1. 개요

폴리에스터 폴리머 콘크리트(polyester polymer concrete, PPC)는 스터디드 타이어(studded tire)에 의한 광범위한 마모를 가진 포장도로의 부재에 대한 시험적인 적용에 사용되었음. 시험 부재의 목적은 폴리에스터 폴리머 콘크리트가 이러한 타입의 포장도로 손상에 대한 가능한 수리 전략일 수 있는지 결정하는 것임.

폴리에스터 폴리머 콘크리트는 세가지 방법으로 적용되었음: (1) 스터디드 타이어 마모로부터 생긴 바퀴자국(rutting)을 모두 제거하기 위해 다이아몬드 그라인드 처리된(diamond ground) 전체 차선에 1인치 두께 인레이(inlay, 내부설치); (2) 다이아몬드 그라인드 처리된 바퀴 경로에만 인레이; 그리고 (3) 바퀴자국을 없애기 위한 다이아몬드 그라인드 처리없는 기존의 포장도로에 대한 오버레이(overlay, 외부설치).

시험 부재는 스터디드 타이어 마모에 대한 저항능력에 중점을 두고 폴리에스터 폴리머 콘크리트의 성능을 결정하기 위해 적어도 5년동안 모니터링될 것임.

2. 소개

콘크리트 포장도로에 대한 마모는 스포칸(Spokane) 도시지역을 포함한 와싱턴(Washington) 동부지역에 있어 주요 걱정거리임. 마모는 주로 11월 1일부터 3월 31일까지 사용되는 스터디드 타이어 때문임. 스터디드 타이어로부터의 손상은 바퀴 경로에서의 미세한 디싱(dishing)에서부터 1/2인치가 넘는 깊이의 바퀴홈에 이름. <그림 1>은 리츠빌(Ritzville) 근처의 주간고속도로 90의 남부 SR 395에서 1995년에 건설된 콘크리트 포장도로를 보여줌. 이 사진이 찍혀졌을 때, 이 포장도로는 7년동안 서비스를 제공하고 있었음. 이 경로에서의 교통량은 대략 매일 6,800대의 차량임. 바퀴 경로에서 가로방향 타이닝(tining)은 스터디드 타이어 때문에 완전히 마모되었음.

<그림 1> 리츠빌에서 주간고속도로 90의 인터체인지 남부 SR-395 상의 콘크리트 포장도로

<그림 2>는 텍사스 주의 휴스턴(Houston, Texas)에 있는 주간고속도로 45에 위치한 13년된 콘크리트 포장도로를 보여줌. 차선의 전체 폭에 걸쳐 타이닝 마크의 패턴이 존재함. 이 부재 상의 교통량은 매일 178,000대의 차량이 있음. 스터디드 타이어는 텍사스에서 합법이지만 텍사스의 온화한 기후는 스터디드 타이어의 사용을 일반적으로 필요로 하지 않음. 스터디드 타이어의 손상 효과는 텍사스 포장도로가 26배가 넘는 일일 교통량(178,000 대 6,800)을 가지고 있고 거의 두 배의 기간동안 서비스를 제공하였음(13년 대 7년).

<그림 2> 13년 서비스 후 텍사스 휴스턴에 있는 주간고속도로 45상의 콘크리트 포장도로

스터디드 타이어 마모의 보다 심각한 사례는 <그림 3>에서 보여짐. 마모는 콘크리트 포장도로에서 1-1/2인치 깊이의 바퀴자국을 형성하였음. 이러한 타입의 바퀴자국은 특히 스포칸 도시지역에 많이 있는데, 이 지역은 전체 주에서 스터디드 타이어를 가장 많이 사용함.

