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문제 정의
- 본 연구에서는 도심지 집중강우 및 도심지 특성으로 발생하는 추가적 유량을 고려하여 투수성 보도블록의 배수 성능 특성에 대한 실험적 평가를 실시하였다. 이를 위해 두 가지 골재 크기를 가진 투수성 보도블록을 제작 하였고, KS 규격에 따라 강도, 투수성 실험을 진행하였으며 추가적으로 증발 및 배수성능 실험을 하였다.
- 이에 따라, 본 연구는 투수성 보도블록의 성능평가를 위해 압축 및 휨강도, 투수계수, 증발, 그리고 유입량에 따른 배수 능력에 대한 실험적 평가에 초점을 맞추고 있다. 5mm와 10mm 골재로 구성된 시편을 대상으로 표준시험법에 의한 강도를 측정하고, 시간에 따른 증발 양상을 고려하여 완전포화조건에서의 투수계수 및 불포화상태에서의 단계별 배수를 관찰하였으며 연구에 사용된 시편 및 실험법, 결과는 다음과 같다.
제안 방법
- 제작된 시편은 폭, 길이, 높이가 각각 198mm, 198mm, 60mm의 직육면체 형태이며(Fig. 1(a)) 블록 생산 후 기존 시제품과 동일한 방법으로 양생창고에서 온도 20℃, 습도 70%에서 2일간 양생하고 7일간 실내야적장에서 양생하였다. 양생 후 실험 목적에 적합하도록 지름 100mm의 원형 공시체로 성형하였다(Fig.
- 이에 따라, 본 연구는 투수성 보도블록의 성능평가를 위해 압축 및 휨강도, 투수계수, 증발, 그리고 유입량에 따른 배수 능력에 대한 실험적 평가에 초점을 맞추고 있다. 5mm와 10mm 골재로 구성된 시편을 대상으로 표준시험법에 의한 강도를 측정하고, 시간에 따른 증발 양상을 고려하여 완전포화조건에서의 투수계수 및 불포화상태에서의 단계별 배수를 관찰하였으며 연구에 사용된 시편 및 실험법, 결과는 다음과 같다.
- Fig. 2의 상부셀 위에 위치한 물 분사 장치는 시편 상부에 정해진 유입량을 가할 수 있으며, 컴퓨터와 연결된 유량계(VN05, Aichi Tokei Denki)를 통해 각 유입량에 따라 단위 시간당 가해진 정확한 유량을 계산하였다. 또한 각 유입량에 대하여 초기 포화도에 따른 표면유출 양상을 관찰하기 위하여 초기에 완전 건조 상태의 시편을 대상으로 총 10분간 강우모사를 하였으며, 다음 강우 모사까지 5분, 1시간, 12시간의 간격을 두어 총 4번의 강우모사가 수행되었다.
- P5 시편의 경우 매우 불량한 간극의 연결도로 인해 완전포화상태의 구현이 어려워 증발실험을 수행하지 않았고, P10 시편을 대상으로 실험을 진행하였다. P10 시편의 간극비는 3차원 X-ray CT로부터 획득한 gray-level 영상을 이진화(binarization)하여 간극을 분리하고 내부 간극부피를 정량화하여 계산하였으며 시간에 따른 시편의 무게변화를 고려하여 포화도를 계산하였다.
- 28 mm/hr을 최소유량으로 설정하고 10분 동안 모사하고자 하였으며 유량의 2배씩 증가시키며 도심지역에서 발생할 수 있는 추가적 유량을 고려하였다(Korea Meteorological Administration, 2014). 골재 크기 5mm(P5 시편)의 경우 배수율이 좋지 않으므로 본 실험에서 구현 가능한 최소 유량인 10mL/min을 최소값으로 하여 Table 1과 같이 각각 총 4개의 다른 유입량을 설정하였다.
- 내부포화도에 따라 증발되는 속도가 다르다는 것을 의미하는 위의 식은 완전 건조상태인 첫 구간의 실험을 제외한 5분, 1시간, 12시간의 초기 포화도 산정의 정확도를 높이기 위하여 내부포화도(%)와 시간(day) 관계식이 적용 되었다.
