시멘트 콘크리트 균열은 수화 반응에 의한 경화수축이 하부 마찰과 같은 구속으로 의해 인장응력을 발생시키고 콘크리트의 인장강도를 초과할 때 발생한다. 이러한 이유로 줄눈 콘크리트 포장은 줄눈 절단을 통해 균열의 위치를 인위적으로 결정하지만 연속철근 콘크리트 포장은 균열을 허용하되 내부 철근을 통해 균열의 폭을 제어하여 포장의 기능을 확보하게 된다. 포장의 균열은 수분이 포장 내부로 침투할 수 있게 하므로 하부 층에 영향을 미치고 철근의 부식을 발생시키며 골재 맞물림에도 영향을 미치기 때문에 설계자는 적정 균열 폭을 얻기 위한 철근의 양을 결정하고 우리나라 고속도로의 경우 일반지역은 0.68∼0.70%, 특수 환경은 0.73∼0.74%를 표준설계 세목으로 제시하고 있다. 균열이 발생한 이후에는 온도에 따라 수축․팽창이 발생하면서 균열 폭의 변화가 발생하며 밤에 대기 온도가 떨어져 콘크리트가 수축하면 균열의 폭은 넓어지고 낮에 대기 온도가 올라가 콘크리트가 팽창하면 균열의 폭은 좁아진다. 본 연구는 연속철근 콘크리트 포장 균열 폭에 대한 정량화된 움직임을 관찰하기 위해 콘크리트에 균열이 발생한 후 균열 게이지를 설치해서 초기 1년 동안 발생한 균열 폭을 계측한 데이터를 분석하였다. 과거 균열 거동은 공용 구간에 짧은 기간 동안 계측하여 얻은 결과를 통해 중간정도 공용기간의 일일 변화에 초점을 두었으나 본 계측은 계절적으로 어떻게 변화하는지를 관찰하는데 중점을 두었다

강한 수압에 의한 열화 콘크리트의 제거는 일반적으로 이루어지는 표면처리 방법으로 장비의 수압, 유량, 이동속도에 따라 제거 정도가 달라지며 표면에 생긴 요철은 보수재료의 부착성능에 영향을 주고 현장 부착강도 시험에서 천공 깊이를 결정 하는데 필수적으로 파악해야 하는 정보이다. 그러나 요철이 어떠한 특성을 가지고 있는지에 대한 데이터는 부족한 실정으로 보수 방법에 따른 보수 깊이, 요철 깊이는 어떠한 분포를 가지는지, 열화 제거에 따라 변동성은 얼마만큼 커지는지는 알 수 없는 실정이다. 본 연구는 고속도로 교면포장 개량과 콘크리트 포장 부분단면 보수를 실시하는 경우 발생하는 요철의 특성을 조사하였다. 이를 위해 5개 내외의 코어를 채취하여 최대 및 최소 길이를 측정하고 평균값을 보수재 깊이로 계산하였으며 차이를 요철 깊이로 정의하였다. 최대 요철깊이는 코어채취 위치에 따라 최대 나타내거나 최소를 나타낼 수 있는데 굵은 골재 최대치수 보다 큰 약 68mm직경 코어를 채취하여 표면 요철 변화가 코어 내에서 모두 관찰되게 하였다. 또한 보수재 요철깊이가 표면처리 방법에 따라 다른 형태로 나타내는지 비교하기 위해 교면포장과 부분단면 보수를 구분하여 분석하였다. 교면포장 두께 및 요철의 경향을 분석하기 위해 약 410개 현장 부착강도 코어 파괴 면을 조사하였다. 보수두께는 중앙 보다 열화가 심한 단부에서 변동이 심하게 발생하므로 단부에서 일정 거리를 떨어뜨려 코어를 채취하여 위치 변동성을 최소화 한 상태로 시공과 열화에 따른 두께 및 요철 변동성을 알아보고자 하였다. 또한, 부분단면보수 요철 분석을 위해 약 360개 현장 부착강도 시편 파괴면 분석결과 데이터를 조사하였다. 부분단면보수는 교면포장과 달리 파손이 발생한 줄눈에만 표면처리를 수행하므로 장비의 가동이 불연속이고 열화 제거가 교면포장 보다 소형 장비를 사용하여 수행하기 때문에 나타나는 특징을 비교하였다. 콘크리트 포장 및 교면포장에 덧씌우기 하거나 부분단면 보수를 수행하는 경우 발생하는 요철의 특성을 조사한 결과 교면포장의 보수두께는 8∼9cm에서 가장 큰 빈도를 나타내고 요철깊이는 0.8∼1.0cm 범위에서 가장 큰 빈도를 나타내었다. 부분단면 보수깊이는 5∼6cm 범위에서 가장 큰 빈도를 나타내고 요철깊이는 0.4∼0.6cm 범위에서 가장 큰 빈도를 가지는 것으로 나타났다. 보수재 두께 변화는 교면포장이 부분단면보수에 비해서 평균적으로 크게(1.0/0.6cm) 나타났고 요철깊이도 평균적으로 더 깊은(0.9/0.6cm) 경향을 나타냈다.

