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문제 정의
- 본 논문은 포장가속시험기를 이용하여 아스팔트 안정처 리층의 피로모형을 개발하여 기존의 아스팔트 표층에 대한 실내실험결과와의 상관관계를 분석하고 실내실험보다 현장조건이 충분히 반영된 아스팔트 안정처리층의 피로모형을 개발하는데 그 목적이 있다. 또한, 비파괴실험장비인 FWD를 이용한 포장의 잔존수명 산출논리를 개발함으로 실제 도로현장에서 FWD 측정을 통하여 쉽게 포장의 잔존수명을 산출하는 방법을 제시하였다.
- 본 논문은 포장가속시험을 이용한 피로시험을 실시하여 포장의 파손을 직접 확인하고 실험결과인 탄성계수의 변화와 하부인장응력의 변화를 통하여 피로 모형을 개발하는 것을 주요내용으로 한다. 아스팔트 안정처리층의 피로모형을 개발하는데 있어서 Miner(1945)의 누적손상(Cumulative Damage)가설을 이용하였다.
- 본 연구에서는 포장가속시험을 통한 피로균열 저항성 실험이 가능한지를 알아보기 위하여 다양한 Underdesign방법을 이용하여 포장가속시험을 실시하였으며 Miner의 가설을 이용하여 아스팔트 안정처리층의 피로모형계수를 추정하였다. 연구범위 내에서 다음과 같은 결론을 도출하였다.
- 있다. 이러한 방법들은 포장의 공용성을 예측함으로써 포장설계법의 개발 또는 수정, 도로 신재료의 적용성 등을 평가하는데 목적이 있다. 그러나 각 연구 방법으로 예측되는 포장의 공용성은 연구시간/비용에 따라 예측결과의 신뢰도가 많은 차이를 나타내고 있다.
제안 방법
- 또한, 현장의 상황과 동일하게 하기 위하여 Wandering을 적용하였다. Wandering 적용상황은 강민수(2001)가 제시한 포장가속시험기의 카트와 유사한 6종 차량의 Wandering 표준편차인 19.7cm(약 20cm)을 적용하여 Wandering 계획을 수립하였으며, Random 방식으로 하중의 위치를 변화 시켜 시험하였다.
- 각Wandering 구간에서 발생하는 Damage의 총합의 계산은 다음과 같이 i 번째 Cycle에서 #지점의 손상 Z& 를 계산하여, 포장면에 균열이 발생할 때까지 각Cycle의 Damage를 합하여 총 Damaged 以, )를 구한다. 그리하여 총 Damage(Dw)가 1이 되는 순간을 포장의 파손으로 간주하여 모형을 개발하였다.
- 아스팔트 안정처리층의 피로모형을 개발하는데 있어서 Miner(1945)의 누적손상(Cumulative Damage)가설을 이용하였다. 기존의 실내실험과 달리 포장가속시험에서는 Wandering을 고려하여 실제의 도로현장을 모사하였다.
- 하지만 그림 4를 보면 포장의 강성이 초기 강성의 50%가 된 시점 인 80, 000회 하중통과시점 에선 균열이 발생하지 않은 것을 확인할 수 있었다. 따라서 본 논문에서는 아스팔트포장의 표면에 균열이 시작되는 순간의 하중재하횟수(160, 000회)를 피로수명으로 결정하여 모형 을 개 발하였다.
- 통한 모형으로 실제 도로현장에서 발생하고 있는 Wandering을 고려하지 못하고 있다는 단점이있다. 따라서 본 논문에서는 포장가속시험을 통하여 실제 도로현장에서 발생하는 Wandering을 그대로모사하여 피로모형의 계수를 찾아내었다.
- 따라서 본 논문에서도 인장응력을 이용하여 피로 모형을 개발하였다. 또한, 피로모형을 개발하는데 있어서 Wandering의 영향을 Miner(1945)의 누적손상 (Cumulative Damage)의 개념을 통하여 적용하였으며 그 내용은 그림 8과 같다.
