장성민
(Seong Min Jang)
1iD
유현상
(Hyun Sang Yoo)
2
오동욱
(Dong Wook Oh)
3iD
반즈락츠가랍
(Banzragchgarav Batchimeg)
4
정혁상
(Hyuk Sang Jung)
5†iD
-
정회원 · 동양대학교 건설공학과 박사과정
(Dongyang University · jsm2717@dyu.ac.kr)
-
한국철도공사 토목시설처 차장
(Korea Railroad Corporation · yhs8056@korail.com)
-
정회원 · 동양대학교 철도건설안전공학과 연구교수
(Dongyang University · dw.oh.9196@gmail.com)
-
동양대학교 시설안전공학과 석사과정
(Dongyang University · banzragch646@gmail.com)
-
정회원 ․ 교신저자 ․ 동양대학교 철도건설안전공학과 교수
(Corresponding Author · Dongyang University · yoricom@dyu.ac.kr)
Copyright © 2021 by the Korean Society of Civil Engineers
키워드
초속경 복합매트, 현장 적용, 접지압, 난연 성능
Key words
Rapid hardening composite mat, Field application, Contact pressure, Heat release rate
1. 서 론
최근 기후변화에 따른 태풍 및 국지성 집중호우로 철도 비탈면의 유실 및 붕괴가 빈발하고 있다(Chio et al., 2022). 비탈면이 유실될 경우
시공기면이 감소하고 작업자의 작업공간도 감소하게 되어 안전상의 문제가 발생된다. 또한 노반 및 비탈면 유지보수작업 시 비탈면이 불안정할 경우 사고
발생률은 증가하게 된다.
이에 대응하고자 국내에서는 숏크리트, 식생공, 돌붙임 등의 공법을 적용하여 비탈면을 보호하고 있다. 그러나 숏크리트의 경우 대형장비가 필요한 단점이
있고 식생공의 경우 유지관리가 어려우며 계절의 영향을 많이 받는 단점이 있다(Bhang, 2007). 돌붙임의 경우 시공성이 좋지 않아 긴급시공이 필요한 철도 비탈면에서는 부적절한 실정이다(Bae et al., 2010). 해외 선진국인 미국과 영국에서는 비탈면과 배수로 등을 보강하기 위해 GCCM(Geosynthetic Concrete Composite Mat)을
개발하였다(Kim, 2016). GCCM은 수분공급을 위한 토목섬유와 건조 모르타르 혼화물, PVC 방수섬유 등을 매트릭스 형식으로 제작한 공법으로서 일축압축강도가 재령 1일에
40 MPa, 28일에 75 MPa로 내구성이 뛰어나며 휨강도 역시 재령 1일에 4 MPa, 28일에 7.71 MPa로 매우 우수한 내구성을 가지고
있다(Jirawattanasomkul et al., 2018). GCCM의 대표적인 적용사례로는 비탈면, 배수로, 암거 등 다양하게 적용되고 있다(Shibi, 2017). 그러나 GCCM의 경우 철도현장에서 긴급하게 시공해야 하는 열차차단시간인 6시간이내 성능에 대해서는 검증된 바가 없고 국내 철도 현장에서 적용된
사례가 없어 그에 대한 연구도 미흡한 실정이다. 또한 롤형태로 생산되는 GCCM은 초속경 복합매트 대비 폭이 약 2배 작기 때문에 겹침시공시 필요한
말뚝과 고정핀의 개수가 증가하게 되고 시공 단가도 증가하여 국내에 적용하기에는 무리가 있는 공법이라고 할 수 있다.
초속경 복합매트는 부직포, 직포, 초속경 시멘트로 이루어진 복합매트이며 시공기면이 부족한 비탈면 유실의 긴급복구 및 비탈면 안정화, 식생억제 등을
위해 개발되었다. 초속경 복합매트의 탄성계수는 1.90×104 MPa, 포아송비는 0.3으로서 기존에 적용되던 GCCM 대비 물성은 유사하지만 내구성은
증대시킨 공법이다(Jang et al., 2023). 또한 초속경 복합매트는 식생억제능력이 뛰어나 유지관리비 절감이 가능하고 GCCM 대비 조기강도를 확보하였으며 무게가 가벼워 대형 장비가 불필요한
장점이 있다(Kang et al., 2021).
