1. 서 론
2. 아스팔트 덧씌우기 혼합물
3. 전단파괴(Mode II) 반사균열 모사시험
3.1 전단파괴(Mode II)균열
3.2 반사균열의 발생 메커니즘
3.3 전단파괴(Mode II) 반사균열 모사시험
4. 덧씌우기 혼합물의 실내 공용 특성
4.1 역학적 특성
4.2 시험혼합물 종류에 따른 반사균열 저항성 평가
5. 결 론
1. 서 론
도로는 국토의 대동맥으로써 국민 생활환경과 국가 산업발전의 중요한 기반시설이다. 경제발전의 우위를 가름하는 국력의 지표로 고려 될 만큼 그 역할이 더욱 중요하게 인식되어 도로망의 확충이 계속적으로 이루어져 왔다. 2020년 12월말 기준 국내 도로망 총연장은 약 112,977 km이며 포장률은 94.1%를 나타내었다(MOLIT, 2020).
1970년대 이후 급격한 산업화에 따른 교통량의 증가, 중차량의 증가와 같은 직접적인 요인과 집중호우 및 강설 등 환경변화에 따른 간접적인 요인에 의한 포장파손의 가속화 및 도로 관리연장의 증가로 유지관리에 필요한 비용이 점차 증가하는 추세이다.
한국도로공사에서는 2000년대초 주요고속도로를 대상으로 노후콘크리트포장 현장실태조사를 실시한 결과 줄눈부의 스폴링 및 부분단면보수가 이루어진곳의 재파손이 빈번하게 발생하는 것을 파악하여 파손이 심한구간에 대하여 8 cm 절삭 덧씌우기를 실시하였다. 또한 늘어나는 노후 시멘트 콘크리트포장의 유지보수방안으로 고속도로 개량사업을 통해 중부고속도로(하남~호법 41.1 km), 영동고속도로(여주~강릉 145.2 km), 중부내륙고속도로(괴산~충주31.4 km / 연풍~괴산 14 km / 충주~여주 26.5 km), 경인고속도로(서인천~신월 13.4 km), 통영대전선(산내~비룡 9.8 km)에 주행성 향상을 위해 노후·열화 콘크리트 포장을 아스팔트 포장으로 전면 개량하였으며, 2021년 현재 호남고속도로 (정읍나들목~김제나들목 구간 33 km)에 대하여 전면적인 개량사업을 진행중에 있다.
노후·열화된 시멘트 콘크리트 포장의 유지보수방법으로 적용된 절삭 덧씌우기 포장의 경우 신설도로에서의 아스팔트 콘크리트 포장의 공용년수에 비해 조기 파손이 발생하는 경우가 빈번하다. 이는 기존 노후 콘크리트포장의 균열이 상부로 전이되는 반사균열(Reflective Cracking)과 서로 다른재료의 포장층인 시멘트 콘크리트와 아스팔트 콘크리트의 부착력 약화에 따른 층간 분리가 중요한 원인으로 분석된다.
반사균열이란 아스팔트 덧씌우기를 실시한 후 기존 콘크리트 포장층의 줄눈이나 균열이 표면에 반사되어 상부층에 나타나는 현상이며, 주로 기존 포장의 균열이나 조인트의 패턴에 따라 환경적 요인 또는 윤하중에 의해 덧씌우기층 표면에 균열로 나타나는 현상이다(Hu et al., 2010).
반사균열은 표면수의 침투 경로가 되어 포장의 연속성을 파괴하고 이에 따라 포장의 강도가 저하하면서 단면전체에 대한 사용성을 크게 떨어뜨려 주행성 및 승차감을 저하시키는 원인이 된다(Kim, 2012).
반사균열의 발생과 진전의 주된 원인은 차량으로 인한 윤하중과 온도변화에 따른 콘크리트의 수축․팽창에 의한 슬래브의 수평적 이동이라 주장하였다(Nunn, 1989). 슬래브의 수축은 균열 상단의 아스팔트 층에 인장응력을 유발하며 윤하중에 의해 발생되는 휨파괴(ModeI)균열을 유발한다. 또한, 기존포장의 균열 바로 위를 가로지르는 윤하중 및 콘크리트 포장의 컬링(Curling)은 아스팔트 층 바닥에 수직방향으로 전단응력을 야기하여 전단파괴(Mode II) 균열을 유발한다고 주장하였다(Lytton, 1989).