- 발생시키는 주된 요인이다. 따라서 수평 인장변형은 피로모형의 독립변수로 작용하며 이를 위하여 아스팔트용 변형률계 (KM-100HAS)를 포장가속시험구간의 포장면 하부에 매설하여 인장변형률을 측정하였다. 포장가속시험 동안 인장변형률을 측정하려 하였지만 160, 000회 이후의 데이터는 심하게 훼손되어 측정이 불가능 하였다.
- 따라서, 횡방향으로 유효하중 통과구간을 포함하는 10cm간격의 FWD 측정지점을 선정하고 포장 가속시험이 종료된 시점인 240, 000회 하중통과후에 테스트를 실시하였다.
- 또한 비파괴시험인 FWD를 이용하여 포장 면의 위치별 탄성계수를 확인하여 하중이 통과한 지점과 통과하지 않은 지점의 탄성계수변화를 확인하였다.
- 5%로 현장배합설계를 통해 생산하였다. 또한 연약지반 모사를 위한 수침이 가능하도록 포장단면을 설계하였다. 실제로 피로균열은 국부적으로 지반이 약하거나 배수가 잘 안 되는 곳에서 많이 발생되므로 수침시험은 국부적 취약지점을 모사하는데 유용하리라 판단된다.
- 또한, 비파괴실험장비인 FWD를 이용한 포장의 잔존수명 산출논리를 개발함으로 실제 도로현장에서 FWD 측정을 통하여 쉽게 포장의 잔존수명을 산출하는 방법을 제시하였다.
- 또한, 현장의 상황과 동일하게 하기 위하여 Wandering을 적용하였다. Wandering 적용상황은 강민수(2001)가 제시한 포장가속시험기의 카트와 유사한 6종 차량의 Wandering 표준편차인 19.
- 를 이용하여 시험구간의 처짐의 변화를 측정하였다. 하중재하횟수가 증가할수록 포장의 처짐은 크게 발생하였으며 역산프로그램(EVERCAL.
- 본 연구에서는 그림 1의 피로모형 개발 흐름도에 의하여 피로모형 을 개발하였다.
- 시 험포장구간이 아스팔트 기층으로만 구성되어 있고 국부적 연약지반을 모사하기 위하여 지하수위를 형성하였으므로 실험초기에는 조기 파손을 우려하여 처음 2,000회는 8ton으로 시험을 실시하였고 그 후는 lOton으로 하중을 높여 시험하였다.
- 실제 빗물이나 지하수위가 포장면 아래로 침투하였을 때의 포장에 적용된 악조건을 모사하고 피로 파손을 가속시키기 위하여 그림 3과 같이 포장면 아래 30cm 지점까지 지하수위를 일정하게 유지하여 실험하였다.
- 3m의 공간은 보조기층상태로 두었다. 아스팔트 기층의 온도를 측정하기 위하여 기층아래 2cm, 5cm, 8cm 지점에 Thermocouple을 매설하였다.
- 포장가속시험 중 총 15개의 Wandering구간을 설정하였으며 10, 000회 또는 20, 000회의 하중 반복이 이루어지는 것을 한 Cycle로 설정하였다. 따라서 Miner의 가설을 적용하면 다음과 같다.
- 사용하였다. 포장가속시험기를 이용하여 개발된 아스팔트 피로 모형을 한국형포장설계법에서 간접 인장 피로시험을 이용하여 개발된 피로모형과 해외의 피로모형과 비교하여 그 상관관계를 비교하였다.
- 하중통과량에 따른 포장의 탄성계수의 변화를 알아보기 위하여 다음의 그림과 같이 포장면의 각 지점에서 FWD Test를 하였다. 정규분포를 가정하고 Wandering을 적용하였기 때문에 Wandering의 각 위치별 하중통과횟수가 다르고 이는 곧 각각의 다른 하중이 통과한 위치별 탄성계수가 다름을 의미한다.
대상 데이터
- 1m구간은 고강성 개질아스팔트로 시공하였다. 본 논문에서는 일반밀입도 아스팔트구간을 피로모형 개발의 대상구간으로 하였다. 또한 지하 수위를 조절하기 위하여 포장면 가장자리에 약 1.
