본 연구는 바인더 손상 역학과 혼합물 피로 성능을 연결하는 견고한 교차 규모 프레임워크를 구축하며, 선형 진폭 소사-단순화 점탄성 연속체 손상(LAS–S-VECD) 매개변수가 내구성이 뛰어난 가온 아스팔트 시스템의 예측 및 설계를 위한 신뢰할 수 있고 기계론적 근거가 뒷받침된 기초를 제공함을 입증합니다.
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연구 논문
선형 진폭 소인 시험 및 4점 굽힘 시험 기반의 가열 아스팔트 혼합물 피로 손상에 대한 교차 척도 특성 분석
이 논문에서
요약
초록
피로 균열은 아스팔트 포장의 장기 내구성을 결정짓는 핵심 요인이지만, 온온합제 아스팔트(WMA)의 바인더 피로 거동과 혼합물 피로 성능 사이의 교차 규모(cross-scale) 관계에 대한 이해는 여전히 부족한 실정이다. 본 연구에서는 정량적인 교차 규모 상관관계를 정립하기 위해 바인더와 혼합물 규모 모두에서 WMA의 피로 특성을 체계적으로 조사하였다. 서로 다른 원유 기원의 아스팔트 바인더의 유변학적 특성과 손상 진화를 규명하기 위해 동적 전단 유변계(DSR) 시험과 간소화된 점탄성 연속체 손상(S-VECD) 프레임워크를 이용해 해석한 선형 진폭 소사(LAS) 시험을 수행하였다. 혼합물 규모의 피로 성능은 변형률 제어 4점 굽힘 피로 시험을 통해 평가하였다. 연구 결과, 노화는 바인더 강성을 유의미하게 증가시키고 피로 열화를 가속화하였으며, 장기 노화 후 피로 인자인 G*·sin δ는 약 150–250% 증가하였다. 바인더 규모에서 온온합제 개질의 효과는 바인더의 종류에 따라 강하게 나타났는데, 바인더 A와 B의 경우 손상률 계수가 8–13% 감소한 반면, 바인더 C의 경우 약 11% 증가하였다. sin δ와 같은 전통적인 유변학적 지표는 혼합물 피로 수명을 예측하는 능력이 제한적이며 재료 의존적이었으나, LAS–S-VECD에서 도출된 손상 매개변수들은 혼합물 규모의 피로 성능과 일관되게 강한 상관관계를 보였다. 종합적으로, 본 연구는 LAS–S-VECD 기반의 바인더 손상 특성 규명이 혼합물 피로 저항성을 예측하는 강력한 근거를 제공하며, 내구성과 지속 가능성이 뛰어난 WMA 포장을 위한 성능 기반 혼합물 설계에 적용될 수 있음을 입증한다.
서론
전통적인 아스팔트 포장 공사는 일반적으로 160 °C에서 180 °C 범위의 고온 공정에 의존하며, 고무 아스팔트나 고성능 폴리머 개질 비투멘과 같은 개질 바인더의 경우 190 °C를 초과합니다. 강교 상판 포장을 포함한 특수 응용 분야에서는 현장 혼합물 포설 온도가 200 °C를 넘을 수 있습니다1. 이러한 극한의 열 조건은 상당한 화석 연료 소비를 초래하고, 온실가스와 벤젠 가용성 화합물 및 발암성 다환 방향족 탄화수소(예: benzo[a]pyrene)가 풍부한 유해 아스팔트 흄을 포함한 심각한 대기 배출물을 생성합니다2,3. 이전 연구들은 아스팔트 생산 및 다짐 온도를 낮추면 연료 소비, CO₂ 배출 및 아스팔트 흄에 대한 직업적 노출을 줄일 수 있음을 일관되게 보여주었으며, 이러한 이점의 정도는 혼합물 유형, 플랜트 구성, 첨가제 투입량 및 현장 시공 조건에 따라 달라집니다. 최근 연구들은 다양한 개질 및 서비스 조건 하에서의 아스팔트 성능에 대한 이해를 더욱 넓혔습니다. 아스팔트 혼합물에 칼슘 리그노설포네이트를 도입하면 산화 반응을 억제하고 아스팔트 바인더의 콜로이드 구조를 안정화하여 열산화 노화를 효과적으로 지연시킬 수 있다는 것이 보고되었습니다.
