[논문]아스팔트 긴급보수용 스프레이 패칭 장비 개발 및 현장 적용성 평가

한수현; 이상염; 이석근; 권봉주

doi:10.7855/ijhe.2018.20.1.077

문제 정의

구상안에 대한 전문가 자문회의 및 현장 실무자 인터뷰를 통해 긴급보수용 스프레이 패칭 장비의 설계를 개선하였다. 그 과정에서 순환골재(RAP)를 사용한 Spray Injection 방식의 현장 긴급 보수가 가능한 혼합물의 적용성을 평가하기 위해 실내와 현장에서의 비교시험으로 혼합물에 따른 내구성 평가 및 분석을 수행하고자 한다.
따라서 본 연구에서는 폐아스콘을 활용한 아스팔트 도로의 긴급보수용 스프레이 패칭 장비 시스템 개발과 그 적용성을 검증하는 것에 목표를 두고 있다. 긴급보수용 시공 장비 개발에 앞서 문헌 및 특허 조사와 국내외 긴급도로 유지보수 장비 현황 조사를 통해 개발하고자 하는 긴급보수용 스프레이 패칭 장비 구상안을 설계하였다.
본 연구는 폐아스콘을 활용하여 아스팔트 콘크리트 도로에 발생한 포트홀 및 다양한 파손부를 신속하고 균질한 품질로 신속하게 긴급보수할 수 있는 시스템을 구축하기 위한 최적의 시스템을 개발하는 것이다. 이를 위해 개발하는 장비의 형태를 자주-현장배합시스템으로 결정하고 시공성을 고려한 세부적인 장치 구성을 진행하였다.
본 연구에서는 순환골재(RAP)를 사용하여 현장 긴급보수가 가능한 혼합물의 적용성을 평가하고자 Spray Injection 방식을 사용하였으며 습윤 마모 시험 및 동적 안정도를 실내와 현장에서 비교 시험 평가하였으며 다음과 같은 결과를 확인하였다.
순환골재(RAP)를 사용한 혼합물의 적용성 검토를 위하여 실내와 현장의 시험을 비교 분석하고자 한다. Table 1과 같이 습윤마모저항성 측정 및 동적안정도 시험을 진행하였으며, Table 2에 주요 변수와 시험 내용을 요약하였다.
긴급보수용 시공장비 및 시스템 개발 연구에 해당하는 장비 개발을 위해 기존 문헌들을 조사하고 국내외 기술 및 장비의 현황을 분석하였다. 이를 통해 아스팔트 긴급보수용 스프레이 패칭 장비의 설계 방향과 기능의 장착 방식을 결정하여 장비의 개발을 계획하고 개발 재료의 적용성 평가를 진행하고자 한다.

가설 설정

반면 (a)와 다른점은 별도의 다짐이 필요한 시스템이다. (a), (b) 장비는 상차식 형태로 아스팔트 생산 공장에서 제품을 수급해 미리 저장해야 하며 이에 따른 현장 반입이 비효율적이라 판단된다.