- 2의 상부셀 위에 위치한 물 분사 장치는 시편 상부에 정해진 유입량을 가할 수 있으며, 컴퓨터와 연결된 유량계(VN05, Aichi Tokei Denki)를 통해 각 유입량에 따라 단위 시간당 가해진 정확한 유량을 계산하였다. 또한 각 유입량에 대하여 초기 포화도에 따른 표면유출 양상을 관찰하기 위하여 초기에 완전 건조 상태의 시편을 대상으로 총 10분간 강우모사를 하였으며, 다음 강우 모사까지 5분, 1시간, 12시간의 간격을 두어 총 4번의 강우모사가 수행되었다. 유입에 따른 시간당 배수는 투수계수 실험과 달리 하부셀 아래로 직접 배수를 하였으며 배수된 물의 중량은 컴퓨터와 연결된 저울을 이용하여 측정하였다.
- 특히 보도블록의 경우 표면이 모두 대기 중으로 노출되어 있어 시간에 따른 증발 양상이 포화도에 미치는 영향을 무시할 수 없다. 상부 표면으로의 증발만을 고려하기 위해 투수계수 실험에 사용된 열수축 멤브레인을 이용하여 100mm로 코어링된 시편 측면의 증발을 방지 하였다. 증발 실험 전 진공펌프를 이용하여 시편을 완전 포화상태로 만들었으며 준비된 시편은 실험실 상온 23℃, 평균습도 54%에서 자동으로 무게변화의 측정이 가능하도록 컴퓨터와 연결된 전자저울(해상도 0.
- 하부셀의 내경은 90mm로 100mm 직경의 시편을 별도의 고정장치 없이 자립시킬 수 있으며, 시편 위로 하부셀과 동일한 내경을 갖는 상부셀을 올릴 수 있다. 상부셀을 시편 위에 올린 후, 하부셀, 시편, 상부셀은 50% 수축이 가능한 가능한 PVC재질로 구성된 열수축 멤브레인(Heat-Shrink Tubing, McMaster)으로 감싸고 230℃에서 히팅건을 이용하여 구속시켜 시편의 측면을 통한 물의 흐름을 방지하였고, 수압에 의한 누수 방지를 위해 클램프로 상하부를 고정시켰다.
- 각 골재별로 3개의 시편을 KS규격 KS F 2405 및 KS F 2408에 의해 압축강도 및 휨강도를 측정하였다. 압축 강도는 100mm 직경, 60mm 높이의 실린더 형태 시편에 정적 시험기(Static Hydraulic Systems)인 SATEC(3500kN, Instron, 일축압축강도측정전용)을 사용하여 측정하였으며, SATEC(600kN, Instron, 휨강도전용)으로 휨강도를 측정하였다. 휨강도는 폭, 길이, 높이가 각각 198mm, 100mm, 60mm의 시편을 대상으로 하여 중앙점 재하를 시행하였다.
- 또한 각 유입량에 대하여 초기 포화도에 따른 표면유출 양상을 관찰하기 위하여 초기에 완전 건조 상태의 시편을 대상으로 총 10분간 강우모사를 하였으며, 다음 강우 모사까지 5분, 1시간, 12시간의 간격을 두어 총 4번의 강우모사가 수행되었다. 유입에 따른 시간당 배수는 투수계수 실험과 달리 하부셀 아래로 직접 배수를 하였으며 배수된 물의 중량은 컴퓨터와 연결된 저울을 이용하여 측정하였다. 상하부셀 및 시편 설치는 앞서 기술한 투수계수 측정법과 동일하다.
- 본 연구에서는 도심지 집중강우 및 도심지 특성으로 발생하는 추가적 유량을 고려하여 투수성 보도블록의 배수 성능 특성에 대한 실험적 평가를 실시하였다. 이를 위해 두 가지 골재 크기를 가진 투수성 보도블록을 제작 하였고, KS 규격에 따라 강도, 투수성 실험을 진행하였으며 추가적으로 증발 및 배수성능 실험을 하였다. 주된 실험결과로부터 도출된 결론은 다음과 같다.
