Performance Evaluation of Asphalt Pavement Reinforced with Glass Fiber Sheet Type of Geosynthetics

유리섬유시트 형태의 토목섬유로 보강된 아스팔트 포장의 공용성 평가

Performance Evaluation of Asphalt Pavement Reinforced with Glass Fiber Sheet Type of Geosynthetics

조 삼 덕

Cho, Sam-Deok 이 대 영

* Lee, Dae-Young

ABSTRACT

This paper presents the performance evaluation of asphalt pavement reinforced with fiber sheet type of geosynthetics and observations conducted to evaluate the practical efficiencies and performance of overlay asphalt pavement reinforced with geosynthetics. In this study, performance evaluation were performed for the six section of construction site. The performance indcators of asphalt pavement reinforced with geosynthetics has been collected Automatic Road Analyzer (ARAN), Falling Weight Deflectometer (FWD) and have been analyzed for rutting, cracking ratio, falling weight and international roughness index. As a result of performance evaluations, geosynthetics reinforced asphalt pavement is sigficant effect on increasing a cracking resistance than the non -reinfroced asphalt pavement, also rutting and crak is slowly increase as incerasingly perfor- mance period.

요 지

본 논문에서는 유리섬유시트 형태의 토목섬유로 보강된 아스팔트 포장의 내구성 증진효과와 공용성 평가를 위해 덧씌우기 시험시공 구간의 장기 추적조사를 수행 수행하였다. 토목섬유 보강 아스팔트 포장의 보강효과를 비교하기 위해 개질아스팔트 와 일반아스팔트 구간 및 토목섬유 보강 구간 등 6개 구간으로 구분하여 공용성 평가를 수행하였다. 공용성 평가를 위한 평가항목으로 소성변형, 균열율, 처짐량, 종단평탄성을 조사하였다. 공용성 평가를 위한 조사장비로 ARAN과 FWD를 이용하 였으며, 또한 육안조사를 통해 시험시공 포장면의 균열발생과 변형상태 조사를 조사를 수행하였다. 추적조사결과, 토목섬유 보강 아스팔트는 토목섬유를 보강하지 않은 아스팔트 포장에 비해 균열저항성이 우수하며 공용기간이 증가함에 따라 소성변 형과 균열이 서서히 증가하는 것을 알 수 있다.

Keywords : Geosynthetics-reinforced asphalt pavement, Performance, Overlay, Rutting, Cracking, Deflection 한국토목섬유학회논문집 제10권 3호 2011년 9월 pp. 1 ∼ 8

J. Korean Geosynthetics Society Vol.10 No.3 September. 2011 pp. 1 ~ 8

1 정회원, 한국건설기술연구원 지반공학연구실 선임연구위원 (Member, Research Fellow, Geotechnical Engrg Division, KICT.)

2* 정회원, 한국건설기술연구원 지반공학연구실 수석연구원 (Member, Senior Researcher, Geotechnical Engrg Division, KICT. E-mail: [email protected])

1. 서 론

1990 년대 이후 산업시설 확충과 물량 증가로 인한 교통 량 증가와 더불어 차량하중의 중량화, 기후변화에 따른 환 경변화로 인해 도로포장의 파손이 광범위하게 발생되고 있다. 아스팔트 포장은 기존 일반국도 포장의 대부분을 차 지하고 있으며 고속국도의 60%를 차지하고 있다(구한모, 2002). 도로포장 파손에 영향을 미치는 원인으로는 소성

변형(rutting), 피로균열(fatigue cracking) 반사균열(reflec- tion cracking), 온도균열(temperature cracking) 등이 있다.

이로인해 도로포장은 설계수명에 도달하기 이전에 유지보 수가 실시되어야 하는 경우가 많다(한국도로공사, 1999).