시멘트 콘크리트 포장은 2010년도를 전후해서 내구성 문제에 기인한 것으로 판단되는 스폴링 및 스케일링 파손이 조기에 발생하였다. 이러한 파손은 이용객의 주행 쾌적성을 저하시키고 수명을 단축시켜 잦은 보수로 인해 예상보다 빠른 대규모의 개량사업을 계획할 수밖에 없게 만들었다. 이러한 파손을 방지하기 위해서 그동안 내구성 관리지표를 만들어 공기량 및 기포간격계수를 관리하고 콘크리트 포장의 품질관리를 기존 강도 및 평탄성에서 내구성으로 바꾸어 현재에 이르고 있다. 그러나 내구성 향상 노력이 내부 공극과 함께 설계, 시공 및 재료에 대한 다각적인 검토를 통한 파손 원인 도출이 필요하게 되었다. 내구성 파손의 결과는 스폴링 및 스케일링으로 나타나지만 그 원인이 내부 공극에 국한된 것인지 아니면 다른 요인과 병행해 이루어지는지 아니면 다른 요인이 더 큰 영향을 미치는지 알아야 더욱 효과적인 대책을 찾을 수 있기 때문이다. 본 연구는 현장 공용성에 근거해 콘크리트 포장의 내구성 파손원인을 찾아내기 위한 목적으로 시작되었다. 이를 위해서 현장의 내구성 파손을 정량화해야 하고 정량화한 콘크리트 포장의 파손상태를 기준으로 현장을 구분해야 하며 구분된 현장을 기준으로 건전한 구간과 파손된 구간을 나누고 서로 비교 하므로 의미 있는 내구성 파손원인을 도출할 수 있다. 그림 1과 같이 동일한 노선에서 파손율 변화는 구간에 따라 다른 수치를 나타내고 있으며 이것은 유사한 시공조건과 재령을 가지고 있어도 재료 및 품질 특징에 따라 다른 결과를 나타낼 수 있음을 보여주는 것이라고 판단되었다. 그림 2는 높은 파손율을 보이는 곳의 내구성 파손 특징을 보이는 것으로 파손구간 및 비교구간에서 코어를 채취하여 실내에서 구조성능, 내부조직, 배합상태 및 내구성능 시험을 실시하였다. 한정된 조사 구간에서 채취한 코어시험을 통해 얻은 잠정적인 결과는 내구성 파손을 유발하는 인자 가운데 하나로 수분 흡수 저항성으로 제안할 수 있다는 것으로 건전한 코어의 흡수 저항성은 인접 구간에서 채취한 파손부 코어에 비해서 우수한 수분흡수 저항성능을 나타내었다.

