[논문]탄소섬유 쉬트를 활용한 도로 결빙방지 시스템 개발을 위한 기초연구

임치수; 박광필; 이재준; 이병석

doi:10.7855/ijhe.2016.18.3.059

문제 정의

겨울철 제설 작업 시 사용되는 제설제 사용에 따른 2차 환경피해를 줄이고 녹았던 눈으로 인하여 발생되는 블랙 아이스와 같은 도로에서 발생하는 결빙으로부터 운전자의 안전을 확보하기 위한 친환경적이며 도로포장의 인성 저항을 개선하기 위하여 탄소섬유 쉬트를 활용한 결빙방지 시스템 개발을 위해 진행된 초기 실험 결과는 다음과 같이 정리할 수 있다.
구리파이프를 이용한 결빙방지 시스템은 고온의 열원을 이용하는 방법으로 염화물계의 제설제를 이용하는 방법보다는 두꺼운 적설층에 대하여 더욱 효과적으로 사용할 수 있으나, 결함 발생 시 보수가 어렵고 누전으로 인한 인명피해가 발생할 우려가 있다는 단점이 있다. 따라서 본 연구는 기존의 제설방법의 단점을 보완하기 위해 금속계 재료보다 강도성과 경량성이 우수하며 전기전도성을 띄어 현재 신재생 에너지 산업에서 이용되고 있는 탄소섬유 쉬트를 열원으로 이용하는 도로 결빙방지 시스템의 개발을 목적으로 수행하였다.
실제로 동결융해작용에 따른 콘크리트 포장의 파손발생량은 증가하고 있는 추세이다. 따라서 본 연구는 실험을 통해 개발된 발열포장체의 내 부에 매입된 탄소섬유 쉬트가 겨울철 환경하중의 하나인 동결융해조건에 노출되었을 때의 거동을 확인하기 위해 수행되었다. Fig.
2에서의 실험 결과를 바탕으로 적정 탄소섬유 쉬트 폭은 50mm로 결정이 되었다. 본 절에서는 5.2의 실험 결과를 바탕으로 결정된 탄소섬유 쉬트의 폭을 이용하여 콘크리트 표층에 효율적인 열전달을 위한 탄소섬유 쉬트 매입깊이에 따른 콘크리트 표층 온도 거동을 조사하였다. 굵은 골재의 최대치수가 20mm인 점을 고려하여 50mm 폭의 탄소섬유 쉬트를 콘크리트 표층 기준으로 20mm, 30mm, 40mm로 매입하여 수행되었으며 매입 깊이 이외에 전압과 같은 조건들은 앞선 실험과 모두 동일하게 유지되었다.

