1. 요약

 

미국 교통부는 겨울 동안 가장 효과적인 방법으로 도로를 유지하기 위해 다양한 전략을 사용하고 있음. 이를 위해 서비스 수준, 비용, 인프라, 환경적인 영향, 장비 및 날씨 등 다양한 요소들을 고려하고 있음. 하지만 지금까지 도로 유지를 위해 소금을 주로 사용해 왔음. 소금의 사용은 인프라, 차량 및 환경에 영향을 미치는데, 이는 캘리포니아 (California)주가 고속도로에서 소금의 사용을 제한하는 법률을 제정하게 된 계기가 되었음. 캘리포니아주 교통부 (Caltrans)는 소금과 다른 화학물질을 좀더 효율적으로 사용함으로써 고속도로에서 같은 수준의 서비스를 제공할 책임이 있음. 방빙 (anti-icing)은 쌓인 눈과 도로 사이의 부착을 약화시키거나 막기 위해 눈폭풍이 오기 전에 미리 화학물질을 살포하는 전략으로써, 제설 및 제빙 작업의 효과를 높일 수 있음.

 

방빙 전략은 현재 캘리포니아주의 일부 지역에서만 제한적으로 사용되고 있는데, 전면적으로 사용하기에는 다음과 같은 제한사항이 있음.

·          화학물질의 적정 살포량이 아직 확립되지 않았음

·          현장연구를 위한 실험실연구가 아직 부족함

·          방빙과 관련된 과학에 대한 이해가 부족함

이러한 제한사항으로 인해 비효율적이고 적정하지 않은 화학물질 사용이 문제가 될 수 있고, 이는 경제적, 환경적, 안전상의 반발을 가져올 수 있음. 교통 유관기관들은 비용, 효과, 안전, 인프라 서비스 수명, 환경을 고려하기 위해 적절한 시간과 장소를 결정하고 어떠한 종류의 화학물질을 얼마만큼 적당한 양으로 살포할 것인지 결정해야함.

 

이 연구의 목적은 캘리포니아주의 일반적인 고속도로 환경에 적용하기 위해 최적의 제설 및 제빙을 위한 가이드라인을 개발하는데 있음. 구체적으로 이 연구는 다음의 분야에 중점을 두고 있음.

·          겨울철 유지관리의 우수사례에 대한 가용한 정보를 취합함

·          캘리포니아주에서의 방빙 전략을 시행하기 위한 사전적인 가이드라인을 확립함

사전적인 가이드라인은 다양한 도로와 날씨 조건하에서 선택된 화학물질의 실행가능성을 예측하고 증명하기 위해 실험실 연구와 현장 테스트를 통해서 확립될 수 있음. 캘리포니아주 내에서 현재 사용되고 있는 겨울철 유지관리 전략을 파악하기 위해 교통부 관련 근무자들을 대상으로 설문조사를 실시하였음. 미국 다른 주 및 해외의 현재 및 최신 겨울철 유지관리 사례를 취합하기 위해 문헌조사를 실시하였음. 문헌조사의 결과를 토대로 다섯 종류의 화학물질을 파악하였고, 이를 대상으로 실험실과 현장조사가 진행되었음. 다섯 종류의 화학물질은 바로 염화 나트륨 (sodium chloride), 염화 마그네슘 (magnesium chloride), 염화 칼슘 (calcium chloride), 초산 칼륨 (potassium acetate), 그리고 농업부산물로 만들어진 화학물질임.

 

선택된 화학물질의 성능은 세 가지의 온도 시나리오 하에서 네 번에 걸쳐 콘크리트와 아스팔트 실험편에 살포를 함으로써 평가되었음. 각각의 화학물질이 살포된 표면에 자연상태의 눈을 뿌리고 압축하였으며, 성능은 다음의 기준에 의해 평가되었음.

