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J. Korean Soc. Hazard Mitig. > Volume 17(6); 2017 > Article
투수성 포장재의 투수특성을 평가하기 위한 시험장비 및 시험절차의 개발

Abstract

Application of permeable pavements helps to alleviate negative impacts of development such as runoff problem, water pollution, and heat island. This paper suggest new test equipment and procedure to assess performance of permeable pavements, and present application examples. The proposed method includes falling head, constant head, and clogging tests, and may apply to permeable bases and soils as well as permeable pavement materials. Two types of polyurethane pavements with maximum aggregate sizes of 8 mm and 10 mm, respectively, were made in cylindrical shapes of 150-mm diameter and 100-mm height, and used for tests. Falling head tests showed that the relationship of discharge velocity and hydraulic gradient is not linear. For both materials, based on constant head and clogging tests, it was investigated that the discharge velocities reduced by half when 10 g of clogging particle was applied, and after applying 30 g of clogging particles, the degradation of velocity became much less severe.

요지

투수성 포장의 적용은 다른 저영향개발 시설과 마찬가지로 유출 증가, 수질 오염, 열섬 현상 등 도시화의 부정적인 영향을 완화하는데 효과적인 것으로 알려져 있다. 본 논문에서는 투수성 포장의 성능 평가를 위한 새로운 시험장비 및 절차를 제시하고, 새로운 방법을 바탕으로 한 시험결과의 예를 보인다. 시험절차는 투수성 포장재에 대한 변수두, 정수두, 폐색 시험을 포함하며, 제안된 시험장비 및 시험절차는 투수성 기층, 보조기층, 혹은 일반 지반재료에도 적용할 수 있다. 각각 최대입경 8 mm와 10 mm의 개립도 골재를 배합한 두 종류의 폴리우레탄 투수성 포장재를 직경 150 mm, 높이 100 mm인 실린더 형태의 시료를 바탕으로 해석하였으며, 변수두 시험의 결과로부터 유출 속도와 동수경사의 관계가 직선형이 아닌 곡선형이라는 것을, 정수두 및 폐색 시험으로부터는 폐색 입자가 10 g이 적용될 때의 유출 속도가 폐색되기 전의 초기 유출 속도의 절반 정도로 감소하고, 폐색 입자가 30 g 이상 적용된 이후에는 유출 속도의 감소 경향이 둔해지는 경향을 나타냈다.

1. 서론

도시 개발의 따른 도로, 건물, 터널 등의 건설로 자연 침투면이 감소하였으며, 침투면의 감소는 강우 유출수의 증가, 지하수 재충전의 감소 등 특히 물순환과 관련한 여러 문제를 야기하였다. 저영향개발(Low Impact Development, LID)은 이와 같은 도시화에 따른 부정적인 영향을 완화하기 위하여 제안된, 지표로의 침투를 기반으로 하여 우수 유출의 감소, 수질 개선, 열섬효과 감소 등을 위한 시설, 기법 혹은 설계 개념을 말하며, 더 넓은 의미로는 토지 이용 전략을 포함하는 개념이다(US EPA, 2009).
투수성 포장은 저영향개발 시설의 하나로서, 도시 개발 시 주요 불투수면이 차량, 자전거, 보행자의 통행을 위한 포장면이라는 것을 고려할 때, 가장 효과적으로 적용할 수 있는 저영향개발 기법이라 할 수 있다. 이와 같은 투수성 포장의 적용은 다른 저영향개발 시설과 마찬가지로 유출 증가, 수질 오염, 열섬 현상 등 도시화의 부정적인 영향을 완화하는데 효과적인 것으로 알려져 있다(Bernot et al., 2011). 투수성 포장은 크게는 투수성 아스팔트나 콘크리트와 연속적인 다공성 포장재를 표층으로 하는 시스템과 투수 블록과 같은 불연속적인 모듈러 블록 포장 시스템으로 분류할 수 있다. 이 중, 아스팔트 혹은 콘크리트와 같은 다공질 포장재는 배합 골재의 특성과 바인더 배합비의 조정을 통해 일반 포장재 보다 공극률이 더 크고 연속적인 공극을 가지도록 설계 및 배합을 구성한다.
적절한 유지관리가 이루어지지 않는 경우에 투수성 포장은 수년 혹은 수개월의 운영 후에 다공성 포장재의 상부에 차량에 의해 혹은 우수에 의해 운반된 협잡물이 포장의 공극에 폐색되어 침투성능이 저감되는 것으로 알려져 있다(Boogaard et al., 2014). 이 때문에 가능하면 투수성 포장은 협잡물 입자를 포함하는 우수가 발생하는 곳에서 떨어진 곳에 혹은 이를 차단하는 방식으로 설계 및 시공되어야 한다. 하지만 이렇게 우수에 의한 협잡물 유입을 차단하는 경우에도 여전에 투수성 포장은 폐색의 가능성이 있다(Pratt et al., 1989).
본 논문에서는 먼저 투수성 포장의 투수계수 혹은 투수특성을 산정하기 위한 기존의 시험방법과 시험절차를 분석하고, 이를 바탕으로 투수성 포장의 성능 평가를 위한 새로운 시험장비 및 절차를 제시하고, 새로운 방법을 바탕으로 한 시험결과의 예를 보인다.

