[논문]지표투과레이더를 이용한 아스팔트 혼합물의 공극률 예측에 관한 연구

김제원; 김연태; 김부일; 박희문

doi:10.7855/ijhe.2016.18.4.055

[국내논문] 지표투과레이더를 이용한 아스팔트 혼합물의 공극률 예측에 관한 연구
Estimation of Air Voids in Asphalt Mixtures Using Ground-Penetrating Radar 원문보기

한국도로학회논문집 = International journal of highway engineering, v.18 no.4 = no.78, 2016년, pp.55 - 61

김제원 (한국건설기술연구원 도로연구소) , 김연태 (한국건설기술연구원 도로연구소) , 김부일 (한국건설기술연구원 도로연구소) , 박희문 (한국건설기술연구원 도로연구소)

Abstract ▼ AI-Helper

PURPOSES : The objective of this study was to determine the relationship between the dielectric characteristics of asphalt mixtures and the air voids present in them using ground penetrating radar (GPR) testing. METHODS : To measure the dielectric properties of the asphalt mixtures, the reflection coefficient method and the approach based on the actual thickness of the asphalt layer were used. An air-couple-type GPR antenna with a center frequency of 1 GHz was used to measure the time for reflection from the asphalt/base layer interface. A piece of aluminum foil was placed at the interface to be able to determine the reflection time of the GPR signal with accuracy. An asphalt pavement testbed was constructed, and asphalt mixtures with different compaction numbers were tested. After the GPR tests, the asphalt samples were cored and their thicknesses and number of air voids were measured in the laboratory. RESULTS : It was found the dielectric constant of asphalt mixtures tends to decrease with an increase in the number of air voids. The dielectric constant values estimated from the reflection coefficient method exhibited a slight correlation to the number of air voids. However, the dielectric constant values measured using the approach based on the actual asphalt layer thickness were closely related to the asphalt mixture density. Based on these results, a regression equation to determine the number of air voids in asphalt mixtures using the GPR test method was proposed. CONCLUSIONS : It was concluded that the number of air voids in an asphalt mixture can be calculated based on the dielectric constant of the mixture as determined by GPR testing. It was also found that the number of air voids was exponentially related to the dielectric constant, with the coefficient of determination, $R^2$, being 0.74. These results suggest that the dielectric constant as determined by GPR testing can be used to improve the construction quality and maintenance of asphalt pavements.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

그러나 아스팔트 혼합물 종류 및 안테나 특성과 환경적 차이에 의해 유전상수와 공극률 관계에 차이가 나타나고 있다. 그러므로 우리나라 상황에 적합한 유전상수와 공극률의 관계 정립이 필요하며 이를 위해 본 연구에서는 우선 일반 밀입도 아스팔트 포장을 대상으로 그 관계를 제시하고자 한다.
본 논문에서는 GPR 시험으로 산정된 아스팔트 혼합물의 유전상수와 밀도간의 상관관계를 정립하고자 한다. 이를 위하여 1.
본 논문은 아스팔트 혼합물 품질관리의 일환으로 GPR 시험을 이용한 아스팔트 혼합물의 공극률을 예측하기 위해 수행하였으며, 그 결과를 간략하게 정리하면 다음과 같다.

