1. 서 론
2. 재생 합성수지 투수블록의 공학적 특성
3. 야외계측을 통한 표면온도 저감효과 분석
3.1 Case별 야외계측 위치 및 방법
3.2 강우 전 야외계측 결과 및 분석
3.3 강우 후 야외계측 결과 및 분석
4. 실내실험을 통한 표면온도 저감효과 분석
4.1 실내실험 방법
4.2 실내실험 결과
4.3 실험결과 분석
5. 결 론
1. 서 론
인구 밀집도가 높은 도시에서는 열섬현상으로 인해 주변 교외지역에 비하여 온도가 높게 나타나고, 일몰 후에도 온도가 일정수준 이상 떨어지지 않는다. 우리나라의 인구밀도는 509.2명/km2의 높은 수준으로 국토교통부 통계자료에 따르면 2017년 도시지역에 거주하는 인구는 전체 인구의 91.82%로 나타났다. 여름철 도시열섬현상은 도로포장 표면의 온도 상승, 도시 기온 상승, 에너지 소비 증가, 이산화탄소 발생량 증가 등의 문제를 발생시킨다(Kim, 2011). 기록적인 폭염을 갱신한 2018년 여름에는 전국기상관측소 95곳 중 57곳(60%)이 역대 최고 기온을 갱신하였으며, 서울시에서는 사상 첫 초 열대야현상이 발생하여 최저온도 30.4°C를 기록하였다. 폭염일수는 31.2일로 1994년을 뛰어넘는 것으로 기록되었다.
열섬현상은 콘크리트 구조물, 도로의 아스팔트, 녹지 감소, 도심발생 열원 등이 주요원인으로 알려졌다. 이 중 아스팔트 도로포장은 도시열섬현상을 유발하는 가장 큰 원인 중 하나이다. 기존의 아스팔트 포장도로는 맑은 날 낮에는 60°C 이상 상승하는데 이렇게 아스팔트에 높은 표면온도가 나타나는 원인은 크게 2가지로 나뉜다. 먼저 천연의 지표면에 비하여 태양복사에너지에 대한 알베도(albedo)가 낮아서 일사량의 흡수가 많고, 두 번째로는 기존의 아스팔트 포장도로는 강우 시 빗물을 배수구로 배수시켜 도포 포장면 아래나 포장내의 공극이 수분을 함유하지 않기 때문에 증발에 따른 표면온도 냉각효과는 거의 없다. 여름철 낮 동안에는 도시 지표면이 태양일사를 흡수하여 생긴 열이 대기를 가열한다. 지표면이 태양일사를 열원으로 대기가열을 가져온다는 것을 고려하면, 연직면을 이루는 건물의 측면보다는 도로와 건물의 옥상과 같은 수평면의 열적 특성을 개선하는 것이 효과적이다. 태양일사에 의한 대기가열을 억제하는 방법은 반사율을 높여 일사흡수를 줄이는 방법과 수분증발을 늘여 기화잠열로 냉각시키는 2가지 방법이 있다(Lee, 2009).
투수블록은 저영향개발기법(LID: Low Impact Development)으로 불투수면 감소를 통해 빗물의 표면유출을 줄이고 토양침투를 증가시켜 물순환 개선 및 오염저감과 열섬현상 완화 효과가 있다. 그래서 일반 보도블록 대신 투수성이 높은 투수블록으로 대체하고 있다. 투수성이 높은 투수블록은 물과 공기를 표면 아래로 전달해 투수블록 표면의 온도를 감소시킨다. 또한, 공극 틈의 수분에서 기화잠열을 발생시켜 열에너지를 감소시킨다. 이러한 투수블록의 성질을 이용하여 표면의 온도의 상승으로 인한 열섬현상을 줄이는 방법이 연구되고 있다. 기존 콘크리트 투수블록의 투수성을 향상시키기 위해 공극률을 높이면 투수블록의 구조가 약화돼 내구성과 수명이 감소한다. 따라서 공용기간 동안 하중에 견딜 수 있는 충분한 강성과 높은 투수성을 가진 투수블록의 개발이 필요하다.
