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J. Korean Soc. Hazard Mitig. > Volume 24(2); 2024 > Article
블랙아이스로 인한 포장체의 미끄럼 저항 특성

Abstract

Korea experiences a four-season climate, leading to significant fluctuations in seasonal road surface conditions and contributing to numerous traffic accidents. Over the period of five years since 2016, approximately 4,800 traffic accidents have been attributed to icy and frosty road conditions, with a fatality rate 1.5 times higher than that of general traffic accidents. This study aims to analyze the skid resistance properties of domestic asphalt pavements as an initial step toward establishing indicators to mitigate and manage traffic accidents caused by black ice. In this study, the BPN was measured using BPT equipment specified in the ASTM and KS standards. The road pavement surface conditions were assessed under three categories: dry, wet, and frozen (black ice). The recorded BPN values decreased in the following order: dry, wet, and frozen conditions. Under wet conditions, a comparative analysis was performed between dense asphalt pavements and drainable pavements. Furthermore, the evaluation under frozen conditions revealed no significant disparity between the types of road pavement. Notably, the exposure of the road pavement aggregate owing to freezing and the resultant surface roughness had a minimal impact on the skid resistance.

요지

우리나라는 4계절 기후를 가지고 있어서 계절별 도로 포장체의 노면 조건의 변화가 심하고 이로 인한 교통사고가 많이 발생한다. 2015년부터 5년간 도로의 결빙과 서리로 인한 교통사고 건수는 5200여 건으로 보고되고 있고, 치사율은 일반 교통사고에 비해 9배 높은 것으로 나타났다. 본 연구에서는 블랙아이스로 인한 교통사고 저감 및 관리용 지표를 만들기 위한 첫 단계로 국내 아스팔트 포장의 미끄럼 저항 특성을 분석하였다. 실험은 ASTM 및 KS 표준에 제시된 실내실험용 BPT 장비를 이용하여 미끄럼 저항값(BPN)을 측정하였다. 도로포장 표면 상태를 건조, 습윤, 동결(블랙아이스) 등으로 구분하여 평가하였다. 측정된 미끄럼 저항값은 건조, 습윤, 동결 순으로 작게 나타났다. 습윤상태의 경우 밀입도 아스팔트 포장과 배수성 포장의 장단점이 명확하게 비교되었다. 또한, 동결상태에서 평가한 결과 도로포장의 종류에 큰 차이를 보이지 않았고, 결빙으로 인한 도로 포장체의 골재 노출과 노출된 골재의 표면 거칠기가 미끄럼 저항에 거의 영향을 주지 않는 것으로 평가되었다.

