유럽에서 발전한 SMA 아스팔트 포장은 왜 중교통 도로에 강한가 — 골재 맞물림, Stone-on-Stone 구조와 바인더 모르타르의 역할

골재 맞물림, Stone-on-Stone 구조와 바인더 모르타르의 역할

SMA 아스팔트 포장은 이러한 중차량의 반복하중과 소성변형에 대응하기 위해 발전한 대표적인 고성능 아스팔트 혼합물 중 하나다.

고속도로를 달리는 대형 트럭 한 대가 아스팔트 포장 위를 지나간다. 문제는 한 번의 하중이 아니다. 수많은 중차량이 같은 차로를 반복해서 통과하면서 포장에는 지속적인 압축과 전단응력이 발생한다.

특히 높은 온도에서 이러한 반복하중이 계속되면 아스팔트 혼합물이 점차 변형되면서 바퀴가 지나가는 자리에 홈이 생길 수 있다. 이것이 소성변형(Rutting)이다.

그렇다면 중교통 도로에서는 무엇으로 이 변형을 억제할 수 있을까?

한 가지 중요한 해답이 SMA(Stone Mastic Asphalt)에 있다.

SMA의 핵심은 단순히 더 단단한 아스팔트 바인더를 사용하는 데 있지 않다. 굵은 골재가 서로 직접 접촉하여 하중을 전달하는 Stone-on-Stone 구조, 즉 강한 골재 골격을 만드는 것이 핵심적인 설계 원리다.

SMA 아스팔트 포장(Stone Mastic Asphalt)이란 무엇인가

SMA는 Stone Mastic Asphalt의 약자로, 미국에서는 주로 Stone Matrix Asphalt라고 부른다.

SMA는 1960년대 중반 독일에서 개발되었다. 당시에는 겨울철 스터드 타이어로 인한 포장 마모에 강한 혼합물이 필요했고, 이후 우수한 안정성과 내구성이 확인되면서 유럽 여러 국가로 확대되었다.

유럽에서는 2006년 EN 13108-5가 Stone Mastic Asphalt에 관한 유럽 표준으로 발행되었다.

SMA는 일반적인 밀입도 아스팔트(Dense-Graded Asphalt)와 골재 구성부터 다르다.

FHWA가 설명하는 전형적인 SMA 구성 범위는 다음과 같다.

• 굵은 골재(Coarse Aggregate): 약 70~80%
• Mineral Filler: 약 8~12%
• Asphalt Binder: 약 6~7%

하지만 이 숫자만 보고 SMA를 이해하면 핵심을 놓치게 된다.

중요한 것은 굵은 골재가 얼마나 많이 들어갔느냐가 아니라, 그 골재들이 어떤 구조를 형성하고 있느냐이다.

SMA의 핵심은 ‘아스팔트’보다 골재 골격에 있다

일반적인 밀입도 아스팔트 혼합물에는 크고 작은 골재 입자가 비교적 연속적인 입도로 들어간다.

반면 SMA는 Gap-Graded Aggregate Structure를 사용한다.

특정 중간 크기의 골재 비율을 줄이고 굵은 골재가 서로 접촉할 수 있는 구조를 의도적으로 만든다.

그 결과 혼합물 내부에 굵은 골재로 이루어진 강한 골격이 형성된다.

이것을 Coarse Aggregate Skeleton이라고 한다.

중차량의 바퀴에서 하중이 전달되면 이 골재 골격이 중요한 역할을 한다. 굵은 골재끼리 접촉하고 맞물리면서 하중에 저항하기 때문이다.

이것이 바로 SMA에서 이야기하는 Stone-on-Stone Contact다.

Stone-on-Stone Contact와 골재 맞물림

Stone-on-Stone은 말 그대로 돌과 돌이 접촉하는 구조다.

하지만 단순히 골재 두 개가 맞닿아 있다는 의미만은 아니다.

SMA에서는 다수의 굵은 골재가 서로 접촉하고 맞물리면서 연속적인 하중 전달 골격을 형성하도록 배합을 설계한다.

여기서 중요한 개념이 Aggregate Interlocking, 즉 골재 맞물림이다.

차량 하중이 포장에 전달될 때 골재들이 쉽게 옆으로 이동하려 하면 포장은 변형되기 쉽다.

그러나 굵은 골재들이 서로 단단하게 맞물려 있으면 골재의 상대적인 이동이 제한되고 전단변형에 대한 저항성이 증가한다.

