187

부록 5. 아스팔트 재료

도로포장 구조 설계 요령

부록 5. 아스팔트 재료

아스팔트 재료는 온도, 하중의 크기, 하중 재하 속도 등에 따라 그 특성이 달라진다.

본 장에서는 아스팔트 재료를 정량화하기 위한 물성, 실험법에 대하여 제시하였다.

5.1 아스팔트 재료 물성

아스팔트 포장 설계에 있어 재료 물성은 매우 중요한 부분이다. 기존의 경험적인 설

계에서는 현장 경험을 바탕으로 아스팔트의 재료 물성을 추정하였다. 하지만 다른 입

력 변수들과 같이 상이한 재료를 사용하는 경우에는 그 값이 달라져서 설계를 위한 기

준이 모호했다. 역학적인 재료 물성은 크게 탄성계수와 포아송 비로 정의된다. 이 물

성값을 초기에는 실험을 통해서 찾아냈지만 현재는 시간과 온도 등의 다양한 인자들을

고려한 모형을 개발하여 산정하고 있다. 흙의 정량화 부분에서 살펴보았듯이, 경험적

인 재료의 물성은 구성방정식이 존재하지 않으며 재료의 형상, 시험조건 등에 따라 값

이 달라지는 값이다. 이러한 것은 포장 재료에 대한 역학적인 정립이 되기 이전의 물

성들로, 대표적인 것이 침입도나 흐름값 등이 있다. 즉, 경험적으로 흐름값이 높은 경

우 영구 변형이 많이 발생하지만 두께를 증가시켜 시공을 한다면 그 상황에 대한 물성

을 설명하지 못한다. 반면, 역학적인 재료의 물성은 구성 방정식이 존재하여 그 식을

구성하는 영향 인자와 관련된 변수들을 실험을 통해 결정하고 이를 이용하여 재료의

물성을 평가한다. <그림 6.1>는 경험적 물성과 역학적 물성의 차이점을 나타낸 것이

다. 아스팔트 재료의 물성값들은 구조해석을 통해 포장의 공용성을 예측하는 근간이

되고 있으며 보다 정확한 물성 추정을 위해 역학적인 이론 모형을 개발하기 위한 연구

들이 수행되고 있다.

188

부 록

<그림 5.1> 경험적인 물성과 역학적인 물성의 차이점

5.1.1 사용되는 아스팔트 재료의 물성

(1) 동탄성계수

대개의 경우 아스팔트 바인더 및 아스팔트 혼합물은 온도와 하중주기(Loading

Frequency)에 크게 영향을 받는다. 따라서, 아스팔트 재료의 역학적 성질을 현장에서

경험하게 되는 모든 영역의 조건들로부터 결정된다. 동적하중시험(Dynamic Loading

Test)은 아스팔트 재료특성을 시험할 수 있는 편리한 시험방법이다. 이 시험방법에 있

어서 동탄성계수를 결정하는데 사용되는 시험은 주파수 Fr(Frequency) 또는 각 주파수

ω(Angular Frequency) 를 가진 Sinusoidal 비틀림과 Sinusoidal 힘, F(t)를 시편에

가하여 실시한다.

F(t) F sin(wt) 2πFr 0 = = <식 5.1>

189

부록 5. 아스팔트 재료

도로포장 구조 설계 요령

이 시험으로부터 얻게 되는 결과는 힘(F), 변형(D) 및 위상각(φ)이다. 아스팔트 재료의

역학적 성질은 두 가지의 특정한 요소를 사용하여 <식 5.1>로부터 구한다. 동탄성계수

인 E*=E1+E2 는 두 요소에 의해 정의되며 E1 및 E2 는 <식 5.2>, <식 5.3>과 같이 계

산된다.







=  + 2

1 cosϕ μω

D

E r F <식 5.2>







=  sinϕ 2 D

E r F <식 5.3>

여기서, r : 형상계수( 시편의 크기의 형상의 함수)

μ : 질량계수 (시편 질량 M의 함수)

동탄성계수를 달리 표시하는 방법으로 절대치 <식 5.4>와 같이  로 표현하여

많이 사용한다. <그림 5.2>는 국내 화강암에 대한 동탄성계수 변화를 나타낸 그림이

다.

* ( 2 )

2

2

1 E = E + E <식 5.4>

1

tan 2

E

E φ = <식 5.5>

동탄성계수의 위상각(φ)은 힘과 변형으로부터 측정되는 위상각(φ) 과 다르며 이 차이

는 주파수에 따라 증가한다. 전단응력이 작용할 때, 동탄성전단계수 G* 는 <식 5.2>

~ <식 5.5>의 E* 계수를 구하는 방법과 동일한 방법으로 구할 수 있다. 선형 및 동일

한 재료의 경우 G* 와 E* 의 관계는 <식 5.6>과 같다.

190

부 록

100

1000

10000

100000

-8 -6 -4 -2 0 2 4 6 8

lo g reduced Time

IE*I (MPa)

2% 4% 6%

<그림 5.2> 마스터 곡선

(화강암 밀입도 13mm + PG 58-22)

E* = 2 G*(1+υ) <식 5.6>

일반적으로 하중 재하 시간이 길어질수록 아스팔트 혼합물의 강성계수값은 낮아지는

반면 하중 재하 속도가 빠르면 탄성계수가 커진다. 이는 차량의 속도에 따라 아스팔트

포장의 탄성계수가 달라져서 발생하는 포장체의 응력이 달라짐을 의미한다.

(2) 위상각

위상각은 시험 분석을 통해 아스팔트 재료의 점성 및 탄성 거동 특성을 점성거동을

측정하는 물성값이다. 위상각은 아스팔트의 점탄성적 거동을 나타내는 것으로 일반적

으로 점성과 탄성의 비율[tan(γ)]로 나타내며 0° 에서 90° 사이에 있다. 위상각은 동적

거동을 측정하여 얻을 수 있다. 원아스팔트의 위상각은 Huet 와 Sayegh(1967) 가 제

안한 쌍곡선 모형을 기초로 한 절차를 사용하여 정확하게 구할 수 있다.

(3) 크리프 컴플라이언스

크리프 컴플라이언스는 일정한 응력하에서 시간에 따른 변형률의 비율을 나타낸 것

191

부록 5. 아스팔트 재료

도로포장 구조 설계 요령

으로 다음과 같이 표현할 수 있다.

σ

J (t) = ε (t) <식 5.7>

여기서, J(t) : 크리프 컴플라이언스

ε(t) : 시간에 따른 변형률

σ : 일정 응력

앞에서 살펴본 각 점탄성 모형에서 J 값에 대한 모형은 각각 다르다.

(4) 온도의존 특성

동탄성계수는 온도와 주기의 함수이다. 이러한 관계는 계수의 등온선으로 그래프로

표현할 수 있다. 마스터 곡선은 log(αT)계수를 두 기축을 따라 결과를 이동시킴으로써,

<그림 5.2>과 같이 여러 온도와 주기에서 얻어진 계수로부터 작도 할 수 있다. 즉,

X=log(αT.Fr) <식 5.8>

여기서, αT: 이동계수(shift factor)

Fr: 빈도

(식 5.9)는 온도와 주기의 관계이다. 이 절차의 장점은 일단 마스터곡선이 만들어지

면 측정한 범위 내에서 주기 Fr 또는 온도 T 의 어떠한 조합이 되더라도 강성계수의

수치를 보간 해낼 수 있다. 이러한 보간법은 서로 다른 시험조건을 가진 서로 다른 시

험실에서 얻은 실험결과를 비교할 수 있음을 물론, 시험온도와 주기를 표준화 할 필요

192

부 록

가 없게 된다. 같은 원리를 시간의존 특성(크리프 또는 완화곡선)에 적용할 수 있다.

이 경우 관련 변수는 log(t/αT) 가 된다. 보정계수를 계산하는데 두 종류의 공식이 제안

되어 있다.

