선형 진폭 소인 시험 및 4점 굽힘 시험 기반의 가열 아스팔트 혼합물 피로 손상에 대한 교차 척도 특성 분석

요약

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.

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 생성합니다^2,3. 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 증가합니다^5,6. 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 상태입니다^11,12. 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 평가합니다^17,18,19. 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.

프로토콜

재료
표 1에 요약된 바와 같이, 본 연구에서 선정된 세 가지 아스팔트 바인더는 서로 다른 원유 기원에서 유래한 대표적인 포장용 바인더이며, 중국의 실제 도로 공학에서 널리 사용되어 왔습니다. Karamay 아스팔트, CNOOC 36-1 아스팔트 및 PetroChina 아스팔트는 원유 기원, 화학적 조성, 노화 민감도 및 유변학적 특성에서 뚜렷한 차이를 보여, 석유 기원에 따른 피로 거동을 조사하기 위한 적절한 재료적 기초를 제공합니다. 이러한 선택을 통해 고유한 바인더 조성이 온합성 개질의 효과와 혼합물 규모의 피로 성능에 어떠한 영향을 미치는지 비교 평가할 수 있으며, 이를 통해 제안된 교차 규모 피로 특성 분석 프레임워크의 공학적 관련성을 높일 수 있습니다. 각 바인더의 상세한 지질학적 기원 및 화학적 특성은 다음과 같습니다.

바인더 A: 9구역의 중질유 원료로부터 유도되었으며, 감압 잔사유와 탈유 아스팔트의 블렌딩 공정을 통해 생산되었습니다. 이 기초 재료는 낮은 파라핀 함량(<2%), 최소한의 황 농도, 높은 수지 조성을 포함한 독특한 특성을 나타냅니다. 특히, Karamay 아스팔트는 현재 공학적 응용 분야에서 비중이 1 g/cm³ 미만인 유일한 포장 바인더이며, 우수한 동점도와 노화 후의 탁월한 연성 유지력을 특징으로 합니다. 이러한 특성으로 인해 일교차가 크고 강한 자외선 노출이 발생하는 지역에 특히 적합합니다.

바인더 B: 수중 36-1 해상 유전에서 추출한 희귀 중질 원유에서 유래하였으며, 정제를 통해 56%의 높은 비튜멘 수율을 보입니다. 원료는 황 함량이 낮고 나프텐계 기반의 고산가 중질 원유로 분류되며, 그 결과 처리된 바인더는 높은 밀도(1.012 g/cm³), 낮은 파라핀 함량(1.8%) 및 높은 수지 비율을 갖게 됩니다. 이러한 특성 덕분에 바인더는 우수한 저온 유연성을 가지며, 이는 추운 환경의 응용 분야에 유리하게 작용합니다.

바인더 C: 주로 베네수엘라 Boscan 중질 원유를 기본 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 잠재력 등 독특한 지질 화학적 특성을 나타낸다. 해당 바인더는 낮은 포화 탄화수소 분율, 풍부한 레진-아스팔텐 복합체 및 매우 낮은 파라핀 함량(1.3%)을 특징으로 하는 비전형적인 탄화수소 조성을 보인다.

본 연구에서 세 가지 기본 아스팔트 바인더는 각각 AO (Karamay), BO (CNOOC 36-1), CO (PetroChina)로 지정되었습니다. 이에 대응하는 WMA 바인더는 Evotherm M1 첨가제를 혼합하여 준비하였으며, 각각 AP, BP, CP로 코드화하였습니다²⁰. 침입도, 연화점, 신율을 포함한 종합 성능 지표를 JTG E20-2011²¹ 사양에 따라 테스트하였으며, 상세한 비교 데이터는 Table 1에 제시되어 있습니다. 모든 실험 절차는 고속도로 공학 아스팔트 및 비투먼 혼합물 기술 사양에 명시된 표준 프로토콜을 엄격히 준수하였습니다.

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(RTFOT)	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: 역청질 바인더의 주요 기술적 매개변수. 표 1은 역청질 바인더의 기본 특성과 내구성을 평가하기 위한 물리적 성질, 온도 감수성, 유변학적 특성 및 단기 노화 성능을 포함한 주요 기술적 매개변수를 요약한 것입니다.

WMA 제조 과정은 바인더 개질의 재현성을 보장하기 위해 설계된 엄격하게 제어된 다단계 프로토콜을 포함하였습니다. 먼저 기초 아스팔트 바인더를 강제 대류 오븐에서 135 ± 2 °C로 60분 동안 가열하여 안정적인 용융 상태를 유도한 후, 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 가공 전 계면활성제 상의 초기 분산을 보장하기 위해 135 ± 2 °C에서 300 rpm으로 5분 동안 지속적으로 기계적 교반을 하며 Evotherm M1 첨가제를 혼합하였습니다. 이어서, 외부 오일 배스 온도 제어 시스템(정확도 ±1 °C)을 사용하여 바인더 온도를 135–140 °C 범위 내로 유지하면서, 로터-스테이터 균질기(rotor–stator homogenizer)를 이용해 3000 rpm으로 25분 동안 고전단 혼합을 수행하였습니다. 전체 혼합 과정 동안, 바인더 매트릭스에 삽입된 교정된 K-type 열전대를 사용하여 온도를 지속적으로 모니터링하였으며, ±2 °C를 초과하는 온도 변동이 발생하면 자동으로 가열 조정이 이루어지도록 하였습니다. 이렇게 수정된 바인더는 이후 시험이나 단기 보관 전까지 5 °C/min의 속도로 25 °C까지 제어 냉각 절차를 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 레오미터(DSR) 시험
온성 혼합 첨가제로 개질된 아스팔트 바인더의 레올로지 응답 및 피로 관련 특성을 분석하기 위해, ASTM D7175²²에 따라 온도 조절 회전형 레오미터를 사용하여 동적 전단 레오미터(DSR) 시험을 수행하였습니다. 레올로지 평가는 아스팔트 포장의 균열 발생 및 진전과 밀접한 관련이 있는 중온 피로 거동에 중점을 두어 진행되었습니다.

