1. 서 론

국내 폐타이어 발생량은 타이어 교체시와 자동차 폐차시 주로 발생되며 2009년 293,930톤, 2021년 383,800톤으로 발생량이 증가하였고, 경제성장과 더불어 점점 증가 될 것이다. 나아가 이로 인한 환경문제는 더욱 심각해질 것으로 판단된다. 폐타이어의 이용실태를 보면 2019년에 시멘트 킬른의 열원이용, 고형연료제품, 고무분말 등의 가공이용 등으로 약 79.6%가 재활용되었다. 이중 시멘트 킬른의 열원이용으로 사용하는 경우가 60.7%로 재활용의 대부분을 차지하였다(KOTMA, 2021). 고무분말로의 가공이용은 1 mm 이상의 고무분말을 사용하여 개질 아스팔트, 도로실런트, 보도블럭, 보도포장, 신발, 방진, Mat(기계설치용, 아파트 층간 방음재), 철도용 방진 매트, 단열재, 자전거 또는 산업 및 채움재 등으로 사용되고 있다.

국내에서 Kim et al.(1998; 2000)과 Doh et al.(2007)은 건식 혼합방식을 사용한 폐타이어 고무분말(Crumb rubber modifier : CRM) 개질 아스팔트 콘크리트의 배합설계를 수행하여 국내에서 규정하는 소요의 성질에 적합한 CRM 아스팔트 혼합물을 제조하였다. 미국 South carolina 주에서는 Amirkhanian and Kim(2005) 및 Juan et al.(2005)은 폐타이어의 습식 방법에 의한 연구를 통해 극저온 파쇄 CRM 보다 상온 파쇄 CRM이 아스팔트 혼합물의 특성을 향상시키는데 더 효과적이라고 하였고, Veizer(1993)는 표층용 SMA 개념을 기층용으로 LAM(Large aggregate mix) 개념을 적용한 결과, CRM 10%함량인 개질 아스팔트를 사용한 SMA 혼합물이 일반 SMA 혼합물보다 우수한 것으로 나타났다.

따라서 본 연구는 극저온 파쇄 CRM을 사용한 Pre-mix 개질 아스팔트 바인더의 물리적 성상 변화와 저장안정성을 평가하고 상온파쇄 CRM 사용 개질 아스팔트 바인더와의 상태를 비교함으로써 아스팔트 혼합물 실험시 기초 자료 활용을 목적으로 한다.

2. 사용재료 및 시험방법

2.1 사용재료

2.1.1 폐타이어 분말

본 연구에서 사용된 개질재는 폐타이어 분말(Crumb rubber modifier: CRM)로 상온(약 25°C) 파쇄한 CRM과 극저온(-140~-160°C) 파쇄한 CRM을 사용하였다. Table 1과 같은 내용으로 입자가 80~120Mash의 CRM을 스트레이트 아스팔트 바인더 양의 13%로 혼합하여 실험에 사용하였다. 또한, L-NCRM(I)과 L-NCRM(II)은 극저온 파쇄 CRM과 상온 파쇄 CRM을 혼합 사용 시 양에 따른 차이를 확인하고자 10%씩 극저온 파쇄 CRM 양을 감소시켜 실험용 개질 아스팔트를 제조하였다.

2.1.2 아스팔트

본 연구에 사용된 아스팔트는 국내에서 생산되는 Table 2의 침입도 60~80등급 아스팔트를 기본 아스팔트로 사용하였고, 개질재 혼합 후 물성의 변화를 확인하였다.

2.2 시험방법

2.2.1 침입도 및 연화점 시험

아스팔트의 경도를 비교하기 위해 역청 재료의 침입도 시험방법(KS M 2252)에 따라 25°C의 항온수조에서 1시간 안정화를 거친 후 하중 100 g을 가하고, 관입 시간 5초 후 침입 깊이를 측정하였다. 연화점 시험은 역청 재료의 연화점 시험방법(KS M 2250)에 따라 측정하였다. Fig. 1과 Fig. 2는 침입도 측정시험기와 연화점 시험기이다.

