아스팔트의 소성변형

> 소성변형이란?

소성변형(Plastic Deformation)이란 고체에 작용하는 응력이 탄성한계를 넘으면 응력을 제거해도 원래의 상태로 돌아가지 않아 발생하는 변형을 말한다.

아스팔트의 포장(가요성 포장)은 중차량의 하중에 의한 응력이 아스팔트 강도를 넘어설 때 생기는 바큇자국 변형이 대표적이다.

 

> 아스팔트 포장의 소성변형(Permanent Deformation, Rutting, Plastic Deformation)

아스팔트 소성변형은 영구변형, 러팅, 바퀴자국 패임 등 다양하게 불린다.

소성변형은 지속적인 차량하중에 의해 서서히 발생하며, 일반적으로 바퀴가 접촉하는 양쪽 측면이 밀려 올라와 종 방향으로 포장이 손상되는 형태로 나타난다.

 

> 아스팔트 포장의 소성변형 원인

1. 반복되는 차량 하중에 의한 아스팔트 혼합물의 압밀로 인하여 아스팔트 혼합물의 공극이 감소하면서 발생 

• 포장체가 압밀됨에 따라 체적변화를 수반

 

2. 반복되는 차량하중에 의해 아스팔트 혼합물이 전단 변형함으로써 발생되는 경우

• 전단변형은 포장체의 체적은 그대로 유지되면서 차량하중에 의해 유발된 전단력에 의해 포장재료가 횡 방향으로 전단 파괴면을 따라 변형하는 것

전단파괴에 의한 아스팔트 소성변형

 

소성변형의 이 두가지 원인 중, 소성변형의 주된 원인은 아스팔트 혼합물의 전단변형으로 알려져 있으며, 전단변형을 최소화 하기 위해 혼합물의 포설에 있어 아스팔트 혼합물의 철저한 다짐이 강조되고 있다.

아스팔트의 물성과 구성요소인 골재의 입도는 전단저항 및 압밀과 상당한 관련성을 가지고 있으며, 소성변현은 노상, 보조기층, 기층, 포장층 등 포장체의 모든 층에서 발생될 수 있다.

 

> 소성변형의 영향 인자

구분	영향인자	상태	소성변형 저항성
골재	표면 형태 크기	거칢 각진 모양 최대골재치수가 클수록	증가함 증가함 증가함
아스팔트	Stiffness	클수록	증가함
아스팔트 혼합물	AP함량 공극률 VMA	많을수록 클수록 클수록	감소함 감소함 감소함
기타현장여건	온도 응력분포상태 교통량 수분	높을수록 타이어압이 높을수록 많을수록 함수량이 많을수록	감소함 감소함 감소함 감소함

*아스팔트 혼합물의 공극률이 3%이하로 감소하면 소성변형 저항성은 감소함

*VMA, Void in Mineral Aggregate: 골재 간극률

 

1. 골재

• 아스팔트가 고온일때 아스팔트 포장체에서 아스팔트는 주로 점성체의 거동을 하가 때문에 차량하중은 주로 골재의 맞물림에 의해 지반으로 전달되고
• 저온에서의 포장체 거동은 아스팔트가 탄성거동을 하기 때문에 골재보다는 아스팔트의 특성이 포장 파손의 주요 영향인자로 나타난다.
• 골재의 표면상태는 소성변형의 발생과 밀접한 관계가 있다. 골재의 표면상태가 거칠칠수록 저항성이 크기때문에 자연골재보다는 쇄석골재가 소성변형에 대한 저항성이 우수하다.
• 아스팔트 골재의 크기가 클수록 소성변형에 유리한것으로 평가된다.

 

2. 아스팔트

• 아스팔트의 점도(침입도)가 높을수록 소성변형에 대한 저항성이 크다.
• 특히 고온 조건에서는 점도가 높은 아스팔트의 사용을 추천하고 있다.
•  높은 점도의 아스팔트는 저온에서 저온균열을 유발할 수 있기 때문에, 저온지역에서는 아스팔트 개질재로 쓰이는 SBS, SBR, CRM(Crumb rubber modified) 등이 사용된다.
• 아스팔트 함량(AP함량)이 높을 경우 공기 공극률이 감소되고 소성변형의 발생 가능성이 높아진다.

 

3. VMA(Void in Mineral Aggregate, 골재 간극률)

• VMA는 아스팔트 혼합물에서 골재에 의해 만들어지는 공극, 즉 혼합물내에서 코팅된 아스팔트와 공기가 차지하는 비율을 의미한다.
• VMA는 골재의 입형 및 입도에 의해 결정되는 요소이며, AP함량과 함께 혼합물내의 공극률에 직접적인 영향을 주는 주요한 요소이다.
• 소성변형에 대한 저항성을 높이기 위해서는 VMA를 낮추어야 하지만, VMA를 너무 낮게 유지할 경우, 아스팔트가 스며나오고 충분한 다짐이 되지 않는 경우가 생길 수 있다.