1. 서론 (p. 1)

ㅇ WSDOT(워싱턴 주교통국)의 콘크리트 포장 설계수명은 50년 또는 그 이상의 기간을 적용하고 있음

ㅇ 이러한 성능기준을 달성하기 위해 모든 포장 구성요소들이 50년 이상의 내구수명을 지녀야 함

ㅇ WSDOT 에서는 1950년대 및 1960년대 초반 건설된 다웰바 없이 건설된 콘크리트 포장들에 대해 다웰바를 부설하는 보수공사를 통해서 향후 단차파괴 가능성을 없앨 수 있으며, 단차발생 부분에는 다이아몬드 절삭을 수행하여야만 50년 이상의 내구수명 확보가 가능하다는 것을 보여줌

ㅇ 이러한 결과로 인해 1992년 이후 시공된 모든 콘크리트 포장은 횡방향 신축이음부에 강재 다웰바가 설치되도록 하고 있음

ㅇ 단순히 다웰바를 사용하는 것으로서 50년 이상의 성능내구수명이 확보될 수 있다고 보장되는 것은 아님

ㅇ WSDOT와 몇 몇의 다른 주에서는 에폭시 코팅 다웰바의 부식이 가설 후 15년 ~ 20년 후의 시점에서 발생되는 것으로 관찰됨

ㅇ 따라서 부식에 대한 저항성이 높은 다웰바를 구해서 사용하는 것이 바람직함

ㅇ WSDOT 에서는 신규포장 건설시 부식저항성이 높은 것으로 증명된 다웰바에 대해서만 사용승인을 내주고 있음

ㅇ 현재 사용승인을 득한 다웰바의 종류에는 순수(Solid) 스테인레스강, 스테인레스 피복강(Clad), 스테인레스 강관(내부에 에폭시 피복을 입힌), 고(high)크롬강(MMFX) 또는 아연보강 다웰바 등이 있음

ㅇ 에폭시코팅 강봉은 건설작업시 종종 발생하는 에폭시 코팅부의 미세구멍 또는 손상으로 인한 부식저항성과 관련된 문제점으로 인하여 신규 콘크리트 포장건설에는 사용되지 못함

ㅇ 그러나 이 에폭시 피막 다웰바는 다웰바 개보수 및 바닥판 패널 교체시 해당 구조요소의 내구수명은 20년을 넘지 않으므로 사용이 승인됨

ㅇ 섬유보강 폴리머(FRP)와 유리섬유 보강 폴리머(GFRP) 다웰바는 현재까지는 해당 구조의 시험적 특성 파악을 위한 시공 이외에는 사용이 금지되어 있음

 

2. 관련 문헌 검토

ㅇ 관련문헌 검토결과 1.5 in. 두께의 FRP/GFRP 다웰바의 LTE 성능에 대해 상반된 결론이 도출되어 있는 것을 알 수 있음

ㅇ 일부 연구에서는 1.5in. 직경의 강재 다웰바의 처짐 및 지압응력 성능과 비슷한 성능을 확보하기 위해서는 FRP/GFRP 다월바의 직경을 확대하여야만 하거나, 1.5 in. 직경의 FRP 다웰바의 설치 간격을 중심간격 8 in. 로 좁혀서 시공해야 한다고 결론을 도출함

ㅇ 또 다른 연구에서는 1.5 in. 직경의 FRP/GFRP 다웰바는 동일직경의 강재 다웰바와 비교시 양호한 LTE 성능과 다웰바의 열화현상이 보이지 않는 등 동등한 성능을 나타내는 것으로 기술되어 있음

ㅇ MateenDowel을 공급하는 Sigma DG 사는 FHWA 가 수행한 연구에서 포장구조에 지속적인 영향을 주어 차량하중으로 인한 동적응력 보다도 큰 영향을 미치는 커링 및 양생으로 유발되는 지압응력이 보다 환경적으로 작다고 주장함

ㅇ GFRP 는 동적 하중으로 유발되는 응력의 분포에 대단히 효율적임

ㅇ 다웰바의 직경을 확대하는 것으로서 강봉의 처짐과 지압응력의 저감을 추구하는 것은 잘못된 점근방법임

ㅇ 보다 적절한 해법은 GFRP 의 재료적인 특징에서의 장점에 착안하여 보다 다웰바의 직경을 줄이고, 다웰바의 간격을 조밀하게 배치하여야 함

ㅇ 시공분야에서는 몇 몇 연구에서 다웰바 보수사업 및 신규포장 사업에서 다웰바의 부상이 발생하였다고 보고됨

ㅇ 그러나 IDT에서 수행된 프로젝트에서는 이러한 다웰바의 부상과 관련된 문제점은 언급되지 않고 있음

 

