Technical Notes

Journal of the Korean Asphalt Institute. 31 December 2019. 145-157
https://doi.org/10.22702/jkai.2019.9.2.009

ABSTRACT


MAIN

  • 1. 서 론

  • 2. 반사균열(Reflection Crack)

  •   2.1 반사균열 발생

  •   2.2 반사균열 억제공법

  • 3. 국내 및 국외 반사균열 억제공법 시공 현황

  •   3.1 반사균열 억제공법 국내 적용구간

  •   3.2 반사균열 억제공법 국외 적용구간

  • 4. 추적조사

  •   4.1 중부고속도로 273.68 K~273.83 K 구간

  •   4.2 Nagoya city road Otsu-dori, Kita-ward, Nagoya city 구간

  • 5. 결 론

1. 서 론

국내 시멘트 콘크리트포장도로는 1970년대 말부터 석유파동으로 인한 고가의 아스팔트 대용으로 고속도로를 중심으로 지속적으로 증가해 왔다. 콘크리트포장은 시공성과 유지관리면에서 아스팔트포장에 비해 양호하지 않으나, 내구성이 아스팔트포장보다 우수하고 중차량에 대한 지지력이 뛰어난 장점을 가지고 있으며, 파손이 발생할 경우 보수에 어려움이 따르고 유지보수비용이 많이 드는 단점이 있다.

2018년 12월 기준으로 전국고속도로의 연장은 약 4,700 km이며 이중 시멘트 콘크리트포장 연장은 약3,180 km, 아스팔트 콘크리트포장 1,520 km로 시멘트 콘크리트 포장이 전체연장의 68%에 해당한다. 이는 앞으로 고속도로를 개량해야 하는 시멘트 콘크리트 포장의 연장이 증가(Fig. 1)하고 있음을 의미한다.

노후 콘크리트 포장은 공용기간이 길어지면 길수록 노후화 정도가 빠르게 진행이 되기 때문에 성능유지를 위한 보수비용도 그만큼 증가하게 되며, 현재 고속도로의 공용기간이 늘어남에 따라 기존 포장면에 대한 보수 필요성이 급증하고 있는 추세이다. 일반적으로 노후 콘크리트 포장의 효율적인 보수공법으로 아스팔트 덧씌우기 포장공법이 보편적인 방법인데 이 경우 콘크리트포장의 균열이나 줄눈에 의한 반사균열은 포장보강의 공용성 및 수명을 저해하는 가장 큰 요인이다. 따라서 본 연구에서는 반사균열의 발생원인을 살펴보고, 그동안 적용되고 연구되어진 반사균열억제를 위한 응력흡수층(SAMI:Stress Absorbing Membrane Interlayer)공법 및 새롭게 제안된 EXTEND SAMI공법에 대한 사용재료와 시험시공사례를 조사분석하여 반사균열억제를 위한 최신방법에 대하여 고찰(考察)하고자 한다.

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Fig. 1.

Deterioration of Concrete Pavement on Major Highway (Kwon, 2018)

2. 반사균열(Reflection Crack)

반사균열이란 아스팔트 덧씌우기를 실시한 후 기존 콘크리트 포장층의 줄눈이나 균열이 표면에 반사되어 상부층에 나타나는 현상이며, 주로 기존 포장의 균열이나 조인트의 패턴에 따라 환경적 요인 또는 교통하중에 의해 덧씌우기층 표면에 균열로 나타나는 현상이다(Hu et al., 2010). 반사균열은 표면수의 침투 경로가 되어 포장의 연속성을 파괴하고 이에 따라 포장의 강도가 저하하면서 단면전체에 대한 사용성을 크게 떨어뜨려 주행성 및 승차감을 저하시키는 원인이 된다(Kim, 2012). 반사균열에 대한 전반적인 모식도는 아래 Fig. 2와 같다.

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Fig. 2.

