개질 아스팔트 (Polymer Modified Asphalt)

         1. 개질 아스팔트란 (Polymer Modified Asphalt: PMA)

1. 개질 아스팔트란 기존의 아스팔트에 SBS, SBR, SB, CR, Fiber, LDPE, HDPE 등을 첨가하여 내구성, 내후성, 내열성, 내한성 등의 아스팔트의 물성을 향상시켜 아스팔트의 수명을 연장시킨 아스팔트를 말한다.  이는 궁극적으로 도로의 재포장 기한을 연장시켜 도로포장비의 절감을 가져올 수 있다. 개질 아스팔트는 1970년대부터 본격 개발되고 적용되어 옴으로서 미국에서는 1999년 약 25%의 개질 아스팔트를 사용했으며 현재는 많은 량을 사용하고 있다.
   

   개질 아스팔트의 생산은 2020년 현재 SK에서 수퍼팔트(pre-mix)라는 제품으로 판매하고 있고 대산화학, GS-Caltex가 같은 방식의 개질 아스팔트를 생산 판매하고 있다.
   

   기존의 아스팔트로서 도로포장을 할 경우 여름철 아스팔트의 연화현상으로 인한 소성변형을 막을 수 없다.  이러한 현상은 기존의 아스팔트가 견딜 수 있는 온도의 조건을 벗어나기 때문에 발생되고 있는데 국내 AP-3, AP-5는 높은 온도는 58~64℃, 낮은 온도는 –22℃ 정도 견딜 수 있는 것으로 알려져 있다.  
   

    
   

   2. 개질 아스팔트의 규격
   

2. 
   

   국내의 개질 아스팔트의 규격은 미국의 PG System이 적용되고 있다.  PG Grade라고도 하는데 이는 Performance Grade를 뜻한다.
   

   각각의 PG등급은 6℃의 차이를 갖고 있으며 이것은 각 개질 아스팔트의 등급을 나타내는 단위이다. 이것을 적용하는 한 예를 들면,
   

   (예 1)
   

   서울시 강남구의 평균 기온  :  하절기 = 52℃ (도로의 표면온도)
   

                                                  동절기 = - 16 ℃
   

   교통량  :  중차량이 많이 다님
   

    
   

   적용되어야 할 개질 아스팔트는 PG52-16 이 아닌 PG 1등급을 높인 PG58-22를 적용 하여야 하나 중차량이 많이 다니므로 1등급을 다시 높여 PG64-28이 적용된다.
   

    
   

   (표 1)에 PG에 대한 AASHTO의 규격을 나타내었다.
   

 (표 1)

AASHTO Performance Graded Binder Specification (MP1)

Notes:

1. Pavement temperatures can be estimated from air temperatures using an algorithm contained in the SUPERPAVE software program or may be provided by the specifying agency, or by following the procedures as outlined in PPX.
   
   

2. This requirement may be waived at the discretion of the specifying agency if the supplier warrants that the asphalt binder can be adequately pumped and mixed at temperatures that meet all applicable safety standards.
   
   

3. For quality control of unmodified asphalt cement production, measurement of the viscosity of the original asphalt cement may be substituted for dynamic shear measurements of G*/sin delta at test temperatures where the asphalt is a Newtonian fluid. Any suitable standard means of viscosity measurement may be used, including capillary or rotational viscometer (AASHTO T 201 or T 202).
   
   

4. The PAV aging temperature is based on simulated climatic conditions and is one of three temperatures 90° C, 100° C or 110° C. The PAV aging temperature is 100° C for PG 58- and above, except in desert climates, where it is 110° C.
   
   

5. Physical Hardening - TP 1 is performed on a set of asphalt beams according to Section 13.1, except the conditioning time is extended to 24 hrs +/- 10 minutes at 10° C above the minimum performance temperature. The 24-hour stiffness and m-value are reported for information purposes only.
   
   

6. If the creep stiffness is below 300 MPa, the direct tension test is not required. If the creep stiffness between 300 and 600 MPa the direct tension failure strain requirement can be used in lieu of the creep stiffness requirement. The m-value requirement must be satisfied in both cases.
   

    
   

   AASHTO 는 American Association of State Highway and Transportation Officials의 약자이다.
   

   (표 1)에서  각각의 PG 표준은
   

       배합이후    │G*│/sinδ 값 ≥ 1.00kPa
   

       RTFO 이후 │G*│/sinδ 값 ≥ 2.20kPa
   

       PAV 이후   │G*│/sinδ 값 ≤ 5000kPa
   

       BBR: Stiffness ≤ 300Mpa, m≥0.300
   

   으로 표현하고 있다.
   

