KR100679128B1 - 도로포장 재료 용 침입시험 장비와 물성 측정방법 및 시편제조방법 - Google Patents

도로포장 재료 용 침입시험 장비와 물성 측정방법 및 시편제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 도로포장 재료(흙, 노상토, 아스팔트포장, 시멘트포장, 흙-시멘트 안정층, 아스팔트-시멘트 복합포장)의 물성측정과 시편제작을 위한 침입시험장비, 침입봉, 시편 다짐판, 몰드에 관한 것이며, 시험재료 제조방법도 포함하고 있다. 침입시험장비는 만능시험기나 압축시험기기에 본 발명의 침입 봉과 시편몰드를 장착하고 온도조절을 위해 환경챔버로 시험부분을 둘러싼 형태다. 침입 봉이 몰드 내의 시편에 침투할 때, 로드셀로부터 침입강도를, 위치센서로부터 침입깊이를 측정하고 이 데이터로부터 수학식을 이용하여 공시체 물성을 계산한다. 시험시편 제작을 위한 골재는 본 발명에서 제시하는 스케일-다운된 입경을 사용하며, 고온에서 골재와 아스팔트바인더를 혼합하여 구상의 피복입자가 형성되면 혼합을 멈추고 다짐을 실시하여 시험시편을 제작한다. 본 발명의 침입시험장비에 의해 측정된 재료물성은 그 재료의 특성을 대변하며, 도로포장의 공용성 예측과 혼합물배합설계에 이용된다.
침입시험 장비, 침입 봉, 시편다짐 판, 시편몰드, 공시체제조, 침입데이터측정, 재료물성 변환, 포장 공용성능 예측, 혼합물 배합설계, 등

Description

도로포장 재료 용 침입시험 장비와 물성 측정방법 및 시편 제조방법{A penetration testing equipment, a property measuring method and a specimen preparation method for roadway pavement materials}
도 1은 아스팔트 콘크리트 혼합물의 복합 전단 계수
도 2는 도로포장재료 용 침입시험 장비에 대한 도식적 그림
도 3은 도로포장재료 용 침입시험 장비에 사용되는 침입봉들
도 4는 도로포장재료 용 침입시험 장비의 다짐판
도 5는 도로포장재료 용 침입시험 장비의 침입시험의 일 예
도 6은 침입시험에서 침입깊이에 따른 침입응력 데이터의 일 예
도 7은 차량하중과 레디알 타이어의 폭 규격
＜도면의 주요부분에 대한 부호의 설명＞
1. 침입봉(내마모강) 1a. 고무 패드
1b. 고정용 와이어 1c. 공기 주입구
1d. 압축된 공기 1e. 스크류 나사
1f. 타이어 바퀴 1g. 타이어 고정 지지대
2. 유압펌프 3. 서보 하이드롤릭 밸브
4. 뉴매틱 액추에이터 5. 원통형 시편몰드
5a. 혼합물시편 다짐판 6. 하중램 밸브
7. 밑면 받침대 8. 밑면 받침대 지지대
9. 밑면 베이스 10. 환경 챔버
11. 시험 공시체 11a. 변형된 공시체표면
11b. 표면의 돌출부위 12. 로드셀과 로드셀 하우징
13. 컴퓨터 14. LVDT 위치센스
15. 온도조절기 16. 온도센서
17. 가열기 18. 송풍기
19. 프린터
도로포장용 혼합물(아스팔트 및 시멘트 콘크리트 혼합물, 노상토, 시멘트-흙 혼합물, 아스팔트-시멘트 혼합물, 노상토)의 물리적 성질은 혼합물의 전반적인 품질특성을 나타냄과 동시에 도로포장의 공용성과 밀접한 상관관계를 갖고 있다. 이 때문에 재료의 물리적 성질을 정확히 측정한다는 것은 매우 중요하다. 재료의 성질을 측정할 때, 측정된 데이터의 정밀도, 신뢰도 및 재현성은 시험장비와 시험시편 선택의 핵심 고려사항이 된다. 그럼에도 불구하고 지금까지 도로포장 재료의 측정결과는 항상 무시 못 할 오차를 보여 왔으며 지금까지 이를 당연하게 받아들여 왔다. 본 발명과 유사한 시험장비로서 CBR(California Bearing Ratio)시험장비가 있으나 경험에 의존하여 상온에서 흙의 성질을 측정하는 장비로서, 측정된 데이터에 일관성이 없고 데이터 해석도 애매모호하여 역학적인 의미가 약하다. 여기서 포장재료 측정과정에서 유발되는 오차와 관련된 두 가지 중요문제를 상기시키고자 한다.
첫째로, 혼합물 공시체의 물성데이터를 측정하는 특정장비가 적절한 물성을 제공하느냐 아니 하느냐의 문제이다. 즉, 도로포장 위에서 차량에 의해 가해지는 하중형태를 고려할 때, 이에 알맞은 시험장비와 방법이 따로 존재할 수 있다. 예를 들어, [도 1] 의 데이터는 미국 캘리포니아 주 버클리대학의 테예밸리(Tayebbali) 등(1994)의 연구팀이 측정한 데이터이며, 단순전단시험(Simple Shear Test) 장비에 의해 측정한 아스팔트혼합물의 동복합계수를 주기의 함수로 나타내고 있다.
