콘크리트 포장면 개량을 통한 도로교통소음 저감 효과 연구

2.1 다이아몬드 그라인딩 공법

다이아몬드 그라인딩 공법은 절삭장비를 이용하여 콘크리트 포장면을 3.5 mm ~ 5 mm 정도 깊이의 박층으로 도로의 길이 방향에 따라 절삭하여 미세 돌기를 형성하는 공법으로 노후된 포장면의 단차를 제거하고 포장면의 종단 평탄성(roughness)과 미끄럼 저항을 향상시킨다. 또한 컬링(curling), 와핑(warping) 등에 따른 포장의 국부적인 횡방향 변형문제를 해결함으로써 운전자및 승객의 승차감을 향상시킨다. 마이크로텍스쳐(microtexture)로 표면을 형성하여 타이어-노면소음을 저감시키며 타이어와 노면의 미끄럼저항성과 배수효과를 증가시켜 주행안전성을 높인다. Fig. 1에 다이아몬드 그라인딩 공법의 단면구조와 시공 장비, 완료 후의 전경을 나타내었다.

Fig. 1

Overview of diamond grinding (DG)

우리나라에서는 이 DG공법이 1999년 오산비행장에 처음 시공되었다. ACPA보고서(the American concrete pavement association)에 의하면⁽³⁾, 1950년대에 시공된 오산비행장 활주로는 수많은 보수를 통하여 평탄성이 악화되었고 조종사들은 이 · 착륙 시 비행기 진동에 대하여 끊임없이 문제를 제기하였다. 특히 정찰기는 민감한 전자장치의 튐 현상으로 어려움을 겪었으나 다이아몬드 그라인딩 공법으로 평탄성이 향상되어 조종사들이 대단히 만족하였다고 한다. 한국도로공사에서는 노후된 콘크리트 포장의 평탄성 및 미끄럼저항성 향상을 위해 자체적으로 설정한 HPCI (highway pavement condition index) 값을 매년 측정하여 개선이 필요한 구간에 이 공법을 적용하여 저렴한 비용으로 콘크리트 포장 수명을 연장하고 주행 쾌적성을 향상시켜 이용객들의 고속도로 이용에 불편함이 없도록 노력하고 있다.

2.2 고성능 콘크리트 포장면 표면처리공법

고성능 콘크리트 포장 표면처리 공법은 콘크리트 포장면을 먼저 박층으로 절삭(1차 시공)하는 것은 Fig. 1과 같은 방법으로 시행 한 후 일정한 간격과 깊이의 홈을 절삭시공(2차 시공)하는 공법이다⁽⁴⁾.

다이아몬드그라인딩 공법과 유사한 1차 시공을 통해 평탄성과 미끄럼저항성을 확보하고 2차 시공을 통해 주행차량의 타이어-노면소음을 저감하여 안전성과 정숙성을 더욱 향상시킬 목적으로 시공되고 있다⁽⁵⁾. Fig. 2에 고성능 콘크리트포장 표면처리 공법에 대한 단면구조와 시공 장비 및 시공 후 전경을 나타내었다.

Fig. 2

Overview of next generation concrete surface (NGCS) method

국내 고속도로 및 일반도로의 터널 내부의 대부분은 콘크리트 포장으로 시공되어 있고, 차량의 소음이 터널 벽에 부딪쳐 반사되어 차량 내부로 들어오게 되어 터널 외부에 비해 시끄러운 특성상, 터널 내부 소음 저감을 위해 다이아몬드 그라인딩으로 표면처리를 해왔다. 하지만 최근에는 다이아몬드 그라인딩에 비해 소음저감효과가 좀 더 우수한 고성능 콘크리트포장 표면처리 공법(NGCS)을 적용하는 사례가 늘어나고 있는 추세이며, 이 연구에서는 터널내부 외에 일반구간에 적용사례가 적어 고속도로 일부 구간에 시험시공을 통해 소음저감효과를 측정하여 결과값을 분석하였다.