2. 기존의 실험적 연구

투수성 포장 재료의 공극률은 20%에서 40% 정도로 매우 크며, 공극의 크기 또한 커서, 투수성 포장에서의 침투는 일반적인 토양 재료와 같이 층류로 가정하기는 힘들다. 실제로 보조기층이나 다짐골재 배수층에서는 동수경사가 0.05 정도로 작은 경우에만 Darcy’s Law를 만족하는 것으로 알려져 있다(Jones and Jones, 1989). 또한, 투수성 포장 혹은 다공질 재료의 협잡물에 의한 폐색현상은 다공질 재료의 공극 특성, 협잡물의 크기 및 종류, 유입수 내 협잡물의 농도, 침투 시 다공질 재료의 포화도 등에 영향을 받는 매우 복잡한 현상이다. 이에 따라, 기존의 투수성 포장의 투수특성에 대한 연구는 투수 혹은 폐색 현상을 단순화하거나, 복잡한 물리적 현상의 특정 측면을 구현하려는 방향으로 수행되었다.
Hamzah et al. (2013)는 단층과 복층 구조를 가진 투수성 아스팔트의 폐색 특성을 연구하였으며, 이를 위해 Fig. 1의 변수두 투수계를 사용하였다. 본 연구로부터 포장 상하부에 다른 배합을 가진 복층 구조의 투수성 아스팔트가 협잡물의 폐색에 따른 투수성능의 저하가 덜 한 것으로 나타났다. 또한 아스팔트 바인더 함량과 포장의 온도 또한 폐색 현상에 큰 영향을 미치는 것으로 나타났다.
Fig. 1
Falling Head Water Permeameter Setup for Single and Two Layers Porous Asphalt (Hamzah et al., 2013)
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Fwa et al. (1998), Fwa et al. (1999), Tan et al. (2000), Lim et al. (2015), Fwa et al. (2015)은 투수 기층, 투수성 아스팔트, 투수성 콘크리트의 투수특성과 폐색 현상에 대한 지속적인 실험적 연구를 수행하였다. 이에 사용된 시험장치의 개념도가 Fig. 2에 제시되어 있다.
Fig. 2
Laboratory Setup for Vertical Permeability Test (Fwa et al., 1998)
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Darcy’s law는 일반적인 지반 혹은 토양재료의 투수현상을 설명하기 위한 것으로, 층류인 흐름에 대해 유출속도와 동수경사 사이의 선형관계를 가정하며, 따라서 유출속도 v와 동수경사 i의 관계를 Eq. (1)과 같이 나타내는 경우 n=1을 가정하게 된다.
(1)
v=kin
Eq. (1)의 계수 kn은 실험으로부터 산정할 수 있으며, 흐름이 층류인 경우에는 n=1, 난류인 경우에는 n=0.5의 값을 가지며, 또한 n=1일 때의 계수 k의 값을 투수계수라고 정의한다. 일반적으로 투수성 포장재나 기층의 경우 공극의 크기가 크기 때문에 그 흐름을 층류로 보기는 힘들며, 실제로 Fwa et al. (1998), Fwa et al. (1999)는 실험적 연구를 통해, 투수성 기층과 포장재의 경우 계수 n의 값이 약n≃0.75의 값을 가지는 것을 확인하였다.
Martin et al. (2014)Fig. 3에 보인 변수두 시험장치를 통해 아스팔트 배합골재의 입도분포가 투수성 아스팔트의 폐색 현상에 미치는 영향을 연구하였다.
Fig. 3
Falling Head Permeability Test Setup (Martin et al., 2014)
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Nichols et al. (2015)Fig. 4에 보인 교반 믹서를 사용하여, 협잡물이 투수성 블록 포장의 투수성능에 미치는 영향을 분석하였으며, 세립질 협잡물의 경우 장기간에 걸쳐 투수성 블록 포장의 투수성능을 저하시키지만, 규사의 경우 단기간에 포장을 폐색시키는 현상을 관찰하였다.
Fig. 4
Accelerated Stormwater Simulation Test Setup (Nichols et al., 2015)
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투수성 포장의 폐색에 대한 국내 연구의 예로는, Lin et al. (2016)에 의해 수행된 투수 블록 포장에 대한 연구를 들 수 있다. Lin et al. (2016)은 투수성 포장의 상부에 협잡물을 가하고 진동을 가하는 방식으로 투수 블록을 폐색시켰으며(Fig. 5), 이 후 정수두 시험을 통해 폐색된 블록과 폐색되지 않은 블록의 투수성능을 비교하였다. 이들의 연구는 서울특별시의 투수 블록 포장에 대한 기준(Seoul Metropolitan City, 2013)에 채용되어 활용되고 있다.
Fig. 5
Vibration Application for Pavement Clogging (Lin et al., 2016)
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3. 시험장비 및 시험절차 개발

