미국 및 프랑스의 경우, 초대형 항공기 출현, 항공기 기어 형상의 변화 및 항공교통의 지속적인 수요로 인하여 과거 노모그래프를 사용하는 설계법으로 포장을 설계하는데에 많은 한계가 있었다. 이러한 연유로 미국 FAA 및 프랑스 LCPC등은 포장 구조 시스템을 해석하고 이를 근거로 포장의 공용성을 예측하는 역 학적 경험적 설계법을 개발하였고, 현재도 개선 중에 있다. 줄눈 콘크리트 포장인 공항 콘크리트 포장의 경우 아스팔트 포장과는 달리 조인트를 가지는 이유로 다층탄성해석 프로그램을 통한 설계법에서 최근에 는 3차원 유한요소방법을 이용한 설계법으로 변화하고 있다. 본 연구는 국내의 역학적-경험적 공항포장 설계법을 개발하기 위해 FAA에서 개발한 공항포장용 3차원 유한요소프로그램인 FEAFAA를 참고하여 범용 해석 프로그램인 ABAQUS로 이를 개선한 모형을 구축하 였고, 기존 개발된 줄눈 콘크리트 포장용 3차원 유한요소해석 프로그램인 FEAFAA, EverFE 등과 비교하 여 구축 모형을 검증하였다. 그리고 항공기의 이동하중에 대한 포장의 거동을 해석할 수 있는 동적 해석 모형으로 확장하였고, 향후 인천공항공사의 현장 시험을 통해 모형에 대한 검증을 수행할 예정에 있다.

인천국제공항은 타당성 조사 및 기본설계를 거쳐 1단계 사업에서 11.7km²의 부지조성 및 활주로 2본 등을 건설하였고, 뒤이어 시작한 2단계 사업에서 길이 4,000m의 활주로 1본과 0.13km²규모의 화물터 미널 등을 추가 건설하였다. 그리고 2013년 6월부터 본격적인 공사가 시작된 3단계 사업에서는 제2여객 터미널을 건설하고, 계류장과 화물 터미널을 확장하여 연간 6천 200만 명의 승객과 580만 톤의 화물 처 리를 목표로 하여 진행 중에 있다. 현재 1단계 사업에서 건설된 콘크리트 포장의 경우 2001년 3월 개통 이래 공용연수가 14년으로 설계수명 20년에 다다르고 있으며, 3단계 사업에서 건설 예정인 계류장 및 화 물 터미널의 경우 대부분 콘크리트 포장으로 계획되어 있다. 향후 설계수명이 지난 포장에 대하여 이를 평가하여 복구하고, 건설 예정된 포장의 공용수명을 증진시키기 위하여 국내 현실과 맞지 않는 외국의 포 장 설계방법이 아닌 인천공항 고유의 포장설계방법 개발이 필요한 실정이다. 본 연구에서는 합리적인 포장의 잔존수명을 예측하고, 신설 포장의 조기 파손을 최소화하여 인천공항 콘크리트 포장의 전반적인 성능 향상을 도모할 수 있도록 역학적-경험적(M-E: Mechanistic-Empirical) 공항 콘크리트 포장 설계기준 및 방법을 개발하기 위해 필요한 기초자료 및 검증 자료인 콘크리트 포장 거동 계측 데이터 확보를 위해 3단계 포장 구간 내 온도계, 습도계, 변형률계, 변위계 등의 계측기 매설계 획과 수동 및 자동 계측데이터 수집 시스템 구축방안을 수립하였다.

일반적으로 도로포장 하부층의 다짐상태는 시간이 경과함에 따라 배수불량, 관로의 노후화 등으로 인 하여 품질이 저하되어 지지력이 약해지거나 공동(Cavity)이 발생하게 된다. 이러한 공동으로 인해 지반 사이에 이격이 발생하여 설계 당시의 하중보다 더 큰 하중이 가해지게 되며 이로 인해 포장에 침하 및 균 열이 발생하게 된다. 이를 방지하기 위해서는 포장 하부층의 상태를 사전에 파악하고 조치를 취해야한다. 하부층의 상태파악을 위해서는 코어링(Coring)을 통해 직접 육안으로 확인하는 것이 가장 확실한 방법이 다. 하지만, 포장체에 파손을 발생시키고, 천공 중 교란이 발생할 수 있으며 깊은 곳에 존재하는 공동까지 천공이 불가능하다는 단점이 있다. 이러한 단점을 보완하기 위해서는 다양한 비파괴 검사를 통한 포장 하 부층의 상태조사가 필요하다. 그 중 전기비저항 탐사(Electrical Resistivity Survey)는 전자기기 및 컴퓨 터 발달에 힘입어 짧은 시간에 많은 양의 데이터를 획득할 수 있을 뿐 아니라 해석 결과의 신뢰성도 높아 져서 현재 국내에서 많이 이용되고 있는 방법 중 하나이다. 일반적으로 전기비저항 탐사는 전극봉(Pole) 을 지면에 설치하여 탐사를 진행하는데 포장표면에서는 전극봉 설치가 용이하지 않으며 설치과정에서 파 손을 발생시킬 수 있다. 본 연구의 목적은 평판접지전극방법(Flat Electrode Method)과 전극봉전극방법(Pole Electrode Method)의 비교를 통해 각 포장층별 재료들의 전기비저항 특성(Resistivity Characteristic)을 분석하고 평판접지전극방법을 이용한 전기비저항 탐사를 포장 하부 공동탐사에 적용할 수 있는지에 대한 여부를 파 악하는 것이다. 포장층별 재료들의 공시체를 이용한 실내실험(Laboratory Test)을 통해 전기비저항 특성 을 분석하고, 공동 및 포장을 모사한 현장실험(Field Test)을 통해 평판접지전극방법을 이용한 전기비저 항 탐사의 적용 가능성을 파악한다.

