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과제기본정보

블랙 아이스 발생을 영하 5도 지연시키기 위한 환경감응 상변화 아스팔트 포장 개발2년차

사업개요
사업개요에 대한 사업명, 분류코드(기술분류), 과제명, 주관연구기관, 총괄연구 책임자(성명, 소속, 전화번호), 총 연구기간, 당해연도 연구기간 정보제공
사업명 국토교통기술촉진연구사업 과제번호 21CTAP-C157548-02
국가과학표준분류 1순위 원자력 | None | None 적용분야 교통/정보통신/기타 기반시설
2순위 원자력 | None | None 실용화대상여부 비실용화
3순위 원자력 | None | None 과제유형 개발
과제명 블랙 아이스 발생을 영하 5도 지연시키기 위한 환경감응 상변화 아스팔트 포장 개발
주관연구기관 군산대학교산학협력단
총괄연구 책임자 성명 박대욱
소속 군산대학교산학협력단 직위 교수
기관 대표번호 063-469-1761 FAX 063-469-1760
총 연구기간 2020-04-13 ~ 2021-12-31
당해연도 연구기간 2021-01-01 ~ 2021-12-31

(단위:원)

년도별 정부출연금, 기업부담금, 계 정보제공
년도 정부출연금 기업부담금 계
현금 현물 소계
2차년도 210,000,000 7,025,000 62,975,000 70,000,000 280,000,000
과제기본정보의 연구개발개요, 최종목표, 연구내용 및 범위 정보제공
연구개발개요 ○ 최근 고속도로에서 운전자가 인식하지 못하는 살얼음(블랙 아이스)이 발생하여 미끄럼 저항성 감소 문제로 운전자의 운전 안정성을 크게 떨어트려 많은 인명사고가 발생하고 있음
○ 도로 노면의 습기가 기온이 0℃이하로 급격히 떨어질 때 발생하는 노면의 결빙을 블랙 아이스라고 하며 본 연구에서는 블랙 아이스의 발생을 0℃에서 영하 5℃까지 지연시키기 위해 도로 환경에 반응하는 상변화물질(PCM : Phase Change Material)을 사용한 아스팔트 포장의 개발을 목표로 함
○ 상변화물질(PCM)은 주변의 온도가 상승하면 열을 흡수하고, 낮아지면 열을 방출하는 축열, 발열의 특성을 나타내는 물질로, 열을 흡수하고, 방출하며 주변 온도에 영향을 주는 물질임
○ 상변화물질을 사용한 아스팔트 포장을 개발하기 위해, 관련 문헌 및 연구 조사, 상변화물질 종류 및 최적 함량 결정, 상변화물질 캡슐화 및 성능평가를 실시하며, 개발된 상변화물질과 아스팔트와의 혼합성능평가를 실시할 것임
○ 또한, 개발된 재료의 균열성능, 동탄성계수, 수분민감성 등 개발 재료의 성능을 평가하고, 실내 모사 및 Pilot 시험을 통한 데이터 모니터링 및 현장 성능 평가를 실시할 것임
최종목표 최종 목표
■ 환경에 반응하는 상변화물질을 아스팔트 혼합물에 적용 가능하도록 개발
■ 상변화물질을 이용한 온도균열 저항성이 우수하고 살얼음 생성을 지연하는 아스팔트 포장 개발
(온도균열 저항성 20% 향상, 블랙 아이스 생성 온도 ？5도 저하)

세부 목표
■ FEM분석을 통한 최적의 상변화물질 및 최적함량 결정
■ 상변화물질 제조 및 캡슐개발
■ 실험실규모에서의 블랙아이스 생성지연 평가
■ Pilot 연구를 통한 개발 검증
연구내용 및 범위 ○대상지역 기후자료 분석을 통한 최적의 상변화물질 양 및 종류 결정
○아스팔트 포장용 환경감응 상변화물질 개발 및 캡슐화
○상변화 아스팔트 포장 성능평가 및 블랙 아이스 생성 지연효과 검증

■ 상변화물질 블랙 아이스 지연에 대한 문헌조사 및 메커니즘 조사
- 국내외 문헌 조사
: 선행 연구 분석
: 블랙 아이스 지연 및 제거 기술
- 상변화물질 메커니즘 조사
: 상변화물질 메커니즘 분석조사
: 아스팔트 포장 적용 메커니즘 조사
: 국내외 적용사례조사

