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문제 정의
- 따라서 본 연구에서는 폐목재를 공원 산책로 및 관광지 등의 보도에 활용할 목적으로 건설폐목재 또는 임목폐기물을 분쇄한 폐목재 칩을 우레탄 수지로 결합시킨 포장재의 재료 특성을 검토하고 또 보행자가 버린 담배 등에 의한 인화의 가능성 등을 알아보기 위하여 포장재의 인장강도, 탄력성, 투수계수 및 가연성 시험을 실시하였다.
- 또한 포장재 위에 불을 붙인 담배를 놓아두고 담배가 모두 타버릴 때까지의 연소상태를 관찰함으로써 보행자가 실수로 버린 담뱃불에 의한 목질계 포장재의 연소 가능성을 확인하였다. 이때 무풍상태와 담배가 이동하지 않을 정도의 풍속인 1.
- 야외에서 보행자가 버린 담뱃불 또는 취사 행위 등과 같은 상황이 발생하였을 때 목질계 포장재의 연소 가능성에 대한 우려가 있기 때문에 이를 확인하기 위하여 실제 상황을 가정한 가연성 실험으로 가스 토치에 의한 불로 연소되는 정도 및 담뱃불에 의한 화재 발생 가능성을 확인하였다.
제안 방법
- KS F 2494『투수성 포장체의 현장 투수시험 방법』에 준하여 그림 3의 시험기구를 이용해서 폐목재를 활용한 목질계 포장재의 투수성 시험을 동일 조건에서 위치를 변경하여 2회씩 실시하였으며, 시험직전 시험기구의 밑면 가장자리와 포장재 사이를 실리콘에 의해 접착시켜 접착면에서의 횡방향 누수를 방지하였다.
- 가연성 시험은 가스 토치 및 담뱃불에 의해 실시하였다. 가스 토치를 사용한 가연성 시험은 그림 5에 나타낸 바와 같이 길이 110mm, 최고온도 1300℃의 가스 토치를 사용하여 50mm의 높이에서 각각 30초, 60초 및 90초 동안 포장재를 연소시켰을 때 가스 토치 제거 후 포장재에 붙은 불이 완전히 소화되기까지의 소요시간 및 포장재의 연소된 부분의 직경과 깊이를 측정하였으며 동일 조건에서 2회씩 실험하였다. 이 때 연소된 부분을 철 솔로 문질러 제거하였으며 연소 부분의 직경은 서로 직교하는 거리의 평균값으로 하고 연소 깊이는 연소시킨 중심부에서 측정한 값으로 하였다.
- 가연성 시험은 가스 토치 및 담뱃불에 의해 실시하였다. 가스 토치를 사용한 가연성 시험은 그림 5에 나타낸 바와 같이 길이 110mm, 최고온도 1300℃의 가스 토치를 사용하여 50mm의 높이에서 각각 30초, 60초 및 90초 동안 포장재를 연소시켰을 때 가스 토치 제거 후 포장재에 붙은 불이 완전히 소화되기까지의 소요시간 및 포장재의 연소된 부분의 직경과 깊이를 측정하였으며 동일 조건에서 2회씩 실험하였다.
- 건설폐목재 칩 및 임목폐기물 칩에 대한 우레탄 수지의 질량비를 1:0.5, 1:0.75, 1:1의 3수준으로 정하고 그림 1에 나타낸 바와 같이 18L 용량의 강제식 믹서에 6~8L의 폐목재 칩과 우레탄 수지를 넣고 5분 동안 저속으로 혼합하였으며, 이때 폐목재 칩과 우레탄 수지를 1/2씩 넣음으로써 혼합이 원활이 이루어지도록 하였다. 그리고 폭 410mm, 길이 670mm, 높이 40mm 크기의 철제 용기에 비닐을 깔고 그 속에 혼합된 시료를 넣은 다음 그 위에 두께 4.
- 한편 보도 포장재는 눈이나 비 등에 의해 수분과 접하는 기회가 많은 환경에서 사용되기 때문에 수분이 있는 가운데에서도 안정성을 나타내야 한다. 그래서 목질계 포장재의 수분에 의한 안정성을 확인하기 위하여 수중에서 24시간 동안 침수시킨 시험체의 인장강도 시험을 실시하였으며, 그림 10은 건설폐목재 칩 및 임목폐기물 칩에 대한 우레탄 수지의 질량비에 따른 침수전의 인장강도에 대한 침수 후의 인장강도의 비를 나타낸 것이다. 이 그림에서 폐목재 칩에 대한 우레탄 수지의 질량비가 0.
