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문제 정의
- 그럼에도 불구하고 이러한 문제점과 관련한 연구는 매우 미진한 실정이며,특히 탄성포장재의 재료배합에 관한 연구는 전혀 없는 실정이다. 따라서, 본 연구는 현재 조경공간에 많이 시공되고 있는 탄성포장의 재료 배합비율에 따른 결합력과 탄성변화를 실험을 통해 분석하고, 이를 바탕으로 합리적인 재료 배합비를 제시하는데 목적이 있다.
- 본 연구는 조경공간에 많이 시공되고 있는 조경용 탄성포장의 여러 가지 시공하자 원인 중에서 중요한 요인이라고 판단되는 재료의 배합비율에 따른 속성변화를 연구하는 것으로서 연구의 내용적 범위는 재료의 배합비율 변화에 따른 탄성포장재의 결합력과 탄성 변화를 분석하여 합리적인 재료 배합비를 모색하는 것으로 한정하였다. 한편, 조경용 탄성포장의 두께(T)는 보행전용과 자전거 전용, 보행과 자전거 겸용 등 사용목적에 따라 12mm부터 50mm까지 시공하며, 보행전용은 통상적으로 15mm 두께로 시공한다.
- 본 연구는 현재 조경공간에 많이 시공되고 있는 탄성포장의 재료 배합비율에 따른 결합력과 탄성변화를 실험을 통해 분석하고, 이를 바탕으로 적정한 재료 배합비를 제시하고자 수행하였다.
- 또한, 두께 20mm 이하는 단층으로 시공하고, 20mm 초과는 재활용 고무를 활용한 복층으로 시공한다. 본 연구에서는 보행전용의 두께 15mm 단층 탄성포장을 연구대상으로 하였으며, 구체적인 내용은 탄성포장재의 실험시료를 제작하고, 인장강도와 경도 및 반발탄성 등 속성을 실험하여 재료 배합비율과 속성간의 상관관계를 통계 분석한 후, 탄성포장재의 합리적인 재료 배합비를 제시하는 것이다.
- 실험설계의 기본조건은 실험변수의 조작과 외생변수의 통제이다. 즉, 연구의 초점이 되는 현상의 원인이 되는 변수를 실험자가 인위적으로 변화시키는 것과 연구의 대상이 되는 현상과 관련된 실험변수와 결과변수 이외의 기타 변수로서,결과변수에 영향을 미칠 수 있는 변수들을 통제하는 것이다.(김기도와 김희택,2007:18)
- 한편, 본 연구는 연구범위에서 밝힌 바와 같이 탄성포장재의 결합력과 탄성력을 실험을 통해 분석하고자 한다. 그러나 현재 탄성포장재의 결합력 즉, 시공 후 재료분리와 박리현상을 종합적으로 실험하는 방법은 마련되어 있지 못하므로 결합력 분석은 결합력에 가장 영향을 미칠 것으로 판단되는 인장강도와 경도 시험으로 시행하였으며, 탄성분석은 반발탄성 시험으로 시행하였다.
제안 방법
- 경도시험은 경도의 측정원리,측정범위,시험기의 종류에 따라 정하중식, 스프링식 등 여러 가지 시험방법이 있으며,본 시험은 합성고무이므로 스프링식(듀로미터 경도), 저경도용(A20 이하), 타입 E듀로미터를 적용하여 시험하였다.
- 교반된 재료를 시료 틀에 투입하여 충진하고 틀의 모양에 맞게 성형한 후, 그늘진 곳에서 양생 후 시료 틀을 제거하였다.
- 한편, 본 연구는 연구범위에서 밝힌 바와 같이 탄성포장재의 결합력과 탄성력을 실험을 통해 분석하고자 한다. 그러나 현재 탄성포장재의 결합력 즉, 시공 후 재료분리와 박리현상을 종합적으로 실험하는 방법은 마련되어 있지 못하므로 결합력 분석은 결합력에 가장 영향을 미칠 것으로 판단되는 인장강도와 경도 시험으로 시행하였으며, 탄성분석은 반발탄성 시험으로 시행하였다.
