서 론
연구의 배경 및 목적
선행연구 분석
공법의 개요
친환경 틈새 투수블록
보강섬유
실내실험
일축압축강도시험
휨강도시험
투수시험
인터로킹 오차
실험결과
일축압축강도 실험 결과
휨강도 시험 결과
투수시험 및 인터로킹 오차시험 결과
결 론
서 론
연구의 배경 및 목적
우리나라의 연평균 강수량은 높지만 한 계절에 집중되고 수자원의 저장능력이 미흡하여 대부분의 빗물이 지하수로 유입되지 않고 바다나 하천으로 유입된다. 이러한 현상으로 현재 우리나라는 물부족 국가로 분류되고 있는 실정이다. 지하수로 유입되지 않는 빗물로 인해 지하수가 고갈되는 현상이 발생하고 미생물과 식물들이 서식할 수 있는 환경이 조성되지 않고 있다. 녹지 면적 감소, 대기오염, 생태계 파괴, 열섬현상 등의 환경문제가 심각하게 대두되고 있으며, 환경보존을 위한 연구가 되고 있다. 우리나라의 도로, 인도는 불투수성 포장체와 투수성 포장체로 구분이 가능하며, 주로 불투수성 포장체를 사용하고 있다. 불투수성 포장체를 사용할 경우, 빗물이 지하수로 유입되지 못하고 폭우 시 하천으로 유입되어 도심형 홍수 피해를 초래할 수 있다. 또한, 도로 표면에 물이 고이게 되어 미끄럼저항성이 저하되어 교통사고의 문제도 제기되고 있다. 이러한 문제들을 해결하기 위한 방법으로 투수성 포장체인 투수블록을 도로 및 보도에 설치하여 빗물이 자연스럽게 지하로 스며드는 효과를 기대할 수 있다.
대부분의 블록의 경우 시멘트를 주재료로 사용한다는 문제점이 있다. 시멘트 1톤을 생산하려면 약 0.9톤의 이산화탄소가 배출되는데 국내의 시멘트 생산량은 연간 약 6,000만 톤으로서 해마다 약 5,400만 톤의 방대한 이산화탄소(CO2)가 배출되는 실정이므로 이에 대한 대책으로 시멘트 대체재의 개발은 전 방면에서 이루어져야할 시대적 과제이다(Park, 2017).
고로슬래그는 철강의 제조공정에서 발생되는 대표적인 부산물로 과거에는 산업폐기물로 처리되었으나 최근에는 성토용 골재, 벽돌 및 콘크리트용 골재를 비롯하여 미분말화를 통해 콘크리트의 증량제나 혼화재로 활용되고 있다. 특히 알칼리 자극제와 고로슬래그의 반응성을 활용한 무시멘트 콘크리트 또는 건설자재 개발에 대한 시도는 자원 순환형 친환경 재료로서의 고로슬래그를 적극 활용함으로서 천연자원을 보전하고 에너지 소비와 이산화탄소의 저감에 크게 기여할 것으로 기대된다(Hyeon, 2017).
본 연구에서는 시멘트의 사용량을 줄이고자 고로슬래그 미분말을 이용한 친환경 무시멘트 틈새불록을 개발하고자 하였다. 실내실험을 통하여 고로슬래그가 함유된 블록의 물리적 특성을 확인하고자 하였으며, 투수시험이나 환경성 평가를 통하여 부가적인 검증을 수행하고자 하였다.
선행연구 분석
1990년대 후반 미국을 시작으로 저영향개발 기법 중 하나인 투수성 포장에 대한 연구가 활발히 진행되어지고 있다. 이러한 투수성 포장은 우수 침투를 위한 충분한 공극륙과 침투 능력이 요구되며, 동시에 충분한 내구성 및 안정성을 확보되어야 한다(Lee, 2020). Koo et al.(2013)은 지표면 유출을 줄이고자 투수성 포장의 침투 실험을 통해 투수성능을 분석 및 평가하였으며, SWMM 모형을 특정 유역에 적용하여 투수성 포장의 효과를 알아보았다.
