이 연구의 주요 목적은 주기적인 인장 응력과 단조로운 전단 응력 하에서 HMA 오버레이에서 용인가능한 인장 변위와 상대적인 전단 변형/강도를 실험적으로 결정하는 것임. 이 연구로부터의 결과는 HMA 오버레이를 설계하고, 콘크리트 포장 위 HMA 오버레이의 가능한 파괴를 최소화하기 위한 완화 방법을 개발하는데 사용될 수 있음.

HMA 오버레이의 용인가능한 전단 변형/강도와 인장 변위를 결정하기 위해서 캔자스 교통부(Kansas Department of Transportation, KDOT)에서 선택한 배합에 대해 직접 전단 상자(direct shear box), 반원형 굽힘(semi-circular bend), 그리고 오버레이 하중재하(overlay loading) 시험이 수행되었음. 용인가능한 전단 강도(tolerable shear strength)는 시험편이 지지할 수 있는 최대 전단력으로 정의됨. 용인가능한 상대적 전단 변형(tolerable relative shear deformation)은 최대 전단력을 HMA 오버레이의 두께로 나눈 값에 대응하는 움직임으로 정의됨. 용인가능한 인장 강도(tolerable tensile strength)는 균열이 나타나기 시작할 때의 HMA 오버레이의 인장 강도로 정의됨. 용인가능한 인장 변위(tolearable tensible strain)는 용인가능한 인장강도에 대응하는 변위임. 직접 전단 상자 시험은 HMA가 파괴 전에 지지할 수 있는 최대 전단력을 제공할 수 있음. 정적(static) 및 주기적(cyclic) 반원형 굽힘 시험은 HMA 오버레이의 인장 강도와 변위를 결정하는데 사용될 수 있음. 정적 및 주기적 하중재하 시험은 변형가능한 노반 위에 간격을 둔 콘크리트 블록 위 HMA 오버레이의 성능을 평가할 수 있음.
 

노후화 되었거나 이음매가 있는 콘크리트 포장이나 아스팔트 포장의 수선을 위해 HMA를 사용하는 것은 문제가 많고 반사 균열에 취약함. 반사 균열은 HMA 오버레이의 조기 파괴를 일으키는 가장 중요한 인자들 중 하나임. 반사 균열은 오랫 동안 연구되어 왔지만, 여전히 발생하고 매년 수백만 달러의 지출을 요구함. 반사 균열은 일반적으로 기존의 포장에 있던 균열이나 이음매 패턴이 새로운 HMA 오버레이로 전파되는 것으로 정의됨. 반사 균열의 발생은 심각한 유지관리 및 서비스 수준 관련 이슈를 야기하였음.

많은 여구들이 반사 균열을 이해하고 예방하기 위해 수행되었음. 현재 반사 균열을 최소화하기 위해 다양한 방법이 존재하지만, 이들은 종종 만족스러운 결과를 보이지 못함. 반사 균열에 대한 연구는 다양한 시각에서 이루어졌는데, 여기에는 수치 모델링, 기계적 모델링, 현장 연구 및 실험 연구가 포함됨.

반사 균열은 기저에 있는 포장의 균열이나 이음매의 수평 및 수직 이동에 의해 만들어진 인장 및 전단 응력을 지지하지 못하기 때문에 HMA 오버레이에 발생함. 이 연구는 HMA 오버레이가 지지할 수 있는 최대 전단 및 인장 강도와 변위를 실험적으로 결정함. HMA의 용인가능한 인장 및 전단 강도와 변위가 알려진다면, 반사 균열을 최소화하거나 예방하는 방법도 찾을 수 있을 것임.
 

문헌 검토에 의하면, 반사 균열을 최소화하기 위해 여러 시도가 이루어졌음. 이러한 방법에는, 철사망, 철근 등으로 만들어진 전이층(transition layer)의 설치, 이음매에서의 실링(sealing) 등이 포함됨. 오버레이로써 특별한 물질을 사용하는 것도 탐색되었음. 고무 아스팔트, 섬유 강화 아스팔트, 그리고 폴리머 아스팔트는 반사 균열을 예방하기 위해 일반적으로 탐색된 방안임. 오버레이의 두께 증가가 반사 균열을 최소화하기 우해 채택되어 왔음. 이러한 방법들은 부분적으로 반사 균열의 개시와 전파를 최소화하는데 도움이 되었음.

