1. 서론
도시화에 따른 불투수면의 확산과 기후변화에 따른 급격한 강우강도 변화 및 집중강우의 증가는 우수 지표유출의 증가, 지하수 자원의 감소, 도시 하류지역의 수해증가, 도시평균기온 상승 등 다양하며 복합적인 도시문제를 발생시킨다(Booth and Leavitt, 1999; Brattebo and Booth, 2003). 예를 들어, 서울시의 경우 불투수 면적이 1962년 7.8%에서 2010년 47.7%로 6배 가까이 증가하였고, 이로 인해, 강우 시 첨두유출시간이 감소하고 단기간 집중유출이 증대되어, 폭우로 인한 도시홍수 등의 문제가 심화되고 있는 실정이다(Kim and Sim, 2013).
이와 같은 도시화 및 기후변화의 복합적인 원인으로 인한 문제에 대응하기 위한 방법 중의 하나로, 기존에 포장체 및 하부구조로의 우수침투를 허용하지 않는 전통적인 포장시스템과 다른, 침투를 허용하는 투수성 포장으로 도로포장을 설계 및 시공하는 사례가 늘고 있는 것은 전세계적인 추세이다(Scholz and Grabowiecki, 2007). 투수성 포장은 강우를 노반으로 침투시켜 지표면 유출수를 감소시키고, 지하수를 공급하여 도시우수관리를 가능하게 하며, 도시에서의 식물 환경개선과 지표온도저감 등의 긍정적 효과를 수반하는 것으로 알려져 있다(Pratt et al, 1999). 투수성 포장의 투수성 및 침투성에 대한 주목할 만한 연구로는, Bean et al.(2007a, 2007b) 및 Collins et al. (2008)이 투수성 포장의 침투성 및 수질개선 성능을 평가하기 위하여 미국 North Carolina 주에 실증 투수성 주차장 시설을 구축하고 계측한 바 있다.
한편, 투수성 포장은 시공 후 우수유출수 내의 오염물질, 분진, 입자, 차량 오염물 등으로 포장체 표면의 공극이 막히는 현상(폐색현상)이 발생하는 경우 투수성능이 감소할 수 있는 것으로 알려져 있다(Pezzaniti et al., 2009). 투수성 포장의 폐색현상에 대한 연구사례로, Amirjani(2010)는 일정한 농도로 교반된 폐색입자와 물이 침투할 때, 투수성 콘크리트 혹은 하부재료의 투수계수가 감소하는 경향을 정수두시험을 통해 분석하였다. Pezzaniti et al. (2009)은 투수성 포장의 표층과 투수기층, 토목섬유로 이루어진 투수성 포장시스템의 폐색에 따른 투수계수의 감소를 실내 정수두 시험과 현장 침투성 시험을 통해 분석하여, 투수성 포장의 수명을 평가하였다. 투수성 포장의 투수계수 및 폐색에 따른 투수계수의 감소는 투수성 포장시스템의 수문설계에 있어 매우 중요한 인자이나, 국제적으로도 투수성 포장의 투수 지속성 평가는 표준화된 시험기법의 정립 없이, 각기 다른 연구자들에 의해 통일성 없이 수행되고 있다. 또한, 투수성 포장시스템의 침투성에 대한 실증자료도 부족한 상황이다(Lim et al., 2015).
본 연구에서는 폐색을 고려한 투수성 포장시스템의 투수계수를 평가할 수 있는 시험장치 및 기법을 정립하기 위한 시도로서, 정수두 시험장치를 제안하고, 투수성 포장재의 한 종류인 투수성 콘크리트의 투수계수 및 폐색에 대한 영향 평가의 예를 보인다.
2. 투수계수 시험장비 및 시험절차
2.1 시험장비
본 연구를 통해 개발한 폐색효과를 고려할 수 있는 투수성 포장-지반시스템의 정수두 투수계수 시험장비가 Fig. 1에 주어져 있으며, 그림에 보인 바와 같이 본 장비는 물과 오염물질 혹은 부유물질을 교반하고 투수계에 물을 공급하기 위한 교반기/펌프, 투수성 포장시스템의 시료를 장착하고 시료의 상류 및 하류측에 고정된 수두차를 설정하기 위한 투수계, 그리고 투수계를 통과한 물의 시간 당 유량을 측정하기 위한 유량계로 구성된다.