최근들어서는 도로포장의 수명연장 및 유지보수 예산의

절감을 위한 연구사업의 일환으로 포장분야에서 장기공용

성 평가 연구가 활발히 진행되고 있다. 도로 포장의 공용

성 평가는 실내시험, 포장가속기시험 및 현장시험시공을

그림 1. 시험시공 구간 포장 단면

일반 아스팔트 국산유리섬유

복합포 [8]

일반 아스팔트 국산유리섬유

복합포 [7]

일반 아스팔트 유리섬유시트[10]

일반 아스팔트 유리섬유시트 [9]

일반 아스팔트 기준구간 [12]

일반 아스팔트 기준구간 [11]

개질 아스팔트 기준구간 [2]

개질 아스팔트 기준구간 [1]

개질 아스팔트 유리섬유시트 [4]

개질 아스팔트 유리섬유시트 [3]

개질 아스팔트 국산 유리섬유

복합포 [6]

개질 아스팔트 국산 유리섬유

복합포 [5]

중앙선

100m 100m 100m 100m

율암교 방향 구룡 삼거리 방향

100m 100m

일반 아스팔트 국산유리섬유

복합포 [8]

일반 아스팔트 국산유리섬유

복합포 [7]

일반 아스팔트 유리섬유시트[10]

일반 아스팔트 유리섬유시트 [9]

일반 아스팔트 기준구간 [12]

일반 아스팔트 기준구간 [11]

개질 아스팔트 기준구간 [2]

개질 아스팔트 기준구간 [1]

개질 아스팔트 유리섬유시트 [4]

개질 아스팔트 유리섬유시트 [3]

개질 아스팔트 국산 유리섬유

복합포 [6]

개질 아스팔트 국산 유리섬유

복합포 [5]

중앙선

100m 100m 100m 100m

율암교 방향 구룡 삼거리 방향

100m 100m

그림 2. 시험포장구간 평면도 통한 추적조사등을 통해 아스팔트 포장의 주요 손상과 그

변화를 분석하여 도로포장의 공용수명을 예측하고 공용수 명을 연장시키기 위해 수행된다. 현재 국내 및 해외에서는 도로의 내구성을 증진시키기 위한 연구 및 대책이 마련되 고 있다. 특히 토목섬유를 이용한 도로포장은 피로균열이 나 반사균열 억제에 그 효과가 클 뿐만 아니라 도로 기층 부의 소성변형을 감소시키는 공학적 장점을 가지고 있다 (Bayex, 1998; Gilchrist et al., 1994; Kutuk, 1998; 한국건 설기술연구원, 2003). 도로포장의 내구성을 증진시키기 위한 연구로서, 다양한 실내시험 및 시험시공을 통한 현장 공용성 평가가 이루어지고 있으며, 국내에서는 한국건설 기술연구원(2003)에서 토목섬유를 이용한 아스팔트 포장 연구가 수행되었다. 조삼덕 등(2001)은 실내시험을 통해 유리섬유 아스팔트 포장의 균열저항성 평가를 수행하여 토목섬유 보강 효과를 고찰하였으며, 이대영 등(2002)은 유리섬유 시트 아스팔트 시험시공 및 초기 공용성 평가를 수행하였다. 여현동 등(2010)은 섬유보강 아스팔트 포장 시험시공 구간의 초기 공용성 평가를 수행하여 섬유보강 아스팔트 포장은 일반 또는 개질아스팔트 포장에 비해 소 성변형 저항성이 크고 종단평탄성이 증가되는 효과가 있 다고 보고하였다. Ling and Liu(2001)은 실내모형실험을 통해 지오그리드 보강 아스팔트 포장의 파괴모드, 정･동 하중 재하에 따른 지오그리드 아스팔트 포장의 보강 효과 에 대한 연구를 수행하였다. 이러한 연구는 대부분 실내시 험 및 초기 공용성 평가를 위한 연구로 장기 공용성 평가 와 사후 관측에 대한 연구가 부족한 실정이다.

본 논문에서는 2002년 국도 덧씌우기 구간에 시공된 토 목섬유 보강 시험포장면을 대상으로 장기적인 추적조사를 통해 포장면의 소성변형, 균열율 등을 분석하였으며, 이를 토대로 토목섬유 아스팔트 포장의 장기 공용성 평가를 수 행하였다.

