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문제 정의
- 본 논문의 목적은 노후 줄눈콘크리트 포장의 유지보수를 위해 이와 같은 장점을 갖는 CRCP 개념의 접착식 덧씌우기 공법(CRCO : Continuously Reinforced Concrete Overlay)의 기술적인 타당성을 검증하는 것이다. 이를 위해 일반 JCP 개념의 접착식 덧씌우기 공법(JCO : Jointed Concrete Overlay)과 철근이 삽입된 CRCO 공법에 대한 현장 실험을 통해 그 특성을 살펴보았다.
- 현장 시험시공은 노후 콘크리트 포장의 유지보수를 위해 적용될 수 있는 CRCO공법과 JCO공법의 거동 차이를 분석하기 위해 실시하였다. 즉, 종방향 철근의 유무에 따른 거동 특성을 살펴보기 위함이다.
제안 방법
- CRCO 의 경우 슬래브 수가 많을수록 양 끝단의 경계 조건에 의한 영향을 배제할 수 있으나, 시공비용 및 기타 현장 여건으로 인하여 8개 슬래브만을 적용대상으로 하였다. JCO 구간은 6개 슬래브에 시공하였으며, 이중 2개에서는 층간 부착 강도를 평가하였다. 시험시공에 사용되는 배합은 표 1과 같다.
- 계측 결과와 코어링 작업 결과, 2번 위치의 층간 부착 문제가 3번 위치로 진전되고 있음을 나타낸다. 계측기 매설 구간 이외의 슬래브에서 2번 위치에서 코어링 작업을 추가로 2회씩 실시하였다. JCO 공법의 코어는 모두 분리된 상태였으나, CRCO 공법은 2회 중 1회가 문제가 있었다.
- 계측기 이외에 압축강도, 부착 강도 등의 기초 물성을 측정하였다. 시험시공 전후에 FWD(Falling Weight Deflectometer)시험을 하였으며, 시공 후의 균열 패턴을 조사하기 위해 균열 맵(Crack Map)을 작성하였다.
- 균열조사는 시공 후 18시간, 43일, 109일, 207일, 317일에 걸쳐 총 5회 조사하였다. 시공 18시간 후에 조사한 균열은 CRCO 구간에서 일부 발생하였으나, 반사 균열은 발생하지 않았다.
- 기존 노후 줄눈콘크리트 포장의 줄눈부 움직임이 덧씌우기층에 미치는 영향과 CRCO 공법에 설치된 종방향 철근의 역할을 확인하기 위해서 덧씌우기 전에 디멕 게이지를 이용하여 각 줄눈부의 수평 거동을 측정하였으며 그림 4와 같다. CRCO 구간의 계측기 설치 위치인 7번 줄눈(7번 슬래브와 8번 슬래브 사이의 줄눈)에서 가장 크게 거동하였으며, 그 폭은 초기점을 기준으로 약 1.
- 두 층간의 부착 상태를 평가하기 위해 깊이 방향으로 설치한 VWG 데이터를 분석하였다. CRCO 공법의 계측 결과를 살펴보면, 시공 후 6월까지의 거동은 온도 변화에 따라 중간에 특이한 값이 나타나지 않고 선형으로 거동하였다.
- 본 공법의 비교 평가를 위하여 기초 물성 평가, 부착 강도 시험, FWD 분석, VWG 결과 분석, 균열 조사 등을 실시하였다.
- 종방향 철근의 균열 후 수평 변위 구속 정도를 추가로 검토하기 위해 디멕 게이지를 이용하여 반사 균열부의 수평 거동을 검토하였다. 본 연구에서 시험 시공을 진행한 곳은 현장이 훼손된 이유로 측정하지 못하였고, 다른 구간의 측정 데이터를 이용하여 비교하였다. 여기서, JCO 10cm 덧씌우기 구간은 한국도로공사 연구팀이 1996년에 지리산 IC 부근에서 시공한 구간이며, CRCO 구간은 본 연구진이 2008년에 대구-영천 간 일반국도 4호선에 추가로 시공한 구간이다.
