본 연구에서는 철도노반에서의 동결융해로 인한 피해를 줄이고자 뛰어난 단열효과와 강도를 가진 XPS(eXtruded PolyStyrene)와 PE골재(polyethylene aggregates)를 사용하여 동상을 억제하는 방법을 연구하고자 대형동토실에서 모형시험을 수행하였다. 이를 위해 노반과 PE골재의 혼입비율을 변화시켜 건조밀도와 함수비, 온도에 따른 열전도율을 측정하였다. 시험결과 노반에 혼입된 PE골재 비율에 비례하여 단열효과가 증가하였지만, 간극의 함수비와 온도변화에 민감하였다. 또한 철도노반을 모사한 모형시험에서 각 단열재의 두께와 설치순서를 다르게 한 후 단열효과를 비교 결과, XPS의 단열효과가 우수한 것으로 나타났으며 XPS판자가 상부, PE골재가 하부에 설치될 때 그 반대의 경우보다 단열효과가 뛰어난 것으로 나타났다.
본 연구에서는 철도노반에서의 동결융해로 인한 피해를 줄이고자 뛰어난 단열효과와 강도를 가진 XPS(eXtruded PolyStyrene)와 PE골재(polyethylene aggregates)를 사용하여 동상을 억제하는 방법을 연구하고자 대형동토실에서 모형시험을 수행하였다. 이를 위해 노반과 PE골재의 혼입비율을 변화시켜 건조밀도와 함수비, 온도에 따른 열전도율을 측정하였다. 시험결과 노반에 혼입된 PE골재 비율에 비례하여 단열효과가 증가하였지만, 간극의 함수비와 온도변화에 민감하였다. 또한 철도노반을 모사한 모형시험에서 각 단열재의 두께와 설치순서를 다르게 한 후 단열효과를 비교 결과, XPS의 단열효과가 우수한 것으로 나타났으며 XPS판자가 상부, PE골재가 하부에 설치될 때 그 반대의 경우보다 단열효과가 뛰어난 것으로 나타났다.
In this research, in order to study insulation effect of commercial XPS and recycled PE aggregates for prevention of frost heave in the roadbed of railroad track from the freezing temperature, model tests were carried out in the large freezing room. For this, thermal conductivities were measured for...
In this research, in order to study insulation effect of commercial XPS and recycled PE aggregates for prevention of frost heave in the roadbed of railroad track from the freezing temperature, model tests were carried out in the large freezing room. For this, thermal conductivities were measured for various dry densities, water contents, temperatures and mixing ratios of PE aggregates. From the tests, it can be seen that thermal conductivities of roadbed decrease with the increase of the ratio of mixed PE aggregates. However it was sensitive to the changes of temperature and water content due to the amount of water in the voids. From the model test of railroad track, it can be seen that the time to reach $0^{\circ}C$ was longer for XPS than that for the PE aggregates. Also the test shows best insulation effect can be achieved when XPS board was installed above the PE aggregate layer rather than the opposite order.
In this research, in order to study insulation effect of commercial XPS and recycled PE aggregates for prevention of frost heave in the roadbed of railroad track from the freezing temperature, model tests were carried out in the large freezing room. For this, thermal conductivities were measured for various dry densities, water contents, temperatures and mixing ratios of PE aggregates. From the tests, it can be seen that thermal conductivities of roadbed decrease with the increase of the ratio of mixed PE aggregates. However it was sensitive to the changes of temperature and water content due to the amount of water in the voids. From the model test of railroad track, it can be seen that the time to reach $0^{\circ}C$ was longer for XPS than that for the PE aggregates. Also the test shows best insulation effect can be achieved when XPS board was installed above the PE aggregate layer rather than the opposite order.
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문제 정의
도로 및 철도의 동상방지 목적으로 EPS(Expanded PolyStylene)등의 단열재 활용은 일본, 핀란드 등에서 활용된 바 있으며(Gandahl, 1996; Takashi, 2012; Nurmikolu, 2011), 본 연구에서는 현장시험에 선행하여 XPS와 폐비닐을 가공하여 만든 PE골재를 단열재로 활용하여 노반의 동결시간과 속도 및 지연효과를 고찰하기 위하여 동결실(freezing chamber)에서 모형시험을 통한 연구를 수행하였다. 이를 통해 철도에서의 동상과 융해로 인한 피해를 감소시키는데 그 목적이 있다.
