1. 요약

현재 미국의 도로에서 교통수요의 증가와 도로포장관리에 대한 예산의 감축이 더해감에 따라, 장기수명 콘셉트의 효율적인 새로운 도로포장 건설 설계에 대한 중요성이 더해가고 있다. 이러한 점을 인식한 캘리포니아 교통부는 LLPRS (Long Life Pavement Rehabilitation Strategies)라는 장기 수명 도로 포장 건설 전략 프로그램을 1998년부터 실시하여 왔다. 이 프로그램의 목적은 약 1,740 차로-마일(Lane-mile)의 교통량이 많은 고속도로를 최소한의 유지보수로 30년 이상을 지속할 수 있는 장기수명 포장설계방식으로 재건설하는 것이다. LLPRS 건설사업은 최소한의 교통 정체를 유발시키며 시공성(Construction Productivity)과 품질을 향상시키는 포장설계 방식을 적용하여, 기존의 전형적인 7내지 10시간의 야간공사 대신에 55시간의 주말동안이나 이와 흡사한 시간연장식 연속공사로 시공되어진다. 그림 1은 캘리포니아 Long Beach시의 710번 고속도로의 장기수명 아스팔트 도로포장의 모습으로 오른쪽은 시공전이며, 왼쪽의 차로는 시공후의 모습이다. 이 혁신적인 분석, 설계, 재료, 시공, 교통통제의 통합된 장기수명 도로포장 공사기법의 주된 효과는 도로생애주기비용과 도로사용자 비용을 감소시키며, 대기환경오염을 감소할 수 있다는 것이다. 이 기법의 적용은 특히 대도시내 교통량이 많은 도심 고속도로 포장의 재건설시 큰 효과를 가져 온다. 장기수명 아스팔트 도로포장이란 주된 구조적 재건설 및 재시공 (rehabilitation/reconstruction) 없이 정기적인 포장면의 재포장(resurfacing)만으로 50년까지 서비스할 수 있도록 설계된 아스팔트 도로로 정의된다. 캘리포니아 최초의 장기수명 콘크리트 포장 도로는 Pomona시 인근의 10번 고속도로에서 55시간동안 급속 강화 콘크리트 (Rapid Strength Concrete)로 화물차로를 성공적으로 교체한 건설사업이었다. 그 후 2003년 Long Beach시 인근의 710번 고속도로 2.7마일 구간이 첫번째의 장기수명 아스팔트 포장 기법으로 시공되었다. 그 후 현재까지 수차례에 걸친 장기수명 아스팔트 포장 도로가 시공되어오면서 그 전략과 기법이 향상되어 미래의 경제적 친환경적 도로포장 기법으로 자리잡아가고 있다.

그림 1. 캘리포니아 Long Beach시 인근의 710번 고속도로의 장기수명 도로포장공사: 오른쪽은 48년 된 노후된 도로이며, 왼쪽은 장기수명 포장기법으로 새로 재건설된 아스팔트 포장도로.

장기수명 아스팔트 포장 설계는 1972년 Monismith와 McLean에 의한 기계적-경험방식(Mechanistic-Empirical: ME)의 개념에 근거하고 있다. 이 개념은 현재까지 교통량이 많거나 교통량이 적은 도로구분과 아스팔트와 콘크리트 포장 도로구분에 따라 다양한 방식으로 적용되어 오고 있다. 이 설계는 도로 포장의 수명연한(생애주기) 동안 교통량과 기후 등의 환경에 따라 다르게 발생하는 부하, 인장, 이탈 정도를 도로 엔지니어들이 분석하여 설계하는 기법이다.

최근 장기수명 아스팔트 포장 도로가 시공되어오면서 그 전략과 기법이 향상되어 미래의 경제적 친환경적 도로포장 기법으로 자리잡아가고 있다. 그림 2는 간략화된 장기수명 아스팔트 포장 두깨 설계의 과정을 나타내고 있다.