기존의 투수성 포장의 투수특성 및 폐색 현상에 대한 연구에도 불구하고, 투수성 포장 시스템의 원활한 적용을 위해서는 여전히 규명해야 할 부분이 많으며, 본 연구에서는 투수성 포장의 유출속도와 동수경사에 대한 비선형성과, 침투 시 포장의 연속적인 폐색 현상을 관찰하기 위하여 새로운 시험장비와 시험절차를 제안한다.

3.1 투수성 포장재 시험장비

투수성 포장재와 투수 기층의 폐색 및 동수경사를 고려한 투수특성을 측정하기 위하여 새로운 장비를 개발하였으며, Fig. 6은 개발된 장비의 전경을, Figs. 78은 시험장비의 각 모듈을 나타낸다. Fig. 6에 보인 대로, 시험장비의 주요 구성 요소로 헤드 프레임(head frame), 시료 몰드(specimen mold), 유출 수조(outflow tank), 측정 수조(measurement tank)를 들 수 있으며, 침투수는 헤드 프레임을 통해 공급되어, 시료 몰드를 거쳐 완충 수조를 통해 배출되고, 측정 수조에서 수집된다.
Fig. 6
Falling and Constant Heads Permeameter for Permeable Pavement
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Fig. 7
Modules of Permeameter: (a) constant head frame, (b) falling head frame, and (c) clogging particle distributor
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Fig. 8
Modules of Permeameter: (a) specimen mold, (b) outflow tank, and (c) measurement tank
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헤드 프레임은 Figs. 7(a)7(b)에 보인대로 정수두 프레임(constant head frame)와 변수두 프레임(falling head frame)이 있으며, 원하는 시험의 종류에 따라, 그에 해당하는 헤드 프레임을 설치하여 사용할 수 있다. 변수두 프레임의 하부에는 수압 센서가 부착되어 있으며, 본 센서를 통해 수두 변화와 이에 따른 침투 유량 변화를 동시에 계측할 수 있다. Fig. 7(c)에 보인 장치는 폐색 입자 투하장치(clogging particle distributor)로 투수 시에 포장재 위에 폐색 입자를 고르게 분배하여 투하할 수 있도록 고안하였다.
