1. 서론 (p. 9)

ㅇ 도로포장 산업은 여러 가지 이유로 인해 포장설계시 지속가능한 시공방안을 포함시키는 사안의 중요성을 강조하여 왔음

이러한 사안을 처리하는데 도움이 되는 기술 중 하나는 포장공법 적용시 온실가스 배출을 감소시키고 연료비용을 절약하도록 하는 중온 아스팔트(Warm mix Asphalt, WMA) 기술임

ㅇ 중온 아스팔트는 유럽에서 개발되었으며, 미국에서는 최근에 와서야 도입되어 사용되고 있음

ㅇ 현재 중온 아스팔트는 낮은 온도에서도 아스팔트 혼합체의 혼합 및 성형을 가능하도록 하는 몇 가지의 기술을 이용하여 생산이 가능함

ㅇ 이러한 목표는 아스팔트 결합제(Binder)의 점성을 낮추거나 일반적으로 사용되는 재래적인 고온 혼합 아스팔트(HMA)에 비해 낮은 온도에서 아스팔트 혼합물의 작업성을 개선하는 방법으로 달성이 가능함

ㅇ 재래적인 HMA 아스팔트 혼합물은 반드시 300℉ 또는 그 이상의 온도로 가열되어야만 하는 반면 중온 아스팔트의 경우 250℉ 또는 그 이하의 온도만 필요함

ㅇ 이러한 중온 아스팔트는 HMA 아스팔트에 비해 몇 가지 이점이 있음

ㅇ 아스팔트를 혼합하기 위해 필요한 가열온도가 낮기 때문에 이러한 중온 아스팔트의 사용으로 아스팔트 플랜트의 배출가스를 감소시키고 연료 소비를 감소시킬 수 있음

ㅇ 또한 중온 아스팔트의 상대적으로 낮은 혼합온도는 유독가스의 배출도 동시에 감소시킴

ㅇ 더욱이, 최초 아스팔트 결합제의 노후화 지연으로 인해 기존 HMA 방식의 아스팔트 에 비해 중온아스팔트의 경우가 보다 높은 재사용 아스팔트 (Recycled Asphalt Pavement, RAP) 비율이 높아 환경측면의 이점을 제공함

ㅇ 또한 기존의 재래식 HMA 아스팔트에 비해 낮은 온도에서도 시공성을 잘 유지함으로서 필요할 경우 추운 겨울에도 포장시공이 가능함

ㅇ 이러한 저온에서도 작업성이 잘 유지되는 특성으로 인하여 HMA 포장에 비해 중온아스팔트는 보다 원거리의 운송시에도 장점을 지님

ㅇ 또한, 중온 아스팔트의 시공성 개선 특징으로 인해 포장 작업시 보다 균일한 밀도를 가지도록 시공이 가능함

ㅇ 실제 시공에서는 “유기물 첨가형”, “화학물질 첨가형” 및 “발포제형” 등 3가지 기술을 적용하여 중온 아스팔트를 제조함

ㅇ 각각의 기법은 저온상태에서 아스팔트 혼합물이 좋은 시공성을 가지도록 하는 기술임

ㅇ “유기물 첨가형”은 “긴 원자연쇄를 포함한 탄화수소”를 이용하여 재래적 아스팔트 포장재에 비해 고온 상태에서 작은 점성을 지님

ㅇ “화학물질 첨가형”은 일반적으로 입자의 피막 및 혼합물의 작업성을 강화 및 개선하고 유화제를 사용하여 재료의 치밀성을 강화함

ㅇ 마지막으로 아스팔트 결합제에 물을 첨가하여 중온 아스팔트에 “발포작용”이라는 독특한 반응을 유발함

ㅇ 물과 고온의 아스팔트가 접촉하면 아스팔트 결합제에 미소한 거품이 발생하여 재료간의 점성을 감소시킴

ㅇ 그러나 이러한 중온 아스팔트를 사용한다고 해서 포장의 구조적 성능이 저하되어서는 안됨

ㅇ 이러한 중온 아스팔트 기술은 아스팔트 혼합물의 특성에 다음과 같은 영향을 미침

1) 직접적으로 아스팔트 결합제(노후억제), 골재, 재생 아스팔트 포장재(건조방지) 및 골재와 결합제의 부착력에 영향을 미침

2) 간접적으로 다짐 작업이나 차량하중으로 인한 아스팔트의 밀도에 영향을 미침

ㅇ 전술한 바와 같이 중온 아스팔트는 미국에서는 상대적으로 새로운 기술이며, 이로 인해 중온 아스팔트 포장에 대한 장기적인 현장 성능에 대한 검증은 아직 수행되지 못함

