1. 서 론
국내 도로의 총 연장은 105,931km로서 포장률은 80.4% (비포장 9.0%, 미개통 10.6%)에 이르며 이중 아스팔트 포장 이 대부분인 86.8%
(73,874km)를 차지하고 콘크리트 포장 은 13.2% (11,246km)를 점유하고 있다 (MLTM, 2012).
이렇게 건설된 도로포장의 대부분을 차지하는 아스팔트 포장의 경우, 포장체가 가지고 있는 연성의 특징 때문에 중 차량의 통행이 빈번하고 급제동 및 정차구간이
많은 구간에 서는 소성변형이 유발된다. 또한 이상기온으로 잦은 겨울철 폭설은 많은 양의 제설제가 살포되고 이로 인하여 아스팔트 포장면의 내구성이 저하되어
표면이 변형되고 탈락되는 포 트홀 (pot hole)이 생성됨으로서 주행성 저하 및 잦은 교통사 고가 발생된다. 이러한 문제들로 인하여 구조물의 수명
단축 및 유지보수 비용 증가 등의 사회적인 문제로 대두되고 있다 (Park et al., 2010; Lee et al., 2013). 이를 극복하기 위한 방 법으로서 아스팔트 모체에 시멘트 페이스트를 침투시켜 아 스팔트의 강성을 보완할 수 있는 반강성 포장공법에 대한 연 구가
국내∙외에서 활발히 연구되어 적용되고 있다 (Park, 2008; Baek, 2010).
반강성 포장은 공극이 큰 개립도 타입의 반강성 포장용 아 스팔트 혼합물에 시멘트 주입재를 충전한 포장방법이다. 이 포장방법은 아스팔트 포장의 연성과
콘크리트 포장의 강성 및 내구성을 복합적으로 활용하는 장점이 있다 (Setyawan, 2013). 하지만, 중차량이 통행하거나 급제동 및 급가속이 주 로 이루어지는 교차로 등의 구간에 주로 포장되는 반강성 포 장재의 경우 마모저항성 및 충격저항성
등의 고내구성능이 요구되지만 이에 대한 연구와 보강공법에 대한 검토가 없는 실정이다. 따라서 반강성 포장을 현장에 적용하기 위해서는 성능을 정량적으로
평가한 결과와 필요할 경우에 보강할 수 있는 성능 향상 기법에 대한 연구가 필요하다.
현재 반강성 포장공법 사용되는 주입재는 균열억제 등의 목적으로 아크릴레이트를 혼합하여 제조되는데, 아크릴레이 트의 높은 비용으로 인하여 경제성이 낮은
단점을 가진다. 이러한 단점을 극복하기 위하여 아크릴레이트를 대체할 수 있는 경제적인 재료로서 정유산업에서 연간 120만톤 이상 부산 (MKE, 2012)되는 유황을 에멀젼화한 유황폴리머에멀 젼 (sulfur polymer emulsion, SPE)에 대한 연구가 수행된 바 있다 (Lee et al., 2013). 그러나 이 연구의 범위는 시멘트 주입재로서 성능 평가에 국한되어 있으므로 반강성 포장재 의 공학적 특성 분석이 필요하다. 따라서 본 연구의 목적은
SPE를 주입시킨 반강성 포장재의 역학적 성능과 내구 성능 을 평가하고, PVA (Ployvinylalcohol) 섬유를 혼입하였을 때 에 향상되는
성능을 정량적으로 평가하는 것이다.
4. 실험결과 및 고찰
4.1. 충전률
반강성 포장재의 충전특성인 충전률은 아스팔트 모체에 시멘트 주입재를 충전하여 전공극률을 구함으로서 계산하였 으며, 그 결과는 Fig. 2와 같다.
Fig 2.
Result of filling ratio test
아스팔트 모체의 전공극률은 평균 19.6%로 나타나 목표로 한 공극률 20%를 만족하는 것으로 나타났다. 시멘트 주입재 를 충전한 후 전공극률은 4.49~9.84%
범위로 나타나 모든 배합조건에서 충전률 90% 이상을 만족하는 것으로 나타났다.
SPE의 대체율에 따른 충전특성을 분석해보면, 아크릴레이 트만 사용한 시험체의 경우 충전률이 95.5%로 우수한 충전 특성을 나타내었으나, SPE의
대체율이 증가함에 따라 충전 률은 저하되어 최대 SPE의 대체율 50%인 C-4 배합에서는 충전률이 90.2%까지 낮아지는 것으로 나타났다. 이는
SPE 의 대량 사용으로 인하여 시멘트 주입재의 유동성이 저하되 고, 응결이 빨라져 작업성능이 나빠짐으로서 충전이 잘 이루 어지지 못한 것으로 판단된다.