다음 식은 1955년 William, Landel 및 Ferry 가 제안한 공식으로 WLF 보정계수로 불

린다.

( )

( )

log( )

2

1

s

s

T C T T

C T T

+ −

− −

α = <식 5.9>

여기서, C1 과C2 는 매개 변수이다.

Arrhenius 가 제안한 식은 다음과 같다.

 



 



= Δ +

s

T R T T

log(α ) 0.4343 H 1 1 <식 5.10>

여기서, ΔH: 재료의 특성을 나타내는 명목활동 에너지

(50 Kcal/mole = 210 KJ/mole )

R: Gas Constant 상수 (8.27 J/mole/K)

T, Ts : °K 로 표시되는 온도

5.1.2 도로포장 구조 설계의 아스팔트 재료 물성

아스팔트 재료는 재료의 특성 및 하중재하 속도에 따라 달라지며, 그 결과를 동탄성

계수로 나타낸다. 아스팔트 재료 물성에 대해서는 본 장에서 보다 자세히 설명될 것이

며 도로포장 구조 설계의 동탄성계수를 예측하는 로직은 <그림 5.3>과 같다.

193

부록 5. 아스팔트 재료

도로포장 구조 설계 요령

<그림 5.3> 아스팔트 층의 동탄성계수 결정 로직

194

부 록

① 아스팔트 바인더 점도, 하중주파수, 공극률, 유효아스팔트바인더의 함량, 20

mm, 10 mm, 5 mm 체의 누가잔류량 및 0.08mm 체의 통과량을 실험을 통

해 산정한다. 교통하중에서 설계속도에 따른 각 층의 하중 주파수를 계산한

다.

② 각 입력 변수들을 동탄성계수 예측식에 대입하여 초기 동탄성계수를 예측한

다.

③ 예측한 초기 동탄성계수와 시그모달 함수를 바탕으로 회귀분석을 실시하여 시

그모달 함수의 계수값을 결정한다.

④ 초기 동탄성계수와 계수를 결정하여 시그모달 함수를 통해 계산한 동탄성계수

값을 비교한다.

⑤ 그 차이가 1% 이내로 나면 주어진 조건의 동탄성계수로 사용한다. 하지만 1%

이상 차이가 발생하면 다시 회귀식 분석을 통해 시그모달 함수의 계수값을 조

정하여 반복 계산한다.

(1) 포장설계 동탄성계수 추정식

도로포장 구조 설계에서 아스팔트 재료 물성은 동탄성계수로 정의하였고, 국내에서

사용되는 혼합물에 대한 물성실험을 진행하여 이를 정량화하였다. 현재 동탄성계수는

표층용 혼합물(밀입도 13mm와 20mm), 기층용 혼합물(25mm), 개립아스팔트혼합물

(SMA 13mm), 개질아스팔트혼합물(13mm)과 아스팔트 바인더의 경우 3개의 다른 등급

인 PG 58-22(AP-3), PG 64-22(AP-5), PG 76-22에 대해 데이터 베이스가 구축되

었다.

각 골재와 아스팔트 바인더의 조합을 통해 도로포장 구조 설계에서는 <식 5.26>과

같은 예측식을 제안하였다.

              

 

  

195

부록 5. 아스팔트 재료

도로포장 구조 설계 요령



     × log   × log

             <식 5.11>

여기서, 동탄성계수 (MPa)

η 아스팔트 바인더 점도 (106 poise)

하중주파수 (Hz)

   공극률(%)

: 유효아스팔트바인더의 함량(%)

   20mm 체의 누가잔류량(%)

   10mm 체의 누가잔류량(%)

   5mm 체의 누가잔류량(%)

0.08mm 체의 통과량(%)

(2) 동탄성계수 추정식 입력변수로서의 아스팔트 바인더의 점도특성

<표 5.1>은 동탄성계수 추정식을 개발하는데 사용한 아스팔트의 입력변수로서 사용

한 각 아스팔트 바인더의 온도별 점도를 보여주고 있다. 아스팔트 점도는 온도에 따라

변화함으로 5개의 온도에서 아스팔트 점도를 측정하여 아스팔트 점도와 온도와의 상관

관계로부터 구한 식을 사용하였다. <표 5.2>에서 VTS는 상관관계식의 기울기이며, A

는 상관관계의 아스팔트 점도축과 만나는 교차점이다.

196

부 록

혼합물 아스팔트 시험온도 η VTS A

표층용 13mm

표층용 19mm

기층용 25mm

SMA 13mm

PG 58-22

-10 27000

-3.981 11.787

5 921.12

20 5.968

40 0.0692

55 0.0048

PG 64-22

-10 27000

-3.680 10.980

5 1276.20

20 10.967

40 0.1515

55 0.0111

개질 13mm PG 76-22

-10 27000

-3.208 9.715

5 2206.53

20 30.245

40 0.5702

55 0.0473

<표 5.1> 아스팔트 종류별 점성특성

(3) 동탄성계수 추정식 입력변수로서의 아스팔트 혼합물의 기본물성

아스팔트 혼합물의 기본 물성중에서는 골재입도분포, 아스팔트 혼합물 부피특성이

주요 입력변수로 사용되었다. <표 5.2>에서 지금까지의 시험을 통해 수정 보완된 각

혼합물의 조합별 골재 입도분포 특성인 20mm, 10mm, 5mm 체크기의 누가잔류량과,

0.08mm체 통과량 및 아스팔트 혼합물의 공극률( )과 유효아스팔트 함량( )등

을 볼 수 있다.

197

부록 5. 아스팔트 재료

도로포장 구조 설계 요령

혼합물 아스팔트 P34 P38 P4 P200 Va Vbeff

SMA

13mm

PG 58-22 0 38.75 72.5 10

2.783 12.3

4.426 12.1

6.802 11.8

PG 64-22 0 38.75 72.5 10

1.612 12.3

3.08 12.2

4.909 11.9

표층용

13mm

PG 58-22 0 11 32.5 7

2.235 11.0

4.064 10.8

6.249 10.6

PG 64-22 0 11 32.5 7

2.076 11.3

4.217 11.0

6.243 10.8

표층용

19mm

PG 58-22 2.5 24 45 6

2.457 10.4

4.484 10.2

6.388 10.0

PG 64-22 2.5 24 45 6

1.927 10.7

4.159 10.5

5.962 10.3

기층용

25mm

PG 58-22 13 35 51 4

1.604 9.6

3.616 9.4

5.607 9.2

PG 64-22 13 35 51 4

1.869 9.5

3.777 9.3

5.919 9.1

개질 13mm PG 76-22 0 12.5 39 6

3.129 10.6

4.058 10.5

5.429 10.4

<표 5.2> 아스팔트 혼합별 기본 물성치

(4) 동탄성계수 시험결과 및 회귀분석에 의한 입력변수값

<표 5.3>에서 <표 5.11>은 지금까지 도로포장 구조 설계 연구를 통해 시험한 각 아

스팔트 혼합물의 동탄성계수 시험 결과값을 정리한 것이다.

