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Ⅰ. 개 요

1. 도로포장은 연성포장인 아스팔트 포장과 강성포장인 콘크리트포장으로 구분.

2. AP포장은 Con'c포장에 비해 시공성 및 주행성면에서 많은 장점을 지니고 있으나, 최근 차량의 대형화, 교통지체, 온도상승 등으로 심각한 소성변형의 문제가 발생 내유동성 및 내구성이 우수한 AP혼합물이 절실히 요구되고 있다.

3. 과거 아스팔트 포장에서의 변형문제는 포장층 각층의 침하문제로 해석되었으나, 현재는 아스팔트 혼합물의 유동성에 의한 소성변형 문제가 주요 원인으로 부각.

4. AP혼합물의 물성을 향상시키는 방법으로는,

가. 개질재를 사용하는 방법

: 기존 아스팔트의 단점인 소성변형, 균열등의 문제점을 개선하기 위하여 각종 혼화재(개질재)를 첨가하는 아스팔트 포장

※ 개질재(Modifer) : 필터, 고무, 플라스틱, 섬유 촉매제 등

나. 골재 맞물림 효과를 증진시키는 방법(SMA포장)

: AP자체이 성능개선보다는 골재간 맞물림효과를 극대화하여 중차량에 대한 밀림(소성변형)을 최소화하고, 균열방지를 위해 천연섬유를 첨가한 AP혼합물 등의 방법이 있으며,

5. 여기서는 현재 국내 적용성이 우수한 것으로 평가되고 있는 SMA포장의 특성, 재료의 품질기준, 외국의 적용현황에 대하여 알아보고자 한다.

Ⅱ. SMA (Stone Mastic Aasphalt) 포장

1. 정 의

: 골재간 맞물림효과를 최대로 하여 소성변형의 발생을 최소화하고,

AP혼합물에 천연섬유를 첨가하여 골재의 탈리 및 균열을 최소화한 아스팔트 혼합물

2. 특 성

가. 고온 및 중차량조건에서 소성변형에 대한 저항력 우수

나. 섬유소의 역활로 균열발생 및 골재 탈리현상 최소화

다. 표면 피륙조직이 거칠기 때문에 마찰저항성 우수

라. 소음감소효과

마. 기존포장보다 공용수명 연장(2-3배) 기대

3. 생산 및 시공

가. 일반 혼합물과 동일.

나. 단 전압시 타이어 로울러는 사용 안함.

Ⅲ. 재료의 품질기준

1. 아스팔트 : AP-5 사용(침입도 등급 60～70)

2. 골재

가. 굵은 골재 : 마모감량 30%이하의 것 사용

나. 잔골재 : 자연 모래 사용 않함.

3. 섬유 첨가재

가. 식물성 섬유(셀룰로오스) + 일정량 아스팔트 = 낱알 형태로 생산한 것을 사용.

나. 섬유 투입량 : 혼합물 무게의 0.3%를 표준

4. 혼합골재의 입도기준

: 공칭최대치수 - 13mm

5. 일반 AP혼합물과의 품질기준 비교

Ⅳ. SMA 적용현황

1. 독 일

가. 1968년 처음 개발

나. 1984년 독일의 표준포장공법으로 채택

다. 유럽전역에 이 공법이 적용되고 있으며,

라. 시공실적으로는 유럽지역에서만 약 160,000,000㎡가 기시공 되었음.

2. 미 국

가. 1990년 연방도로청 차원에서 도입.

나. 1994년말 현재 20개주 이상에서 SMA 공법을 도입하여 사용중에 있음.

3. 우리나라

가. 1992년 SMA공법의 국내적용방안에 대한 연구 시작

나. 1995년 남해고속도로(양산-구포간 1공구), 경부선(하, 57km)에 시험시공되었으며,

다. 1997년 중앙설계심의위원회를 통과, 현재 설계 및 현장에 확대적용되고 있다.

