[논문]투수성 포장재 투수성능 지속성 확보 방안

박대근; 임무광; 조윤호

문제 정의

오염물 침투장치는 오염물 및 물을 투입하여 투수 포장체의 공극이 막힐 수 있는 환경을 모사하는 목적으로 개발하였다. 또한 진동모터를 장착하여 도로상 차량통행에 의한 차량진동을 모사하도록 하였으며 몰드를 이용하여 자체투수블록 등의 투수포장재를 평가할 수 있도록 하였다.
이러한 방법은 공용초기의 성능은 확인할 수 있으나, 공용 후의 성능지속성 평가는 불가능하다는 단점이 있다. 이러한 문제를 해결하기 위해서 사전 품질관리 단계에서 투수포장재의 침투지속성을 확인할 수 있는 실험법이 최근에 개발되었으며, 다음 장에서 자세하게 소개하고자 한다.
하지만, 공용 2개월 만에 투수블록이 불투수화 되는등 기능성 유지에 문제가 발생하고 있다. 이러한 문제점을 개선하기 위해 일반적으로 사용하는 두 가지 방법을 소개하였다. 첫째는 실제 공용 중인 투수성 포장체에 대한 침투성능평가 결과로 판단하여, 주기 적으로 고압살수와 공기를 동시 혼입하는 형태로 1~2회/년로 유지관리(청소)를 실시하는 것을 권장 한다.

가설 설정

은평구 도로분진 수거차량 현장조사에서 2일분의 오염물을 수거하여 분석한 결과, 날짜에 따른 오염물 양의 변화는 크지 않았다. 따라서 매년 동일한 양의 오염물이 발생하는 것으로 가정하였다. 일일 오염물의 양은 332mg/m²/day으로 이를 공용기간에 따라 일반화한 값은 표 2와 같으며 투수실험을 진행 시 투입되는 오염물량은 시료의 면적에 따라 달라진다.