초속경 복합매트의 내구성과 비탈면 보호효과에 대한 연구는 다양하게 이루어진 바 있다. Yoo et al.(2022)은 실내시험을 통해 초속경 복합매트의 내구성, 내화학성, 휨성능 등을 분석한 연구를 발표한 바 있다. 일축압축강도의 경우 재령 1일에 40 MPa의
성능인 GCCM 대비 초속경 복합매트의 경우 재령 6시간에서 45 MPa의 성능을 보였다. 또한 인장강도, 동결-융해 저항성, 내마모성 등 모든 시험에서
GCCM 대비 높은 성능을 보였다. Jang et al.(2023)은 초속경 복합매트의 비탈면 보호효과를 분석하기 위해 성토고, 비탈면 기울기, 지반조건, 강우강도에 따른 안전율을 분석하였다. 초속경 복합매트의 물성시험을
통해 물성치를 도출하였으며 해석 결과 모든 조건에서 초속경 복합매트를 적용하였을 때 안전율이 평균 40% 증가하는 경향을 보였다.
이러한 연구들을 통해 초속경 복합매트의 내구성 및 비탈면 보호효과에 대해서는 분석이 되었으나 기존에 수행된 연구의 경우 초속경 복합매트의 현장적용성에
대한 연구는 미흡한 실정이다. 또한 국토의 70%가 산림구조인 국내의 경우 비탈면의 화재 발생시 비탈면 붕괴, 토사유실 등과 같은 2차 피해가 발생되고
비탈면의 기능을 저하시킨다. 이에 초속경 복합매트 적용시 발생할 수 있는 비탈면 화재 예방에 대한 연구가 필수적이다.
따라서 본 연구에서는 난연시험을 통해 초속경 복합매트의 화재위험성을 분석하였으며 접지압 실험을 통해 중·소형장비 투입에 따른 초속경 복합매트의 파괴
및 변형 발생여부를 분석하였다. 또한 현장실험을 통해 초속경 복합매트를 적용한 비탈면에서 발생하는 변위를 측정하여 현장 적용성을 분석하였다.
2. 난연시험
2.1 개요
초속경 복합매트는 토목섬유와 시멘트로 이루어져 있어 화재에 강한 구조이나 화재 발생 시 토목섬유로 인해 화재의 확산이 이루어질 수 있다는 우려가 있다.
또한 경사가 급하고 산림이 울창한 국내 비탈면의 화재특성은 연소진행 속도가 빠르고 급속히 확산되며 화재 중심부 주변의 경우 최대 600℃에 이르게
된다. 특히 비탈면 보호공법 적용시 발생되는 화재위험 분석은 필수적이다(Shin et al., 2005). 따라서 본 장에서는 초속경 복합매트를 현장에 적용하기에 앞서 초속경 복합매트로 인해 발생할 수 있는 화재위험성을 분석하고자 콘칼로리미터 시험(KS F ISO 5660-1, 2008) 및 가스유해성 시험(KS F 2271, 2011)에 근거하여 초속경 복합매트의 난연시험을 수행하였다.
2.2 난연시험 방법
콘칼로리미터 시험은 220 mm의 정사각형 시편을 제작하여 지름 22 mm 원형을 3개 천공 후 총 3번의 시험을 수행하였다. 시편을 설치한 콘칼로리미터
시험장치의 시험환경은 온도 23±7℃, 습도 50±30%를 유지하여 총 5분 동안의 시편 가열시 발생되는 열방출률, 방화상 유해인자 등을 측정하였다.
콘칼로리미터 시험의 판정 기준으로는 ① 가열 개시 후 5분간 총방출열량이 8 MJ/m2 이하여야 하며 ② 5분간 최대 열방출률이 10초 이상 연속으로 200 kW/m2를 초과하지 않아야 하고 ③ 5분간 가열 후 시험체를 관통하는 방화상 유해한 균열, 구멍 및 용융 등이 없어야 하며 시험체 두께의 20%를 초과하는
일부 용융 및 수축이 없어야 난연 등급으로 판정할 수 있다.
가스유해성 시험의 경우 100 mm의 정사각형 시편을 제작하여 총 2번 수행하였다. 시편의 가열은 부열원(LPG)으로 먼저 3분간 가열을 시작하고
부열원을 유지한 채로 3분부터는 추가로 주열원(전열)으로 가열하여 6분 후 종료하였다. 시험환경은 콘칼로리미터 시험과 동일한 조건인 온도 23±7℃,
습도 50±30%를 유지하여 수행하였다. 가스유해성 시험의 판정 기준은 실험용 쥐의 평균행동정지 시간이 9분 이상이여야 한다.