- 신·구 콘크리트 포장의 경계면의 부착 강도를 측정하기 위하여 KS F 2386 “도로포장체 부착면의 인장접착 시험방법”에 따라 실험을 실시하였다(KS F 2386). 슬래브의 우각부에서 중앙부 방향으로 20cm마다 100cm 위치까지 2개씩 코어를 뚫어 실험하였으며, 평균 1225KPa로 층간 부착 상태는 양호하였다. 재령과 슬래브에서의 위치(슬래브 코너로 부터의 거리)의 부착 강도 변화는 크지 않았다.
- 계측기 이외에 압축강도, 부착 강도 등의 기초 물성을 측정하였다. 시험시공 전후에 FWD(Falling Weight Deflectometer)시험을 하였으며, 시공 후의 균열 패턴을 조사하기 위해 균열 맵(Crack Map)을 작성하였다.
- 여기서, 시공 초기와 10여 개월이 지난 후의 거동 차이의 원인을 알아보기 위해서 층간 부착 상태를 검토하였다. 그림 6에서 알 수 있듯이 여름철을 지나면서 계측기를 매설한 곳의 층간 부착에 문제가 발생하였다.
- 본 논문의 목적은 노후 줄눈콘크리트 포장의 유지보수를 위해 이와 같은 장점을 갖는 CRCP 개념의 접착식 덧씌우기 공법(CRCO : Continuously Reinforced Concrete Overlay)의 기술적인 타당성을 검증하는 것이다. 이를 위해 일반 JCP 개념의 접착식 덧씌우기 공법(JCO : Jointed Concrete Overlay)과 철근이 삽입된 CRCO 공법에 대한 현장 실험을 통해 그 특성을 살펴보았다.
- 전체 변형률에서 무응력 장치의 변형률을 제거하여 구속, 철근 및 경계조건 등으로 인해 발생한 변형률을 비교 검토하였다. 그림 11의 (a)와 같이 초기에는 온도가 하강할수록 두 공법 모두 인장 변형률이 발생하였다.
- 종방향 철근의 균열 후 수평 변위 구속 정도를 추가로 검토하기 위해 디멕 게이지를 이용하여 반사 균열부의 수평 거동을 검토하였다. 본 연구에서 시험 시공을 진행한 곳은 현장이 훼손된 이유로 측정하지 못하였고, 다른 구간의 측정 데이터를 이용하여 비교하였다.
- 즉, 종방향 철근의 컬링 및 와핑으로 인해 발생할 수 있는 변형을 억제하였기 때문이다. 추가로 현장 코어링 작업을 통해 이를 확인하였다.
- 층간 부착에 대한 현장 계측 결과를 통해 문제가 발생한 것을 확인하였으며, 이를 육안으로 검증하기 위해 그림 9와 같은 위치에서 코어링 작업을 실시하였다. 코어링 결과, CRCO 구간에서는 1번 위치에서는 시편이 분리되었으나, 2, 3번 위치에서는 부착된 상태였다.
- 현장의 재료를 이용하여 압축강도 공시체를 제작하였고, 샌드 베드(Sand Bed)를 만들어 실제 포장체 온도변화와 유사하도록 하였다. 초기 압축강도 측정 결과, 강도가 충분히 발현되지 않았으나, 3일 강도는 교통 개방이 가능한 기준 강도(압축강도 300kg/cm2 이상)를 상회하였다.
대상 데이터
- 그림 1은 두 가지 공법이 적용된 시험시공 단면을 나타내고 있다. CRCO 의 경우 슬래브 수가 많을수록 양 끝단의 경계 조건에 의한 영향을 배제할 수 있으나, 시공비용 및 기타 현장 여건으로 인하여 8개 슬래브만을 적용대상으로 하였다. JCO 구간은 6개 슬래브에 시공하였으며, 이중 2개에서는 층간 부착 강도를 평가하였다.
- FWD 측정은 밀링 및 덧씌우기 상태에 따라 낮동안(1~3:00 PM)에 측정하였다. 각 슬래브마다 다섯 곳의 최대 처짐량 데이터를 이용하였으며, 그림 13의 (a) 그림과 같다. 일반적으로 두께가 감소할수록 처짐량은 커지는 것이 일반적이며, 본 연구에서 측정한 FWD 결과에서도 밀링한 후 밀링하기 전 덧씌우기 후 순으로 처짐량이 크게 발생하였다.
