1. 서 론

우리나라는 전체 국토의 70%가 산지로 이루어져 있어 도로나 철도 건설시 터널의 필요성이 높게 요구된다. 2006년 전국의 도로 터널은 총 1,064개소, 총 연장 약 755 km에서 2016년 총 2,189개소, 총 연장 1,626 km로 총 개소는 약 2배, 총 연장은 약 2.2배 증가하였다(Ministry of Land, Infrastructure and Transport, 2017). 도로 터널 건설의 증가와 함께 운용중인 도로 터널의 공용년수가 증가하면서 보수/보강이 필요한 도로 터널의 개소와 보수/보강 비용이 급속도로 증가하고 있는 추세이다. 도로 터널의 보수비용은 2006년 총 323개소 171억 원이 소요되었지만 2016년에는 총 1,440개소 1,065억 원이 소요된 걸로 조사되었다(Ministry of Land, Infrastructure and Transport, 2016).

터널에서 발생하는 가장 대표적인 손상은 균열과 누수이다. 균열이 발생하게 되면 발생한 균열을 따라 지하수의 누수가 확대된다. 터널에서의 누수는 미관뿐 만 아니라 지보재 및 구조물의 열화를 촉진시켜 성능저하를 발생시켜서 유지관리 비용을 증가시키는 원인이 된다(Choi et al., 2017). 따라서 터널 구조물의 내구성을 저하시키기 전인 초기에 발생한 누수를 파악하여 인지하고 대책을 마련하는 것이 매우 중요하다(Shin et al., 2008). 또한 누수부위에서 동결융해가 발생하면 터널 구조물의 열화를 가속시키며 동결융해 현상이 매년 반복되면 장기간에 걸쳐 콘크리트의 내구성을 저하시킨다(Koh, 2001). 기존 연구에서 국내 지역별 콘크리트 구조물의 동결융해 손상 위험도를 검토한 결과 강원산간지역은 동해손상 위험이 가장 높은 1단계 지역으로 선정되었다(Cheong, 2013). 해당 지역은 북부에 위치하고 있으며 산간지역으로 연중 기온이 영하로 내려가는 날이 타 지역에 비해 많다. 이런 특성으로 해당 지역에 적용되는 구조물은 시공뿐 만 아니라 장기 내구성에 있어서도 많은 문제점을 가지고 있다(Hwang, 2013). 따라서 해당지역의 콘크리트 구조물은 동결융해에 의한 손상위험이 타 지역에 비해 높아 보수/보강 공법을 적용할 때 동결융해에 대한 검토가 필수적이다.

과거에는 터널과 같은 지하 콘크리트 구조물에서 균열이 발생하여 누수가 발생하면 균열을 보수하여 더 이상 누수가 발생하지 못 하도록 하는 보수방법을 적용하였다. 국내 현장에서 가장 많이 적용된 누수방지공법으로는 표면처리공법, 누수 단면의 배면 그라우팅 및 누수 균열부 주입공법이 있다. 그 중 주입공법은 에폭시를 주입하여 균열 내부를 채워 균열을 막음으로써 누수를 차단하는 방법이다. 그러나 해당 공법은 균열부위만을 보수할 수 있는 공법으로 콘크리트 단면의 손상을 동반한 누수에는 적용하기가 곤란하다(Oh, 2005). 또한 충전재가 균열이 발생한 깊이까지 주입되지 못하는 상황이 발생하기도 한다. 주입공법의 경우, 실시하는 현장의 균열 상태 및 환경에 따라서 주입하는 방법을 적절하게 선택하여야 하는데 작은 폭의 균열이 발생한 현장에 고압식 주입공법을 사용하여 오히려 균열의 진행을 촉진시키는 문제가 발생하기도 한다(Park and Kwon, 2014).