Ⅴ. 결 론

1. SMA포장은 종전 밀입도AP콘크리트(WC-3)와 비교해 볼때

가. 경제성측면에서는 불리하게 작용되나,

나. 공용성 및 내구성에 대한 평가 결과

- 중차량에 의한 소성변형의 저항성이 크고

- 내구성이 우수한 것으로 평가되고 있으며,

2. 확대적용을 위해서는 다음사항들이 검토되어져야 한다.

가. SMA포장의 초기공사비가 일반 WC-3에 비하여 75%가량 고가이므로,

유지관리비용을 감안한 수명-주기비용(LCC)에 대한 비교검토 필요

나. SMA포장 적용구간을 위한 조건과 공사비 산정기준 마련

다. SMA포장단면 설계를 위한 상대강도계수(ai)값 제시

Ⅰ. 개 요

1. 도로포장은 연성포장인 아스팔트 포장과 강성포장인 콘크리트포장으로 구분된다.

2. 아스팔트포장은 콘크리트포장에 비해 시공성 및 주행성에서 많은 장점을 지니고 있으나, 최근 차량의 대형화, 교통지체, 온도상승 등으로 심각한 소성변형의 문제가 발생하고 있어, 내유동성 및 내구성이 우수한 혼합물이 절실히 요구되고 있다.

3. 과거 아스팔트 포장에서의 변형문제는 포장층 각층의 침하문제로 해석되었으나, 현재는 아스팔트 혼합물의 유동성에 의한 소성변형 문제가 주요 원인으로 부각

4. 아스팔트 포장의 소성변형은 공용개시후 1-2년 정도에 주로 발생하며, 그 후 공기 및 자외선과의 접촉으로 산화가 진행되어 피로균열이 발생된다.

5. 따라서, 아스팔트포장의 파괴를 방지하기 위해서는 공용개시 초기의 내유동성과, 공용 후기의 균열저항성이 높은 포장단면이 되도록 개선

Ⅱ. 소성변형 발생요인

1. 아스팔트의 종류(침입도, 점도)

2. 아스팔트 포장 물성의 계절별 변화

3. 아스팔트 혼합물의 공극율

4. 골재의 입도

5. 아스팔트의 산화특성

Ⅲ. 아스팔트 혼합물의 특성

1. 아스팔트 종류

가. 포장용으로 주로 사용되는 AP : 침입도 기준 AP-3, AP-5 2종류

나. 우리나라의 년중 AP포장층 최고온도(66℃) 를 감안할 때,

다. (미)SHRP 연구성과인 공용성등급 PG64-22, PG76-22규격이 적합하나,

PG76-22규격에 부합되는 AP는 국내에서 생산되고 있지 않음.

2. 아스팔트포장 물성의 계절별 변화

ㅇ탄성계수 추정(Franklin식 이용)

: 여름철에 기층의 탄성계수가 표층의 탄성계수 보다 높다.

3. 아스팔트 혼합물의 공극률

가. 공극의 역할

: 온도상승시 아스팔트의 팽창부피를 흡수하여 여유 공간적 기능 담당

나. 공극 미확보 ⇨ 온도상승시 AP 블리딩현상 및 골재의 윤활작용으로 소성변형 가속

다. 따라서, 배합설계시 공극율을 5％이상 확보하고,

최종 공극율(공용 1-2년후)이 3％이상이 되도록하여 소성변형 최소화

4. 골재의 입도

가. 차량하중에 대한 전단저항은 주로 5㎜이상의 골재가 담당

나. 따라서, No.4(4.75㎜)체 이하 골재의 사용을 가능한 최소치 적용.

5. 아스팔트의 산화특성

가. AP 표층 상부

: 공기(산소) 및 자외선과의 접촉으로 산화가 이루어져 경화(노화)됨.

나. AP 표층 하부(3㎝이하)

: 산화의 진행이 거의 일어나지 않음.

Ⅳ. 소성변형 최소화 방안

1. 표 층

가. 두 께

: 고온에서 기층의 탄성계수가 표층의 탄성계수가 크므로

⇨ 소성변형 취약부위 최소화(표층두께 : 10cm→ 5cm)

내유동성이 상대적으로 높은 중간층 도입.