<그림 3> 콘크리트 포장도로 상의 스터디드 타이어 마모 (I-90 Spokane)

3. 스터티드 타이어 마모 완화 프로젝트

일련의 시험 시설이 앞에서 언급된 타입의 마모를 완화하기 위한 다양한 전략을 사용하여 와싱턴 동부지역에서 건설되었음. 프로젝트는 모두 스포칸 도시지역에 있는 I-90에서 수행되었음. 첫번째 프로젝트는 2001년에 완료된 스프레이그 거리(Sprague Avenue) 인터체인지 3단계임. 이 프로젝트는 다른 골재 구조가 스터디드 타이어 마모를 줄일 수 있는지 보기 위해서 결합된 골재의 단계적 차이를 사용하여 마일포스트(milepost, MP) 284.00과 287.00 사이에 있는 서쪽방향의 차선에서 수행되었음. 이는 와싱턴 교통부(Washington Department of Transportation, WSDOT)의 표준 골재 단계적 차이를 사용하여 똑같은 마일포스트에서 동쪽방향의 차선에 대해 일년전에 수행된 프로젝트와 비교되었음. 650 psi의 휨강도(flexural strength) 배합설계와 가로방향 타이닝 마무리(tined finish)가 두 프로젝트에 사용되었음. 연구의 결론에 의하면, 결합된 골재의 단계적 차이는 스터디드 타이어 마모에 대한 포장도로의 저항성에서 현저한 개선을 보이지 않았음.

두번째 프로젝트는 2003년에 완료되었음. 다양한 포장도로 처리가 스터디드 타이어로부터의 깊은 바퀴자국을 완화하기 위해 HMA 포장도로 부재상에 설치되었음. 포장도로 처리에는 마이크로/매크로 재표면처리(resurfacing), 수정된 Class D HMA, 화이트타핑(whitetopping), 그리고 표준 Class ½ 인치 슈퍼페이브 HMA가 포함됨. 화이트타핑은 이 연구에서 관심있는 처리임. 3인치, 4인치, 그리고 5인치 두께로 500피트 길이의 콘크리트 부재가 서쪽방향의 차선에서 건설되었음. 배합설계에 대한 휨강도 요구사항은 650 psi에서 800 psi로 증가되었음. 추가적인 강도를 제공하고 훨씬 두께가 얇은 포장도로 부재에서 발생할 수 있는 균열을 잡아주기 위해서 폴리프로필렌 섬유(polypropylene fibers)가 세제곱 야드 당 3 파운드(3 pounds per cubic yard)의 비율로 배합에 포함되었음. 콘크리트는 매우 경량의 카펫 견인 질감(drag texture)으로 마무리되었음. 더 높은 휨강도 배합설계를 가진 화이트타핑 부재는 전통적인 콘크리트 포장도로보다 스터디드 타이어 마모에 더 저항성을 가진 것으로 나타나지 않았음.

세번째 프로젝트는 2005년에 완료되었음. 이 프로젝트는 더 높은 휨강도(800 psi)로 수행되었으나 650 psi의 휨강도 배합, 콘크리트 경화 첨가제를 가진 650 psi 배합, 더 높은 시멘트 함량을 가진 배합을 가진 짧은 부재를 포함하였음. 모든 부재가 스터디드 타이어 마모를 잠재적으로 완화시키기 위해 설계되었음. 사용된 배합은 아래와 같음:

동쪽방향의 차선은 2004년에 서쪽방향의 차선은 2005년에 개시되었음. 카펫 견인 질감이 가로방향의 타이닝 질감을 가진 두곳의 짧은 부재를 제외하고 프로젝트의 대부분에 적용되었음. 연구 결과에 의하면, 더 높은 휨강도, 콘크리트 경화제, 그리고 더 높은 시멘트 함량이 전통적인 650 psi배합 포장도로보다 스터디드 타이어 마모에 더 높은 저항성을 만들지는 않음.