1. 서 론

우리나라는 4계절 기후를 가지고 있어 계절별 도로 포장체 노면 조건과 이로 인한 교통사고 특성이 매우 다르게 나타난다. 봄철에는 겨울철을 지낸 도로포장의 동결융해 등으로 인한 포트홀 발생과 안개 발생 빈도가 높은 특징을 가지고 있다. 여름철에는 집중호우 및 태풍 등으로 인해 도로 표면이 습윤 또는 노면이 포화된 상태가 되고, 이로 인해 도로의 수막현상 등에 의한 미끄럼 저항 값 감소 현상을 보인다. 특히 봄철 발생한 포트홀에 대량의 수분이 침투하여 도로포장의 파손을 가속화 한다. 겨울철에는 낮은 온도와 눈 등으로 인한 도로 노면의 결빙 및 도로 포장체의 파손이 나타난다(Science Buzz, 2022; McDonald, 2018).
겨울철 도로의 노면이 결빙되는 대표적인 현상을 블랙아이스라 한다. 블랙아이스는 도로 포장체의 표면의 균열 등에 스며든 습기 또는 눈과 도로를 주행하는 차량에서 발생하는 타이어분진 및 배기가스 등으로 인해 도로포장 표면과 비슷한 색깔을 가지는 얇은 얼음막이 형성된다. 블랙아이스 발생하는 조건은 다양하지만, 대체로 겨울철 낮은 온도, 지형적으로 음지에 시공된 도로, 터널의 진출입로, 교량 등 기후조건과 지형조건이 주로 영향 요소로 판단된다(Phan et al., 2022; Cho and Shin, 2021).
2015년부터 5년간 도로의 결빙이나 서리로 인한 교통사고 건수는 대략 5천2백여 건으로 보고되고 있고, 교통사로로 인한 치사율은 일반 교통 사고에 비해 약 9배 높은 것으로 나타났다(Korea Transport Institute, 2021). 블랙아이스로 인한 최근의 교통사고로는 세종시 금빛노을교에서 차량 29중 충돌 및 5명 부상, 세종시 아람찬교의 차량 9중 충돌 및 9명 부상, 구리포천 고속도로 포천방향 축석령 터널 약 500 m 지점에서의 44대 연쇄 추돌 및 1명 사망을 포함하여 30여 명의 부상 등 교통사고 사례가 있다. 블랙아이스로 인한 교통사고 저감 방법으로는 발생 가능한 도로에 제설제 작업, 차량 주행속도를 줄여서 운행하는 방법 등으로 현실적으로 주로 야간 및 새벽에 집중으로 발생하는 블랙아이스 교통사고 저감에는 다소 한계가 있는 것으로 보인다.
블랙아이스와 관련된 국내외의 주요 연구로는 2020년 발표된 도로 노면결빙 판정모델을 적용한 도로 결빙 예측에 대한 연구(Lim and Kim, 2020), 2021년 발표된 열화상카메라를 이용한 블랙아이스 특성 연구(Kim et al., 2021), 겨울철 도로 살얼음 예방을 위한 결빙방지 아스팔트 포장의 현장 적용(Cho and Shin, 2021), 기상데이터를 이용한 블랙아이스 예측 모델(Phan et al., 2022), 태양열 에너지를 이용한 블랙아이스 제거 시스템(Kim et al., 2022), 딥러닝을 이용한 다양한 기후조건에서의 블랙아이스 판정 기법(Lee et al., 2023) 등이 있다. 연구의 내용이 주로 기후 조건에 따른 블랙아이스의 생성 여부를 판정하기 위한 모델개발 등으로 이루어져 있다. 본 연구는 블랙아이스 생성 과정 모사하여 이로 인한 도로포장체의 미끄럼 특성을 평가하는 것으로 기존 연구와의 차별성을 가지고 있다.
이러한 블랙아이스로 인한 교통사고 저감을 위한 첫 번째 연구로 국내의 대표적인 도로포장(밀입도 아스팔트 포장, 배수성 포장, 투수폴리콘 포장 등)에서의 블랙아이스로 인한 미끄럼 저항 특성을 평가하였다. 실내시험용 미끄럼 저항 시험기(BPT, British Pendulum Tester)를 이용한 ASTM (American Standard Testing Method, 2022) E 303-22 표준 시험법 및 KS (Korean Standard, 2019) F 2375 노면의 미끄럼 저항성 실험방법을 이용하여 미끄럼 저항값(British Pendulum Number, BPN)을 측정하였고, 도로포장의 종류에 따른 블랙아이스로 인한 미끄럼 저항값의 변화를 실내 실험을 통해 제시하고자 한다.

