PURPOSES: The objective of this study is to analyze the relationship between the FWD back-calculated modulus and dynamic modulus of asphalt layers for existing asphalt pavements. METHODS: To evaluate the dynamic modulus of the asphalt mixture in the existing and new asphalt layers, the uniaxial direct tension test was conducted on small asphalt specimens obtained from the existing asphalt-covered pavements. A dynamic modulus master curve was estimated by using the uniaxial direct tension test for each asphalt layer. The falling weight deflectometer (FWD) testing was conducted on the test sections, and the modulus values of pavement layers were back-calculated using the genetic algorithm and the finite element method based back-calculation program. The relationship between measured and back-calculated asphalt layer moduli was examined in this study. The normalized dynamic modulus was adopted to predict the stiffness characteristics of asphalt layers more accurately. RESULTS: From this study, we can conclude that there is no close relationship between dynamic modulus of first layer and back-calculated asphalt modulus. The dynamic moduli of second and third asphalt layers have some relation with asphalt stiffness. Test results also showed that the normalized dynamic modulus of the asphalt mixture is closely related to the FWD back-calculated modulus with 0.73 of R square value. CONCLUSIONS: The back-calculated modulus of asphalt layer can be used as an indicator of the stiffness characteristics of asphalt layers in the asphalt-covered pavements.

최근 도로포장 건설은 신설보다는 현재 공용중인 도로포장을 확장하거나 유지보수를 하는 추세이다. 이에 따라 유지보수공법을 적용한 도로포장체에 대한 정확한 지지력 및 공용성 평가가 향후 도로포장의 수명 예측 및 유지보수공법 적용에 매우 중요한 요소가 되고 있다. 본 논문의 목적은 주기적인 유지보수 에 따른 도로포장의 층별 구조적 지지력을 정확하게 평가하기 위한 소형시편 동탄성계수 시험결과와 FWD 비파괴 시험 결과와의 상관관계를 규명하고자 한다. 현장 아스팔트 혼합물의 역학적 물성을 측정하기 위하여 소형시편을 이용한 일축직접인장 시험법을 이 용하여 아스팔트 층별 동탄성계수를 측정하였다. 노스캐롤라이나 주의 6개구간에서 구간별 3~5개 층, 2 개 지점에서 코어하여 소형시편을 채취하였다<그림 1>. 채취한 시편들은 5, 20, 40도에서 25, 10, 5, 1, 0.5, 0.1 Hz 하중조건에서 동탄성계수 시험을 수행하여 동탄성계수 마스터커브를 결정하였다. 본 연구에서는 도로포장층 탄성계수를 역산하기 위하여 유한요소 해석 아스팔트 포장 구조해석 프로그 램을 엔진으로 유전자 알고리즘을 활용한 역산 프로그램을 이용하였다. 본 프로그램은 한국건설기술연구 원에서 개발된 프로그램으로 노스캐롤라이나의 현장 및 실내시험 결과에 적용하였다. 도로포장층 FWD 역산 탄성계수는 아스팔트층의 경우, 탄성계수 범위가 1.5~6GPa이며, 보조기층 탄성계수 범위는 150~850MPa이며 노상층 탄성계수 범위는 60~400MPa이다. 도로포장체의 구조적 지지력은 아스팔트층 의 탄성계수와 두께에 의하여 결정된다. 실내시험을 통하여 결정된 동탄성계수에 두께를 곱한 후 합산한 값을 전체 아스팔트층 두께로 나눈 탄성계수 (Normalized Dynamic Modulus) 산정한 후 FWD 역산탄성 계수와 비교하였다. 본 탄성계수를 사용할 경우 도로포장의 두께의 영향을 고려할 수 있으며 두께가 지지 력 산정에 반영될 수 있다. <그림 2>에 나타난 바와 같이 역산과 실측 탄성계수간의 R square값이 0.73 으로 상관도가 매우 높음을 알 수 있다. 향후에는 FWD 하중 적용시 발생하는 아스팔트 각 층의 주파수 를 산정하여 주파수별 동탄성계수와 FWD 역산 탄성계수간의 상관관계를 검토하고자 한다.

