KR101693488B1 - 소석회 첨가 투수성 아스팔트 공시체의 수분저항 결정을 위한 비파괴 고유진동수 측정방법 - Google Patents

소석회 첨가 투수성 아스팔트 공시체의 수분저항 결정을 위한 비파괴 고유진동수 측정방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 투수성 가열 아스팔트 혼합물에 소석회를 첨가하여 제조된 아스팔트 공시체를 이용하여 동결융해에 대한 동탄성 계수의 변화를 파악하고 이를 통해 수분민감도를 평가하는 소석회 첨가 투수성 아스팔트 공시체의 수분저항 결정을 위한 비파괴 고유진동수 측정방법에 관한 것이다.

Description

소석회 첨가 투수성 아스팔트 공시체의 수분저항 결정을 위한 비파괴 고유진동수 측정방법{NON-DESTRUCTIVE NATURAL FREQUENCY TEST FOR DETERMINING THE MOISTURE RESISTANCE OF POROUS ASPHALT SPECIMEN WITH HYDRATED-LIME}
본 발명은 투수성 가열 아스팔트 혼합물에 소석회를 첨가하여 제조된 아스팔트 공시체를 이용하여 동결융해에 대한 동탄성 계수의 변화를 파악하고 이를 통해 수분민감도를 평가하는 소석회 첨가 투수성 아스팔트 공시체의 수분저항 결정을 위한 비파괴 고유진동수 측정방법에 관한 것이다.
최근 포트홀이나 싱크홀과 같은 원인에 의해 발생하는 사회기반시설 안전에 대한 문제가 국제적인 이슈로 부각되고 있다. 사회기반시설 중 아스팔트 도로는 인간의 삶과 밀접한 관계가 있기 때문에 경제적, 사회적 등의 문제에 직접적으로 영향을 받는다. 아스팔트 도로는 기후변화와 관련하여 포트홀, Segregation, 균열, 소성변형, 블리스터링 등을 발생시켜 포장의 공용성을 저하한다.
전 세계적으로 이러한 문제를 해결하기 위해 다양한 연구가 진행되고 있다. 이와 관련하여 아스팔트 혼합물을 제작하는 과정에서 소석회를 함께 배합하는 경우, 아스팔트 포장 자체의 강성을 증가시킬 뿐만 아니라 수분민감특성, 박리현상, 포트홀 및 각종 균열에 대한 저항성을 증가시키는 것으로 알려져 있다. 이는 아스팔트 혼합물 내의 골재간의 결합력 및 맞물림 효과(Interlocking)를 높이기 때문이다. 이는 결국 포장의 잔존가치와도 관련된다. 소석회가 아스팔트 포장도로에 미치는 영향은 최근 급격한 기후변화에 대응할 수 있는 방안으로 제시될 수 있으며, LCC를 저감시킴으로써 경제적인 이익을 취할 수 있다. 현재 아스팔트 포장 시공 시 벨기에, 네덜란드 및 스웨덴에서는 소석회를 함께 배합하는 것을 의무화하고 있다. 또한 국내 연구에서 일반적으로 저온에서 포장의 신도, Toughness 및 Tenacity의 특성을 증가시키고 고온에서 유동성을 향상시키는 개질 아스팔트 혼합에도 소석회를 사용함으로써 포장 자체의 설계수명을 연장시켰다. 기존의 국외 연구에서는 HMA에 소석회를 첨가함으로써 Anti-stripping Agent의 효과를 연구하고 포트홀 저감, LCC 저감, 수분저항성 증가 등의 효과를 확인함으로써 소석회의 효과를 보편적 결과로 도출하였다.
이와 관련하여 본 발명에서는 아스팔트 혼합물에 분말형 소석회 및 액상형 박리방지제를 아스팔트 혼합물에 첨가함으로써 수분민감성을 평가했다. 아스팔트 혼합물의 경우 수분저항성 및 기후변화(폭우 및 폭설 등)을 고려하여 실내배합법을 통한 투수성 아스팔트 혼합물을 제작하였다. 소석회 아스팔트 혼합물의 수분저항성을 평가하기 위해 3회 까지 동결·융해 과정을 실시하였다. 수분민감성 효과를 확인하기 위해 비파괴 충격파 시험을 반복적으로 수행하였으며 이로 인해 도출된 고주파 영역 동탄성계수를 확인하였다.
