<요약>

2008년부터 2011년까지 3년간 수행된 이 연구의 목적은 설계수명 기간내 균열 또는 비결합 상태로 변환되는 것을 대비하여 포장설계 보호를 위한 안정혼화제에 의하여 결속된 골재의 인장피로 설계기준을 얻기 위하여 시험실용 시험으로부터 방법론을 개발한 것이다.

 

여러 안정골재배합물이 구형몰드에 다져지고(150mm 구형단면에 길이 520mm), 그 결과 보가 피로수명 및 강도를 측정하기 위해 시험되었다.(아래 그림 XS1 참조)

 

그림 XS1 연성 보 특성을 측정하기위한 시험 장치

 

본 시험은 안정골재빔이 NZ Transport Agency의 시험방침(CAPTIF)과 Australia’'s Accelerated Loading Facility에서 절단톱으로 잘라낸 빔과 같은 유사강도의 진동해머시험으로 직사각형 몰드모형이 성공적으로 압축될 수 있음을 발견하였다.

 

두 번 반복된 연성보 파괴시험은 모든 혼합재료 중 한가지만 빼고 시험되었으며, (45% 시멘트를 포함한 CAPTIF의 등급인 모든 시험 통과 퇴적 자갈골재), 총 4회 반복시험이 수행되었다.

 

추후 테스트는 시험의 반복성을 결정하기 위해 필요하며, 이러한 제한적인 시험은 최대 인장응력의 최대차이가 10%에 불과한 반면, 탄성계수와 최대인장변형은 최대 80%까지 도달할 수 있다. 최대인장응력은 반복적인 측정이 가능하기 때문에, (변형율 = 응력/탄성계수이기 때문에) 쉽게 인장 변형율 기준으로 변환될 수 있는 응력 기반 접근이 어떤 제안된 결합 설계 기준으로 고려되어야할 것임이 추천 되어졌다.

 

더 자세한 연구가 빔 피로시험으로부터 나온 결과를 사용한 설계와 연성빔 시험 방법을 유효한 것으로 결정하는데 필요하다. 출발점에서와 같이 다음설계 접근법이 제안 되었다. 빔 피로시험의 결과는 변화되고 있다. 그 결과는 피로수명이 최대 인장강도의 0.4보다 작용응력이 작으면 100만 사이클보다 크다. 이것은 신호주도로 포장설계지침에 주어지는 것에 같은 예측을 하면서 백만 사이클은 최대인장응력의 0.5의 작용응력 수준에 쉽게 도달되는 것으로서 보수적 접근이다. 이결과는 설계피로관계의 한 요점일 수 있다. 호주도로 지침에 사용 되는 것으로서 같은 지수12를 가정하는 것은 피로관계(식xs1)에서 상수k는 다음에서 결정될 수 있다.

 

 

                                     (식 xs1)

 

표본 포장설계는 피로관계에 대한 상수 k를 결정하는데 이 방법을 사용하는 것을 취하고 있고 계산된 피로 수명이 호주 도로 지침에 주어진 가정 관계에 대한 관계보다 더 높다는 것을 알게 되었다.

 

제안방법을 사용하는 계산한 CAPTIE포장에 대한 피로수명은 4%시멘트 안정단면에 대해 10만회 이하로만 그리고 1%와 2% 시멘트 안정 단면에 대해서는 100만회 통과보다 이하인 것으로 알려졌다. CAPTIE시험은 균열은 없어졌지만 사전균열이 없는 4%시멘트 단면에 대한 약 50만회 통과 후 변형율과 변형 측정값이 완전히 비 접착 포장에서 상당한 수준으로 증가하였다.

 

CAPTIF 시험은 보시험결과를 지지하며 보다 긴 피로수명이 시멘트 재료에 대해 얻어졌다. 그러나 어느 장래 상승계수가 현장에서 빔의 피로수명을 실제 피로수명에 관계되는 것으로 결정하게 된다면 보다 깊이 있는 현장자료가 필요하게 된다. 본 연구 프로젝트에서 접촉한 여러 중요한 면모가 더 많은 연구를 필요로 하고 있다.

