Polymer Modified Asphalt는 왜 일반 바인더보다 소성변형에 강한가 — SBS 개질, 탄성회복과 DSR·MSCR 분석

Polymer Modified Asphalt(PMA)는 일반 아스팔트 바인더에 SBS와 같은 고분자 재료를 첨가하여 고온에서의 소성변형 저항성과 탄성회복 능력을 향상시킨 개질 바인더이다.

여름철 아스팔트 포장의 표면온도가 높아지고 대형차량의 반복하중이 작용하면 일반 바인더는 점차 회복되지 않는 영구변형을 축적할 수 있다. 이것이 차륜이 지나가는 위치를 따라 홈이 발생하는 소성변형(rutting)의 주요 메커니즘 가운데 하나다.

그렇다면 SBS를 첨가한 폴리머 개질 아스팔트는 왜 같은 온도와 하중조건에서 일반 바인더보다 변형에 강할까?

단순히 바인더가 ‘더 단단해지기 때문’이라고 설명하면 충분하지 않다. 핵심은 SBS가 형성하는 고분자 네트워크, 점탄성 거동의 변화, 하중 제거 후의 탄성회복 능력에 있다.

이러한 차이는 DSR(Dynamic Shear Rheometer)과 MSCR(Multiple Stress Creep Recovery) 시험을 통해 정량적으로 분석할 수 있다.

Polymer Modified Asphalt와 SBS 개질의 원리

아스팔트는 완전한 탄성체도, 완전한 점성체도 아닌 점탄성 재료(viscoelastic material)다.

온도가 높거나 하중 작용시간이 길어지면 점성 거동이 커지고, 온도가 낮거나 빠른 하중이 작용하면 상대적으로 탄성 거동이 커진다.

여기에 SBS(Styrene-Butadiene-Styrene)를 첨가하면 바인더 내부의 미세구조와 유변학적 특성이 변한다.

SBS는 대표적인 열가소성 탄성체로, 크게 두 종류의 블록으로 구성된다.

• Styrene block — 강성과 물리적 가교점 형성에 기여
• Butadiene block — 유연성과 탄성 거동에 기여

SBS가 아스팔트와 적절하게 혼합되면 폴리머가 바인더 내부에서 팽윤하고 상호 연결된 구조를 형성할 수 있다.

이 구조가 고온에서 바인더의 흐름을 억제하면서 하중이 제거된 후 변형의 일부를 다시 회복시키는 역할을 한다.

SBS를 넣으면 단순히 바인더가 단단해지는 것인가

그렇지 않다.

SBS 개질의 중요한 효과는 단순한 강성 증가보다는 탄성 성분의 증가와 회복 가능한 변형의 확대에 있다.

두 바인더가 동일한 하중을 받았다고 가정해 보자.

일반 바인더는 하중이 제거된 후에도 변형의 상당 부분이 남을 수 있다. 반복하중이 계속되면 이러한 비회복 변형이 누적된다.

반면 적절하게 개질된 SBS 바인더는 하중을 받을 때 변형되더라도 하중이 제거되면 더 많은 부분을 회복할 수 있다.

즉,

하중 → 변형 → 하중 제거 → 탄성회복

이라는 과정에서 회복되는 비율이 증가하는 것이다.

이 특성이 반복 교통하중에서 영구변형 축적을 억제하는 중요한 이유다.

Polymer Modified Asphalt의 고분자 네트워크

SBS 함량과 바인더의 화학적 조성이 적절하면 SBS가 아스팔트의 일부 성분을 흡수하면서 팽윤한다.

충분한 분산과 상용성이 확보되면 폴리머-rich phase와 asphalt-rich phase 사이에 복잡한 미세구조가 형성된다.

SBS 함량이 증가하면서 일정 조건에 도달하면 폴리머 구조가 서로 연결되어 연속적인 네트워크에 가까운 형태를 만들 수 있다.

이 네트워크는 고온에서 아스팔트가 지나치게 흐르는 것을 제한하고 하중 제거 후 형상 회복에 기여한다.

그러나 SBS를 많이 첨가한다고 성능이 무조건 계속 향상되는 것은 아니다.

과도한 폴리머 함량이나 불충분한 혼합은 다음 문제를 일으킬 수 있다.

