한국도로학회 학술대회 발표논문 초록집

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2017년도 제19회 한국도로학회 학술대회 발표논문 초록집 (2017년 10월) 126

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Recently, in an asphalt mixture manufacturing plant, "environment" "safety" "energy saving and resource saving" is an important issue. Many plants already make efforts to save energy, that is, to reduce CO2 emissions by using low fuel consumption burners and devising to change the shape of the blades to improve the thermal efficiency in the drier. In addition, the heating and classification of stone materials and dust generated during mixing are handled by dust collectors. Furthermore, with regard to various materials used in plants, we are working on environmental conservation by emphasizing environmental pollution prevention and safety of working environment. However, recently, the location conditions of plants have diversified, such as the presence of residential areas in the vicinity of plants, and these measures are not enough. In this report, we report a part of the actual situation of "environment", "safety", "energy conservation and resource saving" adopted in plants in Japan. 1, Introduction to odor control In an asphalt mixture production plant, a special odor is generated by the trace amounts of hydrocarbon oxides and sulfur compounds when loading an exhaust stack or an asphalt mixture. In an asphalt mixture production plant, a special odor is generated by a very small amount of hydrocarbon oxides and sulfur compounds when the gas from the exhaust pipe and the transporting asphalt mixture. As a countermeasure against the odor of the exhaust pipe, a method of burning trace substances is adopted by using a deodorizing furnace, but since it consumes a large amount of energy, there is a problem of suppressing CO2 emission. In this report, we identify odor-causing substances from plant and propose odor reduction by deodorant suitable for these substances. 2, Introduction to anti-adhesion agents for asphalt Conventionally, mineral oil such as heavy oil and diesel oil was applied to deal with the adhesion of asphalt mixture to the equipment of asphalt mixture production plant, dump for delivery, finisher at construction, road roller and so on. However, by using a large amount of these mineral oils, a part of the asphalt composite material is cut back, causing problems such as pot holes after construction. In addition, problems such as water pollution due to leakage of mineral oil are also raised. In this report, we propose a water - soluble and biodegradable anti - adhesion agent. 3, Introduction to Recycling Additives More than 70% of the asphalt mixture used in Japan is a recycled mixture. Effective utilization of recycled mixture is the most important question to be considered from the perspective of resource protection, energy conservation, cost reduction. In Japan, initially, blends with asphalt with high needle penetration and low softening point and amethod of adding crude by-products of lubricating oil production has been adopted. However, in the former, the ratio of the recycled asphalt mixture is limited to about 10 to 20%, and in the latter case, since it is high viscosity, it is necessary to heat at the time of use, that the recycling effect is not sufficient. In addition, there is a problem in that it contains a large amount of aromatic moieties, especially polycyclic aromatic moieties, which are likely to be carcinogenic. In order to solve these problems, in this report, the combination of several kinds of special mineral oils and the use of special additives are used to achieve low viscosity, high flash point, low aromaticity, And high recycle additives are proposed. Asphalt mixture manufacturing plants in Japan are located in urban areas near the demand of large cities, so the environment is well considered. Recently, regulations such as the Air Pollution Prevention Ordinance, the Anti-Odor Prevention Ordinance and the Noise Prevention Ordinance have been strengthened. Furthermore, the safety training for workers using SDS for hazardous substances has been complicated is in fact. In order to solve these problems, we are not limited to this report, but we fully understand the needs of the plant and develop products that meet the environmental, safety, energy and resource conservation key words. I would like to propose.
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아스팔트 혼합물은 덤프트럭으로 운반․대기 중 단기노화(short-term aging: STA) 되므로 모든 현장혼합물은 STA후 포설된다. 따라서 실험실에서 현장에 포장된 아스팔트 혼합물의 각종 특성을 추정하려면 같은 재료로 반드시 STA 처리 후 공시체를 제조해야한다. 이것이 실험실 혼합물을 STA 처리하는 근본적인 이유이며, 실험실 STA 방법은 현장상태를 최대한 근사하게 모사(simulation) 토록 규정되어져야 한다. 그러나 국내는 물론 외국 기준도 이러한 근본적인 원리를 제대로 준수 하지 못하고 있어 기준에 제시된 대로 STA를 수행해서는 현장에 포장된 아스팔트 혼합물의 특성을 추정할 수 없다. 이를 해결하기 위한 한 가지 방법의 한 방법은 노화량(aging quantity: AQ) 모델링을 통하여 혼합물의 노화도를 추정하는 것이다. 밀입도 혼합물의 AQ 모델은 기존의 연구에 의하여 지수함수 식으로    와 같이 제시되었다. 하지만 SMA 혼합물은 바인더 함량이 높고 섬유제 등이 사용되어 밀입도와 다르므로 본 연구에서는 SMA에 대한 AQ 모델식을 개발하고 이로부터 단기노화 온도와 시간에 따른 노화도를 추정하는 연구를 수행하였다. 그러므로 본 연구의 목적은 SMA 혼합물의 단기노화도를 추정하기 위하여 기 개발된 AQ 모델을 SMA 혼합물에 적용하여 필요한 보정을 통해 SMA 혼합물의 AQ 모델로 노화도를 추정하는 방안을 제시하는 것이다. 노화도는 아스팔트 노화의 척도로는 가장 많이 쓰이는 절대점도(absolute viscosity: AV)를 이용하였으며 SMA 혼합물을 대상으로 하여 SMA 노화도 정립에 필요한 기초자료를 제시코자 한다.
