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ISSN : 2093-5145(Print)
ISSN : 2288-0232(Online)
Journal of the Korean Society for Advanced Composite Structures Vol.11 No.3 pp.32-38
DOI : https://doi.org/10.11004/kosacs.2020.11.3.032

Functional Evaluation of Elastic Pavement Using Eco-friendly Ethylene Propylene Diene Monomer Rubber and Sawdust

Sun-Hee Kim1, Sung-Jin Park2
1Assistant Professor, Department of Architectural Engineering, Gachon University, 1342 Seongnamdaero, Sujeong-gu, Seongnam-si, Gyeonggi-do 13120, Korea
2Professor, Department of Urban Construction Engineering, Incheon national university, (Song-do) 119 Academy-ro, Yeonsu-gu, Incheon 22012, Korea

본 논문에 대한 토의를 2020년 07월 31일까지 학회로 보내주시면 2020년 08월호에 토론결과를 게재하겠습니다.


Corresponding author: Park, Sung-Jin Department of Urban Construction Engineering, Incheon national university, (Song-do) 119 Academy-ro, Yeonsu-gu, Incheon 22012, Republic of Korea. Tel: +82-32-835-8775, Fax: +82-32-835-0726 E-mail: sjpark@inu.ac.kr
May 1, 2020 May 22, 2020 May 26, 2020

Abstract


Currently, roads and sidewalks are constructed of concrete, ASCON, stone, gravel, soil, wood, urethane, rubber, and block. Resins and synthetic rubber chips or urethane chips Elastic paving materials of various materials are mainly used. These elastic paving materials have good elasticity and good usability. However, since 2000, there has been a controversy over possible environmental hazards of chemical products, thus, environmental problems have arisen regarding elastic paving materials. Therefore, in this study, we aimed to develop eco-friendly paving materials using sawdust and ethylene propylene diene monomer (EPDM) chips. Both materials are eco-friendly materials, having no environmental issues. Additionally, the Korean Industrial Standard for Elastic Paving Materials (KS F 3888-2), through the bending strength, tensile strength, elongation, permeability, heavy metal, total hazardous chemicals, and formaldehyde emission test were performed. This study presents the mechanical properties and environmental hazard criteria of elastic paving materials by comparison to those of previous studies and analysis.



친환경 EPDM과 알톱밥을 활용한 탄성 포장재의 기능성 평가 연구

김 선희1, 박 승진2
1가천대학교 건축공학과 조교수
2인천대학교 도시공학과 교수

초록


현재 도로나 보도의 포장은 콘크리트 포장, 아스콘 포장, 석재 포장, 자갈 포장, 흙 포장, 목재 포장, 우레탄 포장, 고 무칩 포장, 블록 포장 등이 시공되고 있으며, 그 중 수지와 합성고무 칩 또는 우레탄 칩 등을 혼합한 다양한 재질의 탄성포장재 가 주로 사용되어지고 있다. 이러한 탄성포장재는 탄성이 좋고 사용성이 좋으나, 2000년대 들어서면서 화학제품에 대한 환경유 해성 논란이 대두됨에 따라 탄성 포장재에 대한 환경문제가 제기되었다. 따라서 이 연구에서는 친환경 소재인 알톱밥과 EPDM 칩을 사용하여 친환경 포장재의 개발을 목적으로 하였다. 휨강도 시험, 인장강도 및 신장률 시험, 투수성 시험, 중금속 및 유해 화학물질 총량 시험, 폼 알데하이드 방출량 시험, 경제성 분석을 통해 탄성 포장재에 대한 한국산업규격 KS F 3888-2 및 기존 논문들과 비교 분석하여 이 연구에서 제시한 포장재의 역학적 특성과 환경 유해성 물질 기준을 제시하였다.



