KR101669109B1 - 철도 궤도용 아스팔트 포장 구조물 및 그 시공 방법 - Google Patents

철도 궤도용 아스팔트 포장 구조물 및 그 시공 방법 Download PDF

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양재봉
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박지용
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한국철도기술연구원
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Abstract

아스팔트 함침 부직포층 및 고무개질 이멀션이 포함된 아스팔트 포장을 자갈궤도, 콘크리트궤도 또는 아스팔트 직결궤도와 같은 철도 궤도의 구조별로 각각 적용함으로써 기존의 아스팔트 포장을 이용한 자갈궤도, 콘크리트궤도의 단점을 보완하고, 소성변형 저항성, 균열 저항성, 수분 저항성 등을 향상시킬 수 있는, 철도 궤도용 아스팔트 포장 구조물 및 그 시공 방법이 제공된다.

Description

철도 궤도용 아스팔트 포장 구조물 및 그 시공 방법 {ASPHALT PAVEMENT STRUCTURE FOR RAILROAD TRACK, AND CONSTRUCTION METHOD FOR THE SAME}
본 발명은 철도 궤도용 아스팔트 포장 구조물에 관한 것으로, 보다 구체적으로, 자갈궤도, 콘크리트궤도 또는 아스팔트 직결궤도와 같은 철도 궤도의 구조별로 각각 아스팔트 포장(Asphalt Pavement)이 적용되는 철도 궤도용 아스팔트 포장 구조물 및 그 시공 방법에 관한 것이다.
국내경제의 지속적인 발전과 더불어 사회기반시설과 열차의 고속화로 인해 열차 주행시 진동 및 소음이 증가되고 있다. 이러한 열차의 고속화 등으로 진동과 소음의 영향을 받는 지역이 확장됨에 따라 도시환경 소음을 해결하기 위한 민원이 늘어나고 있는 실정이다.
이러한 도시환경 소음의 종류로는 도로교통 소음, 철도 소음, 항공기 소음, 건설 소음 등이 있다. 특히, 철도 소음은 열차의 주행속도, 차량의 종류, 차량의 운행 방법 등에 따라 달라지며, 구체적으로, 철도 소음은 열차의 엔진 소음, 열차 표면과 공기의 흐름에 의해 발생되는 기체 소음, 주행바퀴(wheel)와 레일의 마찰에 의해 발생되는 노면 소음 등이 있다.
또한, 이러한 철도 소음은 노반의 상태나 토지지형의 조건, 건물이나 차폐물에 의한 음의 반사와 차폐 효과 등의 복합적인 소음 발생인자들에 의해 영향을 받는다고 할 수 있다. 또한, 이러한 소음 및 진동의 저감을 위해 간접적인 방식보다는 소음의 발생량 자체를 저감시키는 직접적인 방식이 보다 효과적이며, 최근 소음 및 진동 저감형 철도 아스팔트 포장 공법이 개발되고 있다.
이러한 소음 및 진동 저감형 철도 아스팔트 포장 공법은 열차 주행시 레일과 침목으로부터 전달되는 진동을 아스팔트 탄성 포장체 및 아스팔트 2중 보강 부직포를 이용함으로써 열차 고속주행에 대한 전단력을 향상시키고, 이와 더불어 충격을 감쇠하여 소음 및 진동을 현저하게 줄일 수 있다. 또한, 이러한 소음 및 진동 저감형 철도 아스팔트 포장 공법은 소음 저감에 대한 사회적 요구를 충족시킬 수 있도록 시가지, 주택가, 터널 등 소음 및 진동 발생이 높은 지역에 적용할 수 있다.
구체적으로, 소음(Noise)이란 원하지 않는 시끄럽고 음색이 불쾌감을 주는 큰 소리로서, 강한 충격에 의해 물체가 심하게 진동하는 현상을 말한다. 이러한 소음에 대한 느낌은 사람에 따라 다르며 지속시간에 따라 느낌이 다르다. 일반적으로, 사람이 불쾌하게 느끼는 소리, 이것은 상당히 주관적인 정의이며, 어떤 사람에게는 소음이라 해도 다른 사람에게는 마음에 드는 소리도 될 수 있다. 보통 일반적인 사람은 20~2000㎐까지 음을 감지할 수 있다. 최근 들어 열차의 고속화, 도시철도의 주택 인접주행에 따라 교통소음으로 인한 피해건수는 해마다 늘고 있는 추세이다.
이때, 소음으로 인한 피해 장소는 주로 병원이나 학교이며, 예를 들면, 도시권 지역학교의 소음도는 60~65㏈(A) 수준이며, 병원 및 공공도서관 등의 소음도는 64~69㏈(A) 수준이다. 이에 따라 환경기준은 물론이고 도로교통 소음 한도를 초과하는 지역이 늘어나고 있다.
도 1a는 도로포장에서 타이어 도로소음의 저감을 설명하기 위한 도면이고, 도 1b는 철도에서 강성체가 고정된 자리에서 직접적으로 진동이 발생하는 것을 설명하기 위한 도면이다.
도로포장에 주로 사용되고 있는 저소음 포장은 포장체 내에 존재하는 공극으로 배수 기능을 보완하는 포장이며, 공극이 건조한 상태에서 공기의 투과성도 높다는 특징이 있다. 이에 따라, 도 1a에 도시된 바와 같이, 도로포장은 패턴 홈 공명음(패턴 가진음)과 공기파열음(에어 펌핑음)을 억제함으로써 타이어(10)로 인한 도로소음을 저감시킬 수 있다.
하지만, 도 1b에 도시된 바와 같이, 철도는 도로와는 달리 타이어의 이동에 의한 공명음과 공기파열음의 형식이 아니라 열차(30)의 주행시 목재 또는 콘크리트 침목(20) 등 강성체가 고정된 자리에서 직접적으로 진동을 발생한다.
한편, 아스팔트 포장층의 전단력 저하는 지반의 불안정, 과도한 교통하중, 우수의 영향, 계절의 변화 등 다양한 요인들로 인해 기인하게 된다. 그렇기 때문에 아스팔트 포장의 전단력을 향상시키기 위해서 다양한 요인들을 해소하여야 하며, 그중에서도 열차의 주행에 따라 발생되는 속도에 의한 전단력 향상, 급제동에 의한 밀림 현상으로 인한 전단력 저하가 충분히 보완되어야 한다.
도 2a 내지 도 2c는 각각 종래의 기술에 따른 아스팔트노반상 자갈궤도, 아스팔트노반상 슬래브궤도 및 아스팔트노반 직결궤도를 나타내는 수직단면도들로서, 도 2a는 아스팔트노반상 자갈궤도(40)를 나타내고, 도 2b는 아스팔트노반상 콘크리트 슬래브궤도(50)를 나타내며, 도 2c는 아스팔트노반 직결궤도(60)를 각각 나타낸다.
도 2a 내지 도 2c에 각각 도시된 바와 같이, 전술한 철도 소음진동 저감형 아스팔트 포장은 아스팔트노반상 자갈궤도(40), 아스팔트노반상 콘크리트 슬래브궤도(50) 및 아스팔트노반 직결궤도(60)로 구분하여 적용될 수 있다.
구체적으로, 자갈궤도(40) 및 콘크리트 슬래브궤도(50)가 적용되는 아스팔트 포장의 경우, 아스팔트 콘크리트(Asphalt concrete: AC) 하부노반 및 아스팔트 콘크리트 상부노반으로 구성된다. 또한, 아스팔트노반 직결궤도(60)가 적용되는 아스팔트 포장의 경우, 침목에서 전달되는 하중을 분산시킬 수 있는 아스팔트 궤도층, 그리고 노반의 불육상태 정리 및 노반으로의 원활한 하중 전달을 위해 아스팔트 콘크리트 하부노반 및 상부노반을 두고 있다. 이때, 이러한 아스팔트노반 직결궤도(60)에 사용되는 아스팔트는 고무개질 아스팔트로서, 탄성 회복력 및 피로균열에 우수한 제품이어야 한다.