- 75, 1:1의 3수준으로 정하고 그림 1에 나타낸 바와 같이 18L 용량의 강제식 믹서에 6~8L의 폐목재 칩과 우레탄 수지를 넣고 5분 동안 저속으로 혼합하였으며, 이때 폐목재 칩과 우레탄 수지를 1/2씩 넣음으로써 혼합이 원활이 이루어지도록 하였다. 그리고 폭 410mm, 길이 670mm, 높이 40mm 크기의 철제 용기에 비닐을 깔고 그 속에 혼합된 시료를 넣은 다음 그 위에 두께 4.5mm의 철판을 두고 무게 205kg의 다짐추로 5분간 가압하여 포장재를 성형하였으며 24시간 후 성형 틀에서 분리하였다. 다짐추로 가압한 후에 포장재의 두께는 건설폐목재를 사용한 경우 약 30mm이고 임목폐기물을 사용한 경우는 약 25mm로서 임목폐기물을 사용한 경우가 건설폐목재를 사용한 경우에 비하여 보다 높은 압축성을 나타냈다.
- 예비실험을 통하여 본 연구에 사용된 우레탄 수지는 완전히 경화하는데까지 1주일 정도가 소요되는 것으로 확인되었다. 따라서 재령 7일에 인장강도 시험을 실시하는 것을 기본으로 하였으며 비교를 위하여 재령 14일 및 재령 28일의 강도시험을 실시하였다. 또한 침수에 의한 영향을 검토하기 위하여 시험체를 24시간 동안 수중에 침수시킨 후의 인장강도 시험을 병행하였다.
- 또한 담뱃불을 사용한 가연성 시험은 보도에서 발생할 수 있는 담뱃불에 의한 목질계 포장체의 연소 가능성을 검토하기 위한 것으로 바람이 전혀 불지 않는 조건과 아울러 그림 6과 같이 선풍기를 시험체에서 1m 거리에 두고 풍속 1.0m/s로 작동시켰을 때의 조건에서 실시하였다.
- 따라서 재령 7일에 인장강도 시험을 실시하는 것을 기본으로 하였으며 비교를 위하여 재령 14일 및 재령 28일의 강도시험을 실시하였다. 또한 침수에 의한 영향을 검토하기 위하여 시험체를 24시간 동안 수중에 침수시킨 후의 인장강도 시험을 병행하였다.
- 탄력성은 일본도로협회의 포장시험법 편람(1996)에 제시된 GB계수시험과 SB계수시험으로 평가하였다. 시험은 폐목재를 활용한 목질계 포장재 위쪽 100cm의 높이에서 골프공(GB) 및 지름 25.4mm, 질량 66.7g의 스틸볼(SB)을 각각 3번씩 낙하시켰을 때 볼이 튀어 오르는 높이(cm)를 측정하고 그 백분율로 나타낸 값을 GB계수 및 SB계수라고 하였다. 그림 4는 골프공과 스틸볼이 최고 정점 높이에 있을 때의 장면으로 캠코더 촬영을 통해 0.
- 가스 토치를 사용한 가연성 시험은 그림 5에 나타낸 바와 같이 길이 110mm, 최고온도 1300℃의 가스 토치를 사용하여 50mm의 높이에서 각각 30초, 60초 및 90초 동안 포장재를 연소시켰을 때 가스 토치 제거 후 포장재에 붙은 불이 완전히 소화되기까지의 소요시간 및 포장재의 연소된 부분의 직경과 깊이를 측정하였으며 동일 조건에서 2회씩 실험하였다. 이 때 연소된 부분을 철 솔로 문질러 제거하였으며 연소 부분의 직경은 서로 직교하는 거리의 평균값으로 하고 연소 깊이는 연소시킨 중심부에서 측정한 값으로 하였다.
- 또한 포장재 위에 불을 붙인 담배를 놓아두고 담배가 모두 타버릴 때까지의 연소상태를 관찰함으로써 보행자가 실수로 버린 담뱃불에 의한 목질계 포장재의 연소 가능성을 확인하였다. 이때 무풍상태와 담배가 이동하지 않을 정도의 풍속인 1.0ｍ/sec 정도의 약한 풍속의 두 가지 조건으로 시험하였다. 담배는 무풍상태에서 약 10분 정도, 그리고 1.
