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한국섬유공학회지, Vol. 53, No. 5, 354-359http://dx.doi.org/10.12772/TSE.2016.53.354

ISSN 1225-1089 (Print)

ISSN 2288-6419 (Online)

Carbon Chopped Fiber 혼입량에 따른 아스팔트 혼합물의 물리적 특성

심지현1† · 허광열1 · 이은수1 · 김명순1 · 한종민2 · 김두병3 · 박성민1

1DYETEC연구원, 2한국건설생활환경시험연구원, 3로드씰

Mechanical Properties of Asphalt Mixtures Containing Carbon Chopped Fiber

Ji-Hyun Sim1†, Kwang-Yeol Heo1, Eun-Soo Lee1, Myung-Soon Kim1, Jong-Min Han2, Doo-Byung Kim3, and Sung-Min Park1

1Korea Dyeing & Finishing Technology Institute, Daegu 41706, Korea2Korea Confermity Laboratories, Jeonbuk 54852, Korea3Roadseal Co., Ltd., Wanju 55368, Korea

1. 서 론

아스팔트 포장 도로는 시간의 경과에 따라 차량 하중의지속적인 재하로 인한 피로파괴와 기층의 상태변화, 기온변화, 습도변화와 같은 환경조건에 의해 수축과 팽창이 발생된다. 아스팔트 바인더는 온도에 민감하여 고온에서는 쉽게 물러져 소성변형(permanent deformation)의 원인이 되고, 저온 또는 상온에서는 취성을 나타내 균열발생의 원인이 된다. 아스팔트 포장에 균열이 발생한 경우 신속하고 빠르게 보수를 진행하지 않으면 균열의 파손진행속도가 빠르게 진행되어 포장수명이 단축되고 파손정도가 심해져 유지보수비용이 급격히 증가함으로 균열유지보수 시기 및 균열거동에 따른 적절한 균열실링(sealing of cracks)의 중요성은 매우 크다. 포트 홀(port hole)과 같은 균열에 의한 도로포장의 2차파손으로 연결되기 때문에 아스팔트 포장에서 발생하는 균열을 억제하기 위하여 많은 노력을 하고 있으며, 균열 억

제를 위하여 섬유보강 아스팔트 혼합물 등을 사용하여 균열을 억제하는 연구가 계속해서 진행되고 있다[1,2]. 섬유를 이용한 아스팔트 포장 및 균열 보수는 아스팔트의 초기강도를 증진시키고, 균열 발생 및 소성변형에 대한 억제효과가 있어 유지보수비를 줄일 수 있다고 보고되고 있다[3,4].탄소섬유 적용 시 탄화수소 성분으로 구성된 아스팔트에화학적으로 호환성이 우수하며, 아스팔트의 높은 혼합 온도(약 240−250 oC)에서도 다른 보강섬유에 비해 섬유용융문제가 발생되지 않는 장점이 있다. 또한 탄소섬유의 높은인장강도는 아스팔트 혼합물의 기계적 물성 향상에 따른교통 하중의 부하와 포장의 구조적 스트레스에 저항하고균열 및 영구변형에 대한 저항성을 증가시킴으로 피로도개선 가능성이 증가하고 기계적 특성을 향상시킬 수 있다. 또한 아스팔트 혼합물의 안정성을 증가시키고 유동값

(flow value)을 감소시킴으로 혼합물의 보이드 발생을 감소함과 동시에 탄소섬유의 열전도성 및 전기전도성으로 인한열 분산효과가 우수하여 열화에 대한 저항성이 우수하다고

†Corresponding Author: Ji-Hyun SimE-mail: maxwell02@dyetec.or.kr

Received September 30, 2016Revised October 19, 2016Accepted October 21, 2016

2016 The Korean Fiber Society

Abstract: In this study, we investigated the physical, viscoelastic, and thermal characteris-tics of asphalt mixtures with carbon chopped fiber contents of 0−2 wt%. To investigate theeffect of the carbon chopped fiber content, tensile strength, dynamic mechanical analysis(DMA), and thermal conductivity tests were conducted. It was observed from the tests thatthe mechanical and thermal properties of the specimens improved with increasing carbonchopped fiber content. However, when the excess carbon chopped fibers were mixed, theproperties decreased owing to a decrease in dispersibility.

Keywords: carbon chopped fiber, crack sealant, asphalt mixtures, dispersibility

Carbon Chopped Fiber 혼입량에 따른 아스팔트 혼합물의 물리적 특성 355

알려져 있다[5].따라서 본 연구에서는 아스팔트 실런트에 carbon chopped

fiber를 충진하여 기계적 물성과 열 저항성이 우수한 아스팔트 혼합물을 개발하여 균열을 억제하고자 하였다. 탄소섬유의 혼입량에 따른 분산성과 이로 인한 여러 가지 기계적, 열적, 점탄성적인 특성을 분석하였다. 아스팔트 혼합물을 만능재료 시험기(UTM)를 통하여 기계적 물성을 관찰하고 또한 점탄성적인 특성을 DMA(Dynamic MachineAnalysis) 시험기를 이용하여 저장탄성률(G')과 손실탄성률(G'') 및 tan δ를 분석하였다. 그리고 열전도도분석기를 통해 열적 특성 분석에 관한 연구를 수행하였다.