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표층용 아스팔트 혼합물은 공극률 4%로 다져졌을 때 가장 우수한 공용성을 발휘하는 것으로 알려져 있어 밀입도 아스팔트 혼합물은 배합설계시 4%의 공극률이 얻어지는 아스팔트 함량을 최적아스팔트 함량(optimum asphalt content: OAC)으로 결정한다. 그리고 현장에서는 이 밀도의 96% 이상의 다짐도가 얻어지도록 공극률 6∼7%로 다짐한다. 하지만 이 경우 아스팔트 포장으로의 수분 침투방지를 보장할 수 없어 교량포장의 경우 상판에 방수 처리를 하도록 요구하고 있다. 따라서 아스팔트 포장의 공극률을 0%에 가깝도록 다짐하면서도 공용성을 잘 유지할 수 있다면 방수 처리공정을 생략할 수 있고 포장의 수명도 보장 할 수 있어 일거양득일 것이다. 이에 공극률이 0에 가까우면서도 아스팔트 포장으로서의 특성을 유지할 수 있도록 하기 위해서는 바인더특성을 강화하고 그에 맞도록 골재 입도를 조정하는 것이 필요하다. 본 연구에서는 이렇게 공극률이 0에 가깝도록 개발된 무공극 아스팔트 콘크리트의 중요특성 중 하나인 휨 모드에서의 저온특성으로 유사파괴인성(pseudo fracture toughness: PFT)을 구하여 비교평가 하였다. 이를 위해 보 공시체를 제조하고 영하의 저온에서 3점 휨 시험을 통해 얻어진 하중-처짐 곡선에서 PFT를 구하고 이를 일반 13mm 밀입도 아스팔트(dense-graded asphalt: DGA) 혼합물을 비롯한 개질 SMA 혼합물 등과 비교하였다. 그 결과 무공극 아스팔트 혼합물의 유사파괴인성이 DGA의 4배 이상이 되는 등 가장 우수한 것을 확인 하였다. 이는 고성능의 바인더(PG 82-34)와 그에 맞는 입도조정 때문에 저온 하에서 가장 우수한 파괴인성을 보인 것으로 추정된다. 따라서 큰 균열저항성이 요구되며 방수가 필요한 교면포장 등에 사용할 경우 우수한 성능을 발휘 할 수 있을 것으로 판단된다.
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아스팔트 혼합물이 운반·대기 중에 단기노화(short-term aging: STA)되는 것은 잘 알려진 사실이며 노화정도는 혼합물의 온도가 높음에 따라 그리고 시간이 길어짐에 따라 지수 함수적으로 증가되는 것으로 알려져 있다. 또한 같은 온도와 시간에 같은 바인더, 골재 및 입도를 사용한 같은 혼합물이라도 사용되는 첨가제의 종류에 따라 노화도에 차이가 난다. 그리고 혼합물의 종류에 따라서도 노화도에 차이가 큰 것으로 알려져 있다. 따라서 본 연구에서는 박리방지제(anti-stripping agent: ASA)의 종류와 혼합물의 종류에 따른 노화도의 차이를 비교분석 하였다. ASA로는 박리방지효과가 우수한 분말의 소석회와 액상 ASA를 비교하였다. 혼합물은 밀입도 아스팔트 (dense-graded asphalt: DGA) 표층용 혼합물과 쇄석 매스틱 아스팔트 (stone mastic asphalt: SMA) 혼합물을 비교하였다. 노화도는 아스팔트 노화의 척도로는 가장 많이 쓰이는 절대점도(absolute viscosity: AV)를 이용하였다. STA 온도와 시간에 따른 AV의 차이를 STA 처리된 혼합물로부터 추출·회수하여 60℃에서 측정하였다. 시험결과 같은 온도와 시간으로 STA 처리된 혼합물에서 소석회가 사용된 혼합물의 노화도가 월등히 낮았으며, 혼합물의 종류로는 SMA 혼합물의 노화도가 DGA 혼합물보다 낮게 나타났다. 이는 소석회가 박리방지효과 뿐만 아니라 노화억제 효과가 크기 때문이며, SMA는 바인더 함량이 높아 골재를 피복한 아스팔트 필름의 두께가 두꺼워 노화도가 적게 나타난 것으로 판단되었다.
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The discontinuity movements of the Portland cement concrete (PCC) layer due to temperature fluctuations and traffic loading are primary causes of the reflection cracking in asphalt overlays. The thermal expansion and contraction of the discontinuities at the PCC layer induces tension at the bottom of the asphalt overlay layer creating excessive strains which causes cracking. The additional cyclic discontinuity movements from the thermal fluctuations and traffic loads propagates the cracks initiated until failure of the overlay layer. However, the crack behaviors of asphalt mixtures varies with temperature due to its viscoelastic property. As such, there is a need to investigate the cracking behavior of asphalt mixtures with varying temperatures and loading conditions. A modified overlay tester developed to evaluate the cracking resistance of asphalt mixtures in various loading directions and different confining temperatures was used to investigate the behavior of asphalt materials with various temperatures and loading conditions. The laboratory test was conducted in 2 segments. The first segment investigates the asphalt cracking behavior subjected to horizontal loading in 3 varying temperatures (10, 25 and 40C) which simulates the cyclic thermal contraction and expansion at the discontinuity. The second segment examines the cracking propagation of the asphalt mixture subjected to vertical loading in 3 varying temperatures. A load dissipation curve per loading cycle is generated in each test along with the images taken on the face of the specimen to monitor the crack propagation. Results have shown that asphalt mixtures undergo a 3-phase cracking behavior: initiation, propagation and failure. This is evident in the load dissipation curve when the initiation phase shows a rapid reduction of peak loads in first series of loading cycles which is followed by a slow and constant load reduction over a certain number of cycles. Failure occurs when there is a sudden decline in peak load and the percent reduction of the load is achieved. Figure 1 shows a fine dense grade asphalt mixture subjected to horizontal movement at 10C. Meanwhile, the load dissipation curve is further investigated by analyzing the images captured during testing. It can be seen that the first visible crack can be identified after 40 cycles which steadily propagates up to 600 cycles. However, between 600 and 700 loading cycles, there is a sudden dip in peak load which shows that at that the stage the crack has already propagated to the top of the test specimen as shown in Figure 2. Other tests have shown that the cracking patterns and load dissipation curves vary with different testing temperatures signifying that low temperature is more susceptible to early failure with constant differential movement. Further tests signify that using a general formula, parameters are calculated which refer to fracture properties of the material.