< 소석회 첨가 아스팔트 혼합물 성능 평가 연구 및 국내 포장 지침 >
아스팔트 배합시 소석회를 첨가제로 사용하는 경우 포장의 성능을 개선시킬 수 있다는 것은 기정사실로 된 것임에도 불구하고 국내에서 실제 포장 시 소석회를 사용하는 경우는 드물다. 최근 서울시에서는 서울시 내에서 빈번하게 발생하는 포트홀과 이에 관련된 민원에 대응하기 위해 '서울시 아스팔트 10계명'에 소석회 및 박리방지제 사용을 확대하는 등의 해결책을 제시하였다. 서울시에서 제시한 이 해결방안은 소석회와 박리방지제의 효능을 인정하는 것이지만 서울시를 제외한 다른 지자체의 첨가제 활용사례는 드물다. 또한 활용실적뿐만 아니라 연구사례 역시 국외에 비해 적은 것이 사실이다. 이와 관련하여 본 장에서는 국내뿐만 아니라 국외의 연구사례를 통해 본 연구의 기반을 설명하고, 이와 차별된 연구방안 및 국내여건에 맞는 연구사항을 설명하고자 한다.
< 국내 연구 사례 >
국내 연구에서는 아스팔트 혼합물 배합설계 과정에서 다양한 방법으로 소석회를 첨가하였고, 이에 대한 동탄성계수 차이를 평가했다(Conference of Korean Society of Civil Engineering, 2010). 이 연구에서는 소석회를 첨가한 아스팔트 혼합물은 저온 또는 고주파 영역대에서 피로에 대한 저항성을 증가시키는 등의 그 효능을 발휘한다고 밝혔다. 또 다른 연구(A Thesis for Ph. D . of NCSU, 2008)에서는 동결융해법을 사용함으로써 피로균열과 소성변형에 따른 거동해석을 수행하였다. 이 연구 내에서는 SPT(Simple Performance Test)와 Visco Elastic Continuum Damage의 특정 유한요소해석기법을 활용하였다. 이에 기반되는 자료로 소석회 아스팔트 혼합물에 대한 동탄성계수시험, 삼축압축반복하중시험, 직접인장시험을 수행하였으며, 그 결과로 아스팔트 배합설계 단계에서 소석회 첨가방법에 따른 동탄성계수의 영향은 크지 않고 이 개질제 효과로부터 수분민감성 저하로 인해 피로와 러팅에 대한 저항성을 증가시킬 수 있다는 것을 제시했다. 또 다른 연구(Journal of Advanced Mineral Aggregate Composites, 2008)에서는 HMA 뿐만 아니라 CRM 아스팔트 혼합물에 소석회를 첨가하는 연구를 진행한 사례가 존재한다.
< 국외 연구 사례 >
국외의 다양한 연구결과를 확인한 결과, 소석회가 첨가제로 사용될 경우 가장 크게 향상되는 성능이 수분저항성임은 틀림없다. 또한 향상된 수분저항성으로 인해 러팅이나 내구성이 향상되어 결국 포장의 설계수명을 증가시킬 수 있다는 것을 강조하고 있음을 확인할 수 있다. 기존 연구(TRB 2003 Annual Meeting, 2003) 에서는 소석회의 영향을 파악하기 위해 회복탄성계수시험(ASTM D-4123), 인장강도시험(AASHTO T-283) 및 전단시험(AASHTO TP-7)을 수행하였으며, 이를 통해 HMA 공시체의 수분민감성과 변형성을 확인하였다. 그 결과, 전단시험으로부터 소석회의 사용은 러팅을 감소시키는 역할을 할 수 있으며, 회복탄성계수 시험으로부터 수분민감성 정도를 파악하기 위한 일반 HMA 혼합물과 반복 동결융해를 거친 HMA 혼합물과의 회복탄성계수 차이는 적다는 것을 확인하였다.
