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R&D최종보고서

연구과제 상세정보
과제고유번호 202121CTAP-C157602-02
연구사업명 국토교통기술촉진연구사업
연구과제명 블랙아이스 방지(표면온도 5℃ 유지)를 위한 나노 발열모듈 임베디드 콘크리트 패널 급속 포장기술 개발
총 연구기간 2020-04-13 ~ 2021-12-31
연구책임자 정원석
당해년도
참여 연구원수
5명 총 연구기간
참여 연구원수
9명
당해년도
연구비
정부 : 210,000,000 원
기업 : 77,000,000 원
계 : 287,000,000 원
총연구비 정부 : 370,000,000 원
기업 : 132,000,000 원
계 : 502,000,000 원
연구기관명 경희대학교 산학협력단
등록 발간번호 11-B552989-000575-01
ISBN -
주요 내용 ­ 최근 겨울철 대형 교통사고의 주요요인으로 대두되고 있는 블랙아이스는 아스팔트나 콘크리트 표면의 작은 틈새로 물이나 눈이 스며들어 얼어붙는 현상으로 잘 보이지 않아 교통사고를 유발할 가능성이 높음.
­ 도로교통공단의 교통사고 분석시스템에 따르면 2014년~2018년 블랙 아이스와 유사한 서리 및 결빙 도로에서 발생한 사고는 6,578건으로, 눈이 많이 쌓여 발생한 사고보다 약 1.8배 많았고, 부상자 수는 2배, 사망자 수는 3배, 치사율은 1.9배 이상 많음.
­ 2019년 12월 14일 군위군 소보면 달산리 상주~영천고속도로 영천방향 상·하행선에서 화물트럭과 승용차 등 차량 30여대가 연쇄추돌하면서 7명이 숨지고 32명이 부상 당하는 사고가 발생함.
­ 기상청에 따르면 이날 군위 지역에는 0.1mm 정도 소량의 비가 내렸지만, 블랙아이스가 발생하여 도로를 달리던 차들이 미끄러지면서 사고가 발생함.
­ 제설을 위해 제설재를 살포하여도 이미 영하권의 날씨에 의한 도로 결빙으로 교통체증과 크고 작은 사고들을 유발함.
­ 따라서 사후 대응이 아닌 사전 예방적인 도로 융설 및 융빙 대책의 중요성이 대두되고 있음.
­ 현재까지 개발된 발열관련 도로의 결빙방지 기술로는 전열선법과 열 배관법 등이 적용되고 있으나 시공 또는 유지관리 측면에 예상치 못한 여러 문제점이 도출되고 있음.
­ 기존의 결빙방지 기술인 전열선과 열 배관 방식은 전기나 기타 에너지원을 이용하여 발열하는 방식으로 시스템의 장애발생 시 보수가 효과적으로 이루어지기 어렵고 재시공을 필요로 하는 등 기술적, 경제적으로 문제점이 발생함.
­ 열선은 차량 통행량이 많은 구간에 대하여 연성포장인 아스팔트에 홈을 커팅하고 설치함으로 대형차량 차륜에 의하여 가해지는 압력에 의해 열선이 끊어지는 경우가 많기 때문에, 실제 수명은 2~3년에 불과하여 반복적인 설치가 필요한 실정이며, 설치하는 동안 장시간 교통통제로 사회적 간접비용이 증가하고 있음.
­ 실제로 울산 남구에서 지난 2012년 결빙에 의한 교통사고를 예방하기 위해 길이 580m, 폭 6.5~8.5m 규모의 도로 열선을 설치시 사용한 예산은 5억 원임.
­ 제설법은 이미 눈이 적재된 후에 시작되므로 터널 입,출입부나 교량, 대형 교차로 등 블랙아이스에 의한 대규모 피해를 유발할 수 있는 지역이나 유동인구가 많거나 하향 경사구간 도로지역은 강설의 시점에서 융설로 인한 차량 통행성 확보가 어려움.
­ 낮은 소모전력으로 높은 융설 및 융빙이 가능하여 경제성이 있으며, 공장제작을 통한 모듈화로 중차량에 대한 내구성 및 안전성이 확보되고, 시스템 장애율이 최소화 되어 유지관리 비용을 획기적으로 줄일 수 있으며, 교통 통제시간을 최소화 하여 급속 설치가 가능 한 융설 및 융빙시스템의 개발이 매우 절실한 실정임.

