저탄소 아스팔트 포장 기술

 

 

저탄소 아스팔트 포장 기술

 

한국건설기술연구원

연구원 황성도, 권수안, 정규동

 

지구온난화와 기상이변 등의 전세계적인 기후변화에 따라 국제적으로 저탄소 녹색혁신 기술의 수요 증가하고 있다. 이는 1997년 체결된 교토의정서에는 2012년 까지 1990년의 CO2 배출량을 5.2%까지 저감하고, 배출권거래제, 공동이행제도와 청정개발체제를 도입한 것이 큰 요인이 됐다. 이 중 배출권거래제는 유럽을 중심으로 활발히 진행되고 있으며 연간 1조원 이상의 거래가 이루어지고 있어 현재에는 에너지 소비를 줄임으로써 경제적 효과도 얻을 수 있다.

 

Ⅰ. 배경 및 필요성

사회기반시설인 도로의 건설은 일반적으로 다량의 에너지가 투입되는 정부주도의 대규모 산업이다. 이 중 국내 일반국도에서 적용하고 있는 아스팔트 포장에는 160∼170℃의 고온에서 생산 및 포설되는 가열 아스팔트 혼합물을 주로 사용된다. 2008년 기준으로 연간 약 3천만톤의 아스콘 생산 과정 중 골재 가열을 위해 약 2억6천만ℓ의 벙커-C 등 석유계 연료가 사용되고, 약 800,000톤의 CO2가 발생하고 있다.

따라서, 국내·외에서는 도로 건설산업의 저탄소 녹색성장형 기술의 필요성 및 도로 건설과정에서 발생하는 다량의 탄소 및 유해가스 배출 억제하는 기술에 대한 요구가 증대되어왔다. 또한, 유가 급등에 대비한 도로 건설 산업의 석유에너지 의존도 저감을 위해서도 기존 기술을 대체할 수 있는 기술이 필요하였다.

이와 같은 필요성에 따라 최근에 에너지 소비를 근본적으로 감소시킬 수 있는 다양한 저탄소 도로 포장 기술이 개발되고 있다. 이 기술은 일반적으로 기존 가열 아스팔트 포장에 비해 약 30~50℃ 낮은 온도에서 생산 및 시공이 가능하여 석유계 연료의 절감 및 유해가스 발생 감소시키는 기술이다. 이로써 아스콘 생산시 에너지 소비를 약 30% 절감할 수 있을 뿐만 아니라 대기 환경오염의 주요 유해가스인 다량의 더스트, 질소산화물(NoX), 황산화물(SoX) 등의 발생을 감소시켜서 포장 시공중의 악취 등에 따른 건설 작업자 및 시공 현장 인근 주민의 불쾌감을 줄일 수 있다.

 

Ⅱ. 저탄소 아스팔트 포장 특징 및 효과

저탄소 아스팔트 포장은 가열 아스팔트 포장과 동일한 내구성 및 품질을 가지면서, 기존 보다 생산 및 포장 온도가 30∼50℃ 낮은 온도로 시공하는 저에너지 소비형 도로 포장 기술이다. 현재 대부분의 도로포장은 160~170℃인 고온의 가열 아스팔트 혼합물을 생산하여 시공 하지만, 저탄소 아스팔트 포장은 110~135℃ 정도의 온도에서 아스팔트 혼합물을 생산하여 포장한다. 이 기술은 중온에서 아스팔트가 쉽게 연해지는 개질첨가제를 사용하거나, 화학 개질재 또는 수분을 사용하여 아스팔트에 거품을 만들어 중온에서도 골재와 쉽게 혼합할 수 있는 것이 특징이다. 저탄소 아스팔트 포장은 기존 방법보다 골재 및 아스팔트의 가열 에너지가 절감되고, 생산 및 시공 중에 유해가스 배출량이 감소되는 등 가열 아스팔트 포장과 비교하여 다음과 같은 효과가 있다.