한편, 노반을 포함한 철도 궤도의 구조는 예상되는 철도교통수요와 하중조건 및 설계속도에 맞추어 만족스러운 수준의 공용성을 일정 기간 동안 사용자에게 제공할 수 있어야 한다. 노반 및 궤도구조의 설계는 경제적이면서 내구성이 보장되도록 궤도 구조물의 효율적 두께와 층 재료를 선정할 수 있어야 하며, 일정한 궤도 공용성을 반드시 제공할 수 있어야 한다.
그러나 국내에서 사용 중인 궤도 구조의 설계 방법은 단순지지력 개념에 기초한 사양-중심의 외국설계법을 도입하여 사용하고 있으며, 최근의 급속한 철도교통 환경변화(예를 들면, 통과톤수의 증가, 속도증가 등)와 궤도 하부구조에 미치는 다양한 영향을 고려하지 못하고 있다. 특히, 중고속대(200㎞/h~300㎞/h) 및 고속대(300㎞/h 이상)에서 요구되는 노반과 궤도구조는 중저속대(200㎞/h 이하)에서 요구되는 노반 및 궤도구조 설계와는 구분되어야 한다.
한편, 자갈궤도 구조는 분니, 자갈이완, 부등침하 등을 유발하여 과다한 유지보수 비용 및 기술인력이 요구되고, 또한, 콘크리트 궤도구조는 장기간 공사기간이 필요하고 높은 건설비가 소요되므로, 이러한 자갈궤도 구조 및 콘크리트 궤도구조와는 상이한 궤도 구조와 재료를 사용하여 기술인력 부족과 고속화에 따른 유지보수기간을 줄일 수 있는 새로운 생력화 궤도 기술의 개발 및 도입이 필요한 실정이다. 예를 들면, 이러한 생력화 궤도는 아스팔트 콘크리트 노반, 아스팔트 함침 부직포, 고무개질 이멀션(Emulsion) 등의 신재료를 사용하여 설계, 시공하는 신개념 궤도 구조로서, 다양한 성능요구 수준에 부합하는 성능 중심설계가 가능하도록 중고속대 이상 속도대역에서 적용할 수 있는 생력화 궤도 기술이 필요한 실정이다.
대한민국 등록특허번호 제10-1292065호(출원일: 2013년 2월 15일), 발명의 명칭: "박층형 저소음 배수성 아스팔트의 포장공법" 대한민국 등록특허번호 제10-818489호(출원일: 2006년 12월 14일), 발명의 명칭: "보수성 기층을 갖는 배수성 저소음 합성 도로포장 시공방법" 대한민국 등록특허번호 제10-886409호(출원일: 2008년 11월 4일), 발명의 명칭: "소성변형 방지를 위한 2층 섬유보강 포장공법" 대한민국 등록특허번호 제10-736073호(출원일: 2007년 4월 2일), 발명의 명칭: "고무칩을 이용한 탄성 포장구조 및 그 시공방법" 대한민국 공개특허번호 제2014-1647호(공개일: 2014년 1월 7일), 발명의 명칭: "철도용 포장궤도 시공방법"
전술한 문제점을 해결하기 위한 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 아스팔트 함침 부직포층 및 고무개질 이멀션이 포함된 아스팔트 포장을 자갈궤도, 콘크리트궤도 또는 아스팔트 직결궤도와 같은 철도 궤도의 구조별로 각각 적용함으로써 기존의 아스팔트 포장을 이용한 자갈궤도, 콘크리트궤도의 단점을 보완하고, 소성변형 저항성, 균열 저항성, 수분 저항성 등을 향상시킬 수 있는, 철도 궤도용 아스팔트 포장 구조물 및 그 시공 방법을 제공하기 위한 것이다.
전술한 기술적 과제를 달성하기 위한 수단으로서, 본 발명에 따른 철도 궤도용 아스팔트 포장 구조물은, 진동과 구조물의 거동간의 공진(Resonance)을 피하게 함으로써 열차의 충격이 아스팔트 하부노반에 약하게 전달되도록 하는 철도 궤도용 아스팔트 포장 구조물에 있어서, 원지반 상에 포설되는 아스팔트 콘크리트 하부노반; 상기 아스팔트 콘크리트 하부노반 상에 아스팔트 포장층간 전단력을 강화시킬 수 있고, 진동에 대한 균열을 감소시키기 위하여 유화용 고무개질재가 포함되어 포설되는 고무개질 이멀션;상기 고무개질 이멀션 상에 포설되는 아스팔트 콘크리트 상부노반;하부 아스팔트 점착층, 폴리에스터 장섬유 부직포 및 상부 아스팔트 점착층을 적층하여 이루어지며, 상부층에서 작용하는 연직 방향의 변위가 부직포에 크게 발생되지 않도록 상기 아스팔트 콘크리트 상부노반 상에 포설되는 아스팔트 함침 부직포층; 상기 아스팔트 함침 부직포층 상에 형성되는 철도 궤도층;상기 철도 궤도층 상에 시공되는 침목; 및 상기 침목 상에 시공되는 레일을 포함하되,상기 아스팔트 함침 부직포층은 아스팔트에 탄성 폴리머(Polymer)인 SBS(스티렌-부타디엔-스티렌) 고무 또는 APP(Atactic Polypropylene)를 개질시키고, 전단력 및 인장력에 저항하는 강도를 갖는 폴리에스터 장섬유 부직포를 함침시켜 일정 두께를 형성하며,상기 아스팔트 함침 부직포층은, 하부 아스팔트 점착층 및 상부 아스팔트 점착층에 고무분자의 탄력구조를 갖도록 고무(Rubber)에 유황, 카본, 연화제 및 노화방지제를 혼합하여 고온 및 고압으로 가열함으로써 유황분자가 고무분자에 영구적으로 가교를 형성하여 아스팔트가 탄성을 가지도록 하며,상기 아스팔트 함침 부직포층은, 아스팔트 계면에 접착이 용이하도록 폴리에스터 장섬유 부직포를 중심으로 상부 아스팔트 점착층과 하부 아스팔트 점착층의 연화점을 각각 달리하며, 하부 아스팔트 점착층은 아스팔트 콘크리트 노반층과의 열융착 및 전압융착이 용이하도록 연화점 40~80℃로 낮게 설정하며, 상부 아스팔트 점착층은 표층 포설온도로도 부착 능력에 도움이 되도록 연화점 70~130℃로 설정하는 것을 특징으로 한다.
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여기서, 상기 철도 궤도층은 자갈층, 콘크리트 슬래브(PC 패널)또는 아스팔트 콘크리트궤도 표층 중에서 어느 하나가 선택될 수 있다.
한편, 전술한 기술적 과제를 달성하기 위한 다른 수단으로서, 본 발명에 따른 철도 궤도용 아스팔트 포장 구조물의 시공 방법은, 진동과 구조물의 거동간의 공진(Resonance)을 피하게 함으로써 열차의 충격이 아스팔트 하부노반에 약하게 전달되도록 하는 철도 궤도용 아스팔트 포장 구조물의 시공 방법에 있어서, a) 아스팔트 포장 구조물 시공을 위해 원지반 상에 아스팔트 콘크리트 하부노반을 포설하는 단계;b) 상기 아스팔트 콘크리트 하부노반 상에 아스팔트 포장층간 전단력을 강화시킬 수 있고, 진동에 대한 균열을 감소시키기 위하여 유화용 고무개질재가 포함된 고무개질 이멀션을 도포하는 단계;c) 상기 고무개질 이멀션 상에 아스팔트 콘크리트 상부노반을 포설하는 단계;d) 하부 아스팔트 점착층, 폴리에스터 장섬유 부직포 및 상부 아스팔트 점착층으로 이루어지며, 상부층에서 작용하는 연직 방향의 변위가 부직포에 크게 발생되지 않도록 아스팔트 함침 부직포층을 포설하는 단계;e) 상기 아스팔트 함침 부직포층 상에 철도 궤도층을 포설하는 단계;f) 상기 철도 궤도층 상에 침목을 시공하는 단계; 및 g) 상기 침목 상에 레일을 시공하는 단계를 포함하되,상기 아스팔트 함침 부직포층은 아스팔트에 탄성 폴리머(Polymer)인 SBS(스티렌-부타디엔-스티렌) 고무 또는 APP(Atactic Polypropylene)를 개질시키고, 전단력 및 인장력에 저항하는 강도를 갖는 폴리에스터 장섬유 부직포를 함침시켜 일정 두께를 형성하며, 상기 d) 단계의 아스팔트 함침 부직포층은, 하부 아스팔트 점착층 및 상부 아스팔트 점착층에 고무분자의 탄력구조를 갖도록 고무(Rubber)에 유황, 카본, 연화제 및 노화방지제를 혼합하여 고온 및 고압으로 가열함으로써 유황분자가 고무분자에 영구적으로 가교를 형성하여 아스팔트가 탄성을 가지며,상기 d) 단계의 아스팔트 함침 부직포층은, 아스팔트 계면에 접착이 용이하도록 폴리에스터 장섬유 부직포를 중심으로 상부 아스팔트 점착층과 하부 아스팔트 점착층의 연화점을 각각 달리하며, 하부 아스팔트 점착층은 아스팔트 콘크리트 노반층과의 열융착 및 전압융착이 용이하도록 연화점 40~80℃로 낮게 설정하며, 상부 아스팔트 점착층은 표층 포설온도로도 부착 능력에 도움이 되도록 연화점 70~130℃로 설정하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 아스팔트 함침 부직포층 및 고무개질 이멀션이 포함된 아스팔트 포장을 자갈궤도, 콘크리트궤도 또는 아스팔트 직결궤도와 같은 철도 궤도의 구조별로 각각 적용함으로써 기존의 아스팔트 포장을 이용한 자갈궤도, 콘크리트궤도의 단점을 보완하고, 소성변형 저항성, 균열 저항성, 수분 저항성 등을 향상시킬 수 있다.
