1. 서 론
본격적인 콘크리트 포장의 효시라고 할 수 있는 중부 고속도로가 공용된 지 30년을 넘는 등 많은 콘크리트 포장들이 장기 공용으로 인한 노후화가 진행되고 있다. 콘크리트 포장의 유지 보수는 초기에는 부분 단면 보수를 실시하나 콘크리트 포장이 노후화되면서 아스콘 덧씌우기로 보수하고 있다.
콘크리트 포장의 덧씌우기는 덧씌우기 완료 후 바로 교통 개방을 하여야 하는 관계로 절삭 덧씌우기가 주로 시행되어 왔다. 그러나 절삭 덧씌우기의 경우에는 우수 침투 및 체수로 인한 부착력 저하로 하부 콘크리트의 열화 등이 발생되어 포트홀을 유발하는 등 덧씌우기의 수명을 단축시키는 원인이 되고 있다.
콘크리트 포장 절삭 덧씌우기 구간의 조기 파손을 방지하고 내구성을 증대시키기 위해서는 덧씌우기된 아스팔트 포장체 내부로 우수와 제설용 염화물이 침투되지 않도록 하여야 한다. 본 논문에서는 우수 및 제설용 염화물의 침투를 방지하기 위하여 콘크리트 포장 덧씌우기 시 하부층에 적용되는 수밀성 아스팔트 혼합물의 특성에 대하여 분석하고자 한다.
2. 콘크리트 포장 절삭 덧씌우기의 문제점
콘크리트 포장 위의 아스팔트 혼합물 덧씌우기는 주로 반사균열이 문제가 되어 왔다. 반사균열은 시간이 경과하면서 균열 주변에서 결함이 진전되므로 반사균열을 저감시키기 위하여 덧씌우기 두께를 증가시키는 방법을 사용하였다. 그렇지만 덧씌우기를 하게 되면 인접 차로의 단차 문제가 발생되고 중분대나 갓길 다이크를 인상해야 하는 문제가 발생된다. 이러한 문제로 인하여 콘크리트를 8~10 cm 정도의 깊이만큼 절삭한 후 아스팔트 혼합물 덧씌우기를 실시하는 절삭 덧씌우기를 주로 사용하게 되었다.
그러나 절삭 덧씌우기를 할 경우 Fig. 1과 같이 우수 침투 및 침투수 체류로 인한 층간 부착력 저하로 콘크리트 열화 등이 발생되어 포트홀 및 백태를 유발하는 등 덧씌우기의 수명을 단축시키는 원인이 되고 있다.
절삭 덧씌우기의 경우 Fig. 2와 같이 기존 콘크리트가 소위 ‘Bathtub(욕조)’상태(AASHTO, 1993)에 놓일 가능성이 높은데, 이 경우 덧씌우기 포장과 기존 콘크리트의 경계면으로 침투된 침투수가 빠져나가지 못하는 상태에 놓이게 된다. 이렇게 되면 체류수의 동결융해, 차량 하중에 의한 체류수의 압력발생, 제설용 염화물 등으로 아스팔트 포장의 파손은 물론이고 기존 콘크리트의 열화로까지 이어지게 된다.
Suh(2011)는 콘크리트 포장 위에 아스팔트 혼합물 덧씌우기를 시공한 중부 고속도로, 호남 고속도로를 대상으로 시험시공 구간의 추적 조사 연구를 진행하였다. 호남 고속도로에서는 비절삭 덧씌우기를 5 cm로 시공한 서전주 IC 구간과, 비절삭 덧씌우기 9 cm구간인 김제 IC 구간을 대상으로 하였고, 중부 고속도로에서는 절삭 덧씌우기를 8 cm의 두께로 시공한 진천 터널 구간을 대상으로 조사를 실시하였다. 연구 결과, Fig. 3과 같이 절삭 덧씌우기 구간의 경우 반사균열 발생률이 46%로 나타나서 비절삭 구간의 30%보다 16% 정도 증가하는 것으로 나타났다.
Collins et al.(1996)은 포장 가속 시험에서 아스팔트 혼합물의 소성변형 저항성에 영향을 미치는 중요한 변수로 공극률과 시험온도를 제시하였으며 공극률이 증가하고 시험온도가 높을수록 소성변형 발생량이 증가하는 것으로 나타났다.
