Study on the Thermal Characteristics of Pavement Materials Using Polymer Binder (Polymer-Binder-Used Mixture)

관호 이; 재건 이; 성겸 김

doi:10.9798/KOSHAM.2023.23.1.11

Article

교통방재

J Korean Soc Hazard Mitig 2023; 23(1): 11-17.

Published online: February 24, 2023

DOI: https://doi.org/10.9798/KOSHAM.2023.23.1.11

폴리머 바인더를 이용한 포장재료(투수폴리콘)의 열관련 특성에 관한 연구

이관호^*, 이재건^**, 김성겸^***

* 정회원, 공주대학교 사회환경공학과 교수(E-mail: kholee@kongju.ac.kr)

** 에스비비(주) 부설연구소 대리

*** 정회원, 공주대학교 사회환경공학과 박사 후 연구원(E-mail: tjdrua0614@kongju.ac.kr)

Study on the Thermal Characteristics of Pavement Materials Using Polymer Binder (Polymer-Binder-Used Mixture)

Kwanho Lee^*, Jaegeon Lee^**, Seongkyum Kim^***

* Member, Professor, Department of Civil Engineering, Kongju National University

** Assistant Manager, Inc. Research Institute, SBB Co., Ltd

*** Member, Post. Doc., Department of Civil Engineering, Kongju National University

^*** 교신저자, 정회원, 공주대학교 사회환경공학과 박사 후 연구원
(Tel: +82-41-521-9412, Fax: +82-41-521-9412, E-mail: tjdrua0614@kongju.ac.kr)

*** Corresponding Author, Member, Post. Doc., Department of Civil Engineering, Kongju National University

Received January 09, 2023 Revised January 10, 2023 Accepted January 25, 2023

This is an open access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution Non-Commercial License (http://creativecommons.org/licenses/by-nc/4.0), which permits unrestricted non-commercial use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited.

Abstract

Asphalt pavement accounts for ~87% of the overall pavement in Korea. However, owing to the black surface and extensive cover area, the ambient temperature rapidly increases, thereby contributing to the urban heat island effect. Therefore, pavement materials with modified porosity and pavement surface conditions have been developed; however, studies on the heat-related characteristic values of such pavement materials are insufficient. In this study, the thermal characteristics of pavement materials were evaluated with regard to the urban heat island effect. Test specimens such as WC-2 and PA-13, i.e., polymer-binder-used mixture, were compressed using a Gyratory Compactor. The thermal characteristics, i.e., thermal conductivity, specific heat capacity, thermal diffusivity, and thermal emissivity, were studied, and a heat accumulation test was performed. The water-permeable polyurethane concrete mixture (polymer-binder-used mixture) exhibited ~4% lower thermal emissivity than the conventional asphalt mixture, and according to the analysis of the change in thermal conductivity based on heat accumulation, it was confirmed that the rate of the heat energy transfer effect was ~20% slower than that of the asphalt mixture. The study results provide essential information for the analysis and design of energy harvesting and freeze-thaw pavement-related systems.

Keywords: Asphalt Mixture, Water Permeable Polyurethane Concrete, Thermal Conductivity, Heat Island Effect

요지

국내 건설구조물 중 아스팔트 포장은 국토면적 대비 가장 넓은 범위를 차지하고 있다. 그러나 검은 표면과 광범위한 피복 면적으로 인해 주변 기온 상승률을 증가시켜 도심지 열섬효과에 원인이 된다. 이에 국내외로 공극률과 포장 표면 상태를 변화시킨 포장재료가 개발되고 있으나 이러한 포장재료의 열 관련 특성값의 연구가 미흡한 상태이다. 따라서, 본 연구에서는 도심지 열섬효과와 밀접한 관련이 있는 포장재료를 대상으로 열관련 특성에 관한 연구를 진행하였다. 연구에 적용한 포장 혼합물은 3종류로 밀입도인 WC-2와 배수성 입도인 PA-13, 폴리머 재질의 바인더를 적용한 투수폴리콘에 대해서 열전달 특성 인자(열전도도, 비열용량, 열확산율)와 열에너지 누적에 따른 열전도도 변화를 평가하였다. 결과적으로 투수폴리콘 혼합물은 기존 아스팔트 혼합물 대비 열 방사율이 약 4% 낮게 나타냈으며, 열 누적에 따른 열전도도 변화시험 결과 기존 아스팔트 혼합물 대비 약 20% 느린 열에너지 전달 효과를 확인할 수 있었다. 향후 이러한 열전달 특성 인자는 열에너지를 활용한 에너지 하베스팅과 도로 동결 관련 연구에 기초연구가 될 것으로 판단된다.