제안 방법

두 번째 방식으로 아스팔트 코어 샘플의 두께를 이용한 방법은 Eq. (4)와 같이 아스팔트 층 두께(코어 두께) 와 GPR 전파시간을 이용하여 아스팔트 혼합물의 유전 상수를 계산하였다.
먼저 Fig. 4(a)와 같이 대상 구간의 노면을 20cm 깊이로 굴착한 후 노상다짐을 실시하고 30cm의 보조기층을 설치하였다. 그리고 Fig.
8과 같은 Ascan 결과를 취득하여 정확한 코어 위치에 대한 유전상수 값을 계산하였다. 그 후 A-scan 측정 위치에서 코어를 채취하여 두께를 측정하였으며, 아스팔트 샘플의 공극률은 실내에서 측정하였다. 이를 통해 유전상수와 공극률의 관계를 정립할 수 있기 때문이다.
또한 다짐횟수 차이에 대한 아스팔트 혼합물의 실제 공극률 측정을 위해, Fig. 6과 같이 은박지가 설치된 위치에서 다짐횟수에 차이가 있는 5구간에 대해 각각 6개씩 총 30개의 코어를 채취하여 아스팔트 혼합물의 공극률을 실내에서 측정하였다. Fig.
밀도가 다른 60cm×60cm×7.5cm 크기의 아스팔트 혼합물 슬래브 4개에 대한 GPR 측정 결과와 각 슬래브에서 코어를 채취하여 겉보기밀도를 측정한 결과를 비교하고 현장 검증을 통해 가장 적합한 아스팔트 혼합물의 밀도예측식으로 Rayleigh Model을 제안하였다.
0GHz 중심주파수의 비접촉식 GSSI GPR 장비를 활용하여 국내에서 주로 사용하고 있는 13mm 일반 밀입도 아스팔트 혼합물의 유전상수를 실제 아스팔트 포장 테스트베드 구간에서 측정하였다. 본 구간에서는 아스팔트 포장 시공 시 다짐횟수를 상이하게 적용하여 아스팔트 혼합물의 밀도를 위치별로 총 5단계로 변화되도록 구성했다. 아스팔트 혼합물의 유전상수는 반사계수법과 직접 코어한 아스팔트층 두께를 이용한 두 가지 방법으로 산정하였다.
아스팔트 혼합물의 유전상수는 반사계수법과 직접 코어한 아스팔트층 두께를 이용한 두 가지 방법으로 산정하였다. 본 시험을 통하여 아스팔트 혼합물의 공극률과 유전상수의 상관관계를 조사하였으며, 그 결과를 기존문헌 자료와 비교 및 검토를 수행하였다.
외국에서는 도로포장층 전체의 평균 유전율을 사용하여 보다 정확하게 층두께를 계산하기 위한 방법으로 전파속도법을 이용하여 유전상수를 측정하는 방법이 연구되었으나, 이를 사용하기 위해서는 두 쌍의 안테나를 장착한 GPR 장비가 필요하다. 본 연구에서는 사용된 GPR 장비는 1개의 안테나를 장착한 1.0GHz 주파수의 비접촉식 장비를 사용하였으므로 반사계수법을 이용하여 유전상수를 산정하였다.
4(c)와 같이 아스팔트를 표층과 기층 구분없이 20cm를 포설한 후 다짐을 실시하였다. 아스팔트 혼합물은 중교통량 이하 내마모층 표층에 일반적으로 사용하는 13mm 밀입도 아스팔트 콘크리트를 사용하였으며, 다짐은 길이방향으로 1m 구간씩 다짐횟수를 0회, 1회, 2회, 4회, 6회로 조절하여 다짐도에 차이를 두어 아스팔트 혼합물의 공극률 변화가 발생하도록 하였다. 시공 후 전경은 Fig.
본 구간에서는 아스팔트 포장 시공 시 다짐횟수를 상이하게 적용하여 아스팔트 혼합물의 밀도를 위치별로 총 5단계로 변화되도록 구성했다. 아스팔트 혼합물의 유전상수는 반사계수법과 직접 코어한 아스팔트층 두께를 이용한 두 가지 방법으로 산정하였다. 본 시험을 통하여 아스팔트 혼합물의 공극률과 유전상수의 상관관계를 조사하였으며, 그 결과를 기존문헌 자료와 비교 및 검토를 수행하였다.
우선 Wheel Survey 방식으로 테스트베드 구간에 대한 B-scan 결과를 획득하여 전반적인 밀도 변화에 따른 단면 변화를 확인하였다. 테스트베드 우측에 건물이 존재하여 장비 이동에 제약이 발생하였기 때문에 5m 구간 전체에 대한 B-scan 결과를 얻지는 못하였으나, Fig.
본 논문에서는 GPR 시험으로 산정된 아스팔트 혼합물의 유전상수와 밀도간의 상관관계를 정립하고자 한다. 이를 위하여 1.0GHz 중심주파수의 비접촉식 GSSI GPR 장비를 활용하여 국내에서 주로 사용하고 있는 13mm 일반 밀입도 아스팔트 혼합물의 유전상수를 실제 아스팔트 포장 테스트베드 구간에서 측정하였다. 본 구간에서는 아스팔트 포장 시공 시 다짐횟수를 상이하게 적용하여 아스팔트 혼합물의 밀도를 위치별로 총 5단계로 변화되도록 구성했다.
테스트베드 시공 완료 후 1.0GHz 주파수의 비접촉식 GPR 장비를 이용하여 공극률 변화에 따른 아스팔트 혼합물의 유전상수를 측정하였다.

