1. 서 론
2. 문헌조사
3. 재료 및 실험방법
3.1 재료
3.2 배합설계
3.3 마샬 안정도 시험
3.4 간접인장강도 시험
3.5 함부르크 휠트랙킹 시험
3.6 드레인 다운 시험
4. 실험 결과
4.1 마샬 안정도 시험
4.2 간접인장강도 시험
4.3 함부르크 휠트랙킹 시험
4.4 드레인 다운 시험
5. 결 론
1. 서 론
국내 대부분의 도로는 공용 연수가 20년이 넘은 노후 된 도로이며 교통량과 중차량이 증가하면서 노후 된 도로의 균열 및 파손이 증가하고 있는 추세이다. 국내에서 자주 발생하는 도로의 균열 및 파손의 종류에는 Fig. 1과 같은 포트 홀과 콘크리트 열화현상 등이 있으며 특히 포트 홀의 경우 매년 수만 건이 발생하여 교통사고 및 유지보수 예산의 증액을 초래하고 있다.
포트 홀이란 아스팔트 포장 표면에 생기는 구멍형태의 파손으로써 아스팔트 밀림현상 등에 의해 발생한 균열에 우수가 침투하게 되고 동시에 차량하중이 재하 되어 과잉간극수압을 받음으로써 발생한다. 또한 포장체 내부로의 우수침투는 콘크리트 포장에서 철근의 부식과 같은 열화현상을 야기한다. 이와 같이 포트 홀과 콘크리트 열화현상의 대부분은 우수의 침투를 차단할 수 있는 방수층이 부적절하게 시공되거나, 공용기간 중 발생하는 방수층의 파손에 의해 발생하게 된다.
국내 방수층의 종류는 크게 방수재를 사용하는 공법과 구스아스팔트를 포설하는 방식으로 분류할 수 있으며, 방수재를 사용하는 공법은 시트식과 도막식으로 구분 지을 수 있다. 합성고무나 수지 등을 주원료로 하는 접착제와 토치를 이용하여 부직포 또는 직포를 접착시켜 방수층을 형성하는 시트식 공법은, 시공 시 시트 위에 고온의 아스팔트 혼합물이 포설되어 융착되도록 해야 하지만 혼합물의 온도저하로 인해 부착강도가 현저하게 저하되거나 다짐과정에서 밀림현상이 발생할 수 있다. 도막식은 기계나 붓 등을 이용하여 액체형 방수재를 도포하여 방수층을 형성하는 방법으로 시공초기 방수성능이 우수하다는 장점이 있으나 일정온도 이상에서는 방수재 자체가 산화되어 방수의 성능이 저하되고 일정온도 이하에서는 접착불량이 일어나기 쉬워 응력저항성이 떨어지게 된다는 단점이 있다. 최근에는 앞서 언급한 공법들의 단점을 개량하기 위해 시트식과 도막식을 병용한 복합식 방수공법과 삼투성을 응용한 침투식 방수공법들도 적용하고 있다.
구스아스팔트는 석유 아스팔트에 20~30%양의 트리니닷드레이크 아스팔트를 혼합한 아스팔트로 자체 방수층을 형성하고 변형률이 적어 밀림현상이 발생할 가능성을 낮출 수 있다는 장점이 있으나, 시공하기 위해 220~260°C의 고온을 유지시킬 수 있는 쿠커가 필요하여 시공비용이 비싸다는 단점이 있다.
이처럼 국내에는 다양한 방수 공법이 적용되고 있지만 방수재의 부착강도 및 성능저하와 구스아스팔트의 시공성 및 경제성에 대한 문제점의 개선을 통해 효율적인 방수층 개발이 필요한 상황이다.
따라서 본 연구는 산업폐기물인 폐 섬유를 재활용하여 내구성 증진 및 재료분리 방지와 경제성 확보가 가능한 방수층의 개발을 목표로 수행되었으며, 단순 물성평가 이외에도 함부르크 휠트랙킹 실험과 같은 역학적 성능 평가를 통해 공용성을 검토하였다.
2. 문헌조사
방수층은 외부의 수분을 차단하고 포장의 손상부, 노견, 중앙분리대 및 방호벽 등으로부터 우수 및 제설용 염화칼슘과 같은 물질의 침투를 방지하는데 목적이 있다(MOLIT, 2017).
