콘크리트 교량 상판 표면의 박막 에폭시 오버레이

요약

주 교통부는 교량 상판의 마모되는 표면을 유지하고 교체하는데 있어 지속적인 문제에 직면해 있음. 교량 상판의 수명을 최대화하고, 염화물과 같은 화학물질과 물의 침투가 콘크리트 표면을 열화시키고 철근을 부식시키는 것을 막기 위한 노력으로써 마모되는 표면은 많은 교량 상판에서 활용됨. 콜로라도 주 교통부는 최근 박막 부착 에폭시 오버레이의 성능을 평가하기 시작했음. 이 연구는 두 종류의 박막 부착 에폭시 오버레이– 세이프레인 (SafeLane)과 플렉소그리드 (Flexogrid) – 를 평가하였음. SafeLane은 겨울철 동안 배출될 제빙 화학물질(deicing chemicals)을 보유하고 있는 미끄럼 방지 및 방빙 (anti-icing) 오버레이로 광고되고 있음.Flexogrid는 미끄럼 방지 오버레이임.

이 두 제품은 표면 마찰, 부착 강도, 염화물 침투방지 능력, 및 방빙 특성과 같은 물리적 특성뿐만 아니라 교통의 안전 및 설치 비용에 기반하여 비교되었음. 질감의 깊이와 마찰력 시험은 두 오버레이 모두 내마모 표면을 제공하는 것으로 나타냄. 또한, 두 오버레이 모두 높은 부착강도를 나타냈는데, Flexogrid 오버레이는 다양한 파괴형태를 보여주었음. 하부 콘크리트 상판의 염화물 시험에 의하면, 두 오버레이 모두 염화물의 침입으로부터 교량 상판을 잘 보호하는 것으로 나타났음. 그러나 교통사고의 감소는 더 많은 연구가 필요함. 마지막 결과는 콜로라도 교통부가 교량 구조물의 서비스 수명을 연장시키고, 겨울철 동안 얼음이 부착하는 것을 감소시키며, 결과적으로 교통 안전을 증대시키기 위해 이 박막 부착 에폭시 오버레이의 사용을 고려해야 함을 알려줌.

소개

연방 고속도로 관리청 (FHWA)의 국가 교량 목록 (National Bridge Inventory)은, 국가 고속도로 시스템에서 599,766개의 교량 중에서 약 152,316 (25.4%)개의 교량이 구조적으로 불완전하거나 기능적으로 낙후되었다고 보고함. 게다가, 콜로라도는 8,366개의 교량 중 1,404개의 교량이 구조적 및 기능적으로 부실한 것으로 분류됨. 구조적으로 불완전한 교량이 꼭 안전하지 않다고 할 수는 없지만, 이는 교량에서 상당한 열화가 진행되었고 하중 지지부재에 문제가 있음을 보여줌. 이러한 열화의 대부분은 물과 화학물질로부터 콘크리트와 철근을 보호함으로써 부분적으로 예방될 수 있음.

많은 주의 교통부는, 열화로부터 콘크리트 교량 상판을 보호하고 물과 화학물질이 교량 상판과 구조적 지지부재에 침입하는 것을 막기 위해 미래에 마모될 표면을 포함하기 시작했음. 부착된 오버레이는 물과 염화물의 침투를 낮춤으로써 내구성이 있고 비용대비 효과적인 마모 표면을 제공함. 또한, 오버레이는 적절한 수준의 미끄럼 방지를 보여줄 것으로 예상됨. 고속도로의 교량 시스템에 포함되어 온 오버레이의 타입에는 아스팔트, 포틀랜드 시멘트 콘크리트, 무근 폴리머 콘크리트, 및 박막 부착 에폭시 오버레이가 있음.

