1. 서 론

지속적인 산업 발전으로 이산화탄소 발생량이 증가하고, 이에 따라 지표면 온도상승, 폭염, 폭우, 빙하 붕괴 등 다양한 기상이변 현상일 발생하고 있다. Intergovermental Panel on Climate Change (IPCC)의 조사에 따르면 Fig. 1과 같이 100년 동안 지구 평년 기온이 0.74 °C 상승하였고 현 상태를 유지할 경우 점차 가속될 것으로 전망하고 있다^{(IPCC, 2007)}. 이에 전 세계는 기후위기 극복 수단으로 탄소 저감을 목표로 친환경 기술에 대한 수요가 증가하고 있다.

또한, 계속된 천연자원 사용에 따라 천연자원 고갈, 발생된 산업폐기물 처리에 대해서도 한계에 다달은 실정이다. 환경부과 한국환경공단의 조사에 따르면 Fig. 2와 같이 산업페기물 발생량은 계속적으로 증가하고 있는 추세이며 대부분 소각, 매립되고 있어 천연자원 고갈 및 환경문제를 야기하고 있으며 이를 재활용하기 위한 노력이 계속되고 있다.

철강슬래그는 제철소 선철 제조공정에서 발생되는 대표적 산업부산물로 크게 고로슬래그, 제강슬래그로 구분된다. 이 중 고로슬래그는 시멘트 혼합재료, 성토용 고화재 등 다양한 분야에 활발히 사용되고 있으나 제강슬래그는 재료 자체의 밀도가 크고 강성이 높으나 용적 팽창특성으로 인해 성토용 매립재나 기층재료 등으로 사용되고 있다. 슬래그 골재는 강도증진, 변형량 감소, 소성변형저항성 및 수분저항성 향상 등 포장의 다양한 역학적 특성을 증진시키는 장점이 있다. 해마다 유지관리를 요하는 포장도로가 증가함에 따라 천연골재 수요의 증가는 필연적이며 자원 활용적 측면에서 슬래그 골재의 활용은 다양한 이점이 있다. 이에 따라 본 연구에서는 슬래그 골재를 사용한 아스팔트 콘크리트 포장의 균열저항성에 대한 공용성 평가를 통해 슬래그 골재의 활용성을 검증하고자 한다.

Fig. 1. Global Climate Change due to Green House Gas (IPCC, 2007)

Fig. 2. Trend of Waste Generation by Year (‘15∼’20) (ME and KEC, 2021)

2. 슬래그 아스팔트 콘크리트 포장

아스팔트 포장재료로 슬래그 골재의 사용은 팽창특성으로 인한 균열 파손에 대한 영향은 우려되나 골재 특성에 관한 다양한 이점이 있다. 슬래그 골재의 사용에 따른 아스팔트 포장의 공용성 향상에 대한 연구를 살펴보면 다음과 같다.

서두에 언급한 것과 같이 슬래그 골재는 골재 자체의 밀도가 높고 강성이 크므로 아스팔트 포장 재료로 활용할 경우 일반 아스팔트 포장 대비 높은 강성, 탄성계수가 높은 특성을 보인다^{(Ali et al., 1991; Asi, 2007)}. 또한, 영구변형에 대한 저항성이 높아 중차량 통행이 많은 산업화 도시지역 및 비행기 활주로 등 소성변형에 취약한 구간에 이점에 있다^{(Ahmedzade and Sengoz, 2009)}. ^{Wu et al.(2007)}과 ^{Wen et al.(2015)}의 연구에 따르면 슬래그 골재를 활용한 SMA 아스팔트 포장은 공용 후 2년간 초기와 동등한 수준의 소성변형 저항성과 균열 저항성을 유지하며 추적조사 결과 공용 16년이상 유지보수가 필요하지 않은 상태라고 하였다.

또한 강성이 크고 불규칙한 골재 입형 특성의 슬래그 골재는 포장재료로 활용시 미끄럼 저항성 향상, 겨울철 스터드 타이어 통행이 많은 구간에서 골재 탈리, 손실이 적고 마찰저항성이 향상되는 특징이 있다^{(Asi, 2007; Kehagia, 2009)}. 이에 따라 폭설이 잦은 미북서부 지역에서는 스터드 타이어에 대한 저항성이 높은 슬래그 골재를 활용한 아스팔트 포장 사용을 추천한다^{(Wen et al., 2015)}.

