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문제 정의
- 개발하고 있다. 본 연구는 2000년부터 진행되고 있는 한국형 포장설계법(KeRP) 개발의 세부과제로서 아스팔트 혼합물의 소성변형 모델을 포장가속시험 (Accelerated Pavement Test) 의 시험자료를 이용하여 검증하고 보정계수를 개발하는 것이다.
제안 방법
- 실내 소성변형 모형을 개발하기 위하여 한국건설기술연구원에서 각 혼합물에 대해 NCHRP Report465 "Simple Performance Test for SuperpaveMix Design”에서 제안하는 실내 삼축 압축 반복 재하시험 (Triaxial Compressive Repeated LoadingTest)을 수행하였다. 이 시험방법은 시험방법이 비교적 간단하며, 현장의 하중 조건과 응력 상태를 실내에서 모사할 수 있는 장점이 있다.
- 사용된 재료 물성은 도로공사의 시험도로 All 단면과 동일한 포장층 두께와 골재 및 바인더를 사용하였다. 한양대학교에서는 그림 l-(a)와 같은 단면에 6, 10% 두 가지의 목표공극률로 아스팔트 층을 시공하였고 정규분포에 따른 자유방식(random)의 원더링(wandering)을 적용하여 35, 40, 50t의 목표 온도에서 시험을 실시하였다. 또한, 기층상부, 보조기층, 노상에 각각 표면으로부터 12cm, 44.
- 그림에서와 같이 Pit-A는 목표공극률 8%, Pit-B는 목표공극률을 8%의 section 1구간과 12%의 section 2와 3구간으로 시공하였다. 한양대학교의 시험단면과 마찬가지로 그림l-(a)와 같은 위치에 Pit-A에는 아스팔트 기층 단면에, Pit-B는 공극률 8% 구간에 각각MDD (Multi-Depth Deflectometer) 를 매설하였다. 각 시험 단면에 사용된 혼합물은 기본적으로 동일한 골재 입도와 아스팔트 함량으로 구성되어 있고 공극률의 경우 상이하게 계획하였으나 실제로는 표 3 에서처럼 거의 유사한 것으로 나타나 모든 단면의 시편은 유사한 혼합물로 여겨진다.
- 5cm 위치에 MDD를 매설하여 깊이 별 소성변형을 측정하였으며 , 횡단 프로파일을 통하여 표면처짐을 측정하였다. 반면, 한국도로공사는 아스팔트 기층 대신 콘크리트 기층을 타설한 (section 1과 2) Pit-A 단면그림 l-(b)와 한양대학교와 같은 단면인 Pit-B 그림 l-(c)의 2개의 단면에 대해 각각 35P와 20P의 온도에서 APT 시험을 실시하였다. 그림에서와 같이 Pit-A는 목표공극률 8%, Pit-B는 목표공극률을 8%의 section 1구간과 12%의 section 2와 3구간으로 시공하였다.
- 1.본 연구에서는 한국건설기술연구원에서 각 혼합물별로 삼축 압축 반복실내시험에 의해 제안한 소성변형 모형을 포장가속시험 결과와의 비교 검증을 통하여 보정하였다. 즉, 각 단면에 대한 포장 가속시험 결과(기층의 MDD 데이터와 횡단 프로파일의 표면처짐값)인 실측소성변형 량과 단면으로부터 채취한 코어시 편의 물성을 이용한 구조해석 결과를 실내시험을 통하여 제안된 소성변형모형에 적용하여 아스팔트 소성변형 모형의 1차 보정 계수를 제 안하였다.
- 2. 또한, 표층의 모형계수를 적용하여 전체 아스팔트층의 소성변형량을 예측한 AASHTO 모형의 결과값과 포장가속시험 결과와의 보정을 통하여 포장체내의 구속 응력과 전단 응력의 영향을 고려한보완된 전단 응력 수정 깊이 계수 Kz를 적용한 KPRP 소성변형 모형을 제시하였다.
- 또한, 포장체내에 매설한 온도감지장치(Thermocouple)로 그림3과 같이 각 단면 깊이별 온도를 측정하여 깊이에 따른 온도 변화도 고려하였다. 각 세부층 중앙지점의 온도를 사용하여 SF를 산정한 다음식 (3)을 통해 reduced frequency를 구하고 동탄성 계수를 산정하였다.
