1. 서론

 

철도를 지지하는 구조물, 궤도, 전기 등 시설의 기능향상, 장수명화, 보수경감을 위해서는 설계시공기술의 연구개발뿐만 아니라, 거기에 사용되는 재료 자체의 성능향상과 노화현상의 해명, 평가 및 억제 등의 연구개발이 필요하다. 그리고 최근에는 지구환경문제의 대응으로서 철도용 재료에 대한 환경영향을 저감시키는 것 이외에 자원에 관한 위험을 고려할 필요가 있다. 한편, 재료분야에서는 에코 메터리얼, 인텔리전트 메터리얼, 나노메터리얼 등의 새로운 개념과 기술의 전개가 진행되고 있다. 본 보고에서는 이러한 배경을 기본으로 철도시설재료에 관한 최근의 연구개발에 대하여 소개하고 앞으로의 전망에 대하여 해설한다.

 

 

(표) 시설재료에 관한 최근의 대응

적용분야		평가, 해석방법	새로운 재료의 개발, 도입
구조물	콘크리트 구조물	[유지관리] - 콘크리트 중의 알칼리량 측정방법 - 콘크리트 구조물 내부의 수분거동 해명 - 터널 복공 콘크리트의 노화원인 측정
		[보수] - 시멘트계 보수재의 내구성 평가 - 부분 단면 보수 장소 주변의 철근 부식기구 - 염해제어공법(SSI공법)의 내구성 평가	- 리튬 제올라이트 ASR보수재
		[신설] - 혼화재 사용의 콘크리트의 중성화 평가 - 콘크리트의 금 발생에 대한 골재의 영향 - 콘크리트 표층부품질의 비파괴검사방법	- 지오폴리머 콘크리트
	강구조물	- 강교의모티터링	- 균열 검지용 도전성 표면재 - 고내후성 강재를 강교에 적용 - 제진, 방청기능을 가진 강교피복몰타르
	토구조물		- 접착성 방수 시트 - 폴리머지반개량재
궤도	궤도구조	[궤도 슬라브] - 냉한지 궤도 슬라브의 노화 원인 평가	- 벤토나이트라이러를 이용한 저전력화 궤도 - 단섬유 보강 콘크리트
		[궤도 패드] - 궤도 패드의 동적거동 해석
	레일	- 접촉피로의 평가	- 트렉션유 - 레일 삭정용 지석
전기	전력	- 트롤리선의 피로 특성 평가 - 트롤리선의 피로강도 향상	- PHC 트롤리 선 - 중부식 환경용 전차선 금구(金具) - 초전도 기전 케이블
	신호	- 궤도회로의 단갈저항치와 차륜/레일 접촉 상태의 평가
환경	소음, 진동 저감		- 레일 방음재 - 발포 스티롤비즈를 혼합한 소일 시멘트에 의한 진동차단
	환경영향 평가	- LCA

 

 

2. 철도 각 분야에서의 시설재료에 관한 연구개발

 

2.1. 구조물 분야

(1) 콘크리트구조물

구조물의 건전한 사용과 손이 덜 가는 구조물의 건조를 목표로 하고, 콘크리트의 여러 가지 노화현상의 해명, 조사, 진단방법, 평가방법, 보수방법 등에 관한 연구개발 및 신설구조물의 품질향상에 관한 연구개발을 추진하고 있다.

 

유지관리에서는 지금까지 수량지수법에 의한 물 시멘트비의 추정, 터널복공 콘크리트의 노화메커니즘, 콘크리트전주의 노화진단과 유지관리, 기온의 영향을 고려한 철근부식속도 추정법 등에 노력해 왔다. 최근에는 콘크리트구조물의 알칼리량 추정방법의 개발, 콘크리트구조물 내부의 수분거동의 해명 등에 노력하고 있다. 보수에 관해서는 폴리머시멘트계보수재에 의한 콘크리트의 효과적 보수방법 외에 최근에는 시멘트계 보수재의 내구성 평가, 부분단면 보수장소 주변의 철근부식기구, 염해억제공법(SSI공법)의 내구성 평가 등에 노력하고 있다. 또한, 신설구조물의 품질향상에서는 혼화재를 사용한 콘크리트 중성화 평가, 콘크리트의 금 발생에 영향을 미치는 골재 종류, 콘크리트표층부 품질의 비파괴검사방법의 개발 등에 노력하고 있다.

