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문제 정의
- 본 연구는 겨울철에 기온이 상대적으로 낮은 강원 도 영서지방의 영동고속도로 상행선과 하행선 두 구 간의 줄눈 콘크리트포장에 발생한 스폴링 파손의 원 인을 알아내고 그 대책을 세우기 위하여 수행되었다. 이를 위하여 육안으로 파손상태를 조사하였으며 , 코 어를 채취하여 실내에서 할렬인장강도, 공극률, 중성 화 등을 측정하였다.
- 특히 , 국내에 서는 스폴링 파손의 모형개발이나 메커니즘 해석 등에 대한 연구가 아직 초기 상태이므로 이를 위한 실험 및 관찰 자료의 축적 이 시 급한 실정이다. 본 연구에서는 강원도 영서지방의 영동고속도로 일부 구간의 줄눈 콘크리트포장에 집중적으로 발생한 큰 규모 의 스폴링 파손을 현장에서 관찰하였으며 채취한 코 어를 실내에서 실험하여 이 구간에서 발생한 스폴링 파손의 주요 원인을 찾아내었다.
제안 방법
- AASHTO에서 1993년도에 발간한 "AASHTO Guide for Design of Pavement Structures” 에서는 FWD실험을 할때 슬래브의 중앙에서도 하중이 가해지는 위치와 그 인접부에서 처짐의 차이가 존재 하므로 이를 이용하여 줄눈부에서의 하중전달률을 보 정하는 방법을 제안하였으나 본 연구에서는 외적인 조건을 최대한 배제한 상태에서 순수하게 줄눈부의 처짐만으로 하중전달상태를 판단하기 위해서 보정작업을 생략하였다. 하중전달률과 함께 Westergaard의 이론적인 처짐공식인 식 (3)을 이용하여 FWD 충격 하중에 의한 조사구간의 동적지지력을 계산하였다.
- 3) 콘크리트의 내구성을 조사하기 위하여 공극률과 중성화 실험을 실시하였다. 갇힌 공극을 제외할 경우, 조사구간에서 채취된 코어의 공극률은 매우 낮아 콘크리트 내에 연행공극이 거의 존재하 지 않음을 알 수 있었고 이 때문에 슬래브가 장기 적인 동결융해 작용에 취약한 상태인 것으로 판 단되었다.
- A구간과 B구간에서 채취된 코어에 대하여 공극률 분석 실험을 수행하였다. 콘크리트 슬래브의 내부에 적정량의 공극이 존재해야만 동결-융해 현상에 의한 콘크리트포장의 파손을 억제할 수 있는 것으로 알려져 있다(Neville 1996).
- B구간의 1차선과 3차선에서 각각 채취된 코어를 가공하여 획득된 시편을 위상차 현미경으로 관찰하 였으며 , 그림 5의 (c)부터 (f)에서 보듯이 매우 작은 크기의 공극들이 분포하는 것을 볼 수 있었다. 본 논 문에서 구체적인 결과를 표로 나타내지는 않았지만,두 구간에서의 평균 공극률은 각각 0.
- 고속도로를 장시간 차단할 수 없었기 때문에 본 연구에서는 A구간 중 스폴링 파손이 더 심했던 1차선 에서 하중전달률과 동적지지력을 측정하였다. 실험 결과는 표 4와 같으며 동적지지력과 하중전달률 모
- 이를 위하여 육안으로 파손상태를 조사하였으며 , 코 어를 채취하여 실내에서 할렬인장강도, 공극률, 중성 화 등을 측정하였다. 또한, 스폴링 파손에 의한 포장 의 구조적 성능 저하의 여부를 알아내기 위하여 FWD를 사용하여 줄눈부에서의 하중전달률과 슬래 브 중앙에서의 동적지지력 등을 측정하였으며, 다음과 같은 결론에 도달하였다.
- 이 방법은 아직 표준화 되지 않았지만, 공극의 크기 및 공극 간의 평균 간격 인 간격계수를 산정 할 수 있으며 컴퓨터의 이미지 프 로세싱 기술을 응용한 자동 분석으로 처리속도가 매우 빠르고 분석자 및 반복 측정에 의한 오차가 크지 않다는 장점이 있다. 본 연구에서는 화상분석을 이용하여 시편의 전체 공극량을 분석하였다.