- Kenlayerprogram을 이용한 구조해석으로 εr값을 구하고 온도 감지 장치를 통해 각각의 포장층 온도(T)를 식 (1) 에 대입하여 연직 방향 소성변형률 εr값을 계산하였다. 계산된 εr값과 포장층의 두께를 각각 곱하여 해당 층에 대한 소성변형량을 개별적으로 산출하였다. 기층 상부에 매설된 MDD 데이터는 기층 아래 부분에 의한 소성변형량을 계측해 주므로 횡단 프로파일에 의해 측정된 표면처짐량과의 차를 통해 각각의 APT단면 소성변형량을 비교하였다.
- 따라서, 현재 국내 현장에서 가장 많이 적용되는 19mm 밀입도골재에 AP3의 아스팔트 바인더를 적용한 표층 혼합물과 25mm 밀입도 골재에 AP3의 아스팔트 바인더를 적용한 기층 혼합물에 대한 보정계수만을 산정한다. 그 밖의 다른 혼합물의 경우에는 현장 데이터를 사용한 보정은 실시하지 않고, 실내시험을 통해 산정된 혼합물간의 상대적인 소성변형량을 참고하여 보정계수를 산정하는 것으로 계획하고, 보정계수산정을 위해 Kenlayer program의 구조해석과 포장가속시험(APT)의 결과를 이용하였다.
- 계산된 εr값과 포장층의 두께를 각각 곱하여 해당 층에 대한 소성변형량을 개별적으로 산출하였다. 기층 상부에 매설된 MDD 데이터는 기층 아래 부분에 의한 소성변형량을 계측해 주므로 횡단 프로파일에 의해 측정된 표면처짐량과의 차를 통해 각각의 APT단면 소성변형량을 비교하였다. 다음의 그림 4 는 식(1)에 의해 보정산출된 표층+중간층 및 기층의 소성변형 량의 합인 전체층에 대한 소성변형 량과AASHTO 2002 Design Guide 모형식으로부터 산출된 소성변형량, 그리고 한양대학교의 A, B 단면과도로공사의 Pit-A단면과 Pit-B단면에 대한 포장가속시험의 실측 데이터를 온도별로 비교하여 도시한것이다.
- 이에 근거하여 K0RP의 소성변형 모형에서는 전단 응력을 고려한깊이계수 kz에 대한 수정식을 적용하여 실측값과비교분석하였다. 깊이계수는 포장의 깊이에 따른 구속응력 및 전단 응력의 효과를 고려하기 위한 것으로포장의 깊이별 발생되는 전단 응력을 최대 전단응력으로 나누어 전단 응력 수정식에 의한 깊이계수와 AASHTO의 깊이 계수를 normalization시킨 후 비교하였다. 이러한 전단 응력 개념을 적용한 전단응력 수정식 모형의 소성변형 예측 결과는 그림 6의 (a)와 (b) 에 나타나 있다.
- 그러나 그림 2에서 보는 바와 같이 동탄성 계수는 낮은 주기 영역에서 상당히 큰 차이를 보인다. 따라서 Witczak(2002)이 제시한 동탄성 계수 예측모형으로부터 산정한 동탄성 계수와 비교한 결과 한양대 Bsection의 master curve가 가장 유사한 것으로 나타나 이를 구조해석에 적용하였다. 표4는 master curve를 작성하기 위한 식(2)에 제시된 sigmoidal function의 파라미터 값을 나타낸 것이다.
- 반면에 AASHTO 모형에 의한 소성변형량은 온도 변화에 관계없이 하중재하 횟수에 대해 상대적으로 낮은 소성변형 량을 보여주었다. 따라서, 다양한 혼합물에 대한시험결과를 이용하여 혼합물의 종류에 따른 모델계수를 산정하여 정확한 결과를 예측할 수 있었으며, 전체 한양대학교와 도로공사의 시험단면에 대한APT 실측 결과 값과 AASHTO 2002 DesignGuide 모형과 비교 검증한 아스팔트 층의 소성변형모형계수 및 보정계수의 값들을 다음의 표 6에 나타내었다.
