SMA (Stone Mastic(Matrix) Asphalt) 포장공법

 

SMA (Stone Mastic(Matrix) Asphalt) 포장공법

ysis

 

 

Solution

 

Ⅰ. SMA 포장의 개념

     아스팔트 자체의 성능보다는 골재의 맞물임 효과를 최대로 하여 소성변형의 발생을

     최소로 하고, 가능한 한 많은 양의 아스팔트를 함유, 골재에 대한 아스팔트의 피복

     두께를 두껍게 하여 골재 탈리나 균열 및 노화를 방지

Ⅱ. SMA 혼합물

 Stone (굵은골재) + Mastic Asphalt (잔골재 + Filler + Asphalt)

Ⅲ. SMA 포장 재료 및 품질기준

     1. 재  료

         1) Asphalt : 침입도 60-70      2) 굵은골재 : 비중 2.5이상, 최대직경 12mm

         3) 채움재 : 포장용 채움재       4) 섬유첨가재 : 셀롤루즈

     2. 품질기준

         

항  목	기  준	항  목	기  준
아스팔트 함량 (%)	6 - 7	골재 간극률 (%)	18 이상
마샬 안정도 (kg)	500 이상	포화도 (%)	75 이상
공극률 (%)	4 - 6	드레인다운시험치	0.3 이상

Ⅳ. SMA 포장 시공

     1. 생  산

          1) Mixing Plant에 섬유보강재 투입장치를 추가 및 Wet Mixing 40초 이상

   3) 혼합물의 온도는 170±15℃의 범위 내로 생산

     2. 포설 및 다짐

          1) 포설은 Finisher를 이용하여 85% 초기 다짐도 확보 (포설온도 140℃ 이상)

          2) 다짐장비는 Tire Roller 사용치 않음

              

구    분	장비명	다짐횟수	혼합물 온도
1차 다짐	머캐덤 (12 t)	왕복 3회	130~150℃
2차 다짐	탠덤 (10 t)	왕복 3회	110~130℃

          3) 포장은 실내다짐밀도의 96% 이상

Ⅴ. SMA 포장 특징

     1. 장  점 

         1) 골재 맞물림 효과 -> 고온, 중차량 조건시 소성변형 저항성 증대

         2) 생산비는 고가, LCC는 경제적

     2. 단  점

         1) 중간입도 (10-13mm)의 골재만 사용 -> 별도골재원 확보

         2) 섬유보강재 첨가 -> 별도의 투입장치 필요

 

 

SMA 포장공법이란?

우리나라에서는 쇄석 매스틱 아스팔트(Stone Mastic Asphalt)포장이라고
부르고 있습니다.
이것의 혼합물의 골재 입도는 일반적으로 잘 알려진 투수 아스팔트 포장과
같은 구성구조를 가지지만 공극을 세골재/필러/역청Mortar를 가지고 채우기 때문에
결과적으로 rutting(소성변형)에 대한 저항성이 양호하고 내구성이 높으며,
특히 고온 소성변형에 대한 저항성이 좋습니다.
일반 가열 아스팔트 혼합물의 경우에는 역청재가 골재들을 연결해 주는
바인더 역할을 하는반면에 이 혼합물은 굵은 골재들을 서로 밀착시켜서 골재간의
맞물림 작용을 증대 시키는 개립도의 Gap Graded Skeleton의 입도를 가지는
특성이 있습니다.
이 공법은 25년전 독일에서 개발되었고, 북 유럽에서 폭넓게 이용되어 왔으나,
최근 미국에서도 상당히 주목받고 있는 포장 공법입니다.

