Surface Infiltration Rate of Permeable Block Pavements Depending on the Size of Filling Materials

은구 이; 건 김; 재훈 안; 현석 신

doi:10.9798/KOSHAM.2017.17.1.227

Abstract

Urbanization increased the impervious coverage rapidly and the rainfall pattern changed much due to the global weather change. As such, the peak flood discharge was raised and the travel time reduced. In order to overcome these problems, Low Impact Development (LID) techniques have been widely applied internationally, and the permeable pavement is one of notable examples of LID. In an attempt to evaluate field infiltration performance of permeable block pavement systems, the surface infiltration rate of two block parking lot testbeds which have different layer systems and sizes of filling material was investigated by using ASTM C 1701 procedure. A number of tests showed that the average surface infiltration rate was 0.98 mm/s for filler diameter 1.5~2.5 mm and 2.62 mm/s for 4~8 mm, respectively, which means that when the average diameter of the filler was increased three times, the average surface infiltration rate increased about 2.7 times. After removing blocks on the surface of pavement systems, the average surface infiltration rate was 13.5 mm/s that was much higher than the surface infiltration rate on block layer, so it was indicated that the understructure of pavement systems did not have an effect on surface infiltration rate.

Keywords: Surface Infiltration Rate, Permeable Block Pavement, Low Impact Development, Permeable Pavement

요지

도시화로 인한 불투수 면적의 증가와 기후변화로 인한 강우 패턴 변화는, 도심 홍수의 발생빈도를 높이는 주요한 원인으로 파악되고 있다. 이러한 문제를 극복하기 위한 방안으로, 국제적으로 저영향개발 시설의 적용이 확산되고 있는 추세이며, 저영향개발 시설의 대표적인 예로 투수성 포장을 들 수 있다. 본 연구에서는 줄눈 채움재의 직경에 따른 투수 블록 포장의 현장 표면 침투율을 평가하기 위하여, 실증 규모의 블록 포장 주차장을 대상으로, ASTM C 1701 표준 시험법을 사용하여 침투율을 산정하였다. 줄눈 채움재의 직경이 1.5~2.5 mm인 블록 포장의 평균 침투율은 0.98 mm/s, 줄눈 채움재의 직경이 4~8 mm인 경우는 평균 침투율이 2.62 mm/s로 측정되어, 조립 줄눈 채움채를 사용한 투수 블록은 세립 줄눈 채움재를 사용한 블록과 비교해 약 2.7배의 평균 침투율을 가지는 것을 확인하였다. 블록을 제거한 상태에서의 침투율은 하부구조와 관계없이 약 13.5 mm/s으로 측정되어, 측정된 블록 포장 침투율 보다 크게 커서, 시험에 사용된 블록 주차장의 경우, 하부 구조는 블록 포장의 ASTM C 1701 시험법으로 계측한 표면 침투율에 큰 영향을 미치지 못하고, 침투율은 블록과 줄눈 채움재 층의 특성에 지배되는 것으로 평가되었다.

1. 서론

도시화로 인한 불투수면 증가와 기후변화에 따른 강우패턴의 변화는, 수문곡선의 첨두홍수량을 증가시키고 도달시간을 단축시켜, 도심홍수의 발생빈도를 높이는 주요한 원인으로 파악되고 있다. 이를 해결하기 위한 방법 중 하나로, 최근 그린인프라(Green Infrastructure, GI) 및 저영향개발(Low Impact Development, LID) 기법이 주목을 받고 있으며, 본 기법은 도시 개발로 인한 물순환 왜곡을 최소화할 수 있다는 장점을 가진 것으로 알려져 있다(Korea Land and Housing Corporation, 2012). 투수성 포장시스템은 대표적인 저영향개발 시설 중 하나로, 포장형 불투수면이 많은 도심지에 특히 효과적인 시설이며, 미국의 경우 1970년대부터 투수성 포장에 대한 연구가 본격적으로 진행되었고, 최근에는 물순환 및 오염저감 효과에 관한 연구로 확대 적용되고 있다(Ferguson, 2005). 국내에서는 2014년 서울특별시에서 빗물관리에 관한 조례를 전부개정 하여 투수성포장의 적용 가능성을 확대한 바 있다(Seoul Metropolitan City, 2014).

