PURPOSES : The performance of pavements is decreased by reduced bearing capacity, deterioration, and distress due to complex loading conditions such as traffic and environmental loads. Therefore, the proper maintenance of pavements must be performed, and accurate evaluation of pavement conditions is essential. In order to improve the accuracy of the heavy weight deflectometer (HWD), which is a nondestructive evaluation method, the correlation between HWD test results and temperature factors were analyzed in this study. METHODS : The HWD test was conducted five times for one day on airport concrete pavement, and the ambient temperature, surface temperature, and slab internal temperature were collected. Since the slab internal temperature was nonlinear, it was replaced by the equivalent linear temperature difference (ELTD). The correlation between the HWD test results and each temperature factor was analyzed by the coefficient of correlation and coefficient of determination. RESULTSAND: The deflection of the slab center, mid edge, and corner, and impulse stiffness modulus (ISM) showed significantly high correlation with each temperature factor, especially the ELTD. However, the load transfer Efficiency (LTE) had very low correlation with the temperature factors. CONCLUSIONS : It is necessary to analyze the effect of aggregate interlocking on LTE according to the overall temperature changes in slabs by conducting seasonal HWD tests. It is also necessary to confirm the effect of seasonal temperature changes on deflection and ISM.

PURPOSES : Previously, airport concrete pavement was designed using only aircraft gear loading without consideration of environmental loading. In this study, a multiple-regression model was developed to predict maximum tensile stress of airport concrete pavement based on finite element analysis using both environmental and B777 aircraft gear loadings. METHODS: A finite element model of airport concrete pavement and B777 aircraft main gears were fabricated to perform finite element analysis. The geometric shape of the pavement, material properties of the layers, and the loading conditions were used as input parameters for the finite element model. The sensitivity of maximum tensile stress of a concrete slab according to the variation in each input parameter was investigated by setting the ranges of the input parameters and performing finite element analysis. Based on the sensitivity analysis results, influential factors affecting the maximum tensile stress were found to be used as independent variables of the multi regression model. The maximum tensile stresses predicted by both the multiple regression model and finite element model were compared to verify the validity of the model developed in this study. RESULTS: As a result of the finite element analysis, it was determined that the maximum tensile stress developed at the bottom of the slab edge where gear loading was applied in the case that environmental loading was small. In contrast, the maximum tensile stress developed at the top of the slab center situated between the main gears in the case that the environmental loading got larger. As a result of the sensitivity analysis and multiple regression analysis, a maximum tensile stress prediction model was developed. The independent variables used included the joint spacing, slab thickness, the equivalent linear temperature difference between the top and bottom of the slab, the maximum take-off weight of a B777 aircraft, and the composite modulus of the subgrade reaction. The model was validated by comparing the predicted maximum tensile stress to the result of the finite element analysis. CONCLUSIONS : The research shown in this paper can be utilized as a precedent study for airport concrete pavement design using environmental and aircraft gear loadings simultaneously.

PURPOSES : The purpose of this study is to analyze the magnitude of shoving of asphalt pavement by junction type between airport concrete and asphalt pavements, and to suggest a junction type to reduce shoving. METHODS : The actual pavement junction of a domestic airport, which is called airport “A”was modified by placing the bottom of the buried slab on the top surface of the subbase. A finite element model was developed that simulated three junction types: a standard section of junction proposed by the FAA (Federal Aviation Administration), an actual section of junction from airport “A”and a modified section of junction from airport“ A”. The vertical displacement of the asphalt surface caused by the horizontal displacement of the concrete pavement was investigated in the three types of junction. RESULTS: A vertical displacement of approximately 13 mm occurred for the FAA standard section under horizontal pushing of 100 mm, and a vertical displacement of approximately 55 mm occurred for the actual section of airport “A”under the same level of pushing. On the other hand, for the modified section from airport“ A”a vertical displacement of approximately 17 mm occurred under the same level of pushing, which is slightly larger than the vertical displacement of the FAA standard section. CONCLUSIONS: It was confirmed that shoving of the asphalt pavement at the junction could be reduced by placing the bottom of the buried slab on the top surface of the subbase. It was also determined that the junction type suggested in this study was more advantageous than the FAA standard section because it resists faulting by the buried slab that is connected to the concrete pavement. Faulting of the junctions caused by aircraft loading will be compared by performing finite element analysis in the following study.