4. 와싱턴 교통부의 폴리에스터 폴리머 콘크리트 경험

와싱턴 교통부의 교량국(Bridge Office)은 교량 상판에 폴리에스터 폴리머 콘크리트를 사용한 상당한 경험을 가지고 있음. 23개의 교량 상판이 1989년과 2007년 사이에 폴리에스터 폴리머 콘크리트의 868,076 제곱피트가 오버레이 처리되었음. 가장 작은 상판은 4,536 제곱피트(Grays Harbor County에 있는 Gibson Creek Bridge)였고 가장 큰 상판은 407,750 제곱피트(King County에 있는 Viaduct Bridge)였음. 폴리에스터 폴리머 콘크리트 오버레이는 다음의 목적을 가지고 있었음: (1) 제빙용 소금(deicing salt)이 상판에 침입하여 철근을 부식시키는 것을 방지하기 위한 방수 커버를 제공; (2) 열화된 상판 표면을 수리; 그리고 (3) 구조물에 최소한의 사하중(dead load)을 주면서 더 부드러운 승차 표면을 제공.

교량 검사보고서로부터 폴리에스터 폴리머 콘크리트 상판의 상태에 대한 검토에 의하면, 대부분(22개 중 17개)이 매우 양호하거나 우수한 상태로 나타났음. 검사 보고서의 대부분은 더 최근(2002년에서 2007년 사이)의 설치구간의 바퀴 경로에서 괜찮은 양의 마모만을 보였음. 더 오래된(1989년에서 2001년 사이) 설치구간에서 폴리에스터 폴리머 콘크리트 오버레이에서 일부 파편(spalling)과 박리(delamination)가 나타났으나, 이 오버레이가 과도한 스터디드 타이어 마모를 받는 지역에 대해 가능한 완화전략인지 여전히 알려져있지 않음.

5. 폴리에스터 폴리머 콘크리트 배합설계

포틀랜드 시멘트 콘크리트는 시멘트, 골재, 모래, 그리고 물의 혼합임. 폴리에스터 폴리머 콘크리트는 폴리에스터 수지와 골재의 혼합임. 폴리에스터 폴리머 콘크리트는 신속한 양생시간 (2-4시간) 을 가지고 있고 24시간내에 4,000 psi가 넘는 압축강도를 가질 수 있음. 이는 또한 전통적인 콘크리트 (650-800 psi) 보다 더 높은 휨강도 (1,500-2,000 psi) 를 가질 수 있음.

이 프로젝트를 위해 KwikBond에 의해 제공된 폴리에스터 기반의 폴리머 오버레이 시스템은 내구성있는 마모 표면을 만들고 제빙용 염분의 침입으로부터 상판을 보호하기 위해 교량 상판에 대한 사용을 위해 설계되었음. 교량 상판에 사용될 때, 표면은 프라이머(primer)가 도포되기 전에 기름과 그리스(grease)와 같은 어떤 오염물질을 제거하고 느슨한 골재를 제거하기 위해 샷블래스팅(shot blasting)에 의해 깨끗히 청소됨. 프라이머는 기존의 콘크리트에 오버레이의 부착을 촉진하기 위해 사용됨. 높은 분자무게 메타크릴레이트(high molecular weight methacrylate, HMWM) 프라이머는 표면이 고압 공기로 건조되고 청소된 직후에 도포됨. 이동 배합기(mobile mixer)가 폴리에스터 폴리머와 골재를 섞기 위해 사용됨. 슬립폼(slip-form) 포장장비나 프리레벨 스크리드 레일(pre-level screed rails)이 폴리에스터 폴리머 콘크리트를 평준화하고 설계된 품질을 얻기 위해 상판에 사용됨.

두가지의 배합설계가 프로젝트에 사용됨: 하나는 전 차선과 바퀴 경로에 대해 다이아몬드 그라인드 처리를 하고, 하나는 바퀴 자국 채움 부재에 대해 사용됨. 두 배합설계에서 유일한 차이점은 골재의 단계적 차이임. 전 차선 및 바퀴 경로 인레이 부재에 사용된 배합설계는 3/8 인치 크기의 단계적 차이를 사용하였음. 바퀴 자국 채움 부재에 사용된 더 작은 크기의 골재는 No. 4 채(sieve) 크기의 단계적 차이를 사용하였음.