KR101845242B1 - 반사균열 방지 및 소성변형 저항성을 갖춘 구스 아스팔트의 조성물 - Google Patents

Abstract

본 발명은 반사균열 방지 및 소성변형 저항성을 갖춘 구스 아스팔트의 조성물에 관한 것으로, 더욱 바람직하게는 시공성(유동성), 방수성, 부착성, 내구성이 우수한 아스팔트를 제조하여 도로 및 교량의 상판에 포장할 때, 반사균열의 발생을 억제하고 또한, 소성변형 저항성을 갖출 수 있도록 하기 위한 구스 아스팔트의 조성물에 관한 것이다.
상기 조성물은 13mm 또는 10mm의 조골재, 6mm 이하의 세골재를 200~250℃로 가열하여 석분과 함께 30초에서 1분 동안 믹싱기에서 드라이(DRI) 믹싱하고, 아스팔트 바인더로 일반아스팔트와 개질아스팔트를 각각 150℃로 가열보온한 다음, 다시 180℃로 가열하여 트리니대드 천연아스팔트(TLA)와 함께 상기 믹싱기에 투입하여 180~200℃로 웨트(WET) 믹싱 및 220~260℃로 교반가열 하되, 상기 일반아스팔트는 PG 64-22 등급, 개질아스팔트를 혼합하고, 상기 골재의 혼합입도는 표층용 WC-1 13mm, 중간층용 WC-5 19mm 및 표층용 SMA 13mm 아스팔트 혼합물의 입도를 형성하고, 표층혼합물의 목표공극률 4%, SMA 혼합물의 목표공극률 3%, 구스아스팔트 혼합물의 목표공극률은 0~1%를 형성하여 반사균열 방지 및 소성변형 저항성을 갖추도록 구성한 것을 특징으로 한다.
본 발명은 반사균열 방지 및 소성변형 저항성을 갖춘 구스 아스팔트의 조성물에 관한 것으로, 더욱 바람직하게는 시공성(유동성), 방수성, 부착성, 내구성이 우수한 아스팔트를 제조하여 도로 및 교량의 상판에 포장할 때, 반사균열의 발생을 억제하고 또한, 소성변형 저항성을 갖출 수 있도록 하기 위한 구스 아스팔트의 조성물에 관한 것이다.
상기 조성물은 13mm 또는 10mm의 조골재, 6mm 이하의 세골재를 200~250℃로 가열하여 석분과 함께 30초에서 1분 동안 믹싱기에서 드라이(DRI) 믹싱하고, 아스팔트 바인더로 일반아스팔트와 개질아스팔트를 각각 150℃로 가열보온한 다음, 다시 180℃로 가열하여 트리니대드 천연아스팔트(TLA)와 함께 상기 믹싱기에 투입하여 180~200℃로 웨트(WET) 믹싱 및 220~260℃로 교반가열 하되, 상기 일반아스팔트는 PG 64-22 등급, 개질아스팔트를 혼합하고, 상기 골재의 혼합입도는 표층용 WC-1 13mm, 중간층용 WC-5 19mm 및 표층용 SMA 13mm 아스팔트 혼합물의 입도를 형성하고, 표층혼합물의 목표공극률 4%, SMA 혼합물의 목표공극률 3%, 구스아스팔트 혼합물의 목표공극률은 0~1%를 형성하여 반사균열 방지 및 소성변형 저항성을 갖추도록 구성한 것을 특징으로 한다.

Description

반사균열 방지 및 소성변형 저항성을 갖춘 구스 아스팔트의 조성물 {Guss asphalt mixture with reflection Cracking and plastic deformation resistance}

본 발명은 반사균열 방지 및 소성변형 저항성을 갖춘 구스 아스팔트의 조성물에 관한 것으로, 더욱 바람직하게는 시공성(유동성), 방수성, 부착성, 내구성이 우수한 아스팔트를 제조하여 도로 및 교량의 상판에 포장할 때, 반사균열의 발생을 억제하고 또한, 소성변형 저항성을 갖출 수 있도록 하기 위한 구스 아스팔트의 조성물에 관한 것이다.

일반적으로 구스 아스팔트(guss asphalt)는 석회, 석분, 천연 아스팔트 분말을 주재료로 하는 특수 아스팔트 포장재를 말하며, 매스틱 아스팔트(mastic asphalt), 아스팔트 꿀레(Asphalt coule) 등으로도 불리우고 있다.

이는 위 주재료가 적절한 비율로 배합된 바인더(Binder), 골재, 모래, 석분 등을 고온(170℃～250℃)에서 혼합한 후 포설하는 방식으로 시공되는데, 이때 바인더의 중량은 혼합물 전체중량의 15～34% 정도를 차지하고, 모래 및 골재, 석분 등은 혼합물 전체중량의 66～85%를 차지한다.

구스 아스팔트 혼합물에 섞이는 바인더는 기존의 가열아스팔트 용액과는 달리 온도나 하중변화에 의해 일어나는 단점들을 모두 극복할 수 있는 높은 결합력과 내구성 및 방수성을 갖는다.

특히, 많은 양의 바인더를 넣어 고온에서 가열혼합하면, 그 혼합물은 화산에서 분출된 용암이 흘러내리는 것처럼 유동성이 매우 뛰어나며 자연냉각되므로, 별도의 다짐 공정을 수행하지 않아도 포장층을 일체화시킬 수 있다는 장점이 추가된다.

이러한 구스 아스팔트를 이용한 콘크리트 상판의 포장공법은 현대건설이 1997년 국내 최초로 광양항 배후도로인 정산 1교에 도입한 이래, 청담대교, 가양대교, 영종대교, 광안대교 등에 강상판 교면포장 공법에 적용되었으며, 현재도 시공 사례가 증가하고 있다.

구스 아스팔트 포장의 특징은 유동성, 불투수성, 충격 저항성과 내구성 그리고 휨에 대한 추종성(Compatibility)을 바탕으로 강상판의 교통하중에 대한 변형에 저항하도록 하고 있기 때문에, 골재의 맞물림을 하중 전달의 기본 개념으로 하고 있는 일반 아스팔트 혼합물 포장과는 상당히 다른 거동을 보인다.