제안 방법

긴급보수용 시공 장비 개발에 앞서 문헌 및 특허 조사와 국내외 긴급도로 유지보수 장비 현황 조사를 통해 개발하고자 하는 긴급보수용 스프레이 패칭 장비 구상안을 설계하였다. 구상안에 대한 전문가 자문회의 및 현장 실무자 인터뷰를 통해 긴급보수용 스프레이 패칭 장비의 설계를 개선하였다. 그 과정에서 순환골재(RAP)를 사용한 Spray Injection 방식의 현장 긴급 보수가 가능한 혼합물의 적용성을 평가하기 위해 실내와 현장에서의 비교시험으로 혼합물에 따른 내구성 평가 및 분석을 수행하고자 한다.
본 과제에서 개발 중인 보수 재료를 상온에서 현장 배합 및 시공할 수 있는 장비 형태의 특허는 찾을 수 없었다. 그러므로 상온식 재생아스콘을 활용해 소파보수, 긴급보수를 하는데 있어 필요한 상차기능과 혼합기능, 배출기능을 갖춘 단일 장비의 개발을 계획하였다.
따라서 본 연구에서는 폐아스콘을 활용한 아스팔트 도로의 긴급보수용 스프레이 패칭 장비 시스템 개발과 그 적용성을 검증하는 것에 목표를 두고 있다. 긴급보수용 시공 장비 개발에 앞서 문헌 및 특허 조사와 국내외 긴급도로 유지보수 장비 현황 조사를 통해 개발하고자 하는 긴급보수용 스프레이 패칭 장비 구상안을 설계하였다. 구상안에 대한 전문가 자문회의 및 현장 실무자 인터뷰를 통해 긴급보수용 스프레이 패칭 장비의 설계를 개선하였다.
긴급보수용 시공장비 및 시스템 개발 연구에 해당하는 장비 개발을 위해 기존 문헌들을 조사하고 국내외 기술 및 장비의 현황을 분석하였다. 이를 통해 아스팔트 긴급보수용 스프레이 패칭 장비의 설계 방향과 기능의 장착 방식을 결정하여 장비의 개발을 계획하고 개발 재료의 적용성 평가를 진행하고자 한다.
긴급보수용 시공장비 및 시스템 개발연구를 진행하면서 국내외 개발 기술 및 개발 장비를 조사 분석하였다.
동적 안정도 시편은 Fig. 13과 같이 밀입도 아스콘으로 300×300×50mm 밑판을 제작 후 노치를 형성하고 순환골재(RAP) 혼합물을 Fig. 12와 같이 두께 20mm, 폭 100mm, 연장 300mm로 보수₩복구하여 포트홀에 대한 모사 실험을 진행하여 동적 안정도를 평가하였다.
1에서는 특허 동향 조사를 바탕으로 좀 더 다양한 형태의 장비를 조사하기 위하여 국내외 긴급 도로 유지보수 장비를 기능과 형태에 따라 분류하여 개략적으로 구분하여 나타내었다. 또한 각각의 기능과 형태에 따라 장단점을 기술하여 구분하였다.
6은 본 장비의 호퍼형 적재함으로써 자재의 자중에 의해 적재함 하단에 위치한 배출라인으로 자재의 배출이 용이하도록 설계되었다. 또한 적재함은 2~5mm 의 잔골재와 5~8mm 굵은 골재를 분리해 적재하여 보수 시 순서에 맞게 배출되도록 설계하였다. 하단의 플레이트는 바닥면과 약 4^{배합비 설정은 Table 6과 같이 진행하였으며 2~5mm 순환골재(RAP)와 CSS-1h 유화 아스팔트를 이용하여 습윤 마모 저항성과 동적 안정도 시험을 수행하였다.}
실내 시험과 현장 시험을 비교하여 혼합물의 토출량 및 바인더의 적정량을 평가하기 위하여 바인더 함량은 6~11% 설정하였으며, 습윤 마모 저항성 및 동적 안정도를 평가하여 시공성 및 혼합물의 물리적 성질을 검증하였다.
실내에서 시험과 실외에서 진행한 믹싱모듈시스템을 가지고 시험시공한 혼합물에 대하여 습윤마모시험, 동적안정도를 진행하였으며 품질기준은 Table 7과 같다.
11은 현장적용 장비에서 배합한 혼합물과 실내에서 배합한 혼합물의 비교 시험을 통해 장비에서 생산된 혼합물이 실내 시험과 유사하게 생산되는지 확인하고자 하였으며 바인더 함량을 6~11%로 고정하여 진행하였다. 실내에서 진행한 시험은 생산 후 몰드를 만들었으며 현장의 혼합물은 생산 후 실내에 반입하여 몰드를 만들어 비교 평가하였다.
본 연구는 폐아스콘을 활용하여 아스팔트 콘크리트 도로에 발생한 포트홀 및 다양한 파손부를 신속하고 균질한 품질로 신속하게 긴급보수할 수 있는 시스템을 구축하기 위한 최적의 시스템을 개발하는 것이다. 이를 위해 개발하는 장비의 형태를 자주-현장배합시스템으로 결정하고 시공성을 고려한 세부적인 장치 구성을 진행하였다.
적재함 상단에 설치된 도어 캡은 적재함과 맞닿는 면에 밀봉을 위한 고무가스켓이 부착되어 있다. 이에 도어 캡을 닫고 적재함을 밀봉한 뒤 블로워의 가압으로 적재함 내부의 자재를 토출라인으로 분사시킨다. 블로워의 가압 시 도어 캡의 밀봉은 도어 캡의 상단에 장착된 유압실린더의 가압으로 밀봉을 유지한다.
살포되는 폐아스콘 자재는 호퍼탱크 하단에 있는 스크류 컨베이어의 회전속도에 의해 조절된다. 폐아스콘 자재의 살포와 같이 하여 용재 탱크로부터 각각 토출라인에 연결되어 있는 호스를 통하여 용재를 분사하여 폐아스콘과 혼합되도록 한다. 각각의 용재들은 호스와 연결된 노즐을 통하여 분사되고, 호스와 탱크의 연결부에 있는 컨트롤 밸브로 바인더량 조절이 가능하다.

