Ⅰ. 서론
공항 포장은 항공기 운항 안전을 직접적으로 좌우하는 핵심 기반시설로서, 구조적 안정성, 공용성, 내구성 및 유지관리의 용이성 등 다양한 성능 요구를 종합적으로 충족하도록 설계되어야 한다. 특히 항공기가 정차하고 지상조업이 이루어지는 계류장(Apron) 구역은 항공기 중량에 의한 정적 하중과 항공기 이동, 견인 및 회전에 따른 동적 하중이 반복적으로 작용하는 구간으로, 항공기 기종과 기어배치에 따라 국부적으로 매우 큰 하중이 집중되는 특성을 가진다.
현재 공항 포장에는 주로 강성포장(Portland Cement Concrete, PCC)과 연성포장(Hot Mix Asphalt, HMA)이 용도 및 운영 특성에 따라 적용되고 있다. 그러나 연약지반이 분포하거나 장기적인 부등침하가 우려되는 부지의 경우, 이러한 기존 포장 방식은 구조적 균열, 단차 발생 및 반복적인 보수 공사로 인한 운영 저해 등 유지관리 측면의 한계가 지속적으로 제기되어 왔다. 이로 인해 공항 운영의 연속성을 확보하면서도 침하에 대한 대응성이 우수한 대체 포장 시스템에 대한 필요성이 점차 증대되고 있다.
이러한 배경에서 공장 선제작 콘크리트 블록을 현장 후체결 방식으로 시공하는 Interlocking Concrete (ILC) 블록 포장이 기존 포장의 대안으로 주목받고 있다. ILC 블록 포장은 블록 자체의 높은 압축강도와 블록 간 상호 맞물림(interlock) 구조를 통해 우수한 표면 강성과 하중 전달 성능을 확보할 수 있으며, 하부에 조성되는 완충층은 지반의 침하 및 변형에 유연하게 대응하여 하중을 효과적으로 분산시키는 역할을 수행한다. 이러한 구조적 특성으로 인해 ILC 블록 포장은 연약지반 조건에서도 구조적 안정성을 유지할 수 있을 뿐만 아니라, 손상 구간에 대한 국부적 보수 및 신속한 유지관리가 가능하다는 장점을 가진다.
그러나 국내에서는 ILC 블록 포장의 공항 적용을 위한 표준화된 설계 기준 및 시방서가 마련되어 있지 않아, 실제 공항 포장에 적용하는 데 제도적·기술적 한계가 존재한다. 이에 본 연구에서는 ILC 블록 포장의 공항 포장 적용 가능성을 검토하기 위하여 해외 공항의 적용 사례 및 관련 설계 지침을 분석하고, FAA의 공항 포장 설계 프로그램인 FAARFIELD를 활용하여 ILC 블록 포장의 구조적 성능을 교차 검증하고자 한다. 이를 통해 국내 공항 여건에 적용 가능한 ILC 블록 포장 설계의 기본 방향과 기술적 근거를 제시하는 것을 연구의 목적으로 한다.
Ⅱ. 본론
1. ILC 블록의 구조적 특징 및 주요 장점
1) 구조적 특징
ILC 블록은 Fig. 1과 같이 너비 100 mm, 길이 200 mm, 높이 80–100 mm의 개별 콘크리트 블록으로 구성되어 있으며, 55 MPa 이상의 압축강도를 제공하여 기존 PCC 포장보다 높은 강성을 제공한다.
또한 콘크리트 블록 간에 채워진 1.5–4 mm 줄눈 모래의 유동성을 통해 표층의 유연성을 유지하고 하부의 모래층과 결합되어 구조적으로 일체화된 층을 형성하여 연성포장 대비 높은 탄성계수로 하중을 하부에 효과적으로 분산시킨다.
연성포장과 같은 유연성 거동으로 부분 침하 대응이 용이하고, 강성 포장과 같은 단단한 표면을 제공하여 높은 지지력과 항공기 누유 및 제빙제와 같은 화학물질에 대한 높은 저항성을 제공한다.
