Hardener

에폭시 아스팔트 A의 주제(A제) 특성에 대한 품질기준 및 시험방법은 Table 2에 정리하였고, 경화제(B제)의 특성에 대한 품질기준 및 시험방법은 Table 3에 정리하였다. 주제(A제)와 경화제(B제)를 혼합한 에폭시 아스팔트 A 바인더 특성의 품질기준 및 시험방법은 Table 4에 정리하였다.

3.1.2 국내 에폭시 아스팔트

본 연구에서 사용된 에폭시 아스팔트는 국내에서 제작한 바인더이다. A제품을 표준으로 하여 제작되었으며, 주제(A), 경화제(B)의 규격은 Table 5 및 Table 6에 정리하였다. 아스팔트 바인더와 혼합 제조하여 인장강도(MPa)와 신율(%)을 측정 비교한 결과를 Table 7에 정리하였다. 수차례의 비교 시험을 실시하여 최종적으로 결정한 것으로 인장강도는 A제품에 비하여 높게, 신율을 조정하여 낮게 제조하였다. 그 이유는 A제품은 강상판 전용 에폭시 아스팔트 바인더로 적용 분야가 강상판으로 제한적인 점을 고려하여 국산 제품은 강상판 이외에 WC-2, SMA 및 배수성 아스팔트 포장용으로 적용을 시도하기 위하여 인장강도와 신율을 조정하였다.

3.2 배합설계

두 종류의 에폭시 아스팔트 바인더의 품질을 비교 분석하기 위해 2종류의 혼합물 배합설계를 실시하였고 배합설계 결과에 따라 도출한 최적 아스팔트 함량과 최적 입도를 기준으로 공시체를 제조하여 기초성능시험을 수행하였다. Fig. 4는 에폭시 아스팔트 혼합물의 배합설계 및 기초성능시험 흐름도를 나타낸 것이다.

Fig. 4.

Flowchart of Mix Design and Basic Performance Testing for Epoxy Asphalt Mixtures

3.3 배합설계 결과

3.3.1 WC-2 밀입도 아스팔트 혼합물

A제품과 B제품 두 종류의 에폭시 아스팔트 바인더를 사용하여 WC-2 밀입도 아스팔트 혼합물에 대한 배합설계를 실시하였다. 밀입도 아스팔트 포장 시방은 국토교통부(2021.07)의 시방에 명시되어 있다. 배합설계 결과 최적아스팔트 함량은 A제품 6.3%, B제품 6.3%로 동일하게 산출되었으며, 시방서의 품질기준을 모두 만족하였다. Table 8은 WC-2 밀입도 아스팔트 혼합물 배합설계 결과를 밀입도 아스팔트 시방의 품질기준과 비교한 것이다.

3.3.2 Chemco 입도 아스팔트 혼합물

A(이하 EA-A), B(이하 EA-B) 두 종류의 에폭시 아스팔트 바인더를 사용하여 Chemco 입도 아스팔트 혼합물 배합설계를 실시하였다. EA 아스팔트 혼합물의 품질기준은 Table 9를 따른다. 배합설계 결과 최적아스팔트 함량은 A 바인더 6.7%, B 바인더 6.5%로 유사하게 산출되었다. 반면, B 바인더는 A 바인더에 비해 마샬안정도 값이 낮은 수치를 보이며 품질기준을 만족하지 못하였다. Table 10은 A제품과 B제품의 EA 아스팔트 혼합물 배합설계 결과를 품질기준과 비교한 것이다.

3.3.3 SMA(Stone Mastic Asphalt) 혼합물

A제품 및 B제품의 에폭시 아스팔트 바인더를 사용하여 SMA(Stone Mastic Asphalt) 혼합물 배합설계를 실시하였다. SMA 포장 시방은 국토교통부(2021.07)의 시방에 명시되어 있다.

배합설계 결과 최적아스팔트 함량은 A제품 7.7%, B제품 7.7%로 동일하게 산출되었으며 두 개의 제품 모두 배합설계 품질기준을 만족하였다. Table 11은 SMA 혼합물 배합설계 결과를 품질기준과 비교한 것이다.

