Mobile QR Code QR CODE
Export citation EndNote

  1. 경북대학교 건설방재공학과 조교수 (Assistant Professor, Department of Construction and Disaster Prevention Engineering, Kyungpook National University, Sangju 37224, Rep. of Korea)
  2. 도로교통연구원 구조물연구실 연구위원 (Research Fellow, Expressway & Transportation Research Institute, Construction & Environment Research Group, Hwaseong 20896, Rep. of Korea)
  3. 충남대학교 토목공학과 박사과정 (Graduate Student, Department of Civil Engineering, Chungnam National University, Daejeon 34134, Rep. of Korea)
  4. 충남대학교 토목공학과 교수 (Professor, Department of Civil Engineering, Chungnam National University, Daejeon 34134, Rep. of Korea)



콘크리트 바닥판 열화, 열화 메커니즘, 열화유형, 보수공법
Concrete deck deterioration, Deterioration mechanism, Deterioration types, Repair methods

1. 서 론

최근 사회기반기설의 노후화가 새로운 유지관리 문제로 부각되고 있는 상황에서 2023년 통계청 자료에 따르면 국내 교량의 관리 수량은 매년 증가하여 38,000여 개에 이르고 있다(KOSIS 2023).

1990년부터 2015년 사이에 건설된 교량은 전체 교량의 77 % (약 29,500개소)를 차지하고 있으며 추후 이들 교량의 노후화가 급격히 진행되면서 천문학적인 유지관리비 증가가 예상된다(Jeong et al. 2021). 특히, 공용연수 30년 이상의 교량 개소수 또한 빠르게 증가하고 있다(Fig. 1). 특히 보수보강이 많이 필요로 하는 30년 이상의 노후 교량은 2025년에는 26 %(9,878개소), 2035년에는 61 %(23,464개소), 2045년에는 89 %(약 34,233개소)까지 급증할 것으로 예측된다(Fig. 1).

Fig. 1 Increases in the number of in-service bridges that are older than 30 years(KOSIS 2023)
../../Resources/KCI/JKCI.2024.36.4.347/fig1.png

최근 열화된 교량 콘크리트 바닥판에 적절하게 유지관리 활동이 이루어지지 않아서 관련 사고가 발생하였다. 성남시 정자교 난간 사고(Fig. 2(a))로 2명의 인명피해가 있었고, 고속도로 위를 횡단하는 교량의 바닥판 하면 박락(Fig. 2(b))으로 발생한 낙하물에 차량 파손이 발생하였다. 정자교는 콘크리트 열화로 철근이 뽑히면서 발생한 것으로 열화를 예측하지 못하여 점검 시 콘크리트 바닥판 손상을 발견하지 못해 발생한 사고였고 박락에 의한 낙하물 발생은 제대로 된 유지관리 활동이 이루어지지 못해 발생한 사고였다.

Fig. 2 Damage incurred by bridge concrete deck failure
../../Resources/KCI/JKCI.2024.36.4.347/fig2.png

교량의 바닥판은 차량하중을 직접 지지하고 이를 거더와 하부 구조에 전달하는 부재로 열화 인자에 노출될 경우 손상 및 열화가 타 부재에 비해 가장 빠르게 발생한다. 최근 중차량 증가 및 제설작업 효과를 높이기 위해 과도하게 사용하는 제설 염수는 교량을 염수환경에 노출시켜 교량의 조기손상(예, 균열, 박락, 들뜸, 철근 부식 등)을 유발한다(Seo et al. 2017; Kwon 2021). 일반적으로 염소이온은 12.5~13.0 pH에 이르는 강알칼리 환경에 놓여있을 때 생성되는 철근의 부동태 피막을 파괴하여 부식을 발생하게 한다. 철근의 부식은 체적이 2.5배 정도인 산화철을 생성하며 주위의 콘크리트 균열을 유발하여 콘크리트의 열화를 촉진한다(Seo et al. 2017; Lee et al. 2023a). 제설 염수에 직접적으로 노출되는 교량 바닥판의 경우는 타 부재보다 조기열화 정도가 심각할 것으로 추정된다. 또한 교량 바닥판의 상태평가는 바닥판 상면 교면포장으로 인해 바닥판 상면 상태 확인 어려워 하면의 상태로 평가하고 있다. 하지만 하면 상태등급이 양호하게 평가된 바닥판도 실제는 열화가 상당히 진전되고 있는 경우가 많으며 적절한 유지관리 활동이 이루어지지 못한 채 열화가 지속되는 경우가 많다(KEC 2020). 바닥판 상면에 교면포장이 시공된 후에는 바닥판 상태를 확인하기는 어렵고 바닥판 하면에서 백태나 관통 균열이 조사되면 바닥판 열화가 하부까지 진전된 상태로 판단할 수 있다. 이는 많은 보수보강 비용이 소요될 수밖에 없으며 급격히 증가하고 있는 노후 교량의 바닥판 열화 문제에 합리적으로 대응하기 어렵다.