• 높은 점도로 인한 혼합·펌핑 어려움
• 생산 및 다짐온도 증가
• 저장 중 상분리 가능성
• 제조비용 증가
• 바인더와 폴리머의 상용성 문제

따라서 실제 PMA 설계에서는 폴리머 함량뿐 아니라 바인더 종류, 혼합온도와 시간, 전단조건 및 저장안정성을 함께 고려해야 한다.

DSR은 개질 바인더의 무엇을 측정하는가

DSR(Dynamic Shear Rheometer)은 아스팔트 바인더의 점탄성 특성을 평가하는 대표적인 시험장비다.

시료에 반복적인 전단변형 또는 전단응력을 가하고 이에 대한 재료의 반응을 측정한다.

대표적인 지표는 다음 두 가지다.

복소전단탄성계수 G*

바인더가 전단변형에 얼마나 저항하는지를 나타내는 전체적인 강성 지표다.

G*가 클수록 동일한 조건에서 변형에 대한 저항이 큰 편이다.

위상각 δ

응력과 변형률 사이의 시간적 차이를 나타내며 재료의 탄성·점성 거동을 파악하는 데 사용한다.

완전 탄성체에서는 δ가 0°에 가까워지고 완전 점성체에서는 90°에 가까워진다.

따라서 일반적으로 SBS 개질에 의해 고온에서 G*가 증가하고 δ가 감소한다면 바인더가 상대적으로 더 탄성적인 거동을 보이는 것으로 해석할 수 있다.

Superpave의 G*/sinδ는 왜 사용되었는가

Superpave PG 시스템에서는 고온 소성변형과 관련된 바인더 지표로 G*/sinδ가 사용되어 왔다.

G*가 크고 δ가 작아질수록 이 값은 증가한다.

따라서 높은 G*/sinδ는 고온에서 바인더가 변형에 저항하는 능력이 상대적으로 크다는 의미로 사용된다.

그러나 폴리머 개질 바인더가 널리 사용되면서 한계가 드러났다.

G*/sinδ 하나만으로는 개질 바인더의 실제 탄성회복 능력과 비회복 변형을 충분히 구별하기 어렵기 때문이다.

두 바인더가 비슷한 G*/sinδ 값을 가지더라도 반복하중 후 회복되는 정도는 상당히 다를 수 있다.

이 문제를 보완하기 위해 사용되는 대표적인 시험이 MSCR이다.

MSCR은 무엇이 다른가

MSCR(Multiple Stress Creep Recovery) 시험은 DSR을 사용하지만 기존의 선형 점탄성 지표보다 반복 교통하중과 회복 거동을 직접적으로 평가하도록 설계되었다.

AASHTO T 350에 따른 MSCR 시험에서는 일반적으로 고온에서 일정 시간 크리프 응력을 가한 후 응력을 제거하고 회복시키는 과정을 반복한다.

대표적인 한 사이클은 다음과 같다.

• 1초 동안 크리프 하중 적용
• 9초 동안 하중 제거 및 회복
• 반복 사이클 수행

일반적으로 0.1 kPa와 3.2 kPa의 두 응력 수준에서 평가한다.

이 시험에서 특히 중요한 두 지표가 Jnr과 %Recovery이다.

Jnr — 회복되지 않고 남은 변형

Jnr(Non-recoverable Creep Compliance)은 하중을 제거한 후에도 회복되지 않고 남아 있는 변형을 적용 응력으로 나눈 값이다.

개념적으로는 다음과 같이 표현할 수 있다.

Jnr = 비회복 전단변형률 / 적용 전단응력

단위는 일반적으로 kPa⁻¹이다.

Jnr가 작다는 것은 같은 응력에서 회복되지 않는 영구적인 변형이 적다는 의미다.

따라서 고온 소성변형 저항성 관점에서는 일반적으로

낮은 Jnr → 높은 영구변형 저항성

으로 해석한다.

SBS 개질 바인더가 일반 바인더보다 낮은 Jnr를 나타내는 경우가 많은 이유도 폴리머 네트워크가 비회복 변형을 억제하기 때문이다.

%Recovery — 얼마나 다시 돌아오는가

MSCR의 또 다른 중요한 지표는 %Recovery다.

