大 韓 土 木 學 會 論 文 集 第26卷 第4D 號·2006年 7月 pp. 609~615
道 路 工 學
LTPP Data를 이용한 균열 및 안치(Crack and Seat) 공법 효과 분석
Analysis of the Performance of Crack and Seat Method using the LTPP Data
이승우*·황은식**
Lee, Seung Woo·Hwang, Eun Sik
···
Abstract
Crack and seat method has been used in United States to prevent reflection cracks of overlay that may be caused by exces- sive movement at discontinuity of old concrete pavement. This method provide optium space of discontinuity by generating additional discontinuity in old concrete pavement. In this study the effect of various factors on the performance such as IRI and distress at after applying crack and seat method were investigated by using LTPP data.
Keywords : crack and seat, IRI, distress, LTPP data
···
요 지
균열 및 안치공법은 노후화된 콘크리트 슬래브의 줄눈 및 균열부의 과도한 움직임으로 인하여 아스팔트 덧씌우기층에 발 생되는 반사균열을 억제하기 위해 기존의 노후화된 콘크리트 포장에 적정 간격의 불연속면을 형성시켜서 각각의 불연속면에 서의 움직임을 작게 유지하는 공법으로 미국 등에서는 널리 사용되고 있다. 본 연구에서는 LTPP Data를 이용하여 균열 및 안치 공법 적용 후 IRI과 포장 파손 추이를 분석하여 공법 사용에 의한 공용성 변화에 미치는 영향을 고찰하였다.
핵심용어 : 균열 및 안치(crack and seat)공법, IRI, 파손, LTPP data
···
1. 서 론
시멘트 콘크리트 (Portland Cement Concrete) 포장공법은
1980 년대 초부터 건설되어 현재 고속도로의 사용 년 수가
늘어남에 따라 보수의 필요성이 급증하고 있는 추세이다 .
콘크리트 포장은 아스팔트 포장에 비해 유지관리는 용이하 나 파손 발생 시 보수가 어렵고 공사가 커지는 단점이 있 기 때문에 이를 위한 신속하고 내구성을 갖춘 경제적인 보 강공법이 필요하다 . 일반적으로 아스팔트 덧씌우기 공법을 노후화된 콘크리트 포장의 보강 공법으로 쓰이고 있으나 ,
이 보강공법의 경우 온도변화 및 교통하중으로 기존 콘크 리트 슬래브의 줄눈부나 균열부에서의 수평·수직 이동으 로 인한 아스팔트 덧씌우기층에 발생되는 반사균열 (Fig. 1)
은 표면수의 침투 경로 및 포장의 일체성을 저하시켜 포장 의 구조적 손실과 사용성을 크게 저하시키는 문제점을 안 고 있다 .
이러한 아스팔트 덧씌우기층의 반사균열을 억제하기 위해
균열 및 줄눈부 보수 (saw and sealing) 공법 , 응력 완화층
설치 , 토목섬유의 설치 등의 보수 공법이 제시되고 있으나 ,
이와 같은 공법들은 반사균열의 원인이 되는 기존 콘크리트 포장의 수평·수직 이동을 막지 못하기 때문에 기존 콘크리 트 포장위의 아스팔트 덧씌우기층의 반사균열을 원천적으로 방지하기는 어렵다고 알려져 있다 .
균열 및 안치공법은 기존의 콘크리트 포장에 인위적인 미
세 균열을 0.5~ 1.8m 간격으로 주어 반사균열의 발생 원인
이 되는 온도 변화에 따른 기존 콘크리트 포장의 수평적 이 동을 감소 시켜 반사균열을 억제하는 공법으로 골재들의 맞 물림으로 인해 하중전달 능력 및 구조적 능력도 유지할 수 있고 재료의 재활용 측면에서도 경제성도 갖추고 있어 미국 등에서는 오래전부터 노후화된 콘크리트 포장의 보수 공법 으로 채택하여 널리 사용되고 있다 .
