1. 개요

암거(culvert) 파이프 재료의 선정은 금속 또는 콘크리트 파이프를 포함하는 상대적으로 단순한 임무로 전통적으로 여겨져왔음. 최근에, 코팅된 금속 및 플라스틱 파이프의 추가는 연방 정부로 하여금 대안적인 파이프 재료의 고려를 요구하는 법률을 실행하도록 이끌었음. 현재의 미네소타 교통부(Minnesota Department of Transportation, MnDOT)의 배수 매뉴얼(Drainage Manual)은 파이프 선정에 대해 제한적인 안내를 제공함. 이 매뉴얼은 환경 상태가 미네소타에 있는 파이프의 내구성에 미치는 영향에 대한 상세한 정보가 부족함. 미네소타에 직접적으로 관련이 있는 인자들에 있어서 파이프 재료와 내구성에 대한 업데이트되고 정확한 정보를 제공하는 것이 필수적임.

이러한 목표를 위해서, 기존 데이타의 가용성과 적용가능성, 그리고 파이프의 생애 기간을 예측하는 것과 관련된 사례가 평가되어야 함. 이 보고서는 미네소타 교통부의 배수 매뉴얼을 업데이트하기 위한 더 큰 프로젝트에 대한 실현가능성을 타진하는 연구의 결과임. 이 보고서의 목적은 지식의 격차(knowledge gaps)를 파악하고, 미래연구를 안내할 연구계획을 만들며, 가용한 데이타를 사용하여 가능한 파이프 재료 관련 결론을 도출하는 것임.

2. 결론 및 제언

이 장은 여러 절로 나누어지는데, 일반적인 결론 및 제언으로 시작하여 각 파이프 재료가 논의됨. 마지막으로 HydInfra 데이타베이스로부터의 결론이 따로 논의됨.

2.1 일반

고속도로 표면은 그 수명을 증가시키기 위해 대체되거나 수리됨. 하지만 도로의 핵심부는 그렇지 않음. 그래서 파이프는 표면보다 오래 지속될 필요가 있음. 대부분의 미네소타 교통부의 관할지역은 100년의 설계 수명이 주요 암거에 대해 바람직하다고 동의함. 입구 암거(entrance culverts)는 유지관리 인원에 의해 더 쉽게 교체됨. 연구진은 주요 암거에 대해 100년의 설계 수명을, 입구 암거에 대해 50 - 75년의 설계 수명을 제안함.

NCHRP(2011)은 파이프 재료를 선택하는 플로우차트(flow chart)의 사용을 제안함. 그러나, 플로우차트는 너무 제한적일 수 있고 설계자들에게 방해가 된다는 우려가 있음. 따라서, 연구진은 배수 매뉴얼의 2장이 개선된 설계 도움을 가지고 유사한 형태를 유지할 것을 제안함.

배수로 및 파이프 퇴적은 모든 경우에 건조할 것으로 설계된 파이프 조차 괴어있는 물(standing water) 또는 젖은 퇴적물에 취약할 수 있음. 배수로에 있는 괴어있는 물은 바닥 물질이 확대된 기간 동안 젖어 있음을 의미함. 연구진은 파이프의 건조상태 조건이 배수 매뉴얼의 2장에서 제거되어야 함을 제안함.

재료 마모는 일반적으로 재료의 크기와 유속의 범위를 분류함으로써 다루어짐. 이러한 기법은 설계에 대해 사용하기에 상대적으로 용이함. 그러나 이들은 부정확할 수 있으며 마모의 물리적 과정을 대표하지 못함. 마모 모델에 근거한 과정은 아직까지 개발되지 않았기 때문에, 마모 상태가 존재할 때 캘리포니아 교통부(CalTrans)에 의해 사용된 방법이 제안된 설계방법임. 마모 상태는 주어진 장소에서 기존의 파이프를 검사함으로써 결정될 수 있음. 콘크리트 및 HDPE 파이프는 마모되지 않는 것으로 고려됨.