Seo et al.(2015)은 투수성 블록의 배수 특성을 알아보기 위해 도심지 내의 집중 강우 특성을 고려하여, 5 mm와 10 mm의 두 가지 골재로 구성된 투수블록 대해 압축강도 및 휨강도, 투수계수 등의 실험을 실시하였고, 두 가지의 경우 모두 휨강도는 만족하였으나, 5 mm 골재로 구성된 투수블록은 기준을 만족하지 못함을 확인하였다.
Lee et al.(2017)은 투수블록포장의 줄눈채움재의 크기에 따른 현장 표면침투율 시험을 통해 침투율을 산정하였다. 조립 줄눈 채움재를 사용한 투수블록은 세립 줄눈 채움재를 사용한 블록보다 평균 침투율이 크게 나타나는 것을 확인하였다.
Hong et al.(2017)은 강우가 지속됨에 따라 투수성 포장의 받침안정층이 세굴되어 안정성에 영향을 미치는 것을 고려하여, 강우 횟수에 따른 투수성 포장 하부 받침 안정층의 세굴량을 평가하였으며, 강우 발생 횟수가 증가하면 세굴량은 감소하지만 누적 세굴량은 증가하는 경향을 확인할 수 있었다.
Park et al.(2016)은 투수블록의 차도포장 적용 가능성 현장 평가를 하기 위하여 고용기간 동안 차도용 자체 투수블록의 투수성능을 평가하였고, Yoo et al.(2018)은 필터형 투수블럭, 틈새형 투수블럭으로 이루어진 투수성 포장 시설과 불투수 포장시설과 약 3년간 모니터링하여 비교분석 하였다. 그 결과 틈새형 투수 포장의 경우가 더욱 우수한 저감 효율을 보이는 것을 확인할 수 있었다. Cho(2022)는 투수블록 포장공사 시 신규 제조된 투수블록의 투수성능 평가의 개선방안에 대해서 제시하였다.
이와 같이 투수블록에 대한 연구는 2000년대 이후 활발히 수행되어 왔으나 블록 자체의 재료에 대한 연구는 부족한 실정이다. 대부분의 블록 제작시 시멘트 사용량이 상당수 차지하고 있어 환경적인 문제가 많이 대두되고 있다. 따라서 본 연구에서는 시멘트 대비 산업부산물인 고로슬래그 미분말을 치환시켜 배합비에 따른 물리 ‧ 역학적 특성을 확인하고자 하였다.
공법의 개요
친환경 틈새 투수블록
최근 도시의 인구집중으로 인한 인구 및 가구 수 증가와 주거공간의 고밀도화, 업무용 면적의 증대 등과 같은 도시화로 인해 도시지역은 우수의 유출 특성이 변화되고 자연 하천 유역과는 다른 유출특성을 가지게 되었다. 하지만 도심지 대부분은 불투수층으로 포장됨으로써 하천으로의 유출계수가 증가하고 저연상태에 비해 표면의 저류량은 감소하여 첨두유량과 전체 유출량이 증가고 있는 실정이다. 이러한 문제를 해결하기 위해서는 국내에서는 현재 지하수 침투 증진 시설 중 하나인 친환경 틈새블록을 통하여 친환경적이고 다양한 기능을 가진 틈새블럭을 개발하고 있다. 이러한 틈새블록은 블록을 서로 연결했을 경우 사이에 형성된 줄눈 및 틈새로 빗물을 투수시키는 블록을 말하며 이러한 틈새블록은 형상에 따라 틈새 형성블록과 줄눈 확대블록으로 구분된다(Seoul City, 2013).
보강섬유
흔히 슈퍼섬유라 불리우는 보강섬유는 금속과 같거나 그 이상의 강도를 지닌 섬유로써 아라미드섬유, 탄소섬유, 플론섬유 등이 있으며, 흔히 단독으로 사용되기보다는 플라스틱이나 금속과 합께 복합재료로 사용되는데, 이를 섬유강화금속 ‧ 섬유강화 플라스틱이라 불린다. 슈퍼섬유의 대표적인 것은 탄소섬유와 파라계 아라미드이다.
슈퍼섬유의 경우 강도 20 g/d 이상, 탄성률 50 g/d 이상을 동시에 만족하여야하며 g/denier는 섬유에서 사용하는 실의 굵기를 나타내는 단위로 1 g/denier는 9,000 m인 실의 무게가 1 g으로 정의된다.