본 연구에서는 LTPP data 를 통해 균열 및 안치공법이 적
용된 SPS-6 의 자료를 수집하여 공법 적용 전 후의 포장 상
태를 분석하고 각 구간별 포장 조건 및 IRI(International
Roughness Index), 소성변형 (Rutting), 피로균열 (Fatigue Cracking), 종·횡 방향 균열 (Longitudinal and Transverse Cracking) 및 밀림 (Shoving) 파손 추이를 통하여 균열 및 안 치 공법의 경과 년 수에 따른 효과에 대해 알아보았고 , 통
*정회원·강릉대학교토목공학과조교수
(E-mail : [email protected])
**강릉대학교토목공학과석사과정
(E-mail : [email protected])
계분석을 통해 연평균 IRI 과 Rutting 증가율과 연관성을 갖 는 인자들도 알아보았다 .
2. 균열 및 안치(crack and seat)공법의 고찰 균열 및 안치공법은 아스팔트 덧씌우기 공법의 적용 시 반사균열 억제하기 위해 기존 콘크리트 포장에 일정 간격의 임의적인 미세 균열을 만들어 골재사이의 맞물림으로 인한 하중 전달능력 및 구조적 기능을 유지한 후 롤러 등으로 안 치하여 반사균열의 원인인 기존 콘크리트 슬래브의 수평이
동을 최소로 감소시켜 반사 균열을 제어 하는 공법이다 (Fig.
2).
일반적인 균열 및 안치공법의 시공 과정은 크게 기존 콘 크리트의 횡 방향 균열 유도 , 다짐을 통한 안치 , 아스팔트 덧씌우기로 진행된다 . 일정 간격의 인위적 횡 방향 균열 유 도를 위한 장비로는 pile-driving, whip hammer, guillotine
hammer 등이 있으며 콘크리트의 두께와 강도 및 노상의 상
태에 따라 해머의 종류 , 크기 및 충격력을 달리 하여 균열 을 유도해야 하며 필요시 적절한 배수 처리를 하여 물의 침 투로 인해 기층이 포화되어 구조적 능력을 상실되지 않도록 해야 한다 . 장비의 작업 속도는 종류 및 포장의 두께에 영 향을 받는데 평균 0.25~6.4 lane km/day 이다 . 균열의 간
격은 미국의 경우 각 주마다 0.5m~1.8m 까지 다양하게 균열
간격을 정하고 있으며 , 균열의 간격에 대한 다른 연구들에서
는 균열의 면적을 0.37m
2~0.56m
2로 정하고 효과적인 반사
균열 제어를 위해서는 균열의 횡·종 방향의 길이를 같게 하거나 횡방향의 길이를 크게 하기를 권장하고 있다 .
균열 후 안치는 롤러로 이루어지는데 약 27~45tons 정도의
롤러를 쓰며 포장의 종류와 상태에 따라 여러 다짐 롤러 장 비가 사용되어지는데 smooth steel drum vibratory roller, pneumatic-tire roller 와 Z-grid roller 가 대표적으로 사용되는 데 중량이 큰 롤러를 사용할 경우 파손의 진전 속도는 늦출 수 있지만 초기 균열이 증가 할 수 있고 기층의 지지력이 약한 경우 기층 강도의 직접적인 영향을 주기 때문에 이 경 우 중량이 큰 롤러는 피하는 것을 권장하고 있다 .
덧씌우기층 두께의 경우 크게 두 가지 방법으로 구할 수
있는데 미국의 대부분의 주에서는 AASHTO(1993) 에서 제안
하고 있는 식을 사용하고 있고 ( 식 (1)), NAPA 에서는 덧씌우
기층의 두께 산정 시 Level I, Level II, Level III 로 두께 산정 방법을 구분하였는데 설계 단계가 높아질수록 구체적
인 설계 조건들을 필요로 한다 . 그러나 NAPA 에서 제안하고
있는 덧씌우기층의 두께 산정 방법도 기본 개념은
AASHTO(1993) design guide 를 사용하고 있다 .