    1. 서 론

    사람이 통행하는 보도, 공원산책로, 자전거 도로 등 에 시공되는 포장 재료로는 콘크리트, 아스콘, 자갈, 우레탄, 고무칩 등 다양한 소재의 탄성포장재를 사 용하고 있다. 국내에서는 탄성포장재에 관하여 1990 년대부터 폐타이어를 재활용하는 연구가 진행되었 고, 2000년대 이후에는 폐타이어 고무분말을 우레탄 칩과 활용하여 탄성보도포장으로 널리 시공하였다 (Kim, 1995). 2011년에는 Choi and Song이 폐목재 칩 을 활용한 목질계 보도용 포장재의 특성에 대한 기 초연구를 통해 건설현장에서 배출되는 폐목재 등을 이용하여 임목폐기물을 분쇄한 목재 칩을 우레탄 수 지와 결합시킨 보도용 포장재를 실험을 통해 우수성 을 확인하였다(Choi and Song, 2011). Kayo et al.은 소금물으로 손상된 우드칩을 사용하여 아스팔트 포 장 보도를 목재 칩 포장보도로 대체할 시 온실가스 배출량이 1.45kg-CO2-eq/m2/year이 감소하고, 인조잔 디 포장 보도를 대체할 시 1.61kg-Co2-eq/m2/year이 감소한다는 연구결과를 보고하였다(Kayo et al., 2015). Kim et al.은 교면포장용 개질유황 합성재료에 대한 내구성평가를 수행한 결과 내구성 및 경제성을 고려 하여 최적의 개질유황 함량을 4%로 제안하였다(Kim et al., 2020). Lee et al.은 순환굵은골재를 사용하여 파라계 아라미드섬유 보강 콘크리트의 재료특성을 평가하기위해 압축강도, 쪼갬인장강도, 휨강도 실험 을 수행한 결과 순환골재 치환율이 동일한 경우 아 라미드섬유를 혼입함으로써 휨강도와 연성능력이 증 진됨을 확인하였다(Lee et al., 2018). Kim and Lee는 폐목질 자원을 재활용한 친환경 탄성 포장재 제조기 술 개발을 통해 파트클 보드, 중밀도 섬유판 칩의 크기와 혼합비율, 우레탄 바이더 첨가비율을 변수로 두어 품질성능 시험을 통해 생활 폐 목질 자원이 탄 성 포장재의 소재로 대체될 수 있는지의 여부를 확 인하였다(Kim and Lee, 2016). 그러나, 탄성 포장재에 대한 환경 유해성이 최근 문제가 되고 있어 2016년 도부터 탄성 포장재에 대해 국가에서 규준을 제작하 여 관리하고 있다. 따라서, 최근에는 친환경 소재를 활용한 황토포장, 규사포장, 우드 칩 포장 등이 개 발되고 있으나 대부분 탄성이 부족하거나 내구성이 부족한 문제점이 있다. 이 연구에서는 이러한 문제 점을 보완할 수 있는 탄성 포장재 중 하나인 포 설형 탄성 포장재(5종)를 개발하였다. 알톱밥과 EPDM (Ethylene Propylene Diene Monomer Rubber)칩 을 사용하여 기존의 탄성 포장재를 대체할 수 있는 친환경 포장재를 실험을 통해 개발 재료의 성능을 확인하였다.

    2. 탄성 포장재의 재료 및 배합설계

    2.1 가공 알톱밥

    알톱밥은 목재를 제재할 때 나오는 부산물, 파쇄기 기를 이용하여 인위적으로 파쇄한 목재이다. 알토밥 의 종류는 버섯 재배용 톱밥, 축사 깔개용 톱밥, 곤 충용 톱밥 등이 있다. 이 연구에서 사용한 알톱밥은 Fig. 1와 같이 참나무 류 버섯용 톱밥 1∼9mm를 사 용하였다.