 

⦁빔 시험의 반복성

⦁적절하다고 생각 된다면 미세균열을 유발하건 안하건 관련건조와 시험실 양생에 대한 방법론

⦁최대인장응력과 빔 탄성계수의 40%로부터 유도되는 제안 피로 기준을 다듬고 확인하기 위하여 보다 깊이 있는 현장자료.

인장 변형율 기준으로 변환되는 응력기반 접근법이 최대인장응력이 겨우 10%정도 변할지라도, 호주연구 도로국과 포장기준 시험 사이에 빔 탄성계수가 10배차이로, 시험에서 탄성계수에 큰 변화 때문에 추천되었다. 설계자가 제안 보 시험과 관련 피로기준 그리고 사용실적에 대한 피드백 기록을 시도하도록 장려하고 있다.

 

 

12. 결론

 

12.1 요약

 

이 연구는 재료의 범주에 대해 연성 빔 시험을 수행함으로서 골재안정 시험의 새 방법을 개척하였다. 목적은 연성 보 시험 결과를 이용하는 제안 설계 방법을 개발하는 것이다. 설계방법이 제안되었지만 , 보다 깊이 있는 연구와 시험이 연구실 시험 방법을 개발하는 것이 요구되고 있다.

 

 

12.2 배경과 문헌검토

 

호주도로지침(2004)에 제안된 방법과 강도, 탄성계수의 피로에 대해 결합 재료의 시험 경로에 대해 내재해있는 방법의(2002) YEO에 의한 검토로부터 간접인장 시험과 연성 빔 시험은 (호주도로 지침208) 결합 재료의 피로수명과 탄성계수, 강도의 평가에 적정하였다. IDT시험은 표본을 깨트리는 반복재하와 측면에 대해 시험하는 원형 실린더를 사용하고 있다.

 

그러나 ARRB에서 호주도로 지침과 문헌은 이 방법이 부정확하고 (아주 작은 편기 측정 때문에) 실제 포장에서 발생하는 보의 휨 거동을 반영하지 않았다고 한다. 피로시험은 호주도로지침 기준의 보수적인 특성 때문에 현재 무시되고 있는 그들의 설계접근법에서 파괴 형식으로서 설계자가 균열을 고려하는 것을 권장하는 뉴질랜드에서 사용하는 안정한 골재를 필요로 하고 있다.

 

이제 안정 시험이 이 연구에서 사용된 바와 같이 요구밀도에 (550mm 길이 150mm 사각단면)대해 몰드에 빔 표본을 다지는데 설치한 진동해머에 대해 구형받침과 같은 것으로 설계에서 일상적인 시험으로 쉽게 수행될 수 있는 것 같은 제조의 용이성을 허용할 필요가 있다. 이 연구에서 선택한 연성 빔 시험은 호주도로 지침 연구에서 ARRB에 의해 사용되는 것과 같고 (부록A), 초기 표준시험 방법이 개발되어 왔다.

 

주요 차이점이 빔 규격과 제조의 방법이다. (ARRB연구가 다짐슬래브로부터 더 작은 빔을 잘라낸 반면 이 연구는 큰 550mm 길이 150mm의 큰 표본을 다짐하기 위한 몰드와 다짐해머를 사용하였다. Scott(1974)는 연성강도의 60%이하 응력 수준에서 피로는 1백만회 내에서 발생하지 않는 다는 것을 알았다. Otte(1978)는 미세균열이 35% 이하 수준에서 시작할 수 있을지라도 재료는 하중이 50%까지 증가해도 약 백만회 반복재하를 여전히 견디어 낼 수 있다고 제안 하였다.

 

De Beer(1992)는 22% 이내로 Otte의 균열발생기준을 개정하였다. Shen과 Mitchell(1966)은 점토(15%)와 안정모래(7%결합제)의 특성을 조사하였고 10만회 재하 후 50%에 달하는 응력 수준에서 피로 이완 응력을 나타내는 재료는 없음을 보고하였다.

 

호주도로 지침연구는 3000Mpa로부터 19000Mpa에 달하는 범위로부터 빔 시험 탄성 값에 상당한 변화를 발견하였다. 예외 사항이 시효의 함수로서 탄성계수 변화로 나타난다.

이 변화는 재료의 특성에 호주도로 지침 연구원에 의해 표본위치와 변화의 탓으로 돌려졌다. UCS강도와 탄성계수 사이에 공표된 관계는 결합재 내용이나 결합재 결합의 넓은 범위에 걸쳐 신뢰할 수 없는 것으로 알려지고 있다.

