“높은 재활용 아스팔트 도로포장의 아스팔트 배합에 관한 연구(Study of High Recycled Asphalt Pavement Asphalt Mixtures)”라는 제목을 가진 지역 도로 연구위원회(Local Road Research Board, LRRB)의 889번 프로젝트는 미네소타의 지역도로 연구위원회에 의해 지원을 받았음. 이 프로젝트에는 지역의 도로 성능에 대한 설문조사, 플랜트와 연구소에서 아스팔트의 활성화에 대한 연구, 그리고 높은 재활용 아스팔트 도로포장(recycled asphalt pavement, RAP)의 연구소 배합에 대한 설계와 테스트 수행이 포함됨.

이 프로젝트의 목적을 위해 기술 패널이 제안한 바에 의하면, 높은 RAP가 의미하는 것은 30퍼센트 이상의 RAP를 함유한 배합을 말하고, 프로젝트는 높은 RAP 배합의 개발을 포함해야 함. 패널은 또한 프로젝트가 재활용 슁글(recycled shingles)은 제외하고 재활용 도로포장만을 다루어야 한다고 제안하였음. 이는 국가 차원의 다른 연구에서 슁글을 아스팔트 배합에 사용하는 것을 이미 연구하고 있고 미네소타 교통부(Minnesota Department of Transportation, MnDOT)도 최근에 아스팔트 배합에서 슁글의 사용에 대한 실험실 연구를 완료하였기 때문임.

다른 목적으로는, 전통적인 수준의 RAP를 함유한 고속도로 도로포장에 대해 성능 조사가 수행되어야 한다는 것이었음. 균열의 평가를 위해 카운티의 도로포장 관리 비디오 기록이 사용되어야 한다는 것이 결정되었음. 프로젝트 인원들은 RAP의 비율, RAP 타입, 그리고 새로운 아스팔트 시멘트의 비율에 근거하여 사용중인 도로포장의 배합을 개발하기 위해 지역의 도로 데이터를 사용하고, “일반적인 성능(typical performance)”에 대해 보고할 것임.

프로젝트의 목적이 개발됨에 따라, 가장 최근의 연구 중 상당수가 연구소 기반이라는 것이 밝혀졌고, 이 프로젝트의 목표 중 하나는 아스팔트 산업계와 MnDOT 간의 협력 연구의 역사를 지속하는 것이었음. 산업계, 하계, 또는 다른 협력 연구자들은 실험실 및 개발 연구 항목을 충족시키는데 도움이 될 것임.

기술 패널의 도움으로, 다음의 목적이 이 프로젝트를 위해 개발되었음:

1. 전형적인 RAP 레벨에서 지역 도로 건설 수행에 대해 결정함(30 퍼센트 이하).

2. 아스팔트 산업을 돕고 플랜트 설정에 있어서 RAP의 활성화를 점검하는 것을 도움. 

3. 2번을 기초로 하여, 실험실 환경에서 RAP 아스팔트 활성화를 확장하여 조사함.

4. High-RAP 혼합물을 개발하고 낮은 온도에서의 성능을 실험함. 

5. 최종보고서에 결과와 제언을 함.

적합성의 기준에 근거하여 여러 많은 골재가 배합 설계를 위해 선택되었음. 기본적으로 잡믹스 공식(Job Mix Formula)이 선택되었음. 이 공식은 상업적 역청 배합 생산에서 5년 넘게 사용되어 왔고, 2010년에 출간된 MnDOT의 아스팔트 싱글에 대한 이전 연구에서 사용된 통제군 배합과 똑같은 설계였음. 이 배합은 MnDOT 슈퍼페이브(Superpave)의 12.5 최대 공칭 골재크기, 교통 수준 3에 대한 요구사항을 충족시켰음. 추후에 기초 설계 배합은 RAP의 양을 조금씩 달리하면서 조정되었음. 유사한 골재 변화가 각 배합에서 목표가 되었고, 천연 골재의 비율은 재생 함량에 따라 변화되었음