■ FEM 분석을 통한 상변화물질 종류 및 최적 함량 결정
- 블랙 아이스 생성지역 기상관측소 분석
: 블랙 아이스 생성지역 10년간 데이터 분석
: 최저온도를 보이는 1년간 데이터 정리
: 아스팔트 혼합물과 상변화물질 열 특성 계수도출
: FEM 및 열 흐름 방정식을 이용한 모사
: 모사결과로부터 블랙 아이스 생성지연시간 산정 및 최적의 상변화물질 함량 결정

■ 상변화물질 캡슐화 및 상변화 성능평가
- 상변화물질 조합 및 캡슐제작
: 두 종류 파라핀(영하반응 및 영상반응)을 녹이고 서로 혼합
: 캡슐화 및 건조
- 상변화 성능시험
: 블랙 아이스 지연성능과 융설 성능에 중요한 상변화 온도(Phase change temperature)를 시차주사열량측정법(DSC)이용하여 측정
: TPS(Transient Plane Source)를 이용한 상변화물질의 전도율 측정
: SEM을 이용한 크기 및 shell/core 비율, 표면적 측정

■ 아스팔트와의 혼합 성능평가
- 아스팔트 성능평가
: 혼합성을 평가하기 위하여 점성측정
: DSR를 이용한 complex modulus 평가
: 저온균열평가를 위하여 Bending Beam Rheometer 시험
: 유도가열 장치를 활용한 자가치유 성능평가

■ 아스팔트 혼합물 성능시험
- 아스팔트 혼합물 다짐성능 평가
- IDEAL 균열 시험을 이용한 균열성능 평가
- 동탄성계수 시험을 이용한 물성 정량화 및 향후 포장설계에 활용
- 수분민감성 시험을 수행하여 융설에 따른 성능 저하여부 판단

■ 실내 실험실 모사
- 상변화물질 최적함량을 이용하여 공시체 및 Control 공시체 제작
: 정사각형의 공시체 제작(30cmx30cm)
: Thermocouple 매설
- 영하의 온도 챔버설치
: 영하온도조건에서 온도변화 모니터링
: 인공 얼음 및 융설 능력 평가
- 블랙 아이스 생성지연 및 융설 능력 평가

■ Pilot 시험시공
- 블랙 아이스 지역에 대한 대상지역 선정
- 대기온도, 풍속 등 기후관측 데이터 측정 시험시공 및 포장온도 모니터링
- 블랙 아이스 생성지연 및 강설시 융설 능력평가
건설기술연구개발사업 주요내용
건설기술연구개발사업 주요내용의 구분, 연구개발목표, 연구개발 내용 및 방법 정보제공
구분 연구개발목표 연구개발 내용 및 방법
2차년도 개발 목표
- 주관연구기관(군산대학교 산학협력단):
- FEM 및 열흐름 방정식을 통한 모사를 수행하여 상변화물질의 종류와 최적함량 결정
- 아스팔트와 혼합하여 유동학적 특성과 열역학적 특성 평가
- 유도가열 장치를 활용한 아스팔트 자가치유 성능평가

- 공동연구기관((주)가우):
- 블랙아이스 지연을 위한 환경감응 상변화물질 개발
- 상변화물질의 미세구조 분석 및 상변화 온도 평가 		■ 상변화물질 블랙 아이스 지연에 대한 문헌조사 및 메커니즘 조사
- 국내외 문헌 조사
: 선행 연구 분석
: 블랙 아이스 지연 및 제거 기술
- 상변화물질 메커니즘 조사
: 상변화물질 메커니즘 분석조사
: 아스팔트 포장 적용 메커니즘 조사
: 국내외 적용사례조사

■ FEM 분석을 통한 상변화물질 종류 및 최적 함량 결정
- 블랙 아이스 생성지역 기상관측소 분석
: 블랙 아이스 생성지역 10년간 데이터 분석
: 최저온도를 보이는 1년간 데이터 정리
: 아스팔트 혼합물과 상변화물질 열 특성 계수도출
: FEM 및 열 흐름 방정식을 이용한 모사
: 모사결과로부터 블랙 아이스 생성지연시간 산정 및 최적의 상변화물질 함량 결정

■ 상변화물질 캡슐화 및 상변화 성능평가
- 상변화물질 조합 및 캡슐제작
: 두 종류 파라핀(영하반응 및 영상반응)을 녹이고 서로 혼합
: 캡슐화 및 건조
- 상변화 성능시험
: 블랙 아이스 지연성능과 융설 성능에 중요한 상변화 온도(Phase change temperature)를 시차주사열량측정법(DSC)이용하여 측정
: TPS(Transient Plane Source)를 이용한 상변화물질의 전도율 측정
: SEM을 이용한 크기 및 shell/core 비율, 표면적 측정