또 다른 연구논문(Transportation Research Journal, 2011)에서는 회복탄성계수시험과 일반적인 동탄성계수시험를 수행함으로써 소석회의 효과를 밝힘과 동시에 회복탄성계수와 동탄성계수 사이의 관계를 연구했다. 이 연구에서 밝히고자 한 중점사항은 소석회가 첨가제로 사용된 경우 HMA 포장의 피로와 소성변형 거동 효과를 증명하는 것이다. 또한 AASHTO 포장 설계법과 NHCRP(National Highway Cooperative Research Program)에서 회복탄성계수시험과 동탄성계수시험을 역학적-경험적 설계 접근법으로 사용한다는 것을 강조하고 있으며, 이 두 시험이 첨가제 사용에 대한 수분민감성을 조사하는 데 중요한 역할을 한다는 내용을 내포하고 있다. 연구 결과로, 회복탄성계수와 탄성계수의 관계는 저주파 영역대에서 오차가 적기 때문에 소성변형에 대한 영향력을 평가할 수 있으나, 두 시험의 오차가 큰 고주파 영역에서는 피로에 대한 영향을 한 시험으로 단정짓기 어렵다는 내용을 내포하고 있다. 동탄성계수를 통한 소석회의 영향을 평가하는 경우 중요한 것은 바인더의 PG등급, 온도 및 하중 주파수라는 것을 밝혔다.
국제 석회 협회 보고서(National Lime Association Report, 2006)에서는 전 세계적으로 입증된 연구 및 용역 결과를 토대로 소석회를 첨가한 HMA 포장의 이점을 밝히고 있다. 전 세계적으로 수행된 HMA의 소석회 영향 평가 연구는 실내 및 현장 시험에서 확실히 수분민감도를 저하한다는 것을 결론으로 제시했다. 소석회의 활용으로 인해 수분저항성뿐만 아니라 산화로 인한 노화현상 저하, 공학적 성능 향상 및 소성변형과 피로파괴 저하의 효과를 발휘할 수 있으며 이로 인해 LCC저감, 설계수명의 증가로 인해 경제성을 확보할 수 있다고 밝혔다.
대한민국 등록특허 10-1513067(등록일자 2015년04월13일)
본 발명은 동결융해시험(F/T Test)을 통해 도출된 동탄성 계수를 이용하여 소석회를 첨가한 아스팔트 혼합물의 피로에 대한 수분저항성을 평가하고자 하는 것으로서, 투수성 아스팔트 공시체의 수분저항 결정을 위한 비파괴 고유진동수 측정방법을 제공하고자 하는 것을 발명의 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위하여,
본 발명은 아스팔트 혼합물에 소석회를 첨가하여 아스팔트 공시체를 제조하는 단계와,
상기 공시체를 동결융해를 수행하는 단계와,
상기 공시체의 공극의 포화를 위해 항온수조에 1~4일간 수침하는 단계와,
상기 공시체의 표면을 자연건조하는 단계와,
상기 공시체의 공극 25~35vol%가 포화된 상태에서 공시체를 피복하는 단계와,
상기 피복된 공시체를 -16 ~ -18℃의 조건에서 항온항습기에서 20~30시간 동안 동결하는 단계와,
55~65℃의 항온수조에서 14~18시간 동안 동결된 공시체를 융해하는 단계와,
공시체를 동결융해 후 코어드라이(CoreDry)로 건조하는 단계와,
상기 건조한 공시체의 저면에 가속도계를 부착한 후, 상기 가속도계를 전선을 이용하여 신호변환기와 연결하고, 상기 신호변환기는 다시 전선을 이용하여 컴퓨터 본체와 연결하는 단계와,
가속도계가 부착된 아스팔트 공시체를 항온항습기 내에 설치되어 있는 공시체수용부 내에 설치하는 단계와,
상기 항온항습기 내의 온도를 측정하고자 하는 온도로 설정한 후 6~10시간 동안 유지하여 아스팔트 공시체의 내·외부 온도를 일정하게 유지하도록 하는 단계와,
상기 아스팔트 공시체의 상면을 해머로 충격을 가하는 단계와,
상기 해머 충격에 의해 발생한 아날로그 신호를 상기 아스팔트 공시체의 저면에 설치된 가속도계를 통해 측정하는 단계와,
상기 가속도계에 의해 측정된 아날로그 신호를 신호변환기로 전송하고, 상기 신호변환기에서 디지털신호로 변환하는 단계와,
디지털신호로 변환하여 수집된 디지털신호를 컴퓨터를 통해 주파수 분석을 수행하여 동탄성 계수를 측정하는 단계와,
상기 측정된 동탄성 계수를 이용하여 수분저항성을 측정하는 단계를 포함하여 이루어지는 소석회 첨가 투수성 아스팔트 공시체의 수분저항 결정을 위한 비파괴 고유진동수 측정방법을 제공한다.