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1. 개요 중차량의 급격한 증가와 정체구간의 발생 빈도가 높아지면서 아스팔트 포장은 혼합물 유동에 의한 변형문제가 시급히 해결해야 할 중점과제로 부각되었다. 기존의 밀입도 아스팔트 혼합물로는 심화되는 교통여건에 그 한계를 드러내고 있는 실정이다. 아스팔트 포장의 혼합물 유동에 의한 소성변형의 최소화를 위하여 아스팔트 바인더의 물성 개선을 통하여 내유동성 향상을 유도하는 개념보다는 골재의 맞물림 특성을 최대로 하여 소성변형을 저항하게 하고 아스팔트 함량을 높여 아스팔트 혼합물의 물리적인 단점인 규열과 탈리에 대한 저항성을 높인 개념의 혼합물이 SMA(Stone Mastic Asphalt) 혼합물이다. 2. SMA 혼합물의 원리 아스팔트 혼합물은 크게 골재와 아스팔트로 구성되어 있다. 일반 아스팔트 혼합물의 경우 차량의 바퀴에 의해 가해지는 수직의 압축력과 전달력에 저항하는 힘은 아스팔트 바인더의 접착력과 골재 사이의 표면의 접촉에 의한 마찰력 그리고 골재간의 맞물림에 의해서 발생된다. SMA 혼합물의 기본 원리는 아스팔트 바인더의 접착력은 골재의 탈리를 방지하는 역할만 부여하고 압축력과 전단력에 저항하는 힘은 전부 골재에 의해서 발생한다는 개념이다. 골재의 접촉에 의한 마찰력은 골재의 고유한 파쇄 특성이기 때문에 이것을 증가시키는 것은 쉽지 않은 일이다. 그렇기 때문에 SMA 혼합물에 사용되는 골재는 맞물림 특성을 최대로 발휘하게 하기 위하여 골재의 파쇄면이 많게하고 입형이 좋은 골재를 사용하여야 한다. 또한, 굵은골재를 다량으로 사용하여 가장 양호한 전단 변형 특성을 확보토록 하는 것이다. 그림1)은 밀입도와 SMA 혼합물에 수직력이 작용하였을 때 아스팔트 혼합물의 응력전달 개념을 보여준다. 그림1)(a)는 밀입도 혼합물의 저단저항 특성이 골재의 맞물림보다는 골재 사이의 마찰력과 아스팔트 바인더의 점성에 의존한다는 개념을 보여준다. 이러한 개념으로 아스팔트 바인더의 점성을 증가시켜서 소성변형 저항성을 개선한다는 개념이 개질 아스팔트 혼합물이다. 그림1)(b)는 SMA 혼합물의 소성변형에 대한 저항성이 다량 함유된 굵은 골재에 기인하여 굵은골재 사이의 맞물림에 의해서 발생되는 SMA혼합물의 특성을 보여준다. 3. SMA 혼합물의 조성 SMA 혼합물의 구성은 크게 골재, 아스팔트, 섬유첨가재(fiber)의 3종류로 나눌 수 있다. 일반 밀입도 아스팔트 혼합물과 가장 대별되는 차이점으로는 골재의 사용 측면에서는 굵은골재가 상대적으로 다량으로 사용되고, 다량의 굵은골재 사용에 따른 탈리 및 균열에 대한 저항성을 향상시키기 위하여 상대적으로 많은 양의 아스팔트가 사용된다는 것이다. 많은 양의 아스팔트의 흘러내림과 블리딩을 방지하기 위한 섬유첨가재가 추가되며 다량의 채움재가 사용된다는 것이 SMA 혼합물 구성상 특징이다.그림2)는 SMA 혼합물에 사용되는 재료의 구성을 보여준다. 그림2)에서 보는 바와 같이 다량의 굵은골재와 그 사이를 채워줄 수 있는 결합재로서 매스틱이 사용된다. 이러한 매스틱은 아스팔트, 부순모래, 채움재(FILLER) 및 셀룰로오스 화이버로 구성되는데 골재와 골재 사이의 공극을 채워주고, 결합시켜 주는 페이스트로서 작용한다. 그림3은 SMA 혼합물과 일반 밀입도 아스팔트 혼합물로 제작된 마샬공시체를 절단한 단명을 보여준다.   4. SMA 혼합물 입도 SMA 포장의 입도는 굵은 골재, 잔골재 및 채움재를 혼합한 혼합골재 입도로 표 2을 표준으로 한다.