Cooley et al.(2002)의 연구에 따르면 Fig. 4와 같이 아스팔트 혼합물의 공극이 클수록 지수함수 형태로 투수계수가 증가한다고 하였다. Fig. 4에서 아스팔트 혼합물의 공극률과 투수계수와의 관계를 보면 공극률이 4% 이하일 경우 물이 투수가 되지 않는 것으로 분석되었기 때문에 우수 침투를 차단하기 위해서는 아스팔트 혼합물의 공극률이 4% 미만이 되어야 한다.
3. 수밀성 아스팔트 혼합물의 배합설계 특성
콘크리트 포장의 절삭 덧씌우기 시 우수 및 제설용 염화물이 아스팔트 혼합물 내부로 침투하여 콘크리트의 열화를 촉진시키므로 아스팔트 혼합물 덧씌우기 층에서는 우수가 차단될 수 있도록 하여야 한다. 아스팔트 포장의 경우에는 조인트 등의 취약 구간과 다짐이 부족한 아스팔트 혼합물 내부로 투수가 발생된다. 특히 하부층의 경우에는 콘크리트와 접하는 특성으로 인하여 체수가 발생될 경우 콘크리트가 열화되므로 아스팔트 혼합물의 하부층에서는 수밀성을 강화해야 한다.
아스팔트 혼합물이 불투수성을 갖기 위해서는 공극률이 4% 미만이 되어야 하며, 공극률이 감소될수록 수밀성은 좋아지는 반면에 소성변형에 대한 저항성은 감소하게 된다. 그러므로 아스팔트 혼합물이 수밀성을 확보하기 위해서는 소성변형에 대한 저항성을 만족하는 범위 내에서 공극률이 감소되어야 한다. 공극률과 소성변형에 대한 저항성을 분석하기 위하여 Table 1의 시험 인자를 이용하여 공극률과 휠트래킹 시험의 동적안정도와의 관계를 분석하였다.
Table 1. Test factor
| 구 분 | 시험 인자 |
| 골재 종류 | 화강암 |
| 골재 입도 | WC-1 |
| 아스팔트의 공용성 등급 | PG 64-22 |
| 시험 방법 | 휠트랙킹 시험 |
Table 2. The result example of asphalt concrete mix design
시 료 명 구 분 | WC-1 (PG64-22) | |
| 아스팔트함량 | % | 5.7 |
| 다짐밀도 | g/cm3 | 2.420 |
| 이론밀도 | g/cm3 | 2.478 |
| 공극률 | % | 2.3 |
| 포화도(VFA) | % | 85.2 |
| 골재간극률(VMA) | % | 15.7 |
공극률 변화에 따른 동적 안정도 시험 결과는 Fig. 5에서 동적안정도 최소 기준인 750회/mm에 해당하는 공극률은 대략 1.2%로 나타났고 또한 안정적인 동적안정도인 1,000회/mm를 확보하기 위한 공극률의 범위는 1~2%인 것으로 나타났다.
수밀성 아스팔트 혼합물의 특성 중에서 일반 아스팔트와 개질 아스팔트의 내유동 특성을 분석하기 위하여 아스팔트의 공용성 등급 구분에 따른 공극률 및 동적안정도 특성을 비교하였다. 수밀성 아스팔트 혼합물의 배합설계 결과는 Table 3과 같이 나타났다.
Table 3. The mix design of watertight asphalt concrete
시 료 명 구 분 | WC-1 (PG64-22) | WC-1 (PG76-22) | |
| 아스팔트함량 | % | 5.7 | 6.3 |
| 다짐밀도 | g/cm3 | 2.420 | 2.424 |
| 이론밀도 | g/cm3 | 2.478 | 2.456 |
| 공극률 | % | 2.3 | 1.3 |
| 포화도(VFA) | % | 85.2 | 92.0 |
| 골재간극률(VMA) | % | 15.7 | 16.0 |
Fig. 6에서 PG 76-22가 PG 64-22보다 공극률은 1.0%가 감소된 반면에 동적 안정도는 비슷하게 나온 것으로 나타났다. Fig. 6에서 개질 아스팔트가 일반 아스팔트보다 동적안정도가 우수하여 공극률을 1.0% 정도 감소시킬 수 있는 것으로 판단되며, 경우에 따라서는 수밀성 아스팔트 혼합물을 만들기 위해서 개질 아스팔트를 적용할 필요가 있다는 것을 시사한다.