데이터처리

Fig. 15와 같이 실내와 현장의 동적 안정도를 6~11% 바인더 함량을 가지고 비교 평가하였다. 바인더 함량 6%에서는 시공성 및 성형성이 부족하였으며 11% 이상에서는 바인더 과다로 동적 안정도 결과가 감소하거나 기준 이하의 값을 확인할 수 있었다.

이론/모형

본 연구에 사용되는 개발재료의 물성은 ASTM D2397d에 따라 평가 되었으며 그 결과는 Table 4와 같다. 세이볼트 퓨롤은 27.
습윤 상태의 마모 저항성과 최적 아스팔트 함량 결정을 위하여 HOBART A-120 장비를 이용하여 진행하고 ASTM D 3910에 준하여 수행하였으며 다만 양생온도 및 실험조건을 현장에 적합하게 Table 8과 같이 변경하여 수행하였다.
포트홀 형상을 모사한 시험용 밑판에 실내에서 시험한 혼합물과 장비에서 생산된 혼합물을 노치에 보수하여 25℃에서 시험하고 KS F 2374 준하여 실시하였으며 Table 10과 같은 결과를 확인하였다.
혼합물의 변형량을 평가하기 위하여 KS F 2374에 준하여 실시하였으며 시험 온도는 25℃에 진행하였다. 동적 안정도 시편은 Fig.