본 장비의 구성요소 중 교반기는 최대 5.5 rps의 회전속도로 최대 200 L의 물과 첨가물을 교반할 수 있도록 설계하였으며, 교반수조의 배수밸브로 배출된 물은 최대용량 150 L/h인 펌프를 통해 투수계로 공급된다. 이 때, 투수계로 공급되는 유량은 중 일정 수위를 유지하고 초과하는 부분은 다시 교반수조로 유입하게 되도록 월류(Bypass)장치가 설계되었다. 본 교반기는 화학적 첨가물와 부유입자, 즉 오염된 우수에 노출된 투수성 포장의 수질정화 성능을 평가하는데 활용할 수 있도록 설계되었으나, 본 논문은 투수성 포장시스템의 투수계수 및 폐색에 따른 투수계수의 감소로 한정하기 때문에, 이후에 보이는 실험의 예에서는 교반기가 활용되지 않는다. 투수성 포장의 폐색입자, 즉 국내외 포장 상부 혹은 유출수에서 채취된 입도의 폐색입자는 그 입자의 크기가 크게는 5 mm에 이르므로, 물과 교반이 아닌, 투수성 포장 상부에 직접 폐색입자를 뿌려 공급하는 것으로 제안하도록 하였다(2.2절 참조).
장비의 구성요소 중 투수계는 30x30 cm 단면을 가지며, 동일 단면을 가진 투수성 포장시스템의 표층에 해당하는 투수성 포장재와 기층/보조기층에 해당하는 하부 지반의 시료를 성형할 수 있도록 설계하였다. 투수계의 상부는 일정한 수위, 즉 수두를 유지하기 위한 부분으로, 포장 상부로부터 15, 30, 60 cm 높이에 밸브를 설치하여 유입수의 수두를 설정할 수 있게 하였다(Fig. 2(a)). 투수성 포장시스템의 시료 중 투수성 아스팔트, 투수성 콘크리트 등의 포장재는 “ㄱ”, “ㄴ” 형태의 프레임과 함께 조립하여 투수계에 탈착을 용이하게 설계하였고(Fig. 2(b)), 하부층에는 기층/보조기층에 해당하는 재료를 최대 40 cm까지 성형할 수 있도록 하였다.
투수계를 통과한 유출수는 배출구와 호스를 통해 유량계로 전달되며, 이 때 유출수의 수위와 투수계 상부의 유입수의 수위 사이의 차로부터 투수계에 적용되는 전수두 차가 결정된다. 투수계를 통과하여 배출되는 유출수의 유량은 전도식 버킷(Tipping Bucket)을 사용하여 측정하며(Fig. 3), 본 장비의 경우, 투수 후 배출되는 유량에 따라 100, 200, 500 mL의 전도식 버킷 중 필요한 것을 선택하여 사용 가능하도록 하였다.
2.2 시험절차
예비시험 및 시행착오를 통해, 개발된 정수두 투수장치를 이용하여, 폐색을 고려한 투수성 포장시스템의 투수계수 산정절차를 제안하였으며, 그 절차는 아래에 보인 바와 같다. 본 장치를 통해 투수성 포장재 단일재료 혹은 표층과 하부구조로 이루어진 투수성 포장시스템의 폐색을 고려한 투수계수를 산정할 수 있다.
- 하부구조 시료 성형: 하부구조를 투수계수를 포함한 투수성 포장시스템의 등가 투수계수를 산정하는 경우, 먼저 투수계 하부에 기층/보조기층에 해당하는 지반재료를 다짐하여 성형한다. 재료의 성격에 따라 램머 혹은 진동판 다짐기 등의 다짐장비를 사용하며, 시료 성형에 소요된 골재의 중량과 성형한 시료의 부피로부터 기층/보조기층의 단위중량과 다짐도를 산정한다. 하부구조가 시험의 고려대상이 아닌 경우 본 과정을 생략한다.
- 투수성 포장재 시료 장착: 투수성 포장재를 “ㄱ”, “ㄴ” 형태의 프레임과 조립하여 기층/보조기층의 상부에 장착한다. 이 때, 투수성 포장재와 프레임 사이의 공간으로 누수방지를 위해, 틈새를 고무판, 실리콘 등으로 밀봉한다. 이 후, 투수성 포장재를 하부구조 시료 혹은 투수계 하부와 조립하여 시료성형을 완료한다.