전단파괴(Mode II)균열은 휨 파괴(Mode I)균열 보다 심각한 포장 손상을 일으키는 것으로 알려져 왔다. 따라서 본 연구는 노후 콘크리트 포장의 유지보수 방법 중 비절삭 덧씌우기에 대한 윤하중 및 콘크리트 포장의 컬링(Curling)에 의한 전단응력에 대하여 전단파괴(Mode II)균열에 관한 연구로써, 콘크리트 포장의 반사균열 진전을 억제하기 위한 각종 아스팔트 혼합물의 반사균열 저항특성을 비교하는 것이 연구목적이다. 시험은 각종 아스팔트 혼합물에 대하여 전단파괴(Mode II) 시험을 이용한 포장체의 반사균열 거동특성을 비교해 보았다.
2. 아스팔트 덧씌우기 혼합물
본 연구를 위해 사용된 아스팔트는 국내에서 생산되고 있는 제품으로 AP-5 일반아스팔트와 개질재인 SBS (Styrene-Butadiene-Styrene)가 함유된 SBS 고분자 개질아스팔트(PMA : Polymer Modified Asphalt), 그리고 일반 아스팔트에 폐타이어 고무분말이 약 17~18%가 혼합된 CRM (Crumb Rubber Modified) 아스팔트가 사용되었다. 시험에 사용된 아스팔트 혼합물 종류는 Table 1과 같으며, 각 혼합물의 최적아스팔트함량(OAC)과 입도에 따라 아스팔트 혼합물 시편을 제작하였다.
Table 1.
Asphalt mixture used in the test
3. 전단파괴(Mode II) 반사균열 모사시험
3.1 전단파괴(Mode II)균열
반사균열의 발생원인은 환경적요인 및 교통하중으로 환경적인 요인은 계절별 온도 및 습도 변화에 따른 기존 시멘트 콘크리트 슬래브의 수축·팽창에 의한 슬래브의 수직 및 수평 거동에 의하여 발생하고 있다(Rigo, 1993).
Fig. 1은 균열 선단에서 일반적인 파괴 Mode의 3가지 경우를 보여주고 있다. 첫째, 가장 일반적이고 많이 발생하는 반사균열 형태인 수평이동(horizontal movement)이다. 주로 콘크리트 포장과 아스팔트 포장의 온도변화가 원인이 되며 줄눈과 균열 위의 아스팔트 포장에 작용되는 수직하중에 의해 발생하는 휨응력과 함께 휨 파괴(Mode I)균열을 유발한다. 둘째, 기존 콘크리트 포장의 줄눈과 균열을 따라 교통하중에 의해 덧씌우기 측에 전단응력을 일으켜 전단 파괴(Mode II)균열을 유발시킨다. 셋째, 일반적인 형태는 아니지만 횡방향(parallel)으로 움직임이 발생하는 경우로써 이는 측면방향(lateral)으로 변위(Mode III)가 발생 하는 경우에 한하여 발생한다(Lytton, 1989).
3.2 반사균열의 발생 메커니즘
콘크리트 포장에 존재하는 줄눈이나 균열로부터 발생하는 반사균열이 단계별로 진전하는 모식도를 나타내었다(Fig. 2). 시간이 경과함에 따라 아스팔트 덧씌우기 포장 하부의 균열이 점차 표면으로 발달하면서 이후 국부적인 파손을 발생시키는 양상을 나타내고 있다.
아스팔트 덧씌우기 포장 하부에서 윤하중과 온도영향에 의한 수직․수평변형의 상호작용으로 인하여 아스팔트 덧씌우기 포장 하부에서 미세균열이 발생한다. 이러한 미세균열이 아스팔트 포장의 상부로 진전하여 표면에 나타나게 된다. 본 과정이 계속 진행하면서 다수의 균열이 형성되고 파괴에 도달하게 된다(NAPA, 1994).