- 또한 차도와 보도블록 사이의 보도경계석과 경사로 인해 물고임 현상이 발생하고, 횡단보도 등의 경사면에 놓여진 보도블록의 경우 많은 유량이 집중된다. 이에 따라 서울시에서 발생한 7월의 1시간당 최다강수량 5개의 평균인 78.28 mm/hr을 최소유량으로 설정하고 10분 동안 모사하고자 하였으며 유량의 2배씩 증가시키며 도심지역에서 발생할 수 있는 추가적 유량을 고려하였다(Korea Meteorological Administration, 2014). 골재 크기 5mm(P5 시편)의 경우 배수율이 좋지 않으므로 본 실험에서 구현 가능한 최소 유량인 10mL/min을 최소값으로 하여 Table 1과 같이 각각 총 4개의 다른 유입량을 설정하였다.
- , 2006). 정수위 실험은 상부셀의 수위가 136mm로 유지된 상태에서 KS F4419에 따라 Fig. 2의 오른쪽 파이프를 통하여 빠져나가는 배수량이 일정해진 이후 30초간의 유출량을 통해 측정하였다. 변수위 실험은 하부셀과 시편은 모두 물로 채워져 있으며 최초 수위는 시편 상부 130mm로 정하였다.
- 상하부셀 및 시편 설치는 앞서 기술한 투수계수 측정법과 동일하다. 표면유출이 발생할 경우에는 상부셀에 표시된 mm단위의 길이 측정 자를 카메라로 실시간 촬영하여 표면유출된 물의 높이를 계산하였다. 실험에 사용된 모든 시편은 40℃ 오븐에서 48시간 건조시켜 초기 질량을 동일시 하였다.
대상 데이터
- 01g)에 올려졌으며 매 1분간 기록되었다. P5 시편의 경우 매우 불량한 간극의 연결도로 인해 완전포화상태의 구현이 어려워 증발실험을 수행하지 않았고, P10 시편을 대상으로 실험을 진행하였다. P10 시편의 간극비는 3차원 X-ray CT로부터 획득한 gray-level 영상을 이진화(binarization)하여 간극을 분리하고 내부 간극부피를 정량화하여 계산하였으며 시간에 따른 시편의 무게변화를 고려하여 포화도를 계산하였다.
- 본 연구에 사용된 시편은 기존 시제품과 동일한 조건을 구현하기 위하여 보도블록 전문생산업체 장비 및 규정 배합비를 이용하여 해당 크기의 골재와 모르타르를 압착 성형하였다. 골재는 최대 크기 5mm(P5 시편)와 10mm(P10 시편)를 사용하여 총 2가지 시편을 제작하였으며 이는 KS 규격에서 제시한 보도블록의 최대 골재 크기(13mm)를 만족한다. 일반적으로 현장에서 많이 사용되는 투수성 재료는 10mm이나, 골재크기에 따른 투수 및 배수 능력에 대한 차이를 분석하기 위해 5mm 골재로 구성된 시편(P5)을 실험하였다.
- 본 연구에 사용된 시편은 기존 시제품과 동일한 조건을 구현하기 위하여 보도블록 전문생산업체 장비 및 규정 배합비를 이용하여 해당 크기의 골재와 모르타르를 압착 성형하였다. 골재는 최대 크기 5mm(P5 시편)와 10mm(P10 시편)를 사용하여 총 2가지 시편을 제작하였으며 이는 KS 규격에서 제시한 보도블록의 최대 골재 크기(13mm)를 만족한다.
- 일반적으로 현장에서 많이 사용되는 투수성 재료는 10mm이나, 골재크기에 따른 투수 및 배수 능력에 대한 차이를 분석하기 위해 5mm 골재로 구성된 시편(P5)을 실험하였다. 제작된 시편은 폭, 길이, 높이가 각각 198mm, 198mm, 60mm의 직육면체 형태이며(Fig. 1(a)) 블록 생산 후 기존 시제품과 동일한 방법으로 양생창고에서 온도 20℃, 습도 70%에서 2일간 양생하고 7일간 실내야적장에서 양생하였다.