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서울시 도로포장은 대부분 30년 이상 노후화된 포장으로서 이미 구조적 손상이 많이 진행된 상태이고, 기후변화로 인한 강수량 증가 등 환경적 요인으로 인해 포장 파손이 최근 급격히 증가하고 있다. 또한 설계당시의 포장 단면 두께가 현재의 교통량을 반영하지 않아 상당히 부족한 상태이다. 서울시의 버스교통량이 증가함에 따라 중차량에 의한 교통하중이 증가하고 기존 도로포장에 버스전용차로를 도입하여 중차량 교통하중이 집중되는 현상이 발생하고 있다. 이에 서울시는 도로파손을 해결하기 위해 아스팔트 도로포장의 두께와 다양한 아스팔트 혼합물을 적용하고 있다. 하지만 중차량 교통하중 집중현상, 교차로 및 버스정류장에서는 차량속도 감속으로 인해 소성변형이 발생하고 있다. 최근, 해외의 여러 기관에서는 소성변형 예측 모형 개발 또는 기존 모형을 개선하여 소성변형으로 인한 도로포장 파손을 예측하는 연구가 진행중이다. 이러한 모형들은 소성변형을 발생시키는 주요 원인을 고려하여 개발하였으며 이는 소성변형에 대한 도로포장의 수명 및 성능 변화를 예측하여 유지보수 공법과 적용 시기를 결정한다. 본 연구에서 개발한 소성변형 예측 모형은 하중재하 속도 및 횟수, 아스팔트 포장층 온도, 전단응력과 강도의 비율을 고려하여 개발하였다. 전단응력과 강도의 비율은 아스팔트 혼합물의 응집력과 마찰각의 영향을 받는 것으로 나타났으며 이를 고려하여 아스팔트 혼합물 물성을 활용한 다중 회귀분석을 적용하였다. 개발된 소성변형 예측 모형을 검증하기 위해 Westrack 자료를 활용하였으며 2.35%의 오차율을 보였고 LTPP 자료를 활용하였을 때는 1.19%의 오차를 보여 매우 높은 신뢰성을 보였다. 개발된 소성변형 예측 모형을 활용하여 아스팔트 혼합물 배합설계와 지불계수에 적용하였다. 배합설계의 경우, 교통량 및 차량속도와 같은 인자를 고려하여 최적의 아스팔트 바인더 함량을 결정할 수 있음을 확인할 수 있었다. 또한 소성변형 예측 모형을 적용하여 설계 공용수명 대비 공용수명의 비율을 적용하여 아스팔트 혼합물의 지불계수를 결정할 수 있다
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최근 건설재료의 자가치유 기술에 대한 많은 관심을 보이고 있으며, 유럽의 배수성 포장에 자가치유 아스팔트 포장 기술과 배수시설에 박테리아를 이용한 자가치유 콘크리트를 개발하고 있다. 본 연구에서는 유도가열 장치를 이용한 자가치유 아스팔트 포장의 자가치유 성능을 평가하고자 하였다. 스틸섬유를 아스팔트 포장에 혼입하여 아스팔트 포장을 만든 후 3점 피로균열 시험으로 균열을 유도하였다. 유도가열 장치를 이용하여 가열한 후 2-3시간의 휴지기간을 두어 3점 피로균열 시험을 다시 수행하여 자가치유 가능성을 평가하였다. 일반 골재뿐만 아니라 스틸글래그로 아스팔트 혼합물의 가열성능과 자가치유 성능도 평가하였다. 스필섬유의 분포상태를 분석하기 위하여 마이크로 CT-Scan장비를 이용하여 촬영하였다. 시험결과 스틸섬유를 이용하여 제작한 아스팔트 혼합물의 자가치유 가능성이 있었으며, 자가치유 성능정도를 분석하여 최적의 스틸섬유함량을 결정하였다. 다양한 조건에서 자가치유 성능을 평가하였으며, 매우 효과적인 것으로 나타났다
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서울과 같은 도심지의 열악한 도로조건과 더불어 계속되는 유지보수용 절삭 덧씌우기로 인하여 일반 포장공법은 물론 기존에 공용성이 우수하다고 알려진 상용 개질 아스팔트 포장공법 또한 계획된 수명을 다하지 못하고 쉽게 파손되는 경향을 보이고 있으며, 도로의 통행안전에 위협을 가하는 요소로 작용하고 있다. 기존의 일반 및 개질 아스팔트 도로포장의 한계인 조기파손(골재탈리, 포트홀, 균열 등)과 기후변화로 인해 지속되는 고온현상에 의한 소성변형 등의 한계를 보이고 있다. 따라서, 본 연구에서는 국내 대표 개질 아스팔트 포장공법을 선정하였으며, 공법 간 물성비교 평가를 위해 배합설계를 실시한 후 재료 품질시험을 위한 아스팔트 혼합물을 제작하였다. 각 포장공법 별로 제작된 혼합물에 대한 공용성 평가를 위해 기본적인 물성 시험을 비롯하여 아스팔트 포장설계 시 재료의 물성을 평가하는 기준으로 적용되는 동탄성계수 측정과 더불어 내균열성 평가를 위한 SCB(Semi Circular Bending), 간접인장시험 등을 실시하였다. 시험에 사용된 혼합물은 일반적인 HMA와 소성변형 및 균열에 우수한 특성을 가지는 SMA를 대상으로 실시하였으며, 개질 아스팔트의 경우 PG 76-22의 아스팔트 바인더를 사용하여 각 포장공법의 공용성을 비교 평가하였다.