Fig. 1.

Penetration tester

Fig. 2.

Softening point

2.2.2 회전점도 시험

회전 점도계를 이용한 아스팔트의 점도 시험 방법(KS F 2392)으로 측정한 동점도는 바인더의 펌핑과 골재와의 혼합에 대한 유동성을 충분히 가지는지 확인을 위해 혼합물을 포설하는 개략적인 온도인 135°C에서 30분간 안정화 후 15분간 스핀들을 회전시키며 측정하였다(Park et al., 2010). 제시된 동점도의 상한치는 3,000 cP이며 이보다 높으면 혼합물을 제조하고 포설하는데 문제가 있다고 본다(Superpave, 1994). Fig. 3은 회전점도 시험기를 보여준다.

Fig. 3.

Rotational viscometer

2.2.3 동적전단유동시험

동적 전단 유동 시험기(Dynamic shear rheometer: DSR)는 아스팔트 바인더의 점탄성 거동특성을 분석하기 위한 시험 장비로서 아스팔트의 거동은 시간 및 온도의 영향을 받으므로 시간 및 온도에 대한 영향을 동시에 측정하는 것이 이상적이다(Fig. 4). DSR 시험은 바인더의 복합 전단계수(Complex shear modulus) 및 위상각(Phase angle)을 측정하여 아스팔트 바인더의 점성 및 탄성거동 특성을 분석한다. 복합전단계수는 지속적으로 전단 작용을 받는 조건에서 재료가 가지고 있는 변형에 대한 전단 저항력을 탄성(회복)과 점성(비회복) 부분으로 구성되어 있다. 위상각은 탄성 및 점성 변형의 상대변위를 나타내고 G*Sinδ 값은 G*와 δ의 두가지 특성으로 구성된 특성치로서 탄성이 강한 바인더는 G*/Sinδ 값이 높고, 점성이 강한 바인더는 낮은 값을 갖는다(Na, 2019, 2021).

Fig. 4.

DSR (Dynamic shear rheometer) test equipment and sample

단기노화 되지 않은 DSR 시험용 아스팔트 시료를 하부의 고정판에 올려놓고 10분간 안정화 시킨 후 상부의 지름 25 mm 스핀들을 내려서 시료를 하부 고정판과 압착 후 1 mm 두께를 유지하였다. 온도에 따라 아스팔트 시료가 수축하거나 팽창하여 지름 및 두께가 변하므로 시료 두께를 고정한 후 온도 변화는 ±0.1°C 이내로 하였다.

스핀들에 의해 일정한 Strain이 발생하도록 비틀림을 가하여 발생하는 토크(Torque)와 위상각(δ)의 측정을 통해 G*Sinδ를 구하였다. 또한, 복합전단계수의 측정은 식 (2) 응력과 식 (3) 응력변형 관계를 이용하여 식 (1)와 같이 구한다.

여기서, T : 시료에 가해진 최대토크, r : 아스팔트 시료의 반경(12.5 mm), θ : 회전각, h : 샘플의 높이(1 mm) 이다.

2.2.4 저장안정성 시험

침입도 60-80의 아스팔트 바인더와 CRM 4종류를 185°C로 가열된 침입도 60-80의 아스팔트 바인더에 투입한 후 약 30분 동안 고속 믹싱 교반기를 이용하여 4,000 RPM의 속도로 교반한 후 시가튜브(Cigar Tube)에 각각 50 g씩 일정량을 넣어 샘플을 준비하였다.

