1. 서 론

국내의 강상판 교면 포장 재료로 사용되는 제품 및 공법들이 많이 있지만 교면포장두께를 줄이기 위하여 구조분야 엔지니어들의 노력으로 국내 최장의 현수교에 대하여 50 mm의 포장두께를 갖는 교면포장을 설계하게 되었는데 이것이 에폭시 아스팔트 콘크리트 교면포장공법이다. 국내의 에폭시 아스팔트 콘크리트 포장 공법은 2000년 초에 일본의 기술을 도입하여 최대골재 크기 13 mm로 2008년에 서부산 낙동대교에 일부구간 및 2009년 귤현대교 일부구간에 적용되었지만 조기 파손되었다. 이후에 국내 최장의 현수교가 최대골재크기 10 mm의 2층 포설의 두께 5 cm의 에폭시 아스팔트 콘크리트 교면포장으로 설계되면서 국내 및 해외 제품들이 경쟁하여서 중국제품으로 선정되어 2013년 2월에 개통되었지만 5개월 만에 조기 파손되어서 2014년 전면 재포장되었다. 강상판 교면포장으로 적용된 에폭시 아스팔트 콘크리트 교면포장은 이와 같이 많은 시행오차를 겪으면서 국내의 포장으로 자리 잡게 되었다. 본 연구는 강상판 교면포장으로 사용되는 에폭시 아스팔트 콘크리트 포장의 조기파손 형태에 대한 조사 및 분석을 하고, 생산 및 시공의 품질관리 대한 사항들을 제시하고자 한다.

2. 에폭시 아스팔트 콘크리트 포장의 파손

2.1 특성

에폭시 아스팔트 바인더는 일반적으로 아스팔트 바인더(PG64-22 또는 개질아스팔트 바인더)를 기본으로 사용하고, 2액형의 주제와 경화제를 첨가하여 혼합물을 만든다. 에폭시 아스팔트 콘크리트 혼합물의 양생시간은 주제와 경화제의 혼합비율에 의해서 조절된다(Jo and Kim, 2015). 에폭시 아스팔트 바인더는 주제와 경화제를 비율과 생산 및 대기온도에 의해서 양생 속도가 달라지는 특성을 가지고 있다. 아스팔트 바인더와 주제와 경화제가 결합된 에폭시 아스팔트 바인더는 공용성 등급을 적용할 수 없다. 또한 본드코트(bond coat) 불리는 접착제는 상판과 혼합물의 접착 및 방수기능을 가지고 있는 재료로써 국내 교면방수 시방기준과 다르다. 다짐장비는 중량이 많이 나가는 장비를 사용하기 때문에 국내 시방과 다르다. 따라서 에폭시 아스팔트 콘크리트 포장공법은 국내의 시방규격을 준수할 수 없기에 특별 시방이 필요하다(Kang and Kim, 2015). Table 1은 에폭시 아스팔트 콘크리트 혼합물의 마샬 안정도로 2012년도에 시공된 중국제품(Jo and Kim, 2015), 2015년 시공된 미국제품(Kang and Kim, 2015)과 2019년에 시공된 미국제품(Jang et al., 2019)에 자료이다. 처음 시공된 제품이 강성이 높다.

2.2 시공

국내 강상판에 시공된 에폭시 아스팔트 콘크리트 교면포장을 조사하면 Table 1과 같이 2개 종류이다. 신설교량의 강상판에 에폭시 아스팔트 콘크리트 교면포장을 처음 시공한 것은 중국제품이다. 이 제품은 미국기술을 복제한 것으로 아스팔트 바인더에 첨가제를 첨가하여 프리믹서 방식으로 제조하고 생산시에 다른 액상 첨가제를 계량 후 투입하여 아스팔트 혼합물을 생산하는 방식으로 미국제품과 동일하다. 최대골재 크기는 10 mm로 25 mm 기층 포장 후에 2012년 행사로 2012년 5월 10일부터 8월 13일까지 임시 개통하였다가 25 mm 표층을 시공 후 2013년 2 월 7일에 정식 개통하였다. Fig. 1과 같이 개통 후 5개월 만에 조기파손이 발생하였다. 따라서 재포장은 2014년말에 2개 차로를 통제하고 절삭하고 동일한 재료로 포장을 시공하는 과정에서 교량에 난간에 설치한 가림막(Fig. 2)으로 흔들림이 발생하여 공사를 중단하는 과정도 거치면서 포장하였지만 지속적으로 조기파손이 발생하였다. 이 교량은 왕복 4차로이며 일통행량은 1만4,000대(2014)이다.