아스팔트 배합 설계자들은 건설 시방서에 명시된 최소 요구사항을 만족시키면서 비용 대비 효과적인 배합을 생산해야 하는 어려움에 직면함. 저온 성능은 미네소타에서 주요 이슈 중 하나임. 여러 가지 인자들 중에서 재활용 물질의 비율과 이들의 물성은 도로포장 설계의 성공에 영향을 미칠 수 있음. 더 유연한 아스팔트 바인더의 사용과 더불어 저온 성능을 증진시키면서 높고 낮은 재활용 비율을 포함하기 위해 테스트 매트릭스(test matrix)가 개발되었음.

카운티 공학자들에 의해 제공된 정보를 사용하여 데이타셋이 개발되었음. 카운티 데이타에는 2가지의 아스팔트 바인더(PG 52-34와 PG 58-28)와 함께 20 - 26퍼센트의 RAP를 가진 설계를 종종 가지고 있었음. 균열 성능에 대해 비교해보면, PG 52-34 바인더를 사용한 배합에 있어 마일 당 균열수에 있어 40%의 감소와 34%의 균열 간격 개선을 보였음. 이 연구에 참여한 5개의 카운티로부터의 제한적인 데이타셋에 근거할 때, 통계적 분석 결가에 따르면, 균열 성능은 배합에서 새로운 아스팔트 바인더의 비율과 연령에 의해 가장 영향을 받음.

아스팔트 관련 산업계의 도움으로, 골재와 보통 수준의 RAP(10 ？ 23%) 조합이 보통의 배합 조건에서 배치 플랜트(batch plant)를 통해 만들어졌음. 어떤 아스팔트 바인더로 배합에 추가되지 않았음. 아스팔트 코팅에 대한 평가(AASHTO T 195-67 modified)에 의하면, 플랜트 배합은 조골재 비율에서 50% 이상의 코팅을 만들어냈음. 유사한 골재-RAP 배합에 대한 소규모 배치도 연구실에서 만들어졌고, 코팅의 효과성에 대해 평가되었음. 플랜트 배합의 효과는 직접적으로 재현되지 않았지만, 플랜트 배합에서의 조골재는 보다 균질한 코팅을 만들어냈고, 실험실 배합보다 더 낮은 마모성을 보였음.

이 분석의 일환으로, 다양한 인자들이 코팅 정도에 미치는 영향에 대해 알기 위해 플랜트와 연구실 코팅 데이타에 대해 선형 모델이 구축되었음. 연구실 배합에서는 완전한 코팅에 있어서 재료 및 조건과 함께 온도, 배합 시간, 그리고 RAP의 가열 시간이 가장 중요한 인자였음. 조골재의 부분적 코팅량을 설명하는데 있어 RAP의 비율도 중요한 것으로 나타났음.

연구실 평가를 위해 8개의 배합 설계가 만들어졌음. 설계는 PG 58-28 바인더와 PG 58-34 바인더를 사용하였는데, RAP 함량은 0 ？ 55%였고, 신규/전체 아스팔트 시멘트의 비율은 43 ？ 100%였음. PG 58-28과 58-34가 실험실에서 사용되었는데, 왜냐하면 높은 PG 성능은 이 연구에서 평가되지 않았고 이 변수는 제거될 수 있기 때문임. 다른 연구에 의하면, PG 58-28은 RAP가 있건 없건 모든 배합에 대해 미네소타에서 가장 일반적인 바인더 선택임. 그래서, 높은 PG는 일반적인 값으로 고정되었고 낮은 PG는 저온 성능의 편익을 평가하기 위해 고정되지 않았음. 

