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 **, Jae B. Yang **, Il-Ho. Na ** Abstract The rut resistance of the asphalt pavement mainly occurs in the base layer and the surface layer, and its main part is the aggregate, which accounts for 88-96% of the asphalt. To increase the rut resistance of the asphalt pavement, it is important to select the aggregate gradation. Currently in domestic there is no standard for the aggregate gradation of the mixture of asphalt railway. In Germany and United States, standards of gradation are presented, but it is difficult to apply as it is in domestic, because the environment and materials to be used are different from domestic s. In this study, the properties of the asphalt mixture are compared according to the aggregate gradation based on the standards of asphalt railway of Germany and United States. Keywords : Rut resistance, Aggregate, Gradation, Asphalt, Railway 초록아스팔트포장에서소성변형은주로표층및기층에서발생하며, 주요영향인자는아스팔트와아스팔트혼합물의 88~96% 를차지하는골재에있다. 아스팔트궤도적용시소성변형증가를위해선골재입도결정이매우중요하며, 최적의골재입도를결정해야한다. 현재국내에는아스팔트궤도혼합물의골재입도기준이정해져있지않다. 미국과독일은입도기준이제시되어있으나국내와사용하는재료와환경이다르므로그대로사용하기에는어려움이따른다. 본연구에서는미국및독일의아스팔트궤도골재입도기준을토대로골재입도를선정하여아스팔트혼합물의특성을비교하였다. 주요어 : 소성변형, 골재, 입도, 아스팔트, 궤도 1. 서론아스팔트포장에서소성변형은주로표층및기층에서발생하며, 주요영향인자는아스팔트와아스팔트혼합물의 88~96% 를차지하는골재에있다. 아스팔트궤도적용시소성변형의증가를위해선골재입도결정이매우중요하며, 골재의최적입도를결정해야한다. 최적골재입도개념은 1960년대초연방도로국에서 0.45승을사용하여 Fuller입도에근거한골재입도그래프를채용하였다. 이그래프는최대밀도선을결정하고골재입도를조정하는데매우편리하다 [1]. 최적골재입도구현을통한이점으로는아스팔트함량을줄일수있으며공극조율이가능해내구성조정에도크게기여할수있다. 아스팔트궤도골재입도 교신저자 : 한국석유공업 기술연구소 (ihna@hansuk.co.kr) * 한국철도기수연구원첨단인프라연구단 TFT ** 한국석유공업 기술연구소
를결정할때고려해야할부분은소성변형저항성을최대한향상시키는범위에서수밀성의향상과세립분증가를통한표면부의평탄성을유지해야한다. 현재국내에는아스팔트궤도혼합물의골재입도의기준이정해져있지않으며, 미국및독일의골재입도기준을따르기에는재료와환경이다르므로그대로사용하기어려움이따른다. 따라서본연구에서는다양한표층및중간층의골재입도를선정하여아스팔트혼합물의특성을비교하고자한다. 2. 재료및방법 2.1 사용재료 2.1.1 골재본연구에서는화강암쇄석을굵은골재와부순잔골재 (screenings) 로사용하였으며, 채움재 (mineral filler) 는석회석분 (limestone powder) 을사용하였다. 굵은골재최대치수는표층및중간층아스팔트혼합물에널리쓰이는 19mm를사용하였다. 화강암골재의물리적성질을 KS 시험에따라 Table 1에나타냈다. 골재입도는 0.45승입도그래프의골재기준점 (control point) 과제한지점 (restricted zone) 을고려하여 3가지입도를선정하였으며 Fig. 1에서보여준다. Granite Classification Table 1 The properties of aggregate Apparent specific gravity Absorption Abrasion Specification > 2.45 < 3.0% < 35% 19mm 2.71 1.33 30.66 screening 2.67 1.01 - Filler 2.75 - - passing percent(%) 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0 5.5 sieve size(mm) Fig. 1 Aggregates gradation chart (0.45 power)