파괴 거동 측면에서, 순수 Mode I 및 Mode II 하중 조건 하의 가열 아스팔트 혼합물(HMA)과 온난 아스팔트 혼합물(WMA)에 대한 연구 결과, 하중 모드가 저온 파괴 인성과 에너지 소산 결정에 결정적인 역할을 한다는 것이 입증되었습니다. 수분 민감성 또한 고무 개질 아스팔트 시스템에서 광범위하게 연구되었으며, 재생 고무 재료가 수분으로 인한 손상 저항성을 향상시키고, 기계적 및 경제적 평가 방법을 결합하여 최적의 고무 함량을 결정할 수 있음이 밝혀졌습니다. 고온 성능과 관련하여, 개질된 SMA(stone matrix asphalt)를 Dynamic Creep 및 Hamburg Wheel Tracking Device 시험으로 평가한 결과, 혼합물 개질이 소성 변형 저항성을 유의미하게 향상시키는 것으로 확인되었습니다. 또한, 재생 첨가제를 포함한 아스팔트 혼합물에 대한 반원형 굽힘(SCB) 기반 연구에서는 Mode I 파괴 저항성과 수분 손상 저항성이 눈에 띄게 개선되었으며, 이는 재생 재료가 피로 및 내구성 성능에 미치는 시너지 효과를 강조합니다. 결과적으로, 저온 아스팔트 기술의 개발은 지속 가능한 도로 건설과 환경 책임형 인프라 시스템을 향한 핵심적인 경로로 부상했습니다.
화학 첨가제, 유기 왁스 또는 발포 기술의 도입을 통해 구현되는 중온 아스팔트(WMA) 기술은 일반적으로 90 °C에서 130 °C 사이의 온도에서 효과적인 혼합물 생산을 가능하게 하며, 이는 기존의 가열 아스팔트(HMA)와 비교하여 30–50 °C 낮아진 온도입니다4. 에너지 수요와 오염 물질 배출을 줄이는 잘 알려진 이점 외에도, WMA는 생산 및 포장 과정에서 아스팔트 바인더의 열산화 노화를 완화하는 데 중추적인 역할을 합니다. 아스팔트 노화는 온도 의존적 화학 반응 속도론의 지배를 받으며, 온도가 10 °C 상승할 때마다 산화 속도는 약 두 배로 증가합니다5,6. 높은 온도는 휘발, 산화 및 중합 반응을 가속화하여 말텐(maltenes)을 단단한 아스팔텐(asphaltenes)으로 점진적으로 변형시키며, 이에 따라 바인더의 강성은 증가하고 연성은 감소합니다7. WMA는 생산 온도를 낮춤으로써 이러한 유해한 반응을 억제하여 바인더의 점탄성을 유지하고 잠재적으로 장기 피로 저항성을 향상시킵니다8.
WMA의 환경적 및 시공성 이점에 대해서는 광범위하게 보고되었으나, 노화 조건하에서의 피로 성능에 대한 체계적인 연구는 상대적으로 제한적인 실정입니다. 특히 Karamay, CNOOC 해상 및 CNPC 원료와 같이 서로 다른 원유 기원에서 유래한 아스팔트 바인더는 아스팔텐 함량, 레진 분포, 방향족 분획 및 포화도 수준을 포함하여 화학적 조성에서 뚜렷한 차이를 보입니다9. 이러한 조성의 차이는 유변학적 거동, 노화 민감도 및 피로 내구성을 결정하는 근본적인 요인으로 널리 인식되고 있습니다10. 그럼에도 불구하고 기존의 피로 연구에서는 원유 기원에 따라 바인더를 구분하는 경우가 드물어, 특히 실제 서비스 조건을 대표하는 누적 노화 하에서 원료 의존적 화학 성분이 피로 성능을 어떻게 제어하는지에 대한 이해가 불충분한 상태입니다11,12. 공학적 관점에서 신뢰할 수 있는 바인더 스케일의 피로 평가 방법은 혼합물 수준의 검증 전 예비 재료 스크리닝, 온합법 첨가제 선택, 노화 민감도 평가 및 품질 관리에 특히 유용할 것입니다. 다만, 골재 입도, 공극률, 바인더-골재 상호작용, 다짐 품질 및 현장 노화 또한 포장 피로 성능에 영향을 미칠 수 있으므로 LAS–S-VECD를 혼합물 피로 시험의 완전한 대체제로 간주해서는 안 됩니다. 또한, 다양한 아스팔트 원료 전반에 걸쳐 바인더 스케일의 피로 지표와 혼합물 스케일의 피로 거동 사이의 관계가 결정적으로 확립되지 않았습니다13. 선형 진폭 소인(Linear Amplitude Sweep, LAS)과 같은 유변학적 시험이 바인더 피로 손상을 특성화하는 데 유망한 결과를 보였으나, 특히 화학적 기원이 서로 다른 바인더에 대한 혼합물 피로 수명 예측 신뢰성은 여전히 충분히 검증되지 않았습니다14. 이러한 단절은 실험실 기반의 성능 예측 정확도를 제한하며, 공학적 실무를 위한 합리적인 재료 선택을 제약합니다15.
