1. 서 론
2. 콘크리트 포장 절삭 덧씌우기의 문제점
3. 층간 접착 및 이음부 개선 방안
3.1 인장접착강도시험
3.2 전단접착강도시험
3.3 절삭 바닥면 개선 방안
3.4 절삭 경계면 개선 방안
3.5 택코팅 살포량에 따른 인장접착강도 실물모사시험
4. 콘크리트 절삭 경계면 개선 시험시공
4.1 시험 시공 현황
4.2 투수 특성 조사
5. 결 론
5.1 콘크리트 포장과 덧씌우기층 간의 접착력 개선
5.2 절삭 바닥면 및 측벽 경계면 개선
1. 서 론
현재 콘크리트 포장은 전체 고속도로의 약 64%를 차지하고 있으며 중부고속도로의 재령이 이미 30년을 넘는 등 많은 콘크리트 포장들이 장기 공용으로 인한 노후화가 진행되고 있다. 많은 콘크리트 포장들이 노후화로 인하여 부분 단면보수를 실시하여 왔으나 이 또한 한계에 이르러 전단면 덧씌우기를 필요로 하는 구간들이 많아지고 있는 실정이다. 특히 최근 극심한 기상변화로 인한 동결융해 등으로 파손이 급증하고 있으며 이로 인한 파손범위의 증가로 아스팔트포장 덧씌우기 또는 절삭 덧씌우기를 시행해오고 있다. 그러나 절삭 덧씌우기 시행구간의 경우 수분 침투 및 체수로 인한 부착력 저하로 하부 콘크리트 열화 등이 발생하여 포트홀을 유발하는 등 덧씌우기의 수명을 단축시키는 원인이 되고 있다.
본 연구에서는 콘크리트 포장 절삭덧씌우기 구간의 수명을 연장시키고자 아스팔트 혼합물 내부 및 콘크리트와의 경계부로 우수와 제설용 염화물이 침투되지 않도록 하기 위한 방안을 제시한다.
세부적으로 콘크리트와 아스팔트 혼합물의 부착을 강화하기 위하여 택코팅용 유화아스팔트의 기준을 제시하고, 절삭 바닥면의 처리방법을 제시한다. 그리고 절삭경계면에서 우수침투가 대량으로 발생되므로 이 부분에서의 접착력 증진 및 우수침투를 방지하기 위하여 경계부에 대한 처리방안을 제시한다.
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 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 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. 연구 결과, 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 아스팔트 혼합물의 공극이 클수록 지수함수 형태로 투수계수가 증가한다고 하였다. 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. 층간 접착 및 이음부 개선 방안
콘크리트 포장의 절삭 덧씌우기에서 층간 접착과 이음부가 취약부로 나타났다. 본 연구에서는 층간 접착력을 개선하기 위하여 유화아스팔트 및 알칼리 골재 반응구간에서 적용되는 방수재의 종류별 인장접착 특성을 분석하고, 택코팅 재료의 접착특성을 분석하여 택코팅 재료의 기준을 제시하였다. 또한 절삭 바닥면의 청소상태가 층간 접착력에 매우 큰 영향을 미치므로 이에 대한 특성을 분석하고 기준을 제시하였다. 그리고 절삭 경계면에서 우수침투가 많이 일어나므로 이를 방지하기 위한 방안을 제시하였다.
3.1 인장접착강도시험
콘크리트 포장 위 아스팔트 절삭 덧씌우기 구간은 차량통행에 의한 진동과 충격하중으로 층간 경계면에서 분리가 발생할 수 있다. 따라서 콘크리트 포장과 아스팔트 포장 사이의 부착력 확보는 덧씌우기 포장의 공용수명 증대를 위한 필수적인 요건이다. 그러므로 본 연구에서는 일반적으로 실시하는 방법에 따라 인장접착강도 시험을 실시하여 인장 접착 특성을 비교 분석하였다. Fig. 1은 인장접착강도 시험을 보여준다.
본 연구에서는 다양한 택코팅 재료를 대상으로 콘크리트와 아스팔트 간의 접착력을 최대화 할 수 있는 택코팅 재료별 적정 살포량에 대하여 인장 및 전단접착강도시험을 통하여 분석하였다.
Fig. 2는 택코팅재 혼합 당시의 살포량을 기준으로 한 건조 상태의 재료별 인장접착강도를 나타낸 것이다. 본 연구에서는 재료별 특성치에 따른 재료의 차별성분석이 아닌, 시공측면의 차이점을 살펴보고자 택코팅 사용분석에 초점을 맞추어 본 연구에서 사용된 재료만의 실험값분석의 한계를 본 연구의 제한사항임을 규정하여 제시하고자 한다. Fig. 2에서 유화아스팔트 살포량이 늘어날수록 인장접착강도는 증가하는 경향을 보였다. 다만, 개질유화아스팔트(B)의 경우 살포량 0.6ℓ/m2에서 인장접착강도가 가장 높은 값을 보였다.