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고속도로 포장의 설계 및 유지관리 등을 위하여, 포장 장기 공용성(LTPP : Long-Term Pavement Performance) 추적 조사 자료의 활용은 필수적이다. 따라서 본 연구에서는 LTPP 구간 추적조사 분석자료를 이용하여 고속도로 콘크리트 포장 품질향상 종합대책의 적정성을 분석하였다. 중앙고속도로 및 중부내륙고속도로 일부 콘크리트 포장 구간에서 준공 후 줄눈부 스폴링, 균열 등 초기에 파손이 진행됨에 따라 포장유지보수 비용의 급증이 발생하자 콘크리트 포장의 조기 파손 발생 원인을 분석하였다. 콘크리트 포장 조기 파손에 가장 직접적인 영향을 미치는 것은 콘크리트 내구성 확보 미흡으로 분석되었다. 이에 대한 대처방안으로 기포간격계수도입(0.2mm이하), 단위시멘트량증가(326→350∼370kg/㎥, Fly-Ash 20%혼입), 연행공극량 기준 상향 조정(4∼6%→5∼7%) 등 내구성 확보방안을 수립하였다. 이와 같은 콘크리트 포장 품질 향상 종합대책은 2010년 이후 건설된 고속도로 콘크리트 포장 구간에 적용되었다. 콘크리트 포장 품질향상 종합대책 적정성에 대한 공용성 분석은 총 7개 노선 8개 구간에 대해 수행하였으며, 분석결과를 표 1에 나타내었다. 2010년 이후 준공구간이 그 이전 준공구간에 비해 우수한 공용성능을 보이며 구간별 편차 또한 작은 것으로 분석되었다. 먼저 HPCI의 경우 2010년 이후 준공구간의 HPCI 평균이 3.88로 2010년 이전 준공구간의 평균 3.20에 비해 우수한 공용상태를 유지하고 있는 것으로 나타났다. 또한 이러한 차이는 HPCI 보다 균열율에서 보다 극명한 차이가 나타나는 것으로 균열률의 경우 2010년 이후 준공구간의 균열율 평균이 0.19%로 2010년 이전 준공구간의 평균 4.11%에 비해 확연히 낮은 것으로 나타났다. 종단평탄성의 경우 모든 구간에서 종단 평탄성 2등급 이내인 양호한 상태로 공용중인 것으로 나타났으며 이는 국내 고속도로에서 수선유지공법의 일환인 다이아몬드 그라인딩 등 표면처리공법 적용을 통하여 전체 고속도로 종단평탄성이 향상된 것으로 사료된다.
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국내 항공 교통량은 매년 4.9∼9.9% 상승률을 보이며 꾸준히 증가하고 있는 가운데, 공항 포장의 중요성 또한 날로 높아지고 있다. 현재 국내 건설된 공항포장은 국외의 공항포장 설계법을 기반으로 설계되고 있는데, 이는 국내의 지역적, 환경적 영향을 충분히 반영하지 못해 포장파손이 빈번히 발생되고 있다. 이에 본 연구에서는 인천국제공항 3단계 건설사업 계류장에 변형률 및 온도 계측기를 설치하여, 각 환경요인에 따른 공항 콘크리트 슬래브의 거동 분석을 수행하였다. 공항 콘크리트 슬래브의 위치별, 깊이별 거동 계측을 위해 슬래브의 Corner, Mid-Edge, Center 위치에 각각 5개 깊이로 정적변형률계를 설치하였으며, 슬래브 내부의 깊이별 온도 측정을 위해 Center 위치에 5개 깊이로 온도계를 설치하였다. 계측 데이터는 영점조정 및 보정을 거치고, 온도와 습도의 복합적인 영향으로 발생하는 변형률인 Real Strain과 습도의 영향만으로 발생하는 변형률인 Shrinkage Strain으로 분류되어 10분 단위로 수집되고 있다. 수집된 데이터를 바탕으로 분석을 수행한 결과, Real Strain은 온도의 영향을 지배적으로 받아 단기적으로는 온도의 일변화에 따라 Curling 거동을 반복하고, 장기적으로는 계절 온도 변화에 따라 수평방향으로 수축·팽창하는 거동을 반복하는 것으로 확인되었다. Shrinkage Strain은 건조수축의 영향을 받아 거동을 하는데, 초기에는 상부가 수축하고 하부가 팽창하는 부등건조수축이 발생하여 Upward Curling 거동이 확인되고, 일정 시점이 지난 이후부터는 하부에서도 건조수축이 발생하여 수평방향으로 수축하는 거동이 확인되었다.
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The Joint Load Transfer (LTE) is important for both design and evaluation of concrete pavements. Numerous researches have been published to determine different factors that affect the load transfer efficiency through Finite Element Method (FEM) and field measurements. Most of these researches are using static analysis. Previous study pointed out the weakness of the assumption of this analysis and successfully differentiate the dynamic stress-based LTE with static stress-based LTE through FEM. Usually deflection based LTE(w) is being evaluated in the field through Heavy Weight Deflectometer (HWD). This test is a dynamic test which typically uses peak displacement and assumed to be static displacement when similar amount of static loading is applied. The calculation of LTE(w) in the field involves the ratio of the peak displacement of unloaded to loaded slab. Using this LTE(w) calculation, there were instances that high values were obtained from spalled joints and joints with wider opening. This study attempts to provide a better characterization of the condition of the joint. A time-based