A preliminary study on the determination of the damage classification in the porous asphalt pavement sections using FWD test

Junseong Choi; Seunghoon Oh; Sangjin Kim; Jangrak Kim; Namgeun Jo

doi:10.22702/jkai.2022.12.1.14

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Scientific Paper

Journal of the Korean Asphalt Institute. 18 July 2022. 148-154
https://doi.org/10.22702/jkai.2022.12.1.14

A preliminary study on the determination of the damage classification in the porous asphalt pavement sections using FWD test

FWD 시험을 이용한 배수성 아스팔트 구간의 손상등급 결정에 관한 기초연구

Junseong Choi¹^*

Seunghoon Oh²

Sangjin Kim²

Jangrak Kim³

Namgeun Jo⁴

최 준성¹^*

오 승훈²

김 상진²

김 장락³

조 남근⁴

¹Professor, Dept of Smart Construction Disaster Prevention, Induk University (Ph.D.)

²Assistant Researcher, Dept of Urban Infrastructure Engineering, Induk University (AS course)

³Executive Vice President, RODTECH Corp

⁴Executive Manager, RODTECH Corp

¹인덕대학교 스마트건설방재학과 교수(박사)

²인덕대학교 도시기반시설공학과 보조연구원전문학사과정

³(주)로드텍 전무

⁴(주)로드텍 부장

^{*Corresponding Author}

ABSTRACT

Recently, Korea tried to apply porous asphalt pavement to the test sections of domestic highways. But the framework for structural performance analyses are still insufficient. For the structural performance comparison analysis, the deflection basin of the FWD (Falling Weight Deflectometer) are calculated according to the load and temperature correction factor on the porous pavement and general pavement.It was found that more research is needed to apply the Japanese temperature correction method to Korea and there was no significant difference between the drainage pavement Techniques as a result of the analysis of determining the repair method using the damage index. In a future study, it is need to compared with the corrected deflection data of the seasonal FWD test along with the field damage evaluation results.

Keywords

Porous Asphalt Pavement

deflection basin

Falling Weight Deflectometer

load and temperature correction factor

MAIN

1. 서 론
2. 아스팔트층의 손상지표 분석을 위한 하중보정방법 적정성 평가
3. 국외 FWD처짐데이타 온도보정방법 분석
4. 하중보정과 온도보정을 실시한 구간의 아스팔트 손상지표 비교 분석
5. 결 론

1. 서 론

최근 세계적으로 지구온난화로 인한 기상이후로 아스팔트 포장 도로 파괴문제에 대해 미국, 유럽, 일본 등지에서 배수성 포장공법을 해결책으로 택하고 있다. 한국 또한 2000년대 초반 국내 고속도로에도 적용하려 했으나, 유지관리와 내구성 기술적인 문제로 잠잠해졌다가 최근 기술적인 문제들을 보완시키는 포장공법이 생기자 점차 다시 주목받게 되며 많은 국내 고속도로에 적용시키려는 모습을 보이고 있다(Jeon, 2020). 배수성 포장공법이 국내 고속도로에 적용하려는 움직임을 보이고 있지만 아직 배수성 포장의 구조성능 역학적 분석을 위한 기틀은 매우 부족한 현실이다. 본 연구에서는 기존 아스팔트 포장의 FWD(Falling Weight Deflectometer) 처짐값 보정방법을 활용하여 배수성 아스팔트 포장에 적용 가능여부를 확인하고, 이를 통하여 추후 배수성 포장의 경시변화분석의 기틀을 제공하고자 배수성 포장 시험포장구간을 비교분석하고자 한다.

2. 아스팔트층의 손상지표 분석을 위한 하중보정방법 적정성 평가

국내에서는 Choi(1998)에서 기재된 FWD 처짐값 해석시 일반적으로 표준하중인 40 kN로 회귀분석한 값을 통해 처짐보정하는 반면, 일본도로보전기술센터의 경우는 처짐값을 49 kN의 하중을 측정하중으로 보정하고 있어 두 방법의 차이가 있다. FWD 처짐값으로부터 포장손상지표를 산정하여 포장 보수방법을 결정하는 방법이 표준하중 40 kN으로 제시되어 있어, 본 연구에서는 일본도로보전기술센터((財)道路保全技術センター, 2017)의 지침에 기재된 식 (1)의 국외 처짐보정식을 40 kN으로 적용할 수 있는지 기존 국내의 정규화 방법과 비교분석하여 Table 1과 Fig. 1에 나타내었다.

