KR100248892B1 - 쇄석매스틱 아스팔트 혼합물 및 그포장공법 - Google Patents

Abstract

노상층, 보조기층, 기층, 표층으로 적층 구성되는 아스팔트 포장에 있어서, 표층을 구성함에 높은 점도의 아스팔트를 사용하므로서 아스팔트의 량을 늘려 아스팔트 포장의 수명을 늘리고, 아스팔트의 흘러내림 현상이나 블리딩 현상을 방지함과 동시에 아스팔트 콘크리트의 인성을 높혀 균열을 방지하기 위하여 셀룰로우스 화이바를 첨가하며, 굵은 골재의 분포량을 늘이므로서 골재끼리의 맞물림 효과를 크게하여 표층의 소성변형에 대한 저항성을 높혀 차바퀴 패임 현상을 방지하는 소위 쇄석 매스틱아스팔트(SMA) 조성물과 이를 사용한 포장공법에 관한 것이다.

Description

쇄석 매스틱 아스팔트 혼합물 및 그 포장공법

아스팔트 포장은 공용초기에 혼합물 유동에 의한 차바퀴 패임(rutting)현상이 발생되기 쉬우며, 공용후기는 균열발생으로 그 수명을 다하게 된다.

차바퀴패임(소성변형)은 차량의 반복하중에 의해 아스팔트층 뿐만 아니라, 각 포장층의 영구변형이 계속 축적되어 노면상에 패임이 발생하는 현상으로 강우시 주행차량에 의해 물보라를 일으키고, 수망(Hydro plane)에 의한 미끄럼 저항의 저하와 동절기의 결빙등 교통안전에 큰 영향을 미친다.

본 발명은 이상과 같은 문제점을 해결하는 수단으로 아스팔트 표층의 소성변형 최소화를 얻기 위하여 골재끼리의 맞물림을 이상적으로 구성시켜 소성변형에 대한 저항이성을 높이고 균열발생의 지연을 유도하기 위한 것으로, 아스팔트의 함량을 크게하고, 셀룰로스화이바를 첨가시켜 새로운 시공방법으로 포장하는 쇄석 매스틱 아스팔트(stone mastic Asphialt : SMA) 조성물과 공법을 제공함에 있다.

아스팔트 도로 표장에 있어서 표층의 소성변형을 줄이고 균열을 억제하므로서 아스팔트 표면에 수명연장에 관한 기술로서 종래의 양질의 흙 또는 원토 기층으로 구성되는 두께 1m 전후의 노상층관 그위에 돌, 자갈, 모래의 혼합물로 구성되는 약 50cm두께의 보조기층, 골재최대치수 25mm 두께를 갖는 아스팔트, 쇄석, 모래, 석분의 혼합물로 구성되는 25cm 정도의 두께로 되는 기층, 골재최대치수 13mm를 갖는 아스팔트, 쇄석, 모래, 석분의 혼합물로 구성되는 5cm∼10cm 정도의 두께로 표층을 구성하므로서 적층되는 아스팔트 포장공법은 표층은 아스팔트 자체의 점성만으로 차량하중에 저항하도록 설계되어졌기 때문에 아스팔트의 공용 초기에 혼합물의 유동에 의한 소성변형 즉 차바퀴 패임현상이 발생하기 쉽고, 공용 후기에는 균열이 발생하게 된다.

이와 같은 소성변형은 차량의 반복하중에 의해 아스팔트층 즉 표면층 뿐만 아니라 각 포장층에 영구변형이 축적되고 균열로부터 물이 침투되어 내부층에 파임현상이 발생하고 겨울에는 동결해빙으로 전체층에 손상을 받게되므로서 표층 뿐만아니라 전체층의 수명이 짧아진다.

노상층, 보조기층, 기층, 표층 또는 노면층으로 구성적층되는 아스팔트 포장공법에 있어서, 표층을 개량하므로서 전체 아스팔트 포장층의 수명을 연장하는 공법으로서 구체적으로는 표층을 구성하는 혼합물의 골재 입도 선택을 최적화하므로서 골재끼리의 맞물림 효과를 극대화시켜 소성변형을 줄이고, 소성변형에 강한 아스팔트의 선택과 아스팔트의 점도를 높이는 수단으로 셀룰로우스 섬유를 첨가하여 표면층의 균열발생을 억제함과 동시에 소성변형 방지의 상승효과를 갖게 하고, 더욱이 특별시공 방법을 행함으로서 아스팔트도로 포장의 수명을 최대화시킴에 있다 하겠다.

