KICT 한국건설기술연구원

검색

전체 과제명 책임자 검색

전체 17건 현재 페이지 1/2

• 항만시설물 스마트 유지관리 기술개발 연구 동향 연구자: 민지영 구조연구본부 연구위원 기후변화가 가속화되면서 항만은 더 이상 단순한 물류거점이 아니라, 자연재해로부터 국가의 생명선(生命線)을 지켜야 하는 안전 인프라의 최전선이 되고 있다. 폭풍, 해일, 집중호우, 지반침하 등 복합적 재난 요인이 늘어나는 상황에서, 항만 구조물의 변형이나 손상은 물류체계 마비로 직결될 수 있다. 이에 한국건설기술연구원(이하 KICT)은 ‘ICT 기반 항만 인프라 스마트 재해 대응 기술 개발’, ‘항만시설물 스마트 유지관리체계 수립’ 연구를 통해, 항만시설의 상태를 상시 혹은 정기적으로 진단하고 재해 발생 전 위험을 예측하고, 성능 및 비용 예측을 통해 시설물을 선제적으로 관리할 수 있는 지능형 관리 체계를 구축하고 있다. 본 연구는 “계측–인공지능–의사결정”이라는 세 가지 축을 중심으로, 각 기술이 유기적으로 결합된 스마트 유지관리 프레임워크를 제시한다. 이는 기존의 인력 기반 주기적 점검 중심의 관리 방식을 넘어, 실시간 데이터 기반의 예방적·능동적 유지관리 체계로의 전환을 이끄는 핵심 기술이다. 기술 #1. 스마트 센싱 기반의 실시간 데이터 수집 체계 항만시설은 파랑, 조위, 조류, 염해 등 다양한 환경 인자가 복합적으로 작용하는 대표적인 가혹 환경이다. 이를 감시하기 위해 KICT 연구진은 가속도계, 변위계, 경사계, 온습도 센서 등으로 구성된 스마트 센서 네트워크를 구축하였다. 이 시스템은 항만 내 구조 상 혹은 운영 상 안전 취약부위에 센서를 다중 배치하고, 주기적으로 변위·경사·진동·온도 등 주요 데이터를 수집한다. 수집된 데이터는 무선 통신망을 통해 클라우드로 전송되며, 전송 지연률 1% 미만, 데이터 손실률 0.01% 이하를 달성하였다. 구축된 계측 시스템은 선박 접·이안 시 충격 하중, 태풍 및 고파랑 등 재해 상황에서의 구조 응답을 정밀하게 관측 할 수 있다. 이를 통해 재해 이후에도 항만 시설의 지속적 사용 가능성을 신속히 판단할 수 있으며, 구조적 손상이 어느정도 수준인지를 정량적으로 평가할 수 있다. 특히 이러한 데이터는 선사·하역사·운영사·관리주체 등 다양한 이해관계자 간의 시설물 파손 책임과 보상 주체에 관한 논쟁을 최소화하는 근거로 활용될 수 있다. 즉, 센서기반 계측정보가 객관적인 “사실 데이터”로 기능함으로써, 항만 운영의 효율성과 투명성을 동시에 높이는 것이다. 기술 #2. AI 기반 이상 감지 및 위험 예측 기술 센서로부터 수집된 방대한 데이터를 단순히 저장하는 것만으로는 의미가 없다. KICT 연구진은 데이터를 의미있는 구조적 정보로 변환하기 위해 AI를 적극 도입하였다. AI는 장기간 측정된 시계열 데이터를 학습해 활동, 경사, 침하 등 주요 성능지표의 정상 패턴을 정의하고, 이를 기준으로 비정상 거동을 탐지한다. 연구팀은 PCA(주성분분석) 기반 간이 신호 분석, GRU(게이트순환유닛) 기반 예측 모델, 그리고 GMM(가우시안 혼합 모델) 기반 이상 탐지 알고리즘을 개발하였다. 특히 GMM 기반 이상 탐지 모델은 지속적으로 데이터를 학습하여 계절적 변화나 계측 시스템 노후화에 따른 센서 드리프트를 보정하여 이상치를 탐지할 수 있어, 장기적인 자기 진화형 예측 시스템으로 발전하고 있다. 기술 #3. 스마트 플랫폼 및 의사결정 지원 시스템 데이터 분석 결과는 스마트 모니터링 및 유지관리 플랫폼을 통해 관리자가 즉시 확인할 수 있다. 