① 아스팔트 혼합물의 생산과 포장의 시공 온도를 약 25% 낮춤

② 생산 및 시공과정에서 대기 중에 방출되는 카본 다이옥사이드 가스의 방지와 유해 가스 억제(온도가 10℃씩 저하되면 유해가스 배출량 절반 감소)

③ 아스팔트 혼합물 생산 중 석유계 연료 약 30% 저감

④ 시공 후 양생시간 감소에 따른 빠른 교통 개방

⑤ 시공 현장에서 유해 증기나 분진이 발생하지 않으므로, 작업자 안전 확보

⑥ 공용온도에서 가열 아스팔트 포장과 비슷한 강도 특성 확보

 

Ⅲ. 외국의 현황

1997년의 교토의정서를 채택하는 국제적인 환경 변화에 따라 유럽 및 미국을 중심으로 저탄소 포장 기술이 다수 개발되어 활용 중이다. 유럽은 1996년부터 기술 개발 및 실용화가 본격적으로 이루어졌으며, 현재 국가 표준화 정착 단계에 있다. 4종의 관련 제품 기술이 개발 보급되었으며, 노르웨이, 독일, 프랑스 등에서 우수한 공용성능과 함께 저탄소 녹색 건설기술로서, 도로 포장의 시공 구간이 확대 중이다. 미국은 2002년에 기술 도입 추진하여, 2008년부터 연방주도 표준화 연구 추진 중이다. 현재 유럽 등에서 개발된 약 10종의 제품이 보급되고 일부 도로에 시험적용 중이다. 그리고, 주정부별 품질기준 연구가 확대되고 있으며, 2008년부터 국가 표준화를 위한 기준 개발 연구 과업 추진 중이다. 일본에서는 2000년대에 민간 부문에서 자체적으로 개발하고 있으며, 약 4종의 기술이 개발되었다. 최근까지 시험포장 위주의 적용이 이루어지고 있으며, 동절기 포장 등에 적용하고 있다. 외국의 저탄소 포장 기술은 아래와 같은 제품이 주로 사용되고 있다.

 

(1) Aspha-Min

제올라이트(zeolite, 비석)의 합성 물질로서, Eurovia 사에서 생산되어 유럽을 중심으로 사용되고 있다. 이 재료는 건식 방식으로 아스팔트 플랜트에서 아스팔트 혼합물의 생산 과정 중에 혼합물 중량의 약 0.3%를 투입한다. Aspha-Min은 제올라이트 합성물질에 18%의 물로 수화작용을 거친 후 분말형으로 생산된 제품으로서, WMA 생산 과정에서 포밍작용(Foaming, 거품 발생을 통해 골재와 아스팔트의 접착력 증진)이 일어난다. 이를 통해 아스팔트의 점도가 저감되고 낮은 온도에서 생산과 시공에 필요한 작업성을 얻을 수 있다. 일반적으로 Aspha-Min을 사용한 WMA의 생산 온도는 HMA보다 약 30℃ 정도 낮은 130℃～145℃ 범위이다.

 

(2) WAM-Foam(Warm Asphalt Mix Foam)

2가지의 바인더 합성 물질로서, Shell Ltd(영국)와 Kolo-Veidekke 사의 공동 투자로 개발되었다. 이 재료는 아스팔트 플랜트의 생산 과정에서 투입되며 2단계의 공정을 거친다. 1단계는 소프트 바인더를 100℃～120℃ 범위에서 골재와 혼합한다. 2단계는 1단계를 통해 코팅된 골재에 하드 바인더를 투입한 후 폼드작용(물과 공기 주입)으로 마무리한다. 이러한 1, 2단계의 생산 공정을 통해 아스팔트의 점도를 저감시킬 수 있고 낮은 온도에서 생산과 시공에 필요한 작업성을 확보하였다. 특히 본 공법의 포설작업은 HMA 포장보다 약 40℃～50℃ 낮은 온도에서 이루어진다.

 

(3) Sasobit, Asphaltan B

낮은 용해점을 가진 첨가제로서, 2종의 제품이 사용되고 있다. 이 중에서 파라핀 왁스(paraffin wax)를 주성분로 한 Sasobit은 Saso Wax사(남아프리카)에서 생산되며, 저분자 에스테르(low molecular weight ester)를 주성분 한 Asphaltan B는 Romonta GmbH사(독일)에서 생산된다. 이 두 제품은 용해점이 거의 99℃로서 아스팔트에 첨가하면 점도가 낮아지는 특성을 나타낸다. 일반적으로 아스팔트 중량의 약 3～4%를 투입하며, 조기 교통 개방이 필요한 도로에 주로 적용하고 있다.

 

(4) ASTEC의 폼드화 기술

미국 ASTEC에서는 기존 폼드 아스팔트 혼합물의 품질을 향상시키기 위해서 더블 배럴 드럼에서 중온으로 가열하며, 아스팔트를 폼드화 시켜 혼합하는 장비 및 기술을 개발하였다. 이 기술은 가열 아스팔트 혼합물과 비슷하거나 낮은 생산 비용으로 저탄소 아스팔트 포장을 시공할 수 있는 장점이 있다.