- 즉, 종방향 철근의 유무에 따른 거동 특성을 살펴보기 위함이다. 시험시공 현장은 서해안 고속도로 매송 IC와 비봉 IC 사이의 매송 휴게소 예정 부지(상행)로서. 기존 포장 단면은 린 콘크리트 기층 15cm에 표층 콘크리트 30cm 이며, 슬래브의 폭은 3.
- CRCO 공법은 기존 포장을 5cm 밀링하여 파손 부위를 제거하고 그 위에 철근을 설치한 후 10cm 덧씌우는 형태이다. 종방향 및 횡방향 철근으로는 공칭 지름이 13mm인 이형 철근을 사용하였다. 종방향 철근양은 덧씌우기 포장 두께의 0.
이론/모형
- 신·구 콘크리트 포장의 경계면의 부착 강도를 측정하기 위하여 KS F 2386 “도로포장체 부착면의 인장접착 시험방법”에 따라 실험을 실시하였다(KS F 2386).
성능/효과
- 1. 부착강도 평가 결과, 표면 처리로 Cold Milling 후 청소를 하여 초기에 층간 부착에 문제가 발생하지 않았다. 균열 조사 결과, CRCO 구간의 기존 줄눈부에서부터 반사 균열이 발생하였다.
- 2. 기존 JCP 구간의 줄눈부에 수평으로 매설한 계측기의 분석 결과, 종방향 철근이 초기 균열 터짐 시 일정 폭 이상으로 벌어지지 못하게 구속하는 역할을 하였다. 온도변화에 대한 수평 변위 발생 억제 효과는 CRCO 공법이 JCO 공법보다 약 4배 정도 더 큰 것으로 나타났다.
- 3. 수직 계측기 데이터의 검토 결과, 철근이 없는 JCO 공법에 비해 CRCO 공법은 종방향 철근이 위치한 곳에서 층간 부착 문제가 발생하지 않았다. 즉, 종방향 철근의 컬링 및 와핑으로 인해 발생할 수 있는 변형을 억제하였기 때문이다.
- 4. 슬래브 내의 수평 거동을 분석한 결과, 초기에 철근의 구속으로 인해 CRCO 공법에서는 인장 변형률이, JCO 공법은 압축 변형률이 발생하였다. 온도가 증가하는 여름철에는 균열부 닫힘 현상이 발생하였다.
- 5. FWD 최대 처짐량 데이터 분석 결과, CRCO 공법이 적용된 슬래브가 JCO 공법이 적용된 슬래브보다 중앙부는 10%~50%, 단부는 10~60% 정도 처짐량이 더 감소하였다. 지지력의 경우, JCO 공법에서는 밀링 후 상태를 기준으로 단부에서 약 46%, 중앙부에서 약 146% 증가한 반면, CRCO 구간은 단부에서 약 65~200%, 중앙부에서 약 127~236% 증가하였다.
- 버지니아 주에서는 노후 JPCP 포장에 대해 48시간 내로 교통 개방을 하기 위해 Fast Track TBCO 공법을 시공하였다. 6년 후의 추적 조사 결과, 포장의 공용성이 양호하였으며, 경계면의 문제는 줄눈부에서 약 0.5m 내에 발생하는 것으로 확인되었다(Delatte, N. J et al., 1998; VTRC 97-R9RB). 일리노이 주에서는 I80(1965년 시공, CRCP 20cm), I-88(1975년 시공, CRCP 20cm)도로에서 각각 JPCP 10cm, 7.
- 두 층간의 부착 상태를 평가하기 위해 깊이 방향으로 설치한 VWG 데이터를 분석하였다. CRCO 공법의 계측 결과를 살펴보면, 시공 후 6월까지의 거동은 온도 변화에 따라 중간에 특이한 값이 나타나지 않고 선형으로 거동하였다. 이는 층간 부착이 거의 완벽하게 이뤄진 것을 의미한다.
- 일반적으로 두께가 감소할수록 처짐량은 커지는 것이 일반적이며, 본 연구에서 측정한 FWD 결과에서도 밀링한 후 밀링하기 전 덧씌우기 후 순으로 처짐량이 크게 발생하였다. 각 슬래브의 덧씌우기 후 최대 처짐량을 밀링 후 상태를 기준으로 비교한 결과, CRCO 공법이 적용된 슬래브(6, 8, 10번 슬래브)가 JCO 공법이 적용된 슬래브보다 중앙부는 10%~50%, 단부는 10~60% 정도 처짐량이 더 감소하였다.