터널과 같은 지하 콘크리트 구조물에서 이러한 공법들을 적용하여 누수를 방지하면 누수가 발생하지 않은 주변의 미세 균열들로부터 누수가 발생할 가능성이 높다. 그러므로 지하 콘크리트 구조물에서 발생하는 부분적인 누수는 지하 콘크리트 구조물의 배수시설로 유도배수하여 이동시키는 것이 매우 효과적이다(Federal Highway Administration & Federal Transit Administration, 2004; Federal Highway Administration, 2015). Kim and Yim (2017b)는 지하 콘크리트 구조물에서 발생한 부분적인 누수를 지하 콘크리트 구조물의 배수시설로 이동시키기 위한 유도배수시스템을 제안하였다(Fig. 1). 제안된 유도배수시스템은 누수된 지하수를 유도배수하기 위하여 유도배수판, 유도배수관 및 폴리머계열인 Hotty-gel이라는 방수재료를 적용하였다. 이 방수재료는 유도배수판 테두리 면과 콘크리트 표면사이에 설치하여 누수된 지하수를 유도배수판 하단에 설치된 유도배수관으로 보내는 역할을 한다. 유도배수관은 유도배수판 내부에서 모아진 지하수를 지하 콘크리트 구조물의 배수시설로 이동시키는 역할을 한다.

Fig. 1.

Drainage system for conveying of groundwater leak

본 연구는 동결융해 피해 가능성이 높은 한랭지역에서 운용중인 지하 콘크리트 구조물에서 누수가 발생할 경우 제안된 유도배수시스템의 적용 여부를 평가하는데 목적이 있다. 본 연구를 위하여 유도배수판 모서리 부분과 Hotty-gel 길이 방향 연결에 적용될 4가지 종류의 Hotty-gel 연결 방법과 콘크리트 표면에 유도배수판을 고정시키 위한 2가지 고정 방법을 제시하였다. 제시된 방법들에 대한 동결융해 저항성을 평가하기 위하여 4가지 종류의 유도배수시스템 시험체를 제작하였다. 제작된 시험체를 대상으로 실내 동결융해 실험을 수행하였다.

2. 시편 제작 및 실내 실험

2.1 유도배수시스템 시편 제작

제안된 유도배수시스템의 동결융해 저항성을 평가하기 위하여 4가지 종류의 시험체를 제작하였다. Fig. 2에서 보여주듯이 시험체는 기본적으로 콘크리트 시편, 유도배수판, 방수재료인 Hotty-gel 및 유도배수판을 고정하는 부품을 사용하여 제작되었다.

Fig. 2.

Materials for specimen

지하 콘크리트 구조물의 콘크리트 라이닝 또는 벽체를 모사하기 위해 Fig. 2(a)와 같이 콘크리트 시편을 제작하였다. 제작된 콘크리트 시편의 제원은 가로 70 cm×세로 70 cm×높이 7 cm이다. Fig. 2(b)는 Kim and Yim (2017a)에 의해 제안된 유도배수판을 보여주고 있으며 시험체 제작 시 사용하였다. Fig. 2(c)는 방수재료인 Hotty-gel을 보여주고 있다. 기존에 제안된 유도배수시스템에서는 가로 1 cm×세로 1 cm의 단면을 가진 Hotty-gel을 사용하였지만 본 연구에서는 방수성능을 향상시키기 위하여 단면을 가로 2.5 cm×세로 1 cm로 확대하여 롤타입으로 Hotty-gel을 제작하였다.

Fig. 2(d)는 유도배수판을 콘크리트 시편에 고정시키기 위한 부품 및 장비를 보여주고 있다. 본 연구에서는 2가지 고정 방법을 채택하였다. 첫번째 방법은 Fig. 2(d)의 좌측에서 보여 주듯이 공압타카, 타카핀 및 와셔로 고정시키는 것이다. 이것은 기존에 제안된 유도배수시스템의 현장 적용성 평가을 위하여 현장 시험 시공 시 사용되었던 방법이다(Kim and Yim, 2017a). 휴대용인 공압타카는 유도배수판 위에 밀착시켜 타카핀을 발사할 때 반발력이 발생한다. 이 때 공압타카가 움직이지 않도록 반발력보다 충분히 큰 압력을 공압타카에 가하지 않으면 타카핀이 콘크리트 내부로 충분히 정착되지 않고 Hotty-gel을 가진 유도배수판이 콘크리트 라이닝에 완전 밀착되지 않아 누수가 발생하였다. 그래서 본 연구에서는 Fig. 2(d)의 우측에서 보여 주듯이 와셔, 나사못 및 칼브럭을 사용하여 고정시키는 두번째 방법도 제시하였다. 이 방법은 유도배수판을 콘크리트 시편에 보다 강하게 부착시켜 유도배수판과 콘크리트 시편사이에 설치되는 Hotty-gel의 방수 성능을 향상시킬 목적으로 채택되었다. 본 연구에서는 2가지 고정 방법의 시공성과 실내 동결융해실험을 통한 장기 부착 성능을 평가하였다. 본 연구를 통하여 추후 현장 검증 실험에 적용할 최적의 방법을 제시할 예정이다.

