[논문]고속축중기 시스템의 도입을 위한 고기능 아스팔트 혼합물 및 에폭시의 내구성 평가

권홍준; 이종섭; 권오선; 권순민

doi:10.7855/ijhe.2018.20.4.007

문제 정의

본 연구는 고속축중기의 적용을 위해 재료의 내구성 측면에서 실험을 통해 분석하였다. 현재 국내에서 권장되는 포장형식은 콘크리트 포장으로, 이러한 배경에는 포장의 내구성뿐만 아니라 센서를 통해 수집되는 신호의 균질성과도 관련이 있다.
SMA(Stne Mastic Asphalt)는 골재의 맞물림 효과를 최대로 하여 고온 및 중차량 조건에서 소성변형에 대한 저항성이 우수한 것으로 알려져 있다. 본 연구에서는 PG 76-22 바인더에 폴리머 계열 개질제를 첨가하여 더 높은 내구성 및 소성변형 저항성을 확보하고자 하였다.
본 연구에서는 국내 고속도로 현장에 적용되고 있는 고기능 아스팔트 혼합물 3종의 실내시편과 개질 SMA 현장코어에 대해 동적안정도 시험을 실시하였다. 이를 통해 고속축중기 적용을 위한 아스팔트 포장 재료 간의 소성변형 저항성을 비교하고 현장 적용 시 고려사항을 검토하였다.
본 연구에서는 소성변형에 강한 것으로 알려진 고기능아스팔트 혼합물 3종(개질 SMA, 배수성, 반강성 재료)에 대해 동적안정도 시험을 실시하여 소성변형 저항성을 비교하였다. 이를 위해 재료별 시편을 제작(개질 SMA의 경우 실내시편 외에 현장재료 추가 시험)하였고, 재료별 바인더 등급 및 아스팔트 함량은 Table 1과 같다.
강성포장과 달리 아스팔트 포장은 소성변형에 취약한데, 근래에는 SMA 등의 소성변형에 강한 재료가 확대되고 있는 추세이다. 이러한 포장 환경의 변화에 대응하여 고속축 중기의 활용범위를 넓히고자 아스팔트 포장에 대한 적용성(소성변형 저항성)을 평가하고자 하였다.이를 위한 동적안정도 시험(Asphalt Pavement Analyzer Test)을 위해 소성변형에 강한 대표적인 아스팔트 표층재료 3종에 대해 실내시편을 제작하였다.