본 발명의 특징은 도출된 동탄성계수를 이용하여 소석회를 첨가한 아스팔트 혼합물의 피로에 대한 수분저항성을 평가하는 것에 있기 때문에 파괴시험을 통하여 이를 확인하기보다 비파괴시험의 일종인 충격공진시험을 활용하며, 소석회를 첨가한 투수성 HMA의 수분민감성 평가를 위해 충격공진시험을 수행하는 경우, 특정 온도에서 측정된 동탄성계수를 보다 쉽게 파악할 수 있으며, 파괴시험에 비해 인력, 경제적 및 시간적인 면에서 이점을 취할 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 아스팔트 공시체를 보인 도면.
도 2 내지 도 9는 아스팔트 공시체의 수분민감도 조사를 위한 동결융해과정을 도시한 도면.
도 10은 본 발명에 따른 충격해머공진 시험에 대한 장치 구성을 보인 사진.
도 11 내지 도 25는 본 발명에서 실시한 조건별 주파수 반응 함수를 보인 그래프.
도 26 내지 도 40은 본 발명에서 실시한 주파수 반응 함수에 대한 일관성 분석을 보인 그래프.
도 41은 동결융해시험 순서에 대한 흐름도.
도 42 내지 도 46은 온도에 따른 소석회 첨가 투수헝 가열 아스팔트 혼합물에 대한 동탄성계수 값을 보인 그래프.
상기한 바와 같이, 본 발명에 따른 소석회 첨가 투수성 아스팔트 공시체의 수분저항 결정을 위한 비파괴 고유진동수 측정방법은 아스팔트 혼합물에 소석회와 박리방지제를 첨가하여 아스팔트 공시체를 제조하는 단계와,
상기 공시체를 동결융해하는 단계와,
상기 공시체의 공극의 포화를 위해 항온수조에 1~4일간 수침하는 단계와,
상기 공시체의 표면을 자연건조하는 단계와,
상기 공시체의 공극 25~35vol%가 포화된 상태에서 공시체를 피복하는 단계와,
상기 피복된 공시체를 -16 ~ -18℃의 조건에서 항온항습기에서 20~30시간 동안 동결하는 단계와,
55~65℃의 항온수조에서 14~18시간 동안 동결된 공시체를 융해하는 단계와,
공시체를 동결융해 후 코어드라이(CoreDry)로 건조하는 단계와,
상기 건조한 공시체의 저면에 가속도계를 부착한 후, 상기 가속도계를 전선을 이용하여 신호변환기와 연결하고, 상기 신호변환기는 다시 전선을 이용하여 컴퓨터 본체와 연결하는 단계와,
가속도계가 부착된 아스팔트 공시체를 항온항습기 내에 설치되어 있는 공시체수용부 내에 설치하는 단계와,
상기 항온항습기 내의 온도를 측정하고자 하는 온도로 설정한 후 6~10시간 동안 유지하여 아스팔트 공시체의 내·외부 온도를 일정하게 유지하도록 하는 단계와,
상기 아스팔트 공시체의 상면을 해머로 충격을 가하는 단계와,
상기 해머 충격에 의해 발생한 아날로그 신호를 상기 아스팔트 공시체의 저면에 설치된 가속도계를 통해 측정하는 단계와,
상기 가속도계에 의해 측정된 아날로그 신호를 신호변환기로 전송하고, 상기 신호변환기에서 디지털신호로 변환하는 단계와,
디지털신호로 변환하여 수집된 디지털신호를 컴퓨터를 통해 주파수 분석을 수행하여 동탄성 계수를 측정하는 단계와,
상기 측정된 동탄성 계수를 이용하여 수분저항성을 측정하는 단계를 포함하여 이루어진다.
상기 아스팔트 공시체는 수분민감저항성을 평가하기 위하여 아스팔트 혼합물의 전체 양에 대해 액상형 박리방지제 또는 소석회 분말을 0.2~1.5wt%로 첨가하여 제조된 것을 사용한다.
그리고 구체적인 제원으로서, 상기 아스팔트 공시체는 길이 15.28~15.61cm, 직경 9.947~9.980cm, 무게 2.484~2.503kg, 다공성(Porosity) 13.00~16.05%인 것을 사용하는 것이 바람직하다.
< 소석회 첨가 가열 아스팔트 혼합물 제작 >
소석회는 생석회가 물과 수화반응을 일으켜 생성된 수산화칼슘을 말한다. 이러한 소석회가 포장용으로 사용되기 위해 석회수 또는 분말형 석회분으로 제조된다. 본 발명에서는 다양한 소석회를 첨가한 아스팔트 혼합물에 대한 수분민감저항성을 평가하기 위해 아래 표 1과 같이 액상형 박리방지제와 소석회 분말을 HMA(Porous Hot Mixed Asphalt) 혼합물 배합설계에 사용한다.
