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문제 정의
- 본 연구를 통해 국내 접착식 콘크리트 덧씌우기 구간의 공용성을 분석하였다. LTPP data 구간 중 접착식 콘크리트 덧씌우기 공법이 적용된 구간과 국내 접착식 콘크리트 덧씌우기 구간의 현장계측 data의 비교·분석을 통해 경험적으로 시공하는 현행 덧씌우기의 경우 교통하중, 환경하중 등을 종합적으로 고려하여 덧씌우기 두께를 증가시켰을 경우의 공용수명 증가를 확인하였다.
- 본 연구에서는 덧씌우기 설계 기준정립을 위하여 현장 계측을 통하여 국내 고속도로의 접착식 콘크리트 덧씌우기 구간의 포장파손 및 파손량을 수집하여 PCI를 산정 후 이를 공용수명과 비교하였다. 또한 다양한 포장 파손자료를 구축하고 있는 미국의 LTPP data를 활용하여 국내 현장계측 data와 비교·분석을 실시하였다.
- 본 연구에서는 국내 고속도로의 접착식 콘크리트 덧씌우기 구간의 포장파손 및 파손량을 수집한 후 PCI(Pavement Condition Index)를 산정하였으며 이를 미국의 LTPP data의 구간별 PCI와 비교하여 덧씌우기 두께에 따른 공용수명과 PCI 의 상관관계를 분석하였다. 이를 통해 국내 접착식 콘크리트 덧씌우기 구간을 분석하여 장기적인 접착식 콘크리트 덧씌우기의 공용성을 평가하고자 하였다.
제안 방법
- 1. 덧씌우기 두께에 의한 공용수명의 영향을 분석하기 위해 다양한 포장이력을 확인할 수 있는 미국 LTPP 구간의 공용성 분석을 실시하였다. 이를 통해 1×106 ESAL의 공용수명 증가 시 발생하는 PCI의 감소율과 포장의 유지보수 시점인 Critical PCI 55기준으로 현행 덧씌우기 두께 5cm에 대한 공용수명을 예측할 수 있었다.
- 2. 국내 현장계측 구간의 경우 미국 LTPP data와 동일한 비교를 위하여 누적교통량이 7×106 ESAL 미만인 구간만을 분석하였다.
- 5~6은 Kim 등(2012)의 분석 data를 바탕으로 노후화된 콘크리트 포장형식에 따른 공용수명(누적교통량)과 PCI의 상관관계를 재분석한 것이다. LTPP data 중 접착식 콘크리트 덧씌우기가 적용된 구간에 대해 노후화된 콘크리트 포장형식을 JPCP와 CRCP로 구분하여 공용수명(누적교통량)과 PCI의 상관관계 분석을 실시하였다.
- PCI는 콘크리트 포장의 경우 19개 파손형태로 분류되며 각 파손을 육안 상태 조사를 통해 형태와 파손량 등으로 측정한 뒤 파손정도에 따른 심각도를 분류한다. 각 구간별로 산출되는 PCI를 이용하여 해당 구간의 상태를 정의 후 이를 통계적 분석에 활용하였다.
- 요금소 광장부의 기존포장 유형은 JPCP로서 횡방향균열, 종방향균열, 모서리깨짐, 패칭, 스폴링, 망상균열 등이 나타났다. 각 구간에서 발생한 파손의 형태를 분류한 뒤 파손 폭, 깊이, 넓이 및 길이를 측정하였으며 이를 High, Midium, Low 등과 같이 파손 정도에 따른 심각도로 분류한 후 Distress Map으로 도식화하였다.
- 각 구간에서 발생한 파손의 형태를 분류한 뒤 파손폭, 깊이, 넓이 및 길이를 측정하여 이를 정량화한 뒤 포장상태지수(PCI)를 통해 포장상태평가를 수행하였다. PCI는 포장상태를 나타내기 위한 하나의 지수로 0~100까지의 범위를 나타내며, Table 3과 같은 등급으로 표현할 수 있다.
- 국내 접착식 콘크리트 덧씌우기 구간의 공용성 분석을 위하여 미국 LTPP data 중 접착식 콘크리트 덧씌우기가 적용된 구간의 공용성 분석을 바탕으로 국내 현장 계측 구간을 비교하여 분석하였다. 포장파손 및 파손량을 바탕으로 산출한 PCI를 공용수명과 공용연수에 따라 공용성 분석을 실시하였다.
- Kim 등(2012)의 LTPP data 분석에서는 접착식 콘크리트 덧씌우기가 적용된 구간에 대하여 균열과 스폴링, 펌핑 및 패칭 등의 포장파손 및 파손량을 수집한 후 PCI를 산정하였다(Kim et al, 2012). 따라서 Table 1과 같은 미국 접착식 콘크리트 덧씌우기 구간의 기본정보 구축자료를 활용하여 국내 접착식 콘크리트 덧씌우기 구간의 현장조사 data와 비교하고자 하였으며, 다양한 파손자료를 활용하여 국내 접착식 콘크리트 덧씌우기의 공용수명을 평가하였다.