- 스폴링 파손에 의하여 포장의 구조적 성능이 저하되었는지의 여부를 알아내기 위하여 FWD(Falling Weight Deflectometer) 를 사용하여 하중전달률과 동적지지력 등을 조사하였다. 하중전달률은 가로줄 눈에서의 하중전달 효율이 가장 빠르게 저하될 것으로 추정되는 위치인 차량바퀴의 진행위치(wheel path)에서 측정하였으며, 지지력은 콘크리트 슬래브 의 중앙에서 측정하였다.
- 콘크리트 슬래브에 제설제 등의 염화물이 침투한 깊이를 통하여 스폴링 파손에 미치는 영향을 알아보 기 위하여 채취된 코어에 대하여 중성화 실험을 수행하였다. 이를 위하여 그림 6과 같이 코어를 깊이방향으로 잘라 시편을 얻은 후 페놀프탈레인 용액을 시편 의 잘린 면에 살포하여 색이 변하는 깊이를 관찰하였다. 그 결과, 슬래브 표면 근처에서도 페놀프탈레인 용액에 의한 중성화 반응이 거의 일어나지 않아 스폴 링 파손에 영향을 미치는 염화물의 침투가 적었던 것으로 판단되었다.
- 본 연구는 겨울철에 기온이 상대적으로 낮은 강원 도 영서지방의 영동고속도로 상행선과 하행선 두 구 간의 줄눈 콘크리트포장에 발생한 스폴링 파손의 원 인을 알아내고 그 대책을 세우기 위하여 수행되었다. 이를 위하여 육안으로 파손상태를 조사하였으며 , 코 어를 채취하여 실내에서 할렬인장강도, 공극률, 중성 화 등을 측정하였다. 또한, 스폴링 파손에 의한 포장 의 구조적 성능 저하의 여부를 알아내기 위하여 FWD를 사용하여 줄눈부에서의 하중전달률과 슬래 브 중앙에서의 동적지지력 등을 측정하였으며, 다음과 같은 결론에 도달하였다.
- 콘크리트 슬래브에 제설제 등의 염화물이 침투한 깊이를 통하여 스폴링 파손에 미치는 영향을 알아보 기 위하여 채취된 코어에 대하여 중성화 실험을 수행하였다. 이를 위하여 그림 6과 같이 코어를 깊이방향으로 잘라 시편을 얻은 후 페놀프탈레인 용액을 시편 의 잘린 면에 살포하여 색이 변하는 깊이를 관찰하였다.
- 스폴링 파손에 의하여 포장의 구조적 성능이 저하되었는지의 여부를 알아내기 위하여 FWD(Falling Weight Deflectometer) 를 사용하여 하중전달률과 동적지지력 등을 조사하였다. 하중전달률은 가로줄 눈에서의 하중전달 효율이 가장 빠르게 저하될 것으로 추정되는 위치인 차량바퀴의 진행위치(wheel path)에서 측정하였으며, 지지력은 콘크리트 슬래브 의 중앙에서 측정하였다. 하중전달률은 어떤 슬래브 의 가로줄눈부에 충격하중을 가하였을 때 발생한 처 짐과 이때 인접하는 슬래브의 가로줄눈부에서 발생한 처짐의 비로써 식 (2)의 식에 의하여 계산된다.
대상 데이터
- B구간의 경우에는 동일한 이정에서도 차선에 따라 다른 파손정도를 나타내었기 때문에 그림 3의 (b)와 같이 대체로 건전한 상태였던 1차선과 스폴링 파손 이 많이 발생한 3차선에서 코어를 채취하였다. 1차 선에서는 슬래브의 중앙, 가로줄눈, 그리고 모서리에서 1개씩의 코어를 채취하였고 3차선에서는 슬래브 의 중앙에서 1개, 가로줄눈에서 3개, 그리고 세로줄 눈에서 1개의 코어를 채취하여 총 8개의 코어가 획 득되었다.
- A구간에서는 그림 3의 (a)와 같이 파손이 더 심하게 발생한 1차선에서 코어를 채취하였는데, 패칭보수가 된 지점의 슬래브 중앙에서 1개와 가로줄눈에서 2개의 코어를 채취하였으며 패칭보수가 아직 되지 않은 지점에서는 슬래브의 중앙, 모서리, 그리고 세로줄눈 에서 각각 1개씩의 코어를 채취하여 총 6개의 코어 가 획득되었다.