- 상부 표면으로의 증발만을 고려하기 위해 투수계수 실험에 사용된 열수축 멤브레인을 이용하여 100mm로 코어링된 시편 측면의 증발을 방지 하였다. 증발 실험 전 진공펌프를 이용하여 시편을 완전 포화상태로 만들었으며 준비된 시편은 실험실 상온 23℃, 평균습도 54%에서 자동으로 무게변화의 측정이 가능하도록 컴퓨터와 연결된 전자저울(해상도 0.01g)에 올려졌으며 매 1분간 기록되었다. P5 시편의 경우 매우 불량한 간극의 연결도로 인해 완전포화상태의 구현이 어려워 증발실험을 수행하지 않았고, P10 시편을 대상으로 실험을 진행하였다.
- 압축 강도는 100mm 직경, 60mm 높이의 실린더 형태 시편에 정적 시험기(Static Hydraulic Systems)인 SATEC(3500kN, Instron, 일축압축강도측정전용)을 사용하여 측정하였으며, SATEC(600kN, Instron, 휨강도전용)으로 휨강도를 측정하였다. 휨강도는 폭, 길이, 높이가 각각 198mm, 100mm, 60mm의 시편을 대상으로 하여 중앙점 재하를 시행하였다. 각각 3개 시편에 대해 측정된 결과의 평균 값을 대표값으로 사용하였다.
데이터처리
- 식 (2)는 변수위 실험의 투수계수 계산식으로 a는 상부셀의 단면적[mm2], t[sec]는 초기수위 h0부터 최종수위 h1까지 걸린 시간이다. P5와 P10 시편 모두 3차례에 걸쳐 투수계수를 평가하였으며 그 평균값을 계산 하였다.
- 휨강도는 폭, 길이, 높이가 각각 198mm, 100mm, 60mm의 시편을 대상으로 하여 중앙점 재하를 시행하였다. 각각 3개 시편에 대해 측정된 결과의 평균 값을 대표값으로 사용하였다.
이론/모형
- 실험에 사용된 시편은 투수계수 측정 전에 진공 챔버에서 24시간 포화시켜 간극 내 존재하는 공기를 모두 제거하였다. KS F 4419의 투수계수 시험방법에 따르면 투수성 보도블록은 정수압(constant head) 상태에서 측정되나, P5시편은 연결 간극이 매우 작아 정수압 실험이 불가하여 변수위 실험을 하였으며, P10은 KS 규격에 따라 정수압 실험을 시행하였다. 그러나 Neithalath(2004)에 따르면 Enhanced Porosity Concrete(EPC)의 경우 연결 간극이 크기 때문에, 일반 콘크리트의 투수계수를 측정하는 방법을 그대로 적용하기 어려워 변수위 실험이 적합하고 보고하고 있으며 변수위를 이용한 투수계수 측정이 기존 연구들에서 공통적으로 적용되고 있다(Haselbach, 2010; Neithalath et al.
- 각 골재별로 3개의 시편을 KS규격 KS F 2405 및 KS F 2408에 의해 압축강도 및 휨강도를 측정하였다. 압축 강도는 100mm 직경, 60mm 높이의 실린더 형태 시편에 정적 시험기(Static Hydraulic Systems)인 SATEC(3500kN, Instron, 일축압축강도측정전용)을 사용하여 측정하였으며, SATEC(600kN, Instron, 휨강도전용)으로 휨강도를 측정하였다.
성능/효과
- (1) 강도는 P5 시편과 P10 시편 모두 KS 규격을 만족시켰으며, P5는 압축강도 약 4.1배, 휨강도 약 2.2배로 P10 시편보다 뛰어났으나, 0.001mm/sec의 낮은 투수계수를 보이고 실험에서 적용한 최소 유입량인 0.01L/min에서도 배수가 전혀 일어나지 않아 투수성 보도블록으로는 부적합하였다.