LTE(t) using the time delay were investigated and correlated with the current LTE(w) using a 24 hour measurement of deflection from asphalt and concrete pavement, with a 3-hour interval done in Gimpo International Airport. Wider values of LTE(t) were obtained while the deflection-based LTE(w) shows almost similar values. The time-based LTE(t) shows better relationship with the physical condition of the joint than LTE(w). It shows that LTE(t) can characterized the condition of the joint. This result will be used for further study to improve the measurement of load transfer efficiency of concrete pavement joints
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1997년 교토의정서, 2020년 이후 적용되는 파리기후변화협정 등은 산업혁명 이후 급격히 증가하는 온실가스(CO2)의 배출을 감축시키는 것을 목표로 전 세계의 대부분(194개국, 2017년 미국 탈퇴)의 국가가 참여하고 있다. 도로 콘크리트 포장에 쓰이는 시멘트의 경우 생산과정에서 발생하는 대량의 CO2는 국내 CO2 배출산업 중 두 번째로 높은 비중을 차지하고 있다. 본 연구에서는 이를 감축시키기 위해서 도로 콘크리트 포장 시 시멘트 사용량 절감을 위한 친환경 공법으로 국내외에 시공사례가 있는 RCCP(Roller Compacted Concrete Pavement) 공법의 국내 적용을 위한 연구를 진행하고 있다. RCCP 시공은 아스팔트 시공 또는 빈배합 콘크리트 시공 시 사용하는 아스팔트 피니셔와 롤러를 이용하여 시공을 하며 시공방법은 아스팔트 피니셔로 포설 후 롤러로 전압(다짐)을 실시한다. 특히 수화 반응에 의한 강도발현과 전압(다짐)을 통해 콘크리트의 골재 맞물림을 극대화하여 상대적으로 적은 시멘트 사용에도 불구하고 높은 강도를 발현하고 우수한 구조적 성능을 확보할 수 있다. 기존에 RCCP 시공은 10∼15cm의 두께로 시공을 하며 15cm 이상의 두께로 시공을 할 때에는 2회 포설을 하여 시공하여야 한다. 이에 관하여 2016년 5월 속초에서 실시한 RCCP 시험시공에서 20∼25cm의 두께로 시공을 1회 포설로 실시하여 하부 다짐이 제대로 이루어지지 않은 것을 확인하였다. 이 현상의 원인으로는 아스팔트 피니셔 자체의 다짐과 롤러의 다짐만으로는 콘크리트 하부까지 전압력이 미치지 못하기 때문에 기존의 아스팔트 피니셔를 개량(개선)하여 RCC 포설 시 하부에 충분한 전압(다짐)을 주는 다층다짐 피니셔 개발을 목표로 연구를 진행하였다. 다층다짐 피니셔는 기존의 피니셔의 오거와 다짐용 템퍼 사이에 1차 다짐을 시행할 수 있는 다짐판을 삽입함으로써 시공성을 향상 시켰으며 포장의 하부의 다짐력을 증대시켰다. 개발한 다층다짐 피니셔를 이용하여 2016년 11월 여주에서 RCCP 시공을 실시하였고 현장 코어 및 전압력을 확인한 결과, 콘크리트 하부까지 다짐이 이루어 진 것을 확인하였다. 결과적으로 기존 피니셔가 2회에 걸쳐 시공해야 하는 포장(20∼25cm)을 다층다짐 피니셔 개발을 통해 지반으로부터 포장두께의 3/1∼2/1의 위치에서 1차다짐을 실시하여 포설 시 상, 하부의 균질한 다짐을 실시하고 롤러를 통해 마무리 전압(다짐)을 실시함으로써 기존의 피니셔와 보다 많은 20∼25cm의 포장을 시공할 수 있게 시공성을 향상시켰다.
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현장에서 양생 또는 고형화 과정을 거치는 일반 시멘트 콘크리트, 자가다짐 시멘트 콘크리트, 아스팔트 콘크리트, 고분자 개질 혼합물과 같은 도로포장 재료의 유동 특성은 시공시점에서의 환경조건과 함께 도로포장 구조물의 초기 성능을 결정하는 중요한 요소이다. 따라서 재료의 양생이 완료되는 시점까지 포설 및 다짐에 영향을 미치는 재료의 유동 특성을 검토하는 것은 기존 혼합 및 포설 장비의 개선뿐만 아니라 새로운 장비의 개발을 통한 시공과정 개선 및 최적화를 위해서도 매우 중요한 과정이라 할 수 있다. 또한 건축 또는 토목 구조물의 시공 및 유지관리에 활용되는 건설정보 모델링이 향후 부재의 역학적 거동과 연계된 시공 및 유지관리를 포함하는 통합적인 수준으로 발전될 것임을 고려할 때, 경험에서 벗어나 실험적으로 검증된 역학적 기반의 설계 및 시공 방법을 제시하는 것은 매우 중요한 의미를 갖는다. 건설재료의 유동은 그 최종 형태에 따라 순수전단 유동, 신장유동, 이들의 중간 정도에 해당하는 유동의 3가지로 구분하여 분석적 해를 유도할 수 있다. 그러나 분석적 해를 활용하는 방법은 비교적 단순한 경계조건에 대한 재료의 유동적 특성을 예측하는데 유용하게 활용될 수는 있으나, 경계조건이 복잡해질수록 해를 계산하는 것이 거의 불가능하여 컴퓨터를 활용한 수치해석 기법을 적용하는 것이 합리적이다. 한편 유동성 재료의 동적 거동을 해석하는 방법으로는 이산요소법이나 전산유체역학(computational fluid dynamics, CFD)을 활용할 수 있는데, 입자형 재료 사이에 존재하는 유체의 양이 상대적으로 적어 입자와 입자 사이 또는 입자와 경계조건과의 상호작용이 중요하게 고려되어야 할 경우에는 이산요소법이 바람직한 반면, 시멘트 페이스트와 같이 균질의 재료로서 연속체의 특성을 나타내는 경우에는 CFD를 활용하는 것이 바람직한 것으로 알려져 있다. 본 연구에서는 연속체로 가정할 수 있는 유동성 재료의 시간에 따른 거동을 예측하기 위한 CFD의 활용성을 평가하고자 하였다. 이를 위하여 미니콘 실험에 대하여 분석적 해와 CFD를 활용한 결과를 비교하여 수치해석에 활용된 가정과 모형의 타당성을 검증하였으며, 검증된 모형을 활용하여 주요 입력변수에 대한 민감도 분석을 수행하여 시간에 따른 재료의 슬럼프와 퍼진 정도의 변화를 확인하였다.