3.3.4 배수성 아스팔트 혼합물

A제품 및 B제품의 에폭시 아스팔트 바인더를 사용하여 배수성 아스팔트 혼합물 배합설계를 실시하였다. 배수성 아스팔트 포장 시방은 국토교통부(2020.08)의 시방에 명시되어 있다. 배합설계 결과 최적아스팔트 함량은 A제품 5.8%, B제품 5.8%로 동일하게 산출되었으며, 두 개의 제품 모두 품질기준을 만족하였다. Table 12는 배수성 아스팔트 혼합물 배합설계 결과를 품질기준과 비교한 것이다.

4. 파괴 역학시험 및 비파괴 역학시험 결과 및 분석

4.1 파괴 역학시험

4.1.1 마샬안정도 시험결과 및 분석

원주형으로 제작된 아스팔트 혼합물 공시체 측면에 하중을 작용시켜 소성흐름 저항성을 측정하는 마샬안정도 시험이다. Fig. 5의 A는 마샬시험기, B는 마샬안정도 시험장면을 보인 것이다.

Fig. 5.

Marshall Tester and Marshall Test Scene

A제품으로 제조된 WC-2 와 강상판 입도는 B제품으로 만들어진 혼합물과 비교하여 약 2배 이상의 상승을 보였다. A제품은 강상판 포장에 사용하는 에폭시 아스팔트로서 초기 강성이 매우 큰 재료이다. 반면, B제품은 WC-2 입도에 적용 시 마샬안정도가 동등 이상으로 나타났으나, 강상판 입도에서는 마샬안정도의 향상이 발견되지 않았다. Fig. 6은 WC-2 및 강상판 입도에 대한 시험결과를 그래프로 도식한 것이다.

Fig. 6.

Comparison of Marshall Stability and Flow Values by Mixture Type

4.1.2 간접인장강도 시험결과 및 분석

간접인장시험은 마샬안정도 시험과 같이 원주형으로 된 공시체의 측면에 수직하여 압축하중을 가하여 구하는 시험이다. Fig. 7의 A는 간접인장시험의 하중 재하시, B는 파괴시의 시험장면을 보인 것이다.

Fig. 8은 간접인장강도의 시험결과를 그래프로 도식한 것이다. Fig. 8에서 볼 수 있는 것처럼 WC-2입도로 제조된 A제품이 B제품에 비해 간접인장강도가 약 3배 이상의 상승을 보였다. 간접인장강도가 클 경우 균열저항성이 높아서 아스팔트 포장 공용성 문제 중의 하나인 균열 발생이 저하됨으로써 아스팔트 포장 수명이 향상될 것으로 기대된다.

Fig. 7.

Comparison of Indirect Tensile Strength by Mixture Type

Fig. 8.

Comparison of Indirect Tensile Strength by Mixture Type

4.1.3 칸타브로 시험결과 및 분석

칸타브로 시험은 배수성 혼합물 평가용으로 개발되어 혼합물의 공극률이 높아질수록 마모 손실률을 구하는 시험이다. Fig. 9는 칸타브로 시험 사진을 보인 것이다.

Fig. 9.

Cantabro Test

배수성 아스팔트 포장에 있어 칸타브로 시험은 골재비산 저항성을 측정하는 가장 중요한 시험이다. 고점도 아스팔트 바인더로 제조된 배수성 아스팔트 혼합물의 골재비산 저항성의 향상을 위해 에폭시 아스팔트 바인더를 적용할 수 있음을 칸타브로 시험을 실시하고 손실률을 확인하여 성능을 평가하였다. 20°C에서 시험한 결과 고점도 배수성 아스팔트 혼합물의 손실률은 7.5%, A제품 15.3%, B제품은 12.9%를 보였다. －20°C에서 시험한 결과 고점도 배수성 아스팔트 혼합물의 경우 16%, A제품 20.3%, B제품 17.6%로 나타났다. 고점도 배수성 아스팔트 혼합물에 비해 에폭시 아스팔트 바인더로 제조한 혼합물의 경우 칸타브로 손실률은 성능이 저하되는 것으로 측정되었으나, 국내 시방기준을 만족하며 에폭시 아스팔트 바인더는 배수성 아스팔트 혼합물에 적용이 가능한 것을 확인하였다. Fig. 10은 혼합물별 칸타브로 손실률을 비교하여 그래프로 도식한 것이다.

Fig. 10.

Comparison of Cantabro Loss By Bixture Type at Different Test Temperatures

4.1.4 수분민감도 시험결과 및 분석

수분민감도는 아스팔트 포장이 수분에 노출되었을 때 건조 시와 습윤 시의 간접인장강도를 측정하여 비율로 나타내는 지수를 나타내는 것이다. A제품, B제품의 수분민감도는 입도 혼합물에 따라 다르게 나타났는데 그 차이는 크게 발생하지 않았다. Fig. 11은 혼합물별 인장강도비를 비교하여 그래프로 도식한 것이다.