기존의 방수층은 방수재를 사용하는 시트식, 도막식, 침투식, 복합식 공법과 구스아스팔트를 포설하는 공법이 있다. 시트식은 방수 성능이 좋고 연성으로 균열진동에 대한 대응력이 우수하나 직접 가열방식에 의한 물성파괴와 아스팔트 포장 시 밀림현상 등이 발생할 가능성이 있다. 도막식의 경우 접착성이 우수하나 온도에 민감하고 액체형 방수재를 도포하는 방법을 사용하여 불균일한 도막을 형성할 수 있고 기포가 과다하게 발생할 수 있다. 침투식 방수는 특수고급유지와 급속 산화물로 제작한 방수액을 시멘트와 혼합하여 도포하는 방법으로 시공이 간편하고 공사비가 저렴하지만 균열에 대한 저항성이 낮다. 복합식 방수는 도막식과 시트식의 단점을 보완한 방법으로 바닥판과의 접착력이 우수하고 전단저항력이 우수하지만 다른 공법보다 단가가 비싸며 주로 해수에 영향을 받는 교량에 적용된다. 구스아스팔트는 매스틱 아스팔트를 주재료로 사용하는 공법으로 다짐이 필요 없고 완전 방수가 되며 변형에 대한 저항성이 높지만 시공비용이 비싸며 시공을 위한 쿠커를 구비해야 되는 단점이 있다(MOLIT, 2011).
이러한 기존 방수층 공법의 개선을 위한 불투수성 아스팔트의 국내 연구사례는 다음과 같다.
고분자계 수지인 SIS(Styrene Isoprene Styrene)를 사용하여 바인더의 점도와 신축성을 향상시켜 저온 균열과 피로균열에 대한 저항성을 높인 불투수성 아스팔트의 경우 마샬 안정도, 간접인장강도 등의 물성시험 결과에서 기존 아스팔트 대비 2~4배의 성능 향상을 보였다(Kim et al., 2016).
HE(High Elasticity)개질제를 사용한 불투수성 아스팔트에 대한 연구에서는 함부르크 휠트랙킹 시험을 실시하였는데 불투수성 아스팔트와 구스아스팔트의 러팅(Rutting)이 각각 6.2 mm, 12.8 mm으로 HE개질 아스팔트가 구스아스팔트보다 약 2배 정도 적은 소성변형량을 가졌다(Kim, 2019).
국내에는 아직 불투수성 아스팔트에 대한 명확한 기준이 없다. 해외의 기준들을 살펴보면 미국의 경우 ‘Superpave Hot Mix Asphalt Mixture Design and Mixture Verification’을 따라 최소 바인더량 7.25% 이상이고 Super pave 회전수가 50회 일 때 공극률 1.5%를 기준으로 하는 불투수성 아스팔트를 생산하고 있다(New York State Department of Transportation, 2015).
또 중국의 경우 남부의 덥고 비가 많이 내리는 지역에 적합한 아스팔트 생산을 위해 SBS(Styrene-Butadiene- Styrene)개질바인더와 Basalt Fiber 섬유를 사용한 불투수성 아스팔트를 개발하였고 열 저항성 및 저온 상태에서의 균열 저항성, 수분 저항성이 일반 아스팔트보다 우수하다는 결과를 얻었다(Liu et al., 2018).
하지만 아직 국내·외적으로 기존의 방수층을 대체할 수 있는 불투수성 아스팔트에 대한 연구결과는 부족한 상태이다.
섬유 보강아스팔트는 섬유가 아스팔트 바인더를 흡수하여 일반 밀입도 아스팔트보다 최적아스팔트 함량이 증가하였고 골재와 아스팔트바인더 사이에 섬유가 보강됨으로써 외력에 대한 저항성이 증대되었다. 또한 일반 밀입도 아스팔트와 비교하였을 때 동적안정도가 2.6배가량 높아 섬유가 소성변형에 저항성을 증가시킨다는 결과를 얻었다(Yoon, 2000).