콘크리트 포장은 시공비가 저렴하고 일정기간 동안 유지보수가 필요하지 않아 1981년 개통된 남해고속 도로를 시작으로 콘크리트 포장이 시공되었다. 2015년을 기준으로 콘크리트 포장은 국내 고속도로의 약 62.2%를 차지한다. 지난 1981년 이후 시공되기 시작한 다수의 고속도로 콘크리트 포장은 소규모 단면보 수만 시행한 채 설계수명이 지나 노후화된 상태이다. 중부고속도로를 포함하여 비슷한 시기에 만들어진 콘크리트 포장들은 이미 설계수명을 넘어섰고, 부분보수로 수명을 연장해 왔다. 실제로 최근 고속도로 포 장 노후화에 따라 파손 구간이 급속도로 증가하여 포장보수비가 급증하고 있다. 따라서 본 연구에서는 노 후 줄눈 콘크리트 포장에 발생하는 파손의 종류를 조사하고 각각의 파손에 영향을 미치는 환경인자들을 분석하여 상관성을 분석하고 통계적 유의성을 검토하여 포장 파손과 환경인자간의 관계를 도출한다. 고속도로 콘크리트 포장의 공용수명이 20년을 초과한 구간에 대해서 1,426km/차로의 HPMS(Highway Pavement Management System) 데이터를 수집하였다. 대상 구간은 11개 노선에 분포하며, 14개 지사의 관할 하에 있다. 대상구간에서 발생한 총 9종류의 파손에 대해 파손개수를 조사하고 노후 줄눈 콘크리트 포장 파손에 영향을 미치는 환경인자 10개를 선정하였다. 선정된 환경인자와 각종 파손의 평균값을 구하 여 상관도를 조사하였다. 하지만 파손의 양이 매우 광범위하여 상관도를 찾는데 한계가 있어 박스도표분 석(Box Plot Analysis)을 이용하여 이상치를 제거한 후 상관도 분석을 실시하였다. 본 연구에서는 상관계 수의 절댓값이 0.4 이상이며 유의확률이 양측검정에서 0.05 이하인 경우에 상관관계가 있다고 판단하였 다. 그 결과, 콘크리트 패칭, 아스팔트 패칭, 스켈링, 조인트 스폴링, 종뱡향 스폴링이 환경인자와 상관성 을 보였고 강설량, 강설 일수, 제설제 사용량, 강우량, 강우 일수, 연교차, 동결융해횟수, 영하 일수가 파 손에 영향을 끼치는 것으로 파악되었다. 환경인자의 영향을 받는 것으로 분석된 다섯 종류의 파손을 회귀 분석의 종속변수로 설정하였다. 각 종속변수와 상관관계가 있다고 판단된 환경인자를 회귀분석의 독립변 수로 설정하였다. 다중회귀분석을 실시하기 이전에 독립변수간의 상관성을 확인하였고 모든 독립변수가 상관성을 보이는 것으로 확인되었다. 다중회귀분석시에는 통계적으로 유의한 순서대로 독립변수를 회귀 모형에 투입하는 방법인 단계적 회귀분석 방법을 사용하여 회귀식을 제시하였다. 회귀식을 통한 파손개수 와 실제 관할지사별로 발생한 각종 파손의 평균값을 비교하였다. 그 결과, 콘크리트 패칭, 종방향 스폴링, 아스팔트 패칭, 조인트 스폴링, 스켈링 순서로 상관성이 높은 것을 알 수 있었다. 또한 회귀식을 통한 각 지사별 파손개수와 실제 지사별 파손개수를 비교하였다. 수집된 환경인자 중 콘크리트 패칭과 종방향 스 폴링에 가장 큰 영향을 주는 환경인자가 강설 일수라는 것을 확인하였고, 실제로도 14곳의 지사 중 강설 일수가 가장 많은 원주지사 관할의 콘크리트 패칭 횟수가 가장 많은 것을 확인 할 수 있었다. 따라서 본 연구에서 제시한 다섯 가지 종류의 파손에 영향을 미치는 환경인자를 적절히 관리한다면 해당되는 파손을 줄이고 노후 콘크리트 포장을 보다 효과적으로 관리할 수 있을 것으로 판단된다.