핵심용어: 아스팔트 혼합물, 투수폴리콘, 열전도도, 열섬효과

1. 서 론

일반적으로 수많은 인공구조물을 내포하고 있는 도심지역의 경우 비도심지역에 비해 태양열 누적으로 인한 열섬현상이 비교적 높게 나타난다. 도심 열섬효과의 1차적 원인으로는 밀집된 콘크리트 빌딩과 아스팔트 도로포장이 주된 원인이다. 참고로, 국내 개통된 도로포장 연장은 2021년 기준으로 99,605 km고, 이 중 아스팔트 포장이 차지하는 비율은 약 87.3%로 국내 대부분의 도로포장을 차지하고 있다(Wong and Chen, 2008; Shaopeng et al., 2011).

대부분의 아스팔트 도로포장이 밀집된 도심의 경우 주간에 빠르게 열을 흡수하여 야간에 서서히 열을 방출하게 되므로 열섬효과와 열대야 현상의 원인이 된다. 열섬현상으로 인한 기온상승은 에너지 사용량을 증가시킬 뿐 아니라 불쾌지수를 증가시켜 스트레스와 불면증을 유발하여 인류의 건강에도 부정적 영향을 준다고 밝혀졌다(Jung et al., 2014). 그리하여 이러한 현상을 저감하고자 국내에서는 나무 그늘과 가로수를 설치한 도시 숲(바람길 숲), 일정 시간마다 도로에 수분을 분사하는 클린로드 시스템, 야외 인원이 대기하는 곳에 저온의 안개를 분사하는 쿨링 포그 시스템 등을 시행하고 있다. 하지만 이러한 방법들은 도로표면의 마찰을 저감시키고 포장체 주변 환경을 변화시켜 온도를 감소시키는 방법일 뿐 보다 근본적인 포장재에 관한 열 관련 특성에 관한 연구는 미흡한 상태이다.

최근 Cool Asphalt 포장기술과 배수성 아스팔트 포장을 이용하여 도시열섬현상 저감에 관한 연구가 진행되고 있으나 이 연구 또한 포장재의 근본적인 열관련 인자에 대한 연구는 배제되어 있는 상태이다(Song et al., 2020).

이에 본 연구에서는 일반적으로 사용되는 밀입도 아스팔트 포장(Wearing Course, WC-2)과 공극률을 높여 배수에 용이한 배수성 아스팔트 포장(Porous Asphalt Concrete, PA-13), 배수성 아스팔트 포장보다 공극률이 높고 기존 아스팔트 바인더의 유해물질을 함유하지 않은 투수폴리콘 포장(Water Permeable Polyurethane concrete, WPP)을 대상으로 열 관련 특성인자(비열용량, 열방사율, 열전도도, 열확산율) 분석을 진행하였다. 또한 현장의 포장 단면을 모사 후 열에너지를 누적한 상태에서의 열전도도 변화를 연구하였다.

2. 포장체의 열전도도

도로포장은 광범위하게 노출된 토목구조물로써 주변 환경에 상시 노출되어있다. 이로 인해 포장체는 외부로 받는 열에너지를 흡수 또는 방출을 반복하게 된다. 대표적인 외부 열에너지로는 태양열에너지가 있으며, 이때 흡수되는 열의 양과 밀접한 관련 인자로는 열전도도가 있다. Table 1은 포장재료들의 열전도도를 나타낸 표이다.

Table 1

Thermal Conductivity of Pavement Material (Sundberg, 1988; Somerton, 1992; Banks, 2008)

Pavement Material	Thermal Conductivity (W/m K)
Limestone	1.5~3.0
Quartzite	5.5~7.5
Granite	3.0~4.0
Basalt	1.3~2.3
Bitumen	0.15~0.17
Water	0.6
Air	0.024

열전도 메커니즘에 따라 높은 열은 분자운동을 활발하게하여 주변 분자에게 영향을 주는 것으로 알려져있다. 여름철 대부분에 노출된 포장체는 표면 상부에서 열에너지가 누적되고 이러한 입자가 하부로 전달되는 현상이 열전도 메커니즘에 해당된다. Fig. 1과 같이 푸리에 열전도 법칙(Fourier’s Law)을 바탕으로 다음과 같이 포장체의 열전도도를 측정해 볼 수 있다.

