1. 서 론
2. 실험 재료 및 방법
2.1 실험 재료 및 결합재
2.2 투수성능 시험 방법
2.3 전기비저항 실험 방법
3. 시험 결과 및 분석
3.1 투수성능 측정 결과
3.2 체적 전기비저항 측정 결과 및 분석
3.3 투수성능과 전기비저항의 상관관계
4. 결 론
1. 서 론
최근 급격한 도시화와 기후 변화로 인해 도시 지역에서 발생하는 수해가 점차 증가하고 있다. 도시화로 인한 불투수면적의 확산은 도시 내 수리학적 변화의 주요 원인으로 작용하며, 첨두 유출량 또한 증가시켜 도시 홍수의 빈도를 높인다. 증가하는 표면 유출량은 빗물이 지하로 침투하는 양을 감소시켜 지하수 고갈을 가속화하며, 이는 장기적인 물 자원 관리에도 심각한 악영향을 미친다. 또한, 강우 시 도로 표면에 형성되는 수막현상은 교통사고의 위험을 증가시키는 등 안전 문제와도 직결된다. 기후 변화가 야기하는 극한 강우에서 도시 내 우수관리의 지속 가능성을 보장할 수 있는 기술이 시급한 과제로 대두되고 있다.
이와 같은 문제를 해결하기 위해 저영향개발(Low Impact Development, LID) 기법이 연구 및 적용되고 있다. LID 기법은 도시 개발이 환경에 미치는 영향을 최소화하고, 자연적 물 순환 과정을 복원하려는 목적을 가지고 있다(Eckart et al., 2017). LID 기법에는 빗물 정원, 옥상 녹화, 침투도랑, 투수포장, 나무여과상자 등이 있으며 이미 다양한 도시에서 효과적으로 적용되고 있다. Dietz(2007)는 옥상 녹화에서 식물의 증산 작용 및 공극 저류를 통해 60~70%의 강수를 저장할 수 있음을 보고하였다. Flores et al.(2015)은 강우량이 30 ~ 40 mm 정도일 때 최대 첨두유량이 침투 도랑에서 약 61%, 나무여과상자에서 약 33% 저감됨을 분석하였다.
투수포장 중 투수블록은 강우로 인한 지표수의 유출을 줄이고, 빗물을 지반으로 스며들게 하여 도시 홍수 예방에 기여하는 효과적인 기술로 주목받고 있다. 투수블록은 비교적 간단하게 설치할 수 있으며, 다양한 환경에서 적용이 가능하다. 그러나 투수블록은 시공 후 시간이 경과함에 따라 도로 위 협잡물로 인해 공극 폐색이 발생하여 투수성능이 저하하는 단점이 존재한다(Seo and Yun, 2016).
투수블록의 관리 공법에는 대형 흡입 차량을 통한 제거와 고압 살수를 통한 제거 방법이 이용되고 있다. 하지만 흡입을 통한 협잡물 제거는 대부분 포장재의 표면 부근에 집중되어 있으며 고압 살수 방법 또한 표면의 협잡물이 내부로 이동할 수 있다(Xie et al., 2019). 때문에 투수성능 회복에 어려움이 있으며 소음, 사용수 처리 문제 등 추가적인 연구가 필요하다. 현재 현장침투시험을 통해 투수성능을 확인하고 있으나, 이는 국소적인 범위만을 평가 가능하며 높은 비용과 시간에 따른 한계가 있다. 전기비저항 측정을 통한 비파괴검사법은 지반/매질의 투수성을 신속하게 평가할 수 있어 널리 활용되고 있다(Do et al., 2023; Kim et al., 2013).
본 연구는 골재 크기 및 결합재량 조절을 통한 공극률 변화를 이용해 투수블록의 투수성능 실험을 수행하고 결과를 분석하였다. 또한 전류 및 유체 흐름의 유사성을 바탕으로 투수블록의 전기비저항 측정을 통해 투수성능과 전기비저항의 상관관계를 도출하였다. 본 연구 결과는 향후 투수블록이 적용된 도로 환경에서 투수성능 및 폐색 발생을 확인할 수 있는 평가도구로서 기여할 수 있을 것으로 기대된다.