제안 방법

공극막힘에 영향을 주는 도로분진의 특성을 살펴보기 위하여 오염물의 평균입도를 분석하였다. 오염 물의 평균입도는 KS F 2502에 준하여 산출하였으며, 큰 오염물 및 미세분진에서 각각 6개의 샘플을 채취하였다.
투입된 오염물은 은평구 현장에서 수집된 오염물의 입도를 만족하도록 합성한 것을 사용하였다. 공극막힘을 고려한 투수실험을 진행한 후의 시료의 투수계수를 측정하기 위해서 정수위 투수 실험을 실시하였다.
현장조사일은 수요일 새벽이며 하루 전, 즉 화요일 새벽의 오염물이 폐기되지 않은 상태로 화요일 및 수요일 새벽에 수거된 오염물을 수집할 수 있었다. 날짜가 다르게 수거된 오염물을 각각 밀봉하여 수집하였다. 그림 5는 오염물 수집과정을 보여주고 있다.
이태근과 김병삼에 따르면 범프나 돌기에 의한 타이어 충격은 20~100Hz 주파수대 진동의 주된 요인으로 이러한 진동은 불쾌감이나 소음으로 명백히 나타나는 하쉬니스(harshness)와 관련이 있다고 하였다(2003). 따라서 차량진동을 모사할 수 있는 최적의 진동수를 설정하기 위하여 20~100Hz의 중간 진동수인 40Hz, 60Hz, 80Hz로 변화시켜 실험을 진행하였다. 투수포장체 시료는 자체투수블록으로 동일한 업체에서 생산된 60mm 두께의 시료를 사용하였으며 각 변수 당 3개씩 평가하였다.
오염물 침투장치는 오염물 및 물을 투입하여 투수 포장체의 공극이 막힐 수 있는 환경을 모사하는 목적으로 개발하였다. 또한 진동모터를 장착하여 도로상 차량통행에 의한 차량진동을 모사하도록 하였으며 몰드를 이용하여 자체투수블록 등의 투수포장재를 평가할 수 있도록 하였다. 투수실험장치는 몸체, 테이블, 고정틀로 구성된다.
오염물의 투입량은 10g과 20g으로 설정하였으며 앞서 정립한 실험방법에 따라 진행하였다. 또한 진동시간 변화에 따라 공극막힘 현상이 어떻게 영향을 받는지 알아보기 위하여 진동시간을 30초, 45초, 60초로 하여 실험을 진행하였다.
서울시 미세분진 특성을 파악하기 위하여 2011년 9월 27일 약 5시간에 걸쳐 은평구 분진청소차를 탑승하여, 현재 서울시에서 사용하고 있는 도로 청소 장비 및 분진청소방법에 대하여 조사하였다. 또한 청소차 담당 운전기사와의 면담으로 실제 작업 패턴에 대해서도 파악하였다. 주행한 구간은 수색로~증산로~은평로~서오릉로~진흥로~통일로~연서로를 경유하는 총 45km 구간이다.
1Hz 단위로 조정가능하다. 몸체와 테이블은 스프링으로 고정하여 테이블의 진동발생 시 몸체의 영향이 최소화 되도록 제작하였다. 투수포장체를 장착할 수 있는 몰드의 크기는 200×200×150mm로 현재 가장 많이 판매되고 있는 자체투수블록을 실험할 수 있다.
오염물 침투장치를 이용하여 자체투수블록의 오염 물에 의한 공극막힘을 평가하기 위하여 실험방법을 표준화하였으며 그림 9에 간략히 나타내었다. 실험을 하기 위해서는 수평계를 이용하여 장비 하단에 부착된 나사로 장비의 수평을 맞춘다. 투수시료를 몰드에 장착하고 몰드와 시료사이의 틈이 최소화될 수 있도록 너트를 이용하여 조여준다.
오염물 침투장치를 이용하여 자체투수블록의 오염 물에 의한 공극막힘을 평가하기 위하여 실험방법을 표준화하였으며 그림 9에 간략히 나타내었다. 실험을 하기 위해서는 수평계를 이용하여 장비 하단에 부착된 나사로 장비의 수평을 맞춘다.
오염물의 합성은 수집된 큰 오염물과 미세분진의 중량비(0.56`:`0.44)에 따라 합성하였다. 체가름 시험의 시료는 은평구로 제한된 구간에서 수집된 시료 이기 때문에 서울시 전체의 오염물을 대표하기 어렵다.
투수포장은 시공 후 공용기간이 길어짐에 따라 투수성능이 저하된다. 이러한 투수성능과 공용기간과의 관계를 알아보기 위해 수집된 오염물의 양을 바탕으로 상관관계를 분석해보았다. 은평구 도로분진 수거차량 현장조사에서 2일분의 오염물을 수거하여 분석한 결과, 날짜에 따른 오염물 양의 변화는 크지 않았다.
이런 문제점을 개선하고자 그림 3과같이 공기를 이용함으로써 청소에 쓰인 물의 유출을 방지하여 비점오염의 발생을 최소화하는 방식이 사용되었다.
고정틀은 몰드를 테이블 위에 설치하고 진동발생 시 고정할 수 있도록 한 것으로 너트를 달아 조일 수 있게 하였다. 테이블에는 호스를 달아 물을 넣어 실험 시 배수가 가능하도록 하였 으며, 장치의 밑에는 바퀴를 달아 이동이 쉽도록 제작하였다. 그림 8은 실제 제작된 투수실험장치의 모습이다.
일정시간이 지나면 진동을 멈추고 깨끗한물 400ml를 넣어 하부로 물이 투수되는 시간을 측정한다. 투수실험이 끝난 후에는 시료를 몰드에서 분리하고 정수위 투수시험을 실시한다.
본 실험에서 사용된 투수포장체 시료는 5개 업체에서 제작된 자체투수블록으로 그림 12에 나타내었으며 시료의 두께는 모두 60mm로 각 시료당 3개씩 실험을 진행하였다. 투입된 오염물의 양은 공용년수 대비 오염물량 상관관계에서 시료의 면적을 고려하여 공용 3년에 해당하는 15g과 5년에 해당하는 24g 을 투입하여 공용기간에 따른 투수성능의 차이를 살펴보고자 하였다. 투입된 오염물은 은평구 현장에서 수집된 오염물의 입도를 만족하도록 합성한 것을 사용하였다.