·          눈과 도로면 사이의 부착이 파괴되는 온도

·          제설 후 도로면의 마찰력

·          눈과 도로면 사이의 부착 전단력

실험실 테스트에서 사용된 화학물질 살포량은 일반적인 현장 살포량보다 적었는데, 이는 눈과 도로면 사이의 부착이 일차선 마일당 15 갤런 (15 gallons per lane-mile)보다 크게 발생하지 않았기 때문임. 전반적으로 방빙 화학물질을 사용함으로써 눈과 도로면 사이의 부착이 파괴되는 온도 및 부착 강도가 상당히 낮아졌으며, 마찰력이 개선되었음. 화학물질의 종류와 살포량에 관계없이, 눈과 도로면 사이의 부착이 파괴되는 온도가 낮아졌고 화학물질이 살포된 표면의 부착 강도는 그렇지 않은 표면의 1/5 미만이었음. 또한 제설 후 화학물질이 살포된 표면의 마찰력이 그렇지 않은 표면에 비해 소폭 상승하였음.

 

화학물질의 성능은 몬타나 (Montana)주 루이스타운 (Lewistown)에 위치한 트랜센드 (TRANSCEND) 연구시설에서 여러번에 걸쳐 실물크기의 현장테스트를 통해 평가되었음. 화학물질들은 다양한 도로면에 일차선 마일당 5~40 갤런이 살포되었음. 최신 장비를 사용하여 인공 눈이 도로면에 뿌려지고 압축되었음. 정성 및 정량평가가 이루어졌으며, 이를 통해 제설차량이 얼마나 쉽게 도로면으로부터 눈을 제거하는지, 제설 후 표면의 마찰력 및 눈과 도로면 사이의 부착강도가 어떤지 측정되었음. 전반적으로 대부분의 화학물질이 제설의 용이성 및 부착강도 측면에서 성능 향상을 가져오는 것으로 관찰되었지만, 현장에서의 마찰력이 향상되었는지에 대해서는 결론을 내리기 어려움. 이러한 결과들이 일반적인 방빙 사례에 적용될 수 있겠지만, 눈의 습도, 교통, 바람 등 기타 외부조건들이 화학물질 각각의 성능에 영향을 미칠 수 있음.

 

방빙은 겨울철 도로를 유지관리하기 위해서 전통적인 방법인 제빙 (deicing)과 함께 효과적으로 사용될 수 있는 사전적 (proactive)이고 실행 가능한 (viable) 방법임. 방빙은 일반적으로 겨울철 안전한 주행 도로면을 유지하기 위한 화학물질을 제빙보다 적게 필요로 하며, 이는 비용을 절감하고 환경과 인프라에 미치는 영향을 감소시킴. 캘리포니아주에서 성공적인 방빙을 위해서는 적절한 장비, 훈련된 인원, 적정 화학물질의 선택, 정확한 예측이 선행되어야 함. 또한 교통량, 온도, 눈폭풍의 종류, 강수량, 살포방법 및 장비 등의 영향을 평가함으로써 방빙의 절차를 최적화하는 것이 바람직함.

2. 겨울철 유지관리 전략과 기술

 

(1)  제설기에 의한 제설 (plowing)

제설기에 의한 제설은 가장 중요한 수단으로써 거의 모든 제설 및 제빙 전략에 사용됨. 제설기 분야의 기술진보는 제설 및 제빙에 필요한 에너지의 양을 감소시켰음. 대부분의 주가 똑같은 형식의 제설기를 사용함: 제설장치가 부착된 덤프트럭, 회전식 제설기, 그리고 로더. 일부 연구결과에 따르면, 제설기 날 (blade)의 기하학적 구조가 제빙의 성능 향상에 상당한 기여를 할 수 있으며, 톱니모양의 날은 일반적인 날보다 효과적임. 또한 차체의 아래에 부착된 제설기가 차체의 전방에 부착된 제설기보다 제설에 효과적인 것으로 연구됨.

 

(2)  제빙 (deicing)

제빙은 사후적인 (reactive) 제설 전략으로써 화학물질과 기계적인 수단에 의해 눈과 도로면 사이의 부착을 파괴하는 것임. 전통적인 방법으로써 오늘날에도 가장 폭넓게 사용되고 있음. 연구결과에 의하면 제빙 전략은 대부분의 날씨와 지역, 교통조건에 적합하며, 적설이 많을 경우에는 고형 화학물질이 가장 효과적임. 제빙을 통해 더 높은 수준의 차량속도 및 교통량을 가능하게 할 수 있으며, 모래 사용량을 줄일 수 있으며, 제설기에만 의존할 때보다 연료사용량을 감소시킬 수 있음. 대부분의 교통부에서 제빙 전략이 선호되는 이유는 효과적이며 상대적으로 비용이 저렴하기 때문임. 단점으로는 적정 수준의 서비스를 위해 많은 양의 화학물질 및 노동력이 필요하다는 것임.