아라미드섬유
아라미드 섬유는 1965년에 유리섬유의 강도와 석면의 내열성을 갖는 섬유를 목표로 개발에 성공한 방향족 고분자를 원료로 한 합성섬유이며, 지방족 폴리아미드(aliphatic polyamide)의 Nylon과 대별되는 대표적인 용어이다. 아라미드의 종류로써 크게 결합된 방향족환의 결합단위에 의해서 파라계 아라미드와와 메타계 아라미드로 구분된다. 메타계는 고온에 내열성이 우수하고, 파라계 아라미드는 고탄성 및 고강도의 특징을 갖는다. 특히, 파라계 아라미드는 탄성율이 500~1,000 g/denier 정도로 탄성율이 좋으며, 인장강도 또한, 20 g/denier 이상을 가지고 있다. 또한, 분해온도가 400°C 이상, -160°C 이하에서도 섬유의 특성을 유지할 수 있어 내한 ‧ 내열성 및 우수한 내구성을 가지고 있다. 아라미드 섬유는 다른 유기섬유와 다른 특성을 가지고 있고 가격대비 우수한 성능을 유지할 수 있어 최초의 산업화 이후, 부직포 및 원사를 비롯하여 직물 등의 형태로 방탄방호용과 로프, 각종 복합재료, 케이블 등 산업자재의 용도로 정보통신, 자동차, 국방, 우주항공 등 다양한 관련 산업분야에서 사용이 확대되고 있는 고부가가치 소재이다.
아라미드섬유
탄소섬유는 탄소원소의 질량 함유율이 90% 이상으로 이루어진 섬유장의 탄소재료를 의미한다. 원료에 따라 PAN계 탄소섬유야 Pitch계 탄소섬유가 대표적이며, 이 외에 셀룰로오스계 탄소섬유 등이 있다. PAN계 탄소섬유는 프리커서(폴리아크릴로니트릴 섬유)를 열안정화와 탄소화를 거쳐 고강도 ‧ 고탄성률의 성질을 부여하며, 항공 우주 및 산업분야의 재료용, 스포츠 레저 분야 등 광범위한 용도로 쓰이고 있다. Pitch계 탄소섬유는 핏치 프리커서(콜타르 또는 석유 중질유분을 원료로 얻어지는 핏치섬유)를 탄소화하여 얻는 것으로, 제조조건에 따라 저탄성률에서 고탄성률 ‧ 고강도의 광범위한 성질을 얻을 수 있다. 초고탄성률품은 고강도 용도 외에 뛰어난 열전도율과 도전성으로 인해 다양한 용도로 쓰이고 있다.
Fig. 1은 실험에 사용된 섬유의 사진이다.
실내실험
본 연구는 틈새 투수블럭제작을 위해서 최적의 배합비를 찾기 위하여 블록의 물리적 특성을 확인하기 위해 실내에서 실험을 진행하였다. 각각의 실험은 KS F규정에 맞추어 실험을 진행하였고 실험은 일축압축강도(KS F 2405)와 KS F 4419에 나와 있는 휨강도 측정 투수시험, 인터로킹오차 시험을 진행하였다.
일축압축강도시험
본 연구에서는 친환경 틈새 투수블럭의 일축압축강도를 확인하기 위하여 석재를 혼합한 샌드겔 공시체를 제작하여 일축압축강도를 측정하였다. 이러한 샌드겔 공시체의 배합비는 시멘트에 석분, 모래, 황토를 섞어 제작하였고, 섬유를 첨가하지 않은 경우와 아라미드 섬유와 탄소섬유를 1.5%첨가한 3가지 공시체를 제작하였다.
원기둥 몰드에 넣어 샌드겔 공시체 제작을 진행하였고, 공시체의 크기는 5φ × 10 (cm)이다. 각각의 경우에 대조군을 위해 3개씩 제작하였으며, 이렇게 제작된 공시체는 3, 7, 14, 28일 동안 공기중에 양생 시킨 후, KS F 2403의 기준에 따라 일축압축시험기에서 1 mm/min의 변위제어 방식을 사용하여 일축압축강도를 측정하였다.
Table 1은 투수 틈새블럭의 기본 배합비를 나타낸 것이고, Fig. 2는 일축압축실험 과정을 나타낸 것이다.
Table 1.