도 1a는 도로포장에서 타이어 도로소음의 저감을 설명하기 위한 도면이고, 도 1b는 철도에서 강성체가 고정된 자리에서 직접적으로 진동이 발생하는 것을 설명하기 위한 도면이다.
도 2a 내지 도 2c는 각각 종래의 기술에 따른 아스팔트노반상 자갈궤도, 아스팔트노반상 슬래브궤도 및 아스팔트노반 직결궤도를 나타내는 수직단면도들이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 철도 궤도용 아스팔트 포장 구조물에서 아스팔트 함침 부직포층의 상세 구성도이다.
도 4는 본 발명의 제1 실시예에 따른 철도 자갈궤도용 아스팔트 포장 구조물을 나타내는 수직단면도이다.
도 5는 본 발명의 제1 실시예에 따른 철도 자갈궤도용 아스팔트 포장 구조물을 구체적으로 나타내는 도면이다.
도 6은 본 발명의 제1 실시예에 따른 철도 자갈궤도용 아스팔트 포장 구조물을 기존의 자갈궤도용 구조물과 구체적으로 비교하여 설명하기 위한 도면이다.
도 7은 본 발명의 제2 실시예에 따른 철도 콘크리트궤도용 아스팔트 포장 구조물을 나타내는 수직단면도이다.
도 8은 본 발명의 제2 실시예에 따른 철도 콘크리트궤도용 아스팔트 포장 구조물을 구체적으로 나타내는 도면이다.
도 9는 본 발명의 제2 실시예에 따른 철도 콘크리트궤도용 아스팔트 포장 구조물을 기존의 콘크리트궤도용 구조물과 구체적으로 비교하여 설명하기 위한 도면이다.
도 10은 본 발명의 제3 실시예에 따른 철도 아스팔트 직결궤도용 아스팔트 포장 구조물을 나타내는 수직단면도이다.
도 11은 본 발명의 제3 실시예에 따른 철도 아스팔트 직결궤도용 아스팔트 포장 구조물을 구체적으로 나타내는 도면이다.
도 12는 본 발명의 실시예에 따른 철도 궤도용 아스팔트 포장 구조물 시공 방법의 동작흐름도이다.
아래에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
먼저, 본 발명의 실시예에 따른 철도 궤도용 아스팔트 포장 구조물에 적용되는 아스팔트 콘크리트 노반 및 철도 궤도용 개질 아스팔트에 대해 설명한다.
통상적으로, 철도에 적용하고자 하는 개질 아스팔트는 스트레이트 아스팔트를 이용하여 기본 물성을 변화시킬 수 있는 화학적 조성물을 통해 그 성상을 개선할 수 있다. 예를 들면, 본 발명의 실시예에 따른 철도 궤도용 아스팔트 포장 구조물에 적용되는 개질 아스팔트는 SBS(Styrene- Butadiene-Styrene), CRM(Crumb Rubber Modifier), 폴리에틸렌(PE), 고무배합유, 냄새제거제, 첨가제 및 폴리머(Polymer)를 첨가함으로써 스트레이트 아스팔트의 기본 물성을 변화시킨다.
구체적으로, 아스팔트의 온도 특성을 개선하는 방법으로 SBS가 사용되며, 또한, CRM은 감온성 개선을 위해 사용될 수 있다. 또한, 폴리에틸렌(PE)은 열화를 예방하고 내수성 및 충격에 유리하기 때문에 아스팔트의 열화 현상 및 수분 민감성, 열차 이동에 의한 진동과 같은 충격에 대해 아스팔트의 특성을 강화시킬 수 있다.
또한, 고무배합유인 아로마틱계(Ca) 오일은 고무분자 속에 침투하여 고무물성에 연화작용과 윤활작용을 활성화시킴으로써 개질재의 분산력을 향상시킬 수 있고, 이에 따라 개질 아스팔트의 안정적 성상을 확보할 수 있다.
또한, 냄새제거제의 경우, 현장 시공시 혹은 생산과정에서 발생되는 아스팔트 특유의 냄새를 제거해 줌으로써 작업자 및 주변환경의 쾌적함을 목적으로 한다.
아스팔트는 변형 및 취성파괴 등 다양한 손상들이 발생하게 되고, 이러한 원인들 중 하나는 아스팔트의 열화 혹은 노화현상에 의해 발생하기도 한다. 그렇게 때문에 본 발명의 실시예에서는 노화를 방지할 수 있는 첨가제 및 폴리머(Polymer)를 사용하여 아스팔트의 노화를 최소화하고자 한다. 하기 표 1은 아스팔트 콘크리트 노반 및 철도 궤도용 개질 아스팔트의 시험 결과를 나타낸다.
Figure 112015045522716-pat00001
일반적으로, 진동(Vibration)은 단주기(고진동수) 성분이 강하고 장주기(저진동수) 성분이 약한 특성을 가지고 있다. 따라서 높은 고유진동수를 갖는 구조물은 낮은 진동수를 갖는 구조물에 비하여 동적인 충격에 대해 더 큰 피해를 입을 가능성이 있다. 그러므로 구조물의 고유진동수를 충분히 낮게 설계할 수 있다면 동적인 충격에 매우 안전할 수 있다.
이러한 진동의 특성을 이용하여 구조물의 고유주기를 열차 진동주기 대역에서 벗어나게 함이 유리하다. 다시 말하면, 진동과 구조물의 거동간의 공진(Resonance)을 피하게 함으로써 열차의 충격이 아스팔트 하부노반에 상대적으로 약하게 전달되도록 하는 개념이다. 이를 위해서 아스팔트 상부노반의 상부면에 아스팔트 함침 부직포와 같은 충격 감쇠층을 설치함으로써 구조물의 고유주기를 늘려줄 수 있다.
이러한 아스팔트 함침 부직포층이 설치된 구조물은 열차 주행에 의한 충격을 대부분 흡수하기 때문에 구조물에 전달되는 진동이 현저하게 줄어들고, 아스팔트 하부노반에 응력이 작게 발생됨으로써 손상의 피해를 최소화할 수 있고, 이에 따라 장기공용 성능을 향상시켜줄 수 있다. 따라서 이러한 구조물을 설계할 경우, 아스팔트 함침 부직포가 열차의 충격에너지를 충분히 흡수할 수 있도록 통상적인 아스팔트가 아니라 점탄성을 가지는 아스팔트를 적용하여야 한다.
또한, 이러한 아스팔트 함침 부직포층을 이용할 경우, 아스팔트 상부층에서 작용하는 연직 방향의 변위가 부직포에 크게 발생되지 않도록 고정시킴으로써 구조물의 안정성을 확보할 수 있다.