- 전 구간에 걸쳐 각 슬래브별로 발생한 총 균열 길이를 나타낸 결과 그림 12와 같다. 공법간의 균열 발생량을 비교하면, JCO 공법보다 종방향 철근이 있는 CRCO 공법에서 전체 균열 발생량이 더 많았다. CRCO 구간의 양 끝단부는 종방향 철근의 구속력에 의해 슬래브 내부에 발생하는 응력이 해방되어 총균열 발생량이 중앙부보다 더 적었다.
- 부착강도 평가 결과, 표면 처리로 Cold Milling 후 청소를 하여 초기에 층간 부착에 문제가 발생하지 않았다. 균열 조사 결과, CRCO 구간의 기존 줄눈부에서부터 반사 균열이 발생하였다. 하지만 종방향 철근의 구속으로 인해 그 폭은 작았으며, 균열 간격은 1m 미만으로 평균적인 CRCP의 균열 간격보다 더 좁았다.
- 기준 온도 변화에 따른 덧씌우기 공법에 발생한 반사 균열부의 수평 거동폭은 그림 7과 같다. 기준 온도와 10℃ 온도 차이가 발생할 경우 JCO 공법의 줄눈부 움직임은 약 0.25mm 정도 변화하는 것으로 나타났다.
- 온도 변화에 따른 상부 초기 변형률 변화를 살펴보면, 덧씌우기 후 CRCO의 줄눈부 거동이 기존 JCO에 비하여 절반 수준으로 낮아졌다. 디멕 측정 결과를 고려한다면 초기 CRCO 구간의 철근이 JCO 구간보다 움직임을 구속하는 정도가 약 4배 정도라고 평가할 수 있다. 하지만 여름철에는 슬래브의 팽창으로 인해서 균열부가 좁아지고 닫힘 현상이 발생하여 거시적으로 온도 변화에 따른 변형률 변화가 없는 것으로 나타났다.
- 측정 시기가 낮동안이어서 컬링 변화에 의해 단부가 하부 린 콘크리트 기층과 접한 반면, 중앙부는 하부 린 콘크리트 기층 위에 이격된 형태가 되어 이와 같은 결과가 나온 것으로 판단된다. 또한 공법간의 지지력 변화를 살펴보면 단부에서 JCO 의 경우, 밀링 후 상태를 기준으로 약 46% 증가한 반면, CRCO 구간은 65~200% 증가한 것으로 나타났다. 중앙부에서는 JCO 의 경우, 밀링 후 상태를 기준으로 약 146% 증가한 반면, CRCO 구간은 127~236% 증가하였다.
- JCO 구간의 경우, 응력이 집중되는 슬래브의 중앙부에서 횡방향 균열이 발생하였다. 시공 후 207일 이후의 조사 결과, 균열 간격이 그전과 달리 1m 미만인 균열들이 많았으며, 일부에서는 30~40cm 간격의 균열도 조사되었다. CRCP의 균열 간격이 1.
- 이는 종방향 철근 및 기존 슬래브가 온도 하강 및 초기 건조수축에 의해 슬래브가 수축하려는 것을 구속하였기 때문이다. 시공 후 2일이 지나서는 구속에 의한 인장응력 때문에 인장 변형률이 나타났으며, 계측기 인접부의 기존 JCP 줄눈부에서 CRCO로 반사균열이 발생하였다. 반면 JCO 공법과 무응력 장치 내의 거동은 초기서부터 수축하였으며, 기존 콘크리트 포장이 수축하는 것을 일부 구속하여 JCO 구간의 변형률 변화가 아무런 구속 장치가 없는 무응력 장치 내의 움직임보다 더 작았다.
- 온도 변화에 따른 상부 초기 변형률 변화를 살펴보면, 덧씌우기 후 CRCO의 줄눈부 거동이 기존 JCO에 비하여 절반 수준으로 낮아졌다. 디멕 측정 결과를 고려한다면 초기 CRCO 구간의 철근이 JCO 구간보다 움직임을 구속하는 정도가 약 4배 정도라고 평가할 수 있다.