일반적으로 다공성 물질의 경우 증발은 초기(first stage)와 후기(second stage) 포화도에 따라 두 구간으로 나뉘며 전체적인 양상은 이중선형을 나타낸다. 초기 구간은 표면으로 연결된 공극 내 물이 증발하는 구간으로 공기 중으로 노출된 표면의 영향을 받아 모세관력(capillary force)에 의하여 물이 이동한다. 계속되는 증발로 공극내의 물 공급이 중단되면서 후기 포화도 구간으로 전환되는데 이 구간은 모세관력이 사라져 증발이 현저하게 감소한다(Seo and Yun, 2016).
국내 투수블록의 연구는 1980년대 아스팔트를 이용한 투수성 콘크리트의 제작기술이 국내에 도입되면서 연구가 시작되었다. 투수블록의 기초인 포러스 콘크리트의 연구로는 Ban(1999)에 의해 투수콘크리트의 투수성능 및 공학적 특성에 대한 실험적 연구가 수행되었으며, 2000년대부터 다기능성 투수 콘크리트에 대한 연구가 이루어졌다. You et al.(2007)과 Lee et al.(2011)은 아스팔트순환골재의 입도 차이에 의한 투수성 콘크리트의 역학적 특성연구를 수행하였다. Jung(2010)은 친환경 전면 투수블록 개발 및 성능평가로 투수블록의 친환경적 성능을 고려하여 투수블록의 오염성분을 정화하는 친환경적 연구를 수행하였다. Park et al.(2016)은 투수블록의 사용 확대, 기능성을 고려한 차도용 및 보도용 투수블록 개발을 위해 서울시 품질시험연구소에서 투수성능 및 포장상태 등의 연구를 진행하였다.
국내에서 차열성 재료에 대한 도시열섬 저감 연구는 Kim et al.(2006), Park et al.(2009), So(2011), Hong(2013) 등에 의해 연구되었으나, 투수블록의 보수성 특성을 반영한 연구는 아직 전무한 상태이다. 보수성 재료의 온도 저감효과 연구로는 Lee(2009)이 차열성 및 보수성 도로 포장재료별 도시열섬 저감효과 분석을 위한 실내외 실험 및 야외관측 연구를 통해, 보수성 포장재가 차열성 포장재보다 표면온도가 낮은 것을 확인하였다.
본 연구에 활용된 재생 합성수지 투수블록(Recycled synthetic resin permeable block), 일명 RS 투수블록은 재활용이 불가능한 폐 PET 재료와 시멘트 제조과정에서 발생되는 폐석회석을 결합하여 제작하였다. RS 투수블록의 투수성능은 서울시의 ‘투수블록 포장 설계, 시공 및 유지관리 기준(2013)’에 따른 실내 투수성능 지속성 시험에서 오염 전 투수계수 2.93mm/sec, 오염 후 투수계수는 1.63 mm/sec로 1등급에 해당한다. 또한, 휨강도는 5.22MPa로서 서울시 기준인 5.0MPa 이상을 만족한다(Ryu and Kim, 2018).
지표면이 대기에 미치는 상대적 영향 평가방법은 물성치 비교법, 현열수송량과 포장면의 열수지 관측법 그리고 포장면의 대기온도 측정 평가법 등 세가지가 있다. 증발이 없는 경우 온도차는 알베도로 결정되는데 보수성 포장 등 증발을 무시할 수 없는 경우 증발효율과 표층의 함수율을 고려하여야 한다.