198

부 록

공극율 2% 4% 6%

시험온도 주파수 |E*| δ |E*| δ |E*| δ

-10℃

0.05 7874.3 10.72 7367.0 10.75 6359.0 9.64

0.1 8052.7 9.60 7547.0 10.21 6733.3 9.49

1 9108.0 6.65 8613.5 6.31 7722.5 6.91

10 9539.3 4.44 8959.5 4.50 8202.0 4.27

25 9265.3 3.94 8660.0 1.79 8491.8 5.88

5℃

0.05 5209.0 15.78 4662.0 15.91 4416.7 16.68

0.1 5566.3 12.66 4917.7 14.01 4694.3 15.21

1 6748.3 8.62 6060.3 10.30 5729.3 8.72

10 7735.3 6.55 6833.3 7.65 6668.3 7.16

25 7975.3 4.15 6964.7 4.35 6632.3 5.68

20℃

0.05 2479.3 26.50 2196.3 26.44 1957.0 27.02

0.1 2801.7 24.11 2150.7 24.96 2188.3 25.38

1 4111.3 14.78 3672.0 16.69 3342.3 16.29

10 5178.7 11.85 4802.7 10.37 4582.7 11.92

25 5977.0 12.06 5411.0 10.56 5013.0 11.91

40℃

0.05 739.0 18.35 715.0 19.37 653.0 21.23

0.1 818.0 19.32 791.3 19.79 739.7 20.55

1 1229.0 20.81 1143.0 19.52 1023.7 18.05

10 1948.3 21.28 1828.7 17.52 1574.3 21.15

25 2369.3 19.80 2108.3 14.12 1874.7 16.52

55℃

0.05 326.7 12.43 302.7 14.46 274.0 12.26

0.1 324.0 13.25 323.7 14.63 292.3 13.58

1 426.3 15.69 433.7 16.73 368.0 16.27

10 679.7 22.19 652.3 22.88 563.7 20.45

25 857.0 16.06 834.3 27.23 677.7 20.13

<표 5.3> 표층용 화강암 13mm+AP-3(PG58-22)

199

부록 5. 아스팔트 재료

도로포장 구조 설계 요령

공극율 2% 4% 6%

시험온도 주파수 |E*| δ |E*| δ |E*| δ

-10℃

0.05 9035.7 8.85 8092.0 7.90 7299.7 9.30

0.1 9291.3 7.67 8352.0 7.71 7547.3 8.29

1 10068.7 5.52 9180.0 5.81 8528.3 4.90

10 11050.3 3.47 10440 3.82 8784.0 4.75

25 10275.3 3.55 9812.5 5.03 8931.0 3.12

5℃

0.05 5536.7 15.01 5050.7 15.72 4485.3 15.55

0.1 5689.7 13.63 5413.0 13.95 4650.3 14.35

1 7028.0 9.32 6701.7 8.36 5653.7 9.02

10 8226.7 6.04 7496.3 6.79 6751.3 7.16

25 7683.7 5.31 7734.3 6.04 6655.3 4.88

20℃

0.05 2426.7 25.61 2293.3 25.58 1982.0 27.05

0.1 2760.7 24.00 2545.0 24.36 2254.0 24.45

1 4253.7 16.14 3869.7 15.24 3372.3 16.60

10 5937.3 10.01 4923.7 11.10 4475.7 11.86

25 5961.7 8.04 5337.7 11.74 4968.7 13.23

40℃

0.05 855.0 18.19 770.7 20.90 738.0 23.27

0.1 956.3 19.94 870.0 21.53 825.3 22.34

1 1401.0 18.86 1327.7 19.45 1279.0 18.25

10 2340.0 19.83 2058.0 20.00 1967.3 16.98

25 2807.7 17.47 2596.7 17.85 2190.7 17.57

55℃

0.05 341.0 9.91 324.7 13.05 317.7 13.78

0.1 357.0 12.27 342.3 14.27 327.0 14.52

1 469.0 15.94 468.3 18.35 462.7 18.15

10 726.3 20.99 727.7 19.16 712.3 22.25

25 891.0 21.77 933.0 22.79 908.3 23.51

<표 5.4> 표층용 화강암 13mm+AP-5(PG64-22)

200

부 록

공극율 2% 4% 6%

시험온도 주파수 |E*| δ |E*| δ |E*| δ

-10℃

0.05 7742.7 10.64 7288.7 11.17 6821.7 10.70

0.1 8110.3 9.55 7495.7 10.33 7055.0 9.27

1 9215.7 7.47 8700.3 7.01 7893.0 6.42

10 9757.3 5.07 9245.7 5.46 8532.7 4.21

25 9730.7 2.93 8619.7 3.28 8515.7 3.58

5℃

0.05 4539.0 16.10 4140.3 16.55 4525.7 17.61

0.1 4744.3 15.22 4341.3 14.58 4778.7 14.86

1 6038.7 9.09 5318.3 9.47 5992.7 10.69

10 6425.3 6.06 5834.0 6.17 6850.7 7.37

25 6601.3 5.09 5742.0 3.71 6969.3 5.08

20℃

0.05 2233.7 27.22 1926.7 26.61 1948.3 26.51

0.1 2543.7 25.75 2171.7 25.01 2215.7 24.94

1 3816.3 16.71 3228.7 16.45 3408.7 15.96

10 5245.3 11.50 4303.7 11.26 4528.7 13.13

25 5603.3 13.26 4513.0 10.55 5017.0 12.37

40℃

0.05 755.3 18.04 702.0 20.24 706.3 19.97

0.1 825.7 17.98 757.3 19.93 776.7 18.64

1 1183.0 17.02 1061.0 17.88 1086.0 17.79

10 1834.3 20.33 1621.3 17.80 1702.0 16.18

25 2165.7 15.16 1929.3 17.63 1999.0 17.98

55℃

0.05 322.3 11.19 301.7 12.82 282.7 11.70

0.1 344.0 13.27 313.3 13.53 293.7 12.93

1 427.3 16.41 403.7 15.71 359.7 14.97

10 640.3 28.33 577.0 21.12 511.3 19.94

25 796.0 23.88 733.0 21.28 616.0 20.27

<표 5.5> 표층용 화강암 19mm+AP-3(PG58-22)

201

부록 5. 아스팔트 재료

도로포장 구조 설계 요령

공극율 2% 4% 6%

시험온도 주파수 |E*| δ |E*| δ |E*| δ

-10℃

0.1 20432 15.13 24293 14.37 21008 15.49

0.5 23909 11.88 28037 13.43 25132 14.52

1 25576 10.08 30655 11.84 28054 10.76

5 29363 5.15 34322 6.64 28575 7.83

10 30794 4.69 35081 6.01 33359 6.76

25 32388 8.60 34918 6.39 34265 4.90

5℃

0.05 10890 12.90 11705 18.75 10302 15.78

0.1 15228 15.04 15233 13.00 14669 13.61

1 16043 14.15 16401 10.89 15399 9.43

5 18934 7.65 21724 8.07 18422 9.42

10 21377 5.90 26052 6.03 19697 6.43

25 22443 7.36 25521 7.06 24540 5.46

20℃

0.05 3632 31.63 3636 34.59 3426 30.93

0.1 5518 24.24 8154 24.79 5829 23.67

1 7230 22.58 9378 26.97 6304 24.75

5 13223 14.51 13972 21.24 11885 18.54

10 10845 16.02 15616 21.12 13068 19.64

25 13843 11.90 17882 11.38 11268 12.93

40℃

0.05 1883 28.16 1369 42.46 1585 42.49

0.1 2972 27.82 1873 42.29 2314 38.56

1 3387 29.09 1895 39.41 2950 37.07

5 6270 33.02 3210 34.39 6311 32.44

10 8231 34.28 4177 30.53 8018 34.27

25 7871 35.71 5126 35.30 8885 35.85

55℃

0.05 1965 39.90 1384 40.23 1221 37.54

0.1 2397 39.93 1828 41.30 1498 37.24

1 2115 35.53 1942 32.68 1396 36.35

5 2593 36.35 2088 35.52 1874 45.68

10 2726 33.08 2359 43.10 2212 41.10

25 4449 38.17 2883 39.72 2766 41.61

<표 5.6> 화강암 밀입도 19mm+AP-5(PG64-22)

