1. 소개

1.1 연구 배경

미국 텍사스 주의 인프라는 불량한 상태에 있고, 2011년 텍사스 인프라 보고카드 업데이트(2011 Texas Infrastructure Report Card Update)에 의하면 텍사스 주의 도로 및 교량은 D 등급을 받았음. 그러나, 주 도로의 예상되는 용량의 증가는 교통 인프라에 대한 막대한 수요를 야기함. 따라서, 도로의 보수가 신속하게 이루어져 교통 체증이 최소화되도록 하는 것이 중요함. 기존의 콘크리트 포장도로나 아스팔트 콘크리트 포장도로의 상부에 건설되는 포틀랜드 시멘트 콘크리트 오버레이(이하 콘크리트 오버레이)는 비용 대비 효과적인 수선 전략임. 콘크리트 오버레이는 기존의 포장도로 상부에 설치되는 추가적인 층으로 하중 지지력(load bearing)과 서비스 용량(serviceability capacity)을 증가시킴. 적절하게 건설되었을 때 오버레이는 구조적 용량을 증가시키고 내구성을 향상시키며 증가된 서비스를 제공함으로써 기존의 포장도로의 특성을 최적화하여 사용하게 됨.

1.2 연구 목적

이 연구의 목적은 콘크리트 오버레이에 대한 재료를 연구하고 제안하며, 우수한 성능의 콘크리트 오버레이를 생산할 수 있는 건설 가이드라인을 제공하는 것임. 이러한 목적을 달성하기 위해, 다음의 세부적인 목적이 제시됨:

· 콘크리트 오버레이의 사용, 재료 선정, 그리고 성능에 대한 기존의 지식을 활용하기 위해 종합적인 문헌 검토를 수행함
· 내구성과 상태 조사(condition survey)에 대한 정보를 수집하기 위해 텍사스 주에 있는 기존의 콘크리트 오버레이에 대한 상태 조사를 수행하고, 콘크리트 오버레이의 성능에 주로 영향을 미치는 재료 구성, 부착제, 배합 설계, 그리고 콘크리트 타설 요소를 파악함
· 문헌 검토 및 상태 조사에 근거하여, 실험 연구를 위한 후보 재료들을 선정함
· 오버레이 배합 비율을 평가하기 위해 실험 절차를 개발함
· 성능 예측모델(performance prediction model)을 가지고 데이타를 평가함
· 재료 선정에 대한 가이드라인을 개발함
· 건설 공정에 대한 가이드라인을 개발함
 

1.3 연구의 범위

문헌 검토와 상태 조사, 텍사스 교통부(Texas Department of Transportation, TxDOT) 인원들로부터의 제안에 근거하여, 후보 재료가 선정되었고 배합 설계가 개발되었음. 배합 설계는 시멘트 함량, 플라이 애쉬(fly ash) 함량, 그리고 골재 비율를 변화시키는데 있어 통계적으로 기반하였음. 추가로, 여러 타입의 섬유(fibers)가 가지는 효과도 검사되었음. 수행된 시험은 압축 강도, 휨 강도, 탄성률, 열팽창 계수, 건조 수축, 콘크리트 섬유에 대한 평균 잔여 강도, 그리고 부착 강도에 대한 것이었음.

2. 문헌 검토

2.1 소개

이 장은 재료 선정, 배합 설계/비율 및 콘크리트 오버레이의 시공에 대한 현재의 지식에 대해 종합적인 문헌 검토를 제시함. 이 임무는 텍사스 교통부 및 다른 주에 의한 콘크리트 오버레이 적용에 대한 정보 수집을 포함함. 특히, 구성물질, 배합 설계/비율, 그리고 제안된 시공 방법에 대한 정보 수집에 중점을 둠. 연구팀은 콘크리트 오버레이에 사용된 섬유의 성능 및 특징도 검토하였음.

2.2 콘크리트 오버레이에 대한 검토

콘크리트 오버레이를 시공하는 주요 목적은 기존의 콘크리트 위에 추가적인 층을 설치함으로써 기존의 포장도로의 잔여 수명을 최적화하거나 연장하는 것임. 콘크리트 오버레이를 선택함으로써, 시공을 신속히 하고, 비용을 줄이며, 구조적 무결성을 증대시키고, 승차감을 향상시키며, 유해한 환경영향에 대응하여 구조물을 보호하는 것임.

콘크리트 오버레이는 두가지 타입으로 구분됨: 부착 콘크리트 오버레이와 비부착 콘크리트 오버레이. 부착 콘크리트 오버레이에는 초박막과 박막 화이트타핑, 그리고 부착 콘크리트 오버레이(bonded concrete overlays, BCOs)가 있음.이러한 콘크리트 오버레이는 콘크리트 오버레이와 기존의 도로포장간의 부착을 요구함. 비부착 콘크리트 오버레이는 전통적인 화이트타핑, 그리고 비부착 콘크리트 오버레이(unbounded concrete overlay: UBCOs)임. 화이트타핑은 두께에 따라서 부착 및 비부착이 될 수 있음. 또다른 타입인 부분 부착 콘크리트 오버레이(partially bonded concrete overlay)는 이 보고서에서 논의되지 않는데, 왜냐하면 텍사스의 고속도로에서는 사용되지 않기 때문임.