 

Ⅳ. 국내의 현황

국내에서는 2006년부터 현재까지 한국건설기술연구원에서는 R&D 과제로 유지보수용 기술 개발을 진행 중이다. 이에 따라 한국건설기술연구원에서 금호석유화학과 함께 국내 최초로 국산 개질 첨가제(KW, Korea Warm) 2종을 개발하였으며, 2008년 최초, 부산지방국토관리청 발주 ‘신령-고노 도로포장 공사’ 구간을 대상으로 시험포장을 시공하였다. 또한, 저탄소 기술을 확대·적용하기 위하여 한국건설기술연구원에서는 저탄소 기술을 활용한 도로 포장 시스템 개발을 위해 2009년부터 5개년간 연구를 추진 중이다. 이 연구에서는 저탄소 아스팔트 포장의 기초 소재 개발 및 현장 실용화 기반 기술 개발과 자전거 도로, 저소음 포장, 고내구성 포장, 재활용 포장 등에 활용할 수 있는 다양한 기능성 저탄소 아스팔트 포장 기술을 연구 중이다. 또한, 저탄소 아스팔트 포장 공법의 장기 공용성 검증 및 설계기법을 개발하여 실용화를 앞당길 예정이다. 국토해양부에서는 저탄소 녹색성장을 선도하기 위해 이와 같은 기술의 개발과 더불어 현장 적용이 즉시 이루어질 수 있도록 2009년부터 저탄소 아스팔트 포장의 적용방법 및 품질기준을 개발하고 있다.

 

Ⅴ. 국내 적용 사례

저탄소 아스팔트 포장 기술을 2008년 10월 부산지방국토관리청에서 발주한 신령-고노 국도 현장에 국내 최초로 적용한 결과 그림 1과 같이 가열 아스팔트 혼합물은 유해가스가 발생하였으나 저탄소 아스팔트 포장시에 유해 연무의 발생이 없는 것으로 나타났다.

저탄소 아스팔트 혼합물	가열 아스팔트 혼합물	저탄소 아스팔트 포장	가열 아스팔트 포장

그림 1. 저탄소 아스팔트 포장의 시공 중 유해연무 발생 비교 모습

아스콘의 생산온도는 그림 2와 같이 가열 아스팔트 포장에 비해 약 30℃ 이상 낮은 130℃ 정도이었다. 그리고 포설온도는 120℃, 포설직후 온도는 110℃로써 포설 및 다짐 온도도 기존 기술에 비해 30℃ 정도 낮았으며, 포설 전폭에 대해 균일한 포설온도를 유지하였다.

생산온도	포설온도	포설직후온도	열화상온도

그림 2. 저탄소 아스팔트 포장의 생산 및 시공 중 온도 측정 모습

 

아스콘 생산 중에 벙커-C유는 약 32.3% 절감하였으며, 이산화탄소는 88.1%, 먼지 및 유해가스 발생량은 39.5%∼18.3% 저감한 효과가 측정되었다(표 1).

구분	연료(L/ton)	먼지 및 유해가스
		이산화탄소 (%)	먼지(mg)	질소산화물 NoX(ppm)	황산화물 SoX(ppm)	CO(ppm)
가열	9.3	16	11.4	30	210	1040
저탄소	6.3	1.9	6.9	20	160	850
절감비	32.3%	88.1%	39.5%	33.3%	23.8%	18.3%

* 이산화탄소는 원주지방국토관리청 국도 시험포장 적용시 측정됨

 

포장 완료 후 포장의 코어를 채취하여 다짐밀도를 측정한 결과 가열 아스팔트 포장과 저탄소 아스팔트 포장의 결과가 비슷하였다. 저탄소 아스팔트 혼합물의 성능 특성은 저탄소 첨가제 PG 70-22 제품의 경우 기존 가열 아스팔트 혼합물과 비교하여 동적안정도가 약 5배 증가하고, 수분저항성(TSR)은 약 1.4배 증가하여 소성변형과 수분에 대한 저항성 등의 특성이 우수한 것으로 나타났다.