유리섬유는 인장강도 및 탄성회복을 증진시켜주며 신도를 낮춰주나 혼합물 혼합 및 다짐 시 섬유가 깨지기 쉽다는 단점이 있다. 함부르크 휠트랙킹을 이용하여 20,000회 하중재하 하였을 때 SMA(Stone Mastic Asphalt)는 15.8 mm, 유리섬유로 보강한 혼합물은 5.3 mm의 러팅(Rutting)을 보임으로써 유리섬유보강혼합물이 약 3배정도 높은 소성변형 저항성을 가진다. 마샬 안정도는 SMA 6,204 N, 유리섬유보강혼합물 12,244 N으로 2배정도 높은 마샬 안정도를 가지며 간접인장강도 또한 SMA는 0.94 Mpa 유리섬유보강혼합물은 1.42 Mpa로 약 1.5배 높은 균열저항성을 가진다. 변형강도 시험결과 개질 SMA 혼합물은 2.87 Mpa, 유리섬유 보강 아스팔트 혼합물은 4.41 Mpa로 1.5배의 높은 변형강도를 갖는 것으로 나타났다(Park, 2017).
3. 재료 및 실험방법
본 연구에서는 폐 섬유를 혼입한 아스팔트 혼합물의 국내 품질기준 부합여부를 검토하기 위해 마샬 안정도, 흐름값, 간접인장강도, 터프니스 측정을 실시하였으며, 함부르크 휠트랙킹 시험을 통해 수분 및 소성변형에 대한 저항성을 확인하였다. 또한, 드레인 다운 시험을 통해 시공성을 평가하였다.
3.1 재료
본 연구에서는 최대치수 20 mm의 굵은 골재와 5 mm이하의 잔골재를 사용하였고 채움재는 석회석분을 사용하였다. 바인더는 PG 76-22의 일반 개질 아스팔트 바인더를 사용하였고 Fig. 2와 같은 두 종류의 유리섬유를 첨가재로 혼입하였다.
3.2 배합설계
본 배합설계에서는 방수층의 표층 적용을 고려하여 WC-3 배합설계를 적용하였으며, 실험에 사용된 사용한 입도는 Fig. 3과 같다.
아스팔트 혼합물 제조 방법(KS F 2337, 2017)에 따라 양면 75회 다짐을 통해 PMA(Polymer Modified Asphalt), WGWMA(White Glass Wool Mixed Asphalt), YGWMA(Yellow Glass Wool Mixed Asphalt) 3가지 종류의 공시체를 제작하였으며 공시체의 공극률 측정결과는 다음 Table 1과 같다.
Table 1.
Asphalt air void
실험을 통해 본 연구에서 설계하고자하는 목표 공극률 1%이하에 맞춰 최적 아스팔트 함량(OAC)는 8%로 결정되었으며 이에 따른 섬유 혼입량은 혼합물 전체 무게의 0.25%로 결정하였다.
3.3 마샬 안정도 시험
불투수성아스팔트에 섬유를 혼입했을 때 마샬 안정도 측면에서 개선 가능성을 평가하기 위해 마샬 안정도 시험(KS F 2337, 2017)을 실시하였다. 마샬 안정도 시험은 공시체를 조건에 따라 종류별로 3개씩 제작한 뒤 제작된 공시체와 재하헤드를 30분 동안 수조 속에 수침시켜 공시체는 (60±1°C), 재하 헤드는 (20~40°C)의 온도를 유지하도록 한다. 수조에서 공시체를 꺼내어 재하 헤드가 설치된 시험기에 위치한 후, 50.8 mm/min의 속도의 하중을 가하여 파괴 시 변위와 강도를 측정한다. Fig. 4는 불투수성 아스팔트의 마샬 안정도 시험 모습을 보여준다.
3.4 간접인장강도 시험
불투수성 아스팔트에 균열이 발생할 경우 우수의 침투에 의해 콘크리트 열화 및 아스팔트가 파괴되는 현상이 발생할 수 있어 균열에 대한 저항정도를 평가하기 위해 간접인장강도 시험(KS F 2382, 2018)을 실시하였다. 간접인장강도 시험을 위해 공시체를 조건에 따라 종류별로 3개씩 제작한 뒤 제작된 공시체를 온도 조절 장치에 넣어 (25°C±0.5°C)로 6시간동안 보관한 뒤 공시체를 꺼내어 지그에 올려놓고 수평과 중심을 맞춘 후 50 mm/min의 재하속도로 수직파괴가 발생할 때 까지 하중을 가하여 최대하중을 기록한다. Fig. 5는 불투수성 아스팔트의 간접인장강도 시험 모습을 보여준다.
