[논문]미국의 포스트텐션 콘크리트 포장 사례와 연구개발 방향

김동호; 배종오; 김기헌; 이봉학; 김성민; 원문철

문제 정의

따라서 본 논문에서는 국내의 콘크리트 포장에 대한 문제를 해결하고 설계수명 40년 동안 유지보수 없이 서비스가 가능한 포스트텐션 프리스트레스트 콘크리트 포장(Post-Tensioned Prestressed Concrete Pavement; 이하 PTCP라 함) 형식에 대하여 미국의 사례를 조사한 후 현재의 기술수준을 종합 분석하므로서 향후 국내의 콘크리트 포장형식으로서 적용하기 위한 연구개발 방향을 제시하고자 하였다.
본 논문에서는 미국의 포스트텐션 콘크리트 포장사례를 조사하고 연구개발 방향을 설정하기 위하여 3개 현장에 대하여 조사를 수행하고 설계 및 시공에 대한 검토를 수행하여 다음과 같은 결론을 도출하였다.
이상과 같이 본 연구에서는 미국의 포스트텐션 콘크리트 포장사례에 대한 자료를 수집하고 현장조사를 통하여 향후 연구개발 방향에 대하여 검토하였다. 국내의 도로 포장 상황은 산업화의 급격한 발전으로 도로연장의 증가율에 비하여 교통량이 폭발적으로 증가됨에 따라 광범위한 도로 포장 파손이 발생되고 있기 때문에 이에 대한 근본적인 대안 마련이 시급한 실정이라 할 수 있다.
이와 같이 미국은 오래전부터 프리스트레스트 콘크리트 포장에 대한 연구와 건설을 지속적으로 추진하여 왔으며 현재까지도 광범위한 건설을 추진하고 있다. 이에 본 연구에서는 공용년수 20년이 경과된 펜실베니아주의 US220 고속도로, 23년이 경과된 텍사스의 IH-35 고속도로, 32년이 경과된 미시시피의 US84 고속도로 현장을 조사하여 공용성을 평가하였다. 공항포장에 대한 현장조사도 계획하였으나 현지의 엄격한 보안 문제로 인하여 이루어지지 못하였다.

제안 방법

텍사스 현장은 폭이 38ft로서 횡방향 텐던이 동시 배치되고 1차선 17ft와 2차선 21ft가 분리시공 되었다. Outside shoulder에서 총 연장 1마일을 정밀조사하였다. 조사결과 1차선의 포장상태는 파손이 전혀 없을 정도로 매우 양호하였으며, 2차선과 Outside shoulder는 스트레싱 포켓부에서 발생된 종방향의 균열이 발생되었으나 이 또한 균열폭이 매우 미소하여 서비스에 아무런 영향을 미치지 않는 것으로 보였다.
현장은 IH-99와 US220이 병행 사용되는 Northbound로 교통량이 적지 않으면서 중차량의 통행이 빈번한 도로였다. 현장조사는 육안에 의한 외관조사와 차량주행에 의한 조인트에서의 승차감 및 소음정도를 관찰하는 것으로 수행하였다. 펜실베니아는 겨울이 11월부터 4월까지로 눈이 내리기 때문에 제빙염을 많이 사용하고 있는 것으로 파악되었으나 제빙염에 의한 콘크리트의 표면열화나 조인트의 부식은 발견되지 않았다.

