| 연구개발개요 |
○ 본 연구의 목표는 현장타설 말뚝에서 시멘트 함량(CO2감소)을 감소시키며, 안정적으로 목표 안전율을 유지시키기 위한 재료 및 시공기술에 관한 기초기술 개발로서 이를 위한 과정은 크게 3가지로 이루어짐. ○ 먼저, 현장타설말뚝에 있어 선단확장부에 보강재를 삽입하여 선단지지력을 증가시키는 기술로서 선단지지력 증가를 통해 말뚝의 직경을 안정적으로 감소시킬 수 있는 기술임. ○ 다음으로 산화그래핀을 이용하여 시멘트 복합체의 목표강도를 유지하는 동시에 시멘트 함량을 감소시키는 기술로 산화그래핀 생산과정에서 발생하는 불규칙한 표면기질을 자가조립단층막(Self-Assembled Monolayers, 이하 SAMs)을 적용하여 균질한 품질의 시멘트 복합체 제조기술에 관한 연구임. ○ 마지막으로 선택적인 산화그래핀 기능화(전기전도도 증가)를 통해 말뚝 시공 후 수행되는 건전도 평가에 적용하는 기초기술 개발로 이루어지며, 이를 상세히 설명하면 다음과 같음. ○ 확장부 전단저항이 가능한 선단확장형 현장타설말뚝 - 말뚝의 지지력은 선단지지력과 주면지지력으로 이루어지는데 선단지지력은 시공직후부터 상부하중에 대한 저항을 유지하며, 주면지지력은 말뚝과 주변지반이 안정화되어 가는 과정에서 점차 증가함. 따라서 안전성측면에서 설계 및 시공시에는 말뚝의 허용지지력을 선단에 국한되어 적용하는 것이 일반적임. - 현장타설말뚝에서 기존의 확장형 말뚝은 선단부에 보강재가 삽입되지 않아 수직하중에 대한 전단저항이 취약하여 설계시 예상했던 지지력을 발휘하지 못하는 기술적 한계를 갖고 있음. 반면 본 연구에서 제안한 선단확장형 말뚝은 그림 1과 같이 확장부에 철근을 삽입하여 이와 같은 단점을 보완할 수 있으며, 이를 통해 얻을 수 있는 기술적, 경제적 이익은 다음과 같음 ① 선단확장부 보강재(철근)삽입으로 확장부 전단파괴 방지 및 지지력 증대 ② 말뚝 선단확장으로 선단지지력이 증가하므로 말뚝의 중간부 및 상부 직경의 축소로 시멘트 함량 감소에 따른 온실가스 배출 감축 ③ 말뚝구경 축소로 연약지반 시공시 부마찰력(Negative skin friction) 감소 효과○ 산화그래핀을 함유한 시멘트 복합체 - 산화그래핀(Graphene Oxide, 이하 GO)은 나노급 크기로 탁월한 분산력에 의해 시멘트 수화반응에 있어 강한 공유결합을 위한 표면을 광범위하게 제공하며(그림 2), 기존 연구결과에 따르면 시멘트 복합체에 산화그래핀을 시멘트 중량대비 0.01~0.06%(wt)의 소량으로 압축강도가 약 40~79%가량 개선된다고 보고된 바 있음. 이를 현장타설 말뚝에 적용할 경우 얻을 수 있는 기술적, 경제적 이익은 다음과 같음 ① 적정한 GO배합을 통해 시멘트 함량의 감소가 가능 ② 본 연구에서 제안한 선단확장형 말뚝과 접목할 경우 시멘트 사용량을 최대로 줄이고 말뚝의 안정성과 요구지지력을 동시에 확보가 예상됨 ③ 궁극적으로 현장타설말뚝 시공에 있어 시멘트 함량을 줄여 시공과정에서 발생하는 CO2발생을 획기적으로 감소시킬 수 있음○ 기능화된 산화그래핀을 이용한 말뚝의 건전성 평가 - 그래핀의 높은 전기전도도는 현장타설말뚝의 유지관리에 적용이 가능할 것이며, 본 연구에서는 말뚝의 건전도 평가에 기능화된 산화그래핀을 적용하고자 함 - 전술한 바와 같이 말뚝 구조체를 구성하는 시멘트 복합체에 산화그래핀이 함유됨. 즉, 말뚝 시공과정에서 건전성평가 가능한 재료라 함유됨으로써 구조체 자체가 센서 역할 수행이 가능함 - 특히, 그래핀 자체의 높은 내구성 특성은 측정센서의 노후화 망손 등과 같은 기계적 결함이 없어 반영구적으로 사용이 가능할 것으로 예상됨
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| 최종목표 |
○ 본 연구는 현장타설말뚝에 있어 선단확장부에 보강재를 삽입하는 기술에 관한 연구로서 기존 선단확장 기술에서 문제점을 해결하여 지지력을 증가와 기능화된 산화그래핀을 배합하여 기존의 현장타설말뚝에 비하여 소요되는 시멘트의 함량을 감소시킴으로써 온실가스 배출 저감, 건전성 평가의 용이성 및 현실적인(선단확장부 지지력 반영) 말뚝설계 및 시공방법의 개발을 목표로 함○ 본 연구를 통하여 연구개발시 목표하는 기술은 다음과 같이 크게 3종류로 분류됨ⓐ 기능화된 산화그래핀을 함유한 시멘트 복합체(TRL 1 -> 5)ⓑ 선단확장부 배근 및 결속시스템 (TRL 2 -> 5)ⓒ 전기전도도를 활용한 건전성 평가기법 (TRL 1 -> 5)