결국 내유동성의 증진이란 측면에서 볼 때, 일반 아스팔트 혼합물 포장은 골재의 입도와 골재의 입형이 중요함에 비해, 구스아스팔트 혼합물 포장의 경우는 골재, 바인더의 등급과 석분이 혼합된 매스틱(Mastic)의 역학적 특성이 중요한 것이다.

특히, 구스 아스팔트 혼합물은 전체 골재의 약 25중량%가 200번 체를 통과하는 골재 입도를 취하는데, 이와 같이 상당량의 석분(Mineral Filler)이 경질아스팔트와 TLA(Trinidad Lake Asphalt)의 조합으로 혼합되어 구스 아스팔트 혼합물 내부의 매스틱을 구성하는 바, 이에 의해 구스 아스팔트 혼합물 전체의 내구성이 보장될 수 있다.

상술한 바와 같이 구스 아스팔트 포장은 적당한 유동성과 불투수성, 처짐 및 충격에 의한 추종성이 우수하므로, 교면포장 뿐만 아니라 일반 도로용 콘크리트포장에 적용될 경우에도 우수한 구조를 얻을 수 있을 것으로 기대된다.

그런데, 현재로서는 구스 아스팔트 포장이 일반 도로용 콘크리트 포장으로는 적용되지 못하고 있는 실정인데, 그 이유는 다음과 같다.

첫째, 구스 아스팔트 혼합물은 골재 간의 맞물림(Aggregate Interlocking) 작용이 존재하지 않으므로, 일반적으로 소성변형(Rutting), 반복적인 변형에 대해 취약성을 나타낸다.

이러한 문제를 해소하기 위해서는, 콘크리트포장 구스 아스팔트 사이에 견고한 부착을 이루기 위한 별도의 접착층이 형성되어야 하는데, 현재까지는 이에 관한 연구가 미흡한 실정이다.

둘째, 구스 아스팔트는 고온으로 가열 후 시공되므로, 상술한 바와 같은 접착층은 이와 같은 구스 아스팔트의 고열에 견딜 수 있는 재질이어야 한다는 제약이 따른다.

관련 선행기술로는 본 출원인이 등록받은 등록특허 제10-1412510호의 "구스 아스팔트 바인더 및 이를 이용한 구스 아스팔트 콘크리트, 구스 아스팔트 콘크리트를 이용한 도로 포장공법"이 개시되었다.

상기 등록특허는 종래에 사용되는 구스 아스팔트의 단점인 열 안정성이 매우 낮는 점과 시공 시, 구스 아스팔트가 이동식 플랜트에 1시간 이상 저장할 경우에도 열로 인한 탄화가 발생하지 않으며 소성 변형이 일어나지 않는 장점을 가지고 있다.

또한, 선행기술로 등록특허 제10-0266157호(등록일:2000년06월21일)의 "구스아스팔트 혼합물의 시공방법"은 일정한 비율로 배합된 혼합액, 골재, 모래, 석분 등을 정치식 생산공장에서 고온혼합하는 제 1 공정과, 상기 제 1 공정에서 생산된 구스 아스팔트 혼합물을 냉각시킨 후, 재가열을 통해 용융시키기 용이한 크기로 파쇄시키는 제 2 공정과, 상기 제 2공정에서 파쇄된 구스아스팔트 혼합물을 운반하기 용이한 중량단위로 포장하는 제 3공정과, 포설면적에 따라 상기 제 3공정에서 포장된 구스아스팔트 혼합물의 적정량을 현장에 설치된 이동식 가열혼합기에 투입하여 용융시켜 포설하는 제 4 공정을 구비함에 따라 이동식 가열혼합기(cooker)만 구비하고 있으면 정치식 생산공장에서 생산된 균일한 품질의 구스 아스팔트 혼합물을 현장에서 재가열하여 포설하는 방법이 개시되었다.

상기 쿠커에서 약 1~3시간 동안 가열하는 쿠킹 공정을 반드시 거쳐야 하는 문제점과 쿠커의 용량에 따라 1일 작업량이 결정되는 문제점, 쿠커를 가열하기 위한 경제적인 문제점은 물론 반사균열에 대한 저항성이 약한 문제점이 있다.

또한, 선행기술로 개시된 등록특허 제10-1511236호의 "인도네시아 부톤 천연 아스팔트를 이용한 저비용 및 친환경 구스 아스팔트 포장용 아스팔트 바인더 조성물 및 그 제조방법"은 부톤 천연 아스팔트(Buton natural asphalt); 및 스트레이트 아스팔트(straight asphalt) 또는 블로운 아스팔트(blown asphalt)를 포함하는 구스 아스팔트(guss asphalt) 포장용 아스팔트 바인더 조성물을 제공하는 것으로, 저비용의 효과는 있지만, 반사균열과 소송변형 저항성에는 약한 문제점이 있었던 것이다.

등록특허 제10-1412510호 등록특허 제10-0266157호 등록특허 제10-1511236호

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 도출된 것으로서, 구스 아스팔트 포장 시공시의 고열에 견딜 수 있고, 콘크리트포장과 구스 아스팔트 포장체의 견고한 부착을 이룰 수 있도록 하는 구스 아스팔트 조성물을 제시하는 것을 그 목적으로 한다.

또한, 본 발명은 구스 아스팔트를 이용한 도로포장 후에도 반사균열의 발생을 억제하고, 소성변형에 대한 저항성을 높일 수 있도록 함을 목적으로 하는 것이다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 반사균열 방지 및 소성변형 저항성을 갖춘 구스 아스팔트 조성물에 대하여 보다 상세하게 설명하면 다음과 같다.