플랫폼은 웹 기반 대시보드 형태로 설계되어, 주요 항만의 현재 상태, 드론 기반 외관 손상 탐지 결과, 센서 모니터링 기반 이상치 탐지 결과, 콘크리트 내구성 비파괴 검사 데이터 기반 이상 징후 등을 한눈에 보여줄 수 있도록 설계되었다. 다양한 데이터의 분석 결과를 시각적으로 표현하여, 색상 기반의 위험지도나 3D 구조물 모델을 통해 이상 구간을 직관적으로 파악할 수 있다. 플랫폼에는 자동보고 기능도 포함되어 있어, 위험 감지 시 관리자는 즉시 현장 조치를 지시할 수 있다. 즉, “데이터-지식-행동이 하나의 선순환으로 이어지는 유지관리 체계”이다. 스마트 유지관리 프레임워크 - ‘예측에서 예방으로’ 이 세 가지 핵심 기술은 스마트 유지관리체계로 통합된다. 스마트 유지관리 프레임워크는 센싱–분석–판단–조치의 모든 단계를 자동화하며, AI가 실시간으로 시설물의 건강상태를 평가하고 대응 전략을 제시할 수 있도록 한다. 기존의 주기적 점검 중심 관리체계에서는 ‘문제 발생 후 대응’이 일반적이었다면, 이 시스템은 ‘문제 발생 전 예방’으로의 전환을 실현할 수 있게 한다. 이를 통해 항만시설의 평균 유지관리 비용, 비계획적 운영 중단을 줄일 수 있을 것으로 기대하고 있다. KICT의 비전 - 데이터로 항만의 미래를 설계하다 이번 연구는 단순히 센서를 설치하거나, 드론으로 시간이력 영상 데이터를 확보하거나, AI 모델을 적용하는 수준을 넘어, 데이터 중심의 인프라 관리 패러다임을 제시했다는 점에서 큰 의미를 가진다. 항만시설의 안전관리는 결국 데이터와 지능의 문제이며, 이를 통해 국가 물류 인프라의 회복탄력성을 높일 수 있다. 앞으로도 KICT는 항만뿐 아니라 해양·도시 전반의 인프라로 기술을 확대하여, 재난에 강한 대한민국 스마트 인프라 실현에 앞장설 계획이다. 구조연구본부 게시일2026-02-26 조회수 134
• 건설 현장에 한 걸음 앞둔 구조물 원격시공 기술 연구자: 이상윤 KICT 구조연구본부 연구위원 들어가며 우리나라를 비롯한 주요국들은 고령화와 생산가능인구 감소로 인한 안전성과 생산성의 저하 문제를 겪고 있다. 영국(Construction 2025), 일본(i-Construction 2.0)과 같은 주요 국들은 이러한 문제를 해소하기 위한 다양한 정책을 추진하고 있다. 우리나라도 국토교통부의 「스마트 건설 활성화 방안」, 「제7차 건설기술진흥기본계획(`23~`27)」을 통해 건설현장의 안전과 생산성을 향상시키기 위한 정책을 펼치고 있다. 한국건설기술연구원에서는 국토교통부의 ‘스마트건설기술개발사업’을 통해 2020년부터 대표적인 도로구조물인 교량을 대상으로 위험한 공정에 노출되는 작업자를 대신하여 로봇이 원격으로 시공할 수 있도록 하는 기술을 개발하고 있다. 교량 원격시공 기술은 두 가지 형태로 개발되고 있는데, 하나는 원격으로 교량용 거더를 정밀한 위치에 거치시키는 교량 거더 원격정밀거치 기술이고 다른 하나는 교각을 원격으로 시공하기 위한 교각 원격시공 기술이다. 이 글에서는 두 가지의 구조물 원격시공 기술을 소개하고자 한다. 교량 거더 원격거치 기술 교량을 건설하는 과정에서 교량의 바닥판을 지탱하는 거더(또는, 빔)를 교각 위에 설치하는 작업이 필요한데, 이 작업을 위해서는 거더가 교량 받침위에 정확히 놓이도록 거더의 위치를 세밀하게 조정해 줄 작업자를 교각 위에 투입해야 한다. 높게는 수십 m에 이르는 높은 위치에서 이루어지는 거치 작업은 사고의 위험이 높다. 