2. 실험 재료 및 방법
2.1 실험 재료 및 결합재
투수블록은 공극 형성을 위해 잔골재의 비율을 최소화하고 굵은 골재 비중을 높여 제작된다(Ahmed and Hoque, 2020; Sriravindrarajah et al., 2012). 본 연구에서는 입자의 비표면적이 큰 골재인 백색 화산석과 입자의 비표면적이 작은 골재인 자갈을 골재로 사용하였다(Fig. 1). 일반적으로 골재의 비표면적이 증가할수록 표면 거칠기와 입자 내부 공극이 발달하여 물의 침투 경로가 확장되며, 이에 따라 흡수율 또한 증가하는 경향을 보인다. 이러한 특성을 고려하여 두 골재의 흡수율을 측정하였고, 흡수율 차이가 뚜렷하게 나타난 두 종류를 본 연구의 대조군으로 선정하였다. 결합재와 골재만을 이용하여 투수블록을 제작하였다. 블록 제작에 사용된 백색 화산석의 비중(specific gravity)은 1.23, 흡수율은 29.07%, 입자크기(particle size diameter)는 5 ~ 20 mm 범위의 골재를 사용하였다. 자갈의 비중은 2.73, 흡수율은 0.37%, 입자크기는 5 ~ 20 mm 범위의 골재를 사용하였다.
결합재는 도로 투수포장용으로 사용되고 있는 2액형 폴리우레탄을 사용하였다. 2액형 폴리우레탄은 폴리올과 이소시아네이트의 화학 반응을 통해 우레탄 결합을 형성하며 경화되는 결합재로, 혼합 후 가교 반응이 진행되면서 고분자망 구조를 형성한다. 이 과정에서 높은 결합력과 내수성을 발현하며, 시멘트계 결합재에 비해 공극 폐색이 적어 투수성 유지에 유리하다. 결합재는 사용되는 골재의 총 중량을 기준으로 정해진 혼합 비율에 따라 계량하여 투입하였다.
투수블록의 크기는 KS F 4419(보차도용 콘크리트 인터로킹 블록) 기준에 따라 크기 200 × 200 × 80 mm의 플라스틱 거푸집을 제작장치로 사용하였다. 먼저, 골재를 거푸집에 채워 목표 부피에 해당하는 총 중량을 측정하였고, 이를 기준으로 결합재의 혼합 비율을 산정하였다. 결합재는 A액(폴리올)과 B액(이소시아네이트)을 100 : 85 비율로 혼합한 후, 산정된 양의 결합재를 골재에 투입하여 균일하게 혼합하였다. 혼합된 재료는 거푸집에 3단 분할 다짐하였다. 성형된 시편은 별도의 열처리 없이 상온(약 20 ± 2℃)에서 24시간 동안 양생한 후 탈형하였다.
다양한 공극률 값을 형성하기 위해 결합재량을 증가시키면서 블록을 제작하였다. 공극률은 수중질량()과 표면건조 포화질량() 측정 후 식 (1)를 통해 산정하였다.
여기서,
: 연속 공극률
: 표면건조 포화질량
: 수중 무게
: 투수블록의 용적
: 물의 밀도
제작한 블록 종류는 아래 Table 1과 같다.
Table 1.
Aggregate size and binder mix ratio for permeable blocks
2.2 투수성능 시험 방법
서울특별시 투수블록포장 설계, 시공 및 유지관리 기준에 따르면 투수성능을 파악하기 위해 실내 투수시험인 KS F 4419 시험법을 권장하나, 현장여건 또는 재료여건상 실내 투수시험이 곤란한 경우, 현장침투능 시험인 ASTM C 1701 시험법으로 대체할 수 있다. 본 연구에서는 제작한 블록의 높은 투수성능으로 인해 KS F 4419 시험이 불가능하여, ASTM C 1701 시험으로 투수계수를 측정하였다.
