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문제 정의
- 따라서 본 연구에서는 다공성콘크리트로 호안블록을 제조 하고 소류력을 분석하기 위하여 실제 하천와 동일한 규모의 실증실험시설에 호안블록을 설치하여 유입량을 조절함으로써 다공성콘크리트 호안블록의 소류력을 평가하고자 하였다.
- 본 연구에서는 다공성콘크리트 호안블록의 수리안정성 평가를 위하여 다공성콘크리트 호안블록을 제조하고, 이를 실규모의 인공하천수로에 설치하여 유속에 따른 소류력을 평가하였으며 그 결과는 다음과 같다.
제안 방법
- 다공성 콘크리트시험체의 크기(B×L×T)는 1.0×1.0×0.15 m 와 0.5×1.0×0.15 m의 2 type으로 제조하였으며, 0.5×1.0×0.15 m 시험체는 1.0×1.0×0.15 m 시험제를 절단하여 제작하였다.
- 수리안정성을 평가하기 위한 소류력 시험은 관련 국내기준이 전무하여 ASTM D 7276-08 및 7277-08에 준하여 실시하였으며 유입유량을 조절하여 저유속에서 부터 고유속에 따른 총 7회의 Case에 대한 실험을 실시하였으며, 실험 전경을 Fig. 4에 나타내었다.
- 15 m 크기의 블록 10개, 총 20개의 블록으로 구성하여 설치하였다. 시험체 블록간의 연결은 사슬 또는 케이블을 이용하지 않고 기하학적 형상에 의한 인터록킹(interlock) 방식으로 맞물리도록 하였으며, 블록 상면의 복토 및 식재는 실시하지 않았다.
- 시험체 설치는 해당 수로 저면에 조성된 폭 1.5 m, 연장 10.0 m의 인공 Pond 내에 설치하되, 하부에 모래로 구성된 230~370 mm의 기반층을 콤펙타를 이용하여 2층으로 다짐을 실시하여 포설한 뒤 블록 내의 식생공으로 하천수가 유입되어 기반층이 유실됨으로써 블록이 침하되는 것을 방지하기 위하여 부직포를 포설한 뒤 블록을 설치하였다. 블록은 실험수로의 폭이 1.
- 실규모의 수리특성 시험을 위한 다공성콘크리트는 기존의 선행연구결과(Kim et al., 2015) 및 제조설비를 고려하여 목표 공극률 10%, 골재입도 5~13 mm의 배합으로 결정하였으며, 팬믹서를 이용하여 일괄혼합방식으로 총 3분간 혼합하여 제작한 후 8시간의 증기양생 후 28일간의 기건양생을 실시하였다. 사용된 배합표는 Table 3에 나타낸 바와 같다.
- 실험은 각 Case에 대하여 일정한 유량을 방류하여 유속이 일정하게 유지되는 것을 관찰한 후 총 4시간 동안의 블록 침하및 유실, 기반층의 상태를 관찰하여 파괴 정도를 판단하였다.
- 제조된 다공성콘크리트블록을 100×100×100 mm 사이즈로 절단한 뒤 총 35회의 압축강도 및 실측공극률시험을 실시하였으며, 실험 결과는 다음 Fig. 5와 같다.
대상 데이터
- 블록은 실험수로의 폭이 1.5 m인 것을 고려하여 1.0×1.0×0.15 m 크기의 블록 10개와 0.5×1.0×0.15 m 크기의 블록 10개, 총 20개의 블록으로 구성하여 설치하였다.
- 소류력 평가를 위한 실험 부지는 경상북도 안동시내 한국 건설기술연구원 안동하천실험센터의 급경사수로 구간으로 하였으며, 대상 수로의 폭은 3.0 m, 높이는 2.0 m, 제방경사는 1:2, 종단구배는 약 1.43%(1/70)이며 Fig. 2와 3에 대상수로의 전경 및 제원을 나타내었다.
- 이 실험에서 사용한 굵은골재는 화강암질 부순돌을 사용하였으며, 골재의 물리적 성질은 Table 1과 같다.
- 이 실험에서 사용한 시멘트는 국내 S사의 밀도 3.15 g/cm3, 분말도 3,318 cm2/g의 보통 포틀랜드시멘트를 사용하였다.
