1. 서 론
2. 결빙방지 아스팔트포장 현장 적용
2.1 배합 설계
2.2 시험 시공
3. 시험시공구간 추적 조사
3.1 포장상태조사(HPCI)
3.2 내구성능 평가
3.3 결빙방지효과 분석
4. 결 론
1. 서 론
결빙방지 아스팔트포장은 겨울철 도로 살얼음(Black ice) 및 강설 시 미끄럼으로 인한 사고를 예방하기 위하여 개발된 포장공법이다. 결빙방지 아스팔트 포장은 아스팔트 혼합물 제조시 결빙방지제(Anti-icing Agent)를 첨가하여 포장체의 빙점을 강하시켜 일정온도까지 노면의 결빙을 방지할 수 있다. 결빙방지제는 노면의 얼음형성을 억제하기 위하여 개발되었으며, 대표적 결빙방지제로는 그리콜(Grikol, 2009), 버그리미트(Verglimit, 2019), 마필론(Mafilon, 2019), 윈터페이브(Cargill, 2019), 자체 융설 아스팔트 콘크리트(Kim et al., 2003)가 있다.
본 연구에 사용된 결빙방지제인 그리콜은 러시아의 NPO ROSDORNII 연구소가 1980년대에 개발한 아스팔트 콘크리트 혼합물용 재료(Fig. 1)이며, 80%의 염화나트륨, 10%의 염화칼슘 및 10%의 Siakor (실리콘계)로 이루어져 있으며, Siakor는 소수성 및 빙점을 낮추는 규소-유기 화합물이다. 그리콜은 0°C에서 –6°C 사이의 온도에서 방빙 효과가 있으며, 포장 표면과의 얼음의 부착력을 감소시키며(Fig. 2) 아스팔트 혼합물 중량대비 3~5%를 사용한다.
2. 결빙방지 아스팔트포장 현장 적용
2.1 배합 설계
결빙방지 아스팔트포장 현장 시공에 사용될 아스팔트 혼합물(SMA10 mm, SMA13 mm)에 대하여 배합설계를 실시하였으며, 배합설계 결과를 Table 1에 나타내었다. 배합설계에 사용된 그리콜은 SMA10 mm, SMA13 mm 혼합물 모두 5%를 첨가하였다.
Table 1.
Results of mix design
| Mixtures |
Expressway Route |
OAC (%) | Coarse Aggregate (%) |
Fine Aggregate (%) |
Filler (%) |
Grikol (%) | |
| 13 mm | 10 mm | ||||||
| SMA10 | Jungang | 7.0 | - | 71 | 20 | 4 | 5 |
| Seohaean | 6.9 | - | 71 | 19 | 5 | 5 | |
| SMA13 | Jungang | 6.5 | 65 | 13 | 13 | 4 | 5 |
2.2 시험 시공
결빙방지제인 그리콜을 사용하여 결빙방지 아스팔트포장을 한국도로공사 중앙선(홍천)과 서해안선(함평)에 2017년, 2018년 두 차례에 걸쳐 시험시공을 실시하였다. 시험시공 구간 현황은 Table 2와 같으며, Fig. 3은 시험시공 사진을 보여준다.
3. 시험시공구간 추적 조사
3.1 포장상태조사(HPCI)
결빙방지 아스팔트포장 시험시공구간의 포장상태를 확인하기 위하여 고속도로 포장상태지수(HPCI : Highway Pavement Condition Index)를 측정하여 경년변화에 따른 포장상태를 비교하였다. Table 3은 고속도로의 유지보수를 위한 HPCI 관리기준이다(MOLIT, 2013).
여기서, IRI = 종단평탄성 지수(m/km)
RD = 소성변형량(cm)
SDA = 100 m 단위구간에서 균열 및 패칭 등의 손상환산단면적(m2)
Table 3.
Grade based on HPCI
2019년부터 2021년까지 3차에 걸친 HPCI 조사결과를 Table 4에 나타내었다. 중앙선 SMA10 mm 포장은 42개월 경과, 서해안선 SMA10 mm 포장의 경우 28개월 경과 후에도 균열, 변형, 파손 발생 등이 거의 없는 HPCI 1등급을 유지하여 매우 우수한 포장상태를 나타냈다. SMA13 mm 포장은 2019년 HPCI 조사 시 1등급에서 2020년 조사 시 HPCI 2등급으로 낮아졌으나 HPCI 등급기준으로 볼 때 우수한 포장상태이다.
Table 4.
HPCI results
| Mixtures |
Expressway Route |
1st (2019) |
2nd (2020) |
3th (2021) |
| SMA10 | Jungang | 4.21 | 4.14 | 4.06 |
| Seohaean | 4.26 | 4.09 | 4.27 | |
| SMA13 | Jungang | 4.04 | 3.65 | - |
3.2 내구성능 평가
경년변화에 따른 결빙방지 아스팔트포장의 내구성능 평가를 위하여 시험시공 구간에서 코어를 채취(총 4회)하였으며, 변형강도시험, 간접인장강도시험을 통하여 소성변형저항성, 균열저항성을 평가하였다.