Details of Hydrated-Lime and Antistripping Agent
Hydrated-Lime and Antistripping Agent Type
Type
 1 2 3 4 5
None Liquid Liquid Powder Powder
Ratio(%) - 0.25 0.75 0.5 1
소석회를 투여하는 비율은 분말형의 경우 아스팔트 혼합물에 대한 비율로 첨가되어야 하기 때문에 이는 마샬시험법에 의거해 최적아스팔트 함량을 도출하는 과정에도 사용되나 액상형 박리방지제의 경우 고온 바인더에 녹여 아스팔트 혼합물에 첨가한다.
또한 이 혼합물들의 수분영향을 더욱 명확하게 평가하기 위해 밀입도로 개량하기보다 투수성 아스팔트 혼합물로 제조한다. 더욱이, 첨가제를 투여한 HMA의 수분민감도에 대한 특성을 파악하기 위해 동결융해시험(이하 F/T시험, Freezing-Thaw Test)을 수행한다. F/T시험은 공시체를 3차까지 동결 및 융해한다. 아래 표 2는 본 발명에 따른 아스팔트 공시체의 구체적인 제원을 나타낸다.
Details of Mixtures
type 1 2 3 4 5
Length(㎝) 15.44 15.61 15.55 15.28 15.47
Diameter(㎝) 9.954 9.980 9.954 9.947 9.968
Weight(㎏) 2.484 2.491 2.497 2.497 2.503
Porosity(%) 16.05 13.62 13.62 13.00 14.25
혼합물을 제작하기 위한 배합설계에서 다짐은 수퍼페이브 선회다짐법을 수행하며, 소석회의 경우 국토해양부의 지침인‘아스팔트 혼합물 생산 및 시공 지침(2014)’의 첨가제 기준에 맞는 것을 선택함으로써 보다 국내 조건에 맞는 혼합물을 제작한다. 바인더는 특별히 한정을 두지 않으나 일반적으로 현장이나 실내시험에서 사용되는 PG 64-22등급을 사용한다.
아래 표 3은 국토해양부지침인 포장용 소석회 품질시험에 관한 내용이며, 도 1은 본 발명에 따라 제작된 소석회를 첨가한 투수성 가열 아스팔트 혼합물의 실제사진으로서, 검은색 아스팔트가 아닌 코어된 아스팔트 공시체를 보인 사진이다.
상기 도 1에 도시된 공시체(10)의 하부에 설치된 것은 가속도계(20)이다. 상기 가속도계(20)가 설치된 반대의 면에 해머들 이용하여 충격을 가하게 되며, 그 충격은 공시체를 통해 가속도계로 전달되며, 상기 가속도계는 공시체를 통해 전달되는 아날로그 신호를 전선을 통해 신호변환기로 전송하며, 신호변환기는 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환시켜 컴퓨터 본체로 전송하게 된다. 그리고 상기 컴퓨터 본체에서는 디지털 신호의 주파수를 분석하여, 분석한 공진 주파수를 모니터를 통해 화면상으로 출력하게 된다.
Guidelines for Quality Standard of Hydrated-Lime
Provision Standards
CaO(%) >90
CO2(%) <5
Non-Ca(OH)2(%) <5
Moisture Content(%) <1
상기 아스팔트 공시체는 수분민감도를 조사하기 위한 동결융해 과정을 거치게 된다. 구체적으로는 상기 아스팔트 공시체를 ASTM D 6857에 따라 동결융해를 수행하고, 상기 동결융해시킨 공시체의 공극의 포화를 위해 항온수조에 2일간 수침하고, 상기 공시체를 항온수조에서 꺼내어 표면을 자연건조하고, 공시체의 공극 30vol%가 포화된 상태에서 공시체를 피복하고, 상기 피복된 공시체를 -18℃의 항온항습기에서 24시간 동안 동결하고, 60℃의 항온수조에서 16시간 동안 동결된 공시체를 융해하고, 동결융해 후 공시체를 코어드라이(CoreDry)로 건조한다.
