Rheological Benchmarking of GTR-Modified Asphalt Binder as a Sustainable Alternative to SBS Modification

기술 요약: GTR 변성 아스팔트 바인더의 유변학적 벤치마킹

문제 제기
스티렌-부타디엔-스티렌(SBS)은 중차량 통행량이 많고 환경 조건이 까다로운 상황에서 균열 저항성, 특히 균열 및 소성 변형(rutting) 저항성을 향상시키기 위해 아스팔트를 개질하는 데 널리 사용되는 석유 기반 열가소성 엘라스토머이다. 그러나 SBS는 독점적인 제품으로서 높은 비용을 발생시켜 건설 프로젝트 비용을 크게 증가시킬 수 있다. 반면, 폐타이어에서 추출된 폐타이어 고무(GTR)는 지속 가능하고 비용 효율적인 대안으로서 아스팔트 성능을 개선하고 생애주기 온실가스 배출량을 줄일 수 있는 옵션을 제공한다. 이러한 잠재적 이점에도 불구하고, GTR 변성 바인더는 SBS 변성 바인더와 비교하여 성능 특성이 어떻게 다른지에 대한 경험적 이해가 부족하다는 이유로 특정 지역에서는 널리 적용되지 못하고 있다. 즉, GTR이 고성능 포장 애플리케이션에서 실행 가능한 대체재 역할을 할 수 있는지 결정하기 위한 GTR과 SBS 간의 비교 벤치마킹 연구가 부족한 실정이다.

연구 방법론
본 연구의 목적은 상업용 SBS 변성 바인더와 유사한 유변학적 특성을 나타내는 AC-20 등급 아스팔트 바인더의 최적 GTR 함량을 식별하는 것이다.

• 재료: 연구진은 AC-20 기초 비투멘을 사용하였다. GTR은 6년 된 폐기물 요코하마 타이어를 사용하여 생산되었으며, 75 µm에서 300 µm 범위의 입자로 가공되었다. 상업용 SBS 변성 바인더(1%, 2%, 3% SBS 함유, 각각 Superpave 등급 PG 70-22, PG 76-22, PG 82-22에 해당)는 대조군으로 사용되었다.
• 제조: GTR은 고속 전단 믹서(5000 rpm, 45분간)를 사용하여 AC-20 비투멘에 2%에서 12%까지(2%씩 증분) 혼합되었으며, 이후 165°C에서 2시간 동안 숙성(digestion) 과정을 거쳤다.
• 컨디셔닝: 샘플은 단기 노화(RTFO) 및 장기 노화(PAV)를 포함하는 Supervave 노화 컨디셔닝 과정을 거쳤다.
• 테스트: 유변학적 특성 분석은 AASHTO 및 ASTM 표준에 따라 수행되었다:
  • 소성 변형 저항성: 미노화 및 RTFO 노화 샘플에 대해 동적 전단 계수($|G^*|/\sin\delta$)를 측정하기 위해 동적 전단 계수계(DSR)를 사용하였으며, 비회복 탄성 변형률($J_{nr}$) 및 응력 민감도를 결정하기 위해 다중 응력 크리프 회복(MSCR) 테스트(AASHTO M332)를 실시하였다.
  • 피로 균열: PAV 노화된 샘플에 대해 DSR을 사용하여 피로 파라미터($|G^*|\cdot\sin\delta$)를 평가하였다.
  • 열적 균열: 굽힘 빔 계수계(BBR)를 사용하여 강성($S$) 및 강성 변화율($m$-value)을 측정하여 열적 균열을 평가하였다.
  • 화학적 분석: 분자 구조의 변화나 화학적 상호작용을 탐지하기 위해 푸리에 변환 적외선 분광법(FTIR)을 수행하였다.

주요 결과

• 소성 변형 저항성: GTR 함량이 증가할수록 소성 변형 저항성이 향상되었다. 70°C에서 10%(G10) 및 12%(G12) GTR 변성 바인더는 미노화 바인더의 Supervave 소성 변형 기준을 충족하였으며, SBS 변성 바인더와 유사한 성능을 보였다. RTFO 노화된 샘플에 대한 MSCR 테스트에서 G10 및 G12는 모든 SBS 대조군과 마찬가지로 "Extreme"(E) 교통 하중 등급을 달절하였다. 그러나 G12는 $J_{nr}$ 차이가 99.57%에 달해 75% 임계값을 초과하였으며, 이는 잠재적 불안정성을 나타낸다. 반면 G10은 적절한 $J_{nr}$ 차이(50.60%)를 유지하면서 Extreme 교통 요구 사항을 충족하였다.
• 피로 균열: GTR 변성은 피로 파라미터($|G^*|\cdot\sin\delta$)를 일관되게 감소시켜 피로 저항성을 향상시켰다. 31°C에서 G10 바인더는 1% SBS 바인더(PG 70-22) 대비 피로 파라미터가 124.9% 감소하였다. G10은 22°C에서 Supervave 균열 기준을 성공적으로 충족하였으나, 1% 및 2% SBS 바인더는 이를 충족하지 못했다.
• 열적 균열: G10 바인더는 1% SBS 바인더(강성 156 MPa)와 비교하여 낮은 강성(98 MPa)과 양호한 $m$-값(0.36)을 나타냈다. 이러한 조합은 향상된 유연성과 응력 완화 능력을 시사하며, 이는 SBS 대조군보다 더 나은 열적 균열 저항성을 제공한다.
• 화학적 상호작용: FTIR 분석 결과, GTR 변성 바인더에서 기초 바인더와 비교하여 감지 가능한 화학적 변화나 새로운 작용기는 발견되지 않았다. 성능 향상은 화학적 변형보다는 입자 분산 및 팽윤(swelling)과 같은 물리적 상호작용에 기여한 것으로 밝혀졌다.

결론 및 의의
본 연구는 10%의 GTR 함량이 AC-20 비투멘을 변성하기 위한 최적의 함량이라고 결론지었다. 이 함량은 소성 변형, 피로 균열 및 열적 균열 저항성에 대한 균형 잡힌 개선을 제공하며, 1% SBS 변성 바인더(PG 70-22)와 효과적으로 벤치마킹된다. 12% GTR은 유사한 소성 변형 저항성을 보였으나, 높은 응력 민감도로 인해 10%가 실질적인 상한선이다.

본 연구의 의의는 SBS를 지속 가능한 대안으로 활용할 수 있는 타당성을 입증했다는 점에 있다. 연구 결과는 GTR 변성이 바인더의 화학적 변화 없이도 저함량 SBS 변성과 대등하거나 더 나은 유변학적 특성을 달 수 있음을 보여준다. 이는 높은 포장 성능 표준을 유지하면서 건설 비용을 절감하고 폐타이어를 매립지에서 분리할 수 있는 경로를 제공한다. 저자들은 10%가 본 연구에서 최적으로 결정되었으나, 실제 적용 시에는 현지 재료원에 근거한 실험적 결정이 필요할 수 있다고 언급하였다.