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문제 정의
- 본 연구에서는 배수성 포장 형식과 투수성 포장형식의 성능을 비교평가하기 위해 공용기간(Month) 및 포장 형식에 따른 성능 변화율을 산정했다. 소음 및 투수 성능에 대한 비교평가는 배수성포장을 기준으로 삼았으며, 강도에 대한 비교평가는 투수성 포장을 기준으로 했다.
- 본 연구에서는 시험시공을 실시하기 위해 한국형 포장설계프로그램을 활용하여 충청남도 아산에 위치한 현장을 중심으로 포장설계를 실시했다. Fig.
- 이와 관련하여 본 연구에서는 아스팔트포장 구조형식 중 우수를 처리하기 위한 목적으로 시공되는 저소음-배수성포장 구조와 투수성포장 구조의 성능을 평가하는 것에 그 목적을 두고 있다.
- 이와 관련하여 본 연구에서는 우수를 투과시키는 면에서 우수한 배수성 포장과 투수성 포장에 대해 성능평가를 실시하였다.
제안 방법
- 결정한 골재 배합은 혼합물에 의한 흐름 시험으로부터 아스팔트 함량을 설정한 후 밀도, 칸타브로, 휠 트래킹 시험을 실시하여 최적 아스팔트 함량을 결정했다. 추정 아스팔트 함량은 경험에 따른 방법과 결정식을 사용하는 방식 중 경험에 의한 방법으로 5.
- 공극률이 높은 저소음-배수성 포장을 하부 아스팔트 포장과 접착시키는 경우, 보다 높은 접착성을 발휘하기 위해 일반 유화 아스팔트가 아닌 개질제가 첨가된 아스팔트 택코트를 아스팔트 디스트리뷰터를 사용하여 적용했다. Fig.
- 한국형 포장설계에서는 이 등급을 교통량으로 나누며, AADT 7,000대 이하의 3등급 포장은 그 구조결과를 카달로그 결과로 부터 도출한다. 그러나 본 연구에서는 7,000대 이하의 3등급도로이지만, 2등급 도로 설계의 새로운 물성을 입력변수로 활용한 대안을 추가적으로 설계했다. 한국에서는 교통량에 따라 3등급의 카탈로그 설계를 실시하는 경우, 중간층의 부재가 발생한다.
- 이와 관련하여 본 연구에서는 배수성포장 구조형식과 투수성포장 구조형식에 대해 이론적인 특성을 파악하고, 이를 바탕으로 실제 3가지 형식(투수성포장구조, 배수성포장구조, 일반 포장구조)으로 구분하여 포장 설계 및 시험시공을 실시했다. 또한, 3가지 형식 포장에 대한 현장시험(소음도, 강도 및 투수성)을 실시하여 공학적인 성능을 비교분석했다.
- 이와 관련하여 도로포장 성능을 평가하기 위한 현장시험으로 소음도 측정시험, 강도시험, 투수성시험으로 구분하여 실시했다. 또한, 교통개방 3개월 동안 본 포장 형식에 대한 시험을 반복적으로 실시함으로써 교통개방 후 공용기간에 대한 영향성을 평가했다.
- 굵은 골재는 쇄석으로 구성되며, 5mm체에 남는 골재에서 편평한 골재를 10% 이상 함유하지 않아야 한다. 또한, 저소음-배수성 포장에서 굵은 골재의 역할은 공극을 발휘하는 것에 영향을 미치기 때문에 본 포장의 합성입도를 용이하게 맞추기 위해 직경 2mm~5mm 골재를 별도로 관리했다. 또한, 채움재는 함수비가 1％ 이하인 것을 사용토록 했다.
- 본 시험포장구간은 일반 밀입도 포장, 배수성 포장, 투수성 포장의 총 3가지 포장 구조형식으로 구성된다. 이 포장 구조형식은 같은 포장두께 및 노상층을 두어 시공되었으며, 보조기층 역시 같은 입상재료를 사용하여 포설 및 다짐을 실시했다.