도로포장은 구조 및 재료 조건과 더불어 환경 및 교통하중 조건에 영향을 받아 러팅(Rutting), 피로균 열, 반사균열, 온도균열 등의 파손을 일으켜 설계수명에 도달하기 이전에 유지보수를 실시해야 하는 경우 가 자주 발생한다. 이러한 유지보수를 실시하는데 있어 기존의 파손된 도로 포장위에 아스팔트 덧씌우기 를 하는 방법이 있으며, 지난 2006년에는 탄소섬유와 유리섬유를 격자망으로 직조한 섬유보강재를 이용 한 아스팔트 덧씌우기 공법이 개발되어 2014년 기준 시공연장이 250km에 달한다. 최근 국･내외에서는 섬유보강재를 이용한 유지보수 방법의 효과를 확인하기 위한 연구가 활발히 진행되었다. 권세용 외(2005) 는 섬유보강 아스팔트 혼합물의 균열저항성 연구를 통해 덧씌우기 층의 층간 섬유 부착력은 아스팔트의 휨 강성 및 균열 저항성에 큰 영향을 끼친다는 연구결과를 보였다. 박상구 외(2010)는 이러한 섬유보강 아스팔트 포장의 부착 전단강도를 증가시키고 장기 공용성을 향상시키기 위해서는 시공시 표층 아스팔트 의 다짐 온도가 저하되지 않도록 노면절삭에서 표층 아스팔트 타설과 다짐까지의 작업을 연속적으로 수행 해야 한다는 연구결과를 보였다. 국내에서는 비교적 최근 섬유그리드 보강 아스팔트포장의 시공이 이루어졌기 때문에 초기의 거동 및 성능에 대한 검증은 이루어졌지만 일반 아스팔트포장의 거동 및 성능과의 장기적인 비교 분석이 아직까지 제대로 이루어지지 않은 실정이다. 본 연구의 목적은 장기공용성 조사를 위해 시공완료 후 5~8년이 경과된 구간의 아스팔트 덧씌우기 포장 의 거동과 공용성에 미치는 섬유그리드의 효과를 확인하는데 있다. 노후된 일반국도 아스팔트포장의 섬유그 리드 보강 아스팔트로 덧씌운 구간과 일반 아스팔트로 덧씌운 구간의 현황조사를 실시하였으며, 이들 구간 의 PMS자료와 노면촬영사진을 분석하여 파손현황을 비교하고, 현장에서 채취한 코어에 대해 실내실험을 실시하여 파괴에너지, 부착전단강도 등의 데이터를 획득하였다. 실험 분석 결과를 구조해석의 입력값으로 활용하여 섬유그리드 포장과 일반 아스팔트포장의 러팅, 피로균열 해석을 통해 거동을 비교하였다.

아스팔트 덧씌우기는 어느 정도 파손이 진행된 아스팔트 포장이나 시멘트 콘크리트 포장 위에 아스팔 트 혼합물을 포설하는 포장 보수 공법으로 지난 2006년에는 탄소섬유와 유리섬유를 느슨한 격자막 형태 로 직조한 토목섬유 보강재를 노면에 부착하여 아스팔트 포장체의 균열저항성을 증진시킬 수 있는 섬유그 리드 보강 덧씌우기 공법이 개발되어 현재까지 136km의 달하는 구간에 시공되었다. 그에 따라 최근 국내 에서는 섬유그리드 보강 덧씌우기 포장의 효과를 확인하기 위한 연구가 활발히 진행되고 있다. 김광우 외 (1999)는 아스팔트 콘크리트 덧씌우기에서 야기되는 반사균열에 대한 저항성 향상을 위한 연구를 통해 유 리섬유 그리드로 보강된 아스팔트 혼합물이 반사균열 저지에 효과적이라는 연구결과를 보였다. 도영수 외 (2005)도 아스팔트 덧씌우기 포장에 나타나는 반사균열 제어를 목적으로 시멘트 콘크리트 포장과 아스팔 트 덧씌우기 포장 경계면에 보강재의 부착 방법을 달리하여 실내실험을 진행하였으며, 불포화 폴리에스터 수지 부착이 가장 효과인 것을 확인했다. 또한 박상구 외(2010)는 이러한 섬유보강 아스팔트 포장 부착의 전단강도를 개선하여 섬유보강 아스팔트 포장의 성능을 극대화하기 위한 연구를 진행하여 현장에서 지켜 야 할 만한 규정을 제안하였다. 국내에서의 섬유그리드 보강 덧씌우기 포장공법은 비교적 최신의 기술이기 때문에 일반 아스팔트 덧씌 우기 포장공법과의 장기적인 공용성 비교가 제대로 이루어지지 않은 실정이다. 따라서 본 연구에서는 섬 유그리드 보강 덧씌우기 포장 공법의 장기공용성 조사를 위해 재령 8년이 된 국내 고속도로 콘크리트 포 장의 PMS 데이터를 확보하여 추적조사와 구조해석을 실시하였다. 결과 분석을 통해 기존 콘크리트 포장을 섬유그리드로 보강하고 덧씌웠을 때가 그렇지 않은 경우보다 수명이 증진되는 것으로 나타났으며, 섬유그리드가 반사균열에 저항하는 것을 확인하였다.