3.3 전단파괴(Mode II) 반사균열 모사시험
아스팔트 혼합물은 슬래브 다짐기를 이용하여 슬래브 형태로 제작하였다. 슬래브의 크기는 300 mm× 400 mm×75 mm가 되도록 제작하였다. 제작된 아스팔트 혼합물 시편은 절단기를 이용하여 세로 방향으로 4등분 하였으며 300 mm×90 mm×75 mm인 보 시편으로 제작하였다. 제작된 보 시편은 반사균열 모사시험시 절단된 면에서의 균열 진행상황을 용이하게 관찰하기 위해 흰색 페인트를 칠하였다.
아스팔트 혼합물 시편 하부에는 현장에서의 콘크리트 포장의 균열 및 줄눈상태를 모사하기 위해 시멘트 콘크리트로 제작된 슬래브를 위치하여 아스팔트 혼합물과 접착을 위해 택코팅을 실시하였다.
본 시험에서는 Fig. 3과 같이 시멘트 콘크리트 슬래브의 간격을 2.5 mm, 5 mm, 10 mm로 두어 아스팔트 혼합물 시편에 부착하였다.
현장의 콘크리트 포장 하부의 보조기층에 의한 탄성지지를 모사하기 위해 10 mm 두께의 고무패드를 시험공시체 바닥면에 위치시켰다. 시험공시체에 재하되는 하중은 100 kg으로 직경 200 mm,폭 56 mm인 강재 바퀴가 약 200 mm를 0.5 Hz의 속도로 왕복 이동하는 휠트래킹(Wheel Tracking) 장비를 사용하여 시험을 수행하였다. 시험공시체는 매 500 cycle 마다 수직균열과 수평변위를 측정하였으며, 육안으로 관찰이 가능한 각각의 수직균열의 합이 공시체의 전체 높이에 도달할 때(전체길이 75 mm)까지 시험을 수행하였다. 이 때까지의 강재 바퀴의 왕복 회수(cycles)를 파괴수명(failure life)으로 기록하였다. 동적안정도(DS : Dynamic Stability)는 혼합물이 1 mm의 수평변위가 발생하는데 몇회의 윤하중 반복이 필요한지를 나타낸다(Kim et al., 1999). 수직균열 진전비는 각 공시체의 균열 진전 상태를 각 500 cycles 마다 육안으로 측정하고 이 데이타를 이용하여 선형 회귀분석한 곡선의 기울기로 나타내었다.
4. 덧씌우기 혼합물의 실내 공용 특성
4.1 역학적 특성
배합설계로부터 결정된 각 아스팔트 혼합물의 최적 아스팔트 함량으로 제조한 시험공시체의 물성 및 강도 특성은 Table 2와 같다. 최적 아스팔트 함량은 AP와 PMA에서 비슷하게 나타났다.
공극율은 모두 기준에 만족하였으며, 간접인장강도는 PMA가 가장 크게 나타나 SBS 개질재가 인장력 향상효과를 나타내고 있음을 보여주고 있다. 아스팔트 혼합물의 인장강도는 아스팔트 포장이 윤하중에 의한 하중의 영향을 견디어내는 가장 중요한 특성으로 이의 향상이 포장의 피로수명을 증진시킨다고 보고되고 있다(Doh et al., 2000).
Table 2.
Comparison of properties in the OAC of each asphalt mixture
4.2 시험혼합물 종류에 따른 반사균열 저항성 평가
시험공시체는 앞서 일반아스팔트(AP), SBS 고분자 개질아스팔트(PMA) 그리고 고무 개질아스팔트(CRM) 세 종류의 아스팔트 시험혼합물을 사용하였으며, 각 시험혼합물에 대하여 세 번의 전단파괴(Mode II)시험을 수행한 후 평균값을 내었다. Fig. 4와 Fig. 5는 윤하중 왕복횟수(cycles)에 따른 수직균열의 진전과 수평변위의 변화를 보여주고 있다. 이러한 시험과정을 통해 전단파괴수명과 수직균열진전비, 수평변위와 동적안정도등 반사균열에 대한 저항특성치를 구할 수 있었으며 각 항목에 대하여 Table 3에 나타내었다.
