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ISSN : 2093-5145(Print)
ISSN : 2288-0232(Online)
Journal of the Korean Society for Advanced Composite Structures Vol.11 No.3 pp.39-45
DOI : https://doi.org/10.11004/kosacs.2020.11.3.039

Application of Synthetic Compound Separate Membrane (SCSM) for Mitigating Reflective Cracking of Road Gutter

Seoyeon Kim1, Jeongho Oh2, Kyungho Kim3, Jeong Rin Nam4, Heum Kim5
1Grad. Student, Dept. of Railroad Facility Engineering, Korea National University of Transportation
2Associate Professor, Dept. of Railroad Facility Engineering, Korea National University of Transportation
3Director, A_BEST Co. Ltd.
4CEO, BEconstruction Co. Ltd.
5CEO, INTKOREA Co. Ltd.

본 논문에 대한 토의를 2020년 07월 31일까지 학회로 보내주시면 2020년 08월호에 토론결과를 게재하겠습니다.


Corresponding author: Oh, Jeongho Department of Railroad Facility Engineering, Korea National University of Transportation, Uiwang 637-715, Korea. Tel: +82-31-460-0566, Fax: +82-31-462-8205 E-mail: j-oh@ut.ac.kr
April 1, 2020 April 13, 2020 April 16, 2020

Abstract


The functions of road gutters are to provide drainage channels by collecting storm water, structural support to the pavement edge, and a boundary for safety, to discourage drivers from parking or driving on sidewalks and lawns. However, road gutters often deteriorate due to unexpected traffic load and severe climatic changes during their life, resulting in cracks, spalling, etc. A variety of overlaying activities have been applied to remedying the problem, however, they often develop reflective cracking, detaching from the existing layer in a short period. In this study, a synthetic compound separate membrane (SCSM) was employed to mitigate reflective cracking of road gutter. The findings of laboratory and field tests along with numerical evaluation indicated that the applicability of SCSM is promising.



도로 측구 반사균열 저감을 위한 합성 분리막 적용성 연구

김 서연1, 오 정호2, 김 경호3, 남 정린4, 김 흠5
1한국교통대학교 석사과정
2한국교통대학교 철도공학부 부교수
3㈜A_BEST 대표이사
4㈜보은건설 대표이사
5㈜아이엔티코리아 대표이사5

초록


도로측구는 도로 노면배수 기능 및 도로포장 양단면에 구조적 지지력을 제공하고, 주행차로로부터 분리된 공간을 확 보함으로써 차량이 도보로 침입하는 것을 방지하여 안전성 확보를 하는 기능을 가지고 있다. 하지만, 도로측구는 예상치 못한 차량하중 재하 및 극심한 환경 및 기후조건 등의 영향으로 손상을 입는 경우가 많으며, 특히 측구 시공 시 기존면 처리 미숙으 로 인한 반사균열이 발생하는 사례가 많다. 본 연구에서는, 도로측구 반사균열 저감을 위해서 합성 분리막의 적용성을 실내, 수 치해석, 현장실험을 통해 평가하였으며, 평가결과 도로측구 시공 및 유지보수에 효율성이 있을 것으로 판단된다.



    1. 서 론

    일반적으로 도로의 중앙부와 양측부에는 도로의 노 면 배수를 위해 도로 끝 또는 보도와 차도의 경계에 만들어져 있는 도랑을 측구라고 하며, 단면 형상에 따라 L형, U형 등이 있으며, 측구에 모인 물은 적당 한 간격으로 만들어져 있는 집수통을 통해 하수관으 로 흘러간다.

