1. 서론
교통량 및 차량중량, 제설제 사용의 급격한 증가 등으로 고강도 고내구성 콘크리트 포장의 필요성이 증대되고 있으며 대부분의 콘크리트 포장은 현장 타설로 시공되고 있다. 콘크리트는 현장타설시 환경요인에 의한 제약을 많이 받게 되는데, 타설 후 표면 양생 불량이나 작업성을 위한 가수 등으로 인해 콘크리트의 품질 변동 문제와 극서기, 극한기의 공기지연 문제 등을 유발할 수 있다.
노후 포장의 유지보수에 따른 정체에 대한 신속한 보수 대안이 절실한 요즘, 시멘트 콘크리트 도로 포장은 아스팔트 도로 포장에 비해 3~4배 이상의 공용수명과 중(重)차량에 대한저항성이 크지만, 시공불량으로 인한 품질저하와 조기파손은 유지보수를 위한 교통차단으로 많은 이용자 불편을 초래하는 원인이 되고 있다(An, 2012).
국내에서 시공된 현장타설 콘크리트 포장은 경제성을 고려하여 줄눈 콘크리트 포장(JCP: Jointed Concrete Pavement)이 주류를 이루며 중부고속도로 등 일부구간에는 연속철근 콘크리트 포장(CRCP, Continuously Reinforced Concrete Pavement)이 적용되었다. 그러나 균열, 단차, 조인트 파손, 스폴링 등의 문제가 발생하여 유지보수가 빈번히 시행되고 있으며, 이는 교통체증을 야기시키고 사회적 비용을 증가시키는 요인이 되고 있다(Kim et al., 2008; Hwang, 2011).
반면, 프리캐스트 콘크리트(PC, Precast concrete) 슬래브 포장공법은 콘크리트 슬래브를 미리 제작하여 급속시공 및 빠른 보수가 가능하고, 공장에서 증기양생을 통해 다양한 요구 성능에 부합되는 맞춤식 기능성 포장을 우수한 품질로 제작할 수 있다.
프리캐스트 콘크리트 슬래브는 1960년대에 미국 사우스다코타주에서 도로에 처음 적용되었으며, 1981년 미국 텍사스주에서는 연속철근콘크리트포장(CRCP)의 보수를 위하여 프리캐스트 슬래브를 사용하였다(Hargett, 1970; Meyer et al.,1983). 또한, 미국 캘리포니아주에서는 벤추라 고속도로, 뉴욕주에서는 태판지교의 톨게이트 부분의 전체 포장을 프리캐스트 포장을 이용하여 보수하였다.
프리캐스트 포장은 보수뿐만 아니라 신설 도로의 건설에도 사용되었다. 미국 텍사스주에서는 2002년 프리캐스트 프리스트레스트 콘크리트 슬래브(PPCP, Precast Prestressed Concrete Pavement)를 이용하여 연장 1 km가 넘는 길이의 도로를 시공하기도 하였으며, 뉴욕주는 Fort Miller 회사가 개발한 Super Slab이라는 프리캐스트 포장방식을 이용하여 신설 도로를 건설하였다. 일본에서도 종방향으로 프리스트레싱을 주어 프리캐스트 슬래브를 연결하고 횡방향으로는 다웰바를 이용하여하중전달을 유도하는 방법이 개발되었다. 이와 같이 프리캐스트 포장은 유지보수용과 신설용으로 선진국에서는 이미 널리 사용되어 왔다(An, 2012; Merritt et al., 2000; Hara et al.,1997).
국내에서는 1990년대 한국도로공사에서 기초연구를 수행하였으며 2006년부터 프리캐스트 포장의 현장 적용을 위한 기술 개발 연구가 진행되었다. 그 결과, PC포장의 단차, 줄눈간격, 미끄럼저항, 침하 등은 시간에 따라 변화가 거의 없었으며, 이를 통해 프리캐스트 슬래브가 차량하중을 지지하고 다이아몬드 그라인딩 공법을 적용하여 슬래브의 단차 및 미끄럼저항 성능을 크게 개선할 수 있다(Yang et al., 2008; Oh etal., 2011).