본 발명에 따른 구스 아스팔트 조성물은 13mm 또는 10mm의 조골재, 6mm 이하의 세골재를 200~250℃로 가열하여 석분과 함께 30초에서 1분 동안 믹싱기에서 드라이(DRI) 믹싱하고, 아스팔트 바인더로 일반아스팔트와 개질아스팔트를 각각 150℃로 가열보온한 다음, 다시 180℃로 가열하여 트리니대드 천연아스팔트(TLA)와 함께 상기 믹싱기에 투입하여 180~200℃로 웨트(WET) 믹싱 및 220~260℃로 교반가열 하되,

상기 일반아스팔트는 PG 64-22 등급, 개질아스팔트는 PG 76-16등급, PG 76-22등급, 또는 PG 82-22등급을 혼합하고, 상기 골재의 혼합입도는 표층용 WC-1 13mm, 중간층용 WC-5 19mm, 표층용 SMA 13mm 및 SMA 10mm 중 어느 하나의 아스팔트 혼합물의 입도와 3mm체 통과율은 95~100%, 5mm체 통과율은 65~~85%, 2.36mm체 통과율은 45~62%, 0.6mm체 통과율은 35~50%, 0.3mm체 통과율은 28~42%, 0.15mm체 통과율은 25~34, 0.075mm체 통과율은 20~27% 로 골재가 통과되는 구스아스팔트 입도를 사용하여 형성하고, 상기 표층혼합물의 목표공극률 4%, SMA 혼합물의 목표공극률 3%, 구스아스팔트 혼합물의 목표공극률은 0~1%를 형성하여 반사균열 방지 및 소성변형 저항성을 갖추도록 구성한 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에 따른 상기 구스 아스팔트 혼합물에 사용되는 최적 아스팔트 함량은 7 ~ 10중량%의 범위 내인 것을 특징으로 한다

또한, 본 발명에 따른 상기 구스 아스팔트의 혼합물은 류엘유동성(240℃), 관입량(40℃, 52.5kg/5cm², 30분), 휠트랙킹(60℃, 6.4kg/cm²), 저온 휨(-10℃, 50mm/min)을 갖추도록 구성한 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에 따른 상기 개질 아스팔트는 SBS(Styrene-butadiene-styrene)로 개질된 프리믹스 타입을 혼합하여 이루어진 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에 따른 상기 콘크리트 포장과의 부착을 위하여 택코팅 재료로 RSC-4 유화아스팔트를 혼합하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

상기와 같은 특징을 갖는 본 발명에 의한 구스 아스팔트 혼합물을 단층과 복층에 사용했을 경우, 반사균열 저항성(파괴수명)이 크게 향상되는 효과를 얻을 수 있었다.

또한, 본 발명은 복층 혼합물의 경우 구스 아스팔트 혼합물을 하부층에 적용한 것이 밀입도 혼합물을 하부층에 사용한 것보다 소성변형 저항성이 더 우수한 효과가 있는 것으로 나타났다.

도 1은 본 발명에 따른 반사균열 방지 및 소성변형 저항성을 갖춘 구스 아스팔트의 조성물을 형성하기 위한 개략적인 블록도이다.
도 2는 본 발명에 따른 반사균열 방지 및 소성변형 저항성을 갖춘 구스 아스팔트의 조성물을 배합하기 위한 플로차트이다.
도 3은 본 발명에 따른 천연 아스팔트의 구조를 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명에 따른 휠트래킹 시험용 공시체로 시험 전의 포장 단면을 나타낸 도면이다.

이하, 본 발명의 실시 예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.

본 발명에 따른 구스 아스팔트의 조성물은 반사균열 방지 및 소성변형 저항을 갖추기 위하여 조골재, 세골재를 가열하여 석분과 함께 믹싱기에서 투입하여 믹싱하고, 또 아스팔트 바인더로 일반아스팔트와 개질아스팔트를 각각 가열보온 및 가열하여 트리니대드 아스팔트(TLA)와 함께 상기 믹싱기에 투입하여 190℃의 온도에서 웨트(WET) 믹싱 및 240℃에서 교반가열 하는 것으로, 상기 일반아스팔트는 PG 64-22 등급, 개질아스팔트는 PG 76-16등급, PG 76-22등급, 또는 PG 82-22등급을 혼합하고, 상기 골재의 혼합입도는 표층용 WC-1 13mm, 중간층용 WC-5 19mm 및 표층용 SMA 13mm 아스팔트 혼합물의 입도를 형성하고, 상기 표층혼합물의 목표공극률 4%, SMA 혼합물의 목표공극률 3%, 구스아스팔트 혼합물의 목표공극률은 0~1%로 이루어진 것이다.

상기와 같은 본 발명의 조성물에 대하여 보다 구체적으로 설명하면 다음과 같다.

도 1에 나타내는 바와 같이, 본 발명은 조골재와 세골재, 채움재로 석분, 그리고 천연아스팔트와 개질아스팔트를 혼합하여 구스아스팔트 조성물을 조성하는 것이다.

이때 상기 조골재는 13~10mm, 세골재는 6mm 이하의 것을 사용하고, 200~250℃로 가열하여 채움재인 석분과 함세 믹싱기에 투입하여 30초에서 1분동안 가열하여 드라이 믹싱한다.

그리고 천연아스팔트 및 개질아스팔트를 150℃로 가열보온 한 후, 다시 180℃로 가열하여 믹싱기에 각각 혼합하여 180~200℃의 온도에서 30초 동안 드라이 믹싱한다. 그리고 다시 220~260℃의 온도에서 교반 가열하여 이루어지는 것이다.

그리고 상기 혼합물의 조성비는 조골재 36.5중량%, 세골재 32.0중량%, 채움재인 석분은 22.8중량%, 개질아스팔트 6.5중량%, 천연아스팔트(TLA) 2.2중량%를 혼합하여 이루어지는 것이다.

상기와 같은 본 발명에 따른 구스 아스팔트의 조성물에 대한 실시예에 대하여 설명하면 다음과 같다.

일반적으로 장기공용으로 인하여 노후된 포틀랜드 시멘트 콘크리트(Portland cement concrete : PCC) 포장의 가장 대표적인 수명연장 방법은 아스팔트 포장(Asphalt overlay pavement : AOP) 공법이다. 그러나 PCC 포장을 아스팔트 포장으로 한 경우, 기존 PCC 포장의 균열이나 줄눈(Crack or joint) 위에 발생하는 반사균열(Reflection cracking)로 인하여 포장파손이 발생하며, 이는 포장의 공용수명을 단축시킨다. 반사균열이란 균열이나 줄눈부가 존재하는 기존 콘크리트 포장 위에 아스팔트 포장을 했을 때 기존 콘트리트 포장층에 존재하던 균열이나 줄눈 등이 덧씌운 아스팔트 포장층(AOP)으로 진전되어 나타나는 것을 말한다. 이는 윤하중의 반복과 진동, 온도변화에 따른 콘크리트의 수축팽창에 의한 슬래브의 수평거동 때문에 하부 포장체의 흠(flaw)이라 할 수 있는 기존 균열부위에서 새로이 발생한 균열이 수직방향으로 올라오는 것이다.