- 건설교통부(2007)는 친환경 4S포장 시스템의 재료의 특성을 검증하고, 현장 시험시공을 진행하여 공법 기술적 타당성을 검토하였으며,시험시공에서 단면설계, 시공 기법 및 장비의 선정과 시공 중 교통 통제 처리방안을 제시하고, 신공법 유지 관리 방안을 선정하여 투수기능의 확보방안을 제시하였다. 또한 평가 모델을 개발 연구하여 친환경 4S포장 시스템의 경제성을 분석 제시하였다.
- 미리 중량을 계측하여 준비한 고무칩 535g(비닐주머니 포함 시 536.6g)을 바인더가 들어 있는 그릇에 투입하고, 고무칩과 바인더가 잘 섞이도록 손으로 세밀하게 교반하였다.
- 보행을 위한 조경용 탄성포장은 통상적으로 15mm의 두께로 시공하므로 15mm 탄성포장을 실험대상으로 하며, 합성고무칩에 혼합하는 폴리우레탄 바인더의 양을 달리하여 7가지 배합비율에 따른 실험시료를 제작하여 실험을 수행하였다.
- 본 연구는 재료 배합비율이 변화함에 따른 탄성포장재의 속성변화 즉, 결합력과 탄성의 변화를 분석하는 것으로써 실험설계의 기본조건에 맞추어 실험대상과 실험변수 및 실험횟수를 설정하였다.
- 첫째, 선행연구 검토를 통해 관련연구 동향을 분석하고, 둘째, 실험의 방법과 실험변수, 실험횟수 등을 설정하는 실험설계를 한 후 실험시료를 제작한다. 셋째, 제작된 시료를 공인시험기관에 의뢰하여 시험을 실시한다. 넷째, 실험결과를 통계 처리하여 변수 간의 상관관계를 분석한다.
- 시료를 배합할 그릇(볼)과 디지털 저울 그리고 고무칩을 담아서 계량할 비닐봉지와 배합그릇에 폴리우레탄 바인드량을 정확하게 주입하기 위한 주사기 등을 준비하고, 시료를 배합할 그릇의 중량 차이에 따른 오차를 제어하기 위해 그릇중량을 먼저 계측하였다.
- 시료를 성형하는 틀은 그림 13에서 보는 바와 같이 내부 치수가 200×200×15mm가 되도록 아크릴로 제작하였다.
- 실험시료의 바인더 배합비율의 범위는 T-15mm의 보행용 탄성포장에서 현재 경험적으로 시공되고 있는 바인더의 평균배합비가 합성고무칩 무게의 20% 내․외임을 감안하여 20%를 기준으로 하위 2% 씩 3단계, 상위 2%씩 3단계 즉, 14%, 16%, 18%, 20%, 22%, 24%, 26%의 7단계의 변화를 주어 각각의 시료에 대한 실험을 수행하였다.
- 실험은 공인시험기관인 「한국화학시험연구원」에 의뢰하여 한국산업표준에 의한 시험방법으로 수행하며, KS표준시험을 3번 시행하여 분석하였다. 따라서 3번에 걸쳐 시료를 각각 7개씩 총 21개의 시료를 제작하여 실험을 시행하였다.
- 실험종류는 결합력 변화를 추정하기 위해 인장강도 실험과 경도 시험을 실시하고, 탄성변화를 추정하기 위해 반발탄성 시험을 실시하는 것으로서, 합성고무칩에 대한 접착제인 폴리우레탄 바인더의 무게 배합비율 (14%, 16%, 18%, 20%, 22%, 24%, 26%)이 독립변수가 되며, 인장강도, 경도, 반발탄성의 실험결과가 종속변수가 된다.
- 재료 배합비율에 따른 바인더의 계량은 표 3과 같으며, 배합 그릇에 액체 바인더를 주사기로 중량을 계측하면서 주입하였다.
- 철봉의 지침을 눈금판의 눈금 100의 위치에 맞추어 이 위치에서 자유롭게 떨어뜨려 반발할 때의 높이 눈금을 측정한다. 이 조작을 반복하여 4회째 타격 시 반발 높이를 읽고, 이 반발 높이의 수치를 반발탄성(%)의 평균값으로 나타낸다.
