요 지
높은 포장온도는 아스팔트포장 소성변형의 주요인이나 소성변형을 줄이기 위한 방안으로서 포장온도를 줄이는 측면에서 는 아직 많은 연구가 이루어지지 않은 실정이다. 본 연구에서는 소성변형결함을 줄이기 위한 하나의 대안으로, 온도저감 효 과가 있는 것으로 알려져 있는 보수성 포장을 배수성 포장의 하부층에 설치한 포장의 공용특성을 연구하였다. 본 연구의 목 적은 보수형 배수성 포장의 온도저감효과를 정량화하고, 포장가속시험(Accelerated Pavement Testing)을 이용하여 온도
포장가속시험을 이용한 보수형 배수성 포장의 온도저감 효과 및 소성변형 저항특성 연구
Evaluation of the Temperature Drop Effect and the Rutting Resistance of Moisture Retaining-Porous Asphalt Pavement Using Accelerated Pavement Testing
정회원·한국도로공사 도로교통연구원 장수명친환경포장팀 연구원 정회원·한양대학교 교통공학과 교수·공학박사(E-mail : [email protected]) 정회원·후암산업(주) 신기술사업본부장
정회원·성원건설기술사사무소 소장(E-mail : [email protected]) 한국도로학회 논문집
제11권제3호 2009년 9월 pp. 97 ~ 109
서 영 찬**
Suh, Young Chan 곽 병 석*
Kwak, Byoung Seok
송 철 영***
Song, Chul Young
김 주 원****
Kim, ju won
Abstract
One of the main causes of asphalt rutting is high temperature of the pavement. Nevertheless, there has been few research on lowering the pavement temperature for reducing rutting. This study investigated the performance characteristics of moisture-retaining porous asphalt pavement, which is known to have a temperature reducing effect. The purpose of this study is to quantify the temperature reducing effect of moisture-retaining porous asphalt pavement and its effect of reducing rutting through Accelerated Pavement Testing(APT). Additionally, the possibility of reducing the thickness of the pavement in comparison to general dense grade pavement by analyzing structural layer coefficient of moisture retaining pavement. A total of three test sections consisting of two moisture-retaining porous asphalt pavement sections and one general dense-grade porous asphalt pavement section were constructed for this study. Heating and spraying of water were carried out in a regular cycle. The loading condition was 8.2 ton of wheel load, the tire pressure of 7.03kgf/cm2, and the contact area of 610cm2. The result of this experiment revealed that the temperature reducing effect of the pavement was about 6.6~7.9℃(average of 7.4℃) for the middle layer and 7.9~9.8℃(average of 8.8℃) for surface course, resulting in a rutting reduction of 26% at the pavement surface. Additionally, the structural layer coefficient of moisture retaining pavement measured from a laboratory test was 0.173, about 1.2 times that of general dense grade pavement. The general dense-grade porous asphalt pavement test section exhibited rutting at all layers of surface course, middle layer, and base layer, while the test sections of moisture-retaining porous asphalt pavement manifested rutting mostly at surface course only.
Keywords : moisture-retaining porous asphalt pavement, accelerated pavement testing, rutting, temperature reducing effect,
pavement performance, the structural layer coefficient
1. 서 론
아스팔트포장 소성변형의 주요 원인으로서 높은 포장 온도를 들 수 있다. 아스팔트포장의 소성변형은 여름철에 대부분 발생된다. 현재 국내에서는 소성변 형 결함을 줄이기 위한 방법으로 대부분 SMA와 같 이 포장 자체의 내유동성을 높이는 측면에서 접근하 고 있으나, 포장의 온도를 낮추기 위한 연구는 지금 까지 부족했던 것이 사실이다.
보수성포장은 여름철 고온 하에서 포장체의 온도상 승을 저감시켜 소성변형 발생을 억제할 수 있는 것으 로 알려져 있으며, 최근 일본을 중심으로 연구가 활발 히 진행 중에 있다. 국내에서는 지금까지 실내실험을 통해 보수성 포장에 대한 온도저감효과를 확인하는 연구가 있었으나, 온도저감효과의 소성변형에 미치는 영향 등, 장기공용성과 관련한 실험연구는 없었다.