Reflection Crack Mimetic Diagram (Park et al., 2006)

2.1 반사균열 발생

반사균열의 가장 큰 원인은 계절별 온도 및 습도 변화에 따른 기존 시멘트 콘크리트 슬래브의 수축·팽창에 의한 슬래브의 수직 및 수평 거동에 의하여 발생하고 있다(Monismith and Coetzee, 1980; Courard and Rigo, 1993). 또한 교통하중 및 지반운동, 다량의 점토질을 함유한 노상토에서 수분 부족으로 인해 발생하는 경우도 있다(Park et al., 2006).

Lytton(1989)은 기존 포장의 균열 바로 위를 가로지르는 윤하중 및 콘크리트 포장의 컬링(Curling)은 아스팔트층 바닥에 수직방향으로 전단응력을 야기하여 균열을 유발한다고 주장하였다.

Francken et al.(1993)은 반사균열과 관련하여 덧씌우기 층의 균열 발생은 덧씌우기 층의 온도응력, 불연속 지점의 응역 집중, 콘크리트층의 온도에 따른 거동에 의해 이루어진다고 주장하였다. 또한, 덧씌우기 층에서 가장 우선적으로 고려해야하는 것은 아스팔트층이 충분한 인장응력 저항성을 갖도록 설계하는 것이라고 주장하였고 동절기에 낮은 인장응력 저항성으로 인한 파손위험이 높다고 하였다.

Lee et al.(2009)은 노후 콘크리트 포장 위의 덧씌우기 구간에서는 반사균열부와 다짐부족으로 우수가 침투되고, 슬래브 내 침투수와 염화물 침투로 인하여 포장파손이 발생되는 것을 언급하였다. 또한 파손부를 동질의 재료를 보수하지 않고 상온 아스콘 등으로 패칭으로 보수 후 덧씌우기 할 경우 Fig. 3과 같이 슬래브의 파손이 아스팔트 포장까지 진전되는 것을 언급하였다.

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Fig. 3.

Pavement Be Damage on Aged Concrete Pavement Overlay Section (Lee et al.(2009))

2.2 반사균열 억제공법

아스팔트 덧씌우기 포장에서 발생하는 반사균열을 억제하기 위하여 균열 및 안치(Crack & seat) 공법, 줄눈 절단 및 실링 공법(saw & sealíng), Rubberizing 공법, 응력 완화층의 설치, 포장섬유 설치 등 다양한 방법이 시도되어 왔다(David and Curtis, 1996; AASHTO, 1993; Osseiran, 1987; Doliez and Coppens, 1996; O'Faraell, 1996; Molenaar and Potter, 1997). 다양한 반사균열 억제 공법중 충격흡수층(Cushion Course)설치공법, 고탄성 응력흡수 중간층 설치공법, SAMI(Stress Absorbing Membrane Interlayer)공법에 대하여 간략히 기술하고자 한다.

Table 1. Reflection Crack Control Representative Method

Cushion Course Highly elastic Stress Absorbing
Membrane Interlayer
Stress Absorbing Membrane Interlayer
∙Reduces horizontal movement of slabs
due to protection of existing
Pavements and changes in temperature
∙Tensile stress generated at the crack of
the existing Pavements is exhausted to
some extent through the shock absorbing
layer and then transferred to
the upper overlay layer.
∙A relatively thick Cushion Course (2.5 cm)
improves the Pavements structural
capacity, reducing vertical
movement caused by traffic loads.
∙Delay early crack and extend life
∙Delay in reflective cracks by three to
five years over existing asphalt
overlay
∙Protects pavement from water damage
(impervious materials)
∙Recyclable and easy milling
∙Production and construction methods
are the same as general asphalt
(using existing equipment).
∙Saving of Construction period
(Minimum Traffic congestion and
Us er convenience)
∙Mitigate stress and deformation on
the lower floor by filling cracks or
damage to the joints on
the existing pavement.
∙Reduced shear stress between
pavement layers by separating lower
and upper layers
∙Acts as a stress assisting system
between pavements,
reducing shear strength between pavements

2.2.1 충격흡수층(Cushion Course) 설치

이 방법은 기존 포장체와 덧씌우기층 사이에 충격흡수층(Cushion Course)을 설치하여 반사균열을 억제하는 방법으로 두께는 25 mm 이상으로 수평 및 수직이동에 따른 반사균열을 억제할 수 있는 공법이다(Korea Expressway Corporation, 1999, 2000). 일반적으로 조립도의 개립도 아스팔트 혼합물을 충격흡수층(Cushion Course)으로 사용하고 밀입도 덧씌우기를 실시한다.

