Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society Vol. 16, No. 3 pp. 2229-2233, 2015 http://dx.doi.org/10.5762/kais.2015.16.3.2229 ISSN 1975-4701 / eissn 2288-4688 박상현 1, 문준호 1, 배석일 2, 김영욱 1* 1 명지대학교토목환경공학과 2 삼성 C&T Permeability Variation With Lift Thickness of Asphalt Pavement Park. Sang Hyun 1, Moon. Jun Ho 1, Bae. Seok Il 2, Kim, Young Uk 1* 1 Department of Civil and Environmental Engineering, Myongji University 2 Samsung C&T 요약아스팔트포장의투수성은포장의장기적공용성에아주큰영향을미친다. 특히, 시공시포설두께에따른투수계수가크게변화하는것으로알려져있다. 이연구에서는많이사용되고있는밀입도아스팔트포장의시공시포설두께에따른물성치와투수계수를실내에서측정하여포설두께에따른물성치의상관관계를도출하고자하였다. 실제포설현장에서직접시편을코어채취하여실내시험을수행하였다. 포설되는포장의두께, 다짐횟수가다른위치에서시료를채취하였으며각각의조건에따른실험결과를비교 / 분석하였다. 연구결과겉보기밀도와 t/nmas 가감소할수록투수계수는증가하였고, 공극률이증가할수록투수계수가증가하는것으로나타났다. 따라서, 현재사용되고있는일률적인포설두께에대한시공법을투수계수변화를고려하여다소조정할필요가있는것으로나타났다. Abstract The permeability of HMA(hot mixed asphalt) is a major influencing factor for long-term performance of the pavement. Especially, the lift thickness of the pavement during construction causes a wide range of physical properties of HMA. This study investigates the correlationship between the lift thickness and the physical properties of HMA through a series of laboratory experiments. The specimens were cored from a construction site of the dense graded asphalt pavement. The cored samples have various lift thickness and the number of compaction for the study. The results of the study show that the permeability of the sample decreases with the apperant density and t/nmas, and the air void ratio. Therefore, the commonly used construction method as a constant lift thickness regardless of conditions needs to be reconsidered. Key Words : Asphalt, Pavement, Permeability, Bulk density, Nominal maximum aggregate size, Air void, Lift thickness 1. 서론 1968년경부고속도로건설로인하여우리나라도로건설산업은국가경제성장과함께비약적으로발전하였다. 국내도로총연장은 1968년 35,025km에서 2012년말 105,703km로양적으로증가되었고특히아스팔트포장의비율이크게증가하였다. 도로의보수는포장노면에균열, 변형, 노화되었을경우이를재생하기위하여아스팔 이연구는 2014년도명지대학교교책중점연구소지원으로연구되었음. 이논문은 2013년도정부 ( 교육부 ) 의재원으로한국연구재단의지원을받아수행된기초연구사업임 (No. 2013R1A1A2013078). * Corresponding Author : Young-Uk Kim(Myongji Univ.) Tel: +82-31-330-6417 email: yukim@mju.ac.kr Received October 29, 2014 Revised (1st December 2, 2014, 2nd December 8, 2014) Accepted March 12, 2015 Published March 31, 2015 2229
