道 路 工 學 大 韓 土 木 學 會 論 文 集
第31卷 第4D 號·2011年 7月 pp. 555~564
미국 LTPP Data를 활용한 접착식 콘크리트 덧씌우기 포장 수명에 영향을 미치는 인자에 관한 연구
A Study on the Factors Affecting on the Life of Bonded Concrete Overlay Pavement using the LTPP Data of U.S.A
이승우*·손현장**
Lee, Seung Woo·Son, Hyeon Jang
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Abstract
More than sixty percentages of the highway constructed by concrete pavements in South Korea and over half of the concrete pavements were twenty years or older. The most of South Korea road is hard to provide a bypass in conditions of network of roads. Asphalt concrete overlay has been used for the overlay of aged concrete pavement. However, the cost of maintenance and rehabilitation in an asphalt overlay is expensive by early damage. Therefore, bonded concrete overlay was recently attempted in South Korea as an alterative method of rehabilitation for aged concrete pavement. Hence, it needed to investigate the factors to find performance of the bonded concrete overlay life. However, there is no performance data of the concrete overlay in South Korea. This study was to make a database of an affecting of the pavement life and draws statistical analysis of the performance data on the LTPP (Long Term Pavement Performance) database of U.S.A.
Keywords : LTPP, bonded concrete overlay, Pavement Condition Index, concrete pavement, overlay life
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요 지
국내 고속도로의 60% 이상이 시멘트 콘크리트 포장으로 건설되었으며, 그 중 공용년수가 20년이 넘어선 구간이 절반 이상에 달하고 있다. 노후화 된 콘크리트 포장의 보수·보강은 국내의 교통여건상 우회도로가 준비되기 어렵기 때문에 조기 교통개방이 요구되며 현재까지는 주로 아스팔트 덧씌우기가 사용되고 있다. 그러나 아스팔트 덧씌우기 포장은 보수 후 수년 만에 발생하는 조기 파손이 빈번하여 많은 유지보수비용이 지출될 뿐 아니라 도로사용자의 불편을 초래하고 있다. 최근 들 어 노후화 된 콘크리트 포장의 효율적인 보강공법으로 접착식 콘크리트 덧씌우기 공법의 적용이 시도되고 있다. 따라서 어 떠한 인자가 접착식 콘크리트 덧씌우기의 수명에 영향을 미치는 지 고찰할 필요가 있다. 국내에서는 콘크리트 덧씌우기 포 장의 공용 중 파손상태에 대한 자료가 미비한 실정이다. 본 연구에서는 접착식 콘크리트 덧씌우기 수명과 영향인자간의 상 관성을 검토하기 위해 다양한 파손자료를 구축하고 있는 미국의 LTPP data를 이용하여 각 구간의 포장단면, 교통량 및 환 경특성을 고려하여 포장의 연도별 파손에 대한 database를 구축하였다. 또한 각 구간의 포장수명을 산정 후 접착식 콘크리 트 덧씌우기 구간의 수명과 이에 영향을 미치는 인자들에 대해서 통계분석을 수행하였다.
핵심용어 : 접착식 콘크리트 덧씌우기, 포장상태평가지수, 콘크리트 포장, 덧씌우기 수명
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1. 서 론
국내에서는 1984년에 88고속도로를 건설하면서 콘크리트 포장을 본격적으로 적용하기 시작하였다. 2002년도 기준에 따르면 국내의 전체 콘크리트 포장은 약 15,000km(2차선기 준)로 이 중 공용년수가 20년이 넘어선 구간이 50% 이상에 달하고 있으며, 최근 들어 공용년수가 20년이 넘는 콘크리트 포장에 대해서는 포장파손상태가 심각한 경우 덧씌우기 포 장을 실시하고 있다(이승우 등, 2005).
국내의 2007년도 건설교통통계연보에 따르면 도로유지보
수비로 약 1조 9,000억 원이 사용되었다. 이 중 약 20%인 3,650억 원이 포장의 보수비용으로 지출되었고, 보수유형으 로는 표면처리, 소파보수, 덧씌우기, 재포장비용으로 분류되 었으며, 그 중 덧씌우기 포장은 포장보수의 약 55%인 2,002억 원이 지출되었다(김연복 등, 2009). 이처럼 덧씌우기 포장에 대해서 매년 많은 비용이 지출되고 있는 실정이다.
일반적으로 노후 된 콘크리트 포장에 사용되는 보수·보강 공법으로는 균열 및 줄눈부 보수, 소파보수공법, Diamond Grinding 등의 포장표면처리 공법이 있으며, 덧씌우기 포장 의 보강공법인 아스팔트 덧씌우기, 파쇄 후 아스팔트 덧씌우
*정회원·국립강릉원주대학교 토목공학과 부교수·공학박사 (E-mail : [email protected])
**교신저자·한국건설기술연구원 전임연구원 (E-mail : [email protected])
기, 접착식 콘크리트 덧씌우기, 비접착식 콘크리트 덧씌우기 등이 사용되고 있다. 현재 국내에서 노후화 된 시멘트 콘크 리트 포장에 덧씌우기 공법이 필요한 경우 조기교통개방이 가능한 아스팔트 덧씌우기가 일반적으로 사용되고 있으나, 아스팔트와 콘크리트 간의 재료적 특성이 상이하여 반사균 열 및 부착 파괴 등의 많은 문제점이 발생하고 있다. 따라 서 이를 대체하기위해 조기 교통개방형 접착식 콘크리트 덧 씌우기 공법의 적용이 시도되고 있다. 국내의 경우 접착식 콘크리트의 덧씌우기 공법을 그림 1과 같이 노후 된 포장의 파손 및 균열부분 등을 보수 및 표면절삭을 통해 포장상태 를 향상시킨 후 덧씌우기를 시행하고 있다. 이와 더불어 국 내에서는 조기교통개방이 가능한 초속경 콘크리트를 이용하 여 접착식 콘크리트 덧씌우기 공법을 경부선-부산방면에 약 262~263km와 중부선-통영방면에 약 145.5~145.7km 구간에 대해서 그림 1과 같이 시험시공을 실시한 사례가 있다(김영 규 외, 2010).