현재 노후 교량이 증가하고 있는 시점에서 한정된 재원을 효율적으로 사용하여 적절한 서비스 수준을 시민에게 제공하기 위해서는 체계적인 바닥판 유지관리 전략 수립이 필요하다. 본 연구에서는 바닥판 열화메커니즘 및 바닥판 열화유형을 제안하고 그에 따른 보수보강 방안 및 선정방법을 제시하고자 한다.

2. 바닥판 열화 메커니즘

2.1. 열화요인

콘크리트 바닥판 열화의 주원인은 동결융해작용과 중차량 피로에 의해 발생한다(Fig. 3(a)). 기존의 바닥판 열화 매커니즘과 설계기준은 염화물에 의한 철근 부식에만 관심을 두고 있었으나(JSCE 2020; KEC 2020), 실제 공용 중인 교량에서 관찰되는 바닥판의 열화 현상은 이와는 차이가 있다. 공용 중 교량 30개소의 현장조사 결과 바닥판 손상은 철근의 부식팽창에 의한 손상보다는 동결융해와 중차량 하중에 의한 콘크리트의 손상이 철근손상보다 먼저 발생하는 것으로 나타난다. 대부분의 현장조사에서는 콘크리트는 열화되어 있는 반면 철근의 부식은 미미하거나 거의 없는 것으로 나타났다(KEC 2023).

Fig. 3 Concrete disintegration of bridge concrete deck
../../Resources/KCI/JKCI.2024.36.4.347/fig3.png

포장 및 방수층 손상은 콘크리트 바닥판에 수분침투를 유발하고 중차량 하중 및 포장과 바닥판 사이의 들뜸은 수분 침투를 가중한다. 이러한 현상은 주로 아스콘 포장 하부의 바닥판에서 나타난다. 콘크리트 내부로 침투한 수분의 장기간 동결융해의 반복적인 작용은 콘크리트 수평 균열을 야기하고 차량 하중에 의해 골재와 모르타르로 분리된다. 분리된 콘크리트와 균열을 따라 지속적인 자유수가 흘러가게 되면서 재료분리가 발생하고 사질화로 진전되면서 강도를 상실한다(Fig. 3(b)). 여기서 사질화는 자갈화, 골재화 또는 토사화라고도 한다. 사질화 발생원인은 콘크리트 바닥판의 수분침투에 따른 동결융해 및 차량하중에 의한 것으로 콘크리트 바닥판 상면의 포장 또는 방수층의 균열로 인해 물과 제설제가 침투한 상태에서 동결융해, 교통하중과 같은 반복하중을 받음으로써 Fig. 3(b)와 같이 콘크리트가 모르타르와 굵은골재로 분해되는 현상이다(JSCE 2020; KEC 2023).

바닥판 상부에서 사질화가 진행되면 휨성능 부족으로 관통균열이 발생하고 관통균열을 통해 하부까지 수분침투가 용이하게 되면서 철근부식과 함께 하부에 망상균열 및 백태가 나타나게 된다. 사질화 깊이가 증가하면 건전한 바닥판의 두께가 얇아지게 되어 결국 강도상실로 펀칭파괴가 발생한다. 사질화가 거더와 거더사이의 내측 경간 바닥판에서 발생 진행되면 주로 전단성능 부족으로 이어져 펀칭파괴가 발생한다. 반면 바닥판 캔틸레버에서 사질화가 발생하게 되면 철근의 정착력 상실로 인한 휨성능 부족으로 캔틸레버 붕괴가 발생할 수 있다. 이는 앞서 언급된 정자교 붕괴 사례와 일치한다. 일반적으로 사질화는 상부에서 하부로 확대 진전되는 경향이 있다. 따라서 내측 경간에서는 압축면적이 줄어들기는 하지만 하부철근의 인장성능은 유지할수 있어 휨성능이 크게 감소되지 않는다. 하지만 바닥판 캔틸레버에서는 상부 철근까지 사질화가 되면 주철근인 상부철근의 정착성능을 잃어버리게 되어 급속한 붕괴에 이를 수 있다.

콘크리트 단면복구공사 시 열화부를 완전하게 제거하지 않으면 보수재와 기존 모재 사이에 부착강도 저하, 들뜸, 균열이 발생하여 재손상 발생 가능성이 현저히 커지게 된다(Min et al. 2021; Lee et al. 2023b; Jeong et al. 2023). 현행 콘크리트 계열 포장 개량 시 열화부 제거 깊이가 상부 철근 위치에 형성되어 이 위치에서 손상이 주로 발생한다. 상부에 위치한 주철근과 배력철근에서 계면이 형성될 경우, 보수재(또는 콘크리트 포장재)와 기존 모재 사이 부착결합을 막는 분리막이 된다. 이는 철근과 콘크리트의 강성 차이로 응력집중부가 되어 계면 분리에 따른 들뜸이 발생하기 쉽다. 포장과 바닥판 콘크리트 사이 계면 들뜸 또는 건조수축으로 포장 균열이 발생하게 되면 포장 균열을 통해 염화물을 포함한 수분이 상부 철근까지 침투하게 되고 중차량 하중 및 동결융해작용으로 인해 다수의 수평 균열, 들뜸이 발생할 수 있다(Fig. 4). 이러한 열화 조건이 지속되면 철근 주변 콘크리트의 강도 상실로 이어질 수 있으며 이 상태는 바닥판 휨성능 저하를 야기할 수 있다.