제안 방법

2의 실험 결과를 바탕으로 결정된 탄소섬유 쉬트의 폭을 이용하여 콘크리트 표층에 효율적인 열전달을 위한 탄소섬유 쉬트 매입깊이에 따른 콘크리트 표층 온도 거동을 조사하였다. 굵은 골재의 최대치수가 20mm인 점을 고려하여 50mm 폭의 탄소섬유 쉬트를 콘크리트 표층 기준으로 20mm, 30mm, 40mm로 매입하여 수행되었으며 매입 깊이 이외에 전압과 같은 조건들은 앞선 실험과 모두 동일하게 유지되었다.
콘크리트와 비교하여 상대적으로 가격이 고가인 탄소섬유 쉬트는 실제도로에 적용할 시 시공 예산에 큰 비중을 차지할 것이라 예상되므로 시공현장의 면적에 따라 효율적인 배치가 필요하다. 따라서 본 실험은 Fig. 7과 같이 콘크리트 시편의 표층으로부터 탄소섬유 쉬트를 동일한 20mm 깊이로 매입하고, 쉬트의 폭을 30~70mm로 변경해 가면서 콘크리트 표층부에 대한 온도를 측정하였으며, Fig. 8과 같은 결과 값이 도출되었다. 일정한 매입 깊이와 10V의 전압을 공급하였을 때 초기의 콘크리트 표층부는 같은 경향으로 온도가 상승하였으나, 전압공급 10분 이후에는 다른 경향을 나타내었다.
3에서 설명하고 있는 것과 같이 콘크리트 공시체 표면 3점에서 온도를 측정하였으며 3점의 평균값을 취해 온도결과를 나타내었다. 또한, 탄소섬유 쉬트가 매립된 콘크리트 공시체의 동결융해에 따른 탄소섬유 쉬트와 콘크리트의 분리 저항성을 측정하기 위해 KS F 2456의 금속동결융해에 대한 콘크리트 저항성 시험법의 A법(급속수중 동결융해)에 준하여 -18℃~4℃를 1cycle로 하여 50cycle 간격으로 150cycle까지 진행하여 육안평가를 실시하였다. Fig.
13은 탄소섬유 쉬트를 아스팔트 포장체에 적용하였을 경우 아스팔트 표층부의 온도거동을 측정하기 위한 시험 전경을 설명하고 있다. 본 실험에서는 콘크리트 시편 위에 아스팔트 콘크리트 층을 각각 20, 30mm로 타설하여 탄소섬유 쉬트의 발열에 대한 아스팔트 표층부의 온도를 측정하였으며, Fig. 14와 같은 온도 거동을 측정할 수 있었다. 초기온도와 비교하여 아스팔트 층의 두께가 20mm인 경우 두께가 30mm인 경우와 비교하여 더 가파른 온도상승 폭을 보였으며, 최대로 상승하는 온도 또한 7℃가량 높은 것으로 나타났다.
콘크리트 시편에 탄소섬유 쉬트를 매입하여 적용하기 전, 탄소섬유 쉬트의 기본적인 발열거동을 확인하기 위해 상온에서 일정한 전압을 탄소섬유 쉬트에 공급해 주었을 때 발생하는 탄소섬유 쉬트 자체의 표면온도를 측정하였다. 실험은 탄소섬유 쉬트 폭에 따른 발열량의 차이를 확인하기 위해 탄소섬유 쉬트의 폭을 각각 30mm, 50mm, 70mm로 하였으며 양 쪽 끝에서 10V의 일정한 전압을 공급하였다. 실험결과는 Fig.
콘크리트 공시체 내부에 탄소섬유 쉬트를 설치 후 콘크리트 내부에서 발열 시켰을 때 콘크리트 표면으로 열 전달 특성을 알아보기 위하여 탄소섬유 쉬트와 300×100×100mm의 크기를 갖는 콘크리트 시편의 표면에서 측정하였다.
콘크리트 시편에 탄소섬유 쉬트를 매입하여 적용하기 전, 탄소섬유 쉬트의 기본적인 발열거동을 확인하기 위해 상온에서 일정한 전압을 탄소섬유 쉬트에 공급해 주었을 때 발생하는 탄소섬유 쉬트 자체의 표면온도를 측정하였다. 실험은 탄소섬유 쉬트 폭에 따른 발열량의 차이를 확인하기 위해 탄소섬유 쉬트의 폭을 각각 30mm, 50mm, 70mm로 하였으며 양 쪽 끝에서 10V의 일정한 전압을 공급하였다.
콘크리트 표면의 온도를 측정하기 위하여 Fig. 2에서 설명하고 있는 D사의 정⋅동적 데이터로거를 통해 100초를 기준으로 온도를 측정하였다.
2에서 설명하고 있다. 탄소섬유 쉬트에 전원공급장치를 이용하여 전압을 공급하면 탄소섬유 쉬트에서 발열이 되도록 하였다. 콘크리트 공시체 내부에 탄소섬유 쉬트를 설치 후 콘크리트 내부에서 발열 시켰을 때 콘크리트 표면으로 열 전달 특성을 알아보기 위하여 탄소섬유 쉬트와 300×100×100mm의 크기를 갖는 콘크리트 시편의 표면에서 측정하였다.

대상 데이터

Table 2는 콘크리트 배합표를 설명해 주고 있다. 본 실험에 사용된 탄소섬유 쉬트는 단위면적당 205g의 중량을 갖고, 섬유의 분리를 방지하기 위해 겉면이 에폭시레진으로 코팅되어 있으며, 2mm의 폭과 0.25mm의 두께를 갖는 탄소섬유가닥을 일정하게 교차 시킨 직물형태를 사용하였다.
본 연구에 사용된 탄소섬유 쉬트, 데이터로거, 그리고 전원공급장치는 Fig. 2에서 설명하고 있다. 탄소섬유 쉬트에 전원공급장치를 이용하여 전압을 공급하면 탄소섬유 쉬트에서 발열이 되도록 하였다.
실험에 사용되는 콘크리트를 제조하기 위하여 일종보 통포틀랜드시멘트를 사용하였고, 굵은 골재의 최대치수가 20mm인 쇄석골재를 사용하였으며, 잔골재는 모래를 사용하였다. Table 1은 골재의 물리적 성질을 나타내고 있다.

