KR100732865B1 - 고인성시멘트복합체를 사용한 저소음 고내구성교면포장공법 - Google Patents

고인성시멘트복합체를 사용한 저소음 고내구성교면포장공법 Download PDF

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KR100732865B1
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Abstract

본 발명은 콘크리트상판 및 강상판의 교면을 포장함에 있어서, 상판 표면의 이물질을 제거한 후, 상판의 표면에 10~50mm의 두께로 고인성시멘트복합체(103)를 포설마감하여 포장 본체를 형성시키고, 고인성시멘트복합체(103)가 경화하기 전에 그 표면에 단입도의 골재(104)를 살포한 후 다짐작업을 실시하여 고인성시멘트복합체(103)와 각 골재(104)의 일부분이 일체화 되도록 구성하는 것을 특징으로 하는 저소음 고내구성 교면포장공법에 관한 것이다. 특히, 본 발명의 포장 본체로 사용되는 고인성시멘트복합체는 재령 28일에 있어서 직접인장시험에 의한 직접인장변형률이 1.0% 이상을 나타내며, 휨하중 및 인장하중 작용하에 있어서 복수의 미세균열인 멀티플크랙(Multiple crack)특성을 발현하는 것을 특징으로 한다.
교면포장, 고인성시멘트복합체, 단섬유보강, 변형경화거동, 멀티플크랙, 골재노출, 저소음, 고내구성

Description

고인성시멘트복합체를 사용한 저소음 고내구성 교면포장공법{Low noise and high durable Pavement method of bridge deck using high performance fiber reinforced cementitious composite}
도 1은 본 발명의 저소음 고내구성 교면포장공법의 단면구성 모식도를 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 저소음 고내구성 교면포장의 시공순서를 나타낸 도면이다.
**도면의 주요부분에 대한 부호의 설명**
101 : 콘크리트
102 : 철근
103 : 상판의 표면
201 : 고인성시멘트복합체
202 : 단입도 골재
202-1 : 비매립부분
202-2 : 매립부분
203 : 수밀성강화제
본 발명은 콘크리트상판 및 강상판의 교면포장에 있어서, 재령 28일에서의 직접인장변형률이 1.0% 이상인 고인성시멘트복합체(201)를 사용하여 포장 본체를 형성하고, 그 위에 골재(202)의 노출층(202-1)을 형성시켜 포장체를 완성함으로서, 차량 타이어의 에이펌핑음에 교통소음을 최소화할 수 있으며, 더욱이 윤하중에 의한 피로하중에 대하여 높은 내구성을 지니고, 유해한 매크로크랙(Macro crack)을 무해한 마이크로크랙(Micro crack)으로 전이시켜 외부열화인자의 침입을 억제할 수 있는 신개념의 저소음 고내구성 교면포장공법에 관한 것이다.
일반적으로 교량상판의 포장, 즉 교면포장공법은 아스팔트콘크리트계 포장공법(이하, 아스팔트교면포장)과 시멘트콘크리트계 포장공법(이하, 콘크리트교면포장)으로 대별할 수 있다.
국내의 경우, 교량상판의 교면포장공법으로 초기투자비용이 적고, 시공이 용이하며, 승차감 및 주행성이 우수한 아스팔트교면포장이 주로 활용되어 왔으나, 이러한 아스팔트교면포장은 내구성이 불량하여 막대한 유지관리비용의 출혈을 초래하게 되었다. 더욱이, 포트홀, 소성변형, 균열 등과 같은 아스팔트교면포장층의 손상과 방수층의 파괴에 의해 교량상판구조물로 수분이나 염화물이온 등의 각종 열화인자가 침입하게 되어 교량구조물의 내구성을 현저하게 저하시키는 원인으로도 작용하고 있다.
이러한 배경에서 최근에는 초기투자비용은 고가이지만 내구성이 우수하여 유지관리비용을 저감시킬 수 있고 장기간 공용할 수 있는 콘크리트 교면포장의 비율 이 점점 증대되고 있다. 이러한 콘크리트 교면포장공법의 대표적인 일례로서는 건설교통부 신기술 제320호(2003년) 및 제000호(0000년) 등과 같이 LMC(Latex Modified Concrete)를 사용한 교면포장공법이 주로 활용되고 있다. 전술한 LMC는 SB계 라텍스를 혼입하여 교량상판과의 부착성능을 향상시키고, 휨강도, 내동해성, 내마모성, 물질투과저항성 등이 매우 우수한 콘크리트이며, LMC를 사용한 교면포장공법은 전술한 성능을 활용하여 교량상판 위에 방수층을 형성하지 않고 약 5cm의 두께로 타설되는 교면포장공법이다.