Mixing ratio of expansive material
| Classification | Cement (g) | Stone powder (g) | Sand (g) | Ocher (g) | Fiber (g) |
| Non fiber | 280 | 800 | 400 | 148 | 0 |
| Aramid fiber | 74 (aramid 1.5%) | ||||
| Carbon fiber | 74 (carbon 1.5%) |
휨강도시험
휨강도 시험은 KS F 4419의 기준에 따라 시험을 실시하였다. 휨 강도 시험에 사용된 공시체는 제작용 몰드에 넣어 제작을 진행하였으며, 200(L) × 60(B) × 60(H) mm 크기의 몰드에 제작을 진행하였으며, 벽면에 윤활제를 도포한 후, 물 속에 24시간 침수시킨 후 꺼낸 즉시 휨강도 시험을 실시하였다. 총 3부분에 힘을 가하여 시험을 실시하였고, 시험시 가압 속도는 파괴 하중의 약 50%까지는 빠른 속도로 작용시킨 후, 최대 힘 압축 응력의 증가가 매분 9.8 MPa을 초과하지 않을 정도로 하중을 가하여 시험기에 나타난 최대 하중 P를 측정하여 다음 식에 따라 휨 강도를 계산하였다.
여기서, : 시험기가 나타낸 최대 파괴 하중(N), : 지검 간 거리(mm)
: 지점 간에 직각 방향의 평균 너비(mm), : 블록의 평균 두께(mm)
Fig. 3은 공시체의 휨강도시험 과정을 나타낸 것이다.
투수시험
국내 투수용 콘크리트 블록의 품질기준은 한국산업규격 KS F 4419에서 규정하고 있다. 투수 틈새블럭의 투수시험은 정수위 시험방법으로 실험을 진행하며, 투수성 블록의 경우의 투수계수 k = 1.0 × 10-2 cm/sec 이상으로 규정하고 있다. 투수시험용 블럭은 제작된 블록 모형틀에 넣어 제작하였으며 블록을 조합하여 제작 후 그 위에 수조 설치후, 수조안에 물을 넣어 유출되는 물의 양 Q와 측정시간 t를 통하여 투수계수를 확인하였다.
Fig. 4는 제작된 투수 틈새블럭의 투수시험 과정을 나타낸 것이다.
인터로킹 오차
투수성 틈새블록의 사이틈의 간격을 측정하기 위하여 KS F 4419규정에 따라 측정을 진행하였다. 투수시험 과정중 제작된 블록모형을 조립 후 Fig. 5처럼 실험을 진행하였다. 블록 결합부의 인터로킹 오차를 측정하였다.
실험결과
일축압축강도 실험 결과
공시체의 일축압축강도 평가는 섬유의 유무에 따라 측정하였으며, 각 재령일 마다 3개의 공시체를 파괴하여 평균값을 나타내었다.
Fig. 6은 각각의 일축압축강도를 나타내었으며, 섬유가 없는 경우는 섬유가 있는 두 가지 경우보다 강도가 나타나지 않는 것을 확인할 수 있었다. 초기강도를 살펴보면 아라미드 섬유의 경우는 재령 3일의 경우는 6.21 MPa로 탄소섬유나 섬유가 들어가지 않은 경우보다 강도가 나오지 않은 모습을 확인할 수 있으나 재령일이 많아질수록 강도가 31.82 MPa로 가장 높은 모습을 확인할 수 있었다. 섬유가 없는 경우는 재령 3일은 8.13 MPa, 재령 28일의 경우는 26.1 MPa인 것을 확인할 수 있었다. 탄소섬유의 경우는 초기 강도는 9.43 MPa로 가장 강하모습을 확인 할 수 있었지만 재령 14일 이후부터는 아라미드 섬유가 더욱 높은 강도인 것을 확인할 수 있었으며, 탄소섬유의 재령 28일 강도는 29.4 MPa인 것을 확인할 수 있었다.
휨강도 시험 결과
KS F 4419에서 블록의 휨강도를 5 MPa 이상으로 규정하고 있으며, 측정된 각각의 공시체를 비교 분석하였다. 그 결과 3가지 경우 모두 5 MPa이 넘는 것을 확인할 수 있었으나, 섬유가 없는 경우의 강도가 5.3 MPa로 가장 적게 나오는 것을 확인할 수 있었으며, 아라미드 섬유를 포함한 경우가 5.7 MPa로 두 번째로 큰 것을 확인할 수 있었고, 탄소섬유의 경우가 가장 5.9 MPa로 가장 큰 것으로 확인할 수 있었다.
