Recently, the environmental impact on port facilities such as Quay and Breakwater is gradually increasing due to extreme weather change caused by global warming. Accordingly, the port facilities are designed to secure stability against high waves by increasing their own weight or increasing the frictional force of the bottom in order to enhance the safety factor.
Since the method of improving the safety factor by increasing the frictional force has been developed in Japan for a long time and although there are a number of construction cases, it has not been applied to design in Korea as the detailed information was not introduced, and furthermore, the product is not currently produced. Therefore, this article intends to introduce the history, manufacturing, construction cases, and economic analysis of the friction enhancing mat using asphalt to provide basic data for future domestic applications.
김기용 이사, 항만부 (kykim2@samaneng.com)
1. 서론
최근 지구온난화에 의한 기상이변으로 항만시설물인 안벽과 방파제 등에 환경외력의 영향이 점차 증가하는 추세에 있다. 이에 따라 항만시설물은 고파랑에 의한 안정성을 확보하기 위해 자중을 증가시키거나 저면의 마찰력을 높여 안전율을 증대하는 방향으로 설계가 이루어져 왔다.
마찰력 증대를 통한 안전율 제고 방안은 오래전부터 일본에서 개발되어 다수의 적용사례가 있으나 국내는 상세한 내용이 소개되지 않았고, 제품이 생산되지 않는 등의 문제로 실제 설계에는 적용되지 못하고 있는 실정이었다. 이에 본 글을 통해 아스팔트를 이용한 마찰증대매트의 역사, 기술개발 사례 및 경제성 분석 등을 소개하여 향후 국내 적용성에 대한 기초자료를 제공하고자 한다.
2. 아스팔트매트 개발의 연혁
아스팔트는 주로 토목․건축공사에서 옥상방수, 구조물방수, 도로포장에 한정되어 적용되어 왔다. 이는 아스팔트가 갖고 있는 방수성, 점착성, 점탄성, 내후성, 내구성, 휨성 및 조기경화 등을 이용한 것이다.
유럽에서는 롤러 다짐이 필요 없고 흘려보냄으로서 다짐한 것과 같은 정도의 고밀도를 얻을 수 있는 무공아스팔트 혼합물을 1950년대 초에 최초로 건축물 바닥공사에 이용하였고 1957년경부터는 시공 장비 개발로 중교통 도로의 마모층 포장공사에 대규모로 이용되어 왔다.
영국에서는 매스틱, 독일에서는 구스 아스팔트라고 불려지고 있었으며, 이 무렵 일본에서는 유럽으로부터 기술을 도입하여 수도 고속도로 1호선에 적용하였고, 이 무공 아스팔트 혼합물의 배합을 수정하여 휨성을 부여하고, 특히 강조되는 내후성, 방수성 등을 보완하여 수중 구조물에의 적용을 연구 개발하기 시작했다.
아스팔트에 석회석분, 모래 등을 혼합 가열하여 충분한 유동성을 확보한 다음 육상 또는 수중의 사석과 사석 사이에 아스팔트 혼합물을 흘려보내 큰 석괴를 만들어 파력에 의한 이동 저항성을 크게 하는데 사용하였다. 특히 해수온도에는 하절기에 25℃ 전후, 동절기에도 수심 2∼3m에서 5℃ 정도로 온도의 변동폭이 도로 포장면 보다 작아 아스팔트의 휨성이 남아 있어 약간의 변형을 허용하더라도 파괴되지 않는다. 또 열화에 크게 영향을 미치는 자외선 등으로부터 노출이 적고 산성이 강한 해수중에서도 안정하여 해안제방, 호안 끝단의 세굴 방지, 방파제․파제제 등의 기초사석 고결안정에 적합하였다.
