투수성 마찰 표면 포장(permeable friction course pavements, PFCs)은 안전, 편의성 및 환경적 이유로 도로포장의 표면층으로써 텍사스 교통부(Texas Department of Transportation, TxDOT)에 의해 자주 사용되고 있음. TxDOT의 시방서 342항에 따르면, PFCs는 플랜트에서 고온으로 배합된 골재, 아스팔트 바인더, 첨가제로 구성된 압축되고 투수성이 있는 배합의 표면으로 정의됨. 이 도로포장은 양호한 배수성을 달성하고 교통 소음의 생성 및 전달을 감소시키기 위해 설계된 개립도 마찰 표면(open-graded friction course, OGFC)의 새로운 형태임. PFCs는 또한 국제 조도지수(International Roughness Index, IRI)에 근거할 때 더 나은 승차감, 더 거친 표면 질감으로 인한 더 나은 차량 조종감, 그리고 포틀랜드 시멘트 콘크리트(Portland Cement Concrete, PCC)나 고온배합 아스팔트(hot mix asphalt, HMA)보다 나은 마모 표면으로써 적용의 유연성을 제공함.

PFCs에서 일반적인 공기 공극(air voids, AV) 비율은 적어도 18 %임. 이와 같이 높은 비율의 AV를 가지고 있기 때문에, PFCs는 습한 날씨에서 더 우수한 도로포장임. PFCs의 여러 다른 즉성은 이동객들에게 다음과 같은 편익을 가져다 줌:

-    습한 날씨에서의 물 튀김과 뿌림을 감소시킴
-    젖은 도로에서 미끄러짐 위험을 감소시킴
-    습한 날시에서의 사고건수를 감소시킴
-    소음 수준을 감소시킴
-    집중호우시 도로 마킹의 식별성을 증가시킴
-    HMA에 비해 더 나은 빗물 유출수 관리

트래비스 카운티()에 있는 시다파크 경찰서()로부터의 통계에 의하면, FM 1431 도로 상에서 습한 날씨에서의 사고 건수는 PFC로 시공되기 전인 2003년의 23건에서 시공된 후인 2004년의 2건으로 감소하였음. 2004년에 비온 날이 2003년의 거의 두 배였음에도 불구하고, 이러한 사고 건수의 감소가 일어났음.

PFCs의 사용과 관련된 일부 단점도 존재함. PFCs와 전통적인 HMA 사이의 가장 분명한 차이점은 예상 서비스 수명의 감소임. HMA에 대해서는 12-15년의 서비스 수명이 기대되는 반면, PFCs에 대해서는 6-10년이 기대됨. 하지만 전반적인 공사 비용은 대략 비슷함. PFCs의 가장 일반적인 파괴 양상은 흐트러짐(raveling)으로, 이는 도로포장의 내구성을 감소시킬 수 있음. 이와 관련된 인자로는 다음의 내용을 들 수 있음:

-    낮은 온도에서 배합의 타설
-    부적절한 다짐
-    불충분한 아스팔트 함량
-    아스팔트 바인더의 부족
-    바인더의 노후화
-    교통 사고로 인한 오일과 연료의 누출에 의해 야기되는 바인더 유연화

내구성에 더하여, 배수성의 증가와 타이어/도로의 소음 감소에 대한 우수한 성질을 유지하는 도로포장의 능력으로 정의되는 PFCs의 기능성(functionality)가 고려되어야 함. 이러한 혜택은 먼지나 파편이 축적되어 도로포장의 AV 구조를 막게되거나, PFC가 교통 하중의 영향으로 밀도가 증가하게 되면 영향을 받을 수 있음. 주 교통기관들은 PFC의 공극을 청소하고 도로 표면의 상태를 지속시키는데 중점을 둔 예방적인 유지관리를 보통 계획함. 청소 활동이 없다면, 초기의 투수성과 소음 감소 능력은 감소하여 기능 수명(functional life)의 끝에서 PFC는 전통적인 HMA와 같이 거동하게 될 것임. PFCs와 관련된 다른 난제는 겨울철 유지관리에 관한 것임. 표면 마찰을 향상시키기 위한 모래와 세골재의 사용은 AV 구조를 막게 되고, 도로 표면에 뿌려지는 제설용 염화물은 보통 오랫동안 그 자리에 있지 않기 때문에 전통적인 제빙 및 제설 대책을 따르기는 어려움.

새로운 도로포장이나 오버레이(overlay, 덧씌움)으로써 PFC의 사용을 고려할 때, 개별 TxDOT 지구는 중요한 인자들을 결정해야 함. HMA를 사용할 때처럼, 모든 지역에 맞는 설계가 존재하지 않음. 여러 다른 기후와 교통 상태 하에서 시간에 걸쳐 배수 및 소음 감소 능력을 유지할 수 있는 최적의 배합 설계를 찾기 위해서 PFCs를 모니터링할 필요가 있음.