이 연구는 RS 투수블록의 표면온도 저감효과를 파악하기 위하여 아스팔트 포장 도로를 대조군으로 콘크리트 투수블록, RS 투수블록으로 시공된 야외계측과 실내실험을 실시하였다. 야외계측은 아스팔트 포장 도로와 투수블록의 시공시기가 동일한 지역을 선정하여 동일한 실험조건에서 수행하였다. 3일 동안 야외계측을 실시하여 투수블록의 표면온도 저감효과에 대하여 평가하였다. 실내실험은 모사된 지반의 함수율에 따른 투수블록의 온도 저감효과를 확인하여 투수블록의 증발효과를 규명하였다.
2. 재생 합성수지 투수블록의 공학적 특성
RS 투수블록은 폐 PET로서 재활용이 불가능한 합성수지를 사용하며, PET로 코팅된 골재를 바인더로 접착한 후 압축 성형한 제품이다. 일반적인 콘크리트 투수블록과의 차이점은 PET로 골재를 코팅하였기 때문에 콘크리트 재료보다 보다 높은 공극률과 투수성능을 갖는다.
공극률 분석은 일본 에코콘크리트 연구위원회의 투수콘크리트의 공극률 시험방법 중 용적법에 따라 식 (1)에 의하여 계산하였다. 공시체는 ∅100×200mm인 원주형으로 콘크리트 투수블록과 RS 투수블록으로 나누어 각각 3개의 공시체를 제작하여 공극률을 평가하였다.
| $$V_0=\left[1-\frac{(W_2-W_1)}V\right]\times100$$ | (1) |
여기서, V0는 공극률이고 W1은 수중에서의 공시체 중량(g), W2는 기건 양생한 공시체의 중량(g), V는 공시체의 체적(mm3)이다.
콘크리트 공시체의 공극률은 평균 25.1%, RS 공시체는 평균 38.3%의 공극률을 보이는 것으로 나타났다. Table 1은 공극률 시험결과이다.
Table 1. Result of porosity test
| Porosity test | 1 | 2 | 3 | Average |
| Concrete permeable block | 24.5% | 24.8% | 26.0% | 25.1% |
| RS permeable block | 38.9% | 38.1% | 37.9% | 38.3% |
투수계수는 Fig. 1과 같이 보차도용 콘크리트 인터로킹 블록(KS F 4419)의 투수성 시험방법으로 식 (2)를 이용하여 투수계수를 측정하였다. 콘크리트 투수블록의 투수계수는 1.33mm/sec이고 RS 투수블록의 투수계수는 2.93mm/sec로 약 2.2배의 높은 투수성능을 갖는 것으로 나타났다(Ryu and Kim, 2018).
| $$k=\frac dh\times\frac Q{A\times30s}$$ | (2) |
여기서, Q는 배수되는 유출량(mm3), d는 블록의 두께(mm), h는 수위차(mm), A는 블록의 단면적(mm2), 30s는 측정시간(s)이다.
콘크리트와 RS 투수블록은 재료, 제조 및 성형과정에 따른 구성물이 다르므로 다른 공학적 특성을 가지고 있다. 특히 Fig. 2와 같이 콘크리트 투수블록은 강도발현과 미장의 목적으로 받침 안정층(stable layer)을 부착하는 반면에 RS 투수블록은 이러한 받침안정층이 없기 때문에 공극률이 높고 균질하여 콘크리트 투수블록보다 높은 열전도 특성을 보인다.
3. 야외계측을 통한 표면온도 저감효과 분석
3.1 Case별 야외계측 위치 및 방법
야외계측은 00대학교 내 최근에 시공된 아스팔트 도로와 투수블록 보도에서 수행하였다. 계측기는 주변 건물 및 지형에 의하여 그늘이지지 않는 곳으로 일조시간에 영향을 끼치지 않도록 하였다. 계측기간은 3일간 10분 간격으로 계측하였으며, 시간에 따른 온도변화를 확인하기 위해 온도센서(thermocouple)를 이용하여 계측하였다. Fig. 3은 계측장소와 블록에 설치된 계측기의 위치를 나타낸다.