슬래그 골재의 활용은 아스팔트 포장재료로서 다양한 장점을 갖는 반면 잠재 팽창특성, 환경문제에 대한 우려로 인해 적용 확대에 대한 어려움을 갖고 있다^{(Kim, 2019)}. 이에 따라 국토교통부의 아스팔트 콘크리트 포장 시공 지침에서는 슬래그 골재 사용시 일정기간 에이징 처리후 수침 팽창비가 1.5 % 이하일 때 사용하도록 하고 있다. 에이징은 유리 석회와 산화 마그네슘을 포함하고 있는 슬래그 골재의 잠재 팽창특성이 모두 완료될 때까지 약 6개월 이상 수분에 노출시키며 보관하는 과정이다. 슬래그 골재의 잠재 팽창특성은 아스팔트 포장의 균열을 유발할 수 있으나 에이징 처리를 통해 이를 제어할 수 있는 것으로 알려져 있다^{(FHWA, 2016)}.

본 연구에서는 잠재 팽창특성을 갖는 슬래그 골재의 아스팔트 포장 골재로 활용할 경우 균열에 대한 저항성에 미치는 영향에 대해 검토하고자 한다. 이에 따라 ^Kim(2019)이 제시한 슬래그 아스팔트 혼합물 배합설계 방법에 따라 혼합물 시편을 제작하고 균열 저항성 관련 공용성능 평가를 수행하였다.

3. 슬래그 아스팔트 혼합물 배합설계

본 연구에서는 슬래그 골재 사용에 따른 아스팔트 혼합물의 균열저항성 평가를 위해 간극이 비교적 적은 13 mm 밀입도(WC-1) 아스팔트 혼합물 배합설계를 수행하였다. 혼합물 배합설계에 사용된 슬래그 골재는 6개월 이상 에이징 처리를 거친 슬래그 골재로 Figs. 3 and 4와 같이 굵은골재와 잔골재로 분리하여 사용하였으며 각 골재의 기초물성 시험결과 Table 1과 같이 측정되었으며 체가름 시험결과는 Table 2와 같다.

^{Kim et al.(2018)}에서 제시한 배합설계 방법에 따라 골재 배합비율을 결정하고 Fig. 5와 같이 혼합물 시편을 제작한 후 기초물성 평가를 수행하였으며 결과는 Table 3과 같다. 배합설계를 통해 결정된 최적 아스팔트 함량은 6.0 %이며 최종 배합 시편의 기초물성 평가결과 Table 4와 같이 변형강도가 6.01 MPa로 품질기준을 크게 상회하는 값을 나타내었다.

Fig. 3. Steel Slag (13 mm)

Fig. 4. Steel Slag (Fine)

Fig. 5. Specimens of Slag Asphalt Concrete

4. 균열저항성 평가

구성 성분 중 미반응 산화칼슘을 갖고 있는 슬래그 골재는 수분에 노출될 경우 팽창특성에 따라 변형, 균열, 블로업(Blow-Up) 등 포장 파손과 환경문제를 발생시킬 우려가 있다^{(Kim, 2019)}. 특히, 골재 팽창반응으로 인한 간극 상승으로 균열에 악영향을 미칠 수 있다. 이에 따라 본 연구에서는 아스팔트 포장용 재료로 슬래그 골재의 적용성 확대를 위해 슬래그 아스팔트 포장의 균열저항성을 평가하였다. 균열저항성 평가를 위해 간접인장강도 시험과 반복직접인장 시험, 4점 빔 피로 시험을 수행하였으며, 각 시험조건당 3개의 시료를 사용하여 시험한 후 평균치를 사용하였다.

