1. 서 론
아스팔트 도로포장 재료는 국내에서 많이 사용되고 있는 재료중의 하나로 시멘트 콘크리트 포장과 다른 구조적인 거동을 하는 포장이다. 아스팔트 포장도로를 설계할 때 현재는 한국형포장설계법을 사용하고 있으며 누적교통량에 의해서 10년간 공용수명을 기준으로 설계하고 있다. 표층의 설계수명을 약 10년을 예측하여 설계하고 10년 공용 후에 덧씌우기 또는 절삭 후 덧씌우기 포장을 하는 것으로 하고 있다. 그러나 신설 국도의 경우에는 이러한 설계가 어느 정도 설계수명을 채울 수 있지만, 고속도로의 경우에는 덧씌우기 아스팔트 포장의 경우에는 포장수명은 5년의 공용수명을 예측하고 있다. 즉 신설포장의 설계 때보다도 더 많은 교통하중들이 도로 포장 위를 통과하고 기존의 공용중인 고속도로의 기층들 대부분이 공용수명 및 설계수명을 지났기 때문에 5년의 공용수명을 예측하고 있다(EX, 2020). 그러나 아스팔트 포장이 공용수명을 채우지 못하고 조기파손이 되고 있어서 도로교통 이용자들에게 많은 불편을 초래하고 있다.
본 연구에서는 국내외 문헌조사를 통하여 아스팔트 포장의 파손과 관련된 다양한 종류의 원인들이 조사하고자 한다. 또한 실제 파손된 포장 면을 보수한 형태를 살펴보고 어떻게 보수하는 것이 합리적이고 최적의 경제적인 면적을 보수할 수 있는지에 대한 분석하고자한다. 본 연구에서 수도권에 위치한 고속도로 구간에서 소파보수, 절삭 후 덧씌우기 및 팻칭(patching)을 실시한 구간을 대상으로 분석을 통하여 경제적인 단면보수 결과를 분석하고자 한다.
2. 아스팔트 포장의 파손
2.1 파손원인
아스팔트 포장도로의 파손 형태는 다양하며, 파손의 원인들로 작용하는 요소들도 매우 많다. 그 중의 하나가 기후변화에 의한 여름철 게릴라성 폭우에 의한 도로의 침수와 겨울철 강설제거를 위한 염화칼슘의 대량사용에 따른 파손(Jin et al., 2013)이다. 또한 지구온난화에 따른 여름철 이상고온현상과 맞물려 중차량 교통량의 증가와 교통 지체와 정체에 의한 파손이다. 국내의 물류 특성상 해상이나 철도운송의 비율이 낮고 자동차에 의한 육상운송으로 물류운반차량의 높은 비율이 도로포장 파손의 하나로 작용하고 있다. 이러한 외적인 요인들에 의해서 도로포장의 조기파손을 가속화 시키고 있다. 그밖에 아스팔트 포장의 파손원인을 살펴보면 다음과 같다.
아스팔트 포장의 층간 일체화 거동을 못하게 함으로써 표층의 균열을 발생시키고 균열사이로 우수가 침투되어서 조기파손의 원인이 되고 있다. 층간 접착력 부족에 의한 포트홀 파손은 택코트(tack coat) 시공 후에 충분한 양생시간 부족으로 발생하고 있다. 택코트의 양생시간은 상온 20~30℃에서 2시간 이상의 양생이 필요하다(Lee et al., 2014). 그러나 유지보수 현장에서는 택코트의 양생시간을 2시간 이상 줄 수 없기에 Fig. 1과 같이 혼합물 운반트럭의 타이어에 택코트 재료가 묻어나고 있다. 임시방편으로 Fig. 2와 콩기름을 혼합물을 운반하는 트럭 타이어에 바르고 있다. 빠른 양생이 필요한 VOCs(Volatile Organic Compounds : 휘발성유기화합물)기준을 만족하는 택코트 재료의 개발이 필요하다.
아스팔트 혼합물을 운반하는 차량은 근래 들어서 도입된 자동화 덮게(Fig. 3)라는 것을 사용하고 있어서 실질적으로 운반도중에 혼합물의 온도가 낮아지는 현상이 발생한다. 따라서 상차된 혼합물의 외부와 내부의 온도차에 의한 재료의 온도분리현상이 발생한다. 이러한 혼합물을 포설 및 다짐을 할 경우에 식어서 다짐이 되지 않는 부분이 발생하여 조기파손의 원인으로 발생하게 된다. 따라서 해외에서는 MTV(Material Transfer Vehicles)라는 장비(Fig. 4)를 사용하여 재료의 온도 분리 및 잔골재와 굵은 골재 그리고 아스팔트 바인더가 분리되는 현상을 방지하고 현장에서 포설직전에 충분한 교반을 해주는 시공방법을 사용하고 있다.
