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얘원 엄
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1 2014 년도한국철도학회춘계학술대회논문집 KSR2014S115 아스팔트혼합물종류에따른회복탄성계수특성분석 An analysis of resilient modulus for different types of asphalt mixtures 이성혁 *, 김광우 **, 박지용 ***, 양재봉 *** 나일호 ***, Seong H. Lee *, Kwang W. Kim, Ji Y. Park ***, Jae B. Yang ***, Il-Ho Na *** Abstract: The resilient modulus of asphalt mixture is the property which represents deformation characteristics under repeated loading, and used for pavement design and performance evaluation. In this study, resilient characteristics of railway asphalt mixture were evaluated by indirect tension mode of resilient modulus test with variables of asphalt type and temperature. In different temperatures, the effects of viscoelasticity characteristics of asphalt binders on resilient modulus of asphalt mixture were evaluated. Mechanical behavior characteristics of asphalt mixture were compared by the analyses of total resilient modulus and instant resilient modulus using different PG binders. Keywords : Railway, Modified asphalt, Asphalt mixture, Resilient Modulus 초록회복탄성계수는반복하중에의한변형특성을구하는것으로써포장구조설계뿐만아니라포장재료의공용성평가에사용되고있다. 본연구에서는철도아스팔트의종류, 온도변화에따른아스팔트혼합물의회복탄성계수특성을분석하고자하였다. 또한온도변화에따른아스팔트바인더의점탄성특성이아스팔트혼합물의회복탄성계수에미치는영향을알아보고, 전체회복탄성계수와순간회복탄성계수값의분석을통해아스팔트바인더의 PG 등급별아스팔트혼합물의역학적거동특성을비교해보았다. 주요어 : 철도, 노반, 아스팔트, 아스팔트혼합물, 회복탄성계수 1. 서론 아스팔트포장재료는구성이나거동에있어서매우복잡하며, 특성중에는온도나함수비와같은환경요인에의한영향을많이받는다. 포장재료의역학적구조해석을위해서는포장층의탄성계수와포아송비가필수적으로규정되어야한다. 이러한포장층의탄성계수중회복탄성계수는열차하중의반복재하조건에서유발되는포장재료의동적인응력-변형률상태를합리적으로반영할수있는특성값으로포장구조의설계및해석에최적의물성값으로평가되고있다. 이와관련하여미국의 AASHTO는종래의 CBR값에의한노상및포장재료의지지력을평가하는경험적설계방법에서회복탄성계수시험을적용하여준역학적설계방법을제정하였 교신저자 : 한국석유공업 기술연구소 (ihna@hansuk.co.kr) * 한국철도기술연구원첨단인프라연구단 TFT ** 강원대학교지역건설공학과 *** 한국석유공업 기술연구소

2 고기존포장의내하력평가및덧씌우기설계를목적으로널리쓰이고있는다층탄성해석이론에입각한역학적포장해석에서는회복탄성계수를기본적인물성값으로사용하고있다. 철도에서도열차주행에따른역학적포장해석을필요로하고고온에서도탄성력을유지하여열차주행진동에적응할수있는재료의개발을통해내구성을향상시키는것이필요하다. 이를위한성능개선은개질재를이용한개질아스팔트혼합물로보완이가능하며향상된개질아스팔트혼합물의사용은장기공용성능에서도그우수성을인정받고있다. 따라서본연구에서는철도개질아스팔트바인더의유변학적특성을소개하고아스팔트혼합물의회복탄성계수시험을통해온도변화에따른특성을분석함으로써철도직결궤도및유도상궤도에아스팔트혼합물의적용시내하력을평가하고자한다. 2. 회복탄성계수시험 2.1 시험인자 아스팔트혼합물의회복탄성계수시험을위하여시험인자로써아스팔트종류, 온도를주요인자로하여각각의요인조합에의하여 Table 1과같은조건으로회복탄성계수시험을실시하였다. 아스팔트의종류는국내에서주로생산되고있는 PG64-22인 AP-5와철도아스팔트개발연구를통해개발중인 STE R23과직결궤도에적용코자개발된 PG76-22인 ARMA, STE R2를대상으로하였다. 골재는화강암 19mm를이용하였으며이때공극률은 2~4% 로정하였다. 골재의합성입도는밀입도혼합물로서아래 Fig. 1과같고실험온도는 KS F 2376에서제시하는방법에따라 5, 25, 40 의 3단계로설정하였다. Table 1 Test factor of resilient modulus Asphalt binder performance grade Asphalt Binder Test Temp. ( ) Max. Aggregate size(mm) Air void( %) PG76-22 PG64-22 ARMA, STE R2 AP-5, STE R23 5, 25, ~4 Fig. 1 Aggregate gradation chart for dense-grade 19mm asphalt mixtures 2.2 시험방법 아스팔트혼합물의회복탄성계수시험은마샬시험공시체의원주면에하중을재하하는간접인장강도시험으로반복재하시험에서전형적인하중변형관계는 Fig 2와같다. 하중이순간적