    2.2 EPDM칩

    EPDM칩은 Ethylene, propylene, Diene, Monomer로 이 루어진 합성고무의 한 종류이다. 이는 추위와 열에 강하며 내오존성과 내용재성이 탁월하고, 내구성이 우수하며 합성고무 중 비중이 가장 낮고 경제성이 뛰어나 탄성포장 재료로 널리 사용되고 있다. Fig. 2 는 친환경 EPDM칩으로 실외 체육시설의 탄성 포장 재 한국산업규격인 KS F 3888-2의 규정기준을 만족 하는 제품이다. 이 제품은 총휘발성 유기 화합물 (TVOC)외 8대 중금속(Pb, Cd, Cr+6, Hg 등), 다환 방 향족 탄화수소가 검출되지 않은 입도 2∼3mm의 친 환경 재료이다.

    2.3 우레탄 바인더

    이 연구에서 사용한 바인더는 국내 K사에서 개발한 상온경화 및 가압, 열 경화로 고무 칩을 결합시키는 작업성이 우수한 상온 경화형 칩 바인더 1액형 폴리 우레탄 바인더로서 어린이 놀이시설용 현장포설형 충격 흡수바닥재 1종 우레탄 바인더(TP-1190)를 사용 하였다. Table 1은 제조사에서 제공한 우레탄 바인더 의 물성값이다.

    2.4 배합설계

    탄성 포장재의 배합설계는 2∼3mm의 알톱밥과 EPDM칩을 최적 배합비로 혼합하여 표층재라 명하 고 5∼7mm의 알톱밥과 EPDM칩을 혼합한 재료를 기층재라 하였다. Fig. 3은 탄성 포장재의 구성을 나 타낸 것이다. 이 연구에서 적용한 배합설계에 따른 실험체 재료의 배합비율은 Table 2와 같다.

    3. 탄성 포장재의 실험방법

    3.1 시편 제작

    표층재와 기층재의 역학적 특성을 확인하기 위해 휨 강도, 투수계수, 인장강도 및 신장률, 환경유해성 시 험을 수행하였다. 시편의 규격과 개수는 Table 3과 같다.

    3.2 휨강도 실험

    탄성 포장재에 대한 기준이 국내에 없어 기존 연구 자인 Choi et al.이 제시한 실함방법을 바탕으로 휨강 도 실험을 수행하였다(Choi et al., 2011). 휨강도 실 험에 사용한 시편의 크기는 30×30×380mm인 직육면 체의 시편을 사용하였다. 휨 시험은 3점 휨실험을 수행하였으며 하중과 변형은 1%와 0.01mm의 정확도 로 기록하였다. Fig. 4(a)는 알톱밥(2∼3mm)과 EPDM 을 혼입한 표층재의 휨강도 시편이고, Fig. 4(b)는 알 톱밥(5∼7mm), 우드스테인과 우레탄바인더를 혼입한 기층재의 휨강도 실험시편이다.

    3.3 인장강도 시험

    탄성 포장재의 안장강도 시험은 KS F 3888-2에 따라 표층재와 기층재의 시편을 각각 제작하였다. 인장강 도 시험에 사용한 시편은 Fig. 5와 같고 시험속도는 500±25mm/min로 변위제어방식으로 하중을 재하하였 다.

    3.4 투수시험

    탄성 포장재 규준에는 투수계수에 대한 기준이 정해 져있지 않아 배수성 포장재의 투수성을 평가하는 방 법으로 KS F 2494에 규정된 투수시험방법에 따라 이 연구의 포장재의 투수계수 시험을 수행하였다. 투수시험에 사용한 시편의 규격은 지름이 약 100mm 의 원주형 규격을 사용하였다. 투수시험에 사용한 포장재는 포장재 두께가 30mm의 표층재와 70mm의 기층재인 두종류를 제작하였다. Fig. 6은 투수시험에 사용한 시편이다.

    3.5 환경성 평가

    3.5.1 중금속 및 유해화학물질 총량 시험

    중금속 및 유해화학물질 총량 시험은 탄성 포장재에 대한 한국산업규격 KS F 3888-2에서 중금속 외에 환경성 유해물질로 규정하고 있는 프탈레이트계 가 소제 6종과 다환방향족 탄화수소(PAHs)18종 검출량 시험을 KS에서 규정하고 있는 시험방법에 따라 한 국건설생활환경시험연구원(KCL)에 시험 의뢰하여 평 가하였다.