2.1.2 아스팔트본연구에서는현재철도적용을위해개발중인 PG76-22의 ARMA 아스팔트바인더를사용하였다. 물리적특성을침입도, 연화점, 점도, DSR, BBR, RTFO, PAV 시험을통해도출하였으며, 그결과를 Table 2에나타냈다. Table 2 The properties of asphalt binder(arma) Classification Specification ARMA Penetration (25, 1/10mm) - 44 Softening point ( ) - 62.7 Viscosity (135, cps) - 1,750 G*/sinδ (76, kpa) > 1.0 1.47 G*/sinδ (82, kpa) > 1.0 0.79 After (R)TFOT 76 3.13 G*/sinδ 82 > 2.2 1.58 Failure 79.6 PAV Residue G*/sinδ 25 2,910 < 5,000 22 4,100 Creep Stiffness (-12, MPa) > 1.0 1.47 m-value (-12 ) > 1.0 0.79 PG grade 76-22 2.2 시험방법 2.2.1 배합설계아스팔트혼합물은열차가주행시변형이최소화되도록해야한다. 아스팔트바인더의점성이낮고, 교통하중이주로골재구조를통해전해지는더운여름기간동안의고온에서소성변형에대한저항성은약해진다. 소성변형에대한저항은혼합물에적절한공극이존재하도록입도조율과양질의골재를선정하고최적의아스팔트함량을결정하는것이중요하다 [2]. 철도용아스팔트혼합물에대한배합설계기준이국내에서는정립된바가없음에따라문헌조사와실험을통해제시된공극률 2~4%, 포화도 (Voids filled with asphalt; VFA) 75~85%, 골재간극률 (Voids in mineral aggregate; VMA 은굵은골재최대치수 19mm 사용시 12% 이상의배합설계를적용하였다 [3]. 아스팔트함량을 4.0~6.0% 까지 0.5% 씩증가시켜공시체를마샬다짐기로양면 75회다짐하였다. 배합설계결과에서측정된공극률 2~4% 의아스팔트함량을최적아스팔트함량으로결정하였으며, 명확한비교를위해공극율 1~5% 의공시체를제조하여특성을비교하였다.
2.2.2 마샬안정도본시험에대한기준은국내 KS 및국토해양부의 가열아스팔트혼합물생산및시공지침 을참고하였다 [4]. 철도의경우침목에의한하중분산이도로보다작은압력이작용함에따라제시된기준을만족한다면안정적은아스팔트혼합물의성능을기대할수있을것으로판단된다. 마샬안정도시험은반원형의시험헤드 (head) 를통하여원통형공시체 ( 직경 101.6mm, 높이 63.5mm) 에압축하중을가하는형식이다. 공시체의온도는 60 이며, 하중은분당 50mm의비율로가하여진다. 60 라는온도는여름철에예상되는개략적인최대포장온도이기때문에선정되었고, 아스팔트혼합물에대한가장열악한조건을나타낸다. 마샬안정도란공시체의파기를야기시키도록가해져야하는하중이나, 공시체가견딜수있는최대하중을나타낸다. 흐름지수또는흐름치 (flow) 는최대하중하에서공시체의총수직변위를나타낸다. 3. 결과및고찰아스팔트혼합물의골재입도별배합설계결과와최적아스팔트함량을 Fig. 2와 Table 2에서보여준다. 아스팔트함량이증가할수록아스팔트가공극을매워공극률은낮아졌으며, A 입도혼합물이 4.0 6.0% 아스팔트함량변화에따른공극률의변화가가장크게나타났다. B 입도혼합물은아스팔트함량별가장낮은공극률을나타내어 A와 C 입도에비하여적은아스팔트양을사용하여같은공극률을맞출수있음을알수있다. 또한 C 입도의혼합물은잔골재함유량이많아상대적으로공극별아스팔트함량이높게나타났으며, 비교적굵은골재함유량이높은 A와 B 입도에비해아스팔트함량변화에따른공극률의변화가적게나타났다. Aggregate Gradation Table 2 properties at OAC for asphalt mixtures Air void (%) Optimum asphalt content (%) Stability (N) A 2.8 4.6 16,984 B 3.1 4.5 16,878 7.0 6.0 5.0 4.0 3.0 2.0 1.0 C 3.2 4.8 17,516 0.0-1.0 3.5 4.0 4.5 5.0 5.5 6.0 6.5 Asphalt contents(%) Fig. 2 Air void of asphalt content due to aggregate gradation change 배합설계로결정된아스팔트함량으로 1 5% 공극률의공시체를제조하여마샬안정도를측정하였으며특성을 Fig. 3~5에서보여준다. 전체적으로 C 입도혼합물의마샬안정도가 A와 B 입도혼합물보다높게안정도가측정되었고, A와 B 입도혼합물은 1~4% 의공극률에서유사한안정도를나타내고공극률 5% 에서크게낮아지며, C 입도의혼합물은 1~3% 공극률의