그림에서 관측되듯이 이러한 데이터는 항복응력 이후의 동복합계수(응력)를 주기의 함수로 나타내고 있다. 그러나 항복응력이 원 재료의 구조파괴를 의미하는 응력이라 한다면, 재료파괴 이전, 즉, 항복응력 이전의 변위와 응력에 대한 정보가 아스팔트포장의 공용성과 관련하여 중요함에도 단순전단시험(Simple Shear Test) 장비에 의한 측정은 이에 대한 정보를 상실하고 있다. 이러한 측면에서 동복합계수와 유사하게 측정되는 회복탄성계수도 동일한 결론에 귀착된다. 이상의 측면을 고려할 때, 전단시험보다도 간접인장시험이나 3축 압축장비에 의한 크립시험이 항복응력 이전의 응력상태를 보여주므로 도로포장 물성을 제공하는 데 근접하다고 할 것이나 이들 시험법에도 문제가 없는 것은 아니다.
도로포장 위에 차량이 통과할 때, 차륜의 타이어가 포장 면에 접지압을 가하 여 순간적으로 포장의 접촉면과 접촉면 바로 주위에 변형을 유발시키지만, 그 변형을 에워싸고 있는 다른 포장 재료는 변형에 저항하는 역할, 즉, 컨파인먼트 영향(confinement effect)을 보인다. 간접인장시험은 공시체 주위에 변형에 저항하는 컨파인먼트 영향이 없고, 삼축 압축장비에 의한 크립시험은 컨파인먼트 압력을 임의로 부여함으로서 실제 도로포장재료가 경험하는 것과의 일치여부가 의문으로 남는다.
둘째로, 시험에 사용되는 혼합물공시체의 불균일성과 이방성 문제에 기인한 오차를 꼽을 수 있다. 포장표층용 밀입도 아스팔트혼합물 공시체 제조과정을 살펴보면, 최대입경이 19mm로부터 최저 0.075mm이하까지 다양한 분포도를 가진 골재를 160-170℃(섭씨 160-170도)의 혼합기 내에서 이미 용융된 아스팔트바인더와 함께 격렬하게 혼합시켜, 모든 골재표면을 아스팔트바인더로 피복시키고, 피복된 골재를 일정한 밀도가 되도록 다져서 시험에 사용할 혼합물 공시체를 만든다. 그 결과 얻어진 공시체는 골재의 분포도에 의하여 불균일하고 이방성(nonisotropic)을 가진 혼합물이 된다. 이 때문에 동일한 입경과 분포도를 가진 골재와 동일한 종류와 함량을 가진 아스팔트바인더로 같은 절차에 따라 공시체를 만들었다 하더라도, 공시체내부의 골재입자의 분산위치는 각 공시체 마다 다를 수밖에 없는 데 그 이유는 각기 다른 입경을 가진 입자들이 혼합물 내부에서 항상 균일한 위치와 배열을 가질 수 없기 때문이다. 동일한 이유로 단일 공시체내부에서도 주어진 방향에 따른 각 단면에서의 골재 분포도도 틀려진다. 즉, 물질의 역학적 성질을 측정할 때, 각 공시체마다 내부배열이 다른 골재들의 변형이나 유동이 수반되고 이로 인해 공시체에 따라 측정응력에 상당한 차이가 생긴다. 이 문제가 도로포장혼합물 공시체의 역학적 성질을 측정할 때 경험하는 가장 큰 어려움이다. 즉, 측정하고자 하는 공시체 단면에 비해 내부에 존재하는 일부 골재가 너무 클 뿐만 아니라, 큰 골재입자가 분포한 위치가 공시체마다 상이하고, 측정하고자 하는 방향에 따라서도 불균일하다는 문제점을 안고 있다. 지금까지의 모든 포장 재료에 대한 시험은 도로포장 혼합물의 실제 골재입경과 분포도를 그대로 사용하고 있으며, 그 결과 위에서 지적한 문제에 직면하게 되어 측정 데이터의 재현성을 얻기 힘든 것은 물론이고 심각한 측정오차를 유발시키고 있다.
이러한 문제가 도로포장혼합물의 마샬시험(Marshal Test)에 의한 마샬안정도(Marshal Stability) 측정, 단순전단시험(Simple Shear Test) 장비에 의한 동복합계수(Dynamic Complex Modulus) 측정, 회복탄성계수(Resilient Modulus) 측정, 간접인장(Indirect Tensile) 시험, 삼축압축 장비에 의한 크리프(Creep) 시험 등에서도 발생하고 있어 측정 데이터의 신빙성에 항상 의문이 제기되어 왔다. 이는 근본적으로 시험장비의 문제라기보다는 시험하고자 하는 아스팔트혼합물 공시체의 특성에 기인하는 문제라 할 수 있다. 시멘트콘크리트의 물성시험에서도 공시체마다 상이한 내부골재분포로 인해 동일한 현상이 목격된다.
문헌 : Tayebbali, A.A., Tsai, B.-W., Monismith, C.L.(1994), "Stiffness of Asphalt-Aggregate Mixes," SHRP-A-388, National Research Council, Washington, DC, pp. 35-47, 93-101.