결합재 수준에서의 피로 민감도 지표로 널리 알려진 피로 인자 G*sin δ²³를 도입하여, 온온합제(warm-mix) 개질 및 시효로 인해 유도된 점탄성 소산 거동의 변화를 정량화하였다. 온도 소이(temperature sweep) 시험은 58–82 °C 범위에서 6 °C 간격으로 수행되었다. 열적 안정성을 확보하기 위해 각 목표 온도에서 데이터 수집 전 10분 동안 시편을 평형 상태로 유지하였다. 시효가 유변학적 특성에 미치는 영향을 조사하기 위해, 결합재 시편을 미시효, 회전 박막 가열 시험(RTFOT) 시효, 그리고 RTFOT와 가압 시효 용기(PAV) 시효를 병행한 세 가지 시효 조건에 노출시켰다²⁴. 이러한 시효 프로토콜은 생산 및 포설 과정에서의 단기 시효와 포장 도로 운영 중의 장기 시효를 모사하도록 설계되었다. 온도 및 시효 조건에 따른 G*sin δ의 변화를 분석하여 서로 다른 결합재의 피로 저항성을 평가하였다.

매 DSR 시험 전, 균일한 가장자리 프로파일을 확보하기 위해 평행 플레이트 사이에 시편을 장착시킨 후 바인더 시편의 가장자리를 세심하게 다듬었습니다. 시편은 측정 전 목표 온도에서 10 min 동안 컨디셔닝되었습니다. 시험은 6 °C 간격으로 58–82 °C 범위에서 수행되었습니다. 측정된 토크와 변위가 장비의 권장 작동 범위 내에 있고 시편의 가시적인 미끄러짐이 발생하지 않았을 때 유효한 시험으로 확인하였습니다.

선형 진폭 소인(LAS) 시험
점탄성 거동 특성 분석은 동적 기계 분석에 관한 ASTM D7175 규격에 따라 수행되었다²⁵. 실험 방법론에는 선형 점탄성 경계를 설정하기 위한 변형 진폭 소인이 포함되었으며, 이후 10 rad/s에서 주파수 제어 시험을 실시하였다²⁶. 온도 의존성 평가는 아스팔트 포장의 운용 온도 범위(58–82°C)에서 수행되었으며, 6°C 간격으로 온도를 조절하고 각 등온 구간에서 열평형을 위해 10분간 대기하였다. AASHTO T391 프로토콜을 사용하여 소산 에너지의 진화를 통해 바인더의 손상 누적량을 정량화하였으며, 특히 반복 하중 동안의 점탄성 소산 인자(|G*|sin δ)를 모니터링하였다 ^27,28. 역청질 복합체의 열화 패턴을 예측하기 위해 단순화된 점탄성 연속체 손상(S-VECD) 프레임워크를 채택하였다²⁹. LAS 프로토콜은 10 Hz의 고정 주파수에서 진동 진폭 소인을 수행하며, 0.1% 분해능 증분으로 0.1%에서 30%까지 제어된 변형 진전도를 적용한다.

주요 점탄성 파라미터는 다음 식을 사용하여 도출되었습니다:

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, 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—인가 변형률 (%);
t—시험 지속 시간 (s)

손상 지표 D(t) 및 구조적 무결성 계수 C(t)의 시간적 진화는 거듭제곱 법칙 구성 관계(Yuan 2024)를 통해 수학적으로 매개변수화됩니다:

C(t) = C₀ - C₁ × D^C₂ (5)

공식에서: C0​은 초기 무결성 매개변수(통상적으로 1과 같음)를 나타내며, C1과 C2는 피팅 매개변수입니다.

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:

N_f = A(γ_max)^-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-부하 빈도;
γ_max — 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 지수 및 4점 굽힘 테스트의 피로 수명에 대해서는 데이터 일관성을 평가하기 위해 변동 계수(COV)를 추가로 계산하였습니다.

모든 경우에 대해, 관찰된 경향이 실험적 편차에 의한 것이 아니라 피로 및 유변학적 거동에서 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 척도 간 상관관계를 설정하기 위해, AC-16C 입도^30,31를 사용하여 제조된 아스팔트 혼합물을 대상으로 4점 굽힘 피로 시험을 수행하였다. 각 골재 크기의 입도, 겉보기 밀도, 겉보기 비중, 흡수율 및 미분말의 특성은 표 2에 요약되어 있다. 서로 다른 WMA 배합 간의 일관성을 확보하기 위해 모든 혼합물의 아스팔트 함량은 4.8%로 고정하였다.

체 크기 (mm)	골재 분류					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 상대 밀도	2.899	2.918	2.845	2.754	2.872	2.865
표면건조 포화상태 상대 밀도	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: 가열 혼합 아스팔트 혼합물의 골재 등급. 표 2는 다양한 골재 분획의 비율, 광분말 함량, 합성 입도 곡선 및 골재의 물리적 특성을 포함하여 가열 혼합 아스팔트 혼합물의 골재 입도를 나타냅니다. 이 표는 아스팔트 혼합물에 사용된 골재의 설계 입도 분포와 기본 특성을 보여줍니다.

온합합성 아스팔트(WMA) 혼합물의 피로 내구성을 평가하기 위해 변형률 제어 하중 조건 하에서 Cooper 시험 장치를 사용하여 4점 굽힘 피로 시험을 수행하였습니다³². 파괴 기준은 휨 강성이 초기 값의 50%로 감소하는 데 필요한 하중 사이클 수로 정의되었습니다. 확립된 시험 프로토콜³³에 따라, 15 °C의 등온 조건에서 10 Hz의 주파수로 연속적인 사인파 형태의 반복 하중을 가하였습니다. 피로 하중 동안 중단 없는 에너지 입력을 보장하기 위해 모든 시험은 휴지기 없이 수행되었습니다^34,35.