현장 플랜트에 설치된 아스팔트 바인더 저장탱크에서의 상분리 현상을 모사하기 위해 160°C 온도로 유지되는 오븐에 4종류의 습식 개질 아스팔트 바인더를 넣어 1일, 3일, 7일을 각각 보관하였다. 상분리 현상을 비교하기 위해 개질 아스팔트 제조 직후 KS M 2250, KS F 2392 방법에 따라 1일, 3일, 7일간 보관된 시료를 상부와 하부로 구분하고 연화점과 동점도 측정 값을 통해 저장 안정성을 평가하였다.

3. 시험결과

3.1 아스팔트 바인더의 물리적 특성

아스팔트 바인더의 물리적 특성을 파악하기 위해 Table 3과 같이 결과를 정리하였다. 침입도는 5회 측정 평균치로서 Straight asphalt의 68보다 NCRM, LCRM, L-NCRM(I), L-NCRM(II)이 낮았고, 4종류 아스팔트 바인더의 침입도는 34~36 범위로 유사하였다. 연화점 측정결과 Straight asphalt는 48.8°C, NCRM은 55.3°C를 보였다. 극저온 파쇄 CRM이 개질된 LCRM, L-NCRM(I), L-NCRM(II)은 62°C이상 값으로 앞선 Straight asphalt 보다도 약 14°C 높은 연화점을 나타냈다. 이를 통해 극저온 파쇄 CRM은 개질 아스팔트의 연화점을 상승시키는 요인이 될 수 있을 것으로 추정되었다.

135°C 회전점도 시험결과 동점도는 Straight asphalt가 394 cP로 가장 낮았고 NCRM은 2,750 cP, LCRM, L-NCRM(I), L-NCRM(II)은 3,200 cP 이상으로 측정되어 극저온 파쇄 CRM을 사용하여 개질 시 연화점의 결과와 마찬가지로 점도 향상에 영향을 주는 것으로 판단되었다. 또한, LCRM, L-NCRM(I), L-NCRM(II)의 경우 작업성에 유리한 점도 수치인 3,000 cP보다 상회하고 있어 아스팔트 혼합물로 제조시 생산온도의 상승 및 다짐온도 상승이 요구될 것으로 사료된다. 동적전단 유동시험을 통해 고온에서의 점탄성 특성을 파악하고자 G*/sinδ 값을 비교하였다. Straight asphalt는 0.35 kPa로 가장 낮은 강성을 나타냈고, LCRM이 1.55 kPa로 가장 높은 강성을 보였다. 그러나 나머지 4종류의 아스팔트 바인더는 76°C에서 1.0 kPa 이상의 값을 가졌고, 탄성의 증가는 아스팔트 혼합물 적용 시 소성변형 저항성이 개선될 것으로 판단되었다.

3.2 저장안정성 평가

3.2.1 NCRM과 LCRM

NCRM과 LCRM 두 가지 개질재의 상분리 현상에 대해 알아보고자 준비된 시가튜브를 1일, 3일, 7일로 구분하여 실험을 진행하였다. 각 기간별로 160°C 오븐에서 저장이 완료된 시료에 한하여 약 2시간 저온 냉동보관 후 시가튜브를 상부와 하부로 절단하고 연화점, 동점도 샘플을 채취하였다. 이후 재료에 따라 연화점과 135°C에서의 동점도를 측정하여 상분리에 대한 평가를 진행하였다. 만약 개질 아스팔트에서 상분리 현상이 발생한다면 저장기간에 따라 상단과 하단의 연화점 및 동점도는 차이가 발생 할 것이다. Fig. 5은 NCRM과 LCRM의 연화점 결과를 보여 주고 있으며 0일에서는 큰 변화를 보이지는 않지만 1일차부터 상분리 현상이 발생되어 NCRM의 경우 3.3~9.4°C, LCRM의 경우 2.7~8.1°C 범위로 시간이 지날수록 변화폭이 커지고 있음을 확인하였다. NCRM의 경우에는 하단 샘플의 연화점이 높게 나타나고 있음에 따라 저장기간에 따라 차이가 나타나는 것으로 보이며, LCRM의 경우 상단부의 연화점이 높게 나타남으로 NCRM과는 정반대의 결과를 보였다. Fig. 6은 NCRM과 LCRM의 동점도 결과를 나타내며 기간별로 상단과 하단에서의 점도차이가 각각 최대 11,400 cp, 10,700 cp이다. 또한, NCRM은 하단부에서의 기간별 점도가 높게 측정됨으로 개질재가 아래로 가라 앉은 것으로 판단되고 LCRM은 상단부에서 기간별로 점도가 나타나 개질재가 위쪽으로 떠있는 것으로 판단되었다.