이러한 중대한 공백을 해결하기 위해, 본 연구는 세 가지 서로 다른 원유 기원으로부터 유도된 온합제 개질 아스팔트 바인더의 피로 거동에 대해 종합적인 다규모 조사를 수행합니다16. 동적 전단 유변물성 측정기(DSR) 분석, 단순화된 점탄성 연속체 손상(S-VECD) 프레임워크 내의 선형 진폭 스윕(LAS) 시험, 그리고 혼합물 규모의 4점 굽힘 피로 시험을 통합함으로써, 본 연구는 원유 기원, 온합제 개질 및 노화가 피로 저항성에 미치는 영향을 체계적으로 평가합니다17,18,19. 본 연구 결과는 바인더 유변학과 혼합물 성능 사이의 강력한 교차 규모 상관관계를 구축하여 피로 수명 예측을 위한 메커니즘적 근거를 제공하고, 지속 가능한 아스팔트 재료의 설계 및 선택을 위한 실질적인 지침을 제공하는 것을 목표로 합니다.
본 연구는 바인더 규모의 LAS–S-VECD 분석과 혼합물 규모의 4점 굽힘 피로 시험을 통합하여 가온 아스팔트의 교차 규모 피로 특성 분석 프레임워크를 제시합니다. 바인더 수준의 유변학적 평가나 혼합물 수준의 성능 평가 중 어느 하나에만 주로 집중했던 이전 연구들과 달리, 본 연구는 원유 의존적 바인더 화학, 가온 수정 및 노화 조건 하에서의 혼합물 피로 거동 사이의 직접적인 메커니즘적 연결 고리를 구축합니다. 본 연구의 독창성은 세 가지 측면에 있습니다: (i) 피로 성능의 지배 변수로서 원유 기원을 명시적으로 통합하였고, (ii) LAS–S-VECD 손상 진화와 혼합물 피로 수명 사이의 체계적인 교차 규모 상관관계를 분석하였으며, (iii) 바인더와 혼합물 규모 전반에 걸쳐 가온 수정 효과를 통합적으로 평가하였습니다. 연구 결과, LAS–S-VECD 기반의 손상 파라미터가 혼합물 피로 성능의 강력한 예측 인자임을 입증하였으며, 이는 기존의 유변학적 지표보다 메커니즘적으로 더 근거 있는 대안을 제공합니다. 이러한 발견은 지속 가능한 가온 아스팔트 시스템의 성능 지향적 평가 및 설계를 위한 과학적 기반을 마련합니다.
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프로토콜
재료
표 1에 요약된 바와 같이, 본 연구에서 선정된 세 가지 아스팔트 바인더는 서로 다른 원유 공급원에서 유래한 대표적인 포장 바인더이며, 중국의 실제 도로 공학에서 널리 사용되어 왔습니다. Karamay 아스팔트, CNOOC 36-1 아스팔트 및 PetroChina 아스팔트는 원유의 기원, 화학적 조성, 노화 감수성 및 유변학적 특성에서 뚜렷한 차이를 보이며, 이는 유종에 따른 피로 거동을 조사하기 위한 적절한 재료적 기초를 제공합니다. 이러한 선정은 바인더 고유의 조성이 온온합제(warm-mix) 개질의 효과와 혼합물 규모의 피로 성능에 어떠한 영향을 미치는지 비교 평가할 수 있게 하며, 이를 통해 제안된 교차 규모 피로 특성 분석 프레임워크의 공학적 관련성을 높여줍니다. 각 바인더의 세부 지질학적 기원과 화학적 특성은 다음과 같습니다:
바인더 A: 9구역의 중질유 원료에서 유도되었으며, 감압 잔사유와 탈유 아스팔트의 블렌딩 공정을 통해 생산되었습니다. 이 기초 재료는 낮은 파라핀 함량(<2%), 최소한의 황 농도, 그리고 높은 수지 조성 등 독특한 특성을 나타냅니다. 특히, Karamay 아스팔트는 현재 공학적 응용 분야에서 비중이 1 g/cm3 미만인 유일한 포장 바인더이며, 우수한 동점도와 노화 후 뛰어난 연성 유지력을 특징으로 합니다. 이러한 특성으로 인해 일교차가 크고 자외선 노출이 심한 지역에 특히 적합합니다.