현 시점에서 국내의 노후화 된 시멘트 콘크리트 포장의 보수·보강방법에 대한 필요성이 부각됨으로써, 현재 도입 중인 접착식 콘크리트 덧씌우기 공법의 수명과 영향을 미치 는 인자에 대해 고찰할 필요성이 있을 것으로 판단된다. 하 지만 국내의 경우 공용 중 포장파손에 대한 체계적인 data 구축이 미흡한 실정이며, 접착식 콘크리트 덧씌우기 수명과 영향인자간의 상관성을 검토하기 위해 다양한 파손자료를 구 축하고 있는 미국의 LTPP data를 이용하였다. 본 연구에서 는 미국의 LTPP data의 파손자료를 활용하여 접착식 콘크 리트 덧씌우기 구간의 포장단면, 교통량 및 환경특성을 고려 후 연도별 파손에 대한 database를 구축하여, 포장수명 산정 과 이에 영향을 미치는 인자들에 대해서 고찰하였다.
2. 연구전략 및 범위
본 연구는 노후화 된 시멘트 콘크리트 포장의 접착식 콘 크리트 덧씌우기 구간의 다양한 단면, 교통, 환경 조건과 공 용 중 연도별 도로파손상태에 대해 분석을 수행하기 위한 정 보가 필요하다. 따라서 공용중인 파손상태정보에 대해 구축되 어 있는 미국의 LTPP(Long-Term Pavement Performance)
Database를 이용하였다. 이 중 노후화 된 시멘트 콘크리트 포장의 접착식 콘크리트 덧씌우기 구간에 대해 공용 중 포 장의 파손 및 유형을 평가하기위해 국제적으로 많이 사용하 는 포장상태지수(PCI, Pavement Condition Index)를 사용하 였다. 사용된 모듈은 Monitoring, Rehabilitation, Inventory 등에 대해서 수록되어져 있으며, 이를 통해 접착식 콘크리트 덧씌우기 구간의 수명추정을 위한 파손 및 영향인자에 대해 서 추출하였다. 따라서 각 구간별 덧씌우기 수명산정과 이에 영향을 미치는 인자의 비교·분석을 위한 절차는 그림 2와 같다.
3. 접착식 콘크리트 덧씌우기 공법의 수명산정 및 영 향인자 Database 구축을 위한 LTPP Database
미국의 LTPP 프로그램은 SHRP(Strategic Highway Re- search Program)일환으로 1987년에 시작되었다. 약 20년에 거쳐 구축된 LTPP data를 토대로 광범위한 포장연구에 활 용되고 있다. LTPP 프로그램은 미국과 캐나다에 대해서 현 그림 1. 초속경 콘크리트 덧씌우기 시험시공 전, 후 과정(김영규 외, 2010)그림 2. 접착식 콘크리트 덧씌우기 구간의 포장수명 및 영향인자 비교·분석을 위한 절차
재 공용중인 GPS(General Pavement Studies)의 약 800여 개의 구간과 SPS(Specific Pavement Studies)의 약 1600여 개의 신설포장, 유지보수, 보수·보강을 포함하는 특성화 구 간에 대해 중심적으로 구성되어져 있다. 또한 SMP(Seasonal Monitoring Program)는 온도, 강수량, 습도 등 환경 및 기 후에 대해 구성되어져 있다. 따라서 각 GPS 및 SPS 구간 은 포장형식에 대해 각 8~9개의 공법유형 및 포장의 구조적 특성, 재료물성, 환경영향 등과 같은 다양한 영향인자로 구 축되어 있다. 이 중에서 LTPP data의 접착식 콘크리트 덧 씌우기가 적용된 구간인 SPS-7 구간을 선정하였다. SPS-7 구간은 전체 4개의 주와 39개의 구간으로 구성되어 있으며 덧씌우기 수명과 이에 영향을 미치는 교통·환경 인자에 대 해서 통계분석을 수행하였다.
3.1 접착식 콘크리트 덧씌우기 구간의 기본정보 구축 노후화 된 시멘트 콘크리트 포장에 접착식 콘크리트 덧씌 우기가 적용된 구간은 LTPP의 Inventory 및 Testing 모듈 을 통해 database를 구축하였다. 접착식 콘크리트 덧씌우기 가 적용된 구간은 전체 4개의 주로써 Iowa, Louisiana, Minnesota, Missouri의 주로 구성되어 있으며, 39개의 구간 으로 구성되어 있다. 이 중 노후화 된 시멘트 콘크리트 포 장에 덧씌우기가 적용되지 않은 구간과 아스팔트 구간, 수명 추정 시 비교가 불가피한 구간에 대해서는 제외하였다. 따라 서 최종적으로 추출한 구간은 전체 4개 주의 24개 구간으로 표 1과 같이 구축하였다.
