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 포장의 파손 |
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 포장의 피로 누적 |
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포장(Pavement)이란 자동차나 기타 운송수단에 의해 전달되는 압력에 견디도록 설계된 한 층 또는 여러층의 다져진 재료이다. 도로는 본질적으로 움직이는 바퀴의 하중으로부터 전달되는 압력이 대지에 전달되는 메카니즘을 갖는데 이것이 효과적으로 기능하려면 균열이나 소성변형 등이 있어선 안된다. 도로 표면의 피로는 일반적으로 다음과 같은 형태를 보인다.
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| 포장의 파손 메카니즘 |
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포장은 다음그림처럼 변형(Deformation),피로(Fatigue),파괴(Disintegration)에 의해 파손된다.
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일반적 분석에 의하면 도로를 아예 재시공해야 하는지 아니면 표층만 다시 포장하면 되는지에 대한 열쇠는 포장 구조가 온전한지 아닌지에 달려있다. 관찰된 파손의 형태는 포장 구조의 온전성 상실 탓일 수도 있고 단지 표면 파손이나 접착력 상실 탓일 수도 있다.
구조적 파손은 설계 불량, 교통량 과소 평가로 인한 수명 단축, 배수 불량으로 인한 노상층의 연화나 스티프니스의 감소, 중차량의 과부하로 인한 설계 이상의 과도한 압력과 그럼으로 인해 생기는 굴절, 재료 불량 및 불량 시공 및 다짐으로 인한 설계 수치 미달 등의 탓이다. 이는 물론 표면도 파손시킨다.
파손은 표층과 포장체간의 접착력 불량과 관계 있기도 하다. 이는 결국 주름 균열과 같은 형태로 파손이 진행된다.
표면의 파손은 구조적 파손으로 인한 현상과 유사하게 보이지만 그 원인은 다르다. 일반적으로 그것은 노화나 마모와 같은 표면 영향, 부적합한 아스팔트 함량 등 설계 불량, 골재 불량, 시공 불량이나 교통 상황 측정 방법의 잘못 탓이다. 문제 해결을 위한 가장 간단하면서도 비용 절감 효과가 있는 방법을 찾는데 있어서 이러한 분류는 대단히 중요하다. 그래서 파손의 원인을 철저히 추적하는 것이 가장 적합한 보수방법을 찾는데 아주 중요한 것이다. 또한 잘못된 방법을 사용함으로써 문제를 더욱 악화시키지 않도록 하는 것도 중요하다.
구조적 파손이든 표면 파손이든 간에 파손 빈도를 줄이기 위해서는 파손의 진정한 원인을 찾아내는 것과 설계 뿐 아니라 재료나 시공상의 변경을 적극적으로 모색하는 것이 절대적으로 필요하다. 바로 그것이 전체 도로 체계를 향상시키는 포장의 유지 보수 정책인 것이다.
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| 일반 아스팔트 혼합물 포장 |
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| 아스팔트 혼합물 |
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아스팔트 혼합물은 균일하게 혼합되고 목적에 따라 선정된 아스팔트로 코팅된 광물성 골재의 결합체이다. 또한 뒤틀림 없이 교통 통행을 받쳐주기 위해 설계된 토목공학적인 재료이다. 그것은 또한 부순 자갈 포장 위에 부드러운 표면 코팅을한 것이기도 하다.
아스팔트 혼합물은 어떤 도로 표면에도 적용할 수 있으며 부가로 다음과 같은 장점을 갖는다.
- 왜곡된 포장체의 표면 보정
- 손상된 포장체의 구조적 강도 강화
- 전체 포장체 구조 형성
- 부드럽고 소음이 적고 미끄럼 저항 포장 표면 제공
- 재활용 가능
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| 아스팔트 혼합물의 종류 |
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다음의 요인들의 결합에 의해서 여러 가지 아스팔트 혼합물이 가능하다.