제안 방법

3. 현장에 시범적용하기 위한 아스팔트 포장의 선정에 있어 고속도로 포장 시공현황 및 장래 수요(경제성 및 시공성)를 고려하여 고속축중기를 개질 SMA 포장구간에 설치하였다.
3종의 고기능 아스팔트 혼합물에 대한 동적안정도 시험을 위해 Fig. 5와 같이 시편을 재료 당 3개씩 제작하였다. 사각형 모판 형태(가로 300mm, 세로 300mm, 두께 50mm)로 제작하였고, 고속축중기 매설상태를 모사하기 위하여 재료 다짐 후 시편 상부 중앙에 폭 30mm, 길이 300mm, 두께 30mm로 정밀 커팅하여 센서용 에폭시를 주입하였다.
Fig. 2와 같이 동적안정도 시험 중 변형량은 레이저 프로파일을 통해 차륜의 주행 범위에서 측정하였으며 최초 중심부를 통과한 시점을 기준으로 통과 횟수가 2,520회(60분 소요)에 이르기까지 침하 깊이를 mm단위로 기록하였다.
TTI에서는 고속축중기 설치 대상구간의 아스팔트 포장으로 SMA를 검토하였는데, 이를 위해 여러 곳의 코어를 채취하여 현장재료의 내구성을 비교하였다. 휠 트래킹 시험 결과, PG 76-22 바인더를 사용한 모든 현장의 재료가 20,000회의 차륜하중에도 12.
TTI의 휠 트래킹 시험 방법은 50℃로 온도를 맞춘 시편에 차륜하중(705N)의 통과횟수 20,000회 동안의 소성변형량(Rut Depth, mm)을 비교하였다. 소성변형량이 임계치인 12.
KS F2374에 의하면 평균 동적안정도가 높을 경우‘6,000회 이상’으로 표시하나, 본 연구에서는 상대적인 비교를 위해 실제 횟수를 표시하였다. 단, 재료별 3개의 시편 중 안정적으로 시험이 완료된 각 2개의 결과를 비교하였다.
이를 위한 동적안정도 시험(Asphalt Pavement Analyzer Test)을 위해 소성변형에 강한 대표적인 아스팔트 표층재료 3종에 대해 실내시편을 제작하였다. 또한 현장의 고속 축중기 시공 위치로 선정된 구간의 아스팔트 표층 코어를 채취하여 지그를 이용한 시편을 제작하였다.
배수성 재료는 포장의 투수성능을 높여 우천 시 주행 안정성을 확보하기 위한 것으로 알려져 있다. 본 연구에서는 PG 82-22 바인더를 사용하여 10mm 골재 87%, 잔골재 9%, 필러 4%의 입도분포와 아스팔트 함량 5%, 공극률 23.2%인 혼합물을 적용하였다.
5와 같이 시편을 재료 당 3개씩 제작하였다. 사각형 모판 형태(가로 300mm, 세로 300mm, 두께 50mm)로 제작하였고, 고속축중기 매설상태를 모사하기 위하여 재료 다짐 후 시편 상부 중앙에 폭 30mm, 길이 300mm, 두께 30mm로 정밀 커팅하여 센서용 에폭시를 주입하였다. 본 실험에서는 국내 고속축중기 현장에 적용된 것과 동일한 재료를 사용하였다.
시험 전에 시편을 항온실에 넣어 시편 중심의 온도를 60±0.5℃에 맞춘 후 시험 차륜 하중을 686N으로 맞추어 적용하였고, 하중을 직진으로 왕복 주행시켜 시간에 따른 변형량을 측정하였다.
현장코어 시편은 실내시편과 구조가 달라 중앙에 에폭시로 인한 프로파일의 변수는 없으나 코어 2개 사이의 경계로 인해 소성변형이 시편의 중앙에서 최대로 발생하지는 않는 것으로 나타났다. 이러한 상황을 감안하여 소성변형을 측정하였고, Table 3과 같이 시편 별 소성변형을 이용하여 동적안정도를 산출하였다.
7과 같은 방식으로 이루어졌다. 이러한 추세로 발생한 시편 별 소성변형을 이용하여 동적안정도를 산출하였고, 그 결과는 Table 2와 같다. KS F2374에 의하면 평균 동적안정도가 높을 경우‘6,000회 이상’으로 표시하나, 본 연구에서는 상대적인 비교를 위해 실제 횟수를 표시하였다.
반면, 고속축중기는 정상운행속도로 달리고 있는 차량의 중량을 고속도로 본선에서 바로 측정할 수 있는 장치이다. 이를 위한 고속축중기의 구성은 12종의 화물 차종의 정보와 속도를 처리하는 루프센서, 축하중과 총중량 정보를 처리하는 축중센서, 센서의 측정값을 보정하는 원더링 센서, 차량번호를 자동으로 인식할 수 있는 차량번호인식시스템(AVI 카메라), 그리고 차량의 초과 중량과 번호 정보 등을 표출할 수 있는 도로전광표지(VMS)로 이루어져 실시간으로 과적 차량을 단속하는 시스템이다.
이러한 포장 환경의 변화에 대응하여 고속축 중기의 활용범위를 넓히고자 아스팔트 포장에 대한 적용성(소성변형 저항성)을 평가하고자 하였다.이를 위한 동적안정도 시험(Asphalt Pavement Analyzer Test)을 위해 소성변형에 강한 대표적인 아스팔트 표층재료 3종에 대해 실내시편을 제작하였다. 또한 현장의 고속 축중기 시공 위치로 선정된 구간의 아스팔트 표층 코어를 채취하여 지그를 이용한 시편을 제작하였다.
본 연구에서는 소성변형에 강한 것으로 알려진 고기능아스팔트 혼합물 3종(개질 SMA, 배수성, 반강성 재료)에 대해 동적안정도 시험을 실시하여 소성변형 저항성을 비교하였다. 이를 위해 재료별 시편을 제작(개질 SMA의 경우 실내시편 외에 현장재료 추가 시험)하였고, 재료별 바인더 등급 및 아스팔트 함량은 Table 1과 같다.
본 연구에서는 국내 고속도로 현장에 적용되고 있는 고기능 아스팔트 혼합물 3종의 실내시편과 개질 SMA 현장코어에 대해 동적안정도 시험을 실시하였다. 이를 통해 고속축중기 적용을 위한 아스팔트 포장 재료 간의 소성변형 저항성을 비교하고 현장 적용 시 고려사항을 검토하였다.
반강성 재료는 아스팔트 포장의 연성과 시멘트 콘크리트 포장의 강성 및 내구성을 복합적으로 활용하기 위한 것으로 알려져 있다. 일반적으로 공극이 큰 포장체에 시멘트를 주 성분으로 하는 특수 에폭시를 주입하는 방식으로 본 연구에서는 배수성 재료와 같은 아스팔트 혼합물(동일한 입도, 바인더 사용)에 속경성 시멘트 바인더와 물의 혼합으로 사용되는 시멘트 밀크 주입재를 활용하였다.
해당 연구에서는 현장에서 코어링을 통해 시편을 채취하였으며, 채취한 현장코어를 Fig. 4와 같은 고정지그와 결합시켜 휠 트래킹 시험에 활용하였다. 본 연구에서도 이와 같은 지그를 현장재료의 시험에 활용하였다.
현장에서 코어(직경 150mm)를 채취하여 실내에서 동적안정도 시험을 실시하였다. A현장과 B현장의 아스팔트 표층은 개질 SMA로 같은 혼합물이며, 두 현장 모두 동적안정도와 소성변형량에서 유사한 평가 결과가 도출되었다.