상기에 제기된 문제점들을 고려할 때, 가장 적절한 시험방법은 [도 2] 에 나타낸 바와 같은 침입시험법이다. 차륜의 타이어가 포장 면에 접지할 때, 접지면적은 원이나 원에 가까운 타원형태를 띄게 된다. 따라서 여기서는 재료와의 접촉면을 원으로 간주하여 원통형의 침입봉(1)을 사용하고, 공시체 혼합재료는 마샬 몰드처럼 원통의 몰드(지름이 15cm의 것이 추천되나 임의로 선정할 수도 있음)(5)에 다짐된 것을 사용한다. 그렇게 하면 침입봉(1)의 접지 면을 둘러싼 주위의 재료는 자연적으로 컨파인먼트(confinement) 역할을 담당하므로 도로포장 상의 차량에 의한 압축하중과 일치하는 구조를 지닌다. 하중형태는 유압설비를 하거나 기아박스를 사용하여, 반복하중을 가할 수도 있고 일정한 속도로 연속하중을 가할 수 있게 만든다. 침입봉(1)이 실린더 형의 공시체 혼합물(11) 중앙에 침입하도록 몰드(5)를 올려놓는 밑 받침대(7) 위에 몰드(5)를 놓을 위치눈금을 만들 수 있다. 봄, 여름, 가을 및 겨울의 포장온도를 고려하여 시험장비 위부에 온도제어(15)를 할 수 있는 환경챔버(10)를 설치하여 시험조건이 고온과 저온으로 조정이 되도록 온도제어(15)를 한다. 침입봉(1)이 재료를 침입할 때의 침입응력과 침입변형 값은 설치된 로드셀(Load Cell)(12)과 위치센서(LVDT)(14)에 의해 전기적 신호로 감지되고 이를 A/D변환장치를 이용하여 디지털 값으로 변환하여 측정한다. 일정한 온도와 침입속도에서 측정된 응력과 수직변형 값을 이용하여 재료의 물성(침입강도, 점도, 항복응력, 등)을 계산해 낸다.
[도 3] 에 예시하였듯이 본 침입도 시험장비의 침입봉은 내마모강(스텐레스강, 크롬강, 티타늄강, 니켈강, 합금강, 공구강, 등) 침입봉(3.1) 뿐만 아니라 고무패드가 부착된 침입봉(3.2), 타이어 공기압에 해당하는 압력을 고무패드에 주입한 침입봉(3.3), 침입봉을 대치하는 작은 타이어(3.4) 등도 사용될 수 있다. 타이어 재질은 고분자나 고무복합체로 구성되며 타이어는 회전하지 않고 고정되어 지지대와 연결되어야 시험 봉으로 사용할 수 있다. 타이어의 폭은 다양한 것을 사용할 수 있지만 5cm가 적당하며 타이어의 전체 직경은 몰드의 직경보다 작은 것을 사용해야 한다. 고무 타이어의 경우 공기를 외부에서 주입하여 원하는 타이어압력을 조절하는 장치를 가지는 것이 바람직하다. 이러한 작은 타이어바퀴(3.4) 시험봉은 실제 도로 위를 주행하는 차량타이어를 모사하기 위한 것이다. 또한 전적으로 전단응력만을 유도하기 위하여, 실린더형의 원(3.1) 대신에 긴 원추 시험 봉(3.5), 짧은 원추 시험 봉(3.6), 타원구(3.7), 반구(3.8)와 같은 시험 봉을 사용할 수 있다.
[도 4] 는 침입시험에 사용할 혼합물 다짐시편을 제작하기 위하여, 실린더형의 몰드에 혼합된 재료를 넣고 압력을 가하기 위한 다짐 판(5a)을 나타낸다. 침입시험 봉 대신에 1-3cm의 두께를 가진 다짐 판(5a)을 장착하고 몰드(5) 내부의 공시체 혼합물(11)에 적절한 다짐압력을 지속적으로 가하거나 혹은 주기적으로 가하여 혼합물이 일정한 밀도를 성취하도록 하는 데 상기 다짐 판이 사용된다.
본 침입도 시험장비는 도로포장의 노상을 구성하는 노상토는 물론이고, 흙-시멘트 안정 층 재료, 표층과 기층용 시멘트콘크리트 혼합물, 아스팔트 콘크리트 혼합물, 아스팔트-시멘트 혼합물 등의 물성측정에도 사용되고, 높고 낮은 광범위한 속도와 고온과 저온에 걸친 광범위한 온도범위에서 정량적으로 측정이 가능하도록 설계된다. 물론 측정하고자 하는 재료에 따라 각기 침입전단강도에 상당한 차이가 있으므로 이를 고려하여 해당하는 재료의 강도에 알맞은 로드셀 센서를 사용해야 할 것이다. 즉, 상온의 흙이나 고온의 아스팔트콘크리트 혼합물을 측정할 때는 로드셀의 용량이 비교적 작으므로 정밀한 로드셀 센서를 사용해야 할 것이며, 반면에 저온의 아스팔트콘크리트나 시멘트콘크리트를 측정할 경우에는 로드셀 용량이 크고 비교적 덜 정밀한 센서를 사용할 수 있을 것이다.