본 연구의 목적은 포장가속시험(Accelerated Pavement Testing)을 이용하여 보수형 배수성 포 장(배수성 포장 아래에 보수성 포장이 설치된 합성 단면)의 온도저감효과와 이에 따른 소성변형 감소효 과를 정량화하는데 있다. 또 두께설계측면에서 보수 성포장층의 상대강도계수를 추정하기 위하여 코어 및 제작 시편에 대한 탄성계수시험을 실시하고, 이를 통하여 일반배수성 포장의 상대계수와 비교하였다.
포장가속시험에 사용된 각 층별 시험포장체 혼합 물로 보조기층에는 40mm 쇄석 골재, 기층에는 40mm BB-1을 사용하였으며 중간층에는 보수성 19mm, 일반 조립도 19mm 골재를 각각 사용하였고,
표층에는 배수성 13mm 골재를 사용하였다. 중간층 의 보수성 포장구간에는 추가적으로 시멘트 페이스트 를 혼합하는 과정이 포함되어 시공이 진행되었다.
여름철의 온도 조건과 강우 조건 등을 모사하기 위 해 히팅 및 살수 과정을 일정주기로 실시하였으며, 하중 8.2ton과 타이어공기압 7.03kgf/cm2, 접지면 적 610cm2본 연구에서의 하중조건으로 적용하였다.
온도센서로는 Thermocouple과 i-Button 두 가지를 매설하였으며, 수집된 온도자료를 통해 각 시험포장 의 온도변화패턴을 분석하였다. 포장체 층간 거동차 이를 확인하는 차원에서 휠패스 위치별 코어분석을 실시하였고, 실내실험으로 응력-변형률선도 측정실 험을 실시하여 산출된 탄성계수를 토대로 보수성 포 장의 적정 상대강도계수를 결정하여 일반포장과 비 교하였다.
2. 보수성포장
보수성 포장은 공극률(空隙率)이 큰 개립도(開粒 度)아스팔트 혼합물의 공극에, 침투용 보수성 시멘 트 페이스트(Cement paste)를 채워넣어 완성하는 포장으로서, 아스팔트포장의 가요성(可撓性)과 아울 러 시멘트 콘크리트 포장의 강성(剛性)을 가질 뿐만 아니라 그림 1에서 보는바와 같이 포장체의 보수성 에 의해 보수된 수분이 증발할 때의 기화잠열에 의하 여 포장의 온도상승을 저감시킬 수 있는 특성을 가지 고 있다(일본 보수성포장기술연구회, 2004).
저감에 따른 소성변형 감소효과를 확인하고, 정량화하는데 있다. 또한 추가적으로 보수성 포장의 상대강도계수를 분석하고, 일반 포장과 비교하여 설계법 적용시 포장두께를 줄일 수 있는지 여부를 알아보고자 하였다. 본 연구를 위해 보수형 배수성 포장 2개 단면 및 일반 배수성 포장 1개 단면 등 총 3개 시험구간이 시공되었다. 히팅 및 살수를 일정주기로 실시하였으며 하중조건은 윤하중 8.2ton, 타이어 공기압 7.03kgf/cm2타이어 접지면적 610cm2이었다. 이 연구에서 포장체 온도저감효과 는 중간층의 경우 6.6~7.9℃(평균 7.4℃), 표층의 경우 7.9~9.8℃(평균 8.8℃)였으며, 이를 통해 포장표면의 소성변형 발생을 26% 감소시킬 수 있었다. 또한 탄성계수로부터 추정된 보수성 포장의 상대강도계수는 0.173으로 일반 밀입도 포장 의 1.2배 정도였으며, 일반배수성 포장 구간에서는 표층, 중간층, 기층 모두 소성변형이 발생한데 반해 보수형 배수성 포장 구간에서는 표층에서 대부분의 소성변형이 발생된 것으로 나타났다.
핵심용어 : 보수형배수성포장, 포장가속시험, 소성변형, 온도저감효과, 공용성, 상대강도계수
3. 포장가속시험 장비
본 연구에서 실시한 포장가속시험은 수개월 내에 포장의 장기 공용성을 검증하는 시험으로서 신재료
₩신공법이 일반 포장에 비해 얼마나 우수한지를 평 가하는데 많이 사용되고 있다. 본 연구에 사용된 포 장가속시험장비는 한양대학교에서 보유하고 있는 Hanyang Accelerated Pavement Tester(이하 HAPT)였다.
HAPT는 직선형의 장비로 네덜란드의 LINTRACK 을 벤치마킹하여 개발되었다. 최대속도는 약 17km/h이고 최대하중은 11ton까지 재하가 가능하 다. 또한 Wandering이 가능하며 환경 컨트롤을 위 해 포장온도를 높일 수 있는 히팅 시스템을 갖추고 있다. HAPT의 세부제원 및 전경은 다음 표 1과 그 림 2와 같다.