교량 거더 원격정밀 거치 기술은 교각 위에 투입되는 작업자를 대신해서 로봇이 거더의 위치를 정밀하게 조정하는 기술이다. 이 때 사용되는 로봇은 거더를 거치하는 작업에 전형적인 형태로 개발된 것으로 거더 원격정밀거치로봇이라 부른다. 거더 원격거치 로봇은 크레인으로 인양하여 사용되는데, 기존에 이동식 크레인으로 거더를 들어 올리는 대신 거더의 양쪽 끝에 연결되는 로봇을 인양하는 형태로 운용된다. 크레인으로 거더에 연결된 거더 원격정밀거치로봇을 인양하여 거더를 교량 받침 인근으로 이동시키면, 이후에 이루어지는 거더의 수평위치 조정과 최종 거치 작업은 거더 원격정밀거치로봇이 수행하게 된다. 거더 원격정밀거치로봇의 조작은 지상에서 이루어진다. 지상의 로봇 조작자는 로봇과 거더에 설치되어 있는 카메라 영상을 통해 위치와 상태를 확인하면서 작업을 안전하게 수행 할 수 있다. 2023년에는 거더 원격정밀거치로봇 시제품 2기를 이용하여 교량 현장과 유사하게 조성된 테스트베드 현장에서 거더를 거치하는 작업을 성공적으로 수행한 바 있다. 이 기술을 성공적으로 적용하기 위해서는 거더의 수평위치 조정의 정밀도 확보가 중요한데, 테스트베드 현장 적용을 통해 연구개발 최종 목표로 설정된 수평위치 조정의 정밀도(오차 ± 3 mm 이내)를 확보할 수 있는 것을 확인할 수 있었다. 2024년에는 교량 건설 전문기업을 대상으로 개발된 기술에 대한 기술이전이 이루어졌고, 전문기업과 함께 2025년에 시제품 2기를 실제 교량 건설 현장에 적용할 계획이다. 개발된 거더 원격정밀거치 기술이 교량 건설 현장에 성공적으로 적용되고, 다른 거더 교량 건설 현장에 활용된다면 거더 가설 중 사고로 인한 인명피해를 줄이는데 크게 기여할 수 있을 것으로 기대한다. 교각 원격시공 기술 현장타설 콘크리트 교각을 시공하기 위한 철근 연결, 거푸집 조립, 콘크리트 타설 작업은 시공 중인 교각에 설치된 작업대 위에서 이루어진다. 즉, 교각 시공 과정이 높은 위치에 설치된 작업대 위에서 이루어지기 때문에 사고의 위험이 높은 작업 중의 하나이다. 교각 원격시공 기술은 작업대 위의 작업자 대신 원격으로 제어되는 로봇을 투입하여 교각시공에 필요한 작업을 수행하는 기술이다. 콘크리트 교각 원격시공에 적용되는 로봇은 전형적인 다굴절 로봇팔 형태로 총 3기가 투입된다. 각각의 로봇은 교각 시공에 필요한 작업용 도구(End-Effector 또는 Attachment) 3가지를 교체해 가면서 철근망 설치, 철근 연결, 콘크리트 바이브레이팅 등 필요한 작업을 수행한다. 이들 작업에 필요한 작업용 도구들은 로봇의 뒤에 설치된 툴 스테이션(Tool Station)에 구비된다. 로봇이 설치되는 작업대는 로봇의 중량을 지지하고 자동으로 승·하강이 가능하도록 개발되었다. 맺음말 건설현장의 노동력 부족과 고령화 문제가 두드러지고 있는 상황과 로봇 및 관련 기술의 급속한 발전으로 인해, 건설분야에 로봇을 도입하기 위한 기술 개발이 활발하게 추진되고 있다. 건설 특히, 시공을 위한 로봇 기술은 아직까지 태동기라 할 수 있겠지만, 최근의 정부와 민간 기업의 적극적인 건설 로봇 관련 기술 개발 분위기로부터 머지않은 미래에 로봇이 건설 현장의 노동력을 상당 부분 대신하게 될 것으로 예상된다. 이 글에서 소개한 것과 같이, 로봇을 이용한 거더 원격 정밀거치 기술은 건설현장 적용을 앞두고 있고 사업화가 추진될 예정이다. 로봇으로 인한 건설 현장의 변화가 급격하게 이루어질 수는 없겠지만, 거더 원격정밀거치 기술과 같은 현장적용 사례는 건설 현장의 변화를 촉진하는 마중물이 되어줄 것으로 기대한다. 참고자료 HM Government (2013). Construction 2025. 국토교통성 (2024). 「i-Construction 2.0」 으로 책정, 보도자료(2024.04.16.). 국토교통부 (2022), 스마트건설 활성화 방안. 국토교통부 (2023), 제7차 건설기술진흥 기본계획. 구조연구본부 게시일2025-12-02 조회수 303