- 골재 입도 : 밀입도, 개립도(조립도), 갭입도
- 바인다의 종류 : Ap-3(pen85-100), AP-5(pen60-70)
- 적용 시방서
아스팔트 혼합물은 여러 가지 다른 골재 유형과 입도로부터 생산될 수 있다. 그것은 다음 요소들의 상대적인 함량에 기초하여 세분될 수 있다.
- 조골재 : 2.36㎜체 잔류 골재
- 세골재 : 2.36㎜체 통과 골재
- 광물성 더스트 및 채움재 : 75㎛체 통과
아스팔트 혼합물은 낮은 공극의 밀입도, 보다 높은 공극과 미끄럼 저항을 갖는 갭입도 및 개립도가 될 수도 있다. 또한 소음 감소나 표면 배수가 요구되는 지역에서의 장점인 높은 투수성을 갖는 혼합물일 수도 있다. 그것은 큰 골재와 많은 량의 채움재(SMA)로 구성될 수도 있고 폴리머나 고무아스팔트로 개질화되어 피로나 변형, 내구성을 증진시킬 수도 있다.
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| 아스팔트 포장의 파손 |
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| 공용성 확보 |
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아스팔트 포장의 공용성 확보와 최적의 역학적 특성을 발휘하기 위해서 혼합물은 설계한 대로 포설되야 한다. 즉, 혼합물은 적정 공극 수준(밀도)으로 다져져야 하며 나중에 차량 통행에 의해 추가로 다져지거나 하면 안된다. 평탄성과 종단면 같은 시공 요소들도 중요하다.
요구되는 역학적 특성은 혼합물 설계에 반영되고 원재료 및 적용의 제한 등이 혼합물 선정에 영향을 준다. 훌륭한 배합 설계와 재료의 선택만으로도 현재 문제가 되고 있는 소성변형 및 균열을 억제하거나 발생을 늦출 수 있다.
그러나 문제는 발생한다. 이는 변형, 균열, 파괴/표면파손이라고 하는 세가지 기본적인 파손이나 피로 형태와 관계 있다.
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| 아스팔트 포장의 파손 형태 |
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아스팔트 포장의 파손은 변형, 균열, 파괴에 의해 생기는데 이를 표면 파손, 접착 파손, 구조 파손으로 크게 다시 분류하면 다음 표와 같이 분류된다.
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아스팔트 포장의 파손 형태 분류
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파손분류 |
파손형태 |
파손원인 |
표면파손 |
라벨링 |
아스팔트
함량부족
노화로
인한 경화
물과
바퀴의 작용 |
블록균열
횡균열
종균열 |
노화로
인한 경화
저온
수축 |
밀림(shoving)
주름(corrugations) |
아스팔트
과다
부드러운
골재 사용 |
접착파손 |
주름균열(slippage
crack) |
접착
부족
너무
앏은 포장 표면
차량의
수평 하중 |
구조파손 |
피로균열 |
과도한
포장체 굴절
부적절한
설계 |
소성변형 |
부적절한
설계
습기
과다 |
극심한
변형 |
기반
불량 |
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☞ 변형
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변형은 포장체나 포장층 중 하나가 영구적으로 모양이 변하는 것으로 바퀴자국 패임이나 표면 밀림 형태로 나타나며 포장 기층 문제 또는 교통 하중 및 빈도에 상대적으로 안정성이 떨어지는 혼합물이 원인이 되어 주로 과도한 교통 하중 및 열악한 도로 여건을 지닌 지점에서 집중적으로 발생한다.
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①소성변형
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소성변형은 반복되는 교통 하중의 결과로 바퀴 경로를 따라 발생하는 패임 현상으로 이는 결국 혼합물의 밀도를 높이게 된다. 3미리 이내의 소성변형은 별 문제가 아니지만 15㎜∼20㎜정도 부터는 표면 배수 장애 및 운전자의 조향장치 방해 등 교통 안전 문제까지 발생한다.
