1. 소개

아스팔트 콘크리트 (asphalt concrete: AC) 의 피로수명 저항성 (fatigue life resistance) 은 상당한 균열이나 파괴 없이 반복되는 교통 하중에 저항하는 아스팔트 콘크리트의 능력으로 정의됨. 피로 균열 (fatigue cracking) 은 교통 하중이나 온도 차이와 같은 환경 요소들로 인하여 반복적인 응력 (stresses) 과 변위 (strains) 의해 발생되는 아스팔트 콘크리트의 주요 이슈임. 아스팔트 콘크리트의 피로 저항성은 많은 피로 테스트를 통해서 연구됨.

피로 균열은 도로 포장부가 반복적인 축 하중 (axial load) 에 의해 피로 수명의 한계까지 스트레스를 받았을 때 발생함. 피로 균열은 도로 포장구조에 대한 지나치게 무거운 하중이나 주어진 하중의 더많은 반복성과 종종 연계되어 있음.

Wagoner et al.은 아스팔트 콘크리트의 파괴 에너지를 얻기 위한 실제적인 방법으로 원판 형태의 압축 장력 (disk-shaped compact tension: DC(T)) 테스트를 개발하였음. 적당한 시험편 기하학은 금속의 압축 장력 테스트를 위한 ASTM E399를 사용하여 개발되었음. DC(T) 기하학으로부터 얻어진 파괴 에너지의 변동성은 아스팔트 콘크리트를 위한 다른 파괴 테스트와 연계된 변동성과 비교할 만한 것으로 밝혀졌음.

Zhou et al.은 텍사스 (Texas) 오버레이 테스트 (overlay test: OT) 를 제시하였음. 텍사스 교통연구소 (Texas Transportation Institute) 는 피로 균열 예측을 평가하기 위해서 이 테스트를 개발하였음. 이 테스트에서 아스팔트 콘크리트 시험편은 두개의 철판에 붙여져, 시험편 길이의 절반씩 각 철판에 지지하게 됨. 철판의 한쪽은 고정되고 다른 한쪽은 수평으로 움직여 오버레이 하에서 균열의 개폐를 시뮬레이션하게 됨. 아스팔트 콘크리트 혼합 시험편은 길이 150 mm, 폭 75 mm, 높이 38 mm의 표준규격을 가지고 있음. 테스트 시험편은 현장에서 추출되거나 슈퍼페이브 선회 압축로 (Superpave gyratory compactor: SGC) 에서 제작될 수 있음.

Li et al.은 HMA 저온 균열에 대한 종합적인 평가를 수행하였음. 바인더 형태, 바인더 수정자 (binder modifier), 골재 형태, 간극 및 아스팔트 함량과 같은 여러 요소들을 결합하여 28개의 아스팔트 혼합물에 대한 파괴 저항 특성이 SCB 테스트 구성으로 평가되었음. 각각의 혼합물은 세개의 다른 온도로 테스트되었음. 모든 혼합물에 대해 같은 온도에서 세번씩 반복하여 테스트하였음. 테스트 온도는 아스팔트 바인더 성능 등급 (performance grade: PG) 의 낮은 한계치에 근거하여 결정되었음: 첫번째 온도 = 바인더 성능 등급의 낮은 한계치 + 10도; 두번째 온도 = 첫번째 온도 ？ 12도; 세번째 온도 = 첫번째 온도 + 12도. 다양한 요소가 아스팔트 혼합물에 미치는 영향을 평가하기 위해서 실험 데이타는 분석되었고 통계적 분석이 수행되었음. 선형 탄성 파괴 매커니즘 (linear elastic fracture mechanics: LEFM) 가정은 SCB 시험편에 타당하지 않음. 여러 요소가 혼합물의 저온 균열 저항성에 미치는 영향을 평가하기 위해 통계적 분석이 수행되었음. 고려된 요소에는 골재 형태, 간극, 아스팔트 함량, 수정자 형태 및 바인더 형태가 포함됨. 95% 신뢰도에 따른 분산 분석 (analysis of variance: ANOVA) 에 의하면, 테스트 온도가 파괴 에너지와 파괴 인성 (fracture toughness) 모두에 유의한 효과가 있었음. 테스트 온도가 증가함에 따라 파괴 에너지는 증가하였고 파괴 인성은 감소하였음. 이는 취성 (brittle) 에서 취성-연성 (ductile) 으로 혼합물의 행태가 변화함을 나타냄.