대상 데이터

GPR 시험을 통하여 산정된 아스팔트 혼합물의 유전상수와 밀도의 상관관계를 파악하기 위하여 한국건설기술연구원 내 길이 5m, 폭 1m 테스트베드 구간을 선정하였다.

데이터처리

B-scan 결과를 확인한 후, Fig. 6에 있는 코어 채취 위치에서 Point Survey 방식으로 Fig. 8과 같은 Ascan 결과를 취득하여 정확한 코어 위치에 대한 유전상수 값을 계산하였다. 그 후 A-scan 측정 위치에서 코어를 채취하여 두께를 측정하였으며, 아스팔트 샘플의 공극률은 실내에서 측정하였다.

성능/효과

2. 반사계수법을 사용하여 유전상수를 산정하는 방법보다 아스팔트 포장층의 코어를 채취하고 그 두께를 직접 계측하여 유전상수를 산정하는 방법이 보다 정확하다.
3. 코어 두께를 이용하여 직접 계산한 유전상수와 공극률 관계는 지수식으로 나타나며(R²=0.74), 이를 이용하면 아스팔트 포장 시공 및 유지관리 시 밀도 예측을 통한 혼합물의 품질관리가 가능할 것으로 판단된다.
우선 Wheel Survey 방식으로 테스트베드 구간에 대한 B-scan 결과를 획득하여 전반적인 밀도 변화에 따른 단면 변화를 확인하였다. 테스트베드 우측에 건물이 존재하여 장비 이동에 제약이 발생하였기 때문에 5m 구간 전체에 대한 B-scan 결과를 얻지는 못하였으나, Fig. 7과 같이 장비 이동이 가능한 3m 구간에 대해서는 시공한 것과 같이 1m 간격으로 단면 변화가 발생함을알 수 있었다. Fig.
핀란드에서는 GPR 장비의 사용이 도로 포장의 공식적인 품질관리 방법으로 인정되고 있으며, 연구 결과 유전상수와 공극률은 Fig. 2와 같이 지수관계가 있다고 결론지었다.