4. 포장가속시험
4.1 공용성 비교기준 및 시험목표
본 연구에서는 공용성 비교검증을 위한 시험포장 구간에 대해 동일한 하중 및 환경조건하에서 포장가 속시험을 실시한 결과 각 시험포장구간에 발생하는 소성변형량을 포장공용성의 비교기준으로 선정하였 다. 이 때 소성변형량이 12.5mm(1/2 inch)이상 발 생하였을 때를 기준으로 하여 포장가속시험을 종료 하도록 시험목표를 설정하고, 일반배수성포장 구간 5cm 깊이에서의 온도를 기준으로 50℃에 도달할 때 까지 가열하면서 하중을 재하하였다.
4.2 시험포장 재료 품질(송철영 등, 2008) 본 연구에서 배수성 포장에 사용한 재료의 품질은
그림 1. 보수성포장의 원리
표 1. HAPT의 세부제원
항 목 제 원
장비제원 길이:20m, 폭:2m, 높이:3.4m Test Section 가로:9.3m, 세로:12.5m, 깊이:3m Wheel System 복륜하중
하중 부가 최대 11 톤
속도 운영속도 : 8~15km/h 최대속도 : 17km/h Lateral Wander 조절가능
주행타이어 11.00R20
주행방향 일방향, 양방향 모두 가능 환경제어 Heating System
그림 2. HAPT의 전경
표 2와 같이 한국도로공사(2005)의‘고속도로공사 전문시방서’의 배수성 아스팔트 포장편에 따르는 것 으로 하였다.
중간층에 사용한 보수성포장용 아스팔트 혼합물은 개립도형의 아스팔트 혼합물을 사용한 모체포장을 시공한 후, 그 공극 속에 보수성능을 갖는 재료를 충 전하는 공법이다. 아스팔트 혼합물의 골재입도는 일 반 개립도를 사용하고, 혼합물의 품질은 일본 보수성 포장기술연구회(2004)에서 제안한 것으로 표 3과 같다. 또한 보수성포장에 충전하는 보수성 시멘트 페 이스트의 품질은 표 4와 같다.
표 2. 배수성 혼합물의 품질
항 목 목표치
시험치 최대치수
13mm
최대치수 10mm
시 방 서 기 준
마샬안정도(kN) 5 이상 6.65 7.21 흐름값
(1/100cm) 20~40 39 37 공극률(%) 20 이상 20.3 20.2 잔류안정도(%) 75 이상 77.4 20.2
투수능력 (cm/sec)
1×10-2
cm/s 이상 38×10-2 53×10-2 동적안정도
(회/mm) 3,000 이상 3,390 3,096
기 타 시 험
밀도(g/cm2) - 2.087 2.000 드레인다운(%) 0.3 이하 0.18 0.16
칸타브로(%) 20 이하 4.7 3.1 동결융해
(TSR, %) 75 이상 83 76 미끄럼저항치
(BPN) 60 이상 68 65
표 3. 보수성 포장 아스팔트 혼합물의 품질
항 목 목표치
시험치 최대치수
19mm 최대치수 25mm 밀도(g/㎤) - 2.037 1.995 공극률(%) 20~30 20.1 21.3 마샬안정도(kN) 3 이상 9.02 9.36 흐름값(1/100cm) 20~45 42 44
표 4. 보수성 시멘트 페이스트의 품질
항 목
40% 보수형 60% 보수형 목표치 보통형 초속
경형 목표치 보통형 초속 경형 플로우(sec) 10~14 10.05 10.03 10~14 10.60 10.10
압축 강도 (kg/
cm2)
3h - - 44 - - 14
1일 - 70 92 - 24 33
3일 - 84 93 - 34 37
7일 100
이상 115 148 30
이상 60 61 휨강도
(7일,kg/cm2) 20
이상 29.5 32.6 10
이상 12.0 26.1 최대흡수율
(%)
40~
45 45 40.9 55~
65 58.4 60
항 목
40% 보수형 60% 보수형 목표치 시험치