과거 아스팔트 콘크리트 포장에 있어 차바퀴 패임은 노상의 지지력 문제로 인식되어 왔으나 최근 교통량의 증가와 더불어 석유정재 기술의 발달로 인한 아스팔트 재료의 질적 저하 가능성은 차바퀴 패임을 아스팔트 콘크리트 표층과 밀접한 연관성을 갖는 것으로 평가되고 있었다.

이에 아스팔트 혼합물의 물성을 개선하여 내유동성을 증진시키고져 하는 노력이 경주되어 왔다.

5mm이상의 굵은 골재

5mm이하의 가는쇄 골재, 석분

위의 혼합골재중 5mm이상의 굵은 쇄석 골재는 전혼합 골재의 65∼80중량%이어야 하고, 석분의 함량은 8∼12중량%이고, 나머지가 작은 쇄석골재이다. 이와 같은 골재의 입도분포가 표층의 소성변형을 최소화 할 수 있는 구성비라 할 수 있다.

상기 아스팔트 혼합물에 있어서, 아스팔트를 그대로 혼합했을시는 골재사이로 많은량이 흘러내리거나 현장포장 다짐시 아스팔트 유제가 골재 간극사이로 침출되는 불리딩 현상이 발생하게 되는데 쇄석 매스틱 아스팔트 포장은 골재에 아스팔트를 두껍게 코팅하기 위하여 셀룰로우스화이바 0.3%(±10%)를 사용하여 이와 같은 문제점을 해결하였다. 이러한 효과로 인하여 아스팔트가 골재에 두껍게 코팅될 수 있고, 골재간의 전단저항력의 증가와 더불어 혼합물에 인성을 부여하므로서 아스팔트 포장의 균열을 방지한다.

그리고 굵은 골재의 분포가 큰 골재를 첨가되므로서 포장표면은 거친 표면피륙조직으로 이루어지게 되며, 이 거친 피륙조직은 차량의 미끄럼 저항성의 증대와 더불어 표면의 골재와 골재사이의 공극이 연결되어 차량소음의 감소효과를 가져온다.

더욱이 아스팔트 혼합물의 골재 구성중 5mm이상의 골재가 대분이 되도록 하여 골재간의 맞물림 효과를 최대로 하여 내전단력을 크게하므로서 소성변형(차바퀴패임)을 최소화할 수 있다.

본 발명에 의한 쇄석 매스틱 아스팔트 혼합물과 종래의 일반적인 아스팔트 혼합물과 차이점을 비교하면,

첫째, 쇄석 매스틱 아스팔트 혼합물에 있어서는 표층에 사용할 수 있는 최대골재 5mm의 쇄석을 65∼80%정도로 큰 골재의 입도분포가 크나, 종래 일반적인 아스팔트인 경우에는 가는 쇄석의 사용량이 많은 편이며, 다시말하면 파쇄된 상태로 그대로 사용하나 매스틱 아스팔트 혼합물에 있어서는 분쇄기의 선택 매쉬의 선택으로 가는 쇄석의 량을 줄인다.

둘재, 쇄석 매스틱 아스팔트 혼합물의 아스팔트량은 종래에 비해 많은량을 사용하게 되고, 점도가 큰 것을 사용하게 되며, 종래에 사용하지 않는 셀룰로우스화이바를 첨가하므로서 아스팔트 점도를 더욱 높이고, 아스팔트의 흘러내림을 방지하며 인성을 강하게 하여 아스팔트 콘크리트 균열을 방지하게 된다.

셋째, 쇄석 매스틱 아스팔트 혼합물에는 종래 일반 아스팔트에서 사용하는 오래를 사용하지 않는 것이 특징이다.

이상의 SMA 혼합물을 조성하는 방법과 이 혼합물로서 표층을 시공하는 방법은 아래와 같다.

1. 쇄석 매스틱 아스팔트(SMA) 혼합물의 조성방법 및 시고방법과 이에 따른 장비

1) SMA 혼합물의 조성방법

(1)섬유의 첨가

섬유첨가재를 저장할 수 있는 적당한 건조 저장소가 준비되어야 하며 요구되는 양을 일정하게 공급할 수 있도록 장치가 되어 있어야 한다.

배치플랜트의 경우, 낱알형태나 흐트러진(loose)섬유가 골재 계량조나 혼합조(pug mill)속으로 자동 또는 인력으로 투입될 수 있도록 별도의 주입장치 또는 투입구를 마련하고, 이를 통하여 투입한다.

