요지
본 연구에서는 노후 콘크리트 포장의 효율적 유지보수를 위하여 국내 최초 적용된 연속철근 콘크리트 개념의 얇은 덧씌우기 공법 (CRCO : Thin Bonded Continuously Reinforced Concrete Overlay)의 거동 특성을 살펴보았다. 서해안 고속도로의 폐도 구간에 CRCO 공법과 JCO 공법(Jointed Concrete Overlay)을 시험시공 하였으며, CRCO 공법에 삽입된 종방향 철근으로 효과를 검토하 였다. 시험시공 후 균열 조사 결과, CRCO 구간의 기존 줄눈부에서부터 반사 균열이 발생하였으나 그 폭은 매우 좁았다. 철근의 구속 역할로 인해 CRCO 공법에서 더 많은 균열이 발생하였으며, 그 간격은 CRCP 보다 더 좁았다. 부착강도 측정 결과, 표면 처리로 Cold Milling 후 이물질을 제거하여 초기에 층간 부착 문제가 발생하지 않았다. 기존 JCP의 줄눈부에 수평으로 매설한 계측기 데이터 분석 결과, 초기 균열 터짐 시 일정 폭 이상으로 벌어지지 못하게 종방향 철근이 잡아주는 역할을 하였으며, 온도변화에 대한 수평 변 위 발생 억제 효과도 있었다. 하지만 층간 부착 문제가 발생할 경우, 철근의 구속 효과는 저감되었다. 수직 계측기의 데이터를 통해서 철근이 없는 JCO 공법에 비해 CRCO 공법은 종방향 철근 위치에서 층간 부착 문제가 발생하지 않았으며, 현장 코어링 작업을 통해 이를 확인하였다. 슬래브 내의 수평 거동을 분석한 결과, 초기에 철근의 구속으로 인해 CRCO 공법에서는 인장 변형률이, 구속이 미 미한 JCO 공법은 압축력이 발생하였다. FWD 데이터 분석 결과, CRCO 공법의 처짐량이 JCO 보다 더 적게 발생하였으며, 지지력 평가에서는 전반적으로 덧씌우기 후가 더 크게 나타났으며, 특히 CRCO 공법이 JCO 공법에 비해 지지력에 대한 덧씌우기 두께 효과 가 더 컸다.
핵심용어
유지보수, CRCO 공법, JCO 공법, 콘크리트 덧씌우기, FWD
노후 줄눈 콘크리트 포장 보수를 위한
얇은 연속 철근 콘크리트 덧씌우기 포장의 거동 평가(2)
Behavior Evaluation of Thin Bonded Continuously Reinforced Concrete Overlay on Aged Jointed Concrete Pavement(2)
류 성 우 Ryu, Sung Woo 정회원·중앙대학교 건설환경공학과 박사 (E-mail : [email protected]) 조 윤 호 Cho, Yoon-Ho 정회원·중앙대학교 건설환경공학과 정교수 (E-mail : [email protected])
ABSTRACT
In this paper, it has been studied about the CRCO to maintain or rehabilitate the aged JCP. The CRCO and JCO was constructed at useless section of Seo-Hae-Ahn express highway in South Korea. The performance evaluation was conducted. Especially, it was focused on the roll of longitudinal reinforced steels inserted into the CRCO. On crack survey results from field construction section, the reflection cracks at joint of the existing pavement occurred in CRCO. However, due to the constraints of longitudinal reinforced steels, crack width was small. Total crack length and quantity in the CRCO more than that in the JCO. And crack spacing in the CRCO was narrower than it in the CRCP. Through the bonding strength test results, if the cold milling and cleaning as well as surface treatment is applied, there will be no debonding problem at interlayer in the early age. From analysis of the horizontal behavior at the joint, the longitudinal reinforced steels constrained crack width which became wider than initial state over time. Also, that steel in the CRCO reduced the horizontal movement due to temperature variation(4 times than that in the JCO). But, if interface is debonded, the roll decreased. Vertical VWG data showed that CRCO did not occur debonding problem at steel location, but there was some problem in JCO. It was confirmed by field coring. The tensile strain appeared in the CRCO, But the compressive strain occurred in the JCO in early age. Through the FWD test result, deflection in the CRCO was less than that in the JCO. And K value in the CRCO was greater than it in the JCO.
KEYWORDS
maintenance and rehabilitation, thin bonded concrete overlay, jointed concrete overlay(JCO), concrete overlay, FWD 한국도로학회 논문집
제12권 제4호 2010년 12월 pp. 101 ~ 110
1. 서론 1.1. 연구 배경
2002년을 기준으로 약 15,000km(2차선 기준)인 국내 콘크 리트 포장의 50% 정도가 1980년대에 건설되어 내구 수명기간 에 이르고 있다(국토해양부 홈페이지, 2008). 향후 10년 안에 포장수명을 연장하기 위한 보수작업이 시작될 것으로 판단되 며, 이를 위해서 경제성, 신속성, 내구성을 확보한 보강공법의 적용이 필요한 실정이다. 국내 노후 콘크리트 포장의 유지보수 는 조기 교통개방이 가능하다는 이유로 대부분 아스팔트 덧씌 우기 공법을 적용하여 왔다. 하지만 이 공법은 설계 공용 수명 을 다하지 못하고 파손이 발생하여 재보수해야 하는 사례가 많 이 발생하였다. 아스팔트 덧씌우기 공법의 문제점을 해결하기 위해 국외에서는 콘크리트 덧씌우기 공법에 많은 관심을 갖고 관련 연구를 지속적으로 진행해 오고 있다. 국내에서도 이와 같은 맥락으로 1996년에 아스팔트 덧씌우기 포장의 구조적 파 손을 예방하고 덧씌우기 포장의 설계 공용 수명을 확보하기 위 한 방안으로 콘크리트 포장 덧씌우기 연구를 수행하였다(한국 도로공사, 1997). 공용성 평가 결과, 양호한 것으로 나타났으 나, 현재 국내 노후 콘크리트 포장의 유지보수 공법으로 자리 매김을 하지 못하고 널리 사용되지 않는 상태이다. 향후 다가 올 노후 콘크리트 포장의 많은 유지보수 물량을 안정적으로 처 리하기 위해 유지보수 공법의 다변화 및 구조적인 안정성을 확 보할 수 있는 콘크리트 덧씌우기 공법에 대한 다양한 연구가 필요하다.
