JOURNAL OF THE KOREAN SOCIETY OF CIVIL ENGINEERS. August 2019. 523-530
https://doi.org/10.12652/Ksce.2019.39.4.0523


ABSTRACT


MAIN

  • 1. 서 론

  • 2. 실험재료 및 방법

  •   2.1 실험재료

  •   2.2 실험방법

  • 3. 실험결과 및 분석

  •   3.1 BBS 실험결과

  •   3.2 혼합물 박리 저항성 평가결과

  • 4. 결 론

1. 서 론

아스팔트 콘크리트 포장도로는 1990년대를 기점으로 대형차 혼입률이 급증하고 대기환경의 변화에 따라 균열, 단차, 포트홀(Pot-hole) 등 다양한 형태의 도로 파손이 증가하고 있다(Kim et al., 2017). 국토교통위원회(National Assembly, 2013)의 조사에 따르면 포트홀 발생 및 관련 교통사고 건수는 매년 꾸준히 증가하는 추세이며 이에 따른 인명피해, 차량파손에 따른 비용손실 등 도로 이용자의 직·간접적인 피해를 증가시키는 요인으로 분석되었다.

포트홀의 주된 발생원인은 수분침투에 의해 아스팔트 바인더 피복이 박리(Stripping) 되는 것으로 알려져 있다(Kim and Kim, 2018). 박리는 수분이 아스팔트 콘크리트 포장층에 침투하여 아스팔트 바인더 피막과 골재 사이 점착력(Adhesion) 및 아스팔트 바인더 자체의 결합력(Cohesion)을 약화시켜 궁극적으로 포장 자체의 구조적 성능이 저감되는 것으로 정의할 수 있다(Little and Jones, 2003; Jo et al., 2013).

포트홀이 발생한 구간의 시료를 채취하여 분석한 결과 인접 구간보다 높은 노화도를 보이며, 특정 구간의 경우 10년 이상 공용된 아스팔트 콘크리트 포장 대비 5배 이상의 노화도를 나타내었다(Kim et al., 2015).

노화된 아스팔트 콘크리트 포장은 경화(Hardening), 취성(Brittleness) 증가로 인해 균열이 발생하고, 이를 통해 포장내 수분침투를 유발하여 박리(Stripping)를 야기하며 반복적인 윤하중에 의해 포장구조를 약화시켜 최종적으로 포트홀을 유발하게 된다(Read and Whiteoak, 2003). 이에 따라 본 연구에서는 아스팔트 바인더 노화가 아스팔트 콘크리트 포장의 수분민감성에 미치는 영향을 알아보고자 한다.

2. 실험재료 및 방법

2.1 실험재료

2.1.1 아스팔트 바인더

일반적으로 아스팔트 혼합물은 생산과정부터 시공 후 공용에 따라 노화가 진행된다(Yener and Hinislioglu, 2014). 아스팔트 바인더의 노화는 다양한 원인의 복합적 작용으로 이루어지나 산소와 열에 의해 그 속도가 결정되고 노화에 따라 점도 증가, 침입도 감소 등의 유변학적 특성변화를 유발한다(Kim et al., 2018). 또한 아스팔텐(Asphaltene) 성분의 대형분자 비율이 증가하여 안정성이 나빠지고 신도(Ductility)의 감소, 스티프니스를 증가시켜 균열에 취약해지고 균열 진전에 따른 포장파손을 가속화 한다(Kim et al., 2018; KICT, 2012).

본 연구에서 사용한 아스팔트 바인더는 현재 국내에서 주로 사용되고 있는 PG 64-22의 스트레이트 아스팔트 바인더를 사용하였으며, 생산과 공용환경을 모사한 노화실험기를 사용하여 노화된 바인더를 제작하여 재료로 실험을 수행하였다.