Fig. 1의 우측 상단에 원으로 표시된 부분에서 보여주듯이 유도배수판 모서리 부분에서 방수재료인 Hotty-gel을 직각으로 구부려 시공을 하여야 한다. 제작된 Hotty-gel의 가로가 2.5 cm이므로 Hotty-gel을 직각으로 구부려 시공하는데 어려움이 예상되었다. 또한 여러 개의 유도배수판을 이어서 시공할 경우 시공하려는 Hotty-gel의 길이가 길어져서 시공성에 문제가 발생할 수 있다. 그래서 Fig. 3에서 보여주듯이 4가지 종류의 Hotty-gel 연결방법을 적용하여 4가지 종류의 시험체을 제작하였다.

Fig. 3.

Connection types of hotty-gel

Fig. 3(a)의 Con-1은 유도배수판 모서리 부분에 적용될 가로면 계단 형상과 Hotty-gel의 길이 방향 연결을 위한 가로면 계단 형상과 대각선 형상을 보여주고 있다. Fig. 3(b)의 Con-2는 가로면 계단 형상을 가진 모서리부분에서 방수 능력을 증가시키기 위하여 세모 형상의 Hotty-gel을 추가하였다. Fig. 3(c)의 Con-3은 Hotty-gel의 가로면에 ‘V’자형 홈을 만들어 직각으로 구부러지게 제작하였다. Fig. 3(d)의 Con-4는 모서리 부분에 적용할 세로면 계단 형상과 Hotty-gel 의 길이 방향 연결을 위한 세로면 대각선 형상을 보여주고 있다. 가로면 대각선 형상의 제작성이 가장 높게 평가되었으며 가로면 ‘V’자형 홈, 가로면 계단 형상, 세로면 대각선 형상, 세로면 계단 형상의 순서로 제작성이 낮게 평가되었다. 실내 동결융해 실험을 수행하여 추후 현장 검증 실험에 적용할 최적의 Hotty-gel 연결방법을 제시할 예정이다.

4가지 Hotty-gel 연결 방법에 2가지 고정 방법을 조합하여 실내 동결융해 실험을 위한 4가지 종류의 유도배수시스템 시험체를 제작하였다.

Fig. 4는 연결 방법 Con-1과 고정 방법인 와셔, 나사못 및 칼브럭을 사용하여 Type-1 시험체를 제작하는 과정을 보여주고 있다. Fig. 4(a)는 유도배수판을 콘크리트 시편에 올려놓고 콘크리트 시편에 칼브럭이 삽입될 지점을 전기드릴로 천공한 후 천공된 구멍에 칼브럭을 설치하는 과정을 보여주고 있다. Fig. 4(b)는 연결 방법 Con-1로 제작된 Hotty-gel을 칼브럭 위에 설치한 모습을 보여주고 있다. Fig. 4(c)는 콘크리트 시편에 설치된 Hotty-gel 상부에 유도배수판 테두리 하부면을 맞추어 설치한 모습을 보여주고 있다. Fig. 4(d)는 나사못과 와셔를 사용하여 유도배수판을 콘크리트 시편에 부착시킨 모습을 보여주고 있다.

