2.1.1. 콘크리트 포장팽창과 교량의 손상 매카니즘

AAR에 의해 콘크리트 포장이 팽창하면 시공줄눈이 밀착 되고 Fig. 3과 같이 교대에 수평력으로 작용하면서 교대변위 를 발생시키게 된다.

Fig. 3

Concrete pav. expansion and abutment displacement

교대 변위가 발생하게 되면 Fig. 4와 같이 교량에서 나타나 는 손상은 다양하다. 첫째, 신축이음장치가 협착되어 온도신 축에 의한 유간이 없어지게 된다. 그리고 바닥판 단부 또는 거 더 단부가 교대의 흉벽과 밀착되면서 박락이 발생하기도 한 다. 둘째, 받침부에서는 받침이 편기되면서 이동 여유량이 없 어지고, 이동이 구속될 경우 받침 무수축모르타르에서 균열 이 발생하게 된다. 셋째, 확대기초 교대부에서는 교대 변위가 발생하는 대신 흉벽 배면이나 날개벽에서 인장균열이 나타나 게 된다.

Fig. 4

Bridge damages by concrete pavement expansion

2.1.2. 교량 손상 현황

최근 한국도로공사 연구원에서 수행한 현장자문에 따르면 고속도로 현장의 100여 개소에서 이와 같은 손상이 보고되고 있으며, 콘크리트 포장의 팽창 사례가 많고 교량의 점검자가 인지하지 못할 수가 있기 때문에 실제 현장에선 이 보다 많이 나타나고 있을 것으로 추정한다.

2.2.1. 현장조사

AAR에 의한 콘크리트 포장의 팽창량은 교량에 가해지는 수평력의 힘을 가늠하고 현장에서 팽창에 대한 감소방안을 수립할 때 중요한 요소가 된다. 본 연구 조사대상 콘크리트 포 장은 1998년 준공되어 2017년 기준 19년 공용 중인 서해안선 50 km구간으로 2008년 AAR로 판정된 구간에 위치하고 있다.Fig. 5

Fig. 5

Field measurement

콘크리트의 누적팽창량을 파악하기 위해선 초기팽창량과 추가팽창량 등을 조사하여야 한다. 콘크리트 포장의 수축줄 눈과 중분대 기초 또는 갓길측의 수축줄눈은 일치(6 m간격) 하여 시공하고 있다. 콘크리트 포장이 팽창하면 중분대 기초 의 수축줄눈과 이격되는 현상이 발생하며 이 값을 초기팽창 량이라고 정의하였다. 그리고 조사대상 구간은 콘크리트 포 장의 팽창력을 이완하기 위해 2010년 이후 팽창줄눈(50 mm) 시공, 팽창줄눈 협착, 팽창줄눈 재시공(50 mm)이 수차례 실시 되었다. 이러한 팽창량을 추가팽창량이라 부르며, 그 크기는 수축줄눈 간격(당초 6 m)의 감소량 측정값을 사용하였다.

콘크리트 포장이 팽창하면 우선 시공줄눈(간격 300 m)이 협착되기 때문에 전체 팽창량에 이를 포함하여 산정하였다. AAR에 의한 콘크리트 포장의 정도를 파악하기 위해 포장연 장 대비 팽창률을 분석할 필요가 있다. 이를 위해 팽창량 이외 포장의 연장에 대한 정의가 필요하다. 포장의 연장은 교량에 인접한 포장의 길이지만 구속조건(교량-교량, 교량-라멘교 등)에 따라 실제 팽창에 관여하는 포장길이가 달라지는데 이 를 유효포장길이라고 정의하였다.

현장조사 결과를 보면, 콘크리트 포장에 팽창력이 작용하 면 포장길이 전반에 걸쳐 일률적으로 팽창하는 것이 아니라 포장 단부의 팽창량이 커지는 것을 알 수 있었다. 이는 콘크리 트 포장층과 하부 기층 사이 경계면의 마찰에 의한 것으로 추 정된다. 현장조사는 콘크리트 포장을 거슬러 올라가면서 수 축줄눈의 이격이 없는 지점까지의 거리를 측정하여 팽창된 포장의 길이로 가정하였다. 또한 유효포장길이에 대한 비율 로 마찰보정계수라고 정의하고 이를 산정하였다.

