1. 서 론

국내 도로망 계획은 완성 단계로 국토교통부의 통계누리(^{MOLIT, 2021a})에 따르면 한국의 전체 도로연장은 2020년 기준으로 112,977 km로 이중 고속국도는 4,848 km이며, 매년 약 1,000 km의 도로가 신설되고 있어 신규 도로의 건설보다 공용 중인 도로의 유지보수에 관심이 커지고 있는 실정이다. 고속국도의 경우 2016년을 기준으로 공용기간이 20년 이상 경과한 노후 콘크리트 포장의 연장이 233 km에 달하며 이는 계속 늘어나게 될 전망이다. 한국도로공사에서 추정한 바로는 Fig. 1과 같이 2025년 이후 노후 콘크리트 포장의 연장은 1,339 km로 증가하고 유지보수 비용은 6,600억 원을 초과할 것으로 예상하고 있다(^{KECRI, 2017}). 시멘트 콘크리트 포장의 노후화에 따라 이에 대한 적절한 보수 방안에 대한 관심이 높아지고 있다.

일반적으로 노후 시멘트 콘크리트 포장의 보수/보강 공법으로는 균열 및 줄눈부 보수, 소파보수공법, 다이아몬드 그라인딩(diamond grinding) 등의 부분 보수 공법과 전단면 보수를 위한 아스팔트 덧씌우기, 파쇄 후 아스팔트 덧씌우기, 접착식 콘크리트 덧씌우기, 비접착식 콘크리트 덧씌우기 등이 사용되고 있다. 국내의 시멘트 콘크리트 포장은 주로 고속국도에 사용되고 있으며 시멘트 콘크리트 포장의 보수 보강은 우회도로의 전환이 어렵기 때문에 양생기간이 짧은 아스팔트 덧씌우기 공법의 적용이 확대되고 있는 추세이다.

아스팔트 포장은 소음과 주행성이 우수하고 유지관리가 쉬운 장점이 있으며 노후 콘크리트의 유지보수에 있어 교통통제 시간을 최소화 할 수 있는 장점이 있다. 반면, 기존 포장과의 층간 부착 부족 및 하부층 부피 변화, 다짐 불량 등의 이유로 균열, 반사균열 등 파손이 발생할 우려가 있다. 시멘트 콘크리트 포장 위에 아스팔트 콘크리트 포장 덧씌우기를 적용할 경우 콘크리트 포장의 줄눈부 또는 기존 균열이 덧씌우기 층으로 전파되는 반사균열이나 시멘트 콘크리트와 아스팔트 콘크리트의 이질 재료간의 접착 불량으로 인한 파손 가속화 등으로 인해 아스팔트 덧씌우기 포장의 이론수명(10년)을 채우지 못하고 파손되는 경우가 빈번히 발생하고 있다.

택코트의 역할은 기존 포장과 상부 포장의 일체화를 통한 포장의 공용수명 연장이다. Fig. 2와 같이 포장층간의 부착상태에 따라 포장체에 발생하는 변위와 이에 따른 응력의 분포가 달라지게 된다(^{Gierhart and Johnson, 2018}). 충분한 부착력을 확보할 경우 포장체는 일체화된 거동을 하며 포장체 전체에 고르게 압축과 인장응력이 분산되어 포장의 수명을 증가시킬 수 있게 된다. 택코트 불량으로 인한 포장층의 부착력 저하는 포장 밀림, 코루게이션 파손의 직접적인 원인이 되고 포장층 분리시 응력 및 전단력 발생이 현저히 증가하여 포장의 균열 및 소성변형 발생에도 영향을 미치게 된다.

