도시의 노후화에 따른 상하수도관의 파손사례가 점차 증가하면서 지반함몰의 발생도 크게 증가하고 있고 도시과밀화에 따른 건설과 굴착공사들이 빈번해지고 있다. 특히, 도심에서는 lifeline이 지하화 되면서 지중에서 굴착과 되메움에 따라 원지반의 안정상태가 불안정한 상태를 갖게 된다. 이를 해결하기 위한 방법으로 양호한 토사다짐이나 그라우팅에 의한 지반보강법이 적용되고 있지만 지하매설물의 파손에 따른 시기를 예측키 어렵고, 지반내 구조물의 탐사방법도 한계가 있어 지반함몰과 같은 위험요소를 해결하기는 어려움이 있다. 따라서, 본 연구에서는 사전에 위험요소를 제거하기 위한 방법의 일환으로 개발된 빈배합상태의 혼화재를 포함한 수용성폴리머파우치에 대해 지반보강 적용성을 평가하였다. 대기속에 보관가능한 파우치의 특성과 지하수위내부에서의 수용성 및 일정시간내 융해됨에 따른 보강강도의 발현을 확인할 수 있었다. 이를 통해 상하수도관 매설시 뒤채움재에 혼합매설하는 경우, 지반내 물의상태에 따라 지반의 연약화를 방지가능할 수 있게 되었다.
도시의 노후화에 따른 상하수도관의 파손사례가 점차 증가하면서 지반함몰의 발생도 크게 증가하고 있고 도시과밀화에 따른 건설과 굴착공사들이 빈번해지고 있다. 특히, 도심에서는 lifeline이 지하화 되면서 지중에서 굴착과 되메움에 따라 원지반의 안정상태가 불안정한 상태를 갖게 된다. 이를 해결하기 위한 방법으로 양호한 토사다짐이나 그라우팅에 의한 지반보강법이 적용되고 있지만 지하매설물의 파손에 따른 시기를 예측키 어렵고, 지반내 구조물의 탐사방법도 한계가 있어 지반함몰과 같은 위험요소를 해결하기는 어려움이 있다. 따라서, 본 연구에서는 사전에 위험요소를 제거하기 위한 방법의 일환으로 개발된 빈배합상태의 혼화재를 포함한 수용성폴리머파우치에 대해 지반보강 적용성을 평가하였다. 대기속에 보관가능한 파우치의 특성과 지하수위내부에서의 수용성 및 일정시간내 융해됨에 따른 보강강도의 발현을 확인할 수 있었다. 이를 통해 상하수도관 매설시 뒤채움재에 혼합매설하는 경우, 지반내 물의상태에 따라 지반의 연약화를 방지가능할 수 있게 되었다.
There have been a number of water and sewer pipe breakdown reports followed by ground subsidence. Also, the excavating works for construction due to overcrowding of city have been common. Particularly, in urban areas ground becomes unstable because of the lowered lifeline sinkage followed excavation...
There have been a number of water and sewer pipe breakdown reports followed by ground subsidence. Also, the excavating works for construction due to overcrowding of city have been common. Particularly, in urban areas ground becomes unstable because of the lowered lifeline sinkage followed excavation and backfilling. In order to solve the problem, some reinforcement works for ground by rod tamping or grouting have been applied. However, it is hard to predict when the buried utilities in underground will be damaged. Also, there is a limit for the underground exploration and investigation methods. Therefore, in this study, the estimated about the water soluble polymer pouch including poor mixed admixture which is designed to eliminate the dangerous factors. The reinforcement strength of this method was confirmed by verifying three points: meltiness in a certain period, water solubility in the ground water level, and characteristics of the pouch, which can be stored in daily conditions. It is also proved that this method allows to keep the ground from getting weakened in the installation of water and sewer pipe along with back filling materials.
There have been a number of water and sewer pipe breakdown reports followed by ground subsidence. Also, the excavating works for construction due to overcrowding of city have been common. Particularly, in urban areas ground becomes unstable because of the lowered lifeline sinkage followed excavation and backfilling. In order to solve the problem, some reinforcement works for ground by rod tamping or grouting have been applied. However, it is hard to predict when the buried utilities in underground will be damaged. Also, there is a limit for the underground exploration and investigation methods. Therefore, in this study, the estimated about the water soluble polymer pouch including poor mixed admixture which is designed to eliminate the dangerous factors. The reinforcement strength of this method was confirmed by verifying three points: meltiness in a certain period, water solubility in the ground water level, and characteristics of the pouch, which can be stored in daily conditions. It is also proved that this method allows to keep the ground from getting weakened in the installation of water and sewer pipe along with back filling materials.