- 현장에서의 스폴링 파손에 대한 조사는 큰 규모의 파손이 발생한 강원도 영서지방의 영동고속도로 강 릉방향(A구간)과 인천방향(B구간)의 줄눈 콘크리트 포장 두 구간에서 수행하였다. 인접한 두 구간의 동 결지수와 동결기간은 각각 613℃-일과 94일로 상당히 높은 값을 갖는 지역에 속하여 있고, 참고로 서울 의 동결지수와 동결기간은 각각 380.
이론/모형
- 구간 내 콘크리트 슬래브의 상태를 보다 정밀하게 조사하기 위하여 직경 10cm의 코어를ASTM C42/C 42M-99 "Standard Test Method for Obtaining and Testing Drilled Cores and Sawed Beams of Concrete"에 의하여 채취하였다.
- 채취된 직경 10cm의 코어를 10cm의 길이로 절단 하여 코어당 3개씩의 시편을 얻은 후 그 중 하부와 중간부 2개의 시편에 대하여 KS F 2423 "콘크리트의 인장강도 실험방법'에 의해 할렬인장강도를 측정하였다. 시편의 길이방향에 직각으로 가해진 파괴시 의 최대하중을 이용하여 식 (1)에 의여 시편의 할렬 인장강도를 구하였으며 그 결과는 표 1과 같다.
- AASHTO에서 1993년도에 발간한 "AASHTO Guide for Design of Pavement Structures” 에서는 FWD실험을 할때 슬래브의 중앙에서도 하중이 가해지는 위치와 그 인접부에서 처짐의 차이가 존재 하므로 이를 이용하여 줄눈부에서의 하중전달률을 보 정하는 방법을 제안하였으나 본 연구에서는 외적인 조건을 최대한 배제한 상태에서 순수하게 줄눈부의 처짐만으로 하중전달상태를 판단하기 위해서 보정작업을 생략하였다. 하중전달률과 함께 Westergaard의 이론적인 처짐공식인 식 (3)을 이용하여 FWD 충격 하중에 의한 조사구간의 동적지지력을 계산하였다.
성능/효과
- 1) 스폴링 파손에 대한 육안조사 결과, 줄눈을 중심으로 골재가 빠져나가는 형태의 스폴링이 발생하고 있음을 관찰할 수 있었고 파손과 인접 한 슬래 브의 표면에 실균열이 발생하고 있어 파손의 규 모가 지속적으로 확대될 수 있을 것으로 판단되었다. 또한, 동일한 지점에서 다른 시기에 타설된 B구간의 1차선과 3차선이 매우 다른 정도의 스 폴링 파손 상태를 보여 콘크리트의 재료성질에 의해 스폴링 파손의 정도가 크게 달라질 수 있음을 짐작할 수 있었다.
- 2) 할렬인장강도 실험을 수행한 결과, 뚜렷하게 강도 가 저하된 구간은 없는 것으로 나타났다. 하지만, 스폴링 파손이 거의 발견되지 않은 B구간의 1차 선의 경우 큰 규모의 스폴링이 집중적으로 발견 된 3차선에 비하여 강도가 커서 스폴링 파손의 정도가 콘크리트 재료의 성질에 영향을 받는 것을 확인할 수 있었다.
- 4) 중성화 실험 결과, 염화물이 콘크리트 슬래브의 표면으로부터 침투한 깊이가 얕은 것으로 나타나 조사된 구간에서 염화물이 스폴링 파손에 미친 영향은 매우 작은 것으로 판단되었다. FWD에 의하여 측정된 줄눈부에서의 하중전달률과 포장의 동적지지력 결과도 만족스러운 수준으로 나타나 스폴링 파손에 의한 포장의 구조적 성능저하는 크지 않은 것으로 판단되었다.
- 4) 중성화 실험 결과, 염화물이 콘크리트 슬래브의 표면으로부터 침투한 깊이가 얕은 것으로 나타나 조사된 구간에서 염화물이 스폴링 파손에 미친 영향은 매우 작은 것으로 판단되었다. FWD에 의하여 측정된 줄눈부에서의 하중전달률과 포장의 동적지지력 결과도 만족스러운 수준으로 나타나 스폴링 파손에 의한 포장의 구조적 성능저하는 크지 않은 것으로 판단되었다.
- 3) 콘크리트의 내구성을 조사하기 위하여 공극률과 중성화 실험을 실시하였다. 갇힌 공극을 제외할 경우, 조사구간에서 채취된 코어의 공극률은 매우 낮아 콘크리트 내에 연행공극이 거의 존재하 지 않음을 알 수 있었고 이 때문에 슬래브가 장기 적인 동결융해 작용에 취약한 상태인 것으로 판 단되었다. 충분한 연행공극을 확보하기 위해서는 콘크리트의 운반시간이나 타설온도 등을 적절하 게 관리할 필요가 있는 것으로 판단되었다.
