2.1 미끄럼 방지 포장 공법

미끄럼 방지 포장이란 노면의 미끄럼 저항이 낮아진 곳, 도로의 평면 및 종단 선형이 불량한 곳 등에서 포장면의 미끄럼 저항력을 높여 주기 위한 목적으로 설치되는 시설을 의미한다. 미끄럼 방지 포장은 표면의 재료를 제거하는 형식과 표면에 신재료를 추가하는 형식으로 Table 1과 같이 구분할 수 있다(MOLIT, 2019)⁽²⁾.

표면의 재료를 제거하는 형식의 미끄럼 방지 포장 공법에는 그루빙(Grooving), 숏 블라스팅(Short Blasting), 노면 평삭 공법이 있다.

그루빙 공법은 다이아몬드 날 또는 텅스텐 카바이드 드럼 등을 여러 개 부착시킨 그루빙 기계로 도로 포장 표면에 일정한 규격의 홈을 형성하는 공법이다. 해당 공법은 우천 시 수막현상(Hydroplaning)을 억제하거나 노면과 타이어의 마찰을 개선하기 위해 실시하는 미끄럼 개량 공법이다. 숏 블라스팅 공법은 블라스터(Blaster)라 불리는 다량의 쇠구슬을 고압으로 노면에 연속 타격하여 조면 조직을 회복시키는 것으로 원래 강구조 표면의 녹제거나 콘크리트 면의 기름때 제거용으로 적용되었는데, 장비가 대형화 되면서 도로 포장면의 미끄럼 증진용이나 콘크리트 포장 덧씌우기 층의 접착력 증진을 위해 사용되고 있다. 노면 평상 공법은 포장 노면을 전체적으로 약간 깎아내는 방법으로 조면 조직을 회복시키는 공법이다.

표면에 신재료를 추가하는 형식의 미끄럼 방지 포장 공법에는 개립 마찰층(OGFC: Open-Graded Friction Course), 슬러리 실(Slurry Seal), 수지계 표면처리 공법으로 구분된다.

개립도 마찰층은 굵은 골재, 잔골재, 필러 및 아스팔트를 이용한 포장용 가열 혼합물을 박층으로 포설하고 다지는 공법이다. 위 공법은 표면 배수가 신속하여 수막현상을 최소화할 수 있고 우천, 고속 주행 시의 미끄럼 저항성을 개선할 수 있다. 슬러리 실 공법은 상온에서 유화 아스팔트, 잔골재, 석분, 물 등을 혼합한 유동체인 슬러리 혼합물을 6~10 mm 정도 포장면에 포설하는 공법이다. 위 공법은 상온 혼합 방식의 표면 처리이므로 상온에서 시공할 수 있으며, 다짐작업이 필요하지 않은 이점이 있고, 균일하고 치밀한 혼합물을 만들 수 있어 헤어 크랙(Hair crack)등을 보수하는 효과도 있다. 수지계 표면처리 공법은 현재 국내에서 가장 많이 사용되는 공법이며 포장면에 에폭시 수지를 도포한 후 마찰계수가 큰 경질 골재를 살포하여 고착시키는 공법이다. 특히 보도포장은 표면에 신재료를 추가하는 방식이 대부분이며 적용하는 장소, 용도, 기능, 포장 재료에 의해 Table 2와 같이 구분된다(MOLIT, 2018)⁽⁶⁾.

Fig. 1 Schematic diagram of pattern frame

Fig. 2 Construction sequence of pattern frame

이러한 미끄럼 방지 포장의 주요 성능 지표는 미끄럼 저항성과 기존 포장 면과의 부착 성능이다. 보도 포장의 표층은 보행자의 안전한 통행을 위하여 미끄럼 저항성을 가지고 있어야 하며 일반적으로 미끄럼 저항치는 습윤 상태를 기준으로 BPN (British Pendulum Number) 40 이상이 바람직하다(MOLIT, 2018)⁽⁶⁾. 여기서 BPN이란 노면의 미끄럼 저항 지수로 도로 포장재 표면의 마찰 특성을 측정하는 장비인 영국식 진자 시험기로 산출된 결과 값을 의미한다. 포장재 자체의 미끄럼 저항이 높을수록 보행자에게 쾌적하고 안전한 보도 환경을 제공한다(Choi, 2015). 또한 기존 포장 면과의 부착강도는 적용된 공법의 사용연한을 결정하는 수치로써 부착강도가 낮을 경우 기존 포장 면과 추가된 재료 사이에 재료 분리가 발생하여 제 기능을 하지 못하게 된다. 따라서 본 기술개발에서는 국내형 패턴프레임의 중요지표 성능 수치를 검증하기 위하여 미끄럼 저항과 부착강도 평가를 진행하였다.

