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by Joe E. Cano, PE

소개

고무아스팔트의 사용은 1960년대 중반, Phoenix 시의 Materials Engineer인 Charles McDonald의 노력으로 시작됐다. McDonald 공법이라고도 알려진 이 고무 아스팔트 기술은 30년이 지나는동안 세계적으로 여러 형태의 도로보수용 기술로 현재까지 사용되고 있다
ASTM D-8-99에는 고무아스팔트를 다음과 같이 정의하고 있다. "아스팔트, 재활용고무 그리고 일정첨가제들의 혼합체로서 고무성분이 혼합재 총중량의 최소한 15%가되고, 고무입자가 고무아스팔트 속에서 팽창하도록 충분히 반응한 것.”이라고…. 그러나 이 공정은 최소 17-18%의 폐타이어 고무가루와 포장용 아스팔트를 350℉-400℉에서 반응할 수 있도록 섞었을 때 가장 좋은 결과가 얻어진다.
1960년대 중반 고무 아스팔트가 개발된 이후로 미국의 많은 도로관리기관들은 고무아스팔트 chip seal이나 고무아스팔트 Hot Mix을 사용해 오고 있다. 현재는 Arizona주와California주가 앞서가고 있으며 년간2백만톤 이상의 고무아스팔트Hot Mix를 두개주에서 사용하고 있다. Arizona주에서는 Gap-Grade와 Open-Grade가 덧씌우기에 사용되고 있고 California주에서는 Gap-Grade를 사용하고 있다.

고무아스팔트 사용 역사

고무아스팔트는 1964년 최초로 교통량이 많고 상당한 유지보수가 필요한 곳으로 정했었다. 도로표면에 고무아스팔트 chip seal을 시공했는데 이는 뜨거운 고무아스팔트를 뿌리고 그 위에 동일규격의 골재를 덮는 것이다. 시험구간들의 결과는 대단히 고무적이었고 반사균열을 방지하는데 대단히 효과적이었다.
고무아스팔트 chip seal의 첫번째 중요한 실제시험은 1965년 Sky Harbor 국제공항 활주로에 실시됐다. 실제 시험결과 고무아스팔트는 우수한 탄력성이 확인됐다.이 탄력 특성은 반사균열을 방지하고 크게 파손된 포장표면을 안정시켜 포장도로의 수명을 연장시켰다.이 실험의 성공으로 1967년부터는 비행기 활주로에 본격적인 seal coat가 시작될 수 있었다. Chip Seal은 수많은 비행기의 이착륙 때문에 심하게 노화되고 균열된 활주로에 고무아스팔트 덧씌우기포장 이후 수년동안 전혀 정비보수할 필요가 없게 되어 성공적으로 평가됐다.
활주로의 chip seal 처리의 성공은 대단히 고무적인 것이었고, 이에 따라 1972년부터 활주로 보수공사에는 고무아스팔트 chip seal이 주로 사용됐다. 1980 년대 중반 활주로를 재 건설할 때까지 10년이상 성공적 기능을 수행했다.
공항 시공에서 보여준chip seal의 훌륭한 성과로 Phoenix 시는 일반도로에 고무아스팔트 chip seal을 상용적으로 사용하기 시작했다. 이때 표면처리 방법에는 두가지 시공방법이 채택되었다 .피폐된 표면에는 고무아스팔트 chip seal공법의 SAM방식과 표면에 고무아스팔트 chip seal로 시공한 뒤,다시 1-1/2나 2두께의 일반아스콘을 덧씌우는 SAMI 방법이었다. SAMI는 일반적으로 과다한 균열과 보수가 불가능할 정도로 파헤쳐진 간선도로에 적용됐다. Phoenix시는 구조적으로 사용이 부적합한 것으로 판정된 도로에 고무아스팔트를 사용하였고 그 결과 많은 예산을 절감했다.
초기 고무아스팔트 chip seal의 성공사례를 하나 들어보면, 1971년의 Central과 7번가 사이의 Indian School Road의 경우다.도로표면의 상태는 보수가 불가능할 정도로 파괴되었고 균열이 심하게 발생되어 있었다.고무아스팔트 chip seal은 도로가 완전히 나빠져서 못쓰게 되는 것을 방지하기 위한 일시적 방편으로 사용되었다. 이 도로는 1973년에 전면적으로 재 건설할 계획이었다. 그러나 이 도로는 (고무아스팔트 chip seal 덕분으로) 1993년에 재 건설 될 때까지 20년 이상을 별 다른 정비나 보수없이 만족스럽게 도로의 제기능을 수행해냈다.