하중을 가하는 동안 발생한 변형 가운데 하중 제거 후 얼마나 회복되었는지를 백분율로 나타낸다.

개념적으로,

%Recovery = 회복된 변형 / 전체 크리프 변형 × 100

으로 이해할 수 있다.

일반적인 비개질 바인더는 높은 시험온도에서 회복률이 낮게 나타날 수 있다.

반면 SBS와 같은 탄성 폴리머로 적절하게 개질된 바인더는 상대적으로 높은 회복률을 나타낼 수 있다.

따라서 MSCR에서는 단순히 바인더가 얼마나 단단한지만 보는 것이 아니라,

얼마나 변형되었는가 → 그중 얼마나 회복되었는가 → 얼마나 영구변형으로 남았는가

를 함께 살펴볼 수 있다.

일반 바인더와 SBS 개질 바인더의 차이

개념적으로 비교하면 다음과 같다.

특성	일반 바인더	SBS 개질 바인더
고온 강성	상대적으로 낮음	일반적으로 증가
탄성회복	상대적으로 낮음	증가 가능
위상각 δ	상대적으로 큼	감소하는 경향
Jnr	상대적으로 큼	감소하는 경향
%Recovery	낮은 편	높은 편
반복하중 후 영구변형	축적되기 쉬움	상대적으로 억제
소성변형 저항성	일반적	향상 가능

다만 실제 수치는 원 바인더의 PG 등급, SBS 함량, 시험온도, 노화상태 및 제조조건에 따라 달라진다.

따라서 특정 수치를 모든 SBS 개질 바인더에 일률적으로 적용해서는 안 된다.

MSCR의 교통등급 S·H·V·E는 무엇인가

MSCR은 바인더의 Jnr를 이용해 교통조건을 고려한 고온 성능등급 선정에도 활용된다.

AASHTO M 332 체계에서는 같은 고온 PG 온도에서도 Jnr 요구조건에 따라 교통 수준을 구분한다.

대표적인 분류는 다음과 같다.

• S — Standard traffic
• H — Heavy traffic
• V — Very Heavy traffic
• E — Extremely Heavy traffic

교통하중이 커질수록 더 낮은 Jnr가 요구된다.

이 방식은 단순히 고온 PG 등급의 온도를 계속 높이는 기존 접근보다 실제 반복하중에 대한 비회복 변형 특성을 직접 반영한다는 장점이 있다.

DSR과 MSCR 중 어느 시험이 더 중요한가

두 시험을 완전히 별개의 것으로 보는 것은 정확하지 않다.

MSCR 자체도 DSR 장비를 이용하여 수행하기 때문이다.

차이는 어떤 하중조건을 적용하고 어떤 물성값을 해석하는가에 있다.

기존 DSR 기반 PG 평가는 G*와 δ를 통해 바인더의 기본적인 점탄성 특성과 고온·중간온도 성능을 평가한다.

MSCR은 반복 크리프와 회복과정을 통해 고온에서의 비회복 변형과 탄성회복을 보다 직접적으로 분석한다.

따라서 폴리머 개질 바인더의 고온 성능을 평가할 때는 단순히 G*/sinδ 하나만 보는 것보다 Jnr와 %Recovery를 함께 검토하는 것이 유용하다.

SBS 개질 바인더라면 무조건 rutting이 발생하지 않는가

그렇지는 않다.

포장의 소성변형은 바인더 하나만으로 결정되지 않는다.

혼합물 수준에서는 다음 요소들이 매우 중요하다.

• 골재 입도와 골격
• 공극률
• 바인더 함량
• 현장 다짐도
• 골재의 각진 정도와 맞물림
• 포장층 두께
• 기층과 노상의 안정성
• 온도
• 교통하중의 크기와 속도

예를 들어 바인더의 Jnr가 매우 낮더라도 혼합물의 골재구조가 불안정하거나 바인더 함량이 지나치게 높으면 소성변형이 발생할 수 있다.

반대로 적절한 골재골격과 충분한 현장밀도가 확보되면 혼합물의 rutting 저항성이 크게 향상될 수 있다.

따라서 Polymer Modified Asphalt는 소성변형 문제를 해결하는 중요한 재료 기술이지만 포장구조 전체를 대신하지는 않는다.