바인더 B: 수중 36-1 해상 유전에서 추출한 희귀 중질 원유에서 유래하며, 정제를 통해 56%의 높은 비투멘 수율을 보입니다. 원료는 황 함량이 낮고 나프텐계 기반이며 산가가 높은 중질 원유로 분류되며, 이를 통해 처리된 바인더는 높은 밀도(1.012 g/cm3), 낮은 파라핀 함량(1.8%), 그리고 높은 수지 비율을 갖게 됩니다. 이러한 특성은 바인더에 우수한 저온 유연성을 부여하여 저온 환경 응용 분야에 유리하게 작용합니다.
바인더 C: 주로 베네수엘라 Boscan 중질 원유를 기초 원료로 사용하여 제조되었으며, 특수 정제 공정을 통해 60%의 생산 수율을 달성하였다. 이 원유는 높은 산 함량, 상당한 중금속 농도 및 강한 탄소 잔류물 형성 잠재력을 포함한 독특한 지질화학적 특성을 나타낸다. 해당 바인더는 낮은 포화 탄화수소 분율, 풍부한 레진-아스팔텐 복합체 및 현저히 낮은 파라핀 함량(1.3%)을 특징으로 하는 비전형적인 탄화수소 조성을 보인다.
본 연구에서는 세 가지 기본 아스팔트 바인더를 AO(Karamay), BO(CNOOC 36-1), CO(PetroChina)로 지정하였다. 이에 대응하는 WMA 바인더는 Evotherm M1 첨가제를 혼입하여 각각 AP, BP, CP로 명명하여 제조하였다.20침입도, 연화점 및 연성을 포함한 종합 성능 지표를 JTG E20-2011 표준에 따라 시험하였다.21 상세한 비교 데이터가 제시된 사양서 표 1모든 실험 절차는 도로공학 아스팔트 및 역청 혼합물 기술 사양서에 기술된 표준 프로토콜을 엄격히 준수하여 수행되었습니다.
| 프로젝트 | 단위 | 카라마이 | CNOOC | 중국석유천연가스공사 |
| 침투 | 0.1 mm (15 °C) | 22 | 22 | 24 |
| 0.1 mm (25 °C) | 72 | 68 | 71 | |
| 0.1 mm (30 °C) | 112 | 110 | 116 | |
| 주연구자 | － | -1.14 | -1.2 | -0.81 |
| TR&B | °C | 46 | 46.5 | 47.5 |
| 동점도(60 °C) | Pa·s | 223.5 | 230 | 256.9 |
| 연성 (10 °C, 5 cm/min) | cm | >100 | >100 | 52 |
| 왁스 함량 | % | 1.9 | 1.8 | 1.3 |
| 인화점 (COC) | ℃ | 278 | 287 | 312 |
| 용해도 | % | 99.5 | 99.7 | 99.8 |
| 밀도 (15 °C) | g/cm³ | 0.977 | 1.012 | 1.049 |
| 실시간 푸리에 변환 광학 토모그래피(RT-FOT) | 품질 변화 (%) | 0.05 | 0.06 | -0.07 |
| 잔류 관통률 (%) | 66.2 | 67.4 | 64.8 | |
| 잔류 연성(10 °C,cm) | 13 | 12 | 9 |
표 1: 역청 결합재의 주요 기술적 매개변수. 표 1은 역청 결합재의 기본 특성과 내구성을 평가하기 위해 물리적 성질, 온도 감수성, 유변학적 특성 및 단기 노화 성능을 포함한 주요 기술적 매개변수를 요약한 것입니다.
WMA 제조 과정은 바인더 변형의 재현성을 보장하기 위해 설계된 엄격하게 제어된 다단계 프로토콜을 포함하였습니다. 먼저 기본 아스팔트 바인더를 강제 대류 오븐에서 135 ± 2 °C로 60분 동안 가열하여 안정적인 용융 상태를 구현하였으며, 이후 열 구배를 제거하기 위해 30분간 평형화 과정을 거쳤습니다. 모든 가열 공정은 온도 조절 중 산화 노화를 최소화하기 위해 질소 보호(유량: 0.5 L/min)가 적용된 밀폐 용기 내에서 수행되었습니다.