PURPOSES : In this study, the propriety of expansion joint spacing of airport concrete pavement was examined by using weather and material characteristics. METHODS: A finite element model for simulating airport concrete pavement was developed and blowup occurrence due to temperature increase was analyzed. The critical temperature causing the expansion of concrete slab and blow up at the expansion joint was calculated according to the initial vertical displacement at the joint. The amount of expansion that can occur in the concrete slab for 20 years of design life was calculated by summing the expansion and contraction by temperature, alkali-silica reaction, and drying shrinkage. The effective expansion of pavement section between adjacent expansion joints was calculated by subtracting the effective width of expansion joint from the summation of the expansion of the pavement section. The temperature change causing the effective expansion of pavement section was also calculated. The effective expansion equivalent temperature change was compared to the critical temperature, which causes the blowup, according to expansion joint spacing to verify the propriety of expansion joint applied to the airport concrete pavement. RESULTS: When an initial vertical displacement of the expansion joint was 3mm or less, the blowup never occurred for 300m of joint spacing which is used in Korean airports currently. But, there was a risk of blow-up when an initial vertical displacement of the expansion joint was 5mm or more due to the weather or material characteristics. CONCLUSIONS: It was confirmed that the intial vertical displacement at the expansion joint could be managed below 3mm from the previous research results. Accordingly it was concluded that the 300m of current expansion joint spacing of Korean airports could be used without blowup by controling the alkali-silica reaction below its allowable limit.

PURPOSES: In this study, a three-dimensional nonlinear finite element analysis (FEA) model for airport concrete pavement was developed using the commercial program ABAQUS. Users can select an analysis method and set the range of input parameters to reflect actual conditions such as environmental loading.METHODS : The geometrical shape of the FEA model was chosen by considering the concrete pavement located in the third-stage construction site of Incheon International Airport. Incompatible eight-node elements were used for the FEA model. Laboratory test results for the concrete specimens fabricated at the construction site were used as material properties of the concrete slab. The material properties of the cement-treated base suggested by the Federal Aviation Administration(FAA) manual were used as those of the lean concrete subbase. In addition, preceding studies and pavement evaluation reports of Incheon International Airport were referred for the material properties of asphalt base and subgrade. The kinetic friction coefficient between the concrete slab and asphalt base acquired from a preceding study was used for the friction coefficient between the layers. A nonlinear temperature gradient according to slab depth was used as an input parameter of environmental loading, and a quasistatic method was used to analyze traffic loading. The average load transfer efficiency obtained from an Heavy falling Weight Deflectomete(HWD) test was converted to a spring constant between adjacent slabs to be used as an input parameter. The reliability of the FEA model developed in this study was verified by comparing its analysis results to those of the FEAFAA model.RESULTS : A series of analyses were performed for environmental loading, traffic loading, and combined loading by using both the model developed in this study and the FEAFAA model under the same conditions. The stresses of the concrete slab obtained by both analysis models were almost the same. An HWD test was simulated and analyzed using the FEA model developed in this study. As a result, the actual deflections at the center, mid-edge, and corner of the slab caused by the HWD loading were similar to those obtained by the analysis.CONCLUSIONS : The FEA model developed in this study was judged to be utilized sufficiently in the prediction of behavior of airport concrete pavement.