1960년 일본 운수성에서는 요카이치항 매립지의 직립 호안에 마찰증대 효과를 위해 시험시공을 하였고, 1961년에는 하코타테 외 4개소 방파제에 시험시공 하였다. 그 중에서도 와카야마항에서는 태풍이 방파제 정면을 통과하였으나 피해는 없었으며, 이후 매년 수천톤의 아스팔트 혼합물이 항만공사에 사용하게 되었다. Fig. 1은 일본에서 최초로 아스팔트매트를 적용한 와카야마현 아리타항 방파제로서 매트와 콘크리트의 마찰계수는 0.8을 적용할 수 있었음에도 전혀 새로운 형태의 아스팔트매트를 사용하는 것으로 0.7을 적용하여 시공하였다.
Fig 1. 아리타항 방파제 표준단면
1961년 최초로 아스팔트매트 공법을 채용한 방파제의 연장은 113.5m(케이슨 14함)이었으며, 종래의 방법으로 콘크리트와 사석의 마찰계수 0.6을 적용하면 단면폭은 13.3m가 필요하나 아스팔트매트 공법 적용으로 11.55m로 축소할 수 있었으며, 기초사석 폭 또한 축소할 수 있어 약 1,000만엔의 공사비를 절감할 수 있었고, 1964년 3월에 준공하였다.
3. 아스팔트매트의 제조
아스팔트매트는 아스팔트, 석회석분, 모래, 골재를 포장용 아스팔트 온도보다 높은 온도에서 가열 혼합하여 유동성을 충분히 확보한 아스팔트 혼합물을 매트의 절단방지용 철근, 철근이탈 방지용 띠철판, 파열방지용 보강섬유 직포, 제체저면 철근과 연결용 앵커 고정 연결판을 매입하여 마찰저항효과를 지속적으로 유지하기 위해 일정 두께와 운반을 고려한 일정크기의 판상으로 성형한 것이다. 아스팔트매트의 두께는 장기적인 압축에 의한 변형량, 사석사이에 끼어들어가는량, 지속적인 마찰저항력 유지를 위한 잔존두께 제작 오차 등을 고려하여 결정되는데 8cm를 표준으로 제작하고, 고르기 편차가 큰 곳에서 포설하는 경우에는 10cm 정도로 제작하여 사용하고 있었다. 또한, 세굴방지매트의 경우 부력으로부터 떠오르지 않도록 어느 정도의 중량 확보를 위해 5cm 정도의 두께로 제작 되어 사용되고 있었다.
Fig 2. 아스팔트매트 제작 공정
4. 아스팔트매트의 활동저항 매카니즘
아스팔트매트의 활동저항 증대 요인으로는 Fig. 3과 같이 아스팔트매트의 마찰저항이 있으며, 아스팔트매트와 콘크리트의 미세한 요철에 의한 전단저항이 발생하고, 아스팔트매트가 탄소성 변형에 저항하며, 아스팔트매트의 부착저항 등이 복합적으로 작용하여 정지마찰계수가 콘크리트와 사석과의 마찰계수보다 증가하는 것으로 알려져 있다. 아스팔트매트의 정지마찰계수는 모형실험 등에 따르면 1.0 이상을 발현하지만 사석과 사석간의 마찰계수가 0.8로서 그 이상의 값을 사용하지 못하며 항만 및 어항설계기준에서 제시하고 있는 마찰계수 값인 0.75를 사용하고 있다.
Fig 3. 아스팔트매트의 활동저항 매카니즘
아스팔트매트를 사용한 중력식 항만구조물에서 Fig. 4 사석마운드 위의 제체의 안정성을 모식적으로 나타낸 것이다. 여기서 케이슨 활동시 활동면은 a. 콘크리트와 아스팔트매트, b. 아스팔트매트와 사석, c. 사석과 사석에서 발생한다. a. 와 b.의 활동저항계수를 비교하면 주로 Fig. 3의 ② 미세한 돌기 등에 의한 전단저항이나 ③ 탄소성 변형에 의한 저항 효과에 의한 사석과 아스팔트의 활동저항계수가 크고, a. 콘크리트와 아스팔트매트, b. 아스팔트매트와 사석 각각의 활동저항계수는 0.8 이상이다. 따라서 케이슨 활동시 활동면은 사석마운드 내부의 사석과 사석 사이의 경계면에서 발생되고 제체의 안정계산 시 마찰계수로서 사석과 사석 사이의 전단저항력을 채용할 수 있다.
