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노면 조직 특성과 노면 마찰력 관계 분석에 관한 연구

A Study on the Analysis of the Relationship between Pavement Surface Texture Characteristics and Pavement Surface Friction

  • 정우형 (Jung Woo Hyeong, 강릉원주대학교 일반대학원)

초록/요약 도움말

노면 마찰력은 타이어와 노면의 접촉으로 인해 발생하는 힘으로 높은 노면의 마찰력은 차량 제동 중 안정성과 조종성을 향상시킨다. 이는 급제동 상황에서 차량의 제어를 용이하게 하여 사고 위험을 감소시키는 효과가 있다. 노면 마찰력이 낮은 도로에서 교통사고의 발생이 증가하는 것으로 알려져 있으며 특히, 습윤 상태의 노면에서는 노면 마찰력이 크게 감소하여 교통사고 발생이 증가하는 것으로 나타났다. 우천 시에는 노면에 형성된 수막으로 인해 노면 마찰력이 감소하며, 타이어와 노면의 접촉 면적이 줄어들어 micro-texture에 의해 발생하는 adhesion(점착력)의 크기가 감소하게 된다. 이로 인해 습윤 상태의 노면에서는 macro-texture에 의해 발생하는 hysteresis(체적이력)가 주된 힘으로 작용하며, 노면 마찰력에 있어 중요한 인자로 평가된다. 이와 관련된 연구들에서는 macro-texture의 범위에 속하는 MTD(Mean Texture Depth)가 노면 마찰력 예측에 있어 주요한 인자로 사용되었으나, 이는 노면 조직을 구성하는 요인 중 조직 깊이(texture depth)만을 고려한 것으로, 파장 길이(wave-length)와 같은 추가적인 노면 조직 특성을 고려하지 못했다는 한계가 있다. 본 연구에서는 복잡한 노면 조직을 설명할 수 있는 추가적인 노면 조직 변수를 선정하여 기존 예측 식의 한계점을 개선한 노면 마찰력 예측 식을 제안하고자 한다. 이를 위해 노면 조직의 파장 길이를 설명할 수 있는 ‘EAN(Exposed Aggregate Number)’과 노면에 생성된 돌출부의 형상을 설명하는 ‘골재 형상’을 노면 조직 변수로 선정하여, MTD, EAN, 골재 형상이 노면 마찰력에 미치는 영향을 독립적으로 분석하였다. 실제 도로의 노면은 여러 요인이 복합적으로 구성되어 있어 각 변수의 개별적인 영향을 파악하기에 어려움이 존재하며, 이를 개선하기 위한 목적으로 3D 프린팅 시편을 제작하여 실제 노면이 갖는 불규칙성을 개선하였고, 3D 프린팅 시편의 크기와 강도를 고려해 BPT(British Pendulum Tester)를 사용해 습윤 상태의 노면 마찰력을 측정하였다. MTD, EAN, 골재 형상과 BPN(British Pendulum Number, wet comdition)의 관계 분석 결과는 다음과 같다. ● MTD가 증가함에 따라 BPN(wet)이 선형적으로 증가하는 것이 확인되었으며, 이는 조직 깊이가 깊어지면 고무 침투 부피가 증가해 hysteresis가 증가하기 때문으로 판단된다. ● EAN은 BPN(wet)이 최댓값을 갖는 optimum EAN값이 존재하였으며, optimum EAN 이후 BPN(wet)은 감소하는 현상이 나타났다. 이는 EAN이 과도하게 증가하면 고무 침투 부피가 줄어들어 hysteresis가 감소하기 때문으로 판단된다. ● 골재 형상에 따라 optimum EAN값의 차이가 존재하였으며, BPN(wet)의 평균 값 또한 변화했다. 이는 골재 형상에 따라 동일 조건에서도 고무 침투 부피가 상이하기 때문으로 판단된다. 골재 형상에 의한 고무 침투 부피의 차이를 정량화 하기 위해 형상 지수 S를 산출하여 분석에 반영하였다. 위의 결과를 통해 BPN(wet) 예측 식을 제안하였으나, 이는 3D 프린팅 시편의 이상적인 노면 조직에서 측정한 데이터를 기반으로 제안된 예측 식으로써, 실제 노면 조직과의 차이가 존재한다. 이에 따라 다양한 포장 종류에서 실제 도로의 노면 조직 데이터를 측정하여 3D 프린팅 시편에서 개발된 노면 마찰력 예측 식에 적용하였으며, 실제 복합한 노면 조직 설명할 수 있는 노면 마찰력 예측 식을 제안하였다. 이는 MTD, EAN, 골재 형상의 개별적인 영향을 모두 포함한 것으로, 이를 통해 노면 조직과 노면 마찰력의 관계성을 검증하였다.