1.2. 연구 목적
일반적으로 콘크리트 덧씌우기 공법들은 반사 균열, 횡방향 균열, 층간 부착 문제에 의한 구조적인 파손 등이 발생하여 공 용성이 저하된다. 하지만 여기에 연속철근콘크리트 포장 (CRCP : Continuously Reinforced Concrete Pavement) 개념을 도입한다면, 그 장점을 확보할 수 있을 것이다. CRCP 는 장기 공용성(50년)을 확보하고, 줄눈이 없기 때문에 도로 이용자들에게 양호한 승차감을 제공한다. 이러한 근본적인 원 인은 종방향으로 삽입된 철근의 구속 작용에 의한 것이다. 종 방향 철근은 컬링(Curling)이나 와핑(Warping)에 의한 수직 변위를 감소시켜 포장체 내외부를 구조적으로 안정화 시킨다.
균열 발생 후 이물질이 들어가지 못하도록 균열 폭을 제어하여 스폴링과 같은 파손 발생 확률을 저감시킨다. 최근 Texas 연구 에서는 CRCP에서 균열이 발생하여도 구조적으로 문제가 되지 않을 수 있다고 하였다(Won, A., 2004).
본 논문의 목적은 노후 줄눈콘크리트 포장의 유지보수를 위 해 이와 같은 장점을 갖는 CRCP 개념의 접착식 덧씌우기 공 법(CRCO : Continuously Reinforced Concrete Overlay) 의 기술적인 타당성을 검증하는 것이다. 이를 위해 일반 JCP
개념의 접착식 덧씌우기 공법(JCO : Jointed Concrete Overlay)과 철근이 삽입된 CRCO 공법에 대한 현장 실험을 통해 그 특성을 살펴보았다.
2. 콘크리트 덧씌우기 공법 및 사례 조사
콘크리트 덧씌우기는 노후 콘크리트 포장의 구조적₩기능적 으로 보강하기 위하여 사용하였으며, 다양한 관련 공법들이 개 발되어 현장에 적용되고 있다. 콘크리트 덧씌우기 공법에 대해 개략적으로 살펴보면 다음과 같다.
공법의 분류는 덧씌우기층과 기존 포장과의 경계면 처리방식 에 의해 접착식(BCO, Bonded Concrete Overlay), 비접착식 (UBCO, Unbonded Concrete Overlay), 부분 접착식 (PBCO, Partially Bonded Concrete Overlay) 콘크리트 덧 씌우기 공법으로 나뉜다. 접착식 공법은 덧씌우기 포장을 기존 포장층에 완전히 부착시키는 것으로 층간 부착을 증대시키기 위해 기존 포장을 절삭하여 일정한 거칠기를 확보한 후 덧씌우 기를 한다. 비접착식 공법은 기존 포장 결함부가 덧씌우기층의 거동에 영향을 주지 않도록 두 층을 완전히 분리시키는 공법으 로 상대적으로 덧씌우기층의 두께가 두텁다. 부분 접착식은 기 존 포장위에 아무런 표면처리 없이 덧씌우기를 하는 공법으로 시공이 간단하지만, 기존 포장의 결함이 덧씌우기 층으로 진전 되는 문제점이 있다(한국도로공사, 1997; Yang H Huang;
Willem A et al., 1991).
덧씌우기 콘크리트 종류에 의한 구분은 크게 무근 콘크리트, 철근보강 콘크리트, 연속철근 콘크리트, 섬유보강 콘크리트 덧 씌우기로 나뉜다. 연속철근 콘크리트는 일반 CRCP와 유사한 개념으로 덧씌우기 층에 철근을 삽입하여 덧씌우기 층을 보강 하는 공법으로 종방향 철근은 덧씌우기 층의 아래 부분이나 중 간 부분에 위치한다(한국도로공사, 1997; Yang H Huang).
사용하는 재료는 유지보수를 목적으로 하기 때문에 보강 재료 이외에 조기강도를 발현할 수 있는 시멘트 및 혼화재₩제 등을 많이 사용하고 있다(한국도로공사, 1997; 김진춘 등, 2001;
George Calvert et al, 1990; Manuel Trevino et al, 2005;
Michael M. Sprinkel et al, 2000; Norbert Delatte et al, 2001; NCPTC, 2007; 일본토목연구소, 1992).