콘크리트 포장 파손 구간에 적용되는 보수공법은 파손의 유형(type)과 심각도(severity level)에 따라 결 정 된다. 고속도로 포장은 Hi-PMS(고속도로 포장관리 통합시스템)를 통해서 보수 대상구간에 대한 우선순 위가 선정되고 포괄적인 공법선정도 하고 있다. 여기에서 사용되는 포장상태 지수(HPCI)는 평탄성(IRI)과 표면손상(SD)를 변수로 산정되며 표면손상은 개별적인 파손을 하나의 지수로 대표하도록 정의된 값이다. 그러나, 보수가 필요한 구간 특성을 파악하기 위해서는 하나의 지수로 대표되는 구간이 어떤 파손이 주를 이루고 있는지와 어떠한 심각도로 구성되는지를 알아야하며 이를 통해 파손 성격에 적합한 보수공법 선정을 할 수 있다. 콘크리트 포장 파손유형과 심각도 구분은 공항의 경우 ASTM D 5430, 포장의 경우 ASTM D 6433 및 FHWA-RD-03-031(LTPP 매뉴얼)이 조사되고 있으며 기관 별로 파손 매뉴얼이 조사되었다. 포장파손 심각도 구분 기준에 대해서 문헌조사를 수행한 결과 LTPP 매뉴얼(LTPP Distress Identification manual)과 별도로 개별적인 매뉴얼을 만들어 적용하는 경우도 있는 것으로 조사되었다. 조사 기관 파손유형에 따라 LTPP 매뉴얼과 파손 심각도 적용이 유사(스폴링 파손의 경우 일리노이, 유 타) 하거나 상대적으로 엄격하거나 반대 경우도 있었고 파손유형 구분은 비교적 단순한 것으로 조사되었 다. ASTM 및 LTPP 매뉴얼에서 사용하는 방법은 파손 구분이 구체적인 장점이 있으나 복잡하기 때문에 조사시간이 많이 소요되고 어떤 파손은 다소 주관적인 정의를 하고 있으며 적용 가능한 도로 유형이 광범 위 하도록 만들었기 때문에 고속도로에 적합한 파손 정의에 대한 검토가 필요한 것으로 판단되었다.

국내에 대규모로 시공되어 공용하고 있는 중부고속도로 CRCP 구간은 1987년 12월에 개통되어 일부 구 간에 보수를 수행하고 있으나 28년을 공용하고 있다. 중부고속도로 CRCP에 발생한 파손은 국부파손이 대부분을 차지하고 있다. 국부파손은 일정한 영역의 콘크리트가 여러 조각으로 분리되면서 함몰되는 형태 를 나타내고 이러한 부분을 보수한 것으로 판단되는 패칭이 여러 개소에서 관찰된다. 중부고속도로에서 발견된 국부파손과 펀치아웃 파손은 그 범위에 따라 유지관리에서 적용해야 할 보수방법이 다르며 향후 더 많은 숫자로 발생할 수 있으므로 이에 대한 대비가 필요할 것으로 판단된다. 중부선의 경우 줄눈 콘크리트 포장에 비해 양호한 상태를 나타내는 구간이 더 많이 존재하고 있으나 일 부에 국부파손으로 인해 상대적인 공용기간 단축이 발생하고 있다. 중부선 파손 원인을 파악하기 위한 상 세조사는 중부선의 양호한 공용상태로 인해 많이 이루어지지 않았으나 공용기간을 고려할 때 대비가 시급 한 실정이다. 본 연구에서는 중부선 파손유형과 원인 규명에 대한 기초조사의 하나로 코어를 채취하고 이에 대한 물 성분석을 수행하였고 상대적으로 파손이 빠르게 발생한 구간에 대한 현장조사를 수행하였다. 중부선 연속 철근 콘크리트의 공용상태 파악을 위해 파손상태가 크지 않은 지역에서 코어를 채취하고(2013년도) 깊이 에 따른 염화물량을 조사하였으며 그림 1과 같은 결과를 나타내었다. 중앙에서 채취한 코어는 깊이에 따 라 급격한 염화물 감소가 관찰되나 균열에 인접한 부분은 이보다 높은 염화물량이 관찰되어 철근위치가 높아질수록 염화물의 영향을 빨리 받을 수 있을 것으로 판단되었다. 중부선 연속철근 콘크리트 구간에서 국부파손이 발생하고 보수구간에 재파손이 발생한 개소(그림 2)에 대하여 현장조사를 수행하고 코어를 채취하였다. 조사 결과 설계 보다 철근이 상승되어 배근된 곳이 빈번 하게 발견되었고 해머를 통한 청음시험에서 들뜸이 추정되는 곳도 관찰되었다. 일부 구간에서 코어를 채 취하여 관찰한 결과 그림 3과 같이 철근 주변에서 수평균열이 발생하고 있어 들뜸의 원인으로 추정되었고 철근 부식 흔적도 관찰되었다. 현재 일부 개소에 대해 수행한 기초적인 현장조사를 통해서 볼 때 중부선 파손 원인은 시공 당시의 철 근배치와 밀접한 관련을 가지고 있고 이의 결과로 발생한 파손의 유형은 국부적인 파손이 주를 이루는 것 으로 판단되었다.

