4.4 아스팔트 혼합물의 물성영향인차 분석
본 절에서는 일반 아스팔트 혼합물의 물성치에 영향을 주는 영향인자 분석을 위하여 골재의 입형과 입도에 대하여 실내시험을 실시하였다. 또한 배합설계시에 영향을 미치는 마샬 다짐온도와 타격회수의 변화에 따른 물성치 변화 특성을 분석하였다.
4.4.1 골재 입형의 영향
일반 밀입도 아스팔트 혼합물은 아스팔트 바인더의 점착력 뿐만 아니라 골재끼리의 맞물림 특성이 아스팔트 혼합물의 전단 저항 특성에 큰 영향을 미친다. 아스팔트 혼합물은 온도가 상승함에 따라 아스팔트 바인더가 연화됨에 따라 골재가 부담하는 전단저항 특성이 혼합물 전단저항의 지배적 요인이 된다. 이러한 개념에서 접근할 때 아스팔트 혼합물에 사용되는 골재의 입형이 아스팔트 혼합물의 역학적 특성에 영향을 미치리라는 것은 쉽게 추측할 수 있다. 골재 입형이 혼합물에 미치는 영향을 알아보기 위하여 본 시험에서는 동일한 원석 골재에 대하여 입형을 다르게 제조하여 시험하였다.
본 시험에 사용된 골재의 제조는 동일한 석산의 크러셔 설비를 사용하여 콘크러션의 간극을 조정하여 입형의 형태를 다르게 제조하였다. 입형의 양호 및 분량 정도의 측정을 위하여 기 제작된 편장석 시험기를 사용하였다. 본 시험은 골재최대치수 19㎜ 혼합물에 대하여 실시하였다. 본 시험에 사용된 편장석 측정기에 대한 설명은 5.1절에 있으며 편장석 시험법은 본 보고서의 부록편에 수록하였다.
본 시험에 사용된 골재는 콘크러션의 간극 조정을 통하여 3가지 입형으로 생산하였으며, 골재의 편장석 측정 시험 결과에 따라 입형이 가장 양호한 골재를 편장석(소), 중간의 것을 편장석(중) 입형이 불량한 골재를 편장석(대)로 명명하여 시험하였다.
표 4.21과 그림 4.10은 본 시험에 사용된 골재의 입도를 나타낸 것이다.
표 4.22는 본 시험에 사용된 편장석 시험결과를 나타내고 있다. 표 4.23과 표 4.24는 본 시험에 사용된 골재의 비중시험 결과를 보여준다.
표 4.21 입형변화 영향 연구용 골재의 입도 비교
그림 4.10 입형 변화 영향 연구용 골재의 입도비교 곡선
표 4.22 입형변화 영향 연구용 골재 편장석 시험 결과
표 4.23 입형변화 영향 연구용 골재 비중시험 결과
표 4.24 입형변화 영향 연구용 골재 비중시험 결과 골재 물성값
본 시험은 타격회수 75회를 적용한 마샬 공시체를 제작하여 입형에 따른 혼합물의 물성 변화를 분석하고, 소성변형에 대한 입형의 영향 정도를 알아보기 위하여 휠트랙킹 시험을 실시하였다. 입형 변화에 따른 마샬 물성치의 변화 특성은 그림 4.lI~그림 4.14에 나타내었다. 또한 입형과 아스팔트 함량 변화에 따른 휠트랙킹 시험결과는 표 4.25 와 표 4.26 및 그림 4.15 와 그림 4.16 에 나타낸 바와 같다.
그림 4.11 은 입형변화에 따른 실측밀도의 변화를 나타낸 것으로 입형이 가장 좋은 편장석(소)에서 큰 실측밀도를 나타내고 입형이 상대적으로 불량한 편장석(대-1)에서 실측밀도가 낮은 것을 알 수 있다. 그림 4.12~그림 4.14 를 살펴보면 입형이 상대적으로 좋은 편장석(소)가 입형이 상대적으로 나쁜 편장석(대-1)에 비하여 낮은 공극율과 높은 포화도 그리고 낮은 골재 공극율을 나타냄으로써 입형이 좋을수록 다짐이 더 잘 되는 것을 알 수 있다.