- (2) 시간에 따른 증발 양상은 일반적인 다공성 재료와 마찬가지로 이중선형형태로 내부 포화도가 감소하며 증발률은 내부포화도 약 20%에서 크게 변하였다. 이는 간극을 통해 연결된 모세관 현상이 지배하는 초기단계 이후에 증발이 일어나는 경계면의 조건에 영향을 받지 않는 증기확산에 의해 증발률이 낮아짐에 기인한다.
- (3) 유입량이 커질수록 표면유출이 일어나는 높이와 지속시간이 증대하나, 초기에 표면유출이 발생하지 않는 조건에서도(0.13L/min의 경우), 일정 시간이 지난 후에 다시 강우유입이 발생하면 표면유출이 발생하는 것이 관찰되었다. 시간에 따라 표면유출의 높이가 일정하거나 점차 줄어드는 양상은 유입량뿐만 아니라, 내부 간극 상태 및 포화도에 따라 좌우된다.
- (4) 내부 포화도는 표면유출 발생 유량 전까지는 증가하는 양상을 보였으며, 표면유출 발생 후는 일정하게 유지되었다. 이 또한 연결 간극으로 인한 양상으로 보여지며, 종결 포화도는 초기포화도의 영향은 받지 않으며 유입량에 따라 변화하는 것으로 나타났다.
- 이러한 관계를 통하여 표면유출 양상 분석 시간을 단축할 수 있는데, 이는 표면유출 양상은 기계적으로 잴 수 없어 비디오 분석을 통하여 양상을 확인하기에 시간이 오래 걸리는 반면, 배수 속도 분석은 저울로 실시간 값을 읽어 바로 수치적 분석 가능하기 때문이다. 0.25L/min에서는 평균 내부포화도는 88%로 증가하여 전체적으로 일정한 포화도를 유지하는 것으로 나타났으며, 이는 초기부터 표면유출이 발생하기에 이미 대부분의 연결 간극이 배수를 하고 있어 유입 동안 포화도가 더 이상 증가하지 않는 것으로 보인다. 0.
- 1% 감소하여 전체적인 증발은 이중선형(bilinear)을 보인다. 100% 포화에서 시작을 하였으나 15일이 지난 이후에도 투수성 보도블록은 완전히 건조하지 않고 약 4.4%의 포화도를 유지함을 알수 있다. 이중선형 형태의 증발양상은 흙에서도 일반적으로 관찰되는 현상으로, 초기의 빠른 증발속도는 증발면의 온도, 습도 등의 조건에 영향을 받아 간극을 따라 연결된 물이 모세관 현상으로 증발되는 Stage 1이 된다.
- KS F 4419에 따르면 투수성 보도블록의 투수계수는 0.1mm/sec 이상을 만족해야 하며, 본 연구에서 측정된 투수계수의 경우 P5 시편의 경우 변수위 실험을 통하여 0.001mm/sec, P10 시편은 정수위 실험을 통하여 투수계수가 0.8312mm/sec로 나타나 P10시편만 KS 규격을 만족시키는 것으로 나타났다(Table 3). P5시편은 사용된 골재 크기가 작아 내부 간극이 충분히 연결되어 있지 않을 것으로 판단되며 실제적으로 불투수성에 가까운 값을 보였다.
- 25L/min까지는 유입량이 증가할 수록 내부포화도가 증가하다가 이후로는 내부포화도가 감소하는 경향을 보인다. 그리고 각각의 유입량에서 시작점, 5분, 1시간, 12시간 경과 후에는 일정한 경향을 가지지 않는 것으로 보아 초기 포화도는 종결 포화도에 영향을 주지 않으며, 종결 포화도는 유입량의 영향을 받는 것으로 보인다. 0.
- 같은 유량에서 초기 조건이 완전건조였던 시작점과 초기 조건이 불포화 상태로 각 내부포화도가 달랐던 5분, 1시간, 12시간 후에서 배수속도가 거의 같았다. 또한 유입량이 증가할수록 배수 속도도 비례하여 증가하였으며, 이를 통하여 초기 포화도 및 표면유출 발생은 전체적인 배수능력에는 영향을 주지 않으며 투수 보도블록에 가해진 유량에 의하여 결정됨을 확인하였다.