고무아스팔트 chip seal의 성능

Phoenix시는 1967과1988사이에 3,000 mile이상 (1차선기준)의 시도로에 고무아스팔트 chip seal을 포설했다.약 21년에걸쳐 고무아스팔트 chip seal을 광범위하게 사용함으로써 Phoenix시는 고무아스팔트의 상당한 기술과 경험을 축적했다.
고무아스팔트 접합재는 탁월한 공학적 특성을갖고 특히 노후한 포장의반사균열을 방지하는 유일한 포장재로 각광받기 시작했다.더욱이 고무아스팔트 접합재의 점도는 보통 아스팔트보다 온도에 훨씬 덜 민감하기 때문에 더운 기후에서 녹아내리지 않고, 찬기후에서 균열이가지 않는다. 시험결과를 보면, 고무아스팔트의 연화점은 보통아스팔트 보다 35 ℉-50℉가 높다.
노화현상에대한 고무아스팔트의 봉합효과는 "도표1"에 나타난다.고무 아스팔트단층은 아스팔트중 휘발성성분의 유실과 반응을 방지하는 봉합재 역할을한다.이 봉합역할은 포장의 점도를 보존하고 표면의신축성 대부분을 유지한다.
고무아스팔트 chip seal은 Phoenix시 도로유지 보수방법으로 대단히 신뢰받아왔다. Chip seal은 포장수명을 연장시켰고, Phoenix시로 하여금 다른 방법으로는 구제할 수 없는 도로의 재건설을 지연할 수 있게했다. 일반chip seal 방식으로도 유지비를줄일수는 있지만, 고무아스팔트 chip seal은 사실상 도로유지비를 전혀들지 않게했다.그러므로 고무아스팔트 사용의 진정한가치는 도로유지비가 들지않으면서 도로를 재건설 할때까지 절감된비용으로 통행하는 사람들에게 상당히 좋은도로를 제공하는 것이었다.

Chip seal의 대안, 고무아스팔트 Gap-Graded Mix

공공 압력에 의해,( 번역자주:chip seal은 우수한 성능이 입증됐지만, 초기에 골재가 포장표면으로 올라오는 현상이 있었다.) 시의회는 1988년 도로교통국에 chip seal 사용을 중단하도록 했다.이로 인해서 Phoenix시는 경제적이고 신뢰성 있는 대체방법을 개발하게 되었다.
대체방법의 하나로 도로교통국은 특별한 고무아스콘(ARC)을 개발했다.이는 많은 양의 큰 인공 골재와 (75%-85%가 8번째에 걸러지지 않음) 높은 비율의 고무아스팔트 혼합재를 섞는 Gap-Grade 설계(Table 1)였다.혼합물의 등급한도와 최대밀도선은“도표2”와같다.
1985년에최고 10%의 고무아스팔트 혼합재를 사용, ARC를 시험한 경험을 토대로 8%-9%의 고무아스팔트 혼합재를 섞은ARC를 쓰기로 했다.굳어졌을 때 큰 인공골재는 골재들 사이에 18%-24%의 공간을 (VMA)이루면서 구조적골격 (기반)을 형성한다.이 많은 공간을 (VMA)을 통해서 많은 양의 고무아스팔트 혼합재가 섞일 수 있다. (고무아스콘 총 중량의 8%-9%). Gap-Gradation에 많은 혼합재를 함유함으로 약 4%의 실제기공을 가진 조밀한 혼합물을 형성한다.굳어진 혼합물은 심하게 균열된 표면을 덮어주고 표면의 습기가 지반으로 스며드는 것을 방지한다.구조적 기반에 의해 이루어진 큰 골재의 맞물림은 혼합물의 버팀 유용성을 높여주고 재래식 아스콘에 비해 소성변형에 높은 저항력을 갖게 한다.