정수두 혹은 변수두 헤드 프레임은 Fig. 8(a)에 보인 시료 몰드(specimen mold)와 연결되며, 시료 몰드는 실린더 모양의 특정 규격의 시료를 밀폐할 수 있도록 고안하였다. 유출 수조(outflow tank, Fig. 8(b))는 정수두, 변수두 시험 시 수두를 조절할 수 있도록 높이 조절장치에 부착하였으며, 수조의 형상은 유출수의 수면을 유지할 수 있도록 출렁임을 완충할 수 있는 형태로 고안하였다. 유출 수조를 통과한 침투수는 최종적으로 측정 수조(measurement tank, Fig. 8(c))에서 수집되며, 수조에 부착된 수압 센서를 통해 시간에 따른 유량을 계측할 수 있다.

3.2 투수특성 시험절차

상기 설명한 시험장비를 바탕으로 투수성 포장재의 투수특성에 대한 다음과 같은 시험절차를 제안하였다.
  • 시료 준비 및 셋업

    - 다짐 혹은 코아링을 통해 직경 150 mm인 실린더 모양의 시료를 준비한다. 시료의 높이는 100 mm에서 150 mm가 적절한 것으로 판단된다.
    - 시료와 시료 몰드, 몰드 상하부의 플렌지를 조립한다(Fig. 8(a)). 이 때, 시료와 시료 몰드 사이에 틈이 없이 긴밀함을 유지하도록 고무 등의 채움재를 사용한다. 플렌지는 시료 몰드를 몰드 상하부의 장치부와 연결하는데 사용된다.
  • 변수두 시험

    - 변수두 프레임을 사용하여 시험장치를 셋업한다(Fig. 6).
    - 유출 수조의 높이를 조절하여 동수경사가 i=0이 되는 시료 상부의 수위를 설정한다.
    - 유출 밸브를 잠그고, 변수두 시험에 사용할 최대 동수경사가 되도록 변수두 프레임에 물을 채운다. 본 논문에서는 최대 동수경사가i=2가 되도록 설정하고 시험을 수행하였다.
    - 유출 밸브를 열어 변수두 프레임의 물을 침투시키면서, 변수두 프레임 내의 수위를 수압 센서로부터 기록한다.
    - 필요에 따라, 변수두 시험을 반복한다.
  • 정수두 및 폐색 시험

    - 정수두 프레임을 사용하여 시험장치를 셋업한다(Fig. 6).
    - 유출 수조의 높이를 조절하여 정수두 및 폐색 시험에 필요한 동수경사 조건을 설정한다. 본 논문에서는 시험 시에 동수경사i=1을 설정하였다.
    - 물을 침투시키고, 측정 수조의 수압 센서를 통해 침투수가 정상류에 이르는 시점을 지날 때까지 유량을 계측한다.
    - 설정된 동수경사 하에서 침투를 유지하며, 단계별 폐색입자를 투하한다. 본 논문에서는 5g의 단계별 폐색입자를 설정하고 사용하였다. 침투수가 정상류에 이르는 시점을 지날 때까지 유량 계측을 계속한다.
    - 더 이상 유출 속도가 변하지 않을 때까지 단계별 폐색 입자 적용 및 유량 계측을 반복한다.