그러나, 상기의 LMC를 사용한 교면포장공법의 경우에 있어서는 시공직후 건조수축에 의한 균열이 다수 발생되어 포장공사와 균열보수공사가 겸하는 경우가 대다수이며, 또한 휨강도는 약 6.0~8.0MPa 수준으로 일반콘크리트(약 4.5MPa 정도)에 비해 높은 반면, 휨인성 및 피로저항성은 일반콘크리트와 유사하여 공용중 교통하중에 의한 균열발생의 위험성이 높다고 알려져 있다. 더욱이, 공용중에 있어서 콘크리트포장의 단점인 주행성 불량과 교통소음의 유발 등이 문제점으로 지적되고 있다.
이에 본 발명에서는 전술한 LMC 등 콘크리트 교면포장의 문제점인 건조수축균열 및 공용중 교통하중(피로하중)에 의한 피로균열을 제어할 수 있고, 더불어 모체콘크리트(101)에 매크로크랙이 발생하여도 포장체(201)가 이를 마이크로크랙으로 분산시켜 수분 및 염화물이온 등 외부열화인자의 침입을 억제함으로서 포장체(201) 및 교량상판의 내구성을 대폭적으로 향상시킬 수 있도록, 재령 28일에 있어서 1.0% 이상의 직접인장변형성능을 가지고, 또한 휨하중 및 인장하중 작용하에서 멀티플크랙특성을 발현하는 교면포장용 고인성시멘트복합체(201)를 개발하고자 하였다.
한편, 콘크리트 교면포장의 최대 단점인 교통소음을 저감시키고 미끄러짐 저항성을 더욱 향상시킬 수 있도록 하기 위해 포장 본체인 고인성시멘트복합체(201)의 상부표면에 단입도 골재(202)를 일체화시켜 교면포장의 최상층이 노출 골재(202-2)로 구성되도록 하였다.
본 발명의 저소음 고내구성 교면포장공법은 상판의 표면에 10~50mm의 두께로 형성된 고인성시멘트복합체층(포장본체)(201)과, 상기 고인성시멘트복합체(201)의 상층부에 노출되어 일체화된 단입도 골재층(202)으로 구성되며, 상기의 단입도 골재층은 고인성시멘트복합체(201)에 일부 매립된 부분(202-2)과 대기중에 노출된 부분(202-1)으로 구성된다. 더욱이, 고인성시멘트복합체(201)와 골재(202)와의 부착성능을 향상시킴과 동시에 노출 표면의 수밀성을 향상시키기 위해 상기 고인성시멘트복합체(201)의 최상부에 수밀성강화제를 도포한 수밀층으로 구성된다.
이하에 본 발명을 상세히 설명한다.
본 발명의 저소음 고내구성 교면포장공법의 시공공정은 도 2에 나타낸 바와 같이 a) 교량상판의 이물질 등을 제거하는 바탕처리공정(S101); b) 고인성시멘트복합체(201)를 포설하는 공정(S102); c) 타설된 고인성시멘트복합체(201)의 표면을 1차 마무리하는 공정(S103); d) 수밀성강화제를 도포하는 공정(S104); e) 고인성시멘트복합체(201)의 표면을 2차 마무리하는 공정(S105); f) 단입도 골재(202)를 살 포하고 고인성시멘트복합체(201)와 일체화되도록 다짐/누름하는 공정(S106); g) 소요의 강도가 발현되도록 양생하는 공정(S107)으로 이루어진다.
즉, 상기 a)의 바탕처리공정(S101)에서는 교량상판 표면의 이물질 등을 브러시나 고압워터젯으로 제거하며, 콘크리트상판인 경우에는 고인성시멘트복합체(201) 타설시 수분흡수를 방지하기 위해 24시간 전에 바탕면을 충분히 흡수시켜 타설시 바탕면이 표건상태인 것이 바람직하다.