따라서 본 발명은 국내 노후된 콘크리트 포장의 특성을 고려해 구스 아스팔트 포장의 반사균열 제어 효과를 비교분석하고 그 적용성을 평가하여 기존 아스팔트 포장 공법이 가지고 있던 문제점의 개선여부를 확인하고자 한다.

또한, 균열 외에 아스팔트 포장의 또 다른 파손 요인인 소성변형(Rutting)도 중요한 사안이므로 휠트래킹(Wheel Tracking)시험을 통한 소성변형 저항성도 평가하는 실험을 하였다.

도 2에 나타내는 바와 같이, 재료 선정에서부터 배합설계과정을 통한 본 발명에 대하여 살펴보면,

1) 재료 선정

본 발명에 사용된 아스팔트 바인더는 일반적으로 아스팔트포장에 가장 많이 사용되는 PG 64-22 등급의 일반아스팔트와, PG 76-16등급, PG 76-22등급, 또는 PG 82-22등급의 개질아스팔트를 사용하였다.

아스팔트 개질재로는 SBS(Styrene-butadiene-styrene)로 개질된 프리믹스 타입의 개질 아스팔트 바인더를 사용하였다. 콘크리트 포장과의 부착을 위하여 사용된 택코팅 재료로 RSC-4 유화아스팔트를 사용하였으며, 본 연구에 사용된 구스 아스팔트 바인더의 기본 특성은 [표 1]과 같다.

그리고 트리니대드 아스팔트(Trinidad lake asphalt, 이하 TLA)는 100년 전의 미국에서 처음으로 아스팔트 포장에 적용한 천연아스팔트이다. TLA는 오늘날에도 전 세계적으로 높은 전단응력을 요구하는 현장에서 사용이 되고 있다. TLA는 resin함량이 완벽히 정제된 아스팔트보다 6배 이상 되어 노화와 소성변형에 대한 저항성이 매우 높다. 그리고 아스팔트에 TLA를 첨가하면 함유하고 있는 미네랄 물질들은 강성이 높은 아스팔트(루핑 아스팔트와 비슷함)와 같은 형상이 나타낸다(출처 : VENRO Petroleum Corporation).

천연아스팔트(TLA)는 약 53 ~ 55중량%의 아스팔트 함량 외의 미네랄 광물로 구성되어 있으며 구조는 도 3과 같이 물과 점도로 된 콜로이드 상 결합재(clay-water colloidal binder)에 의하여 아스팔트가 벌집(honeycomb) 모양으로 미네랄 물질 사이에 충진되어 있다. 그리고 천연아스팔트(TLA)를 사용함으로 얻어지는 이점(출처 : Asphalt Associates Ltd.)은 내구성 증가, 바인더 혼합물의 안정도 증가, 미끄럼저항 성능 향상, 포장 하중 개선, 아스팔트 혼합물의 작업성 향상, 피로균열 성능 개선, Self leveling, 저온 균열 특성 개선, 다른 첨가제나 아스팔트 제품과의 우수한 상용성, 포장수명 연장으로 포장비용 개선(경제성 증가)이 있다.

2) 밀입도 및 SMA 아스팔트 혼합물 배합설계

본 발명에 사용된 골재의 혼합입도는 표층용 WC-1 13mm, 중간층용 WC-5 19mm, 표층용 SMA 13mm 및 SMA 10mm, 구스 아스팔트 혼합물의 입도는 13mm체 통과율은 95~100%, 5mm체 통과율은 65~~85%, 2.36mm체 통과율은 45~62%, 0.6mm체 통과율은 35~50%, 0.3mm체 통과율은 28~42%, 0.15mm체 통과율은 25~34, 0.075mm체 통과율은 20~27%로 골재가 통과되는 입도를 사용하였다. [표 2]와 [표 3]은 본 발명에 사용된 아스팔트 혼합물의 합성입도와 입도곡선을 보여준다.

각 혼합물별로 수퍼페이브 선회다짐기(Superpave gyratory compactor: SGC)로 제조한 공시체로 배합설계를 수행하였다. 롤러압축다짐기(roller-press compactor)를 이용하여 표층혼합물의 목표공극률 4%, SMA 혼합물의 목표공극률 3%, 구스아스팔트 혼합물의 목표공극률은 0~1%로 슬래브 공시체를 제조하였으며, 이를 반사균열과 휠트래킹 시험용 시험체 제작에 사용하였다.

그리고 배합설계를 통해 각 혼합물의 설계공극률을 밀입도는 4%, SMA는 3%를 기준으로 최적 아스팔트 함량(Optimum asphalt content: OAC)을 구하였다. 제조한 각 혼합물의 기본특성은 [표 4]와 같다. 상기 [표 4]에서와 같이 공극률의 경우 밀입도는 3-5%, SMA는 2-4%로 국내 공극률 규정에 만족한 값을 보였다. 포화도(VFA)의 경우 국내 규정인 밀입도 65-80%, SMA 75%를 모두 통과하였으며, 골재간극률(VMA)은 14%이상(WC-1), 13%이상(WC-5), 17%이상(SMA13mm)을 모두 만족하였다. 또한, 변형강도는 일반 밀입도의 경우 기준 3.2MPa, 개질 밀입도의 경우 기준 4.25MPa을 모두 넘어 기준을 만족하였으며, SMA혼합물의 경우 밀입도의 강도보다 상대적으로 낮게 나왔다. 하지만 이는 일반적인 SMA 혼합물이 밀입도보다 상대적으로 낮은 강도를 보이는 현상과 유사한 결과 중 하나이다(김광우 등 2013).

