Performance Optimization and Sustainability Assessment of Reclaimed Asphalt Pavement Modified with Waste Engine Oil for Flexible Pavement Applications

도로가 건설될 때마다, 그것은 두 가지 주요 재료인 부순 돌과 원유로 만든 끈적끈적한 검은색 결합제에 의존합니다. 비투멘(bitumen)이라고 알려진 이 결합제는 돌들을 서로 결합하여 차량을 위한 매끄러운 표면을 만듭니다. 수십 년 동안 건설 업계는 이러한 유연한 도로를 만들기 위해 신선한 돌과 새로운 석유에 의존해 왔습니다. 그러나 이러한 방식은 점점 더 비용이 많이 들고 환경적으로 해롭습니다. 세계적으로 접근하기 쉬운 원유가 고갈되고 있으며, 새로운 돌을 채굴하는 것은 천연자원을 고갈시킵니다. 동시에, 오래된 도로가 뜯겨 나갈 때 발생하는 결과물인 재생 아스팔트 포장재는 종종 매립지로 향합니다. 이는 귀중한 자원을 낭비하는 동시에 더 많은 원자재를 계속 소비하게 만드는 이중적인 문제를 야기합니다.

이를 해결하기 위해 엔지니어들은 이러한 오래된 도로 재료를 재활용하는 방법을 모색하고 있습니다. 문제는 오래된 도로의 비투멘이 시간이 지남에 따라 노화되고 딱딱해져서 잘 부서지고 균열이 생기기 쉽다는 점입니다. 만약 건설업자들이 단순히 이 오래되고 부서지기 쉬운 재료를 새로운 돌과 섞는다면, 그 결과로 만들어진 도로는 아마도 빠르게 망가질 것입니다. 이를 고치기 위해 연구자들은 오래된 결합제를 "회춘"시키는 방법을 테스트하기 시작했습니다. 그들은 자동차와 기계에서 발생하는 흔한 오염 물질인 폐 엔진 오일을 사용하여 딱딱해진 비투멘을 부드럽게 만듭니다. 아이디어는 오래된 도로 조각과 폐유라는 두 가지 폐기물을 새로운 고품질의 도로 표면으로 바꾸는 것입니다. 인도 아자이 쿠마르 가르 공과대학(Ajay Kumar Garg Engineering College)의 연구진이 수행한 최근 연구는 바로 이 조합이 얼마나 잘 작동하는지를 탐구하며, 도로의 강도와 환경적 이익 사이의 균형을 맞추는 완벽한 레시피를 찾는 것을 목표로 했습니다.

연구진은 재생 아스팔트 포장재와 폐 엔진 오일을 사용하여 새로운 유형의 도로 혼합물을 만들기로 했습니다. 그들은 먼저 재료를 모았습니다. 신규 도로용 표준 비투멘, 부순 돌, 그리고 오래되고 손상된 도로에서 가져온 재생 아스팔트 포장재를 준비했습니다. 또한 그들이 회춘제로 사용할 계획인 폐 엔진 오일도 수집했습니다. 연구팀은 여러 가지 서로 다른 배치(batch)의 도로 혼합물을 준비했습니다. 어떤 것들은 전적으로 새로운 재료로 만든 전통적인 혼합물이었고, 다른 것들은 재생 아스팔트가 다양한 양으로 포함되어 있었습니다. 재생 아스팔트가 포함된 혼합물에는 폐 엔진 오일을 무게 대비 정확히 2%씩 소량 첨가하여, 이것이 오래된 결합제를 충분히 부드럽게 만들어 새로운 혼합물을 작업 가능하게 만들 수 있는지 확인했습니다.

이 혼합물들을 테스트하기 위해 연구팀은 마셜 혼합 설계(Marshall mix design)라고 알려진 표준 공학 절차를 사용했습니다. 이는 재료를 가열하고, 함께 섞은 다음, 특정 모양으로 압착하여 테스트 샘플을 만드는 과정을 포함합니다. 그런 다음 그들은 샘플을 기계에 넣고 압력을 가해 파손되기 전까지 얼마나 많은 무게를 견딜 수 있는지, 즉 안정성(stability)이라는 성질을 측정했습니다. 또한 압력 하에서 샘플이 얼마나 변형되는지 나타내는 흐름(flow)을 측정하였고, 혼합물 내부에 갇힌 미세한 공기 주머니의 양도 확인했습니다. 다양한 양의 비투멘과 다양한 비율의 재생 아스팔트를 테스트함으로써, 그들은 어떤 조합이 가장 강하고 내구성이 있는 도로 표면을 만드는지 파악할 수 있었습니다.