본 연구에서는 철도노반의 동상을 방지하기 위해 PE골재와 XPS 판자의 배열 및 두께에 따른 온도변화 특성을 실험하였다. 그 결과 다음과 같은 결과를 도출하였다.
도로 및 철도의 동상방지 목적으로 EPS(Expanded PolyStylene)등의 단열재 활용은 일본, 핀란드 등에서 활용된 바 있으며(Gandahl, 1996; Takashi, 2012; Nurmikolu, 2011), 본 연구에서는 현장시험에 선행하여 XPS와 폐비닐을 가공하여 만든 PE골재를 단열재로 활용하여 노반의 동결시간과 속도 및 지연효과를 고찰하기 위하여 동결실(freezing chamber)에서 모형시험을 통한 연구를 수행하였다. 이를 통해 철도에서의 동상과 융해로 인한 피해를 감소시키는데 그 목적이 있다. XPS는 가열･용융시킨 폴리스티렌에 가스를 혼합하여 겔로 만든 후 성형장치에 발포한 것을 롤러로 압출한 것이며, PE골재는 폐비닐을 용융한 후 물에서 식혀 내부에 기포를 포함하도록 만든 골재로서 두 단열재 모두 단열성과 강도가 우수하다.
제안 방법
9). XPS와 PE골재를 종류와 두께, 설치순서를 다르게 하여 흙을 포함한 높이가 45 cm가 되도록 한 후, 그 위에 직경 5 cm 이상의 자갈을 30 cm로 다져 넣어 자갈도상을 모사하였다. 대기에서 공시체로의 1차원적인 열 이동을 위하여 PE 이중벽관에 열반사단열재를 5 cm 두께로 두르고, 공시체의 하단부에 XPS 10 cm를 빈틈없이 설치하였다.
이때 PE골재 사이의 공극에 열전도율이 매우 낮은 공기 대신 흙이 메워짐으로써 열전도율이 변할 수 있다. 따라서 PE골재와 흙의 혼합비에 따른 열전도율을 측정하기 위해 A형 몰드에 PE골재를 6 %, 13 %, 21 %, 28 %의 중량비로 흙과 혼합하여 다짐도 90 %로 다진 공시체를 만들어, 휴대용 탐침식 열전도 측정기(K-D2-P, Fig. 4)를 사용하여 열전도율을 측정하였다. 또한 이들 시료에 최적함수비에 해당하는 3.
또한 PE골재의 단열효과를 확인하기 위해 한국건설기술연구원 내에 조성한 모형도로의 동상방지층에 PE골재를 20cm 포설하고, 같은 높이의 자갈층과 동상방지층 하부의 온도를 비교하였다. 2년 동안 측정한 결과, 동상방지층 하부의 최저온도가 자갈을 동상방지층에 포설할 때에 비해 최대 1.
또한 이들 시료에 최적함수비에 해당하는 3.6 %, 8.6 %, 13.6 %와 최적함수비를 초과한 18.6 %의 함수비 상태로 만들어 PE골재의 혼합이 함수비에 따라 열전도율에 영향을 주는지에 대해 분석한 후, -10∼10 ℃의 온도 범위 내에서의 열전도율 변화를 측정하였다.
대기에서 공시체로의 1차원적인 열 이동을 위하여 PE 이중벽관에 열반사단열재를 5 cm 두께로 두르고, 공시체의 하단부에 XPS 10 cm를 빈틈없이 설치하였다. 몰드 내 온도변화의 측정은 공기온도와 자갈도상 하부 각각 5 cm, 15 cm, 25 cm, 35 cm 깊이에서 측정하였다.
본 연구에서는 경기도의 한 동상발생 개소에서 채취한 시료를 사용하여 철도의 자갈도상(Fig. 8)을 모사하고 도상하부에 XPS, PE골재의 두께를 각각 5, 7.5, 10 cm로 설치하되 설치순서를 다르게 한 별도의 모형을 제작한 후, 영하 10 ℃의 온도를 주었을 때 시간에 따른 노반시료의 온도변화를 T-type thermocouple과 Grant를 이용해 측정하는 시험을 실시하였다.