(1)
a = HMA 덧씌우기층의 포장 두께 계수
h
ol= 덧씌우기층의 두께
SN
f= 보강 완료 후 필요한 포장 두께 지수
SN
exist= 기존 콘크리트 포장 두께 지수
예외적으로 California 를 비롯한 몇몇의 주들의 경우 최소
덧씌우기 두께를 약 107mm 로 설계 조건에 관계 없이 일정
한 덧씌우기 두께를 정하고 있다 . 이처럼 균열 및 안치공법 은 적용 시 다양한 설계 조건들이 반영되어지고 있다 . 3. LTPP Data를 이용한 자료 수집
3.1 LTPP Data 및 Data Pave 개요
1980 년대부터 시작된 LTPP(Long Term Pavement Per- formance) 연구는 포장에 대한 설계 특징 , 교통 , 재료 , 유지
보수 등 다양한 환경에 대한 포장 거동을 알아보기 이미
시공된 800 여개의 일반구간 (GPS) 과 특정 공법 및 환경 조
건에 따른 포장 거동 특성을 보기 위해 특성화 구간 (SPS)
으로 나뉘어 연구되어지고 있다 . Datapave 는 오랜 기간 동
안 LTPP 구간에서 축척된 자료를 효율적으로 이용하기 위
해 개발된 프로그램으로 사용자의 요구나 구조적 질의어를 통해 정보를 추출할 수 있도록 데이터베이스 (database) 화 되어 있으며 , 온·오프라인에서 이용이 가능하도록 구성되 어 있다 .
h
olSN
f– SN
exista
ol---
=
Fig. 1. 반사 균열의 발생 및 진전
Fig. 2. 공법이 적용된 콘크리트 슬래브
Fig. 3. Guillotine hammer
3.2 Crack and seat 구간 자료 수집
균열 및 안치공법 적용 효과를 분석을 위해 Datapave 를
통해 균열 및 안치공법이 적용 된 구간에 대한 LTPP 자료를 수집하였다 . LTPP SPS-6 의 자료를 통해 7 개의 주에서 균열 및 안치공법이 적용되었음을 알 수 있었고 공법이 적용 된
7 개 주를 Table 1 에 서술하였다 .
공법이 적용된 구간에 대해 파쇄사이즈 , 보조기층의 종류 ,
덧씌우기층 두께 등과 같은 공법 적용 시 반영된 조건들을 조사하여 공법 효과 분석에 이용하였고 , LTPP Monitoring
자료에서 IRI, Rutting, 피로 균열 , 종·횡 방향 균열 및 밀 림에 대한 자료를 수집하여 공법 적용 후 경과 년 수에 따 른 공법 적용 효과의 평가 자료로 이용하였다 .
4. 분석 결과 4.1 IRI 분석
균열 및 안치공법이 IRI 에 미치는 효과를 알아보기 위해
LTPP SPS-6 을 통해 수집된 균열 및 안치공법이 적용된 7
개 주 41 구간에 대한 설계 조건 및 포장 형식과 LTPP
Monitoring 자료를 통해 수집된 구간 별 IRI 값 및 연평균
IRI 증가율 값을 Table 2 에 기술하였다 . Table 2 에 기술된
IRI 값은 좌·우 wheel path 에서 측정된 IRI 값의 평균값을 사
용하였고 구간에 따라 6~14 년의 측정 년 수를 보였으며 경
과 년도 별 IRI 값과의 통계학분석을 통해 연평균 IRI 증가율
을 구하였다 . LTPP Data 의 제한으로 인해 통계학 분석을
하지 못한 구간과 분석자의 판단에 의해 통계학 분석에서
제외 된 구간들은 Table 2 에서 제외시킨 후 서술하였다 .
공법이 적용된 구간의 설계 조건은 덧씌우기층 두께의 경
우 2.7~10in 로 다양하게 설계되었으며 , 기존 콘크리트 포장
에 적용된 파쇄 사이즈와 안치를 위한 롤러의 하중의 경우 에도 각각 7 종류 및 4 종류로 구간에 따라 다양한 조건에서 설계되었음을 알 수 있었다 .
포장 형식의 경우 4~10.3in 로 다양한 기존 콘크리트 포장
두께를 보였으며 6 종류의 보조기층과 3 종류의 기층 조건에 서 균열 및 안치공법이 적용되었음을 알 수 있었고 , Table
2 에 기술된 구간에 따른 보조기층 및 노상의 종류를 Table
3 을 통해 기술하였다 .
LTPP data 를 통해 수집된 Table 2 의 자료들을 통해 공법
적용 전과 직후의 IRI 변화와 경과 년 수에 따른 연평균 IRI
증가율을 분석하였고 , Table 2 에 기술된 구간에 따른 IRI 증 가율과 예상 영향인자들과의 회귀분석을 통해 IRI 증가율에
미치는 인자들을 분석하였다 .