2. 시험시공구간 현장조사 2.1 시험현장 및 포장조건

토목섬유 아스팔트 포장의 시공성과 공용성 평가를 위

해 국도상의 덧씌우기 아스팔트 포장구간에 토목섬유 아

스팔트 포장의 시험시공을 수행하였다. 본 시험시공 구간

은 충남 부여군 구룡면 금사리 지내 국도 40호선(율암교

- 구룡삼거리 방향 )으로 덧씌우기 포장이 예정된 구간이

다. 시험시공 구간은 보강재 및 아스팔트 종류에 따라 각

단면별 100m씩 총연장 600m를 선정하였으며, 기존 노후

도로표면을 5cm 절삭한 후 토목섬유를 부착하고 5cm 두

께의 표층을 덧씌우기 하였다. 포장단면은 그림 1에서 보

는바와 같이 5cm 표층과 토목섬유, 중간층, 기층, 보조기

층과 동상방지층으로 하부지층을 구성하고 있다. 토목섬

유는 유리섬유시트와 유리섬유복합포를 사용하였으며, 아

스팔트는 일반아스팔트(AP-5)와 소성변형에 효과가 있는

개질아스팔트(SBS) 두 종류를 사용하여 토목섬유 보강과

아스팔트 재료에 따른 공용성을 비교하였다. 그림 2에서

는 본 시험포장 구간에 사용된 토목섬유와 아스팔트 종류

에 따른 시험시공 구간을 나타내고 있다.

유리섬유 규사 아스팔트

아스팔트 규사

우레탄 코팅된 유리섬유사

그림 3. 유리섬유시트 그림 4. 유리섬유복합포

표 1. 실험대상 토목섬유의 공학적 특성

항목 내용 유리섬유 시트 유리섬유복합포

보강사 재질 유리섬유 유리섬유

보강직포

두께 0.25mm 0.2mm

직조(배열)형태 직선상으로 간격없이배치,

직교상으로 적층 평직

아스팔트 연화온도 110 120

점도 6Pa･s 10Pa･s

인장특성 최대인장강도 68kN/m 53kN/m

최대인장변형율 2.0% 2.2%

2.2 아스팔트 포장용 토목섬유

시험포장에 사용된 토목섬유는 두께 0.25mm의 유리섬 유사를 직선상으로 간격없이 배열하고 폴리프로필렌 수지 (PP resin) 로 결속한 얇은 막을 직교하도록 적층시킨 후 아스팔트로 도포하여 제조한 두께 2.0mm의 유리섬유 시 트(glass fiber sheet)(그림 3 참조)와 유리섬유 직포를 아 스팔트로 도포하여 제조한 두께 2.0mm의 유리섬유복합포 ( 그림 4 참조) 두 가지 제품을 사용하였다. 토목섬유를 포 장면에 부착시키기 위해 침입도 20～40 범위의 개질 아스 팔트 제품인 아스팔트 콤파운드를 사용하였다. 또한 아스 팔트 택코팅재료는 개질 아스팔트를 유기용제로 40～

50% 희석한 제품을 사용하였다. 표 1은 본 시험시공에 사 용된 토목섬유의 공학적 특성을 나타내고 있다.

2.3 토목섬유 아스팔트 포장 시공방법

토목섬유 아스팔트 포장의 내구성 증진 및 최적의 공용 성을 얻기 위해서는 토목섬유의 정확한 설치와 아스팔트 택코팅의 적용성 평가가 중요하다(Barazone, 2000). 토목 섬유 부착시 구겨짐과 적합하지 않은 택코팅 적용은 포장

면내의 공극과 아스팔트 바인더의 혼합 및 부착에 영향을 미치게 됨에 따라 토목섬유 아스팔트 포장의 가장 일반적 인 문제점을 발생시키는 원인이 된다(Maurer and Mara- sheskie, 1989). 따라서 토목섬유 아스팔트 포장의 내구성 증진을 위해서는 시공시 토목섬유의 부착과 적합한 택코 팅제의 적용을 통한 현장품질관리가 중요하며 본 연구에 서는 다음과 같이 시공을 수행하였다(그림5 참조)

(1) 대상 시험시공 덧씌우기 구간의 절삭은 기존표층에 서 발생된 균열과 소성변형의 보수 및 진전 예방차 원에서 평삭기로 5cm 절삭을 실시하였다. 기존 포 장면 절삭 후 교통개방 등으로 발생하는 탈리된 골 재와 먼지를 송풍기, 빗자루 등을 이용하여 제거하 고, 기존 표층 절삭면과 그 위에 부착하는 토목섬유 와의 부착성을 좋게 하기 위해 절삭면에 택코팅을 실시하였다.