3. 사업목표 (p. 5)

ㅇ 본 프로젝트는 MateenDowels 사의 GFRP 다웰바의 성능을 분석함

ㅇ 가장 중점적으로 검토하는 부분은 다웰바가 대규모의 차량하중으로 인한 하중을 전달할 수 있는지와 이러한 하중전달을 심각한 부재의 손상 없이 수행이 가능한지 여부임

ㅇ 이 밖의 또 다른 검토사항은 외부에 노출되거나 주요 화학물질에 노출됨으로서 GFRP의 성능감소, 다웰바의 부력 또는 시공중 가설오차 등과 같은 문제점임

 

4. 설계 검토 (Study Design, p. 6)

ㅇ 본 과업에서 우선적으로 사용하는 평가의 보조도구로는 낙하중량 변위계(FWD) 시험법임

ㅇ 이 FWD 시험은 다웰바가 한쪽 슬래브에서 다른 쪽 슬래브로 하중을 전달하는 능력을 나타내는 하중전달효율(LTE)을 측정하기 위해 주기적으로 수행됨

ㅇ 강성의 포장구조에서 횡방향 신축이음부 하중전달 효율에 대한 실험을 수행하기 위해 9,000파운드의 중량을 신축이음부 상단 약 6in 위에서 떨어뜨린 후 신축이음부 양단의 센서를 통해 측정된 변위를 분석함 (그림 1.)

ㅇ 이러한 LTE 값은 간단하게 (D2/D1)x 100(%) 로 나타냄

 

< 그림 1. 하중 전달효율 시험 >

 

5. 다웰바 조합 (p. 6)

ㅇ 본 과업에서 사용된 GFRP 다웰바는 Pultron Composites, LTD 사의 제품이며, MateenDowels 라는 제품명으로 판매되고 있음

ㅇ 이 제품은 에폭시 보강 비닐 에스터 레진과 유리함유량 70% 이상의 E-CR 유리섬유로 구성되어 있음

ㅇ 유리섬유는 사용목적에 따라 여러 가지 화학적 복합물로 생산됨

ㅇ 어떤 제품은 고온저항성이 우수하고, 어떤 제품은 전기 전도성이 우수하며, 또 다른 제품은 화학적 부식저항성이 매우 우수함

ㅇ E-CR (CR=부식저항)유리섬유 보강은 보론이온의 부재로 인하여 염산등과 같은 대단히 열악한 환경에서도 양호한 성능을 나타냄

 

6. 프로젝트 (p. 7)

ㅇ GFRP 다웰바를 사용한 3개의 프로젝트가 본 연구에서 검토됨

이들 중 3번째 프로젝트인 "Yakima river from Vic to Gramper Bridge project" 가 본 과업의 중점 조사대상 사업이나, 모든 사업에 대한 LTE를 관찰하기 위해 FWD 시험은 모든 3개의 프로젝트에 대해 시행함

ㅇ 프로젝트 "SR 532 to starbird Road - PCCP Rehab" 사업은 외측차로에 대한 재포장 사업임

ㅇ 이 프로젝트에서 GFRP 다웰바는 14 피트 넓이의 포장 시설물에 대해 신축이음 개소당 13개씩, 총 26개의 다웰바가 사용됨

ㅇ "Grandview to Prosser" 프로젝트에는 3개소에 총 18개의 다웰바가 사용됨

ㅇ "Yakima 교량" 프로젝트에는 각 신축이음당 6개씩, 67개소의 횡방향 신축이음부에 총 402개의 GFRP 다웰바가 사용됨

 

7. 건설 (p. 9)

ㅇ 사업대상 3개 프로젝트에 대해 표준 시공방법이 적용됨 (그림 4)

ㅇ "Starbird Road" 프로젝트의 검토 비교대상 단면에 MMFX 다웰바를 사용함

ㅇ 나머지 2개의 개보수 사업에서는 ASTM A924 기준을 만족시키는 에폭시 코팅 다웰바를 사용함

ㅇ I-2 및 I-82 Grandview 사업 등 2개 프로젝트에서는 시공상의 문제점은 보고되지 않음

ㅇ "I-82, Yakima 하천교량" 프로젝트의 가장 큰 문제점은 신축이음부에 주입된 발포제의 유동으로 인한 문제였음

ㅇ 총 402개의 다웰바 중 29개의 다웰바가 이 문제로 인해 제거됨

ㅇ 시공감리원은 후타 콘크리트가 다웰바에 부착되는 점을 지적하였는데, 이는 에폭시 코팅 다웰바에서는 발생되지 않는 현상임

ㅇ 각주 : MateenDowels제품의 브로셔에는 해당 복합재료 다웰바는 강재보다 미끄러짐 특성이 우수하여 접착해소제의 사용이 불필요하다고 명기되어 있음

