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문제 정의
- 그러나 살포량이 요구량보다 적을 경우 노면의 눈을 완전히 녹이지 못하게 되고, 살포량이 요구량보다 많을 경우 많은 비용이 낭비될 뿐만 아니라, 주변 구조물이나 식물 등에 유입되어 환경 및 구조적 악영향을 미치고, 노면에 잔량이 남아 대기중의 습기를 흡수하여 2차 사고를 유발할 수 있다. 본 연구에서는 국내에서 사용중인 도로 융설제의 성능을 비교하고, 실제 현장에서 융설제를 살포하여 그 성능을 비교 평가하여 강설시 적정 살포량을 결정하는 근거를 제공하였다.
- 본 연구에서는 융설제의 성능평가를 위해 실내 실험을 수행하였다. 평가를 수행한 융설제는 일반적으로 제설작업에 사용되는 염화칼슘(2수화물)과 구조물 부식을 방지하기 위한 염화칼슘(방청제 혼합형), 소금, 산화칼슘계, 복합유기산염 등을 평가 비교하였다.
- 일반적으로 염화칼슘은 눈에 살포시 소금보다 빨 리 반응하여 눈을 빨리 녹이나 단가가 다소 비싼 단 점 이 있고, 소금은 가격이 저렴하고 쉽게 구할 수 있으며, 염화칼슘보다 넓은 면적에 반응하는 장점이 있으나 염화칼슘보다 눈에 반응하는 속도가 다소 늦은 단점이 있다. 이러한 점을 고려하여 본 연구에서는 염화칼슘과 소금을 조합했을 때 그 성능을 함께 평가하기 위해 실험을 수행하였다. 어는점 내림 시험 결과는 표 3과 같이 나타났다.
가설 설정
- 따라서 본 연구에서는 3cm까지를 제설제 살포로 제설작업을 수행함을 가정하였다. 또 제설 성능을 평 가하기 위해서는 체적당 살포량 g/m, 을 사용했으나, 도로에서 실제 제설작업을 수행시 체적의 개념보다는 도로의 폭과 길이를 고려한 면적의 개념을 사용하 므로 실제 현장에서 적용될 적정 살포량에서는 최대 제설제 사용 가능 강설량 3cm에서의 면적당 살포량 인 g/m2을 단위로 고려하였다.
제안 방법
- 각 융설제의 어는점 내림 특성은 ASTM D1177-88, "Standard Test Method for Freezing Point of Aqueous Engine Coolants” 의 시험 방법을 일부 수정하여 사용하였다.
- 실내 실험을 통해 도출된 융설제 성능을 현장에 적용하여 실내실험의 결과를 검증하고, 나아가 적정 융 설제 살포량을 결정하기 위하여 현장에서 융설제 성능평가를 수행하였다. 융설 성능 현장 평가는 강설직 후 1) 미통행 도로구간에서 미압설 융설 실험과 2) 통행 도로구간에서 압설 융설 실험을 수행하였다.
- O 해당 면적에 각 융설제를 살포한 후 시험차량으 로 왕복 주행을 하며, 주행 횟수에 따라 노면 융 설 상태를 확인하였다.
- 결과적으로, 염화칼슘 0.93kg 살포 구간에서 차량 40회 주행 시 통행이 가능할 정도의 수준으로 되어, 본 연구에서는 이 구간에 살포된 염화물량을 적정 살 포량으로 정하였다. 즉, 실제 도로에서는 2.
- 다음으로 융설제를 어느 정도 살포하는 것이 적절 한지를 알아보기 위해 도로 현장에서 주요 융설제를 살포하여 주행실험을 하였다. 실험 결과 산정된 적정 융설제 살포량은 '130kg/km-차로로 도출되었는 데, 이는 1톤의 융설제(소금, 염화칼슘 또는 소금+ 염화칼슘 1:1 혼합물)로 2차로 도로 4km에 살포할 수 있는 양이다.