2) 주요 장점
(1) 경제성
비용 효용성 : ILC 블록 포장은 기존 포장에 비해 건설 및 유지 비용에서 효율적이다. 특히 초기 건설 비용은 기존 PCC 포장 방식 대비 10–20% 감소[1]하며, 장기적인 생애주기비용(Life Cycle Cost)에서도 22% 정도의 절감[2] 효과를 기대할 수 있다.
유지관리 비용 절감 : 파손에 따른 복구 및 블록단위 교체가 가능하여 유지보수 비용이 낮아 기존 방식에 비해 약 25% 적게 비용이 들어 공용기간 동안의 유지관리비를 절감한다[2].
(2) 구조적 안정성 및 내구성
고강도 재질 : ILC 블록은 28일 기준 압축강도가 약 55–69 MPa 수준으로 우수한 내구성을 갖고 있다[1].
하중 분산 : 각 블록이 상호 연결된 형태로 설계되어 연성포장의 거동과 같이 하중이 균등하게 분산되고 강성포장과 같은 단단한 표면 제공으로 손상 위험이 감소해 항공기 및 대형 GSE 장비의 통과시 하중 분산에 유리하다[1].
수직 변형 억제 : ILC 블록 간의 줄눈 모래 설계로 인해 압축응력이 효율적으로 흡수되고 구조적 안정성을 확보한다.
항공기 안전성 제고 : 포장 표면의 높은 마찰 계수가 항공기 미끄럼 방지를 제공하여 운영 안전성을 높인다[3].
(3) 유지보수의 용이성
모듈식 설계 : ILC 블록 포장 시스템은 손상된 블록을 개별적으로 교체할 수 있는 구조로 되어 있어 유지보수 속도가 기존 포장 방법보다 빠르며, 경제적인 복구 작업이 가능하다[1].
긴급 상황의 빠른 대응 : 블록 교체 작업이 신속하며, 별도의 대규모 장비가 필요하지 않아 공항 운영 중단 시간을 최소화할 수 있다[2].
부등침하 대응 : 연약지반에 따른 부등침하시 주변 포장에 영향이 없으며, 국부적인 구역에 빠른 유지보수가 가능하다[2].
(4) 환경 및 지속 가능성
기후에 대한 내구성 : ILC 블록 포장은 동결 융해, 급격한 온도 변화, 집중호우와 같은 환경에서도 변형되지 않고 높은 안정성을 갖는다[2].
효율적 배수 시스템 : 하부 모래층과 줄눈 모래 설계는 우수한 배수성을 제공하여 물 고임 현상을 방지한다[2].
재활용 가능성 : 포설된 ILC블록 및 포장 구성 재료를 철거 후 재활용할 수 있어 친환경적 자원 활용이 가능하다.
(5) 유연한 설계 및 적용성
다양한 활용 : ILC 블록 포장은 항공기 주기장, 저속 유도로, GSE 도로 등 여러 공항 시설에 활용할 수 있을 뿐만 아니라, 교통량 및 하중 조건에 따라 포장의 두께, 치수, 재료 조정을 통한 맞춤 설계를 제공할 수 있다[3].
심미적 디자인 : ILC 블록 포장은 다양한 색상 및 패턴을 적용할 수 있어 기능적 효과뿐만 아니라 시각적 아름다움도 고려한 설계가 가능하다[3].
2. 해외 공항 적용사례 분석
ILC 블록 포장은 전 세계 48개 공항에 약 1,566,200 m2 규모로 적용되어 유효성이 입증되었다. 이 중 대표적으로 영국 루턴공항, 미국 달라스 포스워스 국제공항, 홍콩 첵랍콕 국제공항 및 호주 퀸즈랜드 케언즈 국제공항의 적용 사례에 대해 조사/분석하였다.
1) 영국 루턴공항
1981년 ILC 블록 포장을 세계 최초로 적용한 공항으로 Fig. 2와 같이 B737 주기장에 80 mm 두께의 블록 40 m2를 시험시공 하였다. 이후 하중 분산, 침하 발생 분포, 미끄럼 저항 등을 측정하기 위해 항공기 주기구역 내 300 m2 규모의 블록 포장을 추가 설치하였다.
