[논문]알칼리-골재반응에 의한 콘크리트 포장 팽창과 그에 따른 교량손상 감소방안

우정원; 임성순

doi:10.11112/jksmi.2017.21.5.067

초록
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고속도로에서 콘크리트 포장의 알칼리-골재반응 발생 구간이 증가하고 있다. 알칼리-골재반응이 발생한 콘크리트 포장은 팽창하면서 인접 교량에 교대 변위를 발생시켜 다수의 손상을 발생시키고 있다. 현장 조사 결과 콘크리트 포장의 팽창량은 온도 신축에 의한 팽창률을 상회하면서 교량에 치명적인 하중으로 작용하고 있어 손상 방지를 위한 선제적인 조치가 필요하다. 알칼리-골재 반응에 의한 팽창 정도는알칼리-골재반응의 상태, 포장의 길이 및 도로구조에 따라 달라짐을 알 수 있었다. 교량의 손상 방지를 위해선 콘크리트 포장의 팽창력을 이완시켜 주는 방안이 효과적이며 콘크리트 포장의 길이가 긴 구간은 아스팔트 치환공법이 유리할 것이다.

Abstract ▼ AI-Helper

The concrete pavement slabs that suffer expansion due to the Alkali-Aggregate Reaction(AAR) increase and the increase consequently causes unexpected displacement of bridge abutment. As the expansion due to the AAR is greater than that due to the temperature change, lethal load can act on bridge abut...

The concrete pavement slabs that suffer expansion due to the Alkali-Aggregate Reaction(AAR) increase and the increase consequently causes unexpected displacement of bridge abutment. As the expansion due to the AAR is greater than that due to the temperature change, lethal load can act on bridge abutment. Therefore appropriate preventive measures may be necessary. The degree of expansion by AAR depends on the severity of AAR and geometry condition of concrete pavement and road structure. In order to prevent damage to bridge, it is effective to release the expansion force of the concrete. It would be advantageous to replace the concrete pavement with asphalt for a long section of concrete pavement.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

전술한 바와 같이 AAR구간 콘크리트 포장의 팽창량과 팽창률은 다양하게 나타났다. 본 절은 팽창량과 팽창률의 크기와 관련이 있는 영향인자를 분석하였다.

가설 설정

이는 콘크리트 포장층과 하부 기층 사이 경계면의 마찰에 의한 것으로 추정된다. 현장조사는 콘크리트 포장을 거슬러 올라가면서 수축줄눈의 이격이 없는 지점까지의 거리를 측정하여 팽창된 포장의 길이로 가정하였다. 또한 유효포장길이에 대한 비율로 마찰보정계수라고 정의하고 이를 산정하였다.

제안 방법

고속도로 콘크리트 포장구간 내 위치하면서 포장의 팽창 영향을 받을 가능성이 있는 고속도로 교량은 대략 4,000여 개소(라멘형식 제외)로 파악되고 있다. 교대변위는 고성토부에 말뚝기초로 시공된 교대의 뒷채움부 침하로 인하여 발생하는 것이 주요인으로 알려져 있으나 본 연구는 콘크리트 포장에서 발생하는 AAR에 의한 팽창과 그로 인해 교대 변위가 발생할 수 있음을 사례를 통해 분석하였다. 그리고 AAR에 의한 콘크리트 포장의 팽창 정도를 파악하기 위해 다수 지점에 대해 현장 조사를 실시하였으며, 그 결과를 분석하고 팽창을 결정하는 영향인자에 대해 고찰하였으며, 교량손상의 감소방안에 대해서 검토하였다.
교대변위는 고성토부에 말뚝기초로 시공된 교대의 뒷채움부 침하로 인하여 발생하는 것이 주요인으로 알려져 있으나 본 연구는 콘크리트 포장에서 발생하는 AAR에 의한 팽창과 그로 인해 교대 변위가 발생할 수 있음을 사례를 통해 분석하였다. 그리고 AAR에 의한 콘크리트 포장의 팽창 정도를 파악하기 위해 다수 지점에 대해 현장 조사를 실시하였으며, 그 결과를 분석하고 팽창을 결정하는 영향인자에 대해 고찰하였으며, 교량손상의 감소방안에 대해서 검토하였다.
현장조사는 콘크리트 포장을 거슬러 올라가면서 수축줄눈의 이격이 없는 지점까지의 거리를 측정하여 팽창된 포장의 길이로 가정하였다. 또한 유효포장길이에 대한 비율로 마찰보정계수라고 정의하고 이를 산정하였다.
콘크리트 포장의 팽창력 감소방안으로 팽창줄눈 시공방법과 아스팔트 치환 공법을 적용한 사례를 통해 각 방법에 대한장·단점을 비교하였다. 시공된 팽창줄눈의 협착이 반복되는 구간 또는 콘크리트 포장 길이가 긴 구간은 아스팔트 치환공법이 보다 유리할 수 있을 것으로 판단된다.
콘크리트 포장이 팽창하면 우선 시공줄눈(간격 300 m)이 협착되기 때문에 전체 팽창량에 이를 포함하여 산정하였다. AAR에 의한 콘크리트 포장의 정도를 파악하기 위해 포장연장 대비 팽창률을 분석할 필요가 있다.