성능/효과

1. 습윤 마모 저항성 평가에서는 바인더 함량 6%에서는 다소 불안정 또는 품질기준에 부적합한 결과를 얻었으나 바인더 함량이 증가할수록 안정된 습윤 마모 저항성을 확인하였다. 또한 현장에서 생산된 혼합물이 실내 평가에 대비하여 1% 정도 바인더가 과다 투입된 것으로 보이며 이는 장비 케리브레이션에 의한 오차 때문이라고 판단하였다.
2. 동적 안정도는 6% 바인더 함량에서도 품질기준 750cycle/mm 대비 1.76배 이상의 결과를 확인하였다. 바인더 함량이 증가할수록 결과도 증가하였으나 실내 9%, 현장 8%로부터 점차적으로 감소되고 있으며 현장에서 생산된 11%의 혼합물에서는 부적합한 결과를 보였다.
Fig. 14와 같이 실내와 현장의 비교 시험결과 실내의 경우 바인더 6%에서 0.083g/cm² 으로 품질기준에 만족하지 못하는 것을 확인하였으나 이후 모든 변수에서는 품질기준에 적합하게 평가되었으며 9% 이상에서는 바인더 함량이 증가하여도 습윤 마모 저항성이 거의 동등하거나 소폭 감소함을 확인하였다. 다만 장비에서의 바인더 토출 함량이 실내와 비교하였을 경우 1% 정도 과다하다는 결과를 확인할 수 있었다.
Table 5에서 비중은 2.20g/cm³ 이상 확보되어야 하며 시험결과 2.62g/cm³ 확인되었으며 흡수율은 3.63%, 굵은골재 최대치수는 98.0%로 품질기준에 모두 만족하는 결과를 확인하였다.
(a), (b) 모두 국외의 도로 유지보수 장비이며 운행 차량에서 독립된 장비형태로 가열아스콘 또는 폐아스콘을 가열하여 사용하는 장비이다. 견인식 장비는 트레일러와의 정착 및 운행성이 우수하지만 자주식 장비에 비해 규모의 대형화로 현장에서의 이동성에 취약하다는 단점을 확인하였다.
083g/cm² 으로 품질기준에 만족하지 못하는 것을 확인하였으나 이후 모든 변수에서는 품질기준에 적합하게 평가되었으며 9% 이상에서는 바인더 함량이 증가하여도 습윤 마모 저항성이 거의 동등하거나 소폭 감소함을 확인하였다. 다만 장비에서의 바인더 토출 함량이 실내와 비교하였을 경우 1% 정도 과다하다는 결과를 확인할 수 있었다. 이 시험을 바탕으로 장비에서 바인더 토출량을 1% 감소시켜 혼합물을 생산한 결과 실내와 유사한 습윤 마모 저항성 시험 결과값을 확인하였다.
바인더 함량이 증가할수록 결과도 증가하였으나 실내 9%, 현장 8%로부터 점차적으로 감소되고 있으며 현장에서 생산된 11%의 혼합물에서는 부적합한 결과를 보였다. 또한 습윤 마모 저항성 시험과 동일하게 현장에서 생산된 혼합물이 1% 정도의 바인더 과다 투입으로 보여지는 결과를 확인하였다. 이 또한 마찬가지로 습윤 마모 저항성 평가에서와 같이 장비 케리브레이션에 의한 오차와 비슷하다고 판단하였다.
바인더 함량 6%에서는 시공성 및 성형성이 부족하였으며 11% 이상에서는 바인더 과다로 동적 안정도 결과가 감소하거나 기준 이하의 값을 확인할 수 있었다. 또한 현장과 실내시험의 결과를 비교하면 습윤 마모 시험의 결과와 비슷하게 현장에서 생산된 혼합물이 실내 시험의 바인더 함량에 비해 1% 정도 과다한 결과를 보이는 것을 확인할 수 있었다. 이는 현장 배합 시 1% 정도의 바인더 함량을 조절하여 수행한 결과 실내 시험과 유사한 결과를 확인하였다.
15와 같이 실내와 현장의 동적 안정도를 6~11% 바인더 함량을 가지고 비교 평가하였다. 바인더 함량 6%에서는 시공성 및 성형성이 부족하였으며 11% 이상에서는 바인더 과다로 동적 안정도 결과가 감소하거나 기준 이하의 값을 확인할 수 있었다. 또한 현장과 실내시험의 결과를 비교하면 습윤 마모 시험의 결과와 비슷하게 현장에서 생산된 혼합물이 실내 시험의 바인더 함량에 비해 1% 정도 과다한 결과를 보이는 것을 확인할 수 있었다.
76배 이상의 결과를 확인하였다. 바인더 함량이 증가할수록 결과도 증가하였으나 실내 9%, 현장 8%로부터 점차적으로 감소되고 있으며 현장에서 생산된 11%의 혼합물에서는 부적합한 결과를 보였다. 또한 습윤 마모 저항성 시험과 동일하게 현장에서 생산된 혼합물이 1% 정도의 바인더 과다 투입으로 보여지는 결과를 확인하였다.
본 연구에 사용되는 개발재료의 물성은 ASTM D2397d에 따라 평가 되었으며 그 결과는 Table 4와 같다. 세이볼트 퓨롤은 27.0, 저장 안정도는 0.10, 입자의 전하는 양이온계, 체잔류분은 0, 시멘트 혼합 시험은 0.60, 증발잔류분은 60, 침입도는 58, 신도는 78, 삼염화에틸렌 가용분 99.3%로 나타났다. 이처럼 품질기준에 만족하는 결과값을 토대로 현장 적용에 문제가 없다고 판단하였다.
다만 장비에서의 바인더 토출 함량이 실내와 비교하였을 경우 1% 정도 과다하다는 결과를 확인할 수 있었다. 이 시험을 바탕으로 장비에서 바인더 토출량을 1% 감소시켜 혼합물을 생산한 결과 실내와 유사한 습윤 마모 저항성 시험 결과값을 확인하였다.
소파보수 및 긴급보수장비 관련 특허 동향의 경우 정교한 절삭장치와 아스콘 배출 형식의 덤프 차량이 대부분이었다. 일반적으로 소파, 긴급보수 장비가 가열식 아스콘을 상차 또는 식은 아스콘을 재가열하는 방식으로 개발되어 있는 것을 확인하였다. 본 과제에서 개발 중인 보수 재료를 상온에서 현장 배합 및 시공할 수 있는 장비 형태의 특허는 찾을 수 없었다.