    대부분 도로 포장 공용성 평가는 차량 운행이 많 은 주차로를 대상으로 다양한 현장조사 및 분석을 통해 수행된다. 하지만, Fig. 1에서 보는 것과 같이 도로 측구에서의 균열에 의한 구조적 건전도 손상, 그리고 이로 인해 원활한 배수기능 저하 및 주차선 과의 경계성등을 확보하지 못하고 있는 사례를 어렵 지 않게 접할 수 있다. Seo et al. (2008)은 도로 측구 의 파손 원인으로 잦은 주행 차량 이탈로 인한 반복 교통하중, 제설제의 살포 등으로 인해 콘크리트의 표면 열화, 균열, 함몰 등과 같은 구조적인 파손이 발생하게 됨을 인지하고, 이에 대한 수치해석을 수 행하여 측구 폭을 늘리고, 보강철근을 넣어 시공하 는 측구최적단면을 도출하였다. 하지만, 이는 국내 도심지에서처럼 교통량이 많고 작업공간이 협소한 지역에서는 적합지 않은 방법으로 판단된다. 국내에 서는 이러한 측구 파손을 보수하기 위해 최근 파손 부위에 고강도 모르터나 폴리머 모르터 등으로 박층 덧씌우기를 하는 방법이 상용되고 있다. 그러나 이 방법의 경우 보수 전 균열부위를 통해 보수 후 균열 이 따라 올라오는 반사균열에 의해 재보수를 시행하 는 경우가 많다. 이러한 반사균열은 온도 및 하중변 화에 따라 전이되는 경우가 많은데, Baek (2010)은 도로포장 반사균열 전이를 억제하기 위한 분리막 (interlayer)의 메커니즘을 유한요소해석 및 현장시험 을 통해 규명하고자 하였으며, 분리막 자체의 물성, 기존층과의 접착 강도, 기존층의 구조적 상태에 의 해 반사균열 억제 효과가 있는 것으로 보고하였다.

    Titus-Glover et al. (2016)는 반사균열 전이 메커니 즘 모델을 개발하고 이를 고려한 덧씌우기층 설계법 을 제안하였다. Fig. 2에서 볼 수 있듯이 기존 하부 층에서의 균열이 반복교통하중 및 온도변화에 의해 균열부위에서 응력 집중현상이 발생하여 상부층으로 균열이 전달되는 것을 볼 수 있다.

    국내에서도 주차로 반사균열 억제를 위해 지오그 리드, 지오텍스타일 등의 토목섬유 적용 또는 반사 균열방지제 등을 활용한 연구가 진행되어 왔으나 (Kim et al. 2005, Seo et al. 2012), 도로 측구와 같이 상대적으로 폭이 좁고 선형이 자주 변하는 구간에서 의 연구는 상대적으로 미비하였다. 본 논문에서는 합성 분리막을 활용한 도로 측구 보수보강 기법을 연구하기 위해 실내 및 현장시험을 수행하여 합성 분리막의 유무에 따른 반사균열의 저항성 성능을 평 가를 수행하고, 유한요소해석을 통해 실험 결과를 검증하고자 하였다.

    2. 본 론

    2.1 합성 분리막

    본 연구에서 적용한 합성 분리막은 경화제 분말과 개질 아크릴 에멀젼을 50:50으로 배합하여 제작한 것으로, Fig. 3에서 볼 수 있듯이, 보수 범위에 따라 시편을 제작할 수 있으며, 보수 시에도 현장 여건에 따라 손쉽게 시편을 성형하여 적용할 수 있다.

    일반적인 도로포장에서 사용되는 분리막은 콘크 리트 슬래브의 바닥과 보조기층면과의 마찰저항을 감소시켜 슬래브의 팽창수축작용을 원활하게 하고, 콘크리트 모르타르의 손실방지 및 보조기층면의 이 물질이 콘크리트에 혼입되는 것을 방지할 수 있는 제품으로 폴리에틸렌 필름 또는 크라프트 지를 사용 하며 KS M 3509 적합한 제품이어야 한다(Ministry of Land, Infrastructure and Transport, 2011). 본 연구에 서는, 상기 분리막에 비해 제조과정 및 현장보수 용 이성, 기존층의 균열이 상부로 전이되는 반사균열 억 제 효과를 극대화하기 위해서, 상기 필름 형태의 분 리막을 개선하여 두께 2±0.5mm, 신장율 200%, 부착 강도 1.0MPa, 물성을 갖도록 설계 및 제작을 하였다.

    2.2 실내실험 방법

    실내실험을 통해 반복하중 재하 시 합성 분리막 설 치 유무에 따른 모형 시편 반사균열 저항성에 대한 성능을 확인하고자 하였다. 본 실험에서는 시편 제 작이 용이하고 반복 하중재하에 따른 균열 모사를 파악할 수 있도록, 도로 포장용 시멘트 콘크리트 대 신 강도가 상대적으로 낮은 모르타르 실험체로 대체 하였다. 소요강도 확보를 위해 1종 보통 포틀랜드 시멘트와 표준사의 배합용적비가 1:1이 되도록 설정 하였으며, KS L 5105 및 기존 연구 (Lee et al. 2018) 에 준하여 물-시멘트비(W/C)는 48.5%로 설정하였다. 실험체 규격은 200*100*50mm 로 설정하여 공시체 타설 후, 24시간 습윤양생 후 7일 간 수중양생을 실 시하였다. 수중양생이 끝난 시편은 가로 방향 중앙 에 직각 방향으로 약 0.5cm 깊이의 홈을 파 균열을 모사한 후, 변형률계 및 합성 분리막 부착을 위해 면처리를 실시하였다. 이후 변형률계와 분리막을 설 치하여 같은 크기의 균열을 내지 않은 시편을부착하 여 덧씌우기를 모사하였다. 최종적으로 만능재료 시 험기를 통해 Table 1에서처럼 5 단계로 정현파 반복 하중 및 하중재하속도를 점차적으로 증가하여 재하 하였다. 실내시험 공시체 물성 고려 및 측구에서의 차량운행은 주행차로에 비해 적은 것을 가정하여, 최대 하중은 등가단축기준하중 8.2t을 환산한 접지압 의 약 30%로 하였다. 아래 Fig. 4는 실내실험 과정을 나타내고 있다.