[철도 궤도용 아스팔트 포장 구조물]
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 철도 궤도용 아스팔트 포장 구조물에서 아스팔트 함침 부직포층의 상세 구성도이다.
도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 철도 궤도용 아스팔트 포장 구조물에서 아스팔트 함침 부직포층(150)은, 하부 아스팔트 점착층(151), 폴리에스터 장섬유 부직포(152) 및 상부 아스팔트 점착층(153)을 포함한다.
본 발명의 실시예에 따른 아스팔트 함침 부직포층(150)은 투수계수가 작고(예를 들면, 투수계수: 4 x 10-9 ~ 9 x 10-9g??㎝/㎠??㎜Hg??hr), 내약품성, 부식저항성, 우수한 접착력 등 특유의 물리적 성질들을 갖는 아스팔트에 탄성 폴리머(Polymer)인 SBS(스티렌-부타디엔-스티렌) 고무 또는 APP(Atactic Polypropylene)를 개질시키고, 강도가 강한 폴리에스터 장섬유 부직포(152)를 함침시켜 일정 두께를 형성한다.
이때, 상기 하부 아스팔트 점착층(151) 및 상부 아스팔트 점착층(153)에 고무분자의 탄력구조를 갖기 위하여 고무(Rubber)에 유황, 카본, 연화제, 노화방지제 등을 혼합하여 고온, 고압으로 가열하면 유황분자가 고무분자에 영구적으로 가교를 형성함으로써 아스팔트가 탄성을 갖게 된다.
구체적으로, 이러한 아스팔트 함침 부직포층(150)의 개질 아스팔트의 품질을 결정하는 가장 중요한 요소로 사용되는 고무(Rubber)가 아스팔트와 높은 용융 상태를 가져야 하며, 가열온도, 가열시간 및 첨가제의 화학적 결합과 같은 열적 가공 절차에 의해 결정된다. 이러한 최적의 조건을 유지하기 위해서는 교반기의 속도에 따라서 열적 반응의 속도 차이가 발생하므로 아스팔트 함침 부직포의 개질 아스팔트의 최적 조건 유지를 위해 디지털 형식의 정밀 교반기를 이용한다.
상기 아스팔트 함침 부직포층의 개질 아스팔트 시공 방법은 토치를 장착된 기계를 사용한 열융착 내지 프라임코트(Prime Coat)를 도포한 후, 소정 전압을 통해 하지면과 융착시킨다. 이에 따라 상기 아스팔트 함침 부직포층의 개질 아스팔트는 방수의 확실성, 아스팔트 콘크리트 궤도 및 아스팔트 콘크리트 노반과의 접착성, 아스팔트 콘크리트 크랙 추종성 등이 우수하여 방수 성능과 균열 자가치유에 대한 신뢰성이 높다.
또한, 상기 아스팔트 함침 부직포층(150)에서 폴리에스터 장섬유 부직포(152)를 중심으로 상부 아스팔트 점착층(153)과 하부 아스팔트 점착층(151)의 연화점을 각각 달리하여 아스팔트 계면에 접착이 용이하며, 상부 아스팔트 점착층(153)은 연화점 70~130℃로 표층의 포설시 온도인 160℃로도 충분히 부착 능력에 도움이 되도록 한다. 또한, 하부 아스팔트 점착층(151)은 연화점 40~80℃로 낮게 설정하여, 아스팔트 콘크리트 노반층과의 열융착 및 전압융착이 용이하도록 한다.
또한, 고속열차 주행에 따른 인장강도의 증가로 포장층간의 균열이 발생하고, 이러한 파손은 확대되어 포장층간의 들뜸 현상으로 전이될 수 있기 때문에 본 발명의 실시예에 따른 아스팔트 함침 부직포층(150)은 전단력 및 인장력에 충분히 저항할 수 있도록 폴리에스터 장섬유 부직포(152)를 적용한다. 따라서 본 발명의 실시예에 따른 아스팔트 함침 부직포에 대한 설명의 편의를 위해 하부 아스팔트 점착층(151), 폴리에스터 장섬유 부직포(152) 및 상부 아스팔트 점착층(153)을 총칭하여 아스팔트 함침 부직포층(150)이라 칭한다. 하기 표 2는 본 발명의 실시예에 따른 철도 궤도용 아스팔트 포장 구조물에서 폴리에스터 장섬유 부직포(152)의 시험 결과를 나타낸다.
Figure 112015045522716-pat00002
한편, 본 발명의 실시예에 따른 철도 궤도용 아스팔트 포장 구조물에서 고무개질 이멀션(Emulsion)의 조성에서, 사용되는 아스팔트 유제는 25℃에서 1~6P 범위의 앵글러도 점도를 나타내는데, 상온에서 고체 상태인 아스팔트보다 상당히 낮은 점도를 가지고 있기 때문에 상온에서도 사용이 가능하다.
이러한 고무개질 이멀션을 사용하는 저온아스팔트 기술은 건설과 유지보수를 수행할 때 방출하는 배기가스 및 에너지 소비를 줄이고, 아스팔트의 산화를 방지하여, 기존의 고온아스팔트를 사용하는 것에 비해 위험성이 줄어든다. 또한, 이러한 고무개질 이멀션을 사용하는 저온아스팔트 기술은 컷백 아스팔트를 사용하는 저온아스팔트 보다 경제적 및 환경적으로 더 친화적이다. 이러한 고무개질 이멀션을 사용하는 저온아스팔트 기술에서, 아스팔트 유제의 환경적 이익은 현장에서 바로 사용하기 때문에 가열, 건조, 골재 운반시 나오는 배기가스와 에너지를 줄일 수 있기 때문에 긍정적이다.
구체적으로, 상기 아스팔트 유제는 물이 바탕이며, 먼지 조절 및 프라이밍과 같은 적용을 위해 물에 더 희석할 수 있다. 또한, 이러한 아스팔트 유제는 시멘트 및 석회뿐만 아니라 천연 라텍스 및 합성 라텍스와 같은 수용성 고분자 분산과 같은 수압 바인더와 호환된다. 이에 따라 시멘트, 라텍스 및 아스팔트 유제의 혼합물, 합성 바인더는 고온아스팔트로 복제할 수 없는 구조로 제작되고, 순수 아스팔트에 비해 크게 향상된 특성을 가진다. 이를 본 발명의 실시예에 따른 철도 궤도용 아스팔트 포장에 적용할 경우, 아스팔트 포장층간 전단력을 강화시킬 수 있고, 진동에 대한 균열을 감소시킬 수 있다.
고무 개질은 응집력, 저온균열 저항성, 고온흐름 저항성과 같은 아스팔트의 물성을 증진시킬 수 있다. 유화용 고무개질재는 양이온, 음이온, 비이온계 형태가 있으며 스티렌-부타디엔 고무, 폴리클로로프렌 고무, 천연고무라텍스 모두 Paving grade 유제에 사용된다. 하기 표 3은 본 발명의 실시예에 따른 철도 궤도용 아스팔트 포장 구조물에서 고무개질 이멀션(Emulsion)의 시험 결과를 나타낸다.
Figure 112015045522716-pat00003
이하, 도 4 내지 도 6을 참조하여, 본 발명의 제1 실시예에 따른 철도 자갈궤도용 아스팔트 포장 구조물에 대해 설명하고, 도 7 내지 도 9를 참조하여, 본 발명의 제2 실시예에 따른 철도 콘크리트궤도용 아스팔트 포장 구조물에 대해 설명하며, 도 10 및 도 11을 참조하여, 본 발명의 제3 실시예에 따른 철도 아스팔트 직결궤도용 아스팔트 포장 구조물에 대해 설명하기로 한다. 즉, 본 발명의 실시예에 따른 철도 궤도는 자갈궤도, 콘크리트궤도 및 아스팔트 직결궤도에 대해 각각 적용될 수 있다.
[제1 실시예: 철도 자갈궤도용 아스팔트 포장 구조물]
종래의 기술에 따른 자갈도상궤도의 경우, 주기적인 유지보수의 일익을 담당하고 있는 문제 중에서 분니 현상에 의해 발생되는 선로의 노후화, 레일 마모의 가속화 등을 야기하게 된다. 이로 인해 자갈도상의 분니 현상 방지를 위해 노반으로의 수분침투를 최소화하는 것이 무엇보다 중요한 과제임에 따라 본 발명의 제1 실시예에 따른 철도 자갈궤도용 아스팔트 포장 구조물은 방수층을 형성하여 수분의 침투를 봉쇄할 수 있다.