이 때문에 FHWA는 SMA의 우수한 소성변형 저항성을 Stone-on-Stone Contact와 밀접하게 연결해 설명한다.

즉,

중차량 반복하중 → 골재 골격에 하중 전달 → 골재 맞물림 → 전단변형 저항 → Rutting 억제

라는 구조로 이해할 수 있다.

굵은 골재를 많이 넣기만 하면 Stone-on-Stone이 될까?

그렇지 않다.

이 부분이 SMA 배합설계에서 매우 중요하다.

굵은 골재 함량이 높더라도 작은 골재와 모르타르가 굵은 골재 사이를 지나치게 벌려놓으면 원하는 Stone-on-Stone 구조가 형성되지 않을 수 있다.

따라서 SMA 배합설계에서는 골재의 실제 맞물림 상태를 확인할 필요가 있다.

여기서 등장하는 개념이 VCA(Voids in Coarse Aggregate)다.

대표적으로 비교되는 것이 다음 두 값이다.

• VCA_DRC: 굵은 골재만을 Dry-Rodded Condition으로 다졌을 때의 골재 사이 공극
• VCA_mix: 실제 다져진 SMA 혼합물에서 굵은 골재 사이에 존재하는 공극

이 두 값을 비교하면 실제 혼합물 내부에서 굵은 골재가 원하는 골격을 형성하고 있는지를 판단하는 데 도움을 받을 수 있다.

따라서 SMA의 성능은 단순한 ‘골재 함량’ 문제가 아니라 골재 구조를 설계하는 문제라고 보는 것이 더 정확하다.

그렇다면 바인더 모르타르(Mastic)는 무엇을 하는가

여기서 재미있는 역설이 하나 생긴다.

SMA는 골재 골격을 강조하지만 동시에 일반적인 밀입도 혼합물보다 풍부한 모르타르(Rich Mortar)를 갖도록 설계된다.

SMA의 모르타르는 주로 아스팔트 바인더와 미세골재·광물질 필러 등으로 구성되어 굵은 골재 골격 사이를 채운다.

골재 골격이 소성변형에 대한 구조적인 저항성을 제공한다면, 풍부한 모르타르는 골재를 코팅하고 혼합물의 내구성을 확보하는 데 중요한 역할을 한다.

따라서 SMA의 원리를 이해할 때는 두 가지를 함께 봐야 한다.

Stone Skeleton → 구조적 안정성과 소성변형 저항

Rich Mastic/Mortar → 골재 결합과 내구성 확보

둘 중 하나만으로 SMA의 성능을 설명하기는 어렵다. 아스팔트 바인더의 성능은 재생 혼합물에서도 중요한데, 노화 바인더와 신재 바인더가 실제로 어느 정도 혼합되는지는 재생아스팔트의 성능을 결정하는 중요한 요소다.

→ 재생아스팔트에서 노화 바인더와 신재 바인더는 어떻게 섞일까?

바인더가 많으면 왜 흘러내리지 않을까 — Fiber와 Draindown

SMA에는 비교적 많은 아스팔트 바인더가 들어간다.

그런데 생산된 혼합물을 저장하거나 운반하는 동안 높은 온도에서 바인더가 골재 사이를 따라 아래쪽으로 흘러내릴 수 있다.

이 현상을 Draindown이라고 한다.

이를 억제하기 위해 SMA에는 셀룰로오스 또는 광물섬유와 같은 안정화 재료를 사용할 수 있다.

FHWA의 SMA 기술자료는 전형적인 첨가량으로 셀룰로오스 섬유 약 0.3%, 광물섬유 약 0.3~0.4%를 제시한다.

섬유는 SMA에서 단순한 보강재라고만 이해하기보다, 높은 바인더 함량을 가진 모르타르를 안정화하고 생산·운반 과정의 Draindown을 억제하는 기능에 주목할 필요가 있다.

SMA 아스팔트 포장은 왜 중교통 도로에 강한가

이제 앞의 내용을 하나로 연결할 수 있다.

SMA는 굵은 골재의 Stone-on-Stone 골격으로 반복되는 중차량 하중과 전단변형에 저항하고, 풍부한 모르타르를 통해 내구성을 확보하는 혼합물이라고 할 수 있다.

FHWA에 따르면 SMA는 미국에서도 주간고속도로와 주요 간선도로뿐 아니라 교차로, 버스정류장, 톨게이트 등 높은 응력이 반복적으로 발생하는 구간에 적용되어 왔다.