Johnson(1966) 등은 개립도 아스팔트 혼합물층을, Coppel and Oeheler(1968)는 반사균열을 최소화하기 위한 방법으로 천연 골재를 충격흡수층으로 사용하는 방법을 제시하였는데 두께를 10 cm에서 15 cm 로 하여 반사균열을 효과적으로 억제하였다고 보고하고 있다.

충격흡수층(Cushion Course) 역시 문제점을 가지고 있는데 이는 물과 관계되는 문제로 물이 침투하면 박리가 생겨 초기에 파손될 위험이 있다. 이를 방지하기 위해서는 소석회를 첨가하는 등의 박리방지대책을 강구하는 것이 바람직하다. 또한 Cushion Course가 기존 층과 덧씌우기 층 사이에 물을 수용하는 역할을 하기 때문에 동절기에 동결 피해를 증가시킬 수 있다.

2.2.2 고탄성 응력흡수 중간층

고탄성 응력흡수 중간층 혼합물은 고탄성이며 불투수성의 아스팔트 혼합물로 구성되어 있고, 높은 아스팔트함량의 폴리머 개질 아스팔트 바인더로 구성되어 있다. 고탄성 응력흡수 중간층 혼합물은 노후 콘크리트 포장과 아스팔트 덧씌우기 층 사이에 설치하여 교통하중에 의해 집중되는 응력을 흡수 및 분산시키고 균열의 생성 및 진전을 억제하여 포장의 초기 균열을 지연시키며 일반적인 아스팔트 덧씌우기 포장에 비해 반사균열을 수년간 지연시키고 있다.

고탄성 응력흡수 중간층 혼합물은 하부에 위치한 콘크리트 포장의 수평 및 수직방향의 상대변위를 흡수하여 상부 덧씌우기층으로 전달되는 상대 변위량을 줄여주는 목적으로 사용되며 통상적으로 약 25 mm(±5 mm)의 두께로 설치된다.

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Fig. 4.

Highly elastic Stress Absorbing Membrane Interlayer Cross-section (Park et al., 2006)

2.2.3 응력흡수층(SAMI:Stress Absorbing Membrane Interlayer)

이 공법은 표면처리 공법 중 하나인 chip seal과 유사하다. 사용되는 재료로는 고무계열 아스팔트 또는 개질 유화 아스팔트 등이 있다. 특히 고무계열 아스팔트의 경우 고무의 감온성을 이용하여 하부층에서 발생하는 응력을 흡수하는 층으로 사용된다.

SAMI는 기존 노면에 발생되어 있는 균열 또는 줄눈부의 파손을 채워줌으로써 또한 기존 덧씌우기 포장은 하부층 균열 발생 후 상부로 인장응력을 전달하지만 SAMI 공법의 적용으로 하부층 발생응력을 상부층과 독립시켜 포장 층간 전단응력을 감소시키고 포장층간 응력-보조 시스템 역할을 수행하여 포장층 사이의 전단 강도를 감소시킬 수 있다(Ogundipe, 2012). 또한 SAMI 공법은 낮은 강성의 혼합물 층으로 발생 변형이 크므로 층간 에너지가 소산되어 균열 전달까지 상당한 시간이 소요된다. 빔 피로 시험결과 아스팔트 콘크리트 덧씌우기 포장간 응력흡수층 설치로 하부 균열 전진이 지연되며, SAMI 적용시 포장수명이 2.5~10년 증가하는 것으로 나타났다(Caltabiano, 1990). 그러나 국내에서는 아스팔트의 양생기간 소요와 시공 장비의 부족 등의 문제점을 가지고 있다. Fig. 5는 SAMI 공법 적용·미적용에 따라 발생하는 응력 분포를 나타낸 것이다.