Fig. 2는 투수성능 측정 시험을 도식화한 그림이다. 본 연구에서는 ASTM C 1701 시험법에 의해 내경 100 mm, 외경 110 mm, 높이 20 mm의 침투링을 사용하였다. 침투링을 블록 위에 설치하고 블록면과의 접촉된 부분에서 물이 새지 않도록 지점토 실링재를 이용해 수밀처리 하였다. 침투링 안쪽면에 10 mm 위치에 선을 표시하여 시험 시 일정 수두를 유지하였다. 본 시험 전 3.6 L의 물을 투입하여 프리웨팅(prewetting) 작업을 실시하였으며 프리웨팅 작업 완료 후 2분 이내에 본 시험을 진행하였다. 본 시험에서는 18 L의 물을 투입하였다. 물이 바닥면에 닿는 순간부터 시간을 측정하여 물이 다 빠질 때까지 시간을 0.1초 단위로 기록하였다. 투수블록당 4회 반복 시험하였으며 식 (2)를 통해 투수성능(침투능)을 계산하였다.
여기서,
: 침투능(mm/sec)
: 투입된 물의 무게(kg)
: 침투링의 내경(mm)
: 투수가 완료되는데 걸린 시간(sec)
: 단위환산계수, 1273240.56(mm3/kg)
2.3 전기비저항 실험 방법
2.3.1 전기비저항 측정 방법
물질 양단에 전위차가 발생하면 물질 내부에 전기장을 형성함과 동시에 높은 전위에서 낮은 전위로 전류가 흐르게 된다. 이때 전류의 흐름을 방해하는 정도를 저항(R)이라고 한다. 전류의 흐름은 물질의 길이가 짧을수록, 단면적이 클수록 원활하기 때문에 저항은 물질의 길이에 비례하고, 물질의 단면적에 반비례하며 이때의 비례상수를 전기비저항(ρ)이라 한다. 전기비저항은 물질이 전류의 흐름에 저항하는 정도를 나타내는 물리적 특성으로, 물질의 내부 구조에 따라 전기 전도도가 달라짐에 따라 결정된다(Jang et al., 2023). 이는 물질의 고유한 성질로서, 단위 부피당 전기 저항을 의미하며, 단위는 Ω·m로 표현된다.
Fig. 3은 전기비저항 측정 시스템을 도식화한 그림이다. 투수블록의 전기저항측정은 Keysight 사의 LCR Meter(E4980A)를 사용하였으며 가용 주파수 범위는 20 Hz ~ 2 MHz이다. Data Acquisition(Keysight, 34972A)장치를 통해 저항 값을 6회 반복 데이터를 수집하였다. 최종 결과값은 6회 측정값의 평균값을 사용하였다. 측정 챔버는 투수블록 크기에 맞는 사각 프레임에 120 mesh 황동망을 전극으로 사용하였으며, 고무형 틀과 절연체로 둘러싸 전기흐름을 차단하였다. 블록을 공극수로 수포화 시킨 뒤, 측정 챔버에 거치 후 1 kHz의 주파수를 가진하여 전기 저항을 측정하였으며 실내 온도 20℃의 조건으로 실험하였다. EC Meter(TOADKK, CM-30R)을 통해 실험에 사용된 공극수의 전기비저항을 측정하였다.
2.3.2 셀 캘리브레이션
물질의 체적이나 형상에 따라 변하는 전기저항에 비해, 전기비저항은 물질마다 고유한 값을 갖는다. 하지만 전기비저항 측정 시 물질의 공극률, 공극수의 전기전도도 및 온도 등 다양한 요인에 영향을 받아 측정값이 변하게 된다. 따라서 측정 전기저항은 전기비저항값으로 변환하여 사용하여야 한다. 전기비저항 산정 방법에는 수식을 통한 계산 방법과 실험을 통해 상관관계를 규명하는 방법 등의 여러가지 방법이 존재하며 본 연구에서는 실험을 통해 상관관계를 규명하는 방법을 사용하였다. 측정 챔버와 투수블록 크기에 대한 보정을 위해 전도성 유체의 전기 저항 – 전기비저항 상관관계 실험(챔버 캘리브레이션)을 수행하였다. 증류수에 염화나트륨(NaCl)을 첨가해 전도성 유체를 제작하였으며, 전도성 유체의 전기비저항과 챔버에 유체 투입 후 저항을 측정하였다. 이후 염화나트륨 투입량을 증가시키며 측정을 반복하여 측정 챔버에서의 전기비저항과 측정 저항의 상관관계를 도출하였다(Fig. 4). 전기 저항값과 전기비저항 값의 상관관계는 식 (3)과 같이 선형으로 표현된다.