대상 데이터

콘크리트 포장이 팽창하면 중분대 기초의 수축줄눈과 이격되는 현상이 발생하며 이 값을 초기팽창량이라고 정의하였다. 그리고 조사대상 구간은 콘크리트 포장의 팽창력을 이완하기 위해 2010년 이후 팽창줄눈(50 mm) 시공, 팽창줄눈 협착, 팽창줄눈 재시공(50 mm)이 수차례 실시되었다. 이러한 팽창량을 추가팽창량이라 부르며, 그 크기는 수축줄눈 간격(당초 6 m)의 감소량 측정값을 사용하였다.
AAR에 의한 콘크리트 포장의 팽창량은 교량에 가해지는 수평력의 힘을 가늠하고 현장에서 팽창에 대한 감소방안을 수립할 때 중요한 요소가 된다. 본 연구 조사대상 콘크리트 포장은 1998년 준공되어 2017년 기준 19년 공용 중인 서해안선 50km 구간으로 2008년 AAR로 판정된 구간에 위치하고 있다.

성능/효과

결론적으로 포장의 팽창량은 포장의 연장이 길어짐에 따라 비례하여 증가하는 것이 아니라 콘크리트 포장의 슬래브와 보조 기층 경계면의 마찰로 일정길이 이상이 되면 수렴하는 로그함수 형태를 취할 것으로 추정한다.
둘째, 받침부에서는 받침이 편기되면서 이동 여유량이 없어지고, 이동이 구속될 경우 받침 무수축 모르타르에서 균열이 발생하게 된다. 셋째, 확대기초 교대부에서는 교대 변위가 발생하는 대신 흉벽 배면이나 날개벽에서 인장균열이 나타나게 된다.
알칼리-골재반응이 발생한 콘크리트 포장 구간에서 팽창 정도를 조사한 결과, 콘크리트 포장의 팽창량은 평균 202 mm (최대 400 m), 포장연장 대비 팽창률은 평균 0.04%(최대 0.08%) 로서 교량의 온도 신축양보다 커질 수 있음을 알 수 있었다.
전절에서 AAR구간 콘크리트 포장이 팽창 시 온도응력 보다 큰 하중이 작용할 수 있음을 알 수 있었다. 따라서 팽창에 의한 수평력이 교량에 직접 작용하지 않도록 조처할 필요가 있다.
현장조사 결과를 보면, 콘크리트 포장에 팽창력이 작용하면 포장길이 전반에 걸쳐 일률적으로 팽창하는 것이 아니라 포장 단부의 팽창량이 커지는 것을 알 수 있었다. 이는 콘크리트 포장층과 하부 기층 사이 경계면의 마찰에 의한 것으로 추정된다.