투수블록이 설치된 지반에 함유된 수분의 증발효과에 대한 연관성을 확인하기 위해 블록 하부에 지반에 있는 경우와 없는 경우 두 가지 케이스로 나누어 야외계측을 수행하였다. Case 1은 블록 하부에 지반이 있는 경우로 시공된 보도블록의 형태이고, Case 2는 시멘트로 처리된 도로 위에 거치한 경우이다. 아스팔트 포장도로와 도보에 시공된 콘크리트 투수블록, 기존 콘크리트 투수블록은 일부 RS 투수블록으로 대체하여 온도변화를 측정하였다. RS 투수블록은 아스팔트와 일반 보도블록(적색)의 알베도를 고려하여 검회색, 검붉은색 두 가지 색상으로 구분하여 설치하고, 주변 재료 온도와 일치하도록 일주일간 방치한 후에 온도 계측을 실시하였다.
야외계측을 실시한 3일 동안의 기상조건은 주간온도가 33°C 이상이고, 야간온도가 25°C 이상인 고온조건으로 한정하였으며, 유사한 풍속 및 습도를 유지할 수 있는 건조한 상태의 조건을 만족하였다.
3.2 강우 전 야외계측 결과 및 분석
Case 1은 투수블록 표면온도와 아스팔트 표면온도를 비교한 것이다. 대기온도와 일사량을 고려하여 투수블록 내 수분의 증발효과에 의한 열섬 저감효과를 추가로 분석하였다. 3일간의 표면온도 계측결과는 Fig. 4와 같다. 대기온도는 기상청 통계데이터를 인용하였다. 표면온도는 9시부터 급격하게 상승하여 13∼14시에 최고 온도를 기록하고 이후에는 감소하여 일조시간이 끝나는 시점부터는 대기온도에 근접하는 형태를 보인다. 표면온도 측정결과, 최고온도는 아스팔트와 RS 투수블록보다 콘크리트 투수블록이 낮은 경향을 보인다. RS 투수블록의 온도는 아스팔트와 유사하게 증가하다가 16시를 기점으로 아스팔트와 콘크리트 투수블록보다 더 낮아지는 것으로 나타났다. 최저온도는 대기의 최저온도보다 약간 높은 상태로 수렴하는 것으로 나타났다.
각 케이스별 표면온도는 5시, 9시, 14시, 20시에 측정하였으며 Table 2와 같다. 아스팔트의 최고온도를 기준으로 각 Case별 표면온도를 비교하였다. Case 1은 콘크리트 투수블록이 약 5°C∼6°C 낮게 측정되었으며, RS 투수블록은 2°C∼4.5°C 낮게 측정되어, RS블록이 콘크리트 투수블록보다 높게 나타났다. Case 2의 경우 일반 보도블록은 5°C∼7°C, 콘크리트 투수블록은 5.5°C, RS합성수지 투수블록은 3.5°C∼5.5°C 온도가 낮게 측정되었다. 결과적으로 Case1과 Case 2의 온도 차이는 크지 않은 것으로 나타났다. 지반이 건조한 상태이기 때문에 수분의 증발에 의한 냉각효과가 발생하지 않아 온도의 저감효과가 나타나지 않은 것으로 판단된다. 계측일로부터 약 1달 전부터 비가 내리지 않았으며 높은 기온이 유지되어 지반이 건조한 상태로 볼 수 있다.
Table 2. Result of temperature measurement on the surface of block
3.3 강우 후 야외계측 결과 및 분석
증발에 의한 기화열이 발생하고 냉각효과로 인한 RS 투수블록의 온도 저감효과를 확인하기 위하여 강우 후 Case 1과 동일한 계측조건으로 실험하였다. 일강수량 27.2mm를 기록한 다음날 최고온도는 34.3°C, 최저온도는 24.1°C를 기록하였으며, 5시, 9시, 14시, 20시에 온도를 측정하였다. 아스팔트의 최고온도는 54.5°C로 14시에서 발생하였다. 콘크리트 투수블록은 아스팔트 대비 표면온도가 8.5°C 감소하였다. RS 투수블록은 검붉은색이 7.5°C, 검회색이 7°C 감소하였다. 건조한 조건에서 표면온도를 계측한 결과보다 더 감소하는 경향을 나타내었다. 각각의 블록에 대한 측정결과는 Fig. 5와 같다.