4. 포장 가속 시험
수밀성 아스팔트 혼합물의 공용성을 평가하기 위하여 포장 가속 시험기를 이용하여 하중 모사 시험을 실시하였으며, 하부층 아스팔트 혼합물의 종류에 따른 소성변형 특성을 분석하였다. 포장 가속 시험에 적용된 아스팔트 혼합물은 총 두 가지 혼합물로써 상부층은 WC-1(PG76-22) 혼합물로 시공되었고, 하부층은 WC-1(PG76-22)과 수밀성 WC-1(PG64-22)으로 시공되었다. Table 4는 시험에 적용된 아스팔트 혼합물의 배합설계 결과를 보여준다.
Table 4. The mix design of asphalt concrete for APT
| 구 분 | 혼합물 종류 | 아스팔트 함량(%) | 공극률(%) |
| 상부층 | WC-1 (PG76-22) | 5.4 | 3.8 |
| 하부층 | WC-1 (PG76-22) | 5.4 | 3.8 |
| 수밀성WC-1 (PG64-22) | 6.1 | 1.5 |
시험 포장은 Fig. 7과 같이 각각 보조기층 60 cm, 기층 20 cm, 표층 20 cm 두께의 줄눈 콘크리트 포장으로 시공하였고, 4개의 슬래브를 폭 2.2 m, 연장 3 m로 시공하여 3개의 줄눈부를 구성하였다. 콘크리트 포장의 절삭은 두께 7 cm로 절삭하였으며, 아스팔트 포장은 하부층 3.5 cm와 상부층 3.5 cm의 총 7 cm 두께로 시공하였다.
하부층 아스팔트 혼합물의 소성변형 특성을 분석하기 위하여 반복 하중에 따른 침하 깊이를 측정하였다. 소성변형의 측정은 Fig. 8의 ①~⑥의 구간에서 반복 하중 횟수에 따라 레이저 프로파일미터로 측정하였다.
수밀성 WC-1(PG 64-22)을 하부층으로 한 ①, ②구간의 평균 최종 침하 깊이는 3.1 mm로 나타난 반면에, 수밀성 WC-1(PG 76-22)을 하부층으로 한 ③, ④구간의 평균 최종 침하 깊이 2.1 mm로 나타났다. Table 5에서 수밀성 하부층으로 PG 64-22를 적용하여도 소성변형은 크게 발생되지 않는 것으로 나타났다. 다만, 상대적인 비교에서는 수밀성 일반 WC-1을 하부층으로 한 구간이 비수밀성 개질 WC-1을 하부층으로 한 구간보다 소성변형 깊이가 1.5배 정도 큰 것으로 나타났다.
Table 5. The result of APT test
| 하중횟수(회) | 최종 침하 깊이(mm) | |||
| ① | ② | ③ | ④ | |
| 24,480 | 3.6 | 2.5 | 2.2 | 2.1 |
| 평 균 | 3.1 | 2.1 | ||
수밀성 혼합물이 비수밀성 혼합물보다 소성변형이 크게 나타난 이유는 수밀성 구간에서는 개질 아스팔트가 아닌 일반 아스팔트를 사용하였고, 아스팔트 함량을 비수밀성 구간의 5.4%보다 많은 6.1%로 적용하였기 때문인 것으로 해석된다.
Table 6에서는 포장 가속 시험에서 하부층의 동적안정도와 소성변형 깊이의 관계를 비교한 것으로 동적안정도가 5.8배 증가할 때 가속 시험의 소성변형 깊이는 1.5배 감소하는 것으로 나타났다.
Table 6. The dynamic stability and rut depth result of lower layer
| 구분 | 수밀성 WC-1 (PG 64-22) | 비수밀성 WC-1 (PG 76-22) | 증감 |
| 동적안정도(회/mm) | 829 | 4,849 | 5.8배 증가 |
| 소성변형 깊이(mm) | 3.1 | 2.1 | 1.5배 감소 |
5. 현장 적용성 평가
하부층용 수밀성 아스팔트 혼합물의 현장 적용성을 검토하기 위하여 시험 시공을 실시하고, 시험 시공에 대한 추적 조사를 통하여 그 효과를 확인하도록 하였다. 시험 시공은 경부선 268.4 K~269.0 km(서울 방향) 구간에 시공되었다. 총 연장 600 m 구간에 걸쳐 총 5종의 공법이 시행되었으며 구간별로 75 m ~ 150 m로 시공하였다. Fig. 9는 시험 시공 구간 상세도를 보여준다.