- 첫째, 선행연구 검토를 통해 관련연구 동향을 분석하고, 둘째, 실험의 방법과 실험변수, 실험횟수 등을 설정하는 실험설계를 한 후 실험시료를 제작한다. 셋째, 제작된 시료를 공인시험기관에 의뢰하여 시험을 실시한다.
대상 데이터
- 시험기는 그림 5와 같이 4가닥 실에 의해 수평으로 매달린 철봉과 눈금판 그리고 시험편 고정부분으로 구성되며, 철봉의 현수 높이는 2,000mm,낙하높이는 수직 방향으로 100mm로 한다.눈금판은 수평길이 625mm,원호의 반지름 2,000mm로 한 것이다.
- 실험은 공인시험기관인 「한국화학시험연구원」에 의뢰하여 한국산업표준에 의한 시험방법으로 수행하며, KS표준시험을 3번 시행하여 분석하였다. 따라서 3번에 걸쳐 시료를 각각 7개씩 총 21개의 시료를 제작하여 실험을 시행하였다.
- 본 실험에 사용된 재료는 2～4mm의 크기로 파쇄된 합성고무 칩(S사, 2009)과 접착제인 폴리우레탄 바인더 (H정밀화학, 2009)의 2가지 재료로써 현재 국내에서 생산되어 상용화되고 있는 제품을 선택하였다.
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① 시험장치
시험기는 KSB5521에 따라 시험기는 그림 1과 같이 최대 인장력을 지시하는 장치를 갖추고,아령형 시험편을 자동적으로 죄는 물림구와 시험편을 잡아당기는 장치를 갖춘 것으로 한다.
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① 시험장치
시험기는 그림 4와 같이 시험편 표면을 가압하는 가압면과 스프링에 의해 튀어나와 있는 압침 그리고 압침이 고무면에 따라 다시 눌려지는 거리 즉, 누름 깊이를 경도로 나타내는 눈금으로 구성된다.
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① 시험장치
시험기는 그림 5와 같이 4가닥 실에 의해 수평으로 매달린 철봉과 눈금판 그리고 시험편 고정부분으로 구성되며, 철봉의 현수 높이는 2,000mm,낙하높이는 수직 방향으로 100mm로 한다.눈금판은 수평길이 625mm,원호의 반지름 2,000mm로 한 것이다.
- 시험편은 두께 12.37±0.13mm, 지름 약 29mm의 원기둥형으로 한다.
- 시험편의 채취는 그림 2와 같이 KSM 6782의 5.4규정에 따르고 고무의 결방향과 평행하게 채취하며, 시험편의 수는 3개 이상으로 한다.
- 실험시료의 제작과 실험은 1차로 2009년 6월에 A-1～A-7의 7개 시료와 B-1～B-7의 7개 시료 합계 14개 시료를 제작하고 시험을 의뢰하여 2009년 7월 시험성적서를 받았으며, 2차로 2009년 8월에 C-1～C-7의 7개 시료를 제작하고 시험을 의뢰하여 2009년 9월 시험성적서를 받았다.
- 실험시료의 크기는 200×200×15mm로 제작하였으며,재료배합비율에 의한 시료별 합성고무칩과 바인더의 중량은 표 2와 같다.
- 인장강도 시험을 위한 시험편의 종류는 아령 1호형부터 7호형의 7가지와 고리 1호 고리 2호 등 9가지 종류가 있으며, 본시험에 적용한 시험편은 아령형 1호로서 모양과 치수는 그림 1 및 표 1과 같다.
데이터처리
- 셋째, 제작된 시료를 공인시험기관에 의뢰하여 시험을 실시한다. 넷째, 실험결과를 통계 처리하여 변수 간의 상관관계를 분석한다. 다섯째, 탄성포장의 합리적인 재료 배합비를 제시한다.
이론/모형
- M 6004의 기준에 따른 인장강도와 경도시험은 KSM 표준시험방법으로서 가황고무의 인장시험 방법(KSM 6782),가황고무 및 열가소성 고무의 경도시험 방법(KSM 6784)을 적용하였으며, 반발탄성 시험은 M 6004에 명시되어 있지 않으므로 가장 적합한 가황고무 물리시험 방법(KSM 6578)에 의거하여 시행하였다.