 

 

12.3 뉴질랜드 연성 빔 시험

 

호주도로 지침(2008)에 보고된 연성 빔 시험에 대한 초기 호주도로 지침 시험법은 두 개의 다른 빔 크기에 대해 허용하고 있다. 큰 빔 크기는(530mm 길이에 150 mm구형)뉴질랜드 40mm 결합 골재를 시험하기 위해 선정되었다.(Table12.1)

 

150mm 구형 빔을 다지기에 충분히 큰 슬래브 다짐기가 뉴질랜드에서 사용할 수 없으므로, 안정골재는 표면 레벨과 층 높이를 관리하는 골조 상에 설치하는 구형기초를 가진 진동해머를 사용하는 구형몰드로 3개 층으로 다짐하였다. 이 방법으로 다진 빔은 호주도로지침/ARRB연구 프로젝트로부터 절단한 보다 작은 빔으로 측정한 강도에 가까운 것으로 얻어진(빔 파괴전에 최대인장응력)높은 인장응력을 가지는 것으로 성공하고 완성하였다.

 

 

12.4 연성 빔 파괴시험

 

최대인장응력 값은(3%역청과 4% ,3%, 2%, 1.3%, 1%) 시멘트양의 순서로 열거 될 수 있다. 포말 안정 표본은 1% 시멘트 빔의 거의 2배 인장강도를 가지며 다른 빔 보다 더 연성을 보여주고 있다.(Figure12.1)

 

 

4개시험이 ITS와 연성 빔 최대응력 사이에 상당히 좋은 관계를 나타내었다. 연성 빔 최대응력이 ITS의 1.7배인 곳이 있고 유사한 관계가 다른 연구자에 의해 알려지고 있다. UCS(1:2비)와 연성 빔 최대인장응력이 0.13배 UCS에 동등할 때로 알려졌다. 유사한 관계가 다른 연구자들에 의해 알려지고 있다. (ITS 결과에 보다 큰 분포를 가지고 있는) 2회 반복 연성 빔 파괴시험이 모든 재료 배합에 대해 수행된 반면 총 4회 반복 시험이 하나의 재료배합에 대해 수행 되었다.(4%시멘트를 포함하는 CAPTIF)

 

최대인장 변형율과 탄성계수 사이 차이가 80%에 달할 수 있는 반면 최대인장강도 최대차이가 10%에 달한다는 것을 이 제한된 시험을 통해서 알았을 지라도 보다 깊이 있는 시험의 반복성을 결정하는데 필요하다. 최대인장응력이 보다 많이 반복할 수 있는 측정치 때문에 어느 제안된 설계피로 기준에 고려되는 응력기반 접근법이 추천되고 있다. 두 보중 한 개가 700Mpa의 탄성계수를 가졌음에도 축 경로 내측에 4개 절단 빔(700~900Mpa)에 접근하는 연구소에서 제작된 1%시멘트 CAPTIF빔은 시험과정으로부터 절단 빔의 (200Kpa대 400Kpa) 절반의 인장강도였다. 많지 않은 차축경로에 있는 4% CAPTIF포장으로부터 5개 절단 빔 중 하나가 1000Kpa의 인장강도를 가진다. 반면에 축 경로의 내 외측에서 다른 빔이 180~370Kpa의 인장강도를 가진다. 많지 않은 차축경로에서 CATIF로부터 한 개 사전 균열 4% 시멘트 절단 빔은 800Kpa의 인장강도를 가졌다.

 

이결과는 1700Kpa 정도의 인장강도를 가진 시험실 제작 빔에 비교 되었다. 그러나 피로 시험에 사용된 시험실 빔은 어느 공기건조에 의해 야기되는 미세균열 때문에 500Kpa 정도로까지 강도에서 감소하였다. 큰 변화가 탄성과 인장 변형율에 나타나고 그래서 비교할 수 없다. 절단 빔에 대한 변형계수는 500Mpa 이하였고 반면에 시험실 빔은 2000~7000Mpa의 탄성계수를 가졌다. 이 연구 프로젝트에서(530mm길이에 150mm 구형으로 진동 다짐한) 그리고 (330mm 길이에 100mm 구형의 절단한 보다 작은 빔과 슬래브 다짐기를 사용한) ARRB에 의해 시험된 (Table7.3과 7.4 그리고 그림 7.13과 7.15) 3% 시멘트를 가진 대리석과 호주 현무암에 대한 결과가 (15%내에서) 유사한 최대 인장강도를 보여주고 있다.