Table 1: 3/8틈새등급사양

체크기	통과율
1/2	100
3/8	85-100
#4	22-55
#8	5-15
#30	0-10
#200	0-5

높은 혼합물 함유는 재래식 조밀도 아스콘에 비해서 Gap-Grade 고무 아스콘이 훨씬 더 두꺼운 혼합제 피막을 갖게 한다. 그 결과 혼합물은 내구성과 신축성이 더 있으며 두터운 피막은 도로가 부서지는 문제를 줄이고 반사 균열에 대한 저항을 증가시킨다. 고무 아스콘의 파쇄역학실험을 보면 재래식 조밀도 아스콘 보다 파쇄력을 흡수하는 능력이 약 4배나 월등하다.
California주 교통국 (CALTRANS)은 Gap Grade 고무 아스콘의 설계 지침을 개발했다. 설계 지침의 기본적 전략은 재래식 아스콘 대신에 ARC를 사용할 때 덧씌우기의 두께를 50% 절감하는 것이다. 설계지침은 수년 동안 Gap Grade ARC를 사용한 시험구간을 관찰한 CALTRANS의 경험에 의해 개발되었다. 시험 구간에서 얻은 결과는 구조적인 면이나 반사 균열면에서나 Gap Grade 고무 아스콘 덧씌우기 설계에 두께를 50% 절감하는 것은 실행 가능한 전략임을 보여 주었다. SAMI와 같이 사용할 때는 덧씌우기 두께를 더 줄일 수 있다.(조밀도 재래식 아스콘 덧씌우기 두께가 7.62 cm나 이보다 더 두꺼울 때). SAMI는 덧씌우기 하기전에 기존표면에 고무아스팔트 chip seal을 하는 것이다. CALTRANS 설계지침상 허용되는 Gap Grade 고무아스콘 덧씌우기의 최소한의 두께는 3.48 cm (0.10 ft)다.
Gap Grade고무아스콘의 설계와 포설절차는 재래식조밀도 아스콘과 본질적으로 같다. Marshall이나 Hveem 설계절차가 고무아스콘 설계에 사용될수 있다.재래식 아스콘 포설장비들이 사용된다.공기식 고무타이어 롤러는 사용하지말고 Gap Grade고 아스콘을 다질 때에는 steel롤러만을 사용해야 한다.평방 yard당 3 - 5lb의 모래를 뿌린다. 새로 포장된 구간은 마지막 다짐이 끝나고 모래를 뿌린 후 바로 통행을 할 수 있다.

Open-Graded 고무아스콘

Open Grade고무아스콘은 Gap Grade고무아스콘이 개발되기 이전부터 사용되어 왔다. Open Grade고무아스콘은 혼합제가 아스팔트와 고무가 융합된 것을 빼고는 보통아스콘 Open Grade마찰층과 같다.혼합제의 함유량은 재래식 Open Grade마찰층보다 대단히 높다. (전체중량의 9 -10%). 그 결과반사균열, 산화작용 그리고 작은 조각으로 떨어지는 확률을 방지하는 효과가 크고 보다 더 내구성이 있는 마찰층이 형성된다.
Open Grade ARC의 내구성 증대는 높은 고무아스팔트 함유량에 기인한다.고무아스팔트혼합제의 점도률 증가는 많이 흘러내리지 않고, 10%까지 혼합제가 혼합물에 섞일 수 있게 한다.높은 혼합제 함유량은 골재에 더 두꺼운 피막을 입히므로 산화작용을 방지하고 혼합물의 내구성을 높여준다.더욱 두꺼워진 피막은 파괴력을 흡수하는 능력을 높여주므로 반사균열은 물론 온도에 의한 균열도 방지한다.고온에서 응고한 고무아스팔트 혼합제와 혼합물의골재와 골재의 맞물림이 합쳐져서 소성변형에 높은 저항력이 있는 혼합물을 만든다. Table 2는 3/8 Open Grade고무아스콘의 전형적 등급 매김 사양서이다.

Table 2: 3/8 Open Grade 사양서

체크기	통과율
1/2”	100
3/8”	85-100
#4	22-55
#8	5-15
#30	0-10
#200	0-5

고무아스콘의 비용 효율성

Gap Grade ARC와 Open Grade ARC 모두 시공비용과 미래보수비용면에서 경비를 절감할 수있음이 입증되었다.다른 복구방법, 즉 두꺼운 덧씌우기나 깎고 덧씌우기나 재건설보다 ARC는 시공비용을 줄일수있다.재래식 아스콘에 비해 균열과 노화에 더 큰 저항성을 가진 ARC는 유지비용이 적게 들면서도 도로의 역할을 훌륭히 한다.두가지 예를 들어본다:

2단계 고무 아스팔트 시스템

1992년 8 월 Nevada주 교통국은고무 아스팔트방식의 기능을 검토하기 위해 9.33km (5.8 mile)의 고무아스팔트 시험구간을 건설했다.시험구간은 SAMI와 3.8cm ARC를 아스콘 위에 덧씌우기 하였다.동시에 같은 도로에 2.41 km (1.5 mile)의 대조구간이 건설되었다.이 대조구간은 2.54 cm (1in)수평층 아스콘표면 (Type III) 과 5.08 cm (2 in) 아스콘표면(Type II)에 1.91 cm (3/4 inch) Open Grade아스콘을 덧씌우기 했다.시험구간 건설비용은 평방 yard당 $7.32 이었으며 대조구간 건설비는 평방 yard 당 $10.41이었다.고로 고무아스팔트 시험구간이 대조구간보다 평방 yard당 $3.09를 절감했다.또한 시험구간은 5년간 성능을 보장했다.
1993년 봄, 육안 관찰을 한 바 균열이나 소성변형은 아무 곳에서도 나타나지 않았다. ARC 부분에 조그만 구멍이 생겼는데 이 흠은 그곳이 너무 얇게 덧씌우기를 했기 때문이었다.오늘까지 이 시험구간에서 아무런 흠도 발견되지 않았다.