강우 후 아스팔트 최고온도 대비 측정한 투수블록의 온도변화는 다음 Fig. 6과 같다. Table 2의 3일째의 표면온도 결과와 비교하였으며, 아스팔트의 경우 건조한 상태일 때 보다 약 17% 표면온도가 감소하였다. 콘크리트 투수블록은 약 26% 온도가 감소하였고, RS 투수블록은 약 32%로 가장 크게 온도가 감소하였다.
야외계측 결과를 종합하면, 아스팔트 대비 투수블록은 습윤조건이 충족되었을 때 뚜렷하게 온도가 감소하는 것을 확인하였다. 건조한 기간이 길수록 투수블록의 온도 저감효과는 줄어들어 종래에는 아스팔트와 온도 증가 및 감소 경향이 유사한 것을 확인하였다. 또한, 건조한 상태일 때 온도의 저감효과는 알베도에 의한 차이에 의해 좌우되며, 적정한 습윤상태가 유지되는 경우 투수블록은 수분의 증발에 의한 냉각효과로 인해 온도 저감효과가 더 크게 작용하였다.
RS 투수블록은 콘크리트 투수블록보다 높은 공극률과 재료특성으로 인하여 상대적으로 높은 열전도 효과가 있다. 또한, RS 투수블록 하단의 온도가 콘크리트 투수블록 보다 높아 증발에 의한 기화작용이 더 활발한 것으로 예상된다.
4. 실내실험을 통한 표면온도 저감효과 분석
4.1 실내실험 방법
RS 투수블록은 PET 재질로 코팅된 입자가 결합된 형태로 형성되어 콘크리트 투수블록보다 높은 공극률을 가지고 있다. 또한, 코팅재질로 인하여 콘크리트 블록보다 높은 투수성을 가지고 있다. 열전도율이 동일한 경우 습윤상태인 지반에서 RS 투수블록은 증발에 의한 기화잠열로 인해 냉각에 따른 온도 저감효과가 나타나는 것을 확인하였다. 이 연구에서는 높은 투수성을 갖는 투수블록의 온도 저감효과를 분석하였다.
가로, 세로, 높이가 각각 300mm 이고 두께는 10mm인 BOX에 모래를 200mm 높이로 조성하였다. 투수블록을 중앙에 거치하고 BOX로부터 열영향을 차단하기 위하여 방열판을 설치하였다. 투수블록을 기준으로 400mm 높이의 상단에 100W의 전구를 설치하였고, 열전대는 모래지반 하부, 투수블록 표면과 하단에 설치하였다. Data-logger를 이용하여 약 8시간 동안 매 10초 간격으로 온도를 측정하였다. 실험실 대기 조건은 실내온도 24°C, 습도는 40∼45%로 조절하였으며 통풍이 되지 않는 밀폐된 공간에서 실험을 진행하였다. Fig. 7은 방열장치를 이용한 실내실험 장치를 나타낸다.
실험조건은 Fig. 8과 같이 건조상태(a), 습윤상태(b)로 조성하였다. 습윤상태(b)는 투수블록, 모래지반이 모두 습윤한 조건(b-1)과 습윤한 모래지반에 건조한 투수블록이 있는 조건(b-2)으로 구분하여 실험을 수행하였다. (b-1)는 실제 강우 후 빗물이 지반으로 침투하는 것을 모사하기 위해 물 450ml를 투수블록 표면에 흘려서 습윤한 상태로 조성하였다. (b-2)는 물 300ml를 추가하여 함수비 6%의 모래층을 조성한 후, 건조한 투수블록을 올려놓았다. 동일한 조건에서 콘크리트 투수블록과 RS 투수블록을 사용하였으며 투수블록의 증발효율과 표층의 함수비를 비교하였다.