그 후, 고전단 공정 전에 계면활성제 상의 초기 분산을 보장하기 위해 Evotherm M1 첨가제를 135 ± 2 °C에서 300 rpm으로 5분 동안 지속적으로 기계적 교반하여 혼합하였습니다. 이어서 외부 오일 배스 온도 제어 시스템(정확도 ±1 °C)을 사용하여 바인더 온도를 135–140 °C 범위 내로 유지하면서, 로터-스테이터 균질기를 사용하여 3000 rpm으로 25분 동안 고전단 혼합을 수행하였습니다. 전체 혼합 과정 동안 바인더 매트릭스에 삽입된 교정된 K-형 열전대를 사용하여 온도를 지속적으로 모니터링하였으며, ±2 °C를 초과하는 변동이 발생하면 자동으로 가열 조정이 이루어지도록 하였습니다. 변성 바인더는 이후 시험 또는 단기 보관 전에 5 °C/min의 속도로 25 °C까지 제어 냉각 과정을 거쳤습니다. 전단 프로토콜 설계는 아스팔트 바인더의 점도-온도 관계를 따랐으며, 이를 통해 모든 시료가 유사한 전단 이력 조건에서 준비되도록 하였습니다. 이러한 엄격한 열-기계적 제어는 높은 재현성을 보장하고 WMA 바인더 제조 시의 변동성을 최소화합니다.
동적 전단 유변물성 측정기 (DSR) 시험
따뜻한 혼합 첨가제로 개질된 아스팔트 바인더의 유변학적 응답 및 피로 관련 특성을 분석하기 위해, ASTM D717522에 따라 온도 제어 회전형 유변물성 측정기를 사용하여 동적 전단 유변물성 측정기 (DSR) 시험을 수행하였습니다. 유변학적 평가는 아스팔트 포장의 균열 발생 및 진전과 밀접한 관련이 있는 중간 온도 피로 거동에 중점을 두었습니다.
바인더 수준에서 피로 민감도의 지표로 널리 인정되는 피로 인자 G*sin δ23를 채택하여, 중온 아스팔트 개질 및 노화로 인해 유도된 점탄성 소산 거동의 변화를 정량화하였다. 온도 소입 시험은 58–82 °C 범위에서 6 °C의 온도 증분으로 수행되었다. 각 목표 온도에서, 열적 안정성을 확보하기 위해 데이터 수집 전 시편을 10 min 동안 평형 상태로 유지하였다. 노화가 유변학적 특성에 미치는 영향을 조사하기 위해, 바인더 시편을 미노화, 회전 박막 가열 시험(RTFOT) 노화, 그리고 RTFOT 및 가압 노화 용기(PAV) 복합 노화의 세 가지 노화 조건에 노출시켰다 24. 이러한 노화 프로토콜은 생산 및 포장 중의 단기 노화와 도로 공용 중의 장기 노화를 모의하도록 설계되었다. 서로 다른 바인더의 피로 저항성을 평가하기 위해 온도 및 노화 조건에 따른 G*sin δ의 변화를 분석하였다.
각 DSR 시험 전, 평행 플레이트 사이에 시편을 안착시킨 후 가장자리 프로파일이 균일하도록 바인더 시편을 정밀하게 다듬었습니다. 시편은 측정 전 목표 온도에서 10 min 동안 컨디셔닝되었습니다. 시험은 58–82 °C 범위에서 6 °C 간격으로 수행되었습니다. 측정된 토크와 변위가 기기의 권장 작동 범위 내에 유지되고, 시편의 눈에 띄는 미끄러짐이 발생하지 않았을 때 유효한 시험으로 확인하였습니다.