노후화 된 시멘트 콘크리트 포장에 접착식 콘크리트 덧씌 우기가 적용된 구간의 모니터링 된 면적은 차선폭은 3.66m, 슬래브 길이 6.1m, 총연장 152.4m, 1차로로 구성되어있다.
또한 접착식 콘크리트 덧씌우기 두께는 약 8~16cm이며, 기 존 콘크리트 포장의 두께는 18~21cm의 두께로 나타났다.
복합지지력의 경우 전 구간에서 190~597MN/m3 범위이며, 덧씌우기 종류로는 PCC(Portland Cement Concrete)를 사용 하였고, 표 2와 같이 기술하였다.
3.2 접착식 콘크리트 덧씌우기 수명의 비교·분석을 위한 영향인자 Database 구축
교통 및 환경인자는 공용 중인 포장에 파손 및 결함을 유 발하는 인자로 작용함으로써 덧씌우기 후 교통인자와 환경 인자에 대해서 Database를 구축하였다. 교통인자는 LTPP Data의 Traffic Table을 통해서 data를 구축하였으며, 구축 시 교통하중에 대한 data의 부재로, 차종별 교통하중에 대한 구 축이 어려워 LTPP data Online 상의 등가단축하중 산정기 (ESAL Calculator)를 이용하여 구간 별 누적 교통량(ESAL
×106)에 대해 구축하였다. 덧씌우기 이후 누적된 8.2Tons(80 KN)의 등가단축하중(ESAL, Equivalent Single-Axle Loads) 표 1. 접착식 콘크리트 덧씌우기가 적용된 주와 구간에 따른 범위
주 구 간
IA(19) Iowa 703 707 708 709 LA(22) Louisiana 702 705 706 707 709 MN(27) Minnesota 703 704 706 707 708 709 MO(29) Missouri 702 703 704 705 706 707 708 709 760
표 2. 접착식 덧씌우기가 적용된 구간의 포장기본정보 주 구간 덧씌우기층두께(cm) 기존 PCC층
두께(cm) 복합지지력 계 수(MN/m3)
기존포장형식
19 703 10 20 326 CRCP
19 707 16 20 326 CRCP
19 708 13 20 326 CRCP
19 709 14 20 326 CRCP
22 702 9 19 543 CRCP
22 705 10 21 570 CRCP
22 706 15 20 570 CRCP
22 707 15 21 597 CRCP
22 709 14 19 570 CRCP
27 703 9 19 326 CRCP
27 704 8 21 380 CRCP
27 706 13 20 380 CRCP
27 707 13 20 380 CRCP
27 708 14 18 380 CRCP
27 709 12 20 380 CRCP
29 702 10 19 244 JPCP
29 703 8 20 190 JPCP
29 704 9 21 190 JPCP
29 705 8 21 217 JPCP
29 706 14 21 - JPCP
29 707 12 21 - JPCP
29 708 12 20 244 JPCP
29 709 13 20 217 JPCP
29 760 10 20 - JPCP
표 3. 접착식 콘크리트 덧씌우기 공법에 대한 교통 및 환경인자 Database 구축
주 구간 누적
(ESAL교통량×106) 연평균강수량
(mm)
Freezing index (oC-day)
days Above
32oC
Climate Region 19 703 10.0 856.55 684.52 12.33 Wet Freeze 19 707 9.6 856.55 684.52 12.33 Wet Freeze 19 708 9.7 856.55 684.52 12.33 Wet Freeze 19 709 9.9 856.55 684.52 12.33 Wet Freeze 22 702 0.5 1566.98 2.49 68.76 Wet No Freeze 22 705 0.5 1566.98 2.49 68.76 Wet No Freeze 22 706 0.5 1566.98 2.49 68.76 Wet No Freeze 22 707 0.5 1566.98 2.49 68.76 Wet No Freeze 22 709 0.5 1566.98 2.49 68.76 Wet No Freeze 27 703 0.8 567.9 1278.3 10.3 Wet Freeze 27 704 0.8 567.9 1278.3 10.3 Wet Freeze 27 706 0.8 567.9 1278.3 10.3 Wet Freeze 27 707 0.8 567.9 1278.3 10.3 Wet Freeze 27 708 0.8 567.9 1278.3 10.3 Wet Freeze 27 709 0.8 567.9 1278.3 10.3 Wet Freeze 29 702 2.1 1052.14 202.42 32.1 Wet Freeze 29 703 8.4 1052.14 202.42 32.1 Wet Freeze 29 704 8.3 1052.14 202.42 32.1 Wet Freeze 29 705 8.2 1052.14 202.42 32.1 Wet Freeze 29 706 3.0 1052.14 202.42 32.1 Wet Freeze 29 707 2.9 1052.14 202.42 32.1 Wet Freeze 29 708 8.0 1052.14 202.42 32.1 Wet Freeze 29 709 8.0 1052.14 202.42 32.1 Wet Freeze 29 760 8.2 1052.14 202.42 32.1 Wet Freeze
과 함께 환경인자로는 연평균 강수량(mm), Freezing index (oC-day), days above 32oC, Climate Region으로 표 3과 같이 기술하였다. 환경자료는 19주(42년), 22와 27주(37년), 29주(59년)의 연평균 data를 통해 구축을 실시하였다.
