철도기술연구원 친환경 '인공자갈' '침목패드' 기술

카테고리 없음|2020. 11. 5. 16:00


스마트하고 친환경적 ‘인공자갈’ ‘침목패드’ 만들다


    최근 전 세계적으로 예측하기 어려운 기후변화가 발생하고 있는 가운데 이에 대응하는, 지구 온난화와 같은 문제 해결을 위한 친환경기술들이 각광받고 있다.


국내에서도 이 같은 전 세계적인 추세와 그린뉴딜 등 정부의 친환경 정책에 발맞추기 위한 철도 기술들이 속속 선보이고 있다.


특히, 그동안 오래되고 고전적인 이미지로 굳어져 있는 철도 이미지를 스마트하고, 환경 친화적인 이미지로 탈바꿈시킬 수 있는 친환경 인공자갈과 침목패드 기술이 선보여 눈길을 끌고 있다.


제강 슬래그 코팅기술 등 활용 ‘마모되거나 깨지지 않게’ 개발

얇은 두께로 제작 EPDM 고무패드 선봬 열차 소음 진동 줄여


열차하중은 궤도를 통해 직경 4~5cm 크기의 깬 자갈로 구성된 도상 자갈층으로 분산된다. 현재 도상 재료로 사용되고 있는 깬 자갈을 사용하는 기술은 200년 철도의 역사와 궤를 같이해 온 오래된 기술이다.



일반적으로 대량수송을 위해 중량이 큰 기관차를 앞과 뒤에서 배치하고 있는 열차 특성상 큰 중량에도 잘 견딜 수 있는 일축압축강도 80MPa 이상의 암석을 파쇄한 자갈을 사용하고 있다.


국가별, 지역별로 고강도의 암석 모암을 구하기가 어려운 경우에는 상대적으로 약한 강도의 암석을 자갈 원재료로 사용하기도 한다.


국내의 경우 산이 많은 산악 지형조건으로 비교적 가까운 곳에서 강도가 높은 화강암을 손쉽게 구할 수 있어 양질의 자갈 수급에는 큰 어려움이 없었다.


하지만, 최근 철도 건설 연장이 증가하면서 자갈 수요가 증가하고 있고, 도상 다짐 작업을 위한 인건비 상승, 대부분 수입에 의존하는 자갈 유지보수 장비 도입 비용 등은 해결해야 할 현안으로 인식되고 있다.


특히, 석산에서의 자갈 채취 작업 자체가 환경 파괴적이라는 인식이 확장되면서 향후 자연환경 보호 측면에서 철도용 고품질 자갈 수급 전망은 밝지 않은 편이다.


또한, 근거리에 위치한 양질의 석산 개발과 인허가 작업도 쉽지 않을 것으로 예상되는 만큼 향후 자갈 운반비 증가로 인한 도상 자갈층 유지보수 비용이 점진적으로 증가될 것으로 전망된다.


이에 이 같은 문제들을 해결하기 위해 한국철도기술연구원은 국가과학기술연구회의 지원 아래 스페인 COMSA 컨소시움과의 국제공동연구를 통해 제강 슬래그와 코팅기술 등을 활용해 잘 마모되거나 깨지지 않는 친환경 인공자갈과 자갈층의 충격하중 감소를 위한 고무패드를 개발 중에 있다.



고속철도의 궤도 : 네이버 포스트

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연구내용

자갈궤도는 초기 건설비가 낮은 대신 유지보수 비용이 크게 발생하는 반면, 콘크리트 슬래브궤도는 초기 건설비용이 높지만, 유지보수 비용이 적게 소요되는 궤도구조로 알려져 있다.




따라서 자갈궤도의 유지보수를 위한 노력과 비용을 줄일 수 있는 기술과 슬래브 궤도의 초기 건설비용을 저감시킬 수 있는 기술개발이 요구되고 있다.


이에 이 연구에서는 자갈궤도의 개량과 유지보수의 많은 부분을 차지하고 있는 도상자갈의 사용 교체 주기 연장을 위한 연구를 중점적으로 수행하고 있다.


연구를 통해 개발한 인공자갈의 하중 분산 효과와 침목용 고무패드를 활용한 도상층 내 압력저감 효과를 활용, 도상층 두께 저감에 대한 연구도 진행하고 있다.


그동안 연구에서는 궤도의 생애주기 동안 도상 자갈층이 열화 되지 않는 방안으로 특정 형상의 친환경적인 고강도 인공자갈과 침목용 고무패드를 사용하여 자갈궤도와 슬래브궤도의 장점을 이용할 수 있는 ‘경제적인 장수명 자갈궤도시스템’을 제안하고 적용성을 평가했다.


또한, 고강도 인공자갈을 도상자갈층 상부 혹은 응력 변화부에 랜덤하게 배치하거나, 인공자갈과 침목용 고무패드를 병용 적용하는 방안을 구현하고 성능평가를 실시했다.