2. 실 험

2.1. 실험 재료

본 연구에 사용된 아스팔트계 실런트는 로드씰에서 제공받았다. 스티렌-부타디엔-스티렌 블록공중합체(SBS triblockcopolymer, 이하 SBS)와 폐타이어 고무 분말(crumb rubber,이하 CR)을 첨가한 폴리머 개질 아스팔트 바인더 특성을가진 제품으로, 사용된 SBS 블록공중합체는 고무탄성 성질과 열가소성의 성질을 함께 가지고 있어 기존의 도로포장용 혼합물의 반사균열 및 취성파괴의 억제효과가 있는 아스팔트 포장용 균열 실링재이다. 아스팔트 실런트의 구성

은 Table 1에 나타내었으며, 충진재로 사용된 carbon choppedfiber(T700, Toray)의 물성을 Table 2에 나타내었다.

2.2. 실 험아스팔트 실런트를 180 oC까지 가열한 후 길이 1 mm의

carbon chopped fiber(T700, Toray)를 소량씩 나누어 첨가하여 균일하게 분산시켰다. 고속 혼합 교반기(HS-30D,DAIHAN Scientific)를 통해 3500−5000 rpm의 속도로 200 oC의 온도에서 1시간 동안 혼합 반응시켰다.

2.3. 인장, 인열강도 측정

아스팔트 혼합물의 기계적 특성 변화를 평가하기 위하여만능재료시험기(AG-250kNX, Shimadzu Co.)를 사용하여KS M ISO 37에 준용하여 기계적 물성을 평가하였다. 시험시편의 모양은 아령형 2호(너비×두께×길이, 10×2×100 mm)형태로 제작하였다. 시험 시편은 –10 oC에서 2시간 이상을유지한 다음 실험을 진행하였으며, crosshead speed는 5 mm/min로 유지하면서 5회 이상 인장시험을 반복하여 수행하고 해당 값을 측정하였다. 인열강도는 KS M ISO 34-2에 준용하였으며, carbon chopped fiber 혼입량에 따른 인장강도와 인열강도를 각각 구하였다.

2.4. DMA 측정

동적 점탄성 특성을 관찰하기 위해 동적 역학적 특성 분석기(DMA N535, Perkin-Elmer, USA)를 이용하였다. KS MISO 6721에 준용하여 승온속도 2 oC/min로 20 oC에서 180 oC범위까지 주파수는 1 Hertz로 실험을 진행하였고, 시험을통해 저장탄성률(storage modulus)과 손실탄성률(lossmodulus)을 분석하였고 tan δ를 통해 댐핑특성을 분석하였다.

2.5. 열전도율 측정

열전도율 분석은 아스팔트 혼합체의 유동열용량을 분석하기 위해 진행되었으며, 열전도도측정기(QUICKLINETM-30, Anter Corporation, USA)를 이용하여 열전도도, 열확산율, 체적비열을 측정하였다. 프로브(probe)를 시편에 접촉하고 정전류(constant current)를 인가하여 초기온도와 가열후의 온도 차이에 따른 결과를 통해 식 (1)에 의해 열전도율을 계산하였다.

(1)

k: thermal conductivity(W/mK)Q: heater power(W)T1, T2: initial and final measured temperature(K)t1, t2: initial and final time(sec)

k Q4π T2 T1–( )---------------------------ln

t2t1----⎝ ⎠⎛ ⎞=

Table 1. Material components of asphalt sealants

Component Sealant Sealant-LatexAsphalt binder 50 45Thermoplastic elastomer 8 8Foral 1 1Latex − 10Tacifier 1 1Plasticizer 5 5Crumb rubber 5 5Additive 10 15Adhesion promotor 20 10Total 100 100

Table 2. Carbon chopped fiber properties

Properties ValueDiameter (µm) 7.0Length (mm) 1.0Aspect ratio (l/d) 70Tensile strength (GPa) 2.8−3.0Tensile modulus (GPa) 220−240Carbon content (%) ≥ 95%Volume resistivity (Ω/cm) 1.5×10-3