3.3 포장상태지수 산정을 위한 database 구축
접착식 콘크리트 덧씌우기 구간의 포장파손 및 파손유형은 콘크리트 포장에서 발생하는 포장파손 및 파손유형을 LTPP data의 Distress Table과 표 4를 통해 분류를 실시하였으며, 각 구간별로 경과년수에 따라 포장상태지수 database를 구축 하였다. 덧씌우기 공법 후 각 구간에서 발생한 파손의 형태 는 종방향·횡방향 균열, 종방향·횡방향 스폴링, 모서리 파 손, Map 균열, 펌핑, 패칭 강성, 패칭 연성, 골재마모, 펀치아 웃 등으로 나타났으며, 파손유형 및 파손량에 대한 database는
양이 방대하여 본 연구에서는 포함시키지 않았다.
노후화 된 시멘트 콘크리트 포장의 접착식 콘크리트 덧씌 우기를 적용한 구간에 대해서 각각의 포장파손 및 파손 량 을 미국의 LTPP Data Online 상의 Distress Table을 통해 서 파손에 대한 자료를 수집하고, 수집된 파손 및 파손 량 을 MicroPaver 프로그램을 사용하여 포장상태지수를 연도별 로 database화 하였다. 연도별 포장상태지수를 database화하 기 위해서 그림 3과 같은 산정절차를 통해 구축하였다.
3.4 접착식 콘크리트 덧씌우기가 적용된 구간의 포장상태 지수 산정
포장상태지수는 접착식 콘크리트 덧씌우기 구간의 파손유 형 및 파손 량에 대해 연도별 포장상태지수를 산출하여 database를 구축 하였다. 이에 대해 접착식 콘크리트 덧씌우 기가 적용된 구간의 회귀분석을 통해 연평균PCI감소율을 산 정하였다.
접착식 콘크리트 덧씌우기 구간의 포장상태지수 산정결과 는 표 5와 같이 구축하였으며, 접착식 콘크리트 덧씌우기 공법 후 연평균PCI감소율은 전 구간에서 약 0.2~11.4의 범 위로 나타났다. 산정된 전체 24개의 구간 중 연평균PCI감소 율이 7.0 이상인 구간은 2구간이며, 평균 2.2로 나타났다.
4. 노후화 된 시멘트 콘크리트 포장의 접착식 콘크 리트 덧씌우기 구간에 대한 포장성능평가
4.1 포장상태지수를 이용한 접착식 콘크리트 덧씌우기 구 간의 수명 산정방법
노후화 된 시멘트 콘크리트 포장에 접착식 콘크리트 덧씌 우기 구간의 수명을 추정하기위해 포장상태지수의 보수·보 강 범위를 통해 덧씌우기 수명에 대한 추정을 실시하였다.
포장상태지수는 Critical PCI의 범위가 70~55이며, 포장상태 지수가 55일 때를 기준으로 그림 4, 5를 통해 수명추정에 대한 database를 구축하였다.
접착식 콘크리트 덧씌우기 구간의 전 구간 data 중 신뢰 성 있는 분석을 위해 이상치를 5% 내외로 제거하였고, 수 명추정 시 더 이상 수명이 떨어지지 않거나 data의 수가 적 은 구간의 경우 분석이 불가능한 구간을 제거 후 회귀분석 을 수행하였다. 접착식 콘크리트 덧씌우기가 적용 된 29- 표 4. Concrete Surfaced Roads and Parking Lots(U.S Army
Corps of Engineers, 2007)
Pavement Distress Distress Type 21. Blow Up Climate/Durability 22. Corner Break Load
23. Divided Slab Load
24. Durability Cracking Climate/Durability
25. Faulting Other
26. Joint Seal Damage Climate/Durability 27. Lane/Shoulder Drop Off Other
28. Linear Cracking Load 29. Large Patch/Utiliy Cut Other 30. Small Patch Other 31. Poilshed Aggregate Other
32. Popouts Other
33. Pumping Other
34. Punchout Load
35. Railroad Crossing Other 36. Scaling/Crazing Other
37. Shrinkage Cracking Climate/Durability 38. Corner Spalling Climate/Durability 39. Joint Spalling Climate/Durability
그림 3. 포장상태지수 구축을 위한 산정절차
705구간은 그림 6과 같이 나타났으며, 경과년수별 포장상태 지수를 통해 수명추정을 실시하였다. 29-705구간에 대해서 포장상태지수가 55일 때 약 12년으로 덧씌우기 수명을 추정 할 수 있었다. 하지만 그림 7은 위와 동일공법이 적용된 구 간으로써 19-708구간의 경우 분석 시 data의 수가 적거나 포장상태지수의 변화가 적어 수명이 50년 이상으로 나타났 으며, 이를 추정하기 위해 50년 이상의 수명을 동일하게 50 년으로 추정하였다.