섬유투입은 골재 계량조나 혼합조에 가열된 골재가 채워지는 동안 이루어지도록 하여야 한다.

아스팔트 팰랫트로 한 낱알 형태의 섬유를 사용할 경우 마른 비빔을 하지 않고 균일한 혼합물이 될 때 까지 40초 이상 계속혼합하여야 한다.

흐트러진 섬유를 사용할 경우는 10초 이상 마른 비빔을 한 후 가열 아스팔트를 주입후 균일한 혼합물이 될 때까지 30초 이상 계속 혼합하여야 한다.

(2) 채움재(mineral filler)의 취급

채움재를 저장할 수 있는 적당한 건조 저장소가 준비되어야 하며, 요구되는 양을 일정하게 공급할 수 있도록 장치가 되어야 한다.

SMA혼합물에 요구되는 비교적 많은 양의 채움재를 정확하게 계량 투입할 수 있도록 하여야 한다.

회수 다스트는 절대 사용해서는 않된다.

(3) 혼합작업

믹서에 투입된 골재와 아스팔트의 온도는 ±10℃의 범위를 넘어서는 안된다.

믹서에서 배출시 혼합물의 온도에서 170±15℃의 범위내에 있어야 한다.

믹서에 투입할때의 골재온도는 아스파트 온도보다 10℃ 이상 높아서는 안된다.

(4) 아스팔트 혼합물의 배합기준

플랜트의 검사결과 각 성능에 대해서 합격판정이 얻어지면 현장 배합입도와 현장 아스팔트량을 결정한다.

골재의 현장배합 목표치(JMF)에 대한 허용범위는 13mm-10mm 체에 대해서는 ±4%, No.4, No.8, No.30, No.50번 체에 대해서는 ±3%, No. 200번체에 대해서는 ±2%이다.

아스팔트 함량에 대한 허용범위는 ±0.3%이다.

2. 시공방법과 이에 따른 장비

(1) 운송장비

운송장비와 페이버는 일반적으로 밀입도 가열 아스팔트 혼합물의 운반과포설에 사용되는 것이어야 한다.

트럭의 적재함 바닥은 필요에 따라서 이중 또는 절연시켜 적정온도 상태의 혼합물을 현장에 운반할 수 있어야 한다.

(2) 페이버

페이버는 밀입도 가열 아스팔트 혼합물의 포설에 사용되는 것이어야 한다.

페이버는 계획된 포설폭 및 두께대로 아스팔트 플랜트 혼합물 재료를 포설 및 마무리할 수 있도록 라인 센서 및 스크리드(screed)가 장착된 일체식 자가 후진 장비이어야 하며, 90% 정도의 선다짐(Predcompaction)기능을 갖추어여 한다.

SMA 포설시 선다짐은 85% 이상 되도록 한다.

페이버는 혼합물을 만족스럽게 포설, 다짐이 될 수 있는 전진 속도에서 작업할 수 있어야 한다.

페이버는 균질한 표면 조직이 편평하게 마무리 될 수 있는 것이어야 한다.

(3) 기후관계

그늘진 곳의 대기 온도나 포설대상 구간의 표면온도가 10℃ 이상임, 표면은 건조하고 얼지 않은 상태이어야 한다.

(4) 기존 포장면의 조건

(가) SMA 혼합물을 포설하기 직전에 기존 표면은 비나 다른 승인된 방법으로 부스러기나 오염물질은 깨끗이 제거된 상태이어야 한다.

(나) 적합한 아스팔트 유제의 얇은 택 코우팅을 실시하여 덧씌우기 층이 균질하고 완전히 고착되도록 하여야 한다.

(다) 기존 표면이 편평하지 않은 경우 덧씌우기에 앞서 가열 아스팔트 혼합물의 레벨링층을 시공하거나 절삭하여야 한다.

(5) 포설

아스팔트 혼합물은 145℃ 이상에서 페이버에 적재되어야 한다.

혼합물의 온도는 혼합물이 포설장비에 부설되기 직전의 트럭상재 상태에서 측정되어야 한다.

포설온도는 다짐작업과 연속작업이 충분한 시간이 되도록 조정되어야 한다.

시방온도보다 20℃ 이상 낮은 경우에는 그 혼합물은 폐기하여야 한다.

(6) 다짐

(가) SMA 혼합물의 특성상, 표면은 즉각 다짐을 실시하여야 한다.

전압 다짐은 최소 10ton 이상의 철륜 전압 로울러를 이용한다.