3) 구스 아스팔트 혼합물 배합설계

구스 아스팔트 혼합물의 배합설계는 일반적인 아스팔트 혼합물과는 달리 TLA와 경질 아스팔트를 사용하며, 경질 아스팔트 바인더와 골재가 혼합되어 매스틱 상태로 180~240℃의 온도에서 다짐 없이 포설되는 공법이다. 배합설계 시 류엘 유동성과 관입량 시험을 통하여 설계아스팔트 함량을 구하고 휠트래킹 시험, 저온휨 시험을 통하여 최적 아스팔트 함량을 결정한다. 도 2는 구스 아스팔트 혼합물의 배합설계 흐름도이며, [표 5]는 구스 아스팔트 혼합물의 품질 기준을 보여준다.

일반적으로 구스 아스팔트의 배합설계에 사용되는 골재는 13mm 또는 10mm 크기의 조골재와 6mm이하의 세골재, 그리고 채움재인 석분으로 구성된다. [표 6]은 구스 아스팔트의 골재 입도 및 표준 아스팔트 함량을 보여준다.

본 발명에서는 구스 혼합물의 배합설계를 위하여 각 골재별(조골재, 세골재, 필러)로 체가름 시험을 실시하였으며, 구스 아스팔트 입도기준에 만족하도록 입도합성을 하였다. [표 7]은 입도기준 및 합성입도이다.

아스팔트 바인더는 시공성의 개선과 고온시의 내유동성 등을 고려하여 일반적으로 석유아스팔트(경질)에 TLA를 첨가한 것을 사용하고 총 아스팔트 량의 약 20~ 30%를 첨가하며, 본 연구에서 사용한 TLA는 총 아스팔트 량의 25중량%이다. 본 발명에 사용된 석유개질아스팔트와 TLA의 품질기준 및 시험결과는 [표 8] ~ [표 9]와 같다.

구스 아스팔트 혼합물에 사용되는 최적 아스팔트 함량은 7 ~ 10중량%의 범위 내에서 결정되며 본 배합설계에서는 아스팔트 함량의 중간값인 8.7중량%를 기준으로 ±0.3중량%의 혼합물을 제조하여 배합설계를 실시하였다. 배합설계 시 류엘 유동성과 관입량 시험, 휠트래킹 시험, 저온 휨 시험을 통하여 최적의 아스팔트 함량을 구하였다.

구스 아스팔트 혼합물의 경우 일반 아스팔트 혼합물에 비해 상당히 높은 온도에서 생산 및 시공이 되고, 시공 시 작업성과 공용 시 안정성을 확보하기 위하여 류엘 유동성과 관입량 시험을 통하여 최적아스팔트 함량을 선정한다.

시험방법은 관입봉이 구스 혼합물 내로 5cm 관입되었을 때의 시간을 측정하는 시험으로 침하시간이 20초 이내이어야 현장에서 작업성을 확보할 수 있다.

관입량 시험은 구스 혼합물의 안정성을 측정하는 시험으로 시험방법은 다음과 같다. 시험방법은 최적아스팔트함량으로 관입량 시험공시체(70mm×70mm×70mm)를 제작한 후 항온 수조(40℃)에서 1시간 동안 수침시키고 수침시킨 공시체에 52.5kg의 하중을 30분간 재하한 후 공시체에 관입된 깊이를 측정하는 시험으로 관입깊이 기준은 1 ~ 4mm이다.

[표 10]은 본 발명에서 사용한 구스 혼합물의 류엘 유동성 시험 및 관입량 시험결과를 보여주며, 류엘 유동성 시험과 관입량 시험의 공통부분 중 중간 값인 아스팔트 함량 8.7중량%를 구스 아스팔트 혼합물의 최적아스팔트 함량(OAC)으로 결정하였다.

구스 아스팔트 혼합물의 소성변형저항성과 저온 휨 시험은 고온 및 저온에서의 아스팔트 혼합물의 내구성을 평가하기 위하여 수행된다. 본 발명에서는 상기 시험을 통하여 결정된 최적아스팔트 함량으로 구스 아스팔트 혼합물을 제작하여 휠트래킹 시험과 저온 휨 시험을 실시하였다.

상기 실시된 실험을 통해 본 발명에 따른 반사균열에 대한 저항성과 소성변형저항성에 대하여 평가하였다.

1) 반사균열에 대한 저항성

a) 반사균열 시험

본 발명에서는 배합설계를 통하여 얻은 최적아스팔트 함량으로 제조한 슬래브 공시체로 반사균열 시험용 시험체를 제작하였다. 슬래브를 절단기를 이용하여 양 옆을 얇게 잘라낸 뒤 3등분 하여 305×80×70mm(길이×폭×두께)인 보 형태로 가공한 후 콘크리트 밑판을 부착하여 반사균열 시험체를 제작하였다.

콘크리트 밑판은 콘크리트 포장의 균열 또는 조인트(줄눈)를 모사하기 위하여 10mm의 갭을 두고 부착하였다. 반사균열 시험은 총 8종에 대하여 수행하였으며 그 종류는 [표 11]과 같다.

반사균열 시험 시 포장체 하부의 탄성지지를 모사하기 위하여 10mm 두께의 고무패드를 콘크리트 밑바닥에 깔고, 상부표면 위에는 철판을 부착하여 하중이 고루 분포되도록 하였다. 실험 장치는 직경 200mm의 강재 바퀴가 200mm 거리를 왕복하는 반복주행 시험기(Repeated wheel tracker)를 이용하였으며, 0.5Hz의 속도로 120kgf의 하중을 재하하였다.