• 탄소를 먹는 콘크리트, 탄소중립의 해법이 되다 연구자: 박정준 KICT 구조연구본부 연구위원(탄소중립 건설재료팀) 지구는 매년 이상기후라는 경고장을 보내고 있다. 폭우, 가뭄, 태풍으로 인한 인명과 인프라 피해가 반복되고, 온실가스 감축은 더 이상 선택이 아닌 생존의 과제가 되었다. 특히 시멘트·콘크리트 산업은 전 세계 온실가스 배출의 8%를 차지하는 대표적인 다배출 산업이다. 한국건설기술연구원 구조연구본부 탄소중립 건설재료팀은 이러한 현실을 정면으로 돌파하기 위해 ‘Carbon Eating Concrete(CEC)’ 기술을 개발했다. 이들의 목표는 단순히 배출을 줄이는 것이 아니라, 콘크리트 산업 전체의 탄소중립을 앞당기는 것이다. 탄소중립을 향한 도전, CEC 기술 개발 탄소중립 건설재료팀은 건설산업의 탄소중립(Net Zero) 달성을 목표로 연구를 이어가고 있다. 이들은 국내외에서 시급히 요구되는 탄소 감축 기술 개발에 대응하기 위해 시멘트·콘크리트 산업의 온실가스 문제에 정면으로 도전하고 있다. 연구팀의 핵심 연구 분야는 ‘Carbon Eating Concrete(CEC)’ 기술이다. 콘크리트 제조 과정에서 발생하는 이산화탄소를 콘크리트 내부 성분과 반응시켜 안정적인 광물 형태로 저장하고, 동시에 강도와 내구성을 높이는 것이 기술의 핵심이다. 배출가스를 단순한 오염원이 아닌 자원으로 활용하는 순환형 접근을 실현한 셈이다. 연구팀은 시멘트, 골재, 배합수 등 건설재료 전 과정에서 CO₂ 저장 가능성을 탐구하며 콘크리트 산업 전반의 탄소중립 효과를 극대화하는 데 초점을 맞추고 있다. 국내 최대 규모의 CO₂ 양생 장비를 활용해 교량용 프리캐스트 바닥판에 직접 CO₂를 저장하는 실증 연구에 성공했으며, 현장타설 레미콘에도 적용할 수 있는 ‘회수수 CO₂ 처리 기술’을 개발해 세계 최고 수준의 효율을 달성했다. 궁극적으로 연구팀은 소재개발–구조성능평가–현장적용–정책제안으로 이어지는 전주기적 연구 체계를 통해, 기술이 실험실에 머무르지 않고 실제 건설 현장에 안착할 수 있도록 하고 있다. 탄소중립을 앞당길 게임체인저, CEC 기술 국제에너지기구(IEA)는 콘크리트 제조 과정에서 CO₂를 활용하는 CCU(Carbon Capture Utilization) 기술이 전체 CCUS(탄소포집·저장·활용) 감축 목표 10Gt 중 1~15%를 담당할 잠재력이 있다고 전망한다. 이는 CEC 기술이 전 세계적으로 탄소중립을 앞당길 실현 가능한 해법임을 보여준다. CEC 기술은 CCUS 기술 체인에서 ‘키 플레이어’로 불린다. 산업 현장에서 포집된 CO₂를 대량으로 활용하고 동시에 안전하게 저장할 수 있는 거의 유일한 기술이기 때문이다. 탄소-연료전환이나 탄소-석유전환과 같은 다른 CCU 기술들이 아직 개념증명 단계에 머무르고 있는 것과 달리, CEC는 이미 실증을 통해 현장 적용 가능성을 입증했다. 연구팀은 국내 콘크리트 생산량의 20%만 CEC 기술로 전환해도 연간 52만 톤의 CO₂를 감축할 수 있으며, 이는 국내 CCUS 감축 목표의 약 4.9%에 해당한다고 전망한다. CEC 기술은 건설산업을 기후위기 대응의 주체로 전환시키는 핵심 열쇠다. 