그림 4.11 편장석 함량에 따른 실측밀도 비교
그림 4.12 편장석 함량에 따른 공극율 비교
그림 4.13 편장석 함량에 따른 포화도 비교
그림 4.14 편장석 함량에 따른 골재 간극률 비교
표 4.25와 그림 4.15는 휠트랙킹 시험 결과를 나타낸 것으로 이를 살펴보면 골재의 입형과 아스팔트 혼합물의 소성변형과의 관계를 파악할 수 있다. 입형이 가장 좋은 편장석(소)의 혼합물에서 가장 높은 동적 안정도를 나타내고 입형이 나쁜 순서대로 낮은 동적 안정도의 값을 나타내고 있음을 알 수 있다. 이러한 시험결과를 토대로 아스팔트 혼합물용 골재의 입형관리는 매우 중요한 요소이며, 입형 불량이 아스팔트 혼합물의 소성 변형의 한 원인이 되었음을 알 수 있다.
표 4.26과 그림 4.16 은 가장 양호한 입형의 골재를 사용하여 아스팔트 함량을 변화시키면서 휠트랙킹 시험을 실시한 결과이다. 가장 양호한 입형의 골재와 상관없이 현재의 시방입도의 중앙을 통과하는 입도곡선은 아스팔트 함량 변화에 따라 소성변형에 대한 저항성이 민감하게 변화함을 알 수 있다. 이러한 시험결과는 내구성 향상을 위해 적정량의 아스팔트 함량을 유지하면서 소성변형에 대한 저항성을 확보하기 위해서는 현재의 입도 시방 기준에 대한 개선 여지를 남기는 것이다.
표 4.25 골재 입형변화에 따른 휠트랙킹 시험 결과
그림 4.15 편장석 변화에 따른 동적안정도 비교
표 4.26 아스팔트 함량 변화에 따른 휠트랙킹 시험 결과
그림 4.16 아스팔트 함량 변화에 따른 동적 안정도 비교
4.4.2 동일 입도를 사용한 서로 다른 골재의 입형 영향
서로 다른 모암에서 생산된 각기 다른 굵은 골재를 사용한 아스팔트 혼합물을 대상으로 각각의 골재의 입형이 아스팔트 혼합물의 내유동성에 미치는 영향을 알아보기 위하여 아스팔트 함량이 4.5%인 혼합물을 각각 제작하여 휠트랙킹 시험을 실시하였다.
표 4.27은 편장석율이 각기 다른 시료 A, 시료 8, 시료 C의 편장석 시험결과를 나타낸 것이다. 시료 A가 가장 양호한 입형을 보이고 시료 B가 중간, 시료 C가 상대적으로 가장 나쁜 입형을 보인다. 표 4.28은 3종류 시료에 대한 혼합골재 비중값을 나타낸 것이다. 표 4.29와 그림 4.17은 시료 A, B, C의 입도비교를 표와 그림으로 각각 나타낸 것이다. 시료 A, B, C는 13㎜체와 잔골재 영역에서 약간의 입도 차이를 보이며, 특히 시료 C가 다른 혼합물에 비하여 상대적으로 잔골재 함량이 약간 낮게 나타난다. 표 4.30은 각 혼합물에 대한 휠트랙킹 공시체의 물성치와 동적안정도를 나타낸 것이다. 표 4.30과 그림 4.18의 결과를 살펴보면 동적안정도는 평균 편장석율의 크기와 반비례 관계가 있음을 알 수 있다. 이것은 비중값과 암석종류의 차이에도 불구하고 양호한 입형의 골재를 사용한 아스팔트 혼합물의 소성변형 저항성이 상대적으로 우수한 것을 보이는 것이다.
이러한 시험결과로부터 아스팔트 혼합물의 소성변형에 대한 저항성을 높이기 위해서는 우선적으로 굵은 골재의 입형을 개선하여야 한다는 것을 알 수 있다.
