ASTM D 8-11에서 정의된 바에 의하면, 골재는 "모르타르나 콘크리트를 형성하기 위한 시멘트 여재와 사용되거나 홀로 사용되는 입자상 물질로 모래, 자갈, 슬래그나 파쇄암 등의 광물로 구성됨." 국가 암사력 협회(National Stone, Sand and Gravel Association, NSSGA)에 의하면, 2010년 기준으로 거의 20억 톤의 천연 골재가 채취되었는데, 이는 약 170억 달러의 가치로 미국의 국내총생산에 400억 달러를 기여함. 생산된 골재의 상당수는 도로 기초, 시멘트 콘크리트 및 아스팔트 콘크리트를 위한 교통 인프라의 건설로 들어가서 이러한 적용처에서 부피, 강도, 내구성 및 내마모성을 제공함. 미국 지질조사국(U.S. Geological Suvey, USGS)의 보고서에 의하면, 미국에서 골재의 생산과 사용은 2008년에서 2010년 사이의 경제 불황 동안 감소하였음. 2007년과 2008년의 골재 수요는 연간 25억 - 30억 톤이었고, Meininger and Stokowski (2011)는 건설량이 회복되면서 골재 수요도 늘어날 것으로 예측하였음.

NCHRP 보고서 598에 의하면, 유연한 포장 및 강성 포장에서 느슨한 골재층은 일반적으로 작업장, 포장 시스템을 위한 구조층, 배수층, 동결 방지층 등으로 사용됨. 작업장으로써 느슨한 골재층은 종종 장비의 이동성과 과도한 바퀴홈이 없는 포장에 대한 즉각적인 지원을 위해 연약하고 불안정한 노반이나 기층 위에 구축됨. 유연한 포장에서, 밀입도(dense-graded)의 느슨한 골재층(unbound aggregate base, UAB)과 보조기층은 도로포장 시스템의 주요 구조적 요소로써 작동하여, 하중을 분산하고 아스팔트 표면처리를 위한 안정성과 적절한 지지력을 담보함. 반대로 개입도(open-graded)의 입자상 층은 일반적으로 강성 및 유연한 포장 모두에서 배수 및 동결 방지를 위해 구축됨. 강성 포장 구조에서 사용되는 UAB/보조기층은 주로 콘크리트 슬래브에 균질한 지지 상태를 제공하고, 이러한 층의 구조적 기여는 종종 주요 설계 측면에 포함되지 않음.

아스팔트 시멘트의 가용성과 비용은 직접적으로 석유의 공급과 정유와 관련이 있음. 포틀랜드 시멘트와 강재는 제조에 높은 수준의 연료 투입을 필요로 해서, 아스팔트의 사용은 이산화탄소의 배출량에 상당히 기여함. Chehovits and Galehouse (2010)은 다른 건설 재료와 비교할 때 골재 생산과 관련된 에너지 사용과 온실가스 배출이 훨씬 낮다는 것을 강조하기 위해 Chappat and Bilal (2003)으로부터의 데이타를 제시하였음. Chappat and Bilal (2003)에 의해 제공된 데이타로부터, 골재 생산에 대한 에너지 소비량은 25,850 - 34,470 BTU/t (30 - 40 MJ/t)로, 아스팔트 바인더 생산을 위한 4.2 MBTU/t (4,900 MJ/t)과 비교됨. 유사하게, 골재 생산을 위한 온실가스 배출량은 5 - 20 파운드 이산화탄소/t (2.5 - 10 kg 이산화탄소/t)으로, 아스팔트 바인더 생산을 위한 442 파운드 이산화탄소/t ( 221 kg 이산화탄소/t)과 비교됨. 도로포장층에서 시멘트 부분의 더 높은 비용과 그로 인한 천연 자원, 토지 사용 및 환경에 대한 부정적 영향을 고려할 때, 도로포장 건설에서 느슨한 골재층의 더 효과적인 사용과 폭넓은 사용은 에너지의 보존과 교통 인프라의 서비스 수명 연장으로 이어질 것임.

이 연구는 미국 및 캐나다에서 느슨한 골재 포장층의 설계와 시공에 있어 기존의 사례에 대한 정보를 수집하고 요약하기 위해 시작되었음. 이 연구의 주요 목적은 느슨한 골재 포장층의 건설에서 최신 설계 및 사례를 요약하는 것이었음. 교통기관에 대한 설문조사와 연구 문헌에 대한 검토가 수행되어, 느슨한 골재층에 대한 특성 파악, 설계, 배치, 압축, 품질 제어 및 성능에서 효과적인 사례를 파악하였음. 따라서, 이 보고서는 주로 아스팔트, 콘크리트 및 수선된 포장에 대한 광범위한 UAB과 보조기층 이슈를 다루지만, 포장이 안된 도로나 자갈 도로 등에서의 느슨한 골재층의 적용은 포함하지 않음. 추가로, 화학적 첨가제나 기계적 첨가제의 골재 안정화 관련 이슈도 이 연구에서 제외됨. 이러한 이슈들은 다른 보고서 - 예를 들어, NCHRP 4-36 "도로포장의 설계와 분석에서 시멘트 안정화 층의 사용에 대한 특성 파악(Characterization of Cementitiously Stabilized Layers for Use in Pavement Design and Analysis)"과 NCHRP 435 "고속도로에서 재활용 물질과 부산물의 적용(Recycled Materials and Byproducts in Highway Applications)" - 에서 다루어짐.