202

부 록

공극율 2% 4% 6%

시험온도 주파수 |E*| δ |E*| δ |E*| δ

-10℃

0.1 22674 11.09 39615 10.57 26841 10.34

0.5 27122 10.25 41292 9.92 34195 9.38

1 30808 9.74 47065 9.56 37979 9.00

5 37109 9.14 53588 9.44 39323 8.66

10 38517 7.19 54162 7.37 44264 7.07

25 42207 6.11 56504 6.25 44310 6.03

5℃

0.05 17342 17.57 23765 17.61 18434 16.45

0.1 19492 16.15 27533 15.63 22915 14.94

1 24779 13.99 32150 13.40 25964 13.54

5 29945 12.36 39010 12.15 29133 11.16

10 30612 9.45 38437 9.06 30557 8.19

25 26939 3.53 36713 4.51 29229 5.21

20℃

0.05 4438 31.55 7630 32.04 4819 32.08

0.1 6854 27.57 8861 26.89 6767 27.17

1 8897 24.49 10876 24.01 7536 24.03

5 12238 21.93 13285 20.85 12206 20.70

10 12417 20.54 15931 19.88 12845 19.18

25 12488 19.79 13920 19.14 13093 18.86

40℃

0.05 1614 25.74 1740 24.94 1792 26.87

0.1 1939 26.01 2028 26.66 2117 27.62

1 2808 28.89 3036 29.80 2283 30.34

5 3761 29.83 3727 28.43 4111 29.71

10 5870 30.70 4563 29.32 4831 31.35

25 7506 26.05 4987 26.42 6754 28.28

55℃

0.05 1341 22.92 1331 23.88 1074 23.45

0.1 1586 23.90 1499 22.38 1402 24.10

1 1641 26.04 1640 26.58 1775 25.66

5 2202 30.08 2407 33.67 2703 31.99

10 3066 36.44 2322 36.10 2409 35.36

25 2830 35.75 2467 34.96 2439 36.21

<표 5.7> 화강암 기층용 아스팔트 25mm+AP-3(PG58-22)

203

부록 5. 아스팔트 재료

도로포장 구조 설계 요령

공극율 2% 4% 6%

시험온도 주파수 |E*| δ |E*| δ |E*| δ

-10℃

0.1 24356 10.76 21583 10.36 22332 10.34

0.5 33197 9.91 27915 9.72 26176 9.38

1 35631 10.13 30700 9.37 28677 9.00

5 34704 9.17 33011 9.25 32478 8.66

10 41939 7.53 33876 7.22 32226 7.07

25 42087 6.44 37793 6.13 37044 6.03

5℃

0.05 18567 17.90 15126 17.26 15911 16.45

0.1 22444 16.48 17892 15.32 18194 14.94

1 24094 14.33 21575 13.14 23363 13.54

5 30522 12.69 23755 11.90 27284 11.16

10 32562 9.79 26921 8.88 26694 8.19

25 30428 3.86 30490 4.42 30257 5.21

20℃

0.05 7042 31.88 4395 31.40 3100 32.08

0.1 10378 27.90 7598 26.35 5780 27.17

1 11842 24.82 9855 23.53 6669 24.03

5 13727 22.26 12685 20.43 12174 20.70

10 16461 20.75 17907 19.48 13110 19.18

25 16877 20.13 18711 18.76 16435 18.86

40℃

0.05 1320 26.08 2715 24.44 1418 26.87

0.1 1957 26.34 3898 26.13 2611 27.62

1 2934 29.22 4674 29.21 3249 30.34

5 6460 30.17 5377 27.86 6311 29.71

10 7218 31.03 5385 28.73 5743 31.35

25 8466 26.38 6545 25.89 7426 28.28

55℃

0.05 1177 23.29 2458 23.40 1446 23.45

0.1 1192 24.24 2985 21.94 1371 24.10

1 1436 26.37 2774 26.05 1368 25.66

5 2243 30.41 3595 33.00 2149 31.99

10 2323 36.77 5586 35.38 2534 35.36

25 2589 36.09 6105 34.26 3712 36.21

<표 5.8> 화강암 기층용 아스팔트 25mm+AP-5(PG64-22)

204

부 록

공극율 2% 4% 6%

시험온도 주파수 |E*| δ |E*| δ |E*| δ

-10℃

0.1 16758 15.44 15200 14.67 11603 15.81

0.5 18324 12.12 16897 13.70 17468 14.82

1 21708 10.28 18996 12.09 19070 10.98

5 23953 5.25 20820 6.77 21127 7.99

10 25691 4.78 24781 6.13 20282 6.89

25 26892 8.78 27092 6.52 23857 5.00

5℃

0.05 8868 13.16 9240 19.13 8810 16.10

0.1 11753 15.35 12076 13.26 11214 13.89

1 12995 14.44 16968 11.12 12009 9.63

5 15016 7.81 19784 8.23 15377 9.62

10 16988 6.02 19030 6.15 17141 6.56

25 17229 7.51 21254 7.21 20228 5.57

20℃

0.05 4317 32.27 3454 35.29 3336 31.56

0.1 6782 24.74 6351 25.29 5521 24.15

1 5495 23.04 5353 27.52 6504 25.25

5 7701 14.80 9136 21.67 9917 18.92

10 8448 16.35 8427 21.55 7571 20.04

25 9785 12.14 11956 11.62 8465 13.19

40℃

0.05 980 28.73 557 43.33 575 43.35

0.1 1723 28.39 906 43.15 988 39.35

1 1953 29.68 1135 40.22 1217 37.83

5 3104 33.69 2037 35.10 2199 33.10

10 4297 34.98 2685 31.16 3377 34.97

25 5714 36.44 2433 36.02 3434 36.58

55℃

0.05 593 40.71 391 41.05 464 38.31

0.1 852 40.75 550 42.15 524 38.00

1 883 36.26 523 33.34 663 37.09

5 1270 37.09 854 36.24 1382 46.61

10 2233 33.76 1177 43.98 1289 41.94

25 3490 38.95 1600 40.53 2076 42.46

<표 5.9> 화강암 SMA 13mm+AP-3(PG58-22)

205

부록 5. 아스팔트 재료

도로포장 구조 설계 요령

공극율 2% 4% 6%

시험온도 주파수 |E*| δ |E*| δ |E*| δ

-10℃

0.1 21994 15.44 19590 14.67 18947 15.81

0.5 25773 12.12 23725 13.70 21945 14.82

1 27292 10.28 25680 12.09 24013 10.98

5 28735 5.25 27508 6.77 26415 7.99

10 32896 4.78 31618 6.13 30424 6.89

25 35380 8.78 29585 6.52 31832 5.00

5℃

0.05 15453 13.16 12849 19.13 11783 16.10

0.1 16748 15.35 16391 13.26 16591 13.89

1 19319 14.44 18300 11.12 18736 9.63

5 23220 7.81 22369 8.23 23912 9.62

10 24385 6.02 23589 6.15 23405 6.56

25 28604 7.51 23807 7.21 22466 5.57

20℃

0.05 5088 32.27 6185 35.29 3410 31.56

0.1 7256 24.74 9942 25.29 5300 24.15

1 8741 23.04 11488 27.52 6346 25.25

5 13652 14.80 10054 21.67 9864 18.92

10 15216 16.35 9221 21.55 11439 20.04

25 16095 12.14 11753 11.62 14284 13.19

40℃

0.05 2005 28.73 1343 43.33 1475 43.35

0.1 3337 28.39 2255 43.15 2416 39.35

1 4795 29.68 2780 40.22 2973 37.83

5 4841 33.69 5256 35.10 5072 33.10

10 5018 34.98 5997 31.16 6267 34.97

25 6305 36.44 5142 36.02 4758 36.58

55℃

0.05 1196 40.71 876 41.05 1159 38.31

0.1 1625 40.75 1201 42.15 1338 38.00

1 2118 36.26 1466 33.34 1381 37.09

5 2715 37.09 1992 36.24 1923 46.61

10 2938 33.76 2687 43.98 2879 41.94

25 3913 38.95 4285 40.53 4529 42.46

<표 5.10> 화강암 SMA 13mm+AP-5(PG64-22)