- 한양대학교에서는 그림 l-(a)와 같은 단면에 6, 10% 두 가지의 목표공극률로 아스팔트 층을 시공하였고 정규분포에 따른 자유방식(random)의 원더링(wandering)을 적용하여 35, 40, 50t의 목표 온도에서 시험을 실시하였다. 또한, 기층상부, 보조기층, 노상에 각각 표면으로부터 12cm, 44.5cm, 90.5cm 위치에 MDD를 매설하여 깊이 별 소성변형을 측정하였으며 , 횡단 프로파일을 통하여 표면처짐을 측정하였다. 반면, 한국도로공사는 아스팔트 기층 대신 콘크리트 기층을 타설한 (section 1과 2) Pit-A 단면그림 l-(b)와 한양대학교와 같은 단면인 Pit-B 그림 l-(c)의 2개의 단면에 대해 각각 35P와 20P의 온도에서 APT 시험을 실시하였다.
- 또한 하중재하시간은 주기의 함수로 전환되므로 master curve로부터 이를 구하기 위해서는 Huang(2004)이 제시한 포장 가속 시험기의 시험 속도(10km/h)에 따른 깊이-주기의 관계를 적용하여 각단면깊이에 따른 하중주기를 산출하였다. 또한, 포장체내에 매설한 온도감지장치(Thermocouple)로 그림3과 같이 각 단면 깊이별 온도를 측정하여 깊이에 따른 온도 변화도 고려하였다. 각 세부층 중앙지점의 온도를 사용하여 SF를 산정한 다음식 (3)을 통해 reduced frequency를 구하고 동탄성 계수를 산정하였다.
- 소성변형 시험용 시편은 직경 150mm, 높이 170mm의 원통형 시편을 선회다짐기로 제작한 다음 직경 100mm의 시편을 코 어채취기로 채취하여 시편 상부 및 하부를 10mm 씩 절단하여 높이 150mm의 시편을 제작하였다. 또한, 하중, 온도, 공극률이 소성변형에 미치는 영향을 파악하기 위해 온도조절용 챔버와 유압장비를 조정하고 데이터를 수집하기 위한 CDAS(Control and Data Acquisition System)으로 구성되어 있는 Servo-Hydraulic Closed Loop 시스템인 IPC사의UTM-25(2.5ton)를 이용하여 삼축 압축 반복 재하시험을 실시하였으며 시험조건은 표 1과 같다.
- 실내시험을 통해 개발된 아스팔트 혼합물의 소성변형 예측 모델의 검증을 위해 한양대학교와 한국도로공사에서는 포장가속시험(APT)을 실시하였다. 사용된 재료 물성은 도로공사의 시험도로 All 단면과 동일한 포장층 두께와 골재 및 바인더를 사용하였다.
- 아스팔트 기층 대신 콘크리트 기층이 적용된 한국도로공사 시험 단면의 경우 아스팔트 층 및 쇄석 보조 기층, 노상은 동일한 물성을 적용하였고, 시멘트 콘크리트 기층의 탄성계 수 및 포아송비는 각각250, 000kg/cm2과 0.15를 적용하였다. Kenlayerprogram을 이용한 구조해석으로 εr값을 구하고 온도 감지 장치를 통해 각각의 포장층 온도(T)를 식 (1) 에 대입하여 연직 방향 소성변형률 εr값을 계산하였다.
- 구조해석에 사용된 하중은 APT 시험의 lOton의 설정된 재하 하중에서 실제적용오차범위 8~ lOton을 고려하여 평균값인 9ton을 사용하였다. 아스팔트 기층이 적용된 시험단면의경우 각 층의 소성변형량을 구하기 위해 표층(5cm) 과 중간층(7cm)은 각각의 별개의 층으로 두고 기층 (18cm) 은두께 6cm의 3개의 세부층으로 분할하였고, 보조기층(30an)과 노상(140cm)은 각각 단일 층 으로 구분하였다.
- 포장가속시험에 사용된 아스팔트 혼합물의 물성평가를 위해 한양대학교와 도로공사 APT단면에서코어를 채취하여 공극률과 IPC사의 UTM-25장비를이용하여 동탄성 계수를 측정하였다. 다음 그림 2는동탄성계수 실내 시험 결과 및 Witczak 모형으로부터 산정한 master curve를 비교한 것이다.