- 시험포장면은 12.5m길이에 2.3m폭으로 총 12.5m중 6.4m구간은 일반밀입도 아스팔트로 시공하였으며 나머지 6.1m구간은 고강성 개질아스팔트로 시공하였다. 본 논문에서는 일반밀입도 아스팔트구간을 피로모형 개발의 대상구간으로 하였다.
- 시공하지 않았다. 아스팔트 안정처리층용 혼합물은 국내 기층용 입도(BB-3)를 사용하였으며 아스팔트 혼합물의 최적 아스팔트 함량을 공극률 5%에서 결정하였다. 최적 아스팔트함량(OAC)는 4.
- 포장가속시험에 사용된 아스팔트 혼합물은 골재최대입경 25mm(BB-3)의 재료를 사용하였으며, 포설은 현장조건과 동일하게 아스팔트 피니셔를 사용하였다. 포장가속시험기를 이용하여 개발된 아스팔트 피로 모형을 한국형포장설계법에서 간접 인장 피로시험을 이용하여 개발된 피로모형과 해외의 피로모형과 비교하여 그 상관관계를 비교하였다.
데이터처리
- 또한 Portable FWD 를 이용하여 추정한 탄성계수를 이용하여 다층탄성 구조해석프로그램인 KENLAYER를 사용해 아스팔트 표층 하부의 인장변형률을 산정하여 실측값과 비교하였다.
이론/모형
- 따라서 본 논문에서도 인장응력을 이용하여 피로 모형을 개발하였다. 또한, 피로모형을 개발하는데 있어서 Wandering의 영향을 Miner(1945)의 누적손상 (Cumulative Damage)의 개념을 통하여 적용하였으며 그 내용은 그림 8과 같다.
- 아스팔트 안정처리층의 피로모형을 개발하는데 있어서 Miner(1945)의 누적손상(Cumulative Damage)가설을 이용하였다. 기존의 실내실험과 달리 포장가속시험에서는 Wandering을 고려하여 실제의 도로현장을 모사하였다.
- 위의 식 (2)를 이용하여 포장가속시험을 이용한 아스팔트 피로모형의 계수를 산정함에 있어서는 위 의식의 복잡한 비선형 때문에 일반적으로 잘 알려진 최적화 기법인 유전자 알고리즘을 이용하여 계수 값을 구하였다.
성능/효과
- (1) 하중통과량에 따른 포장의 탄성계수변화를 알아보기 위하여 측정한 횡방향 FWD Test 결과에서 약 75%의 하중통과지점에서의 탄성 계수는 하중이 통과하지 않은 부분에서의 탄성계수의 33%로 줄어든 것을 확인할 수 있었다. 또한, 하중이 통과하지 않은 부분에서도 탄성계수의 감소를 확인할 수 있었는데 이는 포장 가속 시험기의 하중의 응력영향에 의한 것으로 생각되며 실제로 구조해석의 결과를 살펴보면 하중이 가해지는 지점에서 좌우로 각각 60cm떨어진 위치에서도 중앙에 작용하는 하중의 약 10%정도의 하중의 영향이 있는 것으로 분석되었다.
- (2) 하중재하횟수가 증가함에 따라 비파괴실험인 Portable FWD (Falling Weight Deflectometer)를 통하여 포장면의 탄성계수가 점차 감소하는 것을 확인할 수 있었다.
- (4) 여러 문헌에서 Fatigue Criteria를 포장의 강성 이 초기값에서 50% 감소된 값이 되었을 때로 제안하고 있지만, 본 연구에서는 포장의 강성이 50%가 되었음에도 불구하고 균열이 발생되지 않은 상태였다.
- (6) 아스팔트 기층의 생략, 지하수위 형성, 보조기층의 불충분한 다짐 등 Underdesign 방법으로 포장가속시험을 통한 피로균열모사가 가능한 것을 확인하였다. 또한, 지하수위 조절 및 표층의 생략만으로도 약 20만회의 하중통과로 포장 가속시험의 피로균열 모사시험이 가능하였다.