(1)

Q=−kAΔTΔX=−kA(Ts−Tb)(Xs−Xb)

Fig. 1

Heat Transfer of Asphalt Pavement

여기서, Q: x길이에 대한 열유속(Heat Flux), k 열전도도(W/mK), A 포장체의 면적(m²), △T/△X 단면에 대한 열흐름 방향 온도구배(K/m), Ts포장체 표면온도(K), Tb포장체 하부온도(K).

3. 혼합물 재료의 기본물성

혼합물 제작은 일반적인 도로포장에 사용되는 밀입도포장과 비교적 높은 공극률을 나타내는 배수성포장, 식물성 폴리우레탄 바인더를 사용한 투수폴리콘을 제작하였다.

골재의 품질이나 입도는 콘크리트 혼합물의 역학적 특성, 현장 공용성, 강도 및 소성변형에 중요한 영향을 미치며 생산지 별로 그 조건이 각각 다르므로 사용 전에 시방서 규정에 적합한지 반드시 조사해야한다. Table 2는 사용 골재의 기본 물성이다.

Table 2

Property of Aggregate

Items	Absorption of Aggregate (%)	Resistance to Abrasion of Aggregate (%)	Absolute density (g/m³)
Test standard (Reference value)	KS F 2503 (< 3.0)	KS F 2508 (< 35)	KS F 2503 -
Coarse Aggregate	1.1	22	2.68
Fine Aggregate	0.7	-	2.66

골재의 품질 만큼이나 바인더의 경우 골재와 골재를 결합하는데 사용되는 재료로 혼합물의 공용성 및 역학 특성 등에 많은 영향을 미친다. 일반적인 밀입도 아스팔트 혼합물의 경우 AP3를 사용하였고 배수성 아스팔트 포장의 경우 많은 내부 공극으로 인해 내구성 보존을 위하여 개질 아스팔트 바인더(Styrene Butadiene Styrene, SBS)를 사용하였다. 투수폴리콘의 경우 A-component (폴리올과 기타 첨가제)와 B-component (엠디아이 화합물)를 혼합 후 사용하며, 해당 바인더의 물성은 Table 3과 같다.

Table 3

Property of Water Permeable Polyurethane Concrete Biner

List	Unit	Value	Test standard
Hardness	Shore D	72	DIN 53505 (Germany Standard)
Tensile Strenght	Mpa	32	DIN EN ISO 527
Elongation	%	40	DIN EN ISO 527
Density	g/cm³	1.1	DIN 53420

아스팔트 혼합물은 일반적인 혼합방법에 준하여 가열된 골재와 바인더를 혼합하여 제작하였으며, 투수폴리콘 혼합물의 경우 상온에서 바인더와 골재를 혼합하여 제작하였다. 다짐 방법은 현장 다짐과 유사한 선회 다짐기를 이용하여 다짐각 1.25°, 다짐 압력 600 kPa, 다짐속도 30회/mim로 지름 150 mm에 높이 50 mm의 시편을 제작하였다. 해당 샘플의 입도와 기본물성은 Table 4와 같으며, 제작된 샘플은 Fig. 2와 같다.

Table 4

Property of Sample

Sieve size (mm)		Type
Sieve size (mm)		WPP	WC-2	PA-13
Passing (%)	20 mm	100	100	100
	13 mm	100	97.5	96
	10 mm	82.6	88	71.5
	5 mm	10.7	62.5	20.5
	2.5 mm	0.3	42.5	15.5
	0.6 mm	0.3	24	10.5
	0.3 mm	0.3	15.5	7.5
	0.15 mm	0.3	11	5.5
	0.08 mm	0.2	6	4.5
Optimum Binder Content (%)		5	5.6	4.6
Density (g/m³)		1.561	2.361	2.012
Air void (%)		37.6	4.4	20.2

Fig. 2

Specimens

4. 열관련 특성인자 시험

4.1 비열용량

비열용량은 단위 질량(kg)당 단위 온도(°K)만큼 상승 시키는데 소요되는 열량을 의미한다. 본 연구에 해당되는 포장재료의 비열용량은 DSC (Differential Scanning Calorimeter)를 이용하여 측정하였다. 각각 온도영역에 따른 재료별(골재와 바인더) 비열용량 값은 Table 5와 같다.