Chingmai et al.는 표준화된 실험실 테스트에서 얻어진 피로와 파괴 인자들 사이의 관계를 시험하였음. 두 개의 피로 인자 (파괴까지 사이클 수와 안정값 (plateau value: PV)) 는 휨 굴곡 테스트 (flexural bending test) 에서 얻어졌음. 파괴 에너지 인자들 (파괴 강도, 프리 피크 (pre-peak) 파괴 에너지, 포스트 피크 (post-peak) 파괴 에너지 및 전체 파괴 에너지를 포함) 을 얻기 위해서 원판 형태의 압축 인장 파괴 테스트가 사용되었음. 피로와 파괴 인자들간의 상관관계에 의하면, 안정값은 전통적인 피로 기준 (fatigue criteria) 보다는 파괴 인자들과 더 관련이 있음. 또한 결과에 의하면, 낮은 변위 수준 (300 마이크로 변위) 에서 피로와 파괴 인자들간에 역관계 (inverse trend) 를 가지고 있음.

캘리포니아 (California) 에서는, 아스팔트 연구 프로그램 (Asphalt Research Program) 이 아스팔트 콘크리트 혼합물의 피로 성능에 대하여 5년에 걸친 연구를 수행하였음. 아스팔트 혼합물의 피로 성능을 예측하기 위해서 보 피로 테스트 (Beam Fatigue Test: BFT) 가 이 연구에서 개발되었음. 이 테스트는 오랜 테스트 기간을 필요로 하고, 이 테스트를 QC/QA 테스트에 대해서 불가능하게 하는 현장에서는 사용될 수 없음.

1990년대에 단순한 테스트 (SCB) 가 역청 혼합물 (bituminous mixtures) 의 균열 저항성과 균열 성장률을 결정하기 위해서 개발되었음. 최근 SCB 테스트는 HMA의 파괴 인성을 결정하는 일반적인 방법이 되었음.

Saadeh et al.은 습도가 아스팔트 혼합물의 파괴 특성에 미치는 영향을 연구하였음. 건조 및 습윤 상태에 있는 2개의 캘리포니아 아스팔트 혼합물에 대해 24개의 SCB 테스트가 수행되었음. 이 두 테스트의 결과는 비교되었음. 데이타 분석에 의하면, BFT와 SCB 사이에는 좋은 연관관계가 존재하지만, 신뢰성있는 결과를 얻기 위해서 더많은 아스팔트 콘크리트 혼합물에 대한 실험이 필요함.

SCB 테스트는 최근 HMA 혼합물의 파괴 특성을 연구하기 위해서 맣은 포장 재료 연구에서 사용되고 있음. SCB 테스트는 재료 파괴 특성을 더욱 탐색하는데 잠재적인 테스트가 될 수 있음.

Molenaar et al.은 테스트 중에 SCB 표본에서 발생하는 인장 및 압축 응력을 계산하기 위해 개발된 유한 요소 (finite element: FE) 모델을 사용하여 아스팔트 혼합물의 특성을 파악하기 위한 SCB의 효과성을 연구하였음. 시뮬레이션을 위해서 FE 소프트웨어인 CAPA-3D가 사용되었음. 이 연구에 의하면, SCB 테스트에서의 주요 파괴 모드는 인장 응력에 의한 파괴임. 따라서, 이 테스트는 아스팔트 배합의 인장 특성에 대한 관련 정보를 제공함.

Li and Marasteanu는 낮은 온도에서 아스팔트 혼합물의 파괴 행태를 묘사하기 위해서 결합 구역 모델 (cohesive zone model: CZM) 기술을 사용하였음. 이 연구에서 SCB 테스트의 실험 및 수치 평가가 수행되었음. BTF와 SCB 테스트 인자들이 종합적으로 비교되었음. 추가로, SCB 테스트 절차를 수치적으로 시뮬레이션 하기 위해, 확장 유한요소 방법 (eXtended finite element method: XFEM) 이라고 불리는 첨단 FE 모델링 방법이 사용되었음. 이 연구는 XFEM을 사용하여 SCB 테스트를 연구한 첫번째 사례임.

2. 연구 목적

이 연구의 목적은 현장 건설을 위한 QA/QC 측정기준으로써 준 원형 벤드 (semi-circular bend: SCB) 테스트의 사용을 연구하고, BFT를 사용하는 차후 연구를 위한 촉진제로써 SCB 테스트 결과를 사용하는 실현가능성을 연구하는 것임. 이러한 목적은 7개의 아스팔트 혼합물을 테스트함으로써 성취됨. 7개의 혼합물에는 재생 아스팔트 포장 (recycled asphalt pavement: RAP), 중온형 아스팔트 혼합물 (warm mix asphalt: WMA), 석회, 및 폴리머 수정 아스팔트 혼합물이 포함됨. 실험 프로그램 결과의 일부는 SCB 테스트의 FE 모델을 개발하고 검정하는데 사용되었음. 그후 FE 모델은 SCB에서 균열의 확산을 연구하고, 검정 절차에서 사용되지 않은 실험 결과에 대한 SCB 시뮬레이션을 예측하기 위해서 사용되었음.