■ 아스팔트와의 혼합 성능평가
- 아스팔트 성능평가
: 혼합성을 평가하기 위하여 점성측정
: DSR를 이용한 complex modulus 평가
: 저온균열평가를 위하여 Bending Beam Rheometer 시험
: 유도가열 장치를 활용한 자가치유 성능평가
연구성과 기술적 기대성과 ○ 환경반응 상변화 재료 원천기술 확보를 통해 해외기술 의존도 해소 및 세계 최고수준의 기술 경쟁력 확보로 블랙 아이스 저감 아스팔트 포장 분야 자기치유 기술 선도를 위한 발판 마련
- 기술 성숙도 및 수준 : 추격 위치 → 선도적 위치
사회 경제적 파급효과 ○ 블랙 아이스 생성 포장온도를 0도에서 ？5도로 낮춰 블랙 아이스에 의한 교통사고를 현격히 저감
- 겨울철 블랙아이스로 인한 사고 예방을 통한 운전자 주행 안전성 제고
- 차량 재해사고 예방 측면에서 효과가 매우 클 것으로 기대됨
○ 아스팔트 포장의 융설 효과가 증대되어 미끄럼 저항성으로 인한 교통사고 예방
○ 온도균열 저항성 20% 향상으로 인한 겨울철 균열저감
- 전체 유지관리 비용 감소를 통한 국가 예산 절감효과
○ 소수성 첨가제(Super Hydrophobic additives) 포장에 비교하여 영구적이며 화학적 반응이 없어 친환경적으로 사용할 수 있음
○ 화학적인 제설제인 염화칼슘에 비교하여 친환경적이고 효율적임
○ 전기 및 온수에 의한 가열 도로포장에 비교하여 경제적이고 아스팔트 포장에 대한 영향이 적음
활용방안 ○ 본 연구에서 개발되는 블랙 아이스 저감 및 온도균열 저항성 향상 아스팔트 포장은 향후 겨울철 빈번하게 발생하는 미끄럼 사고를 예방할 수 있는 기술로 미래 원천기술의 확보를 통해 아스팔트 콘크리트 산업뿐만 아니라 자동차 사고 방재 분야의 활용성이 매우 클 것으로 기대됨
- 환경에 반응하는 상변화물질을 활용한 아스팔트 포장 적용에 대한 원천기술로 활용
- 상변화물질 산업을 발전시키고 소재산업 다변화 기술로 활용
- 블랙 아이스 저감 포장 성능평가 방법 및 기준 설정의 기초자료로 활용
- 사고 위험이 있는 지역의 기존 포장체 덧씌우기 및 신규 포장체에 활용
○ 본 원천기술의 확보를 토대로 블랙 아이스 저감 아스팔트 포장이 실용화 기술이 체계적으로 이루어진다면 아래와 같은 분야로의 활용이 기대됨
- 한국도로공사, 국토교통부, 지방자치단체 등 도로시설물 관리기관의 기술전파를 통해 블랙 아이스에 의한 방재기술로 활용
○ 환경반응 상변화 재료 기술을 활용하여 용도확대 방안 창출 및 이를 통한 사업 활성화
- 상변화물질 포장재료 적용 활성화를 통한 사업화
- 상변화물질 등 포장재료 관련 소재산업 활성화
○ 환경반응 상변화 재료 다변화 적용
- 여름철 열을 방출하는 재료를 활용한 열섬효과 완화에 활용
- 여름철 고온에 의한 소성변형 저감 기술로 활용
○ 실내 모사 시험 및 Pilot 시험을 통한 상변화물질의 아스팔트에 대한 적용성 및 실용성 검증
○ 본 연구 과제 종료 후 상습결빙지역 및 도심지역에 대규모 시험 적용을 통한 기술 검증을 실시함. 기술 검증 시험 데이터를 바탕으로 경제성 분석 및 데이터를 확보하여 적극적인 언론 홍보 및 관련 기관에 대한 영업 활동을 실시할 예정
핵심어
핵심어의 구분, 핵심어, 핵심어1~핵심어5 정보제공
핵심어 핵심어1 핵심어2 핵심어3 핵심어4 핵심어5
국문 블랙 아이스 환경감응 상변화물질 아스팔트포장 온도균열
영문 Black Ice Environmental Response Phase Change Material Asphalt Pavement Thermal Cracking
최종보고서
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최종보고서 최종보고서_블랙 아이스 발생을 영하 5도 지연시키기 위한 환경감응 상변화 아스팔트 포장 개발.pdf   다운로드

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