2.3 난연시험 결과
콘칼로리미터 시험 결과 총방출열량의 경우 Fig. 1과 같이 모든 시험에서 콘칼로리미터 시험 판정기준 이하인 것으로 나타났으며 판정기준인 8 MJ/m2에 부합하는 0.3~0.5 MJ/m2인 것으로 나타났다. 한편 실험 시간 150 sec 이후 case 1과 case 3이 역전되는 총열방출량의 차이는 0.1 MJ/m2로서 매우 미미한 것으로 확인되었다. 이는 실험 진행 중에 발생한 미미한 차이인 것으로 보인다. 또한 열방출율이 연속으로 200 kW/m2을 초과하는 시간은 모든 시험에서 없는 것으로 나타났고 시험체의 방화상 유해인자 발생도 없는 것으로 분석되었다. 가스유해성 시험 결과 시험용 흰쥐의
평균 행동 정지시간은 12분 49초와 15분인 것으로 나타났으며 이는 가스유해성 시험 판정 기준(9분) 이상인 것으로 분석되었다. Table 1은 콘칼로리미터 시험과 가스유해성 시험의 결과를 나타내고 있다.
이러한 결과로 미루어보아 초속경 복합매트는 국토교통부 고시 난연 등급 판정 및 화재 확산 방지 기준에 도달하였으며 이를 통해 산불 등 화재 발생 시
초속경 복합매트로 인해 불길이 번지거나 화재로 인해 철도 운행에 지장이 없을 것으로 판단된다. Fig. 2는 콘칼로리미터 시험과 가스유해성 시험 전과 후의 시편을 보여주고 있다.
Table 1. Results of Flame Retardant Test
|
Division
|
Test Result
|
|
Case 1
|
Case 2
|
Case 3
|
|
KS F ISO 5660-1
|
Total heat released(MJ/m2)
|
0.3
|
0.5
|
0.4
|
|
Time during which the heat release rate continuously exceeds 200kW/m2(sec)
|
0
|
0
|
0
|
|
Cracks and holes penetrating the test specimen after heating
|
-
|
-
|
-
|
|
KS F 2271
|
Average Incapacitation Time of Laboratory Mice(min and sec)
|
12:49
|
15:00
|
-
|
Fig. 1. Results of KS F ISO 5660-1
Fig. 2. Flame Retardant Test Specimen: (a) Specimen before ISO 5660-1 Test, (b) Specimen after ISO 5660-1 Test, (c) Specimen before KS F 2271 Test, (d) Specimen after KS F 2271 Test
3. 접지압 실험
3.1 개요
철도 비탈면 복구 및 유지관리를 위한 현장(시공기면)에서는 대형 장비의 진입이 어려운 경우가 많고 현장 여건에 따라 무한궤형 굴삭기(06) 등의 중·소형장비
투입이 불가피하다. 따라서 본 장에서는 접지압 실험을 통해 중·소형장비 투입에 따른 매트 변형 및 강도저하 여부를 확인하였다. 또한 초속경 복합매트의
목표 접지압을 설정한 후 목표성능 도달 여부를 분석하였다.
3.2 접지압 실험방법
접지압 실험방법은 철도노반을 모사한 후 초속경 복합매트를 시공하고 하중을 재하하여 목표성능에 부합하는지를 분석하였다. 또한 접지압 실험은 총 5회(재령
4시간, 재령 6시간, 재령 12시간, 재령 24시간, 초속경 복합매트 미적용) 수행하였으며 재령시간과 매트 적용 여부에 따른 접지압 결과를 비교하였다.
철도노반의 모사는 대형 토조에 규사 7호를 사용하여 매우 조밀한 상태의 노반을 모사하였다. 이후 초속경 복합매트(1 m×1 m)를 설치하고 초속경
복합매트에 물을 살수하여 초속경 복합매트 재령시간(재령 4~24시간)에 따른 접지압과 변위를 측정하였다. 하중재하는 ∅300 mm의 하중재하판을 통해
하중을 재하하였으며 하중재하판 상부에 LVDT를 설치하여 변위를 도출하였다. 초속경 복합매트의 접지압 목표성능은 Eq. (1)을 이용하여 도출하였다. 접지압의 산정은 무한궤형 굴삭기(06)를 대상으로 산정하였으며 장비의 중량은 14,600 kgf, 트랙의 수는 2개, 슈의
폭은 0.6 m, 접지 길이 0.4 m를 적용하여 계산한 결과 Eq. (2)와 같이 접지압은 30.3 kPa로 나타났다. 계산을 통해 굴삭기의 허용접지압은 30 kPa로 산출되었으며 안전율을 확보하여 산출된 접지압의 약 1.5배인
50 kPa을 목표 성능으로 설정하였다. 접지압 시험의 종료 시간은 최대 허용접지압을 초과하여 더 이상 접지압이 증가하지 않고 감소하는 경향을 보인
시점에서 종료하였다. Fig. 3는 접지압 실험 전경을 보여주고 있다.