Fig. 4 Re-deterioration of bridge concrete deck due to inadequate surface preparation during deck repairs
../../Resources/KCI/JKCI.2024.36.4.347/fig4-1.png../../Resources/KCI/JKCI.2024.36.4.347/fig4-2.png

2.2. 열화 메커니즘

2.2.1 아스콘 포장 하부 바닥판

아스콘 포장 하부의 바닥판 열화 메커니즘은 Fig. 5와 같다. 아스콘 포장 하부의 바닥판 열화는 포장과 방수층 손상으로 수분이 침투되면서 시작된다. 포장 손상의 주된 요인은 설계치보다 작게 시공된 포장 두께 그리고 아스콘 포장 온도관리 미흡 및 다짐부족 등이 있다. 방수층 손상의 원인은 방수형식에 따라 다르다. 시트방수의 경우 포장 및 바닥판과의 미융착이 원인이며 도막방수는 층간의 접착강도와 도막두께가 부족한 것이 원인이다. 침투식 방수는 침투두께가 충분히 확보되지 않은 경우에 손상이 발생한다(Fig. 5(a)). 이와 같이 초기결함, 시공 오류, 차량하중피로 등으로 포장 및 방수층이 손상이 발생하게 되면 바닥판으로 수분 및 염화물이 침투한다(Fig. 5(b)). 우수 및 염화물 침투, 중차량 하중으로 인해 바닥판 손상이 발생한다. 이후 바닥판 균열, 들뜸, 철근 부식, 콘크리트 사질화 및 균열, 누수, 백태, 박리, 박락 등과 같은 바닥판 손상으로 진전 발생한다(Fig. 5(c)).

Fig. 5 Deterioration mechanism of concrete deck with asphalt overlay (Red dot indicates a chloride ion, while blue dot indicates a water molecule)
../../Resources/KCI/JKCI.2024.36.4.347/fig5.png
Fig. 6 Deterioration of concrete deck with asphalt overlay
../../Resources/KCI/JKCI.2024.36.4.347/fig6.png

Fig. 6은 아스콘 포장 하부의 콘크리트 바닥판 열화 메커니즘으로 인해 발생하는 손상 형태를 도식화하였다. 우수 및 염화물 침투 및 중차량 하중으로 인한 포장층 및 방수층 손상이 확대 진전되면서 바닥판 손상이 시작된다. 중차량 피로로 인한 바닥판 균열 및 들뜸이 발생한다. 우수 및 염화물 침투는 철근의 부식을 야기하며 동결융해는 콘크리트 사질화 및 균열을 진전시킨다. 이후 관통균열이 발생하게 되면 바닥판 하면에 누수, 백태, 박리, 박락이 발생하여 콘크리트 바닥판 전단면에서 손상이 발생하게 된다.

2.2.2 콘크리트 포장 하부 바닥판

콘크리트 포장 하부의 바닥판 열화 메커니즘은 Fig. 7과 같다. 콘크리트 포장의 경우 콘크리트 포장층의 건조수축에 의한 미세균열, 부착강도 미흡으로 인한 포장 들뜸 및 차량하중 등으로 인해 바닥판-포장 분리 손상과 같은 포장 손상이 발생한다(Fig. 7(a)). 이를 통해 바닥판으로 수분 및 염화물이 침투하게 된다(Fig. 7(b)). 침투한 수분 및 염화물, 동결융해, 중차량의 반복하중은 포장의 들뜸을 가중한다. 바닥판-포장의 경계면에 수분 및 염화물이 머물게 되면서 바닥판 하부까지 수분침투가 진행되고 바닥판 하부까지 손상이 발생한다(Fig. 7(c)).

Fig. 7 Deterioration mechanism of concrete deck with concrete overlay (Red dot indicates a chloride ion, while blue dot indicates a water molecule)
../../Resources/KCI/JKCI.2024.36.4.347/fig7.png

바닥판으로 수분과 염화물이 침투되면 동결융해작용, 차량하중 피로로 균열, 층분리가 발생하고, 지속적인 수분 및 염분 침투로 인해 철근부식 등의 염해가 발생하고 동결융해는 콘크리트 사질화 및 균열을 진전시킨다. 이후 관통균열이 발생하게 되면 바닥판 하면에 누수, 박리, 박락, 백태가 발생하여 콘크리트 바닥판 전단면에서 손상이 발생하게 된다(Fig. 8).

