아스팔트 공용성등급

왜 배우는가: 아스팔트 공용성등급(PG)은 현재 국내외에서 아스팔트 바인더를 선정하는 기본 체계이며, 기온 조건에 따라 고온 소성변형과 저온 균열을 함께 고려하도록 만든 개념이라 실무 설계와 시공 품질관리의 출발점이 된다. 바인더 등급 체계와 연결된 문항으로 1교시 용어 문제에 반복해서 나온다.

출제 이력: 제138회 1교시 4번, 제115회 1교시 2번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

답안 첫 줄 정의: 아스팔트 공용성등급(PG)은 포장이 놓일 현장의 고온·저온 기후 조건에서 아스팔트 바인더가 소성변형과 균열에 견디도록 바인더 성능을 고온 등급과 저온 등급으로 나타낸 규격 체계다.

핵심 키워드

• 공용성등급(PG)
• 고온등급
• 저온등급
• 동적전단유량계(DSR)
• 굽힘보유량계(BBR)
• 크리프 강성
• m-값
• Superpave 바인더 규격

2. 개념 풀이

쉬운 말로 하면, 같은 아스팔트라도 여름에 연해져 밀리는 정도와 겨울에 딱딱해져 갈라지는 정도가 다르므로, 두 가지 온도 조건을 함께 표시해 맞는 바인더를 고르는 방법이다. 등급 표기는 예를 들어 PG 64-22처럼 쓰며, 앞 숫자는 고온 한계온도(℃), 뒤 숫자는 저온 한계온도(℃)를 뜻한다.

정식 정의는 미국 Superpave 체계에서 나왔다. 바인더를 고온에서는 DSR로 복소전단계수와 위상각을 측정해 소성변형 저항을 보고, 저온에서는 BBR로 크리프 강성과 m-값을 측정해 열응력 완화 능력을 본다. 두 값이 모두 기준을 만족하는 가장 넓은 온도 범위가 그 바인더의 등급이 된다.

핵심 용어 풀이

• 고온등급: 바인더가 소성변형에 견딜 수 있는 최고 설계온도. DSR로 복소전단계수 G*/sinδ를 기준값과 비교해 정한다.
• 저온등급: 바인더가 균열에 견딜 수 있는 최저 설계온도. BBR의 크리프 강성과 m-값으로 정한다.
• 크리프 강성: 저온에서 일정 하중을 걸었을 때 변형에 저항하는 정도로, 낮을수록 균열 위험이 줄어든다.
• m-값: 크리프 곡선의 기울기로, 하중을 받은 바인더가 응력을 얼마나 빨리 풀어내는지 나타낸다.

3. 등장 배경과 필요성

기존 침입도 등급(pen grade)과 점도 등급(VG)은 25℃ 또는 60℃ 한 점에서 물성을 재어 실제 현장 온도와 맞지 않는 경우가 많았다. 또한 침입도 등급은 폴리머 개질 아스팔트처럼 부드러운 바인더에 적용하기 어렵다는 한계가 있었다.

이 한계를 보완하려고 미국 도로 연구 프로그램(SHRP)을 거쳐 Superpave 체계가 만들어졌고, 그 핵심이 기후 조건에 따라 등급을 정하는 공용성등급이다. 국내에서도 일반 스트레이트 아스팔트 등급 표기가 PG 체계로 쓰이고 있으며, 개질 아스팔트 개발과 재생 혼합물 설계에서 바인더 성능을 정량적으로 확인하는 기준으로 자리 잡았다.

최근에는 BBR 장비 비용과 복잡성 때문에 DSR만으로 저온 등급을 예측하려는 연구가 이어지고 있다. 2020년 국제 학술지 발표 연구에서는 DSR 온도-주파수 스윕과 시간-온도 중첩 원리로 BBR 값을 예측하는 방법이 제안되었다.

4. 구성요소·원리·절차

PG 등급은 "PG 고온-저온" 형식으로 표기한다. 앞 두 자리는 고온 등급이고 뒤 두 자리는 저온 등급이다. 예를 들어 PG 64-22는 고온 64℃, 저온 -22℃ 조건에서 요구 성능을 만족한다는 뜻이다. 등급은 보통 관련 기준이 정한 온도 간격으로 나눈다.