여기서 정량적인 측정법이라 함은 침입봉이 해당 공시체를 침입할 때, 역학적인 힘의 균형관계를 적용하여 침입전단응력에 대한 수학적인 표현 식을 유도하고 이 공식에 따라 응력을 계산하는 방법을 의미한다. 이 목적을 위해 본 발명자가 개발한 식은 내비엘-스톡스(Navier-Stokes)(1960) 식의 원통 운동방정식의 r(반경방향), θ(각방향), z(축방향)-좌표에 대한 세 식에서 출발한다. 침입시험은 전형적인 일축침입시험으로서 여기서는 z(축방향)-좌표에 대한 유동만이 고려대상임으로 r과 θ-좌표 식은 무시된다. 따라서 z(축방향)-좌표에 대한 식만을 고려하고, 이 식 중에서 유동에 의한 관성력(inertial force)은 마찰에 의한 응력이나 침입봉의 압력에 비하여 상대적으로 적어 무시할 수 있음으로 이들을 제외하고 나머지 압력과 응력에 관한 항들로서 경계조건과 함께 원하는 전단응력에 대한 표현을 유도한다. 경계조건으로서 침입봉이 접촉하는 공시체 혼합물의 표면은 침입봉의 압력을 설정하고 나머지 표면은 제로로 한다. 본 발명자가 상기와 같은 절차를 밟아 수치적으로 유도한 식은 아래와 같다. 하기식은 본 침입도 시험장비로 측정한 도로포장 혼합물 데이터(침입응력 및 침입변형 값)를 이용하여 혼합물의 물성산정을 가능하게 한다.
[수학식 1] 침입전단응력(τw) 식:
Figure 112004508382824-pat00014
[수학식 2] 봉 중심에서 표면 최대높이까지 거리(Rm)를 구하는 식:
Figure 112004508382824-pat00015
[수학식 1] 에서 아래첨자 i는 시료 i에 대한 시험을 나타내며, 그 외 다른 기호가 의미하는 바는 다음과 같다;
Rw=침입봉의 반지름; Ro=몰드의 반지름
Rm=봉 중심에서 표면최대높이까지 거리; σ=측정 침입응력
z = 침입깊이 좌표; r =반경좌표
τw=계산된 침입전단응력; n =재료의 전단민감지수
아스팔트포장 혼합물에 침입봉(1)이 침입했을 때의 변형상태와 관련부호를 참고로 [도 5] 에 나타내었다. [도 5] 에서 보듯이 원통형 몰드(5) 내부의 공시체(11)에 침입봉(1)이 침입했을 때, 공시체(11) 표면에 변형(11a)이 일어나 표면최대높이(11b)가 형성됨을 보여주고 있다. 다수의 혼합물 공시체를 만들어 낮은 침입속도부터 높은 침입속도까지 속도를 달리하며 침입시험을 하면, 하중측정을 하는 로드셀 센서와 위치측정을 하는 LVDT 센서가 A/D변환기를 통해 각각의 침입위치(zi)에 따른 침입응력(σi)이 측정되며, 또한 이 값들로부터 응력계수인 기울기(dσ/dz)i도 구해진다. [도 6] 에 아스팔트 혼합물에 대해 측정한 침입깊이에 따른 침입응력 데이터, 해당 기울기 및 항복응력의 예를 보여준다. 침입속도에 따른 해당 기울기는 [도 6] 에서와 같이 구할 수 있다. 이제 [수학식 2] 의 관계에서 수치해석을 통해 봉의 중심에서 표면최대높이까지의 거리(Rm)을 계산해낸다. 구해진 기울기-값과 Rm-값을 이용하여 [수학식 1] 로부터 포장혼합물의 물성인 침입전단응력(τw)을 얻는다.
이상의 이론은 유동성이 있는 10℃ 이상의 아스팔트포장 혼합물이나 각종 상온의 흙의 물성을 측정하는 데 이용될 수 있으나, 10℃ 이하에서 고체 상태에 있는 아스팔트포장 혼합물이나 아스팔트-시멘트 콘크리트, 흙-시멘트 콘크리트, 모든 시멘트콘크리트 혼합물은 위의 이론이 적용될 수 없다. 이 경우 침입시험을 통하여 침입강도(침입응력을 침입깊이로 나눈 값)와 항복응력과 항복응력변위 값(재료가 파괴될 때의 응력)을 얻게 되는 데, 이 값들은 이들 재료의 도로포장을 위한 배합설계에 직접 사용될 수 있다. 이상에서 침입 장비에 의해 측정된 데이터(침입응력과 침입깊이)를 물성데이터(침입전단응력, 전단지수, 침입강도, 항복응력, 항복변위, 등)로 해석하는 방법과 절차를 처음으로 소개하였다.
또한 본 발명에 의한 장비를 이용하여 실험실에서 휠트래킹 시험을 하지 않고도 작은 타이어바퀴(3.4)를 이용하여 아스팔트혼합물 공시체의 피로균열을 알아보는 시험을 수행할 수가 있다. 이 시험은 타이어바퀴(3.4)의 일정하중을 주기적으로 적용 및 해제하기를 반복적으로 수행함으로서 피로균열이 시작되는 반복하중회수를 알 수 있다.