Table 5

Specific Heat Capacity according to the Temperature Range of Pavement Material

Type		WPP Binder	Agg.	Asphalt Binder
Specific heat capacity according to temperature range (W/m⋅K)	Average	1732	788	1733
	-10 °C	1396	719	1466
	10 °C	1535	750	1620
	30 °C	1735	784	1818
	50 °C	1975	824	1848
	70 °C	2018	861	1913

아래식에 적용하여 샘플의 비열용량을 결정한다.

(2)

cp=1mT[mA*cA+mB*cB]

여기서, c_p총 비열용량(J/kg⋅K.), m_T총질량(kg), m_A골재 질량(kg), c_A골재의 비열용량(J/kg⋅K.), m_B아스팔트 바인더의 질량(kg), c_B아스팔트 바인더의 비열용량(J/kg⋅K.)이다.

샘플 각각의 비열용량과 용적열용량는 Table 6과 같다. 각 샘플별 비열용량 차이는 작으나 공극률이 높은 재료 특성상 밀도를 고려한 용적열용량으로 산출하여 비교하였을 때, WPP포장체가 아스팔트 포장체 대비 열용량이 22.7~34.8% 작은 것으로 나타났다.

Table 6

Heat Capacity of Sample

Type	Specific Heat Capacity (J/kg⋅K)	Volumetric Heat Capacity (J/m³⋅K)
WPP	826	1.29 × 10⁶
WC-2	837	1.98 × 10⁶
PA-13	829	1.67 × 10⁶

4.2 열방사율

열방사율은 해당 혼합물과 흑체표면의 열이 방사되는 비율을 의미한다. 측정 물체의 표면 상태에 따라 값의 차이가 크게 나타나며, 값의 범위는 0~1이고 흑체의 방사율은 통상 1로 나타난다.

측정 방법은 Figs. 3, 4와 같이 적외선 램프를 이용하여 샘플에 열에너지를 가해주고 해당 샘플의 상⋅하부 온도를 65 ℃의 열평형 상태로 유지 시킨 후 적외선 램프를 제거하고 냉각시키는 과정에서 2.5 ℃ 간격으로 접촉식 온도센서와 적외선카메라를 이용하여 온도를 계측한다. 계측된 온도를 아래식에 적용하여 열방사율을 결정한다(Incropera et al., 2013).

(3)

Ethernal=TI(∘C)Ts(∘C)

Fig. 3

Thermal Emissivity Test

Fig. 4

Thermal Camera Imaging Samples of Thermal Emissivity Test

여기서, E_thermal열방사율, T_I적외선 카메라 온도(℃),T_s접촉식 온도계를 통한 표면온도(℃).

샘플의 접촉식 온도에 따른 열방사율은 Table 7과 같다. WPP 혼합물의 경우 기존 아스팔트 혼합물 대비 약 4% 낮은 열방사율을 보였다. 즉, 동일한 온도의 포장체에서 WPP 포장체가 방출하는 열의 온도가 기존 아스팔트 혼합물 보다 약 4% 낮은 열을 방출하는 것으로 나타났다.

Table 7

Thermal Emissivity Test Result

Thermocople Temperature (°C)	Thermal Emissivity
Thermocople Temperature (°C)	WPP	WC2	PA13
65	90.6%	91.7%	91.8%
62.5	90.4%	92.0%	92.2%
60	89.3%	92.3%	93.0%
57.5	87.3%	92.3%	92.3%
55	86.7%	92.2%	90.5%
52.5	88.6%	92.1%	91.1%
50	89.0%	92.6%	91.8%
47.5	89.2%	93.0%	92.5%
45	87.3%	93.1%	94.0%
42.5	88.1%	93.9%	91.8%
40	89.0%	93.3%	93.8%
Average	88.7%	92.6%	92.3%

4.3 열전도도

열전도도는 열평형 상태(steady state)의 단위면적(1 m²) 재료에 양 단면 1 °K의 온도 차이를 두고 단위 두께(m)당 이동되는 에너지(W) 값을 의미한다. 대표적으로 HFM (Heat Flow Meter) 방법이 있으며, HFM은 냉판(Cold plate)과 열판(Hot plate) 사이에 측정 시료를 배치하여 시료에 이동하는 열을 반복적으로 측정한 후 아래 식을 이용하여 열전도도를 결정하게 된다(Garcia et al., 2013).