표 4.27 동일한 입도의 서로 다른 시료 A, B, C의 골재 편장석 시험 결과
표 4.28 동일한 입도의 서로 다른 시료 A, B, C의 비중시험 결과 골재 물성값
표 4.29 시료 A, B, C의 입도 비교
그림 4.17 시료 A, B, C의 입도 비교 곡선
표 4.30 동일한 입도의 서로 다른 시료 A, B, C의 휠트랙킹 시험 결과
그림 4.18 동일한 입도의 시료 A, B, C의 동적 안정도 비교
4.4.3 골재 입도의 영향
골재입도가 아스팔트 혼합물의 물성에 미치는 영향을 분석하기 위하여 앞서 4.1절 "표층용 19㎜와 13㎜ 그리고 기층용 25㎜의 골재시방입도 개선을 위한 분석"에 사용한 각 입도로 제작된 마샬 공시체를 대상으로 골재입도가 혼합물 물성에 미치는 영향을 분석 하였다.
(1) 19㎜ 아스팔트 혼합물
4.1.1 절의 표 4.4와 그림 4.1에 나타낸 바와 같은 각 입도를 적용하여 제작된 마샬공시체의 물성 비교는 그림 4.19~그림 4.22에서 보는 바와 같다. 그림 4.19의 아스팔트 함량에 따른 실측 밀도의 비교곡선을 살펴보면 19㎜-1~19㎜-4 입도까지는 입도곡선이 굵은 골재가 많아지고 세립분이 감소함에 따라 n=0.5 일때의 Fuller 곡선에 가까워지고 현격한 밀도의 증가를 나타내고 있다. 19㎜-4 입도의 경우는 굵은 골재가 Fuller 곡선 아래쪽으로 벗어나 있고, 잔골재 부분에서 Fuller곡선에 가장 접근되어 있는 형태인데 이러한 경우에 가장 높은 밀도를 나타내는 것을 보면 굵은 골재보다는 상대적으로 잔골재가 아스팔트 혼합물의 물성치에 큰 영향을 미치는 것을 알 수 있다. Fullor 곡선과 위험지역을 아래쪽으로 벗어난 19㎜-5 입도는 실측밀도가 중간정도의 값을 나타내는 것을 알 수 있다. 그림 4.20의 공극율의 변화를 살펴보면 실측밀도의 경우와 같은 경향으로 Fuller 곡선에 가까워질수록 낮은 공극율을 나타내고 있으며 세립분이 가장 많은 19㎜-1 입도의 경우는 골재의 비표면적이 다른 입도에 비해 상대적으로 크며 이와 관련하여 공극율이 크게 평가되는 것으로 판단된다. 위험지역을 벗어나는 19㎜-5 입도의 경우는 세립분이 비교적 많은 19㎜-1 입도를 제외한 다른 입도에 비해 상대적으로 높은 공극율을 나타냄으로써 내구성 향상을 위한 약간 증가된 최적 아스팔트 함량이 요구되고 있다.
그림 4.21의 포화도는 그림 4.20의 경우와는 정반대의 경향으로 나타나고 있음을 알 수 있다. 그림 4.22는 각 입도곡선에 대한 골재 간극율을 비교하여 그래프에 나타낸 것이다. 그림 4.22에서 살펴보면, 19㎜-1에서 19㎜-4 입도로 골재입도분포가 변함에 따라 골재간극률(VMA)이 점차로 작아져서 안정되기는 하지만 19㎜-4 입도의 경우 아스팔트 바인더가 들어갈 수 있는 여지가 줄어들고 있다. 19㎜-5 입도의 경우는 굵은 골재의 량은 증가하고 세립분의 량이 감소하기 때문에 혼합물의 비표면적이 감소함에도 불구하고 적절한 VMA 곡선을 형성함으로써 상대적으로 아스팔트 바인더가 들어갈 공간을 많이 확보하게 되어 내구성의 향상을 기대할 수 있다.
그림 4.19 19㎜ 표층 입도 분석용 혼합물의 실측밀도 비교 곡선
그림 4.20 19㎜ 표층 입도 분석용 혼합물의 공극률 비교 곡선
그림 4.21 19㎜ 표층 입도 분석용 혼합물의 포화도 비교 곡선
그림 4.22 19㎜ 표층 입도 분석웅 혼합물의 골재 간극률 비교 곡선
(2) 13㎜ 아스팔트 혼합물
4.1.2절의 표 4.10과 그림 4.3에 나타낸 것처럼 13㎜ 아스팔트 혼합물의 경우는 3개의 입도곡선에 대해 마샬 공시체를 제작하고 물성치를 분석하였다. 13㎜ 혼합물의 입도곡선에 따른 마샬 물성치의 비교 곡선을 그림 4.23~그림 4.26에 나타내었다.