3 으로가해지면그에따라변형이일어나고이변형은회복되는데순간적으로회복되는변형을순간회복변형 ( H I ), 휴지기간내회복되는변형을전체회복변형 ( H T ) 라하며계산에의해순간회복탄성계수 (M RI ) 와전체회복탄성계수 (M RT ) 로나타낸다 [1]. 순간회복탄성계수는하중제거와동시에회복되는변형성분만을고려한탄성계수이고, 전체회복탄성계수는 1싸이클내에서하중제거와동시에즉시회복되는탄성변형과하중제거후시간의경과와더불어회복되는점탄성변형성모두를고려한회복탄성계수로정의할수있다. (a) Load-time pulse (b) Vertical deformation versus time (c) Horizontal deformation versus time Fig. 2 Damage diagnosis result 여기서, a = Duration of loading during one load cycle b = Recovery time c = Cycle time 일반적으로간접인장방식의회복탄성계수시험에서는직경 100mm공시체를사용할경우반복재하하중은아스팔트혼합물의극한강도의 10~50% 범위내에서설정하도록되어있다. 하중이순간적으로가해지면그에따라변형이일어나고이변형은회복되는데, 순간적으로회복되는변형을순간회복변형, 휴지기간내회복되는변형을전체회복변형이라하며순간회복탄성계수와전체회복탄성계수는아래의식 (1) 과 (2) 에의해구한다. 연직변형측정은포아송비를구해야할필요가없을경우나일정한포아송비값이주어질경우생략할수있으며, 일반적으로적용되는역청혼합물의포아송비는 5 에서 0.2, 25 에서 0.35, 40 에서 0.5를적용한다. P MRI ( RI 0.27) (1) t H I P M RT ( RT 0.27) (2) t H T 여기서, M RI = 순간회복탄성계수 (MPa), M RT = 전체회복탄성계수 (MPa), V RI = 순간회복포아송비 (25 조건에서 0.35로가정함 ), V RT = 전체회복포아송비 (25 조건에서 0.35로가정함 ), P =

반복하중 (N), t = 공시체두께 (mm), H I = 순간회복수평변형 (mm), H T = 전체회복수평변형 (mm) 본연구에서는아스팔트바인더의점성과골재간의마찰력에의존하여역청혼합물이물성을측정하는반복재하에의한간접인장시험방법을적용하였다 (Fig. 2). 각아스팔트혼합물의회복탄성계수를 5, 25, 40 의챔버내에서측정하였다. 100kgf의하중을 0.