4.2 실내실험 결과
실내실험은 여름철 야외조건을 모사한 것으로 표면온도가 60°C까지 상승할 때 표면온도의 변화를 계측한 것이다. Fig. 9는 콘크리트 투수블록의 실험 결과이며, Fig. 10은 RS 투수블록의 실험 결과를 나타낸 것이다. 건조한 상태(a)인 경우 야외계측 결과와 마찬가지로 투수블록 내부 및 하단부의 표층에서 표면온도가 감소하지 않았다. 반면에 습윤한 상태(b-1, b-2)인 경우 온도가 점차 낮아져 선형적으로 수렴하였다.
Fig. 9의 (b-1) 실험 결과의 시간별 온도 그래프에서 다공질 물질에서의 증발 현상인 초기구간과 후기구간으로 구분되는 경향이 뚜렷하게 나타났다. (b-1)과 (b-2)의 실험결과 양상을 비교하면, (b-1)의 이중선형 거동이 시간이 지남에 따라 (b-2)의 온도와 수렴하는 경향을 나타나는 것을 볼 때 (b-2)는 증발양상에서 후기구간에 해당하며 증기로 인한 증발로 온도가 감소하는 것으로 볼 수 있다.
Fig. 10의 (b-1)의 실험 결과는 약 40°C에서 수렴하는 선형적 거동이 나타나며, (b-2)의 실험 결과는 약 46°C∼47°C로 온도가 수렴하는 선형적 거동을 보이고 있다. 콘크리트 투수블록의 실험결과와 달리 (b-1)의 결과는 (b-2)의 결과와 시간이 지남에도 수렴하지 않는 평행한 간격을 유지하였다.
이 결과를 바탕으로 (b-1)에서의 RS 투수블록은 증발양상에서 초기구간에 해당하는 모세관력에 의한 증발이 지속적으로 유지되는 것으로 보이며, (b-2)에서는 온도의 증가 경향이 콘크리트 투수블록과 유사한 선형적 거동을 보이므로 후기구간에 해당하는 증발 형태인 것으로 판단된다.
4.3 실험결과 분석
4.3.1 RS 투수블록의 증발에 의한 온도저감 효과
Fig. 11은 실험조건별 최대온도를 나타낸 것으로, 건조한 상태(a)의 콘크리트 투수블록의 측정시간별 최대 표면온도는 59.3°C이고 하단부 온도는 53.1°C이고, RS 투수블록은 표면온도 62.6°C이고 하단부 온도는 57.7°C이다. RS 투수블록은 콘크리트 투수블록보다 표면온도가 3.3°C, 하단부 온도는 4.6°C 더 높은 결과를 보였다. 반면에 습윤한 상태(b-1, b-2)에서는 RS 투수블록의 측정 온도가 콘크리트 투수블록보다 낮거나 비슷한 결과를 보임으로써 지반 또는 공극내의 수분의 증발로 인한 온도감소가 더 큰 폭으로 작용하였다고 볼 수 있다.
콘크리트 투수블록과 RS 투수블록의 온도 저감율은 다음 Fig. 12와 같이 나타내었다. 건조한 상태(a)의 최대온도에서 습윤한 상태(b-1, b-2)의 최대온도의 차이를 비교하면 RS 투수블록이 콘크리트 투수블록보다 큰 폭으로 온도를 저감시키는 것으로 나타났다. (b-1)의 표면온도는 RS 투수블록은 콘크리트 투수블록보다 12.69% 더 높은 온도 저감율을 보였다. 그러나 (b-1) 하단부 온도와 (b-2)의 표면과 하단부 온도의 온도 저감율은 5∼6%로 유사한 경향을 나타내고 있다. 이러한 차이가 발생한 이유로는 RS 투수블록 내부 공극에 수분이 존재할 경우에는 증발의 초기구간 형태로 모세관력에 의한 수분의 증발이 지속적으로 유지되었다고 볼 수 있다. RS 투수블록은 콘크리트 투수블록의 받침안정층이 존재하지 않아 높은 공극율과 연속성을 갖고 있으므로 초기구간 형태의 증발이 지속적으로 유지된 것으로 판단된다.
