Porous Pavement and Porosity Estimation 2013. 8. 29

Porous Pavement and Porosity Estimation

2013. 8. 29

2013 Conference on Eco-Delta City Construction and Sustainable GrowthKorea Society of Civil Engineers Busan∙Ulsan∙Gyeongnam Branch

Jaehun AhnCivil & Environmental Engineering

Pusan National University

Contents

Introduction to GI&LID ProjectII

Permeable Pavement ApplicationsIIII

Estimation of PorosityIIIIII

Summary and ConclusionsIVIV

Introduction to GI&LID ProjectGI&LID Project

도시화기후 변화

강우 수문 특성 변화

돌발적 집중호우발생강우량 및 강우강도 증가

강우일수감소 , 호우일수증가

기후변화와 도시화에 따른 물환경 변화

도심지물순환왜 곡

우리나라 높은 기온상승

100 년 세계평균 0.74 ℃ 상승

대비 한국 1.5℃ 상승2100 년 온도 4℃ 증가예상

물자원 시간 지역적 불균형•물사용 수요 증가 대비 가뭄

빈발로 인해 물가용수량감소지하수고갈 및 지하수위 저하

도시 물순환 변화 차단•우리나라 도시화율 약 91%

불투수층원인 강우유출량증가

도심저지대 도시침수지역증가

도시 환경오염 악영향

매연 등 도시환경 오염증가초기우수유출시

비점오염증가도심 식생 , 수질 생태계악화

열섬효과 도시열순환 재해•도시 복사열상승 , 기온 상승과열대야 , 도심 열대류순환 저해

물관리 및 냉난방에너지 증가

물관리 환경 악화로 국가발전걸림돌• , 국민 삶의 질 위협 홍수 , 가뭄 등 재해증가 , 수질오염 , 도시 에너지 소모

빗물 유출양상 변화

기상재해 , 도시침수

“ 기상재해 피해액 급증”

“ 서울시 상습침수지역”

“ 자연 물순환기능 회복을 위한 도심의 한국형 물환경개선 기술 필요”1

물순환 고도화 기술한국형 LID 기반 도로교통시설

특성

Introduction to GI&LID Project

한국형 LID 기반 도로교통시설 및 물순환 고도화 개념

LID

기법

LID(Low Impact Development) 기법이란 , 강우유출수를 최대한 발생지역에서 관리하는 토지개발방식으로 홍수 및 수질오염 저감을 위한 우수 침투 , 저류 , 물순환 체계를 고려한 토지이용계획기법 ( 친수구역 조성지침 , 국토교통부 , 2011.11.)

적용 LID 기술은 위치 및 배치 타당성평가 , LID

시설의

개발과 통합유역관리 기술 , 공법이나 시설의 분석평가

기술 , 유지관리 기술 등으로 구분됨

국내 도심지 도로환경에 적합한 도로교통시설

포장재료

개발 및 성능평가 기술 개발로 설정함

도로교통시설의 목적별 국내 지형적 / 토질 / 수리수문

/

수질 및 열 환경 등을 고려하여 국내 도심지 특성에

맞는 친환경적 LID 기반 구축이 필요하며 , 일련

분야의

접목에 의한 종합적 도로교통 LID 요소기술과 시스템

개발되는 LID 도로교통시설 및 시스템은 분산형 개념의 물관리에 따라 빗물침투저류에 의한 도시재해 안전도 향상시키도록 방향을 설정함

도시물순환 개선의 증대를 위한 융합형의 LID 기반 도로교통시설 개발

한국형 LID 기반 포장형 , 비포장형 도로교통시설의

수리적 침투설계 등 수문학적 최적설계기법 적용 도심지 도로교통시설물 원인의 오염물 저감에

기여하는 도시 물순환 기능의 도로교통시설이 필요함

GI&LID Project

자연물순환기능의 녹색도시조성 일환으로 분산형의 물관리를 위한 녹색기반시설 (GI:Green Infrastruc-ture) 도로교통시설에 대하여 도심지 수량과 수질을 동시에 고려한 LID 기반의 장수명 효율적 요소기술과

검증 및 평가 , 유지관리 기법 , 시설 복합적용시 계획 설계를 최적화할 수 있는 기술• 2

Introduction to GI&LID ProjectGI&LID Project

연구과제 최종 목표

한국형 LID 기반 도로교통시설

및 물순환 고도화기술 개발

LID 기반 도로교통시설 DB 구축 통합적 성능평가 및 검증기술 표준 매뉴얼 LID 기반 도로교통시설 표준 설계· 시공 · 유지관리 매뉴얼 개발

한국형 LID 기반 도로교통시설 요소기술 ( 포장형 및 비포장형 )