| $${\mathrm S}_{\mathrm r}=\frac{2\mathrm P}{\mathrm{πDh}}$$ | (1) |
여기서, Sr = 간접인장강도(Mpa)
P = 최대하중(N)
D = 공시체 지름(mm)
h = 공시체 높이(mm)
3.5 함부르크 휠트랙킹 시험
불투수성 아스팔트가 수침된 상태에서 박리나 균열이 발생하는지 확인하기 위해 함부르크 휠트랙킹 시험(AASHTO T 324, 2019)을 실시하였다. 선회다짐기로 다짐 된 샘플을 60°C의 물에 30분간 수침한 후 705±4.5 N의 휠 하중을 20,000회 반복재하 하여 러팅(Rutting)과 Stripping Point를 확인한다. 본 연구에서는 선회다짐기를 사용하지 않고 휠트랙킹 다짐기를 이용하여 하부 2 cm에 불투수성아스팔트, 상부 3 cm에 SMA 아스팔트를 사용한 30 cm * 15 cm * 5 cm 사이즈의 직사각형 공시체를 제작하여 시험을 진행하였다. Fig. 6은 함부르크 휠트랙킹 공시체와 시험 과정을 보여준다.
3.6 드레인 다운 시험
드레인 다운이란 아스팔트 혼합물에서 흘러내린 바인더를 뜻하며 드레인 다운 시험(KS F 2489, 2015)은 생산, 저장, 운반 및 포설시 높은 온도를 유지할 때 다져지지 않은 혼합물로부터 잔골재 중에 함유된 아스팔트 바인더가 흘러내리는 양을 측정하는 시험이다. 본 연구에서는 바인더 량이 많은 불투수성 아스팔트 특성상 운반 과정에서 재료분리가 일어날 수 있어 드레인 다운 기준에 부합한지 확인하기 위해 시험을 진행하였다. 1 kg의 아스팔트 혼합물을 혼합한 직후 유리비커에 부어 질량을 측정하고 유리나 얇은 뚜껑을 덮고 시험온도로 조절된 건조로에 1시간동안 넣어 둔다. 1시간이 지난 후 유리비커 내의 혼합물을 비우고 유리비커의 질량을 측정 후 손실된 질량에 대한 비율로서 드레인 다운 양을 계산한다. Fig. 7은 드레인다운 시험 과정이다.
| $$\mathrm{드레인}\;\mathrm{다운}\;\mathrm 양(\%)=\frac{(\mathrm C-\mathrm A)}{(\mathrm B-\mathrm A)}\times100$$ | (2) |
여기서, A = 유리용기의 질량
B = 용기+혼합물의 질량
C = 혼합물을 제외한 용기 질량
4. 실험 결과
4.1 마샬 안정도 시험
아스팔트 혼합물의 소성변형에 대한 저항성을 평가하기 위한 마샬 안정도 시험결과는 Table 2와 같다. PMA만 혼합할 경우 마샬 안정도 기준의 0.70배 정도인 5229.6N이 나와 기준을 만족하지 못하였다. 폐 유리섬유를 혼합하였을 경우 39283.3N(WGWMA)과 9807.9N(YGWMA)로 각각 마샬 안정도 기준보다 5.24배, 1.31배 높은 값을 얻었다. 불투수성 아스팔트의 경우 바인더량이 많아 섬유를 첨가하지 않을 경우 안정도기준을 만족하지 못하지만 섬유를 첨가할 경우, 섬유가 아스팔트 내부를 보강해줌으로써 마샬 안정도 측면의 개선이 가능하다는 것을 확인하였다. 하지만 섬유를 사용한 경우에도 흐름값이 기준 값을 초과하였는데 이는 바인더의 양이 많아 유동성이 커진 것으로 보이며 추후 휠트랙킹 시험과 변형강도 시험을 통해 소성변형 저항성에 대한 추가적인 평가가 필요할 것으로 판단된다.
Table 2.
Marshall Stability Test Results
4.2 간접인장강도 시험
아스팔트 혼합물의 균열에 대한 저항성을 평가하기 위한 간접인장강도의 결과는 Table 3와 같다. 간접인장강도는 2.84 N/mm2(WGWMA), 0.92 N/mm2(YGWMA)로 각각 간접인장강도 기준보다 3.55배, 1.15배 높은 것으로 측정되었고, 터프니스의 경우 48634 N/mm(WGWMA), 26297 N/mm(YGWMA)로 각각 터프니스 기준보다 6.08배, 3.29배 높은 것으로 측정되었다. 이는 섬유가 혼합물 내부에서 골재와 골재간의 결합력을 증대시키는 역할을 하는데 WGWMA가 YGWMA보다 분산이 잘 되어 균열에 대한 저항성이 더 크게 증가한 것으로 보인다.