Fig. 7은 휨강도 시험의 결과를 나타내었다.
투수시험 및 인터로킹 오차시험 결과
KS F 4419의 기준은 k = 1.0 × 10-2 cm/sec 이상으로 나와 있으며, 각각의 블록에 대하여 투수계수를 측정하였다.
측정결과 KS F 4419의 기준보다 조금 높은 투수 투수계수를 확인할 수 있었으나, 각 블록간의 큰 차이를 나타내지는 않았다. 각각의 투수계수는 섬유가 없는 경우 k = 1.12 × 10-2 cm/sec, 아라미드 섬유의 경우는 k = 1.13 × 10-2 cm/sec, 탄소섬유는 k = 1.11 × 10-2 cm/sec인 것을 확인할 수 있었다. 인터로킹 오차는 3구역으로 나누어 측정을 진행하였고, 1번 구역은 1.5 cm, 2번 구역은 1.6 cm, 3번 구역은 2 cm인 것을 확인할 수 있었다. 제작된 블록으로 동일한 구역의 인터로킹 오차가 일정한 모습 또한 확인할 수 있었다.
Fig. 8은 각각의 투수계수를 나타내었고, Fig. 9는 각 부분의 측정된 인터로킹 오차를 나타내었다.
시험에 사용된 투수시험 식은 다음과 같다.
여기서, : 시편의 길이(cm), : 스탠파이프의 단면적(cm2)
: 공시체 면적(cm2), , : 초기시간, 종료시간(sec)
, : 일 때의 수위, 일 때의 수위(cm)
결 론
본 연구에서는 투수성 틈새블럭의 물리적 특성을 실내실험을 통하여 확인하였다. 투수성 틈새블럭의 강도 증진을 위하여 섬유를 추가하여 보강하였고 각각 섬유를 보강하지 않은 경우, 아라미드섬유를 추가한 경우, 탄소섬유를 추가한 경우로 나누어 실험을 진행하였고 실험은 일축압축강도, 휨강도 실험, 투수시험, 인터로킹 오차시험을 실시하였다.
(1) 일축압축시험을 실시한 결과 재령 28일을 기준으로 섬유를 보강하지 않은 경우는 26.1 MPa, 탄소섬유의 경우는 29.4 MPa, 아라미드섬유의 경우는 31.82 MPa인 것을 확인할 수 있었다. 초기 강도의 경우는 아라미드 섬유가 확보되지 않았지만 재령 28일 강도를 확인하였을 때는 아라미드 섬유가 가장 높은 강도를 보이는 것을 확인할 수 있었다.
(2) 휨강도 시험 결과, 섬유가 없는 경우는 5.3 MPa, 아라미드 섬유의 경우는 5.7 MPa, 탄소섬유의 경우는 5.9 MPa인 것을 확인할 수 있었다. 강도의 경우는 탄소섬유의 강도가 가장 높게 나온 것을 확인할 수 있었다. 이는 앞선 일축압축시험결과와 비교해 보았을 때 아라미드 섬유의 경우가 강도가 발현되지 않아 다소 탄소섬유에 비해 적게나온 것으로 생각된다. 또한 설계 기준인 5 MPa보다 크게 나와 투수블록의 강도로 적합하다고 판단된다.
(3) 인터로킹 오차시험의 경우 각 구역에서 1.5 cm, 1.6 cm, 2 cm로 적절한 틈이 있는 모습을 확인할 수 있었다. 투수시험의 결과는 섬유가 보강되지 않은 경우 k = 1.12 × 10-2 cm/sec, 아라미드섬유는 k = 1.13 × 10-2 cm/sec, 탄소섬유는 k = 1.11 × 10-2 cm/sec으로 비슷한 것을 확인할 수 있었으며 기준인, 1.0 × 10-2 cm/sec 보다는 크게 측정된 것을 확인할 수 있었다. 인터로킹 오차와 투수성이 충분히 확보된 것으로 판단되며 투수성 틈새 블록 시공시 적절한 투수능력을 보여줄 것으로 판단된다.