Fig 4. 사석마운드 위의 제체의 안정성
5. 아스팔트매트의 내구성
국토교통성 긴끼지방정비국 와카야마 항만사업소에서 해저에 거치한 공시체를 채취하여 30년 경과 시험을 실시한 결과 아스팔트 물성치에 큰 변화는 없었으며 실내 마찰시험에서도 정지마찰계수가 1.0 이상으로 내구성 및 아스팔트매트로서 활동저항 효과를 충분히 가지고 있는 것을 확인하였다. 또한 와카야마항 아리타방파제에서 17년 경과 된 시료를 방파제 하부에서 채취하여 물성치 및 마찰시험에서도 제작 당시와 별다른 이상이 없는 것으로 파악되었으며, 야끼쯔어항 남방파제에서 26년 경과 시료를 실제 구조물에서 채취하여 실험한 결과 제조시와 손색없는 성능을 가지고 있다는 것을 확인하였다.
Fig 6. 아스팔트매트가 사석사이에 끼어들어가는 상황(현장채취시료)
6. 공사비 절감 효과
혼성제식 방파제 케이슨 본체 저면에 마찰증대용 아스팔트매트를 사용한 경우와 사용하지 않은 경우를 실 예로 마찰계수의 차이에 의한 공사비 변화를 비교한 3개항(A, B, C)의 모델에 대해서 기술하고자 한다. 설계파는 “항만시설의 기술상의 기준･동해설”에 따라 산출하고 케이슨식 직립제의 안정계산 및 지진시의 만조시･간조시로 검토하였다.
Table 1. 각항의 케이슨 차수
Table 2. 각 항의 설계파 제원
Table 3에 각 케이슨의 제체폭과 공사비 절감율을 나타낸다. 마찰증대용 아스팔트매트를 사용했을 때( =0.8)는 사용하지 않았을 때 ( =0.6)와 비교하면 제체의 폭은 20%이상 축소되고 =0.7을 사용했을 때 10% 이상 축소되었다.
Table 3. 검토결과
전체 공사비를 비교하면 마찰증대용 아스팔트매트를 사용하지 않는 경우에 비해 =0.8을 사용했을 때 15~19%, =0.7을 사용했을 때 7~11%의 공사비를 절감 할 수 있었고 0.7과 0.8을 비교하여도 8~10%의 공사비 절감을 할 수 있었다.
7. 아스팔트매트의 시공예
1) 아스팔트매트의 해외시공 사례
① 고치현 고치항 가쯔라하마 방파제
② 아키타현 아키타 종말 처리장 매립호안
③ 사카이항 외항지구 안벽(-7.5m)
해외 시공실적은 1963년 아리타항 방파제 첫 시공 후 현재 마찰증대용 아스팔트매트를 813개소, 세굴 방지매트 456개소의 실적을 보이고 있으며 면적으로 보면 약 200만㎡의 시공실적을 보이고 있다.
2) 아스팔트매트의 국내시공 사례
1971년 “항만 및 어항설계기준”에 아스팔트매트 도입 후 2017년 동해항 방파제에 일본제품 및 기술로 첫 시공 되었으며, 순수 국내기술(삼안,태륭건설)과 제품으로는 2019년 “진해항 장보고 사업”에 첫 시공 되었다.
① 진해 장보고항
② 울산 북신항 액체부두(실시설계 적용)
8. 아스팔트매트의 국내개발 현황
8.1 기술개발 배경
항만시설 건설 시 고려해야 할 사항 중 중요한 요소로 상기 Fig. 7과 같이 매년 막대한 재산과 인명피해를 내는 태풍을 들 수 있다. 최근 10년간 발생한 자연재해에 의한 피해 중 태풍에 의한 피해는 전체 피해의 60%를 넘어 풍수해의 피해는 막대하며, 기후 온난화 등으로 인한 해수면 상승과 기상 이변으로 빈번하게 태풍이 접근하여 항만시설의 파손에 따른 개보수 및 유지보수 등이 반복되어 자연재해로 인한 항만시설의 보수보강공사비가 증대되고 있다.