(1)

D' = D \times \frac{49 (k N)}{P (k N)}

여기서, $D$ : 측정 시 처짐량( $μ m$ )

$P$ : 측정 시 하중( $μ m$ )

Table 1.

An example of domestic and foreign deflection correction comparison data

	0 cm	30 cm	60 cm	90 cm	120 cm	150 cm	180 cm
Reg.Method	110.0	88.0	70.2	53.7	40.5	29.8	21.2
Japan	108.7	86.5	68.9	52.5	39.7	29.1	20.8
Diffrence	1.3	1.5	1.3	1.2	0.8	0.7	0.4
Error Rate	1.2%	1.7%	1.9%	2.2%	2.0%	2.3%	1.9%

https://static.apub.kr/journalsite/sites/jkai/2022-012-01/N0850120114/images/jkai_12_01_14_F1.jpg

Fig. 1.

An example of correction comparison data at 49 kN

국내에서 적용하는 정규화과정으로 보정하는 방법과 단순 식으로 보정한 결과를 비교한 결과, Table 1과 Fig. 1에 보이는 것과 같이 차이가 최대 2.3%, 최소 1.2%임을 알 수 있다. 따라서 배수성 아스팔트 포장의 경우, FWD 처짐값의 하중에 관한 선형관계가 성립함을 알 수 있으며, 추후 FWD 처짐값의 하중보정은 단순 비례식으로 하중 보정하는 것을 제안하고자 한다.

3. 국외 FWD처짐데이타 온도보정방법 분석

온도보정은 하중보정 후, 실시하게 되며, 온도보정에 사용되어지는 국외(일본, 미국)의 온도보정식은 식 (2-1), 식 (2-2), 식 (2-3)에 따라 온도보정을 실시한다(NCDOT, 2002). 본 연구에서는 식 (2-2)의 온도보정을 위한 평균온도 결정을 위하여 기존 사용되는 국외의 일본과 미국에서 사용하는 방법들을 정리, 분석하여 국내의 적용가능성을 검토하고자 한다. 일본도로보전기술센터에서는 식 (2-4)와 같은 방법으로 계절과 시간에 따른 회귀계수를 사용하여 평균온도인 대표온도를 추정하고 있다. 이 방법과 비교하기 위해 미국에서 사용하는 방법인 아스팔트 평균온도를 중앙점에서의 대표온도로 추정하는 식 (2-5)의 미국교통부(USDOT)의 BELLS 온도추정방법을 비교분석하였다(USDOT, 2000).

(2-1)

D'_{20 ° C} = D' \times λ_{w}

여기서, $D'_{20 ° C}$ : 20°C에서의 처짐량( $μ m$ )

(2-2)

λ_{w} = 10^{- C (H_{a c}) (T - T_{0})}

여기서, $λ_{w}$ : 온도보정계수

$H_{a c}$ : 아스팔트 콘크리트 층의 두께(inch)

$T_{0}$ : 표준온도(°C), 20°C

(2-3)

C = - A \times r + C_{0}

여기서, $C$ : 재하중심부로부터 해당 센서까지 거리를 고려한 회귀상수

$A$ : 회귀상수(일반적으로 $- 5.47 \times 10^{- 8}$ )

$r$ : 재하중심부로부터 센서까지 거리(mm)

$C_{0}$ : 재하중심부의 회귀상수(일반적으로 $4.635 \times 10^{- 5}$ )

(2-4)

T_{(s, t)} = a X_{1} + b X_{2} + c X_{3} + d X_{4} + e

여기서, $T_{(s, t)}$ : 측정 시 계절구분(s), 측정시각(t)에서의 평균온도(°C)

$s$ : 측정 시 계절구분(봄 5~7월, 여름 8~10월, 가을 11~1월, 겨울 2~4월)

$t$ : 측정시각(0~23시)

$X_{1}$ : 측정시각 t에서의 노면온도(°C)

$X_{2}$ : 측정시각 t에서의 기온(°C)

$X_{3}$ : 측정시각 t에서의 기온과 1시간 전의 기온차(°C)

$X_{4}$ : 아스팔트 혼함물 층 두께(mm)

a,b,c,d,e : 회귀계수

(2-5)