- 투수계수 산정: 폐색입자를 적용하지 않은 상태에서 투수성 포장시스템의 투수계수를 정수두 설정 하에서 측정한다. 이 때, 포장의 포화상태 및 정상류 상태를 만족하는 것을 확인하여 위하여 정수두 상태에서 충분한 시간을 준 후에 시간 당 유량을 산정한다. 예비시험을 통해 일반적인 시료에서는 정상류 상태에 도달하는데 5~10분의 시간이 소요되는 것을 확인할 수 있었다.
- 폐색을 고려한 투수계수 산정: 이 후, 유입수의 공급을 멈추고, 투수성 포장재 시료의 상부에 일정량의 폐색입자를 투수성 포장 상부에 균일하게 살포한 후, 다시 유입수를 공급하여 정수두 시험을 수행한다. 예비시험을 통해, 폐색 시 투수계수가 감소하는 추세를 관측하기에 적절한 폐색입자의 1회 공급시 적정량은 40 g인 것을 확인할 수 있었다. 따라서 매 단계 폐색입자를 가할 시 40 g의 입자를 포장상부에 살포하고, 본 과정을 폐색입자의 적용에 따른 투수계수의 감소가 더 이상 일어나지 않을 때까지 반복하여 수행한다.
3. 투수시험 사례
개발된 장비를 사용하여 투수성 콘크리트와 하부 투수기층으로 구성된 투수성 포장시스템의 투수계수를 산정하고, 이 후 폐색에 따른 투수성 콘크리트 재료의 투수계수 변동을 분석하였다.
3.1 투수성 포장-지반시스템의 투수계수
투수성 포장재와 하부 투수기층으로 구성된 투수성 포장시스템의 등가 투수계수를 정수두 시험을 통해 산정하였다. 투수성 포장재로 두 가지 다른 입도의 골재를 배합하여 제작한 투수성 콘크리트를 사용하였다. 투수성 콘크리트 A에는 배합용 골재로 9.5 ~ 12.5 mm 크기의 쇄석을 사용하였으며, 포장재 B는 2.36 ~ 4.75 mm 크기의 쇄석을 사용하였다. Table 1에 보인 배합비에 따라 KS F 2425을 바탕으로 콘크리트 시료를 제작하였으며, 배합비는 두 종류의 시료가 모두 동일하게 20%의 공극률을 가지도록 설정하였으며, 이 후 수중중량의 측정을 통한 공극률 값은 21% 정도로 확인되었다. 배합에 대한 상세정보는 Table 1에 보인 바와 같다. 배합한 시료는 30×30×10 cm의 몰드 내에 성형하였으며, 다짐방법은 KS F 2043에 따라 높이 10 cm의 시료를 직경 16 mm의 다짐봉으로 100회다짐을 수행하였고, 상부를 평평하게 한 후 3일간 양생 후 몰드를 제거하였다(Fig. 4).
Table 1
Mix Proportion of Pervious Concrete.
| Material | Weight per Unit Volume (kg/m3) |
|---|---|
| Cement | 312 |
| Aggregate | 1558 |
| Water | 103 |
하부 투수기층의 재료로는 투수성 포장의 기층으로 널리 사용되는 재료 중 하나인 혼합골재를 40 cm 높이로 다짐하여 시험용 기층을 조성하였다. 사용한 혼합골재의 입도는 Table 2에 보인 바와 같다. 시료의 성형 시, 원하는 건조단위중량으로 시료를 다짐하기 위하여, 부피 30×30×40 cm의 몰드에 특정 중량의 혼합골재를 계량하여 다짐하였으며, 다짐은 램머를 사용하여 20 cm 씩 2층으로 분할하여 수행하였다. 다짐 성형된 시료의 건조단위중량은 1970 kg/m3으로 계산되었다.