반사 균열을 늦추기 위해, 여러 중간층 시스템(interlayer systems)이 최근 소개되었음. 중간층은 두 가지 매커니즘을 통해 반사 균열을 늦출 수 있음: (1) 토목섬유(geosynthetics)나 철근과 같이 주변 물질보다 더 취성이 큰 보강 시스템을 사용함으로써 반사 균열이 늦춰질 수 있음, 그리고 (2) 낮은 계수의 물질이 응력 흡수층을 만들기 위해 사용됨.
 

KDOT 프로젝트에서 선정된 HMA 배합 ？ 089 C-4318-01 (배합 1)과 56-29 KA-1087-01 (배합 2) ？ 의 전단 및 인장 특성을 평가하기 위해 실험 연구가 수행되었음. 전단 특성은 직접 전단 상자 시험에 의해 얻어진 반면, 인장 특성은 반원형 굽힘 시험에서 얻어졌음. 피로 특성은 주기적 준 원형 굽힘 시험에서 얻어졌음. HMA 표본이 지지할 수 있는 용인가능한 변위는 주기적 반원형 굽힘 시험에서 변위계로 측정되었음. 여러 다른 간격의 두께를 가진 콘크리트 블록 위 HMA 오버레이의 성능과 HMA 배합의 전단 및 인장 속성을 연관시키기 위해 HMA 오버레이 하중재하 시험이 수행되었음. 모든 시험은 실온에서 수행되었음. 이 연구에서 얻어진 시험 결과에 근거하여 다음의 결론이 도출될 수 있음:

간격 폭은 최대 전단 하중과 이에 의한 HMA 시험편의 전단 변위에 대한 영향이 작았음. 최대 전단 하중에 대응하는 전단 변위는 시험편 두께의 6 퍼센트에서 9 퍼센트로 다양하였음.
- 배합 2 시험편은 배합 1 시험편보다 더 높은 최대 전단 하중과 더 작은 전단 변위를 가졌음. 이는 더 취성이 높은 아스팔트 바인더를 사용했기 때문임.
- 시험 결과에 의하면, 직접 전단 시험은 HMA 배합의 최대 전단 하중과 이에 대응하는 전단 변위를 평가할 수 있는 효과적인 방법임.
- 시험 결과에 의하면, 반원형 굽힘 시험은 HMA 배합의 용인가능한 인장 변위의 특성을 파악할 수 있는 효과적인 방법임. 배합 2는 배합 1보다 더 취성이 높음. 반원형 굽힘 시험에 의하면, 배합 1에 대한 용인가능 인장 변위는 1.2 퍼센트에서 4 퍼센트였고, 배합 2에 대한 용인가능 인장 변위는 0.6 퍼센트에서 1.4 퍼센트였음. 그러나, 오버레이 하중재하 시험에 의하면, 배합 1에 대한 용인가능 인장 변위는 0.6 퍼센트에서 1.8 퍼센트였음.
- 반원형 굽힘 시험이나 HMA 오버레이 하중재하 시험에서 HMA 시험편이 파괴하는데 요구되는 하중재하 주기의 수는, 최대 정적 하중 지지력에 대해 적용된 하중의 비율에 따라 달랐음. 오버레이 하중재하 시험에서, 하중재하 주기의 수는 콘크리트 블록 사이의 간격 폭에 따라서도 달랐음.
- 콘크리트 블록 간격 위의 HMA 오버레이는 전단, 굽힘 또는 이들의 결합에 의해 파괴될 수 있었음. 더 넓은 간격이나 더 낮은 적용 하중은 굽힘 파괴(bending failure)를 촉진하였음.
- 정적 반원형 굽힘 시험에서 HMA의 초대 압축 하중은 최대 전단 하중의 대략 1.23배 였음.
- 오버레이 하중재하 시험에서 균열이 시작된 시험편은, 직접 전단 시험에서 전단 하중 지지력에 대응하는 전단 변위와 똑 같은 크기로 영구적인 수직 변위를 가졌음.
- 오버레이 시험에서 HMA 시험편의 용인가능한 인장 변위는 반원형 굽힘 시험에서보다 더 작았으나, 적용된 하중의 증가나 간격 폭의 증가는 이러한 차이를 최소화하였음.

이 연구에서 사용된 HMA 배합, 시험편의 두께, 콘크리트 블록 사이의 간격, 하중 수준,그리고 시험 온도에 근거할 때, 다음과 같은 결론이 가능함: (1) 오버레이의 전단 변형이 HMA 오버레이 두께의 6 % 이하라면 전단 파괴를 피할 수 있고, (2) HMA 오버레이에서 인장 변위가 0.6 % 이하라면 균열을 피할 수 있음. 전단 변형과 인장 변위를 제한하거나 예방하는 방법은 추후 연구에서 발견될 수 있을 것임.