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익태 팽
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1 한국아스팔트학회지 KOREAN ASPHALT SOCIETY Vol. 1, No. 1, 0-00, 2011 A Study on Cold Mix Asphalt Concrete for the Application of Wearing Coarse Chool Seon. Rhee and Han Gyun. Jeoung *Corresponding author : [Tel: +, ] 1. 서론 국제적으로환경규제가강화되어일본교토협약 ( 지구온난화방지회의 ) 의결과선진국들의지구온난화가스배출삭감목표가 2006 년 ~2010 년까지평균 6% 삭감으로결정되었다. 우리나라는협약당시개발도상국가로분류, 1 차대상국에서제외되었으나 OECD 가입등으로국제적인감축압력이거세질것으로예상되고있다. 따라서전산업분야에서 CO 2 를감축할대체기술의개발이시급한실정이다. 특히건설토목분야에서 CO 2 배출과에너지소모가비교적많은아스팔트혼합물제조분야에서의감축노력이절실한것으로평가되고있다. 본연구는가열에너지를사용하지않고분진, 이산화탄소, SOX, NOX 등대기환경오염물질을배출하지않는환경친화적인표층용상온아스팔트혼합물을개발하여대기환경오염을방지하고에너지절감등을통해원가절감을실현하고자하는것으로지구환경보전차원에서세계적으로관심이집중되고있는비가열생산방식인상온아스팔트혼합물중, 건설신기술로지정된기층용상온재생아스팔트혼합물의연구및시공실적을바탕으로국내실정에적합한표층용상온아스팔트혼합물의개발에관한연구를수행하고자하며, 먼저상온아스팔트혼합물의기초적인특성을파악하고자한다. 본연구에서는일반, 개질, 배수성, 칼라상온표층용아스팔트혼합물에적합한유화아스팔트를활용하여각각의제품에대한물성의파악하여상온아스팔트혼합물의제품특성을알고자한다. 2. 재료및방법 2.1 사용재료사용된재료는골재로서 19 mm, 13 mm, 석분 ( 화강암 ) 을사용하였으며, 채움재로서석회석분을사용하였다. 바인더로는유화아스팔트 ( 양이온 ) 를사용하며, MS(C)-2 를기본으로하여각기다른경화속도의유화제를사용하여복합계열의유화시스템을구성하였다. 바인더의물성을개선하기위해서수용성계열의고분자물질, 수지, 무기질첨가제, 섬유첨가제등을사용하였다. 본연구에서사용된양이온계유화아스팔트의품질및성능에대한기준은 Table 1 에나타내었으며, 사용된골재의품질규격은굵은골재 Table 2, 잔골재 Table 3, 채움재 Table 4 에나타내었다. 2.2 시험방법본연구에서는상온아스팔트혼합물의표층적용을위한기초특성을파악하기위해일반, 개질, 배수성, 칼라상온표층용아스팔트혼합물을설계하여마샬안정도 ( 수침잔류안정도 ), 휠트랙킹, 회복탄성시험을실시하였다. 상온아스팔트혼합물의배합설계는수정마샬방법의기초이론을적용하여골재와바인더의코팅력을기준으로수분함량을산출한후선회다짐방법에따라다짐을하여공시체를제작하였다. 공시체에대한품질시험은마샬시험절차에따랐으며최적아스팔트함량의결정은마샬안정도나흐름치보다는공극률을기준으로하였다. 배합설계는결정된골재합성비를적용하여준비한후 KS F 2377 에따라선회다짐횟수는 75 회로정하여다짐하였다. 양생조건은가열양생방법 (60 o C) 과상온양생방법으로적용가능하나본연구에서는현장개방시간및도로양생조건과유사한상온양생방법에따라상온에서 48 시간양생하였다. 수정마샬안정도시험은아스팔트혼합물의흐름에대한저항성을측정하는시험으로 25 o C 의상온상태에서압축력을가하는변형시험방법이다. 또한일반가열아스팔트혼합물과의비교를위해 60 o C 의물에수침후측정하는마샬안정도시험과 25 o C 수침후측정하는방식을병행하여실시하였다. 3. 결과및고찰 상온아스팔트혼합물의합성입도는기술표준원 GR 1