난관을 넘어선 융합 연구 하천실험센터의 가장 큰 강점은 실험실증 기반의 통합솔CEC 기술 개발은 단순히 CO₂를 콘크리트에 주입하는 문제를 넘어, 포집–활용–평가의 전 과정을 하나의 사슬로 연결하는 융합 연구다. 이를 위해 구조연구본부를 중심으로 건축·화재안전연구본부, 신한대, 연세대, ㈜지승C&I 등 산·학·연 전문가들이 참여해 초기 단계부터 정기 세미나와 토론을 이어왔다. 연구진은 서로 다른 전공 언어를 이해하고, 데이터를 공유하며 문제를 풀어나가는 과정을 거쳐 융합 연구의 모델을 만들어가고 있다. 가장 큰 도전은 실험실 수준에서 성공한 기술을 산업 규모로 확장하는 스케일업 과정이었다. 단순히 반응기 용량을 키우는 것을 넘어, 현장에서 요구하는 품질과 신뢰성을 갖춘 시제품을 대량 생산할 수 있는지 검증해야 했다. 대형 스케일에서 예상치 못한 반응 변동이 발생했을 때, 연구팀은 직접 여러 단계의 mock-up 반응기를 설계·제작하고, 시뮬레이션과 데이터를 반복적으로 분석해 최적 조건을 도출했다. 이러한 과정을 거쳐 현재는 레미콘과 프리캐스트 제품 생산 공장에서 실증 실험이 활발히 진행되고 있다. 확보한 데이터를 다시 연구에 반영해 설비와 공정을 개선하는 선순환 체계도 구축했다. 끊임없는 조정과 최적화 덕분에 CEC 기술은 점차 현장 표준으로 자리 잡아가고 있다. 전주기적 연구 역량과 팀워크 탄소중립 건설재료팀의 가장 큰 강점은 소재 개발에서 제도개선까지 이어지는 전주기적 연구 역량이다. 연구진은 단순한 소재 개발을 넘어 구조 부재의 안전성 평가, 현장 적용 검증, 기술 표준화와 정책 제안까지 하나의 흐름으로 연구를 수행한다. 이러한 접근은 실제 건설 현장에서 발생할 다양한 문제를 사전에 예측하고 해결책을 마련하게 해, 기술의 실용화 가능성을 크게 높인다. 이 모든 성과는 팀원들 간의 끈끈한 신뢰와 협력에서 비롯됐다. 탄소중립 건설재료팀은 직급이나 경력에 상관없이 누구나 자유롭게 의견을 제시하고, 서로 다른 관점을 존중하며 최적의 해결책을 찾아가는 수평적 문화를 지닌다. 수많은 시행착오와 실패를 극복하는 과정에서 팀원들은 서로를 격려하며 힘을 북돋아 주었고, 이러한 문화가 연구자들에게 긍정적인 자극이 되어 지속 가능한 미래를 함께 만들어가는 원동력이 되고 있다. 구조연구본부 게시일2025-10-28 조회수 250
• 말보다 실천으로 조용하지만 단단한 구조물 건강을 책임지는 연구원 연구자: 김재환 KICT 구조연구본부 수석연구원 사고가 없으면 눈에 띄지 않는다. 하지만 눈에 보이지 않기 때문에 더 치열하게 연구하고, 대비해야 하는 분야가 있다. 노후 인프라의 안전을 예측하고 진단하는 일. 그 조용한 책임감의 중심에서 묵묵히 연구를 이어가는 이가 있다. 구조연구본부 김재환 수석연구원을 만났다. 손으로 확인하고, 데이터로 말하는 연구자 김재환 수석연구원은 2019년 박사후연구원으로 한국건설기술연구원과 처음 인연을 맺었다. 2021년 정식 입사 후 현재까지 교량 구조물의 유지관리 기술을 중심으로 연구를 이어가고 있다. “앞으로는 노후된 인프라가 급속히 늘어날 거라 예상됩니다. 안전하게 사용할 수 있도록 상태를 예측하고 진단하는 기술이 매우 중요해졌죠.” 그의 연구는 단순히 상태를 기록하고 감지하는 데 그치지 않는다. 데이터 분석을 통해 구조물의 상태를 ‘예측’하는 데 집중하고 있으며, 최근에는 인공위성 데이터를 활용한 평가 기술까지 영역을 넓혔다. 