강도와 장기 침하를 위한 간접 인장(indirect tensile, IDT) 테스트와 파쇄 에너지 및 취성(stiffness)을 위한 반원형 굴절(semi-circular bend, SCB) 테스트가 낮은 PG와 낮은 PG + 10도에서 수행되었음. IDT 장기 침하 취성 결과에 의하면, 취성은 RAP 함량이 증가함에 따라 증가하였음. 이 영향은 낮은 PG 조건에서보다는 낮은 PG + 10도의 조건에서 더 두드러졌음. RAP 배합은 또한 통제군 배합보다 약간 더 높은 강도값을 보였는데, PG 온도에서의 58-34 바인더 배합의 경우는 예외였음. 바인더에 따른 장기 침하 취성의 비교에 의하면, 낮은 PG-28을 낮은 PG-34로 교체함으로써 얻는 성능의 편익은 RAP 비율이 25 ？ 40일 때 지속되었음. 따라서, 높은 RAP 배합은 바인더의 변경에서 어떤 편익도 얻을 수 없었음.

IDT의 임계 온도(critical temperature, Tcr)는 IDT 강도와 열 응력 곡선의 교차점에서 결정되었음. Tcr 데이타는 RAP 배합의 상당수에서 교차점을 보이지 않아 제한적이었는데, 이러한 경우에 강도는 응력 데이타보다 상당히 낮았음. 이는 RAP의 증가로 인한 취성의 증가와 이완(relaxation)의 감소로 설명됨. 낮은 PG-34 바인더를 가진 통제군 배합이 낮은 PG-28 바인더를 가진 배합보다 10도 이상 낮은 임계 온도를 가지는 것으로 관찰되었음. 또한, RAP의 첨가는 PG 58-34 바인더에 대한 임계 온도를 상당히 증가시키는 것으로 관찰되었는데, 이는 균열에 대한 저항성의 감소로 이어질 수 있음. 시간 당 1도의 비율로 바인더에 따른 Tcr의 비교에 의하면, 낮은 PG-28을 낮은 PG-34로 대체함으로써 얻을 수 있는 성능의 편익은 RAP를 40%까지 사용하는 한 지속되었음. 따라서, 높은 RAP 배합은 바인더의 대체로부터 편익을 가졌음.

SCB 파괴 테스트에 의하면, RAP의 첨가는 파괴 에너지를 낮추고 배합의 파괴 취성을 높였음. 대부분의 경우에 있어, 가장 높은 RAP 함량은 파괴 특성에 가장 유해한 것으로 보였는데 특히 가장 낮은 온도에서는 더욱 그러하였음. 어떤 배합도 파괴 취성 또는 에너지에 대한 최소 제안 수준을 충족시키지 못했음.

역으로 계산된 바인더 취성값은 RAP 함량이 증가함에 따라 증가하였음. 이는 RAP 배합이 0%(60초 단위로 평가) ？ 25%(500초 단위로 평가)에서 지속되었지만, 이는 성능에 대한 어떤 편익도 보이지 않았음.

카운티 데이타에 대한 연구에 의하면, 설계 시에 통제될 수 있는 변수들 가운데 아스팔트 배합에 포함된 신규 아스팔트 바인더의 비율의 상관관계가 현장 성능(균열 발생)과 관련이 있었음. 43 ？ 100%의 신규 아스팔트 바인더(55 ？ 0% RAP)와 2개의 아스팔트 바인더를 가진 실험실 배합이 IDT와 SCB 테스트를 통하여 저온 성능에 대해 평가되었음. IDT 결과는 PG 58-28을 함유하나 RAP가 없는 배합과 PG 58-34와 74%의 신규 바인더(25%의 RAP)를 가진 배합간에 유사한 저온 성능을 보였음. 따라서, PG 58-28보다 더 나은 저온 성능이 요구될 때에는 낮은 PG-34 바인더가 대체될 수 있고 전체 바인더의 74% 이상의 비율(대략 25%의 RAP)로 사용될 수 있음이 제안됨.

실험실 조건에서 RAP 아스팔트이 코팅 전이(coating transfer)는 플랜트 조건에서보다 훨씬 낮은 수준으로 일어났음. 그러나, RAP 가열 온도와 배합 지속기간과 가열은 코팅 전이에 영향을 미쳤음. 따라서, 설계자들은 플랜트 상태로부터의 결과를 더 잘 제현하기 위해서 이러한 인자값을 최대로 올릴 수 있음.