| 연구개발개요 |
- 이 연구제안은 강원도 지역에서 버려지는 폐알루미나와 페라이트 함유 폐자원을 이용하여 발열 결합재와 발열성 인공 골재를 만들고 이를 이용한 생활밀착형 친환경 발열 저가형 융빙용 포장재료를 개발하는 것임.- 제안기술은 전도성 발열 포장체와 도로기상정보를 반영한 IoT 기반 컨트롤 시스템으로 구성된 융합형 기술로 개별 요소기술인 전도성 발열 포장체와 IoT 융합기술을 개발하여 강원도 지역중 소외 및 취약지구 등 폭설로 인한 주민들의 생활 위험요소를 초기에 제거하는 것을 목적으로 함.- 이 연구에서는 주관연구기관에서 기보유하고 있는 도로포장기술을 활용하여 원주, 강릉, 삼척 등에 시범 적용하여 그 성능을 확인하고 최종적으로 상용화하는 것을 목표로 하고 있음.- 겨울철 도로노면의 경우 강설 후 기온강하에 도로포장표면이 결빙이 발생할 경우 미끄럼저항이 급격히 저하되며, 이로 인하여 위급상황 발생시 제동거리를 길게하여 대규모 안전사고가 발생함- 이러한 도로의 결빙을 방지하기 위해 현재까지 국내외에서 개발된 기술로서 강설 결빙에 대한 가장 적극적인 대처는 융설시스템과 기상관측시스템 그리고 결빙감지센서의 조합임- 국내에서 융설시스템의 설치는 90년대 초반부터 시작된 도로교통시스템의 지능화 작업의 일환으로 이루어졌으나 현재 우리나라의 경우 융설시스템은 제한적으로 설치된 경우가 대부분이고, 시스템의 운영도 자동화보다는 기상청에서 발표하는 광역 및 지역 예보에 의존하고 있는 실정임- 국내에서 도로의 융설을 위해 사용되는 방법은 크게 도로 내 전열선을 설치하는 방법, 염화칼슘 등의 분사액을 도로에 살포하는 방법, 그리고 융설을 가능하게하는 포장재료를 활용하는 방법으로 나눌 수 있으며, 대부분 분사액을 살포하는 방법을 적용하고 있음- 포장의 손상을 최소화하고 별도의 설치 및 유지관리 시설 없이도 장기간 운영이 가능하며, 환경오염을 유발하지 않는 친환경적인 융설 시스템이 요구됨- 기본적으로 콘크리트는 전기적 저항이 매우 큰 부도체이지만 전도성 첨가제(conductive additives)를 혼합하여 전도성을 크게 향상시킬 수 있는 것으로 알려져 있으며, 콘크리트에서 전기 전도성을 조절할 수 있게 되면 이론적으로는 여러 가지 다양한 비구조적 기능을 활용할 수 있음- 제안하고자 하는 기술은 아래 그림과 같이 전열선 대신 도로 포장 재료인 결합재가 전기 전도성을 가지게 하고 여기에 전류를 흘려보내 도로 포장 자체가 발열하여 어는점 이상을 유지하도록 하는 방법임- 이 방법은 도로 포장재인 콘크리트의 전도성 개선을 위하여 분말 형태의 전도성 첨가재와 인공경량골재를 이용하여 포장체 타설시 혼입하기 때문에 별도의 추가적인 설치과정을 필요로 하지 않고, 염화칼슘 살포와 같이 환경오염을 유발하지 않는 장점이 있음- 또한, 도로 포장의 온도를 어는점 이상으로 유지하므로 온도가 낮을수록 문제가 되는 균열 발생을 억제하는 부가적인 효과를 기대할 수 있음
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| 최종목표 |
○ 생활밀착형 친환경 융빙 포장재료 및 스마트 제빙 시스템 개발 및 실용화 - 발열 콘크리트를 위한 전도성 C12A7 결합재의 합성 - 폐자원을 재활용에 의한 발열성 알루미나-페라이트 인공골재 합성 - 발열 콘크리트의 시작품 제작 - 발열 콘크리트의 실증 실험(Mockup test 및 현장 적용 실증 실험) - 발열 콘크리트 내구성 검증 - IoT 기반 스마트 제빙시스템 구축 - 친환경 융빙 포장재료 및 시공 지침 작성○ 1단계 - 전도성 C12A7 합성(생성수율 70% 이상, 압축강도 30MPa 이상, 전도성 500Ω이하) - 발열성 인공골재 합성(흡수율 5% 이하, 전도성 100 이하) - 발열 콘크리트 목업 실험 및 내구성 평가 - 친환경 융설 재료 요구조건 및 재료 관련 지침(안) 작성○ 2단계 - 발열성 콘크리트 제조(압축강도 30MPa 이상, 발열성 30℃/10min 이상) - 융빙 제어 적절 온도 도출 및 IoT 기반 스마트 제빙 시스템 개발 구축 - 현장 시험시공 및 적용성 확인 - 친환경 융빙 포장재료 및 시공 지침(안) 마련, 학회내 전문가 자문 및 보완