현재 국내 고속도로 콘크리트 포장의 약 60%는 줄눈 콘크리트 포장형식이며, 연속철근 콘크리트 포장 은 약 1.3%의 비교적 낮은 구성비율을 갖는 포장형식이다. 하지만 1987년에 개통된 중부고속도로를 중심 으로 연속철근 콘크리트 포장의 우수한 장기공용성이 최근 들어 재조명되고 있으며 관련 연구와 현장 시 험시공 등이 점차 증가하고 있는 추세이다. 연속철근 콘크리트 포장의 전통적인 핵심은 슬래브 거동에 의 해 발생하는 횡방향 균열을 종방향 철근의 인장력과 부착력으로 제어하여 적정한 균열 간격과 균열 폭을 갖도록 하는 것이다. 일반적으로 넓은 균열 간격은 균열 폭을 증가시켜 골재맞물림에 의한 슬래브 간 하 중전달력 저하, 수분 및 염분 침투에 의한 철근부식, 스폴링 발생 등에 영향을 주며 반대로 너무 좁은 균 열 간격은 종방향 균열의 발생과 더불어 펀치아웃 파손이 발생하기 쉽다. 즉 적정 균열 간격 확보를 통한 균열폭의 제어는 연속철근 콘크리트 포장의 공용성에 지대한 영향을 주는 요인으로 볼 수 있다. 연속철근 콘크리트 포장의 균열은 일반적으로 시공 직후부터 동절기 1~2회의 공용기간 사이에서 집중 적으로 발생한다. 하지만 연속철근 콘크리트 포장의 대표적인 손상 유형인 펀치아웃, 스폴링 등은 교통 및 환경하중과도 관련이 있기 때문에 공용기간 중 산발적으로 발생하게 된다. 즉 시공/공용 초기에 발생 한 균열 중, 공용성에 악영향을 줄 수 있는 것으로 알려진 일부 이상 균열들로부터 파손이 발생하여 진전 되는 것으로 예상할 수 있다. 이에 본 연구에서는 육안 관측을 통해 최근 2년 내 시공된 연속철근 콘크리 트 포장 2개 구간의 균열 맵을 작성하고 균열 간격을 조사하였으며 그림 1과 같이 균열 형상을 바탕으로 이상 균열을 분류하였다.

연속철근 콘크리트 포장(CRCP: Continuously Reinforced Concrete Pavement)과 줄눈 콘크리트 포장 (JCP: Jointed Concrete Pavement)의 환경하중에 따른 단부 거동 측정 현장은 음성-제천고속도로 상에 신설 된 CRCP 구간에서 수행되었다. CRCP 구간은 슬래브 길이 약 500m, 폭 8.4m, 두께 28cm, 철근비 0.68%로 시공되었으며 시점과 종점은 앵커러그(Anchor lug)를 생략하고 팽창줄눈을 설치하였으며, JCP와 마주하고 있다. CRCP와 JCP는 모두 린 콘크리트층 위에 설치되었으나, JCP는 린 콘크리트층과 JCP 사이에 비닐을 설치 하였으며, CRCP는 린 콘크리트층 위에 바로 콘크리트 슬래브를 설치하였다. 따라서 CRCP와 JCP의 환경하중 변화에 따른 자유단부의 종방향 변위 및 컬링 변위 측정을 위해 그림 1과 같이 변위측정계(LVDT)를 설치하였 다. 거동 측정은 2013년 4월 24일(Day 1)부터 수행하였으며 자유단부에서 컬링 거동 측정 결과를 그림 2, 종방 향 거동 측정 결과를 그림 3에 나타내었다. 컬링 거동은 약 20일의 측정 기간 동안 CRCP와 JCP의 자유단부는 동일 시간대에 서로 같은 방향으로 컬링 거동이 발생하며, 일일 최대 컬링 변위는 약 1.2mm 정도 발생하였으나, CRCP와 JCP 단부의 상대변위는 거의 발생하지 않는 것으로 나타났다. 종방향 거동은 약 45일의 측정 기간 동안 일일 종방향 변위의 발생은 CRCP 보다 오히려 JCP에서 더 크게 발생하는 것을 알 수 있었다. 계측이 팽창줄눈 위치에서 수행되었기 때문에 이러한 현상이 JCP의 수축줄눈에서도 발생하지는 지는 추가적인 연구로 비교해 볼 필요가 있다.

