2.1 골재 맞물림을 고려한 배합설계

SMA 혼합물의 배합설계 시 골재의 구조적 골격 형성과 충분한 골재 맞물림 확보를 위해 입도 분포는 매우 중요하다. 이러한 특성을 구현하기 위해 SMA 혼합물은 중간 크기의 골재가 적은 갭입도(gap-graded)를 사용하고, 골재 사이 공극을 충분하게 확보하기 위해 골재간극률(VMA, Voids in the Mineral Aggregates) 기준을 적용하고 있다. 하지만 골재 맞물림을 정량적으로 평가하는 기준이 국내 SMA 배합설계에서는 아직 포함되어 있지 않다.

반면 미국에서는 SMA 배합설계 시 굵은 골재 맞물림을 평가하기 위해 Eq. (1)과 같이 VCA 기준을 적용한다^{(AASHTO R 46, 2012; NAPA, 2002)}. 여기서, $VCA_{DRC}$는 건조 다짐한 상태(DRC, dry-rodded condition)의 굵은 골재 공극률(Fig. 1(a))이고, $VCA_{mix}$는 다져진 혼합물에서 굵은 골재를 제외한 공극률이다. $VCA_{mix}$가 $VCA_{DRC}$ 보다 작으면 SMA 혼합물에서 잔골재와 세립분이 굵은 골재가 형성한 공극($VCA_{DRC}$)에 포함되어 굵은 골재 맞물림에 영향을 미치지 않는다(Fig. 1(b)). 만일 잔골재와 세립분 함량이 높아 다짐 시 굵은 골재끼리 맞물린 공간을 차지하면, 굵은 골재의 맞물림이 저하하게 된다(Fig. 1(c)). 따라서 굵은 골재 간 안정적인 맞물림 확보를 위해서는 굵은 골재의 함량이 일정 수준 이상이 되어야 한다.

여기서, $VCA_{DRC}$는 ^{ASTM C29(2023)} 표준에 따라 건조 다짐한 굵은 골재의 공극률이다. ^{ASTM C29} 장비를 사용해 직경 15 L 용기에 굵은 골재만을 3층으로 25회씩 다짐한 시험편의 단위 중량($\gamma_s$)과 굵은 골재의 겉보기 비중($G_{ca}$), 물의 단위 중량($\gamma_w$)를 측정하여 Eq. (2)와 같이 계산한다.

또한 $VCA_{mix}$는 혼합물 배합 시 굵은 골재의 체적에서 나타나는 공극률로 배합설계 결과를 Eq. (3)과 Eq. (4)에 적용하여 계산한다.

여기서, $G_{mb}$는 SMA 혼합물의 겉보기 비중, $P_{CA}$는 혼합물에서 굵은 골재(4.75 ㎜ 체 통과분 포함하지 않는 입도)의 함량(%), $P_{4.75}$는 4.75 ㎜ 체를 통과한 골재 함량(잔골재), $\%AP$는 아스팔트 함량(%), $\%fiber$는 섬유첨가제 함량(%)이다. 따라서 굵은 골재의 겉보기 비중이 동일하다고 가정하면 잔골재, 아스팔트 바인더, 섬유첨가제의 함량이 증가함에 따라 $VCA_{mix}$는 증가하게 된다.

기존 연구에서 $VCA_{mix} / VCA_{DRC}$가 약 0.95일 때 소성변형 저항성이 가장 우수한 것으로 나타난다^{(Cooley and Brown, 2003)}. 이는 굵은 골재의 공극률이 5 % 정도 큰 경우 다짐 시 굵은 골재의 움직임이 원활하여 다져진 혼합물의 밀도가 가장 크게 나타나기 때문이다.

Fig. 1. Voids of Coarse Aggregates (VCA) Concept. (a) Dry-rodded Condition, (b) Strong Aggregate Contact, (c) Weak Aggregate Interlocking

2.2 타이어 롤러 다짐

SMA 혼합물은 굵은 골재와 아스팔트 함량이 높아 밀입도 아스팔트 혼합물에 비해 다짐이 상대적으로 어렵다. 다짐이 충분하지 않으면 공극률 증가로 시공 품질 기준을 만족하지 못하며, 반대로 과도한 다짐은 골재 파손을 유발하여 골재 입도와 맞물림 구조가 손상되어 내구성이 저하될 수 있다. 특히 유지보수 공사에서 절삭 후 포장을 수행할 경우 절삭면의 요철로 인해 다짐 시 Fig. 2와 같은 브리징(bridging) 효과가 발생할 수 있다. 브리징 효과는 요철의 높은 부분에 응력이 집중되어 골재 파손이 발생하고 낮은 부분에는 다짐 에너지가 충분히 전달되지 않는 현상을 의미하며^{(Fujita and Tsukimoto, 2017),} 이는 강성이 높은 철륜 롤러 사용 시 더욱 두드러진다. 그 결과 포장층 하부의 다짐이 불충분해지고 하부층과의 부착력이 저하되어 밀림이나 균열 등의 조기 파손이 발생할 수 있다.