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초록/요약 도움말

Pavement surface friction is the force generated by the contact between tires and the pavement surface. High surface friction improves stability and control during vehicle braking. This has the effect of reducing the risk of accidents by making it easier to control the vehicle in sudden braking situations. It is known that traffic accidents increase on pavements with low surface friction, particularly on wet surfaces where friction decreases significantly, leading to more accidents. During rainy weather, pavement surface friction decreases due to the water film at the contact area between tires and the pavement surface, reducing the adhesion generated by micro-texture. For this reason, on wet pavement surface, hysteresis generated by macro-texture acts as the main force and is evaluated as an important factor in pavement surface friction. In previous studies, Mean Texture Depth(MTD), which falls within the scope of macro-texture, was used as a major factor in predicting pavement surface friction. However, these studies have the limitation of considering only texture depth among the factors that make up pavement surface texture, without accounting for other characteristics such as wavelength. Therefore, this study proposes a new pavement surface friction prediction equation that addresses the limitations of existing models by incorporating additional pavement surface texture variables to explain the complex nature of pavement texture. For this purpose, 'Exposed Aggregate Number (EAN)', which describes the wavelength of the pavement surface texture, and 'aggregate shape', which describes the shape of protrusions on the pavement surface, were selected as texture variables. The effects of MTD, EAN, and aggregate shape on road friction were analyzed independently. The actual pavement surface comprises many factors, making it difficult to isolate the influence of each variable. To address this, 3D printed specimens were produced to eliminate the irregularities of real pavement surfaces. Given the size of the specimens, the British Pendulum Tester (BPT) was used to measure wet surface friction, as it allows for easy measurement in small areas. The results of the analysis of the relationship between MTD, EAN, aggregate shape and BPN (British Pendulum Number under wet condition) are as follows: ● It was confirmed that BPN (wet) increases linearly as MTD increases. This is believed to be because as the texture depth increases, the rubber penetration volume increases, thereby increasing hysteresis. ● There was an optimum EAN value where BPN (wet) reached its maximum, after which BPN (wet) decreased as EAN increased further. This is likely due to excessive EAN reducing rubber penetration volume and consequently decreasing hysteresis. ● The optimum EAN value varied depending on the shape of the aggregate, and the average BPN (wet) also changed. This variation is believed to be due to differences in rubber penetration volume under the same conditions depending on the aggregate shape. To quantify this difference, a shape index (S) was calculated and included in the analysis. A BPN (wet) prediction equation was proposed, but this is a prediction equation based on data measured from the ideal pavement surface texture of 3D printed specimens, which have different properties from actual pavements’ surface texture. Accordingly, pavement surface texture data of actual roads from various types of pavement were measured and applied to the pavement surface friction prediction equation developed from 3D printed specimens. Subsequently, a pavement surface friction prediction equation that can explain the actual complex pavement surface texture was proposed. This includes the individual effects of MTD, EAN, and aggregate shape, and through this, the relationship between pavement surface texture and pavement surface friction was verified.

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목차 도움말

목 차

국문 요약 ⅰ
영문 요약 ⅲ
목 차 ⅴ
표 목차 ⅷ
그림 목차 ⅸ

제 1 장 서 론 1
1.1 연구배경 및 목적 1
1.2 연구내용 및 방법 5

제 2 장 노면 마찰력 및 노면 조직 특성 8
2.1 노면 마찰력 메커니즘 분석 8
2.1.1 노면 마찰력 발생 메커니즘 8
2.1.2 노면의 건조-습윤 상태와 hysteresis, adhesion의 관계성 10
2.2 노면 마찰력에 영향을 미치는 노면 조직 특성 검토 11
2.2.1 도로 노면 조직 특성 11
2.2.2 기존 노면 마찰력 예측 식의 한계점 12
2.3 파장 길이와 골재 형상이 노면 마찰력에 미치는 영향 15

제 3 장 3D 프린팅 시편에서의 노면 조직과 노면 마찰력의 관계 분석을 위한
실험 전략 17
3.1 노면 조직의 정량적 형성을 위한 실험 전략 17
3.1.1 노면 조직의 정량적 형성을 위한 방안 17
3.1.2 노면 조직 깊이 형성 방안 18
3.1.3 파장 길이 형성 방안 19
3.1.4 돌출부 형상 적용 방안 및 형상 지수 산정 20
3.1.5 3D 프린팅 시편 제작 방안 22
3.2 노면 마찰력 측정 방안 및 평가 방법 23
3.3 3D 프린팅 시편 실험 결과 및 분석 25

제 4 장 3D 프린팅 시편의 노면 조직 데이터를 이용한 MTD, EAN, 골재 형상
기반 노면 마찰력 예측 식 선정 27
4.1 노면 조직 변수와 노면 마찰력의 상관성 분석 27
4.1.1 MTD와 노면 마찰력의 관계 분석 27
4.1.2 EAN과 노면 마찰력의 관계 분석 29
4.1.3 골재 형상과 노면 마찰력의 관계 분석 31
4.2 MTD, EAN, 골재 형상 기반 노면 마찰력 예측 식 선정 및 한계점 32

제 5 장 MTD, EAN, 골재 형상 기반 노면 마찰력 예측 식의 현장 적용성
검증 35
5.1 MTD, EAN, 골재 형상 기반 노면 마찰력 예측 식의 현장 적용을
위한 전략 35
5.1.1 노면 마찰력 예측 식의 현장 적용 방안 36
5.1.2 노면 조직과 노면 마찰력의 정밀한 관계 분석을 위한 노면 조직
데이터 측정 36
5.1.3 현장 노면 조직 데이터 측정 결과 41
5.2 MTD, EAN, 골재 형상 기반 노면 마찰력 예측 식의 현장 적용 44
5.2.1 단일 변수 노면 마찰력 예측 식의 고찰 및 현장 적용 가능성 검토 44
5.2.2 MTD, EAN, 골재 형상 기반 노면 마찰력 예측 식의 현장 적용성
검토 49

제 6 장 결론 52
6.1 결론 52

참고문헌 55

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