206

부 록

공극율 2% 4% 6%

시험온도 주파수 |E*| δ |E*| δ |E*| δ

-10℃

0.1 17745 14.60 17034 11.64 16670 13.81

0.5 22143 9.12 20991 11.03 19691 12.76

1 24648 8.92 22843 10.92 19684 12.75

5 25479 6.81 25716 8.27 23389 8.90

10 26730 5.71 26786 6.65 21456 6.41

25 27084 5.73 26892 5.93 25626 4.87

5℃

0.05 11364 14.50 8384 18.70 9882 18.14

0.1 14238 12.98 12588 15.85 14938 13.18

1 16447 11.22 13127 12.78 16868 12.05

5 20273 10.52 18112 9.37 20995 11.26

10 17641 7.00 20515 7.91 23674 6.99

25 19570 7.00 21778 6.91 22969 6.19

20℃

0.05 2970 29.72 5293 32.71 5247 32.48

0.1 4209 29.89 6854 29.00 7547 28.59

1 4714 27.91 10090 25.12 9301 25.67

5 7628 19.37 14158 21.52 13935 22.43

10 7190 15.16 15822 14.68 15259 20.18

25 9147 10.02 13774 9.91 19087 13.24

40℃

0.05 1422 29.68 1953 33.80 1262 35.06

0.1 2123 30.14 3552 34.55 2062 33.90

1 2487 29.03 3817 31.49 2339 35.11

5 3613 26.97 6368 29.32 4012 33.65

10 5053 22.10 8303 32.08 4245 29.41

25 5983 18.88 9002 14.77 6827 27.18

55℃

0.05 1218 27.64 1266 39.12 1036 37.49

0.1 1605 28.69 1954 41.13 1952 36.81

1 1530 31.13 2202 32.39 1864 35.54

5 2942 32.27 3248 34.95 3147 34.17

10 2886 37.98 3721 34.95 3730 33.99

25 3202 42.49 4978 39.39 5709 33.41

<표 5.11> 화강암 개질아스팔트 13mm+슈퍼팔트(PG76-22)

207

부록 5. 아스팔트 재료

도로포장 구조 설계 요령

(식 5.26)의 동탄성계수 추정식에 각각의 혼합물별 아스팔트 바인더 점도자료와 아

스팔트 혼합물 배합설계자료를 이용하여 회귀분석을 통해 Parameter a1부터 a12까지

결정하여 <표 5.12>에 나타내었다.

추정식 파라미터

 6.940166

 -0.00176

 0.003889

 -0.08776

 -1.33426

 -3.63992

 -0.03114

 0.015546

 0.010469

 -0.09942

 0.162727

 0.180695

<표 5.12> 동탄성계수 추정식 파라미터

(5) 마스터 곡선 파라미터

일반적으로, 저온 및 상온에서의 아스팔트 혼합물의 하중응답특성은 지수함수형태를

이용하고, 고온에서의 특성 평가 시에는 다중함수(Polynomial Fitting Function)를 이

용한다. Pellinen(2001)에 의해 제안된 새로운 방법은 Sigmoidal 함수를 이용하여 마

스터곡선을 결정하는 것으로, 이 함수는 측정된 동탄성계수를 비선형최소자승법을 이

용하여 처리한다. 기본방정식은 (식 5.12) 및 (식 5.13)과 같고, 통계프로그램을 이용

하여 방정식에 사용된 파라미터를 결정하였다.

208

부 록

δ

α

β γ 식 (5.12)

η η 식 (5.13)

여기서, = 로그 함수값의 동탄성계수

δ = 최소계수 (Minimum Modulus)

α = 가능한 값의 범위 (Range of Possible Value)

β & γ = 형상계수 (Shape Parameter)

η, ηTr= 아스팔트 바인더의 점도

<그림 5.4>에 나타난 것과 같이, γ 는 함수 값의 기울기를 의미하고, β는 수평방향

의 분기점(Turning Point)을 의미한다.

<그림 5.4> 형상계수(Shape parameter)의 정의

동탄성계수 시험결과에서 결정된 동탄성계수를 실수부(탄성영역, E1)와 허수부(점성

영역, E2)로 구분할 수 있고, 이를 그래프로 표시한 것을 Cole & Cole Plane 또는 복

합평면 (Complex Plane)이라 한다. 로그 스케일안에 있는 동탄성계수의 절대값과 위

209

부록 5. 아스팔트 재료

도로포장 구조 설계 요령

상각(Phase Angle)의 상관관계를 나타내는 그래프를 Black Space라 정의한다. Black

Space에서 하중주파수와 온도는 동탄성계수와 위상각의 상관관계에 영향을 미치지 않

고, 위상각이 0 인 경우는 재료의 탄성적인 특성을 보여준다. 역학적-경험적 설계인

도로포장 구조 설계에서는 다층탄성이론을 이용하여 도로포장체의 응력과 변형을 해석

하고, 이런 해석을 할 때 도로 포장체의 주요한 물성치가 동탄성계수이다. 이 방법에

서는 아스팔트 바인더의 점성(Viscosity)을 이용하여 변환함수(Shift Factor)를 결정하

고, 이를 이용하여 아스팔트 혼합물의 동탄성계수를 결정한다(김현오, 2005).

(6) 새로운 아스팔트 재료에 대한 물성 정량화

새로운 재료에 대해 직접 재료 실험을 할 경우는 동탄성계수 마스터 곡선의 매개변

수를 이용한다. 동탄성계수 마스터 곡선의 매개변수 δ, α, β, γ, c 를 구하기 위해 아

스팔트 혼합물 표층 19mm와 기층 25mm의 시험 결과에 대한 회귀분석을 통해 <표

5.13>과 같이 아스팔트 혼합물에 대해 결정한 마스터곡선 입력변수를 제안하였다.

210

부 록

층종류 골재

분포

아스팔트

종류 공극률 δ α β γ c

표층

SMA

13mm

PG 58-22

2% 2.3116 2.2389 -0.4729 0.6784 1.1266

4% 2.2657 2.3338 -0.4860 0.6237 1.2592

6% 2.3701 2.1623 -0.3743 0.7314 1.0516

PG 64-22

2% 0.2482 4.4556 -1.3504 0.2854 1.0735

4% 2.2052 2.2314 -0.7859 0.5515 1.2294

6% 2.0799 2.3362 -0.8662 0.5433 1.0612

밀입도

13mm

PG 58-22

2% 2.2031 2.4089 -0.7713 0.5107 1.1630

4% 2.1653 2.4625 -0.8773 0.4410 1.2603

6% 1.5826 3.0616 -1.2297 0.3633 1.3271

PG 64-22

2% 2.1962 2.4639 -0.8287 0.4915 1.1021

4% 2.2990 2.2755 -1.0054 0.5677 1.1230

6% 2.2363 2.3375 -0.9449 0.5412 1.0264

밀입도

19mm

PG 58-22

2% 2.3443 2.3328 -0.7970 0.3751 1.0136

4% 0.7413 3.9052 -1.4968 0.2981 1.0879

6% 2.7086 1.8659 -0.4539 0.5948 0.7979

PG 64-22

2% 3.1126 1.4205 -0.1498 0.7527 0.7625

4% 3.0621 1.4655 -0.2013 0.8517 0.9328

6% 2.7102 1.8787 -0.4579 0.5931 0.8307

13mm PG 76-22

2% 2.8391 1.8076 -0.0698 0.4886 1.0038

4% 2.3319 2.2273 -0.9391 0.4976 0.7890

6% 2.8581 1.5720 -0.7116 0.8231 0.8047

기층 25mm

PG 58-22

2% 2.8452 1.8145 -0.3575 0.5609 0.9716

4% 2.7783 2.0697 -0.3650 0.3508 1.5613

6% 2.7315 2.0324 -0.3364 0.4466 1.1145

PG 64-22

2% 2.6318 1.9740 -0.9152 0.5817 1.1075

4% 3.3064 1.3077 0.0214 0.7355 0.8334

6% 2.9304 1.6526 -0.3496 0.7781 0.8189

<표 5.13> 동탄성계수 마스터곡선 파라미터

5.2 아스팔트 재료 물성 시험법

앞에서 살펴본 아스팔트 물성을 정량화하기 위해 경험적인 방법에서부터 역학적인

방법에 이르기까지 다양한 실험법이 적용되었다. 다음은 이러한 실험법에 대해 알아보

도록 하자.