   여기서 │G*│/sinδ 값은 아스팔트의 소성변형에 대한 저항성 값을 나타내고 있는 것으로 DSR (Dynamic Shear Rheometer)라는 장비를 사용하여 측정하며 이것은 고온에서 아스팔트가 얼마나 소성 변형을 일으키지 않는가와 노후를 촉진시킴으로써 얼마나 오랫동안 지속될 수 있는가를 측정한다.
   

   BBR(Bending Beam Rheometers)은 낮은 온도에 대한 내성을 측정하는 장비이다.
   
   
   

미국의 1990년대부터 사용된 이 규격은 2010년대 들어 PG-Plus라는 규격을 거쳐 현재 PG규격에 MSCR (Multi Stress Creep recovery) 규격이 도입되었다..

우리나라 한 여름철의 아스팔트 포장의 표면온도는 약 60~65℃까지 상승한다.  무더위가 장기간 계속되는 경우에는 아스팔트가 식을 틈이 없어 아스팔트 표층 내부의 온도도 이와 비슷한 온도가 될 것으로 추정된다. 아스팔트 포설 후 3차 다짐 시의 온도가 60~70℃인 것을 감안한다면, 이러한 온도조건에서는 반복되는 중차량에 의한 하중은 시공 시 로울러에 의한 다짐효과와 거의 비슷할 것이다.

아스팔트의 점도가 낮을수록(침입도가 높을수록) 혼합물의 강성이 저하되며, 따라서 소성변형이 쉽게 일어날 수 있다는 사실은 Mahboub 과 Little, Monismith외의 여러 학자들에 의해 확인된 사실이다. 국내에서 사용되고 있는 대부분은 PG64-22를 사용하고 있다.  고온에서의 소성변형과 저온에서의 온도균열을 효과적으로 방지하기 위해서는 아스팔트의 물성 규정에 실제 포장체가 겪는 온도대역(고온 및 저온)을 기준으로 하여 아스팔트 거동을 규정할 수 있는 인자가 필요하다. 현재 미국은 PG등급이 제정된 이후 PG등급은 아스팔트의 거동을 예측할 수 있는 모델이나 개질아스팔트는 아스팔트의 거동보다는 폴리머에 의한 거동에 영향을 받으므로 개질아스팔트의 거동을 예측하기 어려워 PG-Plus, MSCR 등급으로 변하였으며, 국내에서는 국토부 배수성 포장 지침에 대하여 일부 MSCR규격을 첨가하여 (2020.8월 개정) 사용하고 있다. 하지만 국내의 KS규정은 초창기 미국에서 제정된 PG등급과 침입도 규격을 따르고 있어 개질아스팔트의 품질 및 도로의 공용성을 예측할 수 있는 규격이 미비한 실정이다.

미국의 규격의 변천사를 보면 PG등급으로 전환된 90년대부터 오랜기간 연구 끝에 PG등급은 아스팔트의 거동을 설명하는데 있어 탁월하였으나 개질아스팔트의 사용이 늘고 개질 아스팔트의 종류 및 기술이 다양해 짐에 따라 PG등급 만으로는 설명할 수 없다는 걸 깨닫게 되었고 각 주마다 그 지역에 적합한 PG-Plus를 사용하게 되었다.

예를 들어 PG등급의 DSR시험은 위상각 δ를 측정하는데 Sinδ 값으로 나뉘는 등급은 위상각이 작을수록 높은 수치를 낼 수 있으므로 고온에서 딱딱한 물질 즉 폐비닐이나 폐페트병과 같은 물질을 넣어도 고온등급을 쉽게 맞출 수 있다.

         때문에 미국에서는 소성변형 및 피로균열에 대하여 보다 정확한 예측을 할 수 있는 PG-Plus를 사용하게 되었다. PG-Plus는 PG등급에 추가한 7가지의 신도, 터프니스, 탄성회복력, 연화점, 침입도, 등의 규격을 추가하여 사용하였고 대부분의 주에서 피로균열을 예방하는데 있어서 탄성회복력을 추가로 사용하게 되었다. 그러나 탄성회복력 시험은 시험자에 따라 조금씩 수치가 변하였고, 이것을 정량적인 수치로 나타내기가 어려웠다. 때문에 정확한 수치로 표현할 수 있는 방법이 강구 되었고 그것은 MSCR 규격으로 대치 되었다.

MSCR 규격은 개질아스팔트의 피로균열, 소성변형을 예측할 수 있는 시험으로 인정 받고 있다.