느슨한 골재 포장층의 설계와 시골에 관한 주정부, 지역 및 국제적 사례에 대한 문헌 검토, AASHTO의 재료에 관한 고속도로 부위원회(Highway Subcommittee on Materials) 회원들을 대상으로 한 종합적인 설문조사, 그리고 선택적인 인터뷰를 통하여 정보가 수집되었음. 설문내용과 응답자의 목록은 부록에서 제공됨. 얻어진 정보는 다음과 같은 분류로 구분되었음:

(1) UAB와 보조기층의 사용

(2) 재료 선정과 시공 사례

(3) 설계를 위한 UAB의 특성 파악

(4) 다짐, 품질 제어 및 현장 성능

(5) 골재 재활용 및 재활용된 입자상 물질

(6) 기후 영향 및 배수

느슨한 골재층의 적용에서 재생물질의 사용을 다루는 특별 규정에 대한 정보도 수집되었음. 응답률을 높이기 위해 질문지를 종합적이면서 동시에 간단하도록 설계되었음.

이 보고서는 6장으로 구성되어 있음. 제 2장은 여러 타입의 골재와 이들의 중요한 특성과 품질 측면에 대한 간략한 개관을 제공함. 도로포장에서 지속가능한 골재 활용사례도 강조되며, 입자층에서 지역 및 재활용 골재 물질을 어떻게 활용하는지, 그리고 교통 기관들은 느슨한 입자층/보조기층의 수용과 설계를 위해 재활용 물질을 어떻게 시험하고 특성을 파악할 수 있는지에 중점을 둠. 제 3장은 골재 분리, 물성의 열화를 최소화하고 개선된 구조적 하중지지력과 우수한 배수 특성을 통하여 성능을 최대화하기 위해 교통기관들에 의해 채택되는 골재물질의 저장, 이송, 재료 처리, 설치 방법 및 리프트 두께와 같은 측면들을 요약함. 느슨한 골재층을 사용하는 비전통적 도로포장 타입의 적용과 관련 시공 사례도 제 3장에서 서술됨. UAB와 보조기층의 시공에 대한 효과적인 사례에 있어서 어떠한 지식이 부족하고 연구가 필요한지도 서술됨.

제 4장은 우선 일반적인 하중 전달 매커니즘을 정의하고 관련 골재 시험과 특성(강도, 계수 및 영구변형의 거동) 파악 모델을 서술함으로써 UAB/보조기층을 검토함. 이는 더 나은 도로포장 시스템의 설계를 용이하게 하고, 교통 하중 하에서 적절한 성능을 담보할 것임. 교통 기관에서 사용 중인 시방서와 설계 방법이 검토되고, 예측치 및 현장 측정치를 비교함으로써 골재의 기층/보조기층에 대해 개발된 새로운 특성파악 도구 및 개선된 모델 - 예를 들어, 응력 종속 및 이방성 계수(stress-dependent and anisotropic modulus), ICAR 모델 등 - 도 검토됨. 제 4장은 또한 기후의 영향, 습도 또는 도로포장의 배수 및 온도, 이들이 느슨한 골재층을 가진 도로포장 시스템의 설계와 성능에 미치는 영향을 검토함.

제 5장은 실험실 표본에 대한 다짐 시험, 현장 다짐, 품질 제어/보증, 및 현장 성능 평가에 있어서 교통 기관들에 의해 사용되는 여러 다른 방법에 대한 문헌 검토와 광범위한 설문조사의 상세한 결과를 제공함. 마지막으로, 제 6장은 보고서의 핵심적인 결과에 대한 요약을 제공하는데, 여기에는 느슨한 골재 물질의 선정과 지속가능한 활용, 특성 파악, 설계, 시공, 다짐과 품질 제어, 그리고 성능 평가가 포함됨. 제 6장은 또한 추후 연구 니즈에 대한 기회를 요약함.

