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과제기본정보

15시간 이내 시멘트기반 재료(콘크리트, 시멘트풀) 급속 양생을 위한 현장적용 기술 개발1년차

사업개요
사업개요
사업명 국토교통기술촉진연구사업 과제번호 21CTAP-C163980-01
국가과학표준분류 1순위 원자력 | None | None 적용분야 건설업
2순위 None | None | None 실용화대상여부 실용화
3순위 None | None | None 과제유형 응용
과제명 15시간 이내 시멘트기반 재료(콘크리트, 시멘트풀) 급속 양생을 위한 현장적용 기술 개발
주관연구기관 한국기술교육대학교 산학협력단
총괄연구 책임자 성명 안치형
소속 한국기술교육대학교 직위 조교수
전화번호 041-560-1332 FAX 031-560-1224
총 연구기간 2021-04-01 ~ 2022-12-31
당해연도 연구기간 2021-04-01 ~ 2021-12-31

(단위:원)

년도별 비용
년도 정부출연금 기업부담금
현금 현물 소계
1차년도 160,000,000 0 0 0 160,000,000
과제기본정보
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
건설기술연구개발사업 주요내용
건설기술연구개발사업 주요내용
구분 연구개발목표 연구개발 내용 및 방법
1차년도 <1차년도 최종목표>
유도가열 기반 콘크리트 급속 양생 현장적용 핵심 기술 개발 및 성능평가

<세부연구목표>
<Activity 1> 콘크리트 급속 양생용 고출력 유도가열 시스템 개발
<Activity 2> 콘크리트 급속 양생 현장적용 핵심 장치 기술 개발
<Actvity 3> 유도가열 양생 현장적용 콘크리트의 강도 및 내구성능 분석
<1차년도 주요 연구 내용 및 범위>

<Activity 1> 콘크리트 급속 양생용 고출력 유도가열 시스템 개발
■ 유도가열 시스템의 목표성능 설정
● 적용 콘크리트 거푸집 및 코일 커플링 시뮬레이션 해석(전기적 특성 도출)
■ 적용대상인 콘크리트 양생 거푸집 실구조물 크기를 고려한 급속 양생을 위한 전력변환 시스템 사양 도출
■ 현장 적용 콘크리트 급속 양생장치용 온도제어 알고리즘 및 모듈 설계 및 제작
■ 현장 콘크리트 급속 양생장치용 10kW급 고출력 유도가열시스템 설계 및 제작
■ 실시간 온도 제어 가능한 고출력 유도가열 시스템 개발

<Activity 2> 콘크리트 급속 양생 현장적용 핵심 장치 기술 개발
■ 현장 콘크리트 급속 양생을 위한 유도가열 코일 조건 도출
■ 시뮬레이션 기반 콘크리트 거푸집용 유도코일 동작주파수, 코일 턴수, 코일간 간격 최적화 도출
■ 코일 최적화 기반 콘크리트 거푸집 표면 온도분포 실험 및 분석
■ 거푸집 형상별 유도가열용 코일 배치(안) 도출 및 코일 체결장치(안) 도출 시작품 개발
■ 거푸집 종류별 코일 일체형 거푸집 체결장치 도출 및 상세 설계
■ 코일 체결 장치 및 코일 간 연결 장치 상세 설계 및 시작품 제작
■ 콘크리트 급속 양생용 코일 및 체결장치 적용 가이드라인 개발