상기 내용을 도면과 함께 살펴보면, 도 2는 공시체의 진공포장을 위한 코어락 장비 사진이며, 이와 같은 코어락 장비를 이용하여 진공포장된 공시체의 사진은 도 3에 도시된 바와 같다. 도 4는 진공포장된 공시체를 수중측량하는 과정을 보인 사진이며, 도 5 및 도 6은 진공포장을 통해 폴리백에 쌓여 있는 공시체를 보인 사진으로서, 수중측량 과정을 거친 후에는 상기 폴리백을 자른 후에 공시체의 중량을 측정한다. 그리고 이와 같은 과정을 거쳐 공시체의 정보를 수집하게 된다. 상기 공시체의 중량측정과정을 거친 후에는 공시체를 자연건조시킨 후, 도 7에 도시된 바와 같이 공시체를 피복 후 동결한다. 그리고 도 8에 도시된 바와 같이 동결된 공시체를 융해한 후 도 9에 도시된 코어드라이를 이용하여 공시체를 완전건조시킨다.
< 비파괴 충격파를 이용한 혼합물 평가 >
만능재료시험기를 사용하여 아스팔트 혼합물의 동탄성계수를 파악하는 경우 시그모이달 함수에 의해 비교적 저주파 외력에 대한 저항특성만을 확인할 수 있다(한국도로학회논문집, 2014).
그러나 본 발명의 목적은 F/T 시험에 의해 도출된 동탄성계수를 이용하여 소석회를 첨가한 아스팔트 혼합물의 피로에 대한 수분저항성을 평가하는 것에 있기 때문에 파괴시험을 통하여 이를 확인하기보다 비파괴시험의 일종인 충격공진시험을 활용한다.
소석회를 첨가한 투수성 HMA의 수분민감성 평가를 위해 충격공진시험을 수행하는 경우, 특정 온도에서 측정된 동탄성계수를 보다 쉽게 파악할 수 있으며, 파괴시험에 비해 인력, 경제적 및 시간적인 면에서 이점을 취할 수 있다. 도 10은 본 발명에서 활용한 충격해머공진시험(Impact Hammer Resonance Test, IHRT)시험에 대한 사진이다.
도 10에 도시된 바와 같이, 항온항습기(100) 내에는 공시체수용부(110)가 설치되며, 공시체(10)는 공시체수용부(110)에 설치된다. 이때 공시체수용부(110)에 놓이는 공시체의 하부는 가속도계(20)가 부착된 면이 놓이도록 하여 공시체 상부로 해머를 이용하여 충격을 가하게 되면, 해머 충격에 의해 발생한 아날로그 신호를 상기 상기 가속도계(20)를 통해 측정한다.
그리고 상기 가속도계(20)에 의해 측정된 아날로그 신호는 신호변환기(120)를 거쳐 디지털신호로 변환되어, 컴퓨터 본체(130)로 전송되어 컴퓨터 본체(130)를 통해 주파수 분석이 이루어진다. 이때 분석한 공진 주파수를 컴퓨터 모니터(140) 화면상으로 출력된다.
비파괴충격파 시험은 개별 혼합물이 가지고 있는 고유 특성인 공진 주파수를 탐색함으로써 기존의 연구에서 입증한 이론을 적용하여 혼합물의 동탄성계수를 파악하는 것이다(Oyadiji S.O. and Tomlinson G.R., 1985).
기존 비파괴충격파 시험은 가진에 대한 시험의 일관성을 유지하거나 정확성을 파악하기 어렵다는 점 때문에 실험에 대한 공신력을 확보하기 어렵다는 단점이 있다. 그러나 본 발명에서 수행한 충격공진시험은 반복타격에 대한 보정함수를 도입함과 동시에 일관성분석을 통해 수신되는 디지털신호에 대한 보정을 실시할 수 있으며, 신호처리에 대한 일관성을 파악할 수 있다.
그러나 상기 충격공진시험을 이용하여 저주파 외력과 관련된 소성변형에 대한 동적저항특성을 파악하는 것은 어렵다.
도 11 내지 도 25는 본 발명에서 실시한 조건별 주파수 반응 함수를 나타내며, 도 26 내지 도 40은 주파수 반응 함수에 대한 일관성분석을 나타낸다.
아스팔트 혼합물의 경우 거동특성이 열유변학적 단순재료이기 때문에 시험체의 복소수에 손실변형계수를 곱한 값에 탄성계수를 더함으로써 도출할 수 있는 복소탄성계수는 파괴시험에서 TTSP를 통해 마스터커브로 표현된다.