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| 연구내용 및 범위 |
- 기능화된 산화그래핀을 함유한 시멘트 복합체의 물리적, 역학적, 환경적 안전성 평가를 통하여 친환경 다기능 건설재료 개발 - 선단확대부의 비접촉/무인 설치가 가능한 보강기술을 개발하고 지중에 설치된 보강재가 말뚝 본체와 견고히 체결될수 있는 기술을 개발하며, 이에 대한 결과물을 시작품형태로 제작하여 공학적/역학적 특성을 정량적으로 분석함 - 실내모형실험 및 수치해석을 통한 말뚝설계에 필요한 지지력 계산 및 설계방법을 개발된 선단확대부 현장타설말뚝에 적용이 가능하도록 최종적으로 개발된 제품의 기술검증 후 통합매뉴얼 개발을 추진함 - 말뚝 자체를 전도체로 사용함으로써 기존에 시도되지 않은 방법으로의 건전성 평가를 진행하고 해당 결과를 매뉴얼(안)에 제시하여 비전공자도 손쉽게 활용 가능한 현장타설말뚝 건전성 평가기법 개발 - 관련분야 전문가로 구성된 자문위원단을 구성하여 성공적인 연구성과 도출을 도모하고 개발기술의 빠른 현장적용을 추진함이를 위하여 각 차년도별 연구개발 목표 및 견구개발 내용은 다음과 같음 (1) 1년차 ○ 연구개발목표 - 주관연구개발기관(중앙대학교 산학협력단) : ？ 기능화된 산화 그래핀 제작 및 선정 ？ 기능화된 산화 그래핀 품질특성평가 I ？ 기능화된 산화그래핀을 함유한 시멘트 복합체 품질특성 평가 ？ 선단확장부 보강형 현장타설말뚝의 설계인자 제안 ？ 선단확장부 보강형 배근(조립) 및 보강재 결속 시스템 개발 ？ 시멘트 복합체의 건전도 분석기법 개발 I ○ 연구개발내용 및 범위 - 주관연구개발기관(중앙대학교 산학협력단) : ？ 기능화된 산화그래핀의 제조 방법에 대한 국내외 관련기술 조사 ？ 전기전도도 및 압축강도 증진을 위한 기능화된 산화그래핀 제작 ？ 기능화된 산화 그래핀 품질특성평가 I → 전기전도도 평가 ？ 기능화된 산화그래핀을 함유한 시멘트 복합체 품질특성평가 → 압축강도, 전기전도도(건식, 습식) 평가 ？ 현장타설말뚝의 국내외 관련기술(재료, 설계, 시공) 조사 ？ 선단확장부 보강형 현장타설말뚝의 환경조건을 고려한 설계인자 제안 ？ 선단확장부 보강형 배근(조립) 및 보강재 결속 시스템 개발 → 실내모형실험용 시작품 제작 ？ 시멘트 복합체의 건전도 분석기법 개발 I → 공시체 결함상태별 건전도 분석(정상상태, 균열상태 범위 등) (2) 2년차○ 연구개발목표 - 주관연구개발기관(중앙대학교 산학협력단) : ？ 기능화된 산화 그래핀 품질특성평가 II ？ 기능화된 산화 그래핀을 함유한 시멘트 복합체 환경안정성 평가 I, II ？ 시멘트 복합체의 전기전도도 평가(건식, 습식) ？ 선단확장부 보강형 현장타설말뚝의 지지력평가 ？ 선단확장부 보강형 현장타설말뚝의 설계인자 평가 및 도출 ？ 건전도 분석기법 개발 ？ 실내실험용 선단확장부 보강형 현장타설말뚝의 건전도 분석 ？ 건전도 분석기법 개발 ○ 연구개발내용 및 범위 - 주관연구개발기관(중앙대학교 산학협력단) : ？ 기능화된 산화 그래핀 품질특성 평가 II → 기능화된 산화그래핀의 기능화(FT-IR, AFM 등) 측정 ？ 기능화된 산화 그래핀을 함유한 시멘트 복합체 환경안정성 평가 I, II → 내화학성 평가 및 오염물 용출 평가 ？ 기능화된 산화그래핀 시멘트 복합체의 장기수명예측 ？ 선단확장부 보강형 현장타설말뚝의 지지력평가 → 모형실험 및 수치해석을 통한 지지력 평가 → 선정된 연구개발기술의 경제성 분석 ？ 선단확장부 보강형 현장타설말뚝의 설계인자 평가 및 도출 ？ 설계패턴 및 시공방법 평가의 적정성 평가 ？ 건전도 분석기법 개발 ？ 실내실험용 선단확장부 보강형 현장타설말뚝의 건전도 분석 → 결함유형 및 규모에 따른 건전도 측정방법 개발 → 결함유형 및 규모에 따른 건전도 분석방법 개발
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