대상 데이터

본 실험에서 사용된 투수포장체 시료는 5개 업체에서 제작된 자체투수블록으로 그림 12에 나타내었으며 시료의 두께는 모두 60mm로 각 시료당 3개씩 실험을 진행하였다. 투입된 오염물의 양은 공용년수 대비 오염물량 상관관계에서 시료의 면적을 고려하여 공용 3년에 해당하는 15g과 5년에 해당하는 24g 을 투입하여 공용기간에 따른 투수성능의 차이를 살펴보고자 하였다.
서울시 미세분진 특성을 파악하기 위하여 2011년 9월 27일 약 5시간에 걸쳐 은평구 분진청소차를 탑승하여, 현재 서울시에서 사용하고 있는 도로 청소 장비 및 분진청소방법에 대하여 조사하였다. 또한 청소차 담당 운전기사와의 면담으로 실제 작업 패턴에 대해서도 파악하였다.
또한 청소차 담당 운전기사와의 면담으로 실제 작업 패턴에 대해서도 파악하였다. 주행한 구간은 수색로~증산로~은평로~서오릉로~진흥로~통일로~연서로를 경유하는 총 45km 구간이다. 은평구청에서 분진 청소 시 사용된 차량은 공기고압흡입식으로, 한 개차로 전폭흡입 및 측구흡입장치로 구성되어 있으며 수거된 슬러지는 차량 뒤에 장착된 분진수거함에 자동저장된다.
또한 진동모터를 장착하여 도로상 차량통행에 의한 차량진동을 모사하도록 하였으며 몰드를 이용하여 자체투수블록 등의 투수포장재를 평가할 수 있도록 하였다. 투수실험장치는 몸체, 테이블, 고정틀로 구성된다.
따라서 차량진동을 모사할 수 있는 최적의 진동수를 설정하기 위하여 20~100Hz의 중간 진동수인 40Hz, 60Hz, 80Hz로 변화시켜 실험을 진행하였다. 투수포장체 시료는 자체투수블록으로 동일한 업체에서 생산된 60mm 두께의 시료를 사용하였으며 각 변수 당 3개씩 평가하였다. 투입된 오염물은 앞서 서술한 대체오염물 합성비에 따라 제조 하였다.
투입된 오염물의 양은 공용년수 대비 오염물량 상관관계에서 시료의 면적을 고려하여 공용 3년에 해당하는 15g과 5년에 해당하는 24g 을 투입하여 공용기간에 따른 투수성능의 차이를 살펴보고자 하였다. 투입된 오염물은 은평구 현장에서 수집된 오염물의 입도를 만족하도록 합성한 것을 사용하였다. 공극막힘을 고려한 투수실험을 진행한 후의 시료의 투수계수를 측정하기 위해서 정수위 투수 실험을 실시하였다.
작업은 평균적으로 4~5시간 정도 소요되고 40~50km를 주행한다. 현장조사일은 수요일 새벽이며 하루 전, 즉 화요일 새벽의 오염물이 폐기되지 않은 상태로 화요일 및 수요일 새벽에 수거된 오염물을 수집할 수 있었다. 날짜가 다르게 수거된 오염물을 각각 밀봉하여 수집하였다.

이론/모형

공극막힘에 영향을 주는 도로분진의 특성을 살펴보기 위하여 오염물의 평균입도를 분석하였다. 오염 물의 평균입도는 KS F 2502에 준하여 산출하였으며, 큰 오염물 및 미세분진에서 각각 6개의 샘플을 채취하였다. t분포, 95% 신뢰도를 따르는 큰 오염 물과 미세분진의 입도는 그림 6과 같다.