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문제 정의
개발된 빈배합상태의 혼화재를 포함한 수용성 폴리머 파우치에 대해 지반보강 적용성을 평가하였으며, 대기중에 보관 가능한 파우치의 특성과 지하수위 내부에서의 수용성 및 일정시간내 융해됨에 따른 보강강도의 발현을 확인하기 위해 실내시험을 실시하였다.
따라서 본장에서는 최종 상용 제품 개발에 앞서 폴리머 파우치의 내습성 평가를 통해 파우치의 보관 가능시간 및보관 가능한 최대습도를 알아보고자 한다.
그리하여 본 장에서는 실제 현장과 비슷한 조건으로 실내모형 토조실험을 실시하였다. 또한 본 시험을 통해 지하수 흐름에 따른 파우치의 변화특성과 강도특성을 분석해 보았다.
즉, 빈배합 상태의 혼화재를 포함하고 있는 파우치의 대기상에서의 존재상태, 지하수 흐름이 있는 경우 파우치의 시간의존적 수용성 및 경화, 경화 후 일정강도의 유지등의 문제점에 대해 사전연구가 필요하므로 이에 대한 방법들에 대해 조사 분석 하였다. 또한, 개발된 재료의 경우 수용성에 있어서 시간의존성을 가지므로 당초 지하매설물의 뒤채움재에 혼합하여 다짐 매설되는 경우 지하수, 우수 및 관로 파손에 의한 유출수 등에 선제적으로 반응하여 지반의 연약화를 방지할 수 있는 기능도 확인해보고자 한다.
본 연구에서는 상기와 같은 목적으로 개발되고 있는 수용성폴리머파우치의 시공방법, 시공조건, 보관 조건 등을 고려하는 재료적측면의 기초적 연구를 수행하였다. 즉, 빈배합 상태의 혼화재를 포함하고 있는 파우치의 대기상에서의 존재상태, 지하수 흐름이 있는 경우 파우치의 시간의존적 수용성 및 경화, 경화 후 일정강도의 유지등의 문제점에 대해 사전연구가 필요하므로 이에 대한 방법들에 대해 조사 분석 하였다.
본 연구에서는 지하수 흐름이 있는 지반공동에 긴급 뒤채움을 하거나 지반함몰이 발생하기 전의 현장에서 사전위험요소를 제거하기 위한 방법의 일환으로 수용성 폴리머 파우치의 활용성에 대해 모형시험을 실시하였다. 개발된 빈배합상태의 혼화재를 포함한 수용성 폴리머 파우치에 대해 지반보강 적용성을 평가하였으며, 대기중에 보관 가능한 파우치의 특성과 지하수위 내부에서의 수용성 및 일정시간내 융해됨에 따른 보강강도의 발현을 확인하기 위해 실내시험을 실시하였다.
, 1999). 이에 PVP의 수용해성을 유지하면서 기계적 강도를 높이기 위해 PVP 및 LDPE의 다양한 혼합비에 따른 블렌딩 및 특성 평가를 진행하였다.
제안 방법
(1) 지반공동이나 지반함몰지역에 긴급보강할 수 있는 재료로 빈배합된 혼화재를 포함한 시간의존성이 있는 수용성 폴리머 파우치를 개발하였다. 개발된 파우치의주 재료는 PVP를 선정하였으며, raw PVP 강도와 신장율 향상을 위해 LDPE를 블렌딩 하였으며 지반에 보강되는 경우 소요되는 값들을 만족한 폴리머임을 확인 하였다.
24시간 경과 후 수용성 폴리머 파우치의 경우 거의 용해된 상태였으며 파우치 내부의 혼화재의 상태는 완전하게 굳은 상태였으며, 혼화재 자체의 강도를 측정하기 위해 겉부분의 흙시료와 수용성 폴리머 부분 제거가 가능한 파우치 3개(7, 8, 9번 파우치)의 압축강도만을 측정해 보았다.