211

부록 5. 아스팔트 재료

도로포장 구조 설계 요령

5.2.1 직접법

(1) 만능 시험기를 통한 시험법

간접인장 시험 장비는 측정 시편과 하중 및 측정 장비를 바꿔가며 다양한 물성을 시

험을 할 수 있는 장비이다. 다음은 이 장비를 이용하여 측정할 수 있는 다양한 시험을

정리하였다.

가. 간접 인장 강도 시험

간접 인장 강도 시험은 실린더형 공시체에 단일 또는 반복 압축 응력을 수직한 직경

면을 따라 가하여 수행한다. 이러한 하중 형태는 직경면의 방향에 수직의 등분포 하중

을 형성한다. 궁극적으로 공시체는 지금에 수직한 방향으로 균열이 발생하여 파괴된

다. 101.6 mm 직경을 가진 공시체에 균일한 등분포 하중을 가하기 위해서 12.7 mm

폭의 곡률이 있는 하중 재하 막대를 사용한다. 파괴시의 인장 응력과 인장 변형율을

정의하기 위해 방정식이 개발되고 이후 간략화 되었다. 이 방정식은 HMA 를 균질하

고, 등방성이며 그리고 탄성체로 가정하였다. 물론 이 가정들이 전부 옳은 것은 아니

지만, 위와 같은 가정하에서 HMA 혼합물의 특성 평가하는 것이 표준화 되었으며 상대

적으로 더 쉽기 때문이다. 아래의 식은 간접 인장 응력 및 변형율을 정의하기 위한 방

정식을 나타낸 것이다.

dt

P

x π

σ = 2 <식 5.14.a>

dt

P

y π

σ = 6 <식 5.14.b>

εf= 0.52xt <식 5.14.c>

여기서, σx : 공시체 중앙에서의 수평 인장응력(psi)

212

부 록

σy : 공시체 중앙에서의 수직 압축응력(psi)

εf : 파괴시 인장 변형률

P : 작용 하중(lb)

D : 공시체 직경

T : 공시체 두께

xt : 공시체의 수평 처짐 (in)

위의 식에서 직경 101.6 mm 직경의 공시체는 12.7 mm 폭의 하중 재하 막대를, 직

경 152.4 mm 폭의 공시체는 19 mm 폭의 하중 재하막대를 사용한다. 간접 인장 실험

을 통해 HMA 의 특성을 정의하기에 유용한 두 가지 혼합물의 특성을 알아낼 수 있다.

첫째로 인장강도이다. 이 인장강도는 종종 혼합물의 수분 민감성을 평가하는데 사용된

다. 이를 위해, 노래의 인장 강도에 대한 잔류 인장강도의 백분율을 결정하기 위하여

시료의 습윤 처리 전, 후의 인장강도를 각각 측정한다. 높은 인장강도는 공용성이 좋

은 것을 나타내는 것이며 낮은 값은 공용성이 나쁨을 의미하는 것이다. 또한 인장 강

도는 때때로 아스팔트 혼합물의 균열 발생 가능성을 평가하는데도 도움이 된다. 그러

나, 파괴에 이르렀을 때의 인장 변형율을 구할 수 있는 간접 인장 시험은 균열 발생

가능성을 예방하는데 더욱 효과적이다. 균열이 일어나기 전에 높은 변형율을 감당할

수 있는 혼합물은 그렇지 못한 혼합물보다 균열에 저항할 수 있는 가능성이 더 큰 것

이다. 간접 인장 강도 실험은 일반적으로 분당 50.8 mm 의 변형 속도, 25 ℃ 의 온도

에서 진행된다. 만약 101.6 mm 와 152.4 mm 시료에 대한 변형률과 유사한 변형률이

필요하면 분당 76.2 mm 의 변형 속도로 직경 152.4 mm 공시체에 사용되어야 한다.

실제로 101.6 mm 일 때나 152.4 mm 일 때나 동일한 속도가 사용된다. 그러나 152.4

mm 일 때 측정되는 인장 강도는 변형율이 작아서 101.6 mm 보다 작게 측정된다. 또

한 인장 실험은 공용 온도를 예상하기 위해서 다른 온도에서도(특히 낮은 온도) 수행

된다. 낮은 온도에서의 실험 데이터는 온도에 의한 균열 예측 모형에 사용될 수 있다.

213

부록 5. 아스팔트 재료

도로포장 구조 설계 요령

나. 회복탄성계수 시험

상온 및 저온에서의 회복탄성계수를 측정하기 위하여 AASHTO TP 31-94 의 규정

을 기초로 한다. 수평과 수직 변형을 측정할 수 있는 변형측정 게이지(Extensormeter)

의 장착을 위해 공시체의 양면을 고른 다음, 게이지 포인터를 부착한다. 시험 전 게이

지 포인터가 장착된 공시체을 온도가 조절되는 챔버 안에서 3 시간 동안 시험 온도로

유지시킨다. 이 시험에서는 상온 및 저온에서의 아스팔트 혼합물의 특성을 측정할 수

있다. 시험에 사용된 하중 형태는 <그림 5.5(a)>와 같은 정현파 하중을 사용하며, <그

림 5.5(b)>와 <그림 5.5(c)>는 재하 하중에 따른 일반적인 수직 및 수평에 대한 변형곡

선을 보여주고 있다. 이때 하중 재하는 0.1 초의 재하 기간과 0.9 초의 휴지기간을 1

주기(Cycle)로 하여 재하 하였으며 간접인장강도의 10 %~50 % 의 범위 내에 있도록

한다.

(a) 하중-시간 곡선

a = 하중 1주기당 하중지속 시간, b = 회복시간, c = 주기 전체시간

(b) 수직변형-시간 곡선

214

부 록

(c) 수평변형-시간 곡선

<그림 5.5> 회복탄성계수시험에서 하중과 변형곡선

회복탄성계수(MR)와 포아송 비(ν)는 다음 식에 따라 구한다.

I

RI

RI t H

M P

Δ

+

= ( 0.27) ν

<식 5.15>

T

RT

RT t H

M P

Δ

+

= ( 0.27) ν

<식 5.16>

3.59 − 0.29

Δ

Δ

=

I

I

RI V

v H <식 5.17>

3.59 − 0.29

Δ

Δ

=

T

T

RT V

v H <식 5.18>

여기서, MRI : 순간회복탄성계수(kPa) t : 공시체 두께(mm)

MRT : 전회복탄성계수(kPa) ΔHI : 순간회복 수평변형(mm)

νRI : 순간회복 포아송비 ΔVI : 순간회복 수직변형(mm)

νRT : 전회복 포아송비 ΔHT : 전회복 수평변형(mm)

P : 반복하중(N) ΔVT : 전회복 수직변형(mm)

아스팔트 혼합물의 회복탄성계수 시험에서 하중이 순간적으로 가해졌다가 제거됨에

215

부록 5. 아스팔트 재료

도로포장 구조 설계 요령

따라 변형이 일어났다가 곧바로 회복되는데, 이렇게 순간적으로 회복되는 변형을 순간

회복변형이라 하고, 다음 하중이 재하되기 전까지의 휴지기간에 시간에 따라 서서히

변형이 회복되는 것을 점탄성 회복변형이라 하며, 이 두 가지를 합하여 전회복변형이

라 한다. 순간회복탄성계수와 전회복탄성계수와의 관계를 통해서 아스팔트 혼합물의

특성을 파악할 수 있는데 <그림 5.6>에서와 같이 하중이 재하되었다가 제거됨으로써

순간적으로 회복되는 변형량이 a 구간이고, 다음 하중 재하 때까지 점차적으로 회복되

는 구간이 b 이며 a 와 b 를 더한 것이 1주기당 전체 변형량(Ht) 이다.