그림 4.23의 3가지 입도곡선에 대한 실측밀도의 변화 곡선을 살펴보면 세립도인 13㎜-1 입도의 실측 밀도가 낮고, 세립분 영역이 n=0.5일 때의 Fuller 곡선에 가장 가까우며 위험지역을 통과하는 13㎜-2 입도가 가장 높은 실측밀도를 나타낸다. 위험지역을 아래쪽으로 벗어나는 13㎜-3 입도는 거의 Fuller 곡선을 통과하는 13㎜-1 입도보다 높은 실측 밀도를 나타낸다. 이러한 결과는 입방체화된 골재의 이론적 해석에 근거한 Fuller 곡선의 정의에 어긋나는 것이다. 그림 4.24에 나타낸 3가지 입도에 대한 공극율 비교 그래프는 그림 4.23의 3가지 입도에 대한 실측밑도의 경향과 동일한 결과를 나타낸다. 그림 4.25와 그림 4.26은 3가지 입도에 대한 포화도와 골재 간극률의 비교 그래프이다. 여기서도 같은 경향을 보이고 있음을 알 수 있다.
그림 4.23 13㎜ 표층 입도분석용 혼합물의 실측밀도 비교 곡선
그림 4.24 13㎜ 표층 입도분석용 혼합물의 공극률 비교 곡선
그림 4.25 13㎜ 표층 입도분석용 혼합물의 포화도 비교 곡선
그림 4.26 13㎜ 표층 입도분석용 혼합물의 골재 간극률 비교 곡선
(3) 25㎜ 아스팔트 혼합물
기층용 25㎜ 아스팔트 혼합물의 경우 4.1.3절의 표 4.15와 그림 4.5에 나타낸 것과 같은 3개의 입도를 설정하고 이러한 입도곡선에 대하여 마샬 공시체를 제작하고 마샬 물성치를 분석하였다. 이러한 25㎜ 아스팔트 혼합물의 입도곡선에 따른 마샬 물성치의 비교 곡선을 그림 4.27~그림 4.30에 나타내었다. 3가지 입도곡선의 선정이 13㎜ 혼합물의 경우와 거의 비슷하게 선정된 결과 그림 4.27~그림 4.30의 결과들은 13㎜ 혼합물의 3가지 입도곡선에 따른 마샬 물성치의 비교 곡선과 동일한 경향을 나타내고 있다.
그림 4.27 25㎜ 기층 입도 분석용 혼합물의 실측밀도 비교 곡선
그림 4.28 25㎜ 기층 입도 분석용 혼합물의 공극률 비교 곡선
그림 4.29 25㎜ 기층 입도 분석용 혼합물의 포화도 비교 곡선
그림 4.30 25㎜ 기층 입도 분석용 혼합물의 골재 간극률 비교 곡선
4.4.4 다짐 온도 변화의 영향
아스팔트 혼합물의 마샬 특성치는 다짐 온도에 민감한 영향을 받는다. 아스팔트 혼합물의 배합설계는 이러한 마샬 물성치에 대해서 배합설계 기준을 적용하여 최적 아스팔트 함량을 결정하기 때문에 통상의 다짐온도와 다른 다짐온도에서 다짐된 아스팔트 혼합물의 최적 아스팔트 함량(OAC)는 정상적인 다짐온도에서 결정된 OAC와 큰 차이를 보일수 있다. 본 절에서는 마샬 다짐온도를 80℃ ~ 180℃까지 20℃씩 변화시키면서 마샬다짐을 실시하여 제작된 공시체의 물성치를 비교분석하였다. 본 시험에 사용된 골재는 4.4.1절의 골재입형 영향을 분석하는데 사용한 골재최대치수 19㎜의 편장석(소)골재와 편장석(대-1)골재를 사용하고 입도는 4.4.1절과 동일한 표 4.21과 그림 4.10에 나타낸 것과 동일한 입도를 사용하였다.