성능/효과

오염물 투입량에 따른 실험결과는 그림 11에 나타내었다. 동일한 진동수 60Hz에서는 투입된 오염물의 양이 많을수록 투수시간이 길어짐을 확인할 수 있었다. 이는 투수포장체의 오염이 심할수록 공극막힘 현상이 더 쉽게 발생할 수 있다고 판단된다.
이런 문제점을 개선하고자 그림 3과같이 공기를 이용함으로써 청소에 쓰인 물의 유출을 방지하여 비점오염의 발생을 최소화하는 방식이 사용되었다. 또한 공기압을 이용하여 공극 내 이물질제거를 용이하게 함으로써 작업속도가 빨라져서 그림 4에서 볼 수 있듯이 물만을 사용한 것보다 이물질 수집비율이 높게 나타났다. 표 1은 공극청소 방법에 따른 작업성 특징을 보여주고 있다(김주원 외 1명, 2000).
블록 종류에 따라 공극막힘 현상을 고려하여 투수 성능을 실험한 결과, 제작된 업체별로 투수성능의 차이를 확인할 수 있었다. 또한 투수실험장치 검증 실험결과와 동일하게 오염물 투입량(공용기간)이 많아질수록 투수시간이 길어지는 것을 확인하였다. 실험결과는 오염물 투입량(공용기간)에 따라 그림 13에 비교하여 나타내었다.
블록 종류에 따라 공극막힘 현상을 고려하여 투수 성능을 실험한 결과, 제작된 업체별로 투수성능의 차이를 확인할 수 있었다. 또한 투수실험장치 검증 실험결과와 동일하게 오염물 투입량(공용기간)이 많아질수록 투수시간이 길어지는 것을 확인하였다.
이러한 투수성능과 공용기간과의 관계를 알아보기 위해 수집된 오염물의 양을 바탕으로 상관관계를 분석해보았다. 은평구 도로분진 수거차량 현장조사에서 2일분의 오염물을 수거하여 분석한 결과, 날짜에 따른 오염물 양의 변화는 크지 않았다. 따라서 매년 동일한 양의 오염물이 발생하는 것으로 가정하였다.
1mm/sec을 만족하였으며 오염물 투입량에 따른 차이를 구분할 수 없 었다. 하지만 오차발생에 있어서 공극막힘을 고려한 투수실험보다 상대적으로 적게 나타남을 확인하였다.

후속연구

공극막힘을 고려한 투수실험장치는 공용기간에 따른 투수포장체의 투수성능을 뚜렷하게 확인할 수 있지만 실험하는 사람의 숙련도에 따라 실험결과에 영향을 많이 받고 그 오차발생범위가 크기 때문에 정수위투수시험장치의 보조적인 실험방법으로 이용될수 있다고 판단된다.

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	지표의 불투수화로 인해 발생하는 문제점은?	8%에서 2011년 48%로 7배 가까이 증가하였다. 이로 인해 강우 시 첨두유출시간이 감소하고 단기간 집중유출이 증대되어 폭우로 인한 도시홍수 등이 발생하고 있다. 이러한 문제를 해결하기 위해 국내₩외에서는 투수성아스팔트, 투수콘크리트, 자체투수블록 등의 투수포장이 도입되었다.
	투수포장의 침투성능을 확인하는 검증시험법의 종류는?	하지만 공극막힘 현상으로 인하여 공용 2개월 만에 포장이 불투수화 되는 등 빗물 침투기능에 문제가 발생하고 있다. 투수포장의 침투성능을 확인하기 위해 현재 이용되는 검증시험으로는 현장 투수시험 방법(KS F 2394) 및 정수위 투수시험 방법(KS F 2322)이 있지만 공용 후의 상황을 모사하지 못하여 현장시공 후 투수포장재의 투수성능을 예측하지 못한다는 단점이 있다.
	공극막힘 현상을 일으키는 도로 위의 오염물의 종류는?	도로 위의 오염물은 크기에 따라 그림 1과 같이 도약(saltation), 부유(suspension), 구르기 (creep)로 나누어져 움직인다(Amirjani, 2010). 도약은 직경 70~500μm의 작은 입자들의 움직임으로 포장의 표면으로부터 날아가 공기의 저항과 중력을 받으며 궤도모양을 따라 움직이는 것으로 전체 이동의 55~72%를 차지한다. 부유는 바람에 의해 입자들이 공기 중에 떠서 움직이는 것으로 침전되기 전에 긴 거리를 이동하게 된다. 입자의 크기는 직경이 70μm 보다 작은 것들로 이루어져 있으며 전체 이동의 3~10%를 차지한다. 구르기는 모래 및 골재크기의 입자가 도약하는 입자의 영향을 받아 굴러가거나서서히 가는 현상으로 전체 이동의 7~25%를 차지한다. 이렇게 이동한 입자들 중 크기가 상대적으로큰 모래가 투수포장체 위에 쌓이고 그 사이를 분진이나 포장 표면, 자동차 타이어 등에서 마모되어 발생된 미세입자들이 막으면 서서히 투수성능이 감소하고 공극이 막혀 불투수화 된다.

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