소성변형과 점탄성 변수와의 상관성 모델개발 = Development of a Relationship between Permannent Deformation and a Viscoelastic Parameter

국문 초록 (Abstract)

아스팔트 포장의 파손원인 중에서 소성변형이 가장 심각한 문제로써 현재까지 확실한 해결방법을 찾지 못하고 있다. 소성변형에 관련된 연구로써 아스팔트 혼합물, 재료, 배합설계 등의 관점에서 국내외를 막론하고 소성변형 방지를 위해 연구 중에 있다.
본 연구에서는 아스팔트 바인더와 관련하여 골재에 관련된 변수는 일정하게 두고 아스팔트에 초점을 맞추어 효과적으로 소성변형을 방지할 수 있는 가에 접근하였다.
현행 바인더등급으로는 침입도 등급, 점도 등급, 공용성 등급 등이 있으며 기존의 등급들은 경험에 근거를 둔 등급으로서 이론적 배경은 불확실하므로 현재까지 포장 공용성 변수인 소성변형과 포장재료인 아스팔트 바인더간의 상관관계식이 정립되어있지 않았다.
본 연구에서는 개질 아스팔트 바인더 및 스트레이트 아스팔트 바인더에 공통적으로 적용 가능한 소성변형과 바인더 물성과의 상관관계식을 제안하였다. 제안된 식은 소성변형 저항성에 있어 점도변수(η_0) 적용시는 잘 맞지 않으나 점탄성변수(G^*/sinδ) 적용시는 개질 아스팔트 바인더 및 스트레이트 아스팔트 바인더에 공통적으로 잘 맞는 바인더등급 모델식으로 제안하였다. 제안된 등급 이론식의 검증을 위하여 발표된 논문의 실험데이터를 분석하였으며 실험실에서 측정한 바퀴주행시험 데이터 및 현장가속시험장비를 이용하여 측정한 데이터를 사용하였다. 특히 미국에서 개발한 공용성 등급의 타당성을 검증할 목적으로 공용성 등급으로 분류된 여러 바인더로 만든 혼합물을 시험포장하고 그 위를 미 연방정부의 ALF(Accelerated Loading Facility) 현장 가속시험장비를 주행시켜 측정한 소성변형 데이터가 새로운 공용성 등급의 이론식 검증에 적용되었다. 기존의 공용성 등급은 이러한 데이터에 상당한 오차를 보이는 반면에 제안된 공용성 등급 이론식은 잘 맞음을 검증하였다.
또한, 본 연구에서는 기존의 침입도 등급, 점도등급, 공용성 등급에 대한 이론적 배경을 분석하였으며, 각 등급이 지닌 특성과 한계점에 대한 분석도 하였다. 그 결과 이들 세 등급은 단순관계식에 각기 다른 등급변수(침입도등급은 침입깊이, 점도등급은 제로전단점도 그리고 공용성 등급은 점탄성변수)를 삽입하여 제정되었음을 증명하였다. 이들 등급변수 중 점탄성변수는 점성유체 경우에만 적용되는 점성변수와는 달리 점성유체는 물론이고 점탄성 유체에도 함께 적용 가능한 넓은 의미에의 등급변수임을 본 논문에서 밝혔다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Even though rutting is known to be the most serious problem of asphalt pavements here in the domestic as well as foreign countries, unfortunately a definite solution has not been found yet. With the fixed aggregate effect, the goal of this study lies in specifying how effective is a particular binder in preventing rutting. This kind of research is called a new asphalt binder grading.
Up to now, penetration grading, viscosity grading and Superpave performance grading are available for binder grading. However, these are the ones based on empiricism, and thus their theoretical backgrounds are ambiguous. The lack of the relationship between pavement rutting and binder properties was the main reason. Through this investigation, establishment of the very relationship by using the rut data reported in literature is successfully made. This relationship can be divided into the simplified one and the rigorous one. On the basis of the former (the simplified one), first time, the theoretical background of penetration grade, viscosity grade and Superpave performance grade is suggested, and also characteristics and limitation of each grading are analysed. As the result, it is found that the present three gradings are turned out to function properly for straight asphalt binders, but produce serious errors for the polymer-modified binders. This finding theoretically supports other researchers that concluded invalidity of the present three grading methods for modified binders.
Meanwhile, by using the latter relationship (the more strict one), a proper single grading theory applicable both to modified and unmodified asphalt binders is suggested. This equation is proved to successfully predict the wheel tracking data measured in the laboratory as well as the one measured by the accelerated pavement tester at the field. This result implies that a new grading theory has been developed. Note that this new theory has been formulated on the basis of the data measured at a single fixed test temperature. Thus, additional research may be needed in the future to construct a new binder grading system that requires proper combination of pavement rutting theory for temperature change to the one for binder property variation at a fixed temperature.

목차 (Table of Contents)

• 목차
• 국문요약
• I. 서론 = 1
• 1.1 연구배경 및 목적 = 1
• 1.2 연구동향 = 3
• 1.3 연구내용 및 범위 = 4
• II. 아스팔트의 유변학적 거동 = 6
• 2.1 아스팔트의 유변학적 거동특성 = 6
• 2.2 아스팔트의 점탄성해석 이론 = 12
• 2.3 아스팔트의 점탄성 물성시험 = 17
• III. 유변학적 거동특성에 대한 수학적 모델링 = 30
• 3.1 전단점도 방정식 = 31
• 3.2 아스팔트 점도 측정결과 및 분석 = 35
• 3.3 점도방정식 물성변수 = 39
• 3.4 점도 데이터베이스 구축 = 32
• IV. 현행 아스팔트 등급체계와 적용성 = 44
• 4.1 침입도 등급 = 44
• 4.2 점도등급 = 45
• 4.3 공용성 등급 = 52
• V. 바인더 등급의 기본이론 정립 = 62
• 5.1 소성변형과 바인더 등급과의 상관성 = 62
• 5.2 현행등급의 이론적 분석 = 77
• VI. 소성변형과 점탄성 변수와의 상관성 = 119
• 6.1 점도변수에 의한 소성변형 모델식 제안 및 검증 = 119
• 6.2 점탄성 변수에 의한 소성변형 모델식 제안 및 검증 = 122
• VII. 결론 = 132
• 참고문헌 = 134
• ABSTRACT = 139
• 감사의 글 = 141