시험시공 결과, 동절기 및 강우 조건에서 우수한 성능을 입증하였다. 특히 동결 융해 조건에서도 포장 파손이나 들뜸 현상이 거의 없었다. 다만 항공기 제트 분사에 의한 블록 이탈 현상이 있어 항공기 제트 분사가 비교적 적은 지역인 항공화물시설에 6,000 m2 규모로 추가 설치하여 운영하였다.
2) 미국 달라스 포스워스 국제공항
1991년 유도로 확장 포장시 공항 운영 중단을 최소화하기 위해 Fig. 3과 같이 ILC 블록 포장 공법을 적용하였다.
연성포장 거동과 유사성을 고려하여 100 mm HMA 층을 80 mm 블록 + 40 mm 모래층으로 대체하는 FAA 연성포장의 설계기법 개념을 적용하였다. 비파괴 실험결과, 현장 적용 ILC 블록 포장 탄성계수는 1,724 MPa로 FAA에서 권장하는 100 mm 두께의 HMA (1,379 MPa) 층보다 크게 나타났다.
3) 홍콩 첵랍콕 국제공항
1998년 개항 당시부터 연약한 매립지반 위에 계류장 포장으로 ILC 블록이 채택되었으며, Fig. 4와 같이 계류장과 화물 주기장에 약 400,000 m2 규모로 설치하여 부등침하 대응 및 유지보수 측면에서 우수한 성능을 보이고 있다.
모래층 하부 시멘트안정처리기층의 수축균열에 의한 모래층 유실을 방지하기 위해 지오텍스타일을 설치하고 방수성 타르 코트를 사용해서 고정한 것이 특징이다.
가장 큰 규모로 시공한 사례로 넓은 면적의 포장 시공 효율성을 높이기 위해 Fig. 5와 같이 흡착식 기계화 장비를 활용하였다.
4) 호주 퀸즈랜드 케언즈 국제공항
1991년 여객 주기장에 약 15,000 m2 규모로 Fig. 6과 같이 ILC 블록 포장을 적용하였다.
미 육군 공병단 CBR 설계를 활용하여 80 mm 블록, 20 mm 모래층, 250 mm 시멘트안정처리기층 단면으로 적용하였다.
건설 후 대규모 연료 유출 사고가 있었지만, 인근 아스팔트 포장만 손상되어 ILC 블록 포장의 누유 저항성이 큰 것으로 확인되었다.
해외 다수 공항에서의 ILC 블록 포장 시험시공 및 공용성 사례를 분석한 결과는 아래와 같이 검토되었다.
• ILC 블록은 55 MPa (8,000 psi) 이상의 압축강도 제공
• 연성포장의 거동과 유사하여 ILC 블록 포장 설계는 FAA, 미 육군 공병단의 연성포장 설계 방법 적용 가능
• 20년 설계 수명 적용 가능
• 연약지반층 위에 적용할 경우 부등침하 대응 및 유지보수 측면에서 우수한 성능
• 누유, 빗물의 미끄럼에 대한 표면 마찰 저항성이 우수
• 하부 모래층은 2.5 mm 이하 골재로 시공 필요
• 맞물림 줄눈 구간은 미세 모래로(16번 체 통과율 100%) 채우고 유실 방지를 위한 폴리머 재료와 같은 실런트 도포
• 항공기 제트 분사에 의한 모래층 침식을 방지하기 위해 항공기의 저속 이동 구간이나 주기장 지역에 설치 권고
3. ILC 블록포장 설계
1) 적용 기준
미국 ILC 포장 연구소(Interlocking Concrete Pavement Institute, ICPI)에서 발간한 Airfield Pavement with Concrete Pavers (Fig. 7)[2]에서는 ILC 블록을 활용한 공항 포장의 구조 설계 방법을 제시하였다. 해당 매뉴얼은 ILC 블록 포장이 연성포장과 같은 하중 분산 특성이 있는 것을 고려하여 FAA 권고 기준인 Advisory Circular 150/5320-6, Airport Pavement Design and Evaluation에 포함된 기존의 연성포장 설계 방식을 변형하여 ILC 블록 포장에 적용할 수 있도록 제안하였다. ILC 블록과 모래층이 동등 두께의 아스팔트 혼합물층보다 우수한 하중 분산 특성과 연료 유출에 대한 저항성, 내구성 증가 효과가 있는 것이 연구를 통해 입증되었다. 이에 따라 FAA에서도 ILC 블록으로 건설되는 공항에 해당 설계 방법을 사용하는 것에 동의하였다.