- 이를 위하여 그림 6과 같이 코어를 깊이방향으로 잘라 시편을 얻은 후 페놀프탈레인 용액을 시편 의 잘린 면에 살포하여 색이 변하는 깊이를 관찰하였다. 그 결과, 슬래브 표면 근처에서도 페놀프탈레인 용액에 의한 중성화 반응이 거의 일어나지 않아 스폴 링 파손에 영향을 미치는 염화물의 침투가 적었던 것으로 판단되었다.
- 두 양호한 것으로 측정되어 측정구간 내에 큰 규모의 스폴링 파손이 많았던 것을 고려하면 스폴링 파손에 의하여 포장에 유의할만한 구조적 손실은 발생하지 않은 것으로 판단되었다.
- 85%로 매우 낮게 계산되어 이 두 구간의 콘크리트 슬래 브도 장기적인 동결융해 작용에 매우 취약한 상태였 다. 따라서, 본 연구를 위하여 조사된 구간들에서 발 견된 큰 규모의 스폴링 파손은 주로 콘크리트 내에 연행공기가 부족하여 발생한 것으로 추정되었다. 콘 크리트 연행공기의 양은 시멘트의 양, 분말도, 수량,미립재료의 양, 잔골재율, 잔골재의 입도분포, 운반 방법 , 운반시간, 콘크리트의 온도, 기온 등에 영향을 받으며 (Neville 1996) 콘크리트포장의 경우에는 이러한 요인들 중 콘크리트의 운반시간이나 타설온도 등과 같은 시공조건에 밀접한 관련이 있을 것으로 추 정된다.
- 3차선 에서 채취된 코어의 강도를 서로 비교하면, 줄눈부에서 채취된 코어의 강도가 열화현상에 의하여 슬래브의 중앙부에서 채취된 코어의 강도보다 작아진 것을 볼 수 있다. 또한 할렬인장강도 실험에 사용하기 위한 시편의 가공과정에서 c, g 코어의 하부에서 조각 파손이 발생하여 줄눈부의 슬래브 하부에 열화가 많이 진전되었음을 다시 한번 확인할 수 있었다.
- 그림 4의 (f)에서도 가 로줄눈부에서 채취된 코어의 하부에 열화가 발생한 것을 확인할 수 있으며, 이처럼 줄눈부의 슬래브 하부에서 큰 열화현상이 발생한 것은 줄눈부의 슬래브 하부가 스폴링 에 의해 파손된 줄눈을 통해 침 투한 수 분 등에 접촉하는 시간이 많았기 때문으로 추측되었다. 또한, 3차선의 열화가 발생한 코어의 하부가 1차 선의 열화가 발생하지 않은 코어의 하부에 비해 코어 채취 후 건조하는데 소요되는 시간이 더 긴 것을 관 찰할 수 있었다. 이는, 서로 다른 시기에 타설된 두 차선의 콘크리트가 서로 다른 성질을 갖거나 3차선 콘크리트가 열화되면서 발생한 미세균열을 통해 많은 양의 수분이 침투하였기 때문으로 보여진다.
- 하지만, 스폴링 파손이 거의 발견되지 않은 B구간의 1차 선의 경우 큰 규모의 스폴링이 집중적으로 발견 된 3차선에 비하여 강도가 커서 스폴링 파손의 정도가 콘크리트 재료의 성질에 영향을 받는 것을 확인할 수 있었다. 또한, B구간의 3차선에서 채 취한 코어의 하부를 절단하는 과정에서 조각파손 이 발생하여 줄눈을 통한 수분의 침투에 의해 슬 래브의 하부가 열화된 것을 확인할 수 있었다. 이 외에도, 슬래브 상부에 발생한 수평방향 균열(delamination) 때문에 코어의 상부가 코어채취도중 부서지는 현상을 관찰할 수 있었다.