ㅇ 중온 아스팔트 포장의 현장 성능을 예측하는 하나의 방법은 현장 성능과 밀접하게 연관되는 것으로 알려진 아스팔트 포장재의 시험성능을 중온 아스팔트와 재래식 아스팔트에 대해 상호 비교 분석하는 것임

 

2. 연구 목적 (p. 10)

ㅇ 본 연구의 가장 중요한 목적은 실험실 성능시험 및 현장에서의 초기 포장성능을 통해서 중온 아스팔트 포장의 성능을 평가하는 것임

ㅇ 성능시험은 중온 아스팔트와 일반 재래식 아스팔트의 현장코어와 현장코어에서 추출한 아스팔트 결합제에 대해 실내시험을 수행함

ㅇ 각 포장공법별 현장에서의 응력 테스트 데이터를 입수함

ㅇ 중온 아스팔트와 재래식 아스팔트 시험체의 실험실 및 현장시험에 대한 결과물을 비교하여 중온 아스팔트 혼합물의 성능을 평가함

 

3. 본 보고서의 구성 (p. 11)

ㅇ 본 보고서는 워싱턴 주의 중온 아스팔트 성능 분석에 대해 기술함

ㅇ 제1장에서는 중온 아스팔트의 배경에 대해 기술함

ㅇ 제2장에서는 중온 아스팔트에 대해 성능 위주의 심도 있는 문헌 검토내용을 수록함

ㅇ 제3장에서는 본 연구의 배경과 더불어 시험 및 시험절차를 위한 시험체 준비에 대한 내용을 기술

ㅇ 제4장에서는 현장 시험결과 및 각 프로젝트에 대한 시험결과에 대해 제시하고 토론을 수록함

ㅇ 마지막으로 제5장에서는 강성도, 피로균열, 소성변형, 수분민감성 및 온도균열과 관련된 시험결과와 초기단계의 현장 성능을 요약하고 최종 결론을 도출함

 

4. 연구결론 및 권고사항 (p. 92)

1) 현장 다짐

ㅇ 포장작업 직후에는 Sasobit제품, Gencor제품, 수분주입 아스팔트 및 기존의 재래식 아스팔트 에서는 공극함유율(밀도)편차에서 명백한 차이점을 나타내지 않음

ㅇ 그러나 Aquablack 제품의 단면은 재래식 아스팔트에 비해 좋은 밀도를 지님

ㅇ 이러한 결과는 중온 아스팔트 기술이 기존의 재래식 아스팔트 공법에 비해 저온 상태에서도 균질한 다짐밀도를 확보한다는 사실을 보여주고 있음

ㅇ 포장 시공 후 교통소통이후에는 Aquablack 제품과 수분 주입 아스팔트제품은 기존의 재래식 아스팔트 공법에 비해 통계적으로 낮은 공극함유량을 나타내며, 이는 기존의 재래식 아스팔트 공법에 비해 수분주입 아스팔트 공법이 보다 다짐 성능이 좋다는 점을 나타낸다고 할 수 있음

ㅇ 그러나 초기단계 현장검증에서는 동일제품 단면에서의 소성변형이 나타나지 않음

 

< 그림 1. 시험체의 인장강도 시험 >

 

2) 아스팔트 혼합물에 대한 실내성능 분석

ㅇ Sasobit, Gencor, 수분주입 아스팔트는 기존 재래식 아스팔트 포장과 대비하여 거의 비슷한 강성(Stiffness)을 가지고 있음

ㅇ Aquablack 제품은 재래식 포장공법에 비해 낮은 강성을 지니고 있는데, 이는 일반 다른 중온 아스팔트 제품이 생산된 지 2년 이상 지난 것에 비해, 이 제품은 생산된 지 1년 정도로서 상대적으로 짧은 기간이 경과했기 때문임

ㅇ 보다 일반적인 결론을 도출하기 위해서는 Aquablack 의 강성을 결정하기 위해 다른 중온 아스팔트와 비슷한 시간 경과 후에 추가적인 측정이 필요함

ㅇ 피로에 대해서는 수분을 기반으로 하는 발포형 중온 아스팔트가 같은 조건의 재래식 아스팔트 공법에 비해 높은 피로저항성을 나타냄

ㅇ Sasobit 아스팔트는 재래식 아스팔트에 비해 더 작은 피로저항성을 나타냄

ㅇ 온도균열의 경우 상당히 복잡한 양상의 결과를 보여주고 있음

ㅇ Gencor 아스팔트와 수분주입 아스팔트는 재래식 아스팔트에 비해 보다 높은 온도균열 저항성을 보임

ㅇ 그러나, Sasobit 및 Aquablack 제품은 온도균열 저항성이 재래식 고온 아스팔트와 거의 비슷한 성능을 보임

ㅇ 소성변형 저항성에 대한 결과도 복잡한 양상을 보임

ㅇ Sasobit 제품과 Aqablack 제품은 재래식 아스팔트 제품에 비해 소성변형 저항성이 높은 것으로 나타났음

ㅇ Gencor제품 및 수분주입 아스팔트 제품은 재래식 아스팔트 제품에 비해 낮은 소성 변형 저항성을 지님

ㅇ 수분 저항성에 대해서는 모든 제품이 HWTD시험에서 박리발생점을 나타내지 않아서, 모든 중온 아스팔트 및 재래식 아스팔트 모두 비슷한 정도의 수분 저항성을 보유하고 있는 것으로 파악됨