덧씌우기 두께 설계는 COE(Corps Of Engineering)에서 제안한 방법이 대표적이다. COE는 공항 포장의 콘크리트 덧 씌우기 공법을 개발하기 위하여 Full-Scale의 포장 가속시험을 통해 UBCO, PBCO, BCO 공법에 대한 두께 설계를 제안하 였다(Yang H Huang).
덧씌우기 포장의 파손은 균열, 평탄성, 펀치아웃 등 다양하 다. 이러한 파손들의 직접 혹은 간접적인 원인은 덧씌우기 층 과 기존 층과의 경계면이 떨어지는 층간 부착 문제이다. 그 원
인으로 덧씌우기 층에 발생한 반사균열부 및 균열부에 침투한 비압축성 이물질이 슬래브 팽창 시 층간 경계면에서 전단력을 유발시켜 층간 부착에 문제가 발생한다고 하였다(Willem A et al, 1991; CRT, 2007; CTR, 1991). 하지만 최근 Texas의 연구에서는 컬링이나 와핑에 의해 수직으로 발생한 인장응력 때문인 것으로 결론지었다(Cesar Ivan M.C. et al, 2007).
콘크리트 덧씌우기 공법의 공용성은 전반적으로 양호한 것으 로 나타났다. 국내외 사례의 경우 상당 부분이 덧씌우기층을 무근 콘크리트로 시공하였다. 연속철근 개념의 덧씌우기 공법 을 적용한 경우는 많지 않았으며, 일부에서는 철근보강 혹은 섬유보강 콘크리트를 시험적으로 사용하기도 하였다. 국내에서 콘크리트 덧씌우기를 한 사례의 경우는 2건이 보고가 되고 있 으며, 그 중 하나가 한국도로공사에서 수행한 연구로 그 공용 성은 양호하였다(한국도로공사, 1997).
국외, 특히 미국의 경우는 다양한 시공 사례가 조사되었다.
공법의 적용 초기에는 일부 주에서만 사용하였다. 오하이오 (Warsaw Street), 미주리(Savannah) 주에서는 Mesh- Reinforced Concrete 덧씌우기 공법을 이용한 보수를 수행하 여 콘크리트 포장의 총수명을 약 40년 이상까지 연장시켰으며 (Felt, Earl J., 1956; Delatte, N. J et al., 1998), New York(Rocher)에서는 버스 정류장에 일반 콘크리트 덧씌우기 를 하여 파손 및 부착에 심각한 문제없이 11년 이상 더 사용하 였다(Felt, Earl J., 1956; Delatte, N. J et al., 1998). 아 이오아 주에서는 Steel Fiber Reinforced Concrete (SFRC) 를 이용한 덧씌우기 공법을 적용하여 포장의 수명을 연장하였 다(Delatte, N. J et al., 1998; Marks, V. J et al., 1989).
1980년대에는 기존 포장과 덧씌우기 포장과의 부착에 관한 연구 및 재료를 개선하는 연구가 활발하게 진행되었다. 루지아 나 주(U.S 61)에서는 줄눈부에서 기존 포장층과 덧씌우기 층 의 부착 문제를 확인하였으며, 줄눈부의 응력 감소를 위해 슬 래브에 인위적으로 줄눈을 시공하였다(Delatte, N. J et al., 1998; Temple, W. H et al., 1985). 텍사스 주(South Loop IH-610)에서는 다양한 재료 이용 및 경계면 처리를 통하여, 층간 부착이 공용성에 큰 영향을 미치지 않는 것을 확인하였으 며, 기존 포장 파손부를 보강하면 덧씌우기 층에 구조적인 문 제가 발생하지 않는 것을 알 수 있었다(Delatte, N. J et al., 1998; Kailasananthan, K et al., 1984; Bagate, M et al., 1985). 아이오와 주(Route 141)에서는 43년 된 JPCP 포장 을 Shot Blasting과 Bonding Agent 처리한 후 10cm BCO 공법을 적용한 결과 층간 부착에 큰 문제가 없음을 확인하였다 (Delatte, N. J et al., 1998; Marks, V. J., 1990). 다른 프 로젝트(U.S. 71 North of Storm Lake)에서는 층간 부착 증 진을 위하여 시멘트 그라우트 처리를 하였으나 효과는 미미하 였다(Delatte, N. J et al., 1998; Reiner, E. J., 1987). 텍
사스 주(North Loop IH-610)에서는 Welded Wire Fabric 과 SFRC 를 적용하여 약 5.1Km를 시공하였으나 층간 부착에 큰 문제가 발생하였고 많은 균열이 조사되었다. 사우스 다코다 주 에서는 1985년에 공용 35년이 지나 포장 상태(PSR: 2.47, CRS: Poor)가 나쁜 20cm JPCP 포장(Undowel, 4.5m Joint Spacing)을 유지보수하여 만족할 만한 공용성을 확보하였다 (Delatte, N. J et al., 1998; Delatte N. J et al., 1996). 캘 리포니아 주에서는 1964년에 20cm JPCP 포장(Undowel, Random Joint Spacing)이 시공된 IH-80을 1981년에 7.5cm 의 TBCO(JCP) 공법을 적용하여 보수하였으나 공용후 상당 구간에서 문제가 발생하여 다시 아스팔트 덧씌우기를 하였다 (Delatte, N. J et al., 1998; Neal, B. F., 1983).
1990년대에는 덧씌우기 포장에 대한 다양한 연구가 이뤄졌다.