(2) 절삭면에 토목섬유의 부착을 위해 230～260℃로

가열된 아스팔트 콤파운드를 사용하며, 롤 상태의

토목섬유 시트를 풀어서 위치를 결정한 후 시트의

겹침방향이 틀리지 않도록 하였다. 시트의 겹침폭

은 10cm로 하고 구김이 발생하지 않도록 평평하게

(a) 포장 절삭면 택코팅 (b) 토목섬유시트 부착

(c) 토목섬유 부착완료 (d) 아스콘 포설 및 다짐

그림 5. 토목섬유 아스팔트 포장 시험시공

위치하도록 한 후 풀어진 시트의 단부로부터 되감 았다. 용해된 아스팔트 콤파운드를 균일하게 살포 하면서 시트를 풀어 설치하고, 시트에 미접착 부분 이나 주름이 발생하지 않도록 시트의 단부까지 아 스팔트가 충진되도록 하였다. 토목섬유 시트를 부 착 후 좌우 시트의 겹침 시공 부위의 아스팔트 콤파 운드를 스크레이퍼로 마감하였다.다. 토목섬유 부 착 후 부착불량부분은 ×로 절개후 콤파운드를 주입 하고 토목섬유를 덧붙여 보수작업을 실시하였다.

(3) 본 시험포장에 사용된 아스팔트는 AP-5(침입도 60-80) 와 SBS(Styrene-butadiene-styrene)를 혼합한 개질아스팔트로서, 표층포장 작업은 일반적인 아스 팔트 포장의 시공방법에 따라 수행하였다. 토목섬 유를 이용한 덧씌우기 시공시공 후 100m씩 6개 구 간을 구별하기 위하여 구간 경계선 노견에 도로용 페인트로 구분을 하였고, 총 시험시공 연장 600m의 시점과 종점에 시험시공 표지판을 설치하였다.

3. 시험시공구간 추적조사

시험시공구간의 비교평가를 위해 덧씌우기 포장 전의 도로에 대해 소성변형과 처짐량 평가를 측정하였으며, 시 험시공 후 2003년 3월에서 2010년 1월에 걸쳐 총 4회 추 적조사를 수행하였다. 계측 항목으로는 아스팔트 포장의 소성변형(rutting), 처짐량(FWD), 평탄성(IRI), 균열도를 측정하였다. 조사장비로는 각 구간 주변 현황과 포장 결함 상황을 자동으로 측정하는 노면 상태 조사장비(Automatic Road Analyzer, ARAN) 와 포장구조진단기(Falling Weight Deflectometer, FWD) 를 이용하여 공용성 평가를 수행하 였다(그림 6 참조). 표 2는 시험시공조사구간의 포장형식 과 조사항목을 보여주고 있다.

ARAN 의 조사기능은 포장 균열길이 및 폭, 바퀴자국깊

이(소성변형) 및 종단평탄성(International Roughness Index,

IRI) 등의 노면 상태조사 기능, 조사구간의 전경을 비디오

로 기록 이를 이용하여 자료를 분석할 수 있는 기능이 있

(a) 포장노면조사장비(ARAN) (b) 포장구조진단장비(FWD) 그림 6. 아스팔트 포장 공용성 조사 장비

표 2. 시험시공 구간 조사항목

조사구간 포장형식 조사항목

2003. 1 2003. 9 2005. 9 2010. 9 Section 1 개질아스팔트(SBS)

소성변형 처짐량

균열율 소성변형 처짐량

균열율 소성변형 균열율

처짐량 종단평탄성 소성변형 균열율 처짐량 종단평탄성 Section 2 개질아스팔트+유리섬유시트(SBS_GS)

Section 3 개질아스팔트+유리섬유복합포(SBS_GM) Section 4 일반아스팔트+유리섬유복합포(AP-5_GM) Section 5 일반아스팔트+유리섬유시트(AP-5_GS) Section 6 일반아스팔트(AP-5)