ㅇ 전반적으로 볼 때 중온 아스팔트를 사용하였을 때 유발되는 불리한 효과는 Gencor 제품 및 수분주입 아스팔트 제품의 실내 변형성능과 함께, 비록 현장시험에서는 모든 중온 아스팔트 제품이 상당한 소성변형 및 피로에 대한 저항성능을 보여 주었으나, Sosobit 제품의 피로 저항성이 다소 문제인 것으로 나타남

ㅇ 반면 다른 중온 아스팔트 제품은 비슷하거나 보다 뛰어난 성능을 보여주었음

 

3) 결합재의 실내시험성능

ㅇ 중온 아스팔트 결합재가 재래식 아스팔트 공법에 비해 낮은 복합 전단강도와 소성변형, 피로저항성을 보유하고 있음을 보여줌

ㅇ 온도균열에 대해서는 발포형태의 중온 아스팔트 결합제와 재래식 아스팔트 혼잡체와의 차이점이 분명히 드러나지 않음

ㅇ Sasobit 제품의 결합제가 재래식 아스팔트 결합제에 비해 높은 온도균열 저항력을 지님

ㅇ 아스팔트 혼합체와 결합제에 대한 발견사항이 이렇게 서로 상이한 이유는 중온 아스팔트 기술이 현장 시험체(혼합체)에 미치는 영향분석을 재료(결합제, 골재)와 규모(공극)에 대해 동시에 적용하였기 때문임

ㅇ 중온 아스팔트가 결합제에 미치는 영향을 중점 분석하기 위해, 추출 또는 재생된 결합제에 대한 시험을 수행하였는데, 이때 중온 아스팔트에서는 재생아스팔트와 신규 결합제를 완벽하게 혼용하여 적용함(현실적으로는 발생되지 않는 현상)

ㅇ 따라서, 혼합체에 대한 시험결과가 결합제 단독시험에 의한 결과보다 포장성능에 대한 대표성을 가지는 결과로 볼 수 있음

 

4) 권장 성능

ㅇ 소성변형과 표면 편탄성 측면에서는 중온아스팔트 제품이 재래식 아스팔트 제품과 거의 비슷한 성능을 나타냄

ㅇ 중온 아스팔트 포장공법은 재래식 포장공법에 비해 연관 수평균열 발생이 적음

ㅇ 현재까지는 전반적인 단기적 성능에 대해서는 중온 아스팔트 공법이 기존 재래식 고온 아스팔트 공법과 거의 비슷한 성능을 나타내는 것으로 나타나고 있으며, 다만 중온 아스팔트의 경우 현장에서 기존 재래식 포장공업에 비해 초기 연관수평균열 발생에 대한 저항성이 보다 높은 것으로 나타남

 

5) 권고사항

ㅇ 아스팔트 혼합체와 결합제 시험결과의 상호 불일치성을 이해하고, 중온아스팔트 기술이 아스팔트 혼합체에 미치는 영향을 보다 정확히 이해하기 위한 추가 연구가 필요함

ㅇ 더욱이, 서로 다른 발포방법을 사용한 중온 아스팔트는 서로 다른 성능을 나타내는 것으로 밝혀짐

ㅇ 이러한 발포 메카니즘과 기타요소들(골재의 수분)등이 포장 및 혼합체의 성능에 미치는 영향을 파악하기 위한 추가 연구가 필요함

ㅇ 수평 및 수직 방향의 상호 연관균열은 덧씌우기 포장의 가장 중요한 문제점 중 하나임

ㅇ 아스팔트 포장의 균열을 예방하고 덧씌우기 포장 전에 기존균열을 처리하고 균열저항성이 우수한 혼합체를 개발하기 위한 효율적인 측정방법이 필요함

ㅇ 기존의 고온 아스팔트 포장 성능과의 비교를 위해 중온 아스팔트 포장의 장기적 성능평가가 필요하며 워싱턴 교통국은 포장에 대한 지속적인 모니터링을 수행하여야 함

ㅇ 이로서 실내 성능시험의 효율성을 실증하는데 도움이 될 수 있음