국내 아스팔트 도로의 대부분이 1990년대부터 급속하게 건설되고 포장되었다. 따라서 당시 도로의 공용설계수명인 20년을 초과하여 대부분 아스팔트 도로의 하부층들은 노후도가 매우 심각한 상태이다. Fig. 5와 같이 대부분의 아스팔트 포장도로의 표층 및 기층들이 많이 파손되어있다(Choi et al., 2017). 특히 기층의 파손들로 인하여 표층에 대한 절삭 후 덧씌우기 공법에 의해서 시공된 표층들은 Fig. 6과 같이 반사균열들이 발생하고 있다.
2.2 파손 유형 및 부위
아스팔트 포장의 파손유형을 균열(Fig. 7), 변형(Fig. 8), 탈리(Fig. 9), 미끄럼저항 감소(Fig. 10)로 구분할 수 있다. 균열에는 표층과 기층의 접착력 부족 및 피로에 의한 거북등 균열, 단부균열, 차로와 차로이음균열, 기층균열이 위로 타고 올라오는 반사 균열, 윤하중에 의한 아스팔트포장 표면이 밀리면서 발생하는 균열 등이 있다. 변형은 교통의 지체 및 정체에 의한 중차량 통행으로 발생하는 소성변형(rutting), 코루케이션(corrugation)과 쇼빙(shoving) 등이 있다. 탈리는 혼합물의 결합력 상실에 의해서 발생하는 포트홀(pothole)과 타이어에 의해서 골재가 분리되는 라벨링(raveling) 등이 있다. 미끄럼 저항성 감소는 아스팔트 바인더가 많거나 골고루 분산이 안 되어서 발생하는 블리딩(bleeding)현상과 차량의 바퀴에 의해서 발생하는 골재 마모로 나눌 수 있다.
다양한 원인들에 의해서 아스팔트 포장의 파손이 발생하고 있으며, 대부분의 파손들은 차량 바퀴가 지나가는 위치에서 균열(Fig. 7)과 변형(Fig. 8)이 발생한다. 도심도로는 중차량들이 많이 다니는 차로의 바퀴통과부(wheel path)에서 소성변형과 균열로 골재 탈리가 되고 포트홀이 발생한다(Fig. 11). 고속도로는 균열(Fig. 7)과 탈리(Fig. 9)가 차량의 바퀴통과부에서 많이 발생한다. 고속도로는 소성변형과 균열, 그리고 골재가 탈리(Fig. 12)되면서 포트홀(Fig. 13)이 발생하게 되면 포트홀 및 팻칭 보수(Fig. 14)를 하고 있다. 포트홀 보수는 면적 1 m2이하의 보수를 말하며 긴급하게 실시하는 포장유지보수방법이다. 면적 1 m2 이상의 보수를 팻칭(Patching) 또는 부분보수라고 하며 일정규모의 장비들이 동원되며 보수시간도 매우 길다.
2.3 차량 바퀴 통과부 분석
차량의 바퀴통과부를 분석한 논문들을 보면 Fig. 15와 같이 2차로인 고속도로에서 722개의 바퀴통과량을 기준으로 분석한 결과 1차로에서는 50-150 cm(밖)와 250-325 cm(중분대)에서 통과하는 것으로 분석하였다(Kasahara, 1982). 도심도로의 경우 Fig. 16은 1차로, Fig. 17은 2차로 그리고 Fig. 18은 3차로에서 측정한 결과 1차로에서는 40-110 cm(중분대), 2차로에서는 60-130 cm(중분대)에서 3차로에서는 50-140 cm(중분대)에서 많은 차량의 바퀴통과가 발생하였다(Jin et al., 2007). 고속도로의 경우 Fig. 19는 2차로, Fig. 20은 1차로로 바퀴통과부는 2차로에서는 95-165 cm(중분대)와 255-335 cm(밖)에 집중되고 있으며, 1차로에서는 45-145 cm(중분대)와 195-305 cm(밖)에 집중되고 있다(Lee et al., 2017). 차량 바퀴통과부의 폭은 약 100 cm정도이며 대부분의 도로의 노면파손들이 이 부분에서 집중적으로 일어나고 있다. 따라서 차로의 변경이 적은 고속도로에서는 이 부분에 차량 윤하중 집중되면서 파손이 발생하고 있다.
3. 패 칭
3.1 패칭보수 형태
패칭에는 다양한 형태의 단면 보수방법이 있다. Fig. 21과 같이 바퀴통과부를 길게 보수를 하는 방법(wheel path patching)과 Fig. 22와 같이 바퀴통과부를 짧게 보수하는 방법이 있다(Jin et al., 2009). 또한 Fig. 23과 같이 차로폭원으로 종방향으로 1-5 m 보수하는 방법과 Fig. 24와 같이 차로 폭으로 5-20 m를 보수하는 방법이 있다. 패칭 보수를 진행할 때 아스팔트를 적재한 트럭의 혼합물을 여러 번 나누어서 사용함으로써 대기시간이 길어져서 혼합물이 식어서 다짐이 안되는 현상이 발생하여 조기 파손되는 현상이 발생한다.
