김봉균
(Bong-Kyun Kim)
1
이병재
(Byung-Jae Lee)
2
김윤용
(Yun-Yong Kim)
3†
-
정회원, 동산콘크리트산업(주) 기업부설연구소 책임연구원
-
정회원, 대전대학교 토목공학과 조교수
-
정회원, 충남대학교 토목공학과 교수, 교신저자
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키워드
태양광 도로, 프리캐스트 콘크리트 블록 포장, 미끄럼저항성 시험, 도로 침하량
Key words
solar power roadways, precast concrete block pavement, British pendulum test, roadway settlement
1. 서 론
국제에너지기구의 2019년 보고서(1)에 따르면 2040년까지 전 세계 1차 에너지원의 수요가 지속적으로 증가하여 2040년에는 저탄소 에너지원이 총 에너지 증가량에서 절반이상을 차지할
것이라고 전망한 바 있다. 특히 경제와 인구의 성장에 따른 에너지 수요증가 요인이 현재의 에너지효율 개선이나 저탄소 에너지 시스템 도입 등 감축 노력을
능가하기 때문에 지속적으로 온실가스 배출이 증가할 것이라고 예측하였다.
이에 따라 EU의 경우 2030년까지 온실가스 40%이상 감축, 재생에너지 소비 비중 32%이상을 목표로 하고 있고 영국은 2050 탄소중립목표를
세우고 전기차 1,000만대 지원, 온실가스 순배출을 제로로 목표를 세우고 있으며, 독일은 재생에너지의 소비 비중을 현재 30%대에서 80%대까지
확대할 계획에 있다.
이러한 재생에너지에는 태양열, 태양광, 풍력, 바이오, 수력, 지열 등이 있으나 이중 태양 에너지는 유일하게 전 세계적으로 고르게 분포되어 있으면서
무한한 자원량을 가지고 있어 장점이 뛰어나다 할 수 있다.
특히 태양광 발전의 경우 설치에 많은 면적이 필요하므로 도심보다는 도시 외곽의 임야, 전답과 같은 부지나 유휴지 등을 이용하여 설치가 되어 왔으나,
최근에는 도심 지역의 태양광 발전을 위하여 수상 및 건축물 지붕을 활용하거나 건물벽면을 활용하여 자체적으로 전기를 생산하는 BIPV(Building-
Integrated Photovoltaic)시스템이 도입되고 있는 추세이다.
하지만 도시 내 접근성이 좋고 개방형 공간인 도로, 주차장, 보도 등 공간을 활용한 태양광 발전의 적용 기술 개발은 전무한 실정이다. 이는 현재의
도로 건설 분야의 기술 연구는 콘크리트 섬유나 지오그리드와 같은 신소재의 개발과 폐플라스틱 등의 자원재활용 측면에서 초점을 맞추어 진행되고 있기 때문이다.
따라서 도로의 성능개선, 자원재활용, 유지관리 등의 교통수단 측면이 아닌 보다 공익적인 목적(2) 으로 도로를 이용하는 것에 대한 연구가 필요하다 할 수 있다.
이미 해외 선진국에서는 관련 연구가 진행되고 있어 네덜란드의 경우 2014년에 70m구간의 태양광 자전거 도로를 설치하였고, 프랑스의 경우 2016년에
자동차용 태양광 도로를 1km길이로 개통하였다. 또한 중국도 2018년에 1km 구간의 태양광 고속도로를 건설하여 도로를 전기생산을 위한 발전 목적으로
사용하고자 노력하고 있다. 또한 국내에서는 태양광 발전을 위한 보도용 콘크리트 블록에 대한 연구가 진행된 예도 있다(3).
이러한 태양광 도로는 향후 ICT(Information & Communication Technology), IOT(Internet of Things),
ESS( Energy Storage System) 등 관련기술의 융합과 전기자동차 및 자율주행기술의 발전으로 인하여 C-ITS(Cooperative-
Intelligent Transport Systems)가 접목된 스마트 도로 플랫폼(4)의 구축과 연계 가능성이 매우 높아 발전가능성이 많다고 할 수 있다.
태양광 도로 최종 기술 수준은 차량용 고속도로 포장 기술이지만 현재 태양광 도로에 대한 연구는 전반적으로 초기단계로 앞서 기술한 해외사례들도 태양광
패널을 도로에 적용하기 위한 모듈 구조의 설계 최적화에 초점을 맞추어 실증 시설을 구축하고 있다. 특히 태양광 도로의 설치비용을 회수하기 까지 최소
수십년의 시간이 소요되기 때문에 경제성 측면에서 모듈의 최적화가 필요한 실정이다.