상기 b)의 고인성시멘트복합체(201) 포설공정(S102)에서는 현장배치믹서나 레미콘플랜트에서 제조된 고인성시멘트복합체를 펌프카나 호퍼 등의 타설장비를 활용하여 소정의 타설높이까지 타설하는 공정이다. 즉, 본 공정에 사용되는 고인성시멘트복합체(201)는 특수 배합된 매트릭스와 고장력 폴리비닐알콜(PVA)섬유 또는 고장력 폴리에틸렌(PE)섬유가 조합된 경화체이며, 재령 28일에 있어서 직접인장변형률이 1.0% 이상을 발휘하고, 또한 휨하중 및 인장하중 작용하에서 초기균열이 발생한 후에도 응력의 저하 없이 변형의 증대와 함께 응력이 다시 상승하는 변형경화거동(Strain hardening behavior)과 이 과정에서 복수의 미세균열이 발생하는 멀티플크랙특성을 발현하는 재료이다. 한편, 상기의 성능을 만족시키는 고인성시멘트복합체(201)는 아래 [M-01]의 조건을 만족시키는 매트릭스 100용적부에 아래 [F-01]의 조건을 만족시키는 고장력 PVA섬유 또는 고장력 PE섬유를 1.0~2.5용적부를 조합한 것이다.
[M-01]
단위수량(W) : 230~430kg/m3
물/모르터(W/M)의 중량비 : 13~30%
물/결합재(W/B)의 중량비 : 20~40%
잔골재/결합재(S/B)의 중량비 : 20~100%
플라이애시/시멘트(FA/C)의 중량비 : 30~120%
고로슬래그미분말/시멘트(BFS/C)의 중량비 : 1~50%
실리카흄/시멘트(SF/C)의 중량비 : 1~10%
충전재/시멘트(F/C)의 중량비 : 1~30%
팽창재/시멘트(CAS/C)의 중량비 : 1.0~20.0%
분말수지/시멘트(P/C)의 중량비 : 0.1~10.0%
증점제/시멘트(HPMC/C)의 중량비 : 0.001~0.100%
고성능AE감수제/시멘트(SP/C)의 중량비 : 0.5~3.0%
[F-01]
(고장력 PVA섬유)
섬유직경 : 26~100㎛
섬유길이 : 3~15mm
섬유인장강도 : 1,200~1,900MPa
(고장력 PE섬유)
섬유직경 : 5~50㎛
섬유길이 : 3~15mm
섬유인장강도 : 2,500~3,500MPa
상기와 같은 성능을 갖는 고인성시멘트복합체(201)를 교량상판 상부에 10~50mm, 양호하게는 20~35mm의 두께로 타설하여 교면포장의 본체로 사용함으로서, 고인성시멘트복합체에 다량으로 혼입된 고장력 마이크로섬유에 의해 시공직후 건조수축에 의한 균열을 완전하게 억제할 수 있으며, 또한 고인성시멘트복합체가 내피로저항성 및 균열저항성이 매우 우수하여 공용중 교통하중 등의 피로하중에 의한 균열발생을 제어할 수 있고, 따라서 교량상판 및 교면포장의 고내구화가 가능하다.
상기 c)의 1차 마무리공정(S103)은 타설된 고인성시멘트복합체가 소정의 설계높이로 되도록 표면을 정리하는 공정이며, 본 공정에서는 흙손 등의 장비를 활용하여 인력으로 정리하여도 된다.
상기 d)의 수밀성강화제 도포공정(S104)은 1차 마무리된 고인성시멘트복합체의 표면에 수밀성강화제를 도포하는 공정으로, 수밀성강화제로는 SB계 라텍스, 아크릴수지 등 액상제품의 사용이 바람직하며, 이의 도포는 롤러, 붓, 스프레이 등으로 1회 또는 2회 도포하는 것이 바람직하다. 즉, 수밀성강화제를 도포함으로서 시공과정에 있어서 고인성시멘트복합체의 표면마감성이 향상되며, 고인성시멘트복합체(201) 최상층부의 수밀성능 및 방수성능을 대폭적으로 향상시킬 수 있을 뿐만 아니라, 상부 골재(202)와의 부착성능이 크게 향상되어 골재의 탈리 및 박락현상에 대한 저항성이 대폭 향상된다.
상기 e)의 고인성시멘트복합체(201) 2차 마무리공정(S105)은 수밀성강화제가 도포된 고인성시멘트복합체의 표면을 최종적으로 마감하는 공정으로, 이 단계에서 고인성시멘트복합체의 표층부(약 1~5mm 정도)와 수밀성강화제가 믹싱되어 일체화 된다. 본 단계에서의 마무리장비로는 콘크리트포장 마감용 피니셔가 사용되는 것이 바람직하며, 인력에 의한 마감도 가능하다.