본 연구에서는 노후 시멘트 콘크리트 포장의 아스팔트 콘크리트 덧씌우기 포장의 내구성 향상을 위해 동시포설공법의 적용하는 연구의 일환으로 동시포설공법에 사용하기 위한 택코트 재료의 기초성능 평가를 하고자 한다. 동시포설공법의 특성을 감안하여 택코트의 양생 없이 즉시 상부 아스팔트 콘크리트 포장을 포설하는 상황을 모사하여 실험을 진행하였으며, 하부 시멘트 콘크리트와 상부 아스팔트 콘크리트 포장의 부착성능을 평가하여 향후 동시포설공법에 최적화된 택코트 재료 개발의 기초 연구 자료로 활용하고자 하였다.

2. 동시포설공법과 택코트 재료

택코트의 부착성능을 확보하기 위해 택코트 재료의 부착성능 개선과 시공과정에서의 손상을 방지해야 하는데 시공과정에서 택코트 손실을 최소화하기 위한 방안으로 Fig. 3과 같이 아스팔트 페이버에 택코트 살포장치를 부착하여 택코트 살포와 동시에 아스팔트 혼합물을 포설하는 동시포설장비(spray paver)를 사용하는 방법이 있다. 동시포설은 페이버 하부에서 페이버 트랙의 뒤쪽과 스크리드 앞에서 택코트를 살포함으로써 운반 트럭과 페이버에 의한 택코트 손실을 근본적으로 방지 할 수 있다. 동시포설공법이 택코트 손실을 방지할 수 있으나 택코트 살포와 동시에 아스팔트 혼합물이 포설되어 양생시간을 확보할 수 없는 특징이 있다.

본 연구에서는 동시포설공법의 특성에 맞춰 양생없이 아스팔트 혼합물이 포설되어도 충분한 부착강도를 확보할 수 있는 택코트 재료를 개발하고 그 성능을 평가하고자 하였다. 택코트의 재료는 대표적으로 가열 아스팔트 바인더, 유화 아스팔트, 컷백 아스팔트로 나눌 수 있으며, 사용성과 안전성을 고려하여 주로 유화 아스팔트가 사용되고 있다. 시멘트 콘크리트 포장 위 아스팔트 포장 덧씌우기를 위한 충분한 부착성능 확보를 위해 개질 유화 아스팔트를 고려하였으며 Table 1의 국토교통부의 아스팔트 혼합물 생산 및 시공 지침(^{MOLIT, 2021b})의 개질 유화 아스팔트 품질기준과 미국과 일본의 개질 유화아스팔트 기준을 참고하였다.

택코트 재료의 성능 개선을 위한 개질 유화아스팔트 제조에는 폴리머 개질제가 주로 사용된다. ^{Kim et al.(2009)}의 연구에서는 유화아스팔트에 SBS와 Wax 또는 SBR Latex를 첨가하여 인장부착강도와 전단부착강도를 증가시킬 수 있다고 하였다. 선행 연구를 통해 개질 유화 아스팔트의 주요 개질제로 SBS, SBR, PE를 검토하였으며, 탄성력과 고온에서의 점도확보에 SBS가 효과적인 것으로 나타났다. 본 연구에서는 3종의 개질 유화 아스팔트를 제조하여 성능을 평가하였다. Type-1은 국내에서 주로 사용되는 개질 유화 아스팔트의 형식인 SBR Latex를 첨가한 개질 유화 아스팔트이며, Type-2와 Type-3는 선행 연구를 통해 탄성력과 고온 점도에서 유리한 SBS를 사용한 개질 유화 아스팔트로 Type-2는 미국에서 동시포설용으로 적용하는 완속경화(slow setting) 형식이며, Type-3는 급속경화(rapid setting) 형식의 개질 유화 아스팔트로 Lab-Plant를 이용해 샘플을 제조하여 시험을 수행하였다.