버지니아 주에서는 노후 JPCP 포장에 대해 48시간 내로 교통 개 방을 하기 위해 Fast Track TBCO 공법을 시공하였다. 6년 후의 추적 조사 결과, 포장의 공용성이 양호하였으며, 경계면의 문제는 줄눈부에서 약 0.5m 내에 발생하는 것으로 확인되었다(Delatte, N. J et al., 1998; VTRC 97-R9RB). 일리노이 주에서는 I- 80(1965년 시공, CRCP 20cm), I-88(1975년 시공, CRCP 20cm)도로에서 각각 JPCP 10cm, 7.5cm 무근 콘크리트 덧씌우 기를 하였다. 전체적으로 덧씌우기 보수 3년 후 일부 구간에서 균 열이 발생하였으나 공용성은 좋은 것으로 나타났다(Delatte, N.
J., 1998; IDOT, 1990). 1983년에 미시시피 주에서 일부 연구 한 CRCP 위에 Continuously Reinforced Concrete Overlay 를 적용했던 사례를 기초로 최근 텍사스에서는 CRCO 적용성 연구 를 진행 중에 있다(German Claros et al).
3. 현장 시험시공
현장 시험시공은 노후 콘크리트 포장의 유지보수를 위해 적 용될 수 있는 CRCO공법과 JCO공법의 거동 차이를 분석하기 위해 실시하였다. 즉, 종방향 철근의 유무에 따른 거동 특성을 살펴보기 위함이다. 시험시공 현장은 서해안 고속도로 매송 IC 와 비봉 IC 사이의 매송 휴게소 예정 부지(상행)로서. 기존 포 장 단면은 린 콘크리트 기층 15cm에 표층 콘크리트 30cm 이 며, 슬래브의 폭은 3.8m, 길이는 6.0m이다. 포장 상태 조사 결과, 심한 균열이나 파손은 발생하지 않은 상태였다.
3.1. 시험 시공
CRCO 공법은 기존 포장을 5cm 밀링하여 파손 부위를 제거 하고 그 위에 철근을 설치한 후 10cm 덧씌우는 형태이다. 종방 향 및 횡방향 철근으로는 공칭 지름이 13mm인 이형 철근을 사용하였다. 종방향 철근양은 덧씌우기 포장 두께의 0.5%이 며, 설치 간격은 1@29cm+13@23cm+1@29cm이었다. 횡
방향 철근은 종방향 철근의 위치를 고정하기 위하여 약 1m 간 격으로 설치하였다. JCO 공법은 밀링한 후에 10cm 덧씌우기 를 하고, 줄눈부를 일치시켜 덧씌우기층 두께보다 더 깊게 약 12cm 줄눈 절삭을 하였다. 그림 1은 두 가지 공법이 적용된 시 험시공 단면을 나타내고 있다. CRCO 의 경우 슬래브 수가 많 을수록 양 끝단의 경계 조건에 의한 영향을 배제할 수 있으나, 시공비용 및 기타 현장 여건으로 인하여 8개 슬래브만을 적용 대상으로 하였다. JCO 구간은 6개 슬래브에 시공하였으며, 이 중 2개에서는 층간 부착 강도를 평가하였다. 시험시공에 사용 되는 배합은 표 1과 같다.
본 시험 시공 구간에 각 공법의 거동을 평가하기 위하여 그 림 2, 그림 3과 같이 계측기를 매설하였다. 첫째, 깊이별 거동 측정을 위하여 Vibrating Wire Gauge(VWG)를 그림 3의 (a)에 나타나 있는 깊이와 위치에 수평으로 매설하였다. 둘 째, 신₩구 콘크리트 포장의 경계면 거동을 측정하기 위하여 JCO 와 CRCO 구간의 줄눈부(2번, 7번 줄눈)에 그림 3의 (b)에 나타난 위치와 형태로 VWG를 수직으로 매설하였다.
셋째, 온도 및 건조수축에 따른 변형률을 측정하기 위하여 그 림 3의 (c)와 같이 무응력 장치와 VWG를 CRCO 구간에 매 설하였다.
계측기 이외에 압축강도, 부착 강도 등의 기초 물성을 측정하 였다. 시험시공 전후에 FWD(Falling Weight Deflectometer) 시험을 하였으며, 시공 후의 균열 패턴을 조사하기 위해 균열 맵 (Crack Map)을 작성하였다.
그림 1. 단면 계획
물/시멘트 (%)
잔골재율 (%)
단위 재료량(Kg/m3) 혼화재료(%)
30 시멘트
(Type 3)잔골재 굵은 골재 (19mm)
고성능
감수제 촉진제
39 45 160 412 766 969 1.5 2
표 1. 현장 시험시공 재료의 배합
그림 3. 계측기 매설 상세도 (a) 수평 계측기
(b) 수직 계측기
그림 2. 시험시공 구간의 계측기 매립 계획 및 슬래브 번호
(c) 무응력 장치 및 슬래브 내 계측기
4. 두 공법의 특성 평가
본 공법의 비교 평가를 위하여 기초 물성 평가, 부착 강도 시 험, FWD 분석, VWG 결과 분석, 균열 조사 등을 실시하였다.
4.1. 강도 및 층간 부착 강도
현장의 재료를 이용하여 압축강도 공시체를 제작하였고, 샌 드 베드(Sand Bed)를 만들어 실제 포장체 온도변화와 유사하 도록 하였다. 초기 압축강도 측정 결과, 강도가 충분히 발현되 지 않았으나, 3일 강도는 교통 개방이 가능한 기준 강도(압축 강도 300kg/cm2이상)를 상회하였다. 초기 강도가 예비시험보 다 낮게 나온 것은 타설 후 강우로 인해 대기 온도가 낮아서 수 화반응이 빠르게 일어나지 않았기 때문이다.