Fig. 1.

Early damage 5 months after opening (SBS, 2013)

Fig. 2.

Windbreaker on bridge railing (SBS, 2014)

미국 제품으로 에폭시 아스팔트 콘크리트 교면포장이 시공된 곳은 3개소이다. 2014년부터 2015년까지 시공된 왕복4차로 교량의 교면포장은 충분한 양생시간(Kim et al., 2015) 부족으로 표층에서 골재 탈리 현상이 발생하였으며, 2018년도에는 여름철 이상기후로 세로방향 블로우업(blow-up)으로 파손되어 패칭보수 후에 공용하다가 2019년 다른 포장 재료로 시공되었다. 이 교량은 왕복 4차로이며 일교통량은 8,951대(2015년)이다.

2015년 시공된 왕복2차로 교량(Kim et al., 2016)으로 일교통량 1,500대(2017)이며, 2018년 시공된 왕복2차로 교량(Jang et al., 2019)은 일교통량 8,481대(2019)로 현재까지 결함 없이 공용 중에 있다. Fig. 3은 미국제품의 에폭시 아스팔트 바인더이다(OECD, 2017). 본드코트 전용장비(Fig. 4)를 사용하여 본드코트를 살포하고, 혼합물을 포설 및 다짐(Fig. 5)하고 양생(Fig. 6)하는 과정을 거치는 것이 에폭시 아스팔트 콘크리트 교면포장이다.

Fig. 3.

Two components of epoxy-asphalt binder

Fig. 4.

C-goods bond coating

Fig. 5.

Paving and compaction

Fig. 6.

Curing (Jang et al., 2019)

2.3 파손의 형태

에폭시 아스팔트 콘크리트 혼합물의 특성으로 양생 전에 약 6,500 N(Jo and Kim, 2015)의 마샬 안정도가 나오며, 일반아스팔트 혼합물보다 높다. 양생 후에는 마샬 안정도가 Table 1과 같은 결과를 얻을 수 있다. 수분저항성의 척도인 간접인장강도비(TSR : tensile strength ratio)는 0.89이다(Baek et al., 2012). 에폭시 아스팔트 혼합물은 열경화성 수지인 에폭시를 사용하여서 아스팔트의 열가소성 성질을 개량하여 온도 민감성을 줄이고 탄성 강도를 개선한 것이다. Table 1과 같이 강성이 높은 중국제품은 개통 후 5개월 후에 골재 탈리(Fig. 7)와 망상 균열(Fig. 8)이 발생하여 포트홀 형태로 조기파손 되었다. 2014년 재시공 후에도 망상균열(Fig. 9)이 지속적으로 발생하였다. 2015년 130곳, 2016년 147곳, 2017년 114곳에서 균열에 의한 포트홀이 발생하였으며, 3년간 391곳을 보수하였다. 2018년 7월에는 국내에서 이상고온현상으로 블로우업(Fig. 10)이 발생하였다. 미국제품으로 시공된 교량에서도 개통 후 포장의 표면탈리(Fig. 11)가 발생하여 표면보강제(healer-sealer)를 살포하여 지속적으로 보수하였다. 2018년 7월에 이상고온현상으로 종방향 포장체 이음부간의 팽창으로 블로우업(Fig. 12) 현상이 발생하였다.

Fig. 7.

Detaching (first paved)

Fig. 8.

Alligator cracking (first paved)

Fig. 9.