Fig 7. 태풍에 의한 방파제 붕괴
중력식 항만구조물은 외력에 대해 전도 및 활동의 안정성 검토를 통해 구조물의 단면이 결정되는데, 활동에 대한 안정으로 구조물의 단면이 결정될 때 구조물의 저면과 기초 사석 사이의 마찰계수가 구조물의 단면에 크게 영향을 미친다. 따라서 경제적으로 중력식 항만구조물을 건설할 때 구조물 저면과 기초 사석 사이의 마찰계수를 증대시키면 그만큼 구조물의 단면을 줄일 수 있다. 마찰계수를 증대시키기 위한 방법으로는 구조물 저면에 전단키를 설치하는 방식을 생각할 수 있는데 이는 구조물 제작비용과 기초 사석에 전단키가 들어갈 수 있는 홈을 수중에서 작업해야 하기 때문에 시공이 어렵고 비경제적인 단점이 있다.
반면, 일본은 1963년 운수성 아리타항 방파제에 마찰증대매트 공법을 채용한 것을 시작으로 일본에서는 약 2,000,000㎡의 아스팔트매트를 사용하였고 또한 마찰계수 0.7을 적용하여도 공사비를 약 10% 절감하였다. 또한 다년간의 태풍과 쓰나미를 통해 마찰증대 매트 공법의 안정성이 입증되었으므로 국내에서도 이에 대한 기술개발에 착수하였다.
8.2 기술개발 목표
아스팔트매트는 ‘항만 및 어항 설계기준･해설’의 ‘재료’(KDS 64 10 20:2017) 중 4.3 역청재료에 ‘아스팔트매트’라는 항목으로 고시되어 있으며 구성 재료와 배합에 대하여 지침사항 및 표준이 규정되어 있다. 그러나 국내에서는 1971년에 건설부에서 고시한 최초의 항만 설계기준부터 명기되어 있었으나 사용한 사례는 최근에 이르러 일본 제품을 수입하여 2017년에 “동해항 3단계 북방파제(2공구) 축조공사”와 당사의 기술을 적용한 제품으로 2019년 초에 “진해항 장보고-Ⅲ 시설사업”에 시공된 사례 외에는 아스팔트매트의 국내 적용은 전무한 실정이다.
이에 아스팔트매트는 기존의 콘크리트 재질의 중력식 구조물 마찰계수인 0.5(콘크리트)와 0.6(사석)을 아스팔트매트를 적용함으로서 아스팔트매트와 접하는 사석과 콘크리트에서 마찰계수를 0.75로 증대시켜 중력식 구조물과 사석 폭을 축소시킬 수 있도록 아스팔트매트의 제작, 공장에서 현장까지의 운반 및 현장에서 설치 방법에 기술개발 목표를 설정하였다.
8.3 기술개발 과정
㈜삼안은 ‘항만 및 어항 설계기준･해설’에 규정된 아스팔트매트를 제조하기 위한 배합설계에 착수하여 침입도 30∼40을 만족하는 스트레이트 아스팔트와 블론 아스팔트의 배합비를 결정하였고, 결정된 배합비로 제조된 아스팔트매트의 비중이 약 2.3 ∼2.4에 이르는 중량물로서 박판상태(t=5∼10cm: 설계하중에 따라 잔존두께 3cm유지토록 두께 결정))의 대형 매트를 인양 취급하는데 필요한 내부 보강재 및 인양재에 대한 소재실험과 마찰저항 시험을 통해 품질을 검증하였으나. 아스팔트매트를 제작하기 위해서는 일반 아스팔트 플랜트에서 제작 최대온도인 180℃에서는 아스팔트의 액상화 상태가 불안전하여 아스팔트매트 제작 타설시까지 240℃ 정도의 온도가열 유지가 숙제였다.