Fig. 8 Deterioration of concrete deck with concrete overlay
../../Resources/KCI/JKCI.2024.36.4.347/fig8.png

3. 바닥판 열화 유형

3.1. 아스콘 포장 하부 바닥판

아스콘 포장 하부 바닥판 콘크리트 손상은 포장 또는 방수층 손상으로 인한 누수로부터 시작되어 상부에서 하부로 진행된다. 따라서 아스콘 포장 하부의 콘크리트의 열화유형은 Fig. 9와 같이 열화 깊이 정도에 따라 3가지 유형으로 구분할 수 있다.

Fig. 9 Deterioration types of concrete deck with asphalt overlay (The blue arrow indicates water infiltration, while the red arrow indicates crack propagation)
../../Resources/KCI/JKCI.2024.36.4.347/fig9.png

(a) (TYPE A) 바닥판 상부 열화(상부 피복두께 이내): 바닥판 상부 열화(상부철근 피복두께 이내, 상부철근 미노출)는 바닥판 초기 손상의 형태로 포장 및 방수층 손상으로 인해 바닥판 상부까지 수분이 침투한다. 이 상태에서 동결융해작용 및 중차량 하중 등의 영향으로 포장 들뜸 및 균열, 바닥판 상부 사질화 등의 열화가 발생한다. 이 상태의 거더 내측 바닥판은 구조성능에 큰 영향은 없지만 캔틸레버(갓길 및 중분대)는 휨성능 미달이 우려된다.

(b) (TYPE B) 바닥판 부분 열화(상부철근 노출): 바닥판 부분 열화(상부철근 노출, 바닥판 두께($h$)의 중간 깊이 미만)는 상부열화가 발생한 상태에서 보수공사를 실시하지 않은 상태로 지속적인 수분침투와 동결융해작용으로 바닥판의 상부철근과 바닥판 두께 절반 미만까지 열화가 진행한 상태이다. 이 상태의 거더 내측 바닥판은 휨성능 미달, 캔틸레버는 붕괴가 우려된다.

(c) (TYPE C) 바닥판 전단면 열화($h/2$ 이상): 바닥판 전단면 열화(바닥판 두께 절반 $h/2$ 초과)는 바닥판의 부분 열화가 발생한 상태에서 보수공사를 실시하지 않은 상태로 지속적인 수분침투와 동결융해작용으로 인해 바닥판 두께 절반 이상 깊이까지 열화가 진행한 상태이다. 이 상태는 바닥판 휨성능 및 전단성능 미달 상태로 붕괴가 우려되는 상태이다.

3.2. 콘트리트 포장 하부 바닥판

콘크리트 포장 하부 바닥판 콘크리트 손상은 신설 포장과 재포장 하부 바닥판 손상 유형으로 구분할 수 있다. 신설포장의 경우 포장과 바닥판 계면의 낮은 부착강도로 발생하며 재포장의 경우는 주로 열화부 제거 미흡으로 인해 발생한다(Fig. 10).

Fig. 10 Deterioration types of concrete deck with concrete overlay (The blue arrow indicates water infiltration, while the red arrow indicates crack propagation)
../../Resources/KCI/JKCI.2024.36.4.347/fig10.png

(a) 콘크리트 신설 포장 하부 바닥판 열화 유형: 콘크리트 포장으로 신설한 경우 포장과 바닥판 사이의 부착강도 저하로 인해 포장과 바닥판 사이의 들뜸이 발생하고, 중차량 하중에 의해 포장에 균열이 발생하는 경우이다. 초기에는 바닥판의 열화는 없으나 포장균열을 통해 수분이나 제설 염수가 지속적으로 침투할 경우 바닥판의 열화가 시작될 수 있어 조기에 포장 패칭보수하는 것이 필요하다.

(b) 콘크리트 재포장 하부 바닥판 열화 유형: 포장 개량 또는 바닥판 패칭보수, 주로 상부철근 주변의 부분단면 보수 시 열화부 제거 후 콘크리트 포장으로 일괄타설 된 경우 나타날 수 있는 바닥판 열화 형태로 열화부 제거 미흡이 주된 원인이다. 콘크리트 포장과 바닥판 모재 사이 들뜸과 이후 중차량 하중에 의한 균열을 통해 수분이 침투하고 동결융해작용으로 들뜸이 발생할 수 있다. 이러한 상태로 중차량의 반복하중이 지속될 경우, 철근 주변 콘크리트는 사질화가 진행된다. 이 상태의 거더 내측 바닥판은 휨성능 미달, 캔틸레버부는 붕괴가 우려된다.

교면포장 유형 따라 콘크리트 바닥판 열화 원인과 초기 진행 과정은 다르지만 바닥판 열화가 진행됨에 교면포장 형식에 구분 없이 사질화로 인한 바닥판 콘크리트 강도 감소가 진행되고 바닥판 하면까지 균열이 진전되어 수분침투에 따른 하면에 백태가 발생하게 된다(Fig. 11). 따라서 교면포장 형식과 무관하게 콘크리트 바닥판의 열화유형은 열화 깊이와 면적 따라 구분할 수 있으며 보수공사 또한 열화 깊이 및 면적에 따라 결정할 수 있다. 다음 장에서는 열화유형에 따른 보수공사 방법을 설명하도록 하겠다.