그러나 충격공진시험에 의해 도출되는 동탄성계수는 공시체의 공진주파수와 자유도 등에 의해 결정된다. 다음 식(1)은 점탄성 재료 강성 이론에 대한 복소탄성계수와 가진에 의한 동탄성계수의 관계를 나타낸다.
Figure 112015083047574-pat00001
여기서, B*, B', B"는 복소탄성계수, 탄성계수 및 손실변형계수를 의미하며, ρ,ι는 각각 공시체 제원과 관련된 밀도 및 길이를 의미한다. N 과 f는 FRF로 인한 공시체의 자유도 및 고유진동수를 나타낸다.
상기 식(1)을 이용하여 아래 표 4와 같이 각 조건에 대한 동탄성계수를 도출한다.
Results of Dynamic Moduli

Figure 112015083047574-pat00002
< 수분민감성 평가 >
본 발명의 목적은 투수성 가열 아스팔트 혼합물에 소석회를 첨가하는 경우 다양한 조건에서 수분 저항성을 평가하는 것이다.
이와 관련하여 아스팔트 혼합물의 F/T시험을 실시했다. 수분민감도를 평가하기 위한 시험은 목적에 따라 BW(Boiling Water), F/T, QB(Quick Bottle), RB(Rolling Bottle) 시험과정 등으로 나뉘어진다. 또한 이 시험과정을 통해 혼합물의 상태를 변화시킨 뒤, 간접인장시험, 마샬시험, Immersion-Compression Test, 회복탄성계수 등의 시험결과를 통해 혼합물의 수분저항을 평가할 수 있다. 본 연구에서 수행한 수분민감성 평가는 소석회를 첨가한 HMA의 피로와 관련된 수분저항성을 평가하기 위해 F/T시험에 의한 비파괴시험을 실시하였으며, 동결융해시험은 ASTM D 6857 기준에 의거했다.
이 기준에 따르면 실온에서 아스팔트 혼합물을 완전 포화시키기 위해 48시간 수침을 실시한 뒤, 항온수조에서 다시 건조를 한다. 혼합물의 포화도가 30%까지 건조를 한 후 이 상태에서 수분이 증발하지 않도록 피복한 뒤 24시간 동안 동결을 실시한다. 동결을 한 후 융해상태로 만들기 위해 다시 항온수조에 16시간 동안 60℃로 유지시킨 뒤 건조를 시키는 것이 한 주기의 동결융해 상태를 유지하게 되는 것이다. 동결융해과정을 거친 혼합물은 동탄성계수 시험을 실시하기 위해 다시 완전 건조된다. 이와 관련하여, 도 41은 동결융해시험 순서에 대한 흐름도이다.
아스팔트 혼합물은 온도와 외력주기에 민감하기 때문에 본 발명에서는 수분민감도 평가를 5℃ 단위로 0에서 40℃까지 수행한다. 도 5는 온도에 따른 소석회 첨가 투수성 가열 아스팔트 혼합물에 대한 동탄성계수 값을 나타낸다.
아스팔트 혼합물은 온도와 외력 주기에 민감하기 때문에 수분민감도 평가를 본 연구에서는 5℃ 단위로 0에서 40℃까지 수행하였다. 도 42 내지 46은 온도에 따른 소석회 첨가 투수성 가열 아스팔트 혼합물에 대한 동탄성계수 값을 나타낸다.
수분민감도를 평가하는 것에 있어서 동결융해에 대한 동탄성계수의 변화를 파악하는 것은 매우 중요하다. 따라서 이 변화 정도를 파악하기 위해 순간변화율과 평균변화율을 도입하여 아래 표 6과 같은 결과를 얻었다.
Figure 112015083047574-pat00003
본 발명에서는 소석회를 첨가한 투수성 아스팔트 혼합물의 수분민감도를 평가하기 위해 3 Cycle에 거친 동결융해시험을 실시하였으며, 이 동결융해시험을 거친 혼합물에 대하여 비파괴충격파 시험을 실시함으로써 피로거동에 대한 혼합물의 수분민감도를 평가했다. 동탄성계수를 이용하여 수분민감도를 평가한 본 발명의 결론은 다음과 같다.
1. 소석회가 첨가된 아스팔트 혼합물은 일반 아스팔트 혼합물에 비해 동결융해와 관련된 수분저항성이 많이 증가되는 효과를 보였다.
2. 분말형 소석회의 경우 입도를 조정하지 못해 바인더에 완전히 교반되지 않은 현상을 보였으며, 이로 인해 동결융해 차수가 늘어날수록 수분저항성이 크게 저하되는 현상을 보였다.
