1. 서 론

에너지 저소비형 생활 패턴, 환경 친화적인 산업구조의 필요성, 탄소제로를 위한 친환경 도시의 교통대안으로 자전거도로 포장의 확대 필요성이 커지고 있다. 이에 따라 정부는 자전거 이용의 장려를 위해 ‘10대 자전거 거점 도시’ 조성, 국가 자전거도로 구축 사업 추진, ‘전국 일주 자전거도로망 구축’, 가족중심/자연친화/관광테마형 등의 사용자 중심의 노선 개발 등의 다양한 활성화 시책에 따라 자전거도로를 건설하고 있다(MOIS, 2010). 이에 따라 2019년에는 10년 전과 비교하여 연장은 2배 이상, 노선수는 3.3배 증가하였다. 그 중 자전거전용차로의 증가가 가장 높으며, 자전거전용도로, 자전거보행자겸용도로, 자전거수선도로 순이다(Statistics KOREA Government Official Work Conference, 2020). 그러나 자전거 도로 증가 속도에 비하여 자전거도로 포장은 이용자 만족도가 낮으며, 친환경성에 너무 치우친 나머지 적절한 주행 서비스를 제공하지 못하는 경우도 있다.

도심지 내 자전거도로 포장의 파손은 일반적인 도로와 다른 자전거도로 포장만의 특성을 고려하지 못한 재료나 시공 방법 결정 등의 복합적 요인에서 기인하고 있다. 친환경성을 위한 투수성 포장의 경우, 하천이나 녹지 주변에 시공 시 장마기간 도로까지 강물이나 빗물이 월류되거나 주변시설물의 관리가 미흡할 경우 단기간 안에 공극이 막힘으로서 제 기능을 상실하고, 조기에 파손되는 경우가 많다. 또한, 포장재료를 부적합한 온도에서 포설과 다짐하는 시공관리 문제로 다짐도 부족이나 표층 재료가 떨어져나가는 라벨링 현상이 발생하고 있다.

이에 밀립도·재활용·중온·투수성 아스팔트 혼합물 등을 이용하여 자전거도로를 시험포장하고, 성능을 평가 및 분석하였으며, 자전거도로를 위한 아스팔트 포장 시공 방법을 제안하였다.

2. 재료 및 방법

2.1 아스팔트 혼합물 종류

이 연구는 자전거도로 포장에서 발생하는 균열, 골재탈리, 평탄성 등의 문제점을 해결하기 위한 개선방안을 제시하기 위한 목적으로 추진하였다. 이를 위해 자전거도로에 다양한 아스팔트 혼합물을 이용하여 시험 포장하였으며, 아스팔트 혼합물의 성능, 시공방법 등을 평가하였다.

시험포장시 아스팔트 콘크리트 포장 재료를 다음과 같이 총 6가지를 선정하여 3개 구간에 시공하였다.

2.1.1 1구간 : 일반(13 mm, 10 mm 아스팔트 포장)

국내에서 일반적으로 사용하는 13 mm 아스팔트 혼합물(13HMA)과 아스팔트 포장의 균열저항성을 높이기 위하여 미국의 기준에 따른 10 mm 아스팔트 혼합물(10HMA)을 시공하였다.

2.1.2 2구간 : 친환경(재활용 / 중온 / 배수성 아스팔트 포장)

폐아스콘을 30% 재활용한 재활용 아스팔트 혼합물(13RHMA)과 리드캡 첨가제를 아스팔트 함량의 1.5% 사용한 중온 아스팔트 혼합물(13WMA)을 사용하였다. 그리고, 배수성 포장 기준에 적합하도록 잔골재율을 낮춘 골재입도와 건식형 개질 첨가제를 이용한 흑색의 배수성 아스팔트 혼합물(13PA)로 시공하였다.

2.1.3 3구간 : 기능성(칼라 투수성 아스팔트 포장)

투명 바인더와 회색 안료를 사용한 투수성 아스팔트 혼합물(13CPA)로 시공하였다.

2.2 시험방법

2.2.1 간접인장강도 및 터프니스

아스팔트 혼합물의 균열저항성을 측정하기 위하여 KS F 2382에 따라 간접인장강도를 시험하였다. 그리고 최대하중까지의 하중과 변위의 면적으로 터프니스(Toughness)를 계산하였다.

2.2.2 함부르크 휠 트래킹

아스팔트 혼합물에 대한 수분민감도와 소성변형 저항성을 동시에 평가하기 위해 함부르크 휠 트래킹 시험(Hamburg Wheel Tracking Test)을 AASHTO T 324라 수행하였다(Fig. 1). 50°C의 고온에 다짐된 공시체를 물에 침수시켜 705±4.5 N의 차륜하중을 반복 재하하며, 매회 침하량을 측정하였다.

Fig. 1.