이러한 시험결과를 그림 4.31~그림 4.34에 나타내었다. 그림 4.31은 편장석(소)와 편장석(대-1)골재에 대한 다짐온도별 실측 밀도의 변화 그래프이다. 입형이 좋은 편장석(소)골재가 상대적으로 입형이 나쁜 편장석(대-1)골재보다 150℃ 이하에서는 큰 실측밀도를 나타내다가 150℃ 이상에서는 상대적으로 낮은 밀도를 나타낸다. 또한 입형이 좋은 편장석(소) 골재가 상대적으로 입형이 나쁜 편장석(대-1) 골재보다 다짐온도의 변화에 실측밀도가 덜 민감한 것으로 나타난다. 그링 4.32는 다짐온도변화에 따른 공극율의 변화를 나타낸다. 입형이 상대적으로 좋은 편장석(소)골재를 사용한 혼합물은 다짐온도가 증가함에 따라 공극율이 현저하게 감소하다가 160℃ 이상에서는 거의 변화가 없는 것으로 나타난다. 그러나 상대적으로 입형이 나쁜 편장석(대-1) 골재의 경우는 다짐온도가 증가함에 따라 공극율이 계속하여 감소하는 형태로 나타난다. 이러한 시험결과로 볼 때 마샬 배합설계시 마샬공시체 다짐 직전에 온도관리가 안될 경우 정상적인 결과와는 현격한 차이를 보이는 공극율을 나타낼 수 있다. 이것은 곧 OAC의 차이로 나타난다.
본 연구에서는 침입도 60~70의 아스팔트를 사용하고 다짐온도를 145℃ ~ 150℃로 적용하였기 때문에 전체적으로 낮은 공극율과 낮은 최적 아스괄트 함량(OAC)을 나타낸다.그림 4.33과 그림 4.34는 다짐온도 변화에 따른 포화도와 골재 간극율의 변화를 나타내었는데 실측밀도와 공극율의 경우와 동일한 경향을 나타낸다.
그림 4.31 온도와 입형 변화에 따른 실측밀도 비교 곡선
그림 4.32 온도와 입형 변화에 따른 공극률 비교 곡선
그림 4.33 온도와 입형 변화에 따른 포화도 비교 곡선
그림 4.34 온도와 입형 변화에 따른 골재 간극률 비교 곡선
4.4.5 타격회수 변화의 영향
마샬 타격회수의 변화에 따른 아스팔트 혼합물의 물성치의 변화특성과 마샬타격회수와 골재 입형의 상관관계 분석을 위하여 4.4.1절의 표 4.21과 그림 4.22에 나타낸 입도를 사용하고 4.4.1절의 골재 입형영향 분석에 사용한 골재 가운데서 편장석(중)과 편장석(대-1) 골재를 사용하여 타격회수를 25회~150회까지 25회씩 변화시키면서 마샬공시체를 제작하였다. 그림 4.35~그림 4.38은 타격회수 변화에 따른 마샬 물성치의 변화를 나타내었다.
그림 4.35는 타격회수의 변화에 따른 실측밀도의 변화 그래프이며 타격회수가 증가함에 따라 실측밀도가 증가하다가 125회 정도부터 실측밀도의 변화가 거의 없는 것을 볼수 있다. 또한 상대적으로 양호한 입형의 편장석(중) 골재를 사용한 혼합물의 밀도가 편장석(대-1) 골재를 사용한 밀도보다 높은 것을 알 수 있다. 이러한 결과는 입형이 좋은 골재가 동일한 다짐에너지에서 더욱 양호한 다짐을 얻을 수 있다는 것을 나타낸다. 그림 4.36, 그림 4.37, 그림 4.38은 각각 타격회수의 변화에 따른 공극율, 포화도, 골재 간극율(VMA)의 변화특성을 나타내고 있다.
공극율과 골재간극율의 경우 입형이 상대적으로 양호한 골재가 동일한 마샬타격회수에서 낮은 값을 나타내며 타격회수의 변화에 덜 민감한 것으로 나타난다. 포화도의 경우도 마찬가지로 입형이 양호한 골재의 포화도가 동일한 타격회수에서 높게 나타나며, 타격회수 변화의 영향을 작게 받음을 알 수 있다.
그림 4.35 타격회수와 입형변화에 따른 실측밀도 비교 곡선
그림 4.36 타격회수와 입형변화에 따른 공극률 비교 곡선
그림 4.37 타격회수와 입형변화에 따른 포화도 비교 곡선
그림 4.38 타격회수와 입형변화에 따른 골재 간극률 비교 곡선