골재 특성에 따른 투수블록의 투수성능ㆍ전기비저항 상관관계 분석 = Analysis of the Relationship between Permeability Performance and Electrical Resistivity of Permeable Blocks according to Aggregate Properties

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

TUrbanization and climate change have increased extreme rainfall, aggravating urban flooding, groundwater depletion, and hydroplaning, which has led to wider adoption of low impact development (LID) measures such as permeable interlocking concrete pavements (PICPs). However, PICPs are vulnerable to clogging by fines and debris, so their initial permeability performance is difficult to maintain, and conventional infiltration tests (ASTM C1701, KS F 4419) are too time- and labor-intensive for long-term monitoring of large pavement areas. This study aims to clarify the relationships among porosity, permeability performance, and bulk electrical resistivity of permeable blocks with different aggregate properties, and to examine the feasibility of using electrical resistivity for performance evaluation.
Permeable block specimens were fabricated using river gravel and highly porous volcanic rock as coarse aggregates, while varying the mix ratio of a two-component polyurethane binder to obtain different porosity levels. Permeability performance was defined as the infiltration rate (mm/s) measured by an ASTM C1701-based test, and bulk electrical resistivity was measured in the saturated state using a brass-mesh electrode cell and an LCR meter (1 kHz, ~20 °C). As binder content increased, porosity and permeability performance decreased, whereas bulk resistivity increased. Volcanic-rock blocks showed much higher porosity than gravel blocks, but their complex pore structure produced distinct differences in both permeability and resistivity responses. Porosity–permeability and porosity–resistivity plots showed clear trends but large scatter, indicating that porosity alone cannot fully describe the hydraulic and electrical responses. In contrast, an exponential negative correlation was obtained between permeability performance and bulk resistivity, which could be approximated by a single empirical equation that integrates both aggregate types and mix conditions. The correlation can be used to estimate permeability performance from measured resistivity or to define resistivity thresholds corresponding to target permeability levels. These results suggest that electrical resistivity can serve as a non-destructive indicator that reflects both internal pore structure and permeability performance of permeable blocks, providing a basis for developing field evaluation and long-term monitoring methods when combined with future clogging-stage experiments and in-situ validation.

국문 초록 (Abstract)

도시화와 기후변화로 인한 극한 강우로 도심 침수, 지하수 고갈, 수막현상 등이 심화되면서 투수블록을 포함한 저영향개발(LID) 기법의 적용이 확대되고 있다. 그러나 투수블록은 장기 사용 시 공극 내 협잡물 유입으로 공극이 폐색되어 초기 투수성능을 유지하기 어려우며, 기존 침투시험(ASTM C 1701, KS F 4419 등)은 시간·공간적 제약으로 넓은 포장 면적의 장기 모니터링에 한계가 있다. 본 연구는 골재 특성이 상이한 투수블록을 대상으로 공극률, 투수성능, 체적 전기비저항의 상관관계를 규명하고, 전기비저항을 활용한 성능평가 가능성을 검토하는 것을 목적으로 한다. 이를 위해 자연 하천에서 채취한 강자갈과 다공성 화산석을 굵은 골재로 사용하고, 2액형 폴리우레탄 결합재의 배합비를 변화시켜 공극률이 다른 투수블록 시편을 제작하였다. 투수성능은 ASTM C 1701 시험을 통해 침투량을 mm/s 단위의 투수성능으로 정의하였고, 체적 전기비저항은 황동망 전극과 측정 셀, LCR meter(1 kHz, 약 20 ℃)를 이용하여 포화 상태에서 측정하였다. 실험 결과, 결합재량 증가에 따라 공극률과 투수성능은 감소하고 전기비저항은 증가하는 경향이 나타났으며, 화산석 블록은 강자갈 블록보다 높은 공극률에도 불구하고 복잡한 공극 구조로 인해 투수성능과 전기비저항 거동에서 뚜렷한 차이를 보였다. 공극률과 투수성능, 공극률과 전기비저항 사이에는 뚜렷한 경향은 나타났으나 분산이 커 공극률만으로는 수리·전기적 응답을 충분히 설명하기 어려웠다. 반면 투수성능과 체적 전기비저항 사이에는 전기비저항 증가에 따라 투수성능이 지수함수적으로 감소하는 상관관계가 도출되었으며, 골재 종류와 배합 조건을 통합하는 하나의 경험식으로 근사 가능함을 확인하였다. 도출된 상관식은 특정 전기비저항 값에 대응하는 투수성능을 추정하거나, 목표 투수성능에 상응하는 전기비저항 임계값을 설정하는 데 활용될 수 있어 설계·유지관리 기준 마련에 기여할 수 있다. 이는 전기비저항이 투수블록 내부 공극 구조와 투수성능을 통합적으로 반영하는 비파괴 지표로 활용될 수 있음을 시사하며, 향후 협잡물에 의한 공극 폐색 단계별 실험 및 현장 검증 연구와 연계될 경우, 도시 투수블록 포장의 성능평가 및 장기 모니터링 기법 개발을 위한 기초 자료로 활용될 수 있다.