Fig. 3. Contact Pressure Experimental Setup: (a) Formation of Railway Roadbed, (b) Stress Loading
3.3 접지압 실험 결과
접지압 실험 결과 초속경 복합매트의 재령시간별 최대 접지압은 재령 4시간에서 50.5 kPa으로 나타났고 재령 6시간에서 50.6 kPa로 나타났으며
재령 12시간에서 50.7 kPa, 재령 24시간에서 50.8 kPa인 것으로 나타났다. 이는 모든 조건에서 목표성능으로 설정한 30 kPa 이상인
것으로 나타났다. 재령 4시간과 재령 24시간의 접지압 차이는 약 0.6%로서 재령에 따른 접지압의 차이는 미미한 것으로 나타났다. 이에 초속경 복합매트는
살수 후 재령 4시간 이내에 경화가 완료된 것으로 판단된다. 또한 초속경 복합매트가 존재 하지 않을 때의 접지압에 비해 초속경 복합매트가 존재 할
때 접지압은 약 13.6% 증가한 것으로 나타났다. Fig. 4는 접지압 실험 결과를 보여주고 있다.
Fig. 4. Contact Pressure Experimental Results
4. 현장실험
4.1 개요
현재 철도 비탈면의 대부분은 준공된 지 상당한 시일의 경과로 노후화되어 있고 비탈면 재해를 방지하기 위해서는 비탈면 계측센서 및 장비를 그 특성과
용도에 맞게 설치하여 계측을 수행해야 한다(KNR, 2017). 이에 본 장에서는 초속경 복합매트를 일일 평균 열차운행횟수가 8회인 성토노반에 적용한 후에 발생하는 변위 및 거동을 분석하기 위해 기울기 센서를
설치하여 현장실험을 수행하였다. 또한 Choi et al.(2021)이 제시한 토사비탈면 관리기준과 현장 계측 변위를 비교하여 결과를 분석하였다. Table 2는 Choi et al.(2021)이 제시한 토사비탈면 관리기준을 나타내고 있다.
Table 2. Railway Slope Management Standards(Choi et al., 2021)
|
Classification
|
Monitoring
|
Caution
|
Warning
|
|
Short-term basis
|
1 mm/min
|
4 mm/min
|
21 mm/min
|
|
Long-term basis
|
2 mm/day
|
8 mm/day
|
56 mm/day
|
4.2 현장실험 방법
현장실험은 성토노반으로 조성된 현장에서 수행하였으며 현장 적용성을 분석하기 위해 철도 노반 비탈면에 테스트 베드를 조성한 후 x축, y축, z축의
3차원 변위를 14일간 측정하였다. 초속경 복합매트의 설치는 시공기면 1.5 m, 철도 비탈면 4.5 m를 대상으로 20 m 구간에 수행하였다. 초속경
복합매트를 시공하기 전 사전작업을 통해 비탈면에 자란 식생들을 제거한 뒤 초속경 복합매트를 시공하였다. 계측 센서의 설치는 지질조건, 비탈면 크기
및 형상, 주변구조물의 환경조건 등에 따라 차별적으로 설정하고 흙쌓기 단면 중앙에 설치해야 한다(KNR, 2017). 또한 측정범위의 전 범위에 걸쳐서 검사하여야 하며 검사측정점은 최소 10개 이상을 선정하고 가능하면 분포가 균일하도록 측정범위를 2 m 이내로
설치해야 한다. 따라서 계측구간 전 범위에 총 40개의 센서를 2 m 간격으로 설치하였다. 데이터 분석은 1~10번 센서와 31~40번 센서는 고정점으로
두어 11~30번 센서의 데이터를 확보하여 3차원 변위를 분석하였다. Fig. 5는 초속경 복합매트 적용 구간을 보여주고 있고 Fig. 6는 센서 설치 위치를 보여주고 있다. 또한 Fig. 7은 현장실험 방법을 보여주고 있고 Table 2는 철도 비탈면 관리기준을 나타내고 있다.