Fig. 5는 연결 방법 Con-2와 고정 방법인 공압타카, 타카핀 및 와셔를 사용하여 Type-2 시험체를 제작하는 과정을 보여주고 있다. Fig. 5(a)는 연결 방법 Con-2로 제작된 Hotty-gel을 콘크리트 시편 위에 설치한 모습을 보여주고 있다. Fig. 5(b)는 콘크리트 시편에 설치된 Hotty-gel 상부에 유도배수판 테두리 하부면을 맞추어 설치한 후 공압타카, 타카핀 및 와셔를 사용하여 유도배수판을 콘크리트 시편에 부착시킨 모습을 보여주고 있다. 공압타카에서 발사되는 타카핀이 유도배수판을 관통하지 못하도록 유도배수판 위에 정육면체 Hotty-gel과 와셔를 놓고 와셔에 공압타카를 고정시킨 후 타카핀을 발사하여 유도배수판을 고정시켰다. Fig. 5(b)에서 보여주듯이 공압타카는 고압의 공기압을 사용하기 때문에 유도배수판 모서리 부분에서 가로면 계단 형상이 완전하게 밀착되지 않았다. 모서리 부분에서 불완전하게 밀착된 Hotty-gel의 방수 성능은 실내 동결융해 실험을 통하여 평가될 예정이다.

Fig. 4.

Type-1 specimen

Fig. 5.

Type-2 specimen

Fig. 6는 연결 방법 Con-3와 고정 방법인 와셔, 나사못 및 칼브럭을 사용하여 Type-3 시험체를 제작하는 과정을 보여주고 있다. Fig. 6(a)는 전기드릴을 사용하여 콘크리트 시편에 칼브럭을 삽입할 구멍들을 완성한 모습을 보여주고 있다. Fig. 6(b)는 콘크리트 시편에 만들어진 구멍에 칼브럭을 설치하는 과정을 보여주고 있다. Fig. 6(c)는 연결 방법 Con-3로 제작된 ‘V’자형 홈 형상을 가진 Hotty-gel을 칼브럭 위에 설치한 모습을 보여주고 있다. Fig. 6(d)는 와셔를 가진 나사못을 칼브럭에 고정시켜 유도배수판을 콘크리트 시편에 부착시킨 모습을 보여주고 있다. 나사못을 칼브럭에 고정시킬 때 Hotty-gel이 유도배수판 테두리 끝면에서 도출되는 현상이 발생하였다. 삽입된 칼브럭 상부에 Hotty-gel 가로면 중앙을 고정시킨 후 나사못으로 유도배수판을 콘크리트 시편에 부착시킨다. 만일 칼브럭 천공시 원하는 지점에 정확하게 천공되지 않으면 Hotty-gel 바깥 테두리 선과 유도배수판 테두리 선이 일치하지 않아서 Hotty-gel 도출 현상이 발생하는 것으로 판단되었다.

Fig. 6.

Type-3 specimen

Fig. 7는 연결 방법 Con-4와 고정 방법인 와셔, 나사못 및 칼브럭을 사용하여 Type-4 시험체를 제작하는 과정을 보여주고 있다. Fig. 7(a)는 콘크리트 시편에 칼브럭을 설치할 구멍을 천공한 후 칼브럭을 설치한 모습을 보여주고 있다. Fig. 7(b)는 연결 방법 Con-4로 제작된 Hotty-gel을 유도배수판 배면에 설치한 모습을 보여주고 있다. 유도배수판 모서리 부분에는 Hotty-gel의 세로면 계단 형상을 적용하였고 Hotty-gel의 길이 방향 연결부분에서는 방수성능 검증을 위하여 세로면 대각선 형상을 적용하였다. Fig. 7(c)는 Hotty-gel이 설치된 유도배수판을 콘크리트 시편에 올려 놓은 모습을 보여주고 있다. Fig. 7(d)는 와셔를 가진 나사못을 사용하여 유도배수판을 콘크리트 시편에 부착시킨 모습을 보여주고 있다.

Fig. 7.

Type-4 specimen

Fig. 5(b)와 Fig. 6(d)에서 보여주듯이 유도배수시스템 시험체를 제작하는 과정에서 유도배수판 모서리와 테두리에서 Hotty-gel이 도출되는 현상이 발생하였다. 이러한 도출 현상을 방지하기 위하여 Fig. 7(c)와 (d)에서 보여주듯이 유도배수판 테두리 및 모서리에 적용할 Hotty-gel 도출방지판들을 제작하였다. Fig. 8은 2가지 종류로 제작된 Hotty-gel 도출방지판들의 형상 및 제원을 보여주고 있다. Fig. 8(a)는 유도배수판 테두리에 부착하는 Hotty- gel 도출방지판이고 유도배수판과 같은 재료인 유연성을 가진 플라스틱으로 제작하였다. Fig. 8(b)는 유도배수판 모서리에 부착하는 Hotty-gel 도출방지판이다. Fig. 5(b)에서 보여주듯이 유도배수판 모서리 부분에서 Hotty-gel이 도출되어 불완전 밀착이 되는 것을 방지하기 위하여 두께 1 mm의 철판으로 제작하였다.