투수성 포장의 표면 침투율 측정을 위한 대표적인 방법으로 더블링(Double Ring) 침투계와 싱글링(Single Ring) 침투계를 사용하는 방법이 있다(Bean et al., 2004; Smith, 2012). Bean et al.(2004)은 더블링 침투계를 사용하여 CGP(Concrete Grid Pavers) 및 PICP(Permeable Interlocking Concrete Pavers)의 표면 침투율을 측정하고 유출수의 수질을 분석하였다. 이 후, Bean et al.(2004)과 같은 연구 그룹의 Smith(2012)는, 더블링 시험 시 현장에서의 시험용 물 유량의 공급 문제 때문에, 싱글링 시험을 통하여 투수성 포장의 현장 침투율을 측정하였다. 한편, Peter et al.(2014)은 투수 블록 위에 소형 강우 모사장치를 만들어 인공강우를 생성하고 지표면에 유출이 발생하는 시점을 육안으로 확인하여, 표면 침투율을 측정하는 방법을 개발하였다. Winston et al.(2016)은 투수 블록, 투수 아스팔트에서의 폐색(Clogging) 현상 저감을 위한 유지관리기법의 비교를 위하여, 싱글링 침투계 방법을 사용하였다.

저영향개발 기법을 통한 수리, 수문 설계에는, 저영향개발 시설의 침투율의 평가가 선행되어야 하나, 국내의 경우 현재로서는 그 연구사례가 적고 또한 시험기법의 개발도 체계화 되어 있지 않은 것이 현실이다. 또한, 표면 침투율은 투수성 포장의 성능을 평가하기 위한 주요 지표로서, 시공 후 시간 경과에 따른 표면 침투율의 변화를 측정할 수 있으며, 이 지표를 활용하여 진공 청소 계획 등 포장면의 투수성능 유지를 위한 관리계획을 수립할 수 있다(Smith et al., 2012).

본 연구에서는, 저영향개발 시설 중 투수성 포장시스템의 표면 침투율을 평가하기 위한 시험기법 및 침투율 자료를 구축하기 위한 연구의 일환으로, 시험적 기법을 통해 투수성 블록 포장의 표면 침투율을 평가하고, 블록 포장의 침투율에 영향을 미치는 인자를 파악하기로 한다. 본 연구의 시험 대상으로, 줄눈 채움재의 크기가 다른 두 종류의 틈새 투수 블록 실증베드를 선정하였으며, 투수성 포장에 가장 널리 쓰이는 표면 침투율 시험법 중 하나인 싱글링 시험을 통해 틈새 투수 블록 포장의 침투율을 평가하였다.

2. 실증 단지 및 블록 포장 시공

2.1 연구센터 개요

본 연구는 부산대학교 양산캠퍼스에 위치한 한국 그린인프라⋅저영향개발 연구센터의 실증단지에서 수행하였다. 본 연구센터는 2014년 9월 착공하여 2016년 6월에 개관한 저영향개발의 연구를 위한 시설로서, 총 면적 4,204 m²의 부지에 실내⋅외 저영향개발 시설의 성능 평가를 위한 실험시설을 구비하고 있다. 실외 실험시설의 대표적인 예로서, 실증 규모의 주차장, 도로, 식생 화단, 녹지, 습식 및 건식저류지, 옥상녹화 실험 및 계측시설을 들 수 있다(Fig. 1).

Fig. 1

Korea GI⋅LID Center

2.2 투수 블록 포장

본 연구에 사용한 주차장형 LID 실증시설은, 2015년 8월부터 11월까지 약 4개월 동안 시공되었다. 주차장 실증시설의 각 주차공간은 콘크리트 격벽과 바닥면으로 구성된 독립된 콘크리트 셀로서, 주차장을 통해 유입⋅유출되는 유량을 모두 계측할 수 있도록 설계하였다(Fig. 2(a)). 각 셀은 폭

Fig. 2

Construction of Block Pavement

2.3 m, 길이 10.85 m, 높이 0.9 m의 규모로서, 주차장 규모의 최소기준(폭 2.3 m, 길이 5.0 m)을 충족한다. Fig. 2는 투수 블록 주차장의 시공과정 및 완성된 전경을 보인다. Fig. 2의 BF는 세립질 줄눈 채움재를 사용한 블록 포장을, BC는 조립질 줄눈 채움재를 사용한 블록 포장을 나타낸다.