Fig. 5. Construction Site View: (a) Before Construction, (b) After Construction
Fig. 6. Sensor Installation Position
Fig. 7. Instrument Installation and Measurement: (a) Inserting a Sensor, (b) Cable Installation, (c) Field Measurement
4.3 현장실험 결과
현장실험 결과 초속경 복합매트 설치 당일 20번과 30번 기울기 센서에서 8° 정도의 급격한 각도변화로 인해 최대 120 mm의 변위가 발생하였다.
그러나 이는 비탈면 거동에 의한 변위가 아닌 야생동물 등으로 인한 이벤트 변위인 것으로 분석되었다. 현장실험 기간 동안 이벤트 변위를 제외한 경우
모든 조건에서 유사한 거동이 발생하였으며 평균 일일 변위는 –1.70~1.01 mm의 변위가 발생하였다. 계측결과 발생한 평균 일일 변위는 Choi et al.(2021)이 제시한 철도 비탈면 관리기준의 주시 기준으로서 초속경 복합매트를 적용하였을 때 발생되는 변위는 매우 미미한 것으로 나타났다. Fig. 8은 현장실험 결과를 보여주고 있다.
Fig. 8. Field Experiment Results: (a) 1 day of Field Measurement, (b) 10 day of Field Measurement, (c) 12 day of Field Measurement, (d) 14 day of Field Measurement
5. 결 론
본 연구에서는 초속경 복합매트의 현장 적용 방안을 제시하기 위해 난연시험 및 접지압 실험, 현장실험을 수행하였으며 철도 현장에서의 초속경 복합매트
적용 방안을 제안하였다. 연구의 결과는 다음과 같다.
(1) 초속경 복합매트를 구성하고 있는 토목섬유로 인한 화재위험성을 분석하기 위해 수행한 콘칼로리미터 시험 및 가스유해성 시험 결과 초속경 복합매트는
국내 건축법에서 제시하고 있는 난연등급 기준에 부합하는 것으로 나타났다. 초속경 복합매트를 철도 현장에 적용할 경우 화재로 인한 철도 운행 방해 및
비탈면 기능저하는 없을 것으로 판단된다.
(2) 접지압 실험 결과 초속경 복합매트를 적용하였을 때 모든 조건에서 목표 접지압 이상인 50 kPa 이상인 것으로 나타났다. 이를 통해 철도 현장에서
초속경 복합매트를 적용할 경우 무한궤형 굴삭기(06) 등의 소형장비로 인한 변형 및 파괴, 강도저하가 발생하지 않을 것으로 판단된다. 또한 본 연구에서는
시공기면 상에 설치된 초속경 복합매트의 접지압을 분석하였지만 추후 연구를 통해 경사상태의 접지압 분석이 필요할 것으로 사료된다.
(3) 초속경 복합매트의 현장적용성을 분석하기 위해 수행한 현장실험 결과 초속경 복합매트를 시공한 구간에서 발생되는 변위는 매우 작은 것으로 나타났다.
이에 초속경 복합매트를 시공함에 따라 비탈면 안정성 감소 등의 문제가 발생하지 않을 것으로 판단된다.
(4) 상기와 같은 연구 결과로 초속경 복합매트의 철도 현장 적용 방안을 고려해본 결과 초속경 복합매트는 철도 비탈면 긴급보수용 및 현장적용성이 우수한
것으로 판단된다. 또한 향후 추가적인 실험을 통해 식생억제 필요구간, 배수로, 지하매설물 보호, 비탈면 보호 등 다양한 적용방안의 제시가 필요할 것으로
보이며 추가적인 연구를 수행할 경우 산마루 측구, 지장수목, 터널 입출부 등 식생억제 필요구간에 활용이 가능할 것으로 보인다.
(5) 현재 다양한 연구들을 통해 초속경 복합매트의 내구성, 비탈면 보호효과, 현장 적용성 등이 분석되었다. 그러나 초속경 복합매트는 반영구적인 공법임에도
불구하고 장기 내구성에 대한 연구는 이루어진 바가 없는 실정이다. 이에 초속경 복합매트의 장기 내구성 및 장기적인 거동 분석을 위한 다양한 시험 및
수치해석 등을 통해 정확한 내구수명 도출이 필요할 것으로 판단된다.
Acknowledgements
This work was supported by the National Research Foundation of Korea(NRF) grant
funded by the Korean government(MSIT) (NRF-2021R1I1A3056148). This paper has been
written by modifying and supplementing the KSCE 2023 CONVENTION paper.
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