압축 요구사항이 성취되고 있는지에 관해 많은 불일치가 있음. 차별 압축(differential compaction)은 종종 압축 하에서 보다 더 위협적인 문제임. 그러나, 밀도 테스트 없이, 둘 중 하나에 대해 체크하는 것은 불가능함. 연구진은 미네소타 교통부가 18인치 이상의 모든 암거를 시험하기 위해서 3자나 계약자의 핵 밀도 시험(nuclear density testing) 항목을 건설 프로젝트에 첨부하는 실현가능성을 연구할 것을 제안함. 한번의 샌드콘 시험(sand cone test)에 요구되는 시간에 20번의 핵 밀도 시험이 수행될 수 있는 것으로 예측됨. 핵 밀도 시험은 신속하고(시험 당 1분 이내) 3자에 의한 시험 항목이 모든 파이프 설치에 대한 현장에서 검사자가 있어야 할 것임. 핵 밀도 시험은 샌드콘 시험에 대해 제안되는 것의 두 배만큼 시험되는 것을 허용할 것임. 핵 밀도 시험에 대한 대안은 동적 콘 침투(dynamic cone penetration)이나, 모래 토양에서만 사용될 수 있음.

Vermillion과 미네소타 강으로부터의 pH 시계열 데이타에 대한 분석이 제안하는 바에 의하면, 강 파이프의 서비스 수명을 예측하기 위한 pH 표본을 채취하기에 여름이 최적의 시간임. 가능하면 봄이나 겨울은 피하는 것이 좋음. 최소 3개의 표본이 채취되어야 하고, 각 지역에 대해 평균이 구해져야 함. 색깔 비교/화학적 반응 시험을 사용하거나 휴대용 전자 자동분석기(hand-held electronic auto-analyzers)를 사용하여 pH가 결정될 수 있음.

2.2 콘크리트 파이프

콘크리트 파이프는 일반적으로 내구성이 있고 리스크가 작은 것으로 여겨지며, 주요 라인의 파이프에 대한 기본 재료임. 콘크리트 파이프의 가장 일반적인 파괴 형태는 조인트 분리(joint separation)임. 개스킷(gasket)이 있는 조인트는 조인트 분리 때문에 파괴의 횟수를 줄이는 것으로 예측된 더 긴 조인트와 조인트 기하학적 구조(joint geometrics)임. 연구진은 모든 콘크리트 파이프에 대해 개스킷 조인트가 기본이 되도록 제안함.

<그림 1> 개스킷이 있고 없는 콘크리트 파이프 조인트

콘크리트 파이프에서 조인트 분리를 일으킬 수 있는 결빙-해빙 상태에 대한 여러 가설이 있음. 하지만 실제적인 원인은 잘 이해되지 않고 있음. 첫번째 가설은 물이 조인트에서 결빙된다는 것임. 얼음의 확장은 조인트가 떨어지도록 함. 열은 콘크리트 보다 얼음을 통해서 더 빨리 전도되며, 물보다 콘크리트를 통해서 더 빨리 전도됨. 이는 물이 동결되는 시나리오에 대해 적용되며 콘크리트 파이프 조인트에서 갇힘.

두번째 가설은 동결 실트(silt) 및 점토(clay)는 부풀어오르고 파이프 면을 따라 절단됨으로써 조인트를 떨어뜨림. 세번째 가설은 정착 및 이동의 차이가 조인트를 분리되도록 한다는 것임. 조인트로 침투하는 흙이 조인트가 다시 붙는 것을 방해함. 파이프가 다른 방향으로 움직일 때, 분리된 조인트에 갇혀있던 흙의 웨지(wedge)가 파이프의 극단을 분리하게 만듦. 이 매커니즘에 의해 조인트는 여러 계절에 걸쳐 지그재그(zig-zag)로 떨어지게 됨.

여러 연구들이 밝혀낸 바에 의하면, 높은 염분의 강우는 균열을 크게 만들고 철근을 부식시킬 수 있음. 겨울에 미네소타 도로에서의 염분 수준은 제설 작업 때문에 매우 높음. 미네소타에서 기록된 염분 농도는 콘크리트 파이프에 대한 손상 수준보다는 낮지만 거의 근접하고 있음.

