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문제 정의
- 본 연구에서는 고속국도 콘크리트 포장에 대한 성능보증 시방서의 중요한 요소인 성능보증 기준을 수립하기 위하여 유럽 및 미국 여러 주의 사례에 대한 문헌조사를 통하여 성능인자, 임계한도, 성능보증 기간을 조사하였다. 국내 고속국도의 HPMS(Highway Pavement Management System) 의 조사항목과 HPCKHighway Pavement Condition Index) 에 포함된 평가항목을 조사하였다.
- 본 연구에서는 국내 고속국도 콘크리트 포장에 발생하는 주요 파손의 종류 별로 재령에 따른 파손 정도를 분석하고 해외 성능보증 시방서에 명기된 성능인자, 임계 한도, 성능보증 기간과 비교하여 국내 고속국도에 적합한 성능인자, 임계한도, 성능보증 기간을 정하는 자료로 사용할 수 있도록 하였다.
- 본 연구에서는 성능보증 계약제도를 국내 도로포장에 도입하기 위한 연구의 일환으로 먼저, 미국 미네소타, 인디애나, 플로리다 주 콘크리트 포장의 성능인자와 임계 한도를 조사하였다. 국내 고속국도 줄눈 콘크리트 포장의 주요 파손을 조사하고 수집된 자료를 95%, 90%, 50% 확률로 재령에 따라 통계적으로 분석하였다.
- 한국도로공사 HPMS에서는 스폴링을 종방향 스폴링과 횡방향 스폴링으로 구분하여 조사하고 있으나, 본 연구에서는 해외사례와의 비교를 위해서 종방향 스폴링과 횡방향 스폴링을 하나의 스폴링으로 합하여 분석하였다. 분석기준 구간 당 발생한 스폴링의 길이는 그림 7과같이 재령에 따라 점차 증가하는 경향을 나타냈다.
제안 방법
- 1. HPMS와 HPCI를 참고하여 국내 고속국도 줄눈 콘크리트 포장 파손을 조사하고 전문가 의견을 수렴하여 종방향 균열, 횡방향 균열, 내구성(D) 균열, 우각부 균열, 스폴링, 국제평탄성지수를 주요 파손으로 결정한 후 이에 대한 분석을 실시하였다.
- 2. 성능보증 기간을 결정하기 위하여 고속국도 콘크리트 포장에 파손이 가장 크게 증가한 재령을 성능인자별로 분석하였다. 그 결과, 종방향 균열과 스폴링은 9년, 우각부 균열과 내구성 균열은 8년, 횡방향 균열은 7년, 국제평탄성지수는 6년의 재령에서 가장 크게 증가한 것으로 나타났다.
- 국제 평탄 성지 수의 경우는 10m 간격으로 측정한 후 분석기준 구간의 평균값을 계산하여 대표값으로 하였다. 각 분석기준 구간의 파손량을 사용하여 재령별 전체 분석구간의 평균값 0와 표준편차σ를 구하고, 표준 정규화를 거쳐 50%, 90%, 95% 수준의 확률을 갖는 파손량을 각 각구한다.
- HPCI에는 종방향 균열, 횡 조치이므로 주요 파손에서 제외시키고, 우각부 균열을 주요 파손에 포함시켰다. 결과적으로, 고속국도 줄눈 콘크리트 포장의 종방향 균열, 횡방향 균열, 내구성(D) 균열, 우각부 균열, 스폴링, 국제평탄성지수가 성능 인자로 결정되었고 이들에 대한 조사 및 분석을 실시하였다.
- 고속국도에서의 포장파손은 그림 1과 같이 조사구간중 최외곽 차로를 일정한 길이의 분석기준 구간(100m) 으로 나누어 조사하였다. 균열은 종류에 따라 분석기준구간 당 발생한 길이 또는 면적으로 조사하고 국제평탄성지수는 10m마다 측정하여 분석기준 구간 별 평균값으로 조사하였다.