Alligator cracks (re-paved)

Fig. 10.

Blow-up of epoxy asphalt pavement (News Wide, 2018)

Fig. 11.

Detaching and spray of healer-sealer

Fig. 12.

Thermal blow-up (JTBC, 2018)

2018년도에 중국제품으로 시공된 교면포장 중에서 심각하게 파손부 구간을 제거하고 다른 포장 재료로 시험 시공하였다. 기존의 포장의 파손부를 살펴보면 균열에 의한 우수 침투로 강상판에 녹이 발생(Fig. 13) 하였다. 또한 본드코트와 강상판의 부착력이 상실(Fig. 14)되어 있었다. 포장 제거 후 강상판을 살펴본 결과 징크도장이 사라지고 녹이 발생(Fig. 15)되어 있었다.

Fig. 13.

Rust occurs because of waterproof defect

Fig. 14.

Poor adhesion of bond coat

Fig. 15.

Rust on steel deck bridge surface

미국제품으로 시공된 교량이 2018년 이상고온현상으로 파손되어서 2019년도에 다른 포장 재료로 포장하기 위하여 기존 포장을 제거한 후에 강상판 표면에는 징크도장이 남아있는 상태(Fig. 16)로 우수침투에 의한 부식이 없었다.

Fig. 16.

Steel deck bridge surface (Kim et al., 2020)

3. 결과 분석

3.1 파손 결과에 따른 분석

국내 처음으로 시공된 에폭시 아스팔트 콘크리트 포장에 대하여 조기파손 문제가 발생한 것은 재료의 선택과 생산과 운반 그리고 포설 및 시공, 그리고 양생 과정에서 처음으로 접하여서 각각 재료들의 특성을 파악하지 못함으로써 발생한 것으로 추정된다.

중국제품의 1차 포장은 25 mm 기층 시공 후에 차량개통을 시킨 후에 다시 25 mm 표층을 시공하였다. 전문가들로 구성된 위원회에서 개통 5개월 후 파손 원인으로 기층과 표층간의 부착력이 부족하고 과적에 교통량에 의해서 탈리 및 균열에 의한 포트홀이 발생한 것으로 추정하고 있다. 그러나 이 교량은 기층 시공 후 1개월 후에 차량을 개방하여 양생기간이 부족하였으며, 표층을 10-11월초에서 시공하여 추위로 인하여 양생 기간이 부족한 상태에서 다음해 2월에 개통하여 표층에서 탈리가 발생한 것으로 사료된다. 또한 양생이 되지 않은 포장 위로 차량의 주행과 바람으로 인하여 발생하는 진동으로 포장체가 견딜 수 있는 탄성 영역의 응력 범위를 벗어나서 포장에 균열이 발생한 것으로 사료된다. 다른 원인으로는 포장체와 강상판과의 본드코트의 부착력이 부족하여 발생한 것으로 사료된다. 특히 2018년 7월 여름철 고온에 의해서 발생한 온도팽창 응력을 포장체에서 받아주지 못해서 횡방향 균열부에서 블로우업이 발생한 것으로 사료된다.

Table 1과 같이 처음 시공한 미국제품도 강성이 매우 큰 재료이다. 표층을 4월과 5월초까지 시공하고 1개월 후인 6월초에 개통하였다. 양생되지 않은 포장상태에서 교통개방으로 많은 차량이 통행하면서 표층에 부담을 주었고 또한 차량통과로 인한 진동으로 골재 탈리 현상이 발생한 것으로 사료된다(Baek et al., 2012). 2018년에 여름철 고온현상으로 인하여 포장의 취약부인 종방향 조인트(cold joint)부에서 블로우업과 표면균열이 발생하였는데 포장체에서 온도에 의한 팽창응력을 흡수할 수 있는 한계치를 초과하여 발생한 것으로 사료 된다. 미국제품으로 충분한 양생기간을 거쳤던 2015년 8-9월에 시공된 교량과 Table 1의 2018년에 5-6월에 시공된 교량은 강성이 처음으로 포장된 교면포장의 재료보다 상대적으로 작은 제품이여서 균열과 탈리가 발생하지 않고 현재 공용 중에 있다.