- FWD 측정결과 Wandering으로 인해 하중이 가장 많이 가해진 중앙부분에서 가장 큰 처짐이 발생하였고 외각으로 벗어날수록 처짐값이 작아지는 것을 확인하였다. 역산한 결과도 표 5와 같이 처짐이 가장 많이 발생한 중앙부분에서 가장 작은 탄성계수 값을 보이고 있었으며 외각으로 벗어날수록 커지는 것을 확인할 수 있다.
- 비교한 결과는 그림 10과 같다. 그림에서 알 수 있듯이 기존의 실내실험을 통한 모형과 그 결과를 비교하여 봤을 때 Wandering을 고러한 모형 (HAPT Wandering 모형)의 피로수명이 같은 인장 응력에서 더 길게 나타났다. 이는 Wandering으로 인한 포장 하부의 특정지점에서의 인장응력의 발생이 Wandering이 적용되지 않은 상태에 비해 작기 때문이라 판단된다.
- 또한, 지하수위 조절 및 표층의 생략만으로도 약 20만회의 하중통과로 포장 가속시험의 피로균열 모사시험이 가능하였다.
- 줄어든 것을 확인할 수 있었다. 또한, 하중이 통과하지 않은 부분에서도 탄성계수의 감소를 확인할 수 있었는데 이는 포장 가속 시험기의 하중의 응력영향에 의한 것으로 생각되며 실제로 구조해석의 결과를 살펴보면 하중이 가해지는 지점에서 좌우로 각각 60cm떨어진 위치에서도 중앙에 작용하는 하중의 약 10%정도의 하중의 영향이 있는 것으로 분석되었다.
- (5) 포장가속시험시 매설했던 Strain Gauge의 인장. 변형률값과 포장가속시험구간의 구조해석을 통한 인장변형률의 차이는 실측 데이터와 약 13% 정도(약 31.0X1(#strain)의 차이로 구조해석 결과가 큰 값을 보였으며 인장변형률의 변화 패턴은 유사한 것으로 확인되었다. 이를 통하여 구조해석을 통한 인장변형률의 추정도 가능할 것으로 판단된다.
- 역산한 결과도 표 5와 같이 처짐이 가장 많이 발생한 중앙부분에서 가장 작은 탄성계수 값을 보이고 있었으며 외각으로 벗어날수록 커지는 것을 확인할 수 있다. 각각의 위치는 Wheel Path의 가장자리를 기준으로 1, 2, lO(Center), …, 18, 19등으로 표기하였다.
- 여러 문헌에서 포장의 피로파괴시점을 강성이초기값에서 50% 감소된 값이 되었을 때로 제안하고 있지만, 본 연구에서는 강성이 초기값의 50%가 되었음에도 불구하고 포장의 균열은 찾아볼 수 없었다. 포장의 강성이 초기값의 약 40%가 된 160, 000회에서 포장면에 균열이 발생한 것을 확인할 수 있었다.
- 하중 이주로 가해진 중앙으로부터 좌우로 10cm씩 떨어진 지점에서의 탄성계수값이 가장 적음을 알 수 있으며 하중이 통과하지 않은 부분의 탄성계수값에서 약 67%정도 감소한 것을 확인할 수 있다.
- 측정하였다. 하중재하횟수가 증가할수록 포장의 처짐은 크게 발생하였으며 역산프로그램(EVERCAL.)을 이용하여 아스팔트 안정처리층의 탄성계수를 역산하였을 때 그 값은 그림 4와 같이 점차 감소하는 것을 알 수 있었다. 여러 문헌에서 포장의 피로파괴시점을 강성이초기값에서 50% 감소된 값이 되었을 때로 제안하고 있지만, 본 연구에서는 강성이 초기값의 50%가 되었음에도 불구하고 포장의 균열은 찾아볼 수 없었다.
후속연구
- 0X1(#strain)의 차이로 구조해석 결과가 큰 값을 보였으며 인장변형률의 변화 패턴은 유사한 것으로 확인되었다. 이를 통하여 구조해석을 통한 인장변형률의 추정도 가능할 것으로 판단된다.
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