(보통형) 목표치 시험치 (보통형) 휨강도
(kg/cm2) 25 이상 31 10 이상 17 휨파단
변형률
3×10-3
이상 108×10-3 3×10-3
이상 93×10-3 최대보수량
(kg/m2) 3 이상 4.72 3 이상 5.82 포장온도
저감량(℃) 6 이상 18.1 6 이상 20.3 동결융해 시험
(TSR, %) - 85 - 75
동적안정도 (회/mm)
3,000
이상 42,000 3,000
이상 22,050 표 5. 보수성 포장체의 품질
표 6. 보수형 배수성포장체의 품질
항 목
40% 보수형 배수성
60% 보수형
배수성 일반배수성
13mm 19mm 13mm 19mm 13mm 19mm 포장온도
저감량(℃) 10.0 10.3 9.3 8.5 - - 동적안정도
(회/mm) 4,575 7,438 3,735 3,094 1,952 2,010 층간
접착 강도 (kg/
cm2)
24h후 5.33 4.40 5.40 5.46 4.96 6.42 24h
수침후 5.17 6.59 7.42 6.12 5.22 7.80 동결
융해 후 2.42 2.12 2.50 2.28 2.01 1.86
아스팔트 혼합물에 보수성 시멘트 페이스트를 충 전한 보수성 포장체의 품질은 표 5에서 보는 바와 같 다. 표 5의 최대보수량, 포장온도 저감량 및 동적 안 정도의 목표치는 일본도로협회(2006b)의 포장설계 편람을 따르는 것으로 하였다. 또한 표층에 배수성 포장을 두고 중간층에 보수성 포장체를 갖는 보수형 배수성 포장의 품질은 표 6에서 보는 바와 같다.
4.3 시험구간 시공
본 연구에서 시험포장 시공순서는 보조기층, 기층, 중간층, 표층 순으로 진행하였다. 시험포장 구간 분 할은 그림 3에서와 같이, 보수형배수성 20BB구간과 일반배수성 20BB구간, 기층을 1/2로 줄인 보수형배 수성 10BB구간 총 3개로 나누어 시공하였다.
보조기층 및 기층, 표층은 일반적인 포설 및 다짐 과정을 통한 시공이 진행되었으며, 중간층의 경우는
그림 3. 시험포장의 구조
그림 4. 중간층 시공 모습(개립도 19mm)
그림 5. 포장표면 먼지제거작업 모습
그림 6. 시멘트페이스트 충전준비 모습
그림 7. 시멘트페이스트 재료혼합 모습
그림 8. 시멘트페이스트 살포 및 충전작업 모습
보수성 포장층으로서 시멘트페이스트 혼합작업이 병 행되었으며, 자세한 시공과정은 그림 4에서 그림 9 까지와 같다.
4.4 온도센서 매설
본 연구에서는 온도계측을 위해 Thermocouple과 i-Button 두 가지 센서를 사용하였다. 온도센서 매 설은 포장체에 직접 천공작업을 실시한 후, 포장깊이 별로 온도센서들을 묻는 방식으로 실시하였다. 이 때, 각 시험구간별 센서매설시 사용할 포장재료로 일 반배수성 포장구간에는 상온 아스팔트를 사용하였 고, 보수형배수성 포장구간에는 시멘트페이스트를 혼합한 보수성재료를 사용하였으며, 표층에는 배수 성 포장재료를 사용하여, 온도계측시 매설오차를 최 소화하도록 하였다. 시험구간 시공 후, 코어채취를 통해 파악한 실제 포장층 시공두께를 감안하여 매설 한 온도센서의 위치는 각 섹션별로 표 7과 같다. 각 섹션별로 2개소씩 온도센서를 매설하여 온도계측시 오류 발생이나 노이즈 발생문제에 대비하여 정확하 고 지속적인 자료수집이 가능하도록 하였다.
각 시험구간별 온도자료는 전체 시험기간 동안 매 30분 간격으로 그림 10에서와 같이 TDS-303 Portable Data Logger 장비를 사용하여 수집하였 으며, 실시간 모니터링을 통해 각 시험구간별 온도 변화패턴을 분석하였다.
