이 프로젝트에서 연구진은 아스팔트 배합 포장의 균질성을 측정하고 품질을 개선하기 위한 직외선(infrared, IR)과 지반침투 레이다(ground-penetrating radar, GPR) 기술을 사전 시행해 보았음. 프로젝트 팀은 산업계와 협력하여 이러한 활용 사례에 있어 GPR을 사용하는데 필요한 절차를 간소화하였고, IR과 GPR 기술에 대한 절차를 개발하였으며, 버지니아와 펜실베이니아 교통부와 함게 시범 프로젝트를 수행하였음.

시범 프로젝트는 IR과 GPR 기술 모두 도로포장의 전체 범위를 다룰 수 있었음. 각 시범 프로젝트에서 다짐에 대한 도움을 위해 중온 배합 아스팔트(warm-mix asphalt, WMA) 기술을 사용하였음. 이러한 시범 프로젝트가 제안하는 바에 의하면, 열 분리에 대한 유의도와 용인 가능 기준은 WMA를 사용하여 재평가될 필요가 있음. GPR의 효용은 모든 시범 프로젝트에서 구현되었고, 레이다 결과는 밀도와 균질성에 대한 정량적 평가를 제공하였음. 아스팔트 배합의 균질성 평가를 위해 개발된 새로운 레이다 시스템은 레이다를 사용한 첨단 사례에서 상당한 진전을 이루었음. 이 보고서는 시범 프로젝트 결과, IR과 GPR 모두에 대한 표준 시방서, 그리고 이러한 기술이 시공 사례에서 어떻게 사용될 수 있는지에 대한 결론을 제시함.
 

타설 밀도(in-place density)는 고온 배합 아스팔트(hot-mix asphalt, HMA)에서 포장의 내구성을 결정하는데 중요한 요소임. 배합이 균질하지 않은 구역 ？ 분리(segregation)라는 용어가 사용됨 ？ 은 종종 매트(mat)에서 저밀도 지역이 됨. 분리는 시공 관련 주요 문제를 일으켜 도로포장의 서비스 수명에 상당히 부정적 영향을 미침. 실시간 비파괴 검사(nondestructive testing, NDT) 절차는 도로포장 작업인원에게 피드백을 제공하는 이상적인 도구가 됨. 최근 연구에 의하면, 적외선 이미징(IR imaging)과 지반침투 레이다는 시공되는 지역 전체를 다루면서 시공 중에 타설 밀도를 평가하는데 사용될 수 있음.

이 프로젝트의 목적은 아스팔트 배합 밀도와 분리도를 평가하기 위한 NDT 기술로써 IR과 GPR 기술을 검증하고, 이러한 기술이 시공 품질 보증을 위한 교통부의 시방서에 어떻게 포함될 것인지에 대한 제안사항을 제시하는 것임.

이 프로젝트의 1단계에서 IR과 GPR에 대한 초기 검증의 성공은 사전 실행의 필요성을 부각시켰음. 이를 위해 SHRP2는 시방서를 개발하고, 데이터 수집과 처리를 간소화하기 위한 소프트웨어를 정교화하며, 주 교통부와의 시범 프로젝트를 수행하도록 3단계 연구를 승인하였음.
 

아스팔트 배합 오버레이(overlay)를 설치하는 것은 고속도로 재생 활동에 있어 일반적인 시공사례로 남아있음. 새로운 오버레이는 신속한 시공을 통하여 대중에 대한 교란을 최소화하면서 받아들여질 수 있는 수준의 서비스를 연장하기 위해 사용될 수 있음. 아스팔트 배합 설계의 진전은 더 나은 성능의 배합이 생산되고 설치되도록 할 수 있고, 중온 배합 아스팔트의 기술 성숙은 도로포장이 가능한 시간을 늘렸고 적절한 현장 압축을 더 쉽게 달성 가능하도록 함. 그러나, 품질 관리는 재생활동의 장기 측면이 실현되도록 하는 필수적인 요소로 남아있음. 아스팔트 배합 건설의 경우에, 골재의 분리 없이 적절한 밀도를 달성하는 것은 오버레이의 오랜 수명에 필수적인 요소로 남아있음.