전압절차는 규정된 포장밀도가 확보되도록 설정되어야 한다.

로울러는 페이버에 근접 위치에서 5km/hr가 초과되지 않은 속도로 초기 다짐을 한다.

타이어 로울러는 사용치 않는다.

전압은 로울러 자국이 제거되고 최소 규정 밀도가 될 때까지 계속한다. 도(b)를 제1도로 나타내었고, SMA 혼합물로 시공한 표층의 코아시편 표면도(C), 일반아스팔트 혼합물로 시공한 코아시편 표면도(d)를 제2도로 나타내었다.

본 발명에 의한 쇄석 매스틱 아스팔트(Stone Mastic Asphalt : SMA)는 아스팔트 자체의 성능보다는 골재간 맞물림 효과를 극대화하여 소성변형을 줄이므로서 차바퀴 패임현상을 방지하여 평활한 노면을 유지하므로서 승차감을 좋게하고, 우천시 수막현상에 의한 미끄럼을 방지하는 등 안전운행을 기할 수 있다.

또, 소요 아스팔트량을 일반 아스팔트 혼합물에 비해 10-20%의 아스팔트량을 추가 첨가하므로서 내구성을 크게 향상시키고, 셀루로우스 화이버를 첨가하므로서 골재사이로 아스팔트의 흘러내림 현상이나, 포장다짐시 아스팔트 유제가 표면으로 침출됨을 방지할 수 있으며, 아스팔트 콘크리트에 인성을 부여하므로서 균열발생과 탈리현상을 최소화시킬수 있다.

또 굵은 골재의 입도분포를 크게하므로서 표면 피륙조직이 거칠기 때문에 마찰 저항성이 우수하고 소음감소 효과를 기대할수 있다.

이상과 같은 이유로 본 발명에 의한 쇄석 매스틱 아스팔트 조성물과 공법으로 행해진 아스팔트 포장은 기존 포장에 비해 2-3배의 수명연장이 기대된다.

이상의 본 발명에 의한 효과를 더욱 명확하게 하기 위하여 본 발명에 의한 13mm SMA 혼합물과 종래 13mm 일반 아스팔트 혼합물로 휠트랙킹 시험을 행했다.

[실험예]

일반 아스팔트 혼합물과 SMA 혼합물의 휠트랙킹 시험비교

휠트랙킹시험 결과는 혼합물의 동적안정은(DS, 회/mm)로 제공된다.

이러한 동작안정도의 값은 아스팔트 혼합물의 소성변형에 대한 저항정도를 나타내는데 사용되며, 이 값이 클수록 혼합물의 소성변형에 더욱 강함을 알 수 있다.

휠트랙킹 시험은 혼합물 공시체를 온도가 섭씨 60℃ 조건에서 6시간 동안 방치하여 혼합물 내부온도까지 완전히 60℃가 되게 한후, 폭 5mm의 바퀴를 1시간 동안 왕복 1280회를 가한 후, 45-60분 사이의 변형량을 구하여 동적안정도를 구한다.

표 2의 시험결과는 한국도로공사 도로연구소 아스팔트포장연구실에서 "SMA 실용화 연구"의 일환으로 수행된 휠트랙킹 시험결과이다.

이러한 노력의 일환으로 한국도로공사 도로연구소에서는 1990년 부터 수년에 걸쳐 아스팔트의 물성증진을 위한 개질재 연구를 해왔다. 그러나, 아스팔트 혼합물로 아스팔트의 역할뿐 아니라 골재의 분포특성 및 공극의 역활이 아주 중요한 요소로 작용하기 때문에 이 또한 연구의 대상이 되어 왔으며, 그 결과로서 얻어진 것이 본 발명이라 할 수 있다.

본 발명은 아스팔트 표층의 소성변형(차바퀴 패임)을 최소화하고 균열방지 효과를 최대화하는 아스팔트 콘크리트 포장에 있어 이를 구성하는 표면층 포장조성물과 이를 포장 시공하는 공법을 제공하는 것으로, 먼저 포장조성물을 구성하는 아스팔트는 침입도 등급 60∼70의 것을 사용해야 하고, KSM 2201 규격에 적합한 것이어야 하며, 골재에 있어 굵은 골재는 아래표(1) 기준에 맞는 것이어야 하며, 쇄석골재중 자연 모래는 사용하지 않는다.

[표 1] 굵은 골재 기준

또, 혼합골재에 있어 굵은골재, 잔골재 및 채움재를 혼합한 혼합골재 입도는 아래표 2를 기준으로 한다.