표면 침투율 측정은, 동일한 블록으로 구성되었으나, 크기가 다른 두 줄눈 채움재를 시공한, 두 종류의 투수 블록 포장시스템을 대상으로 하였다. 먼저 세립질 줄눈 채움재를

사용한 포장의 단면은, 블록, 줄눈 채움재(D 1.5~2.5 mm) 및 받침안정층(D 4~8 mm)의 표층 하부에, 두 종류의 쇄석골재(D 13, 25 mm 1:1 혼합; D 25 mm)와 수질개선을 위한 모래필터로 구성된다. 조립질 줄눈 채움재를 사용한 블록 포장은, 블록, 줄눈 채움재(D 4~8 mm) 및 받침안정층(D 4~8 mm)의 표층 하부에, 앞의 경우와 입자 크기가 다른 두 쇄석골재(D 25 mm; D 65 mm)가 시공되었다. 또한, 재료의 각 층간 재료의 분리를 유지하기 위해, 두 포장시스템 모두, 표층 및 D 25 mm 쇄석골재 하부에 토목섬유를 설치하였다. 포장면에는 길이방향으로 1.2 %의 경사를 두어 배수가 원활하도록 하였다. 두 블록 포장 단면의 상세가 Fig. 3에 주어져 있다.

Fig. 3

Cross Section of Permeable Block Parking Lots

3. 시험 방법

3.1 표면 침투율 시험법

침투 시설의 표면 침투율 산정을 위한 표준시험으로 싱글링 침투계 시험법인 ASTM C 1701(2009, Standard Test Method for Infiltration Rate of In Place Pervious Concrete)과 더블링 침투계 시험법인 ASTM D 3385(2003, Standard Test Method for Infiltration Rate of Soils in Field Using double-Ring Infiltrometer) 방법이 널리 사용되고 있다. 이 중, ASTM D 3385(2003) 더블링 시험법은 지반 재료에 대해 제안된 것으로서, 표면 침투율 측정 범위가10^–5~10^–1 mm/s으로 대부분10^–1mm/s 이상의 포화투수계수를 가지는 투수성 포장에는 적합하지 않다고 판단하였다. ASTM C 1701 (2009) 싱글링 시험법은 현장의 투수성 콘크리트에 대해 제안한 것으로, 미국 ICPI(Interlocking Concrete Pavement Institute)에서도 PICP(Permeable Interlocking Concrete Pavement)의 표면 침투율 측정시 사용하도록 권장(Smith, 2011)하고 있고, 또한 투수성 포장에 다양한 적용 사례(Winston, 2016; Smith, 2012; Borst, 2010)가 있으므로 본 연구에 적합하다고 판단하여, 본 연구에서는 블록 포장의 침투율 측정을 위해 ASTM C 1701(2009) 싱글링 시험법을 사용하였다.

3.2 ASTM C 1701 시험법

ASTM C 1701(2009) 시험절차에서는, 먼저 침투율 시험을 수행할 투수성 포장의 표면의 이물질을 제거하고, 시험 위치에 싱글링 침투계를 설치한다. 설치 시에는, 접착 물질(Plumbers Putty 혹은 지점토)로 침투계와 포장 표면의 간격을 밀봉한다. 이 후, 싱글링 내 10~15 mm의 수위를 유지하며 3.6 kg의 물을 주입하며, 주입에 소요되는 시간을 기록한다(Pre-Wetting). 본 시험은 Pre-Wetting 단계 후 2 min 이내에 수행하며, Pre-Wetting 과정이 30 s 이내에 완료되었을 경우 18 kg의 물을, Pre-Wetting 과정에 30 s 이상의 시간이 소요되었을 경우 3.6 kg의 물을 주입하여 침투 시험을 수행한다(1차 측정). 2차 측정을 수행하는 경우, 1차 측정 후 5 min 이내에 동일한 방법으로 측정을 재수행하며, 이 때 표면 침투율은 두 측정값의 평균값으로 산정할 수 있다.

ASTM C 1701(2009)에서는 표면 침투율 시험에서 싱글링 침투계 내에 공급된 물의 질량을 통해 침투율을 산정하는 식을 제시하며, 이는 Eq. (1)과 같다.

(1)

I = F×MD2×t

이 때, I는 침투율(mm/h), M은 물의 질량(kg), D는 싱글링 침투계의 내경(mm), t는 표면 침투 혹은 물 공급 소요시간(s), F는 환산계수(4,583,666,000 mm³s/kgh)를 나타낸다.

한편, 본 연구에서는 싱글링 침투계에 공급되는 물의 부피를 통해 침투율을 산정하였으며, 물의 부피로부터의 표면 침투율은 Eq. (2)와 같이 나타낼 수 있다.