Hamburg wheel tracking tester

2.2.3 칸타브로 시험

배수성 아스팔트 혼합물의 비산 저항성을 평가하고, 밀립도 아스팔트 포장과 비교하기 위하여 KS F 2492에 따라 칸타브로 시험을 실시하였다. 다짐된 공시체를 20°C에서 20 시간 양생 후 공시체 1개를 드럼에 넣고 30 회/분으로 드럼을 300회 회전시킨 후 시험 전 후에 공시체의 무게를 비교하여 손실율을 계산하였다. Fig. 2는 칸타브로 손실률 시험 후의 공시체이다.

Fig. 2.

Test specimen after cantabro test

2.2.4 미끄럼저항지수(BPN)

KS F 2375 「노면의 미끄럼 저항성 시험방법」에 따라 미끄럼저항지수(BPN; British Pendulum Number)를 Fig. 3과 같이 측정하였다.

Fig. 3.

BPN test

2.2.5 투수계수

KS F 2394 「투수성 포장체의 현장 투수 시험방법」에 따라 Fig. 4와 같이 배수성 및 투수성 아스팔트 포장의 투수성을 시험하고, 이를 배수성 포장용 아스팔트 포장 기준 단위인 1,000 mL 당 측정시간(초)로 환산하였다. 이 때 흑색 배수성 아스팔트 포장은 사면의 빗물이 포장으로 흘러서 공극의 일부가 막힌 구간을 비교하여 측정하였다.

Fig. 4.

Field permeability test

3. 연구결과 및 고찰

3.1 아스팔트 포장 포설

아스팔트 혼합물을 덤프트럭으로 시공현장으로 운반한 후 트럭 적재함의 아스팔트 혼합물을 백호우(0.6 m³)로 아스팔트 페이버 호퍼에 투입하였다. 아스팔트 페이버는 포설 가능 폭은 (1.7~3.1) m이었다. 아스팔트 포장시 시작부와 종점부는 수작업으로 포설하였으며, 그 외에는 Fig. 5와 같이 페이버로 포설하였다. 이 결과 페이버로 포설한 구간은 평탄성과 초기다짐 상태가 양호하였으나 수작업으로 포설한 구간은 상대적으로 평탄성이 약간 낮았다.

Fig. 5.

Asphalt concrete paving

아스팔트 혼합물이 페이버 호퍼에 적재된 상태에서 적외선 카메라로 온도를 측정한 결과 Fig. 6과 같이 포설 중 호퍼의 일부온도는 154~97°C로 약 50°C 차이 발생하였으며, 시작부의 인력 포설시 표면 온도는 Fig. 7과 같이 174~140°C 로 약 30°C 온도 편차가 발생하였다. 가열 아스팔트 혼합물을 페이버 포설시 Fig. 8과 같이 표면 온도는 151~118°C 로 약 30°C 온도 편차 발생하나, 동일 포장폭의 일정구간에서의 온도 편차는 약 20°C로 양호하였다. 중온 아스팔트 포장의 표면 온도는 Fig. 9와 같이 132~100°C 로 약 30°C 온도 편차 발생하나, 동일 포장폭의 일정구간에서의 온도 편차는 약 10°C 이었으며, 연무가 거의 발생하지 않았다.

Fig. 6.

Temperature of asphalt mixture in paver hopper

Fig. 7.

Mixture temperature during labor construction

Fig. 8.

HMA paving temperature with asphalt paver

Fig. 9.

WMA paving temperature

배수성 아스팔트 포장의 페이버 포설시 표면 온도는 Fig. 10과 같이 170~141°C 로 약 30°C 온도 편차 발생하나, 동일 포장폭의 일정구간에서의 온도 편차는 약 10°C 이내였다. 칼라 투수성 아스팔트 포장의 페이버 포설시 표면 온도는 Fig. 11과 같이 154~146°C 로 약 10°C 온도 편차 발생하였으며, Fig. 12와 같이 시공시 짙은 연무와 악취가 발생하였다.

Fig. 10.

Porous asphalt mixture (drainage) paving temperature

Fig. 11.

Porous asphalt mixture (water penetration into base layer) paving Temperature

Fig. 12.

Color porous asphalt mixture

3.2 아스팔트 포장 다짐 및 시공 완료

아스팔트 포장의 다짐은 Fig. 13과 같이 철륜과 타이어가 결합된 콤비롤러 1대를 사용하여 다짐하였다. 다짐시 전륜이 스틸롤러이므로 스틸롤러로 다짐 후 타이어롤러로 다짐되었다. 후륜이 타이어 롤러이므로 다짐 후 포장면에 타이어 자국이 일부 남는 문제점이 있었다.

Fig. 13.