그러나 본 발명의 장비에 의한 물성측정도 통상의 포장혼합물 공시체를 만들어 시험한다면, 침입봉의 접촉면적에 비하여 공시체 내부의 일부 골재입경이 상대적으로 크고, 침입봉 접촉면 아래의 입경 분포도가 공시체마다 달라 이로 인한 측정오차를 피할 수 없을 것이다. 그러나 혼합물내부의 골재입경을 작게 만들어 입경의 영향을 최소화시킨다면, 비교적 등방성에 가까운 재료가 되므로 위에 언급한 문제점들을 최소화 시킬 수 있다. 실제로, 미세한 입자들로 구성된 아스팔트 매스틱(mastic)혼합물에서는 물성 측정오차가 비교적 미미하다.
[도 7] 에서는 차량하중과 이 하중에 사용되는 타이어 폭 규격을 나타내었다. 여기에 사용된 데이터는 한국타이어 회사(2002)의 안내책자에서 발췌된 것이다. 차량하중이 커질수록 타이어 폭도 비례적으로 증가함을 볼 수 있다. 그러나 차 량하중을 타이어 접지면적(원으로 가정)으로 나눈 접지압력은 타이어 폭(원의 지름)이 커진다고 비례하여 증가하지 않고, 일정 폭 이상이 되면 증가하는 정도가 둔화된다. 그러나 압력이 동일하다 하더라도 타이어 폭이 증가하면 타이어 접지면적에 비하여 포장 중의 골재입경은 상대적으로 적어지므로 여전히 포장변형에 영향을 미친다고 볼 수 있다. [도 7] 에서 보여주듯이 11톤 트럭은 28cm 폭(접지면의 지름)을 가진 타이어 접지압에 의해 도로포장 위를 주행하게 된다. 실험실에서 행하는 아스팔트(시멘트)혼합물 시험에서도 이에 상응하는 조건을 만들어 주어야, 비로소 실험실 시험이 현장조건을 모사한다고 할 수 있을 것이다. 예를 들어, 혼합물 공시체시험에 사용하는 침입봉 지름이 5cm라고 하면, 이 침입봉의 접지압에 맞게끔 포장혼합물의 골재입경을 5/28의 비율로 축소한다면, 28cm 타이어 폭을 가진 11톤 트럭이 도로를 주행하는 것과 같은 접지압을 실험실에서 재현하게 된다. 즉, 28cm 타이어 폭을 가진 접지 압에 영향을 받는 노면상의 19mm 입도는, 5cm 침입봉에 의한 침입도시험에서는 (19)(5/28) = 3.4mm의 입도에 해당하게 된다. 실험실에서 침입시험에 사용할 혼합물 공시체제작에 이처럼 스케일 다운된 입경을 사용함으로서 상대적으로 골재크기와 분포도의 영향을 감소시켜 측정오차를 줄일 수 있을 뿐만 아니라 실제 교통상항과 유사한 조건을 만들 수 있을 것이다.
현재 실험실에서 각종 혼합물 시험에 사용되고 있는 모든 공시체는 골재의 스케일다운(scale down) 없이 실제 포장에 사용되고 있는 골재입경과 분포도를 그대로 사용하고 있다. 예를 들어, 소성변형을 예측하기 위한 실험실용 반복 바퀴주행시험(wheel tracking device)에서는 5cm 폭을 가진 주행바퀴(tracking wheel)를 사용하여 소성변형을 측정함에도 골재를 전혀 스케일다운 함이 없이 도로현장과 동일한 골재입경과 분포도를 사용하고 있다. 이로 인해서 측정 데이터의 재현성에 심각한 어려움이 노출될 뿐만 아니라, 역학적 견지에서도 이러한 시험결과가 어떤 의미를 나타내는 지 애매모호하다.
실험실에서 고정된 접지면에서의 골재입경 변화는, 도로포장에서 고정된 골재입경 하에서 주행타이어 폭의 변화를 의미하는 것이 된다. 따라서 실험실적 물성시험에 사용되는 시험공시체 내부의 골재입경이 작으면 작을수록 도로포장 상에서는 큰 폭의 타이어를 가진 대형차량이 주행함을 의미하며, 또한 작은 입경을 가진 시험공시체의 경우에 실험실적 측정오차도 상대적으로 줄어들어 보다 정확한 측정을 가능하게 한다. 따라서 다양한 타이어 폭을 의미하는 다양한 입경을 가진 시험공시체가 주행조건에 따라 사용될 수 있으며 이러한 원리에 기초를 둔 시험시편이나 공시체 제조가 본 발명의 특징 중 하나이다.
스케일 다운한 입경으로 아스팔트와 혼합하여 혼합물시편을 만들 때 주의할 사항은 높은 온도에서 혼합이 시작된 후 얼마 지나지 않아 수많은 작은 입자들이 아스팔트로 피복이 되어 구상의 혼합물을 형성하게 된다. 이 때 혼합을 멈추고 구상의 혼합물을 몰드에 넣은 후 다짐판으로 다짐하여 일정한 공극을 가지는 시편을 제조해야 한다. 혼합을 멈추지 않고 계속하여 혼합하면 구상으로 피복된 아스팔트의 피복두께가 시간경과와 더불어 점차 두터워지고 마침내는 전체가 공극이 없이 한 덩어리의 응집체를 형성한다. 이 때 혼합을 멈추고 다짐을 하면 공극이 전혀 없는 매스틱을 제조하게 되는 데, 이는 도로상의 포장혼합물과 상이한 재료가 된다.