본 논문에서 제시하는 패턴 프레임 공법은 표면에 신재료를 추가하는 수지계 표면처리 공법 중 하나로써 미끄럼 저항성과 부착성능을 주요 성능지표로 삼고 있다. 추가적으로 패턴프레임 공법은 기존 미끄럼 방지 포장의 기능과 동시에 도로 표면에 일정한 패턴을 넣을 수 있어 디자인적으로 경관을 향상 시키는 장점이 있다.

2.2 패턴 프레임 공법

패턴프레임 공법은 수지계 혼합물 포장의 일종으로 타일, 블록의 패턴 프레임을 사용하여 아스팔트 및 콘크리트 포장에 골재를 살포하는 공법이며, 보도에 내구성 확보 및 미끄럼 방지 역할을 함과 동시에 원하는 패턴을 배치할 수 있어 도로 경관을 향상시킨다. 패턴 프레임 공법의 주재료는 프라이머, 언더코팅, 패턴 프레임, 바인더 코틴, 골재, 탑 코팅이다. 공법의 개략도는 Fig. 1과 같으며 시공 순서는 Fig. 2와 같다. Fig. 2의 (a)와 같이 아스팔트 및 콘크리트 표면에 언더코트 도료를 도포하여 바닥을 고르게 만들고 접착력을 향상시킨다. (b)와 (c)는 언더코팅 재료가 경화된 후 표면에 사용자가 원하는 모양의 패턴 프레임을 배치하고 골재 접착을 위한 바인더를 살포하는 공정이다. 바인더가 완전히 경화되기 전에 (d)와 같이 미끄럼 저항 성능을 위한 골재를 살포한다. (e)와 (f)는 바인더 경화 후 패턴 프레임을 탈거 후 골재의 탈락 방지 및 사용기간 연장을 위한 탑 코트 도료를 도포하는 과정이다.

Fig. 3 Domestic construction defects

하지만 기존의 패턴프레임 공법의 경우 시공 과정에 사용되는 소재를 전부 수입 제품에 의존하고 있으며, 특히 언더코팅 재료 중 일부는 일본 경제산업성이 발표한 수출규제품목(METI, 2019)⁽⁸⁾에 포함되어 있다. 또한 국내 시범시공에서는 대체된 국산 소재의 부착강도 저하로 인해 하자 사례가 빈번하게 발생하고 있는 실정이다. Fig. 3은 국내 패턴프레임 시범시공 하자사례 예시 사진이다. 해당 하자는 기존 바탕 면과 언더코팅 재료 간의 부착강도 성능 저하로 인한 포장재의 박리의 예시이다.

3.1 국산화 대체 품목 성분 분석

기존 패턴프레임 공법에 사용되는 재료 중, 일본의 수출규제품목으로 지정된 언더코팅 레진과 언더코팅 내 혼입되는 골재의 국산화를 진행하였다. 언더코팅의 경우 액상 규사와 산화 알루미나로 구성된 국내 제품을 사용하였으며 골재의 경우 4~6호사 규격의 국내 제품을 사용하였다. 기존에 사용된 소재와 국산화 대체 소재의 성분 분석 결과는 다음 Table 3과 Table 4와 같다. 언더코팅 소재의 경우 중요 성능인 부착 강도가 기존의 수입산 소재와 동일한 수치를 보였으며, 시공성에 영향을 미치는 밀도는 수입산 소재 1.57 $g/cm^{3}$, 국산화 대체 소재는 1.70 $g/cm^{3}$로 유사한 성능을 보였다. 다만, 건조 시간의 경우 수입산 소재가 30분, 국산화 대체 소재가 35분으로 경화에 걸리는 시간에서는 수입산 소재가 16 % 정도 빠른 수치를 기록하였다. 경제성 분석을 위하여 1 $m^{2}$를 기준으로 언더코팅 도포, 디자인 프레임 설치 및 해체, 미끄럼 방지용 골재 살포, 바인더 살포, 탑코트 도포의 패턴 프레임 전 공정을 진행하였을 시 소재의 가격에 대한 비교를 진행하였다. 그 결과, 수입산 소재가 83,945원, 국산화 대체 소재가 48,905원으로 국산화 대체 소재가 수입산 소재 대비 45 % 절감이 가능한 것으로 나타났다. Table 5는 각 공정별 재료비의 차이이다.