또한, 반강성 포장재의 성능향상을 목적으로 혼입한 PVA 섬유의 혼입률에 따른 충전률은 혼입률이 증가함에 따라 충 전률이 저하되는 것으로 나타났으며,
이는 시멘트 질량비로 첨가된 섬유가 개질아스팔트 모체에 형성된 연속 공극을 막 음으로서 충전률이 미소하지만 저하된 것으로 판단된다.
하지만, 전체 배합조건에서 본 연구의 목표인 충전률 90% 를 만족하여, 사용조건에 따라 SPE의 대체율 및 보강용 섬 유의 혼입률은 조정 가능할
것으로 판단된다.
4.2. 마샬안정도
배합조건에 따른 반강성 포장재의 마샬안정도를 평가한 결과는 Fig. 3에 나타내었다. 이를 고찰해 보면, 아스팔트 모 체 (A-1)의 마샬안정도는 5,430~5,820N 정도의 안정도를 나 타내어 반강성 포장용 아스팔트
모체의 마샬안정도 기준을 만족하는 것으로 나타났다. 한편, 반강성 포장재의 마샬안정 도 값은 19,450~25,354N의 범위에서 측정되어 A-1
대비하 여 약 4.67배 정도 증가하였다. 따라서 반강성 포장재는 아 스팔트 모체에 비하여 소성흐름에 대하여 4.67배 안정한 것 으로 나타났다.
Fig 3.
Result of Marshall’s stability test
시멘트 주입재 제조시 SPE의 대체율에 따른 마샬안정도를 평가한 결과, SPE를 혼입하지 않은 Plain에 비하여 10%혼입 시 약 15.1% 정도
마샬안정도가 증가하는 경향을 나타내었 으며, 대체율 30% 이상에서는 오히려 안정도가 감소되어 50%대체시 Plain보다 마샬안정도가 낮아지는 결과를
나타내 었다. 이는 아크릴레이트보다 고형분량이 적은 SPE를 대량 대체함으로서 시멘트 주입재의 강도가 낮아져 반강성 포장 재의 마샬안정도 역시 감소된
것으로 판단되며, 기존의 시멘 트 주입재의 강도특성평가 시험결과와 동일한 경향이다 (Lee et al., 2013).
성능향상재료인 PVA섬유의 혼입률에 따른 경향은 혼입률 이 증가됨에 따라 마살안정도 값이 미소하지만 증가하는 경 향을 나타내었다. 하지만, 각 시험편의
표준편차는 섬유를 혼 입하지 않은 배합조건 (C-3)에 비하여 섬유가 혼입된 (C-5~7) 배합에서 편차가 증가하였으며, 섬유혼입률이 가장 큰 C-7배
합은 C-3 대비 약 2배의 편차를 나타내었다. 이는 섬유의 혼 입으로 인하여 반강성 포장재의 안정도는 증가 되지만 섬유 의 혼입량이 일정량을 초과하게
되면, 섬유의 뭉침현상 (Fiber ball)과 섬유가 시멘트 주입재의 충전을 막는 현상 등으로 인 하여 반강성 포장재의 품질상태가 나빠졌기 때문으로
판단 된다.
4.3. 동적안정도
반강성 포장재의 동적안정도를 평가하기 위해 휠 트래킹 시험을 실시하였으며, 그 결과에 대하여 아스팔트의 시간-변 형량 곡선을 Fig. 4에 나타내었으며, Table 10에 각 시험조 건에서의 동적안정도 및 변형속도를 나타내었다.
Table 10.
Dynamic stability and rate of deformation
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Dynamic stability
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Rate of deformation
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A-1
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6,300.00 cycle/mm
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0.0067 mm/min
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C-1 ~ C-7
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31,500.00 cycle/mm
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0.0013 mm/min
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Fig 4.
Result of wheel tracking test
휠 트래킹 시험을 통하여 아스팔트 및 반강성 포장재의 시 간에 따른 변형률을 평가한 결과 모든 배합조건에서 약 5분 까지는 급격히 중앙부 처짐량이
증가하였고, 그 후 60분까지 는 서서히 처짐량이 증가하고, 약 30분 이후에는 변형량이 수렴되는 경향을 나타내었다.