지금까지의 내용을 요약하면, 본 발명의 특징은, 첫째, 도로포장(흙, 아스팔트, 시멘트포장) 혼합물의 물성시험에 가해지는 하중의 특성을 고려하여 침입도시험의 타당성을 주장함과 함께 침입시험에 여러 개의 새로운 침입봉들의 사용을 제안한 것이며, 둘째, 침입 장비에 의해 측정된 데이터를 재료의 물성데이터로 해석해내는 방법과 절차이며, 셋째, 침입시험에 사용할 혼합물 공시체제작에 주행트럭의 타이어 폭과 침입시험에 사용할 침입봉 지름의 비율에 따라 스케일다운 된 골재입자를 사용한다는 점이며, 넷째, 스케일다운 된 골재입자들을 높은 온도(160℃ 이상)에서 아스팔트와 혼합하여 혼합물시편을 제조할 때, 수많은 골재입자들이 최초로 아스팔트로 피복이 되어 구상의 혼합물을 형성하게 되는 시점에서, 즉시 혼합을 멈추고 다짐공정으로 넘어가야 하는 공시체 제조방법을 제안하였다.
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개략적인 침입도 시험 장비를 [도 2] 에 예시하였다. 여기서는 침입봉(1)이 유압펌프(2)와 유압서보 밸브(Servo Hydraulic Valve)(3) 그리고 뉴매틱 액추에이터(Pneumatic Actuator)(4)의 작동에 의해서 위에서 아래로 침입하도록 되어 있으나, 침입봉(1)은 그대로 있고 아래 몰드(5)부분이 올라가면서 침입이 진행되도록 만들 수도 있다. 또한 유압에 의한 작동이 표시되어 있으나, 기아박스를 이용한 모터구동식으로도 작동할 수 있으며, 구동방식은 필요에 따라 일정한 속도로 연속적으로 침입하게 하던 가 아니면 일정한 파형으로 사이사이 짧은 휴지시간을 둔 반복 침입을 하게 할 수도 있다. 하중램밸브(Load Ram Valve)(6), 밑면 받침대(7), 받침대 지지대(8), 밑면베이스(9) 및 장비프레임은 시멘트콘크리트나 영하에서의 아스팔트 콘크리트의 침입강도를 측정할 때, 전혀 변형을 일으키지 않도록 충분한 강도를 유지하도록 설계되어야 한다. 침입장비의 핵심적 개념은 침입봉이 압력에 의해 원통형몰드에 침입하며 이때 침입압력과 침입깊이를 측정한다는 것이다. 침입봉에 압력을 가하거나 침입봉은 그대로 있고 시편몰드가 상승하여 침입하도록 하는 기능을 갖춘 모든 구동장비는 본 발명에서 주장하는 침입시험장비에 속한다. 일예로 유압서-보 밸브를 이용한 침입측정절차를 알아보면 다음과 같다.
1. 온도제어가 가능한 환경챔버(10) 내에 침입봉(1)을 하중램밸브(6)에 설치한다.
2. 공시체 혼합물(11)이 담긴 몰드(5)를 로드 셀(12)이 장착되어 있는 밑면 받침대(7) 위에 올려놓는다. 몰드크기는 임의로 선정할 수 있으나 통상 마샬몰드와 동일한 직경인 10.16cm를 사용하거나 자이러토리 컴팩터(giratory compactor)나 CBR(California Bearing Ratio)시험의 몰드크기인 15cm 중 택일하여 사용할 수 있다. 로드셀(12)의 장착은 응용재료에 따라 변경될 수 있게끔 설계하여야 하며, 상온의 흙이나 중온 또는 고온의 아스팔트콘크리트의 경우에는 비교적 용량이 낮은 로드셀(12)을 사용할 것이나 저온의 아스팔트콘크리트와 모든 시멘트콘크리트의 경우에는 상당히 큰 용량의 로드셀(12)을 사용해야 할 것이다.
3. 컴퓨터(13)로 유압 서-보 밸브(Servo Hydraulic Valve)(3)를 작동시키거 나, 모터 구동식 기어박스를 작동시켜서 침입봉(1)을 서서히 공시체(11) 표면에 하강시켜 멈추게 한다. 이때 침입봉(1)과 함께 움직이도록 침입봉(1) 위에 설치된 LVDT 위치센서(14)의 읽음을 제로로 만든다.
4. 원하는 측정온도를 온도 컨트롤박스(15)에 세팅하면, 환경 챔버(10) 안의 온도센서 (16)와 가열기(또는 냉각기)(17)에 의해 자동으로 온도가 조절되어 원하는 온도가 된다. 이 때 공시체 내부의 온도가 균일하게 되도록 충분한 시간 (2 시간)을 부여하여야 한다. 온도조절 수단은 상온이상의 온도는 챔버 내부에 설치된 가열기(17)에 의하고, 영하의 온도는 액체질소가스(혹은 칠러를 이용한 찬공기)를 환경 챔버(10)에 연결시켜 온도를 제어할 수 있다. 챔버 내부의 온도를 균일하게 하기 위해 송풍기(18)를 달아 공기를 순환시켜야 한다.