시멘트 콘크리트 슬래브의 간격(이하 줄눈 간격)이 10 mm인 일반아스팔트 혼합물(AP)의 경우 파괴수명(Shear failure life)이 4,833 cycles로 이를 1로 했을 때 PMA의 경우 56,666 cycles로 11.7배의 증가를 나타내어 반사균열에 대한 저항성이 더욱 큰 것을 알 수 있었다. CRM의 경우는 AP보다 0.37배로 감소하였다. 줄눈 간격 5 mm에서는 AP에 대하여 PMA는 11.4배 증가하였으며, CRM은 0.43배 감소하였다. 줄눈 간격 2.5 mm에서는 AP에 대하여 PMA는 11.8배 증가, CRM은 0.45배 감소하였다.
Table 3.
Reflective crack resistance by shear failure life test
CRM 아스팔트 혼합물은 일반 아스팔트 혼합물에 비해 온도균열, 피로균열 및 소성변형에 대한 저항성이 증진되는 것으로 알려져 왔으나(Lee, 2000), 본 시험에서 나타난 반사균열 모사시험(Mode II) 결과에서는 일반 아스팔트보다 낮은 저항특성을 나타내었다. 각기 다른 줄눈 간격(10 mm, 5 mm, 2.5 mm)에서도 CRM은 AP보다 낮은 파괴수명을 나타냈다. Fig. 6은 줄눈 간격 10 mm의 시험에서 CRM 시험공시체가 2,500 cycles에서 파괴수명에 도달한 모습을 보여주고 있다.
Figs. 7, 8, 9는 줄눈 간격 5 mm에서 각 시험공시체의 균열 모습을 보여주고 있다.
전단파괴에 의한 수직균열 진전비는 윤하중 1 cycle에 의한 수직균열의 진전을 나타내는 것이다. PMA가 줄눈 간격 10 mm에서 1.17×10-3 mm/cycle로 가장 적게 나타났으며 이것은 표층용 아스팔트 혼합물에 대해 SBS 고분자 개질재를 첨가하므로써 일반 아스팔트보다 반사균열의 진전을 억제하는데 효과적인 것을 보여준다.
수평변위는 수직균열 관찰과 마찬가지로 매 500 cycles 마다 측정하였으며 시험공시체가 파괴될 때의 윤하중 왕복횟수(cyclse)와 수평변위량(mm)의 관계를 이용하여 동적안정도(DS : Dynamic Stability)를 구하였다. 줄눈 간격 10 mm에서 동적안정도는 PMA가 29,425회로 AP(1,403회), CRM(794회) 보다 각각 21배, 37배로 나타났다. CRM은 AP보다 0.57배 감소하였다. 줄눈 간격 5 mm에서는 일반아스팔트(AP)를 기준으로 PMA는 22배로 증가, CRM은 0.6배로 감소하였으며 줄눈 간격 2.5 mm에서는 AP를 기준으로 PMA는 27.6배 증가, CRM은 0.58배 감소하는 결과를 나타내었다.
5. 결 론
1. 전단 반사균열 모사시험에서 피로수명, 수직균열 진전비, 수평변위 및 동적안정도에서 반사균열에 대한 저항성이 가장 뛰어난 아스팔트 혼합물은 SBS 고분자 개질재가 첨가된 PMA 혼합물로 나타났다. 이는 일반아스팔트나 고무분말을 혼합하여 제조된 CRM아스팔트보다 반사균열 저항성에 있어 PMA가 우수한 성능을 보인 것으로 판단된다.
2. CRM아스팔트 혼합물에 대한 실내시험에서는 일반아스팔트 혼합물보다 낮은 반사균열 저항성을 나타냈다. 이러한 결과는 갭입도가 사용된 CRM 혼합물이 밀입도를 사용한 아스팔트 혼합물에 비하여 완전히 융해(融解)되지 않은 고무분말에 의해 골재의 맞물림 효과가 떨어져 상대적인 소성변형의 저하를 나타내며 조기 균열이 발생하였다고 판단된다. 따라서 CRM 아스팔트 혼합물 사용의 경우 덧씌우기 층의 두께를 줄이고 다른 보강재와의 병용이 검토된다.
3. 본 연구에서는 아스팔트 혼합물의 종류별 전단 반사균열 저항특성을 규명하였으나 향후 전단 모사시험을 이용하여 다양한 혼합물 재료와 층간(層間) 보강재(Interlayer)를 이용한 반사균열 저항성을 비교하여 실제 현장에서 포장도로의 공용성을 증진시키면서 시공비용을 절감할 수 있는 공법연구가 이루어져야 할 것으로 보인다.