Fig. 4 Pattern frame specimen

3.2 부착강도 성능 검증

국산화 대체 소재의 주요 성능 검증을 위하여 시편을 제작하였다. 콘크리트 모판은 폭 600 mm, 길이 600 mm, 높이 100 mm 로 제작하였고 상단부에 언더코팅 및 미끄럼 저항 포장을 진행하였다. 콘크리트 모판 위에 국산화 언더코팅 소재로 시편을 제작을 하였다. 우측에는 비교를 위해 기존에 사용되던 일본산 언더코팅 소재로 시편을 제작하였다. 시편은 실제 현장에 적용되는 패턴프레임 공정과 동일하게 제작하였으며 Fig. 4와 같다.

부착강도의 경우 건설공사 표준 시방서의 시멘트 콘크리트 포장공사 및 접착식 콘크리트 덧씌우기 포장 기준의 부착강도인 기준인 1.4 MPa를 목표로 성능 평가를 진행하였다. 성능 검증에는 DeFelsko 사의 Positest AT-A50C을 사용했으며 세부 정보와 사진은 Table 6에 제시하였다. 부착강도 시험 방법은 KS F 3211 : 2015 건설용 도막방수제의 부착 성능 시험 기준에 준하여 진행하였으며 언더코팅을 도포하고 일주일간 실온에서 건조 후 성능 검증 실험을 진행하였다. 2회 반복 성능 검증 결과 국산화 대체 언더코팅의 부착강도는 2.35 MPa로 건설공사 표준 시방서의 시멘트 콘크리트 포장공사 및 접착식 콘크리트 덧씌우기 포장 기준의 부착강도를 만족하였다.

Fig. 5 British pendulum Tester (BPT)

3.3 미끄럼 저항 성능 검증

미끄럼 저항 실험은 영국식 미끄럼 저항 시험기(BPT, British Pendulum Tester)를 사용하여, 실내 또는 현장에서 노면의 미끄럼 저항성을 측정하는 실험이다. 영국식 미끄럼 저항 시험기는 슬라이더와 진자로 이루어져 있으며, 그 중량과 진자 무게 중심까지의 거리는 각각(1,500±30) g 과(410±5) mm이다. 진자식 원리를 이용하여 노면을 마찰시켜 발생되는 에너지 손실량을 BPN으로 측정하게 된다. Fig. 4는 미끄럼 저항 성능 실험에 사용된 영국식 미끄럼 저항 시험기이다(HMSO, 1969)⁽¹⁸⁾.

미끄럼 저항 성능의 경우 서울형 보도포장 미끄럼 저항 기준 보고서(Seoul, 2010)⁽⁹⁾ 중 종-횡단 경사 0~2 % 기준으로 미끄럼 저항 성능 목표를 40 BPN으로 설정하고 성능 평가를 진행하였다. 미끄럼 저항 성능 측정 방법은 KS F 2375 : 2016 노면의 미끄럼저항성 시험방법에 준하여 시험을 진행하였으며, 타 미끄럼 방지 포장과 성능을 비교하기 위하여 기존의 보도 포장 재료에 대한 미끄럼 저항 성능 수치를 측정하였다.

성능 측정 실험은 노면이 습윤한 상태에서 진행하였으며 5회 반복 후 평균값을 기록 하였다. Table 7은 보도 포장 형태에 따른 미끄럼 저항 성능 수치이다. 국산화 된 소재로 시공한 패턴 프레임 공법의 미끄럼 저항 성능은 75 BPN으로 서울형 보도포장 미끄럼 저항 기준 보고서 중 종-횡단 경사 0~2 % 기준인 40 BPN 이상을 만족하였다.