대상 데이터

사각형 모판 형태(가로 300mm, 세로 300mm, 두께 50mm)로 제작하였고, 고속축중기 매설상태를 모사하기 위하여 재료 다짐 후 시편 상부 중앙에 폭 30mm, 길이 300mm, 두께 30mm로 정밀 커팅하여 센서용 에폭시를 주입하였다. 본 실험에서는 국내 고속축중기 현장에 적용된 것과 동일한 재료를 사용하였다.
본 연구에서의 시편은 3.2절에서 언급한 KS F2374에 준하여 제작하였으나 시편 중앙에 에폭시가 주입되어 있다. 이로 인해 소성변형이 최대로 발생한 지점이 일반적인 차륜하중 주행 위치의 중심이 아닌 에폭시 좌우측 면으로 분산되었으며, 이러한 패턴은 Fig.
8과 같이 시험을 위한 1개의 시편은 2개의 코어를 필요로 한다. 코어를 지그에 고정시킨 시편을 호남선 A 현장 4개(중앙 2, 차륜부 2), 당진영덕선 B현장 3개(중앙 1, 차륜부 2) 제작하였다.
현장재료 시험을 위한 시편은 호남선과 당진영덕선의연구용 고속축중기 설치 구간에서 채취하였다. 두 지점 모두 개질 SMA 재료를 표층으로 사용하고 있으며, 고속축중기의 아스팔트 포장 적용을 검토하기 위한 시험시공 구간이다.
현장코어는 차로의 중앙과 차륜부에서 채취하였다. Fig.

이론/모형

시험 방법은 KS F2374에 의거하여 실시하였고, 이를 통해 최대 변형량과 동적안정도를 산출하였다. 시험 전에 시편을 항온실에 넣어 시편 중심의 온도를 60±0.