소입경 골재노출콘크리트포장은 콘크리트 포장 시공 시 포장표면에 적정 응결지연제를 분사한 후 표면 모르타르를 제거하여 굵은 골재를 노출시킴으로서 표면조직을 형성하는 공법으로써 기존 콘크리트 포장의 소음문제를 해결할 수 있는 저소음 공법이다. 소입경 골재노출 콘크리트 포장은 강도를 크게 개선할 뿐만 아니라 소음저감 효과 및 우수한 미끄럼 저항성을 확보하여 도로이용자의 안정성을 확보할 수 있는 공법이다. 현재 국외 도로 선진국의 경우 골재노출 포장의 상용화가 이루어진 상태이지만 국내의 경우는 실용화 초기단계이기 때문에 현장적용을 위해서는 국내 여건에 맞는 합리적인 관리 기준이 필요하다. 이를 위하여 소입경 골재노출 콘크리트 포장의 최적배합 및 노출기법 연구, 굵은 골재의 선정 및 입도 설계, 환경하중 저항성 평가 등 실내시험을 수행하였으며, 소입경 골재노출 콘크리트 포장의 시공을 위한 시공 장비를 제작하였다. 따라서 본 연구에서는 시험시공을 통해 도출된 결과와 기존 실내시험에서 도출된 결과를 비교 분석하였으며, 시험시공 분석을 통하여 골재 탈리 방지, 강도 및 내구성 확보를 위한 표준배합을 제시하였다. 환경 및 시공조건이 상이한 3차례 시험시공 구간을 선정하여 시공현장여건에 유동성으로 대처할 수 있는 시공 기술 및 시공 기준을 제시하였다. 또한 장 단기 공용성 평가를 통하여 도로 포장의 기능성 측면에서 우수한 소음저감 및 미끄럼 저항성을 확보할 수 있는 노면조직의 품질관리 기준을 제시하였다.

골재노출콘크리트포장은 콘크리트 타설 직후 포장표면에 응결지연제를 살포하여 표면으로부터 깊이 2~3mm 정도의 모르타르 경화를 늦추게 한 후 표면의 모르타르 제거를 통해 굵은골재를 포장표면에 노출시키는 공법이다. 골재노출콘크리트포장의 타이어-노면 소음이 일반 콘크리트포장보다 작으면서도 적정한 미끄럼저항을 장기간 유지한다는 장점을 가지고 있다. 특히 굵은골재가 소입경일수록 소음저감효과가 우수한 것으로 알려져 있다. 성공적인 소입경 골재노출콘크리트포장의 건설을 위해서는 굵은골재의 최대입경이 적정하여야 하며, 적정량의 굵은골재를 포장표면에 균일하게 노출하도록 해야 하며 이를 위한 적절한 배합과 노출기법의 도출이 요구된다. 일반적인 콘크리트포장의 배합기준은 강도설계로 이루어지지만 소입경 골재노출콘크리트포장의 경우 강도뿐만 아니라 소음저감효과, 미끄럼저항을 적절히 발현시킬 수 있는 배합설계를 실시하기 위해서는 강도실험 외에도 노면의 미끄럼저항, 소음을 고려할 필요가 있다. 본 연구에서는 소입경 골재노출콘크리트포장에 대하여 적정 강도를 유지하며 포장표면조직의 소음 저감효과 및 적정 미끄럼저항성을 동시에 만족시킬 수 있도록 표면조직을 형성할 수 있는 최적배합에 대해 제시하였다. 또한 콘크리트포장은 온도, 습도 및 대기환경에 의해 모르타르의 경화속도가 달라지므로 콘크리트의 물리적 성질을 정량적으로 고려한 최적 노출기법이 제시되었다.