- 포장가속시험은 일정한 하중과 동일한 온도에서실시하는 시험이므로 포장가속시험에 적용된 포장단면에 대하여 구조해석을 수행하여 각각의 층에서 발생되는 회복 변형률을 계산한 다음 이를 아스팔트 소성변형 모형에 적용하고 아스팔트 층의 소성변형량을 예측하여 일반적인 아스팔트 혼합물의 소성변형모형식을 검증하였다. 식(1)에서 연직 방향 회복변형률(&)을 구하기 위해 구조해석 프로그램인 Kenlayer를 사용하였으며, 해석에 적용된 입력변수들을 정리하면 표5와 같다.
- 포장가속시험은 일정한 하중과 동일한 온도에서실시하는 시험이므로 포장가속시험에 적용된 포장단면에 대하여 구조해석을 수행하여 각각의 층에서 발생되는 회복 변형률을 계산한 다음 이를 아스팔트 소성변형 모형에 적용하고 아스팔트 층의 소성변형량을 예측하여 일반적인 아스팔트 혼합물의 소성변형모형식을 검증하였다. 식(1)에서 연직 방향 회복변형률(&)을 구하기 위해 구조해석 프로그램인 Kenlayer를 사용하였으며, 해석에 적용된 입력변수들을 정리하면 표5와 같다.
대상 데이터
- 사용된 재료 물성은 도로공사의 시험도로 All 단면과 동일한 포장층 두께와 골재 및 바인더를 사용하였다. 한양대학교에서는 그림 l-(a)와 같은 단면에 6, 10% 두 가지의 목표공극률로 아스팔트 층을 시공하였고 정규분포에 따른 자유방식(random)의 원더링(wandering)을 적용하여 35, 40, 50t의 목표 온도에서 시험을 실시하였다.
- 이 시험방법은 시험방법이 비교적 간단하며, 현장의 하중 조건과 응력 상태를 실내에서 모사할 수 있는 장점이 있다.소성변형 시험용 시편은 직경 150mm, 높이 170mm의 원통형 시편을 선회다짐기로 제작한 다음 직경 100mm의 시편을 코 어채취기로 채취하여 시편 상부 및 하부를 10mm 씩 절단하여 높이 150mm의 시편을 제작하였다. 또한, 하중, 온도, 공극률이 소성변형에 미치는 영향을 파악하기 위해 온도조절용 챔버와 유압장비를 조정하고 데이터를 수집하기 위한 CDAS(Control and Data Acquisition System)으로 구성되어 있는 Servo-Hydraulic Closed Loop 시스템인 IPC사의UTM-25(2.
데이터처리
- 15를 적용하였다. Kenlayerprogram을 이용한 구조해석으로 εr값을 구하고 온도 감지 장치를 통해 각각의 포장층 온도(T)를 식 (1) 에 대입하여 연직 방향 소성변형률 εr값을 계산하였다. 계산된 εr값과 포장층의 두께를 각각 곱하여 해당 층에 대한 소성변형량을 개별적으로 산출하였다.
- 검증하였다. 식(1)에서 연직 방향 회복변형률(&)을 구하기 위해 구조해석 프로그램인 Kenlayer를 사용하였으며, 해석에 적용된 입력변수들을 정리하면 표5와 같다. 구조해석에 사용된 하중은 APT 시험의 lOton의 설정된 재하 하중에서 실제적용오차범위 8~ lOton을 고려하여 평균값인 9ton을 사용하였다.
- 또한, 구조해석을 통한 각 단면의 실제 전단응력분포를보면 포장 깊이 약 7in(17cm) 지점에서 최대 전단응력이 발생하는 것을 알 수 있다. 이에 근거하여 K0RP의 소성변형 모형에서는 전단 응력을 고려한깊이계수 kz에 대한 수정식을 적용하여 실측값과비교분석하였다. 깊이계수는 포장의 깊이에 따른 구속응력 및 전단 응력의 효과를 고려하기 위한 것으로포장의 깊이별 발생되는 전단 응력을 최대 전단응력으로 나누어 전단 응력 수정식에 의한 깊이계수와 AASHTO의 깊이 계수를 normalization시킨 후 비교하였다.
- 전체적으로 유사한 추세를 보이는 AASHTO 모형을 바탕으로 수정된 깊이 계수 식(5)를 사용하고 APT실측값에 대해 회귀분석하여 한양대학교와 도로공사의 시험단면에 대한 아스팔트 층의 소성변형계수값을 표7과 같이 보정하였다. 소성변 형식의 공극률항은 표 1처럼 각 APT 단면마다 공극률의 변화가 크지 않았으나 한양대 APT 공극률 평균값(7.