보 시편은 길이 381 ± 6.35 mm, 너비 63.5 ± 6.35 mm, 높이 50.8 ± 6.35 mm의 표준 치수 요구 사항에 따라 제작되었습니다³⁶³⁷. 변형 제어 조건 하에서, 서로 다른 WMA 배합 시편들에 대해 이중 로그 좌표계에서 피로 특성 곡선을 작성하여 피로 성능을 특성화하였습니다³⁸. 이어서 멱법칙 구성 관계를 수립하고, 비선형 회귀 분석을 통해 다양한 아스팔트 혼합물의 피로 데이터를 피팅함으로써 향후 피로 수명 모델링 및 비교 분석의 기초를 마련하였습니다^39,40,41. 보 시편을 4점 굽힘 고정 장치에 대칭으로 장착하였으며, 하중을 가하기 전 하중 클램프와 시편 표면 사이의 접촉 상태를 확인하였습니다. 시험은 휴지 기간 없이 10 Hz의 변형 제어 정현파 하중 하에 15 °C에서 수행되었습니다. 시험 종료 시점은 휨 강성이 초기 값의 50%로 감소했을 때의 반복 횟수로 정의하였습니다. 파손이 표점 구간 내에서 발생하고, 비정상적인 클램프 미끄러짐이나 갑작스러운 비피로 파괴가 관찰되지 않은 경우에만 시험이 유효한 것으로 간주하였습니다. 별도의 명시가 없는 한 모든 정량적 데이터는 평균 ± 표준 편차(mean ± SD)로 표시되었으며, 모든 실험군의 표본 크기는 n = 3이었습니다.

결과

WMA의 유변학적 특성
아스팔트-골재 계면 영역은 피로 균열이 시작되는 주요 지점으로 널리 인식되고 있습니다. 이에 따라, 피로 관련 유변학적 파라미터는 G*sin δ중간 서비스 온도에서 측정된 이를 사용하여 가온 아스팔트(WMA) 바인더의 피로 성능을 평가하였다. 그림 1 ~의 변화를 보여줍니다 G*sin δ Asphalt A, Asphalt B 및 Asphalt C의 원본 바인더와 온합합(warm-mix) 개질 바인더에 대하여. 모든 정량적 결과는 평균값으로 표시되었다. ± 3회 반복 측정값에 기반한 표준편차(SD) (n = 3). 동일 온도에서 기존 바인더와 온온합제(warm-mix) 수정 바인더 간의 통계적 비교는 독립표본 t-검정을 사용하여 수행하였으며, 차이는 다음 수준에서 유의미한 것으로 간주하였다. p < 0.05. ~에서 보여지는 바와 같이 그림 1, G*sin δ 모든 아스팔트 바인더에서 온도가 상승함에 따라 지속적으로 감소하며, 이는 중간 온도 영역이 높을수록 피로 관련 강성이 감소함을 나타냅니다. 아스팔트 A의 경우, AP는 현저히 더 높은 G*sin δ 16–25의 테스트 온도 범위 전체에서 AO보다 높은 값 ˚ C (p = 0.025 (범위: 0.018–0.032))이며, 7685에서 감소함 ± 126에서 2480까지 ± 84 kPa이며, 반면 AO는 5580에서 감소합니다. ± 112에서 1535까지 ± 76 kPa. 마찬가지로, 혈압(BP)은 유의하게 더 높은 G*sin δ BO 값은 22에서 28 사이의 값보다 (p = 0.021 (범위: 0.011–0.027))였으며, BP는 7980에서 감소함에 따라 ± 138에서 3985까지 ± 105 kPa 및 6120부터 감소하는 BO ± 120에서 1725까지 ± 82 kPa였습니다. 이러한 결과는 온합법 첨가제가 아스팔트 A와 B의 피로 계수를 증가시키며, 이는 더 큰 점성 에너지 소산과 바인더 수준에서 잠재적으로 더 높은 피로 민감도로 이어진다는 것을 시사합니다. 반면, 아스팔트 C는 CO와 CP 사이에 약간의 차이만 보였습니다. 동일 온도에서 CP가 CO보다 아주 약간 더 높았으나, 대부분의 온도에서 그 차이는 통계적으로 유의미하지 않았습니다.p = 0.086–0.214). 구체적으로, CP는 13.420에서 감소합니다. ± 185에서 4420까지 ± 96 kPa이며, CO는 13.080에서 감소합니다. ± 172에서 4350까지 ± 91 kPa로, 이는 온온합 첨가제가 Asphalt C의 피로 관련 유변학적 거동에 제한적인 영향을 미친다는 것을 나타냅니다. 전반적으로 세 가지 바인더는 온온합 개질에 대해 서로 다른 반응을 보였으며, 이는 피로 성능에 미치는 아스팔트 원료의 영향을 반영합니다. Asphalt A와 B는 온온합 첨가제에 더 민감하게 반응한 반면, Asphalt C는 개질 후에도 상대적으로 안정적인 피로 저항성을 유지하였습니다.

반면, Asphalt C는 중온 가열 혼합 개질 후 G*sin δ에 유의미한 변화가 나타나지 않았으며, 이는 중온 가열 첨가제가 해당 아스팔트의 피로 관련 유변학적 특성에 제한적인 영향만을 미친다는 것을 나타냅니다. 이러한 관찰 결과는 Asphalt C의 고유한 화학적 조성이 점탄성 반응을 지배하며, 이로 인해 첨가제 개질에 대한 피로 관련 파라미터의 민감도가 낮아짐을 시사합니다. 이러한 결과는 중온 가열 개질 효과가 원유 공급원에 따라 달라지는 특성이 있음을 강조합니다. 온도 소掃(Temperature sweep) 결과, 테스트한 모든 바인더에서 일관된 유변학적 경향이 나타났습니다. 온도가 상승함에 따라 소성 변형 인자인 G*/sin δ는 지속적으로 감소하고 위상각 δ는 점진적으로 증가하여, 점성 지배적 거동으로의 점진적인 전이를 보여줍니다. 온도가 높아지면 바인더 내의 분자 운동이 활발해지고 탄성 구조가 약화되어 변형에 대한 저항성이 감소합니다. 반대로, 노화 정도가 심해질수록 G*/sin δ 값은 높아지고 위상각은 낮아지는데, 이는 노화로 인한 경화로 인해 강성과 탄성 반응이 향상되었음을 반영합니다.