나. 아스팔트 종류 변경

: 고온에서 소성변형에 대한 내유동성이 우수한 AP사용 (AP-3 → AP-5)

다. 공극율 확보

- 아스팔트 혼합물 배합설계시 공극율 5％ 확보

- 최종 공극율(공용 1-2년후)이 3％이상이 되도록

라. 골재입도 조정

: No.4(4.75㎜)체 이하 골재의 사용을 시방 범위내에서 가능한 최소치를 적용

마. AP함량

: 최적AP함량 결정시 가능한 6％이하가 되도록

2. 중간층

가. 두 께 : 6cm를 표준으로 함.

나. 아스팔트 : AP-5사용(침입도 60-70)

다. 골재입도 : No.4(4.75㎜)체 통과 골재량을 시방기준의 중간치 이하로 조정

라. AP 함량 : 6％이하 (5-5.6％이내 권유)

3. 시공시기

가. 가능한 가을철에 시공하고, 6-8월의 시공은 피할 것.

나. 소성변형 주 발생 계절인 하절기 도래시까지 충분한 산화기간 확보

4. 포장단면 개선(안)

- 대표적인 단면을 기준으로 검토한 것임.

- AP기층 : (총포장두께 - 표층·중간층·보조기층 소요두께)

Ⅴ. 결 론

1. 앞에서 제시한 포장단면의 구조개선(안)은

: 표층, 중간층, 기층의 아스팔트종류가 상이함에 따라,

- 혼합물 생산시 세심한 주의가 필요하고,

- 중간층 시공으로 공정추진 및 품질관리에 약간의 어려움이 예상되나,

- 소성변형 최소화를 기대할 수 있으며,

- 경제성 및 유지관리 측면에서도 현행 포장구조 보다 유리할 것으로 기대된다.

2. 이밖에 소성변형을 최소화하기 위한 방법

가. 개질재를 사용하는 방법

: 아스팔트의 단점인 소성변형, 균열등의 단점을 개선하기 위하여

각종 혼화재(개질재)를 첨가하는 아스팔트 포장

나. 골재 맞물림 효과를 증진시키는 방법(SMA포장)

: AP자체의 성능개선 보다는 골재간 맞물림효과를 극대화하여 중차량에 대한 밀림(소성변형)을 최소화하고, 균열방지를 위해 천연섬유를 첨가한 AP혼합물

3. 본 수검자가 고속도로 설계시공 감독 경험에 따르면 다음과 같은 문제점 개선이 필요

- 국내에서 생산되고 있는 아스팔트의 대부분은 공용성등급 PG 58-22에 포함되며,

- 이는 Ap-3와 Ap-5등 침입도 기준만으로 분류하고 있는 현 아스팔트 등급체계하에서는 적절한 품질관리가 이루어질 수 없다는 것을 의미하므로,

- 국내 환경조건에 맞는 공용성 등급의 온도간격 설정에 대한 분석이 필요하며,

- 아울러 공용성등급에 부합되는

국내 KS관련 품질기준 및 시험규정의 수립이 있어야 할 것이다.

Ⅰ. 개 요

1. 소성(Plasticity)은 탄성(Elasticity)의 대응 개념으로 물체를 변형 후 외력을 없애도 변형이 영구히 남는 성질을 말한다.

2. 아스팔트 포장의 소성변형은 여름철 고온에서 온도가 가장 높은 포장 표면이 차량 진행 방향을 따라 바퀴자국이 발생하는 Rutting을 말한다.

3. 우리나라의 소성변형은 대부분 불안정 소성변형으로 아스팔트 혼합물의 품질확보와 소성변형 방지 노력 및 연구가 시급하다.