밀도와 분리에 대한 일반적인 품질 보증 사례는 다짐 패턴(rolling pattern)을 설정하고, 현장 밀도를 추정하며, 국소화된 밀도의 변동성을 추정하는 것을 돕기 위해 밀도 계측기를 사용한 지점 테스트(spot tests)에 의존함. 이와 같은 현장 테스트는 많은 노동력을 요구하는 반면, 테스트 범위는 작음. 분리된 지역은 도로를 따라 주기적인 간격으로 10-15 평방 피트만큼 작을 수 있다는 것을 기억해야 함. 이렇게 국소화된 지역은 제일 먼저 파괴되고, 종종 계획보다 빠른 표면재처리 프로젝트로 이어짐. 이러한 소규모의 국소화된 문제 지역이 임의의 지점 테스트로 신뢰할만하게 탐지될 수 있다는 것은 의심스러움.

이러한 한계 때문에, 두 번째 전략적 고속도로 연구프로그램(Strategic Highway Research Program, SHRP2)은 거의 모든 범위를 포함하는 기법을 사용하여 아스팔트 배합 설계 시공의 균질성과 분리를 평가하기 위한 노력을 2009년 3월에 시작하였음. 이러한 기법에는 적외선 열 프로파일링(IR thermal profiling)과 지반침투 레이다가 포함됨. 열 프로파일은 시공 중 새로운 매트에 대한 온도 균질성(temperature uniformity)과 열 분리도(thermal segregation)를 측정함. 열 프로파일이 모든 압축 다짐 전에 발생한다면, GPR 측정이 모든 마감 다짐 후에 발생하고, 따라서 마지막 타설 제품을 측정함.

아스팔트 배합 시공의 밀도, 균질성, 그리고 분리도를 평가하기 위한 열 프로파일링과 GPR의 효용을 보여주는 초기의 결과에 근거할 때, SHRP2는 두 곳의 교통부(departments of transportation, DOTs)와 시범 프로젝트를 수행하는 일련의 작업을 시작하였음. SHRP2 프로젝트 수행자가 시범 프로젝트에 참여할 두 곳의 주를 파악하고, 아스팔트 배합의 평가를 위한 GPR 시스템의 개발을 위해 장비 제조업체와 작업하였으며, 그리고 데이터 수집과 보고를 위한 일반적인 절차를 개발한 후, 연구팀은 세 개의 건설 프로젝트에 대해 열 프로파일과 레이다 기술을 시험해보기 위해 버지니아 교통부(Virginia DOT, VDOT)와 펜실베이니아 교통부(Pennsylvania DOT, PennDOT)와 작업하였음.
 

세 개의 건설 프로젝트 모두 다짐에 대한 도움을 위해 WMA를 사용하였고, 세 가지 배합을 위해 사용된 생산 온도는 고온 배합 아스팔트(hot-mix asphalt, HMA) 온도와 더 일관적이었음. 열 분리 정도를 탐지한 결과 프로젝트마다 달랐음. 한 프로젝트에서, 최후 타설 밀도는 열 분리도와 함께 분명히 감소한 반면, 다른 프로젝트에서는 타설 온도 범위 내에서 밀도는 열 분리도와 관련이 없었음. 가장 작은 열 분리도를 가진 프로젝트는 재배합 물질 이송장치(remixing material transfer devices)를 사용하였음.

SHRP2 프로젝트는 GPR을 사용하여 최신사례에서 상당한 진전을 이루었음. 모든 시범 프로젝트는 1 GHz와 2.5 GHz의 공기 결합 레이다 시스템 둘 다를 사용하여 평가되었음. 아스팔트 배합 평가를 위해 만들어진 1세대 모형 GPR 시스템은 일부 안정성과 과열 문제에 직면하긴 했지만, 2세대 2.5 GHz 시스템은 어떤 문제도 보이지 않았음. 아스팔트 배합 평가를 위한 2세대 2.5 GHz 시스템은 1 GHz 시스템과 비교할 때, 안정적인 해독, 신속한 결과, 및 용이한 운영을 가능케 하였음. 레이다 시스템을 사용하여, 시범 프로젝트는 또한 다음의 내용을 밝혀냈음:

- 1 GHz 시스템은 약 1.5인치나 그 이상의 두께층(lift thicknesses)에는 제한적일 수 있음.
- 2.5 GHz 시스템은 더 낮은 포장층으로부터의 간섭 없이 줄어든 두께층을 측정할 수 있음.
- 2.5 GHz 시스템은 레이다를 사용하여 아스팔트 배합에 대해 전통적으로 요구되었던 여러 단계에 걸친 노동 집약적 데이터 처리의 요구 문제를 해결하였음. 2세대 2.5 GHz 시스템은 실시간으로 데이터를 처리하고, 데이터 수집이 완료되면 균질성과 밀도 통계 결과를 내기 위해 여러 데이터 수집을 자동적으로 신속하게 후처리함.
- 2.5 GHz 시스템은 다짐된 두께층을 정확하게 측정하는데 있어 가능성을 보여주었음.

