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.

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.

콘크리트 포장은 시공 초기 발생하는 임의 균열을 제어하기 위해 줄눈(Joint)을 컷팅하여 줄눈부에 균 열을 유도한다. 슬래브와 슬래브 사이 줄눈부에서 교통하중에 의한 하중전달은 주로 다웰바에 의하여 전달된다. 포장 시공시 다웰바는 슬래브 중립축에 줄눈을 따라서 설계된 간격으로 배치된다. 다웰바 설치 불량이 발생할 경우 줄눈부에 줄눈 잠김, 스폴링, 균열 및 단차와 같은 파손이 발생하고 포장의 공용수명이 감소하게 된다. 본 논문은 국내 콘크리트 포장 시스템에 합리적인 설치기준 제시방안을 마련하고자 콘크리트 포장의 다양한 다웰바 설치조건과 환경하중이 콘크리트 포장에 미치는 영향을 수치해석적으로 검토하였다. 가정된 환경하중 하에서, 다웰바 설치상태가 포장의 거동에 미치는 영향을 유한요소해석방법을 사용하여 3차원으로 모사하였고, 이를 수치해석 하였다. 해석 모형의 형상, 환경하중, 해석방법 및 해석범위는 문헌조사, 현장조사 그리고 국내기준을 참고하여 결정하였다. 다웰바의 설치 상태는 수직 기울어짐, 수평 기울어짐, 수직 이동 그리고 수평 이동을 고려하였고, 줄눈 중앙부, 차륜통과부 그리고 우각부에서 검토 하였다. 본 연구를 통하여, 다웰바의 설치상태 중 수평 기울어짐이 다웰바 주변의 응력 발생에 가장 큰 영향을 미침을 확인하였고, 다양한 설치불량이 복합적으로 발생한 경우 국내 설치 기준을 만족하지만 과대한 응력이 발생함을 해석적으로 확인하였다.

PURPOSES: In this study, various laboratory tests were performed to investigate the suitability of wasted vinyl as a modifier of asphalt binder. METHODS: Based on the ASTM specification, variations in material properties of asphalt binder such as penetration, flash point, softening point, ductility, penetration index (PI), and performance grade (PG) with vinyl content were tested and analyzed. RESULTS: Lavoratory tests revealed that penetration and ductility of the asphalt binder increased with the vinyl content. The flash point, softening point, and PI decreased, and PG changed from 64-22 to 70-22 with increase of the vinyl content. CONCLUSIONS: Wasted vinyl modified the material properties of the asphalt binder. However, the asphalt binder with vinyl content over 6.0% was unsuitable as a pavement material.

온도와 수분의 불균일한 분포로 인하여 콘크리트 슬래브는 컬링과 와핑 거동을 하고 슬래브에는 항상 응력이 도입되어 있다. 따라서 교통하중 외에도 환경하중을 고려해야만 콘크리트 슬래브에 발생하는 응력을 보다 정확하게 예측할 수 있다. 콘크리트 포장에 반복적으로 재하되는 교통하중과 환경하중에 의해 콘크리트 슬래브의 강도는 지속적으로 감소하고 응력 이하로 낮아지게 되면 피로균열이 발생한다. 본 연구에서는 기존에 수행된 연구들로부터 피로실험 결과를 수집하고 피로 회귀모형을 개발하였다. 개발된 모형을 검증하기 위하여 모형개발에 사용되지 않은 실내 휨피로실험 결과를 예측하고 기존 모형으로 예측된 결과와 비교하였다. 콘크리트 포장 누적 피로손상 해석 프로그램을 개발한 후 본 연구에서 제안된 모형과 기존 모형들을 적용하고 예측 결과를 비교 및 평가하였다. 피로모형 별로 슬래브 두께, 줄눈간격, 복합 지지력계수, 그리고 하중전달률에 따른 누적 피로손상의 민감도 분석을 실시하였다. 그 결과 본 연구에서 개발된 모형이 최소-최대응력비 R을 고려하는 기존 모형들의 경향을 개선하여 환경하중을 더욱 합리적으로 반영할 수 있는 것으로 나타났다.

