| 연구개발개요 |
<연구개발의 배경 및 필요성>■ 동절기(혹한기) 콘크리트 구조물 시공시 공기지연 및 부실공사 문제- 동절기(혹한기) 콘크리트 양생 문제로 인해 통상적으로 기온이 영하 4°C 이하로 떨어질 경우, 콘크리트 타설을 하지 않음으로 인해 공기지연 문제가 발생함. 최근에는 토목·건축 구조물의 대형화 및 고층화에 따른 물량증가와 건설인력 부족으로 인해 한중콘크리트 타설이 불가피한 실정임. 한중콘크리트 시공시 가장 중요한 사항은 초기동해를 방지하는 것이며, 초기강도가 5MPa 이상 될 때까지 온도 0°C 이하가 되지 않도록 보온 또는 가열양생이 필요하지만 실제 현장에서 온도관리의 어려움으로 인해 부실공사의 문제가 발생하는 실정임. 따라서, 현장적용이 가능한 새로운 고효율, 친환경 양생 기술이의 개발이 필요함. ■ 현행 콘크리트 촉진양생기술의 비효율적 에너지 소모 및 환경 문제 발생 - 현행 콘크리트 촉진양생기술 중에서 대표적으로 활용이 되는 열풍기(현장), 증기양생(현장 및 프리캐스트 공장) 등은 화석연료를 사용하고 있으며, 상대적으로 긴 에너지 변환과정을 거치게 되고, 거푸집(구조물) 이외의 불필요한 공간까지 열로 가열하는 방식으로 에너지 소모가 매우 큰 단점이 있음. 또한 화석연료 사용용으로 대기오염 문제와 미세먼지 발생을 증가시키는 문제를 야기함. 따라서 에너지 효율성을 대폭 향상시키면서 환경 문제를 해결할 수 있는 양생 기술이 필요함.■ 매입 말뚝 지지력 확보용 시멘트풀 양생 기간 단축을 통한 공기 단축 필요- 토목·건축 구조물 시공에서 구조물의 하중을 안전하게 지반에 전달하는 매입말뚝 기초공법은 시공 중에 발생하는 소음·진동이 감소되는 장점으로 건설현장에서 활발히 이용되고 있음. 하지만, 말뚝의 지지력 설계를 위한 주면마찰력 확인을 위해 일반적으로 1~2주 이상의 시멘트풀 양생이 필요하며 이에 따른 공사지연 문제 발생. 또는 공기단축을 위해 주면마찰력을 최소로 가정하여 설계를 하는 경우, 말뚝 근입깊이 증가에 따른 비용 문제가 발생함. 따라서, 단기간에 대단위 매입말뚝의 지지력 조기 평가 및 충분한 지지력 확보가 가능한 시멘트풀 급속 양생 기술이 필요함.■ 친환경·고효율 시멘트계 재료(콘크리트, 시멘트풀) 급속 양생을 위한 현장적용 기술 필요- 본 연구에서는 건설기술(콘크리트 및 시멘트풀 양생)과 전기기술(유도가열)의 융합을 통한 고효율·친환경 기술개발을 통해 상기의 문제를 해결하고자 함.- 매입말뚝 지지력 확보를 위한 급속 시멘트풀 양생 기술: 유도가열 기반의 고효율 콘크리트 양생 기술은 다양한 토목 시공분야에 적용 가능하며, 특히 기성말뚝 중공부 내에 유도코일을 삽입하여 말뚝 내부의 철근을 가열함으로 인해 말뚝 주변의 시멘트풀을 급속 양생할 수 있음. 이와 관련하여 선행연구에서 원천기술에 대한 특허를 확보하였으며, 기존의 말뚝 내부 용수를 가열하는 방법과 비교하여 빠른 가열속도, 가열 온도 제어 용이, 열전달 길이 감소 등의 우수한 장점이 기대됨. 이러한 시멘트풀 급속 양생기술은 1일 이내 또는 수 시간 이내 효율적 양생이 가능하며 급속 양생에 따른 말뚝 지지력 분석을 통하여 국내？외 최단시간 말뚝지지력 확보 기술 개발 가능할 것으로 기대됨. - 대형 콘크리트 구조물 양생: 콘크리트 가열 양생을 위해서는 양생기간동안 콘크리트 구조(크기, 형상)에 적합한 가열 조건에 따라 최대 약 55~70°C 정도의 높지 않은 온도가 거푸집 표면에 필요함. 하지만, 일반적인 화석연료를 활용하는 기존 기술은 초기 낮은 온도상황에도 시스템 초기 운전에 필요한 과도한 연료소모와 함께 거푸집 이외의 공간까지 가열하는 비효율적인 상황인 반면, 거푸집 표면에만 가열이 가능한 유도가열 방법은 최적의 양생온도 도출뿐만 아니라 최소한의 전력 사용만으로도 효율적인 콘크리트 강도를 확보할 수 있는 장점이 있음.