(2)

I = 1 × 106 ×Vπ×( D2 )2× t

이 때, V는 물의 부피를 나타낸다. 침투율 산정식인 Eq. (1)과 Eq. (2)로부터 ASTM C 1701(2009) 기준의 환산계수F값이 얻어지는 것을 확인할 수 있으며(Eq. (3)), 이에 따라, 물의 부피로부터 침투율을 산정하기 위한 Eq. (2)는 ASTM C 1701(2009) 기준의 Eq. (1)과 동일한 식임을 알 수 있다.

(3a)

I = F' × MD2 × t = 1 × 106 ×Vπ ×( D2 )2×t

(3b)

F' = 106 × 4 × 3,600π = 4,583,666,233 (mm3s/kgh)

4. 표면 침투율

본 연구는 세립질 줄눈 채움재(BF)와 조립질 줄눈 채움재(BC)를 시공한 두 투수 블록 포장시스템을 대상으로 하며, 시험 대상인 투수 블록 주차장에 대한 상세 사항은 2장에 기술되어 있다. 본 장에서는 먼저 상부의 블록을 제거한 상태에서 침투 시험을 수행하여, 하부 구조가 싱글링 침투계 시험의 결과에 미치는 영향을 파악하고, 이 후 세립, 조립 줄눈 채움재의 사용된 블록 포장시스템의 침투율을 위치별로 측정함으로써, 줄눈 채움재의 크기와 측정 위치에 따른 싱글링 침투계의 침투율 산정 값을 알아본다.

4.1 받침안정층 상의 표면 침투율

본 연구의 대상인 세립, 조립 줄눈 채움재를 사용한 두 블록 포장시스템의 하부 구조가 동일하지 않기 때문에(Fig. 3), 먼저 하부 구조의 차이가 싱글링 침투계 시험에 미치는 영향을 파악하기 위하여, 표층의 블록을 걷어내고 받침안정층 상에서 표면 침투율 시험을 수행하였다. 이 때, 링을 받침 안정층으로 약 1 cm 정도 삽입하여 링과 포장면 사이의 틈으로 물이 흐르지 못하게 하였다(Fig. 4). ASTM C 1701(2009)의 절차에 따라, Pre-Wetting 후 침투율을 2회 측정하였다.

Fig. 4

Surface Infiltration Test on Bedding Layer

본 시험의 결과가 Table 1에 제시되어 있다. 표에 보인 바와 같이, BF와 BC의 받침안정층에서 표면 침투율은 각각 13.6, 13.5 mm/s로 매우 유사한 결과를 가지는 것을 확인할 수 있었다. 따라서, 본 실증 블록 주차장 하부 구조의 차이가 침투율에 미치는 효과는 무시할 수 있으며, 이 후 보이는 두 블록 포장의 침투율 결과의 차이는, 하부 구조의 차이가 아닌, 블록 및 줄눈 채움재 층 구조의 차이에 기인하는 것임을 알 수 있다.

Table 1

Surface Infiltration on Bedding Layer

Case	Pre-Wetting Time (s)	Infiltration (mm/s)
Case	Pre-Wetting Time (s)	1^st	2^nd	Average
BF	2.78	13.7	13.4	13.6
BC	2.35	13.4	13.6	13.5

4.2 블록 포장의 표면 침투율

블록 포장의 줄눈 채움재에 따른, 또한 측정 위치에 따른 표면 침투율을 산정하기 위하여, 세립 줄눈 채움재(BF)와 조립 줄눈 채움재(BC)를 사용한 두 투수 블록 포장시스템 상에서 각 8지점, 총 16지점을 선택하여, 싱글링 침투계 시험을 수행하였다(Fig. 5). 이 경우 역시, ASTM C 1701(2009)의 절차에 따라, Pre-Wetting 후 침투율을 2회 측정하였다(Fig. 6).

Fig. 5

Test Locations

Fig. 6

Surface Infiltration Test on Block Layer

침투율 측정 지점으로, 주차장 셀 콘크리트 벽면의 영향을 고려하여, 벽면으로부터 30 cm 이상 떨어진 지점을 선정하였으며, 각 시험 지점간 거리는, 시험 간 간섭이 적도록 80 cm 이상으로 유지하였다. 블록 포장의 침투율 시험은 2016년 9월 10일 11:00am~2:00pm에 수행하였으며, 본 시점에서의 선행강우는 9월 8일 00:50am~2:00am에 발생한 강우로, 시험 시작 57 h 전에 종료되었다. ASTM C 1701(2009) 시험법에서는, 강우 발생 후 최소 24 h이 지난 후 시험을 하도록 되어 있으므로, 여기에 보인 시험결과는 표준시험법의 선행 강우 요건을 만족한다. 또한, 포장의 하부층이 골재크기가 크고 입도가 균일한 투수기층으로 이루어져있어, 선행 강우 시 주차장 내로 유입된 물은 거의 대부분 배수되었을 것으로 판단한다.