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국토교통부의 도로보수현황에 따르면 2016년 말 기준 전국 고속국도 유지보수연장은 75,766km에 달하며, 보수비용으로 4,019억 원이 사용되었다. 이 중 약 30% 금액에 해당하는 1,237억 원이 포장 보수비용에 해당하며, 포장보수로 대부분 소파보수와 덧씌우기와 같은 단면보수가 적용되었다. 하지만 이러한 소규모의 국부적인 보수는 2차 파손을 반복적으로 야기하고 있어서 유지관리 측면에서 비효율적인 모습을 보이고 있다. 따라서 본 연구에서는 리모델링 지수(Remodeling Index;RMI)를 개발하여 노후 콘크리트 포장의 리모델링 우선순위를 결정하고자 한다. 한국도로공사의 HPMS(Highway Pavement Management System) 자료와 기상청의 기상자료를 수집·분석하여 패널레이팅을 위한 대표구간을 선정하였으며, 패널레이팅을 실시하여 RMI 개발을 위한 종속변수를 획득하였다. 패널레이팅을 통해 획득한 각 대표구간의 RMI를 종속변수로 하고 포장 파손, 교통, 환경 인자를 독립변수를 하는 RMI 회귀모형을 개발하였다. RMI 모형의 독립변수별 민감도 분석을 수행했으며, RMI 모형으로 예측한 결과와 측정된 RMI 결과를 비교하여 모형의 정확성을 검증하였다.
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SOC 분야에서도 설계·시공·유지관리단계에 이르는 3D 기반의 BIM 프로세스를 적용하기 위하여, 한국도로공사에서는 EX-BIM 로드맵을 수립하고 관련 시범사업과 연구를 진행 중에 있다. 「EX-BIM 가이드라인」을 작성하여 BIM 적용방안을 제시하였으며, 시공단계BIM과의 효과적인 연계를 위하여 설계성과품 작성단계에서부터「EX-BIM 시공단계 표준모델 구축 연구」(한국도로공사, 건설처, 2017)를 수행하고 있다. 해당 연구는 성남-구리간 고속도로 건설공사의 설계단계 BIM 수행결과를 근거로 BIM 적용 및 시공단계 BIM 적용 효과를 제시함으로 향후, 한국도로공사에서 수행하는 사업에 대한 BIM 도입에 대한 기틀을 마련하고자 한다. 국토부에서는 국도75호선 설악-청평간 도로건설공사(2016년)에 시공BIM을 적용한 사례가 있으나, 발주청 및 시공사의 요구에 따라 설계변경 지원, 시공상세 및 수량 검토 등 크게 3가지로 구분하여 적용하였다. 따라서, 본 연구는 성남-구리간 건설공사 10∼14공구를 대상으로, 설계단계 BIM 성과품을 검토하고, 설계BIM 수행자와 시공사 현장 담당자를 대상으로 의견조회를 실시하여 효과를 산정함으로써, 성남-구리간 건설공사의 시공단계 BIM 활용방안을 제시하고자 한다. 기존 고속도로 업무중 BIM 적용이 가능한 부분을 찾고, 실제 건설참여자를 대상으로 설계단계 BIM 성과품을 시연하고 시공단계 적용시 기대효과에 대한 인터뷰도 진행하였다. 검토결과, 설계단계에서 발주처와 시공사에게 가시적인 결과는 도면검토, 간섭검토 위주로 도출되었으며, 시공단계에서는 BIM의 시각적 특성을 활용한 사업관리와 안전관리 측면에서 가장 활용도가 높을 것으로 조사되었다. 또한, 시공상세도 작성시 비용절감과 좌표검토 및 시공검측을 위한 추가적인 측량 작업도 대체할 수 있을 것으로 제시되었으며, AR(Augmented Reality) / AMG(Automated Machine Guidance)기술과 BIM을 연계함으로써 현장관리에도 효율적으로 활용할 수 있을 것으로 기대되고 있다. 그러나, 현장의 지속적인 설계변경과 모델 검토, BIM 기술지원에 대응하기 위해서 전담직원 배치 등 추가적인 지원사항이 수반되어야 하며, 유지관리단계 활용을 위해서라도 BIM 운영과 지속적인 데이터 관리를 수행해야 할 것이다. 따라서, 지속적으로 시공단계 BIM 활용방안을 찾는 동시에 모니터링을 통하여 EX-BIM 기반의 도로건설 프로세스를 정립해야 할 것이다.
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국제민간항공기구(International Civil Aviation Organization, ICAO) 부속서 14권(ANNEX 14, Vol. 1 Aerodrome Design and Operations)의 2.6항에서는 공항에 시공된 포장에 취항하는 항공기가 제약없이 운영 가능할 수 있도록 항공기등급번호-포장등급번호(ACN-PCN)체계를 개발하였다. 일반적으로 ACN은 항공기 제작사 매뉴얼에 노상등급별 값이 제시되어 있으며 PCN은 설계항공기 ACN을 PCN으로 적용하는 경험적 기술방법과 설계된 포장 단면을 등가환산단면으로 변경 후 FAA(미연방항공청) 프로그램을 이용하여 산출하는 기술적 방법이 있다. 국내기준으로는 국토교통부 비행장포장설계 매뉴얼에 부록으로 수록되어 있으나 기준 내용이 명확하지 않아 국내 공항 설계시 정확한 PCN 산출하기 어렵고 최근 FAA의 포장강도 결정보고 기준 변경내용이 반영되지 않은 상태이다. 따라서 본 연구에서는 최신 개정된 FAA 포장강도결정 기준 절차 및 변경내용을 소개하고 국내 공항 포장 PCN산출시 이용하는 등가환산계수의 적정값을 검토하고 AIP(Aeronautical Information Publication)에 등재된 주요 공항의 PCN 현황을 조사하여 변경이 필요한 부분을 제시하고자 한다. 이에 등가환산 계수별 PCN값을 비교분석하였으며 국내 공항 PCN 산출시 등가환산 계수는 FAA에서 제시한 범위 중 중간값을 적용하는것이 적정한 것으로 판단되었고 일부 공항의 경우 AIP에 등재된 콘크리트 포장PCN 타이어압 표식을 수정할 필요가 있는 것으로 조사되었다. 또한 향후 국내 고시된 국토교통부 비행장 포장설계 매뉴얼 부록. “ACN-PCN값 결정을 위한 FAA 프로그램 이용법”의 수정 보완이 필요한 것으로 판단된다.