도로포장의 구조적 상태를 평가하기 위하여 FWD(Falling weight deflectometer) 시험이 널리 사용되고 있다. FWD 시험은 자유낙하 하는 추에 의하여 포장표면에 발생하는 처짐량을 측정하는 것으로, 이 표 면처짐량으로부터 포장체 각 층의 탄성계수를 역해석하여 추정한다. 역해석시 포장체의 두께는 코어채취를 통하여 측정한 실측값을 사용하거나 설계값을 사용한다. 실제 도로에서 포장체의 두께는 시공상태, 보수이력 등 다양한 원인에 따라 설계 두께와 상이하고, 두께 측정을 위해 코어를 매번 채취하는 것도 현실적으로 거의 불가능하다. 따라서 역해석시 정확한 포장층 두께를 고려하기가 어려운 실정이다. 이러한 부정확한 포장층 두께로 인하여 역산된 탄성계수의 신뢰성이 저하되고, 포장체 구조해석 및 공용수명 예측에 큰 오류가 발생할 수 있다. 포장체의 층두께를 현장에서 빠르고 정확하게 측정하기 위하여 지표투과레이더 (Ground penetrating radar, GPR)가 사용되고 있다. GPR 시험은 지표면으로 송출된 전자기파가 반사, 회절, 산란된 후 돌아오는 시간과 형상을 기초하여 층구조 및 매설물의 위치 등을 탐지할 수 있는 비파괴 시험이다. 본 연구에서는 최근 건설기술연구원의 일반국도 포장관리시스템(Pavement management system, PMS)에 도입된 접촉식(Ground-coupled) GPR을 이용하여 아스팔트 포장의 층두께를 측정하는 방법을 소개하고, 정확한 층두께가 역산된 포장체의 탄성계수의 신뢰성에 미치는 영향을 분석하였다. 조사의 효율성과 공간적 데이터의 신뢰성을 향상시키기 위하여 접촉식 GPR 안테나를 기존 FWD 장비 하부에 설치하였다. 그림 1은 GPR 시험으로 측정한 데이터로 한 지점에서의 시간이력 데이터(A-scan)와 거리 에 따라 연속적으로 나타낸 데이터(B-scan)를 나타낸다. 그림 1b에 나타난 바와 같이 포장층의 두께가 거리에 따라 달라지는 것을 알 수 있다. 이러한 실제 층두께를 역해석에 고려하여 추정된 탄성계수와 가정된 층두께를 고려한 탄성계수를 비교하여 신뢰성 분석을 하였다.

국내 비행장은 민간전용 비행장 7개와 공군전용 비행장 6개, 민과 군이 공동으로 운영하고 있는 8개 등 약 20개의 주요 비행장(소규모 비행장은 제외)이 운영되고 있다. 그리고 대한민국공군과 한국공항공사에서는 정기적으로 포장평가를 실시하여 포장의 잔존수명 및 항공기가 이착륙할 수 있는 허용하중을 결정하는 포장분류등급(PCN)을 결정하고 있으며, 이는 안전한 비행장 포장유지관리에 중요한 부분이다. 이러한 비행장 콘크리트포장시 탄성계수는 코아채취 후 실내실험을 통한 정적탄성계수를 적용함이 가장 정확한 포장물성치를 적용하는 방법이지만 코아채취 및 실내실험(공항별 약300여개소)으로 포장의 손상 및 시간적, 경제적으로 비효율적이다. 따라서 현재 세계적인 추세인 비파괴조사장비(HWD를 이용하여 처짐량을 측정한 후 역산프로그램을 이용하여 동적탄성계수를 추정하고 결과값을 포장평가 분석에 적용하고 있다. 이러한 동적탄성계수 추정방법은 신속하게 시행될 수 있으나 완전한 선형적인 탄성으로 거동하지 않아 정 적탄성계수와 차이가 발생하게 되며, 이는 결국 포장잔존수명 및 항공기허용하중 분석결과에 영향을 미치게 된다. 따라서 7개 비행장 73개소 슬래브중앙에서 HWD 조사시험을 실시하고 동일 지점에서 코아를 채취하여 동적탄성계수를 역산프로그램을 이용하여 추정하고 정적탄성계수 시험을 실시하였다. 그리고 비행장 콘크리트포장 동적탄성계수 추정에 일반적으로 사용되고 있는 역산프로그램들의 결과 값을 비교분석하였고 상관관계 분석을 통해 보정계수 산출연구를 실시하였다. 현장실험을 통하여 분석한 결과, 최근에 미국 FAA에서 개발된 BAKFAA, 미공병단에서 개발된 WESDEF, 공군에서 주로사용하고 있는 ELMOD, Westergard 식 중에서 BAKFAA프로그램과 Westergard 식이 WESDEF과 ELMOD에 비해 정적탄성계수에 근접하게 탄성계수가 추정되었으며 WESDEF과 ELMOD 결과값은 비슷한 경향을 나타내고 상대적으로 높게 추정되었다. 상관관계분석 결과도 BAKFAA프로그램 과 Westergard 식이 WESDEF과 ELMOD에 비해 높게 분석되었다.