5. 공시체의 온도가 전체적으로 균일하게 되면 컴퓨터(13)에 지시하여 침입봉(1)이 일정한 속도로 공시체 속으로 침입하게 하고, 짧은 시간 내에 원하는 수만큼의 하중과 변위 데이터를 A/D 변환기를 통해 컴퓨터(13)가 읽어 들일 수 있게끔 설비를 갖춘다. 이 때 위치센서 (LVDT)(14)는 미세한 변위도 정밀하게 감지할 수 있어야 한다. 읽어드린 데이터 중 침입하중은 침입봉(1)의 단면으로 나눔으로서 침입응력으로 바꾼다. 이러한 측정을 여러 개의 공시체를 만들어 침입속도를 변화해가며 반복한다.
6. 침입속도에 따라 얻어진 침입응력과 침입깊이(변위 데이터) 데이터를 이용하여 앞서 설명한 수학공식에 따라 침입전단응력, 항복응력 및 침입강도를 구한다. 이러한 절차를 수학적인 프로그램을 만들어 측정된 데이터를 컴퓨터(13) 내에 저장하게 만들고 모든 측정이 완료되면 이 데이터를 컴퓨터가 분석하고 계산하게 하여 포장 재료의 물성을 산출하고 이를 프린터(19)가 프린트 하도록 한다.
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7. 침입봉(1)은 [도 3] 에 전시되어 있다. 침입봉직경은 미리 정해져 있지 않고, 다양한 직경을 사용할 수 있으나, 여기서는 특히 5cm의 지름을 가진 침입봉을 추천한다. 침입봉 재질은 열처리한 스테인레스강이나 크롬강, 각종 내마모강으로 만들 수 있다. 침입면은 평탄하고 가장자리에 미세한 탭퍼(tapper)를 가한 것(1.1)을 추천하지만, 원한다면 원추모양의 각(콘 형)을 가진 것이나 반구형처럼 둥근형의 침입면을 사용할 수도 있다. 그러나 이 경우 변경된 구조에 맞게끔 앞서 소개한 수학식들을 수정하여 물성을 구해야 할 것이다. 적용경우에 따라 다른 침입봉을 사용할 수 있는 데, 파형패턴을 가진 반복하중을 가할 때는 [도 3] 의 고무패드 속에 압축공기를 주입한 세 번째 침입봉(3.3), 혹은 작은 타이어형태(3.4)의 시험봉을 사용할 수도 있다.
발명의 구성 중 또 다른 중요한 부분이 포장혼합물의 공시체 제작이다. 5cm 직경의 침입봉을 사용한다면 공시체제작에 사용할 골재입자는 이 직경에 상응하도록 스케일다운(scale-down) 되어야 한다. 스케일다운 하는 방법은 앞에서 설명하였고 아래 실시 예에서 적용분야에 따라 스케일 다운된 예를 보여주고 있다. 아스팔트포장을 위한 혼합물 공시체 제작과정을 살펴보자. 스케일 다운된 골재입자를 150℃의 오븐에서 적어도 네 시간 이상 건조하여 충분히 습기를 제거한다. 아스팔트바인더를 160℃의 오븐에서 점도가 낮은 액체가 될 때까지 가열한다. 마샬 배합설계에 따라 최적 바인더 함량과, 이에 해당하는 건조되고 스케일 다운된 골재입자 양을 산출하고, 각 재료들의 무게를 달아 160℃를 유지하고 있는 혼합기에 부어넣는다. 이 재료들을 잘 혼합시켜 모든 골재입자들이 아스팔트바인더로 균일하게 피복이 되어 구상의 입자들이 되도록 한다. 혼합 후 혼합물을 시험몰드에 넣고 다짐을 실시한다. 이렇게 제조된 혼합물 공시체를 상온에서 하룻밤 냉각시킨 후 침입시험에 사용할 시험공시체로 한다. 콘크리트 공시체를 만드는 과정도 통상의 관례대로 행하면 되는 데, 단지 공시체를 만들 때 사용되는 골재는 5cm 침입봉에 맞게끔 스케일 다운된 입경을 사용해야 할 것이다.
[실시예]
[실시예 1]
[도 7] 에 의하면 11톤 대형트럭의 래디얼 타이어폭은 28cm 이다. 이 트럭이 주행하는 아스팔트포장의 표층입경은 통상 밀입도 19mm 이다. 실험실의 침입도 시험에 사용되는 5cm 침입봉의 직경에 맞게 밀입도 19mm 입경을 스케일 다운하면 다음과 같다.
Figure 112004508382824-pat00016
[실시예 2]
[도 7] 에 의하면 23톤 초대형트럭이나 덤프트럭의 래디얼 타이어폭은 39.5 cm 이다. 이 조건이 실험실에서 5cm 침입봉의 접지압과 일치하도록 아스팔트포장 기층 BB(Black Base)-1의 입경을 스케일 다운하면 다음과 같다.