아스팔트 바인더의 단기노화를 모사하기 위해 Fig. 1의 회전박막가열오븐(Rolling Thin Film Oven, RTFO)을 이용하였으며 장기노화 모사를 위해 Fig. 2의 압력노화(Pressure Aging Vessel, PAV) 시험기를 사용하였다. 회전박막가열시험 시험기준은 AASHTO T 240(2013)ASTM D 2872(2019), 압력노화시험은 ASTM D 454(2004)D 572(2004) 기준에 따라 수행하였다.

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Fig. 1.

Rolling Thin Film Oven (RTFO)

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Fig. 2.

Pressure Aging Vessel (PAV)

Lee et al.(2008)의 연구에 따르면 압력노화시험을 통해 얻은 아스팔트 바인더 시료는 공용기간이 5년에서 10년 정도의 경과한 포장의 노화정도를 모사하는 것으로 알려져 있다.

노화되지 않은 상태의 아스팔트 바인더를 RTFO 실험기를 사용하여 단기노화한 후 PAV 실험기를 사용하여 3시간(PAV 3 hr), 10시간(PAV 10 hr) 그리고 20시간(PAV 20 hr) 동안 노화하여 단계별 아스팔트 바인더 노화 시료를 얻었다.

아스팔트 바인더 노화수준에 따른 침입도 평가를 위해 Fig. 3의 침입도 시험기를 사용하여 침입도를 측정하였다. 측정결과 노화정도에 따라 Fig. 4와 같이 침입도가 낮아지는 것으로 나타났다.

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Fig. 3.

Penetration Tester

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Fig. 4.

Result of Penetration Test

2.1.2 석판

박리는 골재와 아스팔트 바인더간의 부착력 손실을 의미하기 때문에 이를 보다 명확히 평가하기 위해 골재와 아스팔트 바인더와의 직접적인 부착력 실험을 수행하고자 하였다.

사용된 골재는 수도권 아스팔트 콘크리트 플랜트에 골재를 공급하는 석산의 화강암 원석을 Fig. 5와 같이 재단하여 사용하였다.

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Fig. 5.

Specimen for BBR Test

재단된 석판은 일정한 표면 조도를 확보하고 이물질을 제거하기 위한 전처리를 수행하였다. 부착력은 골재표면의 거칠기와 큰 상관성이 있기 때문에 일정한 거칠기를 가질 수 있도록 절단된 석판의 표면을 280호 샌드페이퍼를 사용하여 연마하였다. 연마된 석판은 Fig. 6과 같은 초음파 세척기(Ultra Sonic Cleaner)를 사용하여 세척 한 후 오븐에서 충분히 건조하여 사용하였다.

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Fig. 6.

Cleaning Process

2.2 실험방법

2.2.1 BBS Test

BBS Test(혹은, ABS Test)는 AASHTO TP-91(2015) : Standard Method of Test for Determining Asphalt Binder Bond Strength by Means of the Binder Bond Strength (BBS) Test에 규정되어 있는 아스팔트 바인더와 골재의 부착력을 측정하는 시험방법이다.

금속재질의 Pull-out stub를 이용하여 골재와 아스팔트 바인더를 접착시키고 온도 안정화 후 Pull-out stub를 100 psi/s의 하중으로 인장하여 최대부착력을 측정하는 실험이다. 실험에 사용된 BBS 실험기는 0 ~ 100 °C의 온도범위에서 측정가능하며, 7 KPa까지 측정이 가능하여 아스팔트 바인더의 정밀한 부착력 평가가 가능하다.

정밀한 부착력 평가를 위해서는 동일한 접촉 면적을 유지하여야 하며, Pull-out stub는 일반적으로 아스팔트 바인더 실험의 경우 지름 20 mm의 Pull-out stub를 사용한다(Shin, 2017). BBS 실험에 사용하는 Pull-out stub의 규격은 Table 1과 같다.