대상 데이터

이 현장에 건설된 프리스트레스트 콘크리트 포장은 7인치 두께로 폭 24ft의 60개 슬래브로 건설되었다. 슬래브는 길이는 400ft로 396ft의 주 슬래브와 4ft의 Gap슬래브 방식으로 건설되었으며 콘크리트는 7일에 3000psi, 28일에 3750psi의 강도를 발현하는 Class AA가 사용되었고, PC강선은 7연선 저릴랙세이션 강재로서 직경 0.6인치의 강선이 18인치 간격으로 총 15개가 사용되었다. <표 1>은 본 현장의 포장구조를 나타낸 것이다.
펜실베니아 주의 Blair County에 위치한 US220 고속도로 현장은 1988년 11월11일부터 18일사이 총 연장 2마일을 건설하였다. 이 현장에 건설된 프리스트레스트 콘크리트 포장은 7인치 두께로 폭 24ft의 60개 슬래브로 건설되었다. 슬래브는 길이는 400ft로 396ft의 주 슬래브와 4ft의 Gap슬래브 방식으로 건설되었으며 콘크리트는 7일에 3000psi, 28일에 3750psi의 강도를 발현하는 Class AA가 사용되었고, PC강선은 7연선 저릴랙세이션 강재로서 직경 0.
이 현장은 1985년 9월17일~11월20일 사이에 텍사스 주 Waco에 위치한 IH-35 고속도로상에 건설되어 현재까지 약 23년 정도 공용되고 있다. 총 연장 1마일의 2차선으로 길이가 각각 240ft인 슬래브 18개와 440ft인 슬래브 14개가 건설되었다. 슬래브의 두께는 6인치이며 그 아래 폴리에틸렌 쉬트와 4인치의 아스팔트가 시공되어 있다.
미시시피에 건설된 PTCP 현장은 1976년 Brookhaven에 위치한 US84 고속도로상에 건설되었다. 총 연장은 2.5마일이며 폭 24ft의 양방향 총 4차선으로 건설되었고 슬래브는 450ft의 길이로 총 58개가 건설되었다. 슬래브의 두께는 6인치였으며 2겹의 폴리에틸렌 쉬트가 설치되고 4인치의 보조기층이 아스팔트로 시공되었다.
펜실베니아 주의 Blair County에 위치한 US220 고속도로 현장은 1988년 11월11일부터 18일사이 총 연장 2마일을 건설하였다. 이 현장에 건설된 프리스트레스트 콘크리트 포장은 7인치 두께로 폭 24ft의 60개 슬래브로 건설되었다.
현장조사는 2008년 6월 17일 오후에 수행하였다. 현장은 IH-99와 US220이 병행 사용되는 Northbound로 교통량이 적지 않으면서 중차량의 통행이 빈번한 도로였다.

성능/효과

1) 현장조사에서 나타난 과도한 형태의 파손원인은 포장 배수 불량으로 지반의 지지력이 약화되어 나타난 현상으로 추정되었다. 따라서 40년 이상 장기 서비스되기 위해서는 포장 하부구조의 문제가 발생되지 않도록 사전 방지하는 것이 필요할 것으로 판단된다.
4) 미시시피 현장조사 결과 동일구간 PTCP와 CRCP의 사례를 비교할 때 설계수명의 극대화 및 양질의 서비스를 제공할 수 있는 우수한 기술로 판단되며 초기 건설비용은 다소 높아질 수 있으나 장기 공용성과 유지보수 비용을 감안할 때 생애주기비용에서 경제적 기술로 정착 가능할 것으로 판단된다.
5) 유럽과 미국 등 선진외국에서는 이미 오래전부터 PTCP를 적용하여 공항 및 도로포장을 건설하여 왔으며 미국의 사례와 현장조사를 수행한 결과 본 기술은 최소 40년 이상 유지보수 없이 서비스 될 수 있는 우수한 콘크리트 포장 방법이라 판단된다.
또한 일부 구간에 심각한 횡방향 균열이 발생한 부분과 포장 배수 불량에 따른 노반의 침하로 인하여 크게 파손된 부분을 제외하고는 전반적인 상태는 매우 우수하였다. 또한 동일한 시기에 CRCP와 PTCP가 동시에 건설되어 두 형식간의 공용성 차이를 확인할 수 있었다. CRCP 구간의 경우 횡방향의 균열이 2～3ft 간격으로 발생되어 있으며 균열폭이 과도하여 대부분의 균열이 스폴링으로 진전되고 있어 조속히 재포장해야 될 것으로 판단되었다.
현장조사 결과 종방향의 균열이 일부 관찰되었으나 균열폭이 미소하여 전반적인 공용성에는 영향이 없는 것으로 평가되었으나, 40년의 장수명을 보장하기 위하여 종방향균열을 해결하기 위한 횡방향 텐던의 설계와 초기의 품질관리가 필요할 것으로 판단되었다. 일부의 조인트에서의 실링재가 파손되어 소음과 승차감 저해의 요인으로 작용하였으나 전반적인 승차감은 매우 우수하였다. 펜실베니아는 설계와 시공에 관한 세심한 노력을 기울여 왔던 것으로 평가되며 20년이 경과된 지금 일부 종방향 균열을 제외하면 아주 훌륭한 포장상태를 유지하고 있었다.
펜실베니아는 설계와 시공에 관한 세심한 노력을 기울여 왔던 것으로 평가되며 20년이 경과된 지금 일부 종방향 균열을 제외하면 아주 훌륭한 포장상태를 유지하고 있었다. 전반적으로 포장상태는 매우 양호하였으며 횡방향 텐던이 배치되지 않아 발생된 것으로 추정되는 종방향 균열과 조인트에서의 실링재 파손이 방지된다면 상당히 오랜 기간 동안 유지보수 없이 서비스가 가능할 것이라 판단되었다.
Outside shoulder에서 총 연장 1마일을 정밀조사하였다. 조사결과 1차선의 포장상태는 파손이 전혀 없을 정도로 매우 양호하였으며, 2차선과 Outside shoulder는 스트레싱 포켓부에서 발생된 종방향의 균열이 발생되었으나 이 또한 균열폭이 매우 미소하여 서비스에 아무런 영향을 미치지 않는 것으로 보였다. 텍사스에서 사용한 조인트는 아모조인트로 실링재가 탈리되어 파손된 부분이 많았으며 이 부분에서 소음은 느껴졌으나 전반적인 승차감은 양호하였다.