4. 투수성 포장재 투수특성 시험

제안한 시험장비 및 시험절차를 바탕으로 두 종류의 투수성 포장재에 대한 투수시험을 수행하였으며, 그 세부사항은 아래와 같다.

4.1 시료 및 폐색 입자

개립도 골재와 폴리우레탄(Polyurethane) 바인더가 배합된 투수성 포장재의 투수특성을 시험하였다. 폴리우레탄은 우레탄(Urethane) 결합을 가진 유기질 구조로 구성된 폴리며(Polymer)의 한 종류이다. 시료는 최대입경 각각 8 mm와 10 mm의 개립도 골재에, 폴리우레탄 바인더 함유율 5%를 배합하였다. 이를 직경 150 mm의 몰드에 100 mm 높이를 가지도록, KS F 2403을 바탕으로 두 층에 걸쳐 다짐을 수행하여 시료를 성형하였다.
Lin et al. (2016)은 서울시 도로 표면에서 도로청소차에 의해 채집된 입자를 분석하여, 폐색 시험에 필요한 폐색 입자, 측 협잡물의 입도를 제안하였으며, 이 결과가 Fig. 9에 제시되어 있다(Seoul Metropolitan City, 2013). 본 논문에서는 시중에 구입 가능한 규사(Silica Sand)를 바탕으로, 입도를 조정하여, Lin et al. (2016)에 의해 제안된 폐색 입자와 동일한 입도를 가지는 규사를 배합하여 투수시험에 사용하였다.
Fig. 9
Particle Size Distribution of Clogging Particle Proposed by Seoul Metropolitan City (Seoul Metropolitan City, 2013)
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4.2 투수성 포장재 투수특성

제안한 변수두 시험절차를 바탕으로 각각 8 mm 개립도 골재와 10 mm 개립도 골재로 구성된 폴리우레탄 투수성 포장재 시료를 시험하였다. 각 시료를 최대 동수경사i=2에서 유출 밸브를 개방하여 수위 및 동수경사를 떨어뜨리며 수압, 측 시료 상부의 수위를 계측하였다. 두 시료에 모두 변수두 시험을 5회 반복 수행하였다.
시료 위의 수위의 계측치로부터 동수경사와 유출 속도를 모두 계산할 수 있으며, 본 결과가 Figs. 1011에 주어져 있다. 두 그림에 나타난 유출 속도와 동수경사의 관계는 Fwa et al. (1998)Fwa et al. (1999)에 의해 보고된 것처럼 직선형이 아닌 곡선에 가깝다. 본 유출 속도와 동수경사의 관계 바탕으로 Eq. (1)의 계수 kn을 산정하였으며, 8 mm 개립도 배합 폴리우레탄 시료의 경우 Fig. 10에 보인 곡선들의 계수의 평균값은 k=5.35, n=0.612, Fig. 11의 10 mm 개립도 배합 시료의 경우 계수의 평균값은 k=6.92, n=0.624로 산정되었다. 여기서 구한 계수 nFwa et al. (1998), Fwa et al. (1999)이 실험적으로 산정한 투수성 기층과 포장재의 계수 n≃0.7과 근사함을 알 수 있다.
Fig. 10
Falling Head Tests of the Pavement with 8-mm Aggregate
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Fig. 11
Falling Head Tests of the Pavement with 10-mm Aggregate
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제안한 정수두 및 폐색 시험절차를 바탕으로 두 포장재 시료에 대해 시험을 수행하였다. Fig. 9에 보인 서울시 기준(Seoul Metropolitan City, 2013)의 폐색 입자를 사용하였으며, 동수경사 i=1을 설정한 후, 초기 폐색되지 않은 시료의 유출 속도 계측 후에, 매 단계마다 5 g(단위면적당 입자 283 g/m2)의 폐색 입자를 적용하며, 포장재 공극으로 더 이상 폐색 입자가 침투하지 않고 표면에 쌓이기 시작하는 시점까지 시험을 계속하였다.
정수두 및 폐색 시험의 결과가 Fig. 12에 나타나 있다. 최대입경 8 mm 개립도 골재를 사용한 폴리우레탄 시료의 경우, 초기에 동수경사 i=1하에서 v=5.28mm/s의 유출 속도를 가지며, 유출 속도는 폐색 입자 10 g(단위면적당 입자 566 g/m2)이 적용될 때까지 급격하게 줄어들다가(v=2.57mm/s), 이 후 폐색 입자 30 g(단위면적당 입자 1,699 g/m2)을 적용한 이후에는 더 이상 포장 상부의 공극에 폐색되지 않고 표면에 폐색 입자가 쌓이는 것을 육안으로 확인하였다. 최대입경 10 mm 개립도 골재를 배합한 시료의 경우에는, 초기 v=6.15mm/s의 유출 속도에서 시작하여, 폐색 입자가 10 g(단위면적당 입자 566 g/m2) 적용된 후에는 유출 속도 v=3.31로 줄어들고, 폐색 입자 40 g(단위면적당 입자 2,265 g/m2)을 적용한 후에는 더 이상 포장 상부의 공극에 폐색이 되지 않는 것을 확인하였다.
Fig. 12
Constant Head Clogging Tests of the Pavement
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5. 결론