 

(3)  방빙 (anti-icing)

방빙은 적시의 화학물질 살포를 통해 눈이나 얼음의 부착을 방지하는 제설 전략임. 주 정부 교통유관기관들은 환경을 보호하면서 높은 수준의 서비스를 제공하는 임무에 직면하고 있는데, 재정적 및 인적 자원이 제한되어 있음. 그래서 전통적인 방법 (제빙이나 제설기)보다 비용면에서 효과적인 방빙 전략으로 전환을 꾀하고 있음. 방빙 전략도 대부분의 날씨조건, 지역 및 교통조건에 사용될 수 있으나, 도로표면의 온도가 화학물질의 유효온도보다 낮을 때나 바람을 동반한 강우시에는 사용될 수 없음. 연구결과에 의하면 방빙은 일반적인 겨울철 유지관리 예산의 10~20%의 절감을 가져오며, 일차선 마일당 비용을 고려하면 50%에 이르는 절감효과가 있음. 이러한 효과는 낮은 수준의 재료비 및 인건비, 높은 수준의 서비스, 줄어든 환경에의 영향, 향상된 안전으로부터 나옴. 이러한 효과는 다양한 사례에서 증명이 되었는데, 콜로라도 (Colorado)주는 방빙 전략을 사용함으로써 모래 사용량을 55% 줄였으며 겨울철 유지관리 비용을 일차선 마일당 $5,200에서 $2,500으로 줄였음.

 

(4)  사전 습윤 (pre-wetting)

겨울철 유지관리에 있어 좀더 혁신적이면서 인기를 얻고 있는 전략은 사전 습윤을 실시하는 것임. 사전 습윤은 고형 화학물질을 도로에 살포하기 전에 액체로 코팅을 하는 것을 말함. 사전 습윤된 고형 화학물질은 방빙 및 제빙 전략 모두에 사용됨. 사전 습윤은 더 많은 화학물질이 도로표면에 더 잘 부착되도록 함으로써 제빙 과정을 가속화하고 화학물질이 튀거나 퍼지는 것을 줄여줌. 이는 화학물질이 덜 버려지고, 더 오랜 기간 동안 효과를 가진다는 것을 의미함. 미시간 (Michigan) 주의 실험결과에 의하면, 사전 습윤된 소금은 96%가 도로표면 상에 남아있는 반면 그렇지 않은 건조상태의 소금은 70%만이 도로표면 상에 남아있었음. 전체적으로 볼 때, 이 전략은 유지관리 비용을 줄여주며, 도로 안전을 향상시키며, 사고발생률을 낮추는 효과를 가지고 있음.

 

(5)  도로 날씨 정보 시스템 (road weather information systems: RWIS)

도로 날씨 정보 시스템은 교통 유관기관들에 날씨 정보와 실시간 도로표면 상태를 제공해 줌으로써, 적절한 방식, 재료 및 살포량을 결정하는데 사용될 수 있음. 정확하고 신뢰성있는 날씨 예보는 성공적이고 비용대비 효과를 높이는 방빙 전략에 필수적인 요소임. 도로에 설치된 센서는 도로표면 온도와 수분, 얼음 및 화학물질의 존재여부 등 도로표면 상태와, 대기 온도, 상대 습도, 태양 복사, 풍속 및 풍향, 강수 및 다른 기후적 요소들과 같은 날씨 정보를 실시간으로 정확하게 제공해 줌.

이러한 예보를 바탕으로 하여, 교통 유관기관들은 제설 및 제빙 작업의 효과를 극대화할 수 있음. 와싱턴 (Washington) 주의 경우, 도로 날씨 정보 시스템을 통하여 야간근무를 없애고 인원을 효율적으로 배치함으로써 근무자들의 만족도를 높이고 생산성을 향상시킬 수 있었음. 버지니아 (Virginia) 주의 경우 도로 날씨 정보 시스템을 도입한 첫 해 인건비와 장비에 있어 $48,000의 비용 절감 효과를 가져왔으며, 매사추세츠 (Massachusetts) 주의 경우에는 보스턴 (Boston) 지역에 아홉개의 센서로 이루어진 네트워크를 설치함으로써 $53,000의 비용을 절감하였음.