시험 시공에 적용된 아스팔트 혼합물은 총 4종의 혼합물로 상부층은 SMA13 mm(PG76-22)혼합물로 설계되었고, 하부층은 WC-3(PG64-22), 수밀성 아스팔트 혼합물 WC-1(PG64-22)과 WC-1(PG76-22)의 총 3가지 혼합물이 시공되었다. Table 7은 시험시공에 적용된 아스팔트 혼합물의 배합설계 결과를 보여준다.
Table 7. The result of asphalt concrete mix design for test bed
| 구 분 | 아스팔트함량(%) | 공극률(%) | 동적안정도(회/mm) |
| SMA13 mm (PG76-22) | 6.6 | 3.1 | 9,188 |
| WC-3 (PG64-22) | 5.0 | 4.0 | 1,750 |
| 수밀성 WC-1 (PG64-22) | 5.7 | 2.4 | 1,016 |
| 수밀성 WC-1 (PG76-22) | 6.3 | 1.3 | 1,244 |
Fig. 10은 시험 시공 구간의 콘크리트 포장 절삭 덧씌우기 구간의 아스팔트 콘크리트 포장 시공 절차를 보여준다.
아스팔트 혼합물의 다짐 평가를 위하여 총 2회에 걸쳐 현장 조사를 실시하였다. 1차 현장조사는 공용 후 23일차에, 2차 현장 조사는 공용 후 127일차에 실시하였다. 1, 2차 현장 조사에서 채취한 코아를 대상으로 다짐 평가를 실시하였으며, Fig. 11은 아스팔트 혼합물의 다짐 평가를 위한 코아 채취 모습을 보여준다.
아스팔트 혼합물의 다짐도를 평가하기 위하여 현장 시료에 대한 시험을 실시한 결과, Table 8, Fig. 12에서 전체 평균 공극률을 비교한 경우 1차 공극률은 4.1%, 2차 공극률은 2.7%로 1.4% 감소하였다. 이는 공용 일수가 증가함에 따라 교통하중에 의한 다짐의 증가로 공극률이 감소하는 경향을 보여준다.
Table 8. The air void analysis of asphalt concrete for test bed
| 층 구분 | 혼합물종류 | 공극률 (%) | 공극률 증감 (①-②) | |
| 1차① | 2차② | |||
| 표층 | SMA13 mm | 4.6 | 3.2 | 1.4 |
| 하부층 | 수밀성 WC-1 (PG 76-22) | 3.5 | 2.0 | 1.5 |
| 하부층 | 수밀성 WC-1 (PG 64-22) | - | 2.3 | - |
| 하부층 | WC-3 | 4.2 | 3.3 | 1.0 |
| 평균 | 4.1 | 2.7 | 1.4 | |
상부층 SMA 13 mm 시료의 공극률은 1.4%의 감소를 보였고, 하부층 혼합물의 경우 수밀성 WC-1(PG 76-22)이 1.5%의 공극률 감소를 보인 반면에 WC-3는 1.0%의 공극률 감소를 나타냈다. 수밀성 하부층의 공극률 감소는 전체 평균과 비교할 때 큰 차이는 없는 것으로 나타났다.
수밀성 아스팔트 혼합물의 공극률 특성은 Table 9와 같으며 설계 공극률 1.0%를 기준으로 한 수밀성 아스팔트 혼합물의 시공 후 공극률은 3.5%이었으며, 공용 후 공극률은 2.0%로 나타났다. 이는 추후 공극률 감소를 감안하면 설계 공극률을 1%로 했을 때 공용 후 현장의 공극률은 2% 이내로 관리됨을 알 수 있다.
Table 9. The air void of watertight asphalt concrete (PG76-22)
| 구분 | 설계 | 시공 후 | 공용 후 |
| 공극률(%) | 1.0 | 3.5 | 2.0 |
절삭 덧씌우기 구간의 포장 공용성 조사를 위하여 포장 조사 장비를 이용하여 소성변형과 종단 평탄성을 조사하였다. 포장 공용성 조사 결과, 소성변형은 Table 9와 같이 A공법이 4.5 mm로 가장 높은 값을 보였으며, 나머지 다른 공법은 큰 차이를 보이지 않았다. 종단 평탄성은 1.2~1.5 mm/km로 양호한 결과를 보였다.