2. 국내외 미끄럼 저항 기준

국내에서는 현장시험을 중심으로 하는 이동식 차량을 이용한 자동측정 시 미끄럼 저항 측정 방법과 휴대용 장비를 이용한 수동식 미끄럼 측정 방법 등을 이용하고 있다. Fig. 1과 같이 한국도로공사 및 한국건설기술연구원 등에서는 풀스케일 타이어를 사용한 미국의 미끄럼 측정기준(ASTM-E274)을 사용하는 ASTM Standard Skid Trailer와 영국의 미끄럼 측정기준인 UK (United Kingdom) HD28/04-Skid Resistance을 적용한 Grib Tester를 운영중에 있다.
Fig. 1
Testing Equipment
kosham-2024-24-2-11gf1.jpg
ASTM Trailer의 경우 측정 신뢰도가 높고 타이어 종류별 측정이 가능하다는 장점이 있지만, 연속측정 문제와 별도 데이터 정리에 많은 시간이 요구되고, 65 km/h 이하의 속도에서 측정 시 측정값의 신뢰도가 낮은 단점이 있다. Grib Tester의 경우 연속측정이 가능하고 그래픽 처리가 가능한 장점이 있고, 대용량 데이터 처리 시 특이구간의 별도조사 및 Smooth Tire만 사용해야 하는 단점이 있다.
국내 미끄럼 저항 관리기준은 국토교통부 도로안전시설 설치 및 관리지침(Ministry of Land, Infrastruture and Transport, 2016)에 따라 구간별 중요도에 따라 S1, S2, S3 및 S4 등 4개 등급으로 구분되어 있다. S1은 마찰력 확보가 매우 중요한 구간으로 설계 속도 60 km/h 이상인 도로의 교통신호 또는 횡단보도 접근부, 5% 이상의 내리막 경사에 설치된 곡선형 도로 등이 포함된다. S4는 마찰력이 중요하지 않은 구간으로 교통량이 적은 도로의 일반적인 직선 구간에 적용한다.
4개의 지표에 대한 최소 요구 마찰계수는 Table 1에 나타내었다. 마찰계수는 실내실험의 미끄럼 저항값과 현장실험의 SN (Skid Number)으로 각각 제시하였다. Risk는 연간 교통사고 중 노면 습윤 시 발생한 교통사고 건수를 의미한다. Risk 1은 1건 이하, Risk 2는 2에서 3건, Risk 3은 4건 이상을 의미한다. 미국은 각 주별로 별도의 기준을 가지고 있지만, 통상적으로 Table 2와 같은 기준을 적용하고 있다. 측정값은 주로 현장실험을 중심으로 측정된 SN값을 이용한다.
Table 1
Guideline of Skid Resistance
Level Minimum Value Type
Risk 1 Risk 2 Risk 3
S1 57 67 77 BPN
37 44 50 SN
S2 47 57 67 BPN
31 37 44 SN
S3 32 47 57 BPN
21 31 37 SN
S4 32 42 47 BPN
21 27 31 SN
Table 2
Skid Resistance in USA
Skid Number Recommendation
< 30 Maintenance
> 30 Low Volume Road
31-34 General Road
over 35 High Volume Road

3. 미끄럼 저항 시험 장비 및 Setup

실내실험용 Portable 측정 장비로는 영국식 미끄럼 저항 시험기(BPT)를 사용한다. KS F 2375에 국내 표준시험방법이 제시되어 있고, 진자 끝에 장착된 고무 슬라이더와 시험체 표면 사이의 마찰저항을 측정하는 방법으로 실내 또는 현장에서 노면의 미끄럼 저항값을 측정한다. 미끄럼 저항값이 클수록 도로 노면의 미끄럼 저항이 큼을 의미한다.
시험장비는 Fig. 2와 같으며, 실험장비 세팅은 KS 표준 시험법을 준용하였다. 실험 시 요구되는 조건은 다음과 같다.
Fig. 2
BPT Testing Setup
kosham-2024-24-2-11gf2.jpg
  • • 고무 슬라이더의 마모 정도는 3.2×1.6 mm 이하

  • • 고무 슬라이더의 접촉 거리는 124~27 mm

  • • 진자 암의 무게는 1,500 ± 30 g

  • • 슬라이더 스프링 장력은 2,500~6,100 g

  • • 시편 없이 진자 암 자유낙하 시 BPN을 0으로

  • • 실험값 신뢰성 향상을 위해 시험 전 검증 시편을 이용하여 검증 후 미끄럼 저항값 측정(Ct)