결과는 전통적인 도로 혼합물(새로운 재료로 만든 것)이 매우 우수한 성능을 보였지만, 연구진은 재활용 재료를 사용하여 그 성능을 맞출 수 있는 방법을 찾아냈습니다. 그들은 혼합물의 이상적인 비투멘 함량이 5%를 약간 상회한다는 것을 결정했습니다. 재생 아스팔트와 폐 엔진 오일을 도입했을 때, 그들은 가장 잘 작동하는 특정 레시피를 발견했습니다. 20%의 재생 아스팔트와 2%의 폐 엔진 오일이 포함된 혼합물이 최적의 지점이었습니다. 이 특정 배합은 1006kg의 안정성을 달성했는데, 이는 전통적인 혼합물의 강도와 거의 동일합니다. 혼합물 내부에 갇힌 공기의 양 또한 밀도가 높고 내구성이 있는 도로 표면의 목표치인 4%를 약간 상회하는 수준으로 완벽했습니다.

아마도 가장 중요한 발견은 단순히 강도에 관한 것이 아니라 비용과 지속 가능성에 관한 것이었을 것입니다. 연구진은 20%의 재생 아스팔트와 2%의 폐 엔진 오일 혼합물을 사용함으로써 도로 1세제곱미터당 건설 비용이 14% 이상 감소한다는 것을 계산했습니다. 이러한 절감은 새로운 돌과 새로운 비투멘을 덜 사용하기 때문에 발생합니다. 또한, 이 연구는 이 방식이 두 가지 환경 문제를 동시에 해결하는 데 도움이 된다는 점을 강조했습니다. 즉, 오래된 도로 재료가 매립지로 가는 것을 막고, 폐 엔진 오일이 토양과 지하수를 오염시키는 것을 방지하는 것입니다. 폐유는 화학적 가교 역할을 하여, 노화된 결합물에서 손실된 오일을 보충하고 오래된 재료와 새로운 재료가 매끄럽게 함께 작동할 수 있도록 했습니다.

연구는 단순히 혼합물을 만드는 데 그치지 않고, 연구진은 그들의 결과가 신뢰할 수 있는지 확인하기 위해 통계적 도구를 사용했습니다. 그들은 데이터에서 패턴을 찾는 방법인 회귀 분석을 사용하여 최적의 비투멘 함량을 예측했으며, 그 예측은 실제 물리적 실험과 거의 완벽하게 일치했습니다. 또한 그들은 도로의 강도, 유연성, 비용을 각각 가중치로 두는 성능 지수를 만들었습니다. 이 종합적인 순위 산정에서, 20%의 재생 아스팔트와 2%의 폐 엔진 오일을 사용한 혼합물이 1위를 차지했습니다. 이 혼합물은 교통량을 견딜 만큼 충분히 강하면서도, 균열에 저항할 만큼 충분히 유연하며, 경제적으로 타당할 만큼 저렴하다는 최고의 균형을 제공했습니다.

결과가 유망함에도 불구하고, 연구진은 자신들의 연구 한계를 명확히 언급했습니다. 그들은 이 특정 혼합물이 테스트된 조건 하에서는 잘 작동한다는 것을 확인했지만, 실제 도로는 무거운 트럭 통행, 극한의 날씨, 장기적인 노화와 같은 훨씬 더 많은 도전에 직면한다는 점을 인정했습니다. 이 연구는 이 혼합물이 현장에서 수년 동안 어떻게 버틸지를 테스트하지 않았으며, 극한 상황에서의 결합물 내 미세한 화학적 변화를 상세히 분석하지도 않았습니다. 이러한 부분들은 향후 연구가 필요한 영역입니다. 그러나 현재의 결과는 이 방식이 더 저렴하고 더 강하면서도 환경에 더 친화적인 도로를 건설하는 것이 가능하다는 강력한 기초를 제공합니다.

궁극적으로, 이 연구는 도로 건설 분야에서 순환 경제를 향한 실질적인 경로를 보여줍니다. 오래된 도로와 사용된 오일을 폐기물로 보는 대신, 이 연구는 그것들이 가치 있는 자원이 될 수 있음을 보여줍니다. 20%의 재생 아스팔트를 적은 양의 폐 엔진 오일과 정밀하게 혼합함으로써, 엔지니어들은 천연 재료로 만든 것만큼 성능이 뛰어난 도로 표면을 만들 수 있습니다. 이 방식은 새로운 돌을 캐내고 새로운 석유를 시추할 필요를 줄이는 동시에, 두 가지 주요 폐기물 흐름을 정화합니다. 이 작업은 도로 건설의 미래가 새로운 자원을 찾는 것이 아니라, 우리가 이미 가지고 있는 것을 더 똑똑하게 사용하는 방법에 달려 있을 수 있음을 시사합니다.