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한국방재학회논문집

제10권 1호 2010년 2월

pp. 43 ~ 48

도로교통방재

선회다짐기를 이용한 흙의 다짐시 기술적 문제 분석

Analysis of Technical Problem for Soil Compaction by Gyratory Compactor

이관호*·장태영**

Lee, Kwan-Ho·Jang, Tae-Young

··································································································································································································································

Abstract

Proctor test A or D method of compaction is the most common laboratory test for investigation of subgrade soil characteristics,

however, compression type using roller is used in the field. The differences between laboratory and field compaction have con-

siderable error as application to subgrade soil properties of laboratory test. The investigation of compacted soil is carried into

effect to solve the problem. The gyratory compactor which is made to reproduce the field density of asphalt mixture, coming from

traffic loads, has an advance to compact it similar to arrangement of field aggregate particles. This gyratory compactor has several

problems of investigation of compacted soil, because it has designed to make initial asphalt specimens. The main objectives of this

research are grasping problems when compacted soil test using the gyratory compactor and showing solutions. It has made a com-

parative study of difference of the percentage of water content and weight, which are before and after compaction, about the pres-

sure of compaction, frequency of compaction and speed of compaction. And it also has investigated finding maximum percentage

of water content which not occur change of percentage of water content after compaction and searching how has an effect on

drawing compaction curve.

Key words : Proctor compaction, Subgrade soil, Optimum moisture content(OMC), Compaction curve

요 지

현재 노상토의 특성평가를 위한 실내실험은 주로 충격다짐방법을 적용한 Proctor다짐(A다짐 또는 D다짐)이 이용되고 있다.

그러나, 현장의 경우 로울러를 이용한 압착형태의 다짐방법이 이용된다. 이러한 실내다짐방법과 현장다짐방법의 차이는 결국 실

내실험으로부터 결정된 노상토의 물성치 적용시 상당한 오차를 포함함을 의미한다. 이러한 문제를 해결하기 위하여 선회다짐기

를 이용한 흙의 다짐평가를 시행하였다. 선회다짐기는 교통하중에 의해 발생하는 아스팔트 혼합물의 현장 밀도를 실내에서 재현

하기 위해 제작된 것으로 현장에서 얻어지는 골재입자의 배열과 유사하게 다진다는 장점이 있다. 하지만, 선회다짐기는 초기 아

스팔트 시편 제작을 위해 설계되었기 때문에 흙의 다짐도 평가에는 몇 가지 문제점을 가지고 있다. 본 연구의 목적은 선회다

짐기를 이용하여 흙의 다짐시험을 할 때 발생되는 문제점을 파악하고, 그 해결방안을 제시하는데 있다. 이를 위하여 다짐압력,

다짐횟수, 다짐속도에 따른 다짐 전·후의 함수비 및 무게 차이를 비교하고, 다짐 후 함수비변화가 일어나지 않는 최대함수비를

찾고, 다짐곡선 작도에 미치는 영향을 알아보았다.

핵심용어 : 프록터 다짐, 노상토, 선회다짐기, 최대함수비, 다짐곡선

··································································································································································································································

1. 서 론

노상토의 지반 및 도로공학적 물성치중 보편적으로 많이

사용되는 물성치는 CBR 및 회복탄성계수로서, 이는 현재 국

내에서 사용하고 있는 AASHTO 아스팔트 포장설계법의 주

요 입력변수중의 하나이고, 또한 콘크리트 포장의 경우 평판

재하시험 값을 이용하여 설계하도록 되어있다. 노상토의 특성

평가를 위한 실내 실험은 주로 ‘충격다짐방법’을 적용한

Proctor다짐(A 또는 D다짐)이 이용된다. 이에 반해, 현장의

경우 로울러를 이용한 압착형태의 다짐방법이 이용되고 있다.

이러한 실내다짐방법과 현장다짐방법의 차이는 결국 실내실

험으로부터 결정된 노상토의 물성치 적용 시 상당한 오차를

포함함을 의미한다. 이러한 문제를 해결할 수 있는 대안 중

의 하나가 아스팔트 포장배합설계에 이용하는 선회다짐기이

다.