측정챔버 캘리브레이션을 통해 확인된 전기저항-전기비저항 상관관계 계수는 0.1054로 나타났으며, 환산식을 통해 체적 전기비저항으로 변환하여 결과를 분석하였다.
3. 시험 결과 및 분석
3.1 투수성능 측정 결과
Fig. 5는 결합재 비율에 따른 골재 입경별 투수계수 측정 결과를 나타낸다. 비표면적이 작은 골재를 사용한 블록을 G, 비표면적이 큰 골재를 사용한 블록을 P로 정의하였으며, G1 ~ G5, P1 ~ P2는 번호가 증가할수록 더 큰 입경의 골재를 사용한 블록을 의미한다. 전체적으로 결합재 비율이 증가함에 따라 투수성능이 감소하는 것으로 나타난다. 또한, 블록을 구성한 골재 입경의 크기가 클수록, 투수성능이 높아지는 것으로 나타난다. 이는 골재 입경이 클수록 블록 내 전체적인 공극의 개수가 감소하지만, 공극의 크기가 커져 유체가 흐를 수 있는 공간이 비교적 많이 형성되어 투수성능이 높아진 것으로 분석된다.
골재 입경이 감소할수록, 결합재량 증가 조건에서 투수성능이 민감하게 반응하는 것으로 분석된다. G1 블록과 P1 블록의 경우 결합재량이 증가할수록, 투수성능의 감소 폭이 증가하였으며 결합재량이 1% 증가함에 따라 투수성능이 G1 블록은 평균 17.5%, P1 블록은 평균 8.3% 감소하였다. 반대로 입경이 큰 G5 블록과 P2 블록의 경우 결합재량이 증가하더라도 투수성능 변화가 작다. 이는 골재 입경이 작아질수록, 결합재량이 증가할수록 블록 내부 공극에 결합재에 의한 막힘이 발생한 것으로 판단된다.
비표면적이 작은 골재 블록에 비해 비표면적이 큰 골재 블록의 투수성능이 높게 측정되었다. 이는 사용된 골재의 다공성으로 인해 공극의 연결성이 좋아 투수성능이 증가한 것으로 분석된다. 또한, 동일한 투수성능을 발현되는 조건에서, 비표면적이 큰 골재를 활용한 블록은 비표면적이 작은 골재 블록에 비해 필요 결합재 양이 약 2배 더 필요함을 확인하였다.
Fig. 6은 제작한 투수블록에서 공극률에 따른 투수성능의 변화를 나타낸 것이다. 공극률이 증가함에 따라 투수성능이 전반적으로 증가하는 경향을 보였다. G 계열 블록의 공극률은 0.21 ~ 0.41, P 계열 블록은 0.51 ~ 0.56의 범위를 나타냈다. P 계열 블록의 공극률이 G 계열보다 약 72% 높게 측정되었음에도 불구하고, 투수성능의 차이는 크게 나타나지 않았다. 이는 투수성능이 공극률 자체보다는 공극의 연결성에 더 크게 영향을 받기 때문으로 판단된다. 특히 P 계열 블록은 골재의 비표면적이 커서, 실제 공극률에 비해 투수성능이 낮게 나타난 것으로 분석된다.
3.2 체적 전기비저항 측정 결과 및 분석
Fig. 7은 결합재 비율에 따른 골재별 체적 전기비저항 측정 결과를 나타낸다. 결합재량이 증가함에 따라 체적 전기비저항의 값이 증가함을 알 수 있다. 또한 골재의 종류 및 골재 입경에 따라 체적 전기비저항의 범위가 각각 다르게 분포하는 것으로 나타난다. 이는 골재의 종류 및 입경에 따라 제작 블록의 공극률 차이 때문이라 판단된다. G1 블록의 경우 결합재량이 1%p 증가함에 따라 체적 전기비저항이 약 10.9%, G2 블록의 경우 약 30.2%, G3 블록의 경우 8.7%, G4 블록의 경우 9.0%, G5 블록의 경우 0.6% 증가하였으며, P1 블록의 경우 약 10.0%, P2 블록의 경우 약 7.7% 증가하였다.
