포틀랜드 시멘트 투수성 콘크리트(portland cement pervious concrete, PCPC)는 많은 주목을 받고 있음. 빗물 유출수를 제어하고, 지하수 공급을 복원하며, 물과 토양의 오염을 감소시키는 것과 같은 다양한 환경적 혜택은 미국의 전역에서 관심대상이 되고 있음. PCPC는 조골재, 시멘트와 다른 시멘트성 물질, 첨가제와 물로 구성되는 불연속적 배합임. 투수성 표면을 만듦으로써, 도로 포장 기저의 토양이 배수에 적합하다면 빗물은 도로 포장과 기저의 토양을 통해 투과할 수 있게 됨. 이는 오염물질에 대한 잠재적 여과를 가능케 함. 이러한 투수성을 달성하기 위해, PCPC는 일반적으로 높은 공극 함량(15-20 %)으로 설계됨. 미국 환경보호청(Environmental Protection Agency, EPA)은 투수성 도로포장(Porous Pavement) 자료표를 발표하여, 투수성 도로포장의 장점을 언급하고 있음. 이러한 장점으로는 다음과 같음:

- 오염물질 제거에 의한 수처리
- 연석 설치작업과 빗물 처리장치에 대한 필요성 감소
- 더 나은 마찰 저항성으로 인한 도로 안전의 향상
- 지역의 대수층 재충전

이러한 적용사례가 새롭고 유망한 것으로 보이지만, 투수성 콘크리트는 단점도 가지고 있음. 투수성 콘크리트의 사용은 추운 지역, 건조한 지역, 높은 풍식율(wind erosion rates)을 가진 지역 등에서 낮은 성능을 보여주었음. 추가적으로, 투수성 콘크리트의 사용은 깊이 투수가 가능한 토양, 교통의 제한 및 인접한 토지의 사용을 필요로 하여 매우 제한적임. PCPC가 최근 활용사례가 증가하고 있지만, 여전히 경험이 제한적임. EPA에 의하면, 투수성 콘크리트 포장의 대략 75%는 실패하였음. 이러한 원인으로는, 설계의 불량, 부적절한 시공기법, 토양의 낮은 투수성, 무거운 차량의 교통, 그리고 유지관리의 불량 등이 꼽힘. EPA는 막힘이나 구조적 문제로 인해 빗물 보유(stormwater retention) 기능을 더 이상 가지고 있지 않은 투수성 포장을 실패로 규정하였음. 메릴랜드(Maryland) 주에서 투수성 콘크리트를 폭넓게 사용하기 전에, 메릴랜드 주의 날씨 조건이 지역의 투수성 물질에 미치는 영향을 연구하는 것은 중요함.
 

투수성 도로포장의 공극은 세골재 모두나 대부분을 제거함으로써 제공됨. 2001년 미국 콘크리트 연구소(American Concrete Institute, ACI)는 투수성 콘크리트의 설계, 시공, 유지관리 및 수선에 대한 기준을 개발하고 유지하기 위해 투수성 콘크리트에 관한 위원회를 구성하였음. 투수성 표면에 대한 최근의 관심은 빗물 처리를 포함하는 빗물 보유와 같은 우호적인 혜택 때문임. 높은 공극 함량 때문에, PCPC는 일반적으로 낮은 강도(800-3,000 psi)를 가지고 있어 추운 지역에서의 적용을 제한하고, 여러 파괴의 원인이 되기도 함. 메릴랜드 주의 상황에 맞는 고성능 투수성 콘크리트 시방서를 개발하는 것이 이 보고서의 근간임. 주 고속도로청(State Highway Administration, SHA)의 프로젝트에서 자주 사용되는 지역의 물질과 함께 여러 첨가제가 시험되었음. 구조 및 내구성 특성이 통제군 배합(control mix)과 비교하여 측정되었음.

추운 날씨의 상태 하에서 투수성 콘크리트의 성능에 대한 연구가 수행된 적이 있음. 아이오와(Iowa) 주와 미네소타(Minnesota) 주는 추운 날씨의 지역에서 투수성 콘크리트에 대한 다양한 프로젝트에 자금을 지원하였음. 그러나, 이들 주는 메릴랜드 주에서 일어나는 주기적인 동결-융해(freezing and thawing)를 가지고 있지 않음.