Fig. 11.

Comparison of Tensile Strength Ratio By Bixture Type

4.2 비파괴 역학시험

4.2.1 회복탄성계수 시험결과 및 분석

회복탄성계수는 5°C, 25°C, 40°C의 시험온도에서 측정하여 아스팔트 혼합물의 온도변화로 인한 감온성을 분석하는 지수를 나타낸다. Fig. 12는 MR 시험수행 후의 데이터가 나타나는 것을 보인 것이다. 회복탄성계수가 온도의 변화가 없는 혼합물은 우수한 혼합물이라고 할 수 있다. 특히, 사계절이 뚜렷한 우리나라의 경우 회복탄성계수 변화가 적은 혼합물이 요청되고 있다. Fig. 13은 혼합물별 회복탄성계수의 시험결과를 그래프로 도식한 것이다. 시험결과 에폭시 아스팔트로 제조된 모든 혼합물은 기존 아스팔트 혼합물에 비해 온도의 변화가 나타나더라도 회복탄성계수 변화가 작게 나타나 감온성이 매우 우수한 것으로 나타났다. 에폭시 아스팔트를 WC-2, SMA 그리고 배수성 아스팔트 포장 입도에 적용할 경우 하절기 및 동절기와 같은 온도의 변화 시 아스팔트 포장에서 발생하는 균열, 소성변형 및 피로파괴가 최소화가 될 것으로 기대된다.

Fig. 12.

Load and Deformation vs. Time Relationship

Fig. 13.

Comparison of Resilient Modulus By Bixture Type

4.2.2 동적안정도 시험결과 및 분석

실제 도로에서 고온 시 중차량으로 발생하는 소성변형 또는 니딩(kNeading)작용에 대한 시험으로 실내공간에서 실제 모형으로 아스팔트 혼합물의 유동성을 평가하는 시험으로 휠 트래킹 시험을 실시한다.

동적안정도는 1 mm의 소성변형이 발생할 때까지 차륜의 왕복 횟수로 동적안정도가 큰 혼합물이 소성변형 저항성이 우수한 혼합물이다. Fig. 7은 혼합물별 에폭시 아스팔트의 동적안정도 시험결과를 그래프로 도식한 것이다. 에폭시 아스팔트로 제조된 혼합물의 경우 기존 WC-2, SMA 및 배수성 아스팔트 혼합물에 비해 동적안정도가 약 3배에서 5배가량 높게 나타났다. 에폭시 아스팔트는 소성변형에 매우 우수한 혼합물로 중교통이 작용하는 포장도로와 교통량이 많고 저속 이동이 빈번한 교차로에 시공할 경우 소성변형의 발생을 억제하여 내유동성 아스팔트 포장 적용을 기대할 수 있다.

Fig. 14.

Wheel Trackin Test

Fig. 15.

Comparison of Dynamic Stability By Bixture Type

5. 결 론

본 연구에서는 에폭시 아스팔트 혼합물의 역학적 특성을 평가하기 위하여 강상판 포장용, WC-2, SMA 및 배수성 아스팔트로 배합설계를 실시하여, 아스팔트 혼합물의 종류에 따라 파괴 역학시험, 비파괴 역학시험을 실시하여 실내 공용성을 평가 및 비교 분석하였다.

그 결과, 에폭시 아스팔트 혼합물은 안정성, 내유동성 그리고 공용성이 향상되었으며, 마샬안정도 및 간접인장강도의 개선된 것으로 나타났다. 또한, 에폭시 혼합물은 동적안정도가 증가하여 소성변형 저항성의 개선될 것으로 기대되며, 온도 변화에 의한 감온성이 개선되어 사계절이 뚜렷한 국내포장에 적합함을 확인하였다. 반면, 강상판 교량포장에 적용할 경우 B제품이 A제품에 비해 성능이 부족하여 에폭시 아스팔트 바인더의 추가 개선이 필요한 것으로 나타났다. 향후 교량 포장 적용을 위해 에폭시 바인더의 성능 개선과 다양한 환경 조건에서 에폭시 아스팔트의 장기 내구성 및 실용성 중점을 두어 추가적인 검토가 필요하다.