4.5 시험조건
4.5.1 온도조건
HAPT 히팅 시스템을 이용하여 여름철 포장온도 를 모사하여 포장가속시험을 수행하였으며, 일반배 수성 포장구간의 5cm 깊이의 온도를 기준으로 50℃
에 도달할 때까지 히팅을 실시하도록 온도조건을 설 정하였다. 온도제어방식으로 HAPT 메인제어시스템 을 이용해 그림 11과 같이 일반배수성 포장구간에 3 개 섹션의 각 히팅판을 제어하는 중앙센서들을 동일
그림 9. 보수성포장 중간층 시공완료
표 7. 온도센서 매설위치(표면으로부터의 깊이)
Section 보수형배수성 10BB
보수형배수성 20BB
일반배수성 20BB
표층 2.5cm 2.5cm 2.5cm
중간층 6.5cm 8cm 8cm
기층 10cm 10cm 10cm
그림 10. TDS-303 Portable Data Logger
그림 11. HAPT 히팅 모습
한 곳에 매설함으로써 모든 시험구간의 히팅 패턴을 동일하게 적용하도록 하였다.
4.5.2 히팅 및 하중재하계획
일반배수성 포장구간에 비해 보수형배수성 포장구 간의 경우 물을 흡수하여 머금는 특성으로 인해 온도 상승 및 하강 폭이 작을 것으로 예상됨에 따라 그림 12와 같이 히팅 및 하중재하 계획을 세워 반복적으 로 실험을 실시하였다.
4.5.3 강우환경 모사
본 연구에서는 강우환경을 모사하기 위해 그림 13 과 같이 물조리개를 이용한 인력살수 방식으로 온도 패턴별 1싸이클(3,000회 하중재하)당 12시간에 걸 쳐 4회씩 살수를 실시하였다(일본도로협회, 2006a).
살수량은 보수성 포장이 충분히 보수되어 온도저 감효과가 나타날 때를 기준으로 시험포장면적을 고 려하여 총 살수량을 계산하는 방식으로 선정하였다.
계산결과 1싸이클당 총 4회를 살수하게 될 때, 1회 당 345ℓ씩 살수량이 정해졌다. 즉, 1싸이클당 총 살수량은 1,380ℓ가 되며 이것은 17m2 살수면적을 고려할 때, 81ℓ/m2으로 포장표면의 81mm의 강우 에 해당된다(일본도로협회, 2006a).
4.5.4 하중조건
본 연구에서는 표 8과 같은 하중조건으로 포장가 속시험을 실시하였다.
4.5.5 Wandering 적용방식
본 연구에서는 현실적인 교통하중을 모사하는 방 식으로 wandering 방식을 적용하였다. 실험을 가속 시키기 위해 그림 14와 같이 Full Wandering의 1/2인 40cm 폭 내에서 하중분포가 정규분포 형태가 되도록 하중의 주행궤적을 분산하였다.
그림 12. 히팅 및 하중재하 계획(1cycle)
그림 13. 시험포장 살수작업 모습
표 8. 적용된 하중조건
조건항목 실험조건
재하 하중 8.2 ton
타이어 공기압 7.03kgf/cm2
접지면적 610cm2
그림 14. 적용된 wandering 하중분포
5. 기타 실내실험
5.1 휠패스 위치별 코어분석
휠패스 중앙 부분과 휠패스 경계 부분, 휠패스 바 깥부분을 기준으로 각 시험포장 구간마다 그림 15와 같이 3개씩 코어를 채취한 후 포장층별로 변형길이 를 측정하여 층별 횡단변형이 얼마나 발생했는지 그 림 16과 같이 분석하였다.
5.2 보수성 포장 탄성계수 분석
보수성 포장재료의 상대강도계수를 알아보기 위해 보수성 포장 코어 및 시편을 제작하여 탄성계수 실험 을 실시하였다. 탄성계수 측정 실험은 한국건설기술
연구원의 콘크리트 실험실에서 실시하였으며, 실험 결과 도출된 응력-변형률선도를 분석하여 적정 탄성 계수를 산출하였다. 자세한 실험과정은 그림 17과 그림 18에서와 같이 먼저 실험용 시편 및 코어의 온 도를 온도조절 장치를 통해 20℃로 유지한 후, 실험 할 시편 및 코어에 strain gauge를 부착한 후 바로 탄성계수실험을 실시하였다.
6. 실험 결과
본 장에서는 본 연구에서 실시한 포장가속시험 및 실내시험에 대한 결과 요약 및 분석한 내용을 설명한 다. 포장가속시험은 하중재하계획에 따라 총 6개 싸 이클에 나누어 실시하였으며 총 하중재하횟수가 17,700회가 되었을 때, 일반배수성 포장구간의 소성 변형 발생량이 실험목표 기준치인 12.5mm를 초과함 에 따라 실험을 종료하였다.