최근 국내외 많은 지역에서 발생하는 싱크홀은 그 발생의 규모와 시기를 예측하기가 어렵다. 현재의 기 술로는 싱크홀이 발생할 가능성이 있는 위험지역에 Coring을 이용하여 도로하부 공동의 유무를 파악하는 방법이 최선이다. 하지만 포장된 도로에 Coring을 실시하면 그 후 보수하더라도 보수한 부분이 취약해져 추가 파손이 발생하기 쉽다. 따라서 도로하부에 존재 가능한 싱크홀을 찾기 위해 무작위로 Coring을 실시 하는 것은 상당히 비효율적인 방법이다. 이러한 단점을 보완하기 위해 도로포장면의 파손 없이 도로하부 에 싱크홀이나 공동 혹은 이상대의 유무를 파악하기 위해 전기비저항 탐사(Resistivity Survey)방법을 이 용하였다. 하지만 현재 실시되고 있는 전기비저항 탐사는 지면과 접촉하는 전극부가 말뚝형태를 하고 있 어 도로 천공이 불가피하다. 본 연구의 목적은 기존의 전기비저항 탐사의 단점을 보완하여 도로의 파손 없이 하부에 존재하는 싱크 홀 등을 파악하는 것이다. 전기비저항 탐사의 전극부를 기존의 천공방법에서 접지방법으로 변형하여 전기 비저항 탐사를 실시할 수 있음을 파악하고 싱크홀과 지반연화를 모사한 실내실험을 통해 접지전극방식의 전기비저항 탐사기법을 검증한다.

고속도로에서의 포장 파손은 주행성뿐만 아니라 사용자의 안정성에도 영향을 주며, 노후 포장에서의 포장 파손의 급증은 경제적으로도 보수비용이 증가하는 문제를 초래한다. 본 연구에서는 국내 고속도로 노후 콘크리트 포장에서 발생하는 파손의 근본적인 원인을 규명하기 위해 다양한 환경 인자를 선정하여 파손별 상관성을 분석하였다. 연교차, 강우 일수, 강설량 등 총 6가지의 지역 및 지사별 자료를 바탕으로 수집된 환경 인자와 고속도로 포장관리시스템에서 수집하는 콘크리트 포장 파손 총 9가지를 이용하여 산 점도 분석을 실시하였다. 또한 무작위로 발생하는 파손을 제거하기 위해 박스도표 분석(Box Plot Analysis)을 이용하여 동일 성질의 산점들을 하나의 대표값을 갖도록 가공하여 경향을 비교하였다. 다음 그림은 줄눈 콘크리트 포장에서 종방향 스폴링의 파손량과 연교차간의 상관도를 분석한 그래프이다. 본 연구를 통하여 상관관계를 분석하기 위해 도입된 박스도표 분석이 두 인자간의 경향을 파악하는데 효과적인 것을 확인하였으며, 이 분석을 통하여 6가지의 환경 인자와 9가지의 포장파손간의 상관관계를 확인하고 관련 정도를 파악하였다.

1970년대에 실시된 국토종합개발계획을 시작으로 국내 고속도로망 중 14개의 노선이 건설되었으며, 이 를 바탕으로 고속도로는 운송, 유통 및 생활의 편의성 등 국내 경제성장의 큰 원동력 역할을 수행하였다. 하지만 과거 증설되었던 고속도로가 현재에는 공용수명을 초과한 노후 포장이 되었으며 시간이 지날수록 그 연장이 기하급수적으로 늘어나고 있는 실정이다. 이러한 노후 포장의 경우 유지관리 측면에서의 보수 만으로는 향후 포장의 품질과 경제성 측면에서 한계가 있기 때문에 국내뿐만 아니라 해외에서도 노후 포 장의 처리 및 전략에 대해 다양한 연구가 진행되고 있다. 포장의 리모델링 시급성을 판단하기 위해선 PMS에서 조사하는 항목들을 바탕으로 우선순위를 선정하되 상세 설계를 위한 타당성을 검증하기 위해 선 2차적인 상세조사가 필요하다. 노후 콘크리트 포장에서 주의 깊게 확인해야할 구간을 다음 그림 1과 같이 네 가지 경우로 구분하여 각 해당 구간에서 필수적으로 확인해야할 사항들을 제시하였다. 본 연구는 노선의 리모델링 시급성이 높다고 판단되는 노후 콘크리트 포장에 대해 적절한 상세조사 지 침을 제시하고 이를 활용할 수 있는 방향을 제공하는데 목적이 있다. 또한 리모델링 시급성 지수를 통하 여 선정된 구간에 대해서 본 연구에서 제시한 항목들에 대해 상세조사를 실시함으로서 우선순위 최종 결 정을 실시함을 목적으로 한다.

최근 신설도로의 증가로 도로의 총 연장이 급증하여 현재 국내도로연장은 10567km에 이르며 아스팔트 포장의 비율은 87.3%로 콘크리트 포장에 비해 월등히 긴 연장을 보인다(국토교통부, 2015). 또한 공용년 수가 증가하고 교통 및 환경의 복합적인 요인들로 인해 도로포장의 파손이 광범위하게 발생되고 있는 실정 이다. 포장체의 구조, 포장을 구성하는 재료와 더불어 환경 및 교통하중에 영향을 받아 도로 포장에서는 러팅(rutting), 피로균열(fatigue cracking), 반사균열(reflection cracking), 온도균열(temperature cracking)등의 파손이 발생하여 설계수명에 도달하기 이전에 유지보수가 실시해야 한다(한국도로공사, 1999). 섬유그리드 보강 아스팔트 포장은 무근 콘크리트 포장에 Wire Mash를 설치하는 개념과 같이 아스 팔트 표층을 포설하기 전 표층과 중간층 사이에 섬유보강재를 설치하는 포장이다. 섬유그리드 보강 포장기 법은 하부에서 발생되는 균열에너지를 보강재가 분산시켜 균열 상승을 차단함으로서 반사균열을 지연시키 거나 정지시키고 표층에서 인장력에 의해 발생되는 골재의 횡 방향 이동에너지는 하부기층까지 확장하려 는 응력을 섬유보강재로 억제시킴으로서 소성변형을 저감할 수 있다. 본 연구에서는 섬유 그리드로 보강된 콘크리트 및 아스팔트포장 덧씌우기가 적용된 구간에서의 시공현황분석 및 유관조사를 실시하였다. 고속 도로의 경우 섬유그리드포장 덧씌우기와 일반아스팔트 포장 덧씌우기 시공구간의 PMS 데이터를 이용하여 노면결함 추적조사를 실시하였다. 일반 국도의 경우 섬유그리드 적용구간과 일반 아스팔트포장을 비교구 간으로 선정하여 PMS 데이터를 통한 노면 결함 추적조사를 실시하였으며, 각 구간에서의 코어링 실시 후 부착전단강도실험을 통해 기존에 시공되었던 일반 아스팔트포장과의 비교 ․ 분석을 실시하였다.