3.2 전단접착강도시험
유화아스팔트의 접착 성능을 평가하고자 일반적으로 실시하는 방법에 따라 전단접착강도 시험을 수행하였으며, 건조상태의 시험 조건에서 유화아스팔트 접착 성능을 평가하였다. Fig. 3은 전단접착강도 시험을 보여준다.
시험 결과, Fig. 4에서와 같이 유화아스팔트 살포량이 0.4ℓ/m2 일 때 전단접착강도가 가장 높은 값을 나타냈으며 살포량이 증가할수록 전단접착강도 값은 감소하는 경향을 보였다. 따라서 전단접착강도를 고려한 유화아스팔트의 최적 살포량은 0.4ℓ/m2로 분석되었다.
3.3 절삭 바닥면 개선 방안
절삭면 표면 청소의 영향을 알아보기 위하여 노후 콘크리트 포장 절삭 덧씌우기 구간의 절삭 후 청소 상태에 따라 일반적으로 실시하는 방법인 인장접착강도 시험을 실시하였다. 청소를 하지 않고 덧씌우기를 한 구간에서 3지점을 선정하였으며 청소를 한 후 덧씌우기를 한 구간에서 7지점을 선정하여 실험하였다. Fig. 5는 청소를 한 면과 청소를 하지 않은 면을 비교한 것이다.
인장접착강도 시험 결과, Fig. 6에서 청소를 철저히 할 경우 접착강도를 3.5배까지 높일 수 있는 것을 확인하였다. 따라서 절삭 후 덧씌우기 할 경우 절삭면 표면 청소가 중요한 요소라 판단된다.
3.4 절삭 경계면 개선 방안
실내 시험시공 후 절삭 경계면 처리 공법의 차수 효과를 검증하기 위하여 일반적으로 현장에서 실시하는 현장 투수 시험을 수행하였다. 시험 결과, Fig. 7에서와 같이 차수효과는 cutting+sealing > cutting > control 순으로 나타났으며, 절삭면을 컷팅 할 경우 30%, 커팅 및 실링을 할 경우에는 92%의 차수효과증대를 보이는 것으로 분석되었다.
3.5 택코팅 살포량에 따른 인장접착강도 실물모사시험
일반 유화아스팔트의 살포량에 따른 인장접착강도시험을 살포량(0.0, 0.2, 0.34, 0.6ℓ/m2) 4가지에 대하여 진행하였다. 시험은 습윤 건조 실험을 20°C의 온도에서 각각 3가지의 Sample을 채취하여 진행하였다. Fig. 8은 택코팅 살포 후 아스팔트 포장 덧씌우기를 시공한 모습을 보여준다.
습윤상태의 부착강도를 측정하기 위한 시편은 코어링 후 2일 동안 수침을 하였다. 수침한 시편을 인장접착강도 시험기를 통하여 강도를 측정하였고 그 결과는 Fig. 9와 같다. 살포량이 증가 할수록 부착강도 또한 증가함을 확인 할 수 있으며 살포량 0.6ℓ/m2일 때의 인장접착강도가 평균 0.73으로 가장 높은 값을 보였다. 본 실험에서는 최적의 택코팅 살포량 산정보다는 기존방식(살포하지 않는 경우)대비 살포시의 증진효과를 정량화하고자 한 것으로서, 택코팅을 살포하지 않은 시편은 약한 접착력 때문에 코어채취 도중 분리되어 접착강도를 측정할 수 없었다.
강우 및 하중모사 시험을 통해 반사균열 및 결함 발생정도를 평가하였다. 평가 방법은 실대형 포장가속시험동에서 반복하중 재하수의 증가에 따른 포장 표면의 육안관찰과 수시로 표면사진을 촬영하여 결함의 진전을 기록하였다. Fig. 10과 같이 3개의 줄눈부를 구분하여 관찰시 이력자료에 표기하였다. 본 실험은 실험인자를 factorial design하지 않고, 본 연구에서 제시하고자 하는 개선방안의 효과측면을 보고자 실시한 제한적인 실험이다.
일반아스팔트를 중간층으로 사용한 줄눈부 1의 초기 균열은 Fig. 11에서 하중재하횟수 209,094회부터 관측되었으며 최종 균열량은 352 cm로 나타났다. 개질아스팔트를 중간층으로 사용한 줄눈부 2의 초기균열은 하중재하 횟수 236,895회에 관측되었으며, 최종균열량은 255 cm 나타났다. 개질아스팔트를 중간층으로 사용하고 컷팅 및 실링을 한 줄눈부 3의 초기균열은 360,000회에서 관측되어 커팅 및 실링을 한 구간의 균열(줄눈부 3)이 하지 않은 구간의 균열(줄눈부 1, 2)보다 약 1.7배, 약 1.5배의 균열 저항성을 나타내는 것으로 분석되었다.