- 또한 다양한 포장 파손자료를 구축하고 있는 미국의 LTPP data를 활용하여 국내 현장계측 data와 비교·분석을 실시하였다.
- S Army Crops of Engineers, 2007)를 각 포장 두께별로 분석하여 국내 접착식 덧씌우기 두께인 5cm일 경우를 예측한 것이다. 미국 LTPP 구간의 8~10cm, 11~13cm 및 14~16cm의 각각 PCI을 통해 보외법을 이용하여 5cm 경우의 PCI 감소율을 예측하였다. Critical PCI는 Fig.
- 덧씌우기 설계 기준정립을 위하여 접착식 콘크리트 덧씌우기(Bonded Concrete Overlay: BCO) 구간의 기본 이력 및 공용 중 발생하는 포장파손에 대한 체계적인 data 구축이 필요하다. 본 연구에서는 국내 고속도로의 접착식 콘크리트 덧씌우기 구간의 포장파손 및 파손량을 수집한 후 PCI(Pavement Condition Index)를 산정하였으며 이를 미국의 LTPP data의 구간별 PCI와 비교하여 덧씌우기 두께에 따른 공용수명과 PCI 의 상관관계를 분석하였다. 이를 통해 국내 접착식 콘크리트 덧씌우기 구간을 분석하여 장기적인 접착식 콘크리트 덧씌우기의 공용성을 평가하고자 하였다.
- 덧씌우기 두께의 경우 경험적인 방법보다는 지역적 특성과 구조적 설계에 의하여 이루어져야 하며 부착파괴의 경우 재료적 특성과 교통하중 및 환경하중의 재하특성을 고려한 합리적인 설계가 필요하다. 이에 따라 두 가지 측면을 모두 고려하는 방법인 덧씌우기 최소두께를 8cm 이상으로 증가시키는 것을 제시하였다.
- 1~3은 Kim 등(2012)의 미국 LTPP 연구내용을 바탕으로 덧씌우기 두께에 따른 공용수명(누적교통량)과 PCI의 상관관계를 재분석한 것이다. 접착식 콘크리트 덧씌우기 구간에 대해 덧씌우기 두께를 8~10cm, 11~13cm, 14~16cm로 구분하여 공용수명(누적교통량)과 PCI의 상관관계를 분석하였으며, 이때 조기파손으로 판단되는 구간의 데이터를 표기 후 해당 구간은 통계상에서 Outlier로 고려하였다.
- 또한 30cm 두께의 기존 포장층을 5cm 절삭 후 5cm 덧씌우기를 실시하였으며 덧씌우기 시공년도는 1~10 년으로 구성되었다. 포장기본정보 획득 후 Crack scale을 이용한 균열폭 측정과 Rock hammer로 타격함으로서 포장계면의 부착 여부를 확인하는 등으로 Fig. 7과 같이 육안관측을 통한 포장 파손유형 및 파손상태 조사를 실시하였다.
- 국내 접착식 콘크리트 덧씌우기 구간의 공용성 분석을 위하여 미국 LTPP data 중 접착식 콘크리트 덧씌우기가 적용된 구간의 공용성 분석을 바탕으로 국내 현장 계측 구간을 비교하여 분석하였다. 포장파손 및 파손량을 바탕으로 산출한 PCI를 공용수명과 공용연수에 따라 공용성 분석을 실시하였다.
- 포장파손 및 파손유형 조사를 위하여 접착식 콘크리트 덧씌우기 공법이 적용된 고속도로의 토공부 및 요금소광장부 구간에서 육안조사를 통한 현장계측을 수행하였으며 기존 콘크리트 포장의 시공년도, 포장유형, 기존 포장 및 덧씌우기 포장 두께, 덧씌우기 시공년도 등의 포장기본정보를 획득하였다. 현장계측 구간 중 토공부의 경우 차로폭은 3.
대상 데이터
- 국내 현장계측 구간의 경우 미국 LTPP data와 동일한 비교를 위하여 누적 교통량이 7×106 ESAL 미만인 구간만을 분석하였다.
이론/모형
- 이는 다양한 교통량이 갖는 축하중 별 포장에 미치는 손상정도가 상이 하기 때문에 표준하중(18kips single axle load with dual tire, 70psi)으로 환산하는 것이다. 따라서 12종 및 5종에 의한 고속도로 토공부와 요금소의 일 교통량을 등가단축하중계수(ESALF, Equivalent Single Axle Load Factor) 적용하여 ESAL을 산정하였으며 이를 통한 포장기본정보는 Table 4로 구성되었다.