Table 2에 블록 포장의 표면 침투율 시험 결과가, Table 3에 침투율 측정치의 범위와 평균치가 요약되어 있다. 먼저, Table 2와 3에 보인 결과들은 Table 1에 보인 블록이 없는 경우의 침투율 보다 월등히 작은 값을 나타내므로, 블록의 표면 침투율이 하부층의 구조가 아닌, 블록과 줄눈 채움재 층의 특성에 지배되는 것을 알 수 있다.

Table 2

Surface Infiltration on Block Layer

Case		Pre-Wetting Time (s)	Infiltration (mm/s)
Case		Pre-Wetting Time (s)	1^st	2^nd	Average
BF	1	37.5	1.35	1.51	1.43
	2	56.6	0.72	0.64	0.68
	3	38.9	1.03	0.93	0.98
	4	28.5	1.50	1.46	1.48
	5	57.2	0.71	0.72	0.71
	6	62.7	0.64	0.62	0.63
	7	41.5	0.93	0.83	0.88
	8	39.2	1.10	1.03	1.07
BC	1	23.7	2.16	1.90	2.03
	2	18.3	2.68	2.53	2.61
	3	18.2	2.57	2.35	2.46
	4	17.2	3.69	3.49	3.59
	5	31.0	1.53	1.57	1.55
	6	20.7	2.91	2.54	2.73
	7	19.9	2.38	2.28	2.33
	8	15.1	3.64	3.63	3.64

Table 3

Range and Average of Surface Infiltration on Block Layer

Case	Infiltration (mm/s)			Max/Min
Case	Average	Min	Max	Max/Min
BF	0.98	0.63	1.48	2.35
BC	2.62	1.55	3.64	2.35

Table 2와 3에 보인 세립 줄눈 채움재를 사용한 투수 블록(BF)의 표면 침투율은 0.63~1.48 mm/s의 범위를 가지며, 조립 줄눈 채움재를 사용한 블록(BC)의 침투율은 1.55~3.64 mm/s의 범위를 보여, 조립 줄눈 채움재를 사용한 블록의 표면 침투율이 확연히 크게 나타남을 확인할 수 있다. 8지점 측정값의 평균값은, BF의 경우 0.98 mm/s, BC인 경우 2.62 mm/s이며, BC의 평균 침투능이 BF의 경우보다 약 2.7배 큰 값을 가진다. 한편, 측정 위치에 따라 싱글링 침투계로 산정한 침투율은 2배가 넘는 변화를 보였으나, 여기에 보인 결과로부터 공간적 위치에 따른 침투율 변화의 경향성은 확인할 수 없었다.

5. 결론

본 연구에서는, 투수성 포장시스템의 표면 침투율을 평가하기 위한 시험기법 및 침투율 자료를 구축하기 위한 연구의 일환으로, 싱글링 침투계 시험을 통해, 줄눈 채움재의 크기가 다른 두 종류의 틈새 투수 블록 포장의 표면 침투율을 평가하였다.

표층의 블록을 제거하고, 받침안정층 상에서 표면 침투율을 측정하였을 때, 시험 대상인 주차장의 하부 구조에 상관없이 유사한 침투율을 보여, 실증 블록 주차장 하부 구조의 차이가 침투율에 미치는 효과가 미미함을 확인할 수 있었다.

D 1.5~2.5 mm 줄눈 채움재를 사용한 블록 포장과, D 4~8 mm 줄눈 채움재를 사용한 포장의 침투율은 확연히 다르게 나타났으며, 이에 따라 줄눈 채움재의 차이가 포장의 침투율에 미치는 영향이 매우 크다는 것을 알 수 있었다. 하지만, 수행된 시험의 결과로부터, 위치에 따른 침투율의 변화 경향성은 확인할 수 없었다.

본 연구의 결과로부터, 시험대상인 블록의 크기를 고려하여 적절한 규모의 침투계를 선정하고 일정한 방법으로 시험을 수행하는 것이 매우 중요함을 알 수 있었으며, 향후 추가 연구를 바탕으로, 블록 포장에 최적화된 침투계 시험장치와 절차의 개발을 위한 연구를 수행할 예정이다.