선형 진폭 스윕(LAS) 시험
점탄성 거동 특성 분석은 동적 기계적 분석에 관한 ASTM D7175 규격에 따라 수행되었습니다25. 실험 방법론에는 선형 점탄성 경계를 설정하기 위한 변형 진폭 스윕이 포함되었으며, 이후 10 rad/s에서 주파수 제어 시험을 실시하였습니다26. 온도 의존적 평가는 아스팔트 포장의 운용 온도 범위(58–82°C)를 대상으로 하였으며, 6°C 간격으로 수행하고 각 등온 구간에서 열평형을 위해 10분간 대기하였습니다. 바인더의 손상 누적량을 소산 에너지 진화로 정량화하기 위해 AASHTO T391 프로토콜을 적용하였으며, 특히 반복 하중 중 점탄성 소산 인자(|G*|sin δ)를 모니터링하였습니다 27,28. 역청질 복합재의 열화 패턴을 예측하기 위해 단순화된 점탄성 연속체 손상(S-VECD) 프레임워크를 채택하였습니다29. LAS 프로토콜은 10 Hz의 고정 주파수에서 진동 진폭 스윕을 수행하며, 0.1%의 분해능 간격으로 0.1%에서 30%까지 제어된 변형 progression을 적용합니다.
다음 식을 사용하여 주요 점탄성 파라미터를 도출하였습니다:
log G "(ω) = m (log ω) + b (1)
G'(ω) = G* (ω) × cosδ (ω) (2)
(3)
여기서 G''(ω)는 손실 탄성률, ω 는 각주파수, m 과 b는 피팅 계수, G'(ω) 는 저장 탄성률, G*(ω) 는 복소 탄성률, δ(ω)는 위상각이며, 이는 점탄성 지수입니다.
손상 정량화에는 식 (4)에 표현된 기본 관계식이 사용되었습니다:
(4)
공식에서: C(t)—무결성 파라미터, C(t)=G^* (t)/G^* (Initial), G^*- 복소 탄성률 (MPa);
γ_0—변형률 적용 (%);
t—시험 시간 (s)
손상 지표 D(t) 및 구조적 무결성 계수 C(t)의 시간적 진화는 멱법칙 구성 관계(Yuan 2024)를 통해 수학적으로 매개변수화됩니다:
C(t) = C0 - C1 × DC2 (5)
공식에서: C0는 초기 무결성 파라미터(통상적으로 1과 같음)를 나타내며, C1, C2는 피팅 파라미터입니다.
전단 응력 피크 지점의 개념을 사용하여 피로 손상 값을 계산하십시오:
(6)
Cpeak은 최대 전단 응력 지점에 해당하는 무결성 파라미터입니다.
피로 수명 계산 공식은 다음과 같습니다:
Nf = A(γmax)-B (7)
공식에서: A, B—피로 관련 계수,
A = f × (Df)[1 + (1 - C2 )a] / {[1 + (1 - C2 )a] × (πC1 C2 )a} (8)
B=2a, f-로딩 주파수;
γmax — 예상 최대 변형률 수준 (%)
실험 결과의 신뢰성과 재현성을 보장하기 위해, 모든 바인더 규모 및 혼합물 규모 테스트는 조건당 최소 3회의 독립적인 반복 실험(n = 3)으로 수행되었습니다. 보고된 결과는 반복 측정값의 평균값을 나타냅니다. 실험 데이터의 변동성은 표준 편차(SD)를 사용하여 평가하였으며, 통계적 분산을 반영하기 위해 모든 관련 그림에 오차 막대를 표시하였습니다. LAS–S-VECD 파라미터, DSR 유변학적 지표 및 4점 굽힘 테스트의 피로 수명에 대해서는 데이터 일관성을 평가하기 위해 변동 계수(COV)를 추가로 산출하였습니다.
모든 경우에 있어, 관찰된 경향이 실험적 오차에 의한 것이 아니라 피로 및 유변학적 거동의 통계적으로 유의미한 차이를 나타내는 것인지 확인하기 위해 수정된 바인더와 수정되지 않은 바인더 간의 통계적 차이를 검토하였습니다.
4점 굽힘 피로 시험
바인더 수준의 피로 지표를 검증하고 스케일 간 상관관계를 설정하기 위해, AC-16C 입도30,31를 사용하여 조제된 아스팔트 혼합물을 대상으로 4점 굽힘 피로 시험을 수행하였다. 각 골재 크기의 골재 입도, 겉보기 밀도, 겉보기 비중, 흡수율과 광물질 충전재의 특성은 표 2에 요약되어 있다. 서로 다른 WMA 배합 간의 일관성을 확보하기 위해 모든 혼합물의 아스팔트 함량은 4.8%로 고정하였다.