T_{(d)} = 2.9 + 0.935 * I R + {\log (d) - 1.25} {0.487 * I R + 0.626 * (1 - d a y) + 3.29 * \sin (h r_{18} - 15.5)} + 0.037 * I R * \sin (h r_{18} - 13.5)

여기서, $T_{d}$ : 깊이에서의 포장 온도 d, °C

$I R$ : 표면 온도, °C

$d$ : 온도산정 깊이, mm

$1 - d a y$ : 시험 전날 평균기온, °C

$h r_{18}$ : 18시간 아스팔트 콘크리트(AC)의 온도 상승 및 하강 그래프의 시간 주기 계산값

일본도로보전기술센터(2017)의 온도보정 방법으로 산출한 데이터값과 미국교통부(USDOT)의 BELLS 방법을 이용한 온도보정 처짐 값을 원데이터와 비교해본 결과, (Table 2와 같이 ) 실제 측정한 FWD 처짐값은 20도와 유사한 16.5도로서 BELLS 방법을 통해 산출된 온도보정 값은 원데이터와 비슷한 값을 띄었지만 이와 다르게 일본의 온도보정 값이 매우 큼을 알 수 있다. 이는 일본 방법의 회귀계수는 일본계절과 그 계절만의 시간에 따른 회귀계수를 적용하여 제시한 방법이기 때문에 계절과 기후가 다른 국내에 적용하는 것은 다양한 온도에서의 측정결과로부터 좀 더 검토해야 함을 알 수 있다.

Table 2.

An example of domestic and foreign temperature correction comparison data (20°C)

	0 cm	30 cm	60 cm	90 cm	120 cm	150 cm	180 cm
Korea Research Group Experiment Raw Data (16.5°C)	110.0	88.0	70.2	53.7	40.5	29.8	21.2
Japan	144.4	127.1	112.0	94.4	79.0	64.0	50.5
BELLS	112.3	90.5	72.9	56.2	43.1	31.9	23.0

4. 하중보정과 온도보정을 실시한 구간의 아스팔트 손상지표 비교 분석

배수성 시험포장구간의 FWD 시험결과의 하중보정과 온도보정을 실시한 데이터를 활용하여 식 (3)을 통해 손상지표 값을 산정하여 비교분석하였다. Table 3의 손상지표 값은 일반 아스팔트포장 적용을 위해 제시된 값으로, 손상지표값을 통하여 아스팔트층의 보수범위를 결정할 수 있다. 본 연구에서는 배수성 포장의 보수범위 결정방법이 연구진행된 결과가 없으므로 상대비교 차원에서 손상지표값을 이용한 배수성 포장 시험구간도 일반포장 보수범위 결정방법으로 비교하였다.

(3)

D_{i} (A S) = \frac{D_{0} - D_{90}}{t}

여기서, $t$ : 아스팔트층의 두께

D₀ : 하중직하 FWD 처짐값

D₉₀ : 90 cm 떨어진 센서의 FWD 처짐값

식 (3)의 기존 아스팔트층 손상지표식은 280 mm 이상의 두께가 고려되지 않아 본 연구에서는 300 mm인 배수성 시험시공 구간의 아스팔트 두께로부터 계산 후 t = 260~280 구간 지표값으로 보수방법을 결정하였다. Fig. 2에 따르면, 일반 포장용에서 제시된 손상지표의 보수방법 결정방법의 분석결과, 배수성 포장공법들에는 보수방법 산정이 큰 차이를 보이지 않으나, 배수성 시험포장구간은 일반 포장구간보다 손상정도가 크게 나타남을 알 수 있다. 그러나 시험구간의 하부층 조건과 현장 손상정도를 확인하지 못하였고, 16.5°C의 실험 데이터를 온도보정 및 하중보정하여 손상지표를 계산한 값이기 때문에 정확한 현장 손상상황과 전체 온도를 대변한다고 보기는 어렵다. 따라서 추후 연구에서 배수성 포장의 경시변화를 살펴보기 위하여 현장 손상평가 결과와 함께 계절별 FWD 처짐측정값의 다른 온도의 실험데이타들의 보정 처짐값과 비교하여 손상지표와의 연관성 제시가 필요할 것이라고 사료된다.

Table 3.