타이어 롤러는 여러 개의 타이어가 혼합물을 반죽(kneading)하듯 다짐하여 다짐 에너지를 하부까지 전달하므로 브리징 현상을 줄이고 하부층과의 부착력 향상에 효과적이다. 특히 절삭 덧씌우기 포장과 같이 기존 포장과의 부착 성능이 중요한 공사에서 활용 가능성이 있다. 그러나 다짐 과정에서 고점도 아스팔트 혼합물이 고무 타이어에 부착되는 현상이 발생할 수 있으며, 이는 아스팔트 점도가 높고 타이어 온도가 낮을수록 증가한다. 이러한 혼합물 부착 현상은 포장 표면 공극을 유발하여 초기 결함을 발생시킬 수 있기 때문에 SMA 포장에서는 타이어 롤러 사용이 제한되어 왔다.

최근에는 개질 SMA 혼합물의 다짐도 향상을 위해 타이어 롤러를 조건부로 적용하는 사례가 보고되고 있으며, 물 또는 비석유계 부착방지제 살포, 타이어 사전 예열, 적외선 가열 시스템 등의 방법이 제안되고 있다^{(CAPA, 2020)}. 또한 스크레퍼, 코코아 매트, 방염포, 비부착 타이어 등 다양한 장치가 사용되고 있다. 과거에는 경유가 박리방지제로 사용되었으나 환경 및 품질 문제로 사용이 금지되었으며, 최근에는 다양한 비석유계 부착방지제가 적용되고 있다. 미국 인디애나주 교통국은 기능성, 환경성, 경제성, 안전성을 고려한 평가를 통해 적절한 부착방지제를 선정하여 사용하고 있다^{(Hasanzadeh et al., 2022)}. 또한 타이어와 포장면의 온도 차이가 약 25℃ 이하로 유지될 경우 혼합물 부착이 감소하므로 타이어를 시공면과 유사한 온도로 예열하는 것이 중요하다^{(CAT, 2017)}.

Fig. 2. Bridging Effect on Rough Surface of Stress Concentration by Steel Drum Roller

3.1 SMA 배합설계

본 연구에서 사용한 SMA 혼합물은 최대골재 크기 13 ㎜의 표층용 갭입도를 적용하였다(Fig. 3). 표준 SMA 배합절차에 따라 골재는 충분히 건조·분리하여 함량을 조정하여, 최종 4.75 ㎜ 미만의 굵은 골재 함량($P_{4.75}$)은 72.7 %로 결정되었다(Table 1). 공극률, 골재간극률(VMA) 등 배합설계 기준을 만족하는 아스팔트 함량은 6.6 %로 최종 결정되었다. 여기서 아스팔트는 PG 72-22 등급의 개질 아스팔트를 사용하였다. 배합설계 결과 공극률은 2.8 %, VMA는 17.6 % 등 모든 배합설계 기준을 만족하는 것으로 나타났다. 이때 굵은 골재의 겉보기 비중($G_{ca}$)은 2.663이며, 설계 다짐 시 혼합물의 겉보기 비중($G_{mb}$)은 약 2.483으로 나타났다.

Fig. 3. Combined Aggreagate Gradation of 13 ㎜ SMA

3.2 VCA 기준 골재 맞물림 평가

일반적인 SMA 배합설계를 통해 결정한 13 ㎜ SMA 혼합물의 골재 맞물림 정도를 평가하기 위해 VCA 기준을 적용하였다. 전체 골재 중 굵은 골재만을 사용하여 ^{ASTM C29}에 따라 시험한 결과 $VCA_{DRC}$는 40.6 %로 나타났다(Table 1). 또한 배합설계 자료(굵은 골재 비율 72.7 %, 아스팔트 함량 6.6 %)를 Eq. (3)과 Eq. (4)에 적용하여 계산한 $VCA_{mix}$는 40.6 %이다. 이 결과를 Eq. (1)의 골재 맞물림 기준에 적용하면 경계 수준에서 만족하는 것으로 나타났다. 하지만 실제 혼합물 생산 과정에서 골재 입도가 일부 변경되면 골재 맞물림 기준을 만족하지 못할 가능성이 있다. 따라서 안정된 골재 맞물림 확보를 위해서는 $VCA_{mix}$를 낮추기 위한 배합설계 조정이 필요하다.