2 Table 1. 유화아스팔트종류및품질기준 시험항목 규격 MS(C) MS(A) 엥글러도 (25 o C)( 점도 ) 3 ~ 40 3 ~ 40 체잔류분 (1.18 mm) 질량 % 0.3 이하부착도 ⅔ 이상 - 골재피막도 (40 o C,5분 ) - 조립도골재혼합성균등할것 - 균등할것 - 밀립도골재혼합성균등할것 - 균등할것 흙덩어리골재혼합성질량 % 5 이하 5 이하 시멘트혼합성질량 % - 입자의전하양 (+) 음 (-) 저장안정도 (24 시간 ), 질량 % 동결안정도 ( 5 o C) 1 이하 증발잔류분 (wt%) 60 이상 50 이상 57 이상 증발잔류물 침입도 (25 o C) (1/10 mm) 신도 (15 o C, cm) 톨루엔가용분 (%) Table 2. 굵은골재품질기준및시험결과 100 ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ 이상 98 이상 97 이상 시험항목 KS 기준치 시험결과 20 mm 13 mm 관련시험규격 겉보기비중 (%) 2.45 이상 KS F 2503 흡수율 (%) 3.0 이하 KS F 2503 단위중량 (kg/m 3 ) 1250 이상 KS F 2505 마모율 (%) 35 이하 KS F 2508 안정성 (%) 12 이하 KS F 2507 피막박리 (%) 95 이상 95 이상 95 이상 KS F 2355 Table 3. 잔골재품질기준및시험결과시험항목 KS 기준치 시험결과 관련시험규격 겉보기비중 (%) 2.5 이상 2.69 KS F 2504 흡수율 (%) 1250 이상 1.27 KS F 2504 단위중량 (kg/m 3 ) 1250 이상 1716 KS F 2505 안정성 (%) 15 이하 4.7 KS F 2507 Table 4. 채움재의품질기준및시험결과 시험항목 KS 기준치 석회석분 관련시험규격 수분함량 (%) 1.0 이하 0.1 입도 ( ) 비중 mm mm 95 이상 mm 90 이상 mm 70 이상 89.2 KS F 3501 한국아스팔트학회지제 1 권제 1 호,

Table 5. 상온및가열아스팔트혼합물의배합설계방법비교 구 혼합물다짐방법최적유화아스팔트함량공통사항 분상온아스팔트혼합물 일반가열아스팔트혼합물 선회다짐기이용마샬다짐기이용상온상태의배합시험 150 o C에서의배합시험 공극율기준으로 OAC 결정 마샬배합설계방법으로 OAC 결정 마샬배합설계기준으로품질테스트추가시험간접인장강도시험 - Table 6.

3 Table 5. 상온및가열아스팔트혼합물의배합설계방법비교 구 혼합물다짐방법최적유화아스팔트함량공통사항 분상온아스팔트혼합물 일반가열아스팔트혼합물 선회다짐기이용마샬다짐기이용상온상태의배합시험 150 o C에서의배합시험 공극율기준으로 OAC 결정 마샬배합설계방법으로 OAC 결정 마샬배합설계기준으로품질테스트추가시험간접인장강도시험 - Table 6. 규격별입도기준 공칭입경 13 mm 20 mm 배수성아스콘 칼라콘 (13 mm) 25 mm mm mm mm mm mm mm mm mm F 4026 Table 6 에따랐으며, 그결과는 Fig. 1 에나타내었다. 본연구에서는높은다짐에너지가요구되는상온아스팔트혼합물의특성상선회다짐이더적합하다고판단되어적용하였으며, 다짐회수를 25 회, 50 회, 75 회, 100 회, 125 회로횟수를변경하여공시체제작을하였고대기중에서 48 시간양생후다짐횟수에따른밀도와공극율을비교하였다. Fig. 2 다짐횟수에따른밀도변화결과자료에서볼수있듯이본연구에서목표로하는밀도와공극률은다짐횟수를 75 회로하였을때가장이상적인것으로판단되어 4 종류혼합물의실내실험다짐횟수는 75 회로적용하였으며이조건은 KS F 2377 선회다짐기를이용한아스팔트혼합물의다짐방법및밀도시험방법에따라교통량 300 만대이하의포장체의설계다짐횟수를 75 회로정하도록한것과동일함을알수있다. 