현재, 메릴랜드 주는 투수성 콘크리트 시방서를 완전히 채택하진 않았지만, 이 주제에 대한 다양한 연구를 수집하고 ACI 522 시방서에 근거한 시방서 초안을 개발하고 있음. 상당수의 주가 이와 같은 문서를 만들었지만, 메릴랜드 주의 독특한 날씨 상황과 이 지역의 물질은 아직까지 평가되고 시험된 적이 없음. 메릴랜드 주의 프로젝트에서 사용되는 일반적인 골재와 여러 첨가제의 혼합은 이 프로젝트에 대한 설계 배합에 포함되었음. 투수성 콘크리트에 대한 사전적 시방서가 개발되기 전에 구조 및 내구성 시험이 필요함.
 

이 연구는 메릴랜드 주의 날씨 조건 하에서 메릴랜드 주 프로젝트에서 사용되는 골재로 만들어진 투수성 콘크리트를 연구하기 위해 수행되었음. 이 연구에서, 여러 첨가제가 사용되었고 투수성 콘크리트 시험편은 밀도 및 공극 함량, 압축 강도, 분리 인장강도, 투수성, 동결-융해 능력, 및 마모 저항성에 대해 시험되었음. 시험은 칼리지파크 캠퍼스의 메릴랜드 대학(University of Maryland, College Park)과 메릴랜드 주의 프레드릭(Frederick, Maryland)에 위치한 동부 시험 및 검사 연구소(Eastern Testing and Inspection Laboratory, ETI)에서 수행되었음.
 

이 보고서는 6개의 장으로 나누어져 있음. 제 1장은 연구의 범위를 제공함. 제 2장은 미국과 해외의 문헌에 대한 검토를 제공함. 여러 다른 배합 설계에 대한 서술과 논의는 제 3장에서 포함됨. 제 4장은 6번의 시험 각각에 대한 절차를 서술함. 제 5장은 결과를 논의하고 제 6장은 요약 및 결론을 제공함.
 

그 적용에 있어 제한적이긴 하지만, 투수성 콘크리트는 도시 빗물의 수질 이슈를 완화시키는데 도움이 될 수 있음. 투수성 콘크리트에 대한 광범위한 연구의 부족은 투수성 콘크리트의 사용에 대한 일부 오해와 제한적인 사용으로 이어졌음. 이 연구의 목적 중 하나는 메릴랜드의 상황에 맞는 투수성 콘크리트 시방서를 사전적으로 개발하는 것임. 투수성 콘크리트의 강도, 내구성 및 시공성을 증가시키는 목적과 함께 여러 첨가제가 이 연구의 일환으로 시험되었음.

상대적으로 짧은 시간 안에 투수성 콘크리트를 설치하고 완료하는 능력은 콘크리트 생산자에게 주요 걱정거리임. 투수성 콘크리트를 사용하는 상대적으로 짧은 시공 시간은 매우 신속하고 노동력이 집약된 노력으로 종종 이어짐. 투수성 콘크리트 배합설계에 수정 첨가제를 포함하는 것은 타설에 대해 더 긴 시간의 시공을 가능케 함.

투수성 콘크리트는 세골재를 전혀 포함하지 않거나 거의 포함하고 있지 않기 때문에 거친 배합(harsh mix)임. 투수성 콘크리트 배합의 시공을 좋게 하기 위해 유동성 수정제(viscosity modifiers)가 개발되었음. 건조하고 거친 배합을 더 양호하고 용이한 타설 및 다짐으로 이어지게 하기 위해 유동성 수정 첨가제(Viscosity Modifying Admixtures, VMA)가 사용되어 왔음. 유동성 수정제는 콘크리트 배합의 흐름 거동을 개조함. 각각의 VMA는 그 화학적 특성에 따라 배합에 미치는 영향이 다를 수 있음. 일부 VMAs는 투수성 콘크리트에서 더 낮은 성능을 보였음. VMAs는 콘크리트 배합에서 물과 결합함으로써 작동하는데, 이로 인해 그 유동성을 변화시키는 것임.

셀룰로스 섬유(cellulose fibers)는 폴리프로필렌 섬유(polypropylene fibers)에 대한 대체재로써 인기를 얻고 있음. 이는 녹색 제품(green product)으로 많은 주목을 받고 있음. 셀룰로스 섬유는 물질의 재생원이라는 것에 더하여 여러 상당한 이점을 가지고 있음. 이 섬유는 수축 및 온도 균열의 감소에 기여함. 이 섬유에는 일부 단점이 있기도 함. 주요 단점 중 하나는 섬유 펄프가 알칼리나 다른 곰팡이 등의 공격에 취약하다는 것임. 이를 막고 셀룰로스 섬유를 강화하기 위해 각 섬유의 외부 표면은 살생물제(biocide) 물질로 코팅 처리됨. 이 물질은 알칼리에 대한 저항 코팅으로 시멘트 페이스트가 섬유에 부착되는 것을 방해하지 않음.