3.1 조사현장 개요

콘크리트 포장 노면개량 공법의 소음저감효과 분석을 위해 고속도로 7개 노선의 9개 현장에서 갓길(pass-by) 등가소음과 타이어-노면 근접(close-proximity, CPX) 소음을 측정하여 비교 · 분석하였다. 측정 당시 다이아몬드 그라인딩(DG) 시공 현장은 시공 후 0.5 ~ 7년 경과한 상태였고, 고성능 콘크리트 포장 표면처리(NGCS) 시공현장은 시공 사례가 거의 없어 소음측정이 유리한 곳을 선정하여 시험시공 후 0.3 ~ 1년 경과한 상태에서 측정하였다. Table 1에 조사현장의 개요를 나타내었다.

Table 1

Summary of on-site investigation sites

3.2 측정 및 분석방법

소음저감효과 분석^(6,7)을 위해 갓길 등가소음(pass-by noise)과 타이어-노면 근접소음(CPX noise)을 측정하여 비교하였다. 갓길 등가소음은 노면개량 공법이 시공된 현장과 이와 교통량 및 차속이 동일하다고 판단되는 인접의 일반 콘크리트 포장이 시공된 지점의 갓길에서 3 m, 5 m, 7 m 높이별로 24시간 측정한 등가소음(L_Aeq)을 평균하여 비교한 값으로 소음저감효과를 평가하였다⁽⁸⁾. 또한 ISO 11819-2에 규정⁽⁹⁾된 측정장비를 이용하여 필수 측정지점 1/3옥타브밴드 중심 주파수 315 Hz ~ 5000 Hz의 총합소음도(overall level, O.A.)를 평균하여 노면개량 공법 포장과 일반 콘크리트 포장의 타이어-노면 근접소음(주행속도 100 km/h)을 비교하였다. Fig. 3에 이 연구를 위한 측정방법의 개요를 나타내었다.

Fig. 3

Measurement methods for analysis of noise reduction effect

갓길 등가소음 측정 방법은 앞서 설명하였듯이 차량이 통행하는 도로와 일정 거리(7.5 m)를 이격하여 갓길에서 소음기로 측정하는 방법으로 타이어 마찰음과 차량 엔진음 및 공력소음 등에 대한 혼합 소음이 측정되기 때문에 도로 포장면 개량 전과 후에 대한 소음 저감에 대한 평가는 교통량, 교통속도, 대형차 혼입률과 측정시간에 영향을 받게 된다. 따라서 노면개량 시공이 완료된 대상지점과 기존 포장면의 비교지점에서 같은 시간대에 동일한 교통량과 속도에서 24 h 측정하여 비교 후 각 노면개량공법의 소음저감 성능을 확인하였다. 비교하는 각 두 지점은 각 지점의 소음 영향이 서로 미치지 않도록 약 300 m 이격하여 측정하여 두 지점 노면상태에 따른 소음도 차이 값을 확인하였다. Table 2는 각 케이스별 측정 시점 연도의 일평균 교통량, 일평균 속도, 일평균 대형차 혼입률을 보여준다. 타이어-노면 근접소음 측정 방법은 측정장비를 고속도로 설계속도(100 km/h)로 주행하면서 기존 포장면과 노면개량공법이 적용된 포장면을 측정 · 비교하여 노면개량공법의 소음저감 성능을 확인하였다.

Table 2

Measurement conditions of road shoulder pass-by noise

DG공법은 시공사례가 많아 일정한 시간이 경과한 위치를 찾아 경년변화에 대한 소음저감 측정값을 얻을 수 있었으나, NGCS 측정 결과 값은 시공사례가 없어 시험시공 직후 전과 후에 대한 비교값을 분석하였다.