Density (g/cm3) 1.6−1.76Contraction percentage (%) 1.5

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3. 결과 및 고찰

3.1. 기계적 특성 분석

carbon chopped fiber 혼입량이 인장강도에 미치는 영향은 Figure 1에서 보는 바와 같이 섬유의 혼입량이 증가할수록 인장강도가 증가하는 경향을 보였다. carbon choppedfiber 섬유 혼입량(0−2.0 wt%)에 따른 인장강도는 2.24−2.72MPa의 범위로 나타났다.섬유보강 아스팔트 혼합물의 인장거동 특성은 섬유의 체적비, 형상비, 계면접착강도 및 분포도 등에 의해 영향을받는다[4]. 섬유의 혼입량이 증가함에 따라 섬유를 혼입하지 않은 아스팔트 혼합물의 인장강도에 비하여 20% 정도증가하는 것으로 나타났다. 섬유의 혼입량이 증가할수록 섬유가 아스팔트 혼합물의 균열을 억제하여 인장강도가 증가하는 것이라 판단되며, micro 섬유 첨가 시 인장강도의 성능을 향상시켜 준다는 기존의 연구와 유사한 경향을 나타내었다[6]. 그러나 과다한 섬유가 첨가될 경우 배합 시 섬유간의 뭉침 현상(aggregation)으로 분산성이 저하되고, 아스팔트 혼합물의 강성저하와 같은 물리적 특성을 약화시킨다는 연구 결과와 유사하게 나타났다. carbon chopped fiber의 혼입량이 2.0 wt%일 경우 아스팔트 바인더 matrix 내의섬유충진재가 고르게 분산되지 않고 섬유간의 뭉침현상으로 인한 결과로 인해 Figure 2에서 보는 바와 같이 인열강도 역시 마찬가지로 인장강도와 비슷한 거동을 보였다. 이러한 섬유응집현상은 matrix 내의 응력분포를 한 곳으로 집중시킴으로 인해 crack point로 작용하여 인열강도가 저하되었다고 판단된다[10].

3.2. 동적 점탄성 특성 분석

아스팔트 혼합물에 carbon chopped fiber를 첨가하여 25 oC에서 180 oC까지 온도구간에서의 저장탄성률(G')과 손실탄

Figure 1. Tensile strength of asphalt mixtures containing CF.

Figure 2. Tear strength of asphalt mixtures containing CF.

Figure 3. Storage modulus of asphalt mixtures containing CF.

Figure 4. Loss modulus of asphalt mixtures containing CF.

Carbon Chopped Fiber 혼입량에 따른 아스팔트 혼합물의 물리적 특성 357

성률(G'')을 구하고 이를 각각 Figure 3과 Figure 4에 나타내었다. 먼저, 순수 아스팔트 혼합물에 비해 carbon choppedfiber 혼입량이 증가할수록 증가하는 경향을 보였다. 낮은수준(혼입량 0.5 wt%)에서의 저장탄성률의 차이는 크지 않으나, 섬유 혼입량 1.0−1.5 wt% 범위에서는 저장탄성률이보다 증가하였으며, 1.5 wt%의 혼입량인 경우 80 oC까지 다른 시편보다 항상 높은 저장탄성률을 가졌다. 이처럼 저장탄성률이 증가한다는 것은 혼입량이 증가함에 따라 아스팔트 혼합물의 탄성이 증가한다는 것을 의미한다[7]. 그러나2.0 wt%의 과량의 섬유를 혼입하였을 때는 오히려 저장탄성률이 감소하였다.손실탄성률의 경우 저장탄성률과 반대로 혼입량이 1.5 wt%까지일 경우 손실탄성률이 감소하였으나, 2.0 wt%의 경우1.5 wt% 대비 약간 증가함을 보였다. 혼입량이 증가함에 따라 손실탄성률이 점점 감소했다는 것은 혼입량이 증가함에따라 아스팔트 혼합물의 점착력이 점점 감소했다는 것을의미하고 이는 탄소섬유의 혼입량이 증가함에 따라 강직성이 더 증가했다는 것을 의미한다[8].

Figure 5에는 loss tangent의 변화 그래프를 나타내었다.Tan δ의 경우 식 (2)에 의해 따라 계산할 수 있으며, 순수아스팔트의 경우 가장 낮은 peak를 나타냈고, 혼입량이1.5 wt%일 때 가장 높은 peak를 나타냈다. 이를 통해 아스팔트 혼합물의 댐핑특성을 알아볼 수 있는데, 1.5 wt%일 때가장 낮은 탄성을 가지며(non elastic), 순수 혼합물일 경우가장 높은 탄성을 가지는 것으로 판단된다[9].