동일한 굵은 골재를 사용하면 $VCA_{DRC}$는 변하지 않으므로 안정적인 골재 맞물림을 확보하기 위해서는 $VCA_{mix}$를 약 1~2 % 낮추는 것이 바람직하다. Eq. (3)과 Eq. (4)에 따르면 $VCA_{mix}$를 감소시키기 위해서는 굵은 골재 함량을 늘리거나 아스팔트 함량을 줄일 수 있다. 우선 동일한 골재 입도에 아스팔트 함량을 0.3 %p 줄이면, $VCA_{mix}$는 40.2 %로 기존에 비해 0.3 %p 감소하여 VCA 기준(40.6 %)을 0.4 %p 차이로 만족한다. 하지만, VMA이 16.8 %로 감소하여 VMA 기준(17 % 이상)을 충족하지 못하므로 적합하지 않은 것으로 나타난다.

다음으로는 $VCA_{mix}$를 1~2 % 줄이기 위해, 굵은 골재 함량을 기존 대비 2 %p 증가한 74.7 %로 조정하였다. 그 결과 $VCA_{mix}$는 39.0 %로 기존 대비 1.5 %p 감소하여 골재 맞물림 기준을 만족하였을뿐만 아니라, $VCA_{mix}/VCA_{DRC}$ 값이 0.96으로 최적값(0.95)에 근접하는 것으로 나타났다. 이때 VMA 등 배합설계 기준도 모두 만족하는 것으로 나타났다. 따라서 굵은 골재 함량을 2 %p 증가시키면 골재 맞물림이 최적화되는 것으로 판단된다.

본 연구에서 평가한 VCA 기준 골재 맞물림 확인 절차는 이론적으로 적합하다고 판단된다. 하지만 다양한 VCA 조건에서 골재 맞물림의 영향을 확인하기 위해 동적안정도 등 배합설계 인자 및 소성변형, 균열저항성 등 공용성 시험을 통해 비교검증하는 것이 필요하다.

4.1 다짐 공정

한국도로공사에서는 타이어 롤러를 이용한 다짐이 SMA 포장의 시공 품질, 특히 조기 성능에 미치는 영향을 평가하기 위하여 시험시공을 2023년부터 실시하였다. 시험시공은 고속도로 주행차로의 유지보수 구간 중 총 7개소에 대해 기존 포장을 절삭 후 SMA 포장 덧씌우기를 적용하였다. 대상 구간 중 비교 구간에는 기존 다짐 방식(1, 2차 머캐덤 롤러 → 3차 탄뎀 롤러)을 적용하고, 개선 구간에는 머캐덤 롤러 대신 타이어 롤러를 2차 다짐에 적용하였다(Fig. 4(a)). 다짐에 사용된 머캐덤 롤러의 무게는 13톤, 주행 속도 약 5 km/h, 1차 다짐 온도는 155~175℃, 2차 다짐 온도는 120~140℃, 다짐회수는 6회였다. 타이어 롤러의 중량은 20톤, 주행 속도는 2~3 km/h, 다짐 온도는 90~120℃, 다짐회수는 왕복 6회이다. 탄뎀 롤러는 무진동으로 무게는 12톤, 주행속도는 3~4 km/h, 다짐 온도는 70~90℃, 다짐회수는 4회였다.

4.2 부착방지제 적용

아스팔트의 혼합물이 롤러에 들러붙는 것을 방지하기 위해 다음과 같이 방지 대책을 적용하였다. 타이어 롤러에 적용할 수 있는 부착방지제 기준이 아직 없으므로 아스팔트 포장 시공 현장에서 부착방지를 위해 가장 많이 사용하고 있는 콩기름 100 %인 식용유를 사용하였다. 식용유를 타이어 표면에 코팅하기 위해 시공 현장 주변 갓길에 타이어 롤러가 왕복 운행할 수 있을 정도로 부직포를 깔고, 부직포를 충분히 적실만큼 식용유를 골고루 뿌렸다(Fig. 4(b)). 이때 사용한 식용유는 총 36 L(18 L/통×2통)로, 이를 시험시공 면적으로 환산하면 살포량은 약 0.015 L/㎡으로, 1개 차로 연장으로 환산하면 약 0.06 L/m‧차로이다. 타이어에 식용유가 충분히 코팅되도록 왕복 운행하고(Fig. 4(c)), 타이어 면적 전체가 균질하고 빈틈없이 코팅되었는지를 육안으로 확인하였다. 추가적으로 코팅막이 유지되도록 각 타이어에 설치된 고압용 노즐을 통해 소량의 식용유를 지속 살포하였다(Fig. 4(d)). 또한 코팅된 타이어의 표면온도를 높이기 위해 다짐이 완료된 구간에서 왕복 운행하여 타이어의 표면온도를 약 50℃까지 상승시킨 후(Fig. 4(e)) 다짐온도가 90℃ 이상인 2차 다짐에 적용하였다(Fig. 4(f)).