(4)

k=ls[(k1+(k2T¯))+(k3+(k4T¯)HFM)+(k5+(k6T¯)HFM2)]dT

여기서, k₁~k₆ 열전도 실험을 통해 결정된 교정상수, ¯T열판과 냉판의 평균온도(K), dT 열판과 냉판의 온도 차(K), HFM 열흐름 출력값, l_s샘플의 두께이다.

온도 범위는 10~60 ℃에서 측정하였으며 각온도별 열전도도와 평균값은 Table 8과 같다.

Table 8

Thermal Conductivity by Temperature

Type		WPP	WC-2	PA-13
Thermal Conductivity according to temperature (W/m⋅K)	Average	0.33	0.83	0.68
	10 °C	0.31	-	0.65
	20 °C	0.31	0.81	0.67
	30 °C	0.32	0.83	0.68
	40 °C	0.34	0.84	0.69
	50 °C	0.36	0.83	0.7
	60 °C	0.36	0.84	0.7

해당 결과와 같이 WPP 포장체의 경우 기존에 사용되는 WC-2의 60.4%, PA-13의 51.6% 감소한 값을 보였다. 즉, WPP포장체는 기존 포장체 보다 같은 온도에서 열에너지가 전달되는 양이 적은 것으로 나타났다.

4.4 열확산율

열확산율은 열이 해당 물체에 확산되는 속도를 의미하며, 열확산율이 높을수록 열의 전도가 빠르고 낮을수록 재료에 높은 양의 열에너지를 축적하여 소량의 열에너지만 방출하게 된다. 이에 열전도도와 용적열용량(비열용량 및 밀도)을 이용하여 아래식으로 산정이 가능하다(Incropera et al., 2013).

(5)

α=k/(cp*ρ)

여기서, α 열확산율(m²s), ρ밀도(kg/m³)이다.

Table 9와 같이 WPP의 경우 기존 아스팔트 혼합물과 비교했을 때 열확산율이 37~39% 낮은 값을 보였다. 이는 WPP 혼합물이 기존 아스팔트 혼합물 보다 37~39% 낮은 열에너지를 방출한다고 판단된다.

Table 9

Thermal Diffusivity of Samples

Type	Thermal Diffusivity (× 10^-7) (m²/s)
WPP	2.54
WC-2	4.18
PA-13	4.06

5. 열에너지 누적 시험

5.1 열에너지 누적 시험 세팅

도로포장은 항상 노출되어있는 구조물로써 태양열 누적에 대한 영향을 배제할 수 없다. 이로 인해 열누적에 따른 혼합물의 열전도도의 변화를 알아보기 위하여 다음과 같은 시험을 진행하였다. 해당 실험은 태양열에너지를 모사한 적외선 램프를 이용하여 일정량의 일사량(1,200 W/m²)을 샘플에 지속적으로 누적 시킨 후 해당 샘플의 온도 및 열유속 등을 분석하는 실험이다. 실험의 단면 및 사진은 Fig. 5와 같으며 주간과 야간을 모하여 12시간 히팅 후 12시간 쿨링을 진행하였다.

Fig. 5

Thermal Accumulation Test Setup Schematic Diagram

Fig. 6과 같이 샘플 표면과 하부의 온도변화, 샘플과 린콘크리트(Lean concrete) 사이의 열유속량, 샘플 표면에 가해지는 일사량을 실시간으로 측정할 수 있도록 세팅하였다. 샘플 하부에 린콘크리트 배합 슬래브를 설치하여 실제 포장체 단면 상부를 모형화하였다. 열전도도 산출 식은 아래와 같다.

(6)

k=Hf(t) ∗HsTs(t)−Tb(t)

Fig. 6

Test Setup for Sample

여기서, H_f(t)열 유속값(W/m²), H_s샘플의 높이(cm), T_s(t)아스팔트 혼합물 상부온도(℃),T_b(t)아스팔트 혼합물 하부온도(℃)이다.