6.1 싸이클별 횡단변형 측정
횡단변형 측정위치는 각 시험구간별로 2개소씩 선
그림 15. 채취한 코어 모습
그림 16. 보수형배수성 10BB구간 코어분석 예 (a) 보수 10-O (b) 보수 10-C
그림 17. 시편 및 코어 온도조절 모습
그림 18. 응력`-`변형률 실험 모습
정하였으며, 횡단변형 측정을 위하여 그림 29와 같 이 Laser Profilometer를 사용하였으며, 측정위치 당 3회씩 측정하여 평균값을 그 지점의 횡단변형값 으로 하였다.
온도패턴 싸이클에 따라 하중재하횟수를 기준으로 초기치 0회, 3,000회, 4,100회, 6,000회, 9,000회, 12,900회, 17,700회 총 7회에 걸쳐 횡단변형을 측 정하였다. 실험시작부터 실험종료시까지의 횡단변형 측정결과를 토대로 총 횡단변형량의 변화추이를 분 석한 결과는 그림 20에 나타내었으며, Laser Profilometer로 누적하중별 횡단변형을 측정한 결과 그래프는 각 시험구간별로 그림 21~그림 23에 나타 내었다. 횡단변형 측정결과를 종합적으로 분석한 결 과 다음과 같은 결론을 얻었다.
(1) 동일조건에서 보수형배수성 포장구간의 경우, 일반배수성 포장구간에 비해 소성변형이 26%
적게 발생하였다.
(2) 기층두께를 1/2로 줄인 보수형 배수성 포장 10BB 구간과 일반배수성 포장 20BB구간과 비 교했을 때, 소성변형 발생량이 각각 12.3mm와 12.7mm로 비슷한 수준의 소성변형 저항성을 나타냈다.
그림 19. Laser Profilometer로 횡단변형 측정 모습
그림 20. 반복하중 재하에 따른 소성변형 발생추이
그림 21. 일반배수성 20BB 구간의 누적하중별 횡단변형측정 결과
그림 22. 보수형 배수성 10BB 구간의 누적하중별 횡단변형측정 결과
그림 23. 보수형 배수성 20BB 구간의 누적하중별 횡단변형측정 결과
6.2 온도패턴 분석
히팅 및 하중재하 계획에 따라 포장가속시험을 실 시하면서 수집된 온도자료를 토대로 각 시험포장 구 간의 층별 온도변화패턴 차이를 비교 분석하였다. 보 수성포장의 보수 특성을 정확히 알아보기 위해 제 1 싸이클에서는 물을 뿌리지 않고 히팅을 하면서 보수 형 배수성 포장과 일반배수성 포장의 온도변화패턴 을 비교해보았다. 이후 2~6싸이클에서는 살수계획 에 따라 실험을 진행하였으며 단 3싸이클에서는 단시 간에 동일한 양의 물을 빠른 속도로 뿌려봄으로써 단 기폭우상태를 모사한 실험을 진행하여 보수율에 따 른 온도변화패턴 차이를 비교분석해보았다. 각 싸이 클별 포장체 표층(표면 아래 2.5cm)의 온도변화패턴 은 그림 24~그림 26에서와 같이 나타났다. 또한, 중 간층 8cm 깊이(보수성 10BB 구간은 6.5cm)의 온도 변화패턴은 그림 27과 같이 나타났다.
표층과 중간층의 최대온도가 각각 60℃, 55℃인 점은 온도센서의 매설위치가 휠패스 바깥쪽이어서 히팅 시스템 구조상 온도센서 매설 위치의 가열 정도 가 휠패스 중앙의 온도보다 높기 때문에 히팅기준온 도인 50℃보다 높게 나타난 것으로 판단된다.
본 연구의 범위 내에서 온도변화패턴 분석자료를 토대로 보수성포장의 온도저감효과를 분석한 결과, 다음과 같은 결론을 얻었다.
(1) 표층의 경우 보수형 배수성 포장구간은 일반 배 수성 포장구간에 비해 각 싸이클마다 약간의 차 이가 있으나 7.9~9.8℃(평균 8.8℃)의 온도저 감효과를 보였다.
(2) 중간층의 경우 보수성 포장은 일반조립도 아스 팔트 포장구간에 비해 6.6~7.9℃(평균 7.4℃) 의 온도저감효과를 보였다.