2.3 강 파이프

16-게이지의 파형 알루미늄 강 파이프(corrugated aluminized steel pipe, CAS)는 미네소타에서 기본적인 파형 강 파이프(corrugated steel pipe, CSP)가 되어야 함. 파형 알루미늄 강 파이프는 유사한 pH 범위에서 사용될 수 있고, 건조하고 습윤한 조건 모두에서 아연도금(galvanized) 파형 강 파이프보다 3배에서 8배 긴 서비스 수명을 가진 것으로 예측됨. 파형 알루미늄 강 파이프는 폴리머 코팅(polymer coating) 파형 강 파이프보다 마모 및 설치 손상 우려가 더 적음.

캘리포니아의 방법 또는 변형된 방법은 강 암거의 서비스 수명 예측에 가장 인기있는 모델임. 이 방법은 서비스 수명을 예측하기 위해서 지역의 pH 및 저항도(resistivity)를 사용함. 전체적으로, 전체 주에 대한 pH 및 저항도에 대한 데이타의 종합적인 출처가 없음. 미네소타 교통부가 3 구역에서 측정한 토양 성질 데이타를 천연자원 보존 서비스(Natural Resources Conservations Service, NRCS)의 웹 토양 조사(web soil survey, WSS) 데이타베이스에 비교함으로써, 캘리포니아 방법(AASHTO 2007)으로 사용했을 때 두 데이타셋 모두 16-게이지 아연도금 파형 강 파이프의 서비스 수명을 12년 이내로 예측할 것임. 캘리포니아 방법은 ±12년의 신뢰구간(confidence interval)을 가지고 있음. 웹 토양 조사의 pH와 전도성/저항도 데이타가 가용한 지역에서, 16-게이지 파형 강 파이프에 대한 평균 예측 서비스 수명은 53 ± 21년이고, 16-게이지 파형 알루미늄 강 파이프에 대한 것은 106 ± 42년임. 미네소타 주에 대한 파형 강 파이프의 예상 수명 지도를 개발하기 위한 연구가 수행되어야 함.

2.4 플라스틱 파이프

플라스틱 파이프의 가장 일반적인 두가지 타입은 HDPE와 PVC임. PVC는 온도가 화씨 37도 이하로 떨어지면 취성을 가지게 됨. PVC 파이프는 낮은 온도 하에서 설치되지 말아야 함. 만약 화씨 37도 이하에서 설치된다면 변형이 생길 수 있음. 플라스틱 파이프의 계절별 굴절(seasonal deflection)을 고려하여, 이러한 제한사항은 PVC 파이프를 거의 사용하지 못하게 함.

HDPE 파이프는 내구성과 부식 저항성이 있어 서비스 수명이 100년을 넘고, 결빙/해빙 손상에 그렇게 취약하지 않음. 연구진은 HDPE 파이프가 100년의 서비스 수명을 제공하는 능력이 있는지 파악하기 위해서 서비스 수명을 결정하기 위한 플로리다의 시험 방법과 유사한 시험 방법을 채택할 것을 제안함. 이 시험 방법은 드렉셀 대학(Drexel University)의 Hsuan박사에 의한 연구에서 개발되었음. 설치, 뒤채움(backfilling), 그리고 검사와 같은 이슈는 여전히 설계자와 검사자들에게 걱정거리임. 연구진은 또한 이러한 이슈가 HDPE 파이프에 100년의 예상 서비스 수명을 부여하기 전에 다루어져야 함을 제안함.

2.5 HydInfra 데이타베이스 결론

일반적으로, HydInfra 데이타베이스의 주요 결점은 이 데이타베이스가 파이프 연수(age) 데이타를 포함하고 있지 않다는 것임. HydInfra에 대한 분석의 대부분이 그 주나 지역에서의 모든 파이프가 똑같은 평균 연수를 가지고 있다는 가정을 필요로 함. 이 가정은 이치에 맞지 않음. 연구진은 파이프 연수에 대한 선택이 결정되고 파이프 연수를 고려하여 분석이 되풀이되어야 한다고 제안함.