- 본 연구에서는 교통개방 후 투수성능을 평가하기 위해 안전성 및 편의성을 고려하여 소형 현장 투수시험기를 사용했다. 본 연구에서 사용한 투수시험기는 일정량의 물이 포장층을 통해 빠져 나가는 시간을 측정하여 포장에 대한 투수성능을 평가한다. 본 연구에서는 400ml의물이 모두 통과하는 시간을 측정했으며, 시험 전에 포장 층을 충분히 포화시키기 위해 5분동안 연속적으로 살수를 실시했다.
- 본 연구에서 사용한 투수시험기는 일정량의 물이 포장층을 통해 빠져 나가는 시간을 측정하여 포장에 대한 투수성능을 평가한다. 본 연구에서는 400ml의물이 모두 통과하는 시간을 측정했으며, 시험 전에 포장 층을 충분히 포화시키기 위해 5분동안 연속적으로 살수를 실시했다. Fig.
- 본 연구에서는 교통개방 후 투수성능을 평가하기 위해 안전성 및 편의성을 고려하여 소형 현장 투수시험기를 사용했다. 본 연구에서 사용한 투수시험기는 일정량의 물이 포장층을 통해 빠져 나가는 시간을 측정하여 포장에 대한 투수성능을 평가한다.
- 투수성 및 배수성 포장에 사용될 재료는 배합설계 및 실내시험 기준에 만족해야 한다. 본 연구에서는 마샬 다짐에 의해 아스팔트 혼합물을 제작하여 실내시험을 수행했으며, 이 결과로부터 혼합물의 최적아스팔트 함량을 구해 현장에 도입했다. Table 3은 플랜트 배합을 위한 투수성 아스팔트 혼합물의 품질기준을 나타낸다.
- 본 연구에서는 투수성 포장, 배수성 포장 및 일반 포장형식에 대해 시험포장을 실시하여 소음도, 강도 및 투수시험을 통해 각 포장 형식에 대한 성능을 비교 평가하였다. 그 결과 다음과 같은 결론을 내렸다.
- 본 연구에서는 배수성 포장 형식과 투수성 포장형식의 성능을 비교평가하기 위해 공용기간(Month) 및 포장 형식에 따른 성능 변화율을 산정했다. 소음 및 투수 성능에 대한 비교평가는 배수성포장을 기준으로 삼았으며, 강도에 대한 비교평가는 투수성 포장을 기준으로 했다. 이에 대한 함수식은 Eq.
- 현장의 포장층을 채취하여 실내시험을 실시하지 않고 포장의 강도를 시험할 수 있는 방법은 FWD(Falling Weight Deflectometer)를 사용하는 것이다. 시험구간은 교통이 개방된 구간으로서 현장에서 보다 빠르고 용이한 강도시험이 이루어져야하기 때문에 소형 FWD인 LFWD를 이용하여 강도측정을 실시했다. LFWD시험은 높이 75cm에서 자유낙하시킨 하중으로 인한 포장의 처짐량을 측정하여 동적탄성계수를 구하는 방법이다.
- 현장시험 전, 투수성포장 구조와 배수성포장 구조는 공극률을 가진 하부포장의 구조적인 성능이 다르기 때문에 도로 교통소음, 강도 그리고 투수성능에서 확연히 다를 것이라 판단했다. 이와 관련하여 도로포장 성능을 평가하기 위한 현장시험으로 소음도 측정시험, 강도시험, 투수성시험으로 구분하여 실시했다. 또한, 교통개방 3개월 동안 본 포장 형식에 대한 시험을 반복적으로 실시함으로써 교통개방 후 공용기간에 대한 영향성을 평가했다.
- 이와 관련하여 본 연구에서는 배수성포장 구조형식과 투수성포장 구조형식에 대해 이론적인 특성을 파악하고, 이를 바탕으로 실제 3가지 형식(투수성포장구조, 배수성포장구조, 일반 포장구조)으로 구분하여 포장 설계 및 시험시공을 실시했다. 또한, 3가지 형식 포장에 대한 현장시험(소음도, 강도 및 투수성)을 실시하여 공학적인 성능을 비교분석했다.