<그림 5.6> 반복재하에 의한 수평변형

a구간과 b구간의 비율로서 공시체의 점탄성 성질을 파악할 수 있는데, 위의 식에서

순간회복탄성계수와 전회복탄성계수와의 비는 다음과 같이 표현될 수 있다.

I

V

I

I V

I

T

RT

RI

H

H

H

H H

H

H

M

M

Δ

Δ

= +

Δ

Δ + Δ

=

Δ

Δ

= 1 <식 5.19>

여기서, ΔHI : 순간회복 수평변형(mm)

ΔHV : 점탄성회복 수평변형(ΔHT - ΔHI)(mm)

위 식에서 순간회복탄성계수와 전회복탄성계수의 비는 점탄성회복변형량(ΔHV)과

순간회복변형량(ΔHI)과의 비로 표현되는 것을 알 수 있으며, 이 수치가 작을수록 (Δ

HI>ΔHV) 완전 탄성체에 가깝고, 클수록 (ΔHI>ΔHV) 점탄성체에 가깝다. 포아송비 경우

216

부 록

25 ℃ 아스팔트 혼합물의 경우 일반적으로 적용되는 값인 0.35 를 적용할 경우에는 수

직변형의 측정은 생략해도 된다. ASTM D 4123 에서는 포아송 비의 값을 25 ℃ 에서

의 0.35 의 값 하나만 적용하고 있으나, 1993년 한국도로공사 연구보고서 “아스팔트

혼합물 개량 연구”에서는 회복탄성계수 시험시 5 ℃ 에서 0.2, 25 ℃ 에서 0.35, 40

℃ 및 60 ℃ 에서 0.5 를 사용할 수 있는 것으로 나타났다.

온도 -10도 5도 20도 40도

공극률 평균 표준편차 평균 표준편차 평균 표준편차 평균 표준편차

2 6530 566 5706 260 4012 320 1407 112

4 6505 1213 6354 1377 4637 498 - -

6 5520 138 5523 472 4544 347 - -

<표 5.14> 회복탄성계수 시험결과 (밀입도 19mm, PG 64-22)

다. 크리프 시험

크리프 시험은 일반적으로 비구속 1축 정적압축과 구속 1축 정적압축의 방법으로 수

행할 수 있으며, 이 시험들은 실제 현장 교통하중과 밀접한 관계가 있다. 가장 흔히

사용되는 크리프 시험은 비구속 1축 정적압축 크리프시험이다. 이 시험은 정해진 시간

과 온도에서 시료에 일정한 하중을 가하면서 시료가 변형함에 따른 변형량을 측정하게

된다. 구속 1축 정적압축 크리프시험은 <그림 5.7>과 같이 비교적 기계장치가 간단하

여 수행하기 쉬운 시험이며, 구속압력 약 138 kPa (20 psi)를 작용시킴으로써 시료는

828 kPa (120 psi)의 수직압력과 60 ℃ 까지의 온도에서 시험 할 수 있다. 이러한 시

험조건은 비구속 1축 정적압축 크리프 시험조건보다도 실제 현장조건을 더 유사하게

모사할 수 있다.

217

부록 5. 아스팔트 재료

도로포장 구조 설계 요령

<그림 5.7> 구속반복하중 크리프 시험

시험 방법은 원형 하중판 사이에 공시체의 중심축과 하중프레임의 중심축이 일치하

도록 고정시켜 놓고 시험하기 전 공시체를 3 시간 동안 시험온도에 맞게 챔버 안에서

가열하여 공시체의 온도와 평형상태를 유지한다. 이후 구속하중을 가하고, 연지하중을

가하는 형태로 시험을 시행한다. 138 kPa 구속하중을 이용하고, 연직방향하중의 크기

를 실제 대형트레일러의 하중조건을 모사한 828 kPa 까지를 고려한다. 다만, 고온에

서의 실험이 수행되므로 시편의 상태에 따라 최대연직하중을 조정하여야 한다. 반복하

중은 0.2 초의 재하 및 0.8 초의 비재하형태를 이용한다. <그림 5.21>은 국내 13 mm

화강암에 대한 시험 결과를 도시한 것이다.

218

부 록

0.000000001

0.00000001

0.0000001

0.000001

0.00001

0.0001

0.001 0.01 0.1 1 10 100 1000

time (sec)

D ( t) , ( 1/K P a)

p5ocv4gr13a1

p5ocv4gr13a2

p5ocv4gr13b1

p5ocv4gr13c2

p5ocv4gr13d1

p5ocv4gr13e1

MPL

<그림 5.8> 최대입경 13mm 골재(화강암)

+ PG 64-22 바인더 혼합물의 크리프 시험결과

라. 동탄성계수 시험

동탄성계수시험은 5개의 다른 온도 및 6개의 하중주파수를 이용하여 <표 5.15>와 같

은 구속압력, 하중조건 및 변형량을 적용한다. 시험에서 이용된 응력상태에서 선형응

력상태는 시료에 하중이 재하되었을 경우 선형거동특성을 주로 평가하게 되어 높은 온

도에서의 아스팔트 혼합물의 거동특성 중 골재의 맞물림 저항을 반영하는 영구변형 특

성평가에 다소 취약하다. 하지만 비선형하중을 이용한 시험의 경우 골재의 맞물림 저

항 특성을 충분히 평가할 수 있어, 영구변형과 관련된 아스팔트 혼합물의 특성을 잘

평가할 수 있다.

■ 동탄성계수 시험조건

동탄성계수 시험은 각각의 준비된 시험시편에 4-5 개의 온도조건, 6 개의 하중주파

수를 이용하여 시험을 수행한다. 시험에 이용된 구속압력은 최고 275 kPa (40 psi)를

적용한다. 시험은 유압을 이용한 만능시험기를 이용하고, 하중은 휴지기가 없는 사인

파 형태의 압축응력을 적용한다. 하중재하시 발생하는 변위는 원통형 시편의 중간에

설치한 2 개의 변위측정장치(LVDT, Linear Variable Differential Transducers)를 이

219

부록 5. 아스팔트 재료

도로포장 구조 설계 요령

용한다. 시험에 이용된 시편의 크기는 직경 100 mm, 높이 150 mm 원통형 공시체를

이용한다. 채취된 시료 외에 실내에서 제작된 시료는 선회다짐기(Gyratory

Compactor)를 이용하여 시험시편을 제작하여 이용한다. LVDT의 설치는 비구속하중

및 구속하중조건 모두 똑같이 적용한다. 모든 시험은 시험온도를 -16 ℃ 부터 60 ℃

까지 정확히 조절할 수 있는 온도챔버(Environmental Chamber)를 이용한다. 비구속

하중조건의 경우 2단계로 나누어 시험한다. 1단계에서는 주어진 시험온도(저온)에서 약

150 μ 변형률을 발생시키는 하중의 크기를 변화시켜 시험을 진행한다. 1 단계 시험은

아스팔트 혼합물의 거동특성이 선형거동을 보이는 구간에서의 시험이다. 2 단계에서는

같은 시험시편을 이용하여 재료의 비선형거동과 큰 변형량, 약 500-1000 με 을 발생

시키는 하중조건을 이용하여 고온, 37.8 ℃ 및 54.4 ℃ 에서 시험을 수행한다. 구속하

중상태의 시험장비는 최대구속하중, 690 kPa(100psi)를 적용할 수 있는 삼축셀을 장착

하고 비구속 상태와는 달리 시료에 고무멤브레인을 씌우고 시험을 수행하기 때문에

LVDT 의 설치를 위한 구멍을 고무멤브레인에 미리 뚫어 놓아야 한다. 시험방법은 비

구속상태와 같은 방법으로 진행하고, 온도의 변화를 줄 경우 시험시편을 온도챔버에

넣은 상태로 온도를 변화시켜 열변화에 의한 시료의 상태를 최적의 상태로 구현한다.