동일한 외부조건에서 가열전구를 사용하여 동일한 일사량을 가할 때, 시간에 따른 투수블록의 표면과 하단부의 온도를 계측하고 비교하여 열전도 특성을 분석하였다. Fig. 13은 실내실험 조건별 콘크리트 투수블록과 RS 투수블록의 표면, 하단부의 온도 차이를 나타낸 것이다.
건조한 상태(a)에서 콘크리트 투수블록의의 온도 차이는 최대 13.5°C를 보인 뒤 6°C 내외로 감소하였다. RS 투수블록은 최대 14.8°C의 차이를 보인 뒤 4°C로 감소하였다. 그래프 선형에서 RS 투수블록의 온도차는 콘크리트보다 높지만 약 2시간 뒤 더 낮은 온도차를 나타내었다. 표면과 하단부의 시간대비 온도 차이가 RS 투수블록이 콘크리트 투수블록보다 빠르게 수렴하여 상대적으로 높은 열전도 특성을 갖는 것으로 확인하였다.
습윤한 상태(b-1, b-2)에서는 콘크리트 투수블록의 표면과 하단부의 온도 차이는 증발형태의 두 구간을 감안하더라도 10°C 내외의 차이를 유지하는 반면, RS 투수블록은 (b-1)에서 표면과 하단부의 온도차이가 좁혀지는 특이점을 나타내고 있다. 또한, 시간에 따른 온도차이 변화의 폭이 매우 불규칙한 선형을 보이고 있다. 이런 특이점이 발생한 이유는 RS 투수블록이 증발의 초기구간에서 증발과 함께 표층에서의 증기에 의한 증발도 동시에 발생한 것으로 추정되어, 콘크리트 투수블록보다 더 높은 온도 저감효과를 발휘하는 것으로 사료된다.
4.3.2 함수율에 따른 증발효율 분석
(b-1)은 강우를 모사한 조건이다. 실험 전 함수율은 9%이며 함수율 대비 증발율을 도출하였다. 실험 종료후 콘크리트 투수블록의 함수율은 3.37%, 모래층은 3.14%로서 총 함수율은 6.51%가 측정되었다. RS 투수블록의 경우 실험 종료후 함수율은 0.37%, 모래층은 2.59%로서 함수율은 2.96%가 측정되었다. 따라서 콘크리트 투수블록보다 55% 정도 함수율이 감소한 것으로 나타났다. RS의 투수블록의 온도가 콘크리트 투수블록보다 7°C 낮음과 동시에 함수율도 비례하여 감소하였다. 즉 RS 투수블록이 콘크리트 투수블록보다 높은 증발에 의한 기화작용으로 냉각효과가 발생하여 표면의 온도를 감소시킨 것으로 볼 수 있다. 투수블록 표면과 하단부의 온도에 따른 잔류 함수율은 Fig. 14와 같다.
(b-2)는 모래지반이 습윤한 조건을 모사한 것이며, 실험 전 콘크리트 투수블록의 모래층의 함수율은 6.03%이고, RS 투수블록 모래층의 함수율은 5.96%이다. 실험후 콘크리트 투수블록은 1.91%, 모래층은 2.72%로 총함수율은 4.29%로 나타났다. RS 투수블록의 경우 투수블록은 0.14%, 모래층은 2.87%로 총함수율은 3.01%로 측정되었다. 증발율을 비교한 결과 RS 투수블록이 콘크리트 투수블록보다 약 1.74배정도 높은 증발율을 보였다. 건조한 상태의 최대온도 대비 콘크리트 투수블록의 표면온도는 10.3°C 저감될 때 증발율은 28.8% 이고, RS 투수블록은 14.5°C의 표면온도가 감소할 때 증발율은 49.5%로 나타났다.