국내 고속도로는 1981년 건설된 남해고속도로를 시작으로 많은 구간이 콘크리트로 시공되어 현재 약 62.2%가 콘크리트 포장으로 이루어져 있다. 현재 그 중 대부분이 공용 년수가 설계수명인 20년이 넘은 노후화된 포장으로 그 연장은 2014년을 기준으로 1,426km에 이르고 있다. 노후 콘크리트 포장의 보수 보강은 현재 아스팔트 덧씌우기가 주로 사용되고 있다. 하지만 이미 내구성 에 한계를 느끼는 구간들이 많아지면서 노후포장에 대한 소규모의 단편적인 보수로는 파손의 반복적 발생 및 교통안전 사고, 교통 정체로 인한 사회적 비용증가를 감당하기 어렵기 때문에 부분보수 등이 아닌 대 대적인 개량방안이 필요한 시점이다. 엄청난 물량의 노후 콘크리트 포장을 일시에 개량할 수 없기 때문에 우선 현재 노후 콘크리트 포장의 상태를 평가하여 노후 콘크리트 포장의 구조적인 상태를 수치화 할 필요가 있다. 또한 개량이 필요한 콘 크리트 포장 구간의 개량 우선순위를 정할 필요가 있다. 이를 위해 본 연구에서는 노후 콘크리트 포장의 구조적인 상태를 수치화할 수 있는 도구인 리모델링 시급성 지수(Remodeling Index, RMI)를 개발하였 다. 통계분석을 통한 리모델링 시급성 지수를 개발을 위해 국내 고속도로 포장 전문가 및 실무자들로 구 성된 패널 멤버를 구성하여 다양한 종류와 심각도 및 기타 조건을 갖는 포장 구간에 대하여 Panel Rating을 실시하였다. 리모델링 시급성 지수 회귀모형은 식 1과 같이 현재의 포장상태를 평가하는 RMI present와 미래의 포장상 태를 예측하는 ΔRMI로 형태를 구성하였다. 현재의 포장상태를 평가하기 위한 인자로는 노후 콘크리트 포장 내 존재하는 선상균열의 길이, 면상균열의 면적, 알칼리 실리카 반응(ASR)의 존재유무를 사용하였으며, 미래의 포장상태를 예측하기 위한 인자로는 포장의 재령, 제설제 사용량, 교통량을 사용하였다. RMI = RMI present  식 1 여기서, RMI = 목표 재령의 RMI RMI present = 현재의 RMI ΔRMI = 현재 재령에서 목표 재령으로 변화할 때의 RMI 변화량 본 연구를 통하여 노후 콘크리트 포장의 현재상태와 함께 노후 포장의 개량에 필요한 예산 확보를 위한 미래의 포장 상태까지 예측이 가능할 것으로 기대한다.

최근 공항 콘크리트 포장의 설계법은 경험적 설계법에서 역학적 설계법으로 변하고 있다. 하지만 다양 한 환경조건과 파손의 불확실한 예측 등의 이유 때문에 완벽한 역학적 설계방법은 개발되지 못하였고, 축 적된 경험에 공학적 개념을 결합한 역학적-경험적 설계방법이 개발되고 있다. 최근 미연방항공청(FAA) 에서는 역학적-경험적 설계방법인 FAA-6E를 제시하였지만 이는 각종 항공기의 제원 및 다양한 포장층 의 물성 등 많은 입력 변수가 필요하여 편리성이 떨어지며 환경하중을 고려하지 못하는 치명적인 단점이 있다(FAA, 2009). 따라서 최근 환경하중을 고려하기 위한 연구가 활발히 진행되고 있으며 특히 국내에서 는 박주영 외(2014)가 국내 기후 조건을 지역별로 고려하여 콘크리트 포장의 환경하중을 정량화하였다. 본 연구에서는 지역별 환경하중과 D (Dual) 기어에 의한 교통하중에 의한 공항 콘크리트 포장의 응력 회귀모형 및 설계방법을 개발하였다. 먼저, 환경하중과 D기어가 동시에 재하 될 때 슬래브에 발생하는 최 대인장응력의 위치와 크기를 확인하기 위해 유한요소해석 프로그램인 FEAFAA 2.0을 사용하여 해석을 실시하였으며, 그 결과 기존 교통하중만으로 해석하였을 때와 큰 차이가 있음을 확인하였다. 응력회귀모 형의 독립변수를 선정하기 위해 가능한 변수에 대한 민감도 분석을 실시하고 통계프로그램인 SPSS를 사 용하여 다중회귀분석을 실시하여 응력회귀모형을 개발하였다. 개발된 응력회귀모형은 환경하중을 고려하 여 응력을 계산하기 때문에 기존의 항공기 하중만으로 계산된 응력과 큰 차이가 있었다. 이러한 차이로 인해 기존의 피로모형을 그대로 이용할 경우 매우 다른 설계수명이 예측되었다. 따라서 미연방항공청 (FAA)에서 최근 개발된 FAA AC 150/5320-6E 설계법 피로모형의 응력보정계수를 Brill(2010)이 제시한 최소제곱법으로 보정한 수정 FAA AC 150/5320-6E 피로모형을 개발하였다. 기존에 FAA AC 150/5320-6D 방법으로 설계된 여수공항의 콘크리트 포장은 본 연구의 결과를 적용할 경우 동일한 줄눈 간격에서는 두께가 감소하고 동일한 두께에서는 줄눈간격이 증가하였다. D 기어로 설계된 외국 콘 크리트 포장의 자료를 추가하여 피로모형을 보정할 경우 더욱 합리적인 설계가 될 것으로 예상된다.