상기 f)의 골재살포 및 누름공정(S106)은 2차 마무리된 고인성시멘트복합체(201)의 표면에 골재를 균등하게 살포하고 고인성시멘트복합체가 굳기 전에 살포된 골재를 다짐(누름)하여 골재와 고인성시멘트복합체를 일체화시키는 공정이다. 본 공정에서 사용되는 골재로는 최대치수가 13mm 이하인 단입도 골재가 사용되며, 양호하게는 5~8mm, 5~10mm, 8~10mm 등의 단입도 골재를 사용하는 것이 바람직하다. 또한, 골재의 종류에 관해서는 별도의 제한이 없으나, 경도 및 내마모성이 우수한 천연골재의 사용이 바람직하다. 한편, 골재의 살포작업은 자동살포장치를 사용하는 것이 바람직하나 인력이 의한 살포작업도 가능하다. 더욱이, 살포된 골재(202)는 다짐(누름)작업을 실시하여 골재 직경의 절반 이상이 고인성시멘트복합체에 매립 또는 일체화되는 것이 바람직하며, 노출된 골재(202-1)의 높이는 1~5mm 범위인 것이 적당하다. 즉, 노출된 골재의 높이가 1mm 미만인 경우에는 저소음 포장으로서의 소음저감효과를 발휘하기가 곤란하며, 반면 5mm를 초과하는 경우에는 자동차 타이어와의 충격에 의해 탈리/박락현상이 발생될 우려가 있다.
상기 g)의 양생공정(S107)은 일사 및 바람 등에 의한 수분증발을 방지하고, 더욱이 소정의 강도가 발현될 때까지 보온 및 보양하는 공정으로, 골재의 살포 및 다짐공정(S106)이 완료된 직후에 비닐포나 양생포 등을 활용하는 것이 바람직하다.
이하, 본 발명의 실시예에 대하여 상세하게 설명하고자 하며, 본 발명의 범위가 이들 실시예에 한정된 것은 아니다.
(실시예 및 비교예)
(배합사항 및 실험방법)
실시예 1 및 2는 본 발명의 저소음 고내구성 교면포장공법에 사용되는 고인성시멘트복합체로, 표 1에 나타낸 바와 같이 실시예 1 및 2에 사용된 매트릭스의 배합은 동일하며, 실시예 1의 경우 섬유혼입량을 26kg/m3, 실시예 2의 경우 31kg/m3로 각각 변화시켰다.
한편, 비교예 1은 건설교통부 신기술 제322호(신기술명 : 신설 콘크리트 교면포장용 SB라텍스혼입 개질콘크리트 제조 및 시공방법)에 사용되는 LMC(즉, SB라텍스 혼입 개질콘크리트)를 나타낸 것이다.
표 1. 본 발명의 실시예 및 비교예의 배합사항 및 측정결과
구 분 실시예1 실시예2 비교예1 비 고
배합 사항 (kg/m3) 물 210 210 건설교통부 신기술 제322호 (LMC) 참조 수도수
시멘트 560 560 1종 보통포틀랜드시멘트
잔골재 592 592 7호 규사
플라이애시 160 160 1종 플라이애시
고로슬래그미분말 32 32 (주)기초소재
실리카흄 24 24 중국산
충전재 135 135 탄산칼슘
팽창재 48 48 덴카 NO-20
분말수지 48 48 비나파스 N
증점제 0.2 0.2 HPMC
섬유 26 31 PVA(직경 39㎛, 길이 12mm)
측정 결과 압축강도(MPa) 354 336 343 KS F 2405
휨강도(MPa) 11.7 15.3 8.3 KS F 2408
직접인장강도(MPa) 4.2 4.6 3.1 1축 인장실험
직접인장변형률(%) 1.4 2.3 0.001 LVDT(1/1000)
멀티플크랙의 유/무 유 유 무 육안관찰
부착강도(MPa) 2.4 2.1 1.8 KS F 4042
내구성지수(%) 100 100 97 KS F 2456
또한, 본 발명의 실시예 및 비교예에 있어서 비빔은 용량 100리터의 팬믹서를 사용하여 제조하였으며, 비빔 직후 각 시험용 몰드에 타설한 후, 24 시간동안 실내에서 존치하였다. 그 후 탈형하여 온도 20℃, 습도 60%의 항온실에서 소정의 측정재령까지 양생하여 제작하였다.
