시공이 끝난 지 얼마 되지 않은 교량의 상판 균열은 미네소타와 미국에서 우려사항 중 하나로, 많은 연구의 주제가 되어 왔음. 이 현상에 대한 이전의 연구에 의하면, 대부분의 균열은 상판의 수명에서 초기에 발생하지만(건설 후 수 개월 내에), 균열의 밀도는 시간이 흐름에 따라 증가함. 또한 상판의 오버레이(overlays)는 하나로 된(monolithic) 상판 보다 더 높은 균열 밀도를 가지는 경향이 있음.

콘크리트 교량 상판의 오버레이에 대한 균열의 여러 요인들이 파악되어 왔음. 콘크리트 교량 상판과 상판의 오버레이는 인장 응력이 콘크리트의 인장 강도를 초과할 때(내적 혹은 외적 요인에 의해) 균열을 발생시킬 수 있음. 이러한 응력의 출처는 다양한데, 여기에는 가소성 수축(plastic shrinkage), 건조 수축(drying shrinkage), 침하(settlement), 물리적 마모, 상판의 휨/변형, 기저에 있는 균열이나 이음매의 발현, 그리고 온도와 관련 매커니즘(열 팽창/수축)이 포함됨. 서비스 및 건설 교통 하중은 이러한 매커니즘의 상당수를 활성화하거나 가속화하는데 도움이 될 수 있고, 장기적인 관점에서 피로 균열(fatigue cracking)을 파생시킬 수 있음. 게다가, 교량 설계도 상판의 균열을 일으키는 응력의 발생에 영향을 미칠 수 있음 - 예를 들어, 일체형 교대(integral abutments)는 상판의 수축과 열에 의한 이동을 구속할 수 있음.

2005년 이후로, 미네소타 교통부(Minnesota Department of Transportation, MnDOT)는 "교량 상판 설치 데이타 서식(Bridge Deck Placement Data Form)"에 있는 교량 상판의 설치 데이타를 수집해오고 있음. 이 서식에는 교량의 설계, 교대 타입, 콘크리트 배합, 설치 일차, 설치 기간, 양생 방법, 양생 상태, 날씨 및 사전적 균열 조사 등이 포함됨. 이 서식의 견본은 부록 B에 있음. 이 서식으로부터의 데이타는 MnDOT의 교량 및 구조물 관리국()에 의해 관리되는 데이타베이스에 처리되어 저장됨. 이 데이타베이스는 교량 상판의 균열 확률에 영향을 미칠 수 있는 변수들 혹은 변수들의 부분집합 간에 상관관계를 구축할 수 있는 통계적으로 유의한 변수들을 파악하기 위해 이 프로젝트에서 분석되었음.

- 가소성 수축: 가소성 수축 균열은 물이 블리드 워터(bleed water: 스며나온 물)에 의해 대체될 수 있는 것보다 더 빨리 표면에서 증발할 때 경화되지 않은 콘크리트에서 발생함. 이로 인해 표면에서 콘크리트 부피의 변화는 이러한 부피 변화를 겪지 않은 표면 아래의 콘크리트에 의헤 구속됨. 이는 인장 응력을 발생시키고, 이러한 응력에 저항하기에 충분한 강도를 콘크리트가 가지기 전에 콘크리트 표면에서 발생함. 낮은 슬럼프(slump) - 일반적으로 물/시멘트(water/cement, w/c) 비율이 0.42 이하 - 의 오버레이가 특히 이러한 매커니즘에 취약함. 이 매커니즘은 특히 얇은 두께의 오버레이에 치명적인데, 왜냐하면 이러한 박막 오버레이는 콘크리트 부피 대비 표면적 비율이 높기 때문임.