도 4는 본 발명의 제1 실시예에 따른 철도 자갈궤도용 아스팔트 포장 구조물을 나타내는 수직단면도이고, 도 5는 본 발명의 제1 실시예에 따른 철도 자갈궤도용 아스팔트 포장 구조물을 구체적으로 나타내는 도면이며, 도 6은 본 발명의 제1 실시예에 따른 철도 자갈궤도용 아스팔트 포장 구조물을 기존의 자갈궤도용 구조물과 구체적으로 비교하여 설명하기 위한 도면이다.
도 4 및 도 5를 참조하면, 본 발명의 제1 실시예에 따른 철도 자갈궤도용 아스팔트 포장 구조물은, 원지반(110), 아스팔트 콘크리트 하부노반(120), 고무개질 이멀션(130), 아스팔트 콘크리트 상부노반(140), 아스팔트 함침 부직포층(150), 자갈층(160), 침목(210) 및 레일(220)을 포함한다.
아스팔트 콘크리트 하부노반(120)은 원지반(110)인 노반 상에 포설된다. 여기서, 상기 아스팔트 콘크리트 하부노반(120)은 표층으로 전달되는 노반의 파손을 방지하여 균열 및 열차충격을 분산시킬 수 있고, 또한, 원지반(110)의 요철을 보정하고, 표층에 가해지는 하중을 원지반(110)에 균일하게 전달하는 역할을 한다.
고무개질 이멀션(130)은 상기 아스팔트 콘크리트 하부노반(120) 상에 포설된다. 이때, 전술한 바와 같이, 상기 고무개질 이멀션(130)에 사용되는 아스팔트 유제는 25℃에서 1~6P 범위의 앵글러도 점도를 나타내는 것이 바람직하다.
아스팔트 콘크리트 상부노반(140)은 상기 고무개질 이멀션(130) 상에 포설된다. 여기서, 상기 아스팔트 콘크리트 상부노반(140)은 지반 침하로 인한 자갈층의 소성변형을 저감시킬 수 있고, 하부층에 전달되는 충격을 최소화시킬 수 있으며, 또한, 동결융해 반복 및 계절 변화로 인한 성토의 연약화를 방지할 수 있고, 낮은 공극률 설정으로 인해 1차 방수 성능을 구현할 수 있다.
아스팔트 함침 부직포층(150)은 하부 아스팔트 점착층(151), 폴리에스터 장섬유 부직포(152) 및 상부 아스팔트 점착층(153)을 적층하여 이루어지며, 상기 아스팔트 콘크리트 상부노반(140) 상에 포설된다. 구체적으로, 상기 아스팔트 함침 부직포층(150)은 아스팔트에 탄성 폴리머(Polymer)인 SBS(스티렌-부타디엔-스티렌) 고무 또는 APP(Atactic Polypropylene)를 개질시키고, 전단력 및 인장력에 저항하는 강도를 갖는 폴리에스터 장섬유 부직포(152)를 함침시켜 일정 두께를 형성한다. 또한, 상기 아스팔트 함침 부직포층(150)은, 상기 하부 아스팔트 점착층(151) 및 상부 아스팔트 점착층(153)에 고무분자의 탄력구조를 갖도록 고무(Rubber)에 유황, 카본, 연화제 및 노화방지제를 혼합하여 고온 및 고압으로 가열함으로써 유황분자가 고무분자에 영구적으로 가교를 형성하여 아스팔트가 탄성을 갖게 된다. 또한, 상기 아스팔트 함침 부직포층(150)은, 아스팔트 계면에 접착이 용이하도록 상기 폴리에스터 장섬유 부직포(152)를 중심으로 상기 상부 아스팔트 점착층(153)과 하부 아스팔트 점착층(151)의 연화점을 각각 달리하며, 상기 하부 아스팔트 점착층(151)은 아스팔트 콘크리트 노반층과의 열융착 및 전압융착이 용이하도록 연화점 40~80℃로 낮게 설정하며, 상기 상부 아스팔트 점착층(153)은 표층 포설온도인 160℃로도 충분히 부착 능력에 도움이 되도록 연화점 70~130℃로 설정하는 것이 바람직하다.
이에 따라 상기 아스팔트 함침 부직포층(150)은 노반의 수분 침투를 방지하고, 방수로 인한 노반의 연약화를 개선할 수 있으며, 그리드 사용을 통한 시공시 방수자재의 손상을 최소화하고, 균열에 대한 저항성을 향상시킬 수 있다.
자갈층(160)은 상기 아스팔트 함침 부직포층(150) 상에 형성된다.
침목(210)은 상기 자갈층(160) 상에 시공되고, 레일(220)은 상기 침목(210) 상에 시공된다.
구체적으로, 본 발명의 제1 실시예에 따른 철도 자갈궤도용 아스팔트 포장 구조물의 경우, 도 6에 도시된 바와 같이, 아스팔트 함침 부직포층(150)은 수분의 침투를 완벽하게 차단할 수 있도록 고탄성 및 고밀도 개질 아스팔트를 이용하여 상부 아스팔트 점착층(153)과 하부 아스팔트 점착층(151)으로 구성하며, 자갈층(160)에서 전달되는 하중으로 인한 파손을 방지하기 위해 부직포를 사용하여 전달되는 하중에 안정하도록 설계되었다. 이때, 아스팔트 콘크리트 상부노반(140)은 자갈층(160)에서 전달되는 하중을 아스팔트 콘크리트 하부노반(120)에 고르게 전달하는 역할을 수행하며, 자갈층(160)의 침하를 최소화하도록 지지해주는 역할을 담당한다. 하기 표 4는 아스팔트 포장 구조물의 역할을 나타낸다.
Figure 112015045522716-pat00004
[제2 실시예: 철도 콘크리트궤도용 아스팔트 포장 구조물]
도 7은 본 발명의 제2 실시예에 따른 철도 콘크리트궤도용 아스팔트 포장 구조물을 나타내는 수직단면도이고, 도 8은 본 발명의 제2 실시예에 따른 철도 콘크리트궤도용 아스팔트 포장 구조물을 구체적으로 나타내는 도면이며, 도 9는 본 발명의 제2 실시예에 따른 철도 콘크리트궤도용 아스팔트 포장 구조물을 기존의 콘크리트궤도용 구조물과 구체적으로 비교하여 설명하기 위한 도면이다.
도 7 및 도 8을 참조하면, 본 발명의 제2 실시예에 따른 철도 콘크리트궤도용 아스팔트 포장 구조물은, 원지반(110), 아스팔트 콘크리트 하부노반(120), 고무개질 이멀션(130), 아스팔트 콘크리트 상부노반(140), 아스팔트 함침 부직포층(150), 콘크리트 슬래브(PC 패널)(170), 침목(210) 및 레일(220)을 포함한다.
아스팔트 콘크리트 하부노반(120)은 원지반(110)인 노반 상에 포설된다. 여기서, 상기 아스팔트 콘크리트 하부노반(120)은 표층으로 전달되는 노반의 파손을 방지하여 균열 및 열차충격을 분산시킬 수 있고, 또한, 원지반(110)의 요철을 보정하고, 표층에 가해지는 하중을 원지반(110)에 균일하게 전달하는 역할을 한다.
고무개질 이멀션(130)은 상기 아스팔트 콘크리트 하부노반(120) 상에 포설된다. 이때, 전술한 바와 같이, 상기 고무개질 이멀션(130)에 사용되는 아스팔트 유제는 25℃에서 1~6P 범위의 앵글러도 점도를 나타내는 것이 바람직하다.
아스팔트 콘크리트 상부노반(140)은 상기 고무개질 이멀션(130) 상에 포설된다. 여기서, 상기 아스팔트 콘크리트 상부노반(140)은 열차하중을 분산시키고 탄성 포장층의 지지 역할을 수행하며, 소성 변형에 강한 혼합물 사용을 통해 하부층에 전달되는 충격을 최소화할 수 있고, 또한, 탄성을 부여함에 따라 탄성 포장층에서 전달되는 진동을 흡수할 수 있다.