성능/효과

1. 실내시편에 대한 동적안정도 시험 결과, 소성변형 저항성은 반강성 재료 > 개질 SMA > 배수성 재료 순으로 나타났다.
2. 현장코어에 대한 동적안정도 시험 결과, 두 현장의 개질 SMA 재료 모두 동적안정도 기준(2,500회/mm)을 초과하여 소성변형 측면에서 양호한 것으로 분석되었다.
4. 고속축중기 센서 설치 시 사용되는 에폭시의 내구성 및 아스팔트 재료와의 적합성을 검토한 결과, 에폭시 자체의 내구성과 아스팔트 재료와의 접착은 양호한 것으로 분석되었다.
현장에서 코어(직경 150mm)를 채취하여 실내에서 동적안정도 시험을 실시하였다. A현장과 B현장의 아스팔트 표층은 개질 SMA로 같은 혼합물이며, 두 현장 모두 동적안정도와 소성변형량에서 유사한 평가 결과가 도출되었다. 코어를 채취한 중앙부와 차륜부 재료의 소성변형 저항성에 큰 차이가 없는 것으로 나타났다.
Table 2에 나타난 실내시편 시험 결과를 통해 반강성포장의 소성변형 저항성이 가장 높게 나타났다. 공극이 20% 이상인 배수성 포장에 시멘트 밀크를 주입하여 제작한 반강성 포장의 시편은 강도와 내구성 측면에서 개질 SMA와 배수성 포장보다 좋은 결과가 도출된 것으로 판단된다.
또한 개질 SMA와 배수성 포장은 반강성 포장에 비해 상대적으로 낮으나 고속도로 전문시방서(2012)에 제시된 신설 포장의 각 재료별 동적안정도 기준인 3,000회/mm보다 2배 이상 높은 결과가 도출되었다. 이를 통해 세 가지의 재료가 모두 충분한 소성변형 저항성을 가진 것으로 판단된다.
실내시편에 대한 동적안정도 시험 결과, 소성변형 저항성은 반강성 재료 > 개질 SMA > 배수성 재료 순으로 나타났다. 또한 모든 재료가 고속도로 전문시방서에 제시된 동적안정도 기준(SMA 포장 2,500회/mm,배수성 포장 3,000회/mm)을 초과하는 결과를 보여 소성변형 측면에서 양호한 것으로 분석되었다.
Table 3의 현장코어 시험 결과와 비교해 보았을 때, 기준의 2배 이상으로 동적안정도 값이 높게 나타났다. 이러한 결과로 보아, 개질 SMA 포장의 소성변형 저항성이 일반 SMA 포장보다 높은 것을 확인할 수 있었으며 개질 SMA 포장에 고속축중기를 적용하는데 소성변형 측면에서 양호할 것으로 판단된다.
A현장과 B현장의 아스팔트 표층은 개질 SMA로 같은 혼합물이며, 두 현장 모두 동적안정도와 소성변형량에서 유사한 평가 결과가 도출되었다. 코어를 채취한 중앙부와 차륜부 재료의 소성변형 저항성에 큰 차이가 없는 것으로 나타났다.
TTI에서는 고속축중기 설치 대상구간의 아스팔트 포장으로 SMA를 검토하였는데, 이를 위해 여러 곳의 코어를 채취하여 현장재료의 내구성을 비교하였다. 휠 트래킹 시험 결과, PG 76-22 바인더를 사용한 모든 현장의 재료가 20,000회의 차륜하중에도 12.5mm 이하의 소성변형이 발생하여 통과횟수 기준을 만족하였다고 언급하였다.

후속연구

현재 국내에서 권장되는 포장형식은 콘크리트 포장으로, 이러한 배경에는 포장의 내구성뿐만 아니라 센서를 통해 수집되는 신호의 균질성과도 관련이 있다. 따라서 향후 아스팔트 포장에 실제로 적용을 하기 위해서는 온도에 민감한 아스팔트 포장 내 WIM 센서 신호에 대한 분석이 필요하다. 이러한 과정을 통해 고속축중기의 적용범위를 넓히고 안정적인 운영을 위한 의미있는 연구가 될 것으로 판단된다.
따라서 향후 아스팔트 포장에 실제로 적용을 하기 위해서는 온도에 민감한 아스팔트 포장 내 WIM 센서 신호에 대한 분석이 필요하다. 이러한 과정을 통해 고속축중기의 적용범위를 넓히고 안정적인 운영을 위한 의미있는 연구가 될 것으로 판단된다.

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	한국도로공사는 어떤 근거로 과적 차량을 규제를 하고 있는가?	고속도로의 구조물 보호 및 차량 통행의 안전을 위해 한국도로공사는 도로법 제 77조 및 시행령 제 80조 2항에 근거하여 고속도로에 진입하는 차량의 중량을 측정할 수 있는 다양한 단속 장비들을 도입하여 과적 차량을 규제하고 있다. 저속축중기를 비롯한 이동식축중기, 계중기 등 단속 장비들은 고속도로의 역사와 함께 기술적으로 끊임없이 발전해왔다.
	향후 아스팔트 포장에 실제로 적용을 하기 위해 온도에 민감한 아스팔트 포장 내 WIM 센서 신호에 대한 분석이 필요한 이유는?	본 연구는 고속축중기의 적용을 위해 재료의 내구성 측면에서 실험을 통해 분석하였다. 현재 국내에서 권장되는 포장형식은 콘크리트 포장으로, 이러한 배경에는 포장의 내구성뿐만 아니라 센서를 통해 수집되는 신호의 균질성과도 관련이 있다. 따라서 향후 아스팔트 포장에 실제로 적용을 하기 위해서는 온도에 민감한 아스팔트 포장 내 WIM 센서 신호에 대한 분석이 필요하다.
	고속축중기 시스템의 센서 구성은 어떻게 되어있나?	1과 같다. 센서 구성은 축중센서(Piezo quartz), 루프센서, 차륜위치판독센서(PVDF)로, 축중센서는 차량의 하중에 의한 포장체의 변형량을 측정하여 하중으로 변환한다. 또한 루프센서는 차량의 진출입을 감지하고, 차륜위치판독센서는 통과하는 차량의 차선 내 횡방향 이동을 감지하는 기능을 한다.

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