Investigating the Interfacial Adhesion of Steel Slag and Long-Term Aged Asphalt Binder and Its Impact on Asphalt Mixture Performance

기술 요약: 철강 슬래그와 장기 노화된 아스팔트 바인더 간의 계면 접착력 조사

문제 제기
인도 도로 인프라의 급격한 확장은 천연 골재에 대한 결정적인 수요를 창출하였으며, 이는 광업 제한으로 인한 천연 자원 부족을 초래하고 있다. 동시에, 철강 산업은 매년 약 1,200만 톤의 전로(BOF) 철강 슬래그를 생성하며, 이 중 상당 부분이 방치되어 환경 오염을 일으키고 있다. 철강 슬래그는 천연 골재의 지속 가능한 대안이 될 수 있으나, 아스팔트 포장에 적용할 때는 여러 과제에 직면한다. 특히, 높은 공극률과 유리 석회(free lime) 함량으로 인해 부피 팽창, 바인더-골재 결합 약화, 수분 유발 손상(박리)이 발생할 수 있다는 우려가 존재한다. 또한, 인도 현지 조건에서 BOF 철강 슬래그와 장기 노화된 아스팔트 바인더 간의 적합성에 관한 연구, 특히 미시적 결합 메커니즘과 거시적 혼합물 성능을 상관시키는 다중 스케일 프레임워크에 대한 연구가 부족한 실정이다.

연구 방법론
본 연구는 BOF 철강 슬래그를 아스팔트 혼합물의 사암 대체재로 사용하는 타당성을 조사하기 위해 다중 스케일 평가 프레임워크를 채택하였다. 연구에는 세 가지 유형의 바인더(VG30(순수), CRMB(고무 개질), PMB(폴리머 개질))가 사용되었으며, 미노화 상태와 장기 노화(PAV 노화) 상태 모두에서 테스트되었다.

본 방법론은 다음의 접근 방식을 통합하였다:

• 미시적 분석 (Micro-scale Analysis):
  • 표면 자유 에너지 (SFE): 열역학적 적합성을 정량화하고 건조(DA) 및 습윤(WA) 접착 에너지를 계산하는 데 사용됨.
  • 원자간력 현미경 (AFM): JKR 및 DMT 접촉 모델을 사용하여 나노 스케일의 접착력과 표면 거칠기를 평가함.
  • 바인더 결합 강도 (BBS): 인장 박리 시험을 통해 건조 및 수분 조건 상태에서의 계면 결합 강도를 측정함.
• 거시적 성능 테스트 (Macro-scale Performance Testing):
  • 소성 변형 저항성 (Rutting Resistance): Hamburg Wheel Tracking (HWT) 테스트를 통해 평가함.
  • 강성 (Stiffness): 탄성 계수($M_R$) 테스트를 통해 결정함.
  • 균열 저항성 (Cracking Resistance): IDEAL-CT 테스트를 통해 균열 허용 지수(CTindex)를 산출하여 평가함.
  • 수분 민감도 (Moisture Susceptibility): 인장 강도 비율(TSR) 테스트를 통해 측정함.
• 환경 평가: 중금속 농도가 IS 10500 규제 한계 내에 있는지 확인하기 위해 용출 가능성을 분석함.

주요 결과

• 계면 접착력: 철강 슬래그는 모든 바인더 유형에 대해 사암 골재보다 일관되적으로 높은 접착 에너지를 나타냈다. PMB 바인더는 VG30 및 CRMB에 비해 우수한 결합 성능을 보였다. 장기 노화는 산화적 경화를 유발하여 모든 조합의 접착 에너지를 감소시켰으나, PMB-노화된 바인더는 순수 바인더보다 높은 접착 값을 유지하였다.
• 나노 및 미시적 거동: AFM 분석 결과, 철강 슬래그는 사암에 비해 더 거친 표면 질감과 높은 표면 에너지를 보유하고 있음이 밝혀졌다. 접착 작업(Work of Adhesion, WOA)은 PMB-철강 슬래그 조합에서 가장 높았다(324.56 mJ/m²). 노화가 표면 거칠기를 증가시키고 접착력을 감소시켰음에도 불구하고, 철강 슬래그 계면은 견고하게 유지되었다.
• 기계적 성능:
  • 소성 변형: 철강 슬래그 혼합물은 사암 혼합물보다 현저히 낮은 소성 변형 깊이를 보였다. 미노화된 PMB-철강 슬래그 혼합물이 가장 우수한 저항성(1.64 mm 소성 변형 깊이)을 나타냈다.
  • 강성: 철강 슬래그 혼합물은 더 높은 탄성 계수를 나타냈다. 미노화된 PMB-철강 슬래그 혼합물이 가장 높은 계수(3125 MPa)를 달성하였다.
  • 균열: 철강 슬래그 혼합물은 거친 표면 질감과 불규칙한 입자 형상이 입자 간 마찰을 향상시켜 더 우수한 균열 저항성(높은 CTindex)을 보였다.
  • 수분 민감도: 철강 슬래그 혼합물은 사암에 비해 음(-)의 습윤 접착 에너지가 작고 높은 TSR 값을 보여, 수분 손상에 대한 더 나은 저항성을 나타냈다. 바인더 결합 강도 비율(BSR)과 TSR 사이에 강한 선형 상관관계($R^2 > 0.95$)가 관찰되었으며, 이는 계면 접착력이 수분 저항성을 결정함을 확인시켜 준다.
• 환경 안전성: 용출 분석 결과, 철강 슬래그 기반 혼합물의 중금속 농도(카드뮴, 구리, 크로뮴, 니켈, 납, 아연)는 IS 10500에서 허용하는 기준치 미만임을 확인하였다.

의의 및 주장
본 연구는 BOF 철강 슬래그가 아스팔트 포장의 천연 사암 골재를 대체할 수 있는 유망하고 지속 가능한 대안임을 결론짓는다. 본 연구는 철강 슬래그의 고유한 거칠기와 화학적 반응성이 폴리머 개질 바인더(특히 PMB)와 결합될 때, 기존 혼합물보다 우수한 소성 변형, 균열 및 수분 저항성을 갖춘 고성능 아스팔트 혼합물을 생성한다는 점을 주장한다.

본 논문은 다중 스케일 접근 방식이 미시적 접착 메커니즘(SFE, AFM, BBS)과 거시적 공학적 성능을 성공적으로 상관시켰음을 강조한다. 저자들은 철강 슬래그의 사용이 천연 골재 부족 문제와 산업 폐기물의 환경적 부담을 해결할 뿐만 아니라, 장기 노화 및 교통 하중을 견딜 수 있는 고성능 포도를 제공한다고 주장한다. 또한, 혼합물의 독성이 슬래그 함량으로 인해 기존 혼합물보다 약간 높았으나, 여전히 안전한 규제 범위 내에 있음을 언급하였다.

한계점 및 향후 과제
저자들은 실험실 결과가 유망하지만, 실제 환경 조건에서 실험실의 발견을 검증하기 위해 철강 슬래그 기반 아스팔트 혼합물의 장기 현장 성능을 평가하는 데 향후 연구가 집중되어야 한다고 언급하며 신중한 입장을 유지하였다.