내습성 실험은 각 습도 조건 별 72시간, 144시간, 216시간 동안 관찰하였으며, 항습장치를 통하여 습도는 일정하게 유지하였다. 각 시간대별로 폴리머의 외부 상태와 내부 혼화재의 상태를 육안으로 관찰하였다.
그러나, 수용해성 시험의 경우 완전하게 포화된 상태에서 제한된 조건을 적용하여 실시하였기 때문에 실제 현장에서 적용시 폴리머 파우치의 시간의존성 특성이 어떤 형태로 발현되는지 확인이 필요하다. 그리하여 본 장에서는 실제 현장과 비슷한 조건으로 실내모형 토조실험을 실시하였다. 또한 본 시험을 통해 지하수 흐름에 따른 파우치의 변화특성과 강도특성을 분석해 보았다.
내습성 실험은 각 습도 조건 별 72시간, 144시간, 216시간 동안 관찰하였으며, 항습장치를 통하여 습도는 일정하게 유지하였다. 각 시간대별로 폴리머의 외부 상태와 내부 혼화재의 상태를 육안으로 관찰하였다.
실험에 사용한 시료는 시방서 조건에 충족하며 원활한 실험진행이 가능하도록 주문진 표준사를 사용하였으며, 세립분(입경 75μm 이하)의 경우 하수관거 굴착토사 되메움 조건(입경 75μm 15%이하)을 참고하여 선정하였다. 단 모형 토조내 물과 수용성 폴리머 파우치가 반응할 수 있는 최소한의 포화를 위해 세립분의 양은 20%로 설정하였다.
시험 시작 후 30분 단위로 확인하였으며, 혼화재의 초속경 시멘트의 영향으로 시험 시작 150분부터(5번 파우치 이후)는 더 이상 인력에 의해 분쇄되기 어려운 상태까지 굳은 것을 확인 할 수 있었다. 따라서 24시간 후 6번부터 9번까지 파우치를 강도 측정용 시료로 채취하였다.
5(a)와 같은 소형 디지털 항습장치를 사용하였다. 또한 50%, 70%, 90%로 습도조건을 설정하였다(Fig. 5(b)~(d)).
본 장에서는 파우치의 현장 적용성 및 실험의 편의성을 위해 앞서 언급된 PVP와 LDPE가 7:3의 비율로 혼합된 수용성 폴리머를 이용하여 20×20×20mm의 정육면체형태로 제작하였다.
수용성 폴리머 파우치 내부 재료인 무기질계 혼화재는 파우치가 모두 용해된 후 최종적으로 공동에 채워지는 충전재로 공동부의 지중응력과 비슷한 압축강도를 확보하기 위해 압축강도 0.7Mpa ~ 1.0Mpa로 목표강도를 설정하였 으며, 이에 따른 배합비를 설정하였다. 또한 긴급복구용으로 개발되는 제품이기에 시간 의존성 강도발현을 위해 초속경 시멘트를 사용하였다.
여름철 평균 시간당 강수량을 고려하여 토조 면적에 따른 최대 강우량을 3L/1hour 로 책정하였다. 이에 토조에는 시간당 3L의 물을 투과시켰으며, 30분 단위로 폴리머 파우치를 순차적으로 꺼내어 파우치의 외관과 내부 혼화재의 상태를 살펴보았다.
특히, 인장강도의 경우 낮은 함량의 LDPE를 블렌딩 시에도 높은 강도증가를 확인할 수 있다. 이에 본 연구에서 적합한 블렌딩 비율은 3:7(LDPE:PVP) 비율로 설정하였다.
여름철 평균 시간당 강수량을 고려하여 토조 면적에 따른 최대 강우량을 3L/1hour 로 책정하였다. 이에 토조에는 시간당 3L의 물을 투과시켰으며, 30분 단위로 폴리머 파우치를 순차적으로 꺼내어 파우치의 외관과 내부 혼화재의 상태를 살펴보았다.