4.2 접착식 콘크리트 덧씌우기 구간의 수명 비교·분석 접착식 콘크리트 덧씌우기 구간에 대해서 경과년수별 포장 상태지수를 통해 덧씌우기 수명을 추정하여 표 6과 같이 기 술하였으며, 전 구간에서 약 5~51년으로 평균 31년의 덧씌 우기 수명을 보였다.
국외의 연구(NCHRP, 2001)에 따르면 일반적인 노후화 된 시멘트 콘크리트 포장에 접착식 콘크리트 덧씌우기가 적용 된 구간의 수명이 약 15~25년으로써 예상수명보다 평균 6년 표 5. 접착식 콘크리트 덧씌우기 구간의 경과년수에 따른 PCI 산정
주 구간 0년 1년 2년 3년 4년 5년 6년 7년 8년 9년 10년 11년 12년 13년 14년 15년 △PCI/
year R2
19 703 100 100 92 -1.2 0.98
19 707 100 100 99 -0.2 0.98
19 708 100 100 94 -0.9 0.98
19 709 100 100 93 -1.1 0.98
22 702 100 100 100 93 -1.3 0.68
22 705 100 100 90 91 -2.2 0.78
22 706 100 100 67 63 -8.6 0.88
22 707 100 98 52 51 -11.4 0.85
22 709 100 98 90 91 -2.0 0.80
27 703 100 100 98 98 100 96 -0.2 0.53
27 704 100 100 100 100 100 93 -0.5 0.74
27 706 100 100 100 97 59 -3.0 0.94
27 707 100 100 98 92 76 -1.7 0.98
27 708 100 100 100 74 71 -2.1 0.67
27 709 100 100 100 93 -0.5 0.90
29 702 100 100 98 98 99 98 98 95 -0.4 0.75
29 703 100 100 97 92 96 85 85 83 -1.7 0.82
29 704 100 96 97 96 58 97 47 44 -5.7 0.71
29 705 100 100 93 90 88 91 59 55 -4.5 0.91
29 706 100 100 93 88 92 73 -3.2 0.85
29 707 63 60 91 68 65 91 90 3.4 0.39
29 708 100 100 88 88 92 88 94 84 -1.0 0.39
29 709 100 100 93 75 97 93 97 98 0.2 0.01
29 760 100 100 92 91 97 90 90 66 -2.6 0.76
※0년 : 덧씌우기 공법 후 1년 미만
그림 4. 포장수명 별 다른 지점의 가장 적합한 구조개선 방법
(NCHRP, 2001) 그림 5. Critical PCI 범위(U.S Army Corps of Engineers, 2007)
이 연장된 것으로 확인되었다.
접착식 콘크리트 덧씌우기 구간의 덧씌우기 수명을 분석한 결과, 수명이 5년 미만인 구간은 없었으며, 10년 미만인 구 간은 2구간, 20년 미만인 구간은 4구간, 20년 이상 구간이 16구간으로 나타났다. 이를 통해 접착식 콘크리트 덧씌우기 가 적용된 구간에 대해 통계분석을 실시한 결과 그림 8과 같은 정규분포가 나타났다.
접착식 콘크리트 덧씌우기 수명에 대해서 신뢰도가 95%의 수명구간에 대해 추정을 실시하였으며, 추정된 수명은 표 7 과 같이 기술하였다. 접착식 콘크리트 덧씌우기 구간에 대한 수명의 경우 최소 23.4년에서 최대 37.6년의 수명으로 산출 되었고, 이를 통해 약 20년 이상의 포장수명이 유지되는 것 을 확인할 수 있었다.
5. 접착식 콘크리트 덧씌우기 구간의 수명 및 영향 인자에 대한 고찰
접착식 콘크리트 덧씌우기 구간에서 추출된 각각의 영향인 자로는 덧씌우기 두께, 누적 교통량(ESAL×106), 복합지지력 계수(MN/m3), 연평균강수량(mm), Freezing Index(oC-day), day above 32oC와 같이 구성되어있다. 또한 각각의 구간별 덧씌우기 수명과 영향인자간의 신뢰성 있는 회귀분석을 위 해 분석구간에 대해서 이상 값을(5% 내외) 제거 후 비교·
분석을 수행하였다.
5.1 덧씌우기 수명 및 덧씌우기 두께의 비교·분석 국외의 Kathleen T 외(NCHRP, 2001) 연구에 따르면 접 착식 콘크리트 덧씌우기가 적용된 구간의 덧씌우기 수명이 약 15~20년으로써, LTPP data의 덧씌우기 수명과 덧씌우기 두께에 대해 그림 9와 같이 분석을 실시하였다. LTPP data 의 접착식 콘크리트 덧씌우기가 적용된 구간에 8~16cm로 덧씌우기를 실시하였으며, 국내의 덧씌우기 두께 보다 약 1~3cm가 더 두꺼운 것으로 나타났다. 덧씌우기 수명과 덧씌 그림 6. 접착식 콘크리트 덧씌우기 구간의 수명추정 예(29-705
구간)
그림 7. 접착식 콘크리트 덧씌우기 구간의 수명추정이 불가능한 구간 예(19-708 구간)
표 6. 접착식 콘크리트 덧씌우기 구간의 수명추정
주 구간 △PCI/year R2 덧씌우기 수명
(Year)
19 703 -1.2 0.98 38
19 707 -0.2 0.98 50
19 708 -0.9 0.98 50
19 709 -1.1 0.98 45
22 702 -1.3 0.68 36
22 705 -2.2 0.78 22
22 706 -8.6 0.88 6
22 707 -11.4 0.85 5
22 709 -2.0 0.80 23
27 703 -0.2 0.53 50
27 704 -0.5 0.74 50
27 706 -3.0 0.94 18
27 707 -1.7 0.98 29
27 708 -2.1 0.67 22
27 709 -0.5 0.90 50
29 702 -0.4 0.75 50
29 703 -1.7 0.82 26
29 704 -5.7 0.71 10
29 705 -4.5 0.91 12
29 706 -3.2 0.85 16
29 708 -1.0 0.39 43
29 760 -2.6 0.76 20
그림 8. 접착식 콘크리트 덧씌우기 구간의 수명 표 7. 접착식 콘크리트 덧씌우기 구간의 신뢰도 95%의 수명추정
구 분 접착식 콘크리트 덧씌우기 구간
평균 수명(Year) 30.5
신뢰도 95% 구간 수명(Year) 23.4 ~ 37.6
우기 두께를 분석한 결과, 결정계수는 0.06, P-value는 0.308로 상관성은 매우 낮은 것으로 나타났다.