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Fig. 5.

Stress Distribution According to Applying and Not Applied SAMI Method (McHale, 2015)

3. 국내 및 국외 반사균열 억제공법 시공 현황

현재까지 국내 및 국외 콘크리트 포장에 대한 아스팔트 덧씌우기에서는 특별한 반사균열 억제공법이 적용되지 않고 있다. 앞서 설명한 공법은 주로 시험시공에 의해 시도되고 있다. 본 장에서는 반사균열 억제공법이 적용된 국내·외 현장에 대하여 살펴보고자 한다.

Table 2. Domestic and Foreign Execution of Works Status

Separation Highly Elastic Stress Absorbing Membrane Interlayer
(Domestic)
EXTEND SAMI (Foreign)
Employer Korea Expressway Corporation Nagoya-city
Field location Jungbu Expressway 273.68 K to 273.83 K (150 m) Nagoya city road Otsu-dori, Kita-ward,
Nagoya city
Construction date September 13, 2005 June 29, 2015
Construction Company - TAIYU Kensetsu Co., Ltd.
Pavement layer cross section ∙PSMA : 5 cm
∙Highly elastic Stress Absorbing Membrane Interlayer :
3 cm
∙Porous asphalt : 5 cm ∙EXTEND SAMI : 1 cm

3.1 반사균열 억제공법 국내 적용구간

2005년 9월에 시공된 중부고속도로 273.68 K~273.83 K(150 m) 구간에 고탄성 응력흡수 중간층이 시공되었다. 콘크리트포장을 밀링 후 1층 포설은 고탄성 응력흡수 중간층을 적용하였고, 2층은 PSMA를 포설하였다. 최대골재크기는 10 mm, 아스팔트 함량 7.5%, 공극률은 0.5~2.5%을 적용하였으며 기존 포장을 밀링한 후 3 cm두께로 포설하였다. 시공시험 구간의 차량통행이 많은 관계로 작업이 야간에만 이루어져 시공관리가 어려운 편이였다. Fig. 6, Fig. 7은 고탄성 응력흡수 중간층 설치구간 및 시공사진을 정리한 것이다.

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Fig. 6.

Highly Elastic Stress Absorbing Membrane Interlayer Installation Section (Park et al., 2006)

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Fig. 7.

Highly Elastic Stress Absorbing Membrane Interlayer Construction Photograph (Kim, 2012)

3.2 반사균열 억제공법 국외 적용구간

2015년 6월에 시공된 Nagoya city road Otsu-dori, Kita-ward, Nagoya city 구간에 EXTEND SAMI 공법을 적용한 사례임. EXTEND SAMI공법은 콘크리트포장 밀링 후 특수 유화아스팔트를 살포후 사전에 미리 코팅된 골재를 분산시키고 분무 촉진제를 분사하여 중간층 1 cm을 시공 후 표층으로는 배수성포장을 포설하였다.

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Fig. 8.

Equipment and Conceptual Diagram for EXTEND SAMI (Taiyu Kensetsu Co., Ltd., 2019)

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Fig. 9.

EXTEND SAMI Construction Photograph (Taiyu Kensetsu Co., Ltd., 2019)

4. 추적조사

본 장에서는 국내·외 반사균열저감을 위한 시험시공 구간에 대한 추적조사를 실시하였으며, 조사방법은 노측조사를 기본으로 하였다.

Table 3. Accumulated Crack Generation Status for Each Construction Section (Kim, 2012; Taiyu Kensetsu Co., Ltd., 2019)

Investigation day Line and Construction Date Feb-06 April-06 Nov-06 Feb-07 Aug-11 Jun-18 Feb-19
Jungbu Expressway 273.68 K~273.83 K
(September 13, 2005)
1 locations 1 locations 2 locations 2 locations 10 locations - -
Nagoya city road Otsu-dori, Kita-ward, Nagoya city
(June 29, 2015)
- - - - - No crack 6 locations

4.1 중부고속도로 273.68 K~273.83 K 구간

육안조사결과 고탄성 응력흡수 중간층 구간(표층 PSMA)에서 1개의 균열이 발생하였으며, 균열은 Fig. 10와 같이 기존 콘크리트슬래브 포장의 줄눈부에서부터 발생한 것으로 전형적인 반사균열 형태로 생각된다.