주 교통부 및 시 도로국이 도로에 눈과 얼음이 형성되는 것을 막기 위해 사전적인 조치를 취하는 것은 보편적이 사례가 되고 있음. 특히 효과적이었던 한가지 방법은 눈이 오기 전에 도로나 교량 표면에 방빙제 (anti-icing agents)를 사용하는 것이었음. 이러한 방빙제는 액상의 소금 용액으로 포장면에 얼음이 생성되는 것을 예방함. 이러한 화학물질은 물의 어는 점을 낮춤으로써 작동함. 콜로라도 교통부는 현재 주 전반에 걸쳐 많은 교량 구조물에서 제빙제 (deicing agent)로써 염화마그네슘을 사용하고 있음. 이러한 화학물질은 철근뿐만 아니라 콘크리트 표면에 해가 될 수 있음. 연구결과에 의하면, 염화마그네슘의 사용은 콘크리트 표면의 박리를 가속화하는 것으로 나타남.

SafeLane으로 불리는 혁신적인 표면 오버레이 제품은 FHWA의 IBRC프로그램을 통해서 네 개의 다른 주 교통부에서 자금을 받았음. 에폭시와 골재의 오버레이 결합물은 액상의 방빙제를 그 구조안에 저장하고 얼음이나 눈이 형성되기 시작하면 방출할 수 있음. 오버레이 제품은 비효율적이고 낭비되는 방빙 화학물질의 양을 줄일 수 있도록 하며, 화학물질이 완전히 효과적일 수 있도록 하여 더 안전한 도로가 될 수 있도록 함. 이 제품은 염화물과 물의 침입을 줄이는 밀폐재 역할을 함으로써 도로 및 교량의 수명을 증대시킬 수 있음. 이 제품은 아스팔트, 콘크리트, 강재 또는 목재 위에 설치될 수 있으며 아스팔트보다 나은 마찰 특성을 가짐.

많은 주 교통부에서 보통 사용되는 또다른 박막 부착 오버레이 시스템은 폴리카브 (PolyCarb)의 Flexogrid 교량 오버레이 시스템임. Flexogrid는 교량 상판의 표면에 살포되는 에폭시/우레탄 시스템임. 이 시스템의 보통 두께는 0.25인치 (6.35mm)임. 실리카 결정과 알루미늄 산화물의 골재 혼합이 에폭시/우레탄 시스템에 적용되어 박막 부착 오버레이의 마찰력을 증가시킴. 이 오버레이는 교량 상판에서 반사적인 크랙을 줄이는 튼튼하고 내구성 있는 오버레이임.

이 두 박막 부착 오버레이 제품의 성능은 두군데의 콜로라도 교량 상판에서 평가됨. 이는 오버레이 설치의 물리적 시험으로 수행됨. 이해도를 높이기 위해 다른 주의 교통부에 의해 사용된 다른 종류의 박막 부착 오버레이의 타입, 기능, 및 물질에 대한 문헌검토가 수행됨. 이러한 오버레이의 성능을 시험하기 위해 실험계획이 세워졌으며, 이에는 네 종류의 물리적 및 화학적 시험이 포함되는데, 질감 깊이, 마찰력, 부착 강도, 및 염화물가 그것임. 추가적으로, 교통 안전과 비용에 대한 오버레이 성능을 평가하기 위해 설치 입찰 및 사고 보고서로부터 자료가 수집됨.

문헌검토

박막 부착 오버레이에는 크게 두 종류가 있는데, 하나는 폴리머 기반이고 나머지는 수경 (hydraulic) 콘크리트 기반임. 일반적으로 폴리머 콘크리트 오버레이는 부착제로써 폴리머를 사용하는 오버레이로 분류되는 반면, 수경 콘크리트 오버레이는 포틀랜드 시멘트에 기반하고 있음.

수경 콘크리트 오버레이

박막 부착 콘크리트 오버레이는, 구조 상판위에 1~4인치의 콘크리트 마모표면이 있는 오버레이로 정의됨.박막 부착 오버레이에 다양한 타입의 콘크리트가 사용되는데, 저 슬럼프 밀도 콘크리트 (low-slump dense concrete: LSDC), 실라카 퓸 콘크리트 (silica fume concrete: SFC) 또는 마이크로 실리카 조절 콘크리트 (micro silica modified concrete: MS 또는 MSC), 및 라텍스 조절 콘크리트 (latex-modified concrete) 등이 포함됨. LMC는 보통의 응력, 굴곡, 및 부착강도보다 높고, 작은 투과성 및 우수한 내식성을 가지고 있음.