Fig. 15는 시험 전 함수율 대비 시험 후 함수율과 그에 따른 증발율에 따른 온도증가를 나타낸 것이다.
콘크리트 투수블록과 RS 투수블록은 온도가 감소하면서 그에 따라 증발율은 증가하는 경향을 나타내었다. 특히 RS 투수블록은 온도의 저감율이 콘크리트 투수블록보다 높으므로 이와 비례하여 더 높은 증발율을 기록하였다. Fig. 16은 건조상태를 기준으로 (b-1)과 (b-2)의 온도 감소와 증발율의 상관관계를 나타낸 것이다.
4.3.3 함수율에 따른 증발효율 고찰
(b-1)의 조건은 강우 직후 수분이 투수블록에 존재할 경우에 나타나는 조건으로 실제 현장에서 표면온도의 저감효과로 나타나는 시간은 매우 짧아 조건을 충족하지 않았다. 반면, RS 투수블록의 경우는 증발의 초기구간에 의한 증발효과가 유지되므로 이를 고려할 필요가 있다.
(b-2)는 투수블록 하부 표층의 함수율에 따라 온도 저감효과가 다르게 나타났으며, 강우 후의 야외계측 결과와 대기의 조건을 고려하였을 때 온도 저감율 경향이 유사함을 확인하였다. 이를 통해 증발율에 따른 온도의 저감효과의 상관관계를 식 (3)과 같이 도출하였다. 실내실험 온도범위는 20°C에서 투수블록의 최대 측정온도인 60°C까지이다.
| $$y=4.0851x-14.912$$ | (3) |
여기서, x는 건조상태 표면온도 대비 수분의 증발에 의해 저감된 온도이며, y는 증발율을 나타낸다.
5. 결 론
본 연구는 높은 투수성을 갖는 재생합성수지 투수블록의 표면온도 저감효과에 관한 것이며, 야외계측과 실내실험을 통해 열섬현상 완화의 가능성을 확인하였다. 건조한 기상과 강우 후의 습윤한 기상조건에서 증발에 따른 투수블록의 표면온도 저감효과를 규명하였으며, 결론은 다음과 같다.
(1) 실내실험은 건조상태 조건과 강우 직후 우수가 유입된 상태를 모사하였으며, 표층이 수분을 함유하는 조건에 따라 표면온도 저감효과를 확인하였다. 건조한 기상일 때 투수블록의 온도저감 효과는 블록 표면의 알베도에 의한 차이만 존재하여 수분의 기화로 발생되는 냉각효과로 인한 온도 저감효과는 없었다. 그러나 습윤한 기상에서는 뚜렷한 온도의 저감효과가 나타났다.
(2) 기화에 의한 온도저감효과는 RS 투수블록과 콘크리트 투수블록간에 현저한 차이가 발생하였다. RS 투수블록은 블록 내부 공극의 수분에 의한 모세관력이 지속적으로 유지되어 콘크리트 투수블록 보다 낮은 표면온도를 유지하였다. 콘크리트 투수블록의 경우 실험초기 표면 기화에 따른 온도저감효과가 있으나 수분흐름이 단절되는 반면, RS투수블록은 수분흐름이 유지되어 온도저감효과가 더 우수한 것으로 나타났다.
(3) 함수율에 따른 온도저감효과는 증발율이 증가할수록 크게 나타났다. 포화상태인 모래지반의 경우 각 투수블록의 표면과 하단부의 온도가 거의 유사하였다. 그러나 습윤상태의 모래질 지반조건에서는 뚜렷한 저감효과가 나타나지 않았다. 야외계측 결과도 이와 유사한 결과를 보여 포화조건에서 증발량에 의한 온도 저감효과는 유의미한 상관관계를 보이는 것을 확인하였다.