3. 반면, 액상형 박리방지제의 경우 동결융해의 차수가 늘어날수록 수분저항성이 향상되었다.
4. 동결융해 후 온도에 따른 수분민감성의 차이는 일정하지 않은 현상을 보였으며, 동탄성계수 결과로 보아 소석회는 피로 거동에 대한 저항성을 증가시킬 수 있는 것으로 판단했다.
본 발명에 따라 소석회를 첨가한 투수성 HMA의 수분민감성 평가를 위해 충격공진시험을 수행하는 경우, 특정 온도에서 측정된 동탄성계수를 보다 쉽게 파악할 수 있으며, 파괴시험에 비해 인력, 경제적 및 시간적인 면에서 이점을 취할 수 있으므로 산업상 이용가능성이 크다.
10 : 공시체
20 : 가속도계
100: 항온항습기
110: 공시체수용부
120: 신호변환기
130: 컴퓨터 본체

Claims (3)

  1. 아스팔트 혼합물에 소석회와 박리방지제를 첨가하여 아스팔트 공시체를 제조하는 1번째 단계와,
    상기 공시체를 하기 3-8번째 단계와 동일한 조건으로 동결융해하는 2번째 단계와,
    상기 공시체의 공극의 포화를 위해 항온수조에 1~4일간 수침하는 3번째 단계와,
    상기 공시체의 표면을 자연건조하는 4번째 단계와,
    상기 공시체의 공극 25~35vol%가 포화된 상태에서 공시체를 피복하는 5번째 단계와,
    상기 피복된 공시체를 -16 ~ -18℃의 조건에서 항온항습기에서 20~30시간 동안 동결하는 6번째 단계와,
    55~65℃의 항온수조에서 14~18시간 동안 동결된 공시체를 융해하는 7번째 단계와,
    공시체를 동결융해 후 코어드라이(CoreDry)로 건조하는 8번째 단계와,
    상기 건조한 공시체의 저면에 가속도계를 부착한 후, 상기 가속도계를 전선을 이용하여 신호변환기와 연결하고, 상기 신호변환기는 다시 전선을 이용하여 컴퓨터 본체와 연결하는 9번째 단계와,
    가속도계가 부착된 아스팔트 공시체를 항온항습기 내에 설치되어 있는 공시체수용부 내에 설치하는 10번째 단계와,
    상기 항온항습기 내의 온도를 측정하고자 하는 온도로 설정한 후 6~10시간 동안 유지하여 아스팔트 공시체의 내·외부 온도를 일정하게 유지하도록 하는 11번째 단계와,
    상기 아스팔트 공시체의 상면을 해머로 충격을 가하는 12번째 단계와,
    상기 해머 충격에 의해 발생한 아날로그 신호를 상기 아스팔트 공시체의 저면에 설치된 가속도계를 통해 측정하는 13번째 단계와,
    상기 가속도계에 의해 측정된 아날로그 신호를 신호변환기로 전송하고, 상기 신호변환기에서 디지털신호로 변환하는 14번째 단계와,
    디지털신호로 변환하여 수집된 디지털신호를 컴퓨터를 통해 주파수 분석을 수행하여 동탄성 계수를 측정하는 15번째 단계와,
    상기 측정된 동탄성 계수를 이용하여 수분저항성을 측정하는 16번째 단계를 포함하여 이루어지는 것임을 특징으로 하는 소석회 첨가 투수성 아스팔트 공시체의 수분저항 결정을 위한 비파괴 고유진동수 측정방법.
  2. 청구항 1에 있어서,
    아스팔트 공시체는 수분민감저항성을 평가하기 위하여 아스팔트 혼합물의 전체 양에 대해 액상형 박리방지제 또는 소석회 분말을 0.2~1.5wt%로 첨가하여 제조되는 것임을 특징으로 하는 소석회 첨가 투수성 아스팔트 공시체의 수분저항 결정을 위한 비파괴 고유진동수 측정방법.
  3. 청구항 1에 있어서,
    아스팔트 공시체는 길이 15.28~15.61cm, 직경 9.947~9.980cm, 무게 2.484~2.503kg, 다공성(Porosity) 13.00~16.05%인 것임을 특징으로 하는 소석회 첨가 투수성 아스팔트 공시체의 수분저항 결정을 위한 비파괴 고유진동수 측정방법.








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