그림 1피로 계수 (G*sin δ온도의 함수로서 다양한 아스팔트 바인더의 ) (A) 아스팔트 A (카라마이); (B) 아스팔트 B (CNOOC 36-1); (C) 아스팔트 C (PetroChina/베네수엘라 Boscan). AO, BO, CO는 원래의 아스팔트 바인더를 나타내며, AP, BP, CP는 각각 그에 대응하는 중온 아스팔트 바인더를 나타낸다. G*sin δ 모든 바인더에서 온도가 상승함에 따라 감소하는 반면, 가열 혼합물 개질의 영향은 바인더 소스에 따라 다르게 나타납니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

이러한 유변학적 변화는 열-산화 노화 과정 중 아스팔트 바인더의 조성 변화에 기인한 것으로 볼 수 있습니다. 저분자량 성분들이 산화 및 중합 반응을 통해 점차 고분자량 구조로 변환되면서 복소 전단 탄성 계수 G*가 증가하게 됩니다. 동시에, 극성 산화 생성물의 축적은 탄성 에너지 저장 능력을 향상시키며, 이는 위상각의 감소로 나타납니다. 노화가 진행됨에 따라 바인더는 온도 변화에 더욱 민감해지며, 피로 관련 유변학적 파라미터의 온도 의존성이 더욱 뚜렷해집니다.

종합적으로, 본 결과는 중온 가열 방식의 개질이 바인더의 피로 관련 유변학적 특성에 미치는 영향이 원유의 기원에 크게 의존한다는 것을 보여준다. 중온 가열 첨가제가 특정 바인더의 점탄성 소산 거동을 변화시키기는 하지만, 그 효과는 베이스 아스팔트의 고유 성분과 노화 특성에 의해 제한된다. 이러한 발견은 DSR 기반의 피로 인자를 해석하고 중온 가열 아스팔트 바인더의 피로 성능을 평가할 때, 원유 기원별 특성을 고려해야 할 필요성을 강조한다. 노화와 관련된 G의 증가...·죄 δ ~에 요약된 가공되지 않은 DSR 데이터를 사용하여 정량화하였다. 그림 1. 백분율 변화는 그에 대응하는 미노화 바인더 조건에 대비하여 계산되었다.

선형 진폭 스윕
S-VECD 프레임워크에서 도출된 주요 매개변수가 표 3에 요약되어 있습니다. 무결성 지수 C는 반복적인 기계적 하중 하에서 아스팔트 바인더의 점진적인 열화를 정량적으로 나타내며, C = 1은 손상이 없는 초기 상태를, C = 0은 완전한 구조적 파괴를 의미합니다. 또한, 회귀 계수 C₁ 과 C₂는 손상이 증가함에 따른 재료 무결성의 변화를 설명합니다. C₁ 및 C₂ 값이 낮을수록 동일한 손상 수준에서 구조적 안정성이 향상됨을 나타내며, 이는 바인더 규모에서의 피로 저항성 향상과 직접적으로 연관됩니다. 표 3에서 보듯, 노화는 일반적으로 C₁을 증가시키고 C₂를 감소시키며, 이는 바인더의 무결성 진화와 피로 저항성이 악화됨을 시사합니다. Karamay 아스팔트는 C₁ 값이 가장 낮고 C₂ 값이 상대적으로 높아 손상 누적에 대해 가장 높은 저항성을 보인 반면, CNPC 아스팔트는 반대 경향을 보여 피로 성능이 더 낮음을 나타냅니다.

아스팔트 유형	α	C₀	C₁	C₂	A	B
카라마이	1448855	1	0.0144	0.7346	2.93 × 10⁵	2.90 × 10⁶
노령의 카라마이	1434103	1	0.0132	0.7412	3.00 × 10⁵	2.87 × 10⁶
CNOOC	1415228	1	0.0178	0.7112	2.25 × 10⁵	2.83 × 10⁶
노화된 CNOOC	1400364	1	0.0155	0.7349	2.28 × 10⁵	2.80 × 10⁶
중국석유천연가스공사(CNPC)	1537043	1	0.0335	0.6077	4.38 × 10⁵	3.07 × 10⁶
노화된 CNPC	1500600	1	0.0371	0.5822	4.41 × 10⁵	3.00 × 10⁶

표 3: VECD 방법 관련 매개변수. 표 3은 미경화 및 경화 조건 하에서의 세 가지 아스팔트 바인더에 대한 적합 모델 매개변수를 요약한 것입니다. 매개변수의 변화는 아스팔트 유형과 경화가 모델 특성에 미치는 영향을 반영합니다.

그림 2 일반 조건과 온온합제(warm-mix) 수정 조건 모두에서 서로 다른 아스팔트 바인더의 손상 진화 곡선을 보여줍니다. 동일한 응력 수준에서 온온합 아스팔트(WMA) 시스템은 일반 시스템보다 손상 누적 속도가 현저히 낮게 나타나며, 이는 더 유리한 손상 진화를 나타냅니다. 이러한 거동은 온온합 수정이 반복 하중 동안의 내부 에너지 소산 메커니즘을 최적화하여 피로 저항성을 향상시킨다는 점을 시사합니다. 손상 속도 계수의 백분율 변화는 다음의 피팅된 S-VECD 파라미터로부터 계산되었습니다. 표 3 수정되지 않은 바인더를 대조군으로 사용하여.

그림 2: 아스팔트 바인더 배합별 피로 저항 특성. (A>) 아스팔트 A; (B>) 아스팔트 B; (C>) 아스팔트 C. AO, BO 및 CO는 기존 아스팔트 시료를 나타내며, AP, BP 및 CP는 각각에 대응하는 온온합 아스팔트 시료를 나타냅니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

손상 진화 프로파일을 상세히 검토한 결과, 바인더에 따른 뚜렷한 차이가 드러났습니다. 가온 혼합 개질 Asphalt A는 손상 진화 곡선의 위치가 더 유리하게 나타나, 미개질 바인더에 비해 우수한 피로 저항성을 보였습니다. 이 결과는 가온 혼합 첨가제가 반복 하중 하에서 Asphalt A의 내구성을 효과적으로 향상시킨다는 점을 확인시켜 줍니다. 반면, Asphalt B는 가온 혼합 개질에 대한 반응이 거의 없었으며, 개질 바인더와 미개질 바인더 모두 거의 동일한 손상 진행 궤적을 따랐습니다. Asphalt C의 경우 임계값에 따른 개선이 관찰되었는데, 손상 변수가 100 단위를 초과할 때만 가온 혼합 개질 바인더가 기본 아스팔트보다 우수한 성능을 보였으며, 이는 첨가제의 효과가 주로 손상 진행 단계에서 활성화됨을 나타냅니다.