2018년에 공동 기술개발 기업인 태륭건설(주)의 아스팔트 쿠커(Cooker) 차량을 이용하여 240℃의 온도 가열 및 교반 된 혼합물을 제작장까지 운반이 가능하여, 실대형 마찰증대용 아스팔트매트를 국내 최초로 제작, 인양 및 가조립을 실시하였으며 2019년 초에 과거 일본에서 수입하여 사용하였던 사례에도 불구하고, 당사의 기술로 제작한 아스팔트매트를 “진해항 장보고사업”에 납품 및 하역과 현장 시공에 대한 기술지도를 실시하여 본 공법의 첫 상업화에 성공하였으며 기술발전 과정 동안 연구 결과물을 특허 출원하여 기술을 확보하여 왔고, 기술개발 연혁을 정리하면 아래와 같다.
9. 아스팔트를 이용한 마찰증대용 매트의 건설신기술(제905호)
9.1 기술분야
“건설기술진흥법 제2조”에 의해 건설공사의 정의는 “건설산업기본법 제2조 제4항”에 따르면 건설공사는 토목공사, 건축공사, 산업설비공사, 조경공사, 환경시설공사, 그 밖에 명칭에 관계없이 시설물을 설치･유지･보수하는 공사(시설물을 설치하기 위한 부지조성공사를 포함한다) 및 기계설비나 그 밖의 구조물의 설치 및 해체공사 등으로 규정하고 있다.
본 기술은 아스팔트 혼합물과 전용장비를 이용하여 아스팔트매트를 중력식 구조물(케이슨, 콘크리트 블록 등)의 제작장이나 공장에서 제작하여 중력식 구조물 하부에 설치하는 공사로서 건설기술진흥법에서 규정하고 있는 건설공사 및 건설기술에 해당하며 건설신기술 유사기술 분류표상 「(A 토목- 03 항만 및 해안) 중에서 (02 항만 및 해안구조물)-(01 콘크리트 케이슨)」에 속하는 기술이다.
9.2 기술의 개요
◦ 본 신기술은 아스팔트와 골재를 고열로 가열 혼합한 혼합물 내에 철근, 보강심재, 인양철물 등을 매입하여 판상으로 성형한 매트로서, 케이슨식 방파제, 케이슨식 방파호안, 케이슨식 안벽, 블록식 안벽 및 방파제 등의 활동에 의해 제체의 제원이 결정되는 중력식 항만구조물의 활동에 대한 마찰 저항력을 증대시켜 경제적인 중력식 항만구조물의 시공이 가능하고 태풍 등에 의한 자연재해를 저감할 수 있는 아스팔트를 이용한 마찰증대 매트이다.
◦ 중력식 항만구조물의 활동 안정성은 제체의 중량과 마찰계수의 관계로 나타난다.“항만 및 어항 설계기준･해설(2017)”에 따르면, 마찰증대 매트를 설치하지 않고 기초 사석 위에 중력식 항만구조물을 직접 설치하는 경우에는 정지마찰계수가 0.6으로 인정되며 필요한 마찰저항력을 확보하기 위해서는 중력식 항만구조물을 크게 설계하여 자중을 늘리는 방식으로 활동 안정성을 확보하게 된다. 이에 반해 아스팔트매트를 설치하는 경우에는 정지마찰계수가 0.75로 증가가 가능토록 명기되어 중력식 항만구조물의 중량을 늘리지 않아도 활동 저항이 향상되므로 중력식 항만구조물을 크게 설계할 필요가 없어진다.
◦ 이 기술은 기초사석과 중력식 항만구조물 사이에 설치되어 이들 사이의 마찰성능을 증대시키는 것으로 기초 사석과 중력식 항만구조물의 단면을 증가시키지 않고 활동저항력을 증가시키는 것이다. 기초사석과 중력식 항만구조물의 마찰성능이 증대되면 활동에 의해서 단면 결정이 되는 경우에는 항만구조물의 폭을 축소(25%정도)할 수 있으며 이에 따라 기초 사석의 폭도 감소할 수 있고 기초 사석 및 중력식 항만구조물의 전체 공사비를 절감(평균 7%)할 수 있다.