덧씌우기 두께 설계 시 기존포장단면의 유효두께를 계산하 기 때문에 덧씌우기 수명과 포장표층(덧씌우기 두께+유효두 께)에 대해서 분석을 그림 10과 같이 실시하였다. 회귀분석 을 실시한 결과로써 결정계수는 0.04, P-value는 0.346으로 상관성은 매우 낮은 것으로 나타났다. 이와 같은 결과는 노 후화 된 시멘트 콘크리트 포장 위에 접착식 콘크리트 덧씌 우기를 적용 한 경우 기존의 포장과 덧씌우기 포장이 합성 포장단면이 되므로 포장두께가 두꺼워진다. 따라서 두꺼운 포장의 경우 피로균열에 의한 파손보다는 부착문제로 인해 파괴되기 때문에 상관성이 매우 낮게 나타난 것으로 사료되 며, 이외에도 동일한 수명으로 두께를 설계하기 위해서는 교 통량, 복합지지력 등 다양한 인자를 고려해야 하므로 덧씌 우기 수명과 두께에 대한 상관관계는 매우 작아질 수밖에 없다고 판단된다.
5.2 덧씌우기 두께 및 누적 교통량의 비교·분석
덧씌우기 두께와 누적 교통량에 대한 수명에 대하여 비교·
분석을 그림 11과 같이 수행하였다. 수행된 구간은 접착식 콘크리트 덧씌우기 구간으로 누적 교통량이 약 0.5~10.0 (ESAL×106)의 범위를 보였으며, 덧씌우기 두께와 교통량에 대한 상관성은 낮은 것으로 나타났다. 이런 경향은 교통량에 대한 덧씌우기 두께를 설계 시 장래교통량에 대한 두께설계
가 고려되지 않은 것으로 판단된다. 단, 국외의 접착식 콘크 리트 덧씌우기 두께가 8~16cm인 점을 감안할 때 국내의 일 반적인 접착식 덧씌우기 두께가 5cm~15cm로써 장래교통량 에 대한 덧씌우기 두께를 고려한다면 기존의 덧씌우기 두께 보다 증가되어야 할 것으로 판단된다.
5.3 덧씌우기 수명 및 복합지지력계수의 비교·분석 접착식 콘크리트 덧씌우기 구간의 덧씌우기 수명과 복합지 지력계수에 대해 회귀분석을 실시하였다. 복합지지력은 약 191~601MN/m3의 범위를 띄고 있으며, 그림 12와 같은 경 향을 보였다. 복합지지력이 증가 시 덧씌우기 수명은 감소하 는 경향을 보였으며, 회귀분석을 수행한 결과 결정계수가 0.05, P-value가 0.538로 상관성은 매우 낮게 나타났다. 이 를 통해 복합지지력이 덧씌우기 수명에 대해서 직접적인 영 향을 미치지 못한 것으로 판단되며 이에 대한 추가적인 연 구가 필요할 것으로 판단된다. 본 연구에서는 추가적인 연구 는 유보한다.
5.4 덧씌우기 수명 및 연평균강수량(mm)의 비교·분석 포장에서의 강수량은 기존포장의 하부 층 내로 물이 침투 하여 각 층의 강도 및 강성을 저하시킴으로써 포장표층에 조기 파손 및 공용수명을 단축시키는 영향으로 작용한다(김 연복 등, 2009). 이처럼 강수량과 수명에 대해 상관성이 있 을 것으로 판단되어 각 구간의 연평균강수량에 대해서 그림 그림 9. 덧씌우기 수명(Year)과 덧씌우기 두께(cm)의 상관관계
그림 10. 덧씌우기 수명과 포장표층(덧씌우기 두께+유효두께)두께 의 상관관계
그림 11. 덧씌우기 두께(cm)와 누적 교통량(ESAL×106)의 상관 관계
그림 12. 덧씌우기 수명과 복합지지력 계수의 상관관계
13과 같이 회귀분석을 수행하였다. 접착식 콘크리트 덧씌우 기 구간의 연평균강수량은 약 500~1600mm의 범위를 보였 으며, 연평균강수량이 증가 할수록 덧씌우기 수명이 감소되 는 경향을 나타냈다. 회귀분석을 실시한 결과 결정계수는 0.37, P-value가 0.006으로 덧씌우기 수명에 일정이상 상관 성이 있는 것으로 확인되었다. 따라서 접착식 콘크리트 덧씌 우기가 적용된 구간의 경우 연평균강수량이 증가할수록 하 부 층 내로 많은 물이 침투하여 층의 강도 및 강성을 저하 시켜 수명을 단축시킨 것으로 판단된다.