Fig. 11 Deterioration process of bridge concrete deck
../../Resources/KCI/JKCI.2024.36.4.347/fig11.png

4. 보수공법

현재 교면과 바닥판의 보수는 교면 개량 공사가 일반적이다. 교면 개량 공사는 교면 상태에 따라 아스콘 덧씌우기공사, 아스콘 재포장공사, 콘크리트 재포장공사로 구분한다. 그러나 최근 열화깊이가 바닥판까지 진행되고 있어 교면이 아니라 구조부재인 바닥판에 중심을 둔 보수공사로의 전환이 필요하다. 본 장에서는 바닥판 단면복구공사 공법을 열화 깊이에 따라 TYPE A(콘크리트재포장공사), TYPE B(부분단면복구공사), TYPE C(전단면복구공사)로 구분하였다(Table 1).

Table 1 Repairing methods for deteriorated concrete decks

Method

Deterioration

depth

Removal

area

Casting

TYPE A

≤ top cover depth

deteriorated area

casting up to overlay

TYPE B

≤ $h/2$

TYPE C

> $h/2$

full-depth of deck

casting up to overlay with formwork

4.1. 포장개량공사: 바닥판 상부 열화(TYPE A)

바닥판 상부 열화(상부철근피복두께 이내, 상부철근 미노출)는 바닥판 상부까지 수분이 침투한 형태로 동결융해작용 및 중차량 하중 등의 영향으로 포장 들뜸 및 균열, 바닥판 상부 사질화 등의 열화가 발생한다(Fig. 12). 바닥판 상부 열화일 경우, 바닥판의 구조성능에는 문제가 없는 상태로 열화부 제거 후 교면 개량 공사 시에 일괄 타설한다. 다만 얇은 두께로 보수를 할 경우 재손상의 원인이 될 수 있다. 이는 두께에 비해 넓은 면적으로 타설된 보수부위에는 기존 콘크리트와의 경계면에서 높은 응력을 발생시켜 조기에 재손상을 가져올 수 있기 때문이다(TxDOT 2021). 따라서, 최소 타설 두께는 보수재의 굵은골재최대치수($G_{\max}$)의 2배 또는 50 mm 중 큰 값 이상으로 하는 것이 바람직하다.

Fig. 12 Repair details of deteriorated concrete deck for TYPE A deterioration
../../Resources/KCI/JKCI.2024.36.4.347/fig12.png

4.2. 부분단면복구공사: 바닥판 부분단면 열화(TYPE B)

바닥판 상부에서 바닥판 두께($h$)의 중간 깊이 미만으로 열화가 발생한 상태에서 적절한 보수공사 없이 지속적 수분 침투와 동결융해작용으로 바닥판의 상부철근과 바닥판 두께($h$) 절반 미만까지 열화가 진행한 상태이다(Fig. 13). 상세 조사를 통해 열화깊이와 면적을 결정하고 이때 열화 깊이가 바닥판 콘크리트 열화 깊이가 $h/2$인 경우 또는 바닥판 하부에 물얼룩은 있으나 망상균열과 백태가 현저하지 않은 경우에 부분단면 복구 공사를 시행한다. 위스콘신(WisDOT 2018)과 뉴저지 교통국(NJDOT 2007)에서는 열화 깊이가 상부 철근 하부에서 25 mm 이상인 경우 바닥판 두께 절반 이하까지 콘크리트를 제거하고 부분단면복구공사를 하도록 명시하고 있다.

Fig. 13 Repair details of deteriorated concrete deck for TYPE B deterioration
../../Resources/KCI/JKCI.2024.36.4.347/fig13.png

바닥판 부분단면복구공사 시 상부 철근이 드러날 경우에는 상부 철근 하부 표면에서 굵은골재최대치수($G_{\max}$) 또는 20 mm 중 큰 값 이상으로 콘크리트를 제거해야 한다. 상부 철근 하부 콘크리트를 제거하는 것은 (1) 열화부를 충분히 제거하여 추가 손상을 방지할 수 있으며, (2) 보수재와 기존 바닥판 콘크리트의 경계면을 응력집중부(철근과 콘크리트 사이의 이질재료에 따른 응력집중)에서 이격시켜 부착파괴를 방지할 수 있으며, (3) 보수재가 상부철근을 감싸게 되어 보수재의 부착성능을 향상시킬 수 있다. 수평 방향으로도 동일한 이격거리를 유지해야 한다. 부분단면복구공사 시는 모든 방향으로 건전한 콘크리트를 10 mm 이상 추가 제거하여 열화부가 완전제거 되도록 하여 부착성능을 확보하도록 한다.