<Activity 3> 유도가열 양생 현장적용 콘크리트의 강도 및 내구성능 분석
■ 현장적용 콘크리트의 배합 특성을 고려한 양생온도-콘크리트 강도발현 상관관계 조사
■ 현장 적용 콘크리트 구조물 크기 및 형상에 따른 최적의 가열곡선 도출
(Mock-up 실험)
■ 현장 적용 콘크리트 구조물 크기 및 두께를 고려한 급속양생 콘크리트의 강도 및 내구성능 평가
■ Mock-up 실험을 통한 유도가열 기반 양생 기술의 현장 적용성 평가
■ 콘크리트 강도 조기확보를 위한 급속양생 공법의 현장적용 가이드라인 개발
연구성과 기술적 기대성과 (성과물1) 시멘트기반 재료 급속 양생을 위한 실시간 제어기반 고효율? 고출력 유도가열 시스템(시스템, 장비?장치)
■ 실시간 온도 제어 모듈을 이용한 현장 콘크리트 및 시멘트풀 양생용 온도 자동관리 시스템 개발에 활용
■ 유도가열 시스템을 동절기 도로파손 복구 및 구조물 급속 보수·보강시 콘크리트 급속경화 기술에 활용

(성과물2) 시멘트기반 재료(시멘트풀, 콘크리트) 급속 양생 현장적용 핵심 장치 기술 (장비?장치)
■ 유도가열 시스템의 최적화 기술을 일반 철강·반도체 산업 및 주방용 유도가열 시스템의 고효율 기능에 활용
■ 유도가열 코일의 체결장치 및 설치 기술을 공사장 가설 전력장치 고정에 활용 및 거푸집 고정 장치에 활용

(성과물3) 급속 양생용 시멘트기반 재료(시멘트풀, 콘크리트) 물성평가 및 현장적용 기술 개발(공법?기법)
■ 발열양생에 의한 장기강도 및 내구성 향상 핵심기술 확보를 통한 기존 촉진양생 기법(증기양생 등)에서 발생 가능한 콘크리트 물성 저하 문제 해결에 활용
■ 외부 조건을 고려한 콘크리트 강도별 최적 발열이력 곡선을 동절기 현장타설 콘크리트 온도관리에 활용
■ 매입말뚝(강관말뚝 포함) 등의 조기 지지력 확인 및 이를통한 설계 효율성 향상에 활용
■ 강지보, 락볼트 등의 지반 보강재의 급속 시공에 활용

<기술적 기대효과>
■ 본 연구는 유도가열 기법을 건설분야(특히 콘크리트 양생)에 최초로 적용하여 건설현장에서 실제 활용하고자 하는 기술로 친환경·고효율 발열양생 원천기술 확보 및 실용화 기술 확보 기대
■ 동절기 콘크리트 구조물 양생 시 발생할 수 있는 초기 경화불량 및 표면건조수축 균열 등을 방지하며, 조기에 콘크리트 강도 발현 가능한 고품질 콘크리트 생산 가능
■ 매입말뚝 시공 시, 지지력 확인에 필요한 시간 소모로 주면마찰력을 최소로 고려한 보수적인 설계가 이루어지고 있는 문제를 획기적으로 개선함으로써 설계기술의 발전을 도모 할 수 있음
사회 경제적 파급효과 <경제적ㆍ산업적 파급효과>
■ 발열양생 기술 통한 기존 보온양생 비용을 획기적으로 저감함으로써 저비용 고효율 시공기술 구축에 기여
■ 동절기, 현장타설 콘크리트 구조물 양생조건에 따른 공사기간의 장기화 및 한중콘크리트 사용에 따른 공사비 증가를 억제하기 위하 촉진양생 기술을 개발함으로써 공기단축(현장타설 및 프리캐스트 콘크리트 공기 50% 단축) 및 시공비 절감
■ 북한과의 교류 확대 시, 북한 도로 및 철도 등 인프라 시공에 있어서 국내 기업의 선진적인 진출이 가능하며, 공기 단축으로 인한 부가수업 확보 가능
■ 향후 러시아, 중앙아시아, 북미 등 혹한지 건설공사 입찰시 기술적 우위 확보로 인한 시장 진출 가능.
■ 매입말뚝 지지력 확인을 위한 시간을 획기적으로 단축(7일?1일)함으로써 전체적인 건설공사의 공기 단축 및 비용 절감
■ 매입말뚝 조기 지지력 확보 기술의 해외 기술이전 및 해외 건설 현장 적용을 통한 외화 획득 가능하며, 해외 시장 선점 가능