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| 연구내용 및 범위 |
(1) 1단계 ○ 주관연구기관(에스원건설) - 1차년도 개발 내용 ; 발열 콘크리트용 결합재 및 발열성 인공골재 개발 원부재료 선정 ; 석회석, 폐알루미나 내화물, 석탄회, 자철광 미분, 기타 결합재 합성 조건 실험 ; 배합 설계 및 합성 조건(온도, 시간 외) 인공골재 제조 조건 실험 ; clinker형 또는 압축성형 등 성형 방법 및 조건실험 합성 결합재의 물성 실험 ; 수화특성, 역학적 특성, 발열 특성 합성 인공골재의 물성 실험 ; 역학적 특성, 열전도 특성, 내구성 합성 결합재 및 인공골재 적용 경화체에 전력 공급 방안 설계 - 2차년도 개발 내용 ; Pilot 제조 및 Mockup test 결합재 및 인공골재의 PIlot 제조 ; 발열성 콘크리트 1~2m3 제작에 필요량 Pilot 제품의 물성 실험 ; Lab scale 합성품과의 물성 비교 실험 발열성 경화체 배합설계 및 물성 실험 ; 발열성능 확보 Mockup test ; 2m×5m, 3 type(두께(10mm, 20mm, 30mm) - 발열 및 융빙 실험 개발 제품의 전력 공급 방안 설계 및 실험 Mockup test에 대한 내구성능 실험 ; 마모 저항성 및 기타 ○ 공동연구기관(상지대 산학협력단) - 결정론적 내구수명에 기반한 유지관리 시스템이 일반적으로 사용중임 - 내구성능을 기본으로 한 확률론적인 유지관리비용 분석 및 이를 통합한 유지관리 모델이 필요함 - 도로 포장의 경우 다양한 보수가 주기적으로 적용되어야 하며, 보수시의 성능 및 내구수명의 변동성을 고려한 유지관리 기법이 보완되어야 함 - 설해환경 모사 실험실을 활용한 실증시험 및 성능분석 . 최적 발열효율을 위한 전극의 재료 및 전극의 설치 위치 연구 . 급격한 발열온도 상승 조절을 위한 균열방지 기술 . 다양한 실험체 크기에 따른 발열 성능의 크기효과 분석 - Mock-up 실험 및 발열 콘크리트 배합 기술연구(주관과 공동 수행) ·강도 및 발열기능 향상을 위한 최적 C12A7, 발열성 인공골재의 함량 선정 ·콘크리트 제작을 위한 배합기술 개발 ·최적 혼입율을 고려한 경제성 분석 ·C12A7 발열 콘크리트의 내구성 분석을 위한 공인인증 시험 ○ 공동연구기관(한국콘크리트학회) - 지침(안) 구성 계획 수립 및 내용 구성(안)도출 - 지침 작성 및 검토위원회 구성 - 친환경 융빙 포장재료 일반사항 작성 - 친환경 융빙 포장재료 시공지침 작성 - 친황경 융빙 포장재료 및 시공 지침 완성 - 학회내 전문가 검토 및 지역 수요자 의견 청취 (2) 2단계 ○ 주관연구기관(에스원건설) - 개발품 적용 대상 ; 터널 입구 및 출구, 교차로(황단보도), School Safety Zone - 적용 대상지의 선정 ; 자자체 협의 - 적용 대상지에 대한 조건 사전 조사 및 분석, 타설 시기 확정 ; 지자체 협의 - 전력 공급 방안 설계 및 설치 ; 한전 등과 사전 협의 도출 - 합성 결합재 및 합성 인공골재 준비 ; 시작품 제조 - 시험 타설 및 개발 제품의 물성 시험(현장 물성 검토) ; 지자체 협의 - 시험 타설 후의 물성 검토(공동개발기관 공조) ○ 공동연구기관(상지대 산학협력단) - 아두이노를 활용한 국지적 Road Surface Information System 개발 - 구입이 용이한 다양한 적외선 온도 센서등 포장 외부설치용 비접촉식 센서 적용 - Open S/W이며, Open H/W인 아두이노를 활용하여 국지지역 정보 획득 - 최적 발열 온도 유지를 위한 온도/습도-재결빙 계측 - Micro-controller 보드내 발열 전력 최소화를 위한 전원인가 프로그래밍(C++) - 강원도내 교차로, 횡단보도 또는 학교앞 safety zone 등과 같은 생활밀착형 도로에서의 국지적인 결빙, 융빙 및 재결빙의 물리적인 현상을 감지하고 최적의 발열 제어를 위한 인터랙티브 객체들과 디지털 장치 및 Microcontroller 보드를 이용한 IoT 기반 스마트 제빙 시스템 구성 ○ 공동연구기관(한국콘크리트학회) - 친환경 융빙 포장재료 및 시공 지침 개발, 전문가 자문 및 보완
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