신₩구 콘크리트 포장의 경계면의 부착 강도를 측정하기 위하 여 KS F 2386 “도로포장체 부착면의 인장접착 시험방법”에 따라 실험을 실시하였다(KS F 2386). 슬래브의 우각부에서 중앙부 방향으로 20cm마다 100cm 위치까지 2개씩 코어를 뚫 어 실험하였으며, 평균 1225KPa로 층간 부착 상태는 양호하 였다. 재령과 슬래브에서의 위치(슬래브 코너로 부터의 거리) 의 부착 강도 변화는 크지 않았다. 이는 시공 후 초기 단계이 며, 덧씌우기 재료가 조강 재료이고 기존 콘크리트층을 절삭하 여 파손 및 문제를 제거하였기 때문에 부착면의 분리 현상은 발생하지 않은 것으로 판단된다.
4.3. 계측기 결과 분석 4.3.1. 줄눈부 수평 거동 평가
기존 노후 줄눈콘크리트 포장의 줄눈부 움직임이 덧씌우기 층에 미치는 영향과 CRCO 공법에 설치된 종방향 철근의 역할 을 확인하기 위해서 덧씌우기 전에 디멕 게이지를 이용하여 각 줄눈부의 수평 거동을 측정하였으며 그림 4와 같다. CRCO 구 간의 계측기 설치 위치인 7번 줄눈(7번 슬래브와 8번 슬래브 사이의 줄눈)에서 가장 크게 거동하였으며, 그 폭은 초기점을 기준으로 약 1.2mm 정도였다. 반면 JCO 구간의 계측기 설치 위치인 2번 줄눈(2번 슬래브와 3번 슬래브 사이의 줄눈)은 약 0.6mm 정도의 줄눈폭 움직임이 측정되었다.
다음으로 줄눈부에 설치한 VWG 데이터를 분석하였으며, 그 림 5와 같다. 시공 초기에는 온도가 낮고 온도차가 커서 줄눈부 의 움직임 폭이 넓었다. 여름에는 전체적으로 슬래브가 팽창하 여 줄눈부 닫힘 현상이 발생하여 거동 폭이 좁아졌으며, 겨울에 는 온도 하강으로 인해 줄눈부의 움직임이 다시 증가하였다. 초 기 균열로 인해 발생한 변형률은 JCO 공법은 900~1000με, CRCO 공법은 200~300με였다. 즉, CRCO에서는 초기 균열 발생으로 인해 벌어지는 것을 철근이 구속하기 때문에 초기의 최소 변형률이 JCO 공법보다 더 작았다.
온도 변화에 따른 상부 초기 변형률 변화를 살펴보면, 덧씌 우기 후 CRCO의 줄눈부 거동이 기존 JCO에 비하여 절반 수 준으로 낮아졌다. 디멕 측정 결과를 고려한다면 초기 CRCO 구간의 철근이 JCO 구간보다 움직임을 구속하는 정도가 약 4 배 정도라고 평가할 수 있다. 하지만 여름철에는 슬래브의 팽 창으로 인해서 균열부가 좁아지고 닫힘 현상이 발생하여 거시 적으로 온도 변화에 따른 변형률 변화가 없는 것으로 나타났 다. 겨울이 되어 온도하강으로 인해 균열부의 폭이 증가할 때, 그림 5의 (b)와 같이 초기와 달리 철근의 영향으로 인한 거동 차이가 크지 않았다. 하부에 매설된 계측기의 거동은 온도 변 화가 상부보다는 작기 때문에 거동 폭은 더 좁은 것으로 나타
그림 4. 디멕 게이지 측정 결과
(a) 시공 초기
(b) 시공 10개월 후 그림 5. 상부 줄눈부 거동
났으나, 전체적으로 그 경향은 상부와 유사하였다.
여기서, 시공 초기와 10여 개월이 지난 후의 거동 차이의 원 인을 알아보기 위해서 층간 부착 상태를 검토하였다. 그림 6에 서 알 수 있듯이 여름철을 지나면서 계측기를 매설한 곳의 층 간 부착에 문제가 발생하였다. 6월경에는 약 25℃기준으로 CRCO 공법의 상부는 331.4με인데 반해 9월에는 538.2με으 로 약 206.8με차이를 보였다. JCO 공법의 상부 역시 동일 온 도에서 6월경에는 1289.1με인 반면, 9월에는 1934.5με으로 나타나 545.4με차이가 나타났다. 하부의 경우도 6월경에는 약 25.2℃ 기준으로 CRCO 하부는 404με인데 반해 9월에는 532με으로 나타나 약 128με차이를 보였다. JCO 하부는 동 일 온도에서 6월경에는 953.4με인 반면 9월에는 1315.0με으 로 나타나 361.6με차이가 발생하였다. 동일 온도에서 9월의 변형률이 더 크게 계측된 것은 계측기 위치 혹은 인접부에 층 간 부착 문제가 발생하여 철근의 구속하는 힘이 약화되었기 때 문이다. 이로 인해 겨울철 온도에 따른 거동 변화가 공법간의 차이가 미미하였다. 하지만 전체적으로 균열 발생 후 철근이 구속하는 역할을 하기 때문에 전반적으로 변형률은 작은 것을 알 수 있었다.