기존 PC 슬래브 포장(Fig. 1(a)참조)은 공장에서 다수의 다웰바를 미리 삽입하고, 다웰바 포켓과 그라우팅 홀을 제작하고 현장으로 운반한 후 다웰바와 다웰바 포켓이 일치하도록 지반에 안착시킨 후, 그라우팅하여 PC 슬래브 포장을 시공하게 된다. 이러한 포켓 접합 방식의 PC 슬래브 포장시공은 다웰바 포켓의 그라우팅 증가에 따른 시공성이 저하되며 그라우트 충진시 포켓내 다웰바 상부에 공극이 발생될 우려가 있다. 더불어, 돌출된 다웰바로 인해 운반과 시공시 파손 및 안전사고의 위험이 존재하게 되는 문제점이 있다. 또한 운행중인 도로에 균열 등의 문제로 PC 슬래브의 유지보수가 필요한 경우 다웰바를 포함하여 인접 슬래브를 컷팅한 후, 드릴을 이용하여 주변 슬래브에 구멍을 내고 다웰바를 삽입 후 이전보다 큰 사이즈의 슬래브를 설치해야 되는 단점이 있다(An, 2012; Cho et al., 2010).
이러한 문제점을 해결하기 위해서 본 연구에서는 도로 포장용 콘크리트 슬래브를 현장 조립이 가능한 PC 슬래브로 만들고, 현장에서는 기존 PC 슬래브보다 신속하고 간편하게 시공이 가능하도록 개발하였다. 이에 대한 염화물 침투 저항성 실험, 스케일링 실험, 피로실험을 수행하여 내구성과 연결부의피로성능을 평가하고 Mock-up을 통하여 시공성을 확인하는데 그 목적이 있다.
2. 프리캐스트 콘크리트 포장시스템
2.1 PC 포장 단면설계
실제 포장에서 발생하는 피로균열, 영구변형, 스폴링 등과 같은 파손은 시공 품질관리 미비, 재료상의 문제, 유지관리 체계의 미비 등으로 인해 일어난다. 따라서 다양한 포장 파손에 대하여 인지하고 그 원인을 규명하는 것은 포장의 설계 기준정립 및 유지보수 차원에서도 중요한 의미를 지닌다.
일반적으로 시멘트 콘크리트 포장의 단면설계는 아스팔트콘크리트 포장과 달리 영구변형 산정과정이 없으며 피로균열모형을 바탕으로 공용성 분석이 이루어지며 이후 이를 바탕으로 평탄성지수 산정을 수행한다. 또한, 피로균열은 기본 입력 변수들을 바탕으로 구조해석을 통해 산정한 응력과 재료의 강도비를 통해 산정한다.
단, 국내 고속도로의 최소단면두께는 AASHTO 설계법을 적용시 28 cm, 한국형 포장설계법을 적용시 26 cm를 적용하도록 제안하고 있다(Han et al., 2014).
따라서, 본 연구에서 개발된 프리캐스트 콘크리트 포장체의 최소단면두께는 국내 고속도로의 최소두께 기준인 28 cm에 다이아몬드 그라인딩을 고려하여 30 cm로 설계하였으며, Fig.1(c)에서와 같이 2 m×3m로 제작하였다.
2.3 PC 포장 시스템 세부장치
본 연구에서 개발된 PC 슬래브 포장에는 Fig. 2(a)와 (b)에서와 같이 지반과 슬래브와의 수평, 인접 슬래브와의 단차를 최소화할 수 있도록 하는 수평조절장치(Leveling controller)와 조인트블럭 내에서 하중을 전달하는 역할을 하는 수직고정볼트(Stud bolt)가 있으며, 다웰바(Dowel bar)와 같이 조인트블록에 위치시키고 모르타르를 이용하여 매립할 수 있도록 하였다. 특히, 수평조절장치를 이용하여 지반과 수평을 조절한 후에 발생되는 공간에는 Fig. 1(c)에서 보이는바와 같이 그라우팅홀을 통해 하부에 그라우팅을 주입하여 평탄성을 유지하도록 설계되었다.