- 조사하였다. 국내 고속국도 줄눈 콘크리트 포장의 주요 파손을 조사하고 수집된 자료를 95%, 90%, 50% 확률로 재령에 따라 통계적으로 분석하였다. 본 연구의 결론은 다음과 같다.
- 성능인자, 임계한도, 성능보증 기간을 조사하였다. 국내 고속국도의 HPMS(Highway Pavement Management System) 의 조사항목과 HPCKHighway Pavement Condition Index) 에 포함된 평가항목을 조사하였다. 88올림픽선, 경부선, 고창 - 담양선, 구마선, 남해선, 남해 제 2지선, 당진 - 상주선, 대전 남부 순환선, 대전 - 통영선, 중부선, 동해선, 무안광주선, 서울 외곽순화선, 서해안선.
- 나누어 조사하였다. 균열은 종류에 따라 분석기준구간 당 발생한 길이 또는 면적으로 조사하고 국제평탄성지수는 10m마다 측정하여 분석기준 구간 별 평균값으로 조사하였다.
- 88올림픽선, 경부선, 고창 - 담양선, 구마선, 남해선, 남해 제 2지선, 당진 - 상주선, 대전 남부 순환선, 대전 - 통영선, 중부선, 동해선, 무안광주선, 서울 외곽순화선, 서해안선. 영동선, 울산선, 익산- 포항선, 제 2 중부선, 중부 내륙선, 중앙선, 중앙선의 지선, 평택 - 음성선, 호남선, 논산 - 천안선 등 21개 노선의 분석기준 구간을 재령 3년에서 10년까지 재령별로 구분하여 파손을 분석하였다. 조사구간에 발생된 각종 파손의 평균값으로만 결과를 제시하던 기존과는 달리 본 연구에서는 주요 파손을 재령별로 정규분포화하여 통계적으로 분석하였으며, 그 결과를 해외 성능보증 시방서에 사용되고 있는 성능인자, 임계한도, 성능보증 기간과 비교하였다.
- 조사구간을 시속 50km/h〜60km/h로 주행하면서 고성능 카메라로 포장면을 스캔하면 차량 내컴퓨터에 이미지가 저장되고 이를 분석하여 포장면에 발생한 파손을 측정하게 된다. 이 외에도 레이져 센서를 이용하여 포장면의 굴곡 및 변형을 측정하고 국제평탄성지수를 계산한다.
- 그림 2(a)와 같이 과대값 제거 전 재령 7년과 8년에 발생한 스폴링은 재령 9 년보다 더 크게 분석되었다. 재령 7년과 8년에 과대값이 존재한다고 판단하고 95% 확률 수준의 5배를 초과하는 자료를 제거하였다. 그 결과 그림 2(b)와 같이 재령 7년과 8년에 발생한 스폴링이 재령 9년보다 낮게 조정되었다.
- 조사된 포장파손 자료를 사용하여 재령별로 구분된 분석기준 구간(100m)의 파손량을 각각 구하였다. 국제 평탄 성지 수의 경우는 10m 간격으로 측정한 후 분석기준 구간의 평균값을 계산하여 대표값으로 하였다.
- 한국도로공사와 조사항목과 평가방법을 통일하여 일관성 있는 조사와 평가를 하기 위하여 HPCI에 포함되어 있는 포장평가항목과 동일하게 줄눈 콘크리트 포장의 성능인자를 결정하였다. HPCI에는 종방향 균열, 횡 조치이므로 주요 파손에서 제외시키고, 우각부 균열을 주요 파손에 포함시켰다.
- 한국도로공사의 HPMS에서 2008년과 2009년에 조사한 88올림픽선, 경부선, 고창-담양선, 구마선, 남해선, 남해 제 2지선, 당진 -상주선, 대전 남부 순환선, 대전-통영선, 중부선, 동해선, 무안광주선, 서울 외곽순화선, 서해안선, 영동선, 울산선, 익산-포항선, 제 2 중부선, 중부 내륙선, 중앙선, 중앙선 지선, 평택-음성선, 호남선, 논산- 천안선 등 21개 노선에 시공된 줄눈 콘크리트 포장(Jointed Concrete Pavement)의 최외곽 차로를 조사하고 시공시기와 보수이력을 근거로 분석기준구간을 재 령 별로 구분하였다.
