1. 서 론
2. 사용재료 및 시험방법
2.1 사용재료
2.2 시험방법
3. 시험결과
3.1 아스팔트 바인더의 물리적 특성
3.2 강도 특성
3.3 철도궤도구조의 영구변형 저항성 평가
4. 결 론
1. 서 론
아스팔트는 원유의 정제과정에서 생산되는 천연재료이나 온도에 따른 감온성이 커서 아스팔트 콘크리트 궤도(Asphalt Concrtet Track : ACT)에 사용시 하절기에는 연성, 동절기에는 취성이 커서 파손의 우려 가 있다. 이를 보완하기 위해 각종 재료를 첨가하여 아스팔트의 특성을 개질(Modification) 하면 연성에 의한 변형은 물론 취성에 따른 균열을 줄여 아스팔트 콘크리트 궤도의 수명을 연장할 수 있다(Na, 2020). 이러한 물성 개선에 가장 많이 사용되고 있는 폴리머 개질 아스팔트(Polymer-modified asphalt: PMA)는 감온성이 크게 줄어들어 고온 공용온도(High serviceability temperature)인 60~80°C에서 탄성이 향상되므로 변형에 대한 저항성능이 강화된다. 하지만 폴리머 개질 아스팔트는 온도가 낮아지면 작업성(Workability)이 나빠지는 단점도 있어 현장의 작업과정에서 온도조절이 잘 이루어지지 않으면 점도가 상승하여 다짐불량을 유발할 수 있고 장기적으로 노화 진행이 빨라 균열이 유발되기도 한다(Rose et al., 2009; Park et al., 2012).
국내에서는 아직 아스팔트 노반 및 궤도에 대한 연구가 전무하지만 독일에서는 아스팔트 궤도인 GETRAC 시스템과 ATD 시스템을 개발하여 고속선에 사용하고 있을 뿐만 아니라 GETRAC보다 성능이 더 우수한 아스팔트 궤도를 현재 연구 중에 있다. 오스트리아에서도 다년간의 연구를 통하여 아스팔트 침목 직결궤도인 IVES를 자체 개발하여 최근 실현장에 부설하여 영업선 운행을 시작 하였고 프랑스, 이탈리아 등 철도 선진국에서는 유도상 아스팔트 노반 궤도를 고속선에서 사용 중에 있다. 따라서 아스팔트 콘크리트 궤도 활용성을 위해서는 개질 아스팔트 및 혼합물 평가를 통해 그 적용성을 확인 할 필요가 있다(EAPA, 2014; Lee et al., 2017; Na, 2019).
이에 본 연구의 목적은 국내 아스팔트 콘크리트 궤도 연구를 통해 개발 된 3가지의 철도 특화 개질 아스팔트를 가지고 기본 물성 및 작업성을 평가하고 이로 제조한 혼합물의 기본 강도특성을 측정하여 아스팔트 콘크리트 궤도의 활용성을 평가하는 것이다.
2. 사용재료 및 시험방법
2.1 사용재료
2.1.1 아스팔트 바인더
본 연구에서는 한국철도기술연구원의 주요사업을 통해 개발된 자갈 및 콘크리트 궤도에 특화 아스팔트를 포함하여 PG64-22의 2가지와 PG76-22의 3가지를 이용하였으며 침입도, 연화점, 점도 등에서 Table 1과 같은 물리적 특성을 가진다. 또한, 공용성 등급(PG)에 따라 PG64-22는 AP(N), ST(N)으로 표기하고 PG76-22는 SB(M), ST(M), CR(M)으로 표기하였다.
Table 1.
Test factor of resilient modulus
2.1.2 골재
아스팔트 콘크리트 궤도 혼합물 제조를 위해 굵은골재 최대치수 13 mm, 19 mm 화강암 계열의 굵은골재를 선택하였다. 잔골재는 8번체를 통과한 부순모래(Screenings)와 채움재(Mineral filler)로는 석회석 분말을 사용하였다. 골재의 합성입도 곡선은 아스팔트 콘크리트 궤도의 현장 공사시방기준에 따라 적용하였으며 Fig. 1, Fig. 2와 같다.