Table 1. Dimensional Equivalents (AASHTO, 2014)

mm 0.8 5 6 7 15 20 22 40
in. 0.03 0.2 0.24 0.28 0.6 0.8 0.9 1.6

우선 실험의 신뢰성 확보를 위해서 시료면적 및 실험 온도를 일정하게 유지하여야 하며, 시편은 아스팔트 콘크리트 혼합온도에 기준하여 준비한다. 스트레이트 아스팔트 바인더의 경우 135±3 °C로 가열한 후 시편 표면에 아스팔트 바인더를 코팅하여 Pull-out stub를 부착한 후 상온에서 24시간 동안 양생한 후 실험하였다. Figs. 7 and 8은 BBS 시험기 모식도와 사진이다.

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Fig. 7.

Schematic Representation of the Testing Assembly for the BBS Test (AASHTO TP-91)

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Fig. 8.

Asphalt-Aggregate System Prepared to be Tested Using the BBS Testing Apparatus (AASHTO TP-91)

Fig. 9는 BBS 실험을 위해 석판에 Pull-out stub를 부착한 모습이며, Fig. 10은 실험에 사용된 BBS 실험기이다.

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Fig. 9.

Specimen of BBS Test

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Fig. 10.

BBS Test

실험에 사용된 Pull-out Stub는 아스팔트 바인더의 부착성능 평가 용도로 사용하는 지름 20 mm 규격 Stub를 사용하였다. 또한, 실험 중 아스팔트 노화 정도에 따라 측정 범위를 벗어나는 시편의 BBS 측정을 위해 지름 12.7 mm의 Pullout Stub를 추가로 적용하였으며 Fig. 11은 실험에 사용된 Pullout Stub이다.

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Fig. 11.

Pullout Stubs

아스팔트 바인더와 골재의 수분민감성 평가를 위해 Shin(2017)의 연구에 따라 인장강도비 개념을 적용한 BSR (Bond Strength Ratio)을 비교하였다. BSR 계산식은 Eq. (1)과 같다.

$$BSR=\frac{BBS_{Wet}}{BBS_{Dry}}\times100$$ (1)

Where, BSR : Bond Strength Ratio

BBSWet : BBS for Dry Process

BBSDry : BBS for Moisture Damage Process

수분손상 모사과정은 AASHTO TP 91에 따라 40 °C 항온수조에서 24시간 수침 후 25 °C 항온챔버에서 2시간 거치 후 BBS 시험을 수행하였다. Fig. 12는 수침 처리 과정이다.

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Fig. 12.

Process of Moisture Damage (40 °C)

2.2.2 아스팔트 콘크리트 공시체 제작

BBS 실험을 통해 분석한 골재와 바인더간의 부착 성능 평가 결과와 아스팔트 혼합물에서의 박리정항성과의 상관성을 분석하기 위해 아스팔트 콘크리트 시편의 수분 손상 모사 전, 후의 간접인장강도를 비교하여 인장강도비(TSR, Tensile Strength Ratio)를 측정하였다. 본 연구에서는 AASHTO T 283(2014) (KS F 2398, 2017) 시험기준에 따라 60 °C 수조에서 24시간 수침 후 간접인장강도를 측정하는 수분처리 방법과 –18 °C에서 16시간 동안 동결 후 60 °C 수조에 24시간 동안 수침 후 시험하는 동결·융해 시험방법을 사용하였다.

수분저항성 시험은 Fig. 13과 같은 입도의 WC-1 아스팔트 혼합물을 배합설계를 통해 제작한 시편을 사용하였으며 Fig. 14는 제작된 공시체의 사진이다. 배합설계는 공극률 4.0 %에 최적아스팔트 함량은 5.7 %로 결정되었다.

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Fig. 13.

Mix Gradation (WC-1)

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Fig. 14.