Fig. 8.

Components for covering at side and edge of drainage board

2.2 실내 동결융해 실험

한랭지역에서 운용중인 도로터널에서 제안된 유도배수시스템의 적용 여부를 검증하기 위하여 4가지 종류의 유도배수시스템 시험체를 제작하여 실내 동결융해 실험을 수행하였다. 실내 동결융해 실험은 한국건설기술연구원이 보유하고 있는 극한환경실험동내에 있는 극저온 동토 실험실에서 수행되었다(Fig. 9(a)). Fig. 9(b)는 4가지 종류의 유도배수시스템 시험체들이 극저온 동토 실험실 내부에 놓여진 모습을 보여주고 있다. 시험체 상부 바닥면에 받침대를 설치하여 시험체가 약 30°정도 기울어지게 설치하였다. Fig. 9(c)에서 보여주듯이 콘크리트 시편과 유도배수판사이의 공간에 붉은색 수성페인트로 채워서 실내 동결융해 실험이 진행되는 동안 누수발생여부를 관찰하였다. 누수발생여부 확인을 위한 붉은색 수성페인트는 1주일 간격으로 추가 보충하여 주입되었다.

실내 동결융해 실험을 진행하기 위하여 국내외 실험 기준과 국내 기상청 온도 자료들을 분석하여 극저온 동토 실험실의 최저 온도와 최고 온도를 결정하였고 동결 소요시간과 융해 소요시간으로 구성되는 동결 융해의 1 Cycle 소요시간을 결정하였다.

가장 대표적인 동결융해 실험 기준인 ASTM C666은 콘크리트의 급속동결융해에 대한 손상을 테스트 하는 것으로 1 Cycle에 소요되는 시간을 최소 2시간에서 5시간으로 규정하였다. 다져진 흙-시멘트 혼합물의 동결융해 시험 기준인 ASTM D560에서는 동결 24시간, 융해 24시간으로 1 Cycle에 2일이 소요되도록 규정하였다. 본 연구에서 유도배수시스템의 장기적인 동결융해 내구성을 파악을 위하여 1 Cycle은 국내외 기준들에서 정해진 소요시간 중 가장 긴 시간인 동결 24시간, 융해 24시간 기준을 적용하여 1 Cycle 소요시간을 48시간(2일)으로 하여 실험을 진행하였다.

실내 동결융해 실험을 위한 온도범위를 결정하기 위하여 국내 동결융해 피해가 가장 많은 강원도 지역에 대한 국내 기상청 온도 자료를 분석하였다(Korea Meteorological Administration, 2011). 강원도 지역의 5년치 평균 최저 기온과 평균 최고 기온은 약 -16°C와 20.5°C로 확인되었다. 또한 국내외 동결융해 실험 기준들의 온도범위를 고려하여 본 연구의 실내 동결융해 실험에 사용되는 온도범위를 최저 -18°C에서 최고 10°C로 설정하였다. Fig. 9(d)는 극저온 동토 실험실에서 실내 동결융해 실험이 수행되는 동안 측정된 온도들을 보여주고 있다. 실제 측정된 온도 범위는 최저 약 -19°C에서 최고 약 8°C이였다.

Fig. 9.

Freeze-thaw testing in the cryogenic frozen laboratory

3. 동결융해 실내실험 결과 및 분석

앞에서 설명한 4가지 종류의 유도배수시스템 시험체들을 대상으로 실내 동결융해 실험을 수행하였다. 반복적인 실내 동결융해 실험을 위하여 1일 단위로 극저온 동토 실험실의 온도를 조절하였다. 온도 조절시 4가지 종류의 유도배수시스템 시험체들에 대한 누수여부를 관찰하였고 사진으로 촬영하여 동결융해 저항성을 분석하였다.