그림 2. 장기수명 도로 포장 두깨 설계 과정

장기수명 도로의 포장 재료의 선택은 해당 교통부에서 지정한 품질관리 및 품질보장(Quality Control/Quality Assurance: QC/QA) 지침을 준수하여야 한다. 상위 품질의 거친 표면을 가진 분쇄된 자갈(Aggregate)을 사용하여 도로구조의 포장면에서 바퀴자국 패임(rutting)을 방지하는 것이 매우 중요하다. 이러한 고급 품질 분쇄 자갈의 사용은 마모와 미끄러짐 방지에도 효과적이다.

포장 구조에 사용 되어지는 아스팔트 결합재의 선택은 시공현장의 온도에 밀접한 관계가 있다. 캘리포니아 첫번째 장기수명 아스팔트 포장 재료로써는 전형적인 AR-8000 아스팔트와 폴리머 첨가 아스팔트 (PBA-6a*)가 사용되었다. PBA-6a*는 기존의 PBA-6a보다 더 많은 양의 폴리머가 첨가되어 있으며, 이는 장기적으로 바퀴자국 패임에 대하여 더 높은 내구성을 가진다. 또한, 아스팔트 고무의 결합재로 1인치 두께의 Open Graded Friction Course (OGFC)가 포장표면에 사용되었다.

장기수명 아스팔트의 다양한 포장 레이어(Layer)에 사용되었던 초기의 결합재는 Hveem이나 Super-pave와 같은 표준 혼합 설계 과정으로부터 결정될 수 있다. 이러한 초기의 설계는 보다 향상된 성능 시험을 통하여 예상 되어지는 교통량과 기후조건에 맞는 최종 혼합 설계를 결정하게 된다.

그림3과 같은 장비로 실험되는 전단 시험은 바퀴자국 패임정도를 예측하기 위하여 수행한다. 전단 시험은 주어진 교통량과 온도에서 0.5인치 깊이 미만의 바퀴자국 패임을 나타내는 정도의 높은 내구성을 가진 결합재 내용물을 선택하기 위하여 수행 되어진다.

통제된 변형 피로도 시험을 통하여 설계된 결합재 내용물의 대표적인 혼합물의 피로도 정도를 찾아낸다. 피로도에 의한 균열은 온도가 높은 포장표면에서 발생되기보다는 포장 하부의 바닥에서 발생되기 때문에 피로도 시험은 전단(Shear) 시험에서의 온도보다 훨씬 낮은 약 섭씨 20도의 주변 온도하에서 수행 되어진다.

그림 3 전단 시험 장비

그림4는 위에서 언급된 시험을 통하여 개발 되어진 장기수명 아스팔트 도로 포장 기법으로 설계된 Long Beach 시 인근의 710번 고속도로 포장 구조 단면을 나타내고 있다.

그림 4. 710번 고속도로 아스팔트 포장 구조 단면

효과적인 기술전수 방식은 장기수명 아스팔트 포장 도로 건설의 중요한 요소이다. 입찰전 사전 회의를 통하여 건설사업에 참여하고자 하는 모든 시공업자와 건설자재 공급업자들에게 장기수명 도로 포장을 시공하기 위하여 필요한 시험조건과 건설 요구사항에 대한 정보와 자료를 제공하여야 한다. 제공 되어진 시험조건과 요구사항을 갖춘 시공업자와 공급업자들이 입찰에 참여하며 그중에서 최종업자가 선정되어진다.

최종시공업자가 선정 되어지면 시공 전 사전 회의를 열어 발주처, 시공업자, 공급업자, 교통통제 담당자 등이 참석하여 시험, 시공, 교통통제, 성능 평가 등의 단계에 대하여 일정 계획을 수립하도록 한다. 건설사업의 시공 착수전에 발주처, 시공업자, 학계의 상호 긴밀한 의사소통을 통하여 설계된 장기수명 아스팔트 포장 시공을 성공적으로 이룰 수 있다.