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Fig. 10.

Crack Photography of the Highly Stress Absorbing Membrane Interlayer (Kim, 2012)

4.2 Nagoya city road Otsu-dori, Kita-ward, Nagoya city 구간

EXTEND SAMI 시공 후 3년이 지난시점에서 육안조사를 실시한 결과 Fig. 11과 같이 배수성아스팔트 표층에서는 균열을 찾아볼 수 없었다.

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Fig. 11.

EXTEND SAMI After 3 years (Taiyu Kensetsu Co., Ltd., 2019)

EXTEND SAMI 시공후 3년 6개월이 지난시점에서 2차 육안조사를 실시한 결과 Fig. 12와 같이 배수성아스팔트 표층에서는 횡방향으로 발생하는 반사균열이 발생하였다.

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Fig. 12.

EXTEND SAMI after 3 Years 6 Months (Taiyu Kensetsu Co., Ltd., 2019)

중부고속도로 273.68 K~273.83 K 구간 및 Nagoya city road Otsu-dori, Kita-ward, Nagoya city 구간 모두 종방향균열은 발생하지 않았으며, 횡방향 반사균열이 관측되었다. 이는 표층의 온도감소와 함께 교통하중에 의한 줄눈 부위에서의 과다한 휨응력이 발생하여 반사균열이 발생한 것으로 판단된다.

5. 결 론

국내 및 국외에서의 노후 콘크리트포장의 아스팔트 덧씌우기 모두 모든 줄눈 부위에서 반사균열이 발생하지 않고 일부 줄눈 부위에서 반사균열이 발생하는 것은 기존 콘크리트 슬래브의 Dowel Bar의 건전성 및 줄눈 부위 아래의 하부층의 파손상태 등과 같이 줄눈 부위 상태에 따라 다른 결과를 보여준다. 이는 반사균열 발생에 영향을 미치는 인자들을 사전에 확인하고 정량적으로 분석할 필요가 있을 것으로 판단되며, 위 경험을 바탕으로 다음과 같은 정보를 얻을 수 있었다.

(1) 횡방향 반사균열은 종방향 반사균열보다 발생하기가 쉬우며, 횡방향 균열이 먼저 발생하는 경향이 있다.

(2) 반사균열의 원인은 줄눈 부위에서 슬래브의 차등변위에 의한 온도와 전단력 감소에 의한 슬래브의 종방향 수축에 의해 발생한다.

(3) 반대로 종방향 줄눈 부위에서의 종방향 반사균열은 상대적으로 발생 할 확률은 낮다. 이는 횡단면에서 슬래브의 움직임이 작고 슬래브가 Dowel Bar에 의해 통합되어있기 때문이다.

국내·외에 적용된 대표적인 반사균열 억제 공법에 대한 추적조사를 실시한 결과 육안 관측조사 내용으로 결론을 유도하기에는 어려움이 따르나 국외의 시공사례의 EXTEND SAMI의 경우 포설두께 1 cm 시공으로 3년 동안 반사균열의 발생을 방지할 수 있다는 사실은 이 방법의 효과를 시사하며, 향후 재료 품질향상 및 두께 증가등 성능개선 등의 연구가 진행되어야 할 것으로 판단된다.

본 연구에서는 노후 콘크리트 포장의 문제를 해결하기 위해 국외에서 시공된 EXTEND SAMI의 시공사례를 소개하였으며, 향후 포장도로의 공용성을 증진 및 시공비용을 절감할 수 있는 다양한 공법의 조사분석 및 연구가 지속적으로 추진되어야 할 것으로 보인다.

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