대상 데이터
- 하지만, 미네소타, 위스콘신, 인디애나, 일리노이, 미시간, 플로리다, 유타 주를 제외한 대부분의 주에서는 성능보증 시방서에 콘크리트 포장의 성능인자, 임계한도, 성능보증 기간 등이 제시되지 않고 있다. 본 연구에서는 콘크리트 포장에 대한 성능보증 계약제도가 정착 단계에 있는 미네소타, 인디애나, 플로리다 주의 자료를 수집하고 분석을 실시하였다(Brautigam, 2007; Ferragut, 2003; Gharaibeh 등, 2008; Minnesota DOT, 2001),미네소타, 인디애나, 플로리다 주는 표 1과 같이 5년의 성능보증 기간을 적용하고 있으며 분석기준 구간은 160m((Umile)로 동일하다. 미네소타와 인디애나 주는 PMS 자료를 임계한도 분석에 사용하고 있고 플로리다주에서는 재령 3년〜5년의 포장에 대한 측정자료를 사용하고 있다(Gharaibeh 등, 2008).
- 연구비에 의해 수행되었습니다. 자료를 제공해 주신 한국도로공사와 (주)로드코리 아에 감사드립 니 다.
데이터처리
- 국제 평탄 성지 수의 경우는 10m 간격으로 측정한 후 분석기준 구간의 평균값을 계산하여 대표값으로 하였다. 각 분석기준 구간의 파손량을 사용하여 재령별 전체 분석구간의 평균값 0와 표준편차σ를 구하고, 표준 정규화를 거쳐 50%, 90%, 95% 수준의 확률을 갖는 파손량을 각 각구한다.
- 영동선, 울산선, 익산- 포항선, 제 2 중부선, 중부 내륙선, 중앙선, 중앙선의 지선, 평택 - 음성선, 호남선, 논산 - 천안선 등 21개 노선의 분석기준 구간을 재령 3년에서 10년까지 재령별로 구분하여 파손을 분석하였다. 조사구간에 발생된 각종 파손의 평균값으로만 결과를 제시하던 기존과는 달리 본 연구에서는 주요 파손을 재령별로 정규분포화하여 통계적으로 분석하였으며, 그 결과를 해외 성능보증 시방서에 사용되고 있는 성능인자, 임계한도, 성능보증 기간과 비교하였다.
성능/효과
- 그림 2는 고속국도 줄눈 콘크리트 포장스폴링의 재령에 따른 변화를 곽대값 제거 전과 제거후로 구분하여 보여주고 있다. 그림 2(a)와 같이 과대값 제거 전 재령 7년과 8년에 발생한 스폴링은 재령 9 년보다 더 크게 분석되었다. 재령 7년과 8년에 과대값이 존재한다고 판단하고 95% 확률 수준의 5배를 초과하는 자료를 제거하였다.
- 3. 95% 확률로 분석하였을 때 종방향 균열은 재령 5년에 분석기준 구간 당 L30m가 발생하여 이를 허용하지 않는 인디애나 주의 임계한도를 초과했지만 미네소타 주의 임계한도보다는 작았다. 횡방향 균열 2.
- 4. HPMS의 콘크리트 포장 조사에는 종방향 균열, 횡방향 균열, 스폴링, 줄눈 파손은 파손의 폭과 같은 손상 정도에 상관없이 길이나 면적 등만을 고려하였다. 하지만 미네소타, 인디애나, 플로리다 주에서는 파손의 폭과 같은 손상도를 고려하고 경우에 따라 파손발생위치로 구분하여 임계한도를 결정하므로 정확한 비교를 위해서는 조사항목을 추가할 필요가 있는 것으로 판단되었다.