4.3. 전단면복구공사: 바닥판 전단면 열화(TYPE C)

바닥판 전단면 열화(TYPE C)는 바다판의 부분 열화(TYPE B)가 발생한 상태에서 적절한 보수공사를 실시하지 않은 상태로 지속적인 수분 침투와 동결융해작용으로 바닥판 두께($h$) 절반 이상까지 열화가 진행된 상태이다(Fig. 14). 바닥판 전단면복구공사는 다음 세 가지 경우에 실시한다: (1) 바닥판 상세조사를 콘크리트 열화 깊이가 $h/2$ 초과한 경우 (2) 바닥판 하면에 망상균열과 백태가 심하게 나타날 경우 (3) 워터젯을 활용한 열화부 제거 시 하부철근이 노출되었을 경우. 일반적으로 바닥판의 열화는 상부에서 하부로 진전되는 경향이 있으므로 하부에 망상균열 및 백태가 심하게 관찰될 경우 바닥판 전단면에 열화가 발생한 것으로 추정할 수 있다. 뉴저지(NJDOT 2007)와 플로리다(FDOT 2018) 및 텍사스 교통국(TxDOT 2021)에서는 바닥판에 망상균열과 백태가 나타날 경우에는 바닥판 전단면복구공사를 시행하도록 명시하고 있다.

Fig. 14 Repair details of deteriorated concrete deck for TYPE C deterioration
../../Resources/KCI/JKCI.2024.36.4.347/fig14.png

전단면복구공사 시, 열화부 제거면을 1대4의 기울기로 커팅하여 전단면적을 확보할 수 있도록 해야 하며 건전한 콘크리트를 모든 방향으로 10 mm 추가 제거해서 열화부를 완전 제거할 수 있도록 해야 한다. 부분단면 복구 공사 시, 하부 철근이 드러날 경우에는 굵은골재최대치수($G_{\max}$) 또는 20 mm 중 큰 값 이상으로 철근 표면에서 콘크리트를 추가 제거해야 한다. 전단면복구공사 시, 포장과 함께 일괄타설하는 것이 구조안전성, 시공시간 등에서 유리하다. 하지만 보수재료에 따라 수화열, 초기 건조수축 등으로 인해 초기 손상이 우려될 경우 분리타설을 고려할 수 있다. 분리타설할 경우, 바닥판 $h/2$까지 1차 타설하고, 포장 면까지 2차 타설할 수 있다. 전단면복구공사는 거푸집 설치를 통해 시행되므로 거푸집은 틈새로 새거나 하부에 낙하물이 발생하지 않도록 해야 한다. 거푸집은 보수 부위에 타설된 보수재 또는 콘크리트를 지지할 수 있도록 안전성이 확보되어야 한다. 전단면복구공사 면적이 넓을 경우 거더지지 형식이나 지면지지 형식이 일반적이나, 면적이 작으면 현수식 사용도 고려할 수 있다.

5. 보수공법 선정 방법

콘크리트 바닥판 보수 및 보강공법은 바닥판의 열화 상태를 면밀히 조사한 후 결정해야 한다. 본 장에서는 바닥판 열화가 발생한 경우 아스콘 포장과 콘크리트 포장으로 구분하여 바닥판보수 공법 선정하는 방법을 기술하도록 하겠다.

5.1. 아스콘 포장 하부 바닥판

아스콘 교면 포장 하부 콘크리트 바닥판 보수공법 선정절차를 Fig. 15에 도식화 하였다.

바닥판 손상이 없을 경우 현행 교면포장 보수절차에 따라 조사를 진행한다. 교면포장 상태등급이 c등급 이하일 때는 교면손상률(SD, Surface Distress) 산정을 위한 바닥판 열화면적 조사를 실시하고, a, b등급으로 양호할 경우 일상적인 패칭보수를 실시한다. 교면손상률이 10 % 이상일 때는 전체면적에 대한 보수공사를 원칙으로 하며, 바닥판 열화면적 조사를 위한 지표투과레이더(GPR, ground penetration radar)을 시행한다. 교면손상률 10 % 미만일 때는 손상면적에 대해서만 보수공사를 실시하며, 포장상태를 반영하는 지표인 종단평탄성(IRI, international roughness index), 소성변형(RD, rut depth)을 고려하여 패칭과 같은 일상보수 또는 아스팔트 덧씌우기와 같은 교면포장 보수공사를 시행한다.

일반적으로 바닥판의 열화는 교면 포장의 상태와 상관성이 높으나 재포장 이후의 바닥판 열화는 상관성이 낮다. 교면 재포장 시 열화부 제거가 미흡하거나 포장의 재손상으로 인해 추가 손상이 발생하였을 경우 교면포장 하부에서 균열 등이 발견된다. 일반적으로 아스콘 포장 하부 바닥판의 열화는 교면 포장의 상태와 상관성이 높으나 재포장 이후의 바닥판 열화는 상관성이 낮다. 교면 재포장 시 열화부 제거가 미흡하거나 포장의 재손상으로 인해 추가적인 포장 손상이 발생하였을 경우 교면포장 하부에 콘크리트 손상등이 관찰될 수 있다. 재포장 등으로 인해 바닥판 상면의 상태에 대한 조사가 어려우면 바닥판의 하부와 측면 조사가 필수적이다.