후속연구

4. 향후 다양한 환경조건에서 포장 종류에 대한 유전상 수와 공극률의 관계 정립에 대한 연구가 필요할 것으로 판단된다.
일반적으로 아스팔트 혼합물의 공극률이 작으면 유전상수가 커지고 공극률이 크면 유전상수가 작아지기 때문이다. 그러므로 유전상수 변화에 따른 아스팔트 혼합물의 공극률 변화를 정립하면 시공 시 혼합물의 다짐도 및 유지관리 시 포장체의 밀도 예측을 통한 포장체의 상태 예측이 가능해지며 향후 아스팔트 혼합물의 품질관리 시 GPR 장비의 적용도 가능해질 수 있다.
(5)를 이용하면 시공 및 유지관리 시 유전상수를 측정하여 혼합물의 밀도를 예측할 수 있고, 이를 통해 혼합물의 품질관리가 가능해진다. 또한 GPR 장비는 안테나 특성이 장비마다 상이하고 측정값이 민감하므로 GPR 장비를 이용한 유전상수 측정 시 보다 정확한 결과를 얻기 위해서는 장비의 검교정이 선행되어야 한다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	도로포장의 파손 지점, 유형, 정도의 파악을 위해 진행하는 것은?	효과적인 PMS 운영 및 도로포장의 관리를 위해서는 도로포장의 파손 지점, 유형, 정도의 파악이 필요하다. 이를 위해 PMS에서는 자동노면조사장비, FWD(Falling Weight Deflectometer) 장비, 지표투과레이더(GPR: Ground Penetrating Radar) 장비 등의 측정 결과를 이용하여 한정된 도로유지보수 예산을 합리적이고 효율적으로 사용하기 위해 노력하고 있다.
	도로포장관리시스템의 모니터링 목적은?	도로포장관리시스템(Pavement Management System, PMS)에서는 도로포장의 기능과 성능을 적정 수준으로 유지 및 관리하기 위하여 주기적으로 도로포장의 상태를 모니터링하고 있다. 효과적인 PMS 운영 및 도로포장의 관리를 위해서는 도로포장의 파손 지점, 유형, 정도의 파악이 필요하다.
	PMS 운영 및 도로포장의 관리를 위해 필요한 것은?	도로포장관리시스템(Pavement Management System, PMS)에서는 도로포장의 기능과 성능을 적정 수준으로 유지 및 관리하기 위하여 주기적으로 도로포장의 상태를 모니터링하고 있다. 효과적인 PMS 운영 및 도로포장의 관리를 위해서는 도로포장의 파손 지점, 유형, 정도의 파악이 필요하다. 이를 위해 PMS에서는 자동노면조사장비, FWD(Falling Weight Deflectometer) 장비, 지표투과레이더(GPR: Ground Penetrating Radar) 장비 등의 측정 결과를 이용하여 한정된 도로유지보수 예산을 합리적이고 효율적으로 사용하기 위해 노력하고 있다.

참고문헌 (8)

Al-Qadi, I. L., Lahouar, S. 2005. Measuring Layer Thickness with GPR-Theory to Practice, Construction and Building Materials, Vol. 19, 763-772.

상세보기
Al-Qadi, I. L., Leng, Z., Lahouar, S., Baek, J. 2010. In-Place Hot-Mix Asphalt Density Estimation using Ground-Penetrating Radar, Transportation Research Record, Vol. 2152, 19-27.

상세보기
Baek, Jongeun, Choi, Jaesoon. 2014. Under Road Exploration Technology using GPR, Korea Society of Road Technical Articles, Vol. 16, No. 3. 11-16.
Baek, Jongeun, Park, Heemun, Yoo, Pyungjun and Im, Jaekyu. 2015. Construction Management Method for Asphalt Paving Using Ground Penetrationg Radar and an Infrared Camera, International Journal of Highway Engineering, Vol. 17, No. 6. 1-9.
Harry M. Jol. 2009. Ground Penetrating Radar: Theory and Applications, Elsevier Academic Press.
Leng, Z. 2011. Prediction of In-Situ Asphalt Mixture Density Using Ground Penetrating Radar: The Theoretical Development and Field Verification, Ph.D. Thesis, University of Illinois at Urban-Champaign, USA.
Sebesta, S., Scullion, T. and Saarenketo, T. 2013. Using Infrared and High-Speed Ground-Penetrating Radar for Uniformity Measurements on New HMA Layers, SHRP 2 Report S2-R06C-RR-1, Transportation Research Board, Washington, D.C., USA.
Timo saarenketo and Tom Scullion. 2010. Road evaluation with ground penetrating radar, Journal of Applied Geophysics, 43, 119-138.

저자의 다른 논문 :

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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