Fig. 10은 동결융해 14 cycles (4 weeks), 35 cycles (10 weeks), 53 cycles (15 weeks) 및 70 cycles (20 weeks)을 수행한 후의 Type-1 시험체를 보여주고 있다. 동결융해 70 cycles (20 weeks)까지 Type-1 시험체에서는 누수가 발생하지 않았다. Hotty-gel 연결 방법 Con-1 (모서리부분에서 가로면 계단 형상 적용, 길이 방향 연결부분에서 가로면 계단 형상과 대각선 형상 적용)과 나사못, 와셔 및 칼브럭의 고정 방법은 동결융해 피해를 받지 않는 것으로 판단되었다.

Fig. 10.

Results of freeze-thaw test on type-1 specimen

Fig. 11은 Type-2 시험체에서 동결융해 14 cycles (4 weeks), 35 cycles (10 weeks), 53 cycles (15 weeks) 및 70 cycles (20 weeks)을 수행한 후 관찰된 모습을 보여주고 있다. 동결융해 70 cycles (20 weeks)까지 Type-2 시험체에서는 어떠한 누수도 발생하지 않았다. Hotty-gel 연결 방법 Con-2 (모서리부분에서 가로면 계단 형상과 추가된 세모 형상 적용)과 공압타카와 타카핀을 사용한 고정 방법은 동결융해 피해를 받지 않은 것으로 판단되었다. 시험체 제작 시 유도배수판 모서리 부분에서 Hotty-gel 가로면 계단 형상이 완전하게 밀착되지 않아서 누수가 예상되었지만 70 cycles (20 weeks)까지 진행된 실내 동결융해 실험에서 누수가 발생하지 않았다.

Fig. 11.

Results of freeze-thaw test on type-2 specimen

Fig. 12는 동결융해 10 cycles (3 weeks), 28 cycles (8 weeks), 53 cycles (15 weeks) 및 70 cycles (20 weeks)을 수행한 후 관찰된 Type-3 시험체의 모습을 보여주고 있다. 앞의 2개 시험체에 대한 실내 동결융해 실험 결과와 상이하게 동결융해 싸이클을 선정한 것은 시험체에서 최초 누수가 발생하거나 추가 누수가 발생한 시점에 해당하는 실험 결과를 보여주기 위함이다. 동결융해 10 cycles (3 weeks)을 수행한 후 Fig. 12(a)에서 타원으로 표시된 지점인 유도배수판 좌측 하부에서 미세한 누수가 발생하였다. 미세한 누수는 칼브럭에 나사못을 삽입하여 유도배수판을 콘크리트 시편에 부착시킨 곳이다. 반복적인 동결융해 작용으로 칼브럭과 나사못사이의 부착력 감소로 콘크리트 시편과 Hotty-gel사이에 미세한 틈이 발생하여 누수가 발생한 것으로 판단된다. Fig. 12(b)~(d)에서 보여주듯이 동결융해 70 cycles (20 weeks)까지 진행되는 동안, 이 지점에서의 누수는 지속적으로 확대되어 발생하였다.

Fig. 12.

Results of freeze-thaw test on type-3 specimen

동결융해 28 cycles (8 weeks)을 수행한 후 Fig. 12(b)에서 직사각형으로 표시된 지점들인 유도배수판 좌측 하부 모서리 1곳, 중앙 하부 1곳 및 우측 측면 1곳에서 추가 누수가 발생하였다. 유도배수판 좌측 하부 모서리 1곳과 중앙 하부 1곳도 반복적인 동결융해가 진행될수록 칼브럭과 나사못사이의 부착력 감소로 콘크리트 시편과 Hotty-gel사이에서 발생한 틈으로 누수가 발생한 것으로 판단된다. 그러나 Fig. 12(b)의 확대된 사진처럼 유도배수판 우측 측면에서는 콘크리트 시험체에서 발생한 균열을 통하여 누수가 발생하였다. 시험체 제작 시 칼브럭을 설치하기 위하여 콘크리트 시편에 전기드릴로 구멍을 천공하였다. 이 과정에서 구멍주변에 미세균열이 발생하였고 동결과 융해의 반복작용으로 미세균열의 폭과 길이가 확대된 것으로 판단된다. Fig. 12(c)와(d)에서 보여주듯이 동결융해 70 cycles (20 weeks)까지 진행되는 동안, 이 지점들의 누수도 지속적으로 확대되어 발생하였다.

