2.1 친환경 그리드형 보강재

재활용 자원을 이용해 친환경성을 향상시킨 제품을 확보 하기 위해 가정용 및 산업용 투명필름을 활용한 친환경 필 름을 개발하였고, 이를 쉬트형 보강재에 적용하였다(^{Park et al., 2017}).

재활용 필름은 재생 수지와 신재수지의 비율을 50:50으로 혼입하여 Fig. 1과 같이 표면에 특별한 손상 없이 생산할 수 있 었고, 이를 이용한 친환경 그리드형 보강재를 Fig. 2와 같이 제 작할 수 있었다.

Fig. 1

Recycled film surface

Fig. 2

Compound and film prototype for recycled film

2.2 분산성 섬유

아스콘 혼입 섬유의 뭉침이 발생하지 않고 포장층에 고르 게 분포되도록 하기 위해서 충진재와 섬유의 사전 혼입을 통 해 분산성 섬유를 생산하였다(^{Park et al., 2017}).

사전 혼입(Mixing)을 통한 선분산 작용이 이루어지는 조건 을 찾기 위한 실험 결과, PP 및 PVA 계열 단섬유를 사용하여 교반 시간 2~3분, (섬유:충진재) 배합비 1 : 10에서 가장 적정 한 분산작용이 발생함을 알 수 있었다. Fig. 3은 생산된 분산성 섬유 샘플이며, 사전 혼입으로 인해 섬유의 결이 분리되어 분 산성이 향상된 상태를 유지 가능하게 되었다.

Fig. 3

Fiber dispersion result using 25μm filler

3.1 압축 강도

섬유 보강 포장층의 역학적 특성을 분석하기 위해 코어 채 취된 지름 10cm 원형 시편을 가지고 UTM을 이용하여 Fig. 7 과 같이 압축 강도 시험을 진행하였다.

Fig. 7

Compressive strength test

적용된 유형 중, 주요 포장층인 복합 보강 섬유 혼입층 (Type 3)과 비교 포장층인 무보강층(Type 1)을 중심으로 결과 를 도출하였다.

이전 연구에서 간접인장강도 등 아스콘 물성에 대한 일반 적인 실험을 진행하여 우수한 결과를 도출하였다. 일반적으 로 아스팔트 혼합물은 연성재료이기 때문에 직접 압축시험은 진행하지 않고 있으나, 본 논문에는 외부 하중을 견딜 수 있는 정도를 직접적으로 관찰하기 위해 섬유를 포함하지 않은 일 반 혼합물을 포함한 비교 강도 실험을 진행하였다.

섬유를 사용한 아스콘과 일반 아스콘의 강도 실험 결과는 Table 1과 같다. 현장에 적용된 Mock Up 시험체에서 채취한 코어를 가지고 실험을 진행한 결과, 섬유 혼입 아스콘의 압축 강도가 무혼입 아스콘에 비해 2배 가까이 강도가 증진되는 것 을 확인할 수 있었다.

3.2 응력 및 변형율

적용 구간 포장층의 응력 및 변형율을 측정하였다. 압축강 도 시험에서와 마찬가지로 UTM을 사용하여 작용하중에 대 한 변위를 분석해 응력과 변형율을 도출하였다.

Fig. 8의 응력-변형율 곡선에서 보는 것과 같이, 섬유 미혼 입 포장층 구간(Type 1)은 강도 측면에서 상부 피크점을 확인 하고 하강 곡선을 그리고 있는 것을 확인할 수 있었고, 섬유 혼 입 포장층(Type 3)에서는 아스콘의 변형이 계속해서 상승 곡 선을 유지하고 있는 것을 확인할 수 있었다. 연성재료인 아스 콘의 변형이 종료될 때까지 지속적인 강도의 상승이 발생한 다고 할 수 있다.

Fig. 8

Stress-strain curve according to the use of composite fiber

3.3 탄성계수

UTM을 이용하여 현장 적용 구간의 하중과 변위 관계를 정 립하고, 이로부터 얻어지는 응력과 변형율 관계를 통해 탄성 계수를 Fig. 9와 같이 도출하였다.

Fig. 9

Elastic modulus according to the use of composite fiber

역학 특성 및 성능 향상에 관여하는 탄성계수가 섬유 무혼 입 포장층(Type 1)보다 혼입 구간(Type 3)에서 약 18% 향상된 값을 나타내었다. 역학적인 특성뿐만 아니라 도로의 처짐 저 항성 측면에서도 유리한 포장 방법이 될 수 있을 것이라고 판 단된다.

3.4 휨강도 측정

섬유 혼입에 대한 내하력 증진효과를 분석하기 위해 포장 층 모사를 한 세가지 유형의 시험체(Type 1, 2, 3)에 대해 휨강 도 시험을 실시하였다. 휨강도 시험은 실험 변수인 세가지 유 형의 직육면체 공시체에 하중을 가하여 Fig. 10과 같이 실험을 실시하고, 이에 대한 극한 강도 및 변위를 분석하였다. 그리드 형 보강재 및 보강 섬유로 인해 상부에 작용하는 하중에 대한 저항성 향상을 판단하기 위함이다.

Fig. 10

Flexural strength test

시험 결과, Fig. 11과 같이 섬유 혼입 포장층(Type 3)에서 무 혼입(Type 1)시보다 약 2배 이상의 내하력을 발현하였다. 1차 적으로 아스콘 혼입 섬유에 의한 골재간 결합 상태 향상과 함 께, 2차적으로 포장층 상·하부에 균열이 발생해도 그리드형 보강재로 인해 처짐에 저항하여 상부로 향하는 응력 결과에 기인한다고 볼 수 있다.