표 1에서 주로 사용되는 입도 13mm, 10mm, 8mm SMA가 적용되며, 일반 토공부에는 주로 13mm SMA 혼합물이 적용되고, 교량의 교면포장 구간에는 주로 10mm와 8mm SMA 혼합물이 사용된다. 5. SMA 혼합물의 품질기준 표 2는 각 입도의 SMA 혼합물의 배합설계 기준을 나타내었다. 고속도로 구간에 적용하는 SMA 혼합물의 배합설계시 다짐 회수는 75회 이며, 골재 최대 치수별로 최소 아스팔트 함량을 규정함으로써 SMA 혼합물의 탈리와균열 저항성 저하를 방지하고 있는 것이 특징이다. 6. SMA 혼합물용 골재 생산 방법 각 골재 최대 치수별 SMA 혼합물의 생산을 위하여 석산의골재 파쇄장에서 사용할 스크린의 치수를 SMA 혼합물 종류별로 표3에 나타내었다.크러셔와 플랜트 스크린의 입경 선택은 조절점보다 1-2mm 정도 큰 입경의 스크린을 선택함으로써 해결할 수 있다. 특정한 골재의 경우 이러한 망의 배치로 생산된 골재의 입도합성이 불가능한 경우는 해당 골재의 입도특성을 고려하여 조절점을 추가로 설정하여 사용하는 스크린 망을 증가시켜야 하는 경우도 발생할 수 있다.   7. SMA혼합물 배합설계절차 SMA혼합물의 배합설계는 물리적인 조절에 의존함으로써 투입량이 정확히 조절되지 않는 콜드빈 골재를 기준으로 하지 않고 정확한 계량에 의해서 생산되는 하트빈의 골재를 채취하여 배합설계를 하는 것이 배합설계에 콜드빈 골재를 사용하는 일반 밀입도 혼합물과 다른 점이다. SMA 혼합물의 개략적인 배합설계 순서는 콜드빈 골재를 대상으로 예비배합설계를 실시하여 콜드빈의 투입비를 결정하고 이 투입비대로 골재를 투입하여 하트빈에 저장되는 골재를 채취하여 최종적인 배합설계를 통하여 합성입도와 아스팔트 함량을 결정한다. 그런다음 실제 사용될 플랜트에서의 시험혼합을 통하여 현장배합 입도와 현장 포설 아스팔트량을 최종적으로 결정한다.?이와 같은 SMA 혼합물의 최적 아스팔트함량 결정을 위한 배합설계 과정을 흐름도로 나타내면 그림 4와 같다. 8. SMA 혼합물 실내시험시 유의사항 (1)시험실 배합을 위하여 낱알 형태의 셀룰로오스 화이버를 계량할 때는 석분을 제외한 모든 골재를 배합비대로 계량하고 난 후 중앙 부분을 오목하게 파고 셀룰로오스 화이버를 계랑하여 넣은 다음 석분을 계량하여 넣어서 셀룰로오스 화이버 낱알갱이를 골재의 중앙에 위치시켜서 건조로에 넣어야 한다. (2)SMA 혼합물의 시험실 배합은 아스팔트 함량이 많기 때문에 손으로 배합하기 보다는 가능한 한 기계적인 방법을 사용하는 것이 오차를 줄일 수 있다. (3)SMA 혼합물로 마샬공시체를 제작할 때도 아스팔트 함량이 많아서 몰드 밑판과 타격햄머에 골재가 달라붙기 때문에 반드시 거름종이를 대고 타격하여야 한다. (4)SMA 공시체 제작을 위해 몰드에 혼합물을 넣을 때는 일반 아스팔트 혼합물과는 달리 스페츌라 등으로 찔러서는 안되며 한 번에 집어넣고 다져야하며 몰드 1개당 혼합물량을 1180~1190g 정도가 적당하다.혼합물 다짐시 온도는 150±2℃가 적당하고 건조로에서 공기에 의해 간접적으로 가열되어야 하며 버너 등의 직접적인 가열방식은 국부적인 과다한 온도상승을 가져오기 때문에 가능한 피해야 한다. (5)몰드 다짐을 끝낸 후 공기중에서 식힐 때는 반드시 몰드 밑판 위에 다짐된 공시체가 담긴 몰드를 올려 놓고 식혀야 한다. 