이에 우선 보도와 50~60km 이하의 도시 내 일반도로의 적용을 위한 기술개발이 선행되어야 한다. 특히 경제성을 위해서는 태양광 패널을 도로에 적용하는
공법에 있어 현장타설 콘크리트 공법(CIP:Cast-in-place)보다 프리캐스트 콘크리트 포장(PCP:Precast concrete pavement)공법(5) 을 사용함으로써 태양광 패널과 포장체를 모듈화하여 시공하는 방법이 필요하다. PCP공법의 경우 시공기간이 짧고 차선차단 등 공사시 발생하는 교통통제로
인한 통행제한기간을 최소한으로 줄이는 장점 뿐만 아니라, 콘크리트의 품질관리가 용이한 장점이 있다.(6)(7)
따라서 본 연구에서는 도로용 태양광 패널을 도로현장에 적용시키기 위한 포장체 구조요소의 설계 및 시공을 통하여 실제 도로의 시공성과 6개월간의 유지관리
분석을 실시하였다.
2. 실험개요 및 현장적용
2.1 실험 재료
2.1.1 시멘트
본 실험에서 사용한 시멘트는 국내 S사의 밀도 3.15g/cm3, 분말도 3,318cm2/g의 보통 포틀랜드시멘트를 사용하였다
2.1.2 골재
본 실험에서 부순 굵은 골재와 강모래를 사용하였으며, 각 골재의 물리적 성질을 Table 1에 나타내었다.
Table 1. Physical properties of fine aggregate
|
Aggregate
|
FM1)
|
SSD2)
(g/cm3)
|
Water
absorption ratio (%)
|
Unit volume
weight (kg/L)
|
#200 pass efficiency (%)
|
|
Coarse aggregate
|
6.27
|
2.69
|
0.77
|
1.584
|
0.4
|
|
River
sand
|
2.70
|
2.57
|
1.53
|
1.480
|
2.1
|
*1) F.M : Finenes modulus, 2) SSD : Surface dried specific gravity of aggregate
Table 2. Properties of chemical admixture
|
Appearance
|
Density (g/cm3)
|
pH value
|
|
Dark brown liquid
|
1.08±0.3
|
6±1
|
2.1.3 혼화제
혼화제로는 국내 J사 제품의 고성능 AE감수제를 사용하였으며, 그 특성은 Table 2와 같다.
2.2 태양광 발전을 위한 콘크리트 블록의 설계
태양광 도로의 구현을 위해서는 태양에너지를 전기에너지로 변환시키는 태양전지판을 아스팔트 또는 콘크리트 도로의 표면에 설치하여야 하며 이에 따른 케이블
등의 배선이 도로에 구현 가능하여야 한다. 따라서 태양광 패널의 아래, 즉 도로포장체 내부에 배선 구조가 구현되어야 하며 외부의 발전제어용 제어판까지
연결이 되어야 한다.
따라서 내부에 배선을 위한 구조구현이 비교적 수월하고 포장면의 변형, 침하 및 유지관리 등을 고려할 경우 일정한 크기의 프리캐스트 콘크리트 블록을
활용하여 태양광 도로를 구현하는 것이 용이할 것으로 판단하였다. 이에 Fig. 1과 같이 태양광 패널의 배선 설치 및 하부 모르타르 채움을 위한 수평 및 수직 구조의 파이프 구조와 블록간의 하중전달을 고려한 다월바(dowel bar),
철근을 콘크리트 블록 내부에 설치하고 콘크리트의 설계기준압축강도는 35MPa로 계획하였다.
Fig. 1. Design for solar road of precast reinforced concrete Block
2.3 시험체 제작
시험체의 규격은 설치되는 현장의 도로폭과 상부에 부착될 태양광 패널의 규격, 그리고 운반과 설치를 함께 고려하여야 한다. 따라서 다양한 도로폭에 따른
규격의 변경이 용이하도록 틸팅(Tilting)과 진동(Vibrating)이 가능한 강제몰드를 사용하여 제조하였으며 이를 Fig. 2에 나타내었다. 시험체의 규격은 Fig.3과 같이 폭 4.3 m, 길이 2.3 m로 계획하였으며, 슬래브 두께는 250 mm로 제작하였다.
Fig. 2. Steel mold for precast concrete block
Fig. 3. Geometry and details for precast concrete block
콘크리트는 원통형 강제식 믹서를 사용하여 일괄혼합방식으로 총 4분간 혼합하여 믹싱하였으며, 강제몰드에 타설 후 8시간의 증기양생을 실시하였다. 그리고
몰드에서 탈형하여 야외적재장에 28일간 기건양생을 실시하였다. 이때 사용된 배합은 Table 3에 나타낸 바와 같다.