- 건조 수축: 거의 모든 콘크리트는 시멘트의 수화작용(hydration)에 필요한 것보다 더 많은 물을 함유하고 있음. 건조 수축 균열은 수화작용에 의해 소비되지 않은 물이 시스템에 남아 콘크리트를 수축하게 만듦으로써 경화된 콘크리트에서 발생함. 수축은 기저에 있는 콘크리트에 의해 구속되고, 구속층 위에서 인장 응력을 유도함. 습기의 손실은 표면에서 가장 커서, 응력도 표면에서 가장 큼. 수축은 지지 시스템(특히 콘크리트의 얇은 두께 층에 대해)에 의해, 구조적 특징(예를 들어, 일체형 교대)에 의해, 또는 내재된 보강 철근에 의해 구속될 수도 있음.

- 표면 마모(surface tears) 또는 피니싱(finishing): 낮은 슬럼프와 라텍스 개질 콘크리트(latex-modified concrete, LMC) 오버레이는 특히 피니싱과 질감 처리 공정에 의해 야기되는 표면 마모에 취약함. 쿨만(Kuhlmann)에 의하면, LMC는 가소성 상태에서 공기에 지나치게 오래 노출되면 라텍스의 건조에 의해 그 표면에 상대적으로 딱딱한 표면(crust: 외피)이 형성된다는 점에서, 전통적인 콘크리트와 다름. 이러한 외피가 형성되었을 때, LMC의 서비스 수명은 만료되는 반면에 그 아래에 있는 콘크리트는 가소성 상태로 있게 됨. 외피는 피니싱 공정이 지속되면 마모되어 표면 균열을 야기할 수 있음. 상판에 홈이 있는 표면을 만들기 위해 레이크(rake)가 사용될 때, 이러한 마모는 홈의 90도 방향으로 짧고 얇은 균열(보통 1/2인치 길이에 1/8인치 깊이)로 보일 것임.

- 상판의 휨/변형: 휨 균열은 오버레이에서 과도한 인장 응력에 의해 야기된 구조적 균열로, 부(-)의 모멘트 구역에서 오버레이의 휨 이동 때문에 발생함. 이러한 균열은 보통 이동 방향과 수직으로 형성되며, 상대적으로 똑바르고 2-4피트의 간격으로 발생함. 이러한 균열은 보통 깊은 균열이지만, 오버레이가 박리되기 전에 다루어진다면 효과적으로 봉인 처리될 수 있음.

원래의 프로젝트 데이타 베이스는 상판 설치 데이타 서식(프로젝트 기술자나 검사원에 의해 작성), 상판 계획 시트(deck plan sheets)에 있는 균열 스케치, 그리고 각 프로젝트에 대한 대표적인 콘크리트 배치 티켓(concrete batch tickets)으로 구성되었음. 관련 정보를 하나의 문서로 수집하기 위해 커다란 스프레드시트가 만들어졌는데, 이는 통계적 분석을 위해 유용할 수 있음.

커다란 스프레드시트의 데이타 베이스는 몇 가지 단점을 가지고 있음. 첫째, 이는 여러 다른 타입의 균열을 구별하지 않아서, 균열에 대한 어떤 상관관계와 모델이 취약할 수 있음. 왜냐하면 모든 타입의 균열과 유의한 상관관계를 갖는 변수가 없을 수도 있기 때문임. 균열 측정은 여러 다른 사람들에 의해 관찰되고 수집된다는 점도 이러한 문제점을 악화시킴. 따라서, 균열 데이타의 일관성이 다소 의심스러울 수 있음.

균열 타입의 파악 및 측정에서의 기본적인 문제 이외에도, 원래의 스프레드시트는 불완전한 데이타 셋과 부적절한 포맷으로 입력된 데이타를 많이 포함하였음. 마지막으로, 스프레드시트는 또한 배합 설계나 강도에 대한 상세 정보를 포함하지 않았음. 

이와 같은 이슈로 데이타 베이스의 유용성은 제한적인 것이 명확해졌음. 최소한으로, 균열의 여러 다른 타입을 구별하기 위해 또 다른 조사 노력이 요구되었음. 현재까지 완성된 데이타 베이스는 MnDOT의 교량 건설부서(Bridge Construction Unit)에서 가용함.