3 Resilient modulus specimen 3. 시험결과및특성 3.

4 반복하중 (N), t = 공시체두께 (mm), H I = 순간회복수평변형 (mm), H T = 전체회복수평변형 (mm) 본연구에서는아스팔트바인더의점성과골재간의마찰력에의존하여역청혼합물이물성을측정하는반복재하에의한간접인장시험방법을적용하였다 (Fig. 2). 각아스팔트혼합물의회복탄성계수를 5, 25, 40 의챔버내에서측정하였다. 100kgf의하중을 0.1초재하하고휴지기간을 0.9초간적용하였으며, 총 100cycle의하중을가하여초기압밀등에의한변형이안정되면마지막 5cycle의평균변형을회복탄성계수에사용하였다. 변형측정을위해서 Fig. 3과같이공시체의양면을평평하게자르고스트레인게이지를부착하였다. 각공시체에대한회복탄성계수시험은 2회측정하였으며, 1차측정후공시체를 90 회전시킨후 2차측정을하였다. Fig. 2 Repeated load indirect tensile test method Fig. 3 Resilient modulus specimen 3. 시험결과및특성 3.1 아스팔트바인더의종류별점탄성거동특성 동적전단유동시험 (Dynamic shear rheometer: DSR) 은바인더의점탄성거동특성을분석하기위한시험이며바인더의복합전단계수 (Complex shear modulus: G*) 및위상각 (Phase angle: δ) 을측정함으로써바인더의점성및탄성거동특성을분석한다. G* 와 δ의두가지특성을반영한값이 G*/sinδ이며 G*/sinδ는바인더의점탄성특성을나타내는특성치로일반적으로탄성이강한바인더는 G*/sinδ의값이높고, 점성이강한바인더는낮은값을갖는다 [2]. G*/sinδ는포장의공용온도에서바인더의 Stiffness를나타내므로 Rutting factor로불리며아스팔트바인더의공용성등급을평가하는데사용된다. Table 1에서는실험에사용된아스팔트바인더의측정결과를제시한다. 본결과에서는아스팔트바인더별물리적특성및점탄성거동에대해간략하게보여주며앞서설명한동적전단유동시험을통한점탄성거동특성의경우 ARMA가 64 에서 Original 및 RTFO( 단기노화 ) 의 G*/sinδ값이가장높게나타남으로써아스팔트바인더가가

5 지는탄성력이우수할것으로판단된다 Original RTFO G*/Sinδ AP-5 STE R23 ARMA STE R2 PG64-22 PG76-22 Fig. 2 G*/sinδ at 64 using DSR 3.2 온도변화특성 온도변화에따른철도아스팔트혼합물의회복탄성계수시험결과온도에가장민감하게반응함을알수있었고온도변화에의한실험결과수치는 Table 2와같다. 실험결과를토대로 5 와 40 까지의회복탄성계수는 1.6~3.9배정도차이를나타내고있고, 온도에대한민감도에서는 STE R2로개질된아스팔트혼합물이가장큰것으로나타났다. 하지만 ARMA와더불어전체회복탄성계수와순간회복탄성계수에서높은수치를보이고있고특히순간회복탄성계수값이 PG64-22등급의바인더보다높게측정됨으로써개질로인한회복속도가빠름으로인해변형에대한회복력도향상될수있을것이다. 이는철도의순간적속도에적응하기에는 PG64-22의아스팔트혼합물보다는 PG76-22등급의아스팔트혼합물이적합할것으로판단된다. Table 2 Test factor of resilient modulus Binder Type PG Grade AP-5 PG STE R23 PG ARMA PG STE R2 PG Temperature ( ) Total Resilient Modulus, M RT (kg/cm 2 ) Instantaneous Resilient Modulus, M RI (kg/cm 2 ) Resilient Modulus Ratio (M RI /M RT )