- 재령 7년에 대해서 더 많은 자료를 수집하여 분석을 실시한다면 개선된 결과를 얻을 수 있다고 판단되었다. 95% 확률에서 100m 분석기준 구간 당발생한 종방향 균열의 길이는 재령 9년과 10년 사이에 2.89m에서 4.43m로 가장 크게 증가했다. 본 연구에서 분석된 한국도로공사 HPMS의 균열 자료는 균열폭은 고려하지 않고 균열 길이만을 조사하였으므로 균열폭을 고려하는 플로리다 주의 임계한도와는 비교가 불가능했다.
- 재령 3년에서 7 년까지는 내외로 내구성 균열의 면적이 작았으나 재령 7년 이후에는 급격히 증가한 것으로 나타났다. 95% 확률일 때 100m 분석기준 구간 당 내구성 균열의 면적은 재령 8년과 9년 사이에 7.46m2에서 21.49m2로 가장 크게 증가했다. 본 연구에서 분석된 내구성 균열은 균열폭은 고려하지 않고 면적만을 조사하였기 때문에 내구성 균열이 발생한 슬래브의 개수로 임계한도를 정한 미네소타 주나 균열폭까지 고려하는 플로리다 주와의 직접적 인 비교는 불가능했다.
- 재령 4년과 6년에 조사된 균열 길이가 재령 7년보다 더 길었으며, 종방향 균열의 경우와 마찬가지로 자료의 수가 원인일 수 있다고 판단되었다. 95% 확률일 때 100m 분석기준 구간 당 발생한 횡방향 균열의 길이는 재령 7 년과 8년 사이에 1.62m에서 3.60m로 가장 크게 증가 했다. 본 연구에서 분석된 횡방향 균열은 종방향 균열과 마찬가지로 균열폭은 고려하지 않고 균열 길이만을 조사한 것으로 플로리다 주의 임계한도와는 비교가 불가능했다.
- 재령 7년에 조사된 스폴링 길이가 다른 재령에 비해 짧았는데 이는 앞서 언급한 것과 같이 상대적인 자료 부족 때문으로 판단되었다. 95% 확률일 때 100m 분석기준 구간 당 스폴링의 길이는 재령 9년과 10년 사이에 0.72m 에서 L34m로 가장 크게 증가했다. 본 연구에서 조사된 스폴링은 폭과 발생위치가 고려되지 않아 미네소타 및 플로리다 주와의 비교가 불가능했다.
- 하지만 재령 7년과 8년에 조사된 우각부 균열의 길이는유난히 짧았는데, 이는 동일 구간을 장기간 동안 조사하지 않고 다양한 재령의 구간들을 한꺼번에 조사한 후 재령별로 자료를 구분하여 분석하였기 때문으로, 파손이매우 많거나 매우 적은 특이 구간들이 결과에 영향을 미친 것으로 판단되었다. 95% 확률일 때 100m의 분석기준 구간 당 우각부 균열의 길이는 재령 8년과 9년 사이에 0.09m에서 0.15m로 가장 크게 증가했다. 본 연구에서 분석된 우각부 균열 역시 균열폭은 고려하지 않고 길이만 조사하였기 때문에 우각부 균열의 개수로 임계한도를 정한 미네소타 주나 균열폭까지 고려하는 플로리다 주와의 직접적인 비교는 불가능했다.
- 10m와 내구성 균열 OPCW는 어느 주와도 직접적인 비교가 불가능했다. 95% 확률일 때 스폴링은 재령 5년에 0.44m로 미네소타 주에서 제시하는 임계 한도보다 작았다. 국제평탄성지수는 95% 확률과 재령 5년에 2.
- 95% 확률일 때 재령 5년 고속국도 콘크리트 포장의 스폴링은 분석기준 구간 당 0.44m로 분석되어 길이 0.6m 이하 스폴링의 총 길이를 3.6m(12ft)까지 허용하는 미네소타보다 작았다. 하지만 본 연구에서 조사된 자료에는 스폴링의 폭이 고려되지 않았기 때문에 정확한 비교에는 한계가 있었다.
- 1mile)의 5%인 를 임계한도로 제시하였다. 국내 고속국도의 재령 5년의 종방향 균열은 95% 확률에서 L30m로 미네소타 주의 임계한도에 크게 못 미치는 것으로 나타났다.