종방향 철근의 균열 후 수평 변위 구속 정도를 추가로 검토 하기 위해 디멕 게이지를 이용하여 반사 균열부의 수평 거동을 검토하였다. 본 연구에서 시험 시공을 진행한 곳은 현장이 훼 손된 이유로 측정하지 못하였고, 다른 구간의 측정 데이터를 이용하여 비교하였다. 여기서, JCO 10cm 덧씌우기 구간은 한 국도로공사 연구팀이 1996년에 지리산 IC 부근에서 시공한 구 간이며, CRCO 구간은 본 연구진이 2008년에 대구-영천 간 일반국도 4호선에 추가로 시공한 구간이다. 기준 온도 변화에 따른 덧씌우기 공법에 발생한 반사 균열부의 수평 거동폭은 그 림 7과 같다. 기준 온도와 10℃ 온도 차이가 발생할 경우 JCO 공법의 줄눈부 움직임은 약 0.25mm 정도 변화하는 것으로 나 타났다.
하지만 CRCO 공법의 경우, 철근의 구속으로 인해 동일한
온도 변화 조건에서 약 0.025mm로 JCO 공법에 비해 약 1/10 수준인 것으로 확인되었다. 현장 조건, 시공 위치, 재료 및 환경 조건 등의 다양한 원인으로 인해 차이가 있지만, 전반 적으로 덧씌우기 층의 반사 균열에서 종방향 철근이 수평 변위 발생의 구속 역할을 하였다.
4.3.2. 수직 VWG 데이터 분석 결과
두 층간의 부착 상태를 평가하기 위해 깊이 방향으로 설치한 VWG 데이터를 분석하였다. CRCO 공법의 계측 결과를 살펴 보면, 시공 후 6월까지의 거동은 온도 변화에 따라 중간에 특이 한 값이 나타나지 않고 선형으로 거동하였다. 이는 층간 부착 이 거의 완벽하게 이뤄진 것을 의미한다. 하지만 그림 8과 같이 슬래브 우각부로부터 22cm 이격된 위치에서 6월보다 9월의 변형률이 25℃ 기준으로 약 97με더 크게 발생하였다. 이러한 차이는 여름철 온도 상승, 컬링 및 와핑으로 인해 층간의 부착 에 문제, 즉 층간 분리현상이 발생한 것이다. 하지만 슬래브 우 각부로부터 27cm 이격된 위치에서는 6월, 9월 및 그 이후에도 동일한 궤도로 움직였다. 이 위치는 종방향 철근이 매설된 곳 으로 종방향 철근이 컬링 및 와핑에 의한 변형을 구속하여 층 간 분리 현상이 발생하지 않았다.
그림 6. 부착상태에 따른 두 공법의 상부 거동(수평 데이터)
(a) JCO(지리산 IC)
(b) CRCO(대구 - 영천)
그림 7. 온도 변화에 따른 공법간의 수평 변위 결과
JCO 공법의 경우, 6월까지는 이격된 위치에 상관없이 층간 에 문제가 발생하지 않았다. 하지만 6월과 9월의 계측 결과에 서는 20cm 및 29cm 모두 층간 부착에 문제가 발생하여 기존의 거동 궤도와 다르게 움직였다. 6월보다 9월의 변형률이 25℃
기준으로 20cm 이격된 위치에서는 114με, 29cm 이격된 위치 에서는 약 100με정도 더 컸다. JCO 공법에서는 철근이 없어 온도에 따른 경계면에서의 수직 거동 폭이 더 커지게 되고, 결 국 두 위치에서 층간 부착에 문제가 발생하여 이와 같은 현상이 발생하였다.
층간 부착에 대한 현장 계측 결과를 통해 문제가 발생한 것 을 확인하였으며, 이를 육안으로 검증하기 위해 그림 9와 같은 위치에서 코어링 작업을 실시하였다. 코어링 결과, CRCO 구 간에서는 1번 위치에서는 시편이 분리되었으나, 2, 3번 위치에 서는 부착된 상태였다. 하지만 2번 위치에서의 부착 강도는 617KPa로 초기보다 낮았으며, 이는 주변에 작지만 층간 부착 문제가 발생한 것을 의미한다. JCO 구간의 경우 1번과 2번 위 치에서는 시편이 완전히 분리된 상태였다. 3번 위치에서는 문 제가 발생하지 않았으며, 그 크기는 1500 KPa였다. 계측 결과 와 코어링 작업 결과, 2번 위치의 층간 부착 문제가 3번 위치로 진전되고 있음을 나타낸다. 계측기 매설 구간 이외의 슬래브에
서 2번 위치에서 코어링 작업을 추가로 2회씩 실시하였다.
JCO 공법의 코어는 모두 분리된 상태였으나, CRCO 공법은 2 회 중 1회가 문제가 있었다. 일부 구간에서 문제가 발생하긴 하 였지만, 전반적으로 CRCO 공법의 철근이 층간 부착을 증진시 키는 효과가 있는 것으로 나타났다.
4.3.3. 슬래브 내의 거동 비교
슬래브 내에서 두 공법의 거동을 도시한 것이 그림 10과 같다.
초기 타설 시 슬래브 내부 온도는 약 20℃ 정도였으며, CRCO 공법의 거동은 온도가 하강함에 따라 인장 변형률이 증가하였다.