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현재 세계의 많은 나라들은 환경문제를 해결하기 위하여 친환경적 에너지 개발에 주력하고 있다. 그 중 유 망한 대체 에너지 원으로 각광받고 있는 태양광 발전과 도로분야를 접목한 태양광 도로에 관하여 미국의 Solar Roadways에서 개발한 태양광 패널의 문제점과 이에 관한 해결방안을 제시하였다. Solar Roadways의 패널 모델 중 SR2라는 모델을 선정하여 위와같은 문제점과 해결방안을 연구하였다. SR2 태양광 패널 모델 의 문제점은 아래의 그림과 같이 6가지로 나눌 수 있다. 먼저 설치관련문제이다. Solar Roadways의 첫 번째 타입 모델은 12ft * 12ft의 정사각형 패널이였다. 하지만 이러한 크기와 모양으로는 여러종류의 도로들을 다루기 어려웠기에 약 4ft의 육각형 모형의 패널을 만들어 언덕이나 커브 등에 설치가 용이하도록 변경하였으며, 더 나아가 다양한 모양과 크기의 패널들을 개발하여 더 큰 유연성을 제공할 수 있음을 확인시켜주었다. 두 번째로 유지관리 문제이다. Solar Roadways의 조사결과 도로의 오일 등의 유출을 제외하고는 흙이나 먼지 등 대부분의 작은 입자들은 도로를 달리는 차량에 의해 날아간다는 것을 확인하였다. 방수 및 재해문제에서는 각 태양광 패널이 전기 부품을 보호하기 위하여 밀폐되어 제작되었다. 즉 패널은 물에 완전히 잠겨도 전기 부품이 보호받는다는 말이다. 또한 비가 내릴 시에 동반되는 천둥, 번개에 관하여도 패널의 겉면이 유리이기에 절연체 역할을 하여 낙뢰로부터 보호를 해주는 역할을 수행한다. 다음으로는 내구성 문제이다. 현재 미국 설계기준의 semi-trailer 하중은 약 36.3Ton이다. 하지만 이 태양광 패널의 하중테스트 무게는 약 114Ton으로 미국 설계기준의 약 3배를 웃도는 숫자임을 확인하였다. 다섯 번째의 문제점은 효율성에 관한 문제이다. 미비하지만 적게나마 자동차의 헤드라이트로도 태양광 패널이 전력을 생산한다는 것을 실험을 통하여 확인하였다고 전했다. 마지막으로 환경 문제인데 오히려 태양광 도로로 전기자동차 이용이 활성화 된다면 최대 온실가스의 약 75%를 감축할 수 있다고 한다. 태양광 도로는 교통을 분담하는 도로가 에너지를 창출하는 일도 함께 하도록 도모하는 공공재의 하이브리드 개념을 접목한 것으로 사유지가 아닌 국유지를 대상으로 하는 점에서 국가 주도의 개발사업이 가능하다는 것이 큰 장점이다. 특히, 도로의 재포장이 급증하는 최근의 국내 도로상황은 이러한 창의적 도전이 가능한 여건을 만들어 주고 있다는 점에서 시사하는 바가 크다.
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현 대기차량 길이 산정은     × × 와 같이 적용한다. 여기서, 길이계수 값은 비신호와 신호로 구분하여 적용한다. 즉, 비신호교차로의 경우는 길이계수 값(⍺)은 2.0, 신호교차로의 경우는 1.5이다. 이것은 2.0은 ‘lane overflow’가 일어날 확률이 대략 99%에 해당되며, 1.5는 ‘lane overflow’가 일어날 확률이 대략 95%에 해당된다. N는 좌회전 자동차의 수(신호 1주기당 또는 비신호시 2분간 도착하는 좌회전 자동차)이며 S(m)는 대기하는 자동차의 길이이다. 그러나 이 방식은 도착하는 좌회전 자동차의 수만을 기반으로 산정하며 대기차량 대수에 영향을 주는 다른 요인들(예를들면, 대향 교통량, 접근 교통량, 신호현시 조건 등)을 고려하지 않았다. 비신호교차로의 경우는 대향 교통량 조건에 따른 좌회전이 가능한 대수도 대기차량 대수에 영향을 미치는 주 요인중 하나이다. 신호교차로의 경우는 ‘lane blockage’현상을 고려하지 않았다는 점이다. 이로 인해 다양한 도로·교통 조건에서 현 대기차량 길이가 과대 혹은 과소평가 문제가 잠재적으로 존재한다고 판단된다. 또한 제약적인 도로 공간 등 부득이한 경우에 대한 기준이 미비한 문제를 해결할 필요가 있다. 이를 위해 기 연구에서 제시한 위험 확률 모델을 적용하여 비신호와 신호교차로별로 대기차량 길이를 재평가하여 기 방식과 비교를 하였다. 비신호교차로의 경우는 Chakroborty외 3명이 제시한 M/G/1 대기행렬 모델, 신호교차로의 경우는 ‘lane overflow’와 ‘lane blockage’ 현상을 고려한 Kikuchi와 Kronprasert 모델을 적용하여 좌회전·우회전 전용차로의 대기길이를 기존 방식과 비교·평가하였다. 첫 번째 모델(1)과 두 번째 모델(2)에 대한 공식은 다음과 같다. 이러한 확률모델을 통해 2차로도로와 4차로도로에 대해 좌회전·우회전 전용차로 설치 기준을 정립하였으며 아래의 표는 몇 가지 경우에 대해 관련 기준을 제시하였다. 그 결과, 기존 방식은 과대하게 제시하는 것으로 나타났다