후속연구

2) 펜실베니아와 미시시피 현장조사에서 나타난 종방향 균열을 방지하기 위해서는 횡방향 프리스트레스에 대한 정확한 설계가 수행되어져야 할 것으로 판단되며 텍사스의 경우 인장포켓부에서 발생되는 균열을 방지할 수 있는 방안이 연구되어져야 할 것으로 판단된다.
3) 승차감과 소음을 개선하기 위해서는 조인트의 설계가 매우 중요할 것으로 판단되며 40년 이상 내구성 있는 포장이 되기 위해서 콘크리트의 재료개발에 대한 연구가 수행되어져야 할 것으로 판단되었다.
둘째 최소 40년의 기간 동안 서비스되기 위해서는 콘크리트의 내구성이 뒷받침되어야 할 것으로 판단된다. ASR과 같은 현상을 사전 예방하고 동결-융해, 표면마모, 스케일링 등에 저항성을 가지는 고내구성의 재료가 개발되어야 할 것이다. 셋째 조인트에서의 소음과 파손이 방지되는 내구적인 조인트시스템의 개발이 필요할 것으로 판단된다.
첫째 종방향의 균열과 파손을 방지하기 위해서는 횡방향 텐던의 설계가 매우 중요할 것으로 판단되기 때문에 정확한 해석에 기초하여 경제적이고 구조적으로 완성된 기술로 개발해야 할 것이다. 둘째 최소 40년의 기간 동안 서비스되기 위해서는 콘크리트의 내구성이 뒷받침되어야 할 것으로 판단된다. ASR과 같은 현상을 사전 예방하고 동결-융해, 표면마모, 스케일링 등에 저항성을 가지는 고내구성의 재료가 개발되어야 할 것이다.
ASR과 같은 현상을 사전 예방하고 동결-융해, 표면마모, 스케일링 등에 저항성을 가지는 고내구성의 재료가 개발되어야 할 것이다. 셋째 조인트에서의 소음과 파손이 방지되는 내구적인 조인트시스템의 개발이 필요할 것으로 판단된다.
첫째 종방향의 균열과 파손을 방지하기 위해서는 횡방향 텐던의 설계가 매우 중요할 것으로 판단되기 때문에 정확한 해석에 기초하여 경제적이고 구조적으로 완성된 기술로 개발해야 할 것이다. 둘째 최소 40년의 기간 동안 서비스되기 위해서는 콘크리트의 내구성이 뒷받침되어야 할 것으로 판단된다.
펜실베니아는 겨울이 11월부터 4월까지로 눈이 내리기 때문에 제빙염을 많이 사용하고 있는 것으로 파악되었으나 제빙염에 의한 콘크리트의 표면열화나 조인트의 부식은 발견되지 않았다. 현장조사 결과 종방향의 균열이 일부 관찰되었으나 균열폭이 미소하여 전반적인 공용성에는 영향이 없는 것으로 평가되었으나, 40년의 장수명을 보장하기 위하여 종방향균열을 해결하기 위한 횡방향 텐던의 설계와 초기의 품질관리가 필요할 것으로 판단되었다. 일부의 조인트에서의 실링재가 파손되어 소음과 승차감 저해의 요인으로 작용하였으나 전반적인 승차감은 매우 우수하였다.

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