4.1 간접인장강도(IDT, Indirect Tension Strength Test)

아스팔트 포장의 균열저항성 시험으로 대표적인 방법은 간접인장강도 시험이다. 간접인장강도 시험은 수축균열, 피로균열과 저온균열 등의 다양한 균열 저항성을 평가하며 시험방법이 비교적 쉬운 장점이 있다. 시험방법은 ^{KS F 2382}(2018)(아스팔트 혼합물의 간접인장강도 시험방법)에 따라 준비된 아스팔트 혼합물 공시체를 25 °C 온도에서 Fig. 6과 같이 수직방향으로 분당 50 mm의 속도로 압축하중을 재하하여 발생되는 인장응력을 측정한다. 배합설계를 통해 제작된 슬래그 아스팔트 혼합물 공시체의 간접인장강도 시험결과 Table 5와 같이 국토교통부 표층용 아스팔트 포장 품질기준 0.80 MPa을 상회하며 일반 가열 아스팔트 혼합물 대비 1.13배 이상의 값을 나타내었다. 터프니스 값 또한 품질기준을 만족하며 일반 대비 1.17배 이상 높은 값을 보였다.

Table 5. Results of ITS Test

Classification	ITS (MPa)	Disp.	Toughness (N·mm)
Slag asphalt concrete	1.06	1.34	18,114
Control HMA	0.94	1.30	15,540

Fig. 6. ITS Test

4.2 4점 빔 피로실험

아스팔트 포장의 피로 균열저항성 평가를 위해 4점 빔 피로실험을 수행하였다. 4점 빔 피로실험은 아스팔트 포장의 피로특성 및 파손에 대한 포장 수명예측을 위해 사용되는 실험으로 시편이 파괴될때까지 하중 또는 변형을 반복적으로 재하하는 실험이다.

실험방법은 ^{AASHTO T 321}(2021) 기준에 따라 20 ± 5 °C 온도에서 길이 380 mm, 폭 65 mm, 높이 50 mm 사각시편에 변위 0.32 mm를 10 Hz의 사인파의 형태로 하중을 재하하는 방식을 적용하였다. 실험 중 초기 50번째 싸이클에서 측정된 시편의 강성을 초기강성으로 결정하고 초기강성 대비 50 % 이하가 될 때의 재하횟수를 피로수명으로 결정하였다. 실험은 배합을 통해 결정된 슬래그 아스팔트 포장과 동일한 입도의 일반 가열 아스팔트 혼합물 시편을 제작하고 비교하였다. Fig. 7은 제작 슬래그 아스팔트 혼합물 시편이며 Fig. 8은 4점 빔 피로 실험 사진이다.

실험결과 Table 6과 같이 동일 입도의 천연골재를 사용한 가열 아스팔트 혼합물의 경우 초기 스티프니스가 2,167 N/mm, 파괴횟수 9,049회로 측정되었다. 반면 슬래그 골재를 사용할 경우 초기 스니프니스가 2,942 N/mm로 일반 대비 1.36배 이상 증가하고 파괴횟수 20,409회로 2배 이상 증가하여 슬래그 아스팔트 포장이 피로 균열저항성 향상에 효과적인 것으로 나타났다. Fig. 9는 4점 빔 피로 실험을 통해 측정된 스티프니스 변화 그래프이다.

Table 6. Test Results of 4 Point Bending Test

Classification	Initial Stiffness (N/mm)	Cycles to Failure (no.)
Slag asphalt concrete	2,942	20,409
Control HMA	2,167	9,049

Fig. 7. Specimens of 4 Point Bending Fatigue Test

Fig. 8. 4 Point Bending Fatigue Test

Fig. 9. Graph of 4 Point Bending Test

4.3 Overlay Test

아스팔트 포장도로는 윤하중, 온도변화 등에 의해 수축과 팽창 작용이 반복적으로 발생하여 피로 파괴를 유발한다. 슬래그 아스팔트 콘크리트 포장의 피로 균열에 대한 저항성을 평가하기 위해 Overlay Test를 수행하였다. Overlay Test는 Texas 도로국의 [12]TEX-248-F(2019) 시험기준에 따라 수행하였으며 실험방법은 시편을 10초당 0.64 mm의 일정한 변형을 재하하고 반복횟수가 1,000회에 도달했을 때 초기 인장하중 대비 잔류하는 인장하중을 측정하는 실험이다. Fig. 10은 Overlay Test 시험기기이며 Fig. 11은 Overlay Test 시험용 슬래그 아스팔트 혼합물 시편 사진이다.