전체적으로, 세 번의 시범 프로젝트 결과에 의하면, 두 번의 다른 GPR 시스템은 서로사로 잘 연관되어 있었음. 다른 레이다 시스템과 비교할 때, 2.5 GHz 레이다 시스템의 현재판은 아스팔트 배합 시공의 균질성 분석에 훨씬 더 실행가능한 해결책을 제공함.
 

아스팔트 배합 오버레이는 장기 수명을 달성하면서 신속한 재생을 지원하는 전략으로 남아있을 것임. 이번 SHRP2 시범 프로젝트에 사용된 열 프로파일링과 지반침투 레이다 도구는 새로운 아스팔트 배합 시공에서 균질성과 분리도를 측정하는데 잘 작동하였음. 새로운 시스템으로 측정된 열 프로파일은 열 분리도를 효과적으로 정량화하고 문서화하였음. WMA의 등장과 함께, 중온 배합에 대한 열 분리도의 영향은 추가적인 연구로 이어질 수 있음.

새로운 지반침투 레이다 시스템의 개발은 아스팔트 배합의 균질성에 대한 레이다 프로파일링을 운영자가 사용하기 쉽고 실행가능하도록 만들었음. 새로운 2.5 GHz 레이다 시스템은 기존에 있던 하드웨어, 데이터 처리, 및 직원 전문지식과 관련된 난관들을 극복할 수 있도록 하였음. 밀도에 대한 레이다 검정은 여전히 이 프로젝트에 국한되어 있지만, 레이다를 이용하여 밀도를 측정하기 위한 여러 다른 배합에 대한 표준 검정 카탈로그의 개발 가능성은 추가적인 연구로 이어질 수 있음. 이러한 카탈로그가 없더라도, 새로운 GPR 기술은 아스팔트 배합 시공에 대한 밀도와 균질성을 평가하는 정기적인 작업에 적합한 해결책을 제공할 것임.

이 프로젝트에서 사용된 새로운 GPR 시스템은 단채널(single-channel) 시스템이었음. 이 프로젝트에서 작업의 핵심은 분리도를 탐지하고 이의 제거를 돕기 위한 다짐 밀도 측정 시스템을 제공하는 것이었음. 이 프로젝트 동안에 개발된 레이다 시스템은 아스팔트 배합의 밀도와 균질성을 평가하는데 잘 작동하였음. 현재, 차량에 탑재되어 이동하면서 밀도를 측정할 수 있는 3-채널 시스템이 산업계에서 개발되고 있음.

분리도뿐만 아니라, 다짐 불량의 길이방향 연결부(joints)도 아스팔트 배합 시공에서 주요 문제가 될 수 있음. 이러한 문제의 존재와 심각성을 신속하게 결정할 수 있는 기술이 가용하게 된다면, 골재 분리와 다짐 불량의 연결부를 해결하는데 있어 상당한 진전이 이루어질 수 있음. 이 프로젝트에서 개발된 레이다 시스템은 어떠한 기술이 필요한지에 대한 가능성을 보여줌.
 

이 프로젝트로부터의 결과와 결론에 근거할 때, 열 분리와 관계없이 균질한 아스팔트 배합 시공을 원하는 교통 유관기관들은 열 프로파일링을 고려해야 함. 열 프로파일링에 대한 시방서는 미국 주 고속도로 및 교통 관리자 협회(American Association of State Highway and Transportation Officials, AASHTO)에 제출되어 검토되고 있음. 현재, 미네소타 교통부(Minnesota Department of Transportation, MnDOT)는 열 프로파일링의 채택을 지지하고 있음.

아스팔트 배합 시공의 밀도 균질성을 평가하는데 있어 GPR을 사용하는 것도 고려되어야 함.

열 프로파일과 레이다 기술을 개발하는데 있어 상당한 지원과 관심이 교통부 내에 있음. 여러 교통부가 SHRP2 프로젝트에 자발적으로 참여하고 있음. 이러한 기술의 채택을 더욱 촉진하기 위해서, 워크숍, 유인책, 기술적 지원이나 데이터 지원과 같은 추가적인 노력을 통하여 관심있는 교통기관들과 계약자들에게 열 프로파일링과 GPR 도구를 접할 수 있는 기회를 제공하여야 함.