성능/효과
- 3×106 ESAL과 6×106 ESAL에 있는 국내 현장계측 data군을 살펴보면 초기에는 미국 LTPP data 간의 차이가 다소 적은 양상을 보였으나 1×106 ESAL마다 4.9 PCI 정도의 공용수명 감소로 인해 누적교통량이 증가할수록 포장상태가 현저히 떨어지는 것으로 확인된다.
- 3. 접착식 콘크리트 덧씌우기 구간의 현장계측을 실시한 결과 공용기간이 10년 미만임에도 불구하고 미국 LTPP data에 비하여 상당히 많은 누적교통량과 낮은 PCI를 확인하였다. 국내의 경우 높은 교통하중의 특성상 구간별 차별적인 설계를 실시해야 하지만 획일적인 덧씌우기를 시행하고 있으므로 공용수명 저하가 야기된다.
- 4. 국내 접착식 콘크리트 덧씌우기의 경우 공용수명에 영향을 미치는 인자를 크게 덧씌우기 두께와 부착파괴에 의한 것으로 나눌 수 있다. 덧씌우기 두께의 경우 경험적인 방법보다는 지역적 특성과 구조적 설계에 의하여 이루어져야 하며 부착파괴의 경우 재료적 특성과 교통하중 및 환경하중의 재하특성을 고려한 합리적인 설계가 필요하다.
- LTPP data 구간 중 접착식 콘크리트 덧씌우기 공법이 적용된 구간과 국내 접착식 콘크리트 덧씌우기 구간의 현장계측 data의 비교·분석을 통해 경험적으로 시공하는 현행 덧씌우기의 경우 교통하중, 환경하중 등을 종합적으로 고려하여 덧씌우기 두께를 증가시켰을 경우의 공용수명 증가를 확인하였다.
- 각 구간의 노후화된 콘크리트 포장형식을 JPCP와 CRCP의 구간으로 분류하여 분석한 결과 공용수명이 1×106 ESAL 증가 시 각 포장 형식 별 PCI는 JPCP 의 경우 5.1, CRCP의 경우 2.3만큼 감소하는 것을 확인할 수 있었다.
- 각 포장 두께를 8~10cm, 11~13cm, 14~16cm의 구간으로 분류하여 Fig. 1, 2 및 3과 같이 분석한 결과 공용수명이 1×106 ESAL 증가 시 각 포장 두께 별 PCI는 8~10cm의 경우 2.18, 11~13cm의 경우 1.84, 14~16cm의 경우 0.63 만큼 감소하는 것을 확인할 수 있다.
- 각 포장별 포장상태에 따른 보수시점을 Critical PCI 인 55를 기준으로 누적교통량을 산정한 결과 8~10cm구간의 경우 약 19×106 ESAL, 11~13cm의 경우 21×106 ESAL, 14~16cm의 경우 52×106 ESAL로 분석되었다.
- 누적교통량 7×106 ESAL를 기준으로 국내 현장계측 data를 분류 후 미국의 LTPP data와 비교한 결과 현행 5cm의 덧씌우기 두께를 8cm 이상으로 키울 경우 약 2배의 증진 효과를 나타낼 수 있을 것으로 판단된다.
- 4의 범위의 연평균 PCI 감소율로 산정되어 있다. 미국 LTPP data를 접착식 콘크리트 덧씌우기 구간의 PCI 유지보수 범위를 근거로 하여 PCI가 55일 때를 기준으로 실측수명을 산정한 결과 접착식 콘크리트 덧씌우기가 적용된 전 구간에서 약 5~50년의 실측수명이 추정되었으며, 평균 31년의 덧씌우기 수명을 나타냈다. NCHRP의 연구에 의하면 일반적인 접착식 콘크리트 덧씌우기 구간의 수명이 약 15~25년으로 나타났으며, 이는 예상수명보다 평균 6년 정도 연장된 것으로 확인된다(Kathleen T.
- 분석결과 다양한 누적교통량과 PCI의 분포 중 누적교통량이 15×106 ESAL, 16×106 ESAL로 상당히 많은 교통량의 구간을 확인할 수 있다.
- 국내의 접착식 콘크리트 덧씌우기의 장기공용성 분석은 조기교통개방 가능한 콘크리트 덧씌우기 공법 개발의 일환으로 1996년 88고속도로에 시공한 시험포장에서 최초로 실시되었다. 시험 포장 구간 중 접착식 콘크리트 덧씌우기가 적용된 구간은 6cm와 10cm의 덧씌우기 두께로 시공되었으며 시험시공 1년경과 후 기존 포장의 전단면 보수부에서 약간의 접착력 상실이 보였으나 전반적으로 양호한 상태를 확인할 수 있었다. 이를 통해 접착식 콘크리트 덧씌우기 공법의 시공성과 공용성을 증진시키는 방안이 연구되었다 (Ministry of Construction & Transportation, 2004; Kim et al, 2001).