즉 SMA의 강점은 단순히 ‘더 단단한 아스팔트’에 있지 않다.

골재의 구조 자체를 이용해 하중에 저항하도록 만든 것이 중요한 차이다.

SMA라고 항상 좋은 것은 아니다

SMA에도 대가는 있다.

일반적인 밀입도 혼합물보다 높은 바인더 함량이 필요하고, 내구성이 좋은 골재와 섬유 및 경우에 따라 개질 바인더 등이 필요하기 때문에 초기 재료비가 높아질 수 있다.

또한 좋은 SMA를 만들기 위해서는 적절한 배합설계뿐 아니라 생산, 운반, 포설과 다짐 과정에서 품질관리가 제대로 이루어져야 한다.

따라서 교통량이 적은 모든 도로에 SMA를 사용하는 것이 반드시 경제적인 선택이라고 할 수는 없다.

중요한 것은 도로가 받는 하중과 요구되는 성능에 적합한 혼합물을 선택하는 것이다.

독일에서 시작한 SMA가 미국으로 건너가다

SMA는 1960년대 중반 독일에서 개발된 뒤 유럽 여러 국가로 확산되었다.

미국에서는 1990년 유럽 아스팔트 기술조사단을 통해 SMA 기술이 본격적으로 소개되었고, 1991년 미국에서 첫 SMA 포장이 시공되었다.

흥미로운 점은 명칭도 조금 달라졌다는 것이다.

유럽의 Stone Mastic Asphalt가 미국에서는 주로 Stone Matrix Asphalt라는 이름으로 사용된다.

그러나 두 명칭 모두 SMA가 추구하는 핵심에는 굵은 골재 골격과 풍부한 모르타르의 조합이 자리하고 있다.

결론 — SMA의 핵심은 ‘많은 아스팔트’가 아니라 구조다

SMA 아스팔트 포장이 중교통 도로에서 우수한 성능을 나타내는 이유를 단순히 높은 바인더 함량으로 설명해서는 안 된다.

핵심은 네 가지 요소가 서로 역할을 나누는 구조에 있다.

Stone-on-Stone Contact

→ 굵은 골재가 직접 접촉하는 골격

Aggregate Interlocking

→ 골재 맞물림을 통한 전단변형 저항

Rich Mastic

→ 골재 코팅과 내구성 확보

Stabilizing Fiber

→ 높은 바인더 함량에서 발생할 수 있는 Draindown 억제

결국 SMA는 재료를 단순히 더 많이 넣어서 강하게 만든 아스팔트가 아니다.

하중을 어떤 재료가 받고, 그 하중을 혼합물 내부에서 어떻게 전달할 것인가를 골재 구조 단계에서부터 설계한 아스팔트 혼합물이라는 점에 SMA의 중요한 공학적 특징이 있다.

자주 묻는 질문 Q&A

Q1. SMA와 일반 아스팔트는 무엇이 가장 다른가?

가장 큰 차이는 골재 입도와 내부 골격이다. SMA는 Gap-Graded 구조와 높은 굵은 골재 함량을 이용해 Stone-on-Stone 골격을 형성하도록 설계한다.

Q2. SMA와 Superpave는 같은 것인가?

같은 개념이 아니다. SMA는 특정한 골재 골격과 모르타르 구조를 가진 아스팔트 혼합물 유형이며, Superpave는 미국에서 발전한 아스팔트 바인더와 혼합물의 설계·평가 체계다.

Q3. SMA에는 왜 셀룰로오스 섬유를 넣는가?

높은 온도에서 비교적 풍부한 바인더가 골재 사이를 통해 흘러내리는 Draindown 현상을 억제하기 위해 안정화제로 사용한다.

Q4. SMA가 비싼데도 중교통 도로에 사용하는 이유는?

초기비용만으로 판단하기보다 반복되는 중차량 하중과 높은 전단응력에 대한 소성변형 저항성, 내구성 및 해당 도로의 생애주기 조건을 함께 고려해야 하기 때문이다.

참고자료

• U.S. Federal Highway Administration (FHWA), Advances in the Design, Production, and Construction of Stone Matrix Asphalt (SMA), FHWA-HIF-22-042, 2022.
• U.S. Federal Highway Administration (FHWA), Stone Matrix Asphalt How-To Document.
• European Asphalt Pavement Association (EAPA), Stone Mastic Asphalt – SMA 관련 기술자료 및 European SMA Status 자료.
• EN 13108-5, Bituminous mixtures — Material specifications — Part 5: Stone Mastic Asphalt.