또한 제조된 프리캐스트 콘크리트 블록의 양중시 발생하는 응력 및 온도균열을 방지하기 위하여 Fig. 4와 같이 상하면에 모두 H13@300의 철근을 배근한 후 각종 앵커부근에도 보강철근을 배근하였으며 제조전경 및 완성제품은 Fig. 5, 6과 같다.
Table 3. Mixing design of ordinary concrete
|
W/C
(%)
|
S/a
(%)
|
Unit volume weight(kg/m3)
|
|
C1)
|
W2)
|
Aggregate
|
Ad.5)
|
|
CA3)
|
S4)
|
|
40.0
|
39.5
|
437.5
|
175.0
|
1078.1
|
682.8
|
5.25
|
*1) C : Cement, 2) W : Water, 3) CA : Coarse aggregate,
4) S : Fine aggregate, 5) Ad. : Admixture
Fig. 4. Reinforcement details
Fig. 5. Manufacturing process of precast concrete block
Fig. 6. Manufactured precast concrete blocks
2.4 현작적용 및 유지관리분석
현장적용 시험평가를 위한 실험부지는 관람차량 및 대형버스 등 중차량의 통행이 빈번할 뿐만 아니라 공사를 위한 도로운행 통제시 우회도로의 마련이 용이한
I시내에 위치한 E파크 광장 진입로의 우회도로로 결정하였다. Fig. 7에 현장전경을 나타내었다.
해당 시험평가 구간 도로는 폭이 약 5.0 m, 직선 및 곡선연장이 각각 75 m, 41 m로 구성되어 있는 총 116 m의 연장을 가지고 있으며
Fig. 8과 같이 종단 구배는 0.05%(좌측), 0.16%(중앙), 0.06%(우측)이며, 횡단 구배는 시점부는 1.12%, 종점부는 2.53%로 측정되었다.
또한 Fig. 9에 나타낸바와 같이 해당 시험평가 구간 도로의 직선구간에 길이 2.3 m의 콘크리트 블록을 총 13개를 설치하여 총 연장 약 30 m 구간으로 시공을
계획하였다.
Fig. 7. Test site for installation
Fig. 8. Longitudinal and transverse gradient
Fig. 9. Installation plan of precast concrete blocks
시공순서는 Fig. 10에 나타낸 바와 같이 계획되어 있는 구간에 맞도록 기존의 아스팔트 포장을 절단한 후 파쇄하여 철거하였다. 그리고 계획 깊이 까지 지반을 깍아 평탄하게
다진 후 레벨기를 통해 평탄성을 확인하였다.
콘크리트 블록을 설치하기 전 지반에 방수포를 깔아 하부의 무수축 모르타르가 유실되는 것을 방지하였으며, 크레인을 이용하여 콘크리트 블록을 안착한 후
Fig. 11에 나타낸 것과 같이 높이 조절용 인서트(Level lifting insert)를 사용하여 블록간의 단차와 전체적인 평탄성을 확보하였으며 이후 무수축
모르타르로 콘크리트 블록 하부와 지반과의 공간을 채워 마감하였다. 완공후의 전경은 Fig. 12와 같다.
Fig. 10. Installation of precast concrete block
Fig. 11. Leveling and undersealing grouting
Fig. 12. View after completion of construction
2.5 실험방법
2.5.1 압축 및 휨강도 시험
압축강도 시험용 공시체는 Φ100×200 mm의 원주 형태로 제조하였고, 휨강도 시험용 공시체는 100×100×400 mm의 직사각형 공시체를 제조하였다.
KS F 2405 콘크리트의 압축강도 시험방법과 KS F 2408 콘크리트의 휨강도 시험방법 중 중앙점 재하방법에 따라 1,000 kN 유압식 강도시험기를
사용하여 각 배합요인당 3회씩 실험하여 평균값을 측정값으로 하였다.
2.5.2 미끄럼 저항성 시험
미끄럼 저항성 측정 시험방법은 ASTM E303에서 규정한 BPT(British pendulum tester)를 이용하여 저항값(BPN)을 얻는 방법과
ASTM E274에서 규정한 타이어식 미끄럼저항 측정기를 이용하여 저항값(SN)을 측정하는 방법이 있다.
본 연구에서는 현장에서 간단하게 측정할 수 있는 BPT를 사용하여 측정하였으며 이를 Fig. 13에 나타내었다. 또한 측정주기는 시공을 완료한 후 6개월 동안 2개월마다 측정을 하여 총 4회를 측정하였다.