6개의 대도시 지역 교량에 대한 현장 검토에 이어, 교량의 표면에서 명확한 균열의 대다수가 낮은 슬럼프의 오버레이에 국한된 균열이었음이 밝혀졌음. 이 프로젝트의 기술자문 패널(Technical Advisory Panel)은 이 이슈를 논의하기 위해 모였고, 이 프로젝트의 목적이 교량 상판의 균열을 평가하는 것이지 낮은 슬럼프의 오버레이에서 발생한 균열을 평가하는 것이 아니라는데 동의하였음. 따라서 추가적인 균열 조사가 상판 아래에서부터 수행되어 깊은 상판 균열이 관측될 수 있도록 하였음.

2012년 가을, 어메리칸 엔지니어링 테스팅(American Engineering Testing, Inc.) 사의 직원과 MnDOT 교량 건설부서의 직원들은 20개의 대표적인 교량을 선정하여 보다 상세한 균열 조사를 수행하였음. 이러한 접근방법은 앞에서 언급된 데이타베이스의 두 가지 문제점을 해결하였는데, 하나는 균열 타입의 구별이고, 다른 하나는 한 명에 의한 측정으로 일관성을 확보한 것임.

- 상관관계 분석: 앞에서 제시된 균열의 매커니즘에 대한 이해에 근거하여 상관관계 매트릭스가 개발되었고, 설계 및 시공 관련 변수들도 가용한 데이타 셋에 포함되었음. 분석에 포함된 독립 변수들은 다음과 같음: 시멘트 함량, 시멘트 성질을 가진 물질의 총 함량, w/c, 설치 중의 평균 증발 비율, 양생이 시작되기 전의 최대 시간, 가장 긴 상판의 경간, 교대 타입, 상판의 연령.

- 모델링: 가용한 데이타 셋은 유용하고 실제적인 교량 상판의 균열 모델을 개발하는데 충분한 기회를 주지 않았음. 측정된 균열과 가능한 독립 변수들 간의 상관관계를 일반적으로 약하거나 존재하지 않았음. 이는 부분적으로 가용한 데이타 셋의 크기가 작기 때문인 것으로 추정됨.

개발된 모델은: y = 24.995 + 0.151(X1) - 0.0117(X2) - 41.401(X3) 여기서 y = 선택된 교량에서의 균열; X1 = 상판의 연령; X2 = 시멘트 성질 물질의 총 함량; 그리고 X3 = w/c. 모델의 통계치에서 R2 = 0.604였음.

이 모델에 의하면, 균열의 발생은 상판의 연령이 증가할수록 늘어나고, w/c와 시멘트 물질의 함량이 증가할수록 감소함. 

더 많은 데이타가 수집되어 현재는 150개의 사례에 대한 데이타 베이스가 존재함. 이 데이타 베이스는 미래 연구에 대한 토대로써 쉽게 가용함. 그러나, 데이타 베이스에 있는 모든 균열 관측을 균일하고 정확하게 분류하고 정량화하기 위한 노력이 필요함. 충분한 균일성은 한 명으로 하여금 균열 스케치를 평가하도록 하여 달성될 수 있음.

또한 각 교량의 상판을 다시 한번 방문하여 상판의 균열 조사를 수행하는 것도 유용할 것임. 교량 상판의 균열에 대해 이전에 수행된 조사는 앞으로의 교량 상판 균열 조사에 대한 제안사항을 제공하는데, 이는 미네소타에 대한 표준사례를 구축하는데 도움이 될 것임.

마지막으로, 이 연구에서는 불완전한 데이타로 인해 제한적인 연구가 수행되었지만 , 이러한 데이타(예를 들어, 교대 타입, 설치 및 양생 중의 날씨 상태 등)는 쉽게 얻어질 수 있을 것임. 핵심적인 데이타 구성 요소가 빠져있다면, 모델 개발을 위해서는 전체 사례가 제거되어야 함. 따라서 이러한 데이타 구성 요소는 조사 후에 데이타 베이스에 입력되어야 함.

이러한 조치가 모두 이루어진다면, 기존의 데이타 셋은 분석에 있어 훨씬 가치있는 데이타를 제공할 수 있을 것임.