각 시험체에 따른 휠 트래킹 시험 후 경향을 살펴보면, 아 스팔트 모체 (A-1)의 경우 60분 경과 후 처짐량이 일정한 값 에 수렴하지 못하고 계속
증가되는 경향을 나타내었다. 하지 만, 반강성 포장재는 배합조건에 따라 0.21~0.41mm 값으로 수렴하는 경향을 나타내었다.
각 배합조건에 따른 변형량의 속도는 아스팔트 모체가 0.00667 mm/min인 것에 비해 반강성 포장재는 0.00133 mm/min으 로 나타나
반강성 포장재의 변형되는 속도가 약 5배 정도 감 소되는 것으로 나타났으며, 동적안정도 역시 아스팔트 모체 가 6,300회/min로 측정된 것에 비하여
반강성 포장재는 31,500 회/min으로 나타나 약 5배 정도 증가하는 것으로 나타났다. 이러한 결과는 연성의 아스팔트를 측정하는 시험방법으로 강성인
시멘트 페이스트가 충전된 반강성 포장재를 시험하 였기 때문으로 판단되며, 모든 시험조건에서 동적안정도는 우수한 것으로 평가 되었다.
주입재의 배합조건 (SPE 대체율 및 섬유혼입률)에 따른 휠 트래킹 시험의 시간에 따른 변형량 측정결과를 검토해 보 면, SPE를 약 30%까지 아크릴레이트
대체재로 사용하면, SPE를 사용하지 않은 Plain (C-1)보다 우수한 변형저항성을 나타내었으며, 30% 초과의 시험결과에서는 오히려 변형량이
증가되는 것으로 나타났다. 또한, 섬유보강재를 혼입한 배합 에서는 혼입률이 증가됨에 따라 변형저항성이 미미하지만 증가되는 것으로 나타나 섬유혼입에
따라 반강성 포장재의 트래킹에 대한 변형저항성이 증가하는 것으로 볼 수 있다.
4.4. 휨강도 및 파단변형률
반강성 교면포장재의 외부하중에 의한 균열저항성 및 휨 내력을 평가하고, SPE 및 PVA섬유의 배합조건이 반강성 포 장재의 휨강도에 미치는 영향을
검토하기 위하여 휨강도 시 험을 실시하였다. 시험결과, 반강성 포장재의 휨강도 및 파 단변형률은 배합조건별로 2.85~3.46MPa 및 0.488~0.675%
로 각각 측정되었다. 아크릴레이트의 대체재로서 SPE의 대 체량에 따라 측정된 휨강도는 대체율 30%까지는 오차 범위 내에서 동등한 결과를 나타내었다.
파단변형률은 SPE의 대체율 조건에 상관없이 0.488~0.525% 정도로 나타나 아스팔트 모체 (A-1)의 파단변형률 1.36% 보 다 높은 강성의
파단변형률을 나타내어 반강성 포장의 특성 을 만족하였다.
섬유보강재의 혼입에 따른 경향은 혼입률 (0, 0.1, 0.2, 0.3%) 증가에 따라 휨강도가 3.10~3.31MPa까지 증가하는 경향을 나타내었다.
일반적인 섬유보강 콘크리트에 비해 휨강도 향 상효과가 뚜렷하지 못한 것은 단위용적당 섬유의 혼입량이 많지 않고 주입재의 충전률 향상을 위하여 단섬유
(6mm)를 사용하였기 때문으로 판단된다.
Fig. 5는 반강성 포장재 배합 C-1과 C-7의 휨강도-중앙부 처짐량 곡선을 각각 나타낸 것이다. 보강용 섬유를 0.3% 혼 입함으로써 파단변형률이 약 4배
이상 증진되는 것을 알 수 있다. 이는 혼입된 PVA섬유가 시멘트 주입재와 아스팔트 모 체의 결합력 증진에 기여를 하였기 때문인 것으로 판단된다.
Fig 5.
Comparison of flexural stress-mid span deflection curves exhibiting the effects of
reinforcing fibers
4.5. 마모저항성
반강성 포장재의 마모저항성에 대한 평가를 수행하기 위 하여, 아스팔트 모체는 Φ100×100 mm인 마샬시험용 공시체 를 제작하여 배합조건에 따른
시멘트 주입재를 충전하여 시 험체를 제작하였다. 마모저항성은 칸타브로시험에 준하여 각 시험체를 로스앤젤레스 골재마모시험기에 넣고 강구를 사용 하지
않은 상태에서 300회 회전시켜 투입 전∙후의 질량을 측정함으로서 그 손실률 계산하여 마모저항성을 평가하였다. 평가결과는 Fig. 6에 나타내었으며, 아스팔트 모체의 손실 률은 평균 16.67%로 측정되었고, 시험체간의 편차가 최대 13.45%로 크게 나타났다. 이는 개립도 아스팔트
모체는 공 극을 함유하고 있어 골재와 골재사이가 아스팔트 결합력이 약하고 연성이 크기 때문에 아스팔트 모체의 골재가 쉽게 탈 락되어 손실률이 큰 것으로
판단된다.