- 실제 도로에서는 차량 통행으로 인한 압설 효과가 부가되므로 실험 살포량보다 적게 살포해도 동일한 융설효과를 얻을 수 있다. 따라서, 도로에서 융설제 살포 후 차량 통행 효과까지 고려한 살포량을 적정 살포량으로 보았다.
- 따라서 본 연구에서는 3cm까지를 제설제 살포로 제설작업을 수행함을 가정하였다. 또 제설 성능을 평 가하기 위해서는 체적당 살포량 g/m, 을 사용했으나, 도로에서 실제 제설작업을 수행시 체적의 개념보다는 도로의 폭과 길이를 고려한 면적의 개념을 사용하 므로 실제 현장에서 적용될 적정 살포량에서는 최대 제설제 사용 가능 강설량 3cm에서의 면적당 살포량 인 g/m2을 단위로 고려하였다.
- 본 연구에서는 국내에서 사용중인 융설제에 대해 실험실과 현장 조건에서 융설 성능을 비교 실험한 후 이를 근거로 적정 살포량을 산정하였다.
- 5mX10m(25m2)일 때 실험 살포량은 14, 000g으로 계산된다. 본 연구에서는 적정 살 포량은 실험 살포량(14, 000g)에 대한 비율을 다르게 하여 살포 적정 량을 도출하였다.
- 시간 경과에 따른 융설량은 융설제 살포후 각 5분 ~10분마다 파악하였으며, 현장 여건상 눈금 칸이 표 시 된 아크릴판을 바탕으로 육안 관측에 의존하였다.
- 실내 실험을 통해 도출된 융설제 성능을 현장에 적용하여 실내실험의 결과를 검증하고, 나아가 적정 융 설제 살포량을 결정하기 위하여 현장에서 융설제 성능평가를 수행하였다. 융설 성능 현장 평가는 강설직 후 1) 미통행 도로구간에서 미압설 융설 실험과 2) 통행 도로구간에서 압설 융설 실험을 수행하였다.
- 실험 방법은 실험에 사용할 제설제를 정량하여 제설제가 완전 용해될 때까지 교반한 후 제조된 용액을 시험관에 놓고, 자동온도기록장치에 연결된 열전대를 이용하여 시간에 따른 온도 변화를 측정하였다. 실험결과 소금 수용액의 어는 점은 10%, 20% 수용액에 대하여 각각 -7.
- 실험 살포량을 결정하기 위하여 융설제별로 표 4 에 제시된 기준 살포량의 범위에서 살포량을 조절하여 살포하였다. 실험 살포량 산정을 위한 실험 과정 은 다음과 같다.
- 얼음 용융 시험의 시험 절차는 플라스틱 시험판에 일정한 두께의 얼음을 얼리고, 밀폐된 항온기에 설치하여 시험 온도와 평형을 이루도록 한 후 시험에 사용할 융설제를 얼음 표면 위에 고르게 살포하고, 일정 시간마다 녹은 부분을 취하여 무게를 측정한 후, 다시 원래 시험판에 부어 누적되는 용융량을 측정하였다. 이때 융빙량 채취시간은 10분, 20분, 30분, 45분, 60분으로 하였으며, 시험 온도는 -6℃로 하였다.
- 염화칼슘 0.933kg, 1.4kg, 1.75kg(각, 실험 살포 량의 1/15, 1/10, 1/8 수준), 소금 1.75kg(실험 살 포량의 1/8수준), 소금+염화칼슘 1.75kg(실험 살포량의 1/8 수준) 등 총 5가지 경우에 대해 실험을 수행하였는바, 43분간 40회 주행을 하였다. 이는 1시간 교통량 기준으로 약 56대/시 1일 교통량 기준으로 약 500~600대/일 수준이다.
- 융설 성능 평가를 위해 제작된 투명 아크릴판에 1cm 간격으로 50cm X 50cm의 눈금을 표시한 후 스크류 나사로 받침대를 만들어, 투명 아크릴판을 지지하도록 하여 융설제 살포 후 시간 경과에 따른 눈의 녹은 면적을 계산하였다.