연구결과

형상 측면에서 하중 분산 능력이 뛰어나도록 고안된 인공자갈을 침목과 자갈층의 상부 경계에 사용, 자갈층과 노반층으로 전달되는 하중을 보다 균등하게 저감시켜 자갈이 생애주기 동안 반복적으로 받는 하중을 감소시킬 수 있도록 개발했다.



이 인공자갈은 열차 충격하중에 의한 자갈 모서리부의 파괴를 최소화할 수 있어 자갈층의 유지보수 주기를 최대한 연장시켜 유지보수에 소요되는 다양한 노력과 비용 절감에 기여할 것으로 기대를 모으고 있다.


이와 함께 이 연구에서는 자갈층에 작용하는 충격하중 감소를 목표로 내구성이 강한 고강성 이면서 얇은 두께로 제작한 EPDM(Ethylene Propylene Diene Monomer) 고무패드를 선보였다.


현재 국내에 수입되는 해외 침목패드(USP, Under Sleeper Pad)는 가격이 상당히 높고, 현재까지 내구성 측면에서의 검증이 진행 중인 것으로 알려지고 있다.


반면, 이번에 개발한 EPDM 고무패드는 경제적이면서도 자갈층으로의 충격하중 저감은 물론 레일 패드와 같이 열차 소음과 진동 저감에도 효과를 발휘할 수 있을 것으로 전망된다.


기대효과

친환경 인공자갈과 침목패드를 효과적으로 적절하게 배치할 경우 자갈층에 전달되는 하중을 균등하게 분산시키고, 충격하중을 저감시켜 초기 자갈의 마모와 파괴로 인한 소요 MTT 작업의 최소화로 자갈도상 장수명화에 기여할 것으로 기대를 모으고 있다.




이 같은 효과는 도상 층 두께 확보가 어려운 구간에서 그 효과를 톡톡히 거둘 것으로 예상된다.


특히, 국내 철도의 해외진출 시 자갈 수급이 어려운 사막과 같은 환경과 자갈 단가가 높은 선진국에서의 철도건설, 유지보수 작업이 어려운 구간과 노반강성이 변화해 궤도틀림 변화가 심한 구간에서의 활용도가 높을 것으로 전망된다.


 

인 / 터 / 뷰


인공자갈 재료 최적 배합비 도출 등

패드 침목부착 시 품질 확보 ‘어려움’


 

김대상 책임연구원


한국철도기술연구원 김대상 책임연구원은 “이 연구는 철도 유지보수 기술의 국제화를 목표로 지난 2018년부터 진행되고 있는 연구”라며, “그동안 자갈궤도의 유지보수 주기 연장과 층 두께 저감 연구를 수행했으며, 리싸이클링 재료를 활용한 친환경 고강도 인공자갈과 경제성 높은 고무 재질의 국산 패드를 개발했다”고 밝혔다.


특히, 이 연구에서는 깨지지 않고 내마모성이 높은 인공자갈 형상을 도출하고, 고강도의 인공자갈 제작에 성공해 이목을 집중시키고 있다.



김 박사는 이처럼 우수한 기술 개발 과정에서 겪었던 어려움에 대해 “충격하중 재하시험기 제작과 실험을 비롯해 인공자갈을 대량으로 제작하는데 어려움이 있었다” 며, “또한, 목표 사양의 인공자갈을 제작하기 위한 재료의 최적 배합비 도출과 패드의 침목 부착 시 균일한 품질 확보에도 난항을 겪었다” 고 소개했다.


이어 “비록 어려운 환경이 많았지만, 반복적인 열차 하중이 작용하는 조건에서 인공자갈과 침목패드를 적용할 경우 궤도 침하 저감 효과를 확인했다” 고 강조했다.


‘대량 생산’ 자동화 등 3D 프린팅 기술 확보 추진

끝으로 김 박사는 “남은 연구기간 동안 인공자갈과 패드의 현장부설과 성능검증 절차에 나서는 한편, 인공자갈의 대량 생산시설 자동화 기술 혹은 3D 프린팅 기술 확보에 나설 계획”이라고 밝혔다.


향후 프리캐스트형 인공자갈 생산 자동화 설비가 갖춰질 경우 도상 자갈층 전체를 인공자갈로 치환하는 기술로도 확대 적용될 수 있을 것으로 전망된다.


이어 “자갈궤도 연장이 전체 궤도 연장의 80% 이상을 차지하고 있는 국내 궤도 부설현황과 지난 2004년도에 개통한 경부고속철도 1단계 구간의 대보수 주기가 도래하고 있는 현 시점에서 이 기술은 LCC 저감형 대안기술로서 경쟁력을 가질 수 있을 것”이라고 덧붙였다.

오성덕 기자 건설기술


http://www.ctman.kr/news/20743

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