도로 날씨 정보 시스템의 한계점은 고정된 지역만을 측정함으로써 공간적인 범위에 제약이 있다는 것임. 한가지 해결책으로써 센서가 설치된 지역들 사이의 도로표면 온도를 측정하기 위해 순찰차량에 자외선 온도계를 설치하는 방법이 있음. 이 시스템을 채택하는데 있어 장애물은 사용 경험, 시스템에 대한 확신, 훈련 등의 부족을 들 수 있으며, 변화에 대한 저항, 장비의 신뢰도, 비용 및 현재 기술의 부족 등도 장애가 되고 있음.

3. 미래 유망기술

 

(1)  교량 상판 난방기술 (heated bridge decks)

미국에서는 세 가지 종류의 난방기술이 보통 사용되고 있는데, 이는 순환수 (hydronic) 타입, 열관 (heat pipe) 타입, 그리고 전열 (electric) 타입을 포함함. 순환수 타입에서는, 가열된 액체가 포장부 내에 설치되어 있는 튜브를 따라 흐르게 됨. 열관 타입에서는, 쇠파이프에 포함된 액체가 기화되고 응축됨으로써 열 전이가 일어나게 됨. 전열 타입에서는, 포장부 표면 가까이에 묻혀져 있는 케이블에 전기저항을 통해 열이 발생됨. 연구결과에 따르면, 열관 타입의 운영비용이 전열이나 순환수 타입보다 적게 소요됨. 또한 포장부 난방기술은 실현가능하며 교량의 건설 및 내구성에 영향을 미치지 않는 것으로 나타남.

 

(2)  표면 코팅 (surface overlay)

특수한 표면 코팅은 방빙 물질을 함유하고 서서히 표면으로 방출함으로써 교량에 성애나 얼음이 생성되는 것을 방지하는 기술임. 위스콘신 (Wisconsin) 주의 실험결과에 의하면, 표면 코팅이 눈과 얼음을 제거했을 뿐만 아니라 마찰력을 증대시켰으며, 주 소재 한 교량에서는 표면 코팅 후 차량사고 건수가 49건에서 0건으로 획기적으로 감소하였음. 네브라스카 (Nebraska)주에서는 전도성 (conductive) 콘크리트 코팅을 실험하였는데, 전기가 공급되었을 때 결빙을 막기에 충분한 열이 발생되었음.

 

(3)  정보통신 기술 (information technology)

미국 연방 고속도로 관리국 (Federal Highway Administration: FHWA)은 도로 유지관리 결정 지원시스템 (road maintenance decision support system: MDSS)을 개발하였는데, 이는 겨울철 유지관리 결정에 있어 적절한 전략을 추진하는 가이드라인을 제공함. 이 시스템은 도로 날씨정보 시스템에서 제공된 환경 및 도로 정보를 사용하여 겨울철 유지관리 작업시 도로에 적절한 조치를 취하도록 도와줌. 현재 여섯 가지 타입의 유지관리 결정 지원시스템이 가용하고, 알고리즘을 개선하기 위해 최근의 현장테스트 결과가 사용되고 있음.

 

(4)  장비 (equipment)

버지니아 (Virginia) 교통부는 자동 차량 위치 (automatic vehicle location: AVL) 기술을 사전 시험하였음. 이 시험을 통해서 자동 차량 위치 시스템이 적시의 만족스러운 겨울철 유지관리 작업을 추적하는데 사용될 수 있음을 보여줌. 이 시스템은 탑재된 컴퓨터 시스템, 도로 포장면 감지장치, 다양한 물질 살포 시스템, 증가된 마력, 자동 작업 보고 시스템, 그리고 마찰력 측정장치로 구성됨.

고속도로 유지관리 컨셉트 차량 (highway maintenance concept vehicle: HMCV)이 고속도로 유지관리 차량에 타 산업에서의 애플리케이션을 결합함으로써 설계되었음. 이 차량은 주어진 시간에 정확한 양의 물질 살포가 가능하고, 살포량을 조절하기 위해 마찰력 측정기를 사용함.