본 발명에서 아스팔트 보 시험체의 수평변위 측정은 1/1000mm까지 측정이 가능한 Demec gauge를 이용하였으며 500cycle 마다 공시체에 표시된 포인트의 확장여부를 측정하였다. 이 값으로부터 혼합물이 1mm의 변위가 발생하는데 몇 회의 하중반복이 필요한지를 나타내는 수평변위 동적안정도(Horizontal dynamic stability)를 구하였다. 또한, 수직균열길이의 관찰을 용이하게 하기 위하여 보의 한쪽 면을 흰색 수성페인트로 칠하여 하중 반복에 따른 균열 성장을 500cycle마다 육안으로 측정하였다. 실험은 수직균열이 공시체의 전체 높이에 도달할 때까지 수행하였다.

b) 시험결과 및 분석

밀입도 일반아스팔트 혼합물의 경우 콘크리트 균열(조인트)을 모사한 갭 부근에서부터 반사균열이 발생하여 상부로 진전하였고 주균열이 뚜렷하였다. 개질 SMA 혼합물은 밀입도처럼 균열이 뚜렷하게 발생하지는 않았으나 미세균열이 시험체 전체에 걸쳐 그물 모양으로 엉기듯이 발생하였다. 반면에 하부층이 구스 혼합물로 구성된 시험체에서는 반사균열이 전혀 발생하지 않았으며, 상부층에만 균열(top-down)이 집중되었다. 이는 반사균열이 구스 혼합물에 의해 억제되어 위로 진전되지 못하므로 반사균열 방지에 매우 효과적임을 확인할 수 있는 결과이다.

각 혼합물들에 대한 반사균열 시험결과는 [표 12]와 같으며 [표 12]에서와 같이 구스 혼합물을 단층 또는 중간층에 사용했을 때 수명이 크게 향상되는 것을 알 수 있다. 단층의 경우 50mm 두께의 밀입도 혼합물(13mm)이 일반적으로 사용되는 덧씌우기 형태이므로 이를 기본(Control-1)으로 보고, 2층의 경우 표층(상부)에 밀입도 13mm를 사용하고 중간층(하부)에 밀입도 19mm를 사용한 밀입도 13+ 밀입도 19를 기본(Control-2)으로 정하여 다른 혼합물들과 반사균열 시험결과를 비교분석하였다.

★ 40mm 상부 + 30mm 하부

또한, 층별 파괴수명은 단층에서 구스 혼합물이 4만 cycle이 넘어 밀입도 13 대비 12.28배로 높아 가장 우수하였고, 복층의 경우 밀입도 13+밀입도 19 대비 하부에 구스 혼합물과 상부에 개질 밀입도를 사용한 개질밀입도 13+구스가 가장 높은 4.96배를 보였으며, 표층에 개질 SMA를 적용한 개질 SMA13+구스는 2.24배로 2배 이상의 파괴수명을 나타내었다. 따라서 하부층에 구스 혼합물을 적용하는 것이 반사균열 저항성에 매우 효과적이며, 반사균열이 우려되는 현장에 적용이 가능할 것으로 판단된다. 구스 혼합물을 적용한 복층 아스팔트 혼합물이 높은 파괴수명을 나타내는 것은 콘크리트 균열부(조인트)에서 진전되어 올라오는 균열을 유연성이 크고 파괴인성이 우수한 구스 혼합물층이 억제하기 때문인 것으로 사료된다.

또한, 아스팔트층(또는 구스 혼합물층)의 하부에 위치하고 있는 콘크리트 균열 또는 조인트부(콘크리트 갭)는 포장 위로 차륜이 지나갈 때마다 상하운동으로 인하여 아스팔트포장을 찢어놓듯이 반사균열을 발생시킨다. 아스팔트층이 강성 재료이면 이 상하 반복운동에 의해 응력이 집중되어 균열이 생성되지만 구스 혼합물은 응력을 흡수하는 역할을 하여 응력집중 거의 발생하지 않는다. 따라서 구스 혼합물층은 응력흡수층 역할을 하여 반사균열의 진전을 억제하거나 획기적으로 늦추는 역할을 한다는 것을 알 수 있었다.

실험결과에서도 구스 혼합물을 사용한 복층 아스팔트 혼합물의 경우 하부의 균열선단(콘크리트 갭)으로부터 균열이 발생하지 않는 것으로 나타났다. 이처럼 반사균열의 확장을 억제하기 위해서는 구스 혼합물을 상부 아스팔트 표층과 하부 콘크리트층 사이에 사용하는 것이 반사균열 억제에 더 효과적인 것으로 판단되었다.

수직균열 진전비는 하중재하 시 1cycle당 수직균열이 얼마나 많이 진전되는가를 길이 단위(mm)로 나타내는 것으로 [표 12]에서 보는 바와 같이, 구스 혼합물을 사용했을 때 효과적으로 나타났으며, 특히 SMA13+구스 혼합물이 수직균열이 0.17 × 10-2mm/cycle로 아주 느리게 진전하는 것을 알 수 있었다.

기울기가 낮은 것이 균열 진전속도가 느린 것으로, 반사균열 저항성이 우수한 것을 의미한다. 반사균열 저항성이 우수한 순서로는 구스, 개질 밀입도13 + 구스, 개질 SMA13+구스 순이다. 따라서 복층으로 포장을 실시할 경우는 구스 혼합물을 하단에 포설하고 그 위에 표층으로 개질 밀입도 혼합물이나 개질 SMA 혼합물을 포설하는 것이 좋은 방안인 것으로 사료된다.

구스 혼합물만으로 한 단층 혼합물에서는 40,000 cycle까지도 균열이 거의 나타나지 않았으며, 복층 덧씌우기 아스팔트 혼합물의 경우, 구스 혼합물의 위쪽 즉, 상부층에서 균열이 발생하여 위아래로 진전하는 경향을 보였다. 이는 구스 혼합물이 콘크리트의 균열(조인트) 부분이 균열 선단 (crack tip)으로서 작용하는 것을 억제하기 때문인 것으로 사료된다.

단층 구스 혼합물의 시험결과를 근거로 반사균열만을 고려한다면 구스 혼합물을 표층용(단층)으로도 사용이 가능할 수도 있을 것이다. 다만 표층으로 구스 혼합물을 사용 시 미끄럼 저항성과 소성변형저항성도 고려해야 할 것이다. 복층의 경우, 하부는 반드시 구스 혼합물을 사용해야 반사균열 억제에 효과적인 것으로 판단된다. 따라서 본 발명의 연구결과를 근거로 보면 구스 아스팔트포장은 방수가 필요한 교량뿐만 아니라 콘크리트 포장과 같이 반사균열이 우려되는 일반 토공부에도 중간층(하부층)으로 사용할 것을 권장한다.