최근 아스팔트 혼합물의 배합설계법은 기존에 주로 사용하

던 빔 및 마샬 배합설계법에서 수퍼페이브 배합설계법으로

점차적으로 바뀌고 있는 추세이다. 급증하는 교통량과 교통하

**정회원·공주대학교 건설환경공학부 교수(E-mail: kholee@kongju.ac.kr)

**공주대학교 건설환경공학부 석사과정

44 한국방재학회논문집, 제10권 1호 2010년 2월

중의 증가에 따라 새로이 개선된 설계방법의 필요성이 대두

되면서 수퍼페이브 배합설계법은 다양한 교통량과 축하중 및

환경조건에 대하여 합리적인 배합설계를 목적으로 하여 1990

년대 후반부터 사용되기 시작했다. 수퍼페이브의 배합설계과

정에서 중요한 사항 중의 하나는 선회다짐기를 사용하는 다

짐방법이다. 선회다짐기는 교통하중에 의해 발생하는 아스팔

트 혼합물의 현장밀도를 실내에서 재현하기 위해 제작된 것

으로 현장에서 얻어지는 골재입자의 배열과 유사하게 다진다

는 장점이 있다. 아스팔트포장은 노상 위에 보조기층, 기층,

표층의 순으로 구성되는데 노상은 포장 아래 약 1.0 m의 흙

부분으로 포장과 일체로 구성되며 포장체에 작용하는 하중을

최종적으로 지지하는 층이다(박태성 등, 2007, 이관호 등,

2009, Browne, 2006, Harris et al., 2006). 따라서 수퍼페

이브 배합설계법에서 사용하는 선회다짐기를 포장과 일체로

구성되는 노상의 다짐시험에도 적용한다면 각각의 포장층에

같은 원리의 다짐방법을 적용한다는 큰 의미가 있을 것으로

판단된다. 하지만, 선회다짐기는 초기 아스팔트 시편 제작을

위해 설계되었기 때문에 흙의 다짐도 평가에는 몇 가지 문제

점을 가지고 있다. 본 연구의 목적은 선회다짐기를 이용하여

흙의 다짐시험을 할 때 발생되는 문제점을 파악하고, 그 해

결방안을 제시하는데 있다. 이를 위하여 다짐압력, 다짐횟수,

다짐속도에 따른 다짐 전·후의 함수비 및 무게 차이를 비교

하고, 다짐 후 함수비변화가 일어나지 않는 최대함수비를 찾

고, 다짐곡선 작도에 미치는 영향을 알아보았다.

2. 선회다짐기 소개

기존의 충격다짐과는 다른 로울러 다짐방법을 모사한 최

초의 선회다짐기가 1939년 미국 텍사스주 교통국에서 개발되

었다. 텍사스주 교통국에서 개발된 선회다짐기는 많은 연구기

관에서 여러 차례 개량되었고, 현재와 유사한 형태의 모델이

미 육군 공병단에 의해 개발되었다(Ortolani & Sandberh

1952). 개발된 장비는 1957년 AAPT(Association of Asphalt

Paving Technologist) 학술발표회에서 소개되었다. 선회다짐기

는 수직압력과 회전각, 그리고 현장 다짐장비와 장래의 교통

량을 재현하기 위한 회전수를 조절 할 수 있는 장비이다. 본

연구에서 이용된 선회다짐기는 미국의 전략적 도로연구사업

(SHRP, Strategic Highway Research Program)의 Superpave

다짐기준을 만족하는 장비로서, 국내에 도입되어 사용되고 있

는 선회다짐기의 종류로 Servopac 선회다짐기를 이용하였다.

2.1 선회다짐기의 구조 및 원리

선회다짐기의 다짐방법은 현장에서 다짐 로울러에 의해 다

짐되는 현상과 같이 몰드안의 시료에 압축력과 다짐몰드의

회전에 의해 발생하는 전단력을 작용시켜 다짐을 수행한다.

그리고, 다짐횟수, 다짐압력, 다짐각도 등 초기 다짐조건은 실

험 조정판넬 또는 별도로 연결된 컴퓨터를 이용해 제어된다.

다짐이 진행 되는 동안 컴퓨터 제어프로그램을 통해 시편의

높이, 다짐횟수, 다짐밀도 등을 실시간으로 확인 할 수 있다.