5.5 덧씌우기 수명 및 Freezing Index(oC-day)의 비교·
분석
포장에서의 동결지수는 포장내의 동결관입깊이를 산정하기 위한 대표적인 지표로 사용된다. 이처럼 노상 및 비처리 기 층에 동상현상이 발생함으로써 부피팽창으로 인한 융기 및 파손이 발생하여 포장수명에 영향을 미칠 것으로 판단된다 (김부일 등, 2009). 따라서 포장의 덧씌우기 수명과 Freezing Index의 비교·분석을 위해 그림 14와 같이 수행하였다. 접 착식 콘크리트 덧씌우기 구간은 Freezing Index가 약 2.0~
1300(oC-day)의 범위로 나타났으며, 덧씌우기 수명은 Freezing Index 증가할수록 덧씌우기 수명도 증가하는 경향을 보였다 (단, 회귀분석을 통해 얻은 결정계수 0.18, P-value 0.067).
이와 같은 결과는 일반적인 예상과 다른 결과가 나타났으며 추가적인 연구가 필요할 것으로 판단된다. 본 연구에서는 Freezing Index의 상관성에 대한 추가연구는 유보한다.
5.6 덧씌우기 수명 및 days Above 32oC의 비교·분석 콘크리트 포장에서의 온도변화는 슬래브의 팽창 및 줄눈거 동, 재료특성 등에 영향을 미치며, 블로우업 등을 통해 포장 파손을 유발하기도 한다. 따라서 온도가 상승 시 포장의 구 조적인 거동과 수명에 대해서 상관성이 있을 것으로 판단된 다. 따라서 온도에 따른 덧씌우기 수명과 days Above 32oC를 통하여 그림 15와 같이 회귀분석을 수행하였다. 접 착식 콘크리트 덧씌우기 구간에서 days Above 32oC가 증 가할수록 덧씌우기 수명은 감소되는 경향을 보였다. 회귀분 석을 통해 얻은 결정계수는 0.48, P-value는 0.001로 온도가 덧씌우기 수명에 대해 일정 이상의 상관성이 있는 것으로 나타났다.
5.7 덧씌우기 수명 및 기존 PCC(Portland Cement Concrete)층의 형식별 종류에 대한 비교·분석
일반적으로 접착식 콘크리트 덧씌우기 공법은 기존 PCC 층의 균열 및 파손부분에 대해서 접착식 콘크리트 덧씌우기 를 시행하기 전에 Diamond Grinding 등의 표면절삭을 실 시함으로써 포장상태를 향상 시킨 후 공법을 적용한다. 따라 서 접착식 콘크리트 덧씌우기 구간의 공법 전 포장상태는 전 구간 중 6구간에서 포장상태지수가 약 80~100으로 포장상태 가 양호한 것으로 확인되었다. 접착식 콘크리트 덧씌우기가 적용된 구간의 기존 포장 층의 유형은 연속철근콘크리트포장 (CRCP, Continuously Reinforced Concrete Pavement)과 줄 눈콘크리트포장(JPCP, Jointed Plain Concrete Pavement)으로 구성되어있고, 그림 16과 같이 기존 PCC층의 형식별 종류 와 수명에 대해서 비교·분석을 수행하였다.
연속철근콘크리트포장 위에 접착식 콘크리트 덧씌우기를 적용한 구간은 전체 22구간 중 15구간으로써 약 5~50년, 평균 33년의 포장수명으로 나타났다. 또한 줄눈콘크리트포장 위에 접착식 콘크리트 덧씌우기를 적용한 구간의 경우 전체 22구간 중 7구간으로써 10~50년, 평균 26년의 수명범위가 나타났다. 따라서 두 포장을 비교한 결과 연속철근콘크리트 포장 위에 접착식 콘크리트 덧씌우기를 적용한 구간이 평균 7년 정도 수명이 연장 된 것을 확인 할 수 있었다. 이런 결 과는 연속철근콘크리트포장의 경우 삽입된 철근으로 인해 균 열 폭의 변화가 적어 반사균열 및 부착에 유리함으로써 줄눈 콘크리트 포장 위에 접착식 콘크리트 덧씌우기를 적용한 구 그림 13. 덧씌우기 수명과 연평균 강수량(mm)의 상관관계
그림 14. 덧씌우기 수명과 Freezing Index(oC-day)의 상관관계
그림 15. 덧씌우기 수명과 days Above 32oC의 상관관계
간의 수명보다 길게 나타난 것으로 사료된다(단, 기존 포장 층의 형식 및 포장상태에 따라 덧씌우기 수명은 차이 남).
5.8 접착식 콘크리트 덧씌우기 구간의 수명 및 영향인자 에 대한 비교·분석
접착식 콘크리트 덧씌우기 구간의 수명과 이에 대해 영향 을 미치는 인자를 다음과 같이 최종적으로 분류하였다. 분류 된 인자로는 덧씌우기 층 두께, 누적 교통량(ESAL×106), 복 합지지력계수(MN/m3), 연평균강수량(mm), Freezing index(oC- day), days Above 32oC에 대해서 표 8과 같이 기술하였다.