  • • 시편의 온도(t)를 측정하고, 20oC 에서 보정된 미끄럼 저항값을 결정

  • • 보정식: 0.00742t2+0.0052t – 3.064+Ct

BPT 시험 시 측정값의 신뢰도를 높이기 위해서 표준시험체를 이용하여 Fig. 3과 같이 사포 컨디셔닝 8회, 그린랩핑 컨디셔닝 8회, 플롯 글래스 검증 8회 및 파비그래스 타일 검증 8회를 시행하여 Table 3의 검증 범위에 적합한 상태인지를 확인 후 실제 시험을 시행한다.
Fig. 3
Conditioning Process before Testing
kosham-2024-24-2-11gf3.jpg
Table 3
Range of Requirement for Testing
TRL (55) 4S (96)
Pink Lapping Film none 59-64 PTV
Float Glass 5-10 PTV 5-10 PTV
Paviglass Tile 13-19 PTV 32-36 PTV
Table 3의 TRL (55)는 도로 노면용 고무슬라이더이고, 4S (96)은 실외 바닥용 고무슬라이더를 의미한다.
Fig. 4와 같이 일반적인 도로포장에 사용되는 밀입도 포장(WC-2)과 비교적 높은 공극률을 나타내는 배수성 포장(PA-13), 식물성 폴리우레탄 바인더를 사용한 투수폴리콘(WPP)을 제작하였다. 아스팔트 혼합물은 일반적인 혼합 방법에 준하여 가열된 골재와 바인더를 혼합하여 제작하였으며, 투수폴리콘 혼합물의 경우 상온에서 바인더와 골재를 혼합하여 제작하였다. 다짐 방법은 현장 다짐과 유사한 롤러 다짐기를 이용하여 직사각형 시편을 제작하였다. 해당 시험 시편의 입도와 기본 물성은 Table 4와 같다.
Fig. 4
Testing Specimens
kosham-2024-24-2-11gf4.jpg
Table 4
Property of Sample
Type
Sieve size (㎜) WPP WC-2 PA-13
passing (%) 20 ㎜ 100 100 100
13 ㎜ 100 97.5 96
10 ㎜ 82.6 88 71.5
5 ㎜ 10.7 62.5 20.5
2.5 ㎜ 0.3 42.5 15.5
0.6 ㎜ 0.3 24 10.5
0.3 ㎜ 0.3 15.5 7.5
0.15 ㎜ 0.3 11 5.5
0.08 ㎜ 0.2 6 4.5
Optimum Binder Content (%) 5.0 5.6 4.6
Density (g/㎥) 1.561 2.361 2.012
Air void (%) 37.6 4.4 20.2