그림 1(a)는 선회다짐기의 구성요소를 나타내고 있다. 그림

1(b) 와 같이 몰드안의 시료에 압축력과 다짐몰드의 회전에

의해 발생하는 전단력을 작용시켜 다짐을 수행한다. 주요제원

은 표 1과 같다.

그림 1. 선회다짐기(이관호 등, 2009)

표 1. 선회다짐기의 중요제원

구 분 주요 항목 주요 내용

외형크기 197 cm×76 cm×45 cm (높이×가로×세로)

총중량 240 kg

다짐몰드

직경 100 mm, 150 mm

높이 270 mm

두께 10 mm

마감상태 ≤ 0.4 µm

표면경도 48 Rockwell C

다짐관련

하중 20 kN ± 100 N

응력 최대 999 kPa

다짐속도 3~60 ± 0.1 회/분

회전각도 0.02~3 ± 0.02 도

시편 최소높이 50 mm

다짐압 공기이용 건조공기, 800~1000 kPa, 최소공기량 5 L/sec

선회다짐기를 이용한 흙의 다짐시 기술적 문제 분석 45

2.2 선회다짐기의 다짐에너지

선회다짐기의 다짐횟수와 다짐곡선과의 상관관계를 이용하

는 이 방법은 주로 선회다짐비(Gyratory Ratio)를 이용하는

것이다. 특히, Bahia(2009)는 그림 2와 같은 다짐곡선을 이

용한 에너지 해석법을 제시하였다. 선회다짐시 다짐에너지는

다짐시편의 부피변화를 만들고, 이러한 다짐에너지는 주로 입

자의 형상 및 입도에 큰 영향을 받는다. 다짐동안의 전단응

력은 다짐되는 입자의 마찰특성과 밀접한 관계를 나타낸다.

마찰저항이 클수록 다짐에너지는 증가하고, 다짐이 어려워진

다고 볼 수 있다. 선회다짐기를 이용한 다짐은 다짐하는 동

안 동일한 크기의 연직방향압력이 작용되고, 연직방향압력을

이용한 다짐에너지는 다음과 같다.

Wv = Pv × ∆H (1)

Pv = pv × A (2)

∆H = Hbefore− Hafter (3)

(4)

여기서, Wv : 다짐하중 Pv과 시편의 높이 변화를 고려한 다

짐에너지 (kgf·cm)

여기서, pv : 선회다짐기 다짐압력 (kPa)

여기서, A : 시편의 단면적 (cm2)

여기서, H : 시편의 다짐전 초기높이와 다짐후 높이의 차이

여기서, wv : 다짐압력에 의해 결정된 단위 일량(unit work)

여기서, V : 다짐 후 시편의 부피(cm3)

2.3 선회다짐후 함수비 변화

함수비의 변화정도를 알아보기 위해 함수비차(Percent

Difference, PD)를 계산하여 다짐횟수에 따른 함수비 변화를

비교하였다(Browne, 2006). 그림 3은 함수비 13%의 시료에

각각 선회다짐횟수를 다르게 하여 다짐 전과 후의 함수비 차

이를 비교한 그래프이다. 결과를 보면 200회까지 급격한 함

수비 변화를 보이고, 350회까지 계속적으로 함수비 변화가

발생하고 이후 함수비 변화는 거의 보이지 않는 것을 알 수

있다.

(5)

여기서, wi : 초기 함수비

여기서, wf : 다짐후 함수비

3. 선회다짐기를 이용한 다짐시험

3.1 실험 재료

시험에 필요한 흙은 현재 도로공사가 진행중인 천안(제4

지방 산업단지 진입도로 확장공사), 충주(도로 확장공사), 평

택(서수원~평택 고속도로 건설공사 제 5공구) 3곳의 노상토

를 채취하여 시험하였다. 선회다짐기의 다짐조건은 다짐각

1.25o, 다짐압력 600 kPa, 다짐횟수 300회, 다짐속도 30 Gy/

min 으로 충분한 다짐에너지로 다짐 하였다.(Michael John

Browne, 2006) 선회다짐기의 다짐 시 문제가 되는 물의 유

출이 다짐특성에 미치는 영향을 평가하기 위하여 ① 다짐

전·후 각각의 다짐곡선, ② 다짐 전·후 함수비변화 비교,

③ 다짐 전·후 질량 비교, ④ 다짐속도에 따른 함수비변화

등을 이용하였다.