본 연구에서는 상기와 같은 목적으로 개발되고 있는 수용성폴리머파우치의 시공방법, 시공조건, 보관 조건 등을 고려하는 재료적측면의 기초적 연구를 수행하였다. 즉, 빈배합 상태의 혼화재를 포함하고 있는 파우치의 대기상에서의 존재상태, 지하수 흐름이 있는 경우 파우치의 시간의존적 수용성 및 경화, 경화 후 일정강도의 유지등의 문제점에 대해 사전연구가 필요하므로 이에 대한 방법들에 대해 조사 분석 하였다. 또한, 개발된 재료의 경우 수용성에 있어서 시간의존성을 가지므로 당초 지하매설물의 뒤채움재에 혼합하여 다짐 매설되는 경우 지하수, 우수 및 관로 파손에 의한 유출수 등에 선제적으로 반응하여 지반의 연약화를 방지할 수 있는 기능도 확인해보고자 한다.
플라스틱 수조의 규격은 200×300×200mm로 지하수의 흐름을 모사하기 위해 토조 바닥 부분은 일정 간격으로 배수구멍을 만들었다.
대상 데이터
하지만 지반 보강용 파우치로 사용하기 위해서는 주입기의 압력을 견딜수 있는 강도가 필요하며, 지하 공동안에서 깨지지 않고 파우치 형태를 유지할 수 있는 형태가 필요하다. 따라서 높은 강도를 갖는 LDPE를 블랜드 재료로 선정하였다. LDPE는 녹는점이 130°C로 PVP의 녹는점(120°C)과 유사 하며 용융상 점도가 낮아 블렌딩 및 파우치 성형하기 유리한 이점을 가지고 있다(Forster et al.
0Mpa로 목표강도를 설정하였 으며, 이에 따른 배합비를 설정하였다. 또한 긴급복구용으로 개발되는 제품이기에 시간 의존성 강도발현을 위해 초속경 시멘트를 사용하였다.
본 연구에 사용된 폴리머는 Low Density Polyethylene (이하 LDPE, Sigma Aldrich, Korea, Mw=35000)와 Polyvinylpyrrolidone (이하 PVP, Daejung Chemical, Korea, Mw=20000, 40000, 120000) 을 사용하였다. PVP는 상온의 물속에서 쉽게 용해되는 고분자 일뿐만 아니라 가격이 매우 저렴한 열경화성 고분자로 대량생산에 용이한 특성을 가지고 있다(Ahlneck and Zografi, 1990).
6은 모형시험 모식도 및 실험 진행사항을 나타낸 것이다. 수용성 폴리머 파우치는 단위시간에 따른 폴리머의 변화를 살펴보기 위해 총 9개를 매설하였다. 플라스틱 수조의 규격은 200×300×200mm로 지하수의 흐름을 모사하기 위해 토조 바닥 부분은 일정 간격으로 배수구멍을 만들었다.
실험에 사용한 시료는 시방서 조건에 충족하며 원활한 실험진행이 가능하도록 주문진 표준사를 사용하였으며, 세립분(입경 75μm 이하)의 경우 하수관거 굴착토사 되메움 조건(입경 75μm 15%이하)을 참고하여 선정하였다.
Table 2는 무기질계 혼화재의 배합표를 나타낸 것이다. 잔골재는 주문진 표준사를 사용하였으며, 초속경 시멘트의 물성치값은 Table 3에 나타내었다. Fig.
현장조건 모사를 위해 모형토조내에 사용되는 시료는 상수도공사 표준시방서(환경부, 2014)와 하수관거공사 표준시방서(환경부, 2010)를 참고하여 선정하였다. 실험에 사용한 시료는 시방서 조건에 충족하며 원활한 실험진행이 가능하도록 주문진 표준사를 사용하였으며, 세립분(입경 75μm 이하)의 경우 하수관거 굴착토사 되메움 조건(입경 75μm 15%이하)을 참고하여 선정하였다.
성능/효과
(2) 개발된 수용설폴리머의 내습성 시험 결과 70%이하의 상대습도에서는 파우치 내부 혼화재의 상태변화가 없거나 미비하여 장기간 보관이 가능할 것으로 판단된다. 상대습도 90%에서의 폴리머와 내부 혼화재 모두빠르게 변화하는 것을 확인할 수 있었다.
(3) 지중에 수용성폴리머 파우치를 뒤채움시 동시에 매립 하는 경우, 지중에 우수나 지하수와 반응하여 지반내 보강재로서 역할을 할 수 있음도 확인하였다.