LAS 시험에서 도출된 피로 수명의 정량적 비교 결과가 그림 3에 제시되어 있습니다. 관찰된 피로 성능의 변화는 온온합제-바인더 상호작용의 재료 특이적 성격을 더욱 강조하며, 이러한 효과는 기본 아스팔트의 고유한 성분 특성에 의해 크게 좌우됩니다. 조사된 재료 중에서 Qinhuangdao PetroChina 아스팔트가 가장 높은 피로 저항성을 보였으며, 이는 기본 원료 조성과 관련된 내재적 이점을 반영합니다. 반대로 Karamay 아스팔트는 온온합제 개질 후 가장 뚜렷한 개선을 보여, 온온합제의 성능 향상 잠재력을 결정하는 데 있어 기본 아스팔트 특성이 결정적인 역할을 한다는 점을 강조합니다.

그림 3. 세 가지 아스팔트 바인더에 대한 가열 혼합 아스팔트(HMA)와 온합성 아스팔트(WMA)의 피로 수명 비교.세 가지 바인더 유형 모두에서 WMA와 HMA의 피로 수명 차이는 매우 적게 나타났다. Asphalt C가 가장 높은 피로 수명을 보였으며, Asphalt A와 Asphalt B가 그 뒤를 이었다. 전반적으로, 결과는 온합성 개질이 피로 수명에 미치는 영향이 미미하며, 변화의 정도와 방향은 바인더 유형에 따라 달라짐을 나타낸다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

온온합(warm-mix) 개질은 일반적으로 피로 성능을 향상시켰으나, 일부 바인더의 경우 개선 정도가 상대적으로 완만했습니다. 이러한 현상은 Evotherm M1의 메커니즘 때문으로 볼 수 있는데, 이는 바인더 구조를 화학적으로 강화하기보다는 주로 생산 온도를 낮추고 단기 산화 노화를 완화하는 역할을 하기 때문입니다. 따라서 피로 성능 향상은 완만할 것으로 예상되며, 베이스 아스팔트의 고유 특성에 크게 의존하게 됩니다. 반복 측정 간의 일관성은 개선 정도가 제한적임에도 불구하고 관찰된 경향이 재현 가능하다는 것을 나타냅니다. 화학적 관점에서 관찰된 바인더 의존적 피로 거동을 추가로 해석하기 위해, 원유 조성물 성분이 S-VECD 파라미터와 피로 성능에 미치는 영향을 분석하였습니다. 세 가지 바인더는 뚜렷한 조성 특성을 보입니다. 일반적으로 포화물 대비 방향족 비율이 높을수록 응력 재분배가 개선되고 손상 누적이 지연되는 반아, 아스팔텐 함량이 높은 시스템은 강성 증가를 가속화하고 피로 저항성을 감소시키는 경향이 있습니다.

본 연구에서 Karamay 기반 아스팔트는 상대적으로 높은 방향족 분율과 낮은 포화물 함량을 보이며, 이는 LAS 및 혼합물 규모 테스트 모두에서 더 낮은 손상 진전 속도(C₁ 값 감소)와 개선된 피로 수명으로 이어집니다. 반면, PetroChina 유래 바인더는 더 균형 잡혔지만 상대적으로 높은 포화물 비율을 보여 중간 수준의 S-VECD 손상 누적 거동을 나타냅니다. 원유 기원 특성으로 추론할 때 극성 관련 분율이 더 높은 CNOOC 유래 아스팔트는 반복 하중 하에서 강성이 더 빠르게 증가하며, 이는 더 높은 C₁ 값과 감소된 피로 수명으로 나타납니다. 이러한 결과는 방향족과 포화물의 균형이 점탄성 에너지 소산 경로와 미세 구조적 손상 진전을 제어하며, 이를 통해 S-VECD 파라미터와 피로 저항성에 직접적인 영향을 미친다는 것을 시사합니다. 전반적으로, 현재의 결과는 모든 아스팔트 시스템에 적용 가능한 완전한 보편적 예측 모델이라기보다, 메커니즘에 근거하되 경계 조건이 설정된 프레임워크로 간주되어야 합니다.

혼합물 규모의 피로 저항성
다양한 가열 혼합 아스팔트(WMA) 기술이 적용된 아스팔트 혼합물의 피로 저항성을 체계적으로 평가하였으며, 해당 피로 시험 결과는 표 4에 요약되어 있습니다. 이 데이터는 반복 하중 하에서 아스팔트 혼합물의 내구성을 정량화하며, 조사된 WMA 배합 간의 피로 수명에 뚜렷한 차이가 있음을 보여줍니다. 관찰된 변동성은 혼합물 규모의 피로 성능이 재료 조성과 가열 혼합 기술에 크게 의존한다는 것을 나타냅니다.

아스팔트 유형	시료 ID	공극률 (%)	변형률 수준 (με)	피로 수명 (Cycles)
Karamay	1	4.5	100	22,36,902
	2	4.3	100	18,30,625
	3	3.7	100	19,49,138
	4	4.5	150	3,06,655
	5	5.3	150	3,97,762
	6	4.9	150	2,98,042
CNOOC	1	4.2	200	52,315
	2	5.1	200	58,828
	3	5.3	200	67,762
	4	3.8	75	6,47,145
	5	4.3	75	5,63,675
	6	4.5	75	6,91,698
CNPC	1	3.6	100	47,343
	2	4.1	100	24,149
	3	4.7	100	18,495
	4	3.5	200	4,412
	5	4.1	200	2,269
	6	4.7	200	3,299

표 4: 서로 다른 WMA를 적용한 아스팔트 혼합물의 피로 시험 결과. 표 4는 다양한 시험 조건 하에서의 피로 수명 및 관련 성능 파라미터를 포함하여, 서로 다른 온온합법(warm-mixing) 기술을 적용한 아스팔트 혼합물의 피로 시험 결과를 요약한 것입니다. 이 결과는 온온합 아스팔트 혼합물 간의 피로 저항성 차이를 보여주며, 피로 성능을 평가하기 위한 근거를 제공합니다.