시멘트 주입재의 배합조건별 특성은 SPE의 아크릴레이트 에 대한 대체율 0~30%까지는 유사한 손실률을 나타내었으 나, 대체율 30% 초과시 손실률이
증가되어 10% 이상 탈락 되는 것으로 나타났다. 이는 아크릴레이트에 비하여 고형분 량이 작은 SPE가 대량 혼입되어 시멘트 주입재의 강도가 낮 아졌기
때문으로 판단된다.
또한, 반강성 포장용 시멘트 주입재를 개립도 아스팔트에 충전한 뒤 손실률 평가에서는 시험체간의 편차가 아스팔트 모체에 비해 작은 것으로 나타났다.
이는 시멘트 주입재가 아스팔트 모체에 충전됨에 따라 포장재의 매트릭스가 치밀 해져 내마모성이 증대되었기 때문으로 판단된다.
섬유혼입률에 따른 반강성 포장재의 손실률 측정결과는 혼입률이 증가함에 따라 마모저항성이 증가하였으나, 혼입률 의 영향이 크지는 않은 것으로 나타났다.
4.6. 충격저항성
반강성 포장재는 내구성능이 요구되는 도로에 주로 시공 되는 포장공법으로서, 중∙대형 차량에 의한 충격 등 외력의 복합적인 요인에 의한 충격작용이 예상된다.
따라서 본 연구 에서는 반강성 교면 포장재의 충격저항성을 규명하기 위하 여, 시험용 틀에 잔골재를 채우고 공시체를 설치한 후 3kg의 강구를 800mm에서
자유낙하 시켜 충격시험을 실시하였으 며, 초기균열 및 파괴균열시의 낙하회수를 측정하였고, 그 결과는 그림 Fig. 7과 같다.
Fig 7.
Result of impact resistance test
이를 고찰하여 보면 시멘트 주입재를 충전하지 않은 개립 도 아스팔트 모체는 충격저항성능이 낮아 낙하 회수 약 3회 정도에 파괴을 나타내었다. 이는
내부공극 형성을 위하여 밀 실하게 제작되지 못한 개립도 아스팔트의 특성이 반영된 결 과로 판단된다.
시멘트 주입재를 충전한 반강성 포장재의 경우, 내충격성 이 증가되어 배합조건에 따라 파괴균열 발생시점이 10~22회 정도로 나타났다. 하지만, 아크릴레이트에
대한 SPE의 대체 율이 50% 이상에서는 파괴균열까지의 낙하횟수가 급격히 저 하되어 SPE를 혼합하지 않은 Plain (C-1)의 55%까지 내충
격성이 저하되는 것으로 나타났다.
보강용 섬유의 혼입에 따른 경향은, 혼입률이 0.1~0.3%까 지 증가됨에 따라 충격저항성능은 급격히 증가되었다. 섬유 를 혼입하지 않은 기본배합인
C-3에 비하여 0.1% 혼입된 C-5배합은 파괴균열 발생시까지의 낙하횟수가 2.25배정도 증가되었으며, 0.3% 혼입된 C-7배합과의 차이는 2.82배까지
증가되었다. 이는 반강성 포장용 시멘트 주입재 제조시 혼입 된 섬유가 적절히 분산되어 시멘트 주입재의 강도가 증가 되 었을 뿐만 아니라 아스팔트 모체와
주입재 사이의 결합력이 증대되었기 때문으로 판단된다. 또한, 섬유가 혼입된 C-5~7 배합의 경우 초기 균열 발생 후에도 충격을 흡수해 충격을 받은
부분 주위의 부분만 손상을 입는 현상을 나타내고 시험 체 전체에 대한 파괴는 많이 일어나지 않은 것으로 나타나 보강용 섬유의 혼입은 충격저항성에 대한
우수한 성능을 가 지는 것으로 판단된다. PVA섬유를 보강하였을 때에 파단변 형률과 충격저항성 등이 개선되어 포장재의 인성과 연성을 증진시키는 데에
주로 효과가 있는 것으로 나타났다.