3.2. 흙의 기본 물성

시험에 이용된 흙은 천안, 충주 및 평택 지역의 도로건설

현장에서 사용된 노상토를 채취 하였다. 흙의 분류를 KS F

2324의 통일분류법을 이용하였고, 노상토의 입도분포곡선은

그림 4에 나타내었다. 액성한계 및 소성한계는 KS F 2303

& 2304 규정에 따라 수행하였고, 그 결과 값은 표 2에 나

타내었다.

wv

Wv

V-------=

PDwi wf–

wi

--------------- 100%×=

그림 2. 다짐에너지 해석법(Bahia 등, 1998)

그림 3. Percent Difference

46 한국방재학회논문집, 제10권 1호 2010년 2월

3.3 선회다짐기의 기술적 문제

초기 선회다짐기는 아스팔트 시편제작을 위해 설계되었다.

그로인해 흙 다짐 시 몇 가지 문제점이 발생하였다. 그림 5

는 선회다짐기를 이용한 흙의 다짐곡선을 표현한 그래프이다.

그래프에서 보듯 높은 함수량의 흙은 영공기 간극곡선을 침

범하는 현상이 일어났다. 이는 다짐이 진행 되는 중 그림 6

과 같이 몰드의 상·하부의 틈으로 물이 유출되어 이러한 현

상이 생기는 것으로 판단된다. 물이 유출되면서 실제 함수비

보다 높게 측정되고, 그에 따라 건조밀도 또한 실제보다 높

게 측정되었다.

그림 7은 다짐 실험 후 선회다짐기 내부에 물이 유출되어

있는 사진이다. 다짐 후 유출된 물은 기계의 내부로 스며들

어 기계고장의 원인이 될 수 있다.

그림 7(b)와 같이 시편의 상단에 물이 고여 정확한 경계구

분이 어려워 정확한 높이 산출이 어렵다. 그림 8과 같이 다

그림 4. 흙의 입도분포곡선

표 2. 노상토의 기본물성 시험결과

시험구분 분석항목 천안 충주 평택

액소성시험

액성한계 16% 16% 28%

소성한계 - - 23%

소성지수 N.P N.P 5%

입도분석

D10 0.208 0.17 0.21

D30 0.476 0.5 0.39

D60 1.07 1.34 0.66

균등계수, Dy5.14 7.88 3.14

곡률계수, Dg1.02 1.1 1.10

통일 분류 판정 SP SW SM

다짐 시험OMC(%) 11.4 10.8 13.5

rdmax(t/m3) 1.975 1.92 1.869

그림 5. 선회다짐기를 이용한 다짐곡선

그림 6. 몰드 내부에서의 물 유출

그림 7. 다짐 후 선회다짐기의 물의 유출

그림 8. 다짐 후 시편의 모양

선회다짐기를 이용한 흙의 다짐시 기술적 문제 분석 47

짐이 완료되는 과정에서 기계의 다짐봉과 시편사이에 흡착력

이 작용하여 높이에 영향을 주고, 시편 중앙부가 갈라지는

현상이 생겼다.

3.4 물의 유출을 최소화 하기 위한 시도

물의 유출을 최소화 하기 위해 그림 9와 같이 몰드 하단

부에 실리콘 처리를 하여 물의 유출을 최소화 하였다. 하지

만 다짐이 진행되는 동안 선회각으로 인해 하단부와 상단부

에 틈이 생겨 물의 유출을 막지 못하였다. 그림 10은 실리콘

처리 전, 후의 비교 사진이다.

4. 실험 결과 분석

4.1 다짐 전·후의 질량 변화

그림 11은 다짐 전후의 질량 변화를 보여주고 있다. 초기

에 2000 g의 흙은 함수비 약 10%까지는 질량의 변화가 없

었고, SM 흙은 15%까지 질량변화가 거의 없었다. SW 및

SP 흙은 약 10%에서 함수비 변화가 일어났고 변화의 격차

가 심한 것으로 나타났다.