Table 2
Particle Size Distribution of Base Material.
| Particle Size (mm) | 40 | 20 | 5 | 2 | 0.4 | 0.08 |
|---|---|---|---|---|---|---|
| % Passing | 100 | 79 | 49 | 31 | 14 | 5.5 |
일반적으로 지반의 표준 투수시험은, 지반 내의 공극의 흐름을 층류상태라 가정하고, 투수계수 측정 시 Darcy 법칙을 사용한다. 하지만, 투수성 포장재 혹은 저류층과 같은 공극이 매우 큰 재료의 경우, 투수속도는 동수경사와 비선형의 관계를 가지게 된다(Fwa et al., 1998; 1999). 이에 따라, 본 논문에서는 시험대상인 투수성 포장시스템의 투수성을 나타내기 위해 Eqn. (1)과 같은 수정 Darcy 법칙을 사용하였다.
본 식에서v는 유출속도를,i는 동수경사를,k와 n는 유출속도와 동수경사의 비선형관계를 설명하기 위한 계수를 나타낸다.
강우시 하부 지반의 종류와 다짐정도, 포화도에 따라 지반의 초기 수압은 다를 수 있으며, Eqn. (1)의 동수경사는 지반의 초기 수압에 영향을 받는다. 예를 들어, 초기에 하부 지반이 매우 건조하고 투수성이 매우 커서 수압이 발생하지 않는 경우, 이론적으로 동수경사는 1에 가까울 수 있으며, 하부 지반이 초기에 부(-)의 수압을 가지는 경우에는 동수경사가 1보다 커질 수 있다. 그리고 유출속도는 동수경사의 함수이므로, 강우 시 투수성 포장으로의 침투해석에는 이러한 사항들을 고려할 필요가 있다.
정수두 설정 하에 Eqn. (1)에 보인 수정 Darcy 법칙의 계수를 산정하기 위해, 동수경사i = 0.1, 0.2, 0.3, 0.4, 0.6, 0.8, 1.2, 1.6인 경우에 대해 투수시험을 수행하였다. 시험은 10 cm 두께의 투수성 콘크리트 시료 A, B가 40 cm 두께의 혼합골재층(Table 2)에 놓인 두 가지 시스템에 대해 수행하였다.
투수성 포장시스템의 투수계수 산정 결과가 Fig. 5(a)에 나타나 있으며, 본 그림으로부터 콘크리트 A가 포함된 시스템이, 즉 배합골재의 크기가 더 큰 쪽이 유출속도가 더 큰 것을 알 수 있다. 다시 말해, 시료의 공극률이 동일하다고 하더라도, 배합골재의 크기가 큰 경우, 즉 공극의 크기가 큰 경우에, 모든 동수경사의 범위에서 유출속도의 값이 큰 것을 확인할 수 있다. Fig. 5(a)에 보인 유출속도와 동수경사의 관계가 원점을 지나는 직선으로, 즉 선형 Darcy 법칙으로 설명하는데 무리가 있으므로, Eqn. (1)에 보인 수정 Darcy 법칙을 적용하기 위하여 Fig. 5(b)에 보인 바와 같이 본 관계를 로그-로그 스케일 상에 나타내었다.
Fig. 5에 보인 유출속도와 동수경사를 바탕으로, Eqn. (1)의 계수를 산정하기 위해 회귀분석을 수행한 결과, Table 3과 같은 결과를 얻을 수 있었다. 기존 투수기층 및 투수성 포장재에 대한 Fwa et al. (1998, 1999)의 연구가 계수n = 0.6~0.7 의 값을 가졌던 것과 비교하면, 본 논문의 콘크리트 A를 포함하는 시스템은n값이 기존 연구의 결과와 유사한데 반해, 콘크리트 B를 포함하는 시스템은n값이 약간 작게 산정된 것을 확인할 수 있다. 이는 기존의 연구에서 시험대상으로 한 시료의 종류가 본 연구에 사용된 것과 다르고, 또한 기존의 연구가 포장재 혹은 기층의 단일재료를 사용한 것과는 상반되게 본 연구에서는 포장재와 투수기층의 복합재료를 사용했기 때문이라고 판단된다.
3.2 폐색을 고려한 투수성 포장재의 투수계수
투수성 콘크리트에 우수와 함께 폐색입자가 침투하여 공극이 막힐 경우, 콘크리트의 투수계수 값이 감소하는 경향을 파악하기 위하여 정수두 시험을 수행하였다.