2.2 시험방법
2.2.1 아스팔트 바인더의 물리적 특성시험
회전점도계를 이용한 점도(Viscosity) 시험은 플랜트에서 아스팔트를 펌핑하고 골재와 혼합할 때 아스팔트의 작업성(Workability)를 평가하는데 사용된다. 가열한 아스팔트를 용기에 부어 넣은 후 스핀들을 넣고 일정온도에서 30분간 유지 후 15분간 스핀들을 회전시켜 점도를 측정하였다.
바인더의 점탄성 거동특성을 분석하기 위해 전단유동시험기(Dynamic shear rheometer: DSR)를 사용하였다. DSR 시험은 바인더의 복합전단계수(Complex shear modulus: G*) 및 위상각(Phase angle: δ)을 측정함으로써 바인더의 점성 및 탄성거동 특성을 분석하여 PG 고온등급을 결정하였다(Na, 2020). 또한 BBR(Bending beam rheometer)시험을 통해 일정 저온하에서 아스팔트 보(Beam) 시편에 휨 모드의 크리프 하중을 가하여 stiffness와 m-value를 구한 후 PG 저온등급 결정에 사용하였다(Figs. 3, 4).
2.2.2 도상용 아스팔트 혼합물의 강도 특성 시험
마샬안정도 시험은 아스팔트 혼합물의 강도를 측정하기 위한 시험으로서 반원형의 시험헤드를 통하여 원통형 공시체에 압축하중을 가하는 형식이다. 공시체의 파기를 야기하는 하중이나, 견딜 수 있는 최대 하중을 나타내고 흐름치(Flow)는 하중이 가해지는 시작점부터 하중이 감소하기 시작할 때까지의 총 변위를 나타낸다.
간접인장강도는 아스팔트 포장이 윤하중에 의한 영향을 견디어 내는 중요한 특성으로 인장강도의 향상은 포장의 수명증진 효과가 있는 것으로 보고되고 있다(Na, 2019). 본 연구에서는 직경 100 mm 공시체로 측정하였고, 식 (1)은 간접인장강도 계산식이며, 최적아스팔트 함량으로 원형 공시체를 제조하여 간접인장강도 시험을 수행하였다.
여기서, ITS = 간접인장강도(MPa), P = 최대하중(N), D = 공시체 직경(mm), t = 공시체 두께(mm)이다.
2.2.3 철도반복주행시험
철도반복주행 시험은 아스팔트 콘크리트 궤도의 영구변형 저항성 평가를 위해 개발된 시험방법으로서 Na(2019)가 제안한 방법을 적용하였다. 배합설계를 통해 결정된 최적 아스팔트 함량을 가지고 롤러 다짐기로 목표 공극률 1~3%의 크기 305 mm × 305 mm × 50 mm의 슬래브 공시체를 제작하였다. 제작된 슬래브는 65°C의 챔버에서 3시간 보관 후 1,296 N의 하중을 재하하고 80 pass/min의 속도로 철도반복주행시험을 수행하였다(Na et al., 2014; Na, 2019; Na et al., 2019). 본 시험을 통해 동적안정도 및 침하깊이를 도출하며 동적안정도 계산식은 아래 식 (2)와 같다. Fig. 5에서는 반복주행시험의 모식도를 보여준다.
3. 시험결과
3.1 아스팔트 바인더의 물리적 특성
아스팔트 바인더의 DSR시험을 통해 사용된 개질 아스팔트의 G*/sinδ 값을 측정하였고 Fig. 6의 결과를 얻었다. PG64-22등급을 나타낸 Control인 AP(N)와 비교하여 동일 등급의 ST(N)가 64°C에서 Original과 RTFO의 G*/sinδ 값이 0.2의 차이로 높게 나타났다. 또한 PG76-22 등급의 SB(M), ST(M), CR(M)은 76°C에서 Original의 G*/sinδ 값이 각각 1.61, 1.72, 2.11로 나타났다.
아스팔트 바인더에 대한 Original 대비 RTFO 후 G*/sinδ 값의 비를 Fig. 7과 같이 나타났으며 PG64-22등급은 AP(N)이 64°C와 70°C의 RTFO 후 G*/sinδ 값이 Original 대비 평균적으로 약 2.08로 가장 높게 나타났고, SB(M)은 1.67, ST(N)은 1.65, CR(M)은 1.43, ST(M)은 1.31로 가장 낮음을 보여 노화에 대한 저항성이 우수할 것으로 사료된다. 또한, SB(M)의 경우 76°C, 82°C의 온도별 비교에서 Original 대비 RTFO 후 G*sinδ 값의 비가 크게 나타남으로서 온도 상승에 따른 노화에 취약할 것으로 판단된다.