(2)

3.3. 열전도율 분석

Figure 6에 carbon chopped fiber의 혼입량에 따른 아스팔트 혼합물의 평균 열전도율 측정 결과를 나타내었다. 결과

를 통하여 열전도성이 우수한 carbon chopped fiber의 혼입량이 증가할수록 1 wt% 범위까지는 혼입되지 않은 아스팔트 혼합물에 비해 급격히 열전도율이 증가하는 것을 관찰할 수 있으나 1.5 wt%의 혼입량 이후에는 열전도율의 증가폭이 감소하는 것을 알 수 있다. 이는 앞서 언급되었던 뭉침 현상으로 인해 아스팔트 혼합물상에서의 섬유 분산성이감소하며, 또한 열전달 네트워크 형성이 부족하여 열적 전도 특성이 혼입량에 비하여 감소하는 것으로 나타난다[11].또한 아래의 식 (3)에 따라 섬유 혼입량에 따른 열확산율,체적비열을 계산하여 Table 3에 나타내었다.

(3) k: thermal conductivity(W/mK)ρ: density(kg/m3) C: specific heat(J/kgK)

3.4. SEMFigure 7에 탄소섬유의 혼입량(0, 1.0, 2.0 wt%)에 따른 아스팔트 혼합물의 SEM 사진을 나타내었다. 탄소섬유가 2.0 wt%의 경우, 섬유가 다소 뭉치는 현상을 확인할 수 있었고, 이로 인해 과다한 섬유가 혼입되었을 때 분산성이 저하되어

tan δ E′E″------=

a kρC-------=

Figure 5. Loss tangent (tan δ) of asphalt mixtures containing CF.

Figure 6. Thermal conductivity of asphalt mixtures containing CF.

Table 3. Thermal properties of asphalt mixtures containing CF

CF content(wt%)

Bulk density(kgm-3)

Thermal conductivity

(Wm-1K-1)

Specific heat(Jkg-1K-1)

Thermal diffusivity(mm2s-1)

0 2193 1.864 923 0.8460.5 2274 1.928 913 0..8681 2204 2.086 904 0.893

1.5 2125 2.21 896 0.9122 2128 2.214 895 0.913

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기계적 특성을 비롯한 열적 특성 등이 저하되는 것을 확인할 수 있었다.

4. 결 론

본 연구에서는 carbon chop fiber의 혼입량을 변화하여아스팔트 혼합물에 나타나는 기계적, 열적 특성 등을 비교, 평가했으며 다음과 같은 결론을 얻었다.1.만능재료시험기를 이용하여 인장강도를 측정한 결과 혼입량에 따라 인장강도는 2.24−2.72 MPa의 범위로 나타났으며, 혼입률이 증가함에 따라 아스팔트 혼합물의 균열을 억제하여 인장강도가 증가하는 것으로 나타났다.그러나 과다한 섬유가 혼입되었을 경우 배합 시 섬유간의 뭉침 현상으로 분산성이 저하되어 인장강도가 소폭감소해 물리적 특성이 약화됨을 보였고 인열강도의 경우 인장강도와 비슷한 거동을 나타냈다.

2.역학적 특성 분석기를 통해 화학적 유변 물성인 저장탄성률과 손실탄성률 및 tan δ를 측정하였으며, 혼입량이증가할수록 저장탄성률은 증가했으며, 손실탄성률은 감소하는 결과를 나타내었다. 하지만 2.0 wt%의 양을 혼입하였을 경우 각각의 값이 1.5 wt%일 때보다 오히려 저장탄성률은 감소, 손실탄성률은 증가하였다. 또한 tan δ 값의 경우 혼입량이 증가할수록 증가하는 경향을 보이고높은 온도에서 peak를 나타내었다. 그러나 2.0 wt%의 탄소섬유를 혼입하였을 경우 tan δ 값은 오히려 감소하였다. 이는 혼입량이 증가할수록 탄성은 감소하고 강직성

이 증가하는 것으로 판단된다.3.아스팔트 혼합물의 열적 특성을 관찰하기 위해 열전도도측정기로 열전도율을 분석한 결과, 순수아스팔트 혼합물의 경우 1.864 Wm-1K-1였고, carbon chopped fiber의 혼입량이 증가할수록 2.210 Wm-1K-1까지 열전도율이 증가하는 것을 관찰할 수 있었다. 그러나 2.0 wt%를 혼입하였을 경우 섬유 배합 시 뭉침 현상으로 인해 열전달 네트워크 형성이 부족하여 열 전도율이 감소하였다.

4.아스팔트 실런트에 carbon chopped fiber를 혼입하여 아스팔트 혼합물을 제작할 경우 순수 아스팔트 혼합물보다 우수한 기계적, 열적, 점탄성 특성을 보였으며, carbonchopped fiber의 혼입량이 1.5 wt%일 경우 가장 뛰어난특성을 보였다. 이러한 결과로 보아 일정량의 carbonchopped fiber를 혼입한 아스팔트 혼합물은 더 높은 강도를 가지고, 균열을 억제하는데 많은 효과가 있을 것이라 판단된다.

감사의 글: 본 연구는 한국산업기술진흥원의 탄소밸리구축사업이 지원하는 연구과제(R0004842)로 수행된 것이며,지원에 대해 진심으로 감사드립니다.

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