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한국도로공사는 ‘고차원 설계환경 기반의 차세대 고속도로 설계 및 관리역량 강화’, BIM 기반의 건설·운영 프로세스를 정립하기 위하여 EX-BIM 로드맵을 수립하였다(2016. 5). 현재 초기 도입단계로써,「EX-BIM 시공단계 표준모델 구축 연구」(한국도로공사, 건설처, 2017)를 수행하고 있다. 연구의 일환으로 시공단계 BIM 적용방안 마련을 위하여 ‘성남-구리간 고속도로 건설공사’를 대상으로 설계단계 BIM 성과품에 대한 검토 및 효과분석을 시행하고 있다. 성남-구리 노선 5개공구는 모두 설계-시공 일괄입찰방식으로 추진중이며, 수도권 주요 도심지를 우회하고 한강을 횡단하는 노선으로, 대부분 교량과 터널 등 구조물 위주로 설계되어 있다. 설계단계 BIM 성과품은 작성완료단계에 있으며, 이어 시공단계 BIM을 수행할 예정이다. BIM 적용 목표로 공기의 적정성, 수량의 적정성, 주요 시설물에 대한 간섭검토 등을 요구하였다. 그래서, 각 공구별 수행사는 BIM 실행계획서(BEP, BIM Execution Plan)를 작성하여 BIM 활용방안을 제시하고 설계단계 BIM을 수행하였으며, 이를 반영하여 최종 BIM 성과품을 작성하는 절차로 진행하였다 설계단계에서는 공기와 수량의 적정성 검토, 주요 시설물에 대한 간섭검토 위주로 BIM을 적용하였다. 공구별 3D/4D 모델을 작성하여, 일련의 과정과 결과를 BIM 결과보고서에 포함하여 성과품으로 작성하였으며, 이를 근거로, 설계 성과품 품질 향상과 시공단계 BIM 활용을 위하여 설계BIM 성과품을 검토하고 효과분석을 수행하였다. 성과품 검토 결과, 노선 특성에 따라 교량 및 터널 등 구조물 위주로 BIM을 적용하였으며, 도공 자체 WBS 모델 분류 체계에 따라 일부 모델을 구성하였으나, 공종별 주요 수량검토를 수행하기에는 공구 및 대상별 LOD가 다소 상이하고 미흡한 수준이었다. 설계단계 효과분석은 도면오류, 간섭검토, 주요 수량검토 등 설계시 대표업무에 대한 결과를 분석하였으며, 발주처나 시공사 입장에서 가시적 효과는 간섭검토, 도면오류검토 순으로 예상되었다. 추가로, 건설참여자를 대상으로 설계단계 BIM 모델을 시연하고 시공단계 활용성에 대하여 인터뷰를 실시하였는데, 가상현장과 사전시공 등 사업관리 측면에 대해 관심을 보였다. 본 연구는 성남-구리간 건설공사를 대상으로 설계단계 BIM 성과품을 검토하고 효과분석을 시행하여 고속도로 건설공사시 BIM 도입에 대한 타당성을 제시하고자 한다. 이와 함께, 설계단계 ROI 결과를 토대로 시공단계까지 확대 적용할수 있도록 지속적인 BIM 데이터 관리와 BIM 활용 효과에 대한 모니터링이 필요할 것이다.
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우주의 자원과 영토에 대한 개별 국가의 소유권을 인정하지 않는 「UN 외기권 우주조약(1967)」과는 달리, 달에 매장된 광물 채굴에 대한 이권을 보장한 「US 상업적 우주 발사 경쟁력 법」이 2015년 채택됨에 따라 미국 및 일본의 민간 기업은 접근 가능한 행성에 존재하는 고부가가치의 자원 채취를 위한 기술 개발을 선제적으로 진행하고 있다. 더욱이 미국, 유럽과 중국을 포함한 우주 기술 선진국은 행성 자원의 확보에 한정되지 않고, 달 또는 화성에서의 실제 거주 환경 조성을 위한 현지 자원 활용(In-situ Resource Utilization, ISRU) 개념을 활용한 유인 탐사 및 거주 환경 건설 로드맵을 구체화하는 추세이다. 유럽 우주국(European Space Agency, ESA) 경우 2030년 완공을 목표로 실제 우주인이 거주하는 문 빌리지(Moon Village)와 같은 대규모 거주지 건설계획을 2016년 발표하고 이를 실현하기 위한 컨소시엄을 구성하고 있으며, 중국에서도 최근 유사한 컨소시엄 구성하거나 유럽 우주국의 컨소시엄에 공조하는 등 행성 개발 주도권을 확보하기 위한 노력을 경주하고 있다. 컨소시엄 구성을 통한 행성 개발 전략은 주도국의 입장에서는 비용과 실패의 위험성을 분산시키는 장점이 있으며, 우리나라와 같은 참여국의 입장에서는 기여도에 따라 이권을 확보할 수 있는 기회가 된다는 점에서 매우 중요한 의미를 갖는다. 특히 투자 자원의 한계가 있는 우리나라의 경우에는 기술적인 기여를 통한 참여가 바람직한 것으로 판단되는데. 이는 행성 개발에 필요한 기반시설에 대한 설계법이나 통합 규정 등의 개발과 함께, 시공 장비 및 운송 기반시설 등에 포괄적으로 적용될 수 있는 전략 응용 기술을 포함하는 원천기술 개발에 집중하는 것이 효율적인 대안으로 예상된다. 그러나 행성 개발을 위하여 기초적으로 필요한 예상 인프라와 거주지의 종류 및 규모를 추산하기 위해서는 현지 가용 자원의 종류 및 양과 거주 인원 등에 대한 정보가 필요한 반면, 필요 자원의 종류 및 양과 거주 인원 역시 인프라와 거주지의 종류 및 규모에 대한 결정이 선행되어야 추산될 수 있는 순환 논리의 어려움이 대두된다. 따라서 본 연구에서는 행성 탐사 및 거주지 개발을 위하여 ESA와 미국 항공 우주국(National Aeronautics and Space Administration, NASA)에서 제안한 ISRU 개념을 활용한 행성 운송 인프라 건설의 필요성을 검토하기 위한 기초연구를 수행하였다. 이를 위하여 운송 인프라의 설계에 고려해야하는 행성의 환경 인자들에 대하여 세부적으로 고찰하고 선정하였으며, 이를 실현하기 위하여 요구되는 기술들을 구분하였다. 다음 Fig. 1과 Fig. 2는 본 연구에서 고찰한 목표 기술의 정의 방법과 PISCES(Pacific International Space Center for Exploration Systems)에서 제작한 이착륙 패드 건설 장비를 각각 나타내고 있다
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