각혼합물조성비에따라유화아스팔트를이용하여제조한밀립도 13 mm, 밀립도 20 mm, 배수성 20 mm 및칼라 13 mm 혼합물에대한배합설계결과표는 Table 7 에나타내었으며, 기술표준원 GR F 4026 를목표치로하였다. 상온아스팔트혼합물은제품의특성상설계공극률이낮은경우혼합물의양생시간에큰영향을주며, 이는제품의최대물성발현시간이장기간으로지연되는경향이있기때문에 Table 7 에나타낸것같이설계공극율을설정하였으며, 기술표준원 GR F 4026 에제시된마샬안정도시험과는달리현장조건에맞춘시험을위해서 25 o C 48 시간양생조건의마샬안 Fig. 1. 상온아스팔트혼합물합성입도그래프 3 Korean Asphalt Society, Vol. 1, No. 1, 2011

4 Fig. 2. 규격별다짐횟수변화에따른물성변화표 Table 7. 상온아스팔트혼합물의배합설계공극률, 마샬안정도및 OAC 구분 13 mm 20 mm 배수성혼합물 (20 mm) 칼라혼합물 (13 mm) 공극률 (%) 마샬안정도 (N) 이상 유화아스팔트함량 OAC(%) Fig. 3. 시간에따른안정도 정도값을선정하였다. 상온아스팔트혼합물은일반가열아스팔트혼합물과는달리수분이증발하면서경화되는공정을거치기때문에시간에따른경화상태를파악하는것이중요하며이를조사하기위해서, 본연구에서는각기다른 4 가지혼합물을시간의경과에따른물성의변화를 Fig. 3 에나타내었다. 13 mm 혼합물의경우공시체다짐후초기개통시간여부를판단하기위해 3 시간양생후마샬시험한결과 25 o C 상온조건에서 5000 N 의안정도를나타내었으며 24 시간경과하였을때 6000 N, 48 시간경과하였을때 8000 N 로양생기간에따라초기에는급격하게안정도가증가하는경향을나타내고있다. 그러나 4 일이경과된이후부터공시체의안정도는상대적으로완만하게증가하고있음을알수있었다. 이는양이온계유화아스팔트의경화특성과도일치하는것으로써초기강도변화발현효과가우수한것으로평가되었다. 20 mm 혼합물의경우개질시킨유화아스팔트를적용시킨것으로 써 13 mm 혼합물과유사한경향성을나타내고있으며특히 20 mm 혼합물은개질제를적용하지않은 13 mm 혼합물에비해강도발현효과가 20% 이상증가하고있음을알수있다. 한편흐름값의변화는 40~60 의범위에서일반가열아스팔트혼합물 20~40 범위보다비교적크게나타나고있음을알수있다. 따라서전반적으로상온아스팔트혼합물은양생시간의증가에따른마샬안정도값은초기에는급격한증가를보이고시간이지날수록증가세가둔화되는양상을보였으며 4 주가된시점에서도그증가율은계속되는것을알수있었다. 이는, 상온아스팔트의특성상장기간지속적인양생의과정을거치기때문이다. 하지만, 초기 2 일간의양생에의해서발현되는안정도값이전체 4 주간에나타나는결과치에대부분을차지하고있는것을알수있다. 이는차후에시공후교통개방의문제와밀접한관계를가질수있다. 상온아스팔트혼합물과일반가열아스팔트혼합물의시험조건과비교하기위해서실시한 60 o C 에서 48 한국아스팔트학회지제 1 권제 1 호,

5 Fig. 5. 양생기간에따른상온아스팔트혼합물별회복탄성률시험결과 Fig. 4. 잔류안정도및 60 o C 안정도시험 시간의양생후가열아스팔트혼합물과동일한조건에서의안정도시험은 Fig. 4 에나타내었다. 본실험의결과가열아스팔트혼합물의 50% 정도의안정도값을얻을수있었다. 하지만, 이는현재가열아스팔트혼합물의안정도시험의기준치인 5000N 에조금못미치는값으로상온아스팔트혼합물의양생시간의단축과가열아스팔트혼합물과동일한물성을초기에발현시킬수있다는큰가능성을제시했다고볼수있다. 공시체에대한양생시간을두지않고 72 시간 25 o C 수침에대한시험은양생초기의수분에대한저항성을평가하기위한것으로, 배수성혼합물을제외한 3 가지는양호한것으로나타났다. 배수성혼합물은적은양의잔골재, 바인더의초기점착력, 그리고골재의입형에의한영향때문에물에대한초기저항성이낮아지는것으로판단된다. 따라서, 초기에충분한양생시간을확보가필요한것으로평가되었다. 