소성변형의 원인은 단지 낮은 회복탄성계수, 바인다 함량 과다, 부적합한 바인다의 사용 등으로 혼합물이 시공되었기 때문에 생기는 것만이 아니다. 골재가 둥근 것일 수도 있고(소성변형 저항성을 기대하려면 최소한 75%의 골재가 2면 이상 깨진 면을 갖고 있고 90%의 골재가 1면 이상 깨진 면을 갖고 있어야 한다.) 너무 작거나(큰 골재일수록 소성변형에 강하다) 세립자가 너무 많기 때문일 수도 있다.
또한 시공업자가 혼합물을 적절히 다지지 않았을 수도 있고 교통 개방을 너무 일찍한 탓도 있을 것이다. 이러한 문제들은 모두 혼합물 관련된 것이기 때문에 소성변형의 보수 방법은 절삭을 하고 적합한 두께와 배합 설계로 표층을 다시 포장하는 것 밖에 없다.
또한 소성변형은 노상층의 과도한 압력이나 배수불량으로 인한 물 피해 때문에 생긴 포장 기층의 붕괴 탓일 수도 있다. 이는 보수를 하기 전에 반드시 결정되야할 사항이다. 혼합물 탓인지 구조 탓인지를 결정하기 위해 동원가능한 측정 장치를 모두 사용하는 것이 필요하다.
물 피해가 문제라면 보통 상당량의 피로균열이 소성변형과 동반되어 나타난다. 소성변형의 원인이 기초 부문 문제라면 모두 파내고 다시 설계하는 것이 유일한 답이다. 이렇게 해야 포장체의 안정성을 얻을 수 있고 기존의 포장층을 재활용할 수 있기 때문이다. 모든 경우에 포장체의 구조적 온전성은 반드시 회복되어야 한다.
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②밀림과 주름
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이는 혼합물의 흐름과 미끄러짐으로 야기되는 표면이나 접착 부위의 파손 형태이다. 또한 안정성이 떨어진 탓이기도 한데 원인은 소성변형과 같다. 밀림은 대부분 교차로나 출발, 정지 구간, 특히 버스 정류장 부근에서 많이 관찰된다. 주름은 교차로의 정지 구간에서 미끄러짐에 의해 주로 발생한다.
모든 경우에 있어서 이는 낮은 전단변형 저항성의 결과이며 절삭을 하고 적절하게 설계된 덧씌우기나 표면처리로 보수하면 된다.
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☞ 균열
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과도한 교통 하중이나 포장체의 팽창, 수축으로 받는 압력이 원인되어 포장체 표면에 생긴 금이나 파손을 균열 현상이라 한다. 모든 균열에 있어서 균열의 영향은 물이 포장체로 침투하는 지점이 되며 그럼으로 인해 포장 파손을 급속히 진전시킨다.
따라서 균열은 하중 및 비하중 기준으로 구분될 수 있다. 균열의 원인은 이러한 기준을 이용하여 균열 상태를 조사함으로써 밝혀질 수 있다.
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①피로균열(하중과 포장체 관련)
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모양 때문에 거북등 균열이라고도 한다. 이런 유형의 파손은 하중의 반복으로 인하여 포장체가 피로 수명에 도달했을 때 발생한다. 중차량, 배수불량이나 부적절한 포장 두께에 의해 더욱 악화될 수 있다. 얇은 덧씌우기의 경우 피로균열의 결과로 특히 포트홀이 발생한다. 보수는 폴리머나 고무 개질 아스팔트로 전체를 두껍게 덧씌우기하는 것이다.
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②온도균열(비하중과 표면 관련)
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온도균열은 횡으로 고르고 넓게 분포되어 도로의 중앙선에 수직으로 나타난다. 이런 종류의 균열은 보통 온도에 의한 피로가 가장 높은 표면 및 성능이 떨어진 부분에서 시작된다. 온도균열은 또한 극심한 온도 변화에 의한 수축으로 혼합물의 인장강도가 늘어나기 때문에 발생한다. 올바른 보수 방법은 유화 또는 고무아스팔트 씰란트로 균열 부위를 봉합하는 것이다. 온도균열의 억제에는 폴리머나 고무아스팔트 계열의 개질아스팔트가 효과적이다.