운영중인 공항에서의 아스팔트 포장 유지보수 공사는 운항종료 후부터 익일 운항 전까지 한정된 야간시간내에 대부분 이루어진다. 그리고 포장 다짐도 측정은 시공 후 코어채취를 통한 익일 실내시험으로 확인하므로 현장에서 시공직후 다짐도 확인을 통한 품질관리는 어려운 실정이다. 아스팔트포장의 시공 다짐도 확인을 위한 밀도측정 방법은 크게 코어밀도 시험, Nuclear 시험방법, Non-nuclear 시험방법이 있으며, 아스팔트의 전기적 반응을 이용하여 임피던스 분광학(impedance spectroscopy)원리에 기반한 밀도측정 방식인 Non-nuclear 밀도측정 방식이 측정 및 보관의 편리함 뿐만 아니라 방사능 재료 관리면에 있어서 여러 장점이 있어 아스팔트 포장의 현장 밀도 측정기로 널리 연구개발 되어왔다(Stacy G Williams, 2008). 본 연구에서는 아스팔트 포장 시공 후 미국 TRANSTECH SYSTEM社의 Non-nuclear 밀도측정기(모델 : PQI 380)를 이용하여 현장밀도를 측정하고, 동일 위치에서 코어 채취를 통해 겉보기 밀도를 측정하여 두 값을 비교함으로써 Non-nuclear 밀도측정기의 시공품질관리 활용 적절성을 연구하였다. 본 연구에서는 FAA AC 150/5370-10G의 아스팔트 표층(P401) 및 아스팔트 기층(P403) 재료에 대해 총 27개의 Non-nuclear 밀도 값과 코어밀도 값을 비교하였으며, 코어는 동일위치 부근에서 3개씩 총 9곳에서 채취되었다. 코어 밀도와 Non-nuclear 밀도의 비교분석 결과 <그림1>과 같이 신뢰성 있는 상관관계(R²=0.33)는 보이지 못하였으나, <그림2>와 같이 증가, 감소의 경향은 유사하게 보이며, 동일 위치에서 시험된 3개씩의 값들의 Offset값은 비교적 유사한 것으로 분석되었다. 관련문헌 검토를 통해 Non-nuclear 밀도의 보정방법을 적용하였다. PQI 380 제작사는 5곳에서의 코어밀도와 Non-nuclear 밀도값의 Offset 평균치를 보정 후 사용을 권고하고 있으며, ASTM D 7113에서는 3∼10개의 코어 밀도값과 비교하며 각 위치별로 최소 4개의 Non-nuclear 밀도값을 측정한 후 코어밀도와 비교하기를 권고하고 있다. 또한 Slop, Offset 보정 및 Slop와 Offset 혼합 방법도 권고되고 있다(Troxler, 2000). 위 방법을 각각 적용하여 보정하였으나, 27개 시료 전체에 대한 코어밀도 값과의 상관관계는 여전히 부족한(R²=0.26∼0.33) 것으로 나타났다. 결론적으로 Non-nuclear 밀도측정 방식은 온도, 습도에 민감하여(Sebasta et al, 2003; Kvasnak et al, 2007) QA/QC 사용으로는 적절하지 못한 것으로 제시된 선행연구(Stacy G. Williams, 2008)와 동일하다고 판단되나, 동일지역에서의 Offset 값은 유사 크기를 보이므로, 기온 및 시험 위치 등 변화시마다 Offset 보정을 통한 시공품질관리 보조 수단으로의 활용은 충분할 것으로 판단되므로 지속적인 Non-nuclear 밀도값의 보정 연구가 이루어져야 할 것으로 사료된다.

국내 항공교통량은 매년 지속적으로 증가하여 2016년에 역대 최고치를 기록하였으며, 앞으로의 항공수요는 지속적으로 증가 할 것으로 예측된다. 하지만 국내 주요 공항시설의 노후화가 지속되어 설계공용수명20년을 초과한 활주로가 증가하고 있으며, 공항포장의 품질관리 및 유지보수의 중요성이 증대되고 있는 시점이다. 따라서 본 연구에서는 공항포장의 재료적으로 보완된 기준을 제시하기 위해 대표 공항 3곳을 선정하여 배합비, 골재특성 및 재령별 포장파손종류를 검토하여 개선된 배합범위를 제시하였으며, 12가지의 배합 Case를 선정하여 동결융해시험을 통한 내구성능을 검증하는 단계에 있다. 각 공항의 배합설계기준, 시방배합표, 골재의 특성을 비교 및 분석하였으며, 주요파손의 종류를 파악하여 주요파손이 나타내는 재료적 특징과 원인을 조사하였다. 또한 포장의 내구성저하에 영향을 미치는 인자를 중점으로 3개 대상 공항의 배합비 및 골재특성을 비교하였다. 그 결과 콘크리트 포장의 내구성 증진을 위해 시멘트사용량 및 혼화제사용량을 증가하고, 잔골재의 0.08mm체 통과율(미립분)을 감소하는 방향의 개선배합을 제시하였다. 표 1과같이 단위 시멘트량, 혼화제 사용량 및 잔골재 미립분 함량을 각각 변수로 설정하였으며, 단위수량을 169kg/m3, 잔골재율을 35.9%로 고정하여 12가지 Case를 선정하고 각 Case별로 2개의 공시체를 제작하여 동결융해실험을 진행중에 있다. 현재 실험은 12가지 Case중 6개의 실험을 진행하고 있으며 추후 나머지 6개를 더 진행하여 배합변수와 내구성간의 관계를 분석할 예정이다. 또한 내구성이 높은 Case를 선정하여 압축강도, 포아송비 및 탄성계수의 실험을 추가적으로 진행하여 적정 개선배합범위를 제시 할 것이다.