2) 소성변형 저항성

a) 소성변형

아스팔트 포장에서 소성변형은 하중이 증가함에 따라 서서히 발생하며, 일반적으로 바퀴가 접촉하는 포장의 표면부가 침하되어 종방향으로 골이 패이듯 포장이 눌려 들어가는 형태로 나타난다. 이러한 소성변형의 원인은 첫째, 반복되는 윤하중에 의한 아스팔트 혼합물의 압밀로 인한 밀도 증가와 둘째, 반복되는 윤하중에 의한 전단변형이다. 이들의 차이점은 전자는 포장체가 압밀됨에 따라 체적변화를 수반하는 반면, 후자는 포장 체적이 그대로 유지되면서 윤하중에 의해 유발된 전단력에 의해 포장 재료가 횡 방향으로 전단면을 따라 이동하는 것을 의미한다.

아스팔트 콘크리트 포장에 있어 소성변형은 노반, 보조기층, 기층, 표층 등 포장체의 모든 층에서 발생될 수 있으나, 국내에서 발생하는 소성변형은 주로 아스팔트 표층과 중간층에서 발생되는 것으로 보고 있으며, 그 주요 영향인자는 아스팔트 바인더의 rutting factor인 stiffness (G*/sin δ)와 아스팔트 콘크리트 혼합물의 90중량% 이상을 차지하는 골재의 입도, 입형에 있다.

b) 휠트래킹 시험

본 발명에서는 아스팔트 혼합물의 소성변형 저항성을 평가하기 위하여 휠트래킹 시험을 수행하였다. 먼저 휠트래킹 시험을 위하 롤러 압축다짐기(roller-press compactor)로 슬래브 공시체를 제작하였으며 제작된 슬래브 공시체는 24시간 상온 양생 후 시험에 사용되었다. 휠트래킹 시험은 50℃와 60℃ 두 가지 온도 조건에서 수행하였으며, 재하 윤하중은 686kN(70kg), 분당 통과횟수 42회로 60분 동안 총 2,520회의 반복주행에 따른 침하량을 측정하였다. 바퀴의 재질은 강재로 직경 200㎜, 폭 50㎜이고 1회 왕복거리(stroke)는 200㎜이다 (KS F 2374).

c) 동적안정도(Dynaimc Stability)

동적안정도(dynamic stability: DS)는 공시체의 소성변형 1㎜ 가 발생하는데 필요한 차륜이 통과하는 횟수로 나타내며, 변형 속도는 분당 발생하는 변형량으로 나타낸다. 동적안정도와 변형속도(Rate of deformation: RD)를 다음의 [수학식 1]과 [수학식 2]에 의해 구하였다.

[수학식 1]

여기서, DS= dynamic stability, d1= t1 (일반적으로 45분)에서의 변형량(㎜), d2 = t2 (일반적으로 60분)에서의 변형량 (㎜), c = 보정계수로서 1.0이다.

[수학식 2]

여기서, RD = 분당 변형속도 (㎜/min), d60= 60분에서의 변형량 (㎜), d45= 45분에서의 변형량 (㎜)이다.

반복주행시험 결과를 분석하여 각 혼합물의 DS와 최종 침하량을 구하였다. 반복주행시험 중 침하량은 LVDT로 자동 기록되었고, 초기 일정횟수가 지난 후 반복재하에 따른 누적 침하율 중 45분과 60분(최종)의 변형량을 구하여 동적안정도, 변형속도, 최종침하깊이를 계산하였다

3) 시험결과 및 분석

배합설계에서 결정된 최적 아스팔트함량으로 슬래브 공시체를 제작 후 휠트래킹 시험을 수행하였다. [표 13]에서와 같이 총 5가지 혼합물에 대하여 50℃와 60℃, 두 가지 온도 조건에서 시험을 진행하였으며, 온도 변화에 따른 소성변형 특성을 분석하고자 하였다.

휠트래킹 시험을 통하여 [표 14]에서와 같이 각각의 혼합물의 45분과 60분에서의 침하깊이를 측정하고 이를 통하여 동적안정도를 계산하였다. 그리고 현장에서의 소성변형발생 현상을 모사하고자 현장 포장체의 온도 조건과 유사하게 상부 표층의 온도와 하부 중간층의 온도를 차이가 나게 하여 실내 시험을 진행하였다. 상부 표층의 온도는 휠트래킹 시험의 국내 기준인 60℃이며, 하부 중간층의 온도는 상부보다 10℃ 낮은 50℃로 설정하여 시험을 수행하였다. 이는 실제 포장에서 표층의 온도가 60℃일 경우 하부층의 온도는 표층 보다 더 낮은 50℃로 가정할 수 있기 때문이다. 하지만 하부는 50℃, 상부는 60℃로 시험조건을 만들어 휠트래킹 시험을 해야 하나 이를 실내 시험에서 구현하기는 현실적으로 불가능하다. 따라서 상부층과 하부층을 서로 다른 온도조건(상부 60℃, 하부50℃)에서 실험을 하여 그 결과로 추정하는 방법이 가장 현실적일 것이다. 따라서 본 발명에서는 이 방법을 이용하여 실제 현장의 소성변형을 예측하고자 하였다.

위의 [표 14]에서 추정 개질 SMA13+구스가 상기에서 설명한 현장에서의 소성변형 발생량을 추정한 것이다. 실제 현장에서의 소성변형은 상부(60℃)와 하부(50℃)의 온도가 다르기 때문에 상하 모두 60℃에서 시험한 결과보다 우수할 것이다. 이것을 상기 시험결과를 바탕으로 계산을 해보면 다음과 같다. 이론적으로는 하부 구스 혼합물(30mm) 층이 50℃온도에서 최종침하깊이가 2.40mm 이고 상부 개질 SMA13 혼합물의 60℃ 온도에서 최종 침하깊이가 2.72mm 이므로 두 최종침하깊이를 더하면 5.12mm 로 이를 합계 최종침하깊이로 가정할 수 있다. 또한 이 경우 동적안정도(DS)는 상하 60℃에서의 최종침하깊이가 5.89mm 때의 2,080 pass/mm보다 더 높은 2,950으로 추정할 수 있다. 이 결과는 현장 소성변형저항성이 실내 시험결과(상하부 60℃)보다 더 우수할 수 있다는 것을 의미한다.