- 현재 재생고무블록에 대한 품질기준(KSM 6951)과 인장강도 시험에 대한 기준(KSM 6782)은 조경공사표준시방서에 명시되어 있으나, 현장에서 배합․시공하는 탄성포장에 대한 품질기준과 시험방법에 대한 규정은 아직 마련되어 있지 못하므로 본 연구에서는 가장 유사한 내용의 품질기준인 재활용고무 어린이 놀이터 바닥재(M 6004)의 기준에 따라 시험을 실시하였다.
성능/효과
- 전술한 바와 같이 인장강도를 고려할 때 바인더의 배합비는 20% 정도가 적정 수준이며, 반발탄성을 고려하면 22% 이하로 배합하는 것이 적당하다고 판단된다. 따라서, 본 연구결과에 따른 바인더의 적정 배합비는 20～22% 사이로 판단되며, 20%보다 낮을 경우 반발탄성은 좋으나 인장강도가 낮아 재료 간의 결합력이 낮아질 수 있으며, 22%보다 높을 경우 바인더의 소요량이 많아져 공사비가 증가하는데 반해 인장강도는 그리 높아지지 않으며, 반발탄성이 낮아져 보행 촉감이 저하될 수 있다.
- 바인더 배합비에 따라 반발탄성이 감소하나 일정한 비율로 감소하지는 않으며, 배합비 22%를 기점으로 반발탄성이 급격하게 감소하는 것을 알 수 있다. 따라서 반발탄성만을 생각할 경우에는 22% 이하로 배합하는 것이 적당하다고 판단된다.
- 바인더 배합비에 따라 인장강도가 증가하나, 일정한 비율로 증가하지는 않으며,배합비 20%를 기점으로 인장강도가 오히려 감소하거나 증가율이 둔화되는 것을 알 수 있다. 따라서 인장강도 만을 생각할 경우에는 20% 정도를 적정 배합수준이라고 할 수 있으며, 이보다 배합비를 높이더라도 인장강도가 효과적으로 증가하지는 않을 것으로 판단된다.
- 반발탄성 실험결과,시료 A와 시료 B가 바인더 배합비율과 반발탄성 간에 강한 음의 상관관계가 있는 것으로 나타났다. 따라서 이 유의한 두 가지 시료의 실험결과를 가지고 산점도를 그려보면 그림 18과 같다.
- 실험결과를 보면, 인장강도의 증가가 둔화되는 바인더의 배합비율은 20%이며, 이보다 배합비율을 높이더라도 인장강도가 크게 증가하지는 않을 것으로 판단된다. 한편,반발탄성이 급격하게 감소하는 바인더의 배합비율은 22%이므로 적정 배합비는 20～22% 사이로 판단된다.
- 실험결과를 볼 때 바인더의 배합비율이 늘어남에 따라 경도의 변화가 뚜렷한 경향치를 보이지 않았으며, A, B, C시료 모두 배합비율이 늘어남에도 오히려 경도가 낮게 나타나는 경우가 많아 상관관계가 드러나 보이지 않는다.
- 실험결과를 볼 때 바인더의 배합비율이 늘어남에 따라 반발탄성이 낮아지는 경향을 보였으나, 시료 C의 경우에는 바인더의 배합비율이 늘어남에도 오히려 반발탄성이 높게 나타나는 경우도 있었다.
- 실험결과를 볼 때 바인더의 배합비율이 늘어남에 따라 인장강도가 높아지는 경향을 보였으나,시료 A의 경우에는 바인더의 배합비율이 늘어남에도 오히려 인장강도가 낮게 나타나는 경우도 있었다.
- 표 7에서 보는 바와 같이 시료 시료 A,시료 B,시료 C모두 바인더 배합비율과 경도 간에 통계적으로 상관관계가 없는 것으로 나타났다. 이러한 결과를 볼 때, 탄성포장재의 경도는 고무칩을 결합하는 재료인 바인더의 함량에 따라 달라지지는 않는 것으로 판단된다.
- 이상 기존의 연구들을 고찰해 본 결과, 조경용 투수포장, 평가, 개선방안, 콘크리트 포장에 대한 기초 연구들이 이루어져 왔지만, 탄성포장에 대한 구체적인 속성을 밝히는 연구는 전무한 것으로 조사되었다.따라서, 본 연구를 수행함에 있어 연구 결과를 선행연구와 비교 검토하기는 어려울 것으로 판단되며, 탄성포장재의 인장강도, 탄성 등의 속성과 재료배합 간의 관계를 밝히는 기초연구가 필요하다고 판단된다.