아스팔트 함침 부직포층(150)은 하부 아스팔트 점착층(151), 폴리에스터 장섬유 부직포(152) 및 상부 아스팔트 점착층(153)을 적층하여 이루어지며, 상기 아스팔트 콘크리트 상부노반(140) 상에 포설된다. 구체적으로, 상기 아스팔트 함침 부직포층(150)은 아스팔트에 탄성 폴리머(Polymer)인 SBS(스티렌-부타디엔-스티렌) 고무 또는 APP(Atactic Polypropylene)를 개질시키고, 전단력 및 인장력에 저항하는 강도를 갖는 폴리에스터 장섬유 부직포(152)를 함침시켜 일정 두께를 형성한다.
또한, 상기 아스팔트 함침 부직포층(150)은, 상기 하부 아스팔트 점착층(151) 및 상부 아스팔트 점착층(153)에 고무분자의 탄력구조를 갖도록 고무(Rubber)에 유황, 카본, 연화제 및 노화방지제를 혼합하여 고온 및 고압으로 가열함으로써 유황분자가 고무분자에 영구적으로 가교를 형성하여 아스팔트가 탄성을 갖게 된다. 또한, 상기 아스팔트 함침 부직포층(150)은, 아스팔트 계면에 접착이 용이하도록 상기 폴리에스터 장섬유 부직포(152)를 중심으로 상기 상부 아스팔트 점착층(153)과 하부 아스팔트 점착층(151)의 연화점을 각각 달리하며, 상기 하부 아스팔트 점착층(151)은 아스팔트 콘크리트 노반층과의 열융착 및 전압융착이 용이하도록 연화점 40~80℃로 낮게 설정하며, 상기 상부 아스팔트 점착층(153)은 표층 포설온도인 160℃로도 충분히 부착 능력에 도움이 되도록 연화점 70~130℃로 설정하는 것이 바람직하다.
이에 따라 상기 아스팔트 함침 부직포층(150)은, 표 5로 나타낸 바와 같이, 콘크리트 슬래브(170)와 표층간의 충격으로 인한 균열을 방지하는 충격방지용 패드 역할을 하고, 하부층에서 전달되는 반사균열을 예방할 수 있고, 또한, 별도의 접착층 없이 콘크리트 슬래브(170)와 포장층간의 마찰력을 향상시킬 수 있다. 또한, 콘크리트 슬래브(170)에 가해지는 하중을 아스팔트 표층에 감쇠하여 전달함으로써, 충격을 흡수하는 역할을 한다.
콘크리트 슬래브(170)는 PC 패널로서, 프리캐스트 제작되고, 상기 아스팔트 함침 부직포층(150) 상에 형성된다.
침목(210)은 상기 콘크리트 슬래브(170) 상에 시공되고, 레일(220)은 상기 침목(210) 상에 시공된다.
구체적으로, 본 발명의 제2 실시예에 따른 철도 콘크리트궤도용 아스팔트 포장 구조물의 경우, 도 9에 도시된 바와 같이, 콘크리트 궤도 적용시 부직포 성분으로 인한 균열에 대한 저항성이 개선되고, 또한, 아스팔트 상부노반 및 아스팔트 하부노반으로 인해 부착 성능 및 진동 감쇠로 인해 열차의 주행성을 향상시킬 수 있다.
본 발명의 제2 실시예에 따른 철도 콘크리트궤도용 아스팔트 포장 구조물의 경우, 도 9에 도시된 바와 같이, 콘크리트 슬래브의 기능을 그대로 유지하면서 하중전달, 궤도틀림의 안정성, 적은 유지보수 비용 등의 장점을 가지며 기존의 노반으로부터 발생된 들뜸 현상 내지는 반사균열에 대한 문제점을 보완하여 내구성능을 개선시킬 수 있다. 더불어 콘크리트 궤도의 전형적인 문제인 진동과 흡수가 가능하며 이는 내진성능을 기대할 수 있다. 열차 주행에 의한 진동은 단주기의 성분이 강하고 장주기의 성분은 약하게 나타난다.
따라서 발생되는 열차의 진동과 탄성계수가 큰 콘크리트 슬래브(PC 패널)의 진동이 작용할 경우 공진현상이 발생하여 포장체의 동적 응답이 커지게 된다. 따라서 아스팔트 함침 부직포를 적용하여 콘크리트 슬래브(PC 패널)로부터 전달되는 진동주기를 길게 설계함으로써 열차 주행에 따른 진동과 아스팔트 상부노반과의 공진을 피할 수 있고, 구조물에 작용하는 수직력과 수평력을 상당히 감소시킬 수 있다.
Figure 112015045522716-pat00005
[제3 실시예: 철도 아스팔트 직결궤도용 아스팔트 포장 구조물]
도 10은 본 발명의 제3 실시예에 따른 철도 아스팔트 직결궤도용 아스팔트 포장 구조물을 나타내는 수직단면도이고, 도 11은 본 발명의 제3 실시예에 따른 철도 아스팔트 직결궤도용 아스팔트 포장 구조물을 구체적으로 나타내는 도면이다.
도 10 및 도 11을 참조하면, 본 발명의 제3 실시예에 따른 철도 콘크리트궤도용 아스팔트 포장 구조물은, 원지반(110), 아스팔트 콘크리트 하부노반(120), 고무개질 이멀션(130), 아스팔트 콘크리트 상부노반(140), 아스팔트 함침 부직포층(150), 아스팔트 콘크리트 궤도(180), 표면처리층(190), 침목(210) 및 레일(220)을 포함한다.
아스팔트 콘크리트 하부노반(120)은 원지반(110)인 노반 상에 포설된다. 여기서, 상기 아스팔트 콘크리트 하부노반(120)은 중간층으로 전달되는 노반의 파손을 방지하여 균열 및 열차충격을 분산시키고, 또한, 포장층을 보완하고 하중을 분산시킬 수 있고, 또한, 노반의 요철을 보정하고, 표층에 가해지는 하중을 노반에 균일하게 전달하는 역할을 한다.
고무개질 이멀션(130)은 상기 아스팔트 콘크리트 하부노반(120) 상에 포설된다. 이때, 전술한 바와 같이, 상기 고무개질 이멀션(130)에 사용되는 아스팔트 유제는 25℃에서 1~6P 범위의 앵글러도 점도를 나타내는 것이 바람직하다.
아스팔트 콘크리트 상부노반(140)은 상기 고무개질 이멀션(130) 상에 포설된다. 여기서, 상기 아스팔트 콘크리트 상부노반(140)은 표층으로 전달되는 노반의 파손 방지하여 반사균열 및 열차충격을 분산시키며, 포장층을 보완하고 하중을 분산시킬 수 있으며, 또한, 기층의 요철을 보정하고, 표층에 가해지는 하중을 기층에 균일하게 전달하는 역할을 한다.
아스팔트 함침 부직포층(150)은 하부 아스팔트 점착층(151), 폴리에스터 장섬유 부직포(152) 및 상부 아스팔트 점착층(153)을 적층하여 이루어지며, 상기 아스팔트 콘크리트 상부노반(140) 상에 포설된다. 구체적으로, 상기 아스팔트 함침 부직포층(150)은 아스팔트에 탄성 폴리머(Polymer)인 SBS(스티렌-부타디엔-스티렌) 고무 또는 APP(Atactic Polypropylene)를 개질시키고, 전단력 및 인장력에 저항하는 강도를 갖는 폴리에스터 장섬유 부직포(152)를 함침시켜 일정 두께를 형성한다. 또한, 상기 아스팔트 함침 부직포층(150)은, 상기 하부 아스팔트 점착층(151) 및 상부 아스팔트 점착층(153)에 고무분자의 탄력구조를 갖도록 고무(Rubber)에 유황, 카본, 연화제 및 노화방지제를 혼합하여 고온 및 고압으로 가열함으로써 유황분자가 고무분자에 영구적으로 가교를 형성하여 아스팔트가 탄성을 갖게 된다. 또한, 상기 아스팔트 함침 부직포층(150)은, 아스팔트 계면에 접착이 용이하도록 상기 폴리에스터 장섬유 부직포(152)를 중심으로 상기 상부 아스팔트 점착층(153)과 하부 아스팔트 점착층(151)의 연화점을 각각 달리하며, 상기 하부 아스팔트 점착층(151)은 아스팔트 콘크리트 노반층과의 열융착 및 전압융착이 용이하도록 연화점 40~80℃로 낮게 설정하며, 상기 상부 아스팔트 점착층(153)은 표층 포설온도인 160℃로도 충분히 부착 능력에 도움이 되도록 연화점 70~130℃로 설정하는 것이 바람직하다.