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③종균열(하중과 비하중 표면 관련)
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종균열은 소성변형된 도로의 바퀴자국 주변이나 중앙선, 조인트 부분에서 주로 발생한다. 차선의 접합부 주변 지역은 보통 2-3% 낮은 밀도로 인한 높은 공극률을 보이며 그래서 산화에 의한 경화율 및 굴골절도가 높고 또한 낮은 인장강도를 보이기 때문에 이러한 균열이 발생할 가능성이 많다.
소성변형된 포장체에서는 바퀴 자국을 따라 많은 하중과 높은 바퀴 압력 때문에 바퀴 자국 주변에서 종균열이 발생한다. 바퀴 자국 부위는 밀도가 높기 때문에 잔여 압력이 인근 바퀴자국으로 전해짐으로 인하여 균열이 발생한다.
만약 아스팔트의 스티프니스가 너무 높거나 노상층이 너무 연약하다면, 동결 지역일수록 종균열은 더욱 심하게 발생한다. 도로 표면의 마모가 없는한 이런 균열은 유화제나 고무아스팔트로 봉합하여 보수하는 것이 가능하다.
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④반사균열(하중과 비하중과 포장체 관련)
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반사균열은 포장체 하부의 균열이 위로 전달되어 포장전 균열 지점과 동일 지점에 균열이 발생하는 것이다. 이러한 포장 하부의 균열 종류는 콘트리트 포장체의 조인트나 균열, 저온균열, 피로균열, 종균열, 블록균열, 기층의 침하 등이다.
이런 유형의 균열은 표층 포설전에 고무아스팔트로 중간층을 포설함으로써 억제할 수 있다.
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⑤주름균열(하중과 표면 관련)
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전단변형 균열이라고도 하는 이 균열은 혼합물과 기층 간의 접착 불량으로 생긴다.
이는 택코팅 불량이 원인이며 "U"자 형태를 보인다. 유일한 보수방법은 절삭하고 재포장하는 것이다.
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☞ 파괴
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①라벨링(Raveling)
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라벨링은 표면으로부터 시작되는 점진적인 재료의 손실이다. 원인은 다음과 같다.
- 불량 골재 : 아스팔트가 돌을 잡고 있는 것이 아니라 먼지를 잡고 있는 격이며
차량 통행에 의
해 날라가 버린다.
- 표면 분리 : 세골재의 입도에 결함이 있어서 조골재들을 바인다가 효과적으로 받
쳐주지 못할
때 바인다의 노화 또는 마모, 중차량 하중 등으로 조골재가 탈리된다.
- 다짐 불량 : 접착력이 낮아서 차량 통행으로 재료들이 침식된다.
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②마모(Stripping)
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마모는 골재의 아스팔트 피막이 물의 여과 작용으로 약화되는 것이다. 마모가 표면으로부터 시작하여 아래로 진행된다면 결국 라벨링을 야기한다. 반면에 이것이 기층부분에서 시작되어 위로 진행된다면 포장 전체의 파손을 일으킨다. 원인은 아스팔트, 골재, 혼합물 제조, 시공 등과 관계 있다.
마모가 일어나고 있는지를 확인하려면 포장체를 파내봐야 한다. 이는 재료의 호환성(Compatibility) 문제이므로 적합한 재료의 선택과 마모방지 혼화제의 사용으로 문제를 해결할 수 있다. 시공이나 생산시 다짐이나 골재 피복이 제대로 되었는지를 확인하는 것이 무엇보다 중요하다.