5(f)에서 보는바와 같이 무기질계혼화재를 채운 파우치의 경우 폴리머 부분이 젤 형태로 변화하였다가 3일(72 hour)이 지난 후에야 젤 형태에서 물에 용해되는 것을 확인할 수 있었다. 3일 경과 후 경화된 혼화 재의 강도는 0.65Mpa로 목표 강도인 0.7Mpa ~ 1.0Mpa에 도달하지 못하였지만 정확하지 않은 조건에서도 거의 목표한 값과 유사한 강도를 발현함을 확인하였다. 이는 수용성폴리머의 수용성 한계와 시간의존적 특성을 고려한 지속적인 연구를 통해 가능함을 알 수 있었다.
(1) 지반공동이나 지반함몰지역에 긴급보강할 수 있는 재료로 빈배합된 혼화재를 포함한 시간의존성이 있는 수용성 폴리머 파우치를 개발하였다. 개발된 파우치의주 재료는 PVP를 선정하였으며, raw PVP 강도와 신장율 향상을 위해 LDPE를 블렌딩 하였으며 지반에 보강되는 경우 소요되는 값들을 만족한 폴리머임을 확인 하였다. 또한, 본 연구에 적합한 블렌딩 비율은 3:7 (LDPE:PVP) 비율인 경우 가장 적합한 재료로 확인되었다.
개발된 파우치의주 재료는 PVP를 선정하였으며, raw PVP 강도와 신장율 향상을 위해 LDPE를 블렌딩 하였으며 지반에 보강되는 경우 소요되는 값들을 만족한 폴리머임을 확인 하였다. 또한, 본 연구에 적합한 블렌딩 비율은 3:7 (LDPE:PVP) 비율인 경우 가장 적합한 재료로 확인되었다.
(2) 개발된 수용설폴리머의 내습성 시험 결과 70%이하의 상대습도에서는 파우치 내부 혼화재의 상태변화가 없거나 미비하여 장기간 보관이 가능할 것으로 판단된다. 상대습도 90%에서의 폴리머와 내부 혼화재 모두빠르게 변화하는 것을 확인할 수 있었다. 따라서, 우리나라에서와 같이 우기철 습도가 높은 경우에는 제습제 등을 활용하는 경우 장기적 보관이 가능할 것으로 판단된다.
7는 시간에 따른 매설된 폴리머 파우치의 상태 변화이다. 시험 시작 후 30분 단위로 확인하였으며, 혼화재의 초속경 시멘트의 영향으로 시험 시작 150분부터(5번 파우치 이후)는 더 이상 인력에 의해 분쇄되기 어려운 상태까지 굳은 것을 확인 할 수 있었다. 따라서 24시간 후 6번부터 9번까지 파우치를 강도 측정용 시료로 채취하였다.
Table 1은 폴리머 블렌딩에 따른 인장강도 와 신장율을 나타낸 것이다. 표에서 알 수 있듯이 LDPE의 함유량이 높아질수록 인장강도와 신장률이 증가함을 확인할 수 있다. PVP의 낮은 인장강도에 비해 높은 강도 및 연성을 띄는 LDPE의 복합화로 인하여 LDPE의 특성을 갖게 되기 때문 이다.
후속연구
따라서 습도가 높은 여름철, 파우치의 장기보관을 위해서는 실리카겔과 같은 제습제를 이용하거나 제작과 동시에 사용가능한 방법을 이용하면 보다 실용적일 수 있다. 단, 제한적 상태의 시험이므로 좀 더 짧은 시간과 제습상태를 고려한 추가적 연구가 필요하다.
따라서 본 연구에서는 내습성 시험과 강도발현 실내시험을 통해 수용성파우치가 지반함몰 및 지하 공동 복구 등에 긴급보강재로 활용 가능한 것을 확인할 수 있었으며, 다양한 조건의 추가적인 실험을 통해 개발 재료의 개선에 도움을 줄 수 있을 것으로 판단된다. 추후 수용해성 능력이 개선된 파우치와 혼화재의 개선을 통해 긴급복구용 지반보강재 뿐만 아니라 지하매설물의 뒤채움재로 사용시 시간의 존성 특성으로 인해 지반의 연약화를 방지하는 목적으로도 활용될 것을 기대하는 바이다.