아스콘 교면 포장 하부 바닥판 열화면적은 GPR시행을 통해 확인하며 GPR 조사결과 열화 면적 10 % 미만이고 바닥판 하면 손상(LD, lower surface distress)이 없으면 아스팔트 재포장공사가 시행된다. GRP 조사결과가 10 % 이상인 경우 또는 바닥판 하면 손상(LD)이 있으면 상세조사를 통한 바닥판 손상깊이를 조사하여 공법을 결정한다. 바닥판 열화 깊이에 따라 콘크리트 교면재포장(TYPE A), 바닥판 부분단면복구공사(TYPE B), 바닥판 전단면복구공사(TYPE C)를 시행한다. 열화 깊이에 따른 보수공사 선정기준 및 방법은 4장 보수공법에 기술하였다. 다수 교량에 대한 현장 조사 결과에 따르면, 바닥판 열화 깊이가 교면으로부터 상부 철근 이상이면 바닥판 하부에서 물얼룩이 관찰될 수 있고, 이러한 바닥판은 부분복구공사가 바람직하다. 손상 깊이가 바닥판 두께의 절반을 넘거나 바닥판 하부 철근 주변에 열화가 있으면 바닥판 하부에서 망상형 관통균열과 백태가 관찰될 수 있고, 이러한 바닥판은 전단면복구공사가 바람직하다. 바닥판 교체는 상당한 기간과 비용이 필요하므로 구조안전성, 보수효과한계, 경제성을 고려하여 결정한다.

Fig. 15 Flow chart of determining method of deteriorated concrete deck with asphalt overlay
../../Resources/KCI/JKCI.2024.36.4.347/fig15.png

5.2. 콘크리트 포장 하부 바닥판

콘크리트 포장 하부 콘크리트 바닥판 보수공법 선정절차를 Fig. 16에 도식화 하였다. 콘크리트 포장 하부 바닥판은 교면 포장과 항상 밀접한 관계를 나타내지는 않는다. 교면 상태가 양호한 경우에도 재포장시 바닥판 열화부 제거가 미흡하거나 포장균열이 발생할 경우 바닥판은 지속적인 손상이 발생하고 있을 수 있다.

콘크리트 포장 하부 바닥판의 경우 교면에서 균열, 박리 및 박락 등에 대해 육안조사하고 반드시 타음조사를 실시하여 들뜸을 확인하여야 한다. 특히, 재포장 또는 방호벽 인상 등이 있으면 캔틸레버부 끝단의 외측거더 위 포장에서 교축방향을 균열발생 여부를 조사하여야 한다. 바닥판 하면에선 물얼룩, 균열, 백태, 박리, 박락, 누수, 녹물 등을 조사하여야 한다. 콘크리트 포장 바닥판은 차량 탑재용으로 적용되고 있는 공기 결합형 GPR(air- coupled GPR)을 적용하여 열화면적을 추정하는 것이 쉽지 않다. 좀 더 상세한 비파괴 시험 장비인 지표 결합형 GPR(ground- coupled GPR), 초음파탐사 장비(UT, ultrasonic pulse-echo tomography systems), 충격반향 장비(impact echo) 등을 활용하여 바닥판 콘크리트 내부의 결함 탐지를 통해 손상 면적과 깊이를 추정할 수 있다.

교면손상률(SD)이 20 % 이상 또는 바닥판 하면 손상률(LD)이 5 % 이상인 경우 전체 면적에 대한 보수공사가 필요하고, 그렇지 않으면 손상면적에 대해서만 포장을 패칭 보수한다. 다만, 손상이 한 차선에만 분포하면 손상면적에 대해서만 보수하는 것도 가능하다. 콘크리트 포장의 경우 아스콘 포장과 달리 손상면적에 대해서만 보수를 하여도 방수의 기능에 문제가 없기 때문에 교통차단, 보수기간, 보수비용 등을 고려하여 판단할 수 있다. 바닥판 열화 깊이에 따라 콘크리트 교면포장 보수 또는 바닥판보수공사(TYPE A, B, C)를 시행한다.

Fig. 16 Flow chart of determining method of deteriorated concrete deck with concrete overlay
../../Resources/KCI/JKCI.2024.36.4.347/fig16.png

6. 결 론

콘크리트 바닥판 열화 유형에 따른 보수공법 제안을 위해 본 연구가 진행되었다. 이를 위해 콘크리트 바닥판 열화 메커니즘을 설명하고 열화유형에 따른 보수공법 및 선정 절차를 제안하였고 본 연구를 통해 다음과 같은 결론을 도출하였다.

1) 콘크리트 바닥판의 열화는 상면에서 초기 결함, 미세균열, 중차량 피로로 인해 열화가 시작되고, 이 부위에 수분 및 염화물 침투, 동결융해, 중차량 피로에 의해 손상 면적과 깊이가 확대된다.