선택된 시험 타입은, 구조적 성능 기준을 유지하면서 3가지의 첨가제가 내구성 증가에 미치는 영향을 결정하는 것이었음. 밀도와 공극 비율 시험은 이 산업계에서 폭넓게 용인되고 사용되는 시험들 중 하나임. 이 시험은 새롭게 배합된 콘크리트가 배합 설계에서 명시된 것처럼 목표 공극 함량을 달성하는지를 결정하는데 도움이 됨. 이 시험은 메릴랜드 대학에서 수행되었음. 밀도와 공극 함량은 우선 무공기 상태에서 계산된 콘크리트의 이론적 밀도를 결정함으로써 발견되었음. 절대적 부피는 구성물 질량을 상대적 밀도와 물의 밀도를 곱한 값으로 나눈 비율를 취함으로써 결정되었음. 실제 배합의 밀도를 계산하기 위해, 컨테이너를 채운 콘크리트의 질량은 컨테이너 질량에서 빼고 컨테이너의 부피로 나누어져야 함. 배합 설계의 목표 공극 함량은 20 %였음.

압축 강도는 모든 표본에 대해 7일, 14일, 28일 및 120일의 양생기간에 측정되었음. 이 시험은 모든 시험편의 강도 증가률을 결정하기 위해 설계되었음. 압축 강도 시험은 메릴랜드 대학에서 수행되었음.

분리 실린더 시험(split cylinder test)은 모든 표본에 대해 수행되었음. 인장 강도는 도로 포장의 중요한 특성임. 투수성 콘크리트 표본의 인장 강도는 길이 방향으로 적용된 선 하중(line load)을 통하여 실린더를 압축함으로써 측정되었음. 이 시험은 표준 압축 시험기계를 사용하여 수행되었음. 이 시험은 메릴랜드 대학에서 압축 시험에 사용된 장비와 똑같은 장비로 수행되었음.

투수성은 투수성 콘크리트 설계에서 가장 중요한 성질일 것임. 다른 요소들을 증진시키기 위해 노력하면서 높은 수준의 투수성을 유지하는 것이 중요했음. 변수위 시험(falling head test) 방법이 사용되었음. ETI에서 장비가 구축되고 시험편이 시험되었음.

메릴랜드 주의 신속한 동결-융해 주기를 고려할 때, 동경-융해 내구성은 메릴랜드 주의 투수성 콘크리트 적용에서 중요한 성질로 고려될 수 있음. 3가지의 다른 포화도를 가진 시험이 수행되었음: 0 % 포화도; 50% 포화도; 그리고 100% 포화도. 이 시험은 메릴랜드 대학에 있는 동결-융해 챔버에서 수행되었음.

마모 시험은 투수성 콘크리트 표본에 대해 수행된 마지막 시험이었음. 이 시험은 주어진 시간 동안 회전 커터(rotating cutter)에 의해 마모되는 콘크리트의 양을 측정함으로써 마모 저항성을 결정하였음. 미국 교통부(U.S. Department of Transportation)의 연구시설에서 드릴 비트(drill bit)를 빌려와 ETI에서 시험을 수행하였음.
 

유지될 필요가 있는 중요한 특성은 적절한 공극 비율이었음. 강도나 내구성의 증가를 위해 투수성을 희생시키는 것은 적합한 방안으로 보이지 않음. 따라서, 여러 다른 배합 설계에 대한 목표 공극 비율은 20%였음. 이는 투수성 콘크리트를 통해 자유로운 배수를 가능케 하는 적절한 비율로 받아들여짐. 3가지 타입의 첨가제 중에서, 셀룰로스 섬유는 내구성에 가장 큰 영향을 미쳤음. 골재-페이스트 매트릭스(aggregate-paste matrix)는 섬유와의 강한 부착으로 유지되었음. 강한 부착력은 마모 저항성뿐만 아니라 동결-융해 내구성을 증가시켰음.

수정제는 더 유동적인 배합으로 이어지는 것처럼 보였음. 그러나, 수정제와 시멘트 사이에 부분적으로 발생한 화학적 반응은 조골재 주변의 시멘트 형성을 방해하였음. 시멘트 형성 시간을 늦춤으로써 중력이 시멘트 페이스트를 아래로 잡아당겨 일부 경우에 실린더의 하부에서 더 낮은 투수성 층을 만들어 냈음.

유동성 수정제는 강도나 내구성에 거의 영향을 미치지 않았음. 그러나, 배합은 작업성이 더 좋아졌음.