단층 구스 혼합물은 30mm 두께의 혼합물이 50mm 두께의 혼합물보다 소성변형이 0.5배 적게 들어가 오히려 소성변형에 유리한 것으로 분석되었다. 단층 개질 SMA의 경우 온도에 따른 침하깊이가 50, 60℃에서 각각 2.46, 2.72mm로 큰 차이가 없었으며, 개질 SMA혼합물이 온도변화에 따른 소성변형 저항에 큰 차이가 없음을 알 수 있었다. 복층 혼합물의 경우, 하부층이 구스인 개질 SMA13+구스혼합물이 밀입도 13+밀입도 19 혼합물보다 소성변형에 우수한 것으로 분석되었다. 시험온도 50℃에서는 1.6배, 60℃에서는 1.5배로 개질 SMA13+구스 혼합물이 밀입도 13+밀입도 19 혼합물보다 소성변형저항성이 우수하게 나타났다.

모든 혼합물들이 표층용 아스팔트 혼합물의 동적안정도 기준인 750회/mm 및 중간층용 동적안정도 기준 1000회/mm 만족하였다. 단층 구스 혼합물의 동적안정도는 두께가 증가할수록 동적안정도가 감소하는 경향을 보여 30mm 두께의 혼합물이 50mm 두께보다 소성변형에 유리한 것으로 분석되었다. 개질SMA 혼합물은 동적안정도가 60℃에서 3,800회/mm 이상으로 소성변형에 가장 우수한 결과를 보여주었다. 복층 혼합물의 경우, 하부층이 구스인 개질 SMA13+구스 혼합물이 밀입도13+밀입도19 혼합물보다 소성변형에 우수한 것으로 분석되었다. 시험온도 50℃에서는 1.6배, 60℃에서는 1.7배로 개질 SMA13+구스 혼합물이 밀입도 13+밀입도 19 혼합물 보다 높은 동적안정도 값을 나타냈다.

도 4는 본 발명에 사용된 휠트래킹 시험용 공시체로 시험 전의 포장 단면을 보여준다. 도 4에서와 같이 시험 전 사진에서 상부층과 하부층의 경계가 확실하게 보이지 않고 마치 하나의 혼합물처럼 일체가 된 모습이다. 다만 골재 크기로 인하여 상하부의 경계를 짐작할 수 있는데 이는 구스 혼합물이 상부층 혼합물의 초기 다짐 시 상부 아스팔트 혼합물과 완벽하게 접착이 된다는 것을 의미하며, 따라서 상하부 경계면에서의 층 분리나 부착력 저하에 따른 공용성 저하 문제는 없을 것으로 판단되었다.

상기 실시 예를 통하여 나타난 반사균열 저항성은 구스 아스팔트 혼합물의 반사균열 특성을 구명하기 위하여 반사균열(전단균열)을 실시하였다. 시험결과, 구스 혼합물을 단층(표층)과 복층(하부층)에 사용했을 경우 반사균열 파괴수명이 크게 향상되는 것을 알 수 있었다. 또한, 소성변형 저항성 역시 휠 트래킹 시험결과, 단층 혼합물의 경우 구스 혼합물과 개질 SMA13mm 혼합물 모두 하부층용 혼합물에 사용이 적합한 소성변형 저항성을 갖춘 것으로 분석되었다. 복층 혼합물의 경우 구스 혼합물을 하부층에 적용한 것이 밀입도 혼합물을 하부층에 사용한 것보다 소성변형저항성이 더 우수한 것으로 나타났다.

이상에서 본 발명에 대한 기술사상을 서술하였지만, 이는 본 발명의 바람직한 실시 예를 예시적으로 설명한 것이지, 본 발명을 한정하는 것은 아니다. 또한, 이 기술분야의 통상의 지식을 가진 자라면 누구나 본 발명의 기술사상의 범주를 이탈하지 않는 범위 내에서 다양한 변형 및 모방이 가능함은 명백한 사실이다.

Claims (5)

13mm 또는 10mm의 조골재, 6mm 이하의 세골재를 200~250℃로 가열하여 석분과 함께 30초에서 1분 동안 믹싱기에서 드라이(DRI) 믹싱하고, 아스팔트 바인더로 일반아스팔트 또는 개질아스팔트를 각각 150℃로 가열 보온한 다음, 다시 180℃로 가열하여 트리니대드 천연아스팔트(TLA)와 함께 상기 믹싱기에 투입하여 180~200℃로 웨트(WET) 믹싱 및 220~260℃로 교반가열 하되,
상기 일반아스팔트는 PG 64-22 등급, 개질아스팔트는 SBS(Styrene-butadiene-styrene)로개질된 프리믹스 타입을 혼합하여 이루어진 것으로 PG 76-16등급, PG 76-22등급, 또는 PG 82-22 등급 중 하나 이상을 혼합하고, 표층용 골재의 혼합입도는 WC-1 13mm, WC-5 19mm, SMA 13mm 및 SMA 10mm 중 어느 하나의 입도이며, 구스 아스팔트 혼합물 골재의 혼합입도는 13mm체 통과율은 95~100%, 5mm체 통과율은 65~~85%, 2.36mm체 통과율은 45~62%, 0.6mm체 통과율은 35~50%, 0.3mm체 통과율은 28~42%, 0.15mm체 통과율은 25~34, 0.075mm체 통과율은 20~27%이며, 상기 표층 혼합물의 목표공극률 4%, SMA 혼합물의 목표공극률 3%를 형성하고 구스아스팔트 혼합물의 목표공극률은 0~1%인 것을 특징으로 하는 반사균열 방지 및 소성변형 저항성을 갖춘 구스 아스팔트의 조성물.

제 1항에 있어서,
상기 구스 아스팔트 혼합물에 사용되는 최적 아스팔트 함량은 7 ~ 10중량%의 범위 내인 것을 특징으로 하는 반사균열 방지 및 소성변형 저항성을 갖춘 구스 아스팔트의 조성물.

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제 1항에 있어서,
콘크리트 포장과의 부착을 위하여 택코팅 재료로 RSC-4 유화아스팔트를 혼합하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 반사균열 방지 및 소성변형 저항성을 갖춘 구스 아스팔트의 조성물.

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