- 다짐추로 가압한 후에 포장재의 두께는 건설폐목재를 사용한 경우 약 30mm이고 임목폐기물을 사용한 경우는 약 25mm로서 임목폐기물을 사용한 경우가 건설폐목재를 사용한 경우에 비하여 보다 높은 압축성을 나타냈다. 이와 같이 제작한 목질계 포장재를 실내에서 7일 동안 보관한 후 각종 물성시험을 실시하였다.
- 인장강도 시험은 국외의 실험 예(森田 등, 2007a)에 준한 방법을 사용하였으며, 폐목재를 활용한 목질계 포장재를 폭 35mm, 길이 330mm의 크기로 원형 톱에 의해 절단하여 시험체를 동일 조건에서 3개씩 제작하고 UTM에 의해 최대인장력 1ton으로 스케일을 조정한 후 그립의 간격을 150mm로 하여 인장강도 시험을 실시하였다(그림 2). 예비실험을 통하여 본 연구에 사용된 우레탄 수지는 완전히 경화하는데까지 1주일 정도가 소요되는 것으로 확인되었다.
대상 데이터
- 바인더는 국내 K사에서 개발한 것으로 폴리우레탄 프리폴리머, Free MDI, Xylene 등으로 구성된 1액 상온 습기 경화형의 개량 우레탄 수지(PANDEX TP-1190)를 사용하였다. 개량 우레탄 수지는 담황색 투명 액상 상태이며 25℃에서점도 및 밀도는 각각 900~1,500cps 및 1.
- 폐목재 칩은 건설현장에서 수거된 폐목재를 분쇄한 것과 벌목 시에 발생된 나무뿌리를 포함한 임목폐기물을 분쇄한 것으로 그 길이는 5~50mm 정도이었으며, 임목폐기물의 경우에는 3mm 체로 쳐서 나무의 뿌리 부분에 붙어 있는 흙을 제거한 것 및 이것을 다시 물로 세척하여 건조로에서 60℃로 12시간 동안 건조시킨 것을 실험에 사용하였다.
이론/모형
- 탄력성은 일본도로협회의 포장시험법 편람(1996)에 제시된 GB계수시험과 SB계수시험으로 평가하였다. 시험은 폐목재를 활용한 목질계 포장재 위쪽 100cm의 높이에서 골프공(GB) 및 지름 25.
성능/효과
- 1. 폐목재 칩에 대한 우레탄 수지의 사용 비 0.5∼1.0의 범위에서 공기중 건조상태에서의 시험체의 인장강도는 0.2∼1.1MPa의 범위를 나타냈다.
- 2. 침수시켰을 때 모든 시험체는 인장강도가 저하되었으며 그 강도저하는 우레탄 수지의 사용량이 적을수록 크게 나타났다. 따라서 목질계 포장재는 강우 등에 의한 수분 침투를 고려하여 폐목재 칩에 대한 수지의 질량비를 0.
- 3. 폐목재 칩에 대한 우레탄 수지의 사용 비 0.5∼1.0의 범위에서 건설폐목재와 임목폐기물을 사용한 경우 투수계수는 0.5~0.8mm/sec 정도로서 모든 시험값은 투수성 포장체의 시공 후 요구되는 일반적인 기준값인 0.1mm/sec를 상회하는 양호한 결과를 나타냈다.
- 4. 폐목재 칩에 대한 우레탄 수지의 사용 비율의 증가에 따라 GB계수와 SB계수는 증가하는 경향을 나타냈으나 모든 목질계 시험체는 GB계수와 SB계수가 20% 이하로서 보도용 포장재로서 우수한 탄성을 나타낸 것으로 평가된다.
- 5. 가스 토치 및 담뱃불에 의한 가연성 실험결과, 가스 토치를 사용한 경우 포장재는 가연성을 나타내지만 화력이 제거되면 더 이상 연소되지 않고 서서히 불이 꺼지며, 특히 담뱃불 정도로는 연소되지 않기 때문에 폐목재 칩을 우레탄 수지로 결합시킨 목질계 포장재는 가연성 측면에서 실용적으로 문제가 되지는 않을 것으로 판단된다. 다만 매우 가혹한 조건에서의 내화특성에 대해서는 별도의 추가 실험에 의해 평가할 필요가 있다.