그림 24. 표층 온도변화 패턴 분석결과(제 1cycle)
그림 25. 표층 온도변화 패턴 분석결과(제 2cycle)
그림 26. 표층 온도변화 패턴 분석결과(제 3cycle)
그림 27. 중간층 온도변화패턴 분석결과(제3cycle~제6cycle)
(3) 보수성포장층의 보수시 온도가 일반포장층과 비 교할 때, 평균 2.4℃정도 낮은 것을 확인하였다.
이것은 보수성 포장체에 보수된 수분의 증발에 따른 기화잠열에 의한 영향으로 판단된다.
(4) 온도변화 패턴을 분석한 결과 보수성 포장의 온 도변화 최대 낙차폭은 온도상승시 평균 3.4℃, 온도하강시 평균 2.6℃로 이는 일반 포장의 온도 변화 최대 낙차폭인 온도 상승시 평균 14.9℃, 온도하강시 평균 12.7℃에 비해 매우 작은 것을 확인하였다. 즉 외부온도변화에 따른 보수성 포 장의 온도변화율이 일반 포장에 비해 더 작다는 결론을 얻었다.
(5) 보수성 포장이 충분히 물을 머금어 포화상태가 되어야만 온도저감효과가 뚜렷하게 나타날 수 있다는 사실을 실험을 통해 도출하였다.
6.3 하중재하위치별 변형량 분석
채취한 코어의 층별 두께를 측정하여 하중재하위 치별 변형량을 분석하여 표 9와 같은 결과를 얻었다.
이 자료를 토대로 휠패스 바깥 코어와 휠패스 중앙 코어의 층별 두께를 비교해 본 결과, 표 10에서와 같 은 결과를 얻었다.
포장층별 변형량 측정결과를 토대로 분석해 본 결 과, 시공상의 오차로 인한 층별 시공두께차이가 발생 한 사실을 고려하여 다음과 같은 결론을 도출하였다.
(1) 보수형 배수성 포장구간에서 발생한 소성변형은 대부분 표층에서 발생하였다.
(2) 일반배수성 포장구간에서 발생한 소성변형은 대 부분 표층과 중간층에서 발생하였다.
(3) 보수형 배수성 포장구간에서 기층에서의 소성변 형은 거의 발생하지 않았다.
(4) 일반배수성 포장구간에서 기층에서 약간의 소성 변형이 발생하였다.
6.4 보수성 포장 상대강도계수 분석
본 절에서는 ’93 AASHTO Guide의 상대강도계 수 산출법을 이용하여 보수성 포장의 상대강도계수 를 산출하여 일반 밀입도 포장과의 차이를 비교분석 하였다. 그 결과 표 11에서와 같이 최종적으로 분석 된 탄성계수 평균값은 31,409 kg/cm2이었으며, 이 값을 psi로 환산한 값은 약 446,000psi였다. 이 때, 적정 상대강도계수는 0.173(cm 단위기준)이었다.
이 값은 일반밀입도 포장의 상대강도계수인 0.145와 비교해 약 1.2배 정도로 나타났다. 본 연구에서 이용 한 ’93 AASHTO Guide에 수록된 상대강도계수 산 출법은 일반 밀입도포장을 기준으로 만들어진 것이 므로 보수성포장과 같은 특수 포장에 그대로 적용하 는데는 무리가 있으나 더 나은 상대강도계수 값이 도 출되기 전까지는 잠정적으로 사용할 수 있을 것으로 판단한다.
표 9. 휠패스 위치별 코어두께 측정결과 Section 보수형배수성
10BB
보수형배수성 20BB
일반배수성 20BB 휠패스 위치 바깥 중앙 바깥 중앙 바깥 중앙 표층 두께(mm) 62 50 70 61 70 60 중간층 두께(mm) 65 64 60 60 60 55 기층 두께(mm) 105 105 190 190 205 202 총 계(mm) 232 219 320 311 335 317
보수형배수성 10BB
보수형배수성 20BB
일반배수성 20BB 표면의 소성변형(mm) 12.3 9.4 12.7
표층 변형량(mm) 12 9 10
중간층 변형량(mm) 1 - 5
표 10. 포장층별 변형량 분석결과 시 료 탄성계수
(kg/cm2)
상대강도계수 inch당 cm당 core 시료 29,880 0.43 0.169
제작시료 31,251
0.45 0.177 33,096
평 균 31,409 0.44 0.173 표 11. 보수성포장 탄성계수 및 상대강도계수
7. 결 론
본 연구에서는 포장가속시험을 이용하여 보수형배 수성 포장과 일반배수성 포장의 소성변형 저항성을 비교검증하고 보수성 포장의 온도저감효과를 정량화
하였다. 본 연구의 연구범위내에서 포장가속시험과 실내실험 자료를 종합적으로 분석한 결과 다음과 같 은 결론을 얻었다.