한국산학기술학회논문지제 16 권제 3 호, 2015 트노면에시공하게된다. 국내의도로보수현황을최근 10년간의자료를조사해보면대체적으로증가하는추세를보인다. 연도별도로현황을 Fig.1에, 보수처리비용을 Fig.2에나타내었다. Length(km) 100000 80000 60000 40000 20000 Asphalt pavement cement pavement 0 2002 2004 2006 2008 2010 2012 2014 Year [Fig. 1] Length of constructed road per year during 2002 and 2012 C ost (hendred m illion) 2800 2600 2400 2200 2000 1800 1600 1400 1998 2000 2002 2004 2006 2008 2010 2012 2014 Year [Fig. 2] Road maintenance cost per year during 2000 and 2012 아스팔트포장에서발생하는수분손상은우수등에의한수분침투로아스팔트혼합물내의접착력과점착력이손상되면서발생하는현상으로서, 아스팔트포장의주요파손에영향을미치는원인의하나로알려져있다. 지구온난화의영향에의해최근우리나라의하절기강수특성은지역적인집중호우의반복과더불어장기적인강수일수증가라할수있다. 이러한강수특성에의한도로포장의장기적인수분포화상태는아스팔트포장의수분손상을발생시키는원인이되고있다. 현행국내의아스팔트혼합물에대한수분손상의평가기준은단기적인수침과단일재료물성등을근거로마련되어최근의기후변화에따른혼합물의수분손상특성을평가할수있는개선된품질기준에대한연구가필요한실정이다. 설계후시공시에포설두께에따라포장의거동특성이매우달라지는것으로알려져있다. 미국의경우, 주별로규정한믹스의최대골재입경의크기에따른아스팔트포설다짐두께또는그의범위가제시되고있지만국내의경우발주처에서제시하거나시방서에일률적으로적용하도록되어있는포설두께를그대로시공하는실정이다. 포설시에도최대골재입경포설두께의비율이 3배라는경험적인내용을일괄적으로적용하고있다. 골재의입경및믹스타입에합당한포장설계두께산정은최적의다짐도및투수저항성을보장하게되며, 변화된기후조건을극복하고아스팔트포장의공용성확보가가능할수있도록한다고알려져있다. 따라서, 아스팔트포장의장기적인공용성확보를위해서는최초포설시에포설두께와이에따른물성치의변화를고찰하여목표물성치를달성하도록하여야한다. 배수성아스팔트는우천시빠른물의배수로인해수막현상과소음을감소시키는장점이있는반면투수성을갖기위해잔입도의골재가생략된혼합물이므로역학적으로문제가있으며, 물과공기가쉽게통하는혼합물이므로포장체가노화하기쉽고물의작용을받기쉬우며골재의박리가쉽게일어나며시공후먼지와토사등이공극을메울우려가있어공극률과투수기능이저하된다. 결론적으로현재국내의아스팔트포장의선진화를위해서는포설두께와시공포장의물성치에대한연구가선행되어야한다고할수있다. 이연구에서는이에대한목적의하나로현재시공중인아스팔트포장의물성치를포설두께를달리하여시료를준비하고이에따른포장의물성변화를고찰하였으며아스팔트포장의장기적인공용성확보를최적포설다짐두께결정의기초자료로의활용을목적으로하였다. 2. 실내실험기후변화로인한강우량의증가는아스팔트포장의공용기간이전에조기파손을초래하고있어골재의입경및믹스타입에합당한포장설계두께산정은최적의다짐도및투수저항성보장을위하여매우중요하며변화된기후조건을극복하는공용성확보의전제조건이다. 또한동일 Air-Void 의믹스일지라도, 최대골재입경이다르면, 투수성이다른것으로알려있어골재입경에따 2230
른다짐두께를다르게적용해야한다. 이연구에서는투수공용성을고려한아스팔트믹스별최적다짐두께를파악하고자하였다. 이를위하여국내에서자주활용되는, 표층, 중간층, 기층아스팔트재료에대한, 최적다짐두께를평가하였는데이를통하여현행포설방법에근거, 공용성을개선할수있는다짐두께를제시하기위한기초자료확립에그목적을두었다. 국내시방규정에따라시공된군장대교현장에서기층, 중간층, 표층의시료를코어채취하여물성을파악하였고, 시화MTV 현장은포설두께와롤러다짐횟수를다르게하여아스팔트혼합물의물성에미치는영향을비교 / 분석하기위하여실내에서투수시험및겉보기밀도시험을수행하였다. 다음 Fig.3 같이현장은국내시방규정 20mm 밀입도의입도분포규정을사용하였고골재는 KS F에따라물성시험을실시하여시공하였다. 