후속연구

65(시멘트안정처리층)와 같이 일정하진 않으며 포장 길이에 따라 달라지는 (Lee, 2000) 모델이 타당한 것으로 판단된다. 그러나 AAR에따른 포장 길이별 마찰보정계수에 대해선 추가적인 연구가 필요하다.
알칼리-골재반응에 의한 콘크리트 포장의 팽창 정도는 알칼리-골재 반응의 상태, 포장의 길이 및 도로구조 등에 따라 영향을 받는 것으로 추정된다. 그러나 보다 정확한 원인 및 영향 분석을 위해선 알칼리-골재반응에 관여하는 포장의 재료등 각 요인에 대한 추가 연구가 필요할 것이다.
7에서 팽창량 ΔL_A는 팽창된 포장의 길이 l_e와 상관성이 높은데, 팽창된 포장길이가 증가할수록 선형적으로 비례함을 알 수 있다. 즉, 고속도로 현장 콘크리트 포장에서 수축 줄눈의 이격 여부를 조사하여 팽창된 포장의 길이를 알면 교대 변위 발생 크기를 추정할 수 있을 것이다.
팽창량을 식 (1)과 같이 간략히 표현하였지만 각각의 변수는 여전히 불확실성이 높다. 향후 이에 대한 추가 연구가 필요하다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	알칼리-골재반응이 발생한 콘크리트 포장의 문제점은 무엇인가?	고속도로에서 콘크리트 포장의 알칼리-골재반응 발생 구간이 증가하고 있다. 알칼리-골재반응이 발생한 콘크리트 포장은 팽창하면서 인접 교량에 교대 변위를 발생시켜 다수의 손상을 발생시키고 있다. 현장 조사 결과 콘크리트 포장의 팽창량은 온도 신축에 의한 팽창률을 상회하면서 교량에 치명적인 하중으로 작용하고 있어 손상 방지를 위한 선제적인 조치가 필요하다.
	콘크리트 포장의 팽창량이 교량에 문제점을 생기게 하는 이유는 무엇인가?	알칼리-골재반응이 발생한 콘크리트 포장은 팽창하면서 인접 교량에 교대 변위를 발생시켜 다수의 손상을 발생시키고 있다. 현장 조사 결과 콘크리트 포장의 팽창량은 온도 신축에 의한 팽창률을 상회하면서 교량에 치명적인 하중으로 작용하고 있어 손상 방지를 위한 선제적인 조치가 필요하다. 알칼리-골재 반응에 의한 팽창 정도는알칼리-골재반응의 상태, 포장의 길이 및 도로구조에 따라 달라짐을 알 수 있었다.
	포장의 알칼리-골재반응은 어떤 현상인가?	알칼리-골재 반응(AAR : Alkali-Aggregate Reaction)은 시멘트에 존재하는 알칼리 성분인 Na+ 와 K+ 이온이 pH가 높은 환경에서 경화된 콘크리트의 공극 용액 속에 존재하면서 골재의 반응성 실리카와 반응하여 팽창성 반응겔(ASR gel)을 생성하는 현상이다. 이렇게 생성된 반응겔에 수분이 공급되면 팽창이 더욱 진전되게 된다. 일부 겔은 팽창이 거의 발생하지 않거나 매우 작게 발생하여 콘크리트에 피해를 주지 않지만 반응겔이 일정량 이상 생성되면 팽창압이 발생하고, 이 때 발생한 팽창압이 콘크리트의 인장력을 초과하게 되어 균열이 발생하게 된다. Photo 1, 2는 본 연구에서 대상으로 하는 포장 구간에서 채취한 시편에서 나타난 균열과 현미경으로 확대한 모습을 보여 주고 있다.

참고문헌 (4)

Hong, S. -H. and Shim, Y. -H. (2015), Long-term Monitoring of Expansion of Cement Concrete Pavement Affected by Alkali-Aggregate Reaction, International Journal of Highway Engineering, 17(2), 13-20.
Hong, S. -H., Han, S. -H., and Yun, K. -K. (2006), A Case Study for Deterioration due to Alkali-Silica Reaction in the Cement Concrete Pavement, Journal of the Korea Concrete Institute, KCI, 18(3), 355-360.

원문보기 상세보기
Lee, S. W. (2000), Horizontal Joint Movement in Rigid Pavements, Pennsylvania State University, Doctor of Philosophy, 67-118.
Yun, K. -K., Hong, S. -H., and Han, S. -H. (2008), Expansion Behavior of Aggregate of Korea due to Alkali-Silica Reaction by ASTM C 1260 Method, Journal of the Korea Concrete Institute, KCI, 20(4), 431-437.

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