Fig. 5.

Softening point of NCRM/LCRM

Fig. 6.

Knematic viscosity of NCRM/LCRM

3.2.2 NLCRM과 LNCRM

앞선 결과를 통해 NCRM과 LCRM의 특성을 정리하면 NCRM은 하부로 개질재가 가라앉으며 LCRM은 상부로 떠오르는 특성을 보임에 따라 두 종류 개질재를 일정 비율로 혼합한 L-NCRM(I)과 L-NCRM(II)를 이용하여 상분리 현상에 대해 보완 가능성을 확인하고자 하였다. 그 결과 Fig. 7의 연화점 결과 L-NCRM(II)은 기간이 지남에 따라 상단 대비 하단의 값이 최대 13.9°C가 높게 나타났으며, L-NCRM(I)의 경우에는 기간 변화에 따라 상단이 최대 6.3°C 높게 나타났다. 이는 Fig. 8의 동점도 값에서도 유사한 경향을 보이나 앞에서의 NCRM과 LCRM 측정값의 변화폭 보다 L-NCRM(I)과 L-NCRM(II)이 대략 30~40% 작게 나타나는 것을 확인하였다.

Fig. 7.

Softening point of NLCRM/LNCRM

Fig. 8.

Knematic viscosity of NLCRM/LNCRM

4. 결 론

본 연구에서는 극저온 파쇄 CRM이 개질 아스팔트 바인더에 미치는 물리적 영향에 대해 평가 하였으며, 실험결과 다음과 같은 결론을 도출하였다.

1)파쇄방식별 CRM을 사용한 개질아스팔트의 침입도는 큰 차이가 없었으나, 극저온 파쇄 CRM 사용은 연화점, 점도, G*/sinδ 값의 증가를 나타내 CRM 파쇄 방법에 따라 개질 아스팔트 바인더의 물리적 특성 차이가 있음을 알 수 있었다.

2)Straight asphalt와 NCRM은 135°C에서 동점도 상한치인 3,000 cP를 만족하였으나 극저온 파쇄 CRM 혼합 개질 아스팔트 바인더는 3,000 cP를 초과하여 작업성이 감소 할 것으로 추정하였다.

3)저장안정성 시험결과 NCRM은 바인더 보관시 시간이 지남에 따라 하부로 가라앉는 현상이 발생하고 LCRM은 상부로 떠오르는 현상이 발생함에 따라 두 가지의 개질재 모두 플랜트의 저장탱크에서 장기보관이 불리할 것으로 판단되었다. CRM 파쇄시 동일 60~80 mash일지라도 극저온에서는 좀더 80 mash에 가까운 입자들이 더 많이 분포 되어 나타나는 현상으로 추정되었다.

4)L-NCRM(I)과 L-NCRM(II)을 제조하여 실험한 결과 두 가지 모두 상분리 현상이 발생되기는 하였으나 NCRM과 LCRM 단독 사용 보다 연화점과 동점도 변화폭이 줄어 저장안정성 개선 가능성을 확인하였다. 하지만 앞서 언급한 바와 같이 NCRM의 가라앉는 특징과 LCRM의 떠오르는 특징이 결합되어 나타난 현상일 가능성이 충분하므로 이에 대한 검토를 위해 추가 실험 진행이 필요한 것으로 판단된다.