그러므로공극률이 10% 미만의시편인경우투수계수를측정할수있는장비가없는것이현실이다. 상기채취한시료의투수계수를측정하기에는현재사용되고있는정수위시험및변수위시험기의적용이불가하여밀입도아스팔트의투수계수를측정할수있도록투수계수측정장치를직접고안, 제작하여투수계수를측정하였다. 아스팔트공시체의공극률을구하기위해필요한겉보기밀도 ( ) 는건조중량, 수중중량, 표면건조포화중량을측정하여구하였다. Fig. 4와 5는겉보기밀도측정실험장치와투수계수측정실험장치를보여주고있다. Percent finer(% ) 100 80 60 40 20 KS Maximum KS Minimum Real G radation [Fig. 4] Gmb measurement 0 0.1 1 10 100 Sieve Size (m m ) [Fig. 3] Gradation curves of used aggregates 다음 Table.1 는구간별두께및다짐횟수를나타내었다. [Table 1] Construction conditions section length (m) thickness (cm) number of compaction macadam tire tandem A 20 7.0 4 9 4 B 20 7.0 4 10 4 C 20 7.0 4 11 4 D 20 6.5 4 11 4 E 20 6.5 4 10 4 F 20 6.5 4 9 4 G 20 6.0 4 10 4 아스팔트포장의일반적인정수위투수시험기는공극률 15% 이상인아스팔트시편에대해시험이가능하다. [Fig. 5] permeability measuring device 고안된투수계수측정장치는크게상부와하부의캡으로구성되어있으며상 / 하부에시료의중앙으로유체의흐름을유도할수있도록실링 (sealing) 부를두었다. 또한유입부는유체저장탱크에연결되어있고컴프레셔를활용하여유체의유입압을조절할수있도록하였다. 고압의유입수가아스팔트시편을통과하여배출되는유출량을측정하여투수계수를산출하였다. 유체의유입압 2231
한국산학기술학회논문지제 16 권제 3 호, 2015 을시험수행중일정하도록유지하여 0.1 의높은수압을활용한정수위시험을모사하였다. 각시료에서의모든실험은세번이상수행하여실험자의작동오차를최소화하도록하였다. 3. 실험결과및고찰공극률에따른투수계수의변화를 Fig. 6에도시하였다. 그림에서알수있듯이시편의공극률이증가할수록투수계수가증가하는것을나타내고있다. 이는겉보기밀도 ( ) 가클수록공극률은작고이에따라투수계수는대체로감소하는추세를예측할수있는데, 이를 Fig. 7에다시도시하였다. 일반적으로포장의투수계수가 0.001 cm/sec 보다크면투수성이있다고판단을하는데 [4] 그림에서알수있듯이표층은대부분불투수특성을보이나기층및중간층은투수계수가현저히높게나타났다. 이에따르면투수에따른공용성확보수준이매우낮은것으로볼수있다. 1.4e-4 1.2e-4 1.0e-4 8.0e-5 A B C D E F G 6.0e-5 4.0e-5 2.0e-5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 Air void(%) [Fig. 6] air void-permeability 0.006 0.005 0.004 0.003 0.002 0.001 0.000 2.20 2.22 2.24 2.26 2.28 2.30 2.32 2.34 2.36 2.38 2.40 G mb (g/cm 3 ) [Fig. 7] Gmb-permeability Base course Binder course Surface course Cooley et al. (2001) 은포설두께 / 최대골재입경비 (t/nmas) 의변수에따른투수계수의변화를고찰하고최적화에대한함수를제시하였다. Fig. 8은연구의결과를 Cooley가제시한함수와비교하였는데, 그림에서알수있듯이대부분시편의투수계수가제시한함수의범위에서크게웃도는결과를보여주고있다. 따라서상기의결과를토대로현재활용하고있는일률적인포설두께에대한시방규정이수정되어포장의투수저항성이증가되고이에따른공용성확보수준을증가시킬필요가있다는판단된다. 1e-4 9e-5 8e-5 7e-5 6e-5 5e-5 4e-5 3e-5 2e-5 2 3 4 5 6 t/nmas [Fig. 8] permeability-t/nmas 4. 결론이연구는변화된기후조건을극복하고아스팔트포장의공용성확보를위한기초자료구축을위해포설두께에따른포장의물성치변화를고찰하였다. 국내시방규정에따라밀입도아스팔트포장을시공중인현장에시험구간을정해아스팔트포장의시편을코어채취하여물성치를조사하는실내시험을수행하였다. 이를활용하여분석한결과다음과같은결론을도출하였다. 현장의다짐횟수가증가할수록밀도는증가하였고표층인경우모든구간에서의투수계수가투수저항성기준보다보다큰것으로측정되었다. 공극률측정결과겉보기밀도가클수록공극률이감소하였으며투수계수도같이감소하였다. 모든시료에서포설두께 / 최대골재입경의비 t/nmas 를구하여미국아스팔트기술연구소의 2001년연구결과와비교하였는데모든구간에서이연구에사용된시편의투수계수가큰것으로나타났다. 따라서, 일률 2232