2.3 텍사스의 기존 콘크리트 오버레이에 대한 상태 조사

텍사스에서 시공 문제를 가졌던 부착 콘크리트 오버레이에 대해 수행된 포렌식 연구(forensic studies)가 검토되었음. 또한 상태/평가 조사를 수행하기 위해 텍사스 전역의 많은 지역을 방문하였음. 이 임무에서의 연구 목적은 건설 보고서 및 성능 기록을 검토하고 현재까지 그들의 성능을 평가하기 위해 기존의 콘크리트 오버레이를 방문하는 것임.

IH-10 엘파소(El Paso)에 있는 부착 콘크리트 오버레이에 대한 포렌식 연구

이 부착 콘크리트 오버레이는 건설 후 여러 곳에서 박리가 발생하였음. 이 보고서는 파괴의 원인 및 미래의 신속 콘크리트 오버레이(expedited concrete overlay)에 대한 제안사항을 제시함. 오버레이의 박리는 주로 부적절한 페이스트 부착(paste adhesion) 때문이었음. 박리로 이끈 요소들로는 다음이 포함됨:

·콘크리트 배합의 매우 낮은 초기 수분 함량
·기층 흡수로 인해 가용한 수분의 손실
·높은 비율의 증발(evaporation)
·배치상태에서 배합으로부터의 물 공급 중단
 

포렌식 보고서에 근거하여 다음의 제안사항이 제시되었음:

·표면 준비: 고압 살수로 깨끗해진 표면은 오버레이가 설치될 때 포화 표면 건조(saturated surface dry, SSD) 상태여야 하고, 설치 1시간 이전에 공기 분사가 되어야 함
·증발율: 양호 환경 조건하에서만 오버레이 설치 (일반적으로 시간당 0.2 파운드/제곱피트 이하의 증발율)
·교통 개방: 설치 후 최소 12시간이 경과해야 하며 적어도 500 psi의 분열 인장강도(splitting tensile strength)에 도달해야 함
·양생 시점: 증발로 인한 수분 손실을 막기 위해 가능한 빨리 양생을 시작
 

3. 실험 연구

문헌 검토 및 상태 조사로 부터 모아진 정보로부터, 콘크리트 오버레이에 대한 후보 재료가 파악되었고 특성이 분석되었음. 재료간의 상호작용을 연구하기 위해 비율 매트릭스(factorial matrix)가 만들어졌음. 콘크리트 오버레이로 어떤 재료가 어떤 수준으로 사용되어야 하는지를 특정하는데 사용될 수 있는 성능 제한을 결정하기 위해 많은 테스트가 수행되었고 분석되었음.

4. 성능 예측 모델

HIPERBOND는 “고성능 부착 콘크리트 오버레이(High Performance Bonded Concrete Overlays)” 성능 예측 소프트웨어를 나타냄. 이는 부착 콘크리트 오버레이의 설계 콘크리트 배합을 위한 부착 강도 및 응력을 예측하기 위해 제안됨. 유한 요소 모델링(finite element modeling) 소프트웨어가 연방고속도로청(Federal Highway Administration, FHA)의 계약을 통해 개발되었고 부착 콘크리트 오버레이의 초기 부착 성능을 평가하기 위해 사용되었음.

5. 요약 및 결론

5.1 요약

콘크리트 오버레이는 여러 주에서 수 년동안 PCCP에 대해 표준적인 수선 방법으로 사용되어 왔지만, 가장 우수한 콘크리트 오버레이 방법의 실행은 텍사스 주에서 여전히 초기 단계에 있는 것으로 간주됨. 텍사스 주에 있는 많은 양의 콘크리트 고속도로는 부착 콘크리트 오버레이, 비부착 콘크리트 오버레이, 그리고 화이트타핑(whitetoppings)을 가능한 선택수단으로 만들었음. 그러나, 콘크리트 오버레이 건설에 있어서 도로포장 공학자들에 대한 교육적인 가이드라인이 부족하고 이는 실행을 더욱 어렵게 만듦.

이 연구의 목표는 도로포장 공학자들을 위한 재료 선정과 공사 방법에 대한 가이드라인을 만드는 것이었음. 이로써 공학자들은 성공적인 콘크리트 오버레이에 대한 시방서를 만들고 시옥하는데 더 잘 준비할 수 있게됨. 이 목표를 달성하기 위해, 적절한 재료 구성요소가 시험되었고 건설 방법이 연구되고 사용되었음.

5.2 결론

콘크리트 오버레이를 건설하는 것은 일반적인 도로포장을 시공하는 것과 다름. 콘크리트 오버레이는, 새로운 콘크리트 오버레이와 기존의 포장도로 사이의 부합성을 촉진하는 적절한 재료를 선정하는데 있어 상당한 주의를 요함. 추가로, 기존의 도로포장의 상태 및 표면 준비는 콘크리트 오버레이의 효과성을 결정함. 기본적으로, 새로운 콘크리트 오버레이는 설계되고 시공되어야 하는데, 그 결과 하나의 판(slab)으로 움직이도로 기층에 부착될 수도 있고 부착파괴층(bond-breaking layer)을 가지고 지지 기층으로부터 완전히 분리될 수도 있음.

효과적인 콘크리트 오버레이의 설계와 시공에서 독자들을 안내하기 위해, 가이드라인이 재료 선정과 시공 절차에 대해 개발되었음. 가이드라인은 텍사스 교통부와 이들의 계약자들이 추천되는 사용량으로 적절한 재료를 선정하는데 있어서 도움을 제공하고, 성공적인 콘크리트 오버레이를 만들기 위해 적절한 시공 사례를 명시하고 실행하는 것을 도움. 이 가이드라인은 문헌 검토, 현장 조사 및 연구실 실험에서 얻어진 우수 정보를 결합함.