MSCR 규격은 Pre-mix에 유리한 규격이며 같은 Pre-mix라 할지라도 제조법에 따라 다른 결과를 보여준다. 예를 들면 SBS를 사용한 습식개질아스팔트의 경우에도 단순히 SBS를 분산한 개질 아스팔트와 화학적으로 결합을 이룬 개질아스팔트의 MSCR 값이 현저히 다르게 나타난다. (Office of Pavement Technology FHWA‐HIF‐11‐038 April 2011 미연방도로국)

이는 개질아스팔트의 품질까지 측정할 수 있는 방법으로 개질 아스팔트를 적용한다면 기존의 도로의 수명은 2-3배 정도 늘어날 것이며 그 것은 개질 아스팔트를 적용함으로써 상승되는 원가의 비용이 도로 포장비용의 20% 이하인 것을 감안한다면 보수 시기를 연장함으로써 많은 국가 예산을 절약할 수 있다는 것을 반증하기도 한다.

각 기업체에서는 개질 아스팔트의 안정화와 체계적인 연구 관리를 통한 관리체계를 정립해야 할 것이며 관공서에서는 개질 아스팔트 시험 적용, 연구 등 적극적인 행동이 필요하다.

3. 개질 아스팔트 구조

개질 아스팔트는 기존의 아스팔트에 고분자(Polymer)를 섞어 아스팔트를 고분자화 시킴으로써 물성을 개선하게 된다.

핵심기술은 어떻게 고분자와 아스팔트간에 결합을 일으키는가에 있다. 단순하게 Polymer를 섞어서는 일부 물성이 향상될 수 있으나, 원하고자 하는 물성을 내기 위하여 많은 양의 Polymer가 투입되어야 하며 층 분리 등이 일어날 수 있다. 국내에서는 플랜트 믹스형태의 개질아스팔트도 많이 사용되고 있으나 이것은 MSCR시험 즉, 피로균열과 소성변형의 예측에서 벗어 날 수 있음을 쉽게 짐작할 수 있다.

미국 AASHTO는 층 분리에 대한 규격도 정해 놓고 있다.

4. 개질 아스팔트의 종류

현재 개질 아스팔트는 여러 가지 제품이 있지만 미국시장을 보면 크게 PMA와 CRM 두개의 시장으로 양분되어 있다. CRM은 Crumb Rubber Modifier의 약자로 폐타이어가 개질재로서 사용된 Wet Process이며 PMA는 기타 Polymer가 투입된 것으로 이해하면 된다.   PMA는 모두 Dry Process로서 골재와 혼합 하기 전에 아스팔트의 성질을 개선한 것이다.  Wet Process는 개질재가 골재와 투입될 때 들어가는 것으로 화학적인 결합이 아닌 물리적인 결합을 이루는 것이 대부분이다.

     개질 아스팔트의 종류는

(1) PMA : SBS, SBR, SB, CR, 등을 개질재로 사용한 것

(2) CRM : 폐타이어를 물리적 결합으로 사용한 것

(3) CMCRA (Chemically Modified Crumb Rubber Asphalt) - 폐타이어를 화학적으로 처리하여 Polymer로 사용한 것.

          (4) 건식제품 : 국내에는 여러 회사에서 판매하고 있다.

1999년 Mohammed 교수에 의해 특허제품으로 폐타이어의 성분을 이용한 PMA가 있다.  이것은 폐타이어를 이용한 기술로 타이어의 성분인 천연고무, SBR등을 Polymer로 사용하고, 타이어 성분 중 Carbon Black, 산화방지제등을 아스팔트에 보강시켜 물성을 최대로 끌어 올린 것으로 자원재활용과 도로의 수명을 연장하는데 획기적인 것으로 받아들여 지고 있다. 이 제품은 HM3 (Hot Mix Maintenance Membrane)라고 하며 국내에서는 대산화학이 RPMA이란 이름으로 생산하였으나 폐타이어에 들어 있는 카본블랙과 같은 불용성분 때문에 발생하는 분리 현상을 막지는 못하기 때문에 현재는 SBS개질 아스팔트로 생산하고 있다.

5. 일반 아스팔트와 개질 아스팔트의 경제성 검토 (SK주식회사 연구보고서 - 2000년대 초반 보고서임)

 1). 공용성 평가

       가. 소성변형 저항성를 이용한 공용성 평가

            일본 개질아스팔트 협회에서 제안하고 있는 수식을 이용하여 전체 공용성을 분석하면 아래와 같다.

1). 계산식

 2) 10년 공용기간 기준 요구 동적안정도