이는 종방향 철근 및 기존 슬래브가 온도 하강 및 초기 건조수축 에 의해 슬래브가 수축하려는 것을 구속하였기 때문이다. 시공 후 2일이 지나서는 구속에 의한 인장응력 때문에 인장 변형률이 나타났으며, 계측기 인접부의 기존 JCP 줄눈부에서 CRCO로 반사균열이 발생하였다. 반면 JCO 공법과 무응력 장치 내의 거 동은 초기서부터 수축하였으며, 기존 콘크리트 포장이 수축하는 것을 일부 구속하여 JCO 구간의 변형률 변화가 아무런 구속 장 치가 없는 무응력 장치 내의 움직임보다 더 작았다.
여름철인 시공 후 85~90일 사이의 거동은 슬래브 온도가 20℃ 이상이 될 경우, 온도가 증가할수록 슬래브도 늘어나면서 압축 변형률이 점점 커졌다. 일반적으로는 온도가 증가할수록 인장 변형률이 증가하지만, 이와 같은 결과는 슬래브 팽창에 따른 균열부 닫힘 현상에 기인한다. 반면 겨울철인 시공 후
(a) CRCO
(b) JCO 그림 8. 수직 거동
그림 9. 코어링 작업 위치
그림 10. 초기 슬래브 내 거동 데이터
310~315일 사이의 거동은 최고 온도가 20℃ 이하이기 때문 에 균열폭이 닫히지 않아 슬래브는 온도가 상승함에 따라 변형 률도 증가하였다.
전반적으로 CRCO 공법의 종방향 철근의 구속력에 의해 JCO 공법보다 인장력을 더 받고 있는 것으로 나타났다. 이로 인해 시공 초기에는 일부 인장 변형률이 발생하였으며, 재령이 늘어날수록 점점 더 큰 압축 변형률이 발생하였다.
4.3.4. 구속에 의한 거동 비교
전체 변형률에서 무응력 장치의 변형률을 제거하여 구속, 철 근 및 경계조건 등으로 인해 발생한 변형률을 비교 검토하였 다. 그림 11의 (a)와 같이 초기에는 온도가 하강할수록 두 공 법 모두 인장 변형률이 발생하였다. 이는 온도가 하강함에 따 라 신구 포장 경계면의 구속에 의해서 콘크리트가 줄어들지 못 하고, 내부적으로 덧씌우기 층에 인장력이 작용하였기 때문이 다. CRCO 공법에서는 경계면 이외에 종방향 철근에 의해 구 속된 상태이기 때문에 더 큰 인장 변형률이 발생하였다. 반면 온도가 상승할 경우는 반대로 기존 콘크리트 층이나 철근이 압 축력으로 작용하여 인장변형률이 작아졌다.
그림 11의 (b)와 같이 여름철인 시공 후 85~90일 사이의 거동에서는 두 구간 모두 시공 초기보다 온도가 높아진 상태이 며, 온도 상승에 따라 덧씌우기 층의 상부가 팽창하려는 것을 기존 콘크리트가 억제하는 구속효과로 압축력이 증가하였다.
CRCO 공법은 압축과 인장 변형률이 반복적으로 발생한 반면 JCO 공법은 압축 변형률만이 발생하였다. 겨울철인 시공 후 310~315일 사이의 거동은 온도 증가 시 기존 콘크리트가 구
속하여 압축 변형률이 더 크게 나타났으나 전반적인 온도 하강 으로 인해 두 구간 모두 압축 변형률만이 발생하였다.
4.4. 균열조사
균열조사는 시공 후 18시간, 43일, 109일, 207일, 317일에 걸쳐 총 5회 조사하였다. 시공 18시간 후에 조사한 균열은 CRCO 구간에서 일부 발생하였으나, 반사 균열은 발생하지 않 았다. 43일이 지난 CRCO 구간에서는 CRCP에서 발생하는 횡 방향 임의 균열과 같은 형태의 균열이 나타났다. 횡방향 균열 간 격은 대부분의 경우 1.0m~1.5m 사이였으며, 일부 2m 이상(구 간 끝단부), 1m 미만인(초기 균열 많은 곳) 경우도 소수 조사되 었다. 이 시기에는 기존 줄눈부의 위치에서 덧씌우기 층으로 반 사 균열들이 발생하였으나, 육안으로 쉽게 찾을 수 있는 상태는 아니었다. JCO 구간의 경우, 응력이 집중되는 슬래브의 중앙부 에서 횡방향 균열이 발생하였다. 시공 후 207일 이후의 조사 결 과, 균열 간격이 그전과 달리 1m 미만인 균열들이 많았으며, 일 부에서는 30~40cm 간격의 균열도 조사되었다. CRCP의 균열 간격이 1.05~2.40m(3.5~8ft)임을 고려해볼 때 상대적으로 좁 았다. 겨울 기간인 317일 이후에는 이미 많은 균열이 발생하였 기 때문에 예상보다 균열이 많이 발견되지 않았다. 이는 일반 CRCP 공법의 시공초기에는 횡방향 균열 발생이 미미하다가 첫 겨울을 지난 후 많아진다는 연구와는 다소 차이가 있다.
전 구간에 걸쳐 각 슬래브별로 발생한 총 균열 길이를 나타 낸 결과 그림 12와 같다. 공법간의 균열 발생량을 비교하면, JCO 공법보다 종방향 철근이 있는 CRCO 공법에서 전체 균열 발생량이 더 많았다. CRCO 구간의 양 끝단부는 종방향 철근 의 구속력에 의해 슬래브 내부에 발생하는 응력이 해방되어 총 균열 발생량이 중앙부보다 더 적었다.
