‘탄소섬유’로 노후 콘크리트 도로 수명 연장 기술 주목


금속보다 가벼운 ‘탄소섬유’ 활용 ··· 노후 콘크리트 도로 20년 더 쓴다


    최근 첨단 신소재로 각광받고 있는 ‘탄소섬유’를 활용, 노후 콘크리트 도로의 수명을 20년 연장시킬 수 있는 기술이 선보여 이목을 집중시키고 있다.


이 기술은 노후 콘크리트 도로를 신설 수준의 상태로 보수할 수 있는 ‘콘크리트 포장 TRC 덧씌우기 공법’으로, 최근 시험시공을 통해 기술적, 경제적 우수성을 입증하며, 콘크리트 도로 수명 연장의 꿈을 이룰 수 있는 기술로 평가받고 있다.


 ‘콘크리트 포장 TRC 덧씌우기 공법’

탄소섬유 텍스타일 보강재 활용


이 기술에 적용된 탄소섬유는 부식 염려가 없고, 내열성과 내충격성이 뛰어난 것은 물론 금속보다 가볍고 강도와 탄성이 좋아 현재 자동차 부품을 비롯해 토목·건축용 자재, 항공기, 풍력발전기기 등에 활발히 적용되고 있다.


신설 수준 상태 보수 ‘콘크리트 포장 TRC 덧씌우기 공법’ 개발

부식 염려 없고 강도 탄성 ‘탁월’ 내열 내충격성도 뛰어나 ‘눈길’

 

현재 국내 고속도로 전체 차로 중 약 66%에 달하는 1만 2,956km 구간이 콘크리트 도로로 구성돼 있다.


이 중 설계 수명인 20년이 경과돼 노후화가 심각하게 진행되고 있는 구간은 약 20%인 2,528km에 달하고 있어 효과적인 유지보수가 시급한 과제로 부상하고 있다.


실제로 지난해 노후 콘크리트 도로 리모델링을 비롯해 전체 고속도로 포장 유지보수비용으로 약 2,260억 원이 투입된 바 있다.


특히, 오는 2023년까지 약 9,315억 원의 비용이 소요될 것이라는 전망이 나오고 있어 기존 공법 대비 보다 경제적이고 효과적인 유지보수 공법 개발의 필요성이 대두되고 있다.


즉, 노후시설물의 경우 예산 부족 등 다양한 이유로 인해 일시 교체가 불가능한 만큼 성능 유지를 위해 지속적인 유지보수가 이뤄져야 한다고 전문가들은 입을 모은다.


다시 말하면, 성능이 부족한 시설물은 성능개선공사를 적기에 실시, 시설물의 사용수명을 늘리는 것이 더 효과적이라는 말이다.


이에 한국건설기술연구원에서는 ‘텍스타일 활용 고성능 건설자재 및 콘크리트 구조물 성능향상 기술 개발’ 과제를 통해 보다 적은 비용으로 노후된 SOC시설물의 하중저항능력과 내구수명을 기존 공법 대비 2~3배 증진시킬 수 있는 보강공법을 개발하고 있다.


얼마 전 기존 탄소섬유 접착공법의 문제점 개선을 위해 노후 시설물 표면에 격자 형상으로 제작한 탄소섬유 보강재를 고성능 시멘트 혼합물에 매립, 시공을 통해 보강하는 공법을 선보여 눈길을 끈 바 있다.


이 공법은 탄소섬유와 시멘트 혼합물 모두 불연소재로 내화성능이 우수해 화재위험에 노출된 시설물 보강에 큰 효과를 거둘 것으로 전망된다.


또한, 탄소섬유를 적용, 철근처럼 부식이 발생하지 않아 제설제를 사용하는 도로시설물이나 염분에 노출되는 방파제와 같은 해양항만시설물 보강에도 탁월한 효과를 발휘할 것으로 기대를 모으고 있다.


특히, 이 과제를 통해 개발된 탄소섬유를 격자 형상으로 제작한 텍스타일 보강재를 적용해 노후 콘크리트 도로의 수명을 20년 연장시킬 수 있는 ‘콘크리트 포장 TRC 덧씌우기 공법’도 개발돼 이목을 집중시키고 있다.


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연구내용

‘구조해석을 통한 TRC(Textile Reinforced Concrete) 복합체 개념 설계’ 부문에서는 텍스타일을 이용한 보강 설계 방안 개발을 위해 2차원 해석모델을 이용해 예비해석을 수행하고, 덧씌우기 콘크리트의 환경하중 하에서의 거동 분석을 완료하는 등 탄소섬유를 이용한 콘크리트 포장 거동 분석 연구가 우선 이뤄졌다. 