<표 5.15>, <표 5.16>은 시험에 이용된 하중주파수 및 시험결과측정범위를 보여주고

있다.

시험

항목 Mode 시험온도(℃) 주파수

(Hz)

구속압력

(kPa)

응력

상태

변형량

(με)

동탄성

계수

1 -10, 4.4, 21.1, 37.8, 54.4

25, 10, 1, 0.5,

0.3,0.11

0 선형 < 150

2 4.4, 21.1, 37.8, 54.4 69 선형 < 150

3 -10, 4.4, 21.1, 37.8, 54.4 138 비선형 > 200

4 -10, 4.4, 21.1, 37.8, 54.4 206 비선형 > 500

5 4.4, 21.1, 37.8, 54.4 275 비선형 > 500

<표 5.15> SPT 시험항목 및 시험조건

220

부 록

시험시료 하중조건 하중주파수 반복횟수 측정범위

채취시료 및

실내제작시편 Sin 파 하중

25 200 95-200

10 200 95-200

5 100 95-100

1 50 44-50

0.5 20 15-20

0.1 15 10-15

<표 5.16> 하중주파수 및 결과측정범위

(2) 초음파시험기를 이용한 동탄성계수 시험법

초음파 시험기를 이용한 시험은 ASTM C 597, "Test Method for Pulse Velocity

Through Concrete" 의 규정을 적용한다. 시험시편은 직경 150 mm, 높이 150 mm 의

시편을 이용한다. 103*200*100 mm 의 스티로폼블럭을 저판으로 이용한다. 시험시편

은 시험전 온도챔버에 약 3-4시간 온도를 맞추기 위해 적치한 후, 시편을 꺼내어 약 1

분 이내에 초음파시험을 한다. 시간에 따른 시편의 온도변화가 측정치에 상당한 영향

을 주므로, 가능한 빠른 시간안에 시험을 마쳐야 한다. 하나의 위치에서 3개의 각기

다른 신호주기를 결정하고, 평균값을 시험값으로 적용하였다. με 으로 표시되는 이동

시간(Transit Time)이 측정된다. 시편의 밀도는 표면건조포화중량을 이용하여 결정되

고, 펄스속도(Pulse Velocity)는 파형의 길이와 이동시간간의 상관관계로부터 계산된

다. 시험시편의 실질적인 포아송 비의 측정이 어려우므로, 이는 적절히 가정하여 이용

한다.

5.2.3 간접법

(1) 마샬 안정도

마샬 안정도 시험법(ASTM D 1559) 은 실내 실험을 통해 다진 아스팔트 혼합물의

강도를 측정하기 위해 1940 년대에 개발되었다.

이 마샬 안정도의 시험법은 실린더 형의 시편(직경:101.6 mm, 높이:63.5 mm)에 압

축 하중을 가한다. 시편의 시험 온도는 60 ℃ 이며 하중은 분당 약 50.8 mm의 속도

221

부록 5. 아스팔트 재료

도로포장 구조 설계 요령

로 가한다. 시험 온도는 여름철에 HMA 포장이 받을 수 있는 최고 온도가 60 ℃ 이며

이때 포장이 약화된 상태를 모사할 수 있다. 마샬 안정도는 시편이 최대로 받을 수 있

는 하중크기로 정의된다. 흐름값은 그때 하중이 재하된 시편의 수직방향 처짐을 나타

나며 단위 흐름값은 0.25 mm 이다. 가끔 아스팔트 혼합물의 특성을 마샬 강성 지수로

나타내는데 이것은 먀샬 안정도를 흐름값으로 나눈 값이다. 이 값은 유럽에서 엔지니

어들이 주로 사용하고 있으며 아스팔트 혼합물의 질을 평가하는데 적용하고 있다. 마

샬 강성 지수가 더 높을수록 혼합물은 더 단단해지고 영구변형에 저항 능력이 커진다.

년 도 1973년 1991년 1999년

혼합물의 종류 밀입도 아스팔트콘크리트(20,13)*

용 도 표층(중간층)

다짐횟수 50 50(75)

안정도 (kgf) 500 이상 500(750) 이상

흐름값 (1/100 ㎝) 20-40

공극률 (%) 3-6

포화도 (%) 70-85 70-85

<표 5.17> 마샬 시험에 대한 기준치

(2) FWD 를 이용한 역해석

FWD 는 비파괴 실험장비의 일종으로 하중에 의하여 발생하는 포장 표면의 처짐으로

포장체의 물성을 추정하기 위해 개발되었다. 최초의 개념은 1938 년 미국 캘리포니아

도로국에서 처짐 측정장비를 설치하여 트럭하중 재하시 처짐을 측정한 것이 시초였다.

현재의 FWD 는 추를 사용하여 포장면에 충격하중을 재하하고 그에 따른 포장면의 처

짐을 측정하여 도출된 처짐 곡선으로부터 역해석을 통하여 포장층의 탄성계수 및 노상

의 지지력을 구하는 장비이다. 이런 역산결과를 통하여 아스팔트 포장체의 탄성계수를

추정하고 구조적 상태를 평가한다. FWD 장비의 표면처짐 개요도는 <그림 5.9>과 같

다.

FWD 측정방법은 사전에 측정하고자 하는 위치를 도상 또는 현장에서 결정하여 아래

222

부 록

의 순서로 측정을 실시한다.

1) 재하판을 측정하려는 포장면상에 위치시키고 FWD 조정원은 포장면에 페인트로

위치를 표시하며 재하판에 부착된 카메라를 이용하여 정확한 위치를 확인한다.

2) 정확한 위치가 확인되면 FWD 작동 프로그램을 열고 시험자의 이름, 시험장소

날짜, 포장의 종류, 시험방법 및 간단한 메모를 기록한다. 이때 FWD 에 정착된

대기온도 및 표면온도 측정장치를 검사한다. 보다 정확한 결과 분석을 위해서

휴대용 온도측정기로 별도 측정하면 좋다.

3) 실제 측정 전에 예비하중을 재하판에 가하였으며, 예비하중을 가하는 목적은 버

퍼(재하판에 하중을 가하는 고무)가 원활하게 작동하도록 준비운동을 시키는 과

정이다.

4) 준비가 완료된 상태에서 시험 목적에 맞는 하중을 선택하여 하중을 가하였다.

5) 시험이 완료되면 파일이름을 정하여 저장하고 시험 결과가 들어 있는 디스켓을

포장구조 해석자에게 전달하여 해석한다.

역해석 과정은 다음의 내용 및 <그림 5.9>와 같다.

1) 아스팔트 포장체를 해석할 구조해석 프로그램을 선택하다. 종류로는 Layered

Elastic Theory, BISAR, ELSYM5 등이 있다.

2) 각 층의 초기 값(E, m)을 입력하고 각 층별 탄성계수 조건들을 설정한다.

4) 반복적인 구조해석을 수행하여 센서의 위치별 처짐량이 유사한 물성값을 찾아

간다.

5) 허용 조건에 맞는 물성값을 선택하도록 한다.

이러한 해석 결과는 각 층의 물성 조합에 의해 처짐량을 일치시키는 것으로 유사한

해가 많이 도출되는 단점이 있다.

223

부록 5. 아스팔트 재료

도로포장 구조 설계 요령

구조해석 프로그램

(처짐량)

초기 물성값 가정

(Ei, vi)

해석 결과와

FWD 결과의 비교

반복

계산

NG

OK

각 층의

대표 물성값 결정

<그림 5.9> FWD 를 이용한 아스팔트 층의

물성 역산 과정