후속연구

그러나 본 연구는 혼합물의 실내 시험과 현장 시험의 습윤 마모 저항성, 동적 안정도에 대한 상대적 비교이며 향후 코어링 부착강도, 교통개방시간, 경제성 등을 평가하고 공용성능에 대한 연구가 추가로 수행되어야 할 것으로 사료된다.

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	포트홀은 무엇인가?	우리나라 도로는 해빙기와 호우기간을 거치면서 포장도로면에 항아리 모양의 웅덩이가 발생하는 포트홀로 인해 도로 교통사고를 유발하여, 이로 인한 사회 경제적인 피해가 증가하고 있다. 영국, 한국 등 여러 나라에서도 도로표면에 발생하는 수많은 포트홀을 효율적으로 관리하기 위해 고민 중이나, 획기적인 방법을 찾지 못하고 있다.
	기후변화와 교통량의 증가 및 공용차량의 대형화로 인한 포트홀이 생기는 인자들은 무엇이 있는가?	최근 기후변화와 교통량의 증가 및 공용차량의 대형화로 인해 도로포장의 영구변형, 균열 및 포트홀 등의 파손이 빈번히 발생하고 있다. 이러한 포장 파손 중 대표적인 국부적 파손형태인 포트홀은 수분, 동결융해 작용, 교통량, 연약지반의 지지력 등 여러 인자들이 복합적으로 작용하여 생성된다. 특히 포트홀은 도로 이용자에게 심각한 사고를 초래할 수 있으므로, 안전성과 주행성에 위험을 주는 요소로 판단되는 즉시 긴급보수를 수행하여야 한다(Hwang et al.
	포트홀의 발생요인은 무엇인가?	영국, 한국 등 여러 나라에서도 도로표면에 발생하는 수많은 포트홀을 효율적으로 관리하기 위해 고민 중이나, 획기적인 방법을 찾지 못하고 있다. 포트홀이 발생하는 요인은 여러 가지로 설명되는데, 계절적 기후변화로 도로 포장상태를 고인성으로 유지하지 못하는 자연적인 영향, 그리고 석유 정재기술의 발달로 인하여 도로포장에 사용되는 아스팔트의 품질이 저하되어 아스팔트 강도 저하로 포트홀이 발생된다는 지적도 있다(Korea, 2015).

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