- 혼화제로는 시멘트 분리작용과 미세공기 연행으로 단위 수량저감, 워커빌리티(Workability)및 내동해성을 개선시키는 국내 S사 제품의 고성능 AE감수제를 사용하였으며, 그 특성은 Table 2와 같다.
이론/모형
- 공극률시험은 일본콘크리트공학협회의 에코콘크리트연구 위원회가 포러스콘크리트의 공극률 시험방법으로 제안한 용적법에 의하여 측정하였다(JCI, 1995). 공극률은 식 (1)에 의하여 계산하였다.
- 압축강도 시험은 제조된 1.0×1.0×0.15 m 크기의 다공성호안블록을 100×100×100 mm 사이즈로 절단하여 KS F 2405 콘크리트의 압축강도 시험방법 및 SPS-KCIC0001-0703 콘크리트 호안 및 옹벽 블록기준에 준하여 1,000 kN 유압식 강도시험기를 사용하여 측정하였다.
성능/효과
- 1) 다공성콘크리트 호안블록의 공극률 및 압축강도 특성 평가 결과, 실측공극률은 8.1~11.9% 범위를 나타내 평균 약 10.1%의 공극률을 나타내었다. 목표공극률을 10%로 설정한 것과 비교하면 실측공극률과 목표공극률이 거의 차이가 없는 것으로 나타났다.
- 2) 다공성콘크리트 호안블록의 수리안정성 평가를 위하여 실규모의 인공하천수로에서 유량 및 유속에 따른 7가지 실험 조건에 대하여 실험한 결과, 유입수조의 위어에서 측정한 유량과 해당 블록설치구간에서의 수심과 수위를 측정하여 계산한 유량과 다소 차이를 나타내었다. 이는 블록의 설치 구간에서 블록간 사이로 흐르는 유량에 기인한 것으로 판단된다.
- 3) 또한, 유량이 증가할수록 유속도 증가하였으며, 위치에 따른 유속의 차이는 미미한 것으로 나타났다. 하지만 수심의 경우 블록 종점부에서 블록의 형상으로 인한 와류발생으로 유속이 감소하면서 수위가 증가하는 것으로 나타났으며, 종점부를 지난 후에는 다시 낮아지는 것으로 나타났다.
- 4) ASTM D 7276-08 기준에 따라 조도계수를 산정한 결과 각 실험조건에 따라 약 0.011~0.014의 값이 측정되었으며, 기존 발표된 연구결과의 경우 호안블록의 조도계수는 0.020~ 0.022, 식생매트의 경우 0.014~0.018 사이의 값이 측정되었음을 고려하여 보면 차이를 나타내었다. 이는 기존 연구결과가 블록 및 식생매트의 손상과 블록의 형상 차이로 인해 조도계수값이 차이가 발생한 것으로 사료된다.
- 5) 각 실험조건에 따른 소류력을 산정한 결과, 발생 유속 2.321~4.246 m/s에 대하여 소류력은 13.597~47.204 N/m2이 측정되었다. 따라서 본 실험에서의 한계소류력은 47.
- 204 N/m2이 측정되었다. 따라서 본 실험에서의 한계소류력은 47.204 N/m2으로, 하천설계실무요령에서 제시된 하도별 수리특성과 비교하여 보면 완류부 또는 준완류부의 소류력 범위에 해당되어, 준급류부 또는 급류부의 발생소류력 보다는 낮은 값으로 판단된다. 하지만 본 실험결과, 블록 및 기반층의 유실이나 손상이 전혀 관찰되지 않았고, 기존 선행연구를 참고하여 볼때 그 이상의 소류력에도 저항력을 가질 수 있는 것을 추정하여 볼 수 있다.
- 따라서, 위와 같이 블록 및 기반층과 부직포의 유실 여부를 관찰하여 파괴가 확연할 때 최종 파괴라 판단하였다.
- 1%의 공극률을 나타내었다. 목표공극률을 10%로 설정한 것과 비교하면 실측공극률과 목표공극률이 거의 차이가 없는 것으로 나타났다. 한국콘크리트공업협동조합연합회의 콘크리트 호안 및 옹벽 블록의 기준을 보면 다공성 블록의 경우 압축강도를 시료의 크기에 따라 13~16 MPa 이상으로 규정하고 있으므로 16.