포장 구조 설계에서 ILC 블록과 모래층이 아스팔트콘크리트(Hot Mixed Asphalt, HMA) 층으로 대체되고 하부층은 기존의 FAA 연성포장 설계와 동일한 방법으로 설계하는 것이 특징이다. (예, 콘크리트 블록 80 mm과 모래층 30 mm을 연성포장의 표층으로 가정하여 P401 (HMA) 110 mm로 설계 프로그램에 적용)
2) FAARFIELD 설계 유효성 검증
Airfield Pavement Design with Concrete Pavers 설계 가이드(Fig. 8)에서 제시한 블록포장의 구조설계 결과값과 기존 첵랍콕 공항 단면[4] 3가지 CASE에 대해 FAARFIELD 2.2.1 프로그램을 사용해 교차 검증을 수행하였다.
총 하중 10만 파운드(45톤) 이상 제트 항공기 운영 시 하부 기층에 대해서는 시멘트안정처리기층을 적용하였다.
(1) 설계 조건
CASE 1, 2[4]
• 설계 항공기 : B727-200 (연간출발 3,000회), B737-200, B747-100 (연간출발 1,200회)
• 노상 CBR = 6
• 설계수명 20년
CASE 3 (첵랍콕 국제공항 적용)[5]
• 설계 항공기 : B777-300ER, A330-300, A320, A321, B737-800, B747-400F, A340* CAPA 항공통계 자료로 추정 총 427,000회(대형기 국제선 운항횟수, 소형기 국내선 운항횟수) [8]
• 노상 CBR = 10 (매립공항 다짐도를 가정하여 적용)
• 설계수명 20년
(2) 기 적용 블록포장 설계 단면
ICPI에서 설계한 ILC 블록 포장은 콘크리트 블록 80 mm + 모래층 30 mm을 기본으로 하부 기층을 골재기층(P-209)과 10만 lbs 이상의 항공기를 위한 시멘트안정처리기층(P-304)으로 구분하여 단면을 제시하였다. Tables 1과 2와 같이 골재기층 P-209/보조기층 P-154 적용할 경우 포장단면은 910 mm, 시멘트안정처리기층 P-304/골재기층 P-209 적용할 경우 포장단면은 610 mm로 설계하였다.
Table 1.
CASE 1 ILC Block Pavement Design Result
| CASE 1_ ICPI Example | Pavement Design (mm) |
| Pavers (ILC Block) | 80 |
| Bedding Sand | 30 |
| Aggregate Base (P-209) | 300 |
| Aggregate Subbase (P-154) | 500 |
| Total Thickness | 910 |
Table 2.
CASE 2 ILC Block Pavement Design Result
| CASE 2_ ICPI Example | Pavement Design (mm) |
| Pavers (ILC Block) | 80 |
| Bedding Sand | 30 |
| Cement Treated Base (P-304) | 200 |
| Aggregate Base (P-209) | 300 |
| Total Thickness | 610 |
첵랍콕 국제공항에서 설계한 블록포장은 Table 3과 같이 콘크리트 블록 80 mm + 모래층 20 mm을 기본으로 하부 기층을 175 mm 시멘트안정처리기층(P-304), 보조기층을 450 mm 골재기층(P-209)으로 설계하였다.
Table 3.
CASE 3 ILC Block Pavement Design Result at Hong Kong International Airport (HKIA)
| CASE 3_HKIA | Pavement Design (mm) |
| Pavers (ILC Block) | 80 |
| Bedding Sand | 20 |
| Cement Treated Base (P-304) | 175 |
| Aggregate Base (P-209) | 450 |
| Total Thickness | 725 |
(3) FAARFIELD 설계 검증 결과
Fig. 9와 같이 FAARFIELD 2.2.1을 이용하여 CASE 1, 2의 표층 조건을 콘크리트 블록 80 mm + 모래층 30 mm 대신 아스팔트콘크리트층(P-401, HMA) 110 mm로 적용, CASE 3은 콘크리트 블록 80 mm + 모래층 20 mm 대신 아스팔트콘크리트층(P-401, HMA) 102 mm (4인치 이하 입력 불가)로 적용 후 하부 기층은 동일한 조건으로 입력하여 검토하였다.