    3.5.2 폼 알데하이드 방출량 시험

    폼 알데하이드는 특유의 자극적인 냄새가 나는 상온 에서 강한 휘발성을 띄는 기체이다. 보통 건축 혹은 가구제작에 사용되는 합판과 베니어판의 생산과 보 존에 폼알데하이드가 사용된다. 본 연구에서는 재료 들 혼합 시 사용한 접착제에 유해성을 확인하기 위 해서 환경유해인자공정시험기준 국립환경과학원고 시 제 2017-25호에서 규정하고 있는 실내공기질공 정시험기준(ES 02130)에 기준에 맞게 폼알데하이드 검출 시험을 의뢰하였다(ES 02130, 2017).

    4. 시험결과 및 고찰

    4.1 휨강도 시험결과

    표층재와 기층재의 종류에 따른 두께별 휨강도 시험 을 수행한 결과 표층재에서는 포장재의 두께가 두꺼 워질수록 가로방향과 세로방향의 휨강도가 증가하였 다. 기층재의 경우 두께가 20mm일 경우 휨강도가 1.2MPa로 가장 높았으며 표층재에 비해 1.7배 이상 의 강도를 발현하는 것을 확인하였다. 기층재의 두 께가 30mm일 경우 가로방향과 세로방향의 휨강도가 저하됨을 확인하였다. 이러한 이유는 단립도(5∼ 7mm)의 알톱밥을 사용할 경우 어느정도의 두께를 가지면 일정한 휨강도를 가지며 표층재와 달리 EPDM칩이 혼입되지 않아 내구성이 떨어진 것으로 판단된다. Table 4은 시편 두께별 휨강도 시험결과를 나타낸 것이다.

    4.2 인장강도 및 신장률 시험결과

    포장재의 종류에 따른 인장강도와 신장률 값이 알톱 밥과 EPDM칩을 혼합하여 사용한 표층재에서 인장 강도 0.6MPa, 신장률 38%를 나타내었으며, 알 톱밥 만을 사용한 기층재의 경우 인장강도와 신장률은 각 각 0.3MPa, 5%이다.

    인장강도는 목재를 사용한 포장재 특성 상 고무 제품을 대상으로 정한 KS F 3888-2의 인장강도 및 신장률 기준을 만족하기 어려우며, 따라서 포장재의 두께와 상관없이 알톱밥만 사용한 기층재의 경우는 인장강도의 기준을 비교⋅규정하기 어렵다. 그러나, 알톱밥과 EPDM칩을 혼합하여 사용한 표층재는 KS F 3888-2에서 규정하고 다목적용 포장재 품질기준 인 인장강도 0.5MPa이상, 신장률 38%이상과 비교하 였을때, 표층재의 경우 탄성 포장재의 규정보다 높 은 인장강도 값을 보였다. Table 5는 인장강도와 신 장률 시험결과이다.

    4.3 투수계수 시험결과

    알톱밥 및 EPDM칩을 혼합하여 제조한 포장재의 투 수특성을 평가하기 위해 포장재를 제작한 후 KS F 2494에 규정에 의하여 투수시험을 수행한 결과 표 층재 30mm와 기층재 70mm에 대한 투수계수 시험 결과, 30mm, 70mm 두께 기준 각각 0.38cm/s, 1.3cm/s 의 결과 값을 보였다. 표층재와 기층재를 합친 포장 재에 대해서는 수평층인 경우의 평균투수계수를 식 (1)을 통해 계산할 수 있다.

    K h = 1 H 0 ( K 1 H 1 + K 2 H 2 + + K n H n )
    (1)

    여기서, Kh는 평균 투수계수, H는 수위차이고, n은 변수, K는 투수계수이다. 투수계수는 1.02cm/s로 국 토해양부 도로설계편람의 도로포장편(2012)의 투수성 아스팔트 혼합물의 배합설계 기준 투수계수 기준이 0.1mm/s이고 투수성 콘크리트의 규정이 0.01cm/s 이 상인 것에 비추어 볼 때, 알톱밥과 EPDM칩을 사용 한 포장재의 경우 투수성 포장재의 규정을 만족하는 것으로 나타났다. 따라서, 기존 탄성포장재의 문제점 이던 강우 시 표면에 수막이 생기지 않아 미끄럼 저 항이 덜하여 보행성 및 주행성이 확보되어 보도나 자전거도로 포장재로서 적합하다 판단된다.