Table 3.
Indirect Tensile Strength Test Results
| Sortation | Criteria | Result | Ratio | |
| WGWMA | ITS (N/mm2) | 0.8 | 2.84 | 3.55 |
| Toughness (N/mm) | 8000 | 48634 | 6.08 | |
| YGWMA | ITS (N/mm2) | 0.8 | 0.92 | 1.15 |
| Toughness (N/mm) | 8000 | 26297 | 3.29 | |
4.3 함부르크 휠트랙킹 시험
함부르크 휠트랙킹 시험 결과, Table 4와 같이 20,000회 반복재하 후 각각의 러팅(Rutting)이 12.44 mm (WGWMA), 14.24 mm(YGWMA) 발생하여 기준 값을 만족하였다. Fig. 8을 보면 WGWMA와 YGWMA가 초기 5 mm까지 같은 속도로 변형되었지만 이후 구간부터 WGWMA가 YGWMA보다 러팅(Rutting)이 천천히 발생하여 마샬 안정도에서의 결과와 동일하게 WGWMA가 YGWMA보다 소성변형에 대한 저항성이 높은 것으로 판단된다. 일반적인 아스팔트의 경우 수분에 의해 Stripping Point가 발생하게 되는데 WGWMA, YGWMA 모두 Stripping Point가 발생하지 않아 수분에 대한 저항성 높다고 판단되며 이는 불투수성 아스팔트의 목적에 부합한 결과로 보인다.
Table 4.
Hamburg Wheel Tracking Test Results
| Sortation | Number of Rotations (times) | Final Rutting (mm) | Texas Dot Criteria |
| WGWMA | 20,000 | 12.44 |
20,000 times less than 20 mm |
| YGWMA | 20,000 | 14.24 |
4.4 드레인 다운 시험
불투수성 아스팔트의 경우 바인더의 함량이 많아 운반과정 및 시공과정에서 블리딩 및 재료분리가 발생할 가능성이 큰데 드레인 다운 시험 결과 Table 5와 같이 0.25%(WGWMA), 0.3%(YGWMA)로 기준 값을 만족하여 시공 시 블리딩 및 재료분리의 위험성이 없는 것으로 판단된다.
5. 결 론
본 연구는 폐섬유를 활용한 불투수성 아스팔트 개발을 통해 기존의 방수층의 공용성 및 경제성을 개선하기 위해 실시되었으며 마샬 안정도, 간접인장강도 등의 실험을 통해 방수층의 공용성을 평가하였다. 연구를 통해 도출된 결론은 다음과 같다.
1. 마샬 안정도 시험 결과, PMA만 사용한 경우 마샬 안정도 기준 값을 만족하지 못하였으나 섬유를 사용한 경우에는 기준 값을 충족하였으며 WGWMA가 YGWMA를 사용할 경우보다 하중에 대한 저항성이 높았다. 이는 섬유가 아스팔트 내부를 보강한 것으로 판단된다.
2. 흐름값의 경우, 기준 값을 초과하였는데 이는 불투수성 아스팔트의 특성상 바인더의 양이 많아 유동성이 커진 것으로 보이며, 추후 실험을 통한 추가적인 평가가 필요할 것으로 판단된다.
3. 간접인장강도 시험 결과, 두 종류 모두 기준 값을 충족하였으며 WGWMA가 YGWMA를 혼합한 경우보다 높은 간접인장강도와 터프니스를 가졌는데 이는 섬유의 분산에 따른 차이로 보인다.
4. 함부르크 휠트랙킹 시험 결과, Texas 기준보다 적은 러팅(Rutting)을 보였고 WGWMA가 YGWMA보다 소성변형에 대한 저항성이 높았으며 두 종류 모두 Stripping Point가 없어 수분에 대한 저항성이 높다고 판단된다.
5. 드레인 다운 시험 결과, 모두 기준 값인 0.3%을 만족하여 운반과정 및 시공과정에서 블리딩 및 재료분리가 일어나지 않을 것으로 판단된다.
폐섬유를 활용한 불투수성 아스팔트 연구 결과 강도 및 수분에 대한 저항성이 우수한 것으로 나타났으나, 소성변형 저항성과 밀접한 흐름특성의 값이 다소 적합하지 못하여 추후 연구를 통해 개선이 필요할 것으로 판단된다.