2.2.2. 현장조사 결과

Table 2와 같이 40여 개소에 대한 측정 중 유효한 데이터 11 개소에 대한 누적 팽창량의 평균은 202 mm, 최대 400 mm까 지 발생한 것으로 나타났다.

Table 2

Field measurement of concrete pavement expansion by AAR

Meas. No.	Initial expansion (mm)	Add expansion (mm)	Construction joint (mm)	Accumulative expansion (mm)	Pavement length (L) (m)	Available Pave. Leng. (l) (m)	Expansion Ratio (%)	Expanded Pave. Leng. (le) (m)	Correction factor for friction(CA)
①	120	120	20	260	330	330	0.079	270	0.82
②	100	70	20	190	820	410	0.046	233	0.57
③	20	50	20	90	820	410	0.022	170	0.41
④	60	70	80	210	1420	1420	0.015	220	0.15
⑤	0	160	20	180	590	590	0.031	370	0.63
⑥	120	140	20	280	525	525	0.053	311	0.59
⑦	40	30	20	90	330	330	0.027	208	0.63
⑧	40	70	20	130	830	415	0.031	121	0.29
⑨	180	30	20	230	590	590	0.039	379	0.64
⑩	110	110	180	400	2830	2830	0.014	560	0.20
⑪	20	120	20	160	525	525	0.030	281	0.54
1) Initial expansion : expansion amount before expansion joint					7) Expansion ratio(%) = Δ L A l × 100
2) Additional expansion : expansion amount after expansion joint
3) Construction joint : 20mm for each 300m					8) Expanded pavement length(le)
4) Accumulative expansion (△LA)= Initial+Add+ Construction joint					: Realistic expansion length in pavement
5) Pavement length(L) = Pavement length between bridges
6) Available Pavement length(l)
: Pavement length according to constraint(rahmen, tunnel etc)
(a) Typical section
					9) Correction factor for friction(CA) = l e l
(b) Constrained section in one side

Fig. 6을 보면, 포장의 길이를 고려한 팽창률은 평균 0.04%, 최대 0.08%로 나타나고 있다. 철근콘크리트교량의 온도팽창 률(-5∼35°C)이 교량의 연장 대비 0.04% 임을 감안할 때 최대 값 0.08%은 온도 팽창의 2배 정도로서 상당히 큰 팽창량임을 알 수 있다.

Fig. 6

Expansion amount and expansion ratio

Fig. 7에서 팽창량 ΔL_A는 팽창된 포장의 길이 l_e와 상관성 이 높은데, 팽창된 포장길이가 증가할수록 선형적으로 비례 함을 알 수 있다. 즉, 고속도로 현장 콘크리트 포장에서 수축 줄눈의 이격 여부를 조사하여 팽창된 포장의 길이를 알면 교 대 변위 발생 크기를 추정할 수 있을 것이다.

Fig. 7

Expansion amount according to expanded pavement length

2.3.1. 알칼리-골재반응의 발생 정도

알칼리-골재반응의 정도는 우선 반응성 골재의 종류(^{Yun, 2008})에 따라 달라진다. ASTM C 1293 시험법에 따르더라도 시험 기준인 포장 연장의 0.04%/년은 가속 환경 조건이고 실 제 현장의 환경조건과 다르므로 현장 포장의 팽창량을 예측 하기는 쉽지 않다.

팽창량은 콘크리트 포장의 열화 정도에 따라서도 달라진 다. 콘크리트 포장의 열화가 심할수록 수분의 공급이 많아지 게 되고 수분공급에 따라 팽창량도 달라진다.

2.3.2. 포장 길이

교량 구조물에서 온도 팽창량은 연장에 비례한다. 마찬가 지로 콘크리트 포장의 팽창량 및 팽창률도 유효 포장의 길이 가 커질수록 증가한다. 그러나 마찰계수가 미소한 교량에서 와 같이 비례하는 관계를 나타내진 않는다.