4. 실내실험

 

실내실험의 목적은 겨울철 폭풍 발생 동안 다양한 기후조건 아래서 다양한 방빙 화학물질의 능력을 시험하는 것임. 이러한 실험은, 선택된 화학물질 타입을 사용하여 가정된 특정 강수 시나리오에 대한 최적의 살포량을 결정하는데 사용됨.

 

(1)  실험방법

이 연구에서 실내실험에 사용되는 방법은 다양한 조건하에서 방빙 성능을 측정하도록 설계됨. 실험 내내 실험 조건들이 가능한 재현가능하고 실제와 비슷하도록 주의가 요구되었음. 예를 들어, 도로 포장부 실험편은 균질성이 담보되도록 제작되었고, 방빙 화학물질은 정확하게 제어가 가능한 노즐을 통해 살포되었으며, 실험을 위한 자연 눈은 같은 지역에서 수집되었음.

 

(2)  실험 인자

실내실험의 설계는 다양한 액체상태의 방빙 화학물질이 다양한 조건하에서 눈과 포장면 사이의 부착에 어떤 영향을 미치는 평가하기 위해서 개발됨. 이 부착정도에 영향을 미치는 몇가지 인자들이 있지만, 실내실험에서는 다음의 네가지 요소만의 영향을 평가할 수 있도록 설계됨.

·          포장 타입: 포틀랜드 시멘트 콘크리트, 아스팔트 콘크리트

·          방빙 화학물질 타입: 염화 나트륨, 염화 칼슘, 염화 마그네슘, 초산 칼륨, 농업 부산물로 만들어진 제품

·          화학물질 살포량: 아스팔트 (2.5, 5, 10 gal/lm), 콘크리트 (5, 10, 15 gal/lm)

·          포장면과 대기 온도: 시나리오 1 (포장면 온도 -10°C, 대기 온도 -10°C), 시나리오 2 (포장면 온도 0°C, 대기 온도 -5°C), 시나리오 3 (포장면 온도0°C, 대기 온도 -1°C)

 

(3)  실험 절차

실내실험은 여덟 단계로 구성되고, 각 단계는 연속적이고 일관되게 수행됨.

·          단계 1: 포장부 제작

·          단계 2: 포장 실험편 준비 (장치 및 청소)

·          단계 3: 방빙 화학물질 살포

·          단계 4: 포장면 적설

·          단계 5: 교통량 시뮬레이션 (적설 압축)

·          단계 6: 포장부에 각각의 실험 표본 준비

·          단계 7: 포장부에서 각각의 실험 표본을 전단

·          단계 8: 관련 인자 측정

 

(4)  실험 결과 분석

전단이 발생한 포장면 온도와 전단 후 마찰력 계수에 있어 차이가 있는지 평가하기 위해서 통계학적 분석 (예를 들어, two-sided t-test)이 사용됨. 한 실험에서 온도 혹은 마찰력의 값들이 평균화됨. 이러한 평균 값들이 화학물질 타입, 포장 타입, 살포량과 폭풍 시나리오에 따라 온도와 마찰력 사이의 차이를 평가하기 위해 다양한 조합으로 사용됨.

 

(5)  실내실험 결과

방빙 화학물질의 성능은 눈이 포장면에서 떨어져 나오는 온도, 마찰력과 부착 강도를 사용함으로써 실내실험에서 측정됨. 전체적으로, 실내실험 동안 측정된 부착파괴 온도와 부착강도를 살펴보면, 방빙 화학물질로 전처리된 포장면이 압축된 눈과 포장면 사이의 부착강도를 줄였으며, 제설 후 마찰력을 향상시켰음. 추가적으로, 좀더 낮은 포장면 온도에서 화학물질이 처리되지 않은 포장면보다 눈이 화학물질이 처리된 포장면으로부터 더 잘 제거되었음. 마찰력의 경우에는, 화학물질이 처리된 포장면에서 조금 나은 결과를 보여 주었음.