4. 시험결과 및 분석

롤러를 이용하여 직사각형 시편을 제작한 후 상온에서 일주일 동안 충분히 건조를 시켜 포장체 노면을 완전 건조상태로 만들어 미끄럼 저항 시험을 시행하였다. 각각의 시편 당 시험은 최소 10회 이상을 하였고, 이의 평균값과 표준편차를 Table 5에 나타내었다. WC-2의 평균 미끄럼 저항값은 72.0, PA-13은 74.8, WPP는 91.5로 측정되었다. 실험결과는 표면의 골재 노출 정도와 공극에 따라 변화하는 것으로 보인다. 공극률이 작은 WC-2가 가장 작은 미끄럼 저항값을 보였고, 공극률이 가장 큰 WPP 포장이 가장 큰 미끄럼 저항값을 나타냈다. 이는 포장 표면의 골재 노출이 많고 적음에 따라 미끄럼 저항값이 다르게 나타남을 의미한다. Table 4에 제시된 아스팔트 혼합물 골재의 입도 관점에서 보면 WPP는 5-10 mm 골재가 대부분이고, PA-13 역시 5-10 mm가 많이 포함되나 WPP보다는 작게 사용되었다. WC-2의 경우 굵은 골재와 잔골재가 골고루 배합된 상태로 Fig. 4에 나타난 것과 같이 포장체 표면이 상대적으로 매끈한 상태를 나타내기 때문으로 분석된다.
Table 5
Skid Resistance at Dry Condition
Type Average BPN Standard Deviation of BPN
WPP 91.5 1.58
WC-2 72.0 1.76
PA-13 74.8 0.79
Fig. 5
Test at Dry Conditions
kosham-2024-24-2-11gf5.jpg
제작한 실험 시편을 습윤한 상태로 만들기 위해 Fig. 6과 같이 스프레이 분무기를 이용하여 정해진 물의 양을 살포하여 도로 표면이 강우에 젖은 상태를 구현하였다. 습윤한 상태에서의 미끄럼 저항값은 Table 6에 나타내었다. WC-2의 평균 미끄럼 저항값은 41.5, PA-13은 50.5, WPP는 69.7로 측정되었다. 노면이 건조한 상태에 비해 미끄럼 저항값의 감소가 큰 것을 확인하였다. 전체적으로 24%에서 최대 43% 정도 건조한 상태에 비해 습윤한 상태의 미끄럼 저항값이 감소하는 경향을 나타내었다. 특히, WC-2와 PA-13을 비교해 보면, 배수성 포장의 특성이 반영되어 WC-2의 미끄럼 저항 감소에 비해 PA-13의 미끄럼 저항 감소가 상대적으로 작게 나타났다. 이는 배수성 포장의 배수 특성이 일반 밀입도 아스팔트 포장에 비해 상대적으로 좋아서 노면에 물 고임 현상 및 이로 인한 수막현상 등을 저감시켜 일정한 강우에서도 노면의 마찰력을 유지함을 보여준다.
Fig. 6
Wet or Saturated Conditions
kosham-2024-24-2-11gf6.jpg
Table 6
Skid Resistance at Wet Condition
Type Average BPN Standard Deviation of BPN % of Dry Condition
WPP 69.7 0.82 76.2%
WC-2 41.4 1.43 57.5%
PA-13 50.5 0.85 67.5%
블랙아이스가 발생한 도로 포장체 노면을 구현하기 위하여 강수량 5 mm (0.3 m × 0.3 m × 0.005 m)를 모사한 수분을 분무기로 도포 한 후 Fig. 7과 같이 영하 10 oC 챔버에 거치하여 12시간 동결을 진행하였다. 동결 후 시편을 시험대에 거치한 후 미끄럼 저항 시험 직전에 강수량 1 mm에 해당하는 수분을 시편 표면에 분사하여 결빙된 도로포장 표면에 차량 바퀴 접촉 시 접촉 부분에서 발생하는 융해 현상을 모사하였다. 각각의 시편에 대한 실험은 최소 10회 이상 시행하여 평균값을 도출하였다.
Fig. 7
Black Ice Conditions at Laboratory Chamber
kosham-2024-24-2-11gf7.jpg
동결된 상태에서의 미끄럼 저항값을 Table 7에 나타내었다. WC-2의 평균 미끄럼 저항값은 20.1, PA-13은 22.2, WPP는 30.1로 측정되었다. 포장체의 노면 결빙을 모사한 블랙아이스 구현 조건에서의 실험값은 최초 건조된 상태에 비해 67%~72% 정도 미끄럼 저항값이 낮아진 것을 확인하였다. 또한, 습윤한 상태에 비해서 약 50% 정도 미끄럼 저항이 감소하는 경향을 보였다. 동결된 상태의 도로 포장체의 표면 및 노출된 골재가 얇은 얼음막으로 코팅되는 현상으로 골재 표면의 거칠기와 상관없이 미끄러운 표면이 되는 것으로 판단된다. 습윤한 상태에서는 노출된 골재의 표면 거칠기가 상당 부분 미끄럼 저항에 영향을 주는 것으로 분석된다.
Table 7
Skid Resistance at Iced Condition
Type Average BPN Standard Deviation of BPN % of Dry Condition
WPP 30.1 0.57 32.9%
WC-2 20.1 1.41 27.9%
PA-13 22.2 1.09 29.7%
현장에서는 실험실 조건에 비해 아스팔트 포장의 소성변형 및 균열 조건이 심하게 발생한 상태이므로 본 연구에서 측정된 미끄럼 저항값에 비해 조금 더 낮은 미끄럼 저항값을 보여 줄 것으로 예측된다.