Test Specimen

3. 실험결과 및 분석

3.1 BBS 실험결과

아스팔트 바인더의 노화도에 따른 골재와의 접착성능을 평가하기 위해 BBS 실험을 수행하였다. 노화 정도에 따른 부착강도 실험결과 Fig. 15와 같이 노화가 진행됨에 따라 아스팔트 바인더의 점착력이 증가하여 부착강도가 상승하는 것을 확인할 수 있었다. PAV 시험기를 사용하여 장기 노화를 모사한 시료 중 10시간과 20시간 노화한 시료는 BBS시험기의 용량을 초과하는 부착강도를 나타내어 stub와 석판이 분리되지 않아 정확한 결과를 얻을 수 없었다.

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Fig. 15.

Result of BBS Test (20 mm Stub)

지름 20 mm의 Pull-out stub를 사용한 PAV 시료의 경우 수침 처리 전의 부착강도가 측정되지 않아 BSR 측정이 어려워 Pull-out stub의 지름이 12.7 mm인 것을 사용하여 재실험을 수행하였다. 실험결과는 Fig. 16과 같이 PAV 노화된 시료도 부착강도를 측정할 수 있었다. 노화가 진전됨에 따라 부착강도가 증가하는 것으로 나타났다. 수침 처리 후에도 노화가 진행되면서 부착력은 늘어나나 BSR의 경우 28.4 %에서 31.2 %로 감소하는 것으로 나타났다. 이는 노화가 진행됨에 따라 박리 저항성이 감소한다고 보기에는 어려우며 수분 처리에 따라 노화 시료의 부착력과 상관없이 박리가 진행되는 것으로 분석될 수 있다. Figs. 17~20은 BBS 실험 후 부착면의 모습이다.

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Fig. 16.

Result of BBS Test (12.7 mm Stub)

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Fig. 17.

After BBS Test (20 mm Specimen)

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Fig. 18.

After BBS Test (12.7 mm Specimen)

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Fig. 19.

After BBS Test on Moisture Damage Process (20 mm Specimen)

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Fig. 20.

After BBS Test on Moisture Damage Process (12.7 mm Specimen)

24시간 수침 처리한 경우 무처리 시료와 달리 노화 정도에 따른 차이가 명확히 나타나지 않았다. Figs. 19 and 20에 나타난 것과 같이 대부분의 시료가 실험 후 박리에 의해 석판과 아스팔트 바인더가 부착력을 상실한 상태인 것으로 나타났다. 즉, 하중의 작용이 아닌 수분의 영향으로 골재와 아스팔트 바인더가 벗겨진 상태로 관찰되었다.

Bahia et al.(2007), Agruiar-Moya et al.(2015)의 연구에 의하면 일반적으로 노화가 진행되면 아스팔트 바인더와 골재와의 부착력이 증가하여 박리저항성이 증가하는 것으로 연구되었다. 그러나 본 연구에서는 노화에 따라 박리 저항성과는 상관이 없는 것으로 나타났다. 이에 대해 고찰할 결과 노화된 바인더를 석판에 부착하는 방법으로는 실제 아스팔트 콘크리트 포장에서 이루어지는 노화 과정에서의 골재와 바인더간의 부착을 모사하는 것에 한계가 있는 것으로 판단되었다. 골재와 아스팔트 바인더가 결합된 상태에서 노화를 수행함으로써 실제 포장에서의 노화에 따른 박리저항성을 모사가 필요한 것으로 판단되었다.

3.2 혼합물 박리 저항성 평가결과

노화 아스팔트 콘크리트 포장의 수분민감성 평가를 위해 인장강도비 시험을 수행하였다. Jung et al.(2007)의 연구에 따르면 아스팔트 혼합물을 흐트러진 상태로 85 °C에서 48시간 및 100 °C에 24시간 노출시킬 경우 5년간의 장기노화 모사가 가능하며, 85 °C로 96시간 및 100 °C로 48시간 노출시킬 경우 10년이 경과한 노화도를 모사할 수 있다.

본 연구에서는 공용기간이 5년이 지난 시점을 모사하기 위해 Fig. 21과 같이 흐트러진 혼합물 상태에서 100 °C 항온 챔버에서 24시간을 방치하였다. 모사기간 동안 1시간 단위로 시료를 혼합하여 고온 환경의 대기에 고르게 노출될 수 있도록 하였다. Fig. 22는 간접인장강도 시험에 사용된 아스팔트 콘크리트 시편이다.