안정도가유사하며공극률 4% 부터서서히낮아졌다. Fig. 6은골재입도별제조한공시체의표면을보여준다. A 입도혼합물의표면및다짐면은굵은골재가많아거친표면을나타내고, B 혼합물은평탄한표면도보이지만거친표면의공시체도제조되어재료분리가일어날가능성을보여준다. 반면에 C 입도혼합물은잔골재의함유량이많아 A와 B 입도혼합물보다평탄한표면을보여준다. 21000 20000 18 17 19000 16 Stability(N) 18000 17000 16000 15000 14000 13000 0.0 1.0 2.0 3.0 4.0 5.0 6.0 Fig. 3 The properties of stability VMA(%) 15 14 13 12 11 10 0.0 1.0 2.0 3.0 4.0 5.0 6.0 Fig. 4 The properties of VMA 100 95 90 A B VFA(%) 85 80 75 70 65 60 0.0 1.0 2.0 3.0 4.0 5.0 6.0 C A EX 1 B EX 2 C EX 3 Fig. 5 The properties of VFA Fig. 6 Asphalt mixture due to aggregate gradation change 4. 결론본연구는 0.45승입도범위에서골재입도를선정하여최적아스팔트함량및공극률에따른아스팔트혼합물의기본특성을비교하였으며, 철도에최적화된아스팔트배합설계방법제시를위해서는아스팔트바인더와골재의결합조건이중요하며앞선결과를토대로다음과같은결론을얻었다. 1) 골재의합성입도는아스팔트바인더와골재의혼합시 stiffness가일정하게확보되는구간이필요하다. 이에표층및중간층아스팔트혼합물의경우 0.45 Power chart에서제시하는범위내에서최적곡선을선정하고안정적인역학적거동을보이는입도곡선범위를선정하는
기초자료로활용하고자한다. 그결과 C 혼합물이미립분의함유량이 A, B 혼합물에비해상대적으로많아안정적인공극률확보에유리함을확인하였다. 또한마샬안정도가 A, B 혼합물에비해 C 혼합물이공극률증가로인한강도저하가급격하게떨어지지않음으로품질을확보하기에유리할것으로판단된다. 2) 공시체의외형적표면및다짐면을고려할때 A, B 혼합물보다미립분함유량이높은 C 혼합물이콘크리트궤도하부층적용시정밀한평탄성을확보하는데유리할것으로판단된다. 직결궤도에서도수분의침투저감에서우위를점할수있을것으로판단된다. 3) 최적아스팔트함량의안정도는 C 혼합물이 A, B 혼합물에비해높게나타나강도특성이우수할것으로판단된다. 이상의연구를통하여골재입도를비교하였으나, 이는한정된재료를가지고내린결론이므로향후추가적인연구를통해보다일반화된결론을얻을수있도록해야할것으로판단된다. 감사의글 본연구는한국철도기술연구원과공동으로수행하고있는 고속화에대응한철도아스팔트노반및궤도구조개발 의일환으로한국석유공업 기술연구소의시설로이루어졌습니다. 참고문헌 [1] Jeon Sung Il, Son Hyeon Jang, An Ji Hwan, Kwan Soo Ahn (2012) Study of Optimized Aggregate Gradation in Concrete Mixtures, Journal of Korea concrete institute, pp. 53-54 [2] Korea Railroad Research Institute, Korea Petroleum Ind. Co. Ltd (2012) Development of asphalt mixture and mix design used railway roadbed [3] Korea Railroad Research Institute, Korea Petroleum Ind. Co. Ltd (2013) Development of asphalt mixture and mix design used railway roadbed [4] Ministry of Land, Transport and Maritime Affairs (2014) Asphalt mixture production and construction guidelines