역청질 복합재의 피로 성능은 도로 포장재의 반복 응력 저하를 정량화하는 식 (9)를 통해 수학적으로 모델링됩니다. 이 관계식은 반복 하중 조건 하에서 아스팔트 배합물의 피로 응답을 공식화하며, 내구성 분석을 위한 계산 프레임워크 역할을 합니다:

(9)

공식에서: N_f——아스팔트 혼합물의 피로 수명;
ε——변형률;
k, n——계수.

식 (9)을 바탕으로, 각 아스팔트 혼합물에 대해 회귀 분석을 수행하여 해당 피로 모델 매개변수를 보정하였습니다. 그 결과로 얻은 계수 k와 n은 혼합물별 피로 저하 특성을 정량적으로 나타내며, 서로 다른 WMA 배합 간의 피로 성능을 직접적으로 비교할 수 있게 합니다. 보정된 피로 방정식 매개변수는 표 5에 요약되어 있습니다.

아스팔트 종류	피로 방정식	k	n	R2
A	y = 2.463 × 1016x−5.029​	2.463 × 1016	5.029	0.993
B	y = 1.713 × 1015x−5.120​	1.713 × 1015	5.12	0.965
C	y = 1.233 × 1019x−5.975​	1.233 × 1019	5.975	0.964

표 5: WMA 종류에 따른 아스팔트 혼합물의 피로 방정식 매개변수. 표 5는 회귀 계수와 피로 수명 및 하중 조건 간의 관계를 설명하는 데 사용된 모델 매개변수를 포함하여, 서로 다른 온온합 기술이 적용된 아스팔트 혼합물의 피로 방정식 매개변수를 요약한 것입니다. 이러한 매개변수들은 피로 성능을 예측하고 서로 다른 온온합 아스팔트 혼합물의 피로 저항성을 비교하기 위한 정량적 근거를 제공합니다.

그림 4는 적합된 피로 모델을 기반으로, 서로 다른 WMA 유형의 아스팔트 혼합물에 대한 피로 수명-변형률 관계를 보여줍니다. 예상대로 모든 혼합물의 피로 수명은 변형률 진폭이 증가함에 따라 체계적으로 감소하며, 이는 역청질 복합재의 전형적인 피로 거동과 일치합니다. 피로 곡선의 비교 분석 결과, 혼합물의 피로 저항력에서 뚜렷한 계층 구조가 나타났으며, 전반적인 성능 순위는 재료 C > 재료 A > 재료 B로 결정되었습니다. 이러한 순위는 파괴 전까지 반복적인 하중 사이클을 견뎌내는 각 혼합물의 상대적인 능력을 반영하며, 표 5에 요약된 회귀 매개변수와 일치합니다.

그림 4: 다양한 온온믹스 유형에 따른 아스팔트 혼합물의 피로 패턴. 그림 4에 나타난 바와 같이, 모든 아스팔트 혼합물의 피로 수명은 변형률 수준이 증가함에 따라 감소하였습니다. 세 가지 온온믹스 아스팔트 혼합물 중 혼합물 C가 가장 높은 피로 저항성을 보였으며, 혼합물 A와 B가 그 뒤를 이었습니다. 혼합물 C의 피로 수명이 현저히 높다는 점은 이 온온믹스 기술이 아스팔트 혼합물의 피로 손상 누적 저항성을 효과적으로 향상시킨다는 것을 나타냅니다. 여기를 클릭하여 이 그림의 확대 버전을 확인하십시오.

동일한 공극 조건에서 WMA 기술은 생산 및 다짐 온도를 약 20–30 °C 낮춤으로써 주목할 만한 피로 성능 이점을 제공합니다. 이러한 온도 감소는 장기적인 취성 변화의 주요 원인인 아스팔트 바인더의 단기 산화 노화를 완화합니다. WMA는 바인더의 점탄성 및 응력 분산 능력을 유지함으로써 반복 하중 하에서의 미세 균열 발생 및 전파를 억제합니다. 결과적으로 누적 피로 손상이 경감되어 혼합물의 피로 수명이 연장되고 포장 내구성이 향상됩니다. 이러한 장점은 공용 수명을 연장하고 유지보수 수요를 줄이며, 더욱 내구성이 높고 비용 효율적인 포장 인프라 개발을 가능하게 하는 데 매우 중요합니다. 바인더 규모와 혼합물 규모의 피로 거동 간의 일관성을 조사하기 위해 그림 5에 나타낸 바와 같이 바인더 피로 인자 G*sin δ와 혼합물 피로 수명 N_f 사이의 상관관계를 분석하였습니다. 모든 바인더에서 통계적으로 유의미한 관계가 관찰되었으며, 이는 바인더의 유변학적 특성이 혼합물의 피로 성능에 측정 가능한 영향을 미침을 나타냅니다. 특히 바인더 B는 매우 강한 상관관계(R² = 0.99, p < 0.001)를 보여, 이 재료의 경우 G*sin δ가 혼합물 피로 수명의 신뢰할 수 있는 예측 변수로 작용함을 시사합니다. 반면, 바인더 A와 C는 상대적으로 약한 상관관계(R² = 0.6051 및 0.7933)를 보였으며, 이는 이러한 시스템에서는 바인더의 유변학적 특성만으로는 혼합물의 피로 거동을 완전히 파악할 수 없음을 의미합니다.

그림 5: 아스팔트 피로 계수 G*sin δ와 혼합물 피로 수명 N_f 사이의 상관관계. (A) 아스팔트 A; (B) 아스팔트 B; (C) 아스팔트 C. 그림 5는 G∗sinδ가 혼합물 피로 수명과 양의 상관관계를 보임을 나타내며, 아스팔트 B가 가장 높은 일관성을 보였고, 이어서 아스팔트 C와 A 순으로 나타났다. 이 그림의 더 큰 버전을 보시려면 여기를 클릭하십시오.

Simplified Viscoelastic Continuum Damage (S-VECD) 프레임워크를 사용하여 해석한 LAS 시험의 바인더 손상 진화 매개변수와 혼합물의 피로 수명 간의 상관관계를 분석하여 추가적인 교차 규모 검증을 수행하였습니다. 그림 6에 나타낸 바와 같이, 점진적인 바인더 열화와 혼합물 피로 성능 사이에 강한 선형 상관관계가 관찰되었습니다. 세 가지 바인더 모두 상관계수가 0.9를 초과하여, 바인더 수준의 손상 특성과 혼합물 규모의 피로 저항성 사이에 견고하고 일관된 연결 고리가 있음이 입증되었습니다.