동결융해 53 cycles (15 weeks)을 수행한 후, Fig. 12(c)에서 마름모로 표시한 지점인 유도배수판 좌측 하부에서도 누수가 발생하였다. 이 지점도 반복적인 동결융해 작용에 의해 나사못과 칼브럭의 부착력 감소로 콘크리트 시편과 Hotty-gel사이에서 발생한 틈으로 누수가 발생한 것으로 판단된다. Fig. 12(d)에서 보여주듯이 동결융해 70 cycles (20 weeks)까지 진행되는 동안, 이 지점의 누수도 지속적으로 확대되어 발생하였다.

Fig. 13은 Type-4 시험체를 대상으로 수행된 실내 동결융해 실험에서 1 cycle (2 day), 14 cycles (4 weeks), 28 cycles (8 weeks) 및 38 cycles (11 weeks)이 수행된 후 관찰된 모습을 보여주고 있다. Fig. 13(a)에서 보여주듯이 동결융해 1 cycle (2 day)을 수행한 후 Hotty-gel 도출 방지를 위하여 유도배수판 좌측 하부 모서리에 설치한 도출방지판에서 누수가 발생하였다. 이것은 도출방지판을 밀착 고정하기 위하여 사용된 나사못과 칼브럭이 완전하게 밀착되지 않아 동결융해의 작용으로 누수가 발생한 것으로 판단된다. Fig. 13(a)의 상세 사진에서 보여주듯이 추후 누수 방지를 위하여 공압타카, 타카핀 및 와셔를 사용하여 도출방지판을 견고하게 고정한 후 실내 동결융해 실험을 계속하여 수행하였다. Fig. 4(b), (c) 및 (d)에서 보여주듯이 동결융해 38 cycle (11 weeks)까지 진행되는 동안 추가 누수가 발생하지 않았다.

Fig. 13.

Vertical profiles of results of infiltration analysis (Zero pressure at surface, Seochang soil)

4가지 종류의 유도배수시스템 시험체들을 대상으로 수행한 실내 동결융해 실험 결과, 유도배수판 모서리 부분에 적용된 ‘V’자형 홈을 가진 Hotty-gel 연결 방법 Con-3와 와셔, 나사못 및 칼브럭을 이용한 고정 방법으로 제작된 Type-3 시험체에서만 지속적인 장기 누수가 발생하였다.

Hotty-gel의 모서리 연결 방법 및 길이 방향 연결 방법인 가로면 계단 형상, 가로면 대각선 형상, 세모 형상이 추가된 가로면 계단 형상, 세로면 계단 형상 및 세로면 대각선 형상에서는 장기적인 누수가 발생하지 않았다. 앞에서 언급한 바와 같이 Hotty-gel의 연결 방법 중 Hotty-gel제작 시간 및 제작 방법을 고려한 제작 효율성은 가로면 대각선 형상이 가장 높게 평가되었다. 추후 유도배수시스템의 동결융해에 대한 현장 검증 실험에서는 Hotty-gel 의 모서리 부분 및 길이 방향 연결 방법으로 가로면 대각선 형상을 채택할 예정이다.