대상 데이터
Table 4에서 보는 시료는 실제 동상이 발생하였던 경기도 연천지역의 철도노반에서 채취한 흙 시료이다. 채취한 흙 시료를 통일분류법(Holtz & Kovacs, 1981)의 경계선 부근에 위치하여, 경계선 분류에 의하면 SC로서 투수계수가 비교적 낮아 배수가 원활하지 못한 것으로 나타났다.
성능/효과
(1) PE골재가 흙에 혼입되는 양이 많아짐에 따라 열전도율이 낮아졌으나 PE골재만으로 된 단열층에 비해 열전도율이 비교적 크게 나타났다. 따라서 PE골재 사용 시에는 노반의 혼입방지를 위해 분리하는 것이 효과적일 것으로 나타났다.
(2) 단열재의 조합 시 동일한 단열재 두께를 사용하더라도 설치순서에 따라 0 ℃에 도달하는 시간에 큰 차이를 보였다. XPS 판자가 상부, PE골재가 하부에 설치된 경우 그 반대의 경우보다 0 ℃에 도달하는데 오랜 시간이 소요되는 것으로 나타났다.
(3) PE골재와 XPS 두 단열재의 0 ℃ 도달시간이 같을 때 깊이 1～10 cm 범위 내에서 PE골재층의 두께가 XPS 판자에 비해 1.5～3배 더 필요한 것으로 나타났는데, 그 비율은 0 ℃ 도달시간이 커짐에 따라 감소하였다.
또한 PE골재의 단열효과를 확인하기 위해 한국건설기술연구원 내에 조성한 모형도로의 동상방지층에 PE골재를 20cm 포설하고, 같은 높이의 자갈층과 동상방지층 하부의 온도를 비교하였다. 2년 동안 측정한 결과, 동상방지층 하부의 최저온도가 자갈을 동상방지층에 포설할 때에 비해 최대 1.8 ℃ 차이를 보임을 확인하였다.
6은 PE골재와 흙 시료의 중량비와 함수비에 따른 열전도율의 측정결과를 나타낸 것이다. Fig. 6으로부터 PE골재 배합비율이 0으로부터 28 %로 증가함에 따라 열전도율은 약 0.22 W/mK 정도 감소하며, 중량비에 관계없이 열전도율은 함수비가 커짐에 따라 열전도율이 증가하다 최적함수비 부근에서 증가율이 둔화되는 경향을 보이고 있다. 또한 모든 중량비에서 최대･최소 함수비의 열전도율 차이가 평균 0.
Table 2에서 보는 바와 같이 PE골재(Fig. 3)에 대하여 물성치를 측정한 결과, 단위중량은 7.2 kN/m3로 일반적인 골재의 단위중량인 18∼20 kN/m3의 35∼40 %로 나타나 경량 재료라고 할 수 있고, PE골재의 최대 크기(직경)는 19 mm이다.
(2) 단열재의 조합 시 동일한 단열재 두께를 사용하더라도 설치순서에 따라 0 ℃에 도달하는 시간에 큰 차이를 보였다. XPS 판자가 상부, PE골재가 하부에 설치된 경우 그 반대의 경우보다 0 ℃에 도달하는데 오랜 시간이 소요되는 것으로 나타났다.
Table 3에서 그 성질을 보여주고 있는 XPS는 압출발포법이라는 생산 특성상 입형이 아닌 판형이므로 XPS 판자 자체를 그대로 사용하였다. XPS 판자는 1호 규격을 사용하였으며, 시험 결과 열전도율이 KS M 3808에 제시된 값과 0.008 W/mK의 차이를 보였으나 그 값이 매우 미미하다. 또한 연구에 사용된 PE골재의 열전도율은 건조된 흙과 비슷한 0.
(1) PE골재가 흙에 혼입되는 양이 많아짐에 따라 열전도율이 낮아졌으나 PE골재만으로 된 단열층에 비해 열전도율이 비교적 크게 나타났다. 따라서 PE골재 사용 시에는 노반의 혼입방지를 위해 분리하는 것이 효과적일 것으로 나타났다.
22 W/mK 정도 감소하며, 중량비에 관계없이 열전도율은 함수비가 커짐에 따라 열전도율이 증가하다 최적함수비 부근에서 증가율이 둔화되는 경향을 보이고 있다. 또한 모든 중량비에서 최대･최소 함수비의 열전도율 차이가 평균 0.861 W/mK으로 PE골재 배합비율에 의한 차이인 0.217 W/mK에 비해 약 4배 크게 나타났다. 이 차이는 함수비 3.