장기수명 아스팔트 도로 포장의 시공은 엄격한 품질관리된 전형적인 포장 건설과 흡사하게 이루어진다. 품질에 대한 책무와 적절한 시기의 시험결과에 대한 피드백이 성능이 우수한 포장 구조를 시공할 수 있게 만든다. 포장 시공 중 가장 중요한 핵심 요소는 모든 포장 재료의 혼합과 타설시의 균일성이다. 아스팔트 플랜트에서 균일하게 생성된 아스팔트가 적적한 시기에 현장에 도착하여 일괄적으로 타설되어야만 설계된 포장의 성능을 발휘할 수 있기 때문이다. 또한, 적합한 압축을 통하여 피로도 저항성을 높일 수 있다.

또한, 아스팔트 층(Layer)간의 강한 결합력을 유지할 수 있도록 시공하여야 한다. Tact Coat가 사용되지 않을 경우, 아스팔트 층과 층사이에서 피로도에 의한 균열이 발생하게 되며 이로 인하여 포장 구조의 조기 파손이 발생하게 된다. 고온의 아스팔트나 아스팔트 유제가 효과적인 Tack Coat로 사용되어질 수 있다.

장기수명 아스팔트 도로 포장 시공 후에 정기적으로 구조의 보전성 여부를 평가하기 위한 관측이 이루어져야 한다. 표면에서 하부로 진행되는 균열, 열에 의한 균열, 바퀴자국 패임, 풀려짐(Raveling) 등의 포장 표면의 손상 정도가 관측 되어져 적절한 시기에 표면재포장 관리(resurfacing)이 이루어져 표면 손상이 구조적 손상으로 발전하는 것을 방지하여야 한다. 장기수명 포장으로 적절히 설계되고 시공되었다고 할지라도, 지속적으로 정기적인 표면관리가 시행 되어져야 설계수명까지 포장구조가 유지될 수 있다.

710번 고속도로의 경우 시공 후 정기적으로 성능 관측이 이루어지고 있으며 시공 후 5년 동안의 성능시험 결과는 기대이상의 성능을 유지하고 있는 것으로 나타났다.

이러한 장기수명 아스팔트 도로 포장 기법의 적용은 도로 생애주기 비용을 감소시킨다. 초기건설비용이 기존의 방식보다 크지만 정기 유지보수 빈도와 비용이 적으며, 특히, 재건설 빈도가 적기때문에 생애주기 비용을 크게 감소시킨다. 또한, 장기수명 아스팔트 포장기법의 공사기간이 기존 방식의 공사기간보다 짧기 때문에 도로이용자의 불편을 줄이고 공사구간 지체로 인한 도로사용자 비용을 감소시킨다. 공사기간의 단축과 빈도의 감소, 도로정체 감소 등은 직/간접적인 온실가스의 발생을 감소시켜 도로 생애주기 동안의 대기오염물질의 발생을 현저히 감소시키는 것으로 분석된다.

장기수명 아스팔트 도로 포장 기법은 비용적 환경적 측면에서 기존의 포장기법보다 효과적으로 분석되었으며, 향후 아스팔트 도로 포장 시공을 주도하게 될 것으로 예측된다. 성공적인 장기수명 아스팔트 도로의 시공과 운영을 위하여서는 설계, 재료 시험, 기술전수, 시공, 성능 관측의 다섯가지 핵심 요소가 잘 이루어져야 한다.

장기수명 아스팔트 포장 기법의 설계 및 사례에 대한 자세한 보고서는 www.ucprc.ucdavis.edu에서 다운로드 받을 수 있다.

▣ 원문제목 : Long-Life Asphalt Pavements

▣ 원문의 주요목차********************************************************************

1. 소개

2. 설계

3. 재료 및 시험

4. 기술전수 및 전파

5. 건설 시공

6. 성능 및 효율

7. 효과 및 요약