시험 순서는 먼저 블록 표면을 깨끗하게 물로 세척한 후 습윤상태인 경우와 공기 중에 건조시킨 후 각각 조건에 대하여 측정하였으며 측정시 일정한 값이
나올 때 까지 최대 5회까지 반복하여 측정하였다.
그리고 반복된 측정값을 평균하여 Eq. (1)과 같이 20 ℃에서의 온도 보정한 후 결과값으로 결정하였으며 그 외의 시험방법은 KS F 2375에 준하여 시험하였다.
여기서, $C_{20}$는 20℃로 보정한 BPN값, $C_{t}$는 노면온도 t ℃일 때의 BPN값이고, $t$는 노면온도(℃)이다.
Fig. 13. Skid resistance tests with british pendulum tester
2.5.3 콘크리트 블록의 침하 측정
프리캐스트 콘크리트 블록의 도로포장 적용성을 검토 하기 위하여 기존포장과 블록 및 블록간의 단차와 블록의 침하량을 레벨 측량기를 이용하여 측정하였다.
기존의 보도용 콘크리트 블록에 대한 연구(3)를 기초로 하여 시험시공 종료 후에 2개월 간격으로 6개월 간 침하량을 측정하는 것으로 유지관리 계획을 수립하였다. 측점의 위치는 아래 Fig. 14, 15에 나타내 바와 같이 기존포장부의 시종점부와 신설 블록 1개당 6개소로 하였다.
Fig. 14. Settlement test with optical level
Fig. 15. Measuring points for settlement test
3. 결과 및 고찰
3.1 압축 및 휨강도 시험
시험용 공시체는 몰드에 타설 후 최고온도 50~60℃로 증기양생을 실시 하였으며 탈형 후 기건양생을 실시하였다. 재령 7, 28일에서의 압축 및
휨강도를 측정하였으며 시험 결과는 Table 4와 같다.
Table 4. Average concrete strength
|
Curing
condition
|
Age
|
Compressive Strength
|
Flexural strength
|
|
#1
|
#2
|
#3
|
#1
|
#2
|
#3
|
|
Steam
curing
|
7 days
|
28.5
|
30.1
|
30.8
|
4.8
|
5.9
|
5.1
|
|
28 days
|
36.3
|
38.6
|
37.1
|
6.4
|
7.3
|
6.6
|
시험 결과를 살펴보면 재령 7일 압축강도는 평균 29.8MPa으로 나타났고, 휨강도는 평균 5.3MPa로 측정되었다. 재령 28일의 압축강도 및 휨강도
평균이 각각 37.3MPa, 6.8MPa로 나타났다. 콘크리트시방서에 따르면 포장콘크리트의 경우 설계휨강도를 4.5MPa이상으로 규정하고 있으므로
재령 7일에서도 설계기준을 상회하는 것으로 나타났다. 따라서 프리캐스트 콘크리트 블록의 제조 후 7일이 지나면 시공이 가능할 것으로 판단된다.
3.2 미끄럼 저항성
노면 조건에 따른 미끄럼 저항성 시험 결과는 아래 Fig. 16과 같다.
결과를 살펴보면 각 기간에서 1~5회까지 측정횟수에 따라 측정값이 변화하는 경향을 나타내, 초기 측정값이 대체로 높게 나타나고 이후 안정화된 측정값이
측정되는 추세를 보였다. 또한 전체적으로 건조 조건보다 습윤 조건에서 평균 약 43.9%가 감소되는 경향이 나타났다.
시공직후에서 6개월 동안 건조 조건에서는 BPN 평균 결과값이 69.8, 69.6, 69.4, 67.8로 측정되었으며 습윤시에는 40.3, 39.8,
39.3. 36.0으로 측정되었다. 시간에 따른 결과값의 변화를 살펴보면 건조 및 습윤조건에서 미끄럼 저항성이 미소하게 감소하는 추세를 보여 초기에
비하여 건조 및 습윤 조건에서 2.8%, 10.5%가 감소되는 것으로 나타나 건조 조건보다 습윤 조건 시 미끄럼 저항성 감소폭이 더 크게 나타났다.
일반적으로 도로의 경우 『도로안전시설 설치 및 관리 지침, 2019』에 따라 간선도로 및 자동차전용도로의 경우 32이상, 고속도로일 경우 최소 47이상을
확보하도록 기준을 제시하고 있어, 본 연구의 콘크리트 블록은 일반도로의 미끄럼 저항 기준은 만족하는 것으로 나타났다.