Table 10에서 수밀성 아스팔트 혼합물 하부층은 A(수밀성 WC-1, PG 64-22)와 B(수밀성 WC-1, PG 76-22)공법이며 소성변형은 수밀성 WC-1(PG 64-22) 구간이 수밀성 WC-1(PG 76-22) 구간에 비하여 약 1.2배 정도 큰 것으로 나타났으며, 수밀성 WC-1(PG 76-22) 구간의 소성변형은 전체 평균과 유사한 것으로 나타났다.
Table 10. The performance test result of test bed
| 구 분 | 소성변형 깊이(mm) | 종단평탄성(m/km) |
| A공법(수밀성 WC-1, PG 64-22) | 4.5 | 1.4 |
| B공법(수밀성 WC-1, PG 76-22) | 3.8 | 1.3 |
| C공법 | 3.6 | 1.5 |
| D공법 | 3.7 | 1.2 |
| E공법 | 3.8 | 1.5 |
| 평 균 | 3.9 | 1.4 |
수밀성 WC-1(PG 64-22)의 공용 1년 후 소성변형 깊이는 4.5 mm로 소성변형에 대하여 안전하다고 보여지나, 상대적인 비교에서 전체 평균보다 크게 나타나므로 중차량 구간에서는 아스팔트의 공용성 등급을 PG 64-22에서 PG 76-22로 한 등급 올릴 필요가 있는 것으로 판단된다.
Fig. 13은 동일한 재료 조건에서 동적안정도와 소성변형 깊이의 관계를 나타낸 것으로 동적안정도가 1,000회/mm일 때 소성변형 깊이는 약 4.5 mm로 나타났으며, 동적안정도가 대략 500회/mm 증가 시 소성변형 깊이는 0.5 mm 감소하는 것으로 나타났다.
6. 결 론
본 연구에서는 콘크리트 포장 절삭 덧씌우기 구간의 수명을 연장시키기 위하여 하부층용 수밀성 아스팔트 혼합물의 특성을 분석하였다. 본 연구에서 얻은 주요 결론은 다음과 같다.
1) 본 연구에서 사용한 재료로 수밀성 아스팔트 혼합물의 동적안정도 최소 기준을 만족시키기 위한 공극률은 1.0% 이상인 것으로 나타났고, 안정적인 동적안정도인 1,000회/mm를 확보하기 위한 공극률의 범위는 1~2%인 것으로 나타났다. 그리고 동일한 동적안정도 조건에서 PG 76-22는 PG 64-22보다 공극률을 1.0% 정도 감소시킬 수 있는 것으로 나타났다.
2) 포장 가속 시험 결과에서 수밀성 일반 WC-1을 하부층으로 한 구간의 평균 최종침하깊이는 3.1mm로 나타났고, 비수밀성 개질 WC-1을 하부층으로 한 구간보다 소성변형 깊이가 1.5배 정도 큰 것으로 나타났다. 그리고 하부층의 동적안정도가 5.8배 증가할 때 가속 시험의 소성변형 깊이는 1.5배 감소하는 것으로 나타났다.
3) 시험 시공 후 추적 조사를 한 결과에서 하부층에 수밀성 일반 WC-1을 적용한 구간은 소성변형 깊이가 4.5 mm로 양호한 결과를 주나, 상대적인 비교에서는 수밀성 개질 아스팔트 혼합물보다 소성변형 깊이가 1.2배 정도 큰 것으로 나타났다.
이상의 결과에서 콘크리트 포장 절삭 덧씌우기 시 하부층용 수밀성 아스팔트 혼합물의 공극률 기준을 1.0~2.0%로 제시하였으며, 수밀성 아스팔트 혼합물은 포장 가속 시험 결과와 시험 시공의 추적 조사 결과에서 소성변형에 대하여 양호한 것으로 나타났다. 다만 중차량 구간에서는 수밀성 아스팔트 혼합물의 공용성 등급을 PG 64-22에서 PG 76-22로 한 등급 올릴 필요가 있는 것으로 판단된다.