패칭 보수의 면적이 크면 절삭 후 덧씌우기 공법이라고 하며 가열아스팔트 혼합물을 최소 15 ton 이상 포설하는 경우 Fig. 25와 같이 차로폭원으로 30 m 이상의 시공을 할 경우이다.
패칭 공법에서 시공 면적이 작을수록 문제가 되는데 Fig. 26과 같이 작은 면적에 대한 다짐으로 대형의 다짐 장비를 사용할 경우에는 과다짐이 발생한다. 또한 소형 다짐 장비를 사용할 경우에는 다짐에너지가 부족하여 다짐이 되지 않는 현상이 발생한다. 따라서 패칭 보수에서 다짐장비의 운용이 어렵다(Shim et al., 2012).
3.2 결과 분석
국내에서는 패칭 보수에 대한 명확한 개념 및 공법이 정립되어있지는 못하다. 패칭 보수는 단면의 크기, 재료, 그리고 시공방법 등의 선택에 따라서 장기적인 공용수명을 가질 수도 있고 짧은 공용수명을 가질 수 있다. 작은 면적의 패칭 보수는 높은 경제성을 가지는 반면에 평탄성이 나쁘고, 대규모 면적의 패칭 보수는 평탄성이 좋은 반면에 경제성이 떨어진다.
바퀴통과부에 대한 패칭 보수공법(Fig. 21, Fig. 22)과 차로폭원으로 1-5 m미만의 짧은 패칭 보수공법(Fig. 23)과 같이 작은 면적은 소형 밀링장비와 작은 로더 및 롤러로 충분하게 보수 할 수 있다. 보수구간이 떨어져 있어도 장비의 이동속도가 빠르기 때문에 절삭, 포설 및 다짐에 영향을 받지 않는다. 경제적인 공법이기는 하지만 짧은 보수 구간과 종방향 신구 조인트 발생과 좁은 구간에 대한 다짐이 어려워서 평탄성이 떨어지게 된다(Park and Jin, 2010). 따라서 숙련도가 높은 기능공들이 필요하고 소량의 혼합물 수급이 어렵고, 작은 면적 여러 개의 보수로 오랫동안 혼합물 적재 트럭의 대기시간이 길어져서 혼합물이 온도가 떨어져 품질이 저하된다. 근래에는 핫박스(hot-box)를 가지고 있는 트럭에 적재하여 사용하고 있지만 2 ton 미만의 적재로 포트홀 정도만 처리할 수 있다. 최근에 개발된 현장 생산(약 2-5 ton) 트럭은 기술력의 부족으로 아스팔트 혼합물의 품질이 저하되어 포장이 조기파손 되었다.
차로폭원으로 5-20 m의 패칭보수(Fig. 23)와 차로폭원으로 20 m 이상의 절삭 후 덧씌우기 공법(Fig. 25)을 적용할 큰 단면에 대한 보수에는 대형의 밀링장비를 사용해야 하고 아스팔트 피니셔와 다짐 장비들을 모두 갖추어서 시공한다. 따라서 떨어져 있는 작업 구간으로 이동이 어렵다. 그러나 포장장비들의 운영으로 높은 품질을 확보할 수 있다. 공사비용이 증가되는 단점이 있는 반면에 신구 조인트가 줄어들어서 평탄성 확보에 유리하다.
4. 결 론
다년간에 걸쳐서 공용중인 수도권 고속도로 일부 구간에 대한 다양한 패칭 보수를 모니터링한 결과 다음과 같은 결론을 도출하였다.
1. 초기에 경제적인 측면에서 바퀴통과부 패칭 보수를 많이 사용하였다. 그러나 바퀴통과부만 전문적으로 포장을 절삭하는 밀링장비는 있지만 전문적으로 시공하는 아스팔트 포설장비의 부재로 평탄성이 떨어지는 문제가 있었다. 또한 짧은 구간으로 인하여 가열아스팔트 혼합물이 적은 량이 사용되어서 혼합물의 온도저하가 발생하고, 바퀴통과부에 대한 최적화 다짐을 할 수 있는 전문 장비의 없어서 기대한 만큼 공용수명이 나오지 않아서 점차적으로 바퀴통과부 단면 패칭 공법을 사용하지 않고 있다.
2. 모니터링 결과에서 경제성을 떨어지지만 현재로써는 1개 차로폭원으로 절삭하고 포장하는 패칭 공법이 품질관리가 용의하고 추가적인 조기파손이 적게 발생하였다. 이러한 결과는 전문적인 장비가 있어서 차로폭 만큼 정밀 포설 및 충분한 다짐이 가능하기 때문이다. 따라서 기존에 다양한 패칭 보수 공법들이 차로폭원 패칭 보수로 바뀌었다.
향후에 바퀴통과부만 절삭, 포설 및 다짐을 할 수 있는 장비와 가열아스팔트 혼합물을 가열 및 보온할 수 있는 장비가 개발된다면 바퀴통과부 패칭 공법의 경제성과 품질을 확보할 수 있을 것으로 사료된다.