그림 6: 아스팔트 피로 손상과 혼합물 피로 수명 N_f 간의 상관관계. (A) 아스팔트 A; (B) 아스팔트 B; (C) 아스팔트 C. 그림 6에서 보듯이, 아스팔트 피로 손상은 아스팔트 혼합물의 피로 수명 Nf와 강한 양의 상관관계를 보였다. 아스팔트 A, B, C에 대해 높은 결정 계수가 얻어졌으며, 이는 피로 손상 파라미터가 아스팔트 혼합물의 피로 성능을 효과적으로 특성화할 수 있음을 나타낸다. 전통적인 바인더 피로 인자인 G∗sinδ와 비교하여, 피로 손상은 아스팔트 혼합물의 피로 열화 거동을 더 직접적으로 나타낸다. 이 그림의 더 큰 버전을 보시려면 여기를 클릭하십시오.

종합적으로, 혼합물 규모의 피로 시험 결과는 피로 성능이 혼합물 조성, 온합법(warm-mix) 기술 및 바인더 특성에 의해 공동으로 제어됨을 확인시켜 줍니다. 기존의 유변학적 지표는 특정 바인더에 대해 제한적인 예측 능력만을 제공하는 반면, LAS-S-VECD 기반의 손상 지표는 혼합물 피로 수명과 강하고 일관된 상관관계를 보여줍니다. 이러한 결과는 바인더 규모의 손상 특성 분석이 혼합물 내구성을 평가하는 효과적인 대리 지표가 될 수 있음을 입증하며, 성능 기반 도로 설계의 메커니즘적 토대를 제공합니다. 온합법 개질에 대한 세 가지 아스팔트 바인더의 뚜렷하게 다른 반응은 근본적으로 원유 유래 화학 조성 및 그로 인한 콜로이드 구조의 차이에 기인합니다. 아스팔트 바인더는 일반적으로 방향족, 수지 및 포화탄화수소로 구성된 말텐(maltene) 상에 아스팔텐(asphaltenes)이 분산된 콜로이드 시스템으로 간주됩니다. 이러한 성분들 사이의 균형이 온합법 첨가제와 같은 외부 개질제에 대한 바인더의 민감도를 결정합니다. Karamay 아스팔트(Binder A)의 경우, 상대적으로 높은 수지 함량과 낮은 파라핀 분율로 인해 내부 구조적 안정성이 약하고 아스팔텐 네트워크가 더 분산된 형태를 띱니다. 이 시스템에서는 온합법 첨가제의 도입이 점도와 분자 이동성을 크게 변화시켜 에너지 소산이 강화되고 G*sin δ 값이 증가하는 결과를 초래합니다. 이는 첨가제가 내부 상호작용을 능동적으로 변화시켜 바인더를 반복 변형에 더 취약하게 만들고, 결과적으로 바인더 규모에서 피로 손상 축적을 가속화함을 나타냅니다.

반면, CNOOC 유래 아스팔트(Binder B)는 안정적인 콜로이드 구조와 함께 더 균형 잡힌 나프텐 기반 조성(naphthenic-based composition)을 나타냅니다. 이 바인더의 아스팔텐-레진 평형은 비교적 견고한 내부 네트워크를 형성하여, 온온합제(warm-mix additive)의 침투와 구조적 영향력을 제한합니다. 그 결과, 유변학적 특성 및 손상 진화 거동의 변화가 미미하게 관찰되며, 이는 첨가제의 효과가 바인더 미세구조의 본질적인 안정성에 의해 크게 제약됨을 시사합니다. PetroChina 유래 아스팔트(Binder C)의 경우, 극성과 관련된 분획이 더 높고 아스팔텐 복잡성이 증가하여 미세구조가 더 경직되고 응집되기 쉬운 특성을 보입니다. 이 경우 온온합제는 임계값 의존적 활성화 거동을 보이는 것으로 나타나며, 상당한 손상이 축적된 이후에야 그 영향이 더 뚜렷해집니다. 이는 첨가제가 초기 콜로이드 구조와 강하게 상호작용하는 것이 아니라, 응력 재분배 경로를 수정함으로써 후기 단계의 손상 진화 과정에 영향을 미친다는 점을 시사합니다.

종합적으로, 이러한 결과는 중온 혼합 개질의 효과가 보편적이지 않으며, 기초 아스팔트의 고유한 콜로이드 안정성과 화학적 조성에 의해 강력하게 지배된다는 것을 입증합니다. 따라서 S-VECD 손상 진화 및 혼합물 피로 성능에서 관찰된 차이는 세 가지 바인더의 미세구조적 불균질성과 직접적으로 연관될 수 있으며, 이는 유종에 따라 다르게 나타나는 유변학 및 피로 시험 결과에 대한 메커니즘적 설명을 제공합니다.

데이터 가용성:
본 연구 중에 생성되었거나 사용된 모든 데이터, 모델 및 코드는 “Raw data”라는 이름의 보충 폴더에서 확인할 수 있습니다.

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 통해 아스팔트 재료 평가를 위한 보다 메커니즘 기반의 접근 방식을 구축합니다. 이전 연구들은 바인더 피로 특성화에 있어 LAS–S-VECD 분석의 잠재력을 강조해 왔으나, 혼합물 스케일의 피로 성능을 예측하기 위한 직접적인 적용 가능성은 여전히 지속적인 연구 대상입니다. 본 연구는 여러 바인더 시스템에 걸쳐 바인더 손상 진화와 혼합물 피로 거동 사이의 교차 스케일 관계를 검증함으로써 이 연구 분야에 기여합니다.