    2.3 실내실험 결과

    반복하중 재하에 따른 시편의 파괴 시점은 변형률 게이지 측정치가 현저하게 인장에서 압축 또는 압축 에서 인장으로 바뀌는 경우 또는, 반복재하 100회 이내에 시편이 파괴가 육안으로 확인될 경우로 간주 하였다. 합성 분리막 유무에 따라 각각 시편 2개를 제작하여 실험을 진행하였다. 아래 Table 2에서는 균 열로 인해 파괴가 발생한 시점을 상, 하부층으로 나 누어 화살표로 표시하였다. 이는, 하부층의 인위적으 로 모사된 균열이 반복하중 재하에 따라 상부층으로 전이되는 시간의 차이를 분리막 유무에 따라 확인하 기 위함이다. 실험결과에 의하면, 합성 분리막이 설 치된 경우 반복하중이 5 단계 초반에 변형률 게이지 측정치의 큰 변동을 보여주면 파괴 시점에 이르는 반면, 합성 분리막이 설치되지 않은 경우에 는 반복하중 3단계 후반 및 4단계 중반에서 계측치 의 변동을 확인 할 수 있었다. 또한, 상/하부 파괴 시점 관련해서, 합성분리막이 있는 경우 평균 15초 가 지연된 반면, 합성분리막이 없는 경우는 거의 상/ 하면 파괴가 동시에 발생하는 것을 확인하였다. 이 는, Fig. 5에서도 볼 수 있듯이, 합성 분리막이 있는 경우 상하부 시편 경계면의 균형 전이 양상이 합성 분리막에 의해 하부에서 상부로 지연되는 것을 확인 할 수 있었다.

    2.4 수치해석

    실내시험 결과 합성 분리막 적용에 따른 반사균열 전이 저감을 제한적으로 확인하였으며, 본 절에서는 수치해석 수행을 통해 실내시험에서 수행하기 어려 운 균열의 개수 증가에 따른 합성 분리막 보강 효과 를 검증하고자 하였다.

    2.4.1 수치해석 모델링

    본 수치해석에는 PLAXIS 2D Ver. 8.2 유한요소해석 프로그램을 이용하였으며, 수치해석 모델은 도로 측 구 길이 방향으로 600mm, 상부 덧씌우기 콘크리트 층 100mm, 하부 콘크리트 층 200mm, 보조기층 150mm으로 하였다. 합성 분리막은 PLAXIS 프로그 램 내에 있는 지오그리드 모델로 모사하였다. 합성 분리막의 물성은 축강성 (EA) 값을 가지며, 일반적 으로 적용되는 지오그리드 축강성에 20% 값을 기 존 문헌을 참고하여 입력치로 산정하였다(Oh, 2014). 또한, 해석의 간편화를 의해 모든 재료를 선형 탄 성체로 모델을 적용하였다. 아래 Table 3은 수치해 석 시 입력한 재료의 물성값을 정리한 것이다.

    반사 균열 모사를 위해 하부 콘크리트 충 중앙에 폭 10mm, 깊이 200mm로 하부 콘크리트 층 전체에 걸쳐 있는 것으로 가정하였다. 이를 위해, 터널 또는 지하공동 해석을 수행할 때 적용하는 형태로 해석 수행 시 균열 부분의 요소망을 제거하여 균열을 모 사하였다. 또한 균열의 개수에 따른 영향을 비교하 고자 균열 개수를 각각 1, 3개로 하여 Fig. 6에서처 럼 수치해석을 진행하였다. 또한, 차량하중에 의한 콘크리트 층 휨 변형 모사를 위해 포장체 양쪽 끝단 에 5mm 인장 변위를 작용하도록 설정하여 합성 분 리막 유무에 따른 거동 비교를 하고자 하였다.