Fig. 8은 투수블록의 공극률에 따른 체적 전기비저항을 나타낸다. 공극률이 증가함에 따라 전기비저항은 감소하는 경향을 보였으며, 그 관계는 비선형 함수로 근사될 수 있다. 투수블록의 체적 전기비저항 측정 시 구성 골재의 종류, 입경보다 제작 후 블록의 공극률이 더 중요한 영향 인자임을 확인하였다.
3.3 투수성능과 전기비저항의 상관관계
Fig. 9는 연구에서 사용한 모든 투수블록에 대한 체적 전기비저항(ρbulk[Ω·m])과 투수성능(침투능 k[mm/s])의 상관관계를 나타낸다. 해당 실험결과에서 전기비저항의 증가는 투수계수의 감소를 의미한다. 체적 전기비저항과 투수성능의 상관관계는 지수함수로 표현할 수 있으며, 실험 결과로 부터 식 (4)를 도출하였다.
투수블록의 투수성능에는 공극률도 영향을 미치지만, 공극의 연결성이 더욱 중요한 요인으로 작용하는 것으로 판단된다. 이는 비표면적이 큰 골재를 사용한 블록은 상대적으로 큰 공극률을 가지며, 비표면적이 작은 골재를 사용한 블록은 비교적 작은 공극률을 가지지만, 체적 전기비저항과 투수성능의 상관관계에서는 공극률에 따른 하나의 지수함수식으로 표현되었기 때문이다(Fig. 8 참조). 식 (4)에서 불투수의 투수성능을 0 mm/s로 가정할 시 체적 전기비저항 값은 약 20000 Ω·m를 가진다. 만약 전기비저항이 500 Ω·m로 측정되면, 해당 투수블록은 58 mm/s(투수성능)로 평가할 수 있다. 이와 같이 전기비저항은 투수블록의 내부 공극 구조 및 성능 저하를 확인하고 모니터링하는데 유효한 지표로 사용할 수 있을 것으로 기대한다.
4. 결 론
기후변화에 따른 도심지 물 피해 저감을 위해 투수 포장 중 투수블록이 활용되고 있다. 이러한 투수블록은 시간이 경과됨에 따라 공극 폐색이 발생하여 원활한 투수가 어려워진다. 따라서 투수성능 저하정도를 판단하고, 적절한 시기에 교체 및 유지·관리 작업이 진행되어야 한다. 따라서, 본 연구에서는 투수포장의 전기비저항-투수계수 상관관계를 통해 투수 성능을 평가하고자 하였다. 주요 결론은 아래와 같다.
(1) 동일한 간극비를 가지는 투수블록 실험 결과, 투수블록을 구성하는 골재 직경의 크기가 클수록 동일 간극비에서 유체가 흐를 수 있는 유효 공간이 비교적 많이 형성되어 투수 성능은 높아진다.
(2) 비표면적이 큰 골재블록은 비표면적이 작은 골재 블록에 비해 높은 투수성능을 보인다. 이는 기본적으로 비표면적이 큰 골재블록의 공극비가 상대적으로 높고, 입자의 비표면적의 차이가 블록 내부 공극의 연결성을 높이기 때문이다.
(3) 입자의 형태, 크기, 간극비 인자 중 체적 전기비저항에 가장 큰 영향을 미치는 인자는 간극비로 확인된다. 블록의 간극비가 증가할수록 체적 전기비저항은 비선형적으로 감소한다.
(4) 투수블록의 체적 전기비저항(ρbulk)과 투수성능(투수계수 k)은 매우 높은 상관관계를 가지며, 본 연구에서 실험적으로 도출한 식 로 투수계수를 평가할 수 있다.