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③포트홀
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이는 표층을 관통하는 구멍들로서 두께가 얇은(25㎜∼50㎜) 덧씌우기 포장에서 광범위하게 나타난다. 포트홀은 폭우가 그치고 난 뒤 균열 틈새로 물이 침투하여 주로 발생한다. 이는 기층을 연약하게 한다. 포장체의 갈라진 조각들은 차량 통행으로 없어지며 미세한 입자는 표면으로 펌핑되어 기층을 더욱 연약하게 하고 구멍을 더욱 커지게 한다. 이런 이유 때문에 포트홀이 일단 발생하면 아주 빠른 속도로 범위가 넓어진다.
미세한 입자들이 표면에 올라오거나 종 또는 횡균열이 시작하면 포트홀 경고 신호로 봐도 좋다. 포트홀은 아스팔트 혼합물이나 유제 택코팅 등으로 재빨리 패칭 처리하는 것이 최선의 보수 방법이다. 포트홀은 양호한 배수 처리 및 적극적인 균열 보수 정책으로 최소화시킬 수 있다.
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| 아스팔트 포장의 유지 보수 |
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| 포장의 유지보수 |
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포장의 유지 보수는 비용 절감 효과를 반드시 고려해야한다. 그것은 지속적인 기반 위에서 비용을 조달할 수 있는 각 기관이나 지방 자치 단체의 예산 능력이 고려되야 한다. 다음 그림은 포장의 각각 다른 단계를 보여주는데 늦추면 늦출수록 비용은 더많이 증가하며 재시공만이 유일한 선택이 되는 지경까지 간다.
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| 아스팔트 포장의 공용성 |
포장의 공용성을 계량화하는 방법은 무엇인가? 다음 그림은 포장 수명을 최적화하는데 또는 비용 효율성을 확실히 거두기 위해서는 시기적절한 보수만이 열쇠라는 것을 나타낸다.
그러면 다음과 같은 의문이 생긴다: 파손에 앞서 유지보수를 시행하기 위한 포장의 공용성 측정 방법은 무엇인가?
어떤 경우에 있어서는 파손전에 피로 현상이 관찰된다는 것이 분명하다. 하지만 이를 발견해내기 위한 지속적인 기반과 프로그램이 설정되어 그 위에서 모니터링되지 않으면 안된다. 이를 위해서는 포장유지체계(Pavement Maintenance Syatems) 같은 기법이 널리 보급 운영되어야 한다.(현재 우리나라는 고속도로를 중심으로 이러한 프로그램이 활발히 진행되고 있다,)
모든 경우에 있어서 목적은 도로 지점마다 표식을 하고, 문제 지역의 순위를 매기며, 보수 방법을 기술적인 필요 및 가용 예산 내에서 맞추는 것이다. 이러한 모델에서 라이프 싸이클에 따른 비용은 중요하다. 미국 SHRP(Strategic Highway Research Program)에서는 포장 피로 조사를 도와주는 지침서를 발간하여 현장 유지보수에 적극 적용하고 있다.
공용성을 측정하는 또다른 개념으로는 편리성(Serviceability)이라고 하는 것이 있다.
고속도로는 특별한 목적으로 설계된다. 일반적으로 포장체의 성능은 도로를 사용하는 사람들에 의해 매겨진다. 그것은 자동차의 현가장치가 일탈되게 만드는 포장체의 평탄성에 기초한다. 그것은 여러 방법으로 측정되는데 예를 들면 평탄성 측정기나 차량 탑재형 종단면 측정기 등이다. 그러나 편리성은 도로의 목적에 따라 매겨질 수도 있다. 표면 처리 공법(칩실이나 슬러리 실)은 평탄성을 감소시키지만 비용 측면에서는 그래도 바람직할 수 있기 때문이다. 구조적 온전성과 표면의 특성을 측정하는 방법은 비파괴 시험기(FWD)와 미끄럼저항 측정기, 균열 표시 지도 등이다.