Ⅱ. 소성변형 발생요인 및 문제점

1. 시공상의 원인

가. 다짐불량 및 과다짐으로 인한 공극률 부족

나. 불충분한 양생 및 40℃ 이상에서의 조기 교통개발

다. 노상, 기층 등의 침하

라. 택코팅 과다 사용

2. 교통하중에 의한 원인

가. 중차량 교통량 증가

나. 주행속도 느릴수록 소성변형 증가

3. 아스팔트 품질 원인

가. 국내 포장 사용 AP : AP-3, AP-5

나. 고온 및 저온에서의 아스팔트 거동 고려 못함

다. 우리나라 년중 AP포장 최고온도 66℃ 감안할 때

라. SHRP의 PG76-22 규격이 적합하나 PG76-22 규격의 AP는 국내에서 생산 못함

4. 골재 품질 원인

가. 부적절한 골재(자연 모래등), 입도조건의 골재 사용

나. Fillter 량의 과다, 과소 사용

5. 소성변형의 문제점

가. 포장의 조기 파손 : 잦은 유지보수 ⇒ 이용자 불편 증대

나. 수막현상(Hydroplaning) 발생

다. 차량의 조향성 불량 : 교통사고 원인 제공 (특히 소형차)

라. 기 타

1) 차량 수명 단축

2) 절삭 폐아스콘 ⇒ 환경문제와 처리비용 부담

Ⅲ. 소성변형 방지 대책

1. 시공상 대책

가. 현장다짐도 96% 이상, 공극율 8% 이하가 되도록 철저한 다짐

나. Finisher 속도 6m/min 이하 준수

다. 양생시간 엄수, 포장온도 40℃ 이하일 때 교통 개방

라. 하절기(6-8월) 시공 지양, 가급적 가을철에 시공 (충분한산화기간 필요)

2. 교통하중에 대한 대책

가. 오르막차로, 교차로 등에는 개질아스팔트 포장 적용

3. 아스팔트 품질에 대한 대책

가. 아스팔트 종류 변경 : AP-3 ⇒ AP-5

나. 공극율 확보 : 배합설계시 5% 확보, 최종공극율 3% 이상

다. AP 함량 6% 이하

라. 골재 입도 조정

1) No.4 번체 이하 골재 사용 : 시방 범위내에서 가능한 최소지 적용

2) 쇄석골재 사용 (자연모래 사용 억제)

4. 포장단면구조 개선

가. 표층 두께 최소화

1) 소성변형 취약 부위 최소화(두께 10cm⇒5cm)

2) 내유동성이 상대적으로 높은 중간층 도입

나. 중간층

1) 두께 : 5-10cm (재료에 따라)

2) 아스팔트 : AP-5 사용 (침입도 60-70)

3) 골재 : No.4번체 통과 골재량을 시방기준 중간치 이하

4) AP 함량 : 6% 이하

5. 새로운 시험방법 도입

6. 포장공법 활용

가. SMA 포장

1) 골재 맞물림 효과로 소성변형 최소화

2) 휠트랙킹시험 결과 : 동적안정도 4-11배 향상

나. 개질아스팔트

1) SBS 개질재 사용

2) 골재와 점착력 강화, 감온성 저하로 고온에서 내유동성 증대

3) 휠트랙킹 시험결과 : 동적안정도 30배

4) 초기 비용 고가이나, LCC 측면에서 경제성 유리

5) 보수주기 감소 등 전체적으로 유리

Ⅳ. 결 론

1. 아스팔트 포장의 소성변형 원인은 복합적이며, 가장 큰 발생원인은 아스팔트와 골재에 대한 선정 시험을 철저히 하고 배합설계 초기단계에서 철저한 품질관리 실시

2. 배합설계 시험 방법은 선회다짐시험방법 적용이 바람직.

3. 배합설계시 고온의 소성변형과 겨울철 저온균열을 동시에 고려하는 것이 중요함.

4. 소성변형 방지를 위하여 SMA 포장, Superpave 설계법 도입, 개질 아스팔트 사용 등을 적극 검토.

5. 해외 연구 사례 (영국)

- 영국에서 수행된 최근 연구에 의하면 아스팔트층 두께가 18cm 이상인 경우 포장 표면 소성변형은 단면 두께와 거의 무관.

- 대부분 소성변형은 아스팔트 표층, 바인더 층의 소성흐름에 기인함.

6. 표층과 기층의 배합설계 기준에 골재 간극률(VMA) 기준이 추가되어야 한다.