2.4 PC 포장 Mock-up
본 연구에서 개발된 PC 슬래브 포장은 16시간 동안 증기양생을 통해 초기강도 및 품질을 확보하였다. 현장에서 시공시에는 Fig. 3에서 보는바와 같은 순서로 슬래브를 연결시키고 조인트블럭에 이형제를 도포한 후 수직고정볼트와 다웰바를 거치하고 조강형 모르타르를 타설하여 조인트블럭을 시공한다. 이형제의 도포는 콘크리트 슬래브와 모르타르 사이에 경계면을 형성하고, 추후 유지보수시에 조인트블럭의 분리를 용이하게 하기 위하여 사용하였다. 조인트블럭에 사용된 그라우팅의 배합은 물-시멘트비-잔골재의 비율이 0.4:1:1.5이며, 지연제는 1%를 사용하였다. 그라우팅의 압축강도는 1일에 45 MPa이상이며 28일에는 평균 70 MPa까지 발현되었다.
3. PC 포장시스템 내구성능평가
3.1 내구성 실험
최근 교통량의 증가와 제설제 사용의 증가로 인해서 공용중에 콘크리트 포장 표면 및 구조물에 스케일링, 균열, 박리 등에 의한 피해사례가 증가되고 있다. 이런 피해를 최소화하기 위해서 도로공사에서는 콘크리트 강도를 30 MPa이상으로 상향시키고, 공기량은 6%로 표준배합을 제시하고 있다.
본 연구에서는 Table 1에서 보이는 것과 같이 슬래그를30% 적용한 강도 35 MPa급 배합을 적용하였다. 그리고 프리캐스트 슬래브 제작시 몰드 하부면이 PC 슬래브 상부면으로오도록 제작한 Flip-over형태를 적용하여 포장체 표면의 내구성을 향상시켰다. 이를 위해서 염소이온 침투 저항성시험(KSF 2711)과 제설재에 노출된 콘크리트 표면의 스케일링 실험(ASTM C672)을 통해서 그 적정성을 검증하였다. 특히, 슬래그의 혼입율을 30%를 기준으로 0%와 60%에 대한 염소이온침투 저항성 실험을 수행하여 그 결과를 비교하였으며, 스케일링 실험을 위해서는 150×300 mm 시편표면에 3% NaCl용액을 가두고 24시간동안 -20~+20°C 온도하에서 50회 반복시험을 진행하였다.
4. PC 포장시스템 피로성능평가
본 연구에서 개발된 PC 슬래브 포장시스템은 콘크리트 슬래브의 모서리에 연결 포켓을 만들어서 다웰바를 설치한 후무수축 모르타르를 이용하여 급속으로 시공하는 방법이다. 따라서 공용수명동안 본 포장체에 교통하중이 작용하였을때 사용성 검증을 위해서는 연결부의 피로성능평가가 필요하다. 본 연구에서는 일축 차량바퀴 모형을 하중지그로 제작하여 한쪽포장 슬래브위에 위치하도록 하중을 재하하였다(Fig. 6(c) 참조).
4.1 피로하중 재하
Fig. 6은 PC 슬래브에 피로성능을 평가하기 위해서 하중재하를 위한 지그, 액츄에이터 및 게이지위치를 나타낸 것이다.
피로하중은 Fig. 6(a)와 같이 ESAL(Equivalent Single Axle Load)을 기준으로 80 kN을 반복적으로 재하하였으며, 반복횟수는 200만회로 선정하였다(Lee, 2005).
하중재하 접지면은 Fig. 6(b)에서 보인것과 같이 실제 표준트럭의 타이어 간격을 고려하여 1.8 m로 하였으며, 접지면적은 1축 듀얼타이어(Single axle with dual tires)의 특징과 도로교설계기준에서 제시하는 차륜의 접지면적 산정방법을 도입하였다. 시방서에서 제시하는 접지면적은 차량하중(P)을 고려하여 12,500P/9인 하나의 직사각형으로 간주하고 그 폭과 길이의 비는 2.5:1로 계산하면 500×200 mm의 접지면적을 구할 수 있다.