4. 콘크리트 절삭 경계면 개선 시험시공
시험시공의 목적은 콘크리트포장 절삭면 단부 처리를 컷팅 및 씰링재의 시공을 통하여 개선함으로써 우수침투에 취약한 단부를 보강하는데 있다. 실내시험결과, 절삭면 단부의 투수 방지에 효과가 있는 것으로 분석되어 이를 현장에 적용하고자 하였다.
4.1 시험 시공 현황
시험 시공은 서해안선 송악 IC 부근 서울방향 273.24~273.45 구간에 시공되었다. 총 연장 220 m 구간 중 20 m를 시험시공 구간으로 선정하였으며 Fig. 12는 시험시공 구간 상세도를 보여준다.
시험 시공에 적용된 절삭면 처리 방법은 절삭면 컷팅과 씰링재, 포그씰용 유제살포의 3종류로 적용되며, 총 5종류의 시험단면으로 구성하였다. Fig. 13은 시험시공 구간 절삭면 처리 방법을 보여준다.
4.2 투수 특성 조사
시험시공 후 절삭면 처리 방법의 차수효과를 검증하기 위하여 일반적으로 사용되는 현장 투수시험을 수행하였다. 시험결과는 Fig. 14에서와 같이 포그씰 > cutting+sealing > cutting > control의 순으로 차수효과가 있는 것으로 분석되었다.
5. 결 론
본 연구에서는 콘크리트 포장 절삭 덧씌우기 구간의 내구성을 연장시키기 위하여 콘크리트 포장과 절삭 덧씌우기의 층간 부착력을 개선시키기 위한 방안을 제시하였다. 또한 절삭 덧씌우기의 측벽 경계부에서의 우수침투를 방지하기 위한 방안을 제시하였다. 본 연구에서 얻은 주요 결론은 다음과 같다.
5.1 콘크리트 포장과 덧씌우기층 간의 접착력 개선
(1) 택코팅 재료별 적정 살포량 시험결과, 일반적으로 살포량이 증가할수록 인장접착강도도증가하는 경향을 보여 0.8ℓ/m2에서 가장 높은 강도를 나타냈다. 다만, 개질유화아스팔트(B)의 경우 살포량 0.6ℓ/m2에서 인장접착강도가 가장 높은 값을 보였다.
(2) 전단접착강도 시험결과, 유화아스팔트 살포량이 0.4ℓ/m2에서 가장 높은 값을 보였다.
(3) 콘크리트포장용 유화아스팔트의 최적 살포량은 인장접착강도 시험과 전단접착강도 시험을 통하여 인장강도 기준과 전단강도 기준을 둘 다 만족하는 최적살포량을 구하여야 한다. 본 연구결과, 콘크리트 위 덧씌우기를 할 경우에는 현재 택코팅 유화아스팔트 살포량 기준인 0.3~0.6ℓ/m2 의 기준을 0.4ℓ~0.8ℓ/m2 이상으로 상향조정해야 한다.
5.2 절삭 바닥면 및 측벽 경계면 개선
(1) 표면 처리에 따른 현장 인장접착강도시험 결과, 표면 청소를 철저히 할 경우가 그렇지 않은 경우에 비해 접착강도가 3.5배 높게 나타남을 확인하였다. 따라서 절삭 후 덧씌우기 포장을 할 경우 절삭면 표면 청소가 중요한 요소라 판단된다.
(2) 콘크리트 포장의 절삭 시 경계면에서 우수 침투가 많이 발생되는 것으로 나타났다. 우수 침투를 방지하기 위한 방안으로 절삭하기 전에 컷팅을 하게 되면 일반 절삭구간에 비해 30%의 차수효과가 증대되며, 컷팅과 아울러 실링을 병행하게 되면 일반 절삭구간에 비해 92%의 차수효과가 증대되는 것으로 나타났다.
(3) 포장가속시험 결과에서 콘크리트 포장 절삭 시 컷팅과 아울러 실링을 병행하게 되면 일반 절삭구간에 비해 약 1.5배 정도의 반사균열 저항 효과가 증대되는 것으로 나타났다.
추후 본 연구결과를 활용하여 공학적인 연구결과가 뒷받침된다면 현장에서 콘크리트 포장 절삭덧씌우기 구간의 수명을 연장시키기 위하여 실시하는 아스팔트 혼합물 내부 및 콘크리트와의 경계부 우수와 제설용 염화물 침투방지방법의 확립으로 국내도로수명확보에 기여할 것이다.