고온 등급 표의 DSR 값은 바인더가 고온에서 얼마나 탄성적으로 버티는지를 나타낸다. 저온 등급의 BBR 값은 저온에서 응력이 얼마나 잘 풀리는지를 나타낸다. 두 값 모두 G*/sinδ 기준과 크리프 강성 기준으로 판정한다.

설계온도는 지역 기후 자료에서 정한다. 고온은 평균 최고 노면온도, 저온은 최저 노면온도로 본다. 이 온도를 기준으로 고온 등급과 저온 등급을 각각 정한 뒤 합친다.

$\frac{G^*}{\sin\delta} \ge 1.00\,\text{kPa (원형 바인더)}$

$\frac{G^*}{\sin\delta} \ge 2.20\,\text{kPa (RTFO 단기 노화 후)}$

$G^*\sin\delta \le 5000\,\text{kPa (PAV 장기 노화 후)}$

$S \le 300\,\text{MPa},\quad m \ge 0.300 \text{ (60초 재하, BBR)}$

G^는 복합전단계수(kPa), \delta는 위상각(°), S는 크리프 강성(MPa), m은 크리프 곡선의 기울기 값(무차원)이다. G^/\sin\delta가 클수록 고온에서 변형이 작고, G^*\sin\delta가 작을수록 피로 균열에 유리하다.

판정 절차는 다음과 같다.

• 설계 지역의 기후 자료에서 평균 최고 노면온도와 최저 노면온도를 구한다.
• 원형 바인더를 DSR로 고온 시험하고 G^*/\sin\delta가 기준을 넘는 최고 온도를 찾는다.
• RTFO로 단기 노화시킨 바인더를 같은 방법으로 시험한다.
• PAV로 장기 노화시킨 바인더를 DSR로 중간 온도 시험하여 G^*\sin\delta를 확인한다.
• 같은 시료를 BBR로 저온 시험하여 S와 m을 구하고 저온 등급을 정한다.
• 고온 등급과 저온 등급을 조합해 최종 PG 표기를 한다.

5. 관련 법령·기준·표준

PG 체계는 미국 Superpave 바인더 규격에서 나온 성능 기반 체계다. 바인더 규격은 AASHTO M 320을 따르고, DSR은 AASHTO T 315, BBR은 AASHTO T 313 시험법을 따른다. 단기 노화는 RTFO(AASHTO T 240), 장기 노화는 PAV(AASHTO R 28) 절차로 한다. 이 표준들은 미국 기준이며 국내 법령이 직접 인용한 것은 아니다.

국내 도로포장용 아스팔트의 기본 규격은 침입도 등급이다. KS M 2201이 침입도 분류 기준을 정하고, 도로포장용 아스팔트는 침입도 등급별로 120℃, 150℃, 180℃ 동점도를 함께 시험하도록 되어 있다. 연구 논문에서는 국내에서 일반적으로 쓰는 AP-5 스트레이트 아스팔트(침입도 60~80)를 PG 64-22로 표기한다. 따라서 침입도 등급과 PG 등급은 같은 바인더를 서로 다른 체계로 나타낸 것이다.

위 기준값은 60초 재하 조건에서 적용한다. 노화 조건과 시험 온도는 각 시험 규격을 따른다.

최근에는 BBR 시험의 비용과 시편 준비 부담을 줄이려고 DSR만으로 저온 등급을 예측하는 연구가 진행되고 있다. 이 방법은 DSR의 온도-주파수 스윕 자료를 시간-온도 중첩 원리로 바꿔 BBR 값을 추정한다. 다만 아직 시험 기준으로 확정된 방법은 아니다.

6. 유형과 비교

아스팔트 바인더 등급체계는 시험 온도와 기준값의 차이에 따라 여러 방식으로 나뉜다. 아래 표는 기존 침입도 등급과 점도 등급, 공용성등급(PG)의 기준 차이를 정리한 것이다.