Asphalt layer damage index (NEXCO, 2018)

Asphalt layer thickness (mm)	Asphalt layer damage indicator (×10^-6)
	Sub-base : Granular			Sub-base : Cement tabilization treatment
	Damage A	Damage B	Damage C	Damage A	Damage B	Damage C
t = 180~220	1,500 or more	1,500~ 800or more	800 less then	1,200 or more	1,200~ 800or more	800 less then
t = 220~260	800 or more	800~ 500or more	500 less then	800 or more	800~ 400or more	400 less then
t = 260~280	500 or more	500~ 200or more	200 less then	400 or more	400~ 150or more	150 less then

※ Damage A : Repave the entire asphalt layer

Damage B : Repave of Asphalt surface layer and intermediate layer

Damage C : resurfacing of Asphalt surface layer

https://static.apub.kr/journalsite/sites/jkai/2022-012-01/N0850120114/images/jkai_12_01_14_F2.jpg

Fig. 2.

An example of Asphalt layer damage index

5. 결 론

본 연구에서는 배수성 아스팔트 포장의 FWD 시험 처짐값의 표준하중 40 kN과 20°C의 기준의 온도보정 및 하중보정의 국내 적용 적적성을 검토하였으며, 이를 통하여 포장의 손상지표를 통해 포장평가후 보수구간 산정을 기존 아스팔트 포장용의 제시된 방법을 비교분석하였다. 이를 통하여 얻은 결론은 다음과 같다.

1) FWD 처짐값의 하중별 시험결과를 설계하중으로 보정하는 방법을 비교분석한 결과, 회귀분석을 이용한 방법과 단순 전환 방법은 최대 1.5% 정도의 차이를 보임을 알 수 있었다.

2) FWD 처짐값의 기준온도보정 전환 방법을 비교분석한 결과, 일본의 방법은 계절과 기후가 다른 국내에 적용하는 것은 다양한 온도에서의 측정결과로부터 적용 가능성을 좀 더 검토해야 함을 알 수 있었다.

3) 일반 포장용에서 제시된 손상지표의 보수방법 결정방법으로 배수성 포장을 분석한 결과, 배수성 공법간에는 보수방법 산정이 큰 차이를 보이지 않으나, 배수성 시험포장구간은 일반 포장구간보다 손상등급이 크게 나타남을 알 수 있었다. 그러나 본 시험구간의 현장상황이 라벨링 정도의 파손경향을 보이는 바, 일본기준의 국내 적용은 좀 더 철저한 분석이 필요할 것으로 사료된다.

추후 배수성 포장의 시험구간의 하부층 조건과 현장 손상정도 확인이 필요하며, 추후 연구에서 배수성 포장의 경시변화를 살펴보기 위해서는 현장 손상평가 결과와 함께 계절별 FWD 처짐측정값의 다른 온도의 실험데이타들의 보정 처짐값과 비교하여 손상지표와의 연관성 제시가 필요할 것이라고 사료된다.

References

Choi, J.S. (1998). “Backcalculation Of Asphalt Concrete Pavement MOULI From Dynamic Deflection Basins Using Quasi-Static Analyses”, Yonsei University.

(財)道路保全技術センター (2017). 活用しよう!FWD.

NEXCO (2018). NEXCO試験方法第2編アスファルト舗装関係試験方法.

USDOT (2000). “Temperature Predictions and Adjustment Factors for Asphalt Pavement”, PUBLICATION NO. FHWA-RD-98-085.

Jeon, C.M. (2020). “The second generation of drainage packaging is finally opening”, Engineering Journal.

NCDOT (2002). Final Report Report No. FHWA/NC/2002-06, “USE OF FALLING WEIGHT DEFLECTOMETER MULTI-LOAD DATA FOR PAVEMENT STRENGTH ESTIMATION”, North Carolina Department of Transportation.

USDOT (2000). PUBLICATION NO. FHWA-RD-98-085, “Temperature Predictions and Adjustment Factors for Asphalt Pavement”, U.S. Department of Transportation.

Journal of the Korean Asphalt Institute ISSN:2234-0785(Print) 2635-9553(Online) 한국아스팔트학회지

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A preliminary study on the determination of the damage classification in the porous asphalt pavement sections using FWD test

ABSTRACT

MAIN

(1)

Table 1.

An example of domestic and foreign deflection correction comparison data

Fig. 1.

An example of correction comparison data at 49 kN

(2-1)

(2-2)

(2-3)

(2-4)

(2-5)

Table 2.

An example of domestic and foreign temperature correction comparison data (20°C)

(3)

Table 3.

Asphalt layer damage index (NEXCO, 2018)

Fig. 2.

An example of Asphalt layer damage index

References