이러한 콘크리트 혼합물의 목적은 교통에 대한 내구성있는 표면을 제공하면서 염화물 침입에 저항하는 콘크리트를 제공하는 것임. 밀도를 증대시킴으로써, 콘크리트의 다공성을 줄이고 교량 상판을 침입할 수 있는 습기와 화학물질의 양을 줄임. 이러한 콘크리트 혼합물이 염화물의 침입을 막는데 효과적일지라도 동결 융해의 내구성이 문제가 될 수 있음.

폴리머 콘크리트 오버레이

폴리머 오버레이는 폴리머 바인더와 골재 시스템을 사용하여 교량 상판의 표면에 매우 작은 물질만을 추가한다는 점에서 수경 콘크리트 오버레이와 차이점이 있음. 가장 일반적인 바인더로써 에폭시, 콜 타르 조절 에폭시 (coal tar modified epoxy), 폴리에스터, 메틸 메타크릴, 및 폴리우레탄이 있음. 이들은 습기와 화학물질로부터 교량 상판을 차폐하면서 사하중 (dead load)을 줄이기 때문에 유리함. 폴리머 오버레이의 단점으로는, 표면 처리가 결정적이라는 것임. 표면에 있는 미세한 습기 또는 부스러기도 오버레이를 들뜨게 만들 수 있음.

폴리머 오버레이는 어떻게 설치되냐에 따라 두 종류로 나눠질 수 있는데, 하나는 브룸 스크리드 (broom and screed) 방법이고, 나머지는 슬러리 프리믹스 (slurry and premixed) 방법임. 전자의 방법은 바인더를 먼저 살포하고 골재를 살포함. 후자의 방법은 상판 표면에 살포하기 전에 모든 구성요소들을 혼합함.이 연구에서는 브룸 스크리드 방법이 사용되었음.

세이프레인 오버레이 시스템 (SafeLane Overlay System)

SafeLane은 에폭시 기반의 폴리머 오버레이인데, 방빙 및 미끄럼방지의 목적으로 개발되었음. 교량 상판을 보호하면서, 이러한 특성을 가지기 위해 특허를 받은 골재와 바이더의 결합물을 사용함. 백운석 (dolomite) 골재는 제빙 화학물질을 흡수하도록 만들어진 골재임. 이 골재는 에폭시 바인더에 의해 도로 표면에 부착됨. 지금까지 29개 주에서 SafeLane이 설치되었음.

플렉소그리드 오버레이 시스템 (Flexogrid Overlay System)

Flexogrid는 교량 상판에 사용되는 폴리머 콘크리트 오버레이 시스템임. 이 오버레이는 박막 부착 오버레이를 만들기 위해 골재와 두 부분으로 된 에폭시 바인더를 사용함. 경량의 미끄럼 방지 및 내마모 표면으로 마케팅되었음. Flexogrid는 Mark-371 골재와 Mark-163 에폭시로 구성됨. Mark-371 골재는 현무암 규암질 화강암 (basalt quartzite granite)이고 Mark-163 우레탄 에폭시는 PolyCarb에 의해 제공되는 호박색 에폭시임.

교통부 대상 설문 (Department of Transportation Survey)

어느 주가 방빙 및 미끄럼 방지 박막 부착 오버레이를 사용하는지, 어떤 수준으로 성공했는지에 대한 설문조사가 이루어졌음. 성능, 설치 경험, 사용 중인 제품 등에 관한 다양한 질문을 하기 위해 웹 기반의 설문이 만들어졌음. 각 주의 교통부내에 재료 공학자들을 대상으로 조사가 이루어졌음. 24개 주의 교통부에서 응답하였는데, 일부 주에서는 교량 및 재료 공학자들로부터 다수의 응답을 하기도 했음. 전체적으로 30개의 응답이 기록되었음.

버몬트, 위스콘신, 아이다호, 뉴욕, 미시시피, 미네소타, 노스 다코타, 및 켄터키의 7개 주가 현재 SafeLane 오버레이 시스템을 사용하고 있다고 밝힘. 특히 위스콘신 주의 경우 1999년 이후로 30번에 걸쳐 박막 부착 오버레이 시스템을 사용했다고 밝힘. 이 중 3번이 SafeLane이었음. 미네소타와 위스콘신 주는 SafeLane이 교량 상판에서의 사고를 줄였다고 밝혔음.