성능/효과

1. 탄소섬유 쉬트 자체의 발열거동과 탄소섬유 쉬트 폭의 연관성에서 공기 중에 노출된 탄소섬유 쉬트 폭과 발열온도 특성에서는 폭과 발열온도 거동은 변화가 없음을 알 수 있었다.
2. 공기 중에 노출되어 있는 탄소섬유 쉬트의 발열거동은 탄소섬유 쉬트 폭이 증가하는 것과 발열거동에는큰 영향이 없었으나, 탄소섬유 쉬트가 콘크리트 내부에 매립되었을 경우 탄소섬유 쉬트의 발열거동이 다름을 알 수 있었다. 콘크리트에 매입되는 경우 탄소 섬유 쉬트의 폭이 증가함에 따라 열전달이 효과적으로 이루어졌지만 일정 폭 이상에서는 콘크리트 표층으로 전달되는 열의 증가가 없어 경제적인 측면에서의 효율성은 더욱 떨어질 것이라 판단된다.
3. 탄소섬유 쉬트의 매입깊이에 대한 실험결과, 타설되는 콘크리트의 표층에 가깝게 탄소섬유 쉬트를 매입할 경우 열원에서 표층으로 전달되는 열의 손실이 적어 콘크리트 표층부 온도가 더 높게 측정되었으며, 결빙을 방지하기 위해서는 탄소섬유 쉬트가 표층에 가까울수록 발열 측면에서 더욱 효율적이라는 것을 확인하였다.
4. 탄소섬유 쉬트가 매입된 콘크리트의 동결융해 저항성 측정결과, 탄소섬유 쉬트와 콘크리트의 접착면이 증가할 수록 동결융해에 대한 저항성이 감소하여 탄소섬유 쉬트와 콘크리트의 분리현상이 두드러지게 발생하였다. 향후 현장시공에 있어 층간 분리에 대한 충분한 검토가 필요하다.
5. 아스팔트 포장층의 하부에 탄소섬유 쉬트를 매입한 경우 아스팔트층의 두께를 낮게 할 수록 더욱 고온의 발열거동을 나타냈지만, 아스팔트의 특성인 고온에 서의 박리현상이 발생하여 아스팔트 포장에 대한 적용 시 유동성 발생을 방지하는 범위 내의 시스템 개발이 필요하다는 것을 확인하였다.
실험 결과, 50cycle에서는 콘크리트 시편 표면이 크게 변화가 없이 단순히 표면의 스케일링 현상만 나타나는 것이 확인되었다. Fig. 12에 포함되어 있지 않지만, 100cycle에 서는 탄소섬유 쉬트를 감싸고 있는 부착면이 가장 작은 70mm의 탄소섬유 쉬트가 매입된 시편에서 탄소섬유 쉬트를 따라 큰 균열이 발생하는 것을 확인하였으며, 30mm와 50mm에서는 콘크리트 스케일링 현상만 두드러지게 나타나는 것을 확인할 수 있었다. Fig.
6에 나타낸 것과 같다. 상온에 노출되어 있는 탄소섬유 쉬트에 직접적으로 10V의 전압을 공급하고 탄소섬유 쉬트에서의 발열 온도를 측정한 결과, 폭이 70mm인 경우가 미세하게 높은 발열온도를 나타냈지만 일정 시간 이후에는 비슷한 온도로 수렴하는 경향을 나타냈다. 이는 탄소섬유 쉬트가 동일한 길이를 가지고, 외기에 노출되어 있는 경우에는 탄소섬유 쉬트 자체의 발열온도는 탄소섬유 쉬트의 폭에 큰 영향을 받지 않는다는 것을 의미한다.
12는 50cycle과 150cycle에 대한 육안조사 결과를 나타내고 있다. 실험 결과, 50cycle에서는 콘크리트 시편 표면이 크게 변화가 없이 단순히 표면의 스케일링 현상만 나타나는 것이 확인되었다. Fig.
매입깊이 20mm인 경우는 20℃ 이상의 온도 상승을 나타냈다. 이는 실제 시공되 었을 때 굵은 골재의 최대치수를 고려하여 표층부에 가깝게 매설할수록 콘크리트층 하부로 발생하는 열손실이 최소화되어 상부로의 열전달이 효과적으로 이루어진다는 것을 의미한다.
14와 같은 온도 거동을 측정할 수 있었다. 초기온도와 비교하여 아스팔트 층의 두께가 20mm인 경우 두께가 30mm인 경우와 비교하여 더 가파른 온도상승 폭을 보였으며, 최대로 상승하는 온도 또한 7℃가량 높은 것으로 나타났다. 그러나 콘크리트에 타설하는 것과 달리 아스팔트 혼합물에 타설하였을 경우에는 층의 두께가 얕을수록 열원으로부터 전달되는 고온의 열에 의해 아스팔트 혼합 물층에 유동성이 발생하여 작은 충격에도 아스팔트 골재가 혼합물에서 분리되는 현상이 발생되었다.