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Fig. 21.

Aging Process

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Fig. 22.

Specimens of After Aging Process

인장강도비 시험은 Fig. 23과 같이 60 °C에서 24시간 습윤처리한 시편과 Fig. 24의 –18 °C에서 16시간 동안 동결처리 후 60 °C 항온수조에서 24시간 동안 융해처리하는 방법 두가지를 모두 비교하였다. Fig. 25는 간접인장강도 시험 전경이고 Fig. 26은 시험 후 시편 단면이다.

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Fig. 23.

Moisture Process

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Fig. 24.

Freeze Process

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Fig. 25.

ITS Test

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Fig. 26.

Cross Section of ITS Test

바인더와 골재가 부착된 상태에서 노화를 모사한 인장강도비 실험결과에서 TSR은 수분처리의 경우 0.71에서 0.77로 동결 융해의 경우 0.67에서 0.69로 노화 이후 박리저항성이 증가하는 것으로 나타났다. 골재와 바인더가 결합된 상태에서 노화가 진행되면 바인더는 골재 내부로 보다 깊숙이 침투하고 입자간의 결합력이 증가하기 때문에 아스팔트 혼합물의 노화에 따라 박리저항성이 증가하는 경향을 나타내는 것으로 분석되었다.

인장강도비 시험결과 Table 2와 같이 아스팔트 혼합물의 노화에 따라 피복된 아스팔트 바인더의 스티프니스가 증가하여 간접인장강도 값이 커지는 것으로 나타났다. 또한, 혼합물 노화로 인장강도비 값이 수분처리 과정을 통해 약 8.9 %, 동결·융해 처리를 통해 약 4.2 %가 증가하는 것으로 나타났다.

Table 2. Result of TSR Test

Classification ITS (MPa) TSR
None Aging Conventional Specimen 0.52 -
After Moisture Process 0.37 0.71
After Freezing-Thawing Process 0.35 0.67
After Aging Process Conventional Specimen 0.92 -
After Moisture Process 0.70 0.77
After Freezing-Thawing Process 0.63 0.69

4. 결 론

아스팔트 바인더 노화에 따른 아스팔트 콘크리트 포장의 수분민감성 영향을 검토하였으며 연구수행 결과 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.

(1) 노화 아스팔트 바인더의 수분민감성 영향을 검토하기 위해 부착성능을 평가하였다. 실험결과 골재와 아스팔트 바인더의 부착력은 노화에 따라 아스팔트 바인더의 점성이 증가함에 따라 부착강도는 노화 전 대비 2~3배 이상 증가하는 것으로 나타났다.

(2) 반면, 24시간동안 수침 후 측정한 부착강도 실험결과 노화 정도에 상관없이 박리에 의해 부착강도가 감소하는 것을 확인할 수 있었다. 이는 노화된 아스팔트 바인더를 부착시킨 것으로 노화과정에서 증가되는 결합력을 모사하지는 못하였기 때문으로 분석되었다.

(3) 일반적인 노화과정 모사를 위해 혼합물 상태에서 가속 노화 후 잔류인장강도비를 측정하였다. 실험결과 노화 시료의 TSR이 0.71에서 0.77로 0.67에서 0.69로 증가하는 것으로 나타났다. 노화 아스팔트 혼합물의 경우 아스팔트 바인더와 골재의 부착력이 증가 및 간접인장강도, TSR까지 증가하여 박리저항성이 향상되는 것으로 분석되었다.

Acknowledgements

본 논문은 국토교통부와 국토교통과학기술진흥원의 교통물류연구사업인 “도로수명연장을 위한 고기능성 콘크리트 포장 유지보수 실용화 기술 개발”의 연구지원으로 수행되었으며 이에 관계자분들께 감사를 드립니다.

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