3. 부착 성능 평가 및 분석

3.1 BBS 실험

BBS(Binder bond strength) 실험은 아스팔트 바인더와 골재의 부착력을 측정하는 실험법이다. 금속재질의 Pull-out stub를 이용하여 골재와 아스팔트 바인더를 접착시키고 Pull-out stub를 100 psi/s의 하중으로 인장하여 최대 부착력을 측정한다. 본 연구에서는 택코트 재료의 아스팔트 콘크리트와 시멘트 콘크리트와의 부착성능을 평가하기 위해 Fig. 4와 같이 아스팔트 콘크리트 단면과 시멘트 콘크리트 단면을 절삭하고 Pull-out stub 부착한 후 24시간 후 25 °C에서 실험을 수행하였다.

기존 택코트 재료인 RSC-4를 사용하여 실험한 결과 Fig. 5와 같이 시멘트 콘크리트면에서 부착강도가 608 KPa로 아스팔트 콘크리트면의 506 KPa에 비해 1.20배 높게 나타났다. 아스팔트계 재료인 RSC-4가 시멘트 콘크리트면과의 부착강도가 더 높게 나타난 이유는 시멘트 콘크리트 바닥판으로 유화아스팔트의 수분이 빠르게 흡수되어 유화아스팔트와 수분의 분리(breaking)에 유리하게 작용하기 때문으로 판단되었다. 유화 아스팔트 택코트 재료의 경우 바인더와 수분의 분리와 제거가 부착 강도에 영향을 미치는 것을 알 수 있었으며, 시멘트 콘크리트면은 수분 흡수가 빨라 택코트 양생에 유리한 면이 있는 것으로 나타났다.

동시포설공법용에 사용될 택코트 재료를 위해 개발된 Type-1, Type-2, Type-3 샘플에 대해 아스팔트 콘크리트와 시멘트 콘크리트와의 부착강도를 평가하였다. 실험결과 Fig. 6과 같이 완속경화형인 Type-2는 기존에 국내에서 상용화 되어 있는 방식의 개질 유화 아스팔트인 Type-1에 비해 낮은 부착강도를 나타냈으나 급속경화형 방식의 Type-3의 경우 기존 개질유화아스팔에 비해 시멘트 콘크리트 면에서는 1.67배, 아스팔트 콘크리트면에서는 1.71배 높은 부착강도를 나타내었다.

Type-3의 경우 Fig. 7과 같이 BBS 실험 후 파단면을 살펴보면 하부 바닥면과 함께 떨어질 정도의 높은 부착성능을 나타내었다. ^{Hachiya et al.(1997)}는 택코트의 브레이킹 시간이 길어질수록 부착강도가 증가한다고 하였는데 양생시간 확보가 불가능한 동시포설공법에서는 완속경화형에 비해 급속경화형 유화 아스팔트가 부착강도 확보에 보다 유리한 것으로 나타났다. 따라서 급속경화형인 Type-3를 동시포설용 개질 유화아스팔트로 선정하게 되었다. 또한, 개질 유화아스팔트 택코트 재료의 BBS 실험 결과에서도 시멘트 콘크리트면이 아스팔트 콘크리트면에 비해 높은 부착강도를 보였으며, 실험과정에서 시멘트 콘크리트면에 유화아스팔트를 살포시 더 빠르게 표면으로 흡수되는 모습을 관찰할 수 있었다.

3.2 인장 부착강도 실험

BBS 실험의 경우 상온에서 Pull-out stub와 부착되어 실제 가열된 아스팔트 혼합물이 포설되면서 유화 아스팔트의 내부 수분이 증발하는 것을 모사하지 못하고, Pull-out stub의 부착면이 작아 택코트 살포량을 모사하기 어려운 한계가 있었다. 실제 포장면과 같은 상태에서 택코트의 인장 부착강도 측정을 위해 Pull-off 실험을 수행하였다. 실험방법은 ^{ASTM D 4541(2017)}에 따라 수행하였으며, 실험에 사용된 기구는 Fig. 8과 같은 Proceq사의 DY-216 Pull-off adhesion tester를 사용하여 상온 20 °C에서 실시하였다.