ICPI 보고서에 대한 FAARFIELD 설계 검토 결과는 Tables 4, 5, 6에 제시하였다. Case 1의 포장단면은 910 mm, Case 2의 포장단면은 640 mm로 검토되었고, 첵랍콕 국제공항의 경우 기존 포장과 동일한 725 mm로 검토 되었다.
Table 4.
CASE 1 FAARFIELD Design Verification Results
| CASE 1_ ICPI Design Verification Results | Pavement Design (mm) | |
| Pavers | HMA (P-401) | 110 |
| Bedding Sand | ||
| Aggregate Base (P-209) | 307 ≑ 310 | |
| Aggregate Subbase (P-154) | 486 ≑ 490 | |
| Total Thickness | 910 | |
Table 5.
CASE 2 FAARFIELD Design Verification Results
| CASE 2_ ICPI Design Verification Results | Pavement Design (mm) | |
| Pavers | HMA (P-401) | 100 |
| Bedding Sand | ||
| Cement Treated Base (P-304) | 230 | |
| Aggregate Base (P-209) | 300 | |
| Total Thickness | 640 | |
Table 6.
CASE 3 FAARFIELD Design Verification Results
| CASE 3_HKIA Design Verification Results | Pavement Design (mm) | |
| Pavers | HMA (P-401) | 100 |
| Bedding Sand | ||
| Cement Treated Base (P-304) | 171 ≑ 175 | |
| Aggregate Base (P-209) | 450 | |
| Total Thickness | 725 | |
당초 설계에 대해 FAARFIELD 프로그램을 통한 교차 검증 결과 CASE 1,3의 경우 FAA의 연성포장 설계 방법과 유사한 결과 값이 도출되었고 CASE 2의 경우 약 시멘트안정처리기층(P-304)이 기존 설계보다 30 mm 크게 도출되었다. 포장 설계시 일반적으로 보수적인 설계 값을 사용하는 것을 고려할 경우 프로그램을 통한 연성포장 설계를 ILC 블록 포장에 적용해도 타당할 것으로 판단된다.
Ⅲ. 결론
본 연구에서는 연약지반이 분포된 공항의 계류장 및 유도로를 대상으로, 기존 포장 방식을 대체할 수 있는 ILC 블록 포장의 구조적 특성과 적용 가능성을 검토하였다. 영국 루턴공항, 미국 달라스 포트워스 국제공항, 홍콩 첵랍콕 국제공항, 호주 케언즈 국제공항 등 국내외 공항 포장 사례를 분석한 결과, ILC 블록 포장은 연성포장(HMA)과 강성포장(PCC)의 장점을 융합한 포장 방식으로서, 연약지반에서 발생할 수 있는 부등침하에 대한 대응 성능을 확보함과 동시에 경제성, 유지관리 효율성 및 시공 유연성 측면에서 우수한 대안임을 확인하였다.
또한 미국 ICPI의 US Airfield Pavement Design and Construction Manual과 홍콩 첵랍콕 국제공항의 ILC 블록 포장 단면을 대상으로 FAA의 공항 포장 설계 프로그램인 FAARFIELD 2.2.1을 활용하여 구조 설계에 대한 교차 검증을 수행한 결과, 기존 설계 결과와 유사한 구조 성능을 도출하였다. 이는 ILC 블록 포장이 FAA 기준에 부합하는 구조적 성능을 확보할 수 있음을 의미하며, 향후 국내 공항에서도 FAARFIELD 기반의 포장 단면 설계 적용이 타당함을 시사한다.
국내 공항에 ILC 블록 포장을 안정적으로 적용하기 위해서는 국내 지반 조건, 항공기 운영 특성 및 유지관리 환경을 반영한 설계 기준과 시방서의 조속한 제정이 필요하다. 이러한 제도적 기반이 마련될 경우, ILC 블록 포장은 연약지반 공항 포장의 구조적 안정성과 유지관리 효율성을 동시에 향상시킬 수 있는 실질적인 대안으로서 국내 공항 포장 분야에서의 활용 가능성이 더욱 확대될 것으로 기대된다.
