Experimental and Life Cycle assessment of RAP modified with Fe2O3 and Waste Cooking Oil Admixtures

기술 요약: Fe2O3 및 폐식용유 첨가제로 개질된 RAP의 실험 및 전과정 평가

문제 제기
아스팔트 포장은 중차량 통행, 시공 결함 및 환경적 요인으로 인해 저온에서의 열적 균열, 고온에서의 소성 변형(rutting), 수분 손상과 같은 결함이 빈번하게 발생한다. 아스팔트 첨가제는 성능을 개선할 수 있지만, 단일 개질제는 모든 특성을 동시에 향상시키기 어렵다. 또한, 도로 건설 산업은 천연 자원과 에너지 집약적 공정에 크게 의존하며, 이는 상당한 환경 오염을 유발한다. 재생 아스팔트(RAP), 폐식용온(WCO), 그리고 나노 Fe2O3는 각각 개별적으로 연구되어 왔으나, RAP 혼합물에 이들을 복합적으로 적용하는 방안과 그 결합된 기계적 및 환경적 영향을 체계적으로 정량화하는 연구는 부족한 실정이다.

방법론
본 연구는 RAP 아스팔트 혼합물의 성능을 평가하기 위해 이중 첨가제 개질 접근 방식을 채택하였다. 다섯 가지 서로 다른 혼합물을 제조하여 테스트하였다:

1. 대조군 혼합물 (신선 아스팔트).
2. RAP 혼합물 (RAP 20%).
3. 폐식용유(WCO)를 다양한 함량(5%, 7%, 9%)으로 첨가하여 개질된 RAP 혼합물.
4. 나노 Fe2O3를 다양한 함량(2%, 3%, 4%)으로 첨가하여 개질된 RAP 혼합물.
5. 나노 Fe2O3와 WCO를 복합적으로 사용한 RAP 혼합물.

실험적 평가:

• 시편 준비: 건식 혼합법을 사용하였다. 골재를 175°C로 가열하여 첨가제와 혼합한 후, 160–170°C의 신선 비투멘(60/70 등급)과 혼합하고 마지막으로 충전재(filler)를 투입하였다.
• 기계적 시험:
  • 마셜 테스트(Marshall Test): 최적 결합재 함량, 안정도, 흐름, 밀도 및 공극률을 결정하였다.
  • 휠 트래킹(Wheel Tracking, Hamburg): 60°C, 0.7 MPa 압력 하에서 소성 변형 저항성을 평가하였다.
  • 마셜 침수 시험(Marshall Immersion): 수분 손상 저항성(수분 민감도 비율 - MSR)을 평가하였다.
  • 간접 인장 강도(ITS): -5°C에서의 저온 균열 저항성을 측정하였다.
• 전과정 평가(LCA):
  • 기능 단위: 표층 길이 1 km × 폭 1 m (설계 수명 15년, 일일 교통량 20,000대).
  • 시스템 경계: 원료 생산, 비투멘 혼합물 제조, 운송 및 표층 시공을 포함하였다. 설계, 사용 및 폐기 단계는 제외하였다.
  • 도구 및 데이터: SimaPro 9.1.0 소프트웨어와 Ecoinvent 데이터베이스(V 3.6) 및 CML2001 영향 평가 방법을 사용하였다.
  • 영향 범주: 지구 온난화 지수(GWP), 산성화(AP), 부영양화(EP), 오존층 파괴(OLD) 및 다양한 독성 잠재력을 포함한 10개 범주를 평가하였다.

주요 결과

• 기계적 성능:
  • 소성 변형 저항성: 나노 Fe2O3는 소성 변형 저항성을 유의미하게 향상시켰다. 복합 혼합물(M8)은 대조군 대비 소성 변형 깊이를 38.60% 감소시키며 가장 큰 개선 효과를 보였다. WCO 단독 사용 시에는 소성 변형 깊이가 약간 증가하였다.
  • 저온 균열: WCO는 나노 Fe2O3에 비해 열적 균열 저항성 측면에서 우수한 효과를 보였다. 복합 혼합물(M8)은 가장 높은 간접 인장 강도(ITS)를 기록하며 대조군 대비 30.21% 향상되었다.
  • 수분 저항성: 나노 Fe2O3가 WCO보다 수분 손상 저항성에 더 큰 효과를 보였다. 복합 혼합물(M8)은 가장 높은 수분 민감도 비율(MSR)을 달성하였으며, 대조군 대비 8.24% 증가하였다.
  • 최적 함량: 마셜 테스트 결과에 따라, 단일 개질제 혼합물의 경우 나노 Fe2O3 4%(M4)와 WCO 9%(M7)가 각각 최적 함량으로 식별되었다.
• 환경적 성능 (LCA):
  • 단일 개질제: RAP 혼합물(M1)은 대조군과 비교하여 모든 범주에서 환경적 영향을 개선하였다. 나노 Fe2O3 혼합물(M4)은 개질 혼합물 중 전반적으로 가장 우수한 환경 프로파일을 보였으나, EP, GWP, TETP 및 OLD 범주에서 미세한 부정적 영향을 나타냈다. WCO 혼합물(M7) 역시 프로파일을 개선하였으나 유사한 범주에서 부정적 영향을 보였다.
  • 복합 개질제: 복합 혼합물(M8)은 일반적으로 대조군보다 개선된 환경 프로파일을 보였으나, 다른 개질 혼합물들과 비교했을 때 여러 범주(TETP, AP, EP, OLD, GWP)에서 가장 높은 부정적 영향을 나타냈다.
  • 공정 기여도: 비투멘 생산은 AP, EP, GWP, HTP, FWETP, MAETP 및 POFP의 주요 원인이었다. 아스팔트 혼합물 제조는 OLD 영향을 주도하였고, 운송은 ADP 및 TETP를 주도하였다.
  • 가중치 적용: 캐나다 패널 가중치 부여법을 사용한 결과, 모든 개질 혼합물은 대조군보다 낮은 전체 환경 영향을 나타냈다. 나노 Fe2O3 개질 혼합물(M4)이 가장 낮은 전체 환경 영향을 보였으며, 복합 혼합물(M8)이 그 뒤를 이었다.

의의 및 주장
저자들은 본 연구가 WCO와 나노 Fe2O3를 모두 사용하여 RAP 아스팔트를 복합적으로 개질하는 것에 대한 첫 번째 체계적인 조사라고 주장한다. 연구 결과, 단일 첨가제는 특정 강점(나노 Fe2O3는 소성 변형 및 수분; WCO는 저온 균열)을 갖지만, 복합 접근 방식이 소성 변형 저항성, 수분 안정성, 열적 균열 저항성을 동시에 유의미하게 강화하여 최상의 전반적인 기계적 성능을 제공한다는 것을 입증하였다.

환경 지속 가능성과 관련하여, 본 연구는 복합 혼합물이 우수한 기계적 특성을 제공하지만, 가중치가 적용된 영향 범주를 고려할 때 단일 나노 Fe2O3 개질이 가장 유리한 전반적 환경 프로파일을 제공한다고 결론지었다. 논문은 복합 첨가제가 환경 지속 가능성을 저해하지 않으면서 아스팔트 혼합물의 전반적인 효율성과 서비스 수명을 향상시킬 수 있는 실행 가능한 전략임을 주장하며, 이집트 및 유사한 맥락의 도로 건설 정책을 위한 의사결정을 뒷받일 데이터를 제공한다. 저자들은 단일 첨가제로는 모든 혼합물 특성을 향상시킬 수 없다는 점을 강조하며, 복합 솔루션의 필요성을 정당화한다.