어떤 과제가 가장 중요하냐는 질문에는 망설임 없이 대답한다. “특정 하나를 꼽기보다는, 지금 진행 중인 모든 과제가 각기 다른 의미와 중요성을 가지고 있습니다.” 과장된 드라마도, 감정적인 기복도 없다. 묵묵히 실험하고 분석하고 검증하는 과정을 거듭하는 가운데, 그는 “어느 하나 프로젝트를 찍어서 말하기는 어려운거 같다”고 말하지만, 그 말 속에는 일상의 성실함이 얼마나 강력한 연구의 에너지로 작용하는지를 짐작하게 한다. 연구의 시작은 우연, 지속은 성취감 김재환 수석연구원은 처음부터 이 길을 목표로 하지는 않았다. 대학 생활 중 자연스럽게 이 분야를 접했고, 실험하고 분석하는 과정에서 흥미를 느껴 연구자의 길로 들어섰다. “무언가를 분석하고, 손으로 직접 실험하는 과정이 재미있었어요. 선배들의 조언도 큰 영향을 줬고요.” 그렇게 시작된 연구는 박사과정까지 이어졌다. 만약 이 길이 아니었다면 그는 아마 농부가 되어 있었을지도 모른다고 그는 말했다. “고향이 제주도라 부모님 농사를 도우며 자랐거든요. 농사일을 피하고 싶어서 더 열심히 공부하게 된 것도 있어요.” 연구자로서 가장 큰 보람을 느끼는 순간에 대해 그는 이렇게 말한다. “논문이 게재되거나 학술대회 발표에서 좋은 반응을 얻었을 때요. 연구자는 또 다른 형태의 작가라고 생각해요. 내가 쌓아온 연구를 글과 발표로 세상에 알릴 수 있다는 건 정말 기쁜 일이죠.” 조용한 체력, 단단한 기술, 그리고 확장되는 시선 정신적으로 에너지를 많이 소모하는 연구 업무 특성상, 김재환 수석연구원에게는 체력이 곧 연구의 기반이다. 그는 혼자서 집중할 수 있는 운동, 특히 헬스를 통해 몸과 마음을 함께 단련한다. 연구가 막힐 때는 좋아하는 문장을 떠올리며 스스로를 다잡는다. 연구에는 정답이 없다는 사실을 늘 기억하며, 막힘이 생기면 오히려 잠시 내려놓고 다른 일로 전환하며 에너지를 재충전한다. 그렇게 돌아왔을 때 오히려 새로운 방향이 보이는 경우도 많다. 그는 건설기술 분야가 아직 사회적으로 충분한 주목을 받지 못하고 있다고 느낀다. “사고가 없으면 ‘잘 만들어졌겠지’ 라고 생각하는 경우가 많아요. 하지만 하나의 기술이 현장에 적용되기까지는 수많은 검증과 고민이 필요합니다.” 기술이 곧 사람의 생명을 다루는 일이라는 점에서, 현장 적용에는 철저한 신뢰성과 안전성이 전제되어야 한다고 강조한다. “앞으로는 새로운 기술이 더 쉽게 시험되고, 현장에서 검증될 수 있는 기회가 많아졌으면 합니다. 그래야 진짜 기술 발전이 이뤄질 수 있다고 생각해요.” 구조연구본부 게시일2025-09-25 조회수 140
• 사장교 케이블 장력 모니터링 기술 현황 연구자: 박영수 KICT 구조연구본부 수석연구원 들어가며 시설물안전법에서는 교량을 포함한 시설물의 관리 중 요도를 주로 시설물의 규모, 형식 등과 연계하여 정의하고 있으며, 특수교량은 정밀 계측을 통해 교량 상태를 모니터링하며 관리되고 있다. 특수교 중 하나인 사장교(Cablestayed Bridge)는 대표적인 케이블 지지 구조물이다. 보강형을 주탑에 연결된 사장 케이블로 지지하는 형식의 교량을 말한다. 사장교는 케이블의 인장강도와 주탑 및 보강형의 휨, 압축강도를 효과적으로 결합시켜 구조적 효율을 높일 수 있어서 장대교량에 적합하고, 미관이 뛰어나 짧은 거리에도 종종 사용되어 공용 중인 사장교가 늘어나고 있다. 사장교와 같은 케이블 지지 구조물에서 케이블은 중요한 구조 부재이며, 케이블의 장력(tension force)과 감쇠비(damping ratio)는 케이블뿐만 아니라 사장교 전체 구조 안정성에 영향을 미친다. 