- 융설 성능 현장 평가의 절차는 1차적으로 현장에서 각종 융설제를 살포하여 각 융설제의 융설 성능을 평가한 후 상위 4위까지의 융설 성능을 보이는 융설제를 정한 후 이들 상위 4개의 융설제를 비압설된 눈에 살포하여 85%의 눈을 융설시키는 최소 융설제 양을 판단하여 실험 살포량을 결정하는 순서로 하였다.
- 융설제가 도로 표면의 눈이나 얼음을 어느 정도 녹일 수 있는가의 능력을 비교 . 조사하기 위하여SHRP H-205.
- 현재 국내에서는 염화칼슘이 가장 보편적으로 사용되는 융설제이다. 융설제의 융설 또는 융빙 성능시험에는 어는점 내림 실험, 얼음 융빙량 실험, 얼음 침투깊이 측정에 관한 실험을 수행하였다.
- 얼음 용융 시험의 시험 절차는 플라스틱 시험판에 일정한 두께의 얼음을 얼리고, 밀폐된 항온기에 설치하여 시험 온도와 평형을 이루도록 한 후 시험에 사용할 융설제를 얼음 표면 위에 고르게 살포하고, 일정 시간마다 녹은 부분을 취하여 무게를 측정한 후, 다시 원래 시험판에 부어 누적되는 용융량을 측정하였다. 이때 융빙량 채취시간은 10분, 20분, 30분, 45분, 60분으로 하였으며, 시험 온도는 -6℃로 하였다.
- 적정 살포량 실험은 실험 살포량에서 가장 성능이 좋게 나온 염화칼슘과 소금, 그리고〔염화칼슘+소 금〕1:1 혼합물에 대해서 수행하였다.
- 적정 살포량을 결정하기 위한 현장 살포 면적은 2.5mxl0m로 설정하였고, 각 살포 영역 중간에 전 이 구간 2.5mx4m를 설정하여 한 융설제가 다른 융 설제에 영향을 주지 않도록 하였다(그림 11 참조). 실험은 주로 강설후 제설작업을 하지 않은 도로 (2002년 1월 전라북도 장수의 군도, 지방도)에서 수 행되었다.
- 차량 미통행시 실험 살포량을 결정하기 위하여 우선, 현재 현장에서 적용중인 일반적인 살포량을 고려하여 실험 살포량에 접근하기로 하였다. 개략적 인 살포량의 범위를 결정한 과정은 다음과 같다.
- 본 연구에서는 융설제의 성능평가를 위해 실내 실험을 수행하였다. 평가를 수행한 융설제는 일반적으로 제설작업에 사용되는 염화칼슘(2수화물)과 구조물 부식을 방지하기 위한 염화칼슘(방청제 혼합형), 소금, 산화칼슘계, 복합유기산염 등을 평가 비교하였다.
대상 데이터
- 5mx4m를 설정하여 한 융설제가 다른 융 설제에 영향을 주지 않도록 하였다(그림 11 참조). 실험은 주로 강설후 제설작업을 하지 않은 도로 (2002년 1월 전라북도 장수의 군도, 지방도)에서 수 행되었다. 적정 살포량을 산출하기 위한 실험과정은 다음과 같다.
- 이때 실험에 사용된 융설제는 염화칼슘(국산 . 중 국산), 소금 및 내부는 소금에 겉은 염화마그네슘으로 감싼 혼합융설제(수입품) 또, 국내에서 개발한 산화칼슘계 융설제, 요소 등 총 6가지 종류의 융설제를 사용하였다.
이론/모형
- 즉, 충분히 얇은 얼음층(또는 압설)의 경우, 융설제가 얼음/포장 계면에 도달하게 되면, 계면에서 부분적으로 용융되어 얼음과 포장의 결합을 끊게 되어, 얼음 침투시험은 융설제 화합물 작용 특성에 대한 정보를 제공한다. 얼음 침투깊이 측정 시험은 SHRP H-205.3 "Test Method for Ice Penetration of Solid Deicing Chemicals”에 따라 융설제 입자를 적당한 염료로 처리된 얼음 표면에 올려놓아 60분동안 일정한 온도에서 침투깊이를 측정하였다.