그렇지 않을 경우 다짐된 혼합물이 자중에 의해서 아래로 처짐으로 인해 실제와는 다른 공극율을 나타내는 경우가 있다. (6)셀룰로오스 화이버 첨가량의 적정여부를 판단하는 드레인 다운 시험은 1시간 동안 170℃의 건조로에서 양생시킨 다음 비이커를 꺼내어 한 번에 뒤집어 붓고 비이커의 무게를 측정한다. (7)SMA 혼합물의 경우 마샬안정도 시험은 큰 의미가 없으므로 시험을 수행하며 참고치로만 활용한다. 9. SMA 혼합물 생산시 유의사항 (1)공사가 진행되는 동안 현장배합(JMF)에서 결정된 현장배합 입도 유지가 가장 중요한 요소이므로 콜드빈(Cold Bin)과 하트빈(Hot Bin) 골재에 대하여 지속적인 입도검사를 통하여 최종적으로 결정된 현장배합 입도의 변동을 최소한으로 하여야한다. (2)낱알 형태의 셀룰로오스 화이버 첨가시 투입장치의 이상으로 소정의 섬유가 투입되지 않거나 결정된 투입량보다 적게 들어가는 경우가 종종 발생되므로 감독관은 셀룰로오스 화이버의 정상적인 투입에 주의를 기울여야 한다. 또한, 셀룰로오스 화이버가 첨가되지 않은 혼합물은 현장 포설시 블리딩 현상이 발생하는데 이 때의 혼합물은 제거하고 재시공하여야 한다. 또한, 셀룰로오스 화이버가 골고루 분산되지 않을 경우에는 포장 표면에 군데 군데 무더기로 다짐되어 고른 표면 형상을 기대할 수 없으므로 이 또한 주의를 기울여야 한다. (3)낱알 형태의 셀룰로오스 화이버는 혼합물 생산시 잘 녹아서 분산되도록 일반 혼합물보다 높은 온도로 생산되어야 한다. 일반적으로 170℃ 정도가 적합한 것으로 판명되었으며, 기온과 운반거리에 따라 증감하여야 한다. (4)SMA 혼합물의 플랜트 혼합시간은 마른비빔(Dry mixing)5초, 젖은비빔(Wet mixing) 40초가 적당하다. (5)SMA 혼합물의 당일 처음 생산된 혼합물에서 혼합물의 플랜트 믹서 배출시의 온도조정을 위하여 200℃ 이상의 혼합온도로 혼합되는 경우에 현장에서 포장면이 떡처럼 되어 번들거리는 플러싱현상이 발생하는 경우가 많으므로 첫차에 상차되는 혼합물의 온도가 200℃가 넘는 경우가 있을 때는 이 혼합물은 폐기시키는 것이 바람직하다. 10. SMA 혼합물의 포설 및 다짐시 유의사항 (1)아스팔트 피니셔의 경우 일반시방서에 규정되어 있는 85% 정도의 선다짐 기능이 있는 것으로 가능한 한 확보하여 시공하여야 한다. (2)SMA 포장은 굵은 골재의 함유량이 대부분이어서 일반 혼합물에 비하여 다짐밀도가 잘 나오지 않는 특성이 있다. 또한, 일반 혼합물의 다짐은 매카덤로울러, 타이어로울러, 탄뎀로울러 순으로 진행하면서 실제적인 다짐 효과는 타이어로울러에 의존하고 탄뎀로울러의 역할은 면마무리의 역할만 수행하는 것이 대부분이다. 그러나 SMA 포장에서는 탄뎀로울러가 가장 중요한 다짐 장비가 된다. 따라서 매카덤로울러와 탄뎀로울러는 다짐에너지가 최대한 높은 로울러를 확보하여야 한다. 로울러는 시방서에 규정되어 있는 것보다 가능한 한 큰 용량의 로울러의 확보가 바람직하며 탄뎀로울러의 경우 진동이 가능하여야 한다. 온도가 식은 경우 진동다짐을 할 수 있다. (3)SMA 혼합물의 다짐시 일반적인 로울러의 투입 순서는 매카덤, 매카덤, 탄뎀의 순서가 바람직하다. (4)SMA 혼합물 시공시 시공 당일 처음 생산된 혼합물의 포설과 다짐시에 플러싱 현상의 발생이 빈번한 경우가 많다. 