투수시험의 시료로는 3.1절에 기술한 투수성 콘크리트 A와 B를 사용하였으며, 폐색은 일반적으로 투수성 포장재의 상부에서 발생하므로, 하부층 없이 표층 포장재만 시험에 적용하였다. 콘크리트 공극을 폐색시키는 입자로, 규사(Silica Sand) 6호를 사용하였으며, 본 규사의 입자는 0.25∼0.60 mm의 크기 규격을 가진다.
시험은 5 cm의 정수두 하에서 수행하였으며, 콘크리트 시료의 두께가 10 cm이므로, 시험에 적용된 동수경사는i =0.5가 된다. 2.2절에 서술한대로, 먼저 폐색입자 없이 투수시험을 수행한 뒤, 40 g 씩 폐색입자를 증가시키며 투수시험을 진행하였으며, 각 단계에서 10 min 동안 투수를 지속하였다.
3.1절에서 보인 바와 같이, 투수성 포장시스템 내의 투수는 선형 Darcy 법칙이 아닌 비선형 수정 Darcy 법칙 방정식을 통해 투수에 관한 계수를 산정하는 것이 적절하다. 본 절에서는 하나의 동수경사i = 0.5만을 사용하였기 때문에, 투수계수를 정의하는 대신, 동수경사i = 0.5일 경우의 유출속도v를 투수성능을 나타내는 지표로 사용하였다.
폐색을 고려한 투수시험의 결과가 Fig. 6에 제시되어 있다. 콘크리트 A의 동수경사i = 0.5일 경우의 유출속도v는 0.0965 cm/s에서 시작하여, 폐색입자가 200 g이 적용되면, 유출속도가 0.0383 cm/s으로 낮아지는 것을 볼 수 있다. 반면, 콘크리트 B의 경우, 유출속도는 0.0161에서 시작하여, 폐색입자량이 120 g이 되는 경우 0.0055 수준으로 떨어지는 것을 볼 수 있다. 일반적으로 요구되는 투수성 콘크리트의 투수계수가 0.01 cm/s이고, 이 때 선형 Darcy 법칙과 동수경사i = 0.5을 적용할 경우, 요구되는 유출속도는 0.005 cm/s이다. 공극의 크기가 큰 콘크리트 A는 폐색입자가 충분히 적용된 뒤에도 만족할만한 투수성능을 가지는 반면, 공극이 작고 초기 투수계수가 작은 콘크리트 B는 폐색 후에 투수계수 성능 요구치의 하한선에 가까운 유출속도를 가지는 것을 확인할 수 있다.
4. 결론
폐색을 고려한 투수성 포장-지반시스템의 투수계수를 평가할 수 있는 시험장치 및 기법을 정립하기 위한 시도로서, 투수성 포장-지반시스템의 정수두 시험이 가능한 장비 및 시험절차를 개발하였다. 이를 통해, 30 × 30 cm의 단면을 가진 투수성 포장재와 하부지반으로 구성된 투수성 포장시스템의 투수계수 및 폐색으로 인한 투수계수의 감소를 측정할 수 있다.
배합골재의 크기가 다르고 공극률이 같은 두 종류의 투수성 콘크리트를 가진 투수성 포장-지반시스템의 투수계수 측정을 통해, 기존의 연구결과와 마찬가지로, 투수성 포장시스템의 동수경사와 유출속도의 관계가 비선형임을 확인하였으며, 또한 같은 공극률이라 하더라도 공극의 크기가 큰 경우에 유출속도가 크게 나타나는 것을 관할할 수 있었다.
폐색을 고려한 투수성 콘크리트 포장재의 투수계수를 측정한 결과, 같은 공극률이라 할지라도 골재크기가 큰, 따라서 공극의 크기가 큰 투수성 콘크리트에 더 많은 입자가 공극 내에 폐색되는 것을 확인하였다. 하지만, 폐색되는 양과는 상관없이, 공극의 크기가 작은 콘크리트 쪽이 폐색입자에 따라 투수계수가 감소하는 경향이 더 크게 나타났다.
본 연구를 통해 얻은 결론은, 특정 배합골재 및 배합비의 콘크리트와 특정 폐색입자를 사용하였을 때 얻어진 결과이며, 결과를 일반화 할 수 있기 위해서는, 더 다양한 경우의 시료와 폐색입자를 사용하여 추가적인 연구 및 검증작업을 수행하여야 할 것으로 판단한다.
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