    2.4.2 수치해석 결과

    합성 분리막 유무에 따른 인장력을 받는 균열에 의 한 포장체의 거동을 검토하기 위해서, 상/하부 콘크 리트 층 경계면에서의 응력 및 변위를 비교하였다. 이때, 합성 분리막이 있는 경우는 분리막 상단 경계 면에서의 값들로 비교하였다. 1개의 균열을 모사한 경우, 경계면에서의 수직변위는 합성 분리막 유무에 따른 큰 차이를 보이지 않았으나, 수평, 수직 및 전 단응력은 균열 부위에서 합성 분리막이 있을 경우 최대 응력 기준으로 평균 48%가 감소되는 것을 확 인 하였다(Fig. 7 참조).

    Fig. 8은 균열이 3개인 경우의 수치해석 결과이. 며, 균열 1개 경우와 달리, 합성 분리막이 있을 경우 균열 부위에서 최대 수직변위가 약 40% 감소한 것 을 볼 수 있었으며, 특히 인장하중 재하에 따른 수 평 및 전단응력의 차이가 큰 것을 확인하였다. 따라 서, 반사균열 정도가 심한 도로 측구에 합성 분리막 보강은 교통 또는 온도 하중에 대한 응력 및 변위 저감 효과가 있을 것으로 판단된다.

    2.5 현장실험 방법

    앞서 수행한 실내실험 및 수치해석 결과를 바탕으로 현장실험을 수행하여 시공성 및 내구성을 검증하고 자 하였다. 본 현장시험은 서울 OO구 도로측구 덧씌 우기 시공구간에서 수행하였으며, 합성 분리막 적용 / 미적용 구간으로 나누어 시공 및 계측을 수행하였 다. 이 때, 균열개수를 1, 3, 5개를 인위적으로 만들 어 (그림에서 노란 부분) 합성 분리막 적용 효과를 검증하고자 하였으며, Fig. 9은 현장실험 구간 및 계 측장비 설치 개요를 보여주고 있다.

    계측장치 설치완료 후, 트럭(2.5ton)을 시험구간에 서 10회 반복 운행하여 하중조건을 구현하였다(Fig. 10 참조). 시공 직후 계측을 통해 모든 센서들의 작 동을 확인한 후, 시공완료 4시간, 7일, 90일 경과 후 에 최대 변형률값 및 온도 데이터를 각각 측정하였 다.

    2.6 현장실험 결과

    현장실험 데이터 분석 결과를 정리하면 다음과 같다.

    • ⋅합성 분리막 구간 10개의 측정개소에서는 변형 률 및 온도 측정데이터를 모두 수집한 반면, 분리막이 없는 구간에서는 10개 측정개소 중 3 개소 (N-S-1, N-S-2, N-S-8)에서 90일 경과 후 측정 시 변형률 측정이 안 되었고, 온도 측정 3개소 중 1개소에서 측정오류가 발생되었다 (Fig. 12 참조). 이는 합성 분리막이 동하중 재 하로 인해 발생한 응력에 대한 완충작용을 하 여 분리막 하단에 설치된 측정 센서의 손상을 방지한 것이라 판단된다.

    • ⋅계측기간 동안 측정된 온도데이터는 평균 26∼ 27°C 범위 내로 합성분리막이 있는 구간 및 없 는 구간에서 큰 차이가 없었으며, 온도 변화에 의한 거동은 크게 없을 것으로 판단된다.

    • ⋅측정된 변형률 데이터 분석결과는 최대 변형률 기준으로 Fig. 1112에 정리되었다. 여기서, 음의 값은 압축, 양의 값은 인장변형률을 의미 한다. 합성 분리막이 적용된 구간 경우, 최대 Fig. 11 Variation of Measured Strains from SCSM Section Fig. 12 Variation of Measured Strains from Reference Section 16 마이크로스르레인 이내에서 변동이 되는 것 을 확인 하였으며, G-S-1, G-S-7 개소를 제외하 고 시간이 경과할수록, 측정된 변형률 값이 안 정화되는 경향을 보였다(Fig. 11 참조).