콘크리트 슬래브를 공장에서 제작하여 도로포장의 신설 또는 보수에 사용하는 공법인 프리캐스트 콘크리트 포장의 하중전달 성능을 평가하기 위하여 연구를 수행하였다. 실내실험을 통해 다웰바 연결 부분의 그라우팅 효과를 측정할 수 있는 방법을 고안하였으며 이러한 실험을 위해 실험체를 제작하여 실험하였다. 실험을 수행한 결과 그리우팅을 한 다웰바의 전단강도는 콘크리트와 일체식으로 된 다웰바의 전단강도에 비해 떨어지지 않음을 알 수 있었다. 이울러 현장에서의 시험시공을 통해 설치된 보수용 프리캐스트 콘크리트 포장에 대해서도 FWD 시험을 실시하여 하중전달 성능을 평가하였다. 현장 실험 결과 기존 콘크리트 포장에 비해 슬래브 중앙부에서의 처짐은 다소 크게 나타나나, 줄눈부에서의 하중전달율은 거의 유사한 것으로 나타났다.

골재노출 콘크리트포장은 저소음 포장으로서 유럽, 일본등지에서 성공적으로 사용되어 왔다. 골재노출 콘크리트포장은 콘크리트 표면의 모르타르를 제거하여 표면에 굵은 골재를 노출시키기는 공법이다. 타이어-노면간의 소음을 저감시키는 표면특성도 중요하지만 포장표면이 공용중에 지속적으로 적정한 미끄럼저항을 확보하여야 한다는 점이 간과되어서는 안된다. 반복적인 타이어-노면간 마찰은 표면조직을 마모시켜서 미끄럼저항값을 감소시키게 된다. 골재노출 콘크리트포장의 경우 노면에 굵은 골재가 노출되어 타이어와 접촉되므로 노면에 노출된 굵은 골재의 암종과 형상이 노면마모에 지대한 영향을 미친다. 일반적으로 골재마모특성에 대한 평가시험은 로스앤젤레스시험기에 의한 마모시험과 Accelerated Polishing Machine에 의한 마모시험이 사용되고 있다. 본 연구에서는 다섯 가지 암종의 굵은 골재에 대하여 두 시험법으로 마모를 평가하였다. 실험결과 두 시험법은 실험골재특성뿐만 아니라 마모특성에 따라 상반된 마모저항결과를 도출하였다. 도로노면의 마모는 타이어와 반복된 마찰에 의해 발생하는데 로스앤젤레스에 의한 굵은 골재 마모시험은 굵은 골재의 전체표면과 철구간 충격에 인하여 마모감량이 나타나서 형상에 따라 마모에 대한 저항성을 평가하기 때문에 도로노면의 마모를 파악하기에는 적합하지 않다고 판단된다. 반면에 APM에 의한 굵은 골재 마모시험은 실험법 자체가 노출된 굵은 골재와 타이어의 반복 마찰로 인하여 마모에 대한 저항성을 평가하기 때문에 APM에 의한 굵은 골재 마모시험이 골재노출 콘크리트포장의 노면에 노출된 굵은 골재의 특성에 따른 마모에 대한 저항성을 파악하는데 보다 효과적이라고 사료된다. APM에 의한 마모저항 결과로부터 골재 암종, 비중, 하나 이상의 파쇄면을 가진 골재의 백분률, 편장석 함유율등이 골재의 마모에 중요한 영향을 미친다는 점을 파악할 수 있었다.