포장형 , 비포장형 LID 시설의 수리적 침투설계 등 수문학적 최적설계기법 개발 LID 기반 도로교통시설 재료 및 구조성능평가 기술

LID 기반 도로교통시설 성능의 평가 , 실험적 검증기법 구축

다차원 LID 침투시설 모형화 기법 및 최적 매개변수 기반 평가 기술 실증단지 LID 기반 도로교통시설 구축 및 모니터링

LID 기반 도로교통시설 개발

LID 시설 DB 구축과 표준 매뉴얼

성능평가 및 검증기술

1. 저영향 개발 기법을 접목하여 국내에 적합한 도로교통시설 포장재료 개발 및 성능평가기술 개발

2. 도시 물순환 개선의 증대를 위한 융합형 LID 기반 도로교통시설 개발

3. 단위 LID 기반 도로교통시설의 구조 , 토질 , 수리 , 환경적 안정성을 확보하기 위한 실험적 성능평가 및 검증 기법 개발

4. 통합적 LID 기반 도로교통시설의 적용을 위한 표준화된 설계 시공 유지관리 매뉴얼 개발

3

교수 안재훈

공동주관 : ( 주 ) 서영엔지니어링

교수 김낙석

교수 오정호LID 시설 모형화기법 적용

실증단지 평가구축 , 검증기법

포장형 LID 시설 재료 및구조성능평가 기법 개발

투수성 , 보수성 투수콘크리트 ,투수아스팔트 재료 개발

교수 고석오

LID 도로교통시설 DB 구축DB 연계 웹매뉴얼 작성

융합형 통합 LID 도로교통시설 설계시스템블럭포장 , 비포장형 LID 시설 설계

교수 조덕준

융합형 LID 도로교통시설수리수문학적 최적화 설계

D B구축

매뉴얼

시설통합설계 , 평가

최적화모델링 실 험

모델링

재료도로성능평가

실증검증기법

재료개발

교수 조계춘LID 도로교통시설 수리침투실험 ,지중지하수 연계 모델링 , 해석

도 로

지반공학

포장재료

수리수문

시설성능평가 검증•

총 괄설 계

비점오염환 경

순환적상 호연 계

Project TeamGI&LID Project

참 여기 업

중앙아스콘 : LID 투수아스팔트 재료 GL E&C : LID 투수큰크리트 재료

SBB : LID 폴리머 재료 분야 제영 : 투수블록 , 비포장형 LID 시설

시공 4

Model-Scale ExperimentsGI&LID Project

3

Experimental Applications

LID/Rainfall Simulator

5

Prototype/Testbed ExperimentsGI&LID Project

6

Monitoring of Permeable Pavement Performance at WSU

LID Testbed Facility Planned at PNU

Applications Applications: Parking Lot

7

LocationPavement type Monitoring

RemarksICP PC PA Flow Quality

Durham, NC, US ○ ○ ○

Edison, NJ, US ○ ○ ○ ○ ○

WSU LID Facility, WA, US ○ ○ ○ ○

Lockheed Martin, MN, US ○ ○ ○

Fayetteville, NC, US ○

University Plaza, CO, US ○

NREL, CO, US ○

Perkins Township, OH, US ○

Safeway Grocery, CO, US ○

NREL, CO, US ○


8

Durham, NC, US

ICP Area=82 m2

Runon Area=417 m2

(5.5:1 Ratio)

NonICP Area

NonICP Area ICP Area


9

ICP Area=214 m2

Runon Area=558 m2

(2.6:1 Ratio)

NonICP Area

ICP Area

Fayetteville, NC, US

NonICP Area

NonICP Area

ICP Area


10

Perkins Township, OH, US

ICP Area=214 m2

Runon Area=558 m2

(2.6:1 Ratio)

ICP Area

Applications Applications: Roadway

11

LocationPavement type Monitoring

RemarksICP PC PA Flow Quality

Dale street Alley, MN, US ○ ○ L = 77,400 ft2

Woodbridge Neighborhood, MN, US ○ ○

27st Ewing Ave N, MN, US ○ ○ ○

Monitoring pre-wetting salt, anti-icing,

temperature

41st Abbott Ave N, MN, US ○ ○ ○

Monitoring pre-wetting salt, anti-icing,

temperature


12

41st Abbott Ave N, MN, US

Porous Area

Non Porous Area


13

Dale street Alley, MN, US

900’ Long, 12’ Wide8” Pervious Con-crete


Woodbridge Neighborhood, MN, US

25’ Wide Residential Streets7” Pervious Concrete

14

Porosity Pervious Concrete Sample

15

Sampling Location

Field Sample

Porosity X-Ray Equipment

16

Item 2D X-Ray 3D X-Ray

Manufacturer X-Tek X-Tek

Model number VENLO450-ACTIS HMX CT-225

X-ray tube volt-age 450 kV 225 kV

X-ray tube cur-rent 4.8 mA 1.0 mA

2D X-Ray Equipment 3D X-Ray Equipment

Porosity X-Ray Image Analysis: 2D X-Ray

17

Planar Image

Cropped (16 bit)

Cropped (1 bit)

Otsu’s Method(Otsu et al., 1979)

Porosity X-Ray Image Analysis: 3D X-Ray

18

Planar Image

Cropped (16 bit)

Cropped (1 bit)

Otsu’s Method(Otsu et al., 1979)

Porosity X-Ray Image Analysis: Porosity

19

2D X-Ray

25 27 29 31 33 35 370

5

10

15

20

25

30

35

Porosity(%)

Dep

th(m

m)

30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 400

5

10

15

20

25

30

35

Porosity(%)

Dep

th(m

m)

3D X-Ray

Porosity = 30.9 % Porosity = 35.2 %

Porosity Porosity from Weight Measurements

20

Montes et al. (2005)

Porosity Porosity from Weight Measurement

21

Equipment to Measure Submerged Weight

Porosity = 29.2 %

Ahn et al. (2013)

Porosity Comparison of Porosity

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2D X-Ray

25 27 29 31 33 35 370

5

10

15

20

25

30

35

Porosity(%)

Dep

th(m

m)

30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 400

5

10

15

20

25

30

35

Porosity(%)

Dep

th(m

m)

3D X-Ray

Porosity = 30.9 % Porosity = 35.2 % Porosity = 29.2 %

Weight Mea-surements

Summary and Conclusions

Research on traffic LID facilities has been ini-tiated.

Porous pavements are already widely used for parking lots and even for roadways under traffic.

The porosity of pervious concrete was suc-cessfully estimated based on X-Ray image analysis.

The density of pervious concrete may in-crease with depth.

Porosity estimate based on weight measure-ments was close to that from 2D X-Ray im-ages but not 3D X-Ray images.

X-Ray image analysis can further utilized to investigate the performance of porous pave-ment such as clogging.

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I. 연구개발 개요

Thank you

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