다. 본 연구에서는 ARAN을 이용하여 시험시공 구간의 균 열, 소성변형, 종단평탄성을 측정하였다. FWD는 포장하 부 지지력 변화를 비파괴 방식에 의해 도로포장의 구조적 능력을 측정할 수 있는 가장 효율적인 장비로 도로포장의 처짐량을 측정하는 기능이 있다. 그림 6은 본 연구에 사용 된 조사장비를 보여주고 있다. 조사대상 구간의 경우 토목 섬유 아스팔트 포장 전인 2002년 10월 소성변형과 처짐량 에 대한 조사를 수행하였다. 시험시공구간의 1차조사는 시공후 약 3개월 후인 2003년 3월에 수행하였으며, 2차 조사는 2003년 9월, 3차조사는 2005년 9월, 4차조사는 시 험시공 후 약 7년째인 2010년 1월에 수행하였다. 총 연장 600m 시험포장 구간은 포장형식에 따라 6개의 구간으로 구분하여 각 구간의 균열도, 소성변형, 종단 평탄성, 처짐 량의 자료를 획득하였으며, 구간별 측정치의 평균값을 구 해 비교 분석하였다.

4. 결과 분석 및 고찰 4.1 소성변형(rutting)

시험시공 구간의 소성변형 측정은 시험시공 후 2003년

1 월부터 2010년 9월까지 총 4회에 걸쳐 수행되었다. 아스 팔트 표층의 소성변형은 1, 2차로에서 모두 측정하였으나 중차량이 주로 통행하여 손상이 크게 발생한 2차로를 중심 으로 분석하였다. 그림 7은 포장형식 단면별로 공용기간에 따른 아스팔트 표층의 소성변형량을 나타내고 있다. 시험시 공 직후 9개월까지는 포장형식과 토목섬유 포설 여부에 상 관없이 소성변형이 거의 발생하지 않았으며, 33개월 공용 후에(2005년 9월) 소성변형이 최대 3mm 발생하였고, 85개 월 공용 후(2010년 1월) 측정시 최대 4.45mm의 소성변형 이 발생하였다. 2010년 1월 측정결과를 살펴보면, 시험시공 구간 전체적으로 소성변형은 2.87mm에서 4. 45mm 범위내 에서 발생하였으며, 일반적인 예상과는 다르게 유리섬유복 합포를 사용한 구간에서의 소성변형이 상대적으로 크게 발 생하는 등 개질아스팔트 사용 및 토목섬유 보강에 따른 소 성변형 억제효과는 나타나지 않았다. 이러한 현상은 겨울철 시공에 다른 아스팔트 재료의 시공품질 미흡 및 토목섬유 보강재의 부착력 악화 등에 기인된 것으로 사료된다.

4.2 균열(cracking)

아스팔트 포장의 균열은 온도 강하에 의한 수축 및 반사

그림 7. 공용기간에 따른 시험시공구간 소성변형량 변화 그림 8. 공용기간 따른 시험시공구간 균열율 변화

(a) Section 3(SBS+GM) (b) Section 6(AP-5)

그림 9. 시험시공구간 균열모습(2010. 1월 측정)

균열, 동결융해에 의해 발생하는 횡방향균열과 지지력 부 족 및 반복하중과 배수불량에 의한 거북등균열 등이 있다.

균열율은 아스팔트 포장도로에서 대상 면적에 대한 균열 발생 면적의 비율로써, 도로포장의 파손 원인중의 하나인 균열발생 정도를 나타내며 균열율을 이용하여 덧씌우기 및 유지보수의 지표로 사용한다. 그림 8은 포장형식 단면 별 표층의 균열율 변화를 나타내고 있다. 시험시공 직후 9 개월이 지난 2003년 9월 측정에서는 포장형식과 토목섬 유 포설 여부에 상관없이 균열이 발생하지 않은 것을 알 수 있다. 시공후 33개월이 지난 2005년 9월 측정에서는 균열율이 0.1% ～ 2.84 %로 측정되었으며 공용기간 85개 월이 지난 2010년 1월 측정에서는 균열율이 1.11% ～18.2

% 로 크게 증가하였다. 이러한 원인으로는 반사균열에 가 장 큰 영향을 미치는 인자로 알려진 환경요인과 공용기간

이 길어짐에 따른 교통하중의 증가로 인한 것으로 판단된 다. 2010년 1월 측정결과를 통해, 토목섬유로 보강하지 않 은 일반아스팔트와 개질아스팔트 기준구간의 균열율은 18.