- 성능보증 기간을 결정하기 위하여 고속국도 콘크리트 포장에 파손이 가장 크게 증가한 재령을 성능인자별로 분석하였다. 그 결과, 종방향 균열과 스폴링은 9년, 우각부 균열과 내구성 균열은 8년, 횡방향 균열은 7년, 국제평탄성지수는 6년의 재령에서 가장 크게 증가한 것으로 나타났다.
- 본 연구에서 분석된 횡방향 균열은 종방향 균열과 마찬가지로 균열폭은 고려하지 않고 균열 길이만을 조사한 것으로 플로리다 주의 임계한도와는 비교가 불가능했다. 미네소타와 인디애나주가 횡방향 균열을 허용하지 않는 것에 비하여 국내 고속국도에는 균열이 발생하는 것으로 나타났다.
- 60m로 가장 크게 증가 했다. 본 연구에서 분석된 횡방향 균열은 종방향 균열과 마찬가지로 균열폭은 고려하지 않고 균열 길이만을 조사한 것으로 플로리다 주의 임계한도와는 비교가 불가능했다. 미네소타와 인디애나주가 횡방향 균열을 허용하지 않는 것에 비하여 국내 고속국도에는 균열이 발생하는 것으로 나타났다.
- 국내 고속국도 줄눈 콘크리트 포장에 파손이 가장 크게 증가하는 재령은 파손의 종류 별로 6년에서 9년까지로 다양했다. 재령 5년에 95% 확률로 분석하였을 때 종방향 균열은 분석기준 구간 100m 당 1.30m가 발생하여 표 2에 보인 종방향 균열을 허용하지 않는 인디애나 주의 임계한도를 초과했지만 미네소타 주의 임계 한도인 분석구간 길이의 5%(8m)보다는 작았다. 횡방향 균열 2.
후속연구
- 이로 인하여 재령 별로 자료의 수에 큰 차이가 있거나 분석결과에 영향을 미칠만한 특이구간들이 존재하였다. 동일 구간에서 장기간에 걸친 조사가 이루어진다면 보다 힙리적 인 경향을 얻을 수 있다고 예상된다.
- 본 연구에서 분석된 우각부 균열 역시 균열폭은 고려하지 않고 길이만 조사하였기 때문에 우각부 균열의 개수로 임계한도를 정한 미네소타 주나 균열폭까지 고려하는 플로리다 주와의 직접적인 비교는 불가능했다. 미네소타 및 플로리다 주 등과의 비교를 위해서는 우각부 균열이 발생한 슬래브 개수 및 균열폭에 대한 조사도 필요한 것으로 판단된다.
- 43m로 가장 크게 증가했다. 본 연구에서 분석된 한국도로공사 HPMS의 균열 자료는 균열폭은 고려하지 않고 균열 길이만을 조사하였으므로 균열폭을 고려하는 플로리다 주의 임계한도와는 비교가 불가능했다. 플로리다 주 등과의 비교를 위해서는 균열폭에 대한조사도 필요한 것으로 판단된다.
- 재령 3년, 4년, 6년에 조사된 균열 길이가 재령 7년보다 더 길었는데, 이는 재령 7년에 해당되는 자료가 707 개로 다른 재령의 평균 2, 000여 개에 비해 매우 적었기 때문일 수 있다. 재령 7년에 대해서 더 많은 자료를 수집하여 분석을 실시한다면 개선된 결과를 얻을 수 있다고 판단되었다. 95% 확률에서 100m 분석기준 구간 당발생한 종방향 균열의 길이는 재령 9년과 10년 사이에 2.
- 6m(12ft)까지 허용하는 미네소타보다 작았다. 하지만 본 연구에서 조사된 자료에는 스폴링의 폭이 고려되지 않았기 때문에 정확한 비교에는 한계가 있었다. 또한 휠패스와 휠패스 이외 위치에서 발생한 스폴링을 크기 별로 구분하고 분석기준 구간 당 발생한 개수로 임계한도를 정하는 플로리다 주와는 비교가 불가능했다.
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