하지만 시간의 경과에 따른 감소폭을 고려하여 보면 수년 후에는 기준을 만족하지 못할 것으로 예측된다. 이는 강제몰드를 통한 프리캐스트 콘크리트 제품의
표면이 매끄럽고, 주변 환경을 고려하여 콘크리트표면에 도색을 하였기 때문에 미끄럼저항성이 감소되는 것으로 판단된다. 물론 실제 미끄럼 저항성에 영향을
주는 요인은 교통량, 타이어 마모정도, 기상, 온도 등 다양한 요인이 있기 때문에 특정조건과 위치에서 조사된 미끄럼 저항 특성을 일반화하기에는 곤란하다.
이에 지속적인 추적조사를 통하여 미끄럼저항성의 변화양상 검토가 요구된다.
Fig. 16. BPN periodically measured under dry and wet conditions
3.3 콘크리트 블록의 침하 측정 및 유지관리
총 6개월 동안 2개월 간격으로 블록의 침하 상태를 측정하였으며, 그 결과는 Fig. 17에 나타내었다. 결과를 살펴보면 2개월 후 침하량은 0.1~1.0 mm, 평균 0.378 mm 이며, 4개월 후에는 0.4~1.0 mm, 평균 0.614
mm, 6개월 후에는 0.5~2.0 mm, 평균 1.228 mm로 측정되었다. 측정값 차이가 매우 작아 오차범위를 고려하더라도 시간이 경과함에 따라
점차 증가하는 경향을 나타내는 것으로 볼 때 일정량의 침하가 진행되고 있는 것으로 판단된다.
또한 블록간의 단차는 설치시 평균 1.875 mm를 나타냈으나, 시간 경과에 따라 1.917 mm, 1.958 mm, 1.979 mm로 점차 미소하게
증가하는 경향을 나타내었다.
하지만 국내 도로의 허용 침하량을 통상적으로 100 mm 이하로 제한하는 것을 감안하면 콘크리트 블록의 침하량은 매우 작은 값으로 도로 포장으로서의
성능이 저하되는 수준은 아닌 것으로 판단된다. 다만 미끄럼 저항성과 침하량에 대한 장기적인 계측을 2개월 간격으로 지속할 계획이며, 이 결과를 토대로
태양광 도로용 콘크리트 블록의 유지관리를 위한 적정한 점검주기와 방법에 대한 기준을 마련할 것이다.
Fig. 17. Periodically measured settlement
4. 결 론
본 연구는 태양광 발전이 가능한 도로를 구축하기 위하여, 태양광 발전용 패널을 도로에 적용할 수 있는 프리캐스트 콘크리트 블록을 설계 및 제조하여
현장 적용성을 평가하였으며, 그 결과는 다음과 같다.
(1) 압축 및 휨강도 시험 결과, 재령 7일에는 평균 29.8MPa과 5.3MPa, 재령 28일에는 평균 37.3MPa과 6.8MPa로 측정되어
콘크리트포장에 대한 국내 설계기준을 모두 만족하는 것으로 평가되었다.
(2) 미끄럼 저항성 평가 결과, BPN값이 건조 조건에서는 67.8~69.8의 범위를 나타내 평균 69.2로 나타났으며, 습윤조건에서는 36.0~40.3의
범위를 나타내 평균 38.8이 측정되었다. 따라서 국내 기준상 일반도로의 설계기준은 만족하였으나, 고속도로 및 일반보도의 설계기준은 만족시키지는 못하는
것으로 나타났다. 또한 시간이 경화함에 따라 미끄럼 저항성이 감소할 것으로 판단되므로 일정 기간 동안 미끄럼 저항성의 감소 양상을 추가적으로 조사하여
분석할 필요가 있다고 판단된다.
(3) 콘크리트 블록의 침하량 측정 결과, 시간이 경과함에 따라 침하량이 0.378 mm, 0.614 mm, 1.228 mm로 점차 증가하는 경향을
보였다. 또한 블록간 단차는 설치 초기 1.875 mm에서 시간 경과에 따라 1.917 mm, 1.958 mm, 1.979 mm로 미소하게 증가하는
경향을 나타냈다. 그러나 침하 발생량이 국내 도로의 허용 침하량에 비하여 미소한 것으로 평가되었다.
(4) 추후에는 미끄럼 저항성과 침하량에 대한 장기적인 측정 결과를 토대로 태양광 도로용 콘크리트 블록의 유지관리를 위한 적정한 점검주기와 방법에
대한 기준을 마련할 필요가 있다.
감사의 글
이 논문은 2015년도 정부(과학기술정보통신부)의 재원으로 한국연구재단의 지원을 받아 수행된 기초연구사업임(No. 2015R1A5A1037548).
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