국내에서는 고속도로의 포장 상태를 평가하기 위해 전 구간에 대하여 포장관리시스템을 도입하여 파손 현황을 관리하고 있으며, 보수 이력에 대해서도 종합적인 자료를 축적하고 있다. 노후 콘크리트 포장의 수명을 연장하기 위한 방안으로 아스팔트 및 콘크리트 덧씌우기 등을 실시하고 있으나 이러한 덧씌우기 공법으로는 하부의 노후 콘크리트 포장으로부터 전파되는 반사균열 등을 억제하기 어렵다. 특히 절삭 아 스팔트 덧씌우기의 경우 절삭면에 여전히 균열 등의 파손이 남아 있고 절삭으로 인한 불순물이 층간 접착 을 방해하여 절삭면에 물이 쉽게 고이고 포트홀이 빈번하게 발생할 수 있다. 또한 야간보수로 인해 재료 및 시공에 한계점이 나타나는 등의 사례를 확인할 수 있었다(도영수, 2002). 본 연구에서는 노후 콘크리트 포장에 대한 절삭 덧씌우기 보수구간의 연도별 이력을 정리하고, 덧씌우 기 포장의 파손에 대한 재보수의 발생 빈도를 조사하였다. 절삭 덧씌우기를 1회만 실시한 구간의 연장은 포장의 재령 20년까지 지속적으로 증가하다가 감소하였고 그때부터 2~3회 덧씌우기한 구간이 증가하는 것으로 확인되었다. 이를 통해 덧씌우기 포장의 재파손이 지속적으로 발생하고 있음을 확인하였으며, 절 삭 덧씌우기의 경우 재보수까지 걸리는 시간이 5년 이내로 상당히 짧다는 것을 확인할 수 있었다.

온도하중에 기인하는 교량의 수평거동의 구속을 최소화하기 위해 도로 포장과 교량의 접속부에는 줄눈, 신축이음 및 배수시설을 설치하며, 이로 인하여 도로에는 불연속면이 발생한다. 이는 노면의 평탄성에 영 향을 주어, 이용자들의 승차감을 저하시키고 경우에 따라 안전을 위협하기도 하는 요인이 된다. 교량의 교대 주변의 지반은 다짐이 용이하지 않아 장기침하가 발생하기 쉬우며, 이로 인하여 접속 슬래브에 균열 이 발생하고 신축이음이 손상되기도 한다. 또한 손상된 신축이음부에 강수 및 제설제 침투로 인한 2차적 인 피해가 발생하기 때문에 유지관리비가 요구되는 실정이다. 이러한 문제점을 해결하기 위한 방법으로 줄눈과 신축이음의 설치 없이 교량부와 포장을 일체로 시공 하는 Seamless Pavement 공법이 호주 WM7 고속도로의 Russell Bridge에서 시공되어 매우 우수한 성능 을 보인 것으로 확인되었다(Griffiths et al, 2006). 불연속면을 제거하여 줄눈, 신축이음 및 배수시설을 없애 초기 시공비를 줄일 수 있었고, 불연속면이 없어져 운전자의 쾌적성이 개선되었으며, 이 위치에서의 파손이 없어 유지관리비가 적게 소요된 것으로 나타났다. 미국의 경우 호주의 Seamless Pavement 공법 의 우수성을 확인하여 SHRP2 연구단에서 연구를 시작하여, 교량설계시 이를 고려할 수 있는 방안을 연 구하였다. 본 연구는 토공부와 교량 사이의 불연속면을 없애는 Seamless Pavement 공법을 국내에 도입하기에 앞서 이에 대한 이론적 배경과 설계 논리 등을 검토하여 보았다.