3.2 강도 특성
ITS와 마샬안정도 시험을 통해 Fig. 8과 같은 결과를 얻었으며 PG등급에 따라 아스팔트 콘크리트의 Stiffness의 차이를 보였다. ITS의 경우 13 mm 아스팔트 혼합물은 PG64-22 = 1.04 MPa, PG76-22 = 1.38 MPa이고 19 mm 아스팔트 혼합물은 PG64-22 = 1.11 MPa, PG76-22 = 1.31 MPa을 나타내었다. 또한 마샬안정도의 경우 13 mm 아스팔트 혼합물은 PG64-22 = 1,365 kgf, PG76-22 = 1,575 kgf이고 19 mm 아스팔트 혼합물은 PG64-22 = 1,413 kgf, PG76-22 = 1,642 kgf을 보였다. 전체적으로 철도에 적용되는 입도를 통한 아스팔트 혼합물의 강도특성 시험에서 13 mm 아스팔트 혼합물 보다는 19 mm의 아스팔트 혼합물이 높은 값을 보였다.
3.3 철도궤도구조의 영구변형 저항성 평가
반복주행속도 80 pass/min을 통해 침하깊이 및 동적안정도, 변형속도를 확인하였고, Table 2의 결과를 얻었다. 최종침하깊이는 13 mm와 19 mm 혼합물 모두 CR(M)가 가장 작게 나타났고 동적안정도도 유사한 경향을 보였다. PG64-22의 등급에서도 아스팔트 바인더의 G*/sinδ 값이 AP(N)보다 ST(N)이 높게 나타났고 이는 영구변형에서도 ST(N)이 상대적으로 0.54 mm 작게 나타나는 경향을 보였다.
또한, 13 mm 아스팔트 혼합물의 동적안정도 결과에서 PG64-22의 7,200 pass일 때 AP(N)은 DSrail = 2,908 pass/mm, ST(N)은 DSrail = 3,333 pass/mm으로 PG64-22 = 3,120 pass/mm이며 PG76-22 3가지 혼합물의 PG76-22 = 6,899 pass/mm이다. 19 mm 아스팔트 혼합물은 PG64-22일 때 PG64-22 = 3,233 pass/mm, PG76-22는 PG76-22 = 7,079 pass/mm이다. 즉 13 mm 아스팔트 혼합물보다 19 mm 아스팔트 혼합물이 PG64-22와 PG76-22에서 각각 113 pass/mm, 180 pass/mm으로 모두 높은 것으로 나타나 19 mm 혼합물이 영구변형 저항성에 유리함을 확인할 수 있었으며, 철도 반복주행시험의 혼합물 종류에 따른 변별력이 있었다. 이와 관련하여 많은 연구자들에 의해 골재 입자의 최대치수를 크게 할수록 혼합물의 내유동성이 우수한 것으로 밝혀진 바 있으나 혼합물 시공시의 품질관리나 배합설계의 어려움 등의 이유로 무한정 큰 입경의 골재를 사용하는 것은 적절치 않다(Kim, 2000).
Table 2.
Results of 80 pass/min for MWTT
4. 결 론
철도에 적용 가능한 아스팔트 바인더 및 혼합물의 실내평가를 실시하였고 아스팔트 바인더에 따라 단기노화 성능에 약간의 차이가 있음이 확인 되었으며 ST(M)이 노화에 대한 저항이 우수할 것으로 판단된다. 또한, 강도특성 및 영구변형저항 성능에서 13 mm보다는 19 mm 아스팔트 혼합물이 우수함을 보임에 따라 열차의 하중, 영구변형저항성을 고려시에는 19 mm 아스팔트 혼합물의 적용이 유리할 수 있으나, 철도의 특성상 열차주행 진동 등 다양한 요소들이 고려되어야 함으로 추가적인 연구를 통해 종합적 검토 후 판단하는 것이 필요할 것으로 사료된다.
철도 아스팔트 콘크리트 도상의 영구변형저항성을 평가하기 위한 방법으로 철도반복주행시험을 실시하였으며 이는 PG등급 및 골재 종류에 따라 변별력을 가지는 것을 나타나 향후 철도 아스팔트 혼합물의 성능평가에 유용하게 적용될 수 있을 것으로 사료된다.