이러한 현상을 방지하기 위하여 SMA 혼합물의 초기 포설시 반드시 포장 시작 전에 스크리드 히터로 스크리드플레이트를 약 150℃ 이상으로 가열하여 페이버 포설 작업시 SMA 혼합물의 페이스트가 스크리드 플레이트의 밑면에 달라붙지 않도록 하여야 한다. (5)다짐 작업시 시방서에 규정된 로울러별 다짐온도는 최소규정이며 170℃ 이하의 가능한 높은 온도에서 다짐작업이 이루어지는 것이 유리하고로울러 간 연속적으로 식속하게 이루어져야하며, 탄뎀로울러는 바퀴자국이 없어질 때까지 다짐을 계속하여야 한다. (6)다짐하기가 가장 용이한 SMA 혼합물의 온도는 일반적으로 145℃~165℃ 정도가 좋다. 다짐시의 혼합물의 온도가 170℃가 초과하였을 때는 플러싱 현상의 발생가능성이 높기 때문에 피니셔로 포설 후 혼합물의 온도가 170℃ 이상일 때는 온도가 170℃ 이하로 떨어질 때까지 대기하다가 로울러로 다짐하여야 한다. (7)SMA 포장시 콜드 조인트(Cold Joint) 부분이 있을 때에는 포설시 특별한 주의를 기울여야 한다. 기존의 일반 혼합물 공사시에도 이음부분의 외형과 편평한 마무리에 과도한 주의를 기울인 나머지 이음부분의 다짐밀도 부족으로 이음부 종방향 균열이 발생한 사례가 있다. SMA포장에서는 특히 콜드 조인트 부분의 다짐에 주의를 기율여야 하며, 피니셔가 진행하는 동안 기존 포장 위에 포설된 겹침부의 혼합물을 걷어내거나 쓸어 버리지 말고 래키 등으로 밀어서 이음부분에 두툼하게 쌓아서 로울러를 우선적으로 태워 소정의 다짐밀도가 되도록 하여야 한다. 겹침부의 혼합물을 걷어낼 경우 매끈한 이음이 되는 것으로 보이나 SMA의 경우는 소정의 밀도를 얻지 못할 수 있다. 이러한 과정은 그림5)에서 보는 바와 같다.그림5)(a)에서 보여주는 그림은 이음부 시공시 외형적으로 편평한 마무리에만 중점을 둔 것으로콜드 조인트부에서 균열이나 탈리가 생길 수 있다. 그림5)(b)의 경우처럼 이음부를 시공하면 다짐도가 증가함으로써 이음부에서 발생되는 문제를 최소로 할 수 있다. 특히 SMA혼합물의 이음부 다짐에는 반드시 (b)와 같은 방법을 사용하여 우수의 투수, 탈리 및 균열 발생을 최소화할 수 있도록 하여야 한다. (8)SMA 포장의 절삭 덧씌우기 공사시에 기존 포장부와 SMA 포장부의 콜드 조인트 부위에 위의 (7)에서 설명한 것처럼 다짐부족으로 인하여 우수가 침투하여 도로의 종/횡단 구배를 따라 우수가 흘러서 구배가 가장 낮은 부분에서 물이 용출되는 사례가 빈번히 발생하고 있다. 근본적으로 콜드조인트 부위의 시공과 다짐을 철저히 하여 이러한 사례가 없도록 해야 하지만,야간 및 동계 시공 등의 유지보수 공사를 감안하면 이러한 우수의 용출이 있는 적소에 교면포장에 침투한 우수의 배출에 사용되는 유도배수관(Drain pipe)등을 매설하여 노결 외측의 비탈면으로 배수시키도록 하여야한다. (9)야간 또는 동절기(10월~4월)의 SMA 혼합물의 시공은 혼합물의 온도저하에 따른 다짐 불량에 대비하기 위하여 신속한 시공을 위한 특별한 대책을 강구하여 시공에 임하여야 한다. SMA 혼합물은 일반 아스팔트 혼합물에 비하여 아스팔트 함량이 1% 이상 높기 때문에 골재와 골재의 접착이 좋고 골재에 비하여 아스팔트의 온도저하가 빠르기 때문에 신속하게 포설하고 다짐할 수 있는 계획을 사전에 수립하여야 한다. 11. SMA 포장의 플러싱(flushing) 현상 (1)정의 플러싱 현상은 주로 SMA 포장에서 발생하는 형태로 아스팔트 바인더, 셀룰로오스화이버, 채움재 및 잔골재의 세립준들이 굵은 골재에 코팅되지 않고 서로 뭉쳐서 표면에 노출되므로써 다짐시 2~20cm 정도의 원형의 떡처럼 뭉친면으로 나타나며, 심할 경우는 기존포장의 과잉아스팔트 함량에 기인한 아스팔트 블리딩과 외형적으로 유사하게번들거리는 면으로 나타나는 것이다. 