이론/모형
- 다음식 (4)는 AASHTO 2002 Design Guide에서 제시한 아스팔트 혼합 물의 소성변형 모형이다. AASHTO 모형은 다음에서 제시될 KPRP 모형과 같이 하중재하 횟수(N)항과 온도(T) 항을 고려하였으나, 공극률(AV)항 대신 깊이계수(Kz)을 사용하였으며 깊이 계수는 다음과 같이 계산된다.
- 아스팔트 혼합물의 대표적물성 인동탄성계수는 온도와 하중재하 시간의 함수이며 포장체의 온도와 하중재하 시간은 그 단면의 깊이에 따라서 다른 값을 나타낸다. 또한 하중재하시간은 주기의 함수로 전환되므로 master curve로부터 이를 구하기 위해서는 Huang(2004)이 제시한 포장 가속 시험기의 시험 속도(10km/h)에 따른 깊이-주기의 관계를 적용하여 각단면깊이에 따른 하중주기를 산출하였다. 또한, 포장체내에 매설한 온도감지장치(Thermocouple)로 그림3과 같이 각 단면 깊이별 온도를 측정하여 깊이에 따른 온도 변화도 고려하였다.
성능/효과
- 그림 6의(a)와 (b)로부터 소성변형 예측은 실측값과 비교할 때 표층과 중간층은 과소하며 기층의 경우는 과다한 것을 알 수 있었다. 비록 전단응력 개념을 사용한 소성변형 예측 결과가 AASHTO 모형을 이용한 소성변형 예측 결과보다는 개선이 되었지만 부분적인 보정이 필요하다는 것을 알 수 있다.
- 3.동일한 하중과 일정한 온도에 대해 실시하는 포장 가속시험의 실측 결과와 비교하였을 때, 실내시험을 통해 제안된 각 혼합물별 모형 계수를 이용한 소성변형예측 결과가 표층의 모형계수와 실측값에 의해 보완된 전단 응력 수정 Kz 를 적용한 KPRP 소성변형 모형의 결과 값보다 상대적으로 정확한 예측을 하였다. 따라서, 다양한 혼합물에 대한 시험 결과를 이용하여 통합적인 소성변형 모델 계수 값을 정하는 것보다 혼합물의 종류에 따른 모델 계수를 산정하는 것이 보다 정확한 결과를 예측할 것으로 판단된다.
- 즉, 그림 5- (c)에 의하면 AASHTO 모형의 깊이 계수 비율값이포장체의 깊이 약 2in(5cm) 정도에서 최대값을 나타내고 기층부에는 매우 작은 값을 나타낸다. 깊이계수를 고려하여 비교를 해보면 AASHTO 모형의 최대및 최소 깊이 계수의 차이는 매우 크고 이로 인해 기층부의 소성변형이 크게 감소됨을 알 수 있었다. 또한, 구조해석을 통한 각 단면의 실제 전단응력분포를보면 포장 깊이 약 7in(17cm) 지점에서 최대 전단응력이 발생하는 것을 알 수 있다.
- 깊이계수를 고려하여 비교를 해보면 AASHTO 모형의 최대및 최소 깊이 계수의 차이는 매우 크고 이로 인해 기층부의 소성변형이 크게 감소됨을 알 수 있었다. 또한, 구조해석을 통한 각 단면의 실제 전단응력분포를보면 포장 깊이 약 7in(17cm) 지점에서 최대 전단응력이 발생하는 것을 알 수 있다. 이에 근거하여 K0RP의 소성변형 모형에서는 전단 응력을 고려한깊이계수 kz에 대한 수정식을 적용하여 실측값과비교분석하였다.