온도와 습도 변화에 의해 수축될 경우 콘크리트 포장 슬래브에는 인장응력이 생기고 이로 인해 무작위 균열이 발생한다. 일정한 간격으로 줄눈을 설치하고 균열을 유도함으로써 슬래브에 발생하는 인장응력을 줄이고 무작위 균열을 최소화할 수 있다.줄눈간격이 너무 넓으면 무작위 균열, 줄눈부 파손, 하중전달률 저하가 일어나고, 반대로 줄눈간격이 너무 좁으면 공사비 증가와 승차감 저하가 유발된다. 본 연구에서는 콘크리트 포장의 역학적-경험적 줄눈간격 설계방법을 개발하였다. 이를 위하여 우수한 공용성을 보이는 콘크리트 포장 구간 중 구조적 및 환경적으로 가장 취약한 구간을 찾고 그 구간에 대한 유한요소해석으로 설계기준강도를 결정하였다. 기존 연구결과를 참고하여 하중전달률이 급격히 낮아질 때의 줄눈폭을 허용줄눈폭으로 결정하였다. 유한요소해석으로 계산된 설계대상구간의 최대인장응력이 설계기준강도를 초과하지 않는 최대줄눈간격을 찾아냈다. 그리고 이 줄눈간격으로 예측된 최대줄눈폭을 허용줄눈폭과 비교하였다. 본 연구에서 개발된 방법을 설계 중인 함양-울산 고속도로의 두 공구에 적용해 보았다. 기존보다 넓은 8.0m의 줄눈간격으로 시험시공된 구간과 동일한 줄눈간격이 본 연구의 설계방법으로 계산되었다. 공용 6년 후 측정된 시험시공 구간의 매우 낮은 균열률로 본 연구에서 개발된 설계방법이 검증되었다.

콘크리트 슬래브는 온도 및 수분의 영향을 받아 체적이 변화된다. 이때 슬래브와 보조기층 간의 마찰저항이 슬래브 체적변화를 구속하여 인장응력이 발생되고 경우에 따라 균열이 유발되기도 한다. 따라서 연구자들은 Push-off 실험을 실시하여 슬래브와 보조기층간의 마찰특성을 파악하려고 노력해 왔다. 최근에는 마찰특성에 의한 콘크리트 포장의 거동을 유한요소법으로 해석하려는 연구가 수행되었다. 본 연구에서는 국내 콘크리트 포장에 주로 사용되는 린콘크리트, 쇄석, 아스팔트 보조기층에 대하여 실시된 마찰실험 결과를 바탕으로 슬래브와 보조기층 간 마찰특성을 조사하였다. 비선형의 마찰저항과 변위의 관계를 이중선형화하는 에너지 방법이 제시되었다. 마찰실험을 3차원 유한요소 프로그램 ABAQUS로 모형화하였으며 해석결과를 실험결과와 비교하여 모형을 검증하였다. 비선형과 이중선형 마찰저항-변위 관계를 각각 입력값으로 사용하여 얻은 해석결과를 비교하여 에너지 방법으로 개발된 이중선형 모형의 타당성을 검증하였다. 일반적인 국내 콘크리트 포장을 ABAQUS와 EverFE로 모형화하고 해석결과를 비교하여 이중선형 모형의 적용성을 평가하였다.