[최종목표]
블랙 아이스 예방이 가능한 나노 발열모듈 임베디드 콘크리트 패널 급속포장 기술 사업화
-반복적으로 발생되는 겨울철 블랙아이스로 인한 대형교통사고에 대하여 블랙아이스 발생도 예방하며, 포장체의 내구성 확보가 가능한 시스템을 개발을 목적으로 ①낮은 소모전력(00KW)으로 높은(표면온도 5°C 유지) 융설 및 융빙이 가능하고, ②공장제작을 통한 모듈화로 급속설치로 교통 통제시간(야간 6시간)을 최소화 하며, ③콘크리트 패널로 내구성이 확보된, 다기능 나노 모듈 콘크리트 최적 배합기술 개발과 발열모듈 임베디드 콘크리트 패널 제작 및 급속 설치기술 실용화를 최종 목표로 함

[연구내용 및 범위]
연구의 범위는 다음과 같다.
- 나노 모듈 콘크리트의 최적 배합기술 개발
- 나노 모듈 발열 콘크리트 개념 설계 및 내부구조 분석
- 나노 모듈 콘크리트의 제작기술 개발
- 나노 모듈 콘크리트의 현장적용 시험 발열 성능 분석
- 발열모듈 임베디드 콘크리트 패널의 최적화 연구
- 발열모듈 임베디드 콘크리트의 패널 설치 및 유지관리 가이드라인 개발

연구의 내용은 다음과 같다.
탄소나노튜브(CNT), 그래핀옥사이드(GO), 카본섬유(CF) 등의 탄소 나노재료 특성을 반영한 시멘트 복합재료의 발열 성능 및 적합성 검토
나노소재(CNT, 그래핀 등)의 모듈을 이용한 발열 콘크리트 배합기술 연구
강도 및 발열 기능 향상을 위한 최적 나노 재료 및 함량 선정
나노소재 콘크리트 혼입을 위한 wet mix 및 dry mix 혼합기술연구
항온항습챔버를 활용한 발열모듈의 온도성능시험
콘크리트 균열 방지를 위한 발열모듈의 온도 구배 제어 연구
미세구조 조직/공극구조 분석(SEM, XRD, TG/DTA)
제안기술의 시공단계별 개념 설계 및 시공단계별 디지털 Mock-up
콘크리트 패널 형태에 따른 임베디드 발열모듈 적용방안 검토
콘크리트 패널 모듈화에 따른 요소별 형상설계
시험체 제작 및 설치단계 검증을 위한 BIM기반 3D객체 모델링
발열모듈 임베디드 콘크리트 패널 급속포장 경제성 분석
제안기술 적용가능 구간 분석(하향 경사구간, 터널 및 교량 적용)
제안기술의 실용화 타당성 조사 및 현장시공을 위한 대상선정
제안기술의 콘크리트 패널 급속포장 설치방안 상세도출
발열 콘크리트 포장의 나노 모듈 시제품 제작
나노 모듈 콘크리트 포장의 현장 계측 및 분석
현장적용 발열모듈 임베디드 콘크리트 포장의 발열성능 분석
발열모듈 임베디드 프리캐스트 콘크리트 포장의 발열온도 제어
최적 발열 효율을 위한 전극 재료 및 모듈 위치 연구
기후조건을 반영한 최적 나노 모듈 방안(재료, 농도, 공급전압) 제시
발열모듈 임베디드 콘크리트 패널 제작 및 설치 구조 안전성 검토
발열모듈 임베디드 콘크리트 패널 제작 및 설치 표준도 작성
발열모듈 임베디드 콘크리트 패널 형태별 2-TYPE 제작(차륜형태에 따른 전단면과 반단면)
제안기술의 설계/ 제작 유지관리 가이드라인 연구
제안기술의 발열 성능 검증을 위한 시험체 형태별 2-TYPE 제작(차륜형태에 따른 전단면과 반단면) 현장설치
현장조건별 급속교체 설치에 따른 시공기술 및 시공지침서 개발
제안 기술의 실용화 및 사업화 추진 활성화를 위한 참여기업과의 실시계약 체결
색인어 한글 블랙아이스 탄소 나노소재 발열모듈 콘크리트 포장 융설/융빙
영문 Black ice Carbon nano-material Heating module Concrete pavement Snow/Ice melting
최종보고서 증빙 자료 별첨_경희대학교 산학협력단_정원석.pdf 최종보고서 (일반과제)_경희대학교 산학협력단_정원석.pdf
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