- 보정된 소성변형 모형 계수를 이용하였을 때 한양대 APT 실측 결과 값과 실내시험에 의한 소성변형모형의 결과 값이 온도의 변화에 관계없이 하중재하 횟수에 대해 상당히 유사한 소성변형량을 보여줌을 알 수 있었다. 도로공사 APT Pit-A단면 중 중간층과 기층 대신 콘크리트 층을 시공한 경우(section 1과 2)는 콘크리트층의 소성변형이 발생하지 않는다고 가정하고 표면처짐량을 표층의 소성변형량으로 간주하였지만 아스팔트 층의 소성변형 결과만을 비교하기 위한 본 연구결과에서는 제외시켰으며 도로공사APT Pit-B의 공극률 12%의 2개의 단면의 경우 (section 2와 3)는 표면처짐량의 측정 오차가 심하여 분석이 불가하였기 때문에 실측 데이터에서 제외시켰다.
- 과다한 것을 알 수 있었다. 비록 전단응력 개념을 사용한 소성변형 예측 결과가 AASHTO 모형을 이용한 소성변형 예측 결과보다는 개선이 되었지만 부분적인 보정이 필요하다는 것을 알 수 있다. 즉, 표층은 조금 더 크게, 기층은 더 작게 예측하기 위해 전단응 력 그래프를 위로 이동시켜야 한다는 것이다.
- 본 연구에서는 한국건설기술연구원에서 각 혼합물별로 삼축 압축 반복실내시험에 의해 제안한 소성변형 모형을 포장가속시험 결과와의 비교 검증을 통하여 보정하였다. 즉, 각 단면에 대한 포장 가속시험 결과(기층의 MDD 데이터와 횡단 프로파일의 표면처짐값)인 실측소성변형 량과 단면으로부터 채취한 코어시 편의 물성을 이용한 구조해석 결과를 실내시험을 통하여 제안된 소성변형모형에 적용하여 아스팔트 소성변형 모형의 1차 보정 계수를 제 안하였다.
- 나타내었다. 표층의 모형계수만을 적용하여 전체 아스팔트 층의 소성변형량을 예측한 AASHTO 모형의 결과 값과 포장가속시험의 실측 데이터를 비교하였을 때 그림 5-(a)에서와 같이 예측값의 차이는있으나 전반적으로 소성변형의 경향이 유사하게 나타났다.
후속연구
- 이러한 온도의변화에 따른 소성변형량의 실측값과 예측값의 차이는 비록 KPRP 프로그램의 소성변형 모형에 이용되는 깊이 계수 Kz가 포장체내의 구속 응력과 전단응력의 영향을 고려함에도 불구하고 전이계수의 부정확성과 포장층을 구성하는 각각의 혼합물에 대한 물성의 차이가 온도에 따라 다른 폭으로 변화하므로 그에의한 영향을 받는 것으로 보인다. 따라서, 다양한 혼합물에 대한시험결과를 이용하여 통합적인 소성변형 모델계수값을 정하는 것보다 혼합물의 종류에 따른 모델 계수를 산정하는 것이 보다 정확한 결과를 예측할 것으로 판단된다.
- 이러한 온도의변화에 따른 소성변형량의 실측값과 예측값의 차이는 비록 KPRP 프로그램의 소성변형 모형에 이용되는 깊이 계수 Kz가 포장체내의 구속 응력과 전단응력의 영향을 고려함에도 불구하고 전이계수의 부정확성과 포장층을 구성하는 각각의 혼합물에 대한 물성의 차이가 온도에 따라 다른 폭으로 변화하므로 그에의한 영향을 받는 것으로 보인다. 따라서, 다양한 혼합물에 대한시험결과를 이용하여 통합적인 소성변형 모델계수값을 정하는 것보다 혼합물의 종류에 따른 모델 계수를 산정하는 것이 보다 정확한 결과를 예측할 것으로 판단된다.
- 개발할 계획이다. 이후 국도 LTPP 구간의 현장 데이터를 활용하여 최종 전이 함수를 개발하여 소성변형 모형의 개발을 완료할 것이다.
- 추후, 보조기층과 노상의 MDD 데이터와 더불어시험도로에서 수집된 데이터를 분석하여 기층의 소성변형 모형을 보정하고, 1차 보정 완료된 모형을 도로공사 시험도로의 교통량과 환경 하중, 공용기간 등의 분석 데이터와 AASHTO 2002 Design Guide프로그램 결과 값을 비교하여 소성변형 모형의 2차보정계수를 개발할 계획이다. 이후 국도 LTPP 구간의 현장 데이터를 활용하여 최종 전이 함수를 개발하여 소성변형 모형의 개발을 완료할 것이다.
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