    • ⋅합성 분리막 미설치 구간에서는, 합성 분리막 설치 구간에 비해 측정된 변형률 변동 폭이 큰 것을 확인할 수 있다. 특히, N-S-6 및 N-S-7 구 간에서는 7일 및 90일 측정치에서 큰 폭으로 거동 형태가 압축에서 인장형태로 변하는 것을 확인하였으며, 이는 실제 현장조건에서 외부 환경 변화 및 예상치 못한 차량하중 반복 재하 시, 기존의 반사균열에 대한 영향이 클 것으로 판단된다. (Fig. 12 참조)

    • ⋅합성 분리막 설치에 따른 변형률 측정값 변화 를 정량적으로 분석한 결과는 다음과 같다.

    위 값들은 평균 변형률 값이며, Table 4 하단값들 은 변형률값의 절대 비율값으로 합성분리막이 적용 된 구간 측정값을 무보강 조건 측정값들로 나눈 값 이다. 시공직후 시간이 경과함에 따라 변형률 비율 이 점차 감소하는 것을 볼 수 있으며, 합성분리막 적용에 따른 반사균열 억제 효과를 기대할 수 있을 것으로 판단된다.

    3. 결 론

    본 연구는 도로측구 반사균열 저항성 확보를 위해 합성 분리막을 활용한 보강 효과를 검토하기 위해 서, 실내/현장 실험 및 수치해석을 수행하였으며, 다 음과 같은 결론을 도출하였다.

    • (1) 실내실험 결과, 합성 분리막 있는 경우 반복 하중 재하에 의한 균열 저항성이 미설치 조 건에 비해 큰 것으로 확인되었다. 특히, 반복 하중 재하에 의해 시편 하부층의 균열이 상 부층으로 전이되는 정도를 합성 분리막 설치 로 15초 정도 지연한 반면, 적용되지 않은 시 료 경우 상/하부 파괴시점이 거의 동시에 발 현 되었다.

    • (2) 균열개수에 따른 분리막 보강효과를 검토하 기 위해서 수행한 수치해석 결과, 수평 및 수 직, 전단응력 수치가 균열의 위치에서 합성 분리막 유무에 따라 큰 값의 차이를 나타냈 다. 균열 개수 증가에 따라 균열 부위에서 응 력 및 변위의 값이 증가하였으나, 합성분리막 적용으로 약 40% 정도의 변위 및 응력 저감 효과를 확인 하였다.

    • (3) 현장실험 결과, 합성 분리막 미설치 구간 경 우 시공 90일 경과 후 변형률 게이지 망실로 인해 계측이 이루어지지 못한 개소가 발생하 였다. 이는 분리막이 있는 경우 동하중에 대 한 응력 흡수를 통해 분리막 하단에 설치된 변형률계의 손상을 방지한 것으로 판단된다. Table 4에서 볼 수 있듯이, 시공직후 합성분 리막이 적용된 구간과 무보강 구간에서의 변 형률은 거의 차이가 없었으나, 시간이 경과함 에 따라, 합성분리막 적용 구간에서의 변형률 이 무보강 구간 측정값의 30∼40% 정도 유지 되는 것을 확인하였다. 이는 현장의 다양한 환경변화 및 하중조건에서 분리막이 이에 대 한 저항성을 확보하는데 유리하여 공용수명 확보 및 유지보수비 절감을 할 수 있을 것으 로 판단된다.

    감사의 글

    본 연구는 한국교통대학교 2019년도 교내학술진흥사 업에 의해 수행되었으며 이에 감사드립니다.

    Figure

    KOSACS-11-3-39_F1.gif
    Examples of Structural Damage of Roadway Gutter
    KOSACS-11-3-39_F2.gif
    Mechanism of Reflective Cracking of Roadway (Titus-Glover et al., 2016)
    KOSACS-11-3-39_F3.gif
    Synthetic Compound Separate Membrane (SCSM)
    KOSACS-11-3-39_F4.gif
    A Procedure of Laboratory Testing
    KOSACS-11-3-39_F5.gif
    Failure Modes of Tested Specimens
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    FE Models Considered
    KOSACS-11-3-39_F7.gif
    Results of Numerical Analysis (One Crack)
    KOSACS-11-3-39_F8.gif
    Results of Numerical Analysis (One Crack)
    KOSACS-11-3-39_F9.gif
    Field Instrumented Test Section
    KOSACS-11-3-39_F10.gif
    Field Testing Procedure
    KOSACS-11-3-39_F11.gif
    Variation of Measured Strains from SCSM Section
    KOSACS-11-3-39_F12.gif
    Variation of Measured Strains from Reference Section

    Table

    Phases o f Repetitiv e Loading Test
    Results of Repetitive Loading Test
    Material Properties Using Numerical Analysis
    Summary of Field Test Result

    Reference

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