Fig. 4. Tire Roller Compaction with Anti Pick-up Process. (a) 1st/2ndCompaction Roller, (b) Manual Cooking Oil Spray, (c) Cooking Oil Coating on Mat, (d) Cooking Oil Spray on Tires, (e) Tire Surface Temperature, (f) 2ndTire Roller Compaction

4.3 시공 품질 평가

2차 다짐에 타이어 롤러를 적용/미적용한 시험 시공 구간에서 코어 샘플을 채취하여 다짐도 및 층간 인장접착강도를 측정하고, 소형충격하중재하장비(LFWD, Light Falling Weight Deflectometer)를 이용하여 표면처짐량을 측정하였다. 이러한 측정값(밀도, 인장강도, 처짐량)에 대해 그룹(비교, 개선) 간 차이가 유의한지 독립표본 t-검정을 실시하였다. 유의수준 5 % 하에서 p 값이 0.05 미만인 경우를 통계적으로 유의한 차이로 해석하였다.

Table 2는 7개(표층 3, 중간층 4) 시험 시공 구간에서 측정한 다짐도를 비교한 결과를 나타낸다. SMA를 표층 시공에 적용한 경우 타이어 롤러 사용 시 다짐도는 99.1 %이고 미 적용 시 다짐도는 98.6 %로, 타이어 롤러의 적용으로 다짐도가 약 0.5 %p(percentage point) 증가한 것으로 나타났다. SMA를 중간층 시공에 적용한 경우 타이어 롤러 사용으로 다짐도가 약 0.3 %p 증가한 것으로 나타났다. 다짐도 비교 구간 중 표층 3개 구간에 대해서 코어를 채취하여 부착강도를 측정한 결과, 타이어 롤러 적용 시 부착강도는 0.47 MPa에서 0.51 MPa로 약 8.5 % 증가한 것으로 나타났다. t-검정 결과 다짐도(p=0.0054), 부착강도(p=0.0352) 모두 p<0.05를 만족하므로, 타이어 롤러를 2차 다짐에 적용한 경우 다짐도와 부착강도가 유의미하게 개선된 것으로 판단된다.

타이어 롤러의 다짐 효과가 포장층의 강성에 미치는 영향을 확인하기 위해서 LFWD 시험을 실시하였다(Fig. 5(a)). 시험 위치는 남해고속도로(순천-부산) 부산 방향 19.8 km 부근으로 표층과 중간층에 SMA이 적용되고, 타이어 롤러는 중간층의 2차 다짐에 적용되었다. LFWD 시험에서 하중 재하 지점에서 측정한 표면처짐량을 비교한 결과, 타이어 롤러를 적용한 경우 표면처짐량은 24.4 ㎛로 머캐덤 롤러가 적용된 구간의 표면처짐량 29.3 ㎛에 비해 약 16.7 % 감소하는 것으로 나타났다. 이러한 개선폭은 측정값의 분산을 감안할 때 통계적으로도 매우 유의한 것으로 나타났다.

다만, 다짐도는 다짐롤러의 종류뿐만 아니라 시공여건(다짐회수, 장비무게, 다짐속도, 다짐온도 등)의 영향으로 받는다. 따라서 타이어 롤러 적용만으로 다짐도가 향상되었다고 결론을 내리기는 어렵다. 하지만 유사한 다짐도에서 부착강도 및 포장층 강성은 타이어 롤러 적용 구간에서 크게 향상된 것은 확인하였다. 이는 타이어 롤러의 사용으로 포장층 상부에서 하부까지 밀도 증가 및 층간 접착력 개선 등으로 SMA 포장 품질이 전반적으로 개선된 것으로 판단된다.

본 현장은 시공 후 약 2주밖에 경과되지 않았지만 육안상으로 표면 상태를 확인한 결과 탈리, 블리딩 등 표면 손상이 발생하지 않은 것으로 나타났다(Fig. 5(b)). 기존 연구에 따르면 식용유, 물, 경유, 부착방지제 등을 배합하여 적용한 결과, 식용유 100 %만을 사용한 경우 부착방지 및 사용성 측면에서 가장 우수한 것으로 나타났다^{(Choi et al., 2025)}. 제한된 시험시공이지만 식용유 살포 및 타이어 예열하는 등 부착방지 처리 후 타이어 롤러를 2차 다짐에 적용하면 골재 탈리 현상을 예방할 수 있을 것으로 판단된다. 다만, 타이어 롤러가 표층에 적용된 경우 명도가 다소 밝아지는 것으로 나타났다. 이는 타이어 롤러에 코팅된 식용유로 인해 표면의 아스팔트가 일부 벗겨진 것으로 추정되므로, 중장기 포장 성능에 영향을 미칠 수 있으므로 장기적인 모니터링이 필요하다.

Fig. 5. Test Sections of SMA Pavement with and without Tire Roller Compaction. (a) LFWD Test, (b) Comparison of the Trial Section Surface