먼저 건조 흙에서 PE골재의 유･무에 따른 열전도율의 차이는 매우 작았으며, 건조 흙에서는 PE골재의 비율이 증가함에도 ‘건조 흙’ 공시체의 열전도율 결과와 거의 비슷하였다.
5(b)의 건조밀도에 따른 열전도율 측정결과를 나타내었다. 모든 공시체에서 건조밀도가 증가할수록 열전도율이 상승하는 결과를 나타내고 있으며, 이는 구성 재료의 접촉에 의한 자연스런 결과이다. 먼저 건조 흙에서 PE골재의 유･무에 따른 열전도율의 차이는 매우 작았으며, 건조 흙에서는 PE골재의 비율이 증가함에도 ‘건조 흙’ 공시체의 열전도율 결과와 거의 비슷하였다.
시험 결과, 동결온도 도달시간은 노반에서 2,100분이 걸려 가장 빠르게 나타났으며, ‘XPS 10 cm’가 3,330분이 소요되어 가장 뚜렷한 단열효과를 보였다.
시험 결과에 따르면 ‘XPS 5 cm+PE골재 5 cm’와 ‘XPS 10 cm’도 0 ℃ 도달시간이 각각 3,270분, 3,330분으로 40분의 근소한 차이를 보였다.
2 kN/m3로 일반적인 골재의 단위중량인 18∼20 kN/m3의 35∼40 %로 나타나 경량 재료라고 할 수 있고, PE골재의 최대 크기(직경)는 19 mm이다. 열전도율은 평균 0.107 W/mK으로 국내 동상방지 연구에서 단열 재료로 많이 사용되는 폐타이어 조각의 열전도율 0.400 W/mK보다 작은 값을 나타내었다.
12는 Table 6의 결과를 단열재와 두께별로 구분하여 나타낸 것이다. 이 결과를 보면 XPS 판자와 PE골재 모두 두께가 증가함에 따라 0 ℃ 도달시간이 급격히 증가하는 경향을 보였다. 같은 두께일 때 XPS 판자가 PE골재에 비해 0 ℃ 도달시간이 훨씬 크게 나타났고, 두께가 두꺼워짐에 따라 그 차이가 더욱 커졌는데 이는 XPS 판자의 열전도율이 PE골재에 비해 낮기 때문이다.
5(b)에서 최적함수비의 흙과 PE골재 혼합공시체를 비교한 결과 원형기호로 표시한 혼합 공시체의 건조밀도와 열전도율이 삼각형 기호로 나타낸 습윤토보다 더 작게 나타났다. 이러한 결과는 낮은 다짐도로 다졌을 때 흙 간극 중 공기로 인한 단열효과를 PE골재가 대신하는 것으로 판단되며, Table 5에 제시한 다양한 조건에서의 열전도율 시험결과 PE골재의 비율이 12 % 미만일 때에는 큰 단열효과를 기대할 수 없으며, 더 큰 혼합비에서 PE골재로 인한 단열효과를 기대할 수 있을 것으로 판단되며, 이러한 결과도 PE골재로만 된 공시체의 열전도율 0.113 W/mK에 비해 1.000 W/mK에 가까운 큰 차이를 보이므로 노반으로의 혼입을 막기 위한 조치가 필요할 것으로 판단된다.
함수비에 따른 열전도율 측정결과, 수분의 유･무에 따라 같은 건조밀도에서도 큰 열전도율 차이를 보였다. Fig.
Gandahl(1996)은 스웨덴 북부지역의 도로 포장체에 10 cm 두께의 EPS 판자를 동상방지층으로 포설하였다. 현장 계측결과, 동결깊이가 일반 도로에 비해 현저히 감소한 것을 확인하였다. 또한 Nurmikolu(2011)는 철도노반과 도상 사이에 XPS를 설치하여 동상감소효과를 확인하였다.
후속연구
또한 PE골재의 비율이 증가함에 따라 물의 양이 줄어들어 열전도율이 감소하는 것도 볼 수 있으나 그 차이가 함수비 감소로 인한 열전도율 감소보다 비교적 작다. 따라서 PE골재를 사용하여 열전도율 감소를 얻음과 동시에 외부에서 노반으로의 물 공급이 되지 않도록 하는 차수대책이 필요할 것으로 판단되며 이는 XPS 판자를 혼용하면 일부 가능할 것으로 사료된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
XPS란?