실험에 사용된 공시체는 Φ150 mm의 원통형 시멘트 콘크리트 공시체를 제작 후 5 cm 두께로 절삭하여 매끈한 표면이 되도록 하였다. 시멘트 콘크리트 공시체 표면에 택코트 살포 후 즉시 선회다짐기의 Φ150 mm 몰드에 넣고 상부에 가열된 아스팔트 혼합물을 부은 후 75회 선회다짐을 실시하였다. 제작된 공시체는 1일 동안 상온 거치 후 Φ100 mm 코어드릴을 사용하여 Fig. 9와 같이 상부에서 인발하면 하부의 부착면에서 분리될 수 있도록 제작하였다.

실험에 사용된 택코트 재료는 RSC-4와 동시포설용 택코트 재료로 개발된 Type-3이다. 살포량의 영향을 살펴보기 위하여 0.30, 0.45, 0.60 ℓ/m²을 적용하여 각각의 재료와 살포량에 대해 3회씩 실험을 수행하였으며 결과는 Table 2와 같다.

RSC-4와 동시포설용 유제인 Type-3 제품은 Fig. 10에 나타난 것과 같이 0.45ℓ/m²의 살포량일 때 가장 높은 인장부착강도를 나타내었으며, 그보다 양이 많거나 작을 경우에는 부착강도가 낮아지는 경향을 나타내었다. Type-3가 모든 살포량 조건에서 RSC-4에 비해 높은 인장부착강도를 나타내었으며, 살포량 0.45ℓ/m² 일 때 1.21배 높은 1.05 MPa의 부착성능을 보였다. 일반적으로 폴리머 개질 유화아스팔의 부착성능 향상 효과는 약 20 %로 알려져 있어(^{Yin et al., 2013}), 폴리머로 개질된 Type-3 택코트 역시 일반 재료에 비해 향상된 부착성능을 나타내었다.

시공 중 발생할 수 있는 택코트의 손실을 최소화하기 위해 유화 아스팔트의 성질을 개선하여 살포된 택코트가 작업차량의 바퀴에 묻어나지 않도록 한 제품이 Trackless 택코트이다. 본 연구에서는 국외의 Trackless 택코트 제품 2종과 미국에서 동시포설용으로 사용되는 택코트 재료인 완속경화형 유화 아스팔트(CSS-1h)를 Type-3 재료와 비교하여 인장부착성능을 평가하였다.

실험결과 Table 3과 같이 동시포설용 택코트 재료인 Type-3와 Trackless 택코트 재료는 유사한 수준의 인장부착강도를 나타내었으며, 완속경화형인 CSS-1h는 비교 제품 중 가장 낮은 0.89 MPa의 인장부착강도를 나타내었다. 앞서 BBS 실험결과에서도 완속경화형 재료가 다른 급속경화형 재료에 비해 낮은 부착강도를 나타낸 것과 동일한 경향이나 그 차이는 줄어든 것을 알 수 있다. 상부에 고온의 아스팔트 혼합물을 포설하고 다짐을 하는 과정에서 유화 아스팔트의 수분이 증발하기 때문에 양생 조건에 따른 차이가 줄어든 것으로 나타났다.

공용중인 포장에서 교통하중이나 온도 변화에 따른 포장의 변형으로 택코트에 의해 접착되어 있던 포장층이 분리되는 경우가 발생한다. 하지만 택코트의 주요 재료는 열가소성의 아스팔트 바인더로 포장층에 분리가 발생하여도 이후 재접착이 될 수 있다. 이를 모사하기 위해 인장부착강도 실험 후 분리된 시험체를 Fig. 11과 같이 60 °C 오븐에서 자중에 의해 재접착(rebonding) 시킨 후 다시 인장부착강도를 측정하였다.