각각의 화학물질은 온도와 마찰력 결과를 볼 때 비슷한 성능을 보여 주었음. 따라서 화학물질 타입을 선택할 때, 비용, 장비 및 인프라 부식, 가용성, 저장 및 환경적인 고려사항 등의 타 요소들 또한 중요함. 실내실험에서 사용되는 살포량이 실제 사용량보다 다소 적지만, 포장면에서 방빙 화학물질이 존재함으로써 눈과 포장면의 부착을 줄이는데 효과적인 것으로 나타남.

5. 현장 테스트

 

방빙 화학물질의 성능에 관한 더 많은 지식을 위해, 이 연구의 일환으로 현장 테스트가 실시됨. 실내실험에서 가장 높은 수준의 실험 통제가 이루어졌다면, 현장 테스트에서는 실험이 실제상황과 좀더 비슷한 규모로 이루어지기 때문에 실제 수준에 가까운 평가를 제공함. 세 번의 현장 테스트가 몬타나 (Montana)주의 루이스타운 (Lewistown)에 있는 트랜센드 (TRANSCEND) 연구시설에서 수행됨. 이러한 테스트는 실내실험에서 사용된 다섯가지 화학물질의 성능을 비교하기 위해 설계됨.

 

(1)  장비와 설비

주요 장비로는 트랜센드에 있는 눈 만들기 시스템, 방빙 화학물질 살포기, 압축 및 제설기, 눈과 포장면 부착강도 측정기, 마찰력 측정기 등이 있음.

 

(2)  포장 표면과 테스트 구성

실내실험에서 사용된 포장부와 비슷한 성질을 가진 트랜센드 소재 포장부와 아스팔트, 콘크리트 두 개의 특별부위에 화학물질이 살포됨. 아스팔트와 콘크리트 특별부위는 상대적으로 작게 (약 120 ft * 12 ft) 만들어졌음. 다섯 종류의 방빙 물질과 세가지 타입의 살포량 조합으로 구성된 열다섯번의 실험을 위해 대규모 아스팔트 포장 (600 ft * 200 ft)이 사용되었음. 각각의 테스트 부위는 50 ft * 12 ft 였고, 버퍼존 (buffer zones)으로 각각의 테스트 부위는 떨어져 있도록 배치되었음.

 

(3)  현장 테스트 결과

방빙 화학물질의 성능과 살포량이 트랜센트 연구시설에서 테스트 되었음. 현장 테스트 동안 인공눈이 만들어졌음. 방빙 성능을 평가하기 위해 정량 및 정성 평가가 이루어졌음. 관련 인자들로, 포장면으로부터 제설의 용이성, 제설 후 표면의 마찰력을 포함하였음. 제설 노력은 관찰과 부착강도 테스트를 통해 수량화되었고, 마찰력은 마찰력 측정기를 사용하여 측정되었음.

우선, 현장에서의 방빙은 상대적으로 낮은 살포량 (5 gal/lm)에서 성공적이었음. 추가적으로, 염화 나트륨과 초산 칼륨이 살포된 테스트 부위에서 측정된 부착강도가 다른 화학물질로 살포된 테스트 부위보다 낮았음. 일반적으로 염화 칼슘으로 처리된 테스트 부위의 부착강도가 가장 높았는데, 이는 아무 처리가 되지 않았던 부위보다 높은 수치였음. 염화 마그네슘과 농업부산물은 종종 부착강도를 줄였지만, 때때로 처리되지 않은 부위보다 높은 부착강도를 보이기도 했음.

마찰력 측정결과는 다양한 방빙 화학물질 사이 혹은 처리 부위와 미처리 부위 사이에서 차이를 찾기가 어려웠음.  포장 표면에 존재하는 액체, 고체 혹은 동결물질은 마찰력 측정기로 측정을 재현하는데 방해가 되었음. 포장면의 거친 정도도 측정되었지만, 표면 굴곡과 부착강도 사이에 명확한 관계성은 발견되지 않았음.

포장부에서 방빙 화학물질의 행동을 평가하기 위해 현장 테스트 중에 정성적인 관찰이 이루어졌음. 한 가지의 관찰은 화학물질의 흡습 (hygroscopic)에 관한 것이었음. 염화 나트륨 살포가 가장 잘 건조되었고, 다음이 초산 칼륨이었음. 다른 화학물질들은 결코 건조되지 않음.