13 mm 혼합물의경우초기안정도값에비해수침잔류안정도가약 10% 감소하였으나 20 mm 혼합물의경우는오히려 50% 이상안정도가증가하였으며특히칼라아스콘의경우는초기안정도에비해 3 배가까이증가하였음을볼수있다. 이는골재와바인더의피복률과양생기간에따른결과로써칼라아스콘의경우에는첨가재의효과로물속에서오히려양생속도가증가되었음을알수있다. 회복탄성계수 (Mr) 시험은 KS F 2376 에따라 3 종류의시료에대하여 5, 25, 40 의온도조건에서 48 시간, 1 주, 2 주, 3 주간양생시킨시료를각각준비하여시험하였다. Fig. 5 과같이일반적으로양생시간이증가함에따라그값이증가함을볼수있다. 13, 20 mm 혼합물의경우 7 일양생한공시체의 5 o C 회복탄성계수는 2300 kgf/m 2 과 1800 kgf/m 2 으로써 2 주및 3 주양생시킨후시험한결과와큰차이가없음을 알수있다. 따라서저온에서는양생기간에따른이들혼합물의물성에큰변화가없는것으로사료되어지나 40 o C 에서볼수있듯이양생기간 21 일조건에서는회복탄성계수가급격하게증가하는것으로보아바인더의결합력이 3 주경과되면급격하게커짐을알수있다. 한편 13 mm 혼합물과칼라아스콘의온도민감성을평가한결과 13 mm 혼합물이칼라아스콘에비해온도에민감한것으로평가되었으며이러한결과는양생기간이길어질수록더욱명확하게나타나고있다. 저온에서의특징은 13 mm, 20 mm, 배수성의순으로회복탄성계수값의증가폭이큰것을볼수있으나실험온도가증가함에따라서그증가폭이둔화되어 40 o C 조건에서는칼라아스콘의회복탄성계수 600 MPa 을제외하고다른 3 종류혼합물과대부분비슷한 M R 특성을갖고있음을알수있다. 아스팔트혼합물포장은시공후하절기에중교통윤하중에의해소성변형이발생하므로, 상온혼합물을축방향으로롤러다짐한공시체에반복차륜하중을가하여소성변형에대한동적안정도및변형률을평가하는현장모사시험방법인휠트랙킹시험을하였으며, 시험조건을여러가지로하여시험하였다. 조기교통개방을평가하는단기공용성평가시험으로 3 시간대기중에양생하여상온상태에서의시험과, 48 시간대기중양생하여 60 o C 에서의시험을하였으며, 장기공용성평가시험으로는상온상태에서 14 일양생하여 60 o C 에서시험하여혼합물의소성변형저항성을평가하였다. 시험결과는 Table 8 과같다. 위결과에서볼수있듯이 3 종류혼합물모두 60 o C 동적안정도가 410~600 범위에서크게벗어나지않고비슷한값을나타내고있다. 13 mm 혼합물의경우대기중 2 일양생한공시체와대기중 14 일양생한공시체의동적안정도가각각 518, 548 로큰차이가없으나침하깊이는대기중 2 일양생한시료가 mm 로써 14 일양생한시료에비해약 9 mm 더침하되었음을알수있다. 이는양생기간이증가할수록침하깊이가감소함으로써소성변형에대한저항성이급격하게증가하고있음을의미하며 20 mm 혼합물이표층용 13 mm 혼합물에비해더우수한효과를볼수있다. 한편, 상온배수성 5 Korean Asphalt Society, Vol. 1, No. 1, 2011

6 Table 8. 상온혼합물의휠트랙킹시험 시료종류 양생일 시험조건 동적안정도 DS( 회수 /mm) 침하깊이 (mm) 대기중 3시간 상온상태 mm 대기중 2일 60 o C 혼합물 대기중 14일 60 o C 대기중 3시간 상온상태 mm 대기중 2일 60 o C 개질혼합물 대기중 14일 60 o C 대기중 3시간 상온상태 배수성아스팔트혼합물 대기중 2일 60 o C 대기중 14일 60 o C 아스팔트혼합물의경우에는대기중 2 일및 14 일양생시킨시료에대한동적안정도및침하깊이에큰차이가없는것은양생기간보다는골재의맞물림에의한효과각더크게작용하고있음을의미하는결과로사료된다. 또한조기개통을평가하기위해시험한대기중 3 시간양생시킨시료를상온에서시험한경우 13 mm 가동적안정도가 1700 회 /mm 로가장높게평가되었으나이는상온배수성아스콘및 20 mm 에비해휠트랙킹다짐시잘다져진 ( 공극률이적음 ) 효과로판단되며도로공용시내유동성이우수한재료라는결과를의미하지는않는것으로사료된다. 