Fig. 11

Load carrying capacity according to the use of composite fiber

또한, 극한강도 발현점의 변위를 살펴보면 무보강층에서는 약 0.4mm에서 최대점을 나타냈고, 섬유 보강층에서는 약 2.0mm에서 최대점을 나타냈다. 즉, 환경에 의한 도로 내부 변 형이 발생해도 섬유 보강층에서는 하중에 저항하는 특성이 지속적으로 나타나 현상태를 유지하려는 특성을 확인할 수 있었다.

그러므로, 두 가지 형태의 섬유 보강을 통해서 압축강도 뿐 만 아니라, 휨에 대한 저항성 측면에서도 중요한 역할을 수행 할 수 있다고 판단된다.

3.5 시공성 및 친환경성

Mock Up 포설 과정에서의 시공성 및 다짐성 등에 대해 확 인하였다. 재료를 현장에 적용함에 있어 시공성에 문제가 발 생한다면 재료에 대한 현장 활용 가능성이 현격히 저하되기 때문이다. Fig. 12와 같이 시공에 있어서는 일반 아스콘 포설 공정과 동일한 공정으로 진행이 되었고, 특별한 난점은 발생 하지 않았다. 다짐에 있어서는 장비 바퀴가 지나가는 주변 구간의 밀림이 일반 아스콘 포설 구간에 비해 현격히 줄어든 상황을 연출했으며, 이로 인해 주변 손상에 대한 전파 성향 은 다분히 저감되리라고 판단된다. 시공 관련한 작업성은 일 반 아스콘과 유사하며 시공과정에서의 문제점은 발생하지 않았다.

Fig. 12

Constructivity test

또한, 폐기된 수지를 활용하여 필름을 생산하는 재활용 소 재를 함유하고 있기 때문에, 환경 유해성에 대한 기초 실험으 로 중금속 용출 시험을 진행하였다. 시험 결과, Fig. 13과 같이 8개 금속 모두 기준 이하의 무해한 형태가 도출되었다. 중금 속의 일반적인 검출한계인 5 mg/kg 이내로서 재활용 소재의 환경성에 있어서 안전성을 확보하였다.

Fig. 13

Heavy metal elution test

3.6 내부 결합 상태 확인

Mock Up 시험을 통해 첨가된 분산성 섬유의 아스콘 내부 결합상태를 확인하기 위해 그리드 보강재 및 분산성 섬유를 혼입한 Type 3의 표층부에 대해 SEM 관찰을 실시하였다. 섬 유 혼입시 가장 문제가 되는 부분이 섬유 뭉침에 의해 골재의 결합력을 퇴보시키는 부분이기 때문에, 골재 사이의 섬유 결 합 상태를 확인하였다.

통계적 접근이 필요한 부분이지만, 구간에서의 샘플 채취 조사 결과에 의하면 Fig. 14와 같이 섬유의 결합 상태에 있어 골재끼리의 맞물림 작용이 지속적으로 진행되고 있었다. 그 러나, 이는 개발 제품의 현장 테스트를 준비하기 위해 철저한 공정 관리를 수행했기 때문에 도출된 결과일 수 있으므로, 향 후 현장 적용에 있어서도 철저한 현장 관리가 이루어져야 할 것이다.

Fig. 14

Fiber condition in asphalt pavement

3.7 동해 저항성

동절기와 같이, 동결 및 융해가 반복되는 시기의 재료 저항 성을 판단하기 위해 Mock Up 현장의 무보강(Type 1) 및 섬유 보강(Type 3) 시편을 가지고 동해 저항성 시험을 진행하였다. 재료가 밀실하지 않고 구성요소의 맞물림이 약하게 이어져 있으면, 공극에 있는 내부 수분 등이 동결하여 균열이 발생하 고 결국은 이로 인해 파괴가 일어난다. 이에 대한 저항성을 판 단하기 위한 시험을 진행하였다. Table 2

Fig. 15와 같이 코어 채취한 테스트 시편을 동결융해 시험 기에 넣고 시험을 진행하였다. 동결 융해시험은 공시체 중심 부의 온도를 기준으로 4℃에서 -18℃로 떨어뜨리고, 다음에 -18℃에서 4℃로 상승시키는 것을 1사이클로 한다. 각 사이클 에서 공시체 중심부의 최고 및 최저 온도는 각각 (4±2)℃ 및 (-18±2)℃의 범위 내에 있어야 하고, 언제라도 공시체의 온도 가 -20℃ 이하 또는 6℃ 이상이 되어서는 안 된다. 위 조건하에 서 100사이클을 진행하였고, 이에 대한 상대동탄성계수를 측 정하였다.

Fig. 15

Freeze-thawing tester and specimen

시험 결과 표기는 초기 동탄성계수를 100%로 하였을 때, 시험 후 동탄성계수 저하율을 %로 나타내었다.

Table 3과 같이 동결융해 시험 결과, 섬유 혼입 시편(Type 3)에서 동해에 대해 저항성이 상대적으로 큰 것을 알 수 있다. 즉, 시험 전 초기 동탄성계수를 100%로 했을 때, 시험 후 동탄 성계수 저하율이 무보강 시편(Type 1)보다 11% 포인트 작게 나타나 동절기 환경 저항성이 더 강화되었다고 할 수 있다.

충진재의 혼입에 의한 골재 맞물림으로 인해 내부가 더 밀 실한 상태로 유지되어 나타난 결과라고 할 수 있다.