그러나 근본적으로 블리딩과 플러싱은 전혀 다른 것이다. (2)발생 원인 -아스팔트 믹서에서의 혼합 불량(특히 초기 생산 혼합물) -셀룰로오스 화이버의 부족 또는 분산 불량 -너무 높은 혼합물 생산 온도(185℃ 이상) -아스팔트 플랜트 생산 혼합물의 입도 변동 -혼합물 운반 트럭의 혼합물 부착방지제 과잉 사용 -초기 포설시 피니셔의 스크리드플레이트 가열 온도(약 170℃)의 미확보로 인하여 혼합물의 매스틱(mastic: 아스팔트 화이버, 세골재의 조합) 성분이 스크리드 플레이트에 달라 붙었다가 덩어리로 떨어지면서 발생 -다짐시 포설 포장면의 온도(170℃ 이하)가 너무 높을 때 발생 가능 -스크리드 플레이트의 불량으로 인하여 매스틱 성분들이 뭉쳐서 소규모로 발생 -택코팅제 과다 사용 및 양생 불량 12. SMA 혼합물의 교면포장 적용 방안 SMA 혼합물의 교면 포장 적용기준을 설정하기 위하여 교량 형식을 교량의 규모 및 교량 상판의 형식에 따라 표 4에서 나타낸 것처럼 3가지로 구분하였다. 교량상판의 형식에 따라 콘크리트 상판과 강상판으로 구분하였고, 콘크리트 상판은 크게 교량연장에 따라 100mm 이상과 100mm 이하 교량으로 구분하여 적용하도록 하였다. 또한 100mm 이하의 콘크리트 상판 중에서도 비교적 처짐이 작은 라멘교나 연속교 형태의 콘크리트 상판을 제외한 나머지 형태는 100mm ?이상의 장대교와 마찬가지로 설계하도록 구분하였다.    교면 포장용 SMA 혼합물의 배합설계법을 교량의 종류에 따라 설명하면 다음과 같다. (1)100mm 미만의 라멘교나 연속교 형태의 콘크리트 상판 : 100mm 미만의 단교량 중에서도 교량의 처짐이 상대적으로 작은 라멘교나 연속교 형태의 콘크리트 상판을 대상으로 한 것으로 상부층은 일반 토공부에 사용하는 13mm SMA혼합물 입도를 그대로 사용하면서 아스팔트 함량만 증가시켜 교면포장용 SMA 혼합물의 배합설계 기준에 맞추어 사용하고, 하부층은 일반 토공부와 다른 SMA혼합물일 경우 별도로 배합설계 하여야 한다. (2)100mm 이상의 콘크리트 상판 : 100mm 미만의 단교량 중에서 라멘교나 연속교 형태의 교량을 제외한 처짐이 상대적으로 큰 교량은 100mm 이상의 콘크리트 상판의 경우에 표5의 기준에 맞게 배합설계를 실시한다. (3)강상판 : 교면포장용 SMA 혼합물의 배합설계 기준에 맞게 배합설계하여야 하며, 특히 강상판인 경우에는 휩시험과 휠트랙킹 시험등을 실시하여 가장 좋은 입도 조건과 아스팔트 함량에서 배합설계되도록 하여야 한다. (4)모든 교면 포장 혼합물은 현장 플랜트에서 생산되는 SMA혼합물에 대하여 현장 배합을 실시하여 시방기준에 만족하는 여부를 확인한 후 포설하여야 한다. 교량 상판의 주요 파손 원인을 살펴보면, 콘크리트 상판의 교면포장은 소성변형과 포트홀등이고강상판 교량의 경우는 균열과 소성변형이 가장 큰 파송원인이다. 이러한 문제를 해결하기 위해서는 수밀성, 내유동성, 처짐 추종성이 우수한 아스팔트 혼합물을 사용하여야 한다. 교면포장에 요구되는 이러한 아스팔트 혼합물의 요구 성상에 대해 SMA 혼합물의 적용성이 큰 것으로 판단되며, 이러한 SMA 혼합물의 생산과 시공시 철저한 품질관리가 요구된다.   http://blog.naver.com/kjiksh/60035713524