1은 PVP와 LDPE 의 SEM 이미지를 나타낸 것이다. 비슷한 구조를 가진 PVP와 LDPE는 향후 강도발현을 위한 블렌딩 시 수용성 특성을 고려한 파우치의 제작 및 활용이 가능케 된다.
0Mpa에 도달하지 못하였지만 정확하지 않은 조건에서도 거의 목표한 값과 유사한 강도를 발현함을 확인하였다. 이는 수용성폴리머의 수용성 한계와 시간의존적 특성을 고려한 지속적인 연구를 통해 가능함을 알 수 있었다.
따라서 본 연구에서는 내습성 시험과 강도발현 실내시험을 통해 수용성파우치가 지반함몰 및 지하 공동 복구 등에 긴급보강재로 활용 가능한 것을 확인할 수 있었으며, 다양한 조건의 추가적인 실험을 통해 개발 재료의 개선에 도움을 줄 수 있을 것으로 판단된다. 추후 수용해성 능력이 개선된 파우치와 혼화재의 개선을 통해 긴급복구용 지반보강재 뿐만 아니라 지하매설물의 뒤채움재로 사용시 시간의 존성 특성으로 인해 지반의 연약화를 방지하는 목적으로도 활용될 것을 기대하는 바이다.
3는 제작된 PVP 필름과 무기질계 혼화재를 이용하여 제작된 폴리머 파우치 사례이다. 파우치 내부에 무기질계 혼화재를 3단다짐으로 채워 밀봉한 것으로 추후 최종 파우치의 형태는 구형으로 제작될 예정이다. 이는 향후 지하 공동에 적용할 경우 파우치의 형태가 직각인 사각형태보다 구형의 형태가 공극발생을 최소화 하여 충진율이 더 좋기 때문이다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
서울시는 지반함몰이나 도로함 몰등의 주 원인을 무엇으로 구분하는가?
도심지에서 최근 발생하고 있는 지반함몰이나 도로함 몰등의 주 원인을 구분하며 서울시(Seoul Metropolitan Government, 2015)에서 관거유입형, 매설관하부 공간유 입형, 매립재의 공간유입형 및 굴착공사장 배면유입형으로 크게 4가지로 구분하여 제시하고 있다. 그러나 도로함 몰의 경우 지표면에서부터 지하1.
블랜드 재료로 LDPE를 선정한 이유는?
따라서 높은 강도를 갖는 LDPE를 블랜드 재료로 선정하였다. LDPE는 녹는점이 130°C로 PVP의 녹는점(120°C)과 유사 하며 용융상 점도가 낮아 블렌딩 및 파우치 성형하기 유리한 이점을 가지고 있다(Forster et al., 2001). 또한 매우 높은 충격강도를 가지고 있어 지반보강용 폴리머 파우치를 원하는 강도로 제작하기 용이하다. Fig.
PVP가 가진 특성은?
본 연구에 사용된 폴리머는 Low Density Polyethylene (이하 LDPE, Sigma Aldrich, Korea, Mw=35000)와 Polyvinylpyrrolidone (이하 PVP, Daejung Chemical, Korea, Mw=20000, 40000, 120000) 을 사용하였다. PVP는 상온의 물속에서 쉽게 용해되는 고분자 일뿐만 아니라 가격이 매우 저렴한 열경화성 고분자로 대량생산에 용이한 특성을 가지고 있다(Ahlneck and Zografi, 1990). 하지만 지반 보강용 파우치로 사용하기 위해서는 주입기의 압력을 견딜수 있는 강도가 필요하며, 지하 공동안에서 깨지지 않고 파우치 형태를 유지할 수 있는 형태가 필요하다.
참고문헌 (11)
Ahlneck, C. and Zografi, G. (1990). The molecular basis of moisture effects on the physical and chemical stability of drugs in the solid state. International Journal of Pharmaceutics, 62(2-3), 87-95.
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Forster, A., Hempenstall, J., and Rades, T. (2001). Characterization of glass solutions of poorly water-soluble drugs produced by melt extrusion with hydrophilic amorphous polymers. Journal of Pharmacy and Pharmacology, 53(3), 303-315.
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Ministry of Environment (2014), Waterworks Construction Standard Specification.
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