Asphalt pavement rolling

아스팔트 포장 다짐 후의 포장 표면은 Fig. 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20과 같았으며, 회색 투수 아스팔트 포장의 표면은 짙은 회색으로 일반적인 흑색 아스팔트 포장과 비교하여 육안 관찰시 큰 차이점이 없었다.

회색 투수 아스팔트 포장은 시공 후 일정 기간 경과 후 표면이 약간 탈색되며, 시공 후 현장 조사시 이를 확인 할 수 있었다. 그러나 회색 칼라 아스팔트 포장이 흑색 아스팔트 포장과 비교하여 미려한 느낌보다는 시멘트 콘크리트 포장과 유사한 색감이었다.

Fig. 14.

10 mm dense grade asphalt pavement

Fig. 15.

13 mm dense grade asphalt pavement

Fig. 16.

Porous asphalt pavement

Fig. 17.

Gray color porous asphalt pavement

3.3 아스팔트 혼합물 성능 평가 결과

3.3.1 간접인장강도 및 터프니스

간접인장강도는 Fig. 18과 같이 재생아스팔트 혼합물인 13RHMA, 10 mm 아스팔트 혼합물인 10HMA 순이었으며, 13CPA가 가장 낮았다. 재생 아스팔트 혼합물은 폐아스팔트 콘크리트가 포함되므로 강성이 높아 간접인장강도가 높게 나타난 것으로 판단되었다. 터프니스도 Fig. 19와 같이 간접인장강도와 비슷한 추세였다.

Fig. 18.

Test results of ITS

Fig. 19.

Test results of Toughness

3.3.2 함부르크 휠 트래킹

함부르크 휠 트래킹 시험 결과는 Fig. 20, Table 1과 같이 13RHMA가 소성변형이 가장 작았으며, 12.5 mm 까지 소성변형이 발생하는 횟수가 20,000 회 이상이었다. 그리고, 13CPA 보다 13PA가 높아 비슷한 입도의 배수성/투수성 아스팔트 혼합물에서 흑색 아스팔트 혼합물에 비하여 칼라 아스팔트 혼합물의 수분 소성변형 저항성이 낮음을 알 수 있었다.

간접인장강도와 함부르크 휠트래킹 시험결과는 비슷한 경향이지만 중온 아스팔트 혼합물이 일반 아스팔트 혼합물에 비하여 수분소성변형 저항성이 높고, 재생 아스팔트 혼합물을 제외하면 투수 아스팔트 혼합물의 수분소성변형 저항성이 높은 것으로 나타났다.

Fig. 20.

Test results of hamburg wheel tracking

3.3.3 칸타브로 손실률

Fig. 21은 칸타브로 손실률 시험 결과를 보여주고 있다. 칸타브로 손실률 시험 결과 13CPA가 일반적인 기준인 20% 이하 기준을 만족하지만 14.7%로 가장 손실량이 많았으며, 10HMA가 6.3%로 가장 낮았다. 그리고 밀립도 아스팔트 혼합물 중에는 13RHMA이 8,8%로 가장 많았으나 13HMA와 큰 차이는 없었다. 중온 아스팔트 혼합물인 13WMA와 10HMA가 칸타브로 손실률이 가장 낮은 것으로 나타났다.

Fig. 21.

Test results of cantabro loss rate

3.4 아스팔트 포장 평가 결과

3.4.1 미끄럼저항지수(BPN)

Fig. 22는 포장 단면별 BPN 시험결과로써 BPN이 70 이상으로 보도용 기준인 40 이상을 만족하였다. 13 mm 밀립도 아스팔트 혼합물은 BPN이 85~94로써 80 이상이었으며, 이 중 13 mm 가열 아스팔트 혼합물의 미끄럼저항성이 가장 높았다. 10 mm 밀립도 아스팔트 혼합물은 BPN은 85로써 13 mm 밀립도 아스팔트 혼합물과 비교하여 차이가 크지 않았다. 따라서 10 mm 밀립도 아스팔트 혼합물을 사용시 미끄럼저항성에 문제없는 것으로 판단되었다.

Fig. 22.

Test result of BPN

3.4.2 투수계수

투수계수는 Table 2와 같이 배수성 아스팔트 포장은 14.6 s/1,000 mL 로써 관련 기준인 15 s/1,000 mL 기준을 만족하였고 흑색 배수성 아스팔트 포장 시공 후 빗물에 의해 공극이 막힌 구간은 투수계수가 감소된 것을 확인할 수 있었다. 그리고, 투수성 아스팔트 포장은 15.1 s/1,000 mL로 기준과 유사하였다.