- 5 MPa로 측정되었다. 실측공극률은 8.1~ 11.9% 범위를 나타내 평균 약 10.1%의 공극률을 나타내었다. 목표공극률을 10%로 설정한 것과 비교하면 실측공극률과 목표공극률이 거의 차이가 없는 것으로 나타났다.
- 112 m/s 가량 차이를 보였다. 실험 Case 2의 유입 유량은 유입수조의 수위를 이용하여 산출한 결과 1.194 m3/s 으로 측정되었으며 유속은 좌안에서는 2.818 m/s, 중앙에서는 2.580 m/s, 우안에서는 2.807 m/s가 측정되어 측정위치에 따라 유속이 0.011~0.238 m/s 가량 차이를 보였다. 실험 Case 3의 유입 유량은 유입수조의 수위를 이용하여 산출한 결과 2.
- 133 m/s 가량 차이를 보였다. 실험 Case 4의 유입 유량은 유입수조의 수위를 이용하여 산출한 결과 2.871 m3/s 으로 측정되었으며 유속은 좌안에서는 3.779 m/s, 중앙에서는 3.802 m/s, 우안에서는 3.668 m/s가 측정되어 측정위치에 따라 유속이 0.023~0.134 m/s 가량 차이를 보였다. 실험 Case 5의 유입 유량은 유입수조의 수위를 이용하여 산출한 결과 3.
- 실험결과를 살펴보면 실험 Case 1의 유입 유량은 유입수조의 수위를 이용하여 산출한 결과 0.598 m3/s 으로 측정되었으며 유속은 좌안에서는 2.281 m/s, 중앙에서는 2.287 m/s, 우안에서는 2.393 m/s가 측정되어 측정위치에 따라 유속이 0.006~0.112 m/s 가량 차이를 보였다. 실험 Case 2의 유입 유량은 유입수조의 수위를 이용하여 산출한 결과 1.
- 이를 고찰하여 보면 본 실험에서 도출된 소류력(47.204 N/m2)은 준완류부에서의 소류력 범위에 해당하며, 준급류부 및 급류부에서의 설치는 불가능한 것으로 나타났다.
- 이를 고찰하여 보면 압축강도 16.6~23.2 MPa의 범위가 나타났으며 평균 19.5 MPa로 측정되었다. 실측공극률은 8.
- 3) 또한, 유량이 증가할수록 유속도 증가하였으며, 위치에 따른 유속의 차이는 미미한 것으로 나타났다. 하지만 수심의 경우 블록 종점부에서 블록의 형상으로 인한 와류발생으로 유속이 감소하면서 수위가 증가하는 것으로 나타났으며, 종점부를 지난 후에는 다시 낮아지는 것으로 나타났다.
- 목표공극률을 10%로 설정한 것과 비교하면 실측공극률과 목표공극률이 거의 차이가 없는 것으로 나타났다. 한국콘크리트공업협동조합연합회의 콘크리트 호안 및 옹벽 블록의 기준을 보면 다공성 블록의 경우 압축강도를 시료의 크기에 따라 13~16 MPa 이상으로 규정하고 있으므로 16.6~23.2 MPa 의 범위 강도는 호안블록으로 적용하기 적절한 것으로 판단하였다.
후속연구
- 하지만 본 실험결과, 블록 및 기반층의 유실이나 손상이 전혀 관찰되지 않았고, 기존 선행연구를 참고하여 볼때 그 이상의 소류력에도 저항력을 가질 수 있는 것을 추정하여 볼 수 있다. 따라서 추후 실험조건 등을 조정하여 실질적인 한계소류력 측정을 위한 실험을 다시 수행할 필요가 있다고 판단된다.
- 204 N/m2)은 준완류부에서의 소류력 범위에 해당하며, 준급류부 및 급류부에서의 설치는 불가능한 것으로 나타났다. 하지만 본 실험에서 블록과 부직포, 기반층의 손상이 전혀 관찰되지 않은 것을 생각하여보면 50 N/m2 이상의 소류력에서 충분히 저항할 수 있을 것으로 예상할 수 있으며, 추후 환경조건을 조정하여 블록의 한계소류력의 측정을 위한 연구를 진행할 필요가 있다고 사료된다.
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