4.5. FWD 측정 결과
FWD 측정은 밀링 및 덧씌우기 상태에 따라 낮동안
(a) 시공 초기
(b) 시공 후 85~90일경 그림 11. 슬래브 내 구속에 의한 거동
그림 12. 균열 조사 결과
(1~3:00 PM)에 측정하였다. 각 슬래브마다 다섯 곳의 최대 처짐량 데이터를 이용하였으며, 그림 13의 (a) 그림과 같다.
일반적으로 두께가 감소할수록 처짐량은 커지는 것이 일반적이 며, 본 연구에서 측정한 FWD 결과에서도 밀링한 후 밀링하 기 전 덧씌우기 후 순으로 처짐량이 크게 발생하였다. 각 슬 래브의 덧씌우기 후 최대 처짐량을 밀링 후 상태를 기준으로 비교한 결과, CRCO 공법이 적용된 슬래브(6, 8, 10번 슬래 브)가 JCO 공법이 적용된 슬래브보다 중앙부는 10%~50%, 단부는 10~60% 정도 처짐량이 더 감소하였다.
다음으로 AREA법에 근거한 밀링 상태 및 덧씌우기 후의 전 체 포장층에 대한 지지력을 평가하였으며, 그림 13의 (b) 그림 과 같다(AASHTO, 1993). 두께가 증가할수록 슬래브 및 하 중 재하 위치에 상관없이 증가하였다. 전반적으로 단부의 지지 력이 중앙부의 지지력보다 더 컸다. 측정 시기가 낮동안이어서 컬링 변화에 의해 단부가 하부 린 콘크리트 기층과 접한 반면, 중앙부는 하부 린 콘크리트 기층 위에 이격된 형태가 되어 이 와 같은 결과가 나온 것으로 판단된다. 또한 공법간의 지지력 변화를 살펴보면 단부에서 JCO 의 경우, 밀링 후 상태를 기준 으로 약 46% 증가한 반면, CRCO 구간은 65~200% 증가한 것으로 나타났다. 중앙부에서는 JCO 의 경우, 밀링 후 상태를 기준으로 약 146% 증가한 반면, CRCO 구간은 127~236%
증가하였다.
5. 결론
국내외 문헌 조사를 통해 국내에 적용 가능한 얇은 콘크리트 덧씌우기 공법에 대한 연구 및 시험 시공을 통하여 다음과 같 은 결론을 얻었다.
1. 부착강도 평가 결과, 표면 처리로 Cold Milling 후 청소를 하여 초기에 층간 부착에 문제가 발생하지 않았다. 균열 조 사 결과, CRCO 구간의 기존 줄눈부에서부터 반사 균열이 발생하였다. 하지만 종방향 철근의 구속으로 인해 그 폭은 작았으며, 균열 간격은 1m 미만으로 평균적인 CRCP의 균 열 간격보다 더 좁았다. 전반적으로 JCO 공법보다는 CRCO에서 균열이 더 많이 발생하였다.
2. 기존 JCP 구간의 줄눈부에 수평으로 매설한 계측기의 분석 결과, 종방향 철근이 초기 균열 터짐 시 일정 폭 이상으로 벌어지지 못하게 구속하는 역할을 하였다. 온도변화에 대한 수평 변위 발생 억제 효과는 CRCO 공법이 JCO 공법보다 약 4배 정도 더 큰 것으로 나타났다. 하지만 그 효과는 층간 부착 문제가 발생할 경우에는 저감하였다.
3. 수직 계측기 데이터의 검토 결과, 철근이 없는 JCO 공법에 비해 CRCO 공법은 종방향 철근이 위치한 곳에서 층간 부 착 문제가 발생하지 않았다. 즉, 종방향 철근의 컬링 및 와 핑으로 인해 발생할 수 있는 변형을 억제하였기 때문이다.
추가로 현장 코어링 작업을 통해 이를 확인하였다.
4. 슬래브 내의 수평 거동을 분석한 결과, 초기에 철근의 구속 으로 인해 CRCO 공법에서는 인장 변형률이, JCO 공법은 압축 변형률이 발생하였다. 온도가 증가하는 여름철에는 균 열부 닫힘 현상이 발생하였다. 구속에 의해 발생한 변형률은 초기에 두 공법 모두 인장 변형률이 발생하였다. CRCO 공 법에서는 경계면 이외에 종방향 철근에 의해 구속된 상태이 기 때문에 더 큰 인장 변형률이 발생하였다.
5. FWD 최대 처짐량 데이터 분석 결과, CRCO 공법이 적용 된 슬래브가 JCO 공법이 적용된 슬래브보다 중앙부는 10%~50%, 단부는 10~60% 정도 처짐량이 더 감소하였 다. 지지력의 경우, JCO 공법에서는 밀링 후 상태를 기준 으로 단부에서 약 46%, 중앙부에서 약 146% 증가한 반 면, CRCO 구간은 단부에서 약 65~200%, 중앙부에서 약 127~236% 증가하였다.
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(a) 최대 처짐량
그림 13. FWD 측정 결과 (b) 지지력(단부) After Overlay
After Milling Before Milling
3rd Slab 6thSlab 8thSlab 10thSlab Location
1,000
750
500
250
0
K(MPa/m)
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