Open Grade Surface코스

Arizona주 교통국은 1988년 Tucson 남쪽의 19번 고속도로에 Open Grade ARC마찰층 (AR-ACFC)을 포설했다. ARC를 콘크리트 포장 위에 2.54 cm (1 inch)두께로 바로 포장했다.혼합제 비율은 혼합물 총중량의 9.5%였다.
이 공사의 비용계산을 보면 AR-ACFC는 재래식 아스콘을 3.81 cm (1-1/2 inch로 포장하는 비용과 같다.재래식아스콘을 이렇게 얇게 깔면 한 겨울을 넘기면 깨어지겠지만 ARC Open Grade는 1993년 현재겨울을 6번 넘기고도 균열이 생기지 않았다.
Arizona주 교통국은 고무아스팔트를 사용하는 비용에 대해 여러가지 비교를 했다. 시공단계에서 ARC와 재래식 아스콘을 같은 ton대ton으로 비교하면 ARC가 25%에서 75%가 더 비싸다.그러나 Arizona주 교통국의 보고서는 “실제 사용할 때는 2 inch이하 두께또는 ACFC로 사용함으로써 비용이 더 비싸지는 것은 아니다.”ARC 덧씌우기를 할 때 재료와 함께 대단히 개선된, 유지보수가 필요없는 성능은 ARC의 비용효율성을 뒷받침한다.

고무아스팔트 Hot Mixes들을 사용함으로 얻는 환경측면의장점들

폐타이어는 년간 2억3천만 - 2억천만개가 발생하는 것으로 추산된다. 연방환경청 (EPA)조사에 따르면 미국전체에 약 20억내지 30억개의 폐 타이어가 쌓여 있는 것으로 추산된다. 폐타이어 처리에 따른 문제점들은 (화재, 쥐의 서식, 전염병균온상) 폐타이어 사용 방법과 소모처 개발을 요구한다. 이 중 한가지가 고무아스팔트이다.
약 1,500개의 타이어가 3.81 cm (1-1/2 inch)두께의 1차선 1mile 을ARC로 덧씌우기 하는데 사용된다. 1994년에 California주에서 만약 800,000 ton의 ARC를 포장했는데 이는 약 64,000 ton의 고무아스팔트 혼합제를 사용함에 따라 약 2백10만개의 폐 타이어를 처리했다.
ARC는 도로변의 소음도 줄일 수 있다. 소음조사 연구소에 따르면 ARC로 덧씌우기한 도로변은 50% - 70%나 소음수준을 낮추는 것으로 확인되었다. 이 소음의 감소는 다른 방법으로 소음을 줄이는 것 즉 방음벽등을 설치할 필요가 없을 만큼 충분하다. California주 Sacramento County에 있는 소음수준평가연구소에 따르면 ARC로 덧씌우기 전과 후의 고속도로 소음이 약 5dB줄어졌는데 이는 1.83 m (6 ft)의 방음벽을 설치했을 때와 같은 효과이다.

결론

ARC를 도로보수에 사용하면 많은 이점이 있다.이 혼합물은 균열과노화를 방지하는데 큰 효과가 있다 .이것은 부분적으로는 고무아스팔트 혼합제의 개질 덕분이다. 고무아스팔트 혼합제의 개질 특성은 높은점도, 높은연화점 그리고 높은탄성 등이다. 높은점도는 혼합물에 더 많은 혼합제를 섞을수 있어 피막을 두껍게 함으로서 저온에서 균열방지 효과를 높이고 노화를 방지한다.혼합물에서 골재와 골재의 맞물림은 (Gap 이나 Open Grade같이)혼합제의 연화점이 높고 탄성이 높은 것과 함께 고온에서 소성변형이나 밀리는 현상을 방지하는 효과를 높인다.
실제 공사에서의 비용비교는 ARC가 처음공사시에나 장기적으로 볼때나 비용이 절감됨을 보여준다. ARC는 같은 값에 재래식 아스콘보다 더 얇은층으로 깔수 있다.이 얇은층은 재료가 적게 사용되므로 최초비용이 낮다.또한 ARC는 재래식 아스콘보다 균열저항에 탁월함을 보여주고 있다.
마지막으로, ARC는 2차적 이익이 수반된다.가장 괄목할만한 것은 고무아스팔트에 폐타이어를 사용한다는 것이다. ARC는 1차선 1마일당 약 1,500개의 폐 타이어를 사용한다. ARC를 사용하면 도로의 소음을 70%까지 줄여준다는 것이 연구 발표되었다. 이는 더 비싼 소음처리장치도 필요없을 정도로 충분히 효과적인 제품이다.
ARC를 사용하면 교통기관의 도로유지예산을 절감시킨다.이 혼합물의 뛰어난 효능은 도로보수에 저비용으로 대체효과를 주고 동시에 폐타이어를 처리함으로써 그 결과는 더 좋은 도로와 깨끗한 환경을 만들어 갈수 있다.