12% 와 14.48%로 유리섬유시트와 유리섬유복합포로 보강

한 구간의 균열율 1.11%～9.38%에 비해 균열이 많이 발

생한 것을 알 수 있다. 동일한 조건의 아스팔트 포장에서

토목섬유 보강에 따른 균열저항 효과를 산정해 보면, 유리

섬유시트는 약 1.5∼4.0배, 유리섬유복합포는 2.75∼13.0

배의 균열저항성 향상효과를 보여준다. 이러한 결과는 유

리섬유가 낮은 열변형율, 높은 인장강도 및 탄성계수를 가

짐으로써 인장력에 의한 반사균열 억제에 탁월한 효과를

보인다고 보고한 연구결과(한상기 등, 2003)와 잘 일치하

는 것을 알 수 있다. 그림 9는 2010년 1월에 시험시공 구

간의 육안조사를 통한 아스팔트 포장면의 균열 발생 사진

그림 10. 공용기간에 따른 시험시공구간 처짐량(FWD) 비교

을 보여주고 있다. 그림 9(a)는 개질아스팔트에 유리섬유 복합포를 포설한 구간의 포장면을 보여주고 있는데 균열 이 거의 발생하지 않았으며, 그림 9(b)는 일반아스팔트 구 간에서 종방향 반사균열이 발생한 포장면을 보여주고 있 다. 이러한 결과를 통해 표층면 하부에 부착된 토목섬유가 하중을 분산시키고 균열에 저항함으로써 균열이 토목섬유 가 부착되어진 부근에서 더 이상 진전되지 않고 피로하중 에 잘 대응하는 것을 알 수 있다.

4.3 처짐량

그림 10은 시험시공구간의 단면별 포장면의 처짐을 비 교한 결과를 나타내고 있다. 시험시공후 33개월이 경과된 2005 년 9월 측정시까지 처짐량은 각 단면별 0.2mm∼0.34 mm 이내로 토목섬유 보강 여부에 상관없이 처짐이 작게 발생하였으나, 2010년 1월(공용기간 85개월) 측정시 처짐 량은 단면별 2.87mm∼4mm로 크게 나타났다. 2010년 1 월 측정결과를 살펴보면, 4.1절의 소성변형 결과와 유사하 게 유리섬유 복합포를 사용한 구간에서의 처짐량이 상대 적으로 크게 발생하는 등 개질아스팔트 사용 및 토목섬유 보강에 따른 처짐량 억제효과는 나타나지 않았다.

5. 결 론

본 연구에서는 토목섬유 보강 아스팔트 포장 시험시공 구간의 공용성 평가를 위해 일정 공용기간이 경과한 후에

소성변형, 균열율, 처짐량을 측정하고 비교 분석하였다.

또한 육안관찰과 각 구간별 포장형태에 따른 추적조사를 수행하여 토목섬유 보강에 따른 시험시공 구간의 단면별 내구성 증진 효과를 고찰하였다. 본 연구의 결과를 요약하 면 다음과 같다.

(1) 시험시공구간의 소성변형은 시험시공 직후 9개월 까지 포장형식과 토목섬유 포설 여부에 상관없이 소성변형이 거의 발생하지 않았으나, 공용기간 85 개월 후에는 소성변형이 2.87mm∼4.45mm 범위내 에서 발생하였다. 또한, 개질아스팔트 사용 및 토목 섬유 보강에 따른 소성변형 억제효과는 나타나지 않았다.

(2) 동일한 조건의 아스팔트 포장에서 토목섬유 보강에 따른 균열저항 효과를 산정해 보면, 유리섬유 시트 는 약 1.5∼4.0배, 유리섬유복합포는 2.75∼13.0배 의 균열저항성 향상효과를 보여준다. 이러한 결과 를 통해 표층면 하부의 부착된 토목섬유가 하중을 분산시키고 균열에 저항함으로써 피로하중에 잘 대 응하는 것을 알 수 있다.

(3) 공용기간 33개월 까지는 시험시공 구간의 처짐량이 전체적으로 0.34mm 이하로 매우 작게 발생했으나, 공용기간 85개월이 지난 시점에서는 4mm 까지 발 생하였으며, 소성변형 결과와 유사하게 개질아스팔 트 사용 및 토목섬유 보강에 따른 처짐량 억제효과 는 나타나지 않았다.

감사의 글

본 연구는 건설교통부 ’99 건실기술혁신사업 지원으로 수행되었으며, 이에 깊은 감사를 드립니다.

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( 논문접수일 2011. 7. 14, 심사완료일 2011. 9. 1)