- 또한, 포장의 과도한 다짐은 포장층의 공극 및 골재상태에 영향을 미칠 수 있으며, 부족한 다짐은 혼합물의 조기 파손 및 탈리, 박리 현상을 발생시킬 수 있다. 이와 관련하여 적절한 다짐을 실시하기 위해 12톤 이상의 머케덤롤러와 8톤의 텐덤롤러 및 10톤 이상의 타이어롤러로 다짐을 실시했다. Table 6은 본 연구에서 사용한 바인더의 품질 기준 및 다짐 특성을 나타내며, Fig.
- 체가름시험 시 합성입도를 만족하며 공극률이 20±0.3%를 유지하는 배합을 결정하기 위해, 13mm, 10mm의 굵은 골재, 잔골재 및 채움재 배합비를 각각 31%, 45%, 20% 및 4%를 목표로 체가름을 실시했다.
- 최적 아스팔트 함량을 도출하고 혼합골재의 합성입도 기준을 만족하기 위해 체가름 시험을 실시했다. 체가름시험 시 합성입도를 만족하며 공극률이 20±0.
- 결정한 골재 배합은 혼합물에 의한 흐름 시험으로부터 아스팔트 함량을 설정한 후 밀도, 칸타브로, 휠 트래킹 시험을 실시하여 최적 아스팔트 함량을 결정했다. 추정 아스팔트 함량은 경험에 따른 방법과 결정식을 사용하는 방식 중 경험에 의한 방법으로 5.3%의 함량으로 아스팔트 바인더로 혼합물을 배합했다. 이에 대한 결과는 Table 5와 같다.
- 특수 마이크로폰으로 받아들여진 마찰 소음에 대한신호는 디지털신호처리와 주파수 분석의 일부인 FFT 및 CPB 분석을 통해 A-가중치 데시벨로 변환하여 포장 형식에 대한 성능을 비교 평가했다.
- 따라서, 현장의 연속배수처리를 위해 수로관을 L형 측구하부에 설치했다. 현장의 종단선형은 하향 구배로서 현장을 벗어난 구간의 V형 측구를 통해 배수를 계획하여 교량 시점 전의 횡배수관을 설계했다.
대상 데이터
- 저소음-배수성 아스팔트 혼합물은 다른 아스팔트 형식과 비교해 뚜렷한 성능을 가지고 있기 때문에 배합에 사용되는 재료의 품질기준을 명확히 만족해야한다. 배합에 사용되는 바인더는 PG 82-22로서, 프리 믹스된 개질 아스팔트 바인더를 사용했다. 잔골재는 0.
- 본 연구에서 적용한 아스팔트 투수층은 PG 82-22의 바인더를 사용하여 플랜트에서 생산한 뒤, 현장으로 운반하여 시험시공을 실시했다. 배수성표층을 시공하는 경우, 중요한 것이 아스팔트 품질 및 혼합물 다짐이라 할 수 있다.
이론/모형
- 시험시공에 사용한 재료는 한국규격기준에 준하는 것을 사용토록 했다. 본 연구에서 적용한 저소음-배수성 포장은 시험시공 전 혼합물의 배합설계에 의해 그 규격이 맞는 것을 사용토록 했다.
- 이와 관련하여 본 연구에서는 타이어와 노면사이에서 발생하는 마찰음과 관련된 포장형식에 따른 소음특성을 보다 정확하게 평가하기 위해 NCPX(Noble CloseProXimity)계측방법을 이용했다. NCPX는 타이어와 인접한 차량의 앞바퀴 휀다 패널에 특수 마이크로폰을 설치하여 보다 가까운 위치에서 마찰소음도를 측정할 수 있는 방법이다.
- 현장의 포장층을 채취하여 실내시험을 실시하지 않고 포장의 강도를 시험할 수 있는 방법은 FWD(Falling Weight Deflectometer)를 사용하는 것이다. 시험구간은 교통이 개방된 구간으로서 현장에서 보다 빠르고 용이한 강도시험이 이루어져야하기 때문에 소형 FWD인 LFWD를 이용하여 강도측정을 실시했다.