- GB계수는 건설폐목재 칩을 사용한 경우 16~18%정도이었고 임목폐기물 칩을 사용한 경우는 9~17%정도이었다. SB계수는 건설폐목재 칩을 사용한 경우 11~13%의 범위이고 임목폐기물 칩을 사용한 경우는 7~15%로서 우레탄 수지의 사용량 증가에 따라 그 값이 증가하는 경향을 나타냈다. 이러한 측정값은 고무 칩, 콘크리트 및 아스팔트 포장에서의 GB계수와 SB계수의 측정값과 비교할 때 상대적으로 낮은 값이었다.
- 그림 11과 그림 12는 우레탄 수지/폐목재 질량비에 따라서 시험체의 각각 7일, 14일, 28일 재령의 인장강도 시험결과를 정리한 것이다. 건설폐기물 칩 또는 임목폐기물 칩을 사용한 경우 모두 인장장도 시험결과에 있어서 재령에 따른 강도 증가는 거의 나타나지 않았다. 따라서 본 실험에 사용한 습기 경화형의 개량 우레탄 수지를 사용한 목질계 포장재의 재령 7일 이후의 강도 변화는 없다고 보아도 좋을 것으로 판단된다.
- 건설폐목재 칩과 임목폐기물 칩을 사용한 경우 모두 우레탄 수지의 비율이 높아질수록 인장강도가 비례적으로 증가하였다. 건설폐목재 칩과 임목폐기물 칩에 대한 우레탄 수지의 비율이 1.0일 때 인장강도는 각각 0.8MPa 및 1.1MPa 정도로서 건설폐목재 칩보다는 임목폐기물을 사용한 경우에보다 크게 나타났는데 이러한 결과는 시험체를 제작할 때 가압과정에서 임목폐기물 칩을 사용한 경우가 보여준 높은 압축성과 관련이 깊은 것으로 판단된다.
- 그림 9는 건설폐목재 칩 및 임목폐기물 칩에 대한 우레탄 수지의 질량비에 따른 인장강도 시험결과를 함께 나타낸 것이다. 건설폐목재 칩과 임목폐기물 칩을 사용한 경우 모두 우레탄 수지의 비율이 높아질수록 인장강도가 비례적으로 증가하였다. 건설폐목재 칩과 임목폐기물 칩에 대한 우레탄 수지의 비율이 1.
- 1MPa의 범위를 나타냈다. 그리고 건설폐목재 칩을 사용한 경우에 비하여 임목폐기물을 사용한 경우의 인장강도가 상대적으로 크게 나타났는데 이는 임목폐기물을 사용한 포장재의 제조과정 중에 나타난 높은 압축성에 기인한 것으로 판단된다.
- 건설폐기물 칩 또는 임목폐기물 칩을 사용한 경우 모두 인장장도 시험결과에 있어서 재령에 따른 강도 증가는 거의 나타나지 않았다. 따라서 본 실험에 사용한 습기 경화형의 개량 우레탄 수지를 사용한 목질계 포장재의 재령 7일 이후의 강도 변화는 없다고 보아도 좋을 것으로 판단된다.
- 05g/cm3을 나타낸다. 또한 이 수지는 다른 우레탄 수지에 비하여 프라이머 도포가 불필요하고 목재 칩의 접착이 강하여 장기에 걸쳐 탄력성이 유지되는 특성을 가지는 것으로 평가된다.
- 인장강도 시험은 국외의 실험 예(森田 등, 2007a)에 준한 방법을 사용하였으며, 폐목재를 활용한 목질계 포장재를 폭 35mm, 길이 330mm의 크기로 원형 톱에 의해 절단하여 시험체를 동일 조건에서 3개씩 제작하고 UTM에 의해 최대인장력 1ton으로 스케일을 조정한 후 그립의 간격을 150mm로 하여 인장강도 시험을 실시하였다(그림 2). 예비실험을 통하여 본 연구에 사용된 우레탄 수지는 완전히 경화하는데까지 1주일 정도가 소요되는 것으로 확인되었다. 따라서 재령 7일에 인장강도 시험을 실시하는 것을 기본으로 하였으며 비교를 위하여 재령 14일 및 재령 28일의 강도시험을 실시하였다.
- 그림 17은 건설폐목재 칩 및 임목폐기물 칩에 대한 우레탄 수지의 질량비에 따라서 GB계수에 대한 SB계수의 비의 관계로 나타낸 것이다. 우레탄 수지의 사용 비에 따라 건설 폐목재를 사용한 경우와 임목폐기물을 사용한 경우는 0.7~0.9 정도의 범위로 건설폐목재 칩보다는 임목페기물 칩을 사용한 경우 다소 높은 값을 나타냈다. GB계수와 SB계수의 값이 둘 다 작으면 작을수록 몸에 대한 부담이 적으며 GB계수에 대한 SB계수의 비는 그 값이 클수록 보행하는데 편안함을 느낄 수 있다고 한다(森田 등, 2007b).