- 기존 JCP 구간의 줄눈부에 수평으로 매설한 계측기의 분석 결과, 종방향 철근이 초기 균열 터짐 시 일정 폭 이상으로 벌어지지 못하게 구속하는 역할을 하였다. 온도변화에 대한 수평 변위 발생 억제 효과는 CRCO 공법이 JCO 공법보다 약 4배 정도 더 큰 것으로 나타났다. 하지만 그 효과는 층간 부착 문제가 발생할 경우에는 저감하였다.
- 각 슬래브마다 다섯 곳의 최대 처짐량 데이터를 이용하였으며, 그림 13의 (a) 그림과 같다. 일반적으로 두께가 감소할수록 처짐량은 커지는 것이 일반적이며, 본 연구에서 측정한 FWD 결과에서도 밀링한 후 밀링하기 전 덧씌우기 후 순으로 처짐량이 크게 발생하였다. 각 슬래브의 덧씌우기 후 최대 처짐량을 밀링 후 상태를 기준으로 비교한 결과, CRCO 공법이 적용된 슬래브(6, 8, 10번 슬래브)가 JCO 공법이 적용된 슬래브보다 중앙부는 10%~50%, 단부는 10~60% 정도 처짐량이 더 감소하였다.
- JCO 공법의 코어는 모두 분리된 상태였으나, CRCO 공법은 2회 중 1회가 문제가 있었다. 일부 구간에서 문제가 발생하긴 하였지만, 전반적으로 CRCO 공법의 철근이 층간 부착을 증진시키는 효과가 있는 것으로 나타났다.
- 전반적으로 CRCO 공법의 종방향 철근의 구속력에 의해 JCO 공법보다 인장력을 더 받고 있는 것으로 나타났다. 이로 인해 시공 초기에는 일부 인장 변형률이 발생하였으며, 재령이 늘어날수록 점점 더 큰 압축 변형률이 발생하였다.
- 초기 균열로 인해 발생한 변형률은 JCO 공법은 900~1000με, CRCO 공법은 200~300με였다. 즉, CRCO에서는 초기 균열발생으로 인해 벌어지는 것을 철근이 구속하기 때문에 초기의 최소 변형률이 JCO 공법보다 더 작았다.
- 슬래브 내에서 두 공법의 거동을 도시한 것이 그림 10과 같다. 초기 타설 시 슬래브 내부 온도는 약 20℃ 정도였으며, CRCO 공법의 거동은 온도가 하강함에 따라 인장 변형률이 증가하였다. 이는 종방향 철근 및 기존 슬래브가 온도 하강 및 초기 건조수축에 의해 슬래브가 수축하려는 것을 구속하였기 때문이다.
- 콘크리트 덧씌우기 공법의 공용성은 전반적으로 양호한 것으로 나타났다. 국내외 사례의 경우 상당 부분이 덧씌우기층을 무근 콘크리트로 시공하였다.
- 균열 조사 결과, CRCO 구간의 기존 줄눈부에서부터 반사 균열이 발생하였다. 하지만 종방향 철근의 구속으로 인해 그 폭은 작았으며, 균열 간격은 1m 미만으로 평균적인 CRCP의 균열 간격보다 더 좁았다. 전반적으로 JCO 공법보다는 CRCO에서 균열이 더 많이 발생하였다.
후속연구
- 일반적으로 콘크리트 덧씌우기 공법들은 반사 균열, 횡방향균열, 층간 부착 문제에 의한 구조적인 파손 등이 발생하여 공용성이 저하된다. 하지만 여기에 연속철근콘크리트 포장(CRCP : Continuously Reinforced Concrete Pavement)개념을 도입한다면, 그 장점을 확보할 수 있을 것이다. CRCP는 장기 공용성(50년)을 확보하고, 줄눈이 없기 때문에 도로 이용자들에게 양호한 승차감을 제공한다.
- 공용성 평가 결과, 양호한 것으로 나타났으나, 현재 국내 노후 콘크리트 포장의 유지보수 공법으로 자리매김을 하지 못하고 널리 사용되지 않는 상태이다. 향후 다가올 노후 콘크리트 포장의 많은 유지보수 물량을 안정적으로 처리하기 위해 유지보수 공법의 다변화 및 구조적인 안정성을 확보할 수 있는 콘크리트 덧씌우기 공법에 대한 다양한 연구가 필요하다.
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