연평균 IRI 증가율의 경우 Table 2 에서 볼 수 있듯이
0.006 에서 0.564 로 구간에 따라 큰 차이를 나타냈지만 몇몇
구간을 제외한 나머지 대부분의 구간에서 0.1 에 근접하는 값 들로 공법 적용 10 년경과 후에도 IRI 값은 1 정도의 작은 증 가가 예상 된다 .
공법 전·직후의 IRI 에 대한 균열 및 안치 공법의 적용
효과는 Fig. 4 에서 볼 수 있듯이 공법 적용 전의 IRI 값은
평균 2.35 로 범위는 1.5 에서 4.5 까지로 구간에 따라 다양하
게 분표되었지만 공법 적용 후 IRI 값은 평균 0.98, 범위는
0.7 에서 1.4 사이로 개선됨을 알 수 있었다 . 6-662 구간의 경
우 공법 적용 후 IRI 값이 4 로써 다른 구간에 비해 예외적 으로 공법 적용 후 큰 IRI 값을 보였는데 , 다른 구간과의 비 교 분석 결과 덧씌우기층의 두께가 다른 구간에 비해 1in 로 매우 얇은 것으로 나타났고 그 외의 원인을 찾지 못해 분석 대상에서 제외 시켰다 .
연평균 IRI 증가율과 예상 영향인자에 따른 상관도를 Table 4 를 통해 나타냈다 . 회귀 분석 시 보조기층의 경우 일반 기 층과 안정화 처리 기층으로 분류하였고 , 노상의 경우 Fine-
grain 계열과 Corse-grain 계열로 분류하여 회귀분석 하였다 .
회귀분석 결과 예상 영향인자들 중에서 보조기층의 R-sq 가
40.1% 로 분석에 사용된 인자들 중에서 연평균 IRI 증가율과
가장 큰 연관성을 보였는데 , 예측식을 통해 안정화 처리 보 조 기층에서 좋은 연평균 IRI 증가율 값을 나타낼 것으로 예 상되고 , 노상의 종류와 덧씌우기층의 두께도 각각 22.5%,
17.4% 로 IRI 증가율과 연관성이 있는 것으로 회귀분석 결과
할 수 있다 . 그 밖에 파쇄 사이즈 , 기존 콘크리트 두께 및
롤러 하중은 5% 미만의 값들로 IRI 증가율과 연관성이 없음을 알 수 있다 .
4.2 Rutting분석
Rutting 에 대한 균열 및 안치공법의 적용 효과 분석을 위
해 SPS-6 과 Monitoring 자료를 이용하여 Table 5 와 같이 균 열 및 안치공법이 적용된 구간에 따른 설계 조건 및 포장 조건을 기술하였고 자료 제한으로 인해 통계학 분석을 하지 못한 구간과 분석자의 판단에 의해 통계학 분석에서 제외
된 구간들은 Table 5 에서 제외시킨 후 분석에 이용하였다 .
공법 적용 후 구간에 따라 7~13 년 동안 Rutting 이 측정되
었으며 , 경과 년도에 따른 Rutting 값과의 통계학 분석을 통
해 연평균 Rutting 증가율을 구하였다 . 공법 적용 효과 분석
에 사용된 Rutting 값들은 15.25m 의 간격으로 좌·우 wheel
path 에서 측정된 평균 Rutting 깊이 값을 이용하였다 .
수집된 자료를 이용하여 공법 적용 2 년경과 후 구간에 따
른 Rutting 자료를 분석하여 공법 적용 후 초기 Rutting 에
미치는 영향 분석 및 2002 AASHTO design guide 를 참고
하여 Rutting 에 대한 보수·보강이 필요한 구간을 경과 년
수에 따른 구간 누적율로 구하여 경과 년 수에 따른 공법 적용 효과를 알아보았고 , 연평균 Rutting 증가율과 포장 형식 및 설계 조건들과의 회귀분석을 통해 Rutting 증가율에 영향
을 미치는 인자들에 대한 분석을 통해 Rutting 에 대한 균열
및 안치공법 효과를 알아보았다 .