본 논문에서는 국내 공항 활주로에 적합한 마찰계수 측정 및 고무 퇴적물 제거에 대한 합리적 기준 개발을 위해 관련 해외 기준 및 연구결과에 관한 문헌을 조사하였다. 그리고 2007년 8월부터 2009년 7월까지ASFT(Airport Surface Friction Tester)장비를 이용하여 인천국제공항 활주로의 마찰계수를 측정하고 항공기 집중 착륙 지점에 대한 분석을 실시하였다. 타이어 고무의 퇴적 및 제거에 따른 마찰계수의 변화를 분석하였고 이에 미치는 계절적 영향을 포장 형식별로 조사하였다. 고무 퇴적물 제거 작업을 주기적으로 수행해도 활주로 표면의 마찰계수는 장기적으로 시간에 따라 점차 감소되는 것으로 확인되었다. 여름철 마찰계수의 변화가 다른 계절에 비해 컸으며 아스팔트 포장이 콘크리트 포장보다 계절적 영향에 민감했다. 매크로한 표면조직을 갖는 아스팔트 포장의 마찰계수가 마이크로한 표면조직을 갖는 재령 초기 콘크리트 포장의 마찰계수보다 큰 것으로 나타났다. 타이어 고무의 퇴적 및 제거에 따른 마찰계수의 변화도 아스팔트 포장에서 더 큰 것으로 확인되었다.

콘크리트 슬래브는 타설 후 온도와 수분 변화를 통해 체적이 변화한다. 수분증발에 의하여 발생한 건조수축은 슬래브의 자중이나 하부층과의 마찰 등에 의하여 구속되어 슬래브 내부에 응력이 유발된다. 선행 연구에 의하면 건조수축에 의하여 발생된 실제 인장응력은 이론적으로 예측된 값보다 작은 것으로 보고되었다. 이는 부분적으로 구속된 슬래브에서 발생하는 초기 재령 콘크리트의 점탄성에 기인한 응력감소 현상이다. 본 연구에서는 재령에 따른 콘크리트의 응력감소 현상을 조사하기 위하여 구속된 원주형, 구속되지 않은 자유건조 원주형, 그리고 자유건조 각주형 콘크리트 시편의 변형률을 측정하였다. 재령 1, 3, 7, 14, 28일에 콘크리트의 탄성계수를 측정하였으며 관입저항 실험을 실시하였다. 실험결과를 기존 연구자들이 제안한 이론식에 대입하여 구속된 원주형 콘크리트 시편의 응력감소를 계산할 수 있었다. 향후 본 연구의 결과를 바탕으로 구속된 콘크리트 시편의 응력감소 현상을 콘크리트 포장의 설계에 적용할 예정이다.

온도 및 수분의 영향에 의하여 발생한 콘크리트 포장 슬래브의 컬링(curling)과 와핑(wraping)의 비틀림 거동은 자중이나 마찰력 등에 의하여 구속되며 이로 인하여 응력이 발생된다. 슬래브 내부의 온도 변화에 의해 발생한 응력은 상용 구조해석 프로그램으로 쉽게 계산할 수 있지만 습도 차이에 의하여 발생되는 응력은 기존 프로그램으로는 계산하기 어렵다. 따라서, 슬래브의 거동에 미친 습도의 영향이 등가의 온도로 환산되어 구조해석에 입력값으로 사용된다면 보다 정확하게 환경하중에 의한 슬래브의 거동을 예측할 수 있을 것이다. 본 연구에서는 콘크리트 슬래브를 현장에 시공하여 환경하중에 의해 발생된 변형률을 장기적으로 측정하였으며 실내에서 측정된 콘크리트 시편의 열팽창 계수를 사용하여 열변형률을 추출하였다. 나머지 변형률인 건조수축변형률을 추가적인 열변형률이라고 가정하고 이를 열팽창 계수로 나누어 줌으로써 건조수축과 등가의 영향을 갖는 가상의 온도가 계산되었다. 자중이나 마찰력 등이 고려되도록 기존 건조수축 모형을 수정하였으며, 이를 이용하여 슬래브 상부와 하부 상이에 발생한 건조수축의 차이를 등가의 온도차이로 환산할 수 있는 모형을 개발하였다. 보다 정확한 응력계산을 위하여 압축변형률의 지속적 증가에 따른 인장응력 감소에 관한 추가적인 연구가 이어질 것이다.