덧씌우기 수명에 영향을 미치는 인자로는 연평균 강수량 (mm), days Above 32C로 나타났으며, 기존 PCC층의 형식 별 종류에 따른 덧씌우기 수명은 연속철근콘크리트포장 위 에 접착식 콘크리트 덧씌우기를 적용한 구간이 평균 33년의 포장수명으로 나타난 것에 비해 줄눈콘크리트포장 위에 접 착식 콘크리트 덧씌우기를 적용한 구간의 경우 평균 26년의 수명범위로 나타났다. 이를 통해 연속철근콘크리트포장 위에 접착식 콘크리트 덧씌우기를 적용한 구간에서 수명이 더 길 게 나타났으며, 이는 삽입된 철근의 구속력에 의해 균열 폭 의 변화가 적고, 반사균열 및 부착에 유리함으로 인해 수명 이 길게 나타난 것으로 사료된다. 또한, 기존 포장 층의 경 우 대체로 포장상태가 우수하였으며, 열화 된 기존 포장 층 을 표면절삭 후 접착식 콘크리트 덧씌우기를 시행함으로써 신설포장과 유사한 포장성능이 확보되어진 것으로 판단된다.
6. 결 론
본 연구를 통해 노후화 된 시멘트 콘크리트 포장에 접착 식 콘크리트 덧씌우기가 적용된 구간의 수명과 영향을 미치 는 인자에 대해서 고찰하였다. 이를 통하여 덧씌우기 수명과 영향을 미치는 인자간의 비교·분석을 수행한 결론은 다음 과 같다.
1) 일반적인 예상과 달리 덧씌우기 두께는 덧씌우기 수명 에 대해 영향을 미치지 않는 것으로 나타났다. 또한 누적 교통량과 덧씌우기 수명의 경우도 큰 상관성이 없었으며, 정 규분포를 통해 추정된 신뢰도 95%의 덧씌우기 수명구간은 약 23.4년~37.6년으로 평균 31년의 수명이 나타났다.
2) 접착식 콘크리트 덧씌우기 구간의 추정된 덧씌우기 수 명과 영향인자간의 회귀분석을 실시한 결과 전반적으로 대 부분의 인자에서 낮은 상관성을 보였다. 하지만 연평균 강수 량(mm), days Above 32C에서는 포장수명에 상관성이 있는 것으로 나타났다.
3) 노후화 된 콘크리트 포장 위에 접착식 콘크리트 덧씌 우기를 적용한 구간에 대해서 수명을 비교한 결과로써 연속 철근콘크리트포장에 접착식 콘크리트 덧씌우기를 적용한 구 간이 평균 33년, 줄눈콘크리트포장에 접착식 콘크리트 덧씌 우기를 적용한 구간의 수명은 평균 26년으로 나타났다. 이 를 통해 연속철근콘크리트포장의 경우 철근의 구속으로 인 해 균열 폭의 변화가 적으며, 반사균열 및 부착에 유리함으 로 인해 줄눈콘크리트포장에 접착식 콘크리트 덧씌우기를 적용한 구간에 비해서 덧씌우기 수명이 길게 나타난 것으로 판단된다.
본 연구로써 접착식 콘크리트 덧씌우기 구간의 추정수명과 이에 대한 주요 영향인자를 확인할 수 있었다. 국내의 경우 접착식 콘크리트 덧씌우기가 현재 도입되는 시점으로써 산 업발달과 더불어 중차량 및 교통량 증가, 기후변화 등을 감 안할 때 약 20년 이상의 덧씌우기 수명을 확보할 수 있는 가에 대해서는 추가적인 검토가 필요하며, 국내의 노후화된 시멘트 콘크리트 포장에 접착식 콘크리트 덧씌우기 포장을 적용함에 있어 덧씌우기 수명과 영향인자에 대한 현장 적용 성을 검토 시 활용 될 수 있을 것으로 판단된다. 본 연구를 통해서 미국과 국내는 교통하중 및 환경영향에 대한 차이가 있으며, 기존 포장 층의 포장상태, 포장재료 및 시공방법 등 을 검토하고, 덧씌우기 수명에 대한 비교분석을 함께 병행함 으로써 이에 대한 추가적인 연구가 필요할 것으로 사료된다.
그림 16. 연속철근콘크리트포장 및 줄눈콘크리트포장에 적용된 접 착식 콘크리트 구간의 추정수명 비교
표 8. 포장상태지수를 통한 덧씌우기 수명 및 영향인자별 상관성 비교
덧씌우기 수명
영향인자 R2 P-value
덧씌우기층 두께(cm) 0.06 0.308
덧씌우기층 두께 + 기존PCC층(유효두께) 0.04 0.448 누적 교통량(ESAL×106) 0.02 0.609
복합지지력계수(MN/m3) 0.05 0.538
연평균 강수량(mm) 0.37 0.006
Freezing index(C-day) 0.18 0.067
days Above 32C 0.48 0.001
참고문헌
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(접수일: 2010.11.30/심사일: 2011.1.15/심사완료일: 2011.5.25)