Fig. 6(c)는 액츄에이터과 지그를 PC 슬래브 위에 설치한 것이다. 피로하중의 위치는 2개의 PC 슬래브를 Fig. 3(b)~(c)와 같은 방법을 이용하여 연결부를 시공하고 슬래브 한쪽에만 하중이 직접적으로 작용할 수 있도록 재하하였다. 또한, 액츄에이터는 최대하중이 250 kN이며 이미 언급한 바와 같이ESAL을 고려하여 80 kN을 200만회동안 평균재하속도는 5 Hz로서 액츄에이터의 성능과 공진이 발생하지 않는 범위에서 선택하였다. 데이터는 10만회마다 약 2분동안 데이터를 수집하여 그 중 최댓값을 대푯값으로 하였다.
Fig. 6(d)는 포장체의 거동과 균열양상을 분석하기 위해서 포장슬래브 위에 LVDT 및 스트레인게이지를 부착한 위치를 표시한 것이다. PC 슬래브는 두께 30 cm의 강성포장체로서 하중이 작용하였을 때 전체 거동을 파악하기 위해서 6개의LVDT를 60 cm 간격으로 설치하였다. 또한 하중의 전달특성을 파악하기 위해서 다웰바와 스터드볼트(Fig. 6(d) 참조)의 중앙부 표면에 총 18개의 변형율 게이지를 설치하였다. 또한 반복 피로하중이 재하되었을 때 콘크리트 표면의 균열에 대한 변형율을 측정하기 위해서 총 6개의 콘크리트 변형율 게이지를 부착하였다. PC 슬래브 포장의 하부지반을 모형화하기 위해서 피로실험시 두께 5 cm의 방진패드를 사용하였다. 또한, 시험체를 축소하게 되면 재료적 특성 외에 콘크리트의 비선형 거동 특성상 크기와 형상으로 인하여 시험결과 값은 영향을 받게 되므로 크기효과(Size effect)를 고려해야 되므로 본 연구에서는 크기축소없이 동일한 크기의 시험체를 통하여 시험적 검증을 진행하였다(Bazănt, 1984).
4.2 피로실험 결과
피로하중이 작용하는 PC 슬래브 포장은 연결부에 설치된 다웰바에 의해서 인접 PC 슬래브로 하중이 전달되는 비율이 중요하며 이는 휨보다는 전단력이 지배적이다(Yang, 2008). 개발된 PC 슬래브의 연결부에서 다웰바의 성능을 평가하기 위해 반복하중에 따른 변위와 연결부의 변형률에 대한 결과를 Fig. 7에 나타내었다. Fig. 7(a)에서는 하중반복 횟수에 따른 PC 슬래브의 수직거동에 대해서 파악할 수 있다. 실험체의 초기특성을 파악하기 위해서 10,000회까지의 최대 변위값을 기준으로 하여 확인한 결과, 약 120만회까지는 거의 동일한 변위를 나타내었으며 200만회까지 점진적으로 증가하였다. 특히, 200만회 반복하중이 가력된후에 하중이 직접작용된 슬래브의 최대변위는 L3에서 2.56 mm, L4에서는 2.26 mm가 측정되었다. 이는 하중이 다웰바를 통해서 전달되는 비율을 나타내는 것으로서 PC 슬래브에 차량하중에 재하되었을 때 연결된 PC 슬래브에 재하하중의 90%가 전달됨을 알 수 있다.
또한, Fig. 7(b)와 (c)에서와 같이 반복하중 재하시 다웰바의 최대변형률은 액츄에이터가 재하된 연결부에서 발생했으며, 변형률은 170 με로 측정되었다. 이는 다웰바가 전단거동을 할 때 휨에 의해서 콘크리트와 다웰바 사이에 부착력에 의해 인장응력이 발생하여 다웰바의 중앙부에서 변형율이 발생한 것으로 판단된다.