5.2 열에너지 누적에 따른 열전도도 변화

Fig. 7은 샘플별 상부표면온도에 따른 하부온도 변화 그래프이다. 해당 결과를 바탕으로 Fig. 8과 같은 열에너지 지속 시간에 따른 샘플의 상⋅하부 온도차(ΔTemperature, 표면 온도 - 하부 온도) 결과를 도출하였다.

Fig. 7

Surface Temperature versus Underground Temperature for Samples

Fig. 8

Time versus Temperature Difference for Samples

Fig. 8의 상하부 온도차는 열에너지 누적 시 절댓값이 높을수록 하부로 열이 느리게 전달됨을 뜻한다. 즉, WPP혼합물의 경우 기존 아스팔트 혼합물 대비 대부분의 열에너지 누적 구간에서 평균 약 20% 느린 열에너지 전달을 보여준다. 이러한 결과는 샘플별 시간에 따른 열유속변화를 나타낸 Fig. 9와 같이 샘플과 린콘크리트 사이에 설치한 열유속 값에서도 나타난다. 여기서 열유속 값은 샘플에서 린콘트리트로 이동되는 열의 속도를 의미하며 열유속이 높을수록 샘플 표면의 온도가 하부로 빠르게 전달되어 린콘크리트층과 온도차이가 큰 것을 의미한다. 열유속 차이 또한 WPP샘플과 기존 아스팔트 샘플은 약 20% 정도 차이를 보였다.

Fig. 9

Time versus Heat Flux for Samples

앞서 측정된 결과를 바탕으로 상부 표면온도에 따른 히팅과 쿨링 시 열전도도 변화 그래프는 Figs. 10~11과 같다. 두 그래프 결과와 같이 WC-2샘플이 동일한 상부표면 온도에서 열전도도가 가장 높게 나타났으며, WPP가 가장 작은 열전도도 값을 보였다.

Fig. 10

Surface Temperature versus Thermal Conductivity for Samples (Heating)

Fig. 11

Surface Temperature versus Thermal Conductivity for Samples (Cooling)

6. 결 론

아스팔트 혼합물과 투수폴리콘의 열관련 특성인자에 관한 연구를 통해 다음과 같이 결과를 도출하였다.

HFM을 이용한 열전도도 시험결과, WPP포장체의 경우 기존에 사용되는 WC-2의 60.4%, PA-13의 51.6% 감소한 값을 보였다. 즉, WPP포장체는 기존 포장체 보다 같은 온도에서 열에너지가 전달되는 양이 적은 것으로 나타났다.
DSC을 이용한 비열용량 및 용적열용량 시험결과, 샘플별 비열용량 차이는 작으나 공극률이 높은 재료 특성상 밀도를 고려한 용적열용량으로 산출하여 비교하였을 때, WPP포장체가 아스팔트 포장체 대비 열용량이 22.7~34.8% 작은 것으로 나타났다.
열방사율 시험결과, WPP 혼합물의 경우 기존 아스팔트 혼합물 대비 약 4% 낮은 열방사율을 보였다. 즉, 동일한 온도의 포장체에서 WPP 포장체가 방출하는 열의 온도가 기존 아스팔트 혼합물 보다 약 4% 낮은 온도를 방사하는 것으로 나타났다.
열확산율 결과, WPP의 경우 기존 아스팔트 혼합물 대비 열확산율이 37~39% 낮은 값을 보였다. 이는 WPP 혼합물이 기존 아스팔트 혼합물 보다 37~39% 낮은 열에너지를 방출한다고 판단되었다.
열에너지 누적 시험결과, WPP혼합물의 경우 기존 아스팔트 혼합물 대비 대부분의 열에너지 누적 구간에서 평균 약 20% 느린 열에너지 전달을 보여준다. 열에너지 누적에 따른 열전도도 변화에서는 WC-2샘플이 동일한 상부온도에서 열전도도가 가장 높게 나타났으며, WPP가 가장 작은 열전도도 값 경향을 보였다.
향후 이러한 열전달 특성 인자는 열에너지를 활용한 에너지 하베스팅과 도로 동결 관련 연구에 기초연구가 될 것으로 판단된다.