4.2 다짐 전·후의 함수비 변화

물의 유출량을 측정하기 위해 다짐 전 함수비를 기준으로

다짐 후 함수비와의 차이를 비교하였다. SM 종류인 평택의

시료는 초기 함수비 약 16% 까지 물의 유출이 없었고 이후

에 점차적으로 유출되었다. 천안 및 충주(SP, SW)의 시료는

약 6%~7%에서부터 물의 유출이 발생하였다. SM 시료는 점

차적으로 물의 유출량이 증가하는 반면, SP, SW 시료는 일

정 함수비가 되면 더 이상 함수량을 유지하지 못하는 것으로

나타났다. 그 결과는 그림 12에 나타내었다.

4.3 다짐 곡선

다짐곡선을 그리기 위해 각각 다른 함수비의 흙을 준비한

후 선회다짐을 시행하였다. 일정 함수비 이상의 다짐에서는

물의 유출이 발생하기 때문에 물의 유출이 다짐에 미치는 영

향을 알아보기 위해 다짐 전 함수비를 이용하여 계산된 다짐

곡선과 다짐 후 변화된 함수비를 이용하여 계산된 다짐곡선

을 비교하였다. 그 결과는 그림 13과 같이 나타났다. 점착력

이 높은 점토질의 평택(SM) 노상토 에서는 물의 유출이 발

생했지만, 그 양이 적어 비교적 양호한 곡선이 나타났다. 그

그림 9. 몰드 하단의 실리콘 처리

그림 10. 실리콘 처리 전·후 물의 유출 비교

그림 11. 다짐후 질량 변화 그림 12. 다짐 전·후 의 함수비 비교

48 한국방재학회논문집, 제10권 1호 2010년 2월

리고 점착력이 없는 모래질의 비소성 노상토(SW,SP)에서는

다짐 후 물의 유출로 인해 일반적인 다짐곡선과 다르게 나왔

다.

4.4 다짐 속도에 따른 영향

다짐속도가 함수비변화에 미치는 영향을 알아보기 위해

23%, 20% 함수비의 흙을 각각 분당 30, 60회의 속도로 다

짐 비교를 하였다. 그 결과 다짐속도가 느릴수록 물의 유출

량이 증가하였고, 이는 다짐에너지의 지속시간이 길어질수록

유출되는 시간이 증가하여 더욱 많은 양의 물이 유출된 것으

로 판단된다.

5. 결 론

본 연구는 선회다짐기를 이용한 다짐 시험 시 발생하는 기

술적인 문제점을 파악하고, 그 해결방안을 모색하는데 있다.

본 시험의 결과는 다음과 같이 요약 할 수 있다.

1) 선회다짐기를 이용한 흙의 다짐 시험 시 높은 함수비의

다짐시험에서는 수분의 유출이 발생하여 시험결과에 영

향을 미쳤다.

2) 선회다짐기를 이용한 다짐시험의 다짐곡선은 점착력을

가지고 있는 SM시료에서는 비교적 양호한 곡선이 나타

났다. 그리고 16%의 함수비에서부터 물의 유출 현상이

일어났다.

3) SW 및 SP 시료는 약 6~7%의 함수비에서부터 물의

유출 현상이 일어났고, 11% 이상의 함수량은 포함하지

못하였다. 이 함수량은 최적함수비(OMC)에 해당하는 값

으로 최적함수비(OMC) 및 최대건조밀도(rdmax)결정하는

데 문제가 없었다.

4) 최적함수비(OMC) 및 최대건조밀도(rdmax)결정시 다짐후

측정된 함수비, 질량, 부피를 이용하여 계산하는 것이

타당할 것으로 판단된다.

5) 선회다짐기를 이용한 흙의 최적함수비(OMC) 및 최대건

조밀도(rdmax)결정하기위해 제안하는 선회다짐조건은 아

래와 같다.

• 다짐속도 = 30회/min

• 다짐 각 = 1.25o

• 다짐압력 = 600 kPa

• 다짐횟수(최대)=500회

감사의 글

본 논문은 스마트하이웨이사업단 “도로구조의 내구성 향상

방안” 연구과제의 지원을 받아 연구하게 되었고, 이에 감사드

립니다.

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◎ 논문접수일 : 10년 01월 06일

◎ 심사의뢰일 : 10년 01월 06일

◎ 심사완료일 : 10년 01월 27일

그림 13. 선회다짐기의 다짐곡선