적포설두께를적용하고있는현재의시공법에대한기준이새롭게다소수정되어야할것으로판단되며이에대한기초자료로이연구의결과가활용될수있을것으로사료된다. References [1] Ministry of Land, Transport and Maritime Affairs, Asphalt mixture production and installation instructions, 2009, [2] Hwnag, S. and Rhee, S.,, Evaluation on Laboratory Moisture Damage Characteristics of the Asphalt Mixtures using Indirect Tensile Test, Journal of the Korean Society of Civil Engineering, Vol.28 No.2, pp.24 3~248, 2008 [3] Brown, E. R., Hainin, M. R., Cooley, A., and Hurley, G, Relationship of Air Voids, Lift Thickness, and Permeability in Hot Mix Asphalt Pavements National Cooperative Highway Research Program, 2004 [4] Brown, E. R., Hainin, M. R., Cooley, A., and Hurley, G, Relationship of Air Voids, Lift Thickness, and Permeability in Hot Mix Asphalt Pavements National Cooperative Highway Research Program, 2004 [5] Cooley, L. A., Brown, E. R., and Maghsoodloo, S, Development of Critical Field Permeability and Pavement Density Values for Coarse-Graded Superpave Pavements, National Center for Asphalt Technology, 2001 [6] Cooley, L. A., Prowell, B. D., Brown, E. R, Issues Pertaining to the Permeability Characteristics of Coarse-Graded Superpave Mixes National Center for Asphalt Technology, 2002 문준호 (Jun Ho Moon) [ 준회원 ] 토질역학, 지반공학 2013 년 3 월 : 명지학교토목환경공학과 ( 공학사 ) 2013 년 3 월 2015 년 2 월 : 명지학교토목환경공학과 ( 공학석사 ) 2015 년 3 월 현재 : 명지학교토목환경공학과박사과정 배석일 (Seok Il Bae) [ 정회원 ] 1999 년 2 월 : 고려대학교토목환경공학과 ( 공학사 ) 2001 년 3 월 현재 : 고려대학교토목환경공학과 ( 공학석사 ) 2006 년 5 월 : The Pennsylvania State University 토목환경공학과 ( 공학박사 ) 20010 년 4 월 : 미국루이지애나도로연구소연구원 20010 년 4 월 ~ 현재 : 삼성물산 Civil 사업부, Civil ENG 본부, 차장 토질역학, 도로공학 김영욱 (Young Uk Kim) [ 정회원 ] 박상현 (Sang hyun Park) [ 준회원 ] 2012 년 8 월 : 명지대학교토목환경공학과 ( 공학사 ) 2014 년 8 월 : 명지대학교토목환경공학과 ( 공학석사 ) 1991 년 2 월 : 고려대학교토목환경공학과 ( 공학석사 ) 2000 년 5 월 : The Pennsylvania State University 토목환경공학과 ( 공학박사 ) 2001 년 3 월 ~ 현재 : 명지대학교토목환경공학과교수 토양오염복원, 환경공학, 토질역학 토질역학, 기초공학 2233