(1) 보수성 포장이 가지고 있는 재료적 특성으로 인 한 포장체의 온도저감효과는 보수성 포장의 경 우 6.6~7.9℃(평균 7.4℃)였으며, 표층의 경우 7.9~9.8℃(평균 8.8℃)로 나타났다. 이러한 온 도저감 효과를 통해 포장표면의 소성변형 발생 은 26% 감소되었다.
(2) 기층두께를 1/2로 줄인 보수형 배수성 포장 10BB구간과 일반배수성 포장 20BB구간과 비 교했을 때, 소성변형 발생량이 각각 12.3mm와 12.7mm로 소성변형 측면에서만 볼 때 보수형배 수성 포장을 사용할 경우 기층두께를 반으로 줄 일 수 있는 것으로 나타났다.
(3) 각 시험구간의 휠패스위치별로 채취한 코어분석 을 통해 층별 변형량을 측정한 결과, 보수형 배 수성포장의 경우 대부분의 소성변형이 표층에서 발생하였으나, 일반배수성포장의 경우에는 표층 과 중간층, 기층 모두 소성변형이 발생하였다.
(4) 실내실험을 통한 보수성 포장체의 탄성계수 분 석결과, 평균 31,409 kg/cm2이었다. 이를 토대 로 상대강도계수를 산출한 결과 0.44(inch 단위 기준)와 0.173(cm 단위기준)으로 나타났는데, 이는 일반 아스팔트 포장의 상대강도계수 0.145(cm 단위기준)와 비교해 1.2배 정도인 것 으로 분석되었다.
(5) 보수성 포장층의 보수시 온도가 일반포장층과 비교했을 때, 평균 2.4℃ 정도 낮은 것으로 나타 났다. 이것은 보수성 포장체에 보수된 수분의 증 발에 따른 기화잠열에 의한 영향으로 판단된다.
(6) 온도변화 패턴을 분석해 본 결과 보수성 포장의 온도변화 최대 낙차폭은 온도상승시 평균 3.4℃, 온도하강시 평균 2.6℃로 이는 일반 포장의 온도 변화 최대 낙차폭인 온도상승시 평균 14.9℃, 온 도하강시 평균 12.7℃에 비해 매우 작은 것으로 나타났다. 즉 외부온도변화에 따른 보수성 포장
그림 29. 적정 탄성계수 분석 예
그림 30. 적정 상대강도계수 산출과정 그림 28. 응력-변형률 곡선 예
의 온도변화율이 일반 포장에 비해 더 작음을 알 수 있었다.
(7) 살수방식의 다양한 적용실험을 통해 보수성 포 장이 충분히 물을 머금어 포화상태가 되어야 온 도저감효과가 뚜렷하게 나타날 수 있음을 알 수 있었다.
본 연구에서는 보수형 배수성 포장의 공용성에 대 해 소성변형과 노면온도저감효과 측면에서 일반배수 성 포장과 비교검증을 실시하였으며 향후 피로균열 에 대한 모사시험도 건의한다.
참고 문헌
AASHTO(1993), ’93 AASHTO Guide for Design of
Pavement Structures, p. Ⅱ-18
Kamitani, Kiyoshi and Yasuda, Masakazu(2004),
“보수성포장기술의 현상과 앞으로의 전망,”일본 무 기재료학회지
도쿄도 토목기술연구소(2002), “보수성포장 시험시공설 계₩시공 매뉴얼(안)” , 일본 건설국 도로관리부 보전과 송철영, 김주원(2008), “환경포장으로써 보수형배수성
포장의 개발”, 학술대회논문집, pp. 154~155 일본도로협회(2006a), “노면온도 저감량의 측정방법”,
도쿄도 성능요건 발주방식, 부록-2, pp. 13~14 일본도로협회(2006b), 포장설계편람, pp. 54~59, pp.
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일본 보수성포장기술연구회(2004), 보수성포장 기술자료 한국도로공사(2005), 고속도로공사 전문시방서(토목
편), pp. 9~26~29
접 수 일`:`2009. 5. 10 심 사 일`:`2009. 5. 12 심사완료일`:`2009. 8. 31