Figure 112004508382824-pat00017
각종 흙이나 노상토, 10℃ 이상의 아스팔트 콘크리트 혼합물은 유동성을 가지므로, 침입전단응력, 침입전단속도, 침입전단지수와 항복응력 같은 물성을 가지며 이들을 측정하는 데 본 발명의 침입도 장비가 사용된다. 이러한 측정을 통하여 본 침입장비가 각 포장 혼합물재료의 특성을 규명하는 데 유용하게 사용된다. 또한 측정결과는 흙의 지지력이나 아스팔트콘크리트의 소성변형과 피로균열 같은 공용성 문제를 예측하는 데 필요한 물성을 제공함으로서 포장손상을 사전에 방지할 수 있는 효과가 있다. 또한 10℃ 이하의 아스팔트콘크리트, 시멘트콘크리트 및 아스팔트-시멘트 콘크리트는 고체이므로, 이들에 대해서는 침입강도와 항복응력 값을 측정할 수 있고 측정된 값들은 이들 재료의 도로포장을 위한 배합설계에 응용될 수 있다. 또한 반복 침입하중을 몰드내의 시편에 가함으로서 지정된 반복하중 후의 소성변형깊이나 피로균열 또는 각종 균열 정도를 정성적으로 알아보는 데도 이용될 수 있다.

Claims (5)

  1. 도로포장재료의 물리적 성질을 측정함에 있어서 기존의 만능시험기나 압축시험기의 측정부위에 일정한 시험온도가 되도록 제어할 수 있는 환경챔버를 설치하고, 환경챔버 내부의 중앙 밑면에는 공시체가 포함된 내경 10-30cm의 실린더형의 몰드가 장착되고 중앙 윗면에는 시편제작을 위한 두께가 1-4cm인 원판의 몰드 다짐판 또는 침입시험을 위한 침입봉이 부착될 수 있어서, 몰드 내부에 삽입된 혼합물을 다짐하여 시험시편을 제작하거나 또는 제작된 몰드 속의 시편에 대해 침입시험을 행할 수 있는 장비로서, 몰드 아래에는 로드셀(하중센서)이, 침입봉 위에는 위치센서(LVDT)가 장착되어 침입봉이 몰드내부의 시료에 침입압력을 가할 때 상기 센서에 의해 감지되는 전기적 신호가, 환경챔버 외부의 A/D변환기와 컴퓨터를 통해 침입응력과 침입깊이로 변환되어 침입시간에 따라 실시간 제공될 수 있는 특징을 가진 도로포장 재료 용 침입시험 장비.
  2. 제 1항의 침입봉에 있어서 그 재질은 내마모강(스텐레스강, 크롬강, 티타늄강, 니켈강, 합금강, 공구강, 등)으로 구성되며, 침입봉은 지름이 3-30cm이고 침입봉 중 하단의 침입부위는 침입봉과 동일재질로서 실린더이거나, 긴 원추형이거나, 짧은 원추형이거나, 타원구형이거나, 반구형이거나, 침입봉의 하단을 깎아서 침입봉과 동일지름이 되도록 고무패드를 씌운 것이거나, 침입봉의 하단을 깎아서 침입봉과 동일지름이 되도록 고무패드를 부착하고 고무패드 내부에 공간을 형성하여 공기압을 주입한 것이거나, 직경이 5-25cm인 고무나 플래스틱으로 만들어진 원형의 롤러가 침입봉의 하단에 고정적으로 부착되어 롤러자체가 침입봉의 침입부위를 형성하고 있는 것을 특징으로 하는 도로포장 재료용 침입시험장비.
  3. 침입봉 하단의 침입부위를 연속적으로 침입시키거나 혹은 주기적인 파형의 형태로 침입하중을 작용시켜 얻어진 침입강도와 침입변형 데이터를 본 발명의 명세서에서 설명한 아래 방정식에 의해 침입전단응력으로 변환시키는 것을 특징으로 하는 도로포장 재료 용 침입시험 물성 측정방법.
    Figure 112006509555223-pat00025
  4. 도로포장 혼합물에 대한 침입시험에 의한 물성측정(또는 휠트래킹 시험)을 행함에 있어서 차량타이어의 접지면적에 대한 도로포장을 구성하는 최대골재입경의 단면적 비율이, 실험실에서의 시험 침입봉 접지면적(또는 휠트래킹 장비의 휠 접지면적)에 대한 시험시편의 최대골재입경의 단면적 비율과 서로 일치하도록, 도로포장의 골재입경을 스케일다운 하여 시험시편을 제조하는 것을 특징으로 하는 도로포장재료 용 침입시험시편 제조방법.
  5. 제 4항에 있어서 침입시험 시편을 제조함에 있어서, 150-190℃의 높은 온도에서 아스팔트바인더와 스케일-다운된 골재를 혼합할 때, 모든 골재입자들이 최초로 아스팔트바인더로 완전히 피복이 되어 구상의 입자들을 형성하게 되는 시점에서 즉시 혼합을 멈추고 이들을 다짐몰드에 넣고 다짐하여 1-25％의 공극을 가진 혼합물시편을 만드는 것을 특징으로 하는 도로포장 재료 용 침입시험 시편 제조방법.
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