- 1) 스폴링 파손에 대한 육안조사 결과, 줄눈을 중심으로 골재가 빠져나가는 형태의 스폴링이 발생하고 있음을 관찰할 수 있었고 파손과 인접 한 슬래 브의 표면에 실균열이 발생하고 있어 파손의 규 모가 지속적으로 확대될 수 있을 것으로 판단되었다. 또한, 동일한 지점에서 다른 시기에 타설된 B구간의 1차선과 3차선이 매우 다른 정도의 스 폴링 파손 상태를 보여 콘크리트의 재료성질에 의해 스폴링 파손의 정도가 크게 달라질 수 있음을 짐작할 수 있었다. 또한, 큰 규모의 스폴링 파 손이 집중적으로 발생한 B구간의 3차선에서 줄 눈의 파손부를 통한 지속적인 수분의 침투로 인하여 줄눈부의 슬래브 하부가 크게 열화된 사실 을 발견하였다.
- B구간의 1차선과 3차선에서 각각 채취된 코어를 가공하여 획득된 시편을 위상차 현미경으로 관찰하 였으며 , 그림 5의 (c)부터 (f)에서 보듯이 매우 작은 크기의 공극들이 분포하는 것을 볼 수 있었다. 본 논 문에서 구체적인 결과를 표로 나타내지는 않았지만,두 구간에서의 평균 공극률은 각각 0.71%와 0.85%로 매우 낮게 계산되어 이 두 구간의 콘크리트 슬래 브도 장기적인 동결융해 작용에 매우 취약한 상태였 다. 따라서, 본 연구를 위하여 조사된 구간들에서 발 견된 큰 규모의 스폴링 파손은 주로 콘크리트 내에 연행공기가 부족하여 발생한 것으로 추정되었다.
- 실험 결과, 할렬인장강도가 특별히 낮은 코어는 없는 것으로 나타났다. A구간의 경우, 건전한 지점으 로 판단되는 슬래브 중앙부와 파손지점으로 판단되는 모서 리 또는 세로줄눈부 간의 강도의 차이가 크지 않아 IA균열과 스폴링의 발생에 영향을 미친 슬래브 표면에서의 강도저하가 슬래브 하부까지는 진전되지 않은 것으로 판단되었다.
- 하지만, 표 3에서 보듯이 , 19번째와 20번째 지점에서의 공극률이 각각 47%와 27%로 매우 높았으며 이들 공극들의 직경은 거의 모두 1000m 이상으로 콘크리트 내구성에는 영향을 주지 않는 갇 힌 공극들이었다. 이들 19번째와 20번째의 지점을 제외한 평균 공극률은 0.67%로 콘크리트 슬래브 내에 연행공극이 거의 분포되어 있지 않는 것으로 분석 되어 장기적인 동결융해 작용에 매우 취약한 상태라 고판단되었다.
- A구간에서 채취된 코어를 가공하여 획득된 시편을 위상차 현미경으로 관찰하였으며, 공극은 그림 5의 (a)와 (b)에서 보듯이 매우 불균일한 크기로 분포되어 있었다. 이미지 프로세싱을 통하여 계산된 공극률 은 4.35%로 콘크리트 슬래브의 공극률로는 매우 양 호하였다. 하지만, 표 3에서 보듯이 , 19번째와 20번째 지점에서의 공극률이 각각 47%와 27%로 매우 높았으며 이들 공극들의 직경은 거의 모두 1000m 이상으로 콘크리트 내구성에는 영향을 주지 않는 갇 힌 공극들이었다.
- 갇힌 공극을 제외할 경우, 조사구간에서 채취된 코어의 공극률은 매우 낮아 콘크리트 내에 연행공극이 거의 존재하 지 않음을 알 수 있었고 이 때문에 슬래브가 장기 적인 동결융해 작용에 취약한 상태인 것으로 판 단되었다. 충분한 연행공극을 확보하기 위해서는 콘크리트의 운반시간이나 타설온도 등을 적절하 게 관리할 필요가 있는 것으로 판단되었다.
- 2) 할렬인장강도 실험을 수행한 결과, 뚜렷하게 강도 가 저하된 구간은 없는 것으로 나타났다. 하지만, 스폴링 파손이 거의 발견되지 않은 B구간의 1차 선의 경우 큰 규모의 스폴링이 집중적으로 발견 된 3차선에 비하여 강도가 커서 스폴링 파손의 정도가 콘크리트 재료의 성질에 영향을 받는 것을 확인할 수 있었다. 또한, B구간의 3차선에서 채 취한 코어의 하부를 절단하는 과정에서 조각파손 이 발생하여 줄눈을 통한 수분의 침투에 의해 슬 래브의 하부가 열화된 것을 확인할 수 있었다.
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