 

상기의 “알칼리량 측정방법”, “시멘트계 보수재의 내구성 평가”, “부분단면 보수장소 주변의 철근부식기구”에 대해서는 다음과 같이 나타낸다.

 

알칼리량 측정방법 개발: 알칼리실리카반응(ASR)에 의한 노화억제대책으로서 콘크리트 중의 알칼리 총량을 3.0kg/m³ 이하로 억제하는 방법을 이용하나, 알칼리 총량 3.0kg/m³정도의 영역에서의 알칼리 총량을 정확히 파악하는 방법은 미확립 상태로, 콘크리트시료를 의산(蟻酸)으로 용해하여 알칼리 총량을 구하는 방법을 개발하였다.

 

시멘트계 보수재의 내구성 평가: 보수재의 내구성 평가는 종전부터 보수재 단체로 수행되어, 구조물 시공 후의 보수 장소 전체의 내구성을 평가하는 지표가 없기 때문에 콘크리트와 보수재의 계면에 착안한 내구성 평가방법을 검토하고, 보수재 시공의 새로운 품질평가의 지표로서 계면에서의 투수계수를 제안하였다.

 

부분단면보수장소 주변의 철근부식기구: 박리, 박락된장소를 부분적으로 보수하는 다면보수에 의한 보수 장소 주변에서는 철근부식에 의한 노화사례가 보여지며, 대책을 필요로 하나, 이들 노화가 비중성화역과의 사이에 생긴 마이크로셀 부식에 의한 것이라는 것을 분명히 밝혀, 부분단면 보수의 효율적 시공법을 제안하였다.

 

한편, 유지관리와 보수에서의 새로운 재료의 개발, 도입에 의한 과제해결의 대안으로서 지오폴리머(Geoplymer)기술을 이용한 환경부하저감 콘크리트와 알칼리 골재 반응억제를 위한 리튬함유 제올라이트(zeolite)의 개발 등이 있다.

 

지오폴리머 콘크리트는 보통 포틀랜드 시멘트(Portland cement)를 사용하지 않고, 화력발전소 등에서 발생하는 석탄회를 원료로 하는 환경부하가 적은 재료로 화학적 내구성이 높으며, 그 배합과 압축강도의 관계가 분명하다. 지오폴리머 콘크리트를 사용하여 PC침목의 시제품 제작한 결과, 시제품 제작의 내하력은 JIS에 규정된 요구성능을 만족하였다. 리튬함유 제올라이트는 칼슘함유 제올라이트를 대신하는 알칼리 골재반응(ASR)의 억제효과가 보다 큰 보수재로서 개발을 추진하고 있다.

 

(2) 강(鋼)구조물

재료자체에 자기진단성, 자기조절성 등을 갖는 인텔리전트 메터리얼의 일종으로서 도전성 표면재료에 의한 강교(鋼橋)의 균열의 검출, 평가에 노력한다. 이미 균열발생검지용과 균열진행 검지용 각각에 적합한 전기특성의 도료를 개발하고, 실용에 적합한 도장계를 제시하였다.

 

최근에는 실제 구조물을 모방한 시험체에 의한 평가시험과 옥외환경에 대한 영향을 평가하고, 기상변동에 의한 저항치 변화의 보상법의 고안, 실제 구조물 시공에서의 시공성, 작업성, 장기 내구성의 확인이 추진되고 있다.

 

(3) 토(土)구조물

지금까지 지하구조물 내부로 오수방지공법에 적용되어, 국소적 손상이 발생하여도 오수의 방지가 가능한 EVA수지(에틸렌, 초산비닐중합체)의 콘크리트 접착성 방수시트를 개발하여 왔다. 최근, 시트의 콘크리트로의 접착성 향상을 위한 접착층에실리카를 포함하는 특수 EVA수지를 이용함으로써 접착강도가 대폭 향상하였다.