Fig. 5 는 공법 적용 후 초기 Rutting 대한 공법 적용 효과
Table 1. 주에 따른 LTPP Data 고유 번호 공법 적용 된 주 번호 주
1 Alabama
4 Arizona
5 Arkansas
6 California
18 Indiana
46 South Dakata
47 Tennessee
Table 2. 구간에 따른 연평균 IRI 증가율 및 설계 조건 주 - 구간 공법 전
IRI(m/km) IRI(m/km) 공법 직후 IRI 증가율
m/km*year 측정된 년 수 파쇄
사이즈 보조기층 종류 노상
종류 덧씌우기
두께 (in) Old
PCC(in) Roller
하중 (ton)
1-607 2.42 1.31 0.143 6 324 2 1 4.3 10.1 30
1-608 - - - 6 324 2 1 8.2 10.2 30
1-661 2.36 1.44 0.564 6 16 2 2 3.4 10.7 30
1-662 1.87 0.78 - - 16 2 2 7.6 10.2 30
1-663 1.75 0.92 - - 16 2 1 9 10.3 30
4-607 1.54 0.8 0.213 12 1296 5 3 4.6 8.4 50
4-608 1.59 0.9 0.085 12 1296 5 1 8.8 8.2 50
4-659 3.11 1.06 0.151 12 1296 5 2 4.5 8.4 50
4-661 3.38 0.71 0.068 12 1296 5 3 2.7 8.4 50
4-662 2.33 0.77 0.183 12 1296 5 2 2.7 8 50
4-663 3.36 1.44 0.024 12 1296 5 2 12 8.3 50
4-665 - - 0.01 12 2880 5 3 6 7.9 50
4-666 - - 0.012 12 - 5 3 6 7.9 -
4-667 - - 0.01 12 2880 5 3 6 7.9 50
4-669 - - 0.01 12 - 5 3 6 7.9 50
5-A607 1.55 1.01 - 8 - 6 1 4.7 10 50
5-A608 2.02 0.86 0.006 8 - 6 1 9.4 9 50
6-607 2.57 1 0.11 12 - 5 2 3.7 8.2 -
6-608 2.7 0.89 0.061 12 - 5 2 8.1 8.5 -
6-659 4.46 0.7 0.056 12 - 5 2 4.4 4.5 -
6-660 4.47 0.81 0.135 12 - 5 2 4.2 8.5 -
6-661 3.74 0.82 0.123 12 - 5 2 4.4 8.5 -
6-662 3.14 4.02 - 12 - 5 2 1 8.2 -
6-663 2.35 0.95 0.221 12 - 5 2 - 7.9 -
18-607 1.81 0.98 0.02 14 576 4 1 4 10 40
18-608 2.13 0.92 0.012 14 576 4 1 8 10 40
18-662 2.02 0.85 0.227 14 576 4 1 10 10 40
18-663 1.62 1.16 0.038 14 576 4 1 5.5 10 40
18-664 1.43 1.14 - 14 576 4 1 5.5 10 40
18-665 1.79 0.93 - 14 576 4 1 5.5 10 40
18-666 2.24 0.87 0.01 14 576 4 1 5.5 10 40
18-667 1.7 0.94 - 14 576 4 1 5.5 10 40
18-668 1.55 1.08 0.024 14 576 4 1 5.5 10 40
18-669 1.67 1.03 0.033 14 576 4 1 4 10 40
18-670 1.66 0.99 0.028 14 576 4 1 4 10 40
18-671 2.3 1.07 0.024 14 576 4 1 4 10 40
46-607 - - 0.071 12 36 5 1 4.8 7.3 35
46-608 3.46 0.83 0.043 12 36 5 1 6.6 7.7 35
46-660 - - 0.033 12 36 5 1 5.8 7.3 35
46-662 - - 0.043 12 36 5 1 4.1 7.3 35
47-607 1.64 0.67 0.355 6 2304 6 1 4.4 8.8 50
47-608 3.02 0.75 0.007 8 2304 6 1 8.7 8.8 50
Table 3. 적용된 조건에 따른 구분
구분 기층 종류 노상 종류
1 Gravel(uncrushed) Fine-grain
2 Crushed Stone Corse - grain
3 Fine-grain soil Sandstone
4 Open grade central plant mix 5 Cement aggregate mi-ture
6 Soil cement