이에 따라 상기 아스팔트 함침 부직포층(150)은, 표 5로 나타낸 바와 같이, 열차 300㎞/h 이상 주행시 속도에 의한 전단 저항력을 향상시킬 수 있고, 하부층으로부터 전달되는 반사 균열에 대한 대비가 가능하며, 또한, 상부층 균열에 의한 2차 방수 효과를 기대할 수 있다.
아스팔트 콘크리트 궤도(180)는 상기 아스팔트 함침 부직포층(150) 상에 형성된다. 여기서, 상기 아스팔트 콘크리트 궤도(180)는 AC 직결궤도로서, 소성 변형에 강한 개질 아스팔트 혼합물 사용을 통해 하부층에 전달되는 충격을 최소화할 수 있고, 또한, 아스팔트 포장체에 감쇠 특성과 탄성을 부여함으로써 열차 주행에 따른 진동 및 충격을 흡수할 수 있다.
표면처리층(190)은 상기 아스팔트 콘크리트 궤도(180) 상에 형성된다. 이때, 상기 표면처리층(190)은 아스팔트 포장의 노화를 방지하고, 열차의 고속주행으로 인한 골재의 탈리 및 비산을 방지하고, 방수 성능을 구현하게 된다.
침목(210)은 상기 표면처리층(190) 상에 시공되고, 레일(220)은 상기 침목(210) 상에 시공된다.
구체적으로, 본 발명의 제3 실시예에 따른 철도 콘크리트궤도용 아스팔트 포장 구조물은, 하기 표 6에 나타낸 바와 같이, 철도에 적용되는 아스팔트 콘크리트(AC)는 소성변형 및 저온균열, 감쇠기능을 부여하여 열차 주행시 소음저감 및 감쇠효과로 인한 안정적 주행성능을 확보할 수 있다는 이점을 가진다. 이런 점을 최대한 발휘하기 위해서는 노화방지 및 방수개념을 도입한 아스팔트 포장의 시스템화가 필요하며, 더불어 포장층간의 전단력 향상을 위한 재료도 함께 적용하여 고속주행시 발생되는 전단력 저하로 인해 발생되는 들뜸 현상을 최소화 하도록 설계하였다.
통상적으로, 아스팔트 콘크리트궤도는 압축응력과 함께 고속열차 주행 및 소성변형으로 인한 전단응력(Shear stress)을 받는다. 여기서, 전단응력은 침목(210) 하단부에서 발생되는 압축응력으로 인한 수평방향의 인장응력 및 골재간의 밀림의 소성변형이 동시에 작용하여 아스팔트 콘크리트 면에 조합응력으로 가해진다. 이러한 아스팔트 콘크리트는 고온에 약하므로 큰 압축력이 작용하는 방향으로 소성변형이 생기는 경향을 보인다.
또한, 포장층간의 거동에서 전단은 중요한 역할을 한다. 아스팔트 콘크리트 궤도와 아스팔트 콘크리트 상부노반간의 마찰이 적다면 각각의 층은 서로 미끄러지면서 변형을 일으키고, 두 개의 층으로 나뉘어져 있기 때문에 단순하게 두 부분의 강성을 합하더라도 그 값은 일체화 되었을 때보다 매우 작게 된다. 즉, 변형이 더 크다.
Figure 112015045522716-pat00006
본 발명의 제3 실시예에 따른 철도 콘크리트궤도용 아스팔트 포장 구조물의 경우, 여러 포장층의 형성에서와 같이 포장층이 따로 형성되는 경우, 전단 강화재료를 사용하여 포장층간에 일체 거동을 하도록 함이 바람직하고, 여기에 사용된 폴리에스터 장섬유 부직포는 전단력 저하를 보강해 주는 역할을 담당하게 된다.
또한, 전술한 본 발명의 제2 실시예에 따른 콘크리트 슬래브(PC 패널)와는 다르게 줄눈부가 필요 없기 때문에 궤도의 신축으로 인한 궤도틀림을 줄일 수 있으며, 또한, 양생시간도 콘크리트보다 약 20여일 이상 단축시킬 수 있어 중속대역 및 고속대역에 적합하게 적용할 수 있다. 본 발명의 제3 실시예에 따른 철도 콘크리트궤도용 아스팔트 포장 구조물의 장단점은 하기 표 7로 나타낸 바와 같다.
Figure 112015045522716-pat00007
한편, 본 발명의 제3 실시예에 따른 철도 콘크리트궤도용 아스팔트 포장 구조물에 대한 시험결과는 다음과 같다. 하기 표 8은 아스팔트 혼합물 성능평가를 나타내고, 표 9는 아스팔트 함침 부직포 및 고무개질 이멀션(Emulsion)의 적용 성능 평가를 각각 나타낸다.
Figure 112015045522716-pat00008
Figure 112015045522716-pat00009
[철도 궤도용 아스팔트 포장 구조물의 시공 방법]
도 12는 본 발명의 실시예에 따른 철도 궤도용 아스팔트 포장 구조물 시공 방법의 동작흐름도이다.
도 12를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 철도 궤도용 아스팔트 포장 구조물 시공 방법은, 먼저, 아스팔트 포장 구조물 시공을 위해 원지반(110) 상에 아스팔트 콘크리트 하부노반(120)을 포설한다(S110).
다음으로, 상기 아스팔트 콘크리트 하부노반(120) 상에 고무개질 이멀션(130)을 도포한다(S120). 이때, 상기 고무개질 이멀션(130)에 사용되는 아스팔트 유제는 25℃에서 1~6P 범위의 앵글러도 점도를 나타내는 것이 바람직하다.
다음으로, 상기 고무개질 이멀션(130) 상에 아스팔트 콘크리트 상부노반(140)을 포설한다(S130).
다음으로, 하부 아스팔트 점착층(151), 폴리에스터 장섬유 부직포(152) 및 상부 아스팔트 점착층(153)으로 이루어진 아스팔트 함침 부직포층(150)을 포설한다(S140).
이때, 상기 아스팔트 함침 부직포층(150)은 아스팔트에 탄성 폴리머(Polymer)인 SBS(스티렌-부타디엔-스티렌) 고무 또는 APP(Atactic Polypropylene)를 개질시키고, 전단력 및 인장력에 저항하는 강도를 갖는 폴리에스터 장섬유 부직포(152)를 함침시켜 일정 두께를 형성한다. 또한, 상기 아스팔트 함침 부직포층(150)은, 상기 하부 아스팔트 점착층(151) 및 상부 아스팔트 점착층(153)에 고무분자의 탄력구조를 갖도록 고무(Rubber)에 유황, 카본, 연화제 및 노화방지제를 혼합하여 고온 및 고압으로 가열함으로써 유황분자가 고무분자에 영구적으로 가교를 형성하여 아스팔트가 탄성을 가질 수 있다. 또한, 상기 아스팔트 함침 부직포층(150)은, 아스팔트 계면에 접착이 용이하도록 상기 폴리에스터 장섬유 부직포(152)를 중심으로 상기 상부 아스팔트 점착층(153)과 하부 아스팔트 점착층(151)의 연화점을 각각 달리하며, 상기 하부 아스팔트 점착층(151)은 아스팔트 콘크리트 노반층과의 열융착 및 전압융착이 용이하도록 연화점 40~80℃로 낮게 설정하며, 상기 상부 아스팔트 점착층(153)은 표층 포설온도인 160℃로도 충분히 부착 능력에 도움이 되도록 연화점 70~130℃로 설정하는 것이 바람직하다. 이때 상기 아스팔트 함침 부직포층 대신 현장여건에 따라서는 고무개질 유화 아스팔트로 사용할 수도 있다.