| 체 사이즈 (mm) | 골재 범주 | 합성 입도 (%) | ||||
| 1# (10~20mm. 29%) | 2# (5~10mm. 29.2%) | 3# (3~5mm. 17%) | 4# (0~3mm. 19%) | 미분말 (5.8%) | ||
| 0.075 | 0 | 0.1 | 0 | 0.9 | 90.8 | 5.5 |
| 0.15 | 0.1 | 0.1 | 0 | 4.9 | 95.3 | 6.5 |
| 0.3 | 0.1 | 0.2 | 0 | 13 | 98.7 | 8.3 |
| 0.6 | 0.1 | 0.2 | 0 | 25.2 | 99.7 | 10.6 |
| 1.18 | 0.1 | 0.2 | 0 | 47.8 | 100 | 15 |
| 2.36 | 0.1 | 0.5 | 0 | 100 | 100 | 25 |
| 4.75 | 0.8 | 15.5 | 98.9 | 100 | 100 | 46.4 |
| 9.5 | 15.2 | 99.5 | 100 | 100 | 100 | 75.2 |
| 13.2 | 68.4 | 99.8 | 100 | 100 | 100 | 90.8 |
| 16 | 94.8 | 100 | 100 | 100 | 100 | 98.5 |
| 19 | 100 | 100 | 100 | 100 | 100 | 100 |
| 겉보기 상대밀도 | 2.899 | 2.918 | 2.845 | 2.754 | 2.872 | 2.865 |
| SSD 상대밀도 | 2.854 | 2.847 | 2.816 | 2.691 | － | 2.814 |
| 벌크 비중 | 2.829 | 2.81 | 2.8 | 2.655 | － | 2.787 |
| 골재 흡수율 (%) | 0.85 | 1.32 | 0.56 | 1.36 | － | － |
표 2: 가온 아스팔트 혼합물의 골재 등급. 표 2는 다양한 골재 분획의 비율, 미분말 함량, 합성 입도 곡선 및 골재의 물리적 특성을 포함한 가온 아스팔트 혼합물의 골재 입도를 나타냅니다. 이 표는 아스팔트 혼합물에 사용된 골재의 설계 입도 분포와 기본 특성을 보여줍니다.
가온 아스팔트(WMA) 혼합물의 피로 내구성을 평가하기 위해 변형률 제어 하중 조건 하에서 Cooper 시험 장치를 사용하여 4점 굽힘 피로 시험을 수행하였다32. 파괴 기준은 휨 강성이 초기 값의 50%로 감소하는 데 필요한 하중 사이클 횟수로 정의하였다. 확립된 시험 프로토콜33에 따라, 15 °C의 등온 조건에서 10 Hz의 주파수로 연속적인 사인파 형태의 반복 하중을 가하였다. 피로 하중 동안 중단 없는 에너지 입력이 이루어지도록 모든 시험은 휴지기 없이 수행되었다34,35.
보 시험편은 표준 치수 요구 사항에 따라 길이 381 ± 6.35 mm, 너비 63.5 ± 6.35 mm, 높이 50.8 ± 6.35 mm로 제작되었습니다3637. 변형률 제어 조건에서, 서로 다른 WMA 배합의 시험편에 대해 이중 로그 좌표계에 피로 특성 곡선을 작성하여 피로 성능을 분석하였습니다38. 이후 멱법칙 구성 관계를 수립하였으며, 비선형 회귀 분석을 사용하여 다양한 아스팔트 혼합물의 피로 데이터를 피팅함으로써 향후 피로 수명 모델링 및 비교 분석을 위한 기초를 마련하였습니다39,40,41. 보 시험편을 4점 굽힘 지그에 대칭으로 장착하였으며, 하중을 가하기 전에 하중 클램프와 시험편 표면 사이의 접촉 상태를 확인하였습니다. 시험은 휴지 시간 없이 10 Hz의 변형률 제어 정현파 하중 하에 15 °C에서 수행되었습니다. 시험 종료점은 휨 강성이 초기 값의 50%로 감소했을 때의 반복 횟수로 정의하였습니다. 파괴가 게이지 구간 내에서 발생하고, 비정상적인 클램프 미끄러짐이나 갑작스러운 비피로 파단이 관찰되지 않은 경우에만 시험이 유효한 것으로 간주하였습니다. 모든 정량적 데이터는 평균 ± 표준 편차(mean ± SD)로 표시되었으며, 별도로 명시되지 않는 한 모든 실험군의 표본 크기는 n = 3입니다.