최근 텍사스에서 PFCs의 배합 설계와 시공 및 유지관리, PFCs의 소음 감소, 그리고 겨울철 유지관리 이슈를 다룬 여러 프로젝트가 완료되었음. 이러한 평가를 완료하기 위해, PFCs와 다른 타입의 도로포장 표면의 성능이 시간에 따른 성질의 변화를 결정하기 위해 이 프로젝트에서 추적되었음. 이 프로젝트는 기능성, 내구성 및 안전성의 관점에서 여러 PFC의 성능 인자들을 추적하기 위한 다년간의 데이타베이스 구축을 목표로 2008년에 시작되었음. 기능성에는 배수성과 소음 감소의 효과성이 포함됨. 내구성은 흐트러짐, 바퀴홈 생성(rutting), 그리고 균열을 모니터링하였음. 안전도는 잘감, 마찰력, 미끄럼 저항성, 그리고 사고건수 데이타로 측정되었음. 이 데이타베이스는 현재의 TxDOT의 PFC 시방서를 개선하기 위한 지침과 제안사항을 제공하기 위해 사용되었음.

이 보고서는 이 프로젝트의 처음에 수행된 정보 검색에 대한 요약을 제 2장에서 제공함. 제 3장에서는 실험 디자인과 현장 시험절차를 서술함. 제 4장은 기능성, 내구성 및 안전성의 관점에서 도로포장 부분의 현장 성능을 서술함. 제 5장은 프로젝트 데이타를 사용하여 수행된 비용-효과성 분석을 세부적으로 제시함. 제 6장에서는 PFCs의 설계, 시공 및 유지관리에 대한 지침이 제공됨. 보고서의 마지막에서는 결과에 대한 요약과 제안사항이 제시됨.
 

이 프로젝트의 목적은 PFCs의 성능을 장기적으로 평가하고, 도로포장 관련 비용과 편익을 정량화하며, 다른 표면 타입의 도로포장과 비교하는 것이었음. TxDOT의 이전 프로젝트로 ？ 여기에는 아스팔트 고무(Asphalt Rubber, AR) PFCs, 성능 향상(Performance Graded, PG) PFCs, 박막 부착(thin-bonded, TB) PFCs, 초박막 부착 고온 배합 마모 표면(Ultra Thin Bonded Hot Mix Wearing Courses, UTBHMWC), 그리고 밀도 향상(dense-graded) HMA 등이 포함됨 ？ 부터의 여러 도로포장 부분에 대한 현장 성능은 4년의 기간에 걸쳐 모니터링되었음. 현장에서의 비파괴 검사에는, 차량 장착 음향 강도(On Board Sound Intensity, OBSI) 측정 장치를 사용한 소음 측정, Tex-246-F의 현장 물 흐름 시험 절차를 따른 배수성, 관상 질감계(circular texture meter, CTM)를 사용한 평균 프로파일 깊이(Mean Profile Depth, MPD), 동적 마찰력 시험기(Dynamic Friction Tester, DFT)를 사용한 60 kph에서의 마찰력, 그리고 TxDOT가 미끄럼 트레일러(skid trailer)를 사용하여 수집한 미끄럼이 포함되었음.

교통량, 바인더/배합 타입, 골재 분류 및 기후 지역뿐만 아니라 시간에 따른 이러한 성능 변수들의 변화가 평가되었음. 추가적으로, 흐트러짐, 바퀴홈 생성, 균열을 파악하기 위한 도로상태의 시각적 평가도 수행되었음. 텍사스에서의 PFC 부분에 대한 사고 건수도 수집되어 분석되었음. 이러한 정보 모두는 데이타베이스 포맷으로 프로파일링되어 TxDOT 직원들에게 가용하게 만들었음. 현장에서의 측정 이외에, PFC 부분에서 성능 관련 이슈가 파악되었을 때, 현장의 표본이 얻어졌고 실험실에서의 포렌식 평가가 수행되어 도로포장의 파괴에 대한 가능한 원인을 파악하였음. 다년간의 성능 데이타 분석과 이전의 연구로부터의 결과는 PFCs의 설계, 시공 및 유지관리를 향상시키기 위한 지침 및 제안사항을 만들기 위해 사용되었음.

시간에 따른 PFCs의 성능 평가는 PFCs의 성능이 적절함을 보여주었음. 시간에 따라 OBSI의 소음 수준에서 약간의 증가가 있었으나, 상관관계는 미약했음. 모든 측정치가 결합되었을 때만 추세가 관찰되었음. 각 도로포장 부분이 개별적으로 분석되었을 때, 어떤 특정 추세도 관찰되지 않았음. 배합의 타입은 소음 수준에 상당한 영향을 미쳤음. PFCs는 HMA와 비교할 때 전반적으로 더 낮은 소음 수준을 보였으나, 통계적으로 유의하지는 않았음. 바인더 타입도 PFCs의 소음 성능에서 중요한 인자였음. 통계적 분석에 의하면, AR-PFCs(더 조용함)와 PG-PFCs(더 시끄러움) 사이에는 유의한 차이점이 있었음. 기후 지역도 중요한 인자였는데, 각 도로포장 부분의 기후 지역에 따라 소음 수준은 유의한 차이점을 보였음.