<사회적 파급효과>
■ 건설 작업자의 안전성 확보 (1): 유도가열 기반 촉진양생 기술을 통해, 기존의 보온양생을 위한 갈탄 등을 대체함으로 인해 겨울철 작업자 질식사고로부터 안전성 확보
■ 건설 작업자의 안전성 확보 (2): 매입말뚝 지지력 조기 확보기술을 통해, 지지력 미확보에 따른 시공중 구조물의 붕괴 등을 원천적으로 방지가 가능하며, 산업재해로부터 작업자의 안전 확보
■ 건설 현장 미세먼지 및 대기오염 저감: 유도가열 기반 촉진양생 기술은 콘크리트 양생을 위한 에너지원으로 화석연료를 사용하지 않으므로, 최근 문제가 되고 있는 건설현장의 미세먼지 및 대기오염 저감이 가능
■ 민원발생 최소화 및 대기오염 저감: 매입말뚝 지지력 조기 확보기술은 항타 기간을 단축을 통해 소음 및 진동 저감이 가능하며, 민원 발생을 최소화할 수 있음. 또한, 공사기간 단축에 따른 건설기계의 사시 배출되는 매연, 미세먼지 저감 가능
■ 국가 정책 부합 및 국가 위상 제고: 화석연료 저감 및 에너지 효율성 향상을 추구하는 국가 정책에 부응하며, 친환경 기술로서 국제적 위상 제고 가능
■ 국민의 인식 전환: 타 산업과의 융합기술 개발을 통해 건설산업 이미지에 제고를 기대할 수 있으며, 미세먼지 및 대기오염 저감 효과 홍보를 통해 국민의 불안요소 감소 및 건설 이미지 향상 가능
활용방안 <최종성과물의 건설현장 활용방안>
■ 극한지 건설공사 활용 (공기단축 및 비용절감, 품질 향상)
■ 교량, 교각 및 빌딩 기둥 등 현장타설 콘크리트 활용 (급속시공, 품질향상, 작업자 안전성 향상, 탄소배출량 감소)
■ 프리캐스트 콘크리트 공장 활용→기존 증기양생 대체 (양생시간 및 설비비용 저감, 레이턴스 저감)
■ 강합성 보 및 강합성 기둥 생산 활용 (콘크리트 내외부 강제 유도가열에 의한 별도의 거푸집 미적용, 비용절감 및 급속시공)
■ 도로포장 긴급복구 활용 (동절기 도로파손 복구 및 구조물 급속 보수·보강시 콘크리트 급속경화 기술에 활용, 비용절감 및 급속시공)
■ 매입말뚝의 지지력 설계 및 말뚝 적정심도 결정에 활용 (비용절감 및 시공속도 향상)
■ 기초공사 등 다양한 지반보강 공법에 활용 (시공속도 향상, 지지력 조기 확보)

<후속연구 및 현장적용 활용방안>
■ 본 연구를 통해 개발된 유도가열기반 콘크리트 급속 양생기법 및 매입말뚝용 시멘트풀 급속 양생기법에 대한 현장적용성 기술을 기반으로 수요기업 중심의 기술이전을 통한 국내외 건설현장 적용을 추진하고자 함
■ 본 과제에서는 다양한 현장에 적용 가능한 가상환경 시뮬레이션 모델 구축, 시뮬레이션 및 현장 데이터 기반의 구체적인 현장 프로토타입 개발, 실제 건설현장에 적용 가능한 시스템 시작품 개발 및 성능 검증을 통하여, 향후 매입말뚝용 시멘트풀 급속 양생 기법 신기술(인증)화와 콘크리트 급속 양생 기법 신기술(인증)화를 추진 예정
■ 또한, 실제 공사 현장에 공법을 적용하여 경제적인 매출 발생을 추진예정이며, 개발 기술을 적용하여 다양한 공사 현장에 적용을 추진 예정
핵심어
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영문 Concrete Cement paste Curing Induction heating Rapid construction
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