[표 2]

표 2에서는 13mm SMA를 기준한 것이지만 표층용으로 사용할 수 있는 최대골재 기준은 13mm SMA 이외에 11mm SMA, 8mm SMA으로 나타내지만 이중의 어느것도 5mm 이상의 쇄석 골재 함량이 혼합골재 (5mm 이상의 굵은 쇄석골재 5mm 하의 잔 쇄석골재)의 65∼80중량%이어야 하며, 나머지 부분이 5mm이하의 잔쇄석 골재와 석분이다.

이와 같은 혼합골재가 포함되는 쇄석매스틱 아스팔트 혼합물의 구성비는 다음과 같다.

아스팔트 6∼7중량%

셀룰로우스화이바 0.3(±10%) 중량%, 또는 미네랄 화이바

혼합골재 92.7∼94% 중량%

(나) 로울러에 혼합물이 부착되는 것을 방지하기 위해 미량의 세제나 그와 이형 재료로 철륜을 물로 적셔주어야 한다.

(다) 포장은 이론 최대밀도의 94% 이상 다짐되어야 한다.

(라) 1차 및 2차 다짐은 아래 기준에 의해 다짐되어야 한다.

[표 3]

* 시험포장결과에 따라 다짐기준을 조절할 수 있다.

단, 1차 초기다짐시 혼합물의 온도가 130℃ 이하로 내려간 경우는 초기 전진하면서 1회에 한하여 50% 진동을 주며, 후진시 진동을 주지 않는다.

이때 로울러의 구동륜을 앞세워 전압한다.

이상과 같이 본 발명에 의한 SMA 혼합물로 시공한 표층이 코아시편 사진단면도(A), 일반 아스팔트혼합물로 시공한 코아시편 사진단면

이 시험을 최악 조건에서의 아스팔트 혼합물의 소성변형에 대한 저항도를 구해낼 수 있으며, 동적안정도는 1mm 침하하는데 소요되는 횟수를 나타낸다.

[표 4]

표 2의 시험결과로부터 소성변형에 대한 저항정도인 동적안정도 값은 일반 13mm 밀입도 아스팔트 혼합물의 최대값인 525보다 최소 4.8배에서 최대 7배까지 크게 나타냄을 알 수 있다.

Claims (8)

1. 아스팔트 도로 표층 포장에 있어서, 표층용으로 사용할 수 있는 최대 쇄석 13mm 골재에서 부터 5mm 까지 굵은 쇄석 골재 함량이 적어도 65-80중량%를 함유하는 혼합골재 함량이 92.7-94중량%, 아스팔트 6-7중량%, 셀룰로우스화이바 또는 미네랄 화이바 0.3(±10%)중량%을 혼합 가열한 쇄석 매스틱 아스팔트 혼합물.
2. 청구범위 제1항에 있어서, 혼합골재는 총 혼합골재함량중 석분 함량이 8-12중량%이고, 나머지가 5mm 이하의 잔 쇄석골재임을 특징으로 하는 쇄석 매스틱 아스팔트 혼합물.
3. 청구범위 제1항에 있어서, 아스팔트는 침입도 등급 60-70의 것임을 특징으로 하는 쇄석 매스틱 아스팔트 혼합물.
4. 청구범위 제1항에 있어서, 셀룰로우스 화이바는 아스팔트로 펠레트한 낱알형태의 것임을 특징으로 하는 쇄석 매스틱 아스팔트 혼합물.
5. 쇄석 매스틱 아스팔트 혼합물의 온도 170±15℃의 범위에서 믹서에서 배출하여 145℃ 이상의 온도에서 페이버에 적재하고, 최소 10톤 이상의 철윤접압로울러로 1차 및 2차 다집함을 특징으로 하는 쇄석 매스틱 아스팔트 혼합물의 시공방법.
6. 청구범위 제5항에 있어서, 1차 다짐은 다짐횟수왕복 3회 혼합물의 온도 130-150℃ 임을 특징으로 하는 쇄석 매스틱 아스팔트 혼합물의 시공방법.
7. 청구범위 제5항에 있어서, 2차 다짐은 다짐횟수왕복 3회 혼합물의 온도 110-130℃임을 특징으로 하는 쇄석 매스틱 아스팔트 혼합물의 시공방법.
8. 청구범위 제5항에 있어서, 다짐은 이론 최대밀도의 94% 이상임을 특징으로 하는 쇄석 매스틱 아스팔트 혼합물의 시공방법.

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