배수성에 있어, PG-PFCs는 AR-PFCs보다 더 나은 성능을 보였음. 일반적으로, AR-PFCs에서의 측정은 PG-PFCs보다 더 가변적이었음. PG-PFCs에 대해, 물 흐름 값(water flow values, WFVs)은 도로포장의 수명 초기에 증가하다가 나중에는 상대적으로 일정한 경향을 보였음. 바퀴 경로 위(on wheel path, OWP)와 바퀴 경로 사이(between wheel path, BWP)에서 얻어진 WFVs를 비교한 후에, 투수성과 불투수성 도로포장 부분을 정의하기 위해 90초의 임계치가 정해졌음. 모든 PG-PFCs는 정해진 임계치 이하였지만, AR-PFCs의 대부분은 90초 제한을 넘거나 근접했음. 표면 골재 분류(Surface Aggregate Classification, SAC) 시스템에 따른 골재의 분류는 WFVs에 있어 중요하지 않았음. 분명히, 특정 기후 지역(특히, 따뜻한 지역)에서 강우량은 PFCs의 배수성이 지속되도록 하는데 도움이 되었음.

질감의 측정에 있어, OWP와 BWP에서 얻어진 MPD 값 사이에는 강한 상관관계가 있었는데, BWP에서 측정된 질감이 OWP에서 얻어진 질감보다 약간 더 높았음. 시간이 흐름에 따라, 질감값은 실제로 거의 변하지 않았음. 두 경우가 예외적이었는데, 하나는 포그실(fog seal)이 설치된 도로포장 부분이었고, 다른 하나는 심각한 흐트러짐이 발생한 경우였음. AR-PFCs와 PG-PFCs 모두 통계적으로 같은 질감을 가졌고 HMA보다는 더 우수하였음. 골재 분류와 기후 지역 모두 질감에는 유의한 영향을 가지지 않았음. 시공 후 바로 얻어진 도로포장의 질감은 시간에 따른 질감에 중요한 것처럼 보였음.

OWP와 BWP에서 얻어진 마찰력 측정도 강한 상관관계를 보였는데, BWP의 마찰력 값이 OWP의 마찰력 값보다 약간 더 높았음. 시간에 따라, PG-PFCs는 마찰력 값에서 상승하는 추세를 보인 반면, AR-PFCs와 PFC가 아닌 도로포장은 마찰력 값이 정체되거나 하강하는 추세를 보였음. 도로포장의 타입에서 차이점은 마찰력에 대한 영향이 없었음. 그러나 골재 분류는 중요한 역할을 하였음. SAC-B 골재를 가진 도로포장 부분은 SAC-A나 SAC-A/B 골재와 비교할 때, 통계적으로 유의하게 더 낮은 마찰력 값을 가졌음. 마찰력에 대한 기후 지역의 영향에 의하면, 건조한 기후에서의 도로포장 부분은 더 낮은 마찰력 값을 가진 반면, 습윤 추운 기후 지역에 위치한 도로포장 부재는 가장 높은 마찰력을 보였음.

미끄럼 수(skid number, SN) 측정에 있어, 이는 더 가변적이었고 시간에 따라 상방 또는 하방으로의 일관적인 추세를 보이지 않았음. 질감에 대한 관찰과 유사하게, AR-PFCs와 PG-PFCs는 HMA와 비교할 때 더 높은 SN 값을 가졌음. 게다가, 마찰력 결과와 일관되게, 여러 다른 골재 분류를 가진 배합에 대한 SN은 통계적으로 달랐음. SAC-A 골재를 사용한 도로포장 부분이 가장 높은 SN을 가진 반면, SAC-B 골재만을 사용한 배합의 도로포장 부재는 가장 낮은 SN을 가졌음. 건조하고 따뜻한 지역에 위치한 도로포장 부분이 가장 낮은 SN을 가진 반면, 습윤 추운 지역에 위치한 도로포장 부분은 가장 높은 SN을 가졌음. 질감과 마찰력 측정치를 사용하여 국제 마찰력 지수(International Friction Index, IFI)가 계산되었고, IFI와 SN 간의 상관관계가 도출되었음.

이 프로젝트에서 일반화된 편익/비용 비율(Generalized Benefit/Cost Ratio, GBC)이 성공적으로 사용되었음. B/C 비율에 대한 추정은 95 % 수준에서 통계적으로 유의한 4가지 변수에 근거하였음. 게다가, 모델은 관측치와 잘 부합되어, R 스퀘어 값이 0.87이었음.