 

2.2. 궤도분야

(1) 궤도구조

차륜/궤도(레일)간에 작용하는 충격하중은 진동, 소음과 궤도파괴의 요인이 되며, 그 대책으로서 궤도패드의 완충성능의 평가에서는 정량적 평가법이 없었다. 그래서 새롭게 개발된 충격실험장치를 이용하여 궤도패드로의 작용력을 측정하고, 완충성능을 평가하는 방법을 개발하였다.

 

그 외 철근콘크리트 대신에 단섬유 보강 콘크리트를 이용한 교환용 궤도 슬라브, 점토의 일종인 벤토나이트(bentonite)를 이용한 생력화(省力化) 궤도의 노반(路盤) 변상대책 등에도 노력하고 있다.

 

(2) 레일

레일재료로는 내셰링용으로서 개발해 온 벤토나이트 레일에 대하여 장기의 현지 부설시험의 결과 그 우위성이 확인되었다. 한편, 레일의 셰링 손상 및 파상마모의 제어를 위해 레일 삭정(削正)이 수행되고 있다. 레일 삭정에는삭정 후 레일 두정면(top tread)에 삭정흔적이 형성되어 소음이 발생하는 경우가 있어, 그 방지에는 수정차의 이동속도를 유지하기 위한 삭정량을 확보할 수 있는 삭정성능이 높은 지석재료가 필요하다. 지립의 종류, 입도, 결합도 등을 변화시켜 새로운 지석을 개발하고, 보다 삭정능력이 높으며, 삭정 후의 레일 거친 정도가 작고, 소음도 적은 것을 확인하였다.

 

차륜 플런지부와 레일의 게이지코너부의 접촉에 의한 마찰방지용으로 살포되는 윤활제는 점착계수를 낮춰, 공전, 활주의 원인이 되는 경우가 있다. 마찰방지와 점착계수의 저하제어를 위한 윤활유로서 트랙션유의 적용을 검토하였다. 트랙션유는 통상적인 기름보다 마찰계수가 높고, 토크 전달성능이 높다.

 

2.3. 전기분야

(1) 전력

트롤리선의 내피로성향상책으로서 재질자체의 개량 이외에, 단면형상을 변경하여 동일한 부하에서 곡률변형을 저감하는 방법이 있다. 현재 상태와 단면적을 크게 바꾸지 않고,

미끄럼면(sliding surface)측 반경을 동일한 상태로 구부러져 뒤틀리는 것을 저감시켜, 횡풍에 대한 상하진동(갤러핑, Galloping)특성도 현재 상태와 같은 정도의 단면형상의

트롤리 가공선(trolley wires)을 시험제작하여, 정치시험장치에서변형 저감효과와 시공성을 확인하였다.

 

행거 이어(hanger ear) 등 전차노선부재의 손상원인 대부분은 부식이다. 중염해환경에서의부식성 향상을 위하여 알루미늄청동부재의 시험제작과 폭로시험 및 현지가설시험에 의해 평가하여, 알루미늄청동주물 CAC703을 베이스로 한 저 알루미늄량, 고니켈량의 재질에 의한 행거 이어는 양호한 부식성을 나타냈다.

 

궤전선(饋電線)으로의 새로운 재료의 적용으로서 고온초전도선재에 의한 케이블의 연구개발에 대응하고 있다. 재래선의 직류전기화구간은 궤전전압이 1,500V로 궤전전류가 크기 때문에 변전소 간격이 크게 되면 송전 로스가나타나는 문제가 있다. 궤전선에 초전도재료를 적용할 수 있다면 전기저항이 없기 때문에 높은 정격전류치를 얻을 수 있는 가능성이 있으며, 변전소 수의 삭감도 기대할 수 있다. 당면 1,500V, 5kA까지 통전할 수 있는 케이블을 목표로 하여 개발을 추진하고 있으며, 비스무트(bismuth)계 선재에 의한 케이블로의 액체질소 온도하의 통전시험에서 도체부에서 1072kA,실드부가 2.2kA의 허용통전전류치를 얻을 수 있다.