국내 고속도로는 1981년 건설된 남해고속도로를 시작으로 많은 구간이 콘크리트로 시공되어 약 65%가 콘크리트 포장으로 이루어져 있다. 현재 공용 중인 대부분의 콘크리트 포장은 공용년수가 설계수명인 20 년을 넘어가 노후화된 상태이며, 그 연장은 2014년을 기준으로 1,426km에 이르고 있다. 이와 같은 고속도 로 포장의 노후화 때문에 파손구간과 이에 대한 보수비가 급증하고 있다(건설교통부, 2014). 따라서, 노후 된 포장에 대한 소규모의 단편적인 보수로는 파손의 반복적 발생 및 교통안전 사고, 교통 정체로 인한 사 회적 비용증가를 감당하기 어렵기 때문에 부분보수 등이 아닌 대대적인 개량방안이 필요한 시점이다. 엄청난 물량의 노후 콘크리트 포장을 일시에 개량할 수 없기 때문에 우선순위를 정할 필요가 있으며 이 를 위하여 본 연구에서는 노후 콘크리트 포장의 구조적인 상태를 수치화할 수 있는 도구인 리모델링 지수 (Remodeling Index)를 개발하려고 한다. 리모델링 지수는 국내 고속도로 포장 전문가 및 실무자들로 구 성된 패널 멤버를 구성하여 다양한 종류와 심각도 및 기타 조건을 갖는 포장 구간에 대하여 평가를 실시 하였다. 줄눈무근 콘크리트 포장(JPCP)과 연속철근 콘크리트 포장(CRCP)의 포장 형식별로 외곽차로에 대해 각 30개씩의 구간을 선정하였다. 각 후보구간에 대하여 한국도로공사의 포장관리시스템에서 수집하 는 교통량, 포장 파손현황 및 제설제 사용량을 수집하고, 기상연보 및 월보를 참고하여 최근 20년 (1992~2013) 간의 강수 및 적설일수, 기온, 상대습도 등의 환경인자를 수집하였다. 본 연구를 통하여 노후된 콘크리트 포장 구간의 리모델링 우선순위를 결정할 수 있는 모형을 개발하고 각 보수구간의 특성에 맞는 공법을 선정하는 방법과 연계할 수 있을 것으로 기대한다.

1970년 경부고속도로를 시작으로 우리나라에 본격적인 고속도로시대가 열렸으며, 전국을 하루생활권 안에 들도록 만들었다. 그 후 호남선, 영동선, 중부선, 외곽순환선 등의 잘 짜인 고속도로망은 지금까지 우리나라 경제발전의 핵심 인프라로서 그 역할을 해왔다. 그러나 고속도로는 영구적으로 사용할 수 있는 구조물이 아니기 때문에 포장면에 지속적으로 가해지는 교통하중과 온도 및 습도의 환경하중으로 인해 구 조적인 능력이 한계에 도달하며, 특히 공용연수가 지난 포장은 공용 초기에 비하여 파손이 기하급수적으 로 증가하게 된다. 이러한 포장 파손의 급증은 교통안전을 위협할 뿐만 아니라 보수비용을 급격하게 증가 시키는 경제적 문제도 발생시킨다. 따라서 본 연구에서는 콘크리트 포장파손에 미치는 인자를 파악하기 위해서 파손 종류별로 포장체의 재령 및 교통량과 환경인자에 해당하는 기온, 상대습도, 적설 일 수, 제설 제 사용량 등과의 상관성 분석 및 통계적 유의성을 검토하였다. 분석에서 사용한 포장체의 재령은 준공년도로부터 데이터 측정시점까지의 기간으로 정하였다. 또한 교 통량의 경우, 각 노선별에 대해 교통량과 차종 12종의 등가단축하중계수(ESALF)를 이용하여 등가단축하 중(ESAL)을 구해 각 파손들과 상관성 분석을 실시하였다. 이어 환경인자에 해당하는 인자들에 대해 파손들과의 분석을 실시하였다. 기온의 경우 콘크리트의 온 도를 변화시켜 슬래브의 열수축, 열팽창 및 이로 인한 컬링을 일으켜 파손을 발생시키고, 습도의 경우 콘 크리트의 부등건조수축으로 인해 슬래브에 와핑을 일으켜 파손을 발생시킬 수 있다고 판단하였다. 적설 일 수와 제설제 사용량은 제설제에 포함된 염화물에 의한 포장 파손의 가능성을 고려하였다. 중부선, 영 동선 등 총연장 1,426km에 달하는 재령 20년 이상의 노후된 고속도로 줄눈 콘크리트 포장을 대상으로 파 손 종류별 심각도와 앞서 언급한 네 가지 영향인자의 관계를 통계적으로 분석하였다. 파손은 종방향 균 열, 횡방향 균열, 패칭, 스켈링, 내구성 균열, 모서리 파손, 펀치아웃, 스폴링 등 총 10가지의 파손을 대 상으로 하였으며, 파손의 영향인자는 해당 포장구간에 인접한 기상관측대의 자료를 사용하였다. 기온과 상대습도는 2011년부터 2013년까지의 연평균을 사용하였고, 적설 일 수는 2011년부터 2013년까지 연중 0.1cm 이상 적설된 일수의 연평균을 사용하였으며, 제설제 사용량은 2007년부터 2011년까지 한국도로공 사 각 지사에서 사용한 양의 연평균을 사용하였다. 최종적으로 각 파손에 대해 어떠한 인자가 영향을 주 는지 원인을 분석하였으며 정리된 자료를 바탕으로 리모델링 지수(Remodeling Index)를 개발하는 데에 참고하였다.

