아스팔트의 내구성과 Anti-Stripping Agent의 영향에 관한 연구

송태승, 박상준, 박상권*, 조명찬**

경원대학교 화학공학과, 동국대학교 화학공학과*, 동서대학교 화학공학과**

A Study on the Effect of Anti-stripping Agent

on the Durability of Asphalt-Paving Mixture

Tae Seung Song, Sang Joon Park, Sang-Kwon Park*, Myung-Chan Jo**

Department of Chem. Eng., Kyungwon University, Department of Chem. Eng., Dongguk University*, Deptartment of Chem. Eng., Dongseo University**

서론

아스팔트 포장도로에서 박리현상은 아스팔트와 자갈사이의 결합력이 상실되는 현상이며, 결합력이 상실하면 도로는 균열이 발생하고 골재의 분리현상이 발전하게되어 궁극적으로는 도로의 파괴에 이르게 된다. 박리현상을 일으키는 원인은 여러 가지가 있을 수 있지만, 그 중에서도 아스팔트와 골재 사이의 계면에 물이 침투하여 작용하는 메카니즘이 대부분이다. 이러한 박리현상으로 인한 피해를 줄이기 위한 여러 가지 방법들이 시도되고 있는데 그 중에서 박리방지제(Anti-stripping Agent, ASA)를 아스팔트에 직접 첨가하는 방법이 저비용과 간편성 때문에 가장 널리 사용되고 있다. 하지만 대부분이 유기물인 ASA는 열에 약해서 고온의 아스팔트 내에서 분해되거나 아스팔트내의 화합물과 반응하여 ASA로서의 고유기능을 상실하기 쉽다. 이러한 문제점을 극복하기 위해서는 새로운 시도가 필요한데 그것은 자갈을 먼저 ASA용액으로 전처리 한 후 아스팔트 포장에 사용하는 방법이다. 본 연구에는 ASA로 자갈을 전처리하는 경우 포장도로의 내구성증진 가능성을 파악하고 자갈표면의 전하밀도를 Streaming Potentiometer로 측정하여 내구성 변화의 원인을 규명하는 연구를 수행하였다.

실험

1 내구성 실험

재료는 AC-20 아스팔트를 사용하였으며, 자갈의 크기가 3/8-1에서 표준체 #4까지로 화강암을 사용하였다. ASA는 6가지로서 에멀젼 상태로 사용하였는데 그 종류를 Table 1에 제시하였다. 실험절차는 Boiling Water Test(ASTM D3625)를 적용하였으며 200g의 자갈을 ASA용액으로 전처리 하고 250℃에서 가열한 아스팔트를 섞은 후 다시 135℃에서 열처리하였으며 그 후 아스팔트-자갈 혼합물을 시편으로 제작하였다. 이 시편을 끊는 물에 넣어 10분 동안 끓인 후 자갈표면에 남아있는 아스팔트의 양을 10%의 간격으로 0∼100%사이에서 나타내었다.

2 전하밀도의 측정

박리현상을 일반적으로 해석할 수 있는 메카니즘은 아직 규명되지 않았지만, 계면에서의 정전기적 인력이 중요한 역할을 하는 것은 사실이다. 따라서 주로 산성

을 띄는 아스팔트와 자갈 표면의 전하밀도는 계면사이에서의 결합력에 영향을

미칠 수 있는 중요한 변수라고 할 수 있다. 본 실험에서는 여러 가지 ASA 용액

Table 1. Compositions of ASA used for pretreatment of aggregates

ASA	용액성분
ASA #1	1% emusified iron napthenate
ASA #2	1% iron naphthenate in normal hexane
ASA #3	5% emusified asphalt
ASA #4	0.5% iron naphthenate in ASA #3
ASA #5	5% cationic latex
ASA #6	5% anionic latex

으로 전처리 된 자갈의 전하밀도를 Screaming Potentiometer를 사용하여 측정하였고 그 결과를 Boiling Water Test 결과와 비교함으로써 그 상관관계를 조사해 보고자 하였다. 실험재료는 ASA 용액으로 전처리한 400 micron 크기의 자갈을 사용하였고 10-3M NaCl 용액을 전해질로 사용하였다. 압력의 크기를 변화시키면서 Streaming Potential(□)을 측정하여 기울기 □□/□"를 얻은 후 Smoluchowski식에 대입하여 Zeta Potential을 구하였다.

Smoluchowski의 식은 Zeta Potential을 구하는 식으로서 다음과 같이 표현된다.

[eqn: □= {4□□□□} over{□□}]   ----------------------------------------------   (1)

[eqn: □=] Zeta Potential (mV)

[eqn: □=] Solution Viscosity

[eqn: □=] Specific Conductivity

[eqn: □=] Dielectric Constant

[eqn: □=] Streaming Potential

[eqn: □=] Pressure Drop across the Bed

Zeta Potential은 □/□에 비례하므로 Streaming Potentiometer를 통한 실험에서 충진층에 걸리는 압력강하당 Streaming Potential을 측정하면 Zeta Potential을 측정할 수 있다. 충진층에 걸리는 압력강하는 다음에 제시한 Ergun 식으로부터 계산된다.