3.3 소음저감효과 분석 결과

3.2절에서 설명한 방법으로 노면개량 공법(DG, NGCS)이 시공된 콘크리트 포장과 이와 인접한 일반 콘크리트 포장의 갓길 등가소음과 타이어-노면 근접소음을 측정하고 비교하여 소음저감효과를 평가하였다. 기준지점과 대상지점에 대하여 노면개량 공법 시공 전과 후의 차이값을 성능으로 나타내었으며 각 Case별 소음분석 값을 Table 3에 정리하고, Fig. 4에 나타내었다. Table 3의 Case-3을 보면 동일 교통조건 하에 기준지점과 대상지점의 시공 전의 17년 된 횡방향타이닝(lateral direction tinning, LDT) 갓길 등가소음도 측정 결과 0.8 dB(A) 차이가 있었으며, 시공 후 1년 경과된 대상지점의 NGCS 공법의 갓길 등가소음도가 기준지점에 비해 6.3 dB(A) 감소하였다. 따라서 시공 전 소음도 차이를 고려한 NGCS 공법의 총 저감 성능은 5.5 dB(A)로 도출되었다. 마찬가지로 Case-6에서는 위와 동일한 방법으로 DG 공법의 총 저감 성능이 5.7 dB(A)로 확인할 수 있다. 여기서 DG공법이 적용되는 대상지점의 포장 상태와 비교지점의 포장 상태를 비교 했을 때 Case-6에서 1.1 dB(A) 차이를 보였으므로 대상지점에 DG공법을 시공 후에 대상지점 포장면의 상태가 좋아지는 효과로 인해 상대적으로 성능값의 차이가 크게 나타났고, 반대로 같은 표 Case-3에서는 대상지점이 비교지점보다 기존 포장상태가 –0.8 dB(A) 만큼 좋은 관계로 NGCS공법 시공 후에 성능값의 차이가 크지 않음을 알 수 있다. Case-7의 측정값은 현장 여건상 갓길에서 측정이 어려워 일정한 거리를 이격하여 측정된 값의 차이를 나타내고 있으며, 기존에 DG공법으로 시공된 위치이므로 NGCS를 시공한 후 비교한 값을 나타내었다. Table 4는 설계속도(제한속도)로 주행하는 차량의 노면과 타이어에서 발생하는 소음만 측정하는 방법인 타이어-노면 근접소음 측정으로 Case-1 ~ Case-7의 모든 도로에서 노면개량공법(DG, NGCS)이 완료된 지점과 인근 지점의 기존 포장면(횡방향타이닝 LDT, 종방향타이닝 LGT)을 비교하여 측정값을 나타내었으며, 각 Case별 결과 값을 Fig. 5에 나타내었다. 최근에는 횡방향타이닝 대신에 종방향타이닝으로 시공하는 사례가 많으나, 현재 공용중인 대부분의 콘크리트 포장은 횡방향타이닝으로 시공된 곳이 대부분이며, 타이어와 직각 방향으로 접하는 횡방향타이닝에서 소음도가 더 높게 나타났기 때문에 포장면 개량 후의 저감값도 더 크게 나타나는 것을 알 수 있었다.

Fig. 4

Result differences between reference and target point by road shoulder pass-by noise measurement

Table 3

Results of road shoulder pass-by noise measurement

Table 4

Results of CPX noise measurement

Fig. 5

Result differences between con’s paver and DG and NGCS by CPX noise measurement

포장면 개량공법에 따른 소음 측정 분석결과를 종합하면 다이아몬드 그라인딩(DG) 공법은 갓길 등가소음도 측정방법으로 5.7 dB(A), 타이어-노면 근접소음 측정방법으로 3.9 dB(A)의 소음저감효과를 보였다. 각 측정방법에 대한 효과 차이는 1.8 dB(A)로 갓길 등가소음도 측정값이 더 많이 저감되는 것으로 나타났다. 한편 고성능 콘크리트포장 표면처리(NGCS) 공법은 갓길 등가소음도 측정방법으로 5.5 dB(A), 타이어-노면 근접소음 측정방법으로 5.8 dB(A)의 소음저감효과를 보였으며, 각 측정방법에 대한 효과 차이는 0.3 dB(A)로 나타났다. 비교적 시공 사례가 많은 DG 공법에 대해서는 측정 데이터가 상대적으로 많아 소음도 평균값의 신뢰가 높다고 볼 수 있으나, NGCS 공법은 시공사례가 적고 사용년수도 얼마되지 않아 평균값의 신뢰도가 다소 떨어진다고 할 수 있겠다. 향후 이들 공법의 소음저감 값의 경년변화 즉 사용연수에 따른 소음저감 값의 변화 추이에 대해서는 지속적인 추적조사를 통해 검증하여할 것으로 보인다.