후속연구

이와 같이 탄소섬유 쉬트를 따라서 균열이 발생한 원인으로는 두 재료의 열팽창계수와 흡수량이 달라 동결융해 작용 시 내부에 발생한 동결압의 크기가 다르게 작용했기 때문이라 판단되며 균열 발생 시, 수분의 이동이 원활하여 급격한 파손이 발생한 것이라 사료된다. 따라서 탄소섬유 쉬트를 콘크리트 내부에 설치할 경우 탄소섬유 쉬트가 콘크리트 표면으로 노출되는 것을 억제하는 것이 바람직하다고 판단되고, 향후 탄소섬유가 콘크리트 표면에 노출되는 경우에 대하여 수분침투를 억제할 수 있는 다양한 실링처리방법에 대한 연구 검토가 반드시 진행되어야 한다고 판단된다.
그러나 콘크리트에 타설하는 것과 달리 아스팔트 혼합물에 타설하였을 경우에는 층의 두께가 얕을수록 열원으로부터 전달되는 고온의 열에 의해 아스팔트 혼합 물층에 유동성이 발생하여 작은 충격에도 아스팔트 골재가 혼합물에서 분리되는 현상이 발생되었다. 따라서 향후 개발될 시스템을 아스팔트 포장에 적용하기 위해 서는 아스팔트 콘크리트 층의 유동성을 제한하는 범위 내에서의 저온거동을 파악할 필요가 있다.

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	결빙된 노면의 경우 건조노면과 비교해 몇 배 가량 낮은 마찰계수를 갖는가?	동절기의 폭설 또는 결빙현상은 교통사고의 직접적인 원인이 되며, 운전자의 생명을 위협하고 있다. 실제로 결빙된 노면의 경우 건조노면과 비교하여 10배 가량 낮은 마찰계수를 가지고 있어 교통수단의 주행 시, 충분한 미끄럼저항성을 발생시키지 못한다(Kim et al., 2014).
	염화물계의 제설제의 한계는?	, 2008). 그러나, 이러한 염화물계 제설제의 경우 일정한 적설량 이상에서는 큰효과를 볼 수 없으며, 구조물 내의 침투를 통해 철근 부식과 같은 철근콘크리트 구조물의 동결융해 저항성의 저하를 야기시킬 수 있다(TANG et al., 2005).
	동절기에 교통사고의 직접적인 원인이 되는 현상은?	최근 엘니뇨 현상과 같은 기후변화로 인하여 기록적인 폭설 또는 한파와 같은 이상기온 현상이 전 세계적으로 빈번하게 발생하고 있으며, 이러한 엘니뇨 현상의 영향으로 인하여 북반구의 찬기온 영향권이 확대되어 동절기 한파와 폭설이 발생하고 있다. 동절기의 폭설 또는 결빙현상은 교통사고의 직접적인 원인이 되며, 운전자의 생명을 위협하고 있다. 실제로 결빙된 노면의 경우 건조노면과 비교하여 10배 가량 낮은 마찰계수를 가지고 있어 교통수단의 주행 시, 충분한 미끄럼저항성을 발생시키지 못한다(Kim et al.

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format

연합인증

탄소섬유 쉬트를 활용한 도로 결빙방지 시스템 개발을 위한 기초연구
Fundamental Study for Development of an Anti-Icing Pavement System Using Carbon-Fiber Sheet 원문보기

Abstract ▼ AI-Helper

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

문제 정의

제안 방법

대상 데이터

성능/효과

후속연구

질의응답

참고문헌 (6)

이 논문을 인용한 문헌

저자의 다른 논문 :

연구과제 타임라인

관련 콘텐츠

원문 보기

원문 URL 링크

오픈액세스(OA) 유형

연관된 기능

이 논문과 함께 이용한 콘텐츠

AI-Helper ※ AI-Helper는 오픈소스 모델을 사용합니다.

선택된 텍스트

연합인증

탄소섬유 쉬트를 활용한 도로 결빙방지 시스템 개발을 위한 기초연구 Fundamental Study for Development of an Anti-Icing Pavement System Using Carbon-Fiber Sheet 원문보기

Abstract ▼ AI-Helper

주제어

AI 본문요약 엑셀 다운로드 AI-Helper

문제 정의

제안 방법

대상 데이터

성능/효과

후속연구

질의응답

참고문헌 (6)

이 논문을 인용한 문헌

저자의 다른 논문 :

임치수 (4) 이병석 (3)

연구과제 타임라인

전체(0) 논문(0) 특허(0) 보고서(0)

전체(0) 논문(0) 특허(0) 보고서(0)

관련 콘텐츠

원문 보기

원문 URL 링크

오픈액세스(OA) 유형

연관된 기능

이 논문과 함께 이용한 콘텐츠

AI-Helper ※ AI-Helper는 오픈소스 모델을 사용합니다.

선택된 텍스트

탄소섬유 쉬트를 활용한 도로 결빙방지 시스템 개발을 위한 기초연구
Fundamental Study for Development of an Anti-Icing Pavement System Using Carbon-Fiber Sheet 원문보기

AI 본문요약
AI-Helper