[eqn: □□={k_2}over {k_1 □s^2}Q ~+~ 1.75 over {{k_1}{□_s ^2}}~Q^2]   -------------------------  (2)

[eqn: k_1 = □^3 over {1-□}D_p over L{□^2 □^4}over□]  --------------------------------------  (3)

[eqn: k_2 = 150 {□^3 over {1-□}{□ □^2}over□}□] -------------------------------------   (4)

where, [eqn: □□=] Pressure Drop across the Bed

[eqn: □=] Porosity

[eqn: □=] Solution Density

[eqn: □_i =] Sphericity

[eqn: Q~=] Volumetric Flowrate

[eqn: □ =] Solution Viscosity

[eqn: L~=] Bed Length

[eqn: D_p~ =] Particle Diameter

[eqn: □=] Bed Radius

실험결과 및 고찰

1. 자갈의 ASA용액 전처리 효과

Fig. 1에서 보는바와 같이 Boiling Water Test후에 남아있는 아스팔트의 양은 aggregate와 혼합할 때까지의 아스팔트 보존시간에 따라 감소하는 것을 볼 수 있다. 아울러 pH가 중성인 경우보다 알칼리성 분위기에서 남는 아스팔트의 양도 감소하였다. 따라서 고온의 아스팔트 내에서 ASA는 계속해서 반응에 참여하고 있음을 짐작할 수 있으며 시간이 지남에 따라 주로 계면활성제 성분인 ASA로서의 기능을 상실한 다른 물질로의 전환되는 것으로 보인다. 이러한 문제점을 해결하기 위해서 아스팔트가 아닌 자갈을 먼저 ASA용액으로 처리하는 공정을 시도하였고 그 결과를 Fig. 2에 나타내었다. 그림에서 보듯이 ASA용액의 종류에 상관없이 ASA용액으로 전처리하지 않고 아스팔트와 자갈만을 혼합한 control 시료에 비해 높은 아스팔트 잔유량을 나타내었다. Aggregate을 ASA용액으로 먼저 처리하면 고온의 아스팔트와 혼합시에 매우 짧은 시간동안 ASA가 고온에 노출된다. 따라서 대부분의 ASA 성분이 아스팔트와 자갈의 계면에 존재하므로 아스팔트 내에 ASA용액을 섞었을 때와 비교할 때에 상대적으로 증가된 박리방지효과를 나타내는 것으로 추론할 수 있었다.

2. 전하밀도의 영향

ASA용액으로 전처리 한 자갈과 처리 안한 자갈의 전하밀도를 Zeta Potential을 측정하여 상대 비교해 보았다. 먼저 압력강하(□)에 따른 Streaming Potential(□)을 측정하여 기울기 □□/□"를 구한 후 Smoluchowski식을 사용하여 Zeta Potential을 구하였고 그 결과를 Table 2에 나타내었다. 이 실험에서 전처리 한 자갈의 가열온도는 250℃, 가열시간은 3분이었다. Table 2에서 보는바와 같이 전처리 안 한 control시료의 경우 높은 음전하 밀도를 나타내고 있는 것을 알 수 있는데 ASA용액으로 전처리한 자갈이 전하 밀도는 ASA #6를 제외하고는 음전하 밀도가 감소

Table 2. Zeta potentials for aggregates after pretreatment with ASA.

ASA	1st run □/□	2nd run □/□	Average □/□	Zeta Potential(mV)	Percent Retained After Boiling (%)
#1	+3.22	+3.86	+3.54	+47.01	100%
#2	+1.75	+1.34	+1.52	+20.59	90%
#3	-3.38	-3.00	-3.21	-42.37	60%
#4	-0.85	-0.81	-0.84	-11.02	100%
#5	-1.60	-1.69	-1.65	-21.91	100%
#6	-6.32	-6.32	-6.32	-83.94	80%
Control	-5.41	-4.93	-5.20	-68.66	10%

하고 양전하 밀도가 증가하는 것을 알 수 있다. 따라서 아스팔트의 Retained %가증가하는 것은 ASA로 aggregate을 전처리하면 자갈의 음전하 밀도가 감소하고 그 결과 주로 음전하를 띄는 아스팔트와 혼합시 정전기적 반발력의 감소를 가져와 일어나는 현상으로 추측되며 아스팔트의 Retained %는 여러 변수의 함수임에도 불구하고 ASA 처리후 자갈의 Zeta Potential의 값으로 정성적 예측이 가능함을 확인하엿다. 그러나 ASA #6는 Anionic Latex로써 주로 다른 ASA와 달리 aggregate의 음전하 밀도가 증가한 것으로 생각되고 증가된 결합력은 정전기적인 작용보다 우세한 다른 메카니즘에 의한 것으로 생각된다.

4. 결론

1) ASA 용액을 아스팔트 내에 섞어서 사용하는 경우 아스팔트가 aggregate와 혼합되기까지 보존하는 온도가 고온이므로 시간이 갈수록 ASA의 성능이 현저하게 저하됨을 확인하였다.

2) ASA 용액으로 자갈을 전처리 하였을 경우 ASA의 효과를 유지할 수 있어서  아스팔트와 자갈과의 결합력이 증가한 것을 알 수 있었다.

3) ASA 용액으로 자갈을 전처리하면 자갈의 음전하 밀도는 감소하는 경향을 나타내었고 그 Zeta Potential 값의 크기는 자갈과 아스팔트의 결합력 증가와 정성적으로 일치하였다.

참고문헌

1. Hagen, A. P., Lee, W. D., and Jones, T. M., Transportation Research Record, n. 1355, 111, 1996

2. Fromm. H. J., "The Mechanism of Asphaltic Stripping from Aggregate Surfaces', Proc. Association of Asphalt Paving Technologists, 43, 1974

3. Hong, A. P., Li, Y. N., Bazant, Z. P., "Theory of Crack Spacing in Concrete Pavements", Journal of Engineering Mechanics, 267, 1997

4. John. M. Horn. Jr and George Y. Onoda. Jr., "Streaming Potential and Noncreeping Flow in Porous beds", Journal of Colloid and Interface Science, Vol. 61. No. 2, 1977