 

그러나 ARRB/호주도로 지침에 측정된 보다 큰 빔에서 측정되는 탄성계수 값보다(약15000Mpa대 1500Mpa)로 10배정도 높다. 그러므로 ARRB/호주도로 지침에 측정된 인장 변형율은 그들의 연구결과로서 호주도로 지침이 개발한 어떤 설계기준에 대해 함축성을 가지고 있는 10배 이하 이다. 접근기반인 응력이 초기에 제안된 바와 같이 설계 변형율 기준을 개발하기 위해 사용되었다면(최대제한 인장 변형율이 가정탄성 계수로부터 빔 시험에서 측정 최대 변형율로 부터 계산되었다. (또는 말하자면 40%)

 

최종 설계인장 변형율 기준이 같은 재료에 대해 호주도로 지침과 포장시험 결과로 드러난 결과와 같을 것이다.(연성보 파괴시험에서 측정된 최대 인장응력이 같기 때문에) 빔시험은 다른 연구(Williams1986)에서 유지되어온 강도와 탄성사이에 단순관계가 아님을 보여주었다.

 

 

12.5 연성빔 피로시험 결과

 

연성빔 파괴시험에 더하여, 적어도 3개 복사 빔이 제조 되었고 반복재하가 적용되었다. 각 빔 피로 시험에 대해 다른 재하가 파괴에 재하횟수의 수에 관계되는 피로관계를 결정하는데 확정되었다.( 빔이 파괴할 때 취성파괴가 관측되고 탄성과 인장 변형율이 재하횟수 증가로 감소하지는 않았다. 피로시험의 새로운 결과를 그림12.2에 보여주고 있다.

  

 

빔 피로 결과는 모든 시험에 대해 가정 탄성계수에 대한 관련 인장 변형율을 계산하지만 같은 적용인장응력을 유지함으로서 분석되었다. 이 방법은 그림12.3에 보는바와 같이 2000Mpa의 설계탄성계수에 다른 재료에 대한 피로 수행에 직접적인 피로를 주고 있다. 3% 시멘트를 포함한 평평한 상부와 3%시멘트를 포함한 호주 현무골재 면으로 부터 별도로 최고의 피로 수행을 해주었다. 그러나 설계에서 재료의 실제 측정 빔 탄성계수가 사용되는 것은 중요하다. 취성재료(고탄성계수, 5000MPA)가 파괴에 같은 인장 강도를 가지는(2000Mpa 저탄성계수 보다) 연성재료보다 더 낮은 피로 수명을 가질 것이다.

 

 

이런 연구가 적용 인장 강도가 최대 50%이하라면 그때 피로 수명이 1백만 회의 초과상태에 있음을 알고 최대 인장 응력의 일부로서 적용 인장응력에 관련해서 피로수행을 분석하였다. CAPTIF 4% 시멘트 빔에 대한 반복 피로 시험이 이 결과를 보완한다. 제안 설계 접근이 1백만회 초과상태에서 피로수명이 얻어지는(그림 12.4)것으로서 최대의 40%이하로 적용인장 응력을 제한하는데 기본을 두어야할 것이다.

 

 

 

CAPTIF4% 시멘트 빔에서 미세균열 원인이 되는 공기 건조는(빔이 공기 건조하지 않은 파괴시험에서 발견되는) 1700Kpa 정도로부터(피로시험에서 평가되는) 500Kpa까지 인장강도의 감소를 초래하였다. 이것은 다른 빔 시험에서는 일어나지 않았다. 이 미세균열이 현장에서 발생한 것으로 생각 되었다. 지속 교통하중 하에서 균열이나 공사동안 사전 균열을 신중하게 추정하였다.