6 그리고순간회복탄성계수에대한전체탄성계수비는식 (1) 과식 (2) 로부터아래식 (3) 과같이유도될수있다. 식을통해순간회복탄성계수에대한전체회복탄성계수의비는점탄성회복변형특성을표시하는데, Table 2에서 PG64-22의경우에는온도에따라점탄성변형성분의차이가크게나지는않았으나탄성을부여한 PG76-22의개질아스팔트의경우에는온도가증가할수록점탄성변형성분이대체적으로증가하는경향을보이고있다. M M RI RT H H H I V V 1 (3) I H H I 여기서, H I = 순간회복변형 (mm), H V = 점탄성회복변형 (mm) 그림 4와 5의그래프에서철도아스팔트혼합물온도가증가할수록감소하는경향을보였고바인더의종류에따라 ARMA, STE R2, STE R23, AP-5 순으로나타났으며 25 에서회복탄성계수변동폭이대체적으로크게나타났다. 그림 5에서전체회복탄성계수 AP-5와 STE R23은일정하게감소하는데반해 ARMA와 STE R2는 25 를기준으로하여 40 와거의유사한값을보였다 Resilient Modulus(MPa) Temperature( ) Resilient Modulus(MPa) Temperature( ) AP R23 R2 ARMA AP R23 R2 ARMA Fig. 4 Total resilient modulus Fig. 5 Instantaneous resilient modulus Table 3은고온 (40 ) 과저온 (5 ) 조건에서온도변화에따른탄성계수증가비와각온도에서탄성계수비를나타낸것으로고온인 40 조건에서탄성계수비가가장큰혼합물은 PG76-22 등급을가지는 ARMA, STE R2 혼합물이높게나타났으며 PG64-22의 AP-5와 STE R23이작게나타났다. 저온인 5 조건에서탄성계수비가가장큰혼합물도역시 PG76-22 등급의 STE R2, ARMA으로나타났고 PG64-22에서가장작게나타나는경향을보였다. 이러한결과들을통해 PG 등급에따라탄성계수의확연한차이가나타나고있음을확인되었다. 이는아스팔트바인더자체가가지는점탄성물질로개질의형태에따라그물성이상당히달라지게되는데본연구에서사용된 ARMA와 STE R2의경우아스팔트바인더의소성변형인자값이 G*/sinδ값이높게나타남으로써탄성영역이 PG 64-22의등급보다아스팔트혼합물에서회복탄성계수의값이증가됨을알수있었다.

7 Table 3 Comparison of resilient modulus increase rate and resilient modulus ratio Binder Type Resilient Modulus increase rate of 5 & 40 Resilient Modulus rate (M RI /M RT ) M RT M RI 5 40 AP R ARMA R 결론 본연구에서는아스팔트바인더의 PG등급에따라아스팔트혼합물에서회복탄성계수의역학적거동을평가하였고아래와같은결론을도출하였다. (1) 개질아스팔트바인더에서 ARMA의 G*/sinδ 값이가장높게나타났고, 아스팔트혼합물의회복탄성계수시험을통한전체회복탄성계수와순간회복탄성계수에서도가장높은수치를보여바인더의시험결과가혼합물에서도유사게나타남을확인하였다. (2) 아스팔트 PG 등급에따라회복탄성계수의값은차이를보였고 PG64-22의등급보다는 PG76-22의등급을가지는 ARMA와 STE R2가높게평가됨으로써고속열차주행시변형에대한회복속도가빠를것으로판단되었다. (3) 온도변화에따라 25 에서의회복탄성계수변화폭이대체적으로크게나타났으며 PG64-22의경우에는 5, 25, 40 에서온도상승에따라일정하게감소하는반면 PG76-22의등급에서는 5 에서 25 로상승시뚜렷하게감소하는경향을보이다가 25 에서 40 로상승시거의유사한수치를나타냄으로써 PG 등급이높은아스팔트바인더가고온에서의탄성회복력에유리할것으로판단되었다. (4) 결과적으로 PG76-22 아스팔트혼합물의경우에는전체적인회복탄성계수값이높게평가됨으로써변형에대한추종성이우수함에따라직결궤도에용이할것으로판단되며특히 ARMA의경우에는아스팔트포장시표층에적합할것으로판단되었다. 감사의글 본연구는한국철도기술연구원과공동으로수행하고있는 고속화에대응한철도아스팔트노반및궤도구조개발 의일환으로한국석유공업 기술연구소의시설로이루어졌습니다.

8 참고문헌 [1] Kyong Ha. Lee, Ja K. Koo, Jea W. Ra (1999) An analysis on total resilient modulus and instantaneous resilient modulus of asphalt concrete mixtures, Korean Society of Civil Engineers, 19(2), [2] Performance graded asphalt binder specification and testing (2002), Superpave series No.1 (SP-1). Asphalt institute.

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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 **,