3.2 시공품질관리

에폭시 아스팔트 콘크리트 교면포장은 품질 및 시공 관리가 중요한 공법이다. 골재는 마모감량이 적어야 하며, 입도별로 생산하여 아스팔트 플랜트에 입고하여 관리하여야한다. 시공경험이 많은 중국은 골재가 크기별로 관리가 되고 있으며, 현장으로부터 20분 거리에 아스팔트 플랜트를 설치하여 에폭시 아스팔트 콘크리트 혼합물만 생산하고 있다. 국내에서 2015년 5월 까지 사용한 아스팔트 플랜트는 1톤 배치여서 생산시간이 오래 걸리는 단점이 있었다. 2015년 8-9월에는 2톤 배치를 사용하여 생산시간을 단축(Kim et al., 2016)시켰다. 교통관리인원을 보강하여 차량운반시간을 단축시켰다. 다량의 무전기와 전 공사인원들이 참여하는 카카오톡방을 운영하여 실시간으로 생산시각, 생산온도, 운반차량 번호 및 출발시각, 운반혼합물량, 운반트럭 지점별 통과시각, 도착 후 혼합물 온도 등의 정보를 최종적으로 현장의 시공 팀에게 정보를 제공하였다. 포장용 장비인 아스팔트 피니셔는 최신기종을 사용하였으며, 다짐장비의 무게도 추가적으로 증가시켜서 다짐에너지를 맞추었다. 2018년 5-6월에 시공할 때는 앞서 경험한 두 번의 시공경험을 가지고 시공 계절의 선택과 재료, 아스팔트 생산 플랜트, 운반거리, 혼합물 온도관리, 시공 장비, 아스팔트 기능공 등을 선택하여 포장시공계획을 세워서 포장을 시공하였다. 혼합물을 생산할 때 철저한 온도관리와 운반트럭의 혼합물 온도 대한 관리, 포설과 동시에 다짐장비의 운영과 충분한 양생기간이 중요하다.

3.3 소결

국내에서 에폭시 아스팔트 콘크리트 혼합물을 생산하여 시공하기에는 매우 열악한 환경을 가지고 있다. 이러한 조건들을 극복하기 위해서는 많은 비용과 시간이 소요되는데 충분한 비용이 설계에 반영되어야 하지만 그렇게 되지 못하고 있다. 최소한의 품질관리를 위해서는 다음과 같은 사항들이 필요하다.

1) 아스팔트 플랜트는 최소한 4개의 핫빈(hot bin) 또는 5개의 핫빈이 있어야 하며 최소 2톤 이상의 배치가 있어야 한다.

2) 에폭시 아스팔트 혼합물만 생산할 수 있게끔 계약하여야하기 때문에 되도록 2개의 생산시설을 가지고 있는 플랜트를 선정하여야 한다.

3) 아스팔트 플랜트는 1개 현장에 공급될 골재를 저장할 수 있는 충분한 공간을 확보한 지붕 있는 골재 야적장을 가지고 있어야한다.

4) 아스팔트 플랜트의 오퍼레이터가 경험이 풍부해야한다.

5) 아스팔트 플랜트 시설은 온도계 검정, 핫빈 체의 교체, 백필터(back filter) 교체, 골재계량기 검정, 배관연결 공사 등에 비용과 시간과 인력이 투여되어야 한다.

6) 에폭시 아스팔트 혼합물용 골재는 양질의 재료를 선택하고 입도별로 구매하여야 한다.

7) 바인더 제품을 수입하기 위해서는 많은 시간이 걸리기 때문에 충분한 할증을 하여야하며, 재료를 보관할 넓은 부지가 필요하다. 또한 컨테이너의 임차료 비용도 고려하여야한다.