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| 포장의 보수 재료 - 고무아스팔트와 폴리머 개질 바인다 |
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| 폴리머 개질재의 일반적 특징 |
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☞ 폴리머 개질재의 일반적 특징
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①균열저항성
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폴리머 개질재(PMA:Polymer Modified Asphalt)는 탄성을 증가시켜서 균열의 진행을 멈추게 하는 효과가 있다. 또한 고점도로 인하여 블리딩 염려 없이 바인다 함량을 높일 수도 있고 포장 두께를 줄일 수도 있으며 피로 강도 증진과 수명 연장도 기대할 수 있다. 고무아스팔트나 SBR, SBS 등이 이에 속한다.
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②극심한 온도 변화에 대한 저항성
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폴리머 개질재나 고무아스팔트의 굴골절 온도는 일반 아스팔트가 -5℃∼10℃인데 비해 약 -15℃∼-20℃이며 연화점은 일반 아스팔트가 약 40∼45℃인데 비해 55∼85℃이다. 연화점을 초과한 고온에서도 폴리머 개질 바인다는 고점도를 유지하여 흐름이나 블리딩을 억제한다. 동결 상태에서는 고무아스팔트나 SBR, SBS 바인다의 증가된 인장 강도가 온도 균열에 대해서 저항성을 나타낸다. 모든 폴리머들이 감온성을 감소시키고 결과적으로 모든 온도 조건에서 보다 나은 공용성을 발휘한다.
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③수명 연장
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폴리머 개질재는 블리딩이나 균열 문제 등의 해결로 인한 포장 수명의 연장이 기대된다. 어떤 폴리머는 자외선이나 산화에 다른 것들 보다 저항성이 더 큰 특성을 나타낸다. 이 경우에 있어서 아스팔트의 산화는 불변이지만 저항성이 있는 폴리머는 바인다가 지속적인 기능을 유지할 수 있도록 해준다. 고무아스팔트(Asphalt Rubber)가 그 대표적인 예이다.
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☞ 폴리머 개질재의 종류
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고무아스팔트나 폴리머 개질 바인다(AR/PMA)는 아스팔트와 폴리머의 혼합물이다. 이러한 폴리머들은 얼마든지 있을 수 있는데 폐고무분말(Crumb Rubber), 천연고무, EVA, EMA, SBS, SBR 등이 예이다. 이들 모두 폴리머이며 각자 다른 특성들을 갖고 있다. 다음 표는 이러한 폴리머 개질재를 총 열거한 것이다.
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폴리머 개질재의 종류
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개질재
형식 |
제품 |
고무계열
가.
천연고무(Natural Latex)
나.
합성고무
다.
Block Copolymers
라.
재생고무 |
천연고무
SBR(Styrene-Butadiene-Rubber)
SBS(Styrene-Butadiene-Styrene)
폐타이어
재생 고무 |
플라스틱
계열 |
PE(폴리에틸렌)
폴리프로필렌
EVA(Ethyl-Vinyl-Acetate)
PVC(Poly-Vinyl-Chloride) |
합성제품
계열 |
고무와
플라스틱 계열의 혼합제품 |
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☞ 폴리머 개질재의 구조
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아스팔트와 폴리머 간의 복잡한 단계를 거치는 특수한 상호작용을 통하여 폴리머는 아스팔트의 구조를 강화한다. 고무아스팔트, SBR과 SBS 유형의 폴리머에서는 폴리머가 팽창하여 고무 가닥으로 된 망을 형성하게 된다. EVA나 EMA 같은 폴리머에서는 폴리머가 분산되어 아스팔트와 상호 작용함으로써 폴리머 개질 아스팔트 뿐 아니라 아스팔트 개질 폴리머를 형성한다.
※ 약 26가지의 복합 폴리머인 폐타이어 고무에서는 이러한 개질 효과들이 복합되어 나타난다. 이러한 구조의 강화는 폴리머의 전형적인 특성인 고탄성, 고강도, 영하의 온도에서 향상된 굴골절 온도, 높은 연화점을 발휘한다. 이는 대단히 바람직한 특성을 아스팔트에 제공한다.
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