이를 통해 철도에서의 동상과 융해로 인한 피해를 감소시키는데 그 목적이 있다. XPS는 가열･용융시킨 폴리스티렌에 가스를 혼합하여 겔로 만든 후 성형장치에 발포한 것을 롤러로 압출한 것이며, PE골재는 폐비닐을 용융한 후 물에서 식혀 내부에 기포를 포함하도록 만든 골재로서 두 단열재 모두 단열성과 강도가 우수하다.
동절기의 동상은 어떤 결과를 만드는가?
동절기의 동상은 선로구조물의 융기를 유발하여 철도차량의 운행에 위험요소로 작용하고, 해빙기의 융해(thawing)는 선로의 침하를 유발시켜 선로구조물의 수명을 단축시키며 유지비의 증가를 수반하게 된다. 또한 동결융해의 반복으로 인한 분니의 발생은 노반의 강도를 저하시키고 배수를 저하시켜 구조물의 유지보수를 필요로 한다. 이러한 동상으로 인한 위험을 줄이기 위한 연구(Lee et al.
시행되고 있는 동상 대책의 단점은?
이러한 동상 대책으로 매년 동절기 이전에 도상의 자갈 치환, 염화칼슘 살포 등을 시행하고 있으며, 배수시설의 개선에도 노력을 기울이고 있다. 하지만 이러한 동상방지 대책들은 지속적인 효과가 미약하며 매년 반복해야 하는 단점이 있기 때문에 다양한 재료를 사용하여 동상을 예방하는 연구가 해외에서도 이루어지고 있다.
참고문헌 (14)
Gandahl, R. (1996), Polystyrene foam as a frost protection measure on national roads in sweden, Swedish National Road and Transport Research Institute, pp. 74-75.
Han C. Y., Lee J. S. and Cho K. H. (2011), The study about reduction of frost-heaving in railway small structures, The Korean Society for Railway Conference & Fall National Conference, pp. 1129-1135 (in Korean).
Holtz R. and Kovacs, W. (1981), An introduction to geotechnical engineering, Prentice-Hall, New Jersey, pp. 58-59.
Kim, Y. C. (2000), Preliminary study on recycling of plastic (vinyl) waste with construction aggregates, Journal of The Korean Society of Civil Engineers, Vol. 48, No. 6, pp. 81-87 (in Korean).
Kim Y. C. and Kang B. H. (1998), The control of the ground frost heave by using the scrap tire, Journal of Korean Geotechnical Society, Vol. 14, No. 1, pp. 49-58 (in Korean).
Kim Y. C. and Hong S. S. (2006), Waste vinyl recycled aggregates as anti-frost layer in pavements, 2006 Annual Conference of Korean Geo-Environmental Society, pp. 339-348 (in Korean).
Kim Y. C and Yoon Y. W. (2013), Development of anti-freeze method, design, construction and maintenance manual for railway structure, Korea Institute of Construction Technology, p. 28 (in Korean).
Lee J. W., Choi C. Y., Lee S. H. and Lee S. U. (2005), Analysis on the situation mud pumping of railroad roadbed through actual condition in Korea, The Korean Society of Civil Engineers Conference, pp. 5080-5083 (in Korean).
Lee K. B. (1998), EPS construction method, Science and Technology, pp. 25-59 (in Korean).
Lee S. Y., Kim Y. C., Kim N. H. and Kim M. S. (2010), Experimental study about reduction of frost-heaving in railway roadbed which using wasted tire chips, Proceedings of The Korean Society for Railway Fall Conference, Vol. 1, pp. 633-639 (in Korean).
Ministry of Environment (2005), Wastes management act, pp. 211-212 (in Korean).
Nurmikolu Antti (2011), Routa ratarakenteissa, Invited lecture, KICT, pp. 5-11.
Takashi Ono (2012), Frost heave protection techniques in Japan, Invited Lecture, KICT, pp. 11-18.
U.S. Army Corps of Engineers (1985), TM 5-818-2, Pavement design for seasonal frost conditions, Departments of the Army and the Air Force, Washington D. C., pp. 2-5.
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