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결과
WMA의 유변학적 특성
아스팔트-골재 계면 영역은 피로 균열이 시작되는 주요 지점으로 널리 인식되고 있습니다. 이에 따라, 피로 관련 유변학적 매개변수는 G죄송합니다. 제공해주신 텍스트 "*sin"은 번역할 수 있는 완전한 문장이나 과학적 내용이 포함되어 있지 않습니다. 번역이 필요한 소스 텍스트를 제공해 주시면 전문적인 학술 번역을 진행해 드리겠습니다. δ중간 서비스 온도에서 측정된 [해당 값]을 이용하여 가열 아스팔트(WMA) 바인더의 피로 성능을 평가하였다. 그림 1 ~의 변화를 나타냅니다 G죄송합니다. 번역할 소스 텍스트가 제공되지 않았습니다. 번역이 필요한 내용을 입력해 주세요. δ Asphalt A, Asphalt B 및 Asphalt C의 원본 바인더와 온온합 혼합(warm-mix) 수정 바인더에 대하여. 모든 정량적 결과는 3회 반...
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토론
본 연구는 바인더 수준의 Linear Amplitude Sweep (LAS) 시험을 Simplified Viscoelastic Continuum Damage (S-VECD) 모델 및 혼합물 수준의 4점 굽힘 피로 시험과 통합하여, 아스팔트 바인더의 손상 진화와 혼합물의 피로 성능 사이의 메커니즘적 연결 고리를 설정하는 교차 스케일 피로 평가 프레임워크를 제안합니다. G*·sin δ와 같은 경험적 유변학적 지표에 주로 의존하는 기존의 피로 평가 방식과 달리, 제안된 프레임워크는 연속체 손상 역학에서 도출된 손상 관련 파라미터를 활용하여 반복 하중 하에서 아스팔트 바인더의 고유한 열화 거동을 특성화합니다. 또한 아스팔트의 원유 기원을 영향 요인으로 포함함으로써, 본 연구는 온합제(warm-mix) 개질의 효과가 보편적인 것이 아니라 베이스 바인더의 화학적 조성과 콜로이드 구조에 크게 의존한다는 점을 입증합니다. 이러한 발견은 원유 기원, 온합제 첨가제, 노화 민감도 및 피로 저항성 간의 상호작용에 대한 새로운 통찰을 제공하며, 이를...
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공개 사항
저자들은 이해 상충이 없음을 선언합니다.
감사의 글
주요 R&D 프로젝트를 지원해주신 Zhejiang Provincial Department of Transportation에 감사드립니다. 본 연구는 Zhejiang Provincial Department of Transportation의 주요 R&D 프로젝트(ZJXL-SJT-202316A)의 지원을 받아 수행되었습니다.
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재료
| 이름 | 회사 | 카탈로그 번호 | 댓글 |
|---|---|---|---|
| 바인더 A / AO, Karamay 아스팔트 | 중국 Karamay 원유 기원 | 해당 없음 | 기본 아스팔트 바인더 |
| 바인더 B / BO, CNOOC 36-1 아스팔트 | 중국 CNOOC 36-1 해양 원유 기원 | 해당 없음 | 기본 아스팔트 바인더 |
| 바인더 C / CO, PetroChina 아스팔트 | PetroChina / 베네수엘라 Boscan 원유 기반 기원 | 해당 없음 | 기본 아스팔트 바인더 |
| Evotherm M1 온온믹스 첨가제 | Ingevity / MeadWestvaco | Evotherm M1 | WMA 바인더 조제를 위한 온온믹스 첨가제 |
| 동적 전단 레오미터 (Dynamic Shear Rheometer) | Malvern | Kinexex DSR+ | DSR 온도 스윕 및 LAS 테스트에 사용 |
| 회전 박막 오븐 시험기 (Rolling Thin Film Oven Test device) | Shanghai Changji | SYD-0610 | 단기 노화에 사용 |
| 가압 노화 용기 (Pressure Aging Vessel) | InstroTek | PAV-9300 | 장기 노화에 사용 |
| 4점 굽힘 피로 시험 시스템 | Cooper Research Technology | SA4PT | 변형률 제어 혼합물 피로 시험에 사용 |
| S-VECD 분석 프레임워크 | 데이터 분석 | 해당 없음 | LAS 유도 손상 파라미터 계산에 사용 |
| 데이터 분석 소프트웨어 | Origin | OriginPro 2024 | 회귀 피팅, 상관관계 분석 및 플로팅에 사용 |
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