Fig. 12와 같이 한 번 분리된 부착면을 재접착시킬 경우 인장부착강도가 감소하는 것을 알 수 있었다. Trackless 택코트 재료는 폴리머 개질제와 경질의 아스팔트 바인더로 구성되어 있어 공용시 다른 택코트 재료에 비해 파괴시 변형이 작은 스티프한 거동을 나타내는 것으로 알려져 있다(^{Bae et al., 2010}). 따라서 분리 후 재접착하였을 경우 부착성능을 회복하기 어려워 Trackless 택코트는 재부착후에 최초 인장부착강도의 6.1~6.9 %의 부착성능을 나타냈으며, CSS-1h의 경우도 12.4 % 수준으로 감소하여 포장층간에 분리가 발생하면 회복하는 것이 어려운 것으로 나타났다. 반면 Type-3의 경우 재부착했을 때 최초 부착강도의 69 % 수준의 부착성능 회복력을 보여 포장층 분리로 인한 포장의 파손을 지연시킬 수 있는 것으로 나타났다.

3.3 전단 부착강도 실험

전단 부착강도 실험은 실내 실험으로 신속하고 반복성이 높으며 일반적인 실험실 장비를 사용할 수 있어 널리 사용되는 택코트의 부착성능 실험 방법이다. 실험의 단순함과 실험 절차의 규격화로 재료의 성능 비교 평가가 용이한 장점이 있다. 본 연구에서는 TexDOT의 TEX-249-F(2019)의 규정에 의해 실험을 실시하였으며, Fig. 13과 같은 Pine사의 지그를 사용하여 실험온도 25 °C, 하중재하속도 5.08 mm/min을 적용하여 실험을 수행하였다. 인장 부착강도 실험과 마찬가지로 RSC-4와 동시포설용 유제 Type-3에 대해 살포량 0.30, 0.45, 0.60 ℓ/m²을 적용하여 3회씩 실험을 수행하였으며 실험결과는 Table 4와 같다.

실험결과 Fig. 14에 나타난 것과 같이 Type-3 유제 택코트의 경우 0.45ℓ/m²일 때 RSC-4에 비해 1.99배 높은 1.49 MPa의 전단부착강도를 나타냈으며 인장부착강도와 마찬가지로 살포량이 적거나 많은 경우 전단부착강도가 감소하는 경향을 나타내었다. 반면 RSC-4의 경우에는 살포량이 늘어나면 전단부착강도가 감소하는 경향을 나타내었는데 이는 하부의 시멘트 콘크리트 제작에서 상부면을 컷팅하여 매끈한 상태가 되어 살포량이 증가할수록 택코트 재료의 부착성이 부족하여 택코트가 도리어 계면에서의 윤활유와 같이 작용하여 전단부착강도를 감소시키는 효과가 나타난 것으로 분석되었다.

택코트의 전단부착강도에 대한 품질기준은 국내에는 없으며 ^{Gierhart and Johnson(2018)}이 조사한 미국의 경우, 주별로 40~100 Psi (0.28~0.69 MPa) 이상의 전단부착강도를 요구하고 있다. 또한 ^{Hong et al.(2017)}은 문헌조사와 포장체 구조 해석을 통해 택코트의 전단부착강도의 최소 기준을 0.6 MPa로 제안해 미국의 기준과 유사한 수준을 나타내었다. 동시포설공법을 모사한 전단부착강도 실험에서 Type-3의 전단부착강도는 1.49 MPa로 기준을 만족할 수 있는 충분한 부착성능을 나타내는 것으로 평가되었다.

택코트 시공상의 문제점은 Fig. 15와 같이 시공 차량에 의해 택코트가 손실되는 것이다. 택코트가 공사차량에 의해 손실되면 포장층간의 부착에 영향을 미칠 것을 예상할 수 있다. 공사차량에 의한 택코트 손실이 부착성능에 미치는 영향을 검토하기 위해 Fig. 16과 같이 부분적으로 택코트가 손실된 상황을 모사하고자 하였다. 택코트가 차량 바퀴에 의해 부분적으로 손실된 상황을 줄무늬 모양과 격자무늬의 형태로 모사하였으며, 살포량은 완전 도포 상태의 약 50 %에 해당하도록 간격을 조절하였다.