콘크리트 시편에 유도배수판을 고정시키는 방법에서 와셔, 나사못 및 칼브럭을 이용한 고정 방법은 Type-3시험체에서 장기적인 누수를 발생시켰다. 시간이 경과하면서 누수 지점이 총 5개소로 증가하였다. 동결융해에 의해 누수가 발생한 지점들에서 Hotty-gel과 콘크리트 시편 사이에서 발생된 틈의 크기가 확대되어 누수량이 증가하였다. 그러나 같은 고정 방법으로 제작된 Type-1과 Type-4시험체들에서는 장기적인 누수가 발생하지 않았다. 단 Type-4 시험체에서는 Hotty-gel의 도출 방지를 위하여 적용한 도출방지판에서 누수가 발생하였지만 공압타카, 타카핀 및 와셔를 사용한 고정 방법을 추가로 적용하여 추가 누수를 방지하였다. 공압타카, 타카핀 및 와셔를 사용한 고정 방법을 적용한 Type-2 시험체에서는 누수가 발생하지 않았다. 고정 방법에서 시공 시간 및 시공 방법을 고려한 시공 효율은 기존 유도배수시스템 제안시 적용된 공압타카, 타카핀 및 와셔를 사용한 고정 방법이 우수하였다. 추후 유도배수시스템의 동결융해에 대한 현장 검증 실험에서는 공압타카, 타카핀 및 와셔를 사용한 고정 방법을 적용할 예정이다.

4. 결 론

본 연구에서는 동결융해의 피해 가능성이 높은 한랭지역에서 운용중인 터널과 같은 지하 콘크리트 구조물에서 누수가 발생할 경우 기존에 제안된 유도배수시스템의 적용 여부를 평가하기 위하여 실내 동결융해 실험을 수행하였다. 본 연구를 위하여 유도배수판 모서리 부분에 적용할 Hotty-gel 연결 방법과 Hotty-gel 길이 방향으로 연결하는 방법들을 조합한 4가지 종류의 Hotty-gel 연결방법을 제시하였다. 또한 콘크리트 표면에 유도배수판을 고정시키기 위한 2가지 고정 방법을 제시하였다. 제시된 4가지 종류의 Hotty-gel 연결 방법과 2가지 종류의 고정 방법을 사용하여 4가지 종류의 유도배수시스템 시험체를 제작하였다. 제작된 시험체를 대상으로 실내 동결융해 실험을 수행하기 위하여 국내외 기준 및 국내 기상청 자료를 분석하여 동결 24시간과 융해 24시간, 즉 48시간(2일)을 1 Cycle로 결정하였고 동결을 위한 온도 -18°C와 융해를 위한 온도 10°C를 결정하였다. 4가지 종류의 시험체 제작과 실내 동결융해 실험을 통하여 얻어진 결론은 다음과 같다.

1.Hotty-gel연결방법에서 유도배수판 모서리 부분에 적용된 ‘V’자형 홈을 가진 Hotty-gel 연결 방법에서만 동결융해 28 cycles (8 weeks)후 누수가 발생하였다. 그러나, 나머지 Hotty-gel 연결 방법들인 가로면 계단 형상, 가로면 대각선 형상, 세모 형상이 추가된 가로면 계단 형상, 세로면 계단 형상 및 세로면 대각선 형상에서는 누수가 발생하지 않았다. Hotty-gel 제작 시간 및 제작 방법을 고려한 제작 효율성은 가로면 대각선 형상이 가장 높게 평가되었다. 추후 유도배수시스템의 동결융해에 대한 현장 검증 실험에서는 Hotty-gel 의 모서리 부분 및 길이 방향 연결 방법으로 Hotty-gel가로면 대각선 형상을 제안한다.

2.유도배수판을 콘크리트 시편에 부착시키기 위한 와셔, 나사못 및 칼브럭을 이용한 고정 방법을 적용한 3개의 에서 누수가 발생하였고 동결융해 28 cycles (8 weeks) 후에는 총 5개 지점에서 누수가 발생하였다. 시간이 경과함에 따라 누수 지점은 증가하지 않았지만 각각의 누수지점에서 누수량이 증가하였다. 누수가 발생한 나머지 1개의 시험체에서는 Hotty-gel의 도출 방지를 위하여 적용한 도출방지판에서 누수가 발생하였지만 공압타카, 타카핀 및 와셔를 사용하여 추가 고정을 시켰고 추가 누수가 발생하지 않았다. 공압타카, 타카핀 및 와셔를 사용한 고정방법에서는 누수가 발생하지 않았다. 시공 시간 및 시공 방법을 고려한 시공 효율은 공압타카, 타카핀 및 와셔를 사용한 고정 방법이 우수하였다. 추후 유도배수시스템의 동결융해에 대한 현장 검증 실험에서는 공압타카, 타카핀 및 와셔를 사용한 고정 방법을 제안한다.