- 그래서 목질계 포장재의 수분에 의한 안정성을 확인하기 위하여 수중에서 24시간 동안 침수시킨 시험체의 인장강도 시험을 실시하였으며, 그림 10은 건설폐목재 칩 및 임목폐기물 칩에 대한 우레탄 수지의 질량비에 따른 침수전의 인장강도에 대한 침수 후의 인장강도의 비를 나타낸 것이다. 이 그림에서 폐목재 칩에 대한 우레탄 수지의 질량비가 0.75 이상일 때 침수후의 인장강도는 침수전의 인장강도와 비교하여 임목폐기물 칩을 사용한 경우는 15% 정도, 건설폐기물 칩을 사용한 경우는 30% 정도 낮게 나타났으며, 우레탄 수지의 사용 비율이 0.75 미만으로 적은 경우의 침수에 따른 강도저하는 보다 크게 나타났다. 이와 같이 수분이 있을 때 우레탄 수지의 사용량이 적은 경우 강도저하가 크게 나타나기 때문에 우레탄 수지의 사용량은 폐목재 칩에 대한 우레탄 수지의 질량비가 0.
- 이상의 가연성 시험결과를 종합해 볼 때 목질계 포장재가 강한 화력에 직접 노출되는 경우 가연성을 나타내지만 화력이 제거되면 더 이상 연소되지 않고 서서히 불이 꺼지며 특히 담뱃불 정도로는 연소되지 않기 때문에 폐목재 칩을 우레탄 수지로 결합시킨 목질계 포장재는 가연성 측면에서 실용적으로 문제가 없는 것으로 판단된다. 다만 매우 가혹한 조건에서의 내화특성에 대해서는 별도의 추가 실험에 의해 평가할 필요가 있다고 생각된다.
후속연구
- 가스 토치 및 담뱃불에 의한 가연성 실험결과, 가스 토치를 사용한 경우 포장재는 가연성을 나타내지만 화력이 제거되면 더 이상 연소되지 않고 서서히 불이 꺼지며, 특히 담뱃불 정도로는 연소되지 않기 때문에 폐목재 칩을 우레탄 수지로 결합시킨 목질계 포장재는 가연성 측면에서 실용적으로 문제가 되지는 않을 것으로 판단된다. 다만 매우 가혹한 조건에서의 내화특성에 대해서는 별도의 추가 실험에 의해 평가할 필요가 있다.
- 이상의 가연성 시험결과를 종합해 볼 때 목질계 포장재가 강한 화력에 직접 노출되는 경우 가연성을 나타내지만 화력이 제거되면 더 이상 연소되지 않고 서서히 불이 꺼지며 특히 담뱃불 정도로는 연소되지 않기 때문에 폐목재 칩을 우레탄 수지로 결합시킨 목질계 포장재는 가연성 측면에서 실용적으로 문제가 없는 것으로 판단된다. 다만 매우 가혹한 조건에서의 내화특성에 대해서는 별도의 추가 실험에 의해 평가할 필요가 있다고 생각된다.
- GB계수와 SB계수의 값이 둘 다 작으면 작을수록 몸에 대한 부담이 적으며 GB계수에 대한 SB계수의 비는 그 값이 클수록 보행하는데 편안함을 느낄 수 있다고 한다(森田 등, 2007b). 따라서 건설폐목재 칩 및 임목폐기물 칩을 사용한 목질계 포장재는 탄력성 측면에서 보도포장용으로 우수한 특성을 가지는 것으로 보이지만 GB계수와 SB계수가 보행의 편리함을 나타내는 지표로서 반드시 유효한지에 대해서는 추가적인 연구 검토에 의해 그 근거를 명확히 할 필요가 있다고 생각된다.
- 침수시켰을 때 모든 시험체는 인장강도가 저하되었으며 그 강도저하는 우레탄 수지의 사용량이 적을수록 크게 나타났다. 따라서 목질계 포장재는 강우 등에 의한 수분 침투를 고려하여 폐목재 칩에 대한 수지의 질량비를 0.75 이상으로 하는 것이 바람직하며, 또한 현장의 시공방법에 따른 내구성 및 시공성 등을 종합적으로 평가한 후 우레탄 수지의 사용량을 결정할 필요가 있다고 판단된다.
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