현장조사 결과, 마찰보정계수는 0.15～0.82로 나타나고 있 으며, 온도 팽창에 대한 AASHTO 제안 값인 0.65(시멘트안정 처리층)와 같이 일정하진 않으며 포장 길이에 따라 달라지는 (^{Lee, 2000}) 모델이 타당한 것으로 판단된다. 그러나 AAR에 따른 포장 길이별 마찰보정계수에 대해선 추가적인 연구가 필요하다.

결론적으로 포장의 팽창량은 포장의 연장이 길어짐에 따라 비례하여 증가하는 것이 아니라 콘크리트 포장의 슬래브와 보조기층 경계면의 마찰로 일정길이 이상이 되면 수렴하는 로그함수 형태를 취할 것으로 추정한다.

Fig. 8을 참조하고. 구조물의 온도 팽창식과 유사하게 AAR 에 의한 콘크리트 포장의 팽창식도 다음과 같이 표현할 수 있 을 것이다. 팽창량을 식 (1)과 같이 간략히 표현하였지만 각각 의 변수는 여전히 불확실성이 높다. 향후 이에 대한 추가 연구 가 필요하다.

Fig. 8

Concrete pavement expansion model by AAR

여기서,

2.3.3. 도로 구조

Table 3을 보면, 유효 포장길이 등 기타조건이 동일하고 종 단구배가 있는 지점에 대한 분석에서 종단이 낮은 쪽이 높은 쪽보다 팽창량이 크다는 것을 알 수 있다. 즉, 도로 기하구조 에 따라서도 팽창량이 달라짐을 알 수 있다.

2.4.1. 팽창줄눈 시공

팽창줄눈 시공법은 Fig. 10, Photo 3과 같이 유간을 확보하 기 위해 교량 인접한 위치에 포장 전폭에 대해 포장하부까지 절단하는 방법이다. 토공부 처짐에 따른 평탄성을 고려하여 시공줄눈에서 약 15 m 떨어진 위치에 시공하며, 줄눈 폭은 주 행차량의 단차를 고려하여 50～80 mm 정도를 적용하고 있다.

Photo 3

Expansion joint construction(On-site)

팽창줄눈 시공방법은 비교적 비용이 적게 들고, 시공 방법 이 단순하여 현재 수십 여건의 시공 사례가 있다.Fig. 9Fig. 10

Fig. 9

Expansion difference according to gradient(On-site)

Fig. 10

Expansion joint construction

현장조사결과에 따르면 팽창줄눈 시공 후 일정기간이 지나 면 또다시 시공된 팽창줄눈이 협착되는 경우가 많다. 이는 구 속되어 있던 포장의 팽창이 이완되면서 또는 AAR이 더욱 진 전되어 나타나는 현상이다. 따라서 팽창줄눈 유간을 주기적 으로 조사하여야 하고, 팽창줄눈 협착 시 반복하여 재시공하 는 불편함이 있다.

2.4.2. 아스팔트 치환공법

아스팔트 치환공법은 Fig. 11, Photo 4와 같이 기존 콘크리 트 포장을 일부 절취하여 아스팔트 포장으로 치환하는 공법 이다. 교량에 인접한 위치에 콘크리트 포장의 일부 즉, 수축줄 눈 사이 4～5 m의 전단면을 아스팔트 콘크리트로 치환하는 방법이다.

Fig. 11

Replacement with asphalt

Photo 4

Replacement with asphalt(On-site)

아스팔트 치환공법은 팽창줄눈 시공방법과 달리, 팽창에 대한 충분한 유간을 확보할 수 있어 교량에 대한 손상방지효 과가 높다. 반면에 콘크리트 포장이 팽창하면서 치환된 아스 팔트에 융기현상이 나타나므로 아스팔트를 절삭하여 평탄성 을 확보할 필요가 있다.

시공된 팽창줄눈의 협착이 반복되는 구간이나 콘크리트 포 장 길이가 긴 구간은 일반적으로 팽창줄눈 시공방법보다 아 스팔트 치환공법이 유리할 것이다.