이후 이 같은 예비해석 결과를 바탕으로 계면 부착강도를 비롯한 보강재 크기와 배열, 보강재 재료 종류, 보강재와 콘크리트의 부착 특성, 보강재 설치 높이 등을 변수로 설정하고 민감도 분석 연구를 진행했다.




이를 통해 보강근 설계변수에 따른 덧씌우기 콘크리트의 거동 차이 분석을 완료하고, 텍스타일을 이용한 보강방안 설계를 위한 기본 자료를 확보하는데 성공했다.


이어 구조해석을 통한 TRC 복합체 거동 분석 연구를 통해 텍스타일이 부담하는 인장응력 범위를 예측하고, 설계방안을 확보했다.

이 같은 사전 연구를 기반으로 TRC 덧씌우기 포장 시작품을 제작하고, Mock-up 실험을 진행했다.


시작품은 실제 노후화된 무근콘크리트 줄눈포장(Jointed Plain Concrete Pavement)을 덧씌우기 할 경우 환경하중에 의한 줄눈부 Curing 거동에 따른 반사균열을 합리적으로 모사하기 위해 제작됐다.


제작된 시작품으로 보강방법에 따른 균열제어 효과를 검토하기 위해 실시한 목업 실험 결과, 기존 노후화된 콘크리트 덧씌우기 방식인 무근 콘크리트 사용 시 줄눈부 반사균열에 의한 취성파괴가 도출됐다.


하지만, 철근 혹은 TRC 보강의 경우 파괴모드가 취성 파괴에서 휨 파괴로 바뀐 것으로 나타났다.


또한 탄소섬유로 보강했을 경우, 응력분산효과가 나타나, 기존 줄눈부에 집중되는 반사균열에 대한 응력집중 현상을 완화시켜, 반사균열 크기를 줄일 수 있을 것으로 예상돼 실제 도로 적용 시 내구성 향상, 소음저감, 승차감 향상 등을 기대할 수 있을 것으로 전망된다.



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포장균열 포트홀 발생 최소화 ‘확신’ 실용화 박차


 

남정희 연구위원


한국건설기술연구원 남정희 연구위원은 “이 연구에서는 노후화된 콘크리트 포장 위에 아스팔트 덧씌우기 방식에서 발생할 수 있는 포장균열이나 포트홀 등의 발생을 최소화 할 수 있으며, 고가의 LMC포장 덧씌우기 방식의 경제성을 보완할 수 있는 탄소섬유 텍스타일 보강재를 활용한 새로운 방식의 유지보수 공법을 개발했다”고 밝혔다.


이어 “이 공법은 기존 콘크리트 도로의 손상된 열화부를 10cm 깊이로 절삭, 제거한 후 탄소섬유 텍스타일 보강재를 거치하고, 그 위에 보수용 콘크리트를 시공하는 새로운 공법”이라고 소개했다.


탄소섬유 텍스타일은 탄소섬유 다발을 약 25mm 간격 격자 형태로 제작한 보강재다.


탄소섬유는 철보다 인장강도가 5배 정도 강한 반면 가볍고, 시공이 간편하며, 부식을 원천적으로 차단할 수 있어 철근 대체재로의 가능성이 높은 첨단 신소재로 평가받고 있다.


특히, 탄소섬유 텍스타일 보강재를 사용할 경우 균열의 틈새를 최소화 시킬 수 있는 구조적 기능을 발휘하는 것으로 알려지고 있다.



손상 열화부 10cm 깊이 제거 후 보강재 거치 보수용 콘크리트 시공


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남 박사는 “이 공법은 동절기 제설제에 의한 철근 부식문제를 원천적으로 차단할 수 있고, 급속시공이 요구되는 도로 유지보수 특성에 최적화된 공법”이라며, “지난 6월 연구원의 연천 SOC실증연구센터에 마련된 테스트 베드에서 시험 시공한 결과, 절삭공정을 제외하면 시간당 약 30m 이상 시공이 가능한 것으로 확인했다”고 말했다.


이 기술은 신소재인 탄소섬유 텍스타일을 사용한 국내 최초의 보수보강공법으로 향후 국내 탄소산업 활성화와 텍스타일 보강재 양산체계가 구축될 경우 충분한 경쟁력을 확보할 것으로 예상된다.


남 박사는 “현재 테스트 베드에서 장기 포장 거동에 대한 지속적인 모니터링을 진행하고 있으며, 향후 포장가속시험기를 이용해 장기 공용성을 평가하고, 개발 공법의 우수성을 검증할 예정”이라고 소개했다.


이어 “특히, 이번 연구를 통해 국내 최초로 도로에 시공한 경험을 바탕으로, 첨단 IT기술과 결합된 자동화 시공기술을 개발할 계획”이라며, 실용화에 대한 굳은 의지를 밝혔다.

오성덕 기자 건설기술


http://www.ctman.kr/news/20740

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