 

 

그러므로 어느 경우는(White2007) 보다 좋은 현장 수행을 반영하기 위하여 실험실 표본에서 조심스럽게 제어온도 추정균열에 대해 나타내었다. 어느 장래 시험 표준이 현장에서 발생할 수 있는 안정한 재료에 어떤 취약성을 노출하기 위하여 시간의 주기 동안 모울드 없이 작업대에 표본을 유지하도록 고려해야할 것이다. 미세균열을 추정하는 시험 전에 작업대에 건조한 빔 표본을 남기는 효과가 조사 되어야할 것이다. 보다 깊이 있는 조사가 빔 피로 시험으로부터 결과를 사용하는 설계와 연성 빔 시험의 방법을 유효한 것으로 결정하는 것이 필요하다. 출발점에서, 다음 설계접근이 제안되고 있다. 그 결과는 작용응력이 최대 인장응력의 0.4보다 더 작다면 1백만 회 보다 피로수명이 더 크다는 것을 보여주고 있다. 이 결과는 설계피로 관계의 한 요점일 수 있다. 호주 도로 지침(2004)과 같은 영향력 지수(12)를 가정하면, 피로관계( 식 12.1)에서 상수 k가 결정될 수 있다.

 

                              (식 12.1)

 

포장설계의 예가 피로관계에 대한 상수 k를 결정하기 위해 상기에 서술된 방법을 사용하여 수행되었다. 계산된 피로 수명은 호주 포장설계 지침(2004)에서 가정 관계에 대한 반복회수보다 더 높다.

 

제안 방법을 사용해 계산한 CAPTIF포장에 대한 피로 수명은 4% 시멘트 안정 단면에 대한 10만회 이하와 1%와 2% 시멘트 안정 단면에 대한 100차륜 통과보다 적다는 것을 알게 해주었다. CAPTIF 시험에서 알게 된 설계피로 수명은 현재설계법이 보수적이라는 것을 보여주기보다 예측되는 차륜통과가 보다 더 높았다.

 

 

13. 추천사항

 

이 연구 프로젝트에서 여러 주요요점이 보다 많은 연구를 필요로 하고 있다. 명기하자면

⦁빔 시험의 반복성

⦁적절한 수행이라면 미세균열을 추정하는 시험실 양생과 관련 공기 건조에 대한 방법론

⦁최대인장응력의 40%로부터 유도된 제안 피로 기준을 개정하고 유효하게 하는 깊이 있는 현장자료

 

응력 기반 접근은 ARRB와 포장시방 탄성과 변형율 값 사이에 10단계 차이인 시험에 탄성에서 큰 변화 때문에 추천되었다. 반면에 최대인장응력은 10%정도 변화 되었다. 설계자는 제안 관련 피로 시험과 빔 시험을 시도하도록 그리고 사용에 대해 어떤 피드백을 기록하도록 장려되고 있다.

 

반복시험수와 최종인장 강도와 탄성계수 값이 어떻게 결정되는 가는(평균, 최소, 이상치 제거 등) 산업그룹이 가지는 보다 깊은 시험과 논의. 동의를 요구하고 있다. 초기 결과는 최대인장강도가 더 많이 반복할 수 있고 설계에 고려되어야함을 표시하고 있다. 탄성계수가 변형율에 의해(변형율은 탄성계수로 구분되는 응력에 동등하다) 구분되는 응력과 같이 주어진 응력에 대해(시험실 시험에서 반복할 수 있는 측정결과) 최대 인장 변형율의 범위가 탄성계수 값의 범위로 계산될 수 있다. 피로 설계에 대한 최초입력 자료로서 최대인장응력을 사용하는 이 생각이 이보고서(11장)의 설계단면에서 추천되고 있다. 어떤 미래 시험표준은 현장에서 일어날 수 있는 안정 재료로서 어떤 취약성을 드러내기 위하여 모울드 없이 받침대에 표본을 유지하는 기간을 고려해야할 것이다. 게다가 미세균열을 추정하는 시험 전에 받침대에서 건조한 빔 표본을 남기는 효과가 연구되었다. 경계안정 층이 있는 실제 포장으로부터 단면은 제안 설계 방법론을 사용하는 것으로 분석되어야할 것이다. 균열의 양과 실제 포장수명에 대한 자료는 (표면굴절에 변화를 통해 간섭되고 보여 지는)제안 설계접근법을 개정하거나 유효한 것으로 사용되어야할 것이다.