성능/효과
- 1. 투수성 포장과 배수성 포장 형식에 대한 강도를 비교한 결과, 투수성 포장에 비해 배수성 포장이 높은 강도를 갖는 것으로 나타났다. 그러나 공용 2개월 동안 배수성 포장의 강도 변화율이 가장 크게 나타났다.
- 2. 배수성 포장형식에 비해 투수성 포장형식의 소음도는 30km/h로 주행 시 2.2dB(A) 저감효과가 있는 것으로 판단했으며, 40km/h로 주행 시 2.6dB(A) 저감되었다. 또한, 일반 포장 형식과 대비해 투수성포장은 평균 5.
- NCPX시험 결과, 공용개시 후 2달까지 소음도가 증가되었으며, 투수성 포장 형식, 배수성 포장 형식, 일반포장형식 순서로 소음도가 적은 것으로 조사되었다. 강도 측정 결과로는, 공용개시 후 2달까지 배수성 포장 및 투수성 포장의 강도가 저하되었으며, 일반 포장의 경우 비슷하게 강도를 유지하는 것으로 나타냈다.
- NCPX시험 결과, 공용개시 후 2달까지 소음도가 증가되었으며, 투수성 포장 형식, 배수성 포장 형식, 일반포장형식 순서로 소음도가 적은 것으로 조사되었다. 강도 측정 결과로는, 공용개시 후 2달까지 배수성 포장 및 투수성 포장의 강도가 저하되었으며, 일반 포장의 경우 비슷하게 강도를 유지하는 것으로 나타냈다. 공용 개월에 따른 강도 변화율은 투수성 포장, 배수성 포장 및 일반 포장형식은 2달 동안 평균 각각 -20.
- 포장공학적으로 이러한 문제를 해소할 수 있는 형식으로 배수성 및 투수성포장 구조형식이 있으며, 이 포장구조형식은 공극을 통해 우수를 투과시킬 수 있는 특징을 공통적으로 가지고 있다. 그 중, 투수성 포장 구조형식은 다른 형식의 아스팔트 포장에 비해 아스팔트 층의 투수성을 증가시켰다는 점에서 우수를 처리하는데 가장 효과적이다. 그러나 한국에서는 낮은 강도와 지반교란으로부터 발생하는 문제 때문에 투수성포장 구조형식을 선호하지 않고 있다.
- 5와같이 배수성포장 보다 투수성포장에서 실제 투수층 영역의 두께가 크기 때문에 나타난 결과로 판단할 수 있다. 또한, 동일한 이유로 투수성능은 배수성 포장에 비해 투수성 포장이 약 1.58배 높은 성능을 보여 투수성능과 소음저감 성능이 보다 우수한 포장으로 나타났다.
- 6dB(A) 저감되었다. 또한, 일반 포장 형식과 대비해 투수성포장은 평균 5.2dB(A) 이상의 소음을 저감시켜 확연한 성능을 부각시켰다. 이러한 결과는 Fig.
- 그러나 공용 2개월 동안 배수성 포장의 강도 변화율이 가장 크게 나타났다. 이는 배수성 포장은 투수성 포장의 강도와 비교해 평균 1.2배 높은 것은 포장의 투수층 두께에 의한 것이라 판단했으며, 공용일수가 지남에 따라 강도차이가 줄어든다는 것을 알 수 있었다.
- 국내의 고속도로에서 사용되는 저소음-배수성 포장형식은 기존 배수성포장과는 다르게 SMA포장용 골재 이상을 사용하며, 연속배수시설을 함께 설치하여 그 효과를 증진시키고 있다. 한국도로공사의 연구결과에 따르면, 개발된 저소음-배수성 포장은 공극막힘 현상과 미끄럼저항성(SN)이 개선되고, 소음도가 기존 배수성포장에 비해 3.4dB(A) 저감되며, 투수성능을 월등히 높인 것으로 나타났다. Fig.
후속연구
- 차후 연구에서는 투수성 포장의 지반교란에 대한 문제를 해결하기 위해 지반조사를 실시할 예정이며, 투수층 두께로 인해 발생하는 강도 저하 문제를 해결하기 위해 코어를 통한 실내시험을 실시하여 투수성 포장의 적절한 두께를 도출할 예정이다.
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