제안된 프레임워크는 바인더 규모의 유변학적 특성 분석과 혼합물 규모의 구조적 성능 사이의 간극을 메움으로써 아스팔트 피로 메커니즘에 대한 과학적 이해를 증진시킵니다. 전통적인 바인더 평가 방법은 복소 탄성계수 및 위상각과 같은 매개변수가 손상 진화보다는 주로 즉각적인 점탄성 응답을 설명하기 때문에, 피로 손상의 점진적인 축적에 대한 정보 제공이 제한적인 경우가 많습니다. 이와 대조적으로 S-VECD 접근 방식은 아스팔트 바인더를 지속적으로 퇴화하는 점탄성 재료로 간주하며, 피로 하중 중 구조적 무결성 상실에 대한 정량적 기술자를 제공합니다. 본 연구에서 LAS–S-VECD 매개변수와 혼합물 피로 수명 사이에 얻어진 강한 상관관계는 바인더 수준의 손상 진화가 혼합물 균열의 개시 단계에 관한 유의미한 정보를 제공할 수 있음을 나타냅니다. 유사한 연구 결과들은 메커니즘 기반의 손상 매개변수가 기존의 유변학적 지표에 비해 향상된 예측 능력을 제공할 수 있음을 시사해 왔습니다. 따라서 본 연구는 바인더 규모의 손상 역학이 성능 기반 포장 재료 설계로 나아가는 가교 역할을 할 수 있다는 실험적 근거를 제공함으로써 현재의 아스팔트 피로 연구를 확장합니다.

유망한 결과에도 불구하고, 몇 가지 제한 사항을 인정해야 합니다. 첫째, 본 연구는 특정 원유 기원의 세 가지 아스팔트 바인더와 하나의 골재 입도 분포를 사용하여 수행되었습니다. 따라서 제안된 관계식의 보편성을 확인하기 위해서는 더 넓은 범위의 바인더, 개질 기술 및 혼합물 설계를 이용한 추가 검증이 필요합니다. 선택된 바인더들이 공학 실무에서 사용되는 전형적인 포장 재료를 대표하지만, 아스팔트 재료는 원유의 기원, 정제 과정 및 화학적 조성의 차이로 인해 상당한 변동성을 보입니다. 둘째, 실험실 피로 시험은 제어된 온도 및 하중 조건에서 수행되었으나, 실제 포장 구조물은 온도 변화, 수분 침투, 교통 하중의 가변성 및 장기 노화와 같은 복합적인 환경 요인의 영향을 받습니다. 셋째, LAS–S-VECD 파라미터가 혼합물 피로 성능과 강한 상관관계를 보였음에도 불구하고, 현재의 데이터셋으로는 모든 아스팔트 시스템에 적용 가능한 보편적인 예측 모델을 구축하기에 부족합니다. 따라서 향후 연구에서는 제안된 접근 방식의 견고성과 전이성을 더욱 향상시키기 위해 더 큰 데이터베이스와 현장 성능 관찰 결과를 포함해야 합니다.

바인더 손상 진전과 혼합물 피로 성능 사이의 관계를 추가로 조사하기 위해 대안적인 접근 방식들을 고려할 수 있습니다. 예를 들어, Fourier-transform infrared spectroscopy (FTIR), nuclear magnetic resonance (NMR) 및 분자 동역학 시뮬레이션을 포함한 고급 화학적 특성 분석 기술은 오일 기원에 따른 피로 거동을 제어하는 분자 메커니즘에 대한 추가적인 통찰을 제공할 수 있습니다. 이전 연구들은 asphaltene 응집, 방향족 분포 및 극성 관련 상호작용을 포함한 아스팔트 분자 구조의 변화가 유변학적 응답과 노화 민감도에 상당한 영향을 미친다는 것을 입증했습니다. 또한, atomic force microscopy (AFM) 및 X-ray 기반 특성 분석 방법과 같은 고급 이미징 기술을 사용하여 피로 손상 누적 동안의 미세구조 진전을 직접 관찰할 수 있습니다. 이러한 접근 방식들을 LAS–S-VECD 분석과 결합하면 분자 구조, 바인더 손상 역학 및 거시적 포장 성능 사이의 관계를 더 종합적으로 이해할 수 있을 것입니다.

제안된 LAS–S-VECD 기반 방법론은 아스팔트 포장 공학 및 재료 과학의 여러 분야에서 중요한 잠재적 응용 가능성을 가지고 있습니다. 실무적인 관점에서 이 프레임워크는 시간이 많이 소요되는 혼합물 규모의 피로 실험을 수행하기 전에, 후보 바인더를 평가하고 적절한 온온합합(warm-mix) 첨가제를 선택하며 노화 민감도를 측정하기 위한 효율적인 스크리닝 도구로 사용될 수 있습니다. 기존의 경험적 시방서와 비교하여, 제안된 접근 방식은 바인더의 손상 특성을 구조적 내구성과 직접적으로 연결함으로써 성능 중심의 포장 설계를 위한 역학적 근거를 제공합니다. 이는 온온합합 아스팔트, 재활용 재료 및 대체 바인더의 적용이 증가함에 따라 장기 성능을 예측하기 위한 신뢰할 수 있는 방법이 필요한 지속 가능한 포장 기술에 특히 가치가 있습니다. 또한, 이 방법론은 예측 모델 및 전생애주기 평가(life-cycle assessment) 프레임워크와 통합될 수 있는 물리적으로 의미 있는 피로 기술자를 제공함으로써 데이터 기반 포장 설계 시스템의 발전에 기여할 수 있습니다.

향후 연구는 제안된 프레임워크의 적용 범위를 보다 포괄적이고 현장 중심적인 포장 성능 예측으로 확장하는 데 집중해야 합니다. 더 일반화된 피로 예측 모델을 구축하기 위해 다양한 원유 기원, 폴리머 개질 바인더, 재생 아스팔트 재료 및 최신 지속 가능 개질제를 포함하는 더 큰 규모의 바인더 데이터베이스를 구축하는 연구가 수행되어야 합니다. 또한, LAS–S-VECD 분석을 다중 스케일 특성 분석 방법, 인공지능 접근 방식 및 분자 수준 시뮬레이션과 통합함으로써 아스팔트 피로 거동에 대한 이해와 예측 정확도를 더욱 향상시킬 수 있을 것입니다. 실제 서비스 조건에서 실험실 기반 예측을 검증하기 위해 장기 현장 모니터링과 가속 포장 시험 또한 통합되어야 합니다. 궁극적으로, 메커니즘 기반 손상 모델링, 고급 재료 특성 분석 및 성능 기반 설계 전략의 결합은 더욱 내구성이 높고 지속 가능하며 신뢰할 수 있는 아스팔트 포장 시스템의 개발을 촉진할 것으로 기대됩니다.

재료

이 논문에 사용된 재료 목록

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