- 인장강도 실험결과 시료 B와 시료 C가 바인더 배합비율과 인장강도 간에 강한 양의 상관관계가 있는 것으로 나타났다. 따라서 이 유의한 두 가지 시료의 실험결과를 가지고 산점도를 그려보면 그림 17과 같다.
- 전술한 바와 같이 인장강도를 고려할 때 바인더의 배합비는 20% 정도가 적정 수준이며, 반발탄성을 고려하면 22% 이하로 배합하는 것이 적당하다고 판단된다. 따라서, 본 연구결과에 따른 바인더의 적정 배합비는 20～22% 사이로 판단되며, 20%보다 낮을 경우 반발탄성은 좋으나 인장강도가 낮아 재료 간의 결합력이 낮아질 수 있으며, 22%보다 높을 경우 바인더의 소요량이 많아져 공사비가 증가하는데 반해 인장강도는 그리 높아지지 않으며, 반발탄성이 낮아져 보행 촉감이 저하될 수 있다.
- 표 5에서 보는 바와 같이 시료 A는 바인더 배합비율과 인장강도 간에 통계적으로 상관관계가 없는 것으로 나타났으며, 시료 B, 시료 C는 바인더 배합비율과 인장강도 간에 양의 상관관계가 있는 것으로 나타났다. 상관계수는 유의수준 0.
- 표에서 보는 바와 같이 시료 C는 바인더 배합비율과 반발탄성 간에 통계적으로 상관관계가 없는 것으로 나타났으며, 바인더 배합비율과 시료 A, 바인더 배합비율과 시료 B는 배합비율과 반발탄성 간에 음의 상관관계가 있는 것으로 나타났다. 상관계수는 유의수준 0.
후속연구
- 이상 기존의 연구들을 고찰해 본 결과, 조경용 투수포장, 평가, 개선방안, 콘크리트 포장에 대한 기초 연구들이 이루어져 왔지만, 탄성포장에 대한 구체적인 속성을 밝히는 연구는 전무한 것으로 조사되었다.따라서, 본 연구를 수행함에 있어 연구 결과를 선행연구와 비교 검토하기는 어려울 것으로 판단되며, 탄성포장재의 인장강도, 탄성 등의 속성과 재료배합 간의 관계를 밝히는 기초연구가 필요하다고 판단된다.
- 또한 광장과 보행로, 산책로 등 조경시공에서 포장이 차지하는 비중이 매우 크므로 탄성포장을 비롯한 각종 조경포장재의 구체적인 속성을 밝히는 연구가 지속적으로 이루어져야 할 것이다.
- 일반적으로 탄성포장은 공장에서 생산되는 재생고무블록을 포설하는 고무블록포장과는 달리 탄성소재인 합성고무칩(EPDM Chip)에 접착제인 폴리우레탄 바인더(PolyurethaneBinder)를 현장에서 혼합하여 포설하는 포장으로써 고무블록포장보다 탄성이 강하여 보행자의 발이 포장에 닿는 만족감이 매우 높다. 또한 다양한 칼라와 디자인을 연출할 수 있어 주위환경과도 잘 어울리며 미관상 우수하여,앞으로 조경용 탄성포장에 대한 수요는 지속적으로 증가할 것으로 예상된다.
- 본 연구의 결과는 조경용 탄성포장의 시공 시 탄성과 안정성을 제고하는 재료배합의 지침을 제공할 수 있으며, 이를 통해 시공 시 시행착오를 예방하고 시공 후 결합력 부족으로 표면이박리되거나 탄성이 낮아져 보행감각이 현저히 저하되는 하자를 저감하는데 기여할 수 있을 것이다.
- 연구과정 중 시료제작 시 수작업으로 인해 배합의 정밀성을 유지하는 데 다소의 제약이 있으며, 본 연구결과는 7가지 배합 비율 별로 3개 씩 총 21개의 시료만을 대상으로 한 실험 결과이므로 실험결과의 신뢰도를 높이기 위해서는 보다 많은 시료의 실험이 요구된다.
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