ㅇ 또한 시공 책임자는 제거된 다웰바의 상당수는 후타 콘크리트의 다짐작업에 사용되는 진동으로 인하여 위치를 이탈하고 부상되어, 수직위치가 이격되었다고 감리원에게 보고함

 

< 그림 4. I-82 Grandview to Prosser 프로젝트 시공광경 >

 

8. 낙하중량 변위계(FWD) 시험 (p. 12)

ㅇ FWD 시험은 신축이음부의 하중전달 효율(LTE)을 측정하는 시험임

ㅇ "Pavement Interactive(미국포장협회)"에서의 표현을 빌리면, “이 효율은 온도(신축이음부의 간격에 영향을 미침), 신축이음의 설치간격, 재하하중의 크기와 수, 기초의 상태, 콘크리트 골재의 마모도 및 기계적 하중전달 장치 등의 유무 등을 포함하는 몇 가지 요소에 의해 지배된다" 라고 함

ㅇ 대상 프로젝트들에 있어서 LTE 수치에 영향을 미칠 수 있는 주된 검토사항은 시험당시의 포장재의 온도와 기초 지지상황 등이었음

ㅇ 시험당시의 기온은 모든 시험에 대해 영향을 미쳤는데, 특히 I-82 프로젝트의 경우에는 여름철이라는 계절적 요인으로 인한 대단히 높은 기온의 영향을 받음

ㅇ 기초의 강성 문제는 겨울철의 늘어난 강우기간 영향으로 지반이 느슨해진 I-5 프로젝트의 현장에 영향을 미칠 수 있었음

ㅇ I-82 현장에서는 습기로 인한 문제가 없으므로 기초지반의 강성은 연중 일정 수치를 꾸준히 유지함

ㅇ 각 현장에 대한 LTE 시험은 개별적으로 분석되기 때문에 재하하중의 횟수나 크기는 동일하며, 골재의 마찰도 일정하고 기계적 하중전달 역시 동일함

 

9. 하중전달 효율(LTE) 데이터 요약 (p. 21)

ㅇ 각 프로젝트에 대한 하중전달 효율 데이터 분석시 "I-5" 프로젝트는 신규설치 사업이고, 나머지 2개 사업은 기존 포장면에 다웰바만 개보수하는 사업임을 명심해야만 함

ㅇ "I-82, Yakima 하천교량" 프로젝트는 다웰바 설치이전의 사용가능한 FWD 데이터가 있다는 점에서 특장점을 가지고 있음

ㅇ "I-5" 프로젝트에서는 2개 형식의 다웰바가 동일한 평균 LTE 수치를 나타내고 있음

ㅇ 사용한 샘플의 크기가 작기 때문에 보다 심도 있는 통계적 분석이 불가함

ㅇ "I-82 Grandview to Prosser" 프로젝트의 LTE 데이터에서는 GFRP 다웰바가 에폭시 코팅 다웰바에 비해 우월한 성능을 나타냄

ㅇ "I-82, Yakima 하천교량" 프로젝트의 시공 전 시험결과의 분석결과는 에폭시 코팅 다웰바의 설치 위치와 GFRP 다웰바가 설치된 위치에서의 기존 다웰바의 LTE 성능은 차이점이 없는 것으로 나타남

ㅇ 개보수 프로젝트의 LTE 성능에 대한 초기 측정치의 분석결과는 에폭시 코팅 다웰바와 GFRP 다웰바 사이에 통계적으로 상당한 차이점이 있는 것을 시사함

 

 

10. 결론 (p. 22)

ㅇ 3개의 시험 프로젝트에서 GFRP 다웰바의 시공 및 성능과 관련된 다음과 같은 결론을 도출함

- "I-5" 및 "I-82" 등 2개의 소규모 프로젝트에서는 설치 문제점이 발생되지 않음

- "I-82, Yakima 하천교량" 프로젝트에서는 발포제의 이동과 다웰바에 콘크리트가 부착되는 등의 문제가 발생함

- GFRP, MMFX 및 에폭시 코팅 다웰바 등 3개의 다웰바는 소규모인 2개 사업에서는 대단히 유사한 하중전달 효율을 보여줌

- "Yakima 하천교량" 프로젝트에서 GFRP 다웰바의 하중전달 효율은 에폭시 코팅 다웰바에 비해 통계적으로 낮은 수치를 나타냄