    4.4 환경성 평가 시험결과

    4.4.1 중금속 및 유해화학물질 총량 시험 결과

    탄성 포장재 KS F 3888-2에서는 납, 카드뮴, 육가 크롬 및 수은에 대한 중금속 4종류의 허용기준을 제 시하고 있으며, 알루미늄, 구리, 니켈, 아연을 포함한 중금속 용출량 14종에 대한 용출량 허용기준을 정하 고 있다. 이 기준에 의한 중금속 및 유해화학물질 총 량 시험 결과, 중금속 4종과 중금속 용출량 14종 모 두 검출한계 이하로 모두 검출되지 않았다.

    KS에서 제시하고 있는 프탈레이트계 가소제 6종 (DBP, BBP, DEHP, DINP, DNOP, DIDP)의 함량 시험 결과 프탈레이트계 가소제는 검출되지 않았다. 또한, 다환방향족 탄화수소(PAHs)에 대한 시험을 수행한 결과 Table 6에서 보여지듯이 검출한계 이하로 검출 되지 않았다. 따라서, 알톱밥과 EPDM칩을 사용한 탄 성 포장재의 시험체는 KS가 제시하고 있는 탄성 포 장재 유해성 시험 모두 허용기준을 만족하였다.

    4.4.2 폼 알데하이드 방출량 시험 결과

    폼 알데하이드 방출량은 환경유해인자공정시험기준 다중이용시설 등의 실내공기질 관리법에서 건축자 재에서 방출되는 폼 알데하이드의 방출농도 허용 기 준인 0.02mg/m3 이하로 제한되고 있다. 이 연구에서 는 탄성 포장재에서 발생하는 폼 알데하이드의 방출 량 확인하기 위해 폼 알데하이드 방출량 시험을 수 행한 결과 실험체에서는 폼 알데하이드는 검출되지 않았다.

    4.5 기존 탄성포장재와 품질기준 비교 및 분석

    기존 탄성 포장재 제품들은 탄성포장재 KS F 3888-2기준에 맞게 제작된 제품들이지만, 투수계수 및 휨강도는 정해져있지 않다.

    Table 6에서 볼 수 있듯이 이 연구에서 개발한 친환경 탄성 포장재는 인장강도와 신장률은 기존 탄 성포장재 제품의 품질기준과 비슷한 값을 나타냈고, 미끄럼 저항성은 다목적용에는 품질기준을 규정하고 있지 않음으로 보도포장재로써 탄성포장재 KS F 3888-2에서 제시하고 있는 품질기준을 만족하였다. 또한, 소프트 포장재는 보도포장재로써 휨강도 기준 을 제시하였고, 투수계수에 대해서는 A사제품은 품 질기준을 규정하지 않거나 투수계수 품질기준을 규 정하고 있는 투⋅배수성 탄성포장재인 B사제품 대비 표층재는 2.11배, 기층재는 7.22배로 우수한 투수성 을 나타냈다.

    5. 친환경 탄성 포장재의 경제성 분석

    기존 탄성포장재 2개와 이 연구에서 사용된 포장재 의 m2당 단가를 비교한 결과는 Table 7에 정리하였 다. 탄성 포장재 두께가 30mm일 때 기존 탄성 포장 재에 비해 약 54%이상의 비용을 절감할 수 있음을 확인하였다.