따라서 13 mm 혼합물의경우동적안정도 300 회 /mm 를만족하기위해서는최소 2 일이상양생이요구되며 20 mm 및배수성아스팔트혼합물은대기중에서 1 일이상양생시키면규격에만족하는결과를얻을수있었다. 4. 결론 일반표층용혼합물은연구과제초기에설정한연구목표의모든항목을만족한것으로나타났다. 실험목표로설정된 3~10% 의공극률은 7.8% 로이를만족하였으며, 48 시간양생시간을적용한후의마샬안정도값은 6560 N 으로서연구목표인 5000 N 을상회하였다. 동적안정도는 300 회와 20 mm 의변형깊이가그기준인데, 48 시간양생과 2 주양생에대한동적안정도가각각 518 회, 23.4 mm 와 548 회, mm 로서기준을넘어서만족할만한결과를얻었다. 개질표층용혼합물은연구목표중에서동적안정도에서만목표치에미치지못하는결과를얻었다. 연구목표로설정된 3~10% 의공극률은 7.2% 로이를만족하였으며, 48 시간양생시간을적용한후의마샬안정도값은 8400 N 으로서연구목표인 5000 N 을초과하였다. 동적안정도는 1000 회와 10 mm 의변형깊이가그기준인데, 48 시간양생과 2 주양생에대한동적안정도가각각 410 회, 17.4 mm 와 900 회, 10.5 mm 로나타나기준을통과하지는못하였다. 이결과는단기공용 성에문제가대두될수있는소지가있다고사료되며, 이는개질유화아스팔트에사용된첨가제의성능발현이늦어진것으로판단된다. 그러나, 일반표층용의경우보다 2 주양생의동적안정도값이높은것으로보아충분한개질효과를얻었다. 배수성표층용혼합물의공극률은 18% 로 15% 인연구목표를상회하였고 2 일양생후마샬안정도값은 6440 N 로목표수치인 5000 N 을만족하였다. 동적안정도는목표치 1000 회와 10 mm 의변형값에대해서 2 주양생에대한동적안정도가 572 회, 14.2 mm 로나타나기준을만족하지못하였다. 칼라아스팔트혼합물은연구목표의모든항목을만족하였다. 연구목표인 10% 이하의공극률은 9.53% 로이를만족하였으며, 48 시간양생후마샬안정도값은 N 으로서목표인 2500 N 을크게초과하였다. 이는칼라아스팔트혼합물에사용된안료와첨가재의영향으로판단된다. 본연구에서실시한회복탄성계수의결과를보면, 양생시간에따른값은증가를하고있지만전반적으로그값이작은것을알수있다. 실험에서사용된유제는조기강도발현을위해서양생속도가빠른성질을갖고있는데실험시소량을사용하여실험을하면서사전양생시간을줄때과다한양생이일어나다짐의효과를적게받아서유추되는문제일수있다. 이런문제가시험시공에서는일어나지않을수있는데그이유는플랜트생산의경우는대량으로적재되어운반되기때문에양생속도가더느리게일어나기때문이다. 참고문헌 [1] Traxler, R. N. (1961) Asphalt-It's composition, properties and uses. [2] Shreve, J. N. (1967) Chemical Process Industries, McGraw-Hill. [3] Richardson, E. S. and Liddle, W. A. (1974) Experience in the pacipic northwest with open-graded emulsifiered asphalt pavements, Implementation 한국아스팔트학회지제 1 권제 1 호,

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Microsoft Word - KSR2014S125

Microsoft Word - KSR2014S125 2014 년도한국철도학회춘계학술대회논문집 KSR2014S125 골재입도변화에따른아스팔트혼합물의강도특성 Evaluation of asphalt mixture strength properties due to aggregates gradation change 이진욱 *, 박지용 **, 양재봉 **, 나일호 ** Jin W. Lee *, Ji Y. Park **,