3.2.1 소성변형저항성
결빙방지 아스팔트포장의 소성변형저항성을 평가하기 위하여 변형강도(SD) 시험을 Fig. 4와 같이 수행하였다. 실험결과, Fig. 5에서와 같이 SMA10 mm 혼합물과 SMA13 mm 혼합물은 경년변화에 따라 변형강도가 저하되지 않았으며, 오히려 변형강도가 약간씩 상승하는 경향을 보였는데 이것은 공용 중 교통하중으로 인한 포장체의 압밀이 강도 증가를 나타낸 것이라고 판단된다. 이는 적어도 결빙방지 아스팔트포장이 소성변형저항성을 약화시키지 않는다는 것을 보여주는 결과라고 판단된다.
3.2.2 균열저항성
결빙방지 아스팔트포장의 균열에 대한 저항성을 평가하기 위하여 간접인장강도(ITS) 시험을 Fig. 6과 같이 수행하였으며, 실험결과 Fig. 7에서와 같이 SMA10 mm 혼합물의 경우, 중앙선 및 서해안선의 간접인장강도는 경년변화에 따라 큰 차이를 보이지 않아 공용중 내구성의 저하를 가져오지 않는 것으로 확인되었다. SMA13 mm 혼합물의 경우, 1차 측정때보다 2차 간접인장강도가 0.08 MPa 감소되는 경향을 보였다. 장기공용성을 판단하기 위하여 3차와 4차 실험결과도 분석되어야 하나 시험시공구간의 현장사정으로 인하여 측정이 불가하였다.
3.3 결빙방지효과 분석
3.3.1 동결부착강도
동결부착강도는 결빙방지 아스팔트포장의 결방방지효과 분석을 위하여 수행되는 시험방법으로 결빙방지 아스팔트 포장이 영하 몇 도까지 결빙을 방지할 수 있는지 확인할 수 있는 시험법이다. 시험방법은 물로 포화된 부직포가 달린 디스크를 결빙방지 아스팔트 포장 상부에 부착하여 3시간 동안 영하의 실험온도에서 보관한 후 인장접착강도(KS F 2386)을 수행하는 방식이다.
SHRP(strategic highway research program, Blackburn et al., 1993)에서 수행한 “Ice-Pavement Bond Disbonding-Fundamental Study”에서는 포장과 얼음사이의 부착강도를 0.1 MPa 이내로 관리하는 것을 제시하였으며, 이를 토대로 0.1 MPa을 동결부착강도의 경계온도로 결정하였다. 포장과 얼음과의 부착강도가 0.1 MPa 이하이면 부착상태가 약한 것을 의미한다.
Fig. 8과 같이 현장 시료에 대하여 동결부착강도시험을 수행하였으며, 동결부착강도의 경계온도인 0.1 MPa을 만족하는 온도를 혼합물 별로 시험을 통하여 구하였다. SMA10 mm 혼합물 중 중앙선의 경우는 –4.4°C ~ -2.9°C, 서해안선의 경우는 –4.6°C ~ -3.2°C 범위로 나타났으며, SMA13 mm의 경우 –4.3°C ~ -3.9°C 범위로 나타났다. 1차에서 4차로 시간이 경과할수록 0.1 MPa을 만족하는 경계온도는 조금씩 상승하는 경향을 보였다. 중앙선의 경우 42개월(4차)이 경과된 SMA10 mm 혼합물이 –2.9°C, 서해안선의 경우 28개월(4차) 경과된 SMA10 mm 혼합물이 –3.2°C를 나타내고 있어 결빙방지 아스팔트포장이 시간이 경과하여도 영하의 온도에서 결빙방지효과를 유지하고 있는 것을 확인하였다. Fig. 9는 동결부착강도 시험결과를 보여준다.
3.3.2 시험시공구간 현장조사
결빙방지 아스팔트포장 시공구간의 강설 시 효과검증을 위하여 현장조사를 실시하였다. 결빙방지 아스팔트포장은 포장체 자체가 빙점을 낮추는 특성을 나타낸다. Fig. 10에서와 같이 시험시공 현장에서도 강설 시 결빙방지 아스팔트포장의 빙점강하 특성으로 노면이 얼지 않은 것을 확인할 수 있다.
4. 결 론
본 기술기사는 겨울철 도로 살얼음을 방지할 수 있는 포장공법인 결빙방지 아스팔트포장에 대하여 화학적 결빙방지제인 그리콜(Grikol)을 사용한 결빙방지 아스팔트포장의 현장적용성 및 그 효과를 시험시공 및 추적조사에 근거하여 기술하였다. 그리콜을 사용한 결빙방지 아스팔트포장은 소성변형저항성 및 균열저항성을 저해하지 않는다는 것을 HPCI 조사결과 및 실내실험을 통해 확인되었다. 또한 장기 추적조사를 통하여 영하의 온도에서도 결빙방지 성능을 발휘한다는 것도 확인하였다. 급격한 기후 변화로 인하여 예측 불가능한 기후 상황이 증가하고 있는 현상황에서 도로 살얼음, 강설로 인한 미끄럼 사고를 방지할 수 있는 결빙방지 아스팔트포장기술을 현장에 적용한다면 도로 이용자의 안전과 생명을 선제적으로 보호할 수 있는 방안이라고 판단된다.