◦ 시간이 경과 할수록 사석이 매트 전면에 파고 들어가 사석과 마찰증대 매트가 맞물려 있는 형태로 함께 거동하므로 응력분산 효과가 증대한다. 따라서, 설계에 사용한 정지마찰계수 0.75보다 큰 마찰저항이 증가하므로 0.75로 설계한 중력식 항만구조물은 보다 안정적인 거동을 확보할 수 있다.
◦ 수평하중 발생 시 마찰증대 매트의 소성변형에 의해 사석이 매트 안으로 파고 들어가 사석에 집중되는 하중이 분산되며 매트에 파고 들어가 있는 사석은 매트와 일체가 되어 중력식 항만구조물의 변위에 따라 움직이며 매트에 파고 들어가지 않는 사석은 어느 정도 움직이면서 다져지는 안정적인 거동을 보인다. 따라서, 마찰증대 매트를 사용하면 활동 저항이 향상되어 설계하중을 초과하는 태풍, 지진이나 쓰나미와 같은 자연재해 발생 시에도 설계하중 보다 마찰저항이 증가하므로 중력식 항만구조물의 보다 안정적인 거동을 기대할 수 있다.
◦ 본 신기술은 공장제작으로 품질이 확보되며 설치되는 구조물에 따라 다양한 형상으로 제작될 수 있고 분할 제작으로 운반, 포설, 크기, 형태가 자유로우며 케이슨 등의 구조물 시공 전에 하부에 아스팔트 매트를 설치한 후, 매트 상부에 구조물을 시공하여 완료된 구조물의 진수, 설치 시에 구조물과 일체된 시공이 가능하므로 시공성 등이 우수하다.
9.3 기술의 성능 및 검증결과
신기술의 물성치에 대한 검증기준은 “항만 및 어항 설계기준･해설”의 “재료(KDS 64 10 20 2017) 4.3.2.3 배합”의 해설편에 ‘혼합물의 시험은 일본 석유학회지 제7권 제8호(1964)에 실린 아스팔트 이용 최근의 개발(板倉忠三 등)에서 제시하고 있는 방법을 준하는 것이 좋다’라고 명기되어 있으며 본 방법은 아래 [표2]와 같으며, 상기 해설편에 시험결과의 판정기준치는 [표3]과 같다.
[표2] 아스팔트 매트 공시체의 시험종류 및 방법
[표3] 시험결과의 판정기준치
상기 기준에 대하여 실제 수행한 시험결과에 대한 검증결과 및 분석을 아래와 같이 수행하였다.
[표4] 시험결과
9.4 신기술의 범위
본 신기술은 항만용 중력식 구조물의 마찰증대를 위한 아스팔트매트 공법으로 신기술의 범위 및 상세설명은 다음과 같다.
10. 결론
아스팔트매트 공법은 마찰저항이 크고 환경적으로도 안전하며 내구성도 뛰어난 공법으로 방파제, 안벽, 호안, 돌제 등 활동에 의해 결정되는 중력식 항만구조물에 적용되어 안정적이고 경제적인 구조물 축조가 가능하다. 그렇지만 국내의 적용실적이 전무한 상태이고 30년 이상소요되는 내구성 조사와 같은 축적된 자료가 없으므로 앞으로 연구를 거듭하여 국내 시공환경에 적합한 기술이 되도록 기술의 세세한 규명이 필요할 것이다.
또한, 향후에는 일본에서와 같이“항만 아스팔트공법 연구회”를 발주처, 학회, 설계사, 시공사 등 관계 전문가들로 조직하여 마찰증대용 아스팔트매트 뿐만 아니라 세굴방지용 아스팔트매트, 흡출방지용 아스팔트매트, 샌드매스틱 공법 등 아스팔트를 항만에 적용하는 기술개발도 생각해 볼 수 있다.
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