 

(2)신호

궤도회로는 레일을 차륜으로 단락하기 위하여 녹 등에 의한 단락불량이 발생하기 쉬운 문제가 있다. 차량의 중량, 차륜노면의 상태가 변화했을 때의 레일과 차륜의 접촉저항의 변화를 조사하고, 궤도회로의 단결상태에 영향을 주는 요인으로서 녹의 두께, 차륜노면의 표면조사(roughness, 거칠기), 윤중, 신호전류의 크기 등을 들어, 각 요인이 정해졌을 때의 레일과 차륜의 접촉저항을 추정할 수 있도록 되었다.

 

2.4 환경분야

(1)소음, 진동 저감

레일/차륜간에서 발생하는 전동음대책으로서 레일방음재의 개발을 추진하고 있다. 이미 개발된 일반 구간용에 추가로 큰 소음이 발생하는 절연이음매 등의 레일이음매용의 방음재를 시험제작하였다. 이음매용 방음재는 유리섬유를 무기질의 다공질 흡음재로 싸는 구조로 레일 근방에 레일과 차량하부에서의 방사음을 흡음한다. 실제 차량에서의 효과 확인에서는 부수차 통과 시에는 약 2dB정도의 소음저감을 확인하였다.

 

(2)환경영향평가

새로운 재료를 철도에 적용, 도입할 때에는 이들의 성능평가뿐만 아니라 환경부하의 평가에 의한 재료의 제조, 사용, 보수, 처분에 걸친 라이프사이클로 환경부하가 저감하고 있는가 파악하는 것이 중요하다. 특히 시설재료에서는 사용량이 큰 것과 사용기간이 장기에 걸친 것이 많으므로 앞으로의 연구개발에서는 신재료 도입의 사전 검토항목으로서 비용평가에 추가로 환경부하평가가 필요하게 될 것으로 생각된다.

 

3. 앞으로의 시설재료의 연구개발 동향

 

철도종합연구소에서는 2010년부터 5년간 “ 기본계획(RESEARCH 2010)”과 20년 후를 예상한 “리서치맵”을 책정하고, 앞으로 대응해야만 하는 연구개발 항목을 나타내고 있다. 이들 항목 중, 시설재료에 관한 연구개발에 의해 진전이 기대되는 것은 연선환경부하 경감, 에너지절약, 보수, 건설의 효율화, 고속화(속달화)의 각 항목이다.

 

“연선환경부하 경감” 에서는 철도에서의발생음의 정음화로 새로운 재료의 적용과 그 조합을 이용한 방음재, 흡음재에 의한 저감대책기술의 향상, 혁신에 의한 탈불쾌감화를 기대할 수 있다.

 

“에너지절약”에서는 궤전케이블의 초전도화에 의한 궤전로스의 저감을 기대할 수 있다.

 

“보수, 건설의 효율화”에서는 철도용 재료의 자기진단, 수복기술의 개발 및 새로운 재료의 도입에 의한 보수량의 대폭적인 저감, 교체주기의 대폭적인 연장을 실현하여, 보수의 효율화를 도모함으로써 신뢰도도 향상시키는 것을 기대할 수 있다. 또한, 차륜, 레일재료의 마찰, 마모현상에 의한 차륜, 레일의 마모형태의 예측기술 및 마모에 의한 형태변화가 적은 부재의 개발이 기대된다.

 

“고도화”에서는 새로운 재료를 적용한 방음재, 방진재에 의한 고속화에 따른 발생음, 저주파음의 대책기술 개발이 기대된다.

 

4.마무리

 

철도시설재료로의 요구는 종래에서의 고효율, 고성능, 경제성, 보수성의 향상에 추가로, 저환경부하, 소음, 진동 저감 등 환경대응의 중요성도 증가해 왔다. 재료분야에서는 나노메터리얼, 나노테크놀로지의 전개가 보이며, 그들을 적용한 재료의 제어, 고성능화의 시험이 계속적으로 추진되고 있다. 니즈(Needs)와 시즈(Seeds)의 동향을 구분하면서 이들의 철도시설로의 재료면에서의 공헌을 계속적으로 수행해 나가고자 한다.

 

▣ 원문제목 : 施設材料の？究開？に？する最近の動向