    기존 탄성 포장재와 달리 친환경 탄성 포장재는 Table 6에서 제시한바와 같이 휨강도, 인장강도, 투 수계수를 제시하여 공학적 특성을 갖추었다. 명확한 품질기준을 제시하는 재료로 시공한다면 공학적 특 성을 갖추면서 Table 7에서 제시한 가격의 경쟁력에 있어서도 저렴한 가격대로 시공이 가능함을 확인하 였다. 따라서, 이 연구에서 제시한 알톨밥과 EDPM 칩을 혼입한 탄성 포장재를 보도 포장재로 사용한다 면 경제적임을 확인하였다.

    6. 결 론

    이 연구는 친환경 수재인 알톱밥과 EPDM칩을 사용 한 친환경 소재의 탄성 포장재를 개발하여 탄성 포 장재의 품질기준에 만족하는지의 여부를 실험을 통 해 확인하였다. 이에 대한 결론은 다음과 같다.

    국내에 기존의 탄성 포장재에 대해 요구되는 강 도 기준이 없어 기존 연구자인 Choi et al.이 제시한 실험방법을 바탕으로 이 연구에서 제시한 알톱밥과 EDPM칩을 혼합한 포장재의 휨강도 실험을 수행한 결과 기존 연구보다 1.2MPa 이상 높음을 확인하였 다. 표층재와 기층재 모두 두께가 두꺼울수록 강도 가 높게 나타났다.

    인장강도와 신장률 시험결과 알톱밥과 EPDM칩을 혼합하여 사용한 경우 표층재는 인장강도가 0.6MPa, 신장율이 38%로 KS F 3888-2에서 규정하고 있는 다 목적용 포장재의 품질기준보다 높게 나타났다.

    포장재의 투수특성을 파악하기위해 투수실험을 수행한 결과 포장두께와 상관없이 단입도의 알톱밥 을 사용할수록 투수계수가 크게 나타났다. 투수실험 결과 표층재는 0.38cm/s, 기층재는 1.3cm/s의 값을 보 였으며 기존 투수성 콘크리트 대비 표층재는 38배, 기층재는 130배로 투수성이 우수하였다.

    본 탄성 포장재 시험체에 대한 중금속 및 유해화 학물질 총량 시험 결과 탄성 포장재 기준인 KS F 3888-2에서 제시하고 있는 허용기준인 중금속 함량 4종과 중금속 용출량 14종, 프탈레이트계 가소계 6 종 및 다환방향족 탄화수소 18종 모두 검출 한계 이 하의 값을 보였다. 또한, 폼 알데하이드 방출농도는 검출되지 않았다.

    기존 탄성 포장재와 이 연구에서 제시한 탄성 포 장재의 경제성 분석을 한 결과 포장재 두께가 30mm 일 때 기존 탄성 포장재에 비해 54%이상 절감됨을 확인하였다. 따라서, 이 연구에서 수행한 탄성 포장 재는 기존 탄성 포장재에 비해 친환경 재료로 사용 하면서 높은 품질기준을 갖추고 있어 경제적이며 실 제 시공에 있어서 기존 탄성 포장재보다 효율이 더 높을 것으로 기대된다. 그러나, 알톱밥과 EDPM칩을 혼입한 탄성 포장재에 대한 유지기간과 유지관리 방 법에 대한 연구가 지속적으로 필요하다.

    Figure

    KOSACS-11-3-32_F1.gif
    Sawdust
    KOSACS-11-3-32_F2.gif
    EPDM Chip
    KOSACS-11-3-32_F3.gif
    Consist of Elastic Pavement (Jang, 2018)
    KOSACS-11-3-32_F4.gif
    Bending Strength Specimens
    KOSACS-11-3-32_F5.gif
    Specimen of Tensile Strength Test
    KOSACS-11-3-32_F6.gif
    Permeability Test Specimens

    Table

    Properties of Urethane Binder
    Material Mixing Ratio of Test Specimen
    Number of Specimens
    Results of Bending Strength Tests
    Result of Tensile Strength Test and Elongation Test
    Comparison of Quality Standards between Previous Elastic Paving Materials and Eco-friendly Elastic Paving Materials
    Unit Price per m2 (Won) of Elastic Paving Material by Thickness of Elastic Paving Material

    Reference

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