- 토공부의 기존 포장유형은 CRCP로, 덧씌우기 포장 층에 횡방향 균열이 약 20cm 간격으로 전 구간에 분포되어 있었으며 그밖에도 패칭, 종방향균열, 망상균열 등이 확인되었다. 요금소 광장부의 기존포장 유형은 JPCP로서 횡방향균열, 종방향균열, 모서리깨짐, 패칭, 스폴링, 망상균열 등이 나타났다. 각 구간에서 발생한 파손의 형태를 분류한 뒤 파손 폭, 깊이, 넓이 및 길이를 측정하였으며 이를 High, Midium, Low 등과 같이 파손 정도에 따른 심각도로 분류한 후 Distress Map으로 도식화하였다.
- 이를 외삽법(Extrapolation)를 통해 확대 적용하여 국내의 덧씌우기 두께인 5cm인 경우로 예측 시 보수시점까지 약 10×106 ESAL의 누적교통량을 추정할 수 있었다.
- 이를 통해 1×106 ESAL의 공용수명 증가 시 발생하는 PCI의 감소율과 포장의 유지보수 시점인 Critical PCI 55기준으로 현행 덧씌우기 두께 5cm에 대한 공용수명을 예측할 수 있었다.
- Kim 등(2012)에서는 JPCP의 공용성 저하를 교통하중 및 환경하중 재하 시 발생하는 수직인장응력으로 인한 부착면 파괴에 의해 발생한 것으로 분석하였다(Kim et al, 2012). 이와 같이 기존 포장 형식이 공용수명에 미치는 영향을 확인할 수 있었으며 JPCP와 CRCP의 경우 줄눈 유무에 의한 Curling의 영향으로 부착면 파손이 야기되어 장기적인 공용성 차이가 발생한 것으로 판단된다.
- 이를 외삽법(Extrapolation)를 통해 확대 적용하여 국내의 덧씌우기 두께인 5cm인 경우로 예측 시 보수시점까지 약 10×106 ESAL의 누적교통량을 추정할 수 있었다. 이와 같이 덧씌우기 두께가 공용수명에 미치는 영향을 확인하였으며, 이를 통해 현행 덧씌우기 두께인 5cm를 8cm 이상 키울 경우 Critical PCI인 55를 기준으로 예측 시 1.9배의 공용수명 증진효과를 나타낼 것으로 판단된다.
- 토공부의 기존 포장유형은 CRCP로, 덧씌우기 포장 층에 횡방향 균열이 약 20cm 간격으로 전 구간에 분포되어 있었으며 그밖에도 패칭, 종방향균열, 망상균열 등이 확인되었다. 요금소 광장부의 기존포장 유형은 JPCP로서 횡방향균열, 종방향균열, 모서리깨짐, 패칭, 스폴링, 망상균열 등이 나타났다.
후속연구
- 이처럼 국내의 경우 교통량이 많은 특성상 높은 교통하중을 수용해야 하지만 교통량을 고려하지 않고 획일적으로 5cm의 덧씌우기를 실시하여 구조적 수용능력의 한계와 부착면 조기파손 등으로 파손 및 균열이 증가하고 이로 인해 잦은 유지보수 및 재시공이 요구된다. 따라서 국내의 덧씌우기 설계를 실시함에 있어 특성에 맞는 합리적인 설계가 필요하며 덧씌우기 최소두께 기준을 올려 접착식 콘크리트 덧씌우기의 조기 파손 방지 및 장기공용성을 확보해야 할 것으로 판단된다.
- 국내의 경우 4년~10년의 짧은 공용연수에도 불구하고 높은 교통하중으로 인해 미국 LTPP data 보다 낮은 공용성을 나타낸다. 이는 교통하중과 환경하중을 고려하지 않고 획일적인 덧씌우기 설계에 의한 것으로 판단되며, 현행 덧씌우기 두께를 키울 경우 공용수명의 증진효과를 나타낼 수 있으므로 최소두께 기준의 상향으로 접착식 콘크리트 덧씌우기 구간의 장기공용성을 확보해야할 것으로 분석된다.
- LTPP data 구간 중 접착식 콘크리트 덧씌우기 공법이 적용된 구간과 국내 접착식 콘크리트 덧씌우기 구간의 현장계측 data의 비교·분석을 통해 경험적으로 시공하는 현행 덧씌우기의 경우 교통하중, 환경하중 등을 종합적으로 고려하여 덧씌우기 두께를 증가시켰을 경우의 공용수명 증가를 확인하였다. 합리적인 덧씌우기 설계가 미비한 현시점에서 최소 두께 기준을 현행 5cm에서 상향조정하여 접착식 콘크리트 덧씌우기의 조기파손 방지 및 장기공용성을 확보해야 할 것으로 판단된다.
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