- 융설제가 도로 표면의 눈이나 얼음을 어느 정도 녹일 수 있는가의 능력을 비교 . 조사하기 위하여SHRP H-205.1 "Test Method for Ice Melting of Solid Deicing Chemicals"의 실험법에 따라 얼음 용융 시험을 수행하였다.
성능/효과
- 30회 주행 후(전역 살포 후 42분 경과) 염화칼슘 을 가장 적게 살포한 0.93kg(실험 살포량의 1/15 수준)의 영역에서 반응이 가장 늦었으나, 이 영역도 부분적인 융설 효과가 나타났다. 그밖의 다른 영역에 서는 차륜 궤적을 중심으로 융설이 활발하였으며 , 특히 소금을 살포한 영역에서는 차륜 부분뿐만 아니라 전체적으로 활발한융설이 일어났다.
- 결과적으로 적설량 3cm일 때 소금과 염화칼슘의 실험 살포량은 50cm X 50cm의 면적에서 140g, 1m x 1m의 면적에서 560g/m2으로 각각 도출하였다.
- 그 외 다른 영 역에서는 차량 통행이 가능할 정도로 노면이 드러났으며 (bare pavement), 특히 소금과 소금+염화칼슘 살포 영역에서는 같은 양의 염화칼 슘 단독 살포 구간보다 융설 효과가 약간 나은 것으로 나타났다.
- 눈에 염화칼슘(국산 . 중국산), 소금, 혼합 융설제 요소, 산화칼슘계 융설제를 살포하였을 때, 융설 성능은 실내 실험실에서 수행된 융빙량 실험과 마찬가지로 초반에는 염화칼슘의 융설량이 많으나 후반으로 갈수록 소금의 융설량이 많게 나타났다. 또, 국산 염화칼슘과 중국산 염화칼슘의 경우 실험실의 어는 점 내림 및 융빙량 실험에서는 약간의 차이 (약 5- 6%)가 났으나, 실제 현장 실험에서는 그 차이가 실험실보다 크게(10% 이상) 나타났다.
- 이는 국내의 대부분의 융설제가 염화칼슘에 의존하는 현실에 비해 소금 또한 융설제로서의 역할을 충분히 담당할 수 있음을 뜻한다. 또 염화칼슘과 소금의 상호 단점을 보완할 수 있는 소금과 염화칼슘 을 혼합하여 살포하는 것도 만족스러운 것으로 나타났다.
- 또 융설제 성능평가를 통하여 적설량 3cm 이상의 경우에는 융설 성능이 현저히 떨어지므로 적설량 3cm까지 제설제를 통한 제설을 수행하고, 3cm 이상 인 경우에는 물리적 제설로 눈을 제거한 뒤 제설제를 살포하는 것이 효과적이라는 결론을 도출하였다.
- 그러나 30분 이후에는 소금과 복합유 기산염이 지속적으로 침투 깊이가 증가하여 염화칼 슘(2수화물)과 방청제가 혼합된 형태의 대체 융설제 와 대등하거나 더 나은 얼음 침투 능력을 나타내었다. 또, 산화칼슘계 대체 융설제의 경우 침투 깊이가 3.0mm 이하로 다른 융설제에 비해 침투 깊이의 증가가 거의 없는 것으로 나타났다.
- 다음으로 융설제를 어느 정도 살포하는 것이 적절 한지를 알아보기 위해 도로 현장에서 주요 융설제를 살포하여 주행실험을 하였다. 실험 결과 산정된 적정 융설제 살포량은 '130kg/km-차로로 도출되었는 데, 이는 1톤의 융설제(소금, 염화칼슘 또는 소금+ 염화칼슘 1:1 혼합물)로 2차로 도로 4km에 살포할 수 있는 양이다.
- 실험 살포량 실험에서 적설량이 3cm를 초과한 경우 실험 면적의 85% 이상 눈을 녹이는 데 융설 시간이 2배 이상이 소요되거나, 85% 이상의 눈을 녹이 지는 못하는 결과를 얻어냈다. 따라서, 적설량이 3cm를 초과하는 경우에는 융설제만 의지하여 제설 작업을 수행하는 것은 효과적이지 못한 것으로 판단 되었다.