3. 결론

이 연구의 주요 목적은 현장 건설을 위한 QA/QC 측정기준으로써 SCB 테스트의 사용과 HMA 혼합물의 파괴 특성 비교를 연구하는 것임.

SCB CHM 방법에서, (PG64-10RAP (LIME), PG64-28PM (LIME), 710P4-AR, AN-HMA, AN-WMA, MnROAD, WMA-ADVERA) 혼합물에 대한 J-적분 (J-integral) 과 파괴 인성 값이 결정되었음. 같은 혼합물과 초기 강성 (stiffness) 에 대해 BFT가 수행되었음. 각 혼합물에 대해 파괴까지의 사이클 수와 안정값이 결정되었음. 아래의 결론이 도출 되었음.

·J-적분의 변동 계수 (coefficient of variation: CV) 는 0 ~ 38% 였고, 파괴 인성은 0 ~ 35% 였음.
·초기 강성의 변동 계수는 10 ~ 93% 였고, 파괴까지의 사이클 수는 2 ~ 83% 였으며, 안정값은 8 ~ 167% 였음.
·SCB의 J-적분과 BFT의 파괴까지의 사이클 수와 안정값은 다른 혼합물 보다PG64-10RAP (LIME), AN-HMA 및 WMA-ADVERA 혼합물에 대해 더 낮은 파괴 성질을 보였음.
·BFT의 파괴까지의 사이클 수와 안정값은 똑같은 순위를 가졌음.
·파괴까지의 사이클 수 및 J-적분과 안정값 사이에는 유의한 상관관계가 존재하나, 초기 강성과 J-적분, 파괴까지의 사이클 수, 및 안정값 사이에는 유의한 상관관계가 존재하지 않음. 이것이 의미하는 바는, 초기 강성이 아스팔트 콘크리트의 파괴 성질을 대표하기에 좋은 인자가 아니나, J-적분, 파괴까지의 사이클 수, 및 안정값이 더 좋은 인자임.
·이 연구의 결과에 의하면, SCB 테스트는 아스팔트 혼합물의 파괴 특성에 대한 QA/QC 테스트로 커다란 잠재력을 가지고 있음.
 

카메라 (Camera) 와 CHM 방법 모두에 대한 SCB 테스트에서, (PG64-10RAP (LIME), PG64-28PM (LIME), 710P4-AR, AN-HMA, AN-WMA, WMA-ADVERA) 혼합물에 대한J-적분과 파괴 인성값이 결정되었음. 테스트 결과 간의 비교에 의하면, SCB CHM과 카메라 방법간에는 좋은 관계가 존재하며, 따라서 SCB CHM은 QA/QC 측정기준에 대해 신뢰할만한 테스트로 사용될 수 있음.

추가로, 실험 프로그램의 결과 일부분은 SCB 테스트의 FE 모델을 개발하고 검정하는데 사용되었으며, 그 모델은 SCB에서 균열 확산을 연구하고, 검정 절차에서 사용되지 않은 실험 결과들에 대한 SCB 시뮬레이션을 예측하기 위해 사용되었음. 이 연구의 모델링 결과에 근거하여 아래의 결론들이 도출되었음:

·XFEM-CZM의 결합모델은 균열의 확산 뿐만 아니라 SCB 테스트 절차를 성공적으로 시뮬레이션 하였음.
·그 모델은 31.8과 38.0 mm 등급 깊이의 SCB 테스트를 어느 정도 예측하는데 성공적이었음.
·균열 확산 분석에 의하면, SCB 파괴 매커니즘은 주로 인장 응력 (tensile stresses) 때문이었음.
·XFEM-CZM 결합모델은 SCB 테스트를 대표하는 적절한 수치 도구를 제공함.
·이 연구의 결과에 의하면, SCB 테스트는 아스팔트 혼합물의 파괴 특성을 측정하는데 큰 잠재력을 가지고 있음.
 

4. 제언

이 연구의 결과에 의하면, SCB 테스트는 아스팔트 혼합물의 파괴 특성에 대한 QA/QC 테스트로써 커다란 잠재력을 가지고 있음. SCB 테스트 수행의 단순성으로 인하여, 아스팔트 혼합물의 파괴 특성에 대한 QA/QC 절차로써 선호되는 테스트임. 추가로, SCB 테스트는 성능 모델링 (performance modeling) 과 유한 요소 분석 (finite element analysis) 에 쉽게 적용될 수 있음. 그러나, 다음의 분야에서 더 많은 연구가 필요함.

·높은 변위 수준 (700 ~ 1,000 마이크로 스트레인) 에 대한 BFT 결과의 평가
·테스트 온도와 바인더 함량 등과 같은 여러 변수들에 대한 민감도 분석 (sensitivity analysis) 이 평가될 필요가 있음.