현재 국내에서 개발된 콘크리트 포장의 설계프로그램은 도로포장에 관련된 한국형 포장설계프로그램 (KPRP)로 교통하중과 지역별 환경조건을 복합적으로 고려하여 포장 설계를 실시한다. 하지만 공항 콘크 리트포장 설계프로그램은 국내 환경조건을 고려할 수 있는 프로그램은 전무하고 미연방항공청(FAA)에서 개발된 FAAFIELD프로그램이 존재하나 항공기 기어하중과 온도하중만을 고려하고 습도하중을 고려하지 못해 합리적인 설계를 못하는 실정이다. 따라서 항공기 기어하중과 환경하중을 복합적으로 고려하는 공항 설계 프로그램 개발이 필요하다. 본 연구에서 개발된 프로그램개발은 국내 공항 콘크리트 포장 응력해석 및 설계 프로그램이다. 선행연 구에서 유한요소해석과 다중회귀분석을 통해 개발된 국내공항의 설계항공기에 따라 각 기어별 환경하중 과 기어하중을 동시에 고려한 응력 회귀모형과 이에 적합한 합리적인 설계 수명을 산출을 위해 응력보정 계수를 보정한 수정 FAA AC 150/5320-6E 피로모형을 적용하였다. 프로그램은 비주얼베이직을 기반으 로 개발되었으며 입력부와 출력부로 구분된다. 입력부에 입력변수로는 설계 교통 특성, 포장구조 특성, 환경 특성으로 구분되며 설계 교통 특성에는 기어의 종류, 설계항공기하중, 설계교통량을 입력한다. 포장 구조 특성에는 설계의 응력검토를 위해 슬래브 두께, 줄눈간격, 복합지지력을 입력하며 환경하중을 고려 하기 위해 환경조건이 내장되어있는 17개의 지역을 선택할 수 있다. 이 외의 지역에 설계는 일교차와 상 대습도를 입력하여 환경조건을 고려한다. 본 프로그램은 사용자 중심으로 단순화된 인터페이스로 구성되어 있어 공항포장 실무자들의 편의성을 고려하였으며 기어의 종류, 설계항공기하중, 설계교통량, 지역설정 등을 통해 줄눈간격에 따른 적정 슬래 브 두께가 산출된다. 향후 콘크리트 포장 뿐만 아니라 아스팔트 포장관련 추가 연구를 통해 개발된다면 국내 공항 포장의 보완을 통해 정확한 설계가 가능할 것으로 기대한다.

PURPOSES : In this study, wasted vinyl aggregate, which possesses better thermal properties than natural aggregate, was used in cement concrete mixture to develop more economical concrete with thermal insulation and freeze prevention effects. METHODS : Slump and air content of the fresh concrete, which substituted its 0%, 5%, and 10% of coarse aggregate with wasted vinyl aggregate, were measured. Compressive strength, Poisson’s ratio, elastic modulus, and splitting tensile strength of hardened concrete were measured by laboratory tests. Thermal properties of concrete such as coefficient of thermal expansion, thermal conductivity, and specific heat were also measured according to replacement ratio of wasted vinyl aggregate. Finally, the thermal insulation and freeze prevention effectiveness of the concrete mixed with wasted vinyl aggregate was confirmed through finite element analysis of road pavement crossing above concrete box culvert made from wasted vinyl aggregate. RESULTS: Even though the physical properties of wasted-vinyl-aggregate concrete such as compressive strength, Poisson°Øs ratio, elastic modulus, and splitting tensile strength were inferior to those of ordinary concrete, they met requirements for structural concrete. The thermal properties of concrete were improved by wasted vinyl aggregate because it decreased thermal conductivity and increased specific heat of the concrete. According to the result of finite element analysis, temperature variation in pavement subgrade was mitigated by box culvert made from wasted-vinyl-aggregate concrete. CONCLUSIONS: Through the laboratory test and finite element analysis of this study, it was concluded that the concrete structures made from wasted vinyl aggregate showed thermal insulation and freeze prevention effects.

PURPOSES: The purpose of this paper is showing that the state of pavement sublayers can be evaluated differently according to direction of FWD. METHODS: The concrete pavement slabs above subgrade without anything, subgrade with cavity, and box culvert were modeled by finite element method(FEM). The modeled pavements were analyzed by changing the direction of falling weight deflectometer(FWD). The deflection results obtained from FEM were used to calculate radius of relative stiffness and composite modulus of subgrade reaction using AREA method. Then, the analyzed results were compared to the results of the test performed at the Korea Expressway Corporation(KEC) test road. RESULTS : The composite modulus of subgrade reaction increased with subgrade elastic modulus, while radius of relative stiffness decreased. The pavement sections of pure earth showed the consistent results regardless of FWD direction. In case there was cavity, the radius of relative stiffness was larger and composite modulus of subgrade reaction was smaller when FWD was leaving the cavity than when approaching the cavity. This pattern became clear when the cavity got larger. In case of the section with box culvert, the pattern was opposite to the case of cavity. When the soil cover depth increased, the effect of box culvert got smaller. When the load was applied far from the cavity and box culvert, the effect was also declined. The test performed at the KEC test road showed identical results to those of finite element analysis. CONCLUSIONS : The direction of FWD should be considered in evaluation of the state of pavement sublayers because it can be evaluated differently even under identical condition.