- 그림 3은 -6℃에서 실시한 얼음 침투깊이 측정 시험 결과로서, 경과 시간에 따른 얼음침투 깊이를 나타낸 것이다. 실험 시작 후 20분이 경과할 때까지는 염화칼슘(2수화물)과 방청제가 혼합된 형태의 대체 융설제가 가장 깊이 침투하였으며, 소금과 복합유기 산염은 초기에는 침투 특성이 염화칼슘 계열보다 약간 떨어졌다. 그러나 30분 이후에는 소금과 복합유 기산염이 지속적으로 침투 깊이가 증가하여 염화칼 슘(2수화물)과 방청제가 혼합된 형태의 대체 융설제 와 대등하거나 더 나은 얼음 침투 능력을 나타내었다.
- 실험 방법은 실험에 사용할 제설제를 정량하여 제설제가 완전 용해될 때까지 교반한 후 제조된 용액을 시험관에 놓고, 자동온도기록장치에 연결된 열전대를 이용하여 시간에 따른 온도 변화를 측정하였다. 실험결과 소금 수용액의 어는 점은 10%, 20% 수용액에 대하여 각각 -7.3℃, T9.4℃로 나타났다. 또 소금 수용액의 공융점은 10%, 20% 수용액에 대하여 각각 -24.
- 실험실 조건과 현장 조건에서 수행한 융설제 성능 비교에서는 염화칼슘은 초기에 반응속도가 빠르나, 시간이 지날수록 소금이 눈을 많이 녹이는 현상을 나 타냈다. 이는 국내의 대부분의 융설제가 염화칼슘에 의존하는 현실에 비해 소금 또한 융설제로서의 역할을 충분히 담당할 수 있음을 뜻한다.
- 을 살포한 영역에서는 노면의 검은 부분이 나타났으며, 소금 1.75kg과 소금 + 염화칼슘 1.75kg를 살포한 노면에서는 차륜 궤적을 중심으로 서행 운행이 가능할 정도의 노면이 드러나 가장 활발한 결과를 보여 주었다.
- 이때, 염화칼슘과 소금의 경우 50cmX50cm의 체 적에 실험 살포량은 적설량 3cm일 때 140g 즉, 단 위체적당 살포량 160g/m3으로 나타났고, 혼합 융설 제의 경우 적설량 3cm일 때 160g 단위체적당 210g/if 으로 나타났다. (그림 9~그림 10)
- 적설량 3~5cm일 때, 표 4의 범위에서 살포량을 조절하여 살포하였을 때 , 도출된 실험 살포량은 융설 제별로 차이가 있으나, 대체적으로 적설량 3cm일 때 140g 정도로 나타났다.
- 적설량 3cm(융설제 140g)와 5cm(융설제 233g)에서의 실험 결과는 그림 6, 그림 7과 같이 나타났다. 전체적인 결과는 실내 융빙량 실험과 마찬가지로 초반에는 염화칼슘(국산, 중국산)의 융설 성능이 좋았고, 시간이 지날수록 소금의 융설 성능이 증가하였다. 요소와 산화칼슘계 융설제는 다른 융설제에 비해 융설 성능이 아주 떨어짐을 보였다.
- 따라서, 적설량이 3cm를 초과하는 경우에는 융설제만 의지하여 제설 작업을 수행하는 것은 효과적이지 못한 것으로 판단 되었다. 즉, 평지 조건에서는 제설제(융설제, 마찰 저])만 살포하여 제설작업을 수행하는 것은 3cm까지 로 제한을 두고, 적설량이 3cm 이상일 때에는 밀어 내기 작업 수행 후 제설제 살포로 제설작업을 수행하는 것이 효과적인 것으로 본 연구에서는 제안한다. 실제로 3cm 미만 강설시에는 밀어내기 제설작업이 사실상 어렵다는 점에서 이러한 제안은 의미가 있다.
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