- 위의 연구를 통하여 배수와 표면유출과 같은 특성은 투수성 보도블록의 고유한 값으로 고정된 것이 아니라 강우강도 및 선행강우조건에 따른 간극의 상태에 따라 달라짐을 확인하였다. 이를 바탕으로 본 연구는 투수성 보도블록의 기본적 구조로 인한 배수 특성 연구를 통하여 투수성 보도블록 구조의 본질적 이해를 돕고 개선을 하는데 기여할 것으로 사료된다.
- 이는 간극으로 유입된 물이 거의 없다는 것을 보여주며 주어진 유입량이 모두 표면유출되었음을 의미한다. 유입량의 증가에 따라 표면유출의 정도는 선형으로 증가되어 표면유출에 의한 수압증가에도 불구하고 배수는 전혀 발생되지 않았다. 이는 P5시편의 간극비가 낮음과 동시에 간극간 연결도가 매우 불량하여 실질적인 배수가 전혀 일어나지 않음을 의미한다.
- (4) 내부 포화도는 표면유출 발생 유량 전까지는 증가하는 양상을 보였으며, 표면유출 발생 후는 일정하게 유지되었다. 이 또한 연결 간극으로 인한 양상으로 보여지며, 종결 포화도는 초기포화도의 영향은 받지 않으며 유입량에 따라 변화하는 것으로 나타났다.
- 또한 보도블록의 표면유출과 물고임으로 인해 보행자의 편의성이 저해된다(Yang and Jiang, 2003). 이에 대한 해결책으로 제안된 투수성 보도블록은 기존에 사용되어온 일반 보도블록에 비하여 약 30% 이상의 우수유출 저감 효과를 보이는 것으로 나타났다(Lee et al., 2012; Lee et al., 2007). 이 밖에도 투수성 보도블록은 배수에 따른 지하수 함양, 가로수와 같은 도심지역의 식생물의 성장 촉진, 간극을 통한 우수의 정화, 도심지 열섬 현상으로 인한 에너지 손실 비용 저감, 빛 번짐 저감 및 도로에서의 소음 감소 등과 같은 장점을 가진다(Tennis et al.
- 4일까지 선형으로 진행된다. 이후 포화도 감소율이 급격히 감소하여 하루에 약 2.1% 감소하여 전체적인 증발은 이중선형(bilinear)을 보인다. 100% 포화에서 시작을 하였으나 15일이 지난 이후에도 투수성 보도블록은 완전히 건조하지 않고 약 4.
- 앞서 기술한대로, 각 단계별 배수실험의 포화도 초기값은 이전 단계의 포화도 및 증발실험으로부터 보정한 값을 사용하여 계산하였다. 초기 건조상태였던 시작점에서 포화도 37% 이후 600초(10분)동안 22%의 증가율을 보였으며, 5분 후와 1시간 후 또한 약 20%의 증가율을 보이다가 12시간 후에서 내부 포화도가 약 65%의 일정한 값을 갖는 것으로 나타났다.
- 측정된 강도는 Table 2에 정리된 바와 같이 P5와 P10시편 모두 KS F 2405 및 2408에 따른 강도규격을 만족시키며 특히 P5 시편의 경우 압축강도는 약 4.1배, 휨강도는 약 2.2배 크게 나타났다. 반면 P10의 경우는 압축강도 약 1.
후속연구
- 위의 연구를 통하여 배수와 표면유출과 같은 특성은 투수성 보도블록의 고유한 값으로 고정된 것이 아니라 강우강도 및 선행강우조건에 따른 간극의 상태에 따라 달라짐을 확인하였다. 이를 바탕으로 본 연구는 투수성 보도블록의 기본적 구조로 인한 배수 특성 연구를 통하여 투수성 보도블록 구조의 본질적 이해를 돕고 개선을 하는데 기여할 것으로 사료된다.
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