택코트 손실에 따른 전단부착강도 측정 결과는 Table 5와 같으며 택코트가 손실된 상황을 모사한 경우 택코트 손실없이 0.45 ℓ/m²의 택코트가 고르게 살포된 100 %의 경우에 비해 줄무늬는 11 %, 격자무늬는 17 %의 전단부착강도 감소가 있었다. 살포량이 줄고 택코트가 살포되지 않은 면이 전체 면적의 50 %임에도 불구하고 전단부착강도의 감소가 예상보다는 작게 나타난 것은 Fig. 17과 같이 포장층 계면의 마찰저항이 작용하기 때문으로 나타났다.

Fig. 18과 같이 파괴시 변형에서는 택코트의 손실이 없는 100 %는 2.42 mm였으나 줄무늬 손실모사의 경우는 1.87 mm로 격자무늬 손실모사의 2.03 mm에 비해서도 작은 변형에서 파괴가 발생하는 것을 알 수 있었다. 택코트 살포 후 공사차량에 의한 손실의 영향을 받으면 포장이 더 작은 변형에도 파괴에 이를 수 있어 택코트의 손상을 최소화하는 것이 포장의 내구성에 영향을 미칠 수 있는 것으로 나타났다.

4. 결 론

노후 콘크리트의 아스팔트 덧씌우기 포장 시 택코트의 부착성능 향상을 위한 동시포설공법의 특성을 고려하여 재료의 최적화 및 현장 적용성 확보를 위해 개질 유화 아스팔트의 기초성능 평가를 수행하였으며 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.

(1) BBS 실험으로 택코트 재료의 시멘트 콘크리트 및 아스팔트 콘크리트와의 부착강도 측정에서 이질재료인 시멘트 콘크리트와의 부착강도가 아스팔트 콘크리트에 비해 더 높은 1.20배 큰 값을 나타내었다. 시멘트 콘크리트가 유화 아스팔트의 수분을 흡수하여 양생 없이 상온에서 부착시킨 실험 조건에서 보다 유리한 것으로 나타나 택코트의 수분 제거가 부착강도에 큰 영향을 미치는 것으로 나타났다.

(2) 하부 시멘트 콘크리트에 택코트 살포 후 가열 아스팔트 혼합물을 다져서 공시체를 제작하여 Pull-off 실험을 통한 인장부착강도 실험결과, 동시포설용 유화 아스팔트(Type-3)가 RSC-4에 비해 1.21배 높은 인장부착강도를 나타내었으며, 국외에서 사용되는 Trackless 택코트 재료와 유사한 수준의 부착성능을 나타내었다. 실험 후 한번 분리된 포장층을 재부착하여 인장부착강도의 회복정도를 평가한 결과 개발 재료는 원 상태의 67 % 수준의 인장부착강도를 나타내 포장의 내구성 확보에 유리한 것으로 평가된다.

(3) 전단부착강도 실험결과 개발 유화 아스팔트가 RSC-4에 비해 1.99배 높은 전단부착강도를 나타냈으며, 공사차량에 의한 택코트 손실 모사 실험에서 택코트 손실시 전단 부착강도는 감소하며 특히 파괴시 변형이 77~84 % 가량 감소하여 공사차량에 의한 택코트 손실 시 파손에 대한 저항성이 낮아지는 것으로 나타나 동시포설 공법의 적용을 통한 택코트 손실 방지가 효과적일 것으로 판단된다.

(4) 택코트 살포 후 손상이 발생하면 부착성능이 낮아지고 포장의 파손을 가속화시키게 됨으로 동시포설공법의 적용이 포장의 내구성에 효과적인 것으로 나타났다. 택코트의 양생시간을 확보할 수 없는 동시포설공법의 특성상 개질 유화아스팔트를 사용하여 부착강도의 확보가 필요한 것으로 나타났다.