3.5 종합고찰

자전거도로 포장에 시험시공한 아스팔트 혼합물을 실내시험을 통해 평가한 결과 칼라 투수 아스팔트 혼합물은 흑색 배수성 아스팔트 혼합물과 비교하여 인장강도, 수분 소성변형저항성, 칸타브로 손실률 모두 낮은 것으로 나타났다. 재생 아스팔트 혼합물은 신규 아스팔트 혼합물과 비교시 간접인장강도, 수분 소성변형 저항성 등이 높았으며, 이는 아스팔트 혼합물의 강성이 높은 것이 영향을 준 것으로 판단되었다. 그리고, 신규 아스팔트 혼합물 중 중온 아스팔트 혼합물은 가열 아스팔트 혼합물에 비하여 낮은 온도로 시공되었으나 대부분의 실험결과 값이 우수한 것으로 평가되었다. 10 mm 아스팔트 혼합물은 미끄럼 저항성에 취약할 것으로 예상하였으나, 13 mm 아스팔트 혼합물과 비교하여 큰 차이는 없는 것으로 나타났다. 투수 아스팔트 혼합물은 칸타브로 손실률이 기준을 만족하였으나 칼라 투수 아스팔트 혼합물이 흑색 투수 아스팔트 혼합물 보다 골재 탈리에 취약한 것으로 평가되었다. 밀립도 아스팔트 혼합물의 칸타브로 손실률을 비교하면, 재생 아스팔트 혼합물이 가장 손실률이 높고, 10 mm 아스팔트 혼합물과 13 mm 중온 아스팔트 혼합물이 낮아 아스팔트 혼합물의 탈리나 취성을 판단할 수 있는 기준으로 활용할 수 있을 것으로 판단되었다.

4. 결 론

본 연구에서는 자전거도로용 아스팔트 포장을 시험 시공하여 평가하였으며, 이를 통해 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.

1. 10 mm 아스팔트 혼합물은 13 mm 아스팔트 혼합물에 비하여 간접인장강도가 높고 칸타브로 손실률 낮았으며, 미끄럼 저항성도 비슷하여 우수하였다. 차량하중이 없을 경우 아스팔트 혼합물의 최대골재 크기가 작을수록 균열저항성이 커져서 공용수명이 높아지고, 투수계수가 낮아져 포트홀 저항성이 우수하다. 따라서 자동차 교통량이 없는 자전거도로는 현재는 국내 적용사례가 거의 없으나, 최대골재 크기 10 mm 밀립도 아스팔트 혼합물을 적용하는 것이 바람직한 것으로 사료되었다.

2. 중온 아스팔트 혼합물은 가열 아스팔트 혼합물에 비하여 낮은 온도로 시공되었으나 대부분의 성능이 우수한 것으로 평가되었다. 또한, 포장 폭이나 시공 연장의 한계로 아스팔트 페이버를 사용하지 않을 경우 중온 아스팔트 혼합물을 가열 아스팔트 혼합물 온도로 생산할 경우 다짐도가 크게 증진될 수 있고 이에 따라 포장의 내구성 확보가 용이할 것으로 판단된다. 그리고 소형 페이버를 사용할 경우에도 혼합물을 백호우를 이용하여 호퍼에 넣는 과정에 온도가 낮아질 수 있으므로 이를 고려하여 혼합물의 도착온도 관리에 유의하여야 하며, 중온 아스팔트 혼합물을 적용하는 것이 유리하다.

3. 회색 칼라 투수 아스팔트 포장은 무색 바인더를 사용하므로 높은 단가로 인해 경제성이 낮고, 흑색 투수 아스팔트 포장과 비교하여 미관상 차이가 크지 않았다. 그리고 인장강도가 낮고 골재 탈리도 쉽게 발생할 수 있다. 따라서 자전거도로에 투수 아스팔트 포장을 적용하여야 할 경우 무색 바인더를 사용하지 않는 투수 아스팔트 포장을 적용하는 것이 유리하며, 시공 온도가 낮아질 경우 다짐도가 급격히 낮아질 수 있으므로 소형 페이버를 사용하는 것이 필요하다. 또한, 수침될 경우 쉽게 공극이 막히고, 조기 파손될 수 있으므로 여름철 장마기간에 월류될 수 있는 하천 주변이나 녹지의 절토사면 주변에 자전거도로 시공시에는 밀립도 아스팔트 포장을 시공하는 것이 적합할 것으로 판단된다.

4. 포장 시공시에는 아스팔트 페이버를 적용시 포장 평탄성 및 다짐도 확보 용이하므로 포장 폭 1.5 m 이상일 경우 소형 아스팔트 페이버를 이용한 기계화시공을 하는 것이 바람직하다. 또한, 다짐시 콤비롤러 1 대만 사용시 타이어 자국이 발생하므로, 가능한 탠덤롤러와 함께 2 대로 시공하는 것이 좋으며, 탠덤롤러 수급이 어려울 경우에는 콤비롤러를 2 대 사용하되 마무리 다짐용은 타이어를 전륜으로 다짐하여 포장체의 평탄성을 확보할 수 있다.