(측정결과)
상기의 실험결과를 정리하면, 표 1에 나타낸 바와 같다. 즉, 압축강도는 실시예 1 및 2와 비교예 1이 거의 유사한 수준으로 나타났으나, 휨강도는 비교예 1에 비하여 실시예 1의 경우 약 40%, 실시예 2의 경우 약 84%가 각각 증가되었다. 또한, 직접인장강도는 비교예 1이 비하여 실시예 1의 경우 약 35%, 실시예 2의 경우 약 48%가 각각 증가되었고, 직접인장변형률은 비교예 1이 비하여 실시예 1의 경우 약 1,4000배, 실시예 2의 경우 약 2,300배가 향상되었다.
한편, 직접인장시험시 멀티플크랙의 발생유무를 조사한 결과, 비교예 1의 경우 멀티플크랙이 발생되지 않고 초기균열이 급격히 확장되면서 파괴되는 취성적 파괴거동을 보였다. 반면, 실시예 1 및 2의 경우에는 초기균열이 발생한 후에도 균열폭이 확장되지 않고 주변의 매트릭스에서 마이크로크랙이 지속적으로 전전되었으며, 안정적인 멀티플크랙이 시험체 전반에 걸쳐 발생하였다.
또한, 부착강도는 비교예 1에 비하여 실시예 1의 경우 약 33%, 실시예 2의 경우 약 16%가 증가되었으며, 실시예의 경우 모두 모체에서의 파괴가 발생하여 우수한 부착성능을 확인할 수 있었다. 더욱이, 300싸이클까지의 급속동결융해시험에 의해 내구성지수를 평가한 결과, 본 발명의 실시예 1 및 2는 모두 100%로 우수한 내구성을 확인할 수 있었다.
본 발명에 의하면, 재령 28일에 있어서 1.0% 이상의 직접인장변형성능을 갖는 고인성시멘트복합체(201)를 사용한 저소음 고내구성 포장공법은 시공직후 건조수축에 의한 수축균열을 완벽하게 억제할 수 있어 시공과정에서의 하자발생율을 대폭 저감시킬 수 있다.
또한, 공용중에 있어서도 과도한 교통하중에 의한 피로하중이 작용하여도 포장 본체인 고인성시멘트복합체(201)가 충분히 내피로저항성을 가지고 있어 피로균열의 발생을 근본적으로 제어할 수 있으며, 과하중에 의해 교량상판(101)에 유해균열(매크로크랙)이 발생하여도 고인성시멘트복합체(201)가 이를 무해한 마이크로크랙으로 분산시켜 외부열화인자의 침입을 억제함으로서 교량상판 및 교면포장의 고 내구화가 가능하고, 이로 인해 유지관리비용의 대폭적인 절감이 가능하다.
한편, 포장체 표면의 노출골재(202-1)에 의해 교통소음의 주원인인 타이어 에어펌핑음의 발생을 근본적으로 방지할 수 있어 주행성을 향상시킬 수 있으며, 노출골재(202-1)의 높은 내마모성에 의해 포장체의 마모저항성을 증대시킬 수 있다.

Claims (4)

  1. 콘크리트상판 및 강상판의 교면포장에 있어서, 상판 표면의 이물질을 제거한 후, 10~50mm의 두께로 고인성시멘트복합체를 형성시키고, 그 표면에 골재를 살포 및 다짐(누름)하여 고인성시멘트복합체와 골재가 일체화 되도록 하고, 또한 골재의 일부분이 표면으로 노출되도록 시공하는 것을 특징으로 하는 저소음 고내구성 교면포장공법
  2. 청구항 1에 있어서, 고인성시멘트복합체로는 재령 28일에서의 직접인장시험에 의한 직접인장변형률이 1.0% 이상이고, 휨하중 및 인장하중 작용하에서 변형경화거동 및 복수의 미세균열인 멀티플크랙이 발현되는 고인성시멘트복합체가 사용되는 것을 특징으로 하는 저소음 고내구성 교면포장공법
  3. 청구항 1에 있어서, 골재로는 최대치수 13mm 이하의 단입도 골재가 사용되는 것을 특징으로 하는 저소음 고내구성 교면포장공법
  4. 청구항 1에 있어서, 골재와의 접착력과 고인성시멘트복합체의 표면 수밀성을 증대시키기 위해 골재를 살포하기 전에 고인성시멘트복합체의 표면에 수밀성강화제를 도포하는 것을 특징으로 하는 저소음 고내구성 교면포장공법
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