목차 (Table of Contents)

• 제 1장 서론 1
• 1.1 연구 배경 및 목적 1
• 1.2 논문의 구성 4
• 제 2장 이론적 배경 5
• 2.1 투수성 포장 및 투수블록 개요 5
• 2.1.1 투수성 포장의 개념 및 역할 5
• 2.1.2 투수블록 포장의 구조와 적용성 6
• 2.2 골재 특성과 공극 구조 7
• 2.2.1 골재 비표면적ㆍ흡수율과 공극 구조 7
• 2.2.2 골재 입도 및 형상 특성 8
• 2.2.3 골재 공극 구조와 투수성능의 관계 9
• 2.3 전기비저항 이론 10
• 2.3.1 전기비저항과 전류 경로 10
• 2.3.2 Archie's law와 형상계수 개념 11
• 2.3.3 시멘트계/다공성 재료에서 전기비저항-공극 구조 관계 12
• 2.4 공극률ㆍ투수성능ㆍ전기비저항 관련 선행연구 13
• 2.4.1 투수블록ㆍ투수포장의 공극률-투수성능 연구 13
• 2.4.2 침투시험 방법 및 한계 15
• 2.4.3 전기비저항-공극률ㆍ포화도 상관관계 연구 16
• 2.4.4 전기비저항과 수리 상태의 정성적 상관 연구 17
• 2.4.5 본 연구의 위치와 차별성 18
• 제 3장 실험 재료 및 방법 19
• 3.1 실험 개요 및 변수 설정 19
• 3.2 투수블록 재료 및 시편 제작 20
• 3.2.1 사용 골재 특성 및 흡수율 측정 20
• 3.2.2 결합재 특성 및 배합 조건 21
• 3.2.3 시편 형상 및 제작 절차 22
• 3.3 공극률 및 투수성능 시험 23
• 3.3.1 공극률 산정 이론 및 측정 방법 23
• 3.3.2 ASTM C 1701 기반 투수성능 시험 개요 25
• 3.3.3 본 연구에서 사용한 투수성능 시험 장치 및 절차 26
• 3.4 전기비저항 측정 27
• 3.4.1 전기비저항 측정 셀 및 전극 구성 27
• 3.4.2 주파수 스위핑 30
• 3.4.3 셀 보정 및 체적 전기비저항 산정 방법 32
• 제 4장 실험 결과 및 분석 34
• 4.1 투수성능 측정 결과 및 분석 34
• 4.1.1 결합재 비율에 따른 투수성능 변화 34
• 4.1.2 공극률에 따른 투수성능 변화 36
• 4.2 체적 전기비저항 측정 결과 및 분석 38
• 4.2.1 결합재 비율에 따른 체적 전기비저항 변화 38
• 4.2.2 공극률과 체적 전기비저항의 상관관계 41
• 4.3 투수성능과 전기비저항의 상관관계 44
• 4.3.1 전기비저항-투수성능 상관식 도출 44
• 4.3.2 상관관계 해석 및 공학적 시사점 46
• 제 5장 논의 47
• 5.1 논의의 범위 및 관점 47
• 5.2 골재 특성과 공극 구조에 대한 해석 48
• 5.3 공극률ㆍ투수성능ㆍ전기비저항 관계의 메커니즘 논의 49
• 5.4 전기비저항-투수성능 상관식의 공학적 의미와 한계 51
• 제 6장 결론 및 향후 연구과제 53
• 6.1 결론 53
• 6.2 연구의 한계 55
• 6.3 향후 연구과제 56
• 참고문헌 58