탄성회복이 균열에도 도움이 되는가

SBS 개질의 장점은 고온 소성변형에만 국한되지 않는다.

적절한 SBS 개질은 넓은 온도범위에서 바인더의 점탄성 특성을 변화시키고 변형 회복능력을 높일 수 있어 피로균열 및 저온균열 성능에도 영향을 줄 수 있다.

하지만 여기에도 균형이 필요하다.

고온 성능을 높이기 위해 바인더를 지나치게 경화시키는 접근은 저온균열에 불리할 수 있다.

따라서 실제 개질 바인더 설계에서는 고온 rutting 저항성뿐 아니라 저온 BBR 성능과 중간온도 피로 특성 등을 함께 평가해야 한다.

Polymer Modified Asphalt의 성능을 제대로 판단하려면

SBS라는 이름이 들어갔다고 해서 모든 개질 바인더의 성능이 동일한 것은 아니다.

중요한 것은 실제 시험에서 확인되는 유변학적 특성이다.

고온 소성변형 저항성을 평가할 때는 다음과 같은 질문이 필요하다.

시험온도에서 Jnr는 얼마나 낮은가?

반복하중 후 %Recovery는 어느 정도인가?

응력이 증가했을 때 Jnr가 지나치게 민감하게 증가하지 않는가?

DSR에서 적절한 점탄성 거동을 보이는가?

혼합물 시험에서도 동일한 성능 향상이 확인되는가?

결국 SBS 개질 아스팔트가 일반 바인더보다 소성변형에 강한 이유는 단순히 ‘더 단단하기 때문’이 아니다.

SBS가 형성하는 폴리머 구조가 고온에서 점성 흐름을 억제하고, 반복하중으로 발생한 변형 중 더 많은 부분을 회복시키며, 결과적으로 비회복 영구변형의 축적을 줄이기 때문이라고 설명하는 것이 더 정확하다.

DSR은 이러한 점탄성 변화의 기본 특성을 보여주고, MSCR의 Jnr와 %Recovery는 개질 바인더의 비회복 변형과 탄성회복을 보다 직접적으로 보여준다.

따라서 고온·중교통 조건의 포장에서는 단순한 PG 숫자뿐 아니라 실제 반복하중에서 바인더가 얼마나 회복하고 얼마나 변형을 남기는가가 중요한 성능 판단 기준이 된다.

Q&A

Q1. SBS를 넣으면 아스팔트가 단순히 더 단단해지는 것인가?

아니다. 고온 강성이 증가할 수 있지만 SBS 개질의 중요한 특징은 탄성 거동과 회복능력의 증가다. 반복하중 후 남는 비회복 변형을 줄이는 것이 소성변형 저항성 향상에 중요한 역할을 한다.

Q2. Jnr는 높을수록 좋은가?

아니다. 고온 소성변형 저항성 측면에서는 일반적으로 Jnr가 낮을수록 유리하다. 이는 동일한 응력에서 회복되지 않고 남는 변형이 상대적으로 작다는 뜻이다.

Q3. %Recovery는 높을수록 좋은가?

탄성회복 관점에서는 높은 %Recovery가 더 큰 회복능력을 의미한다. 특히 SBS와 같은 탄성 개질재의 효과를 파악하는 데 유용하지만 %Recovery 하나만으로 포장의 전체 성능을 판단해서는 안 된다.

Q4. MSCR 시험만 좋으면 실제 포장에서도 rutting이 발생하지 않는가?

아니다. MSCR은 바인더 수준의 고온 성능을 평가한다. 실제 포장의 소성변형은 골재구조, 혼합물 배합, 공극률, 다짐도, 포장구조, 온도 및 교통하중 등 여러 요소가 함께 결정한다.

참고자료

• AASHTO T 350, Standard Method of Test for Multiple Stress Creep Recovery (MSCR) Test of Asphalt Binder Using a Dynamic Shear Rheometer (DSR)
• AASHTO M 332, Performance-Graded Asphalt Binder Using Multiple Stress Creep Recovery (MSCR) Test
• Federal Highway Administration, The Multiple Stress Creep Recovery (MSCR) Procedure
• Asphalt Institute, 자료: Performance Graded Asphalt Binder 및 MSCR