이 보고서에는 6개의 부록이 있음. 부록 A는 미국 및 캐나다에 있는 고속도로 유관기관들에 보내진 설문조사 질문지를 제시함. 부록 B는 설문조사 응답자의 정보를 제시함. 부록 C는 설문조사 응답에 대한 상세한 처리를 제공함. 부록 D와 E는 현재의 느슨한 골재 물질의 복원성 계수와 영구 변형 모델의 각각에 대한 검토를 제공함. 마지막으로, 부록 F는 복원성 계수 시험에 대한 추후 설문조사를 통하여 14개 주의 고속도로 유관기관들로부터 얻어진 추가적인 정보를 제공함.

- 느슨한 골재 기층 및 보조기층의 사용: 응답한 모든 교통기관들은 UAB/보조기층을 도로포장 구조의 설계 및 건설에 사용한다고 하였음. 유연한 포장의 기층은 느슨한 골재층을 적용하는 가장 일반적인 사례임. UAB 층은 교통기관에 의해 사용되는 가장 일반적인 타입의 골재층(응답 기관의 96%에 의해 사용됨)인 반면 응답 기관의 24%만이 개입도 배수층(open graded drainage layers, OGDLs)을 사용한다고 하였음. 도로포장에서 느슨한 골재를 적용하는 또 다른 일반적 사례는 작업장이나 보조기층에서의 사용이었음.

- 재료 선정과 시공 사례: 일반적으로 사용되고 승인된 골재원에서 얻어진 재료의 수용을 체크하는 빈도에 있어서, 어떤 일반적인 사례도 존재하지 않음. 응답기관의 39%만이 주요 공사 프로젝트 전에 골재 재료의 품질 체크가 요구사항이라고 답하였음. 느슨한 골재층에 사용되는 골재의 최대 허용 입자 크기에 있어서 기관들 사이에 상당한 차이가 존재함. 응답 기관의 63%는 최대 시공 리프트 두께를 8인치(205mm)보다 작도록 제한한다고 하였음.

- 설계를 위한 느슨한 골재 기초의 특성 파악: 전단 상도 지수 시험 - 예를 들어, 캘리포니아 지지력 비율(California Bearing Ratio, CBR)과 Hveem stabilometer R-value - 은 가장 일반적으로 사용되는데, 이는 강도 특성을 결정할 뿐만 아니라 UAB와 보조기층의 변형 거동과 계수의 특성을 파악함. 낙하추 변형계(falling weight deflectometer, FWD)의 사용은 서비스 중인 느슨한 골재층의 특성을 평가하는데 교통 기관들 사이에 가장 일반적인 사례임. 응답기관의 10%만이 시공된 골재 기층과 보조기층의 현장 계수 측정을 위해 휴대용 현장 장치 - 예를 들어 경량 추 변형계(light weight deflectometers, LWD)와 토양 취성 측정계(soil stiffness gauge, GeoGauge) - 를 채택하기 시작함. UAB와 보조기층을 가진 도로포장을 설계하기 위해 응답기관의 대략 61%가 AASHTO 1993 설계 지침을 사용함. 응답기관의 22%는 경험적인 방법(AASHTO 1972, AASHTO 1986, 또는 기관 고유의 경험적 절차)을 사용하고 응답기관의 30%는 기계적-경험적 도로포장 설계 지침(Mechanistic-Empirical Pavement Design Guide, MEPDG)의 사용을 채택하였음.

- 다짐, 품질 제어 및 현장 성능: 실험실에서 골재의 다짐 특성을 구축하기 위해 낙하 해머 기반의 방법들 - 예를 들어, 표준 및 수정 프록터 시험(Proctor tests) - 이 응답기관의 91%에 의해 사용됨. 핵밀도 측정기(nuclear density gauge)를 사용한 현장의 습도 및 밀도 측정은 응답기관의 89%에 의해 사용됨. 시공된 골재층에서 달성된 다짐도(degree of compaction, DOC)를 체크하기 위해 실험실에서 구축된 다짐 특성과 비교하여 현장의 밀도가 결정됨. 시공된 골재 기층과 보조기층에서 최소 다짐 요구사항에 있어서 교통기관들 사이에 일반적인 사례는 존재하지 않음. 

- 골재의 재활용과 재활용 입자상 물질: 응답기관의 33%는 기존의 기층과 보조기층으로부터의 느슨한 골재 물질을 재활용하지 않는데, 이는 보다 지속가능한 시공 사례의 부족을 나타냄.

- 기후 영향과 배수: 응답기관의 61%는 도로포장의 보조기층 성능에 대한 기후의 영향을 관심있는 이슈라고 답하였음. 그러나, 응답기관의 15%만이 현재 흡착 특성과 다른 습도 효과에 대해 느슨한 골재를 테스트함. 응답기관의 59%는 도로포장을 설계하는 동안 기후변화가 느슨한 골재층의 성능에 미치는 영향을 고려하지 않음.