한 주는 SafeLane 오버레이를 사용한 구조물에 사용된 제빙 물질을 20% 절감하였다고 밝힘. 다른 주들은 변화가 없었거나 오버레이의 방빙 성질을 사용하지 않았다고 밝힘. SAfeLane을 비롯한 대부분이 콘크리트면에 사용되었고, 2개 주는 아스팔트면도 사용했다고 밝힘.

실험 계획 (Experimental Plan)

SafeLane과 Flexogrid의 설치를 위해 다수의 장소가 평가되었음. 선정된 두 장소는 교통량, 기상관측소의 위치, 교량 상판의 타입 및 크기에 기반하여 선택되었음. 설치 전후에 네가지의 물리적 화학적 시험이 수행되었음. 이 시험에는 샌드패치 (Sand Patch) 시험, 미끄럼 저항 (Skid Resistance) 시험 (Fixed-Wheel Tests), 부착 시험 (Bond Tests), 염화물 함량 (Chloride Content) 시험이 포함됨. 이외에 방빙 특성을 확인하기 위해 일화적 증거와 사진 증거를 수집하였고 도로 안전을 확인하기 위해 사고 자료가 수집되었음. 또한 비용 분석도 실시하였음.

결론

두 종류의 박막 부착 에폭시 오버레이가 콜로라도 교량 상판의 보호를 위해 시험되었음. 한 제품은 SafeLane으로 방빙 및 미끄럼방지 오버레이이고, 다른 제품은 Flexogrid로 미끄럼방지 오버레이임. 이 두 오버레이의 내구성은 질감 깊이, 표면 마찰력, 부착강도에 기반하여 측정되었음. 보호 성능은 설치 전후의 염화물 함량으로 측정되었음. 교통 안전도는 사고 데이터로 평가되었고, 또한 어떤 오버레이가 표면적 당 최고의 보호를 제공하지 결정하기 위해 비용이 계산되었음. 이 연구의 결과는 아래에서 요약한 바와 같음.

·         SafeLane은 높은 질감 깊이를 가지고 있는데, 첫 해에 약 50%가 감소하고 다음부터는 일정한 것으로 나타남. Flexogrid는 MTD 측정 중 한 세트만 가지고 있어서 오버레이의 생애주기 동안의 마모 패턴을 결정하기 위해 추후 더 많은 시험이 필요함.

·         SafeLane의 설치는 아주 우수한 미끄럼 횟수를 보여주었는데, 이는 1년이 지난 후에도 해당됨. Flexogrid도 유사한 결과를 보여줌.

·         모든 부착 시험의 파괴는 콘크리트 기재에서 발생했으며 250 psi (1.72 MPa) 이상이었음. Flexogrid의 경우 한번은 오버레이와 기재 사이에서, 다른 한번은 오버레이 사이에서 발생하였음. Flexogrid의 경우에는 부착강도 시험이 추가적으로 수행될 필요가 있음.

·         두 실험지역에서 염화물 함량은 오버레이 설치이후 감소하였음. 이는 오버레이가 습기를 차단함으로써 교량 상판을 보호하고 있음을 나타냄.

·         일화적인 증거와 사진 증거는 두 지역에서 방빙 능력을 제공하고 있음을 알려줌. 이는 SafeLane의 수동적 능력과 ESI 스프레이 시스템의 능동적 능력에 의함.

·         날씨와 관련된 교통 사고가 두 지역에서 감소하였음. 하지만 마지막으로 결론을 내리기 전에, 설치 후의 지속적인 추가 자료가 수집될 필요가 있음.

·         SafeLane의 설치 비용은 높았음. 스프레이 시스템이 비용에 포함되지 않는다면, Flexogrid의 비용은 SafeLane보다 낮았음. 스프레이 시스템이 설치 비용에 포함된다면, Flexogrid의 비용은 SafeLane의 약 두배에 달함.