 

구분	생산온도	공극률 (%)	동적안정도 (회/㎜)	수분저항성 (TSR,%)	회복탄성계수 (MR,GPa)
저탄소	130℃	4%	2,480	81%	3.18
가열	160℃	4%	500	60%	1.08
향상비율	30℃절감		약 5배	1.4배	약 3배

그리고, 저탄소 아스팔트 혼합물의 단가는 저탄소 첨가제를 3% 사용하였을 때 가열 아스팔트 혼합물 보다 약 1.7% 가격이 상승하였으나, 향후 기술 개발로 저탄소 첨가제를 2% 사용할 경우 가열 아스팔트 혼합물과 단가가 비슷(45원/톤 절감)한 것으로 나타났다.

 

Ⅵ. 중온 아스팔트 포장의 공용성

중온 아스팔트 포장은 아직 활발히 적용되고 있지는 않으며, 미국, 유럽 등에서 기존의 가열 아스팔트 포장과 비교한 시험포장이나 동절기 포장 등으로 일부에서 적용하고 있다. 중온 아스팔트 포장을 평가하기 위한 중요 항목은 공극율 등의 현장 다짐도와 소성변형과 같은 공용성이라고 할 수 있는데, 다음의 해외 적용 사례에서 보듯이 가열 아스팔트 포장과 비교하여 큰 차이가 없는 것으로 나타났다.

2006년 워싱턴대학 보고서에 따르면 미국의 매릴랜드 고속도로 관리국에서는 중온화 아스팔트 기술의 하나인 왁스 성분의 첨가제를 아스팔트 혼합물에 투입한 것과 투입하지 않은 것으로 나누어 실제 시공현장에서의 다짐도 및 작업성확보를 조사하였다. 이 결과 왁스 성분의 첨가제가 투입된 아스팔트 혼합물의 작업성이 첨가제가 들어가지 않은 혼합물 보다 용이하였고 목표한 다짐도를 확보하는데 있어서도 첨가제가 들어가지 않은 혼합물에 비해 약 40%의 다짐작업량을 줄일 수 있었다.

또한, 유럽의 노르웨이에서는 중온화 아스팔트 기술의 하나인 폼드 기술을 사용하여 1999년, 2000년, 2001년의 총 3차례에 걸쳐 중온화 아스팔트의 시공 및 공용성 조사를 실시하였다. 폼드기술을 사용한 구간과 사용하지 않은 구간으로 나누어 시공하였는데, 시공 후 공극률 시험결과 두 구간 모두 평균 3.9%의 동등한 공극률을 확보하였다. 또한, 3년 정도의 공용 결과 소성변형, 평탄성, 골재탈리 등도 비슷하게 발생하였다.

국내에서 시공한 사례에서는 부산지방국토관리청 국도 시험시공 결과 현재까지 문제점이 없었다. 원주지방국토관리청 국도 시험시공에서는 대부분의 구간이 양호하였으나, 1㎡ 정도의 직사각형 모양으로 1개소에 초기에 변형이 발생된 것이 발견되었다. 이에 따라 코어를 채취하여 시험한 결과 인근의 양호한 구간에 비해 아스팔트 함량이 매우 높고 골재입도가 불균일하여, 시공시 덤프트럭의 교체 투입 중간의 아스팔트 혼합물 부족 등의 원인으로 재료분리된 아스팔트 혼합물이 수작업 등으로 몰려서 포설된 후 다짐한 것으로 사료되었으며, 저탄소 아스팔트 혼합물의 문제점은 없는 것으로 파악되었다.

 

Ⅶ. 맺음말

저탄소 아스팔트 포장은 기존 아스팔트 포장 기술을 효과적으로 대체할 수 있는 기술이다. 즉, 기존의 생산 장비, 시공 장비를 그대로 사용하고, 비용의 상승도 크지 않으면서 에너지 절감, 유해 가스 배출 감소 등의 효과를 얻을 수 있는 고유가를 대비한 친환경 기술이다. 특히, 생산 및 시공 중에 인체에 해로운 연기의 발생을 줄이고, 양생시간을 감소시킬 수 있으므로 현장 적용 효과도 매우 높은 것으로 파악된다. 2006년부터 국내에서 기술의 개발이 시작되고, 현재 시험포장을 실시하여 국내에서도 저탄소 기술 활용을 위한 기반을 조정한 상태이다. 따라서 초기 시장인 저탄소 포장 기술의 국제적인 추세를 주도하고 앞서나가기 위해서는 이후 수행되는 기술 및 정책 연구를 통해 첨단 기술을 개발할 뿐만 아니라 현장에서 폭넓게 활용되어서 연구에 피드백 되어야 할 것이다. 또한 이러한 기술 개발을 통해 국내 산업 전반의 저탄소 기술의 개발 및 발전에 기여할 것을 기대한다.