본 논문에서는 투수성 포장의 투수특성을 산정하기 위한 기존의 시험방법과 시험절차를 분석하고, 새로운 시험장비 및 절차를 제시하였다. 시험절차는 투수성 포장재에 대한 변수두, 정수두, 폐색 시험을 포함하며, 제안된 시험장비 및 시험절차는 투수성 기층, 보조기층, 혹은 일반 지반재료에도 적용할 수 있다.
제안한 시험절차에 따라, 각각 최대입경 8 mm와 10 mm의 개립도 골재를 배합한 두 종류의 폴리우레탄 투수성 포장재를 해석하였으며, 변수두 시험 결과, 유출 속도와 동수경사의 관계과 직선형이 아닌 곡선형이었으며, 그 결과는 기존의 문헌에 제안한 것들과 유사한 경향을 나타내었다.
최대입경 8 mm와 10 mm 개립도 골재를 사용한 폴리우레탄 시료의 정수두 및 폐색 시험을 결과는, 두 시료의 공극 특성 차이에 따라 유출 속도 값의 차이를 보이나, 폐색 입자가 10 g(단위면적당 입자 566 g/m2)이 적용될 때의 유출 속도가 폐색되기 전의 초기 유출 속도의 절반 정도로 감소하고, 폐색 입자가 30 g(단위면적당 입자 1,699 g/m2) 이상 적용된 이후에는 유출 속도의 감소 경향이 둔해지는 경향을 나타냈다.
투수성 포장의 투수특성 및 폐색 현상에 대한 정량화된 정보는 투수성 포장의 배합설계 및 수문설계 시에 매우 중요한 자료이며, 본 논문에 제안된 시험장비 및 시험절차를 통해 이러한 정량화된 값들을 산정할 수 있다. 다만, 다공질 재료의 폐색은 매질의 공극 특성, 매질의 재료, 폐색 입자의 재료, 폐색 입자의 입도, 폐색 입자 혼합수의 농도, 매질 내 흐름의 포화 정도 등 다양한 인자가 관련된 매우 복잡한 현상이므로, 실무적으로는 폐색과 관련한 이상화된 시험방법을 통해 투수성 포장의 성능을 평가하고, 동시에 학문적으로는 복합한 폐색 현상의 주요 인자와 기재를 규명하는 연구가 필요한 것으로 판단한다.

감사의 글

본 연구는 국토교통부 국토교통기술촉진연구사업의 연구비지원(17CTAP-C132363-01)에 의해 수행되었습니다. 이에 깊은 감사를 드립니다.

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