|
| 최종목표 |
본 연구의 목표는 토목 및 건축공학(시멘트기반 재료 양생)과 전기공학(유도가열)의 융합기술을 활용한 고효율, 친환경 급속 양생기술개발을 목표로 함. 제안된 신기술의 실용화 핵심 기술개발을 통하여 무탄소 녹색 기술 활용, 에너지 비용저감, 공사기간 단축, 공사비용 저감 등 기존 양생기술들의 문제를 해결하고자 함.<최종 목표>15시간 이내 시멘트기반 재료(콘크리트, 시멘트풀)의 급속 양생을 위한 현장적용 기술 개발<세부 목표>○ 시멘트기반 재료(콘크리트, 시멘트풀) 급속 양생용 실시간 제어기반 고효율？고출력 유도가열 시스템 기술 개발○ 시멘트기반 재료(콘크리트, 시멘트풀) 급속 양생용 현장적용 핵심 장치 기술 개발 ○ 급속 양생 시멘트기반 재료(콘크리트, 시멘트풀)의 물성평가 및 현장적용 기술 개발
|
| 연구내용 및 범위 |
< 연구개발의 주요내용>■ 핵심 연구내용 1 : 시멘트기반 재료(콘크리트, 시멘트풀) 급속 양생용 온도제어기반 유도가열 시스템 기술 개발 - 적용대상(시멘트풀 양생장치, 콘크리트 양생장치)별 실 구조물 크기를 고려한 급속 양생을 위한 전력변환 시스템의 사양 도출 - 현장적용 콘크리트 급속 양생을 위한 고출력, 고효율 전력변환 시스템 설계 - 실시간 온도제어 가능한 고출력, 고효율 전력변환 시스템 개발 - 현장적용을 통한 대상 유도가열 시스템의 전력 소모량 검증 - 고출력 유도가열 전력변환 시스템 설계 - 온도 제어 가능한 고출력 유도가열 시스템 개발 - 현장적용 콘크리트 급속 양생장치용 온도제어 알고리즘 및 모듈 개발 - 시멘트풀 양생장치용 온도제어 알고리즘 및 모듈 개발 - 적용대상(시멘트풀 양생, 콘크리트 양생)별 전력변환 시스템 운용 변환 모드 개발 - 적용대상(시멘트풀 양생, 콘크리트 양생)별 전력변환 시스템 운용 가이드라인 개발■ 핵심 연구내용 2 : 시멘트기반 재료(콘크리트, 시멘트풀) 급속 양생 현장적용 핵심 장치 기술 - 현장 콘크리트 구조에 적용한 주파수, 말뚝과 코일간 간격, 코일턴 간격, 코일 턴수, 등에 대한 시뮬레이션 해석 및 실험 수행 - 거푸집 형상별 유도가열용 코일 배치(안) 도출 및 코일 체결장치(안) 도출 - 거푸집 종류별 코일 일체형 거푸집 체결장치 도출 및 상세 설계 - 코일 체결 장치 및 코일 간 연결 장치 상세 설계 - 현장적용 코일 체결장치 시공 가이드라인 개발 - 현장 매입말뚝 구조(길이, 크기), 재질에 따른 주파수, 말뚝과 코일간 간격, 코일턴 간격, 코일 턴수, 등에 대한 시뮬레이션 해석 및 실험 수행 - 현장 매입말뚝 길이 및 크기에 따른 코일 배치(안) 도출 및 코일 체결장치(안) 도출 - 현장적용 코일 체결장치 시공 가이드라인 개발 ■ 핵심 연구내용 3 : 급속 양생용 시멘트기반 재료(콘크리트, 시멘트풀) 물성평가 및 현장적용 기술 개발 - 배합 특성을 고려한 양생온도-콘크리트 강도발현 상관관계 조사 - Mock-up 실험기반 콘크리트 구조물의 크기 및 형상에 따른 최적의 가열곡선 도출 - Mock-up 실험기반 콘크리트 구조물의 크기 및 형상을 고려한 급속 양생 콘크리트의 강도 특성 및 내구성능 평가 - 현장시험 시공을 통한 유도가열 기반 양생 기술의 현장적용성 평가 - 콘크리트 강도 조기확보를 위한 급속 양생 공법의 현장적용 가이드라인 개발 - 매입말뚝 주면 마찰력 확보를 위한 시멘트풀 양생 기술 및 시멘트풀 배합 조사 - 양생온도-시멘트풀 강도 발현 상관관계 조사 - 실내 및 현장 시험을 통한 시멘트풀 급속 강도 확보를 위한 최적의 가열곡선 도출 - 매입말뚝 크기 및 두께를 고려한 급속 양생 시멘트풀 강도 특성 및 내구성능 평가 - 현장시험시공을 통한 유도가열 적용 매입말뚝의 지지력(주면 마찰력) 평가 - 매입말뚝 지지력 확보를 위한 시멘트풀 급속 양생 공법 현장적용 가이드라인 개발
|