8) 제품을 생산하기 위해서는 주제와 경화제를 가열 및 순환시키는 시설과 계량 및 혼합하는 시설이 필요하다.

9) 현장에서 본드코트를 시공하기 위해서는 가열 및 순환하는 시설과 계량 및 혼합하여 살포하는 장비를 갖추어야 한다.

10) 생산 시설 및 장비를 운영하는 인력들에 대한 철저한 교육이 필요하다.

11) 포장장비는 되도록 5년 미만의 피니셔를 사용하는 것이 좋고, 다짐 장비는 최소 14톤 이상의 타이어롤러 2대와 최소 11톤 이상의 탄뎀롤러 2대를 사용한다.

12) 시험포장을 통하여 포설두께 및 다짐 횟수를 결정한다.

13) 혼합물 이동트럭 및 포장장비 기사들에 대한 교육과 포장 기능공들의 교육이 필요하다.

14) 에폭시 아스팔트 콘크리트 포장을 시공하기 좋은 계절은 봄에서 여름으로 가는 계절이다.

15) 포장 시공 후에 에폭시 아스팔트 콘크리트 포장에 대한 충분한 양생이 필요한데 최소한 대기평균온도가 20°C 이상에서 최소 28일의 양생시간이 좋은 것으로 사료된다.

4. 결 론

강상판 장대교량에 시공된 에폭시 아스팔트 콘크리트 교면포장들을 조사하고 조기파손 포장과 문제점 없이 공용중인 포장을 분석한 결과는 다음과 같은 결론을 얻었다.

1. 중국제품은 강성이 큰 반면에 바람 및 주행차량으로 발생되는 교량의 진동으로 포장체의 탄성 응력범위를 초과하여 포장의 균열이 발생한 것으로 사료된다. 또한 양생기간의 부족으로 골재 탈리가 발생한 것으로 사료된다. 본드코트의 접착력이 약화된 것은 포설시에 본드코트가 혼합물 운반트럭에 붙는 것을 방지하기 위하여 사용한 규사로 인하여 발생한 것으로 사료된다. 2018년 7월 이상기후에 의해서 블로우업이 발생한 것은 높은 온도에 의해서 강성의 포장체가 팽창하여 포장 균열로 취약한 가로방향으로 발생하였으며 포장체가 온도팽창응력을 흡수하지 못하여서 발생한 것으로 사료된다.

2. 미국제품은 표면 골재 탈 리가 발생하였는데 2015년 5월초 표층시공 후 충분한 양생시간 없이 2015년 6월 1일 개통하여서 완전히 양생이 되지 않은 상태에서 중차량의 통행하중과 바람에 의한 진동으로 표면의 골재에 충격을 주어서 골재가 탈리된 것으로 사료된다. 2018년 7월 이상기후로 인하여 강성의 포장체가 세로방향 이음부로 블로우업이 발생하면서 포장표면균열이 발생하였는데 이는 포장체가 온도팽창응력을 흡수하지 못하여서 발생한 것으로 사료된다.

3. 국내 최초로 시공한 2건의 에폭시 아스팔트 콘크리트 교면포장의 조기파손이 있었지만 시행착오를 거치면서 습득한 선행 학습효과로 2건의 에폭시 아스팔트 콘크리트 교면포장은 조기 파손 없이 공용 중에 있다. 실패로 인하여 얻은 경험을 바탕으로 재료, 생산, 온도관리, 운반, 포설 및 시공, 양생 등의 품질관리 및 시공으로 국내 에폭시 아스팔트 콘크리트 포장의 기반을 마련하였다.

에폭시 아스팔트 콘크리트 포장 공법은 중온아스팔트 포장공법의 한 종류로 저탄소를 요구하는 세계적인 추세에 알맞은 공법으로 사료된다. 공법을 적용하기 위해서는 재료의 취득, 양호한 생산시설, 기후조건의 극복과 교통조건 등이 매우 열악하지만 앞에서 제시한 품질관리 및 시공관리가 된다면 저탄소 포장공법으로 많이 사용될 것으로 사료된다.