5. 결론

겨울철 교통사고의 주요 요인중 하나인 동결 및 블랙아이스로 인한 도로 포장체 표면의 미끄럼 저항 특성을 평가하였고, 제한된 연구조건이지만 다음과 같이 결과를 도출하였다.
  • (1) 건조한 도로 포장체 표면의 미끄럼 저항은 표면의 골재 노출 정도와 공극에 따라 변화하는 것으로 보인다. 공극률이 작은 WC-2가 가장 작은 미끄럼 저항값을 보였고, 공극률이 가장 큰 WPP 포장이 가장 큰 미끄럼 저항값을 나타냈다. 아스팔트 포장체 표면의 골재 노출 정도가 측정된 미끄럼 저항값에 영향을 주는 것으로 판단된다.

  • (2) 습윤한 상태에서의 미끄럼 저항값은 노면이 건조한 상태에 비해 미끄럼 저항값이 크게 작아진 것을 확인하였다. 전체적으로 24%에서 최대 43% 정도 건조한 상태에 비해 습윤한 상태의 미끄럼 저항값이 감소하는 경향을 나타내었다. 도로 표면의 건조, 습윤상태에서 포화상태까지를 모사하여 미끄럼 저항 특성값을 추가로 평가해야할 필요하 있다.

  • (3) 배수성 포장의 특성이 반영되어 WC-2의 미끄럼 저항 감소에 비해 PA-13의 미끄럼 저항 감소가 상대적으로 작게 나타났다. 이는 배수성 포장의 배수 특성이 일반 밀입도 아스팔트 포장에 비해 상대적으로 좋아서 노면에 물고임 현상 및 이로 인한 수막현상 등을 저감 시켜 일정한 강우에서도 노면의 마찰력을 유지함을 보여준다.

  • (4) 포장체의 노면 결빙을 모사한 블랙아이스 구현 조건에서의 실험값은 최초 건조된 상태에 비해 67%~72% 정도 미끄럼 저항값이 낮아졌다. 이는 습윤한 상태에서 추가로 30% 이상 미끄럼 저항값이 작아진 것을 의미하며, 차량 제동거리에 큰 영향을 줄 것으로 판단된다. 습윤한 상태에 비해서 약 30% 이상 미끄럼 저항이 감소하는 경향을 보였다. 동결된 상태의 도로 포장체의 표면 및 노출된 골재가 얇은 얼음막으로 코팅되는 현상으로 골재 표면의 거칠기와 상관없이 미끄러운 표면이 되는 것으로 판단됩니다. 습윤한 상태에서는 노출된 골재의 표면 거칠기가 상당 부분 미끄럼 저항에 영향을 주는 것으로 분석된다.

  • (5) 실제 도로에서의 결빙 및 블랙아이스로 인한 교통사고는 이번 실험을 통해 건조, 습윤, 동결조건에 따른 급격한 미끄럼 저항 감소 효과를 보여준다. 현장에서는 실험실 조건에 비해 아스팔트 포장의 소성변형 및 균열 조건이 심하게 발생한 상태이므로 본 연구에서 측정된 미끄럼 저항값에 비해 조금 더 낮은 미끄럼 저항 값을 보여 줄 것으로 예측된다.

후속연구에서는 겨울철 교통사고와의 연관성 조사를 위해 한국교통공단의 교통사고 통계 자료를 이용하여 블랙아이스 및 겨울철 교통사고 등을 분리하여 분석할 예정이다. 블랙아이스 지수는 기본적으로 도로포장 유지관리에 사용되는 PSI (present serviceability index)와 유사한 행태로 개발할 예정이다. 공학적인 지표로 미끄럼저항 값을 활용하고, 이외에 관련 자료로 지형조건, 포장조건, 기후조건, 차량조건 등을 다중회귀분석을 활용하여 블랙아이스 관리 지수를 제시하고자 한다.

감사의글

본 연구는 에스비비(주) 미끄럼 저항성(블랙아이스 저감) 시험과 국립공주대학교 2023년 연구비지원에 의해 수행되었습니다.

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