콘크리트에 발생하는 건조수축은 콘크리트 구조체 내부에 존재하는 수분의 이동에 의해 발생하며 강도발현시점 이후부터 점진적으로 그 크기가 커진다. 콘크리트에 발생할 수 있는 건조수축의 크기는 골재나 시멘트 등의 특성에 따라 다르나 약 40-1000 의 범위에서 발생하므로 그 크기는 무시할 수 없는 수준이다. 많은 연구자들은 콘크리트의 건조수축의 약 20-25%가 재령 2주내에, 약 50-60%가 3개월 내에, 80% 이상이 재령 1년 이내에 발생하는 것으로 판단하고 있다. 다만 콘크리트 포장에서는 깊이에 따라 건조수축의 발생의 진행정도가 다르며 이로 인해 포장체 상부와 하부에서의 수축차이가 생기는 부등건조수축이 발생하므로 단순히 구조체 전체가 동등하게 수축한다고 가정할 수 없다. 본 연구는 공항 콘크리트포장을 대상으로 한 유한요소해석 모형에 실제 현장에서 약 9개월간 계측한 슬래브 깊이별 실측 온도를 적용하여 계절적 온도변화에 의한 포장체의 거동을 해석하였다. 유한요소해석 결과와 실제 현장에서 계측한 슬래브 위치별, 깊이별 변형률을 비교 분석하였으며, 온도의 영향만을 반영하여 해석을 실시한 결과와 건조수축이 발생하는 실제 슬래브의 거동사이에 차이가 발생함을 확인하였다. 상대적으로 재령 초기에 건조수축의 발생이 작은 슬래브 바닥면을 기준으로 보정계수를 추정하여 해석결과를 보정하였으며 슬래브의 재령에 따른 깊이별 건조수축의 발생 경향을 확인할 수 있었다.

공항 콘크리트 포장 슬래브는 온도와 습도 등 환경요인의 복합적인 영향으로 수축과 팽창을 반복한다. 하지만 슬래브 상·하부간의 비선형적인 온도구배로 인해 깊이에 따른 열팽창률이 다르며, 슬래브 표면에서의 증발로 인한 수분 손실로 인해 부등건조수축이 발생하여 위아래로 뒤틀리는 컬링(Curling)거동을 야기한다. 이처럼 환경요인에 의한 슬래브의 거동은 단기적으로 일주기의 대기 온도변화에 의한 거동특성을 보이며, 장기적으로 건조수축 및 계절적인 온도변화에 의한 거동특성을 보인다. 본 연구에서는 인천국제공항 현장에서의 HWD실험을 통하여 단기 및 장기적인 콘크리트 포장 슬래브의 거동을 예측하고자 하였다. 본 연구를 위해 2016년 11월부로 인천국제공항의 4단계 건설사업 중 3단계 건설사업이 진행중인 여객계류장 현장에 정적 및 동적 계측기를 설치하였으며, 상시적으로 정적변형률을 계측함과 동시에 정기적으로 HWD실험을 통해 동적변형률을 계측하였다. 계절별 거동특성을 분석하기 위해 2017년 3월, 5월, 8월 3차례에 걸쳐 HWD실험을 실시하였으며, 일주기 거동특성을 분석하기 위해 매 실험마다 3시, 7시, 11시, 15시, 21시에 걸쳐 총 5회의 실험을 실시하였다. HWD 실험을 통해 그림 1과 같이 슬래브의 중심, 모서리, 우각부의 내측 및 외측을 대상으로 타격하였으며, 처짐량, 충격강도계수(ISM), 하중전달률(LTE), 포장체 내 변형률, 역산 탄성계수를 조사하여 분석하였다. 현재까지의 HWD실험을 통해 슬래브 거동특성을 분석한 결과 초기상태의 슬래브는 부등건조수축으로 인한 Curl-up이 발생하며, 우각부와 보조기층이 분리된 것으로 예측되었다. 하지만 재령이 지날수록 일정한 Curl-up상태를 유지한 체 보조기층의 침하가 동반되어 Curl-up이 완화되는 거동이 예측되었다. 본 연구진은 추후 추가적인 HWD실험을 실시하여 슬래브 거동 예측결과를 검증 할 예정이다.

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.