Fig. 7(d)는 콘크리트 슬래브 표면에서 균열을 확인하기 위한 콘크리트 변형율 게이지 값을 측정한 결과이다. 실험결과, 지그와 슬래브가 맞닿는 위치에서 변형이 크게 발생하였으며, 변형률은 최대 150 με 정도인 것으로 확인되었다. PC 슬래브표면의 균열관측결과 피로하중이 누적되면서 콘크리트 슬래브의 변위와 다웰바의 변형률은 초기 대비 지속적으로 증가하는 경향을 보였으나 육안으로 관찰되는 균열은 없었으며 연결부에서의 하중전달에는 큰 차이가 없는 것으로 분석되었다.
200만회 피로실험후 PC 슬래브의 정적재하시험을 수행하였다. Fig. 8(a)과 같이 액츄에이터 최대하중인 250 kN을 가력한 결과로서 피로하중이 재하된 슬래브의 변위는 약 2.9 mm발생되었으며 인접한 슬래브의 변위는 약 10% 작은 값이 측정되었다. 이는 피로하중 재하시나 정재하시 다웰바의 하중전달율에는 큰 변화가 없으며 슬래브의 건전도에는 이상이 없음을 알 수 있다. 다만, 하중 250 kN을 가력한후 육안으로 균열을 관측한 결과 슬래브의 연결부를 중심으로 미세균열들이 관측되었다. 또한, Fig. 8(b)에서 보이는 바와 같이 하중이 증가함에 따라 다웰바 연결부에 위치한 콘크리트 게이지 C1에서는 약 3번정도의 변형율의 변동이 크게 발생되었음을 알 수 있다. 이는 다웰바와 콘크리트 사이에 슬립이나 균열이 발생되었을 것으로 예측되며, C1에서 변형률의 변동은 L3과 L4에서도 동일하게 하중-변위 곡선이 변곡됨을 알 수 있다(Fig. 8(a) 참조).
5. 결론
콘크리트 포장은 현장타설에 의해서 시공되므로 품질변동에 문제가 발생될 수 있으며 이로인해 공기에 영향을 미친다. 또한, 유지보수시에도 많은 시간이 소요되어, 많은 사회적 비용을 야기한다. 이러한 문제를 해결하기 위해서 본 연구에서는 급속시공이 가능하고 품질이 우수한 PC 슬래브 콘크리트포장 시스템을 개발하였다.
개발된 PC 슬래브 포장의 두께는 30 cm이며, 2 m×3 m로 제작하였다. 또한, 측면접촉부에 일정깊이의 조인트 블록을 제작하고 지반과 슬래브와의 수평, 인접 슬래브와의 단차를 최소화할 수 있도록 하는 수평조절장치(Leveling controller), 조인트 블럭내에는 하중을 전달하는 역할을 하는 수직고정볼트(Stud bolt)와 다웰바(Dowel bar) 등을 설치하고 모르타르를 이용하여 매립하였다.
이에 대해서 내구성 및 연결부의 피로실험을 통하여 그 성능을 평가하였으며, 그 결과는 다음과 같다.
PC 슬래브 제작시 슬래그 30%를 적용하였으며 몰드 하부면이 PC 슬래브 상부면으로 오도록 Flip-over 형태로 시공하여 슬래브 표면의 내구성을 향상시켰다. 염소이온 침투 저항성 및 동결융해 성능실험결과 타설면에 비해 하부면이 염소이온은 30% 침투저항성이 향상되었으며 스케일링은 거의 발생되지 않았다.
PC 슬래브에 교통하중이 작용시에 사용성을 검증하기 위해서 피로성능평가를 수행하였다. 80 kN을 200만회동안 반복재하 하였으나 육안으로 관찰된 균열은 발견되지 않았으며, 다웰바의 하중전달율은 10%정도 저하됨을 알 수 있었다. 따라서, 본 연구를 통해 개발된 포장시스템의 상용화를 위해서는 항만이나 도로에 시험적용하여 장기공용성 및 유지관리성을 검증할 필요가 있을 것으로 보인다.
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