다음으로, 상기 아스팔트 함침 부직포층(150) 상에 철도 궤도층을 포설한다(S150). 예를 들면, 상기 철도 궤도층은 자갈층(160), 콘크리트 슬래브(PC 패널)(170) 또는 아스팔트 콘크리트궤도 표층(180) 중에서 어느 하나일 수 있다.
다음으로, 상기 철도 궤도층 상에 침목(210)을 시공하고(S160), 이후, 상기 침목(210) 상에 레일(220)을 시공한다(S170).
결국, 본 발명의 실시예에 따른 철도 궤도용 아스팔트 포장 구조물 및 그 시공 방법에 따르면, 아스팔트 함침 부직포층 및 고무개질 이멀션이 포함된 아스팔트 포장을 자갈궤도, 콘크리트궤도 또는 아스팔트 직결궤도와 같은 철도 궤도의 구조별로 각각 적용함으로써 기존의 자갈궤도, 콘크리트궤도의 단점을 보완하고, 소성변형 저항성, 균열 저항성, 수분 저항성 등을 향상시킬 수 있다.
전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.
본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
110: 원지반(노반)
120: 아스팔트 콘크리트 하부노반
130: 고무개질 이멀션
140: 아스팔트 콘크리트 상부노반
150: 아스팔트 함침 부직포
151: 하부 아스팔트 점착층
152: 폴리에스터 장섬유 부직포
153: 상부 아스팔트 점착층
160: 자갈층
170: 콘크리트 슬래브(PC 패널)
180: 아스팔트 콘크리트궤도 표층
190: 표면처리층
210: 침목
220: 레일

Claims (10)

  1. 진동과 구조물의 거동간의 공진(Resonance)을 피하게 함으로써 열차의 충격이 아스팔트 하부노반에 약하게 전달되도록 하는 철도 궤도용 아스팔트 포장 구조물에 있어서,
    원지반(110) 상에 포설되는 아스팔트 콘크리트 하부노반(120);
    상기 아스팔트 콘크리트 하부노반(120) 상에 아스팔트 포장층간 전단력을 강화시킬 수 있고, 진동에 대한 균열을 감소시키기 위하여 유화용 고무개질재가 포함되어 포설되는 고무개질 이멀션(130);
    상기 고무개질 이멀션(130) 상에 포설되는 아스팔트 콘크리트 상부노반(140);
    하부 아스팔트 점착층(151), 폴리에스터 장섬유 부직포(152) 및 상부 아스팔트 점착층(153)을 적층하여 이루어지며, 상부층에서 작용하는 연직 방향의 변위가 부직포에 크게 발생되지 않도록 상기 아스팔트 콘크리트 상부노반(140) 상에 포설되는 아스팔트 함침 부직포층(150);
    상기 아스팔트 함침 부직포층(150) 상에 형성되는 철도 궤도층;
    상기 철도 궤도층 상에 시공되는 침목(210); 및
    상기 침목(210) 상에 시공되는 레일(220)을 포함하되,
    상기 아스팔트 함침 부직포층(150)은 아스팔트에 탄성 폴리머(Polymer)인 SBS(스티렌-부타디엔-스티렌) 고무 또는 APP(Atactic Polypropylene)를 개질시키고, 전단력 및 인장력에 저항하는 강도를 갖는 폴리에스터 장섬유 부직포(152)를 함침시켜 일정 두께를 형성하며,
    상기 아스팔트 함침 부직포층(150)은, 하부 아스팔트 점착층(151) 및 상부 아스팔트 점착층(153)에 고무분자의 탄력구조를 갖도록 고무(Rubber)에 유황, 카본, 연화제 및 노화방지제를 혼합하여 고온 및 고압으로 가열함으로써 유황분자가 고무분자에 영구적으로 가교를 형성하여 아스팔트가 탄성을 가지도록 하며,
    상기 아스팔트 함침 부직포층(150)은, 아스팔트 계면에 접착이 용이하도록 폴리에스터 장섬유 부직포(152)를 중심으로 상부 아스팔트 점착층(153)과 하부 아스팔트 점착층(151)의 연화점을 각각 달리하며, 하부 아스팔트 점착층(151)은 아스팔트 콘크리트 노반층과의 열융착 및 전압융착이 용이하도록 연화점 40~80℃로 낮게 설정하며, 상부 아스팔트 점착층(153)은 표층 포설온도로도 부착 능력에 도움이 되도록 연화점 70~130℃로 설정하는 철도 궤도용 아스팔트 포장 구조물.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 제1항에 있어서,
    상기 철도 궤도층은 자갈층(160), 콘크리트 슬래브(PC 패널)(170) 또는 아스팔트 콘크리트궤도 표층(180) 중에서 어느 하나가 선택되는 것을 특징으로 하는 철도 궤도용 아스팔트 포장 구조물.
  6. 진동과 구조물의 거동간의 공진(Resonance)을 피하게 함으로써 열차의 충격이 아스팔트 하부노반에 약하게 전달되도록 하는 철도 궤도용 아스팔트 포장 구조물의 시공 방법에 있어서,
    a) 아스팔트 포장 구조물 시공을 위해 원지반(110) 상에 아스팔트 콘크리트 하부노반(120)을 포설하는 단계;
    b) 상기 아스팔트 콘크리트 하부노반(120) 상에 아스팔트 포장층간 전단력을 강화시킬 수 있고, 진동에 대한 균열을 감소시키기 위하여 유화용 고무개질재가 포함된 고무개질 이멀션(130)을 도포하는 단계;
    c) 상기 고무개질 이멀션(130) 상에 아스팔트 콘크리트 상부노반(140)을 포설하는 단계;
    d) 하부 아스팔트 점착층(151), 폴리에스터 장섬유 부직포(152) 및 상부 아스팔트 점착층(153)으로 이루어지며, 상부층에서 작용하는 연직 방향의 변위가 부직포에 크게 발생되지 않도록 아스팔트 함침 부직포층(150)을 포설하는 단계;
    e) 상기 아스팔트 함침 부직포층(150) 상에 철도 궤도층을 포설하는 단계;
    f) 상기 철도 궤도층 상에 침목(210)을 시공하는 단계; 및
    g) 상기 침목(210) 상에 레일(220)을 시공하는 단계를 포함하되,
    상기 아스팔트 함침 부직포층(150)은 아스팔트에 탄성 폴리머(Polymer)인 SBS(스티렌-부타디엔-스티렌) 고무 또는 APP(Atactic Polypropylene)를 개질시키고, 전단력 및 인장력에 저항하는 강도를 갖는 폴리에스터 장섬유 부직포(152)를 함침시켜 일정 두께를 형성하며,
    상기 d) 단계의 아스팔트 함침 부직포층(150)은, 하부 아스팔트 점착층(151) 및 상부 아스팔트 점착층(153)에 고무분자의 탄력구조를 갖도록 고무(Rubber)에 유황, 카본, 연화제 및 노화방지제를 혼합하여 고온 및 고압으로 가열함으로써 유황분자가 고무분자에 영구적으로 가교를 형성하여 아스팔트가 탄성을 가지며,
    상기 d) 단계의 아스팔트 함침 부직포층(150)은, 아스팔트 계면에 접착이 용이하도록 폴리에스터 장섬유 부직포(152)를 중심으로 상부 아스팔트 점착층(153)과 하부 아스팔트 점착층(151)의 연화점을 각각 달리하며, 하부 아스팔트 점착층(151)은 아스팔트 콘크리트 노반층과의 열융착 및 전압융착이 용이하도록 연화점 40~80℃로 낮게 설정하며, 상부 아스팔트 점착층(153)은 표층 포설온도로도 부착 능력에 도움이 되도록 연화점 70~130℃로 설정하는 것을 특징으로 하는 철도 궤도용 아스팔트 포장 구조물의 시공 방법.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 e) 단계의 철도 궤도층은 자갈층(160), 콘크리트 슬래브(PC 패널)(170) 또는 아스팔트 콘크리트궤도 표층(180) 중에서 어느 하나가 선택되는 것을 특징으로 하는 철도 궤도용 아스팔트 포장 구조물의 시공 방법.
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