실험결과 Table 7과 같이 일반 가열 아스팔트 혼합물의 경우 초기 인장하중이 2.17 kN로 반복횟수 1,000회에서 0.13 kN으로 인장하중 잔류율이 5.8 %에 불과하였다. 반면 슬래그 아스팔트 혼합물의 경우 초기 인장하중 2.38 kN, 반복횟수 1,000회에서 인장하중이 0.52 kN으로 인장하중 잔류율이 21.9 %까지 유지되고 있는 것으로 나타났다. 슬래그 아스팔트 혼합물은 일반 가열 아스팔트 혼합물과 비교하여 초기 인장하중 약 9.4 %, 1,000회 잔류 인장하중은 4.15배 이상의 값을 나타내었다.

추가적으로 재하하중 크기를 1.00 mm로 증가시켜 실험을 수행하였다. 실험결과 Table 8과 같이 변형량 증가에 따라 일반 가열 아스팔트 혼합물과 슬래그 아스팔트 혼합물 모두 균열이 급격히 진전되는 것으로 나타났으며 반복횟수 1,000회 이전에 파괴에 도달하였다. 0.64 mm 실험결과를 활용하여 동일한 잔류율에 도달하는 횟수를 통해 비교한 결과 일반 가열 아스팔트 혼합물의 경우 초기 인장하중 대비 잔류 인장하중이 5.8 %에 도달하는 반복횟수가 36회인데 비해 슬래그 아스팔트 혼합물은 잔류 인장하중 21.9 %까지 141회가 소요되는 것으로 나타났다.

이에 따라 슬래그를 아스팔트 혼합물용 골재로 사용할 경우 반복적인 피로에 대한 균열 저항성이 향상되는 것을 알 수 있었다. Figs. 12 and 13은 변위 재하 크기별 Overlay Test를 통해 측정된 반복횟수에 따른 인장하중 변화 그래프이다.

Fig. 10. Overlay Tester

Fig. 11. Specimens of Overlay Test

Fig. 12. Load Curve Graph of Overlay Test (0.64 mm)

Fig. 13. Load Curve Graph of Overlay Test (1.00 mm)

Table 7. Results of Overlay Test (0.64 mm)

Classification	Initial Tensile Load (kN)	Residual Rate (%) (at 1,000 Cycles)
Slag asphalt concrete	2.38	21.9
Control HMA	2.17	5.8

Table 8. Results of Overlay Test (1.00 mm)

Classification	Initial Tensile Load (kN)	Cycle of Reaching The Same Residual Rate as 0.64 mm Overlay Test (no.)
Slag asphalt concrete	2.34	141
Control HMA	1.90	36

5. 결 론

슬래그를 아스팔트 혼합물용 골재로 사용할 경우 슬래그 아스팔트 포장의 균열저항성에 대해 검토하였으며 연구수행 결과 다음과 같은 결과를 얻을 수 있었다.

(1) 슬래그 아스팔트 혼합물 배합설계를 수행하고 간접인장강도 시험을 수행하였다. 시험결과 슬래그 아스팔트 혼합물은 품질기준을 상회하는 값을 나타내었으며 일반 아스팔트 혼합물 대비 1.13배 이상 높은 1.06 MPa을 나타내었다. 터프니스도 18,114 N·mm로 일반 대비 1.17배 높은 값을 나타내었다.

(2) 4점 빔 피로 실험결과 강성이 높은 슬래그 사용에 따라 스티프니스가 다소 증가하는 경향을 보였으며 파괴횟수가 20,409회로 일반 혼합물 파괴횟수 9,049회 대비 2배 이상 증가하는 것으로 나타났다.

(3) Overlay Test에서도 슬래그 아스팔트 혼합물이 높은 초기 인장하중을 보일뿐만 아니라 반복횟수 1,000회에서의 인장하중 잔류율 21.9 %로 일반 혼합물 대비 4.15배 이상의 값을 나타내었다. 이에 따라 에이징 처리가 완료된 슬래그를 아스팔트 혼합물용 골재로 사용할 경우 아스팔트 포장 균열저항성을 향상시킬 수 있는 것으로 판단된다.