2) 교면포장 유형 따라 콘크리트 바닥판 열화 원인과 초기 진행 과정은 다소 다른 부분은 있으나 열화가 진행됨에 따라 교면포장 형식에 구분 없이 사질화로 인한 바닥판 콘크리트 강도 감소가 진행되고 바닥판 하면까지 균열이 진전되어 수분침투에 따른 하면에 다양한 손상(박리, 박락, 백태 등)이 발생한다.

3) 콘크리트 바닥판의 보수공법은 열화 깊이에 따라 콘크리트 교면재포장(TYPE A), 바닥판 부분단면복구공사(TYPE B), 바닥판 전단면복구공사(TYPE C)로 구분할 수 있다.

4) 바닥판 보수공법 선정은 육안조사 및 상세조사를 통해 바닥판의 열화 정도(면적과 깊이)를 고려하여 바닥판보수공사(TYPE A, B, C) 선정한다.

5) 바닥판 교체에는 상당한 기간관 비용이 소요되므로 콘크리트 바닥판의 구조안전성, 보수효과한계, 경제성을 고려하여 결정한다.

감사의 글

본 연구는 한국도로공사 도로교통연구원의 지원을 받아 수행되었으며, 이에 감사드립니다.

References

1 
FDOT (2018) Bridge Maintenance Reference Manual. Tallahassee, U.S.; Florid Department of Transportation (FDOT).URL
2 
Jeong, J. W. (2023) Sudden Falling Concrete Chunk… Nearly Killing Driver. Segye Ilbo. https://www.segye.com/newsView/20230113508693 Accessed 21 May 2024.URL
3 
Jeong, Y. S., Lee, I. K., Min, G. H., Kim, K. H., and Kim, W. S. (2023) Removal Area of Deterioration Concrete for Concrete Repairs. Journal of the Korea Concrete Institute 35(1), 59- 69. (In Korean)URL
4 
Jeong, Y. S., Min, G. H., Lee, I. K., Youn, I. R., and Kim, W. S. (2021) Comparative Study of Bridge Maintenance: United States, United Kingdom, Japan, and Korea. Jounal of Korea Institute for Structural Maintenance and Inspection 25(5), 114-126. (In Korean)DOI
5 
JSCE (2020) Maintenance Manual for Road Bridge Decks. Tokyo, Japan; Japan Society of Civil Engineers (JSCE). (In Japanese)URL
6 
KEC (2020) A Study on Establishment of Maintenance Strategy to Extend the Service Life of Bridge Deck Slab. Gimcheon, Korea: Korean Expressway Corporation (KEC). (In Korean)URL
7 
KEC (2023) Manual for Repairing and Rehabilitating Deteriorated Bridge Concrete Decks. Gimcheon, Korea: Korean Expressway Corporation (KEC). (In Korean)URL
8 
KOSIS (2023) Status of the Nation’s Bridges in Republic of Korea. Daejeon, Korea; Korea Statistical Information Service (KOSIS).URL
9 
Kwon, S. J. (2021) Probabilistic Repair Estimation in Reinforced Concrete Structure considering Multiple Environmental Conditions. Journal of the Korea Concrete Institute 33(1), 57-64. (In Korean)DOI
10 
Lee, H. W., Yoon, Y. S., Bae, S. C., and Kwon, S. J. (2023a) Current Status of Chloride Content in Domestic Cement/ Concrete and Recommendations for Related Specifications. Journal of the Korea Concrete Institute 35(5), 495-503. (In Korean)DOI
11 
Lee, I. K., Kim, K. H, Kim, H. S.,Youn, S, H., Kim, and W. S. (2023b) Revision of Repair Materials Performance Requirement for Concrete Structures. KSCE Journal of Civil and Environmental Engineering Research 43(1), 9-20. (In Korean)URL
12 
Lee, W. S. (2023) Jeongja Bridge in Service again… 5 Months after Failure. Yonhap News. https://www.yna.co.kr/view/AKR20230913102100061 Accessed 21 May 2024URL
13 
Min, G. H., Lee, I. K., Jeong, Y. S., and Kim, W. S. (2021) Proposals for Enhancing Performance of Repair of Deteriorated Concrete Structures. Journal of the Korea Concrete Institute 33(6), 579-587. (In Korean)DOI
14 
NJDOT (2007) Bridge Deck Rehabilitation with Concrete Overlay (Bridge Construction Details). Trenton, U.S.; New Jersey Department of Transportation (NJDOT).URL
15 
Seo, J. S., Lee, B. C., and Jung, S. H. (2017) Evaluation of Properties of Reinforced Concrete Exposed to Marine Environment and Corrosion Characteristics of Rebar. Journal of the Korea Concrete Institute 29(6), 597-605. (In Korean)URL
16 
TxDOT (2021) Concrete Repair Manual. Austin, U.S.; Texas Department of Transportation (TxDOT).URL
17 
WisDOT (2023) Bridge Manual. Madison, U.S.; Wisconsin Department of Transportation (WisDOT).URL