사장교의 주경간이 길어질수록 주탑과 보강형을 연결하는 사장 케이블은 바람 및 하중에 의한 진동(vibration)에 취약하다. 핵심 부재인 케이블은 다양한 원인으로 장력의 손실이 발생하며, 이러한 손실은 사장교 성능에 크게 영향을 주며, 최악의 경우 붕괴사고를 유발할 수 있다. 따라서, 케이블 장력을 효과적으로 모니터링할 수 있는 방법이 요구된다. 다양한 케이블 장력 모니터링 방법이 연구되고, 케이블에 적용되었다. 그 중 진동법(vibration-based method)은 진동 데이터를 기반으로 장력을 추정하는 방식으로 다른 방법에 비해 설치가 쉽고 비용이 저렴하다는 장점이 있다. 국토안전관리원의 특수교관리센터에서 관리 중인 케이블 교량 중 2022년 기준으로 케이블 장력계는 약 260개이며, 대부분 가속도 데이터를 기반으로 한 진동법을 통해 케이블 장력을 추정하여 모니터링하고 있다. 진동법 앞서 언급한 진동법을 통한 장력 추정 방법은 1) 케이블 외부에 가속도계를 설치하여 상시 진동 응답 수집(그림 2 Step#01), 2) 수집된 응답을 주파수 영역의 파워 스펙트럼 밀도(power spectral density, PSD) 신호로 변환, 3) 변환된 PSD 신호로부터 첨두정보(fn: 첨두 위치, n: 첨두순서)를 추출(그림 2 Step#02), 4) 추출된 첨두정보로부터 선형회 귀식을 산정(그림 2. Step#03)하고, 식(2)와 같이 회귀식의 절편(b, 그림 2 Step#04에서 0.729)과 케이블의 제원(유효 길이 Leff, 단위중량 w)을 활용하여 장력을 추정한다. 케이블에 설치된 가속도계로 수집되는 데이터는 케이블의 가진 조건이 일정하지 않기 때문에, 계측 시간이 길어질수록 안정적인 첨두정보의 탐지가 가능하다. 하지만, 계측시간이 늘어날수록 장력 추정 주기가 길어지기 때문에, 일반적으로 가속도 계측 주기는 100Hz, 계측 시간은 10분 단위로 수집한다. 수집된 가속도 데이터를 주파수 영역으로 변환하고, 변환된 주파수 영역에서 첨두정보(첨두 위치, 순서)를 탐지한다. 장력 추정 과정 중 중요한 첨두정보 탐지는 주로 인력을 통해 수행되어 진다. 예를 들어, 24시간 기준 10분씩 데이터를 수집할 경우, 수집되는 데이터 set는 144set이며, 하나의 교량에 8개 케이블에 가속도계가 설치될 경우 1,152 데이터 set에서 첨두정보가 탐지돼야 한다. 첨두를 탐지하는 방법은 주로 인력에 의한 방법이기 때문에, 노동 집약적이며, 탐지하는 작업자의 주관이 개입되어 객관성이 떨어지는 단점이 있다. 인력에 의한 방법이 아닌 첨두정보 탐지 방법은 사전 설정을 통하여 탐지하는 방법이 있다. 허용치보다 큰 첨두의 위치를 탐지하는 방법, 첨두 발생이 예상 가능한 대역을 설정하고, 대역에서 가장 큰 값을 탐지하는 방법이다. 첨두정보는 가진 조건, 케이블의 손상 여부 등에 따라 첨두정보가 누락되는 경우가 있으며, 케이블의 고유진동수와 외부의 가진 조건이 일치하여 공진(resonance) 현상이 발생하는 경우에는 특정 주파수 대역에서 첨두가 크게 발생하는 경우가 있다. 사전 설정을 통한 방법은 케이블의 제원 별로 설정이 필요하고, 주파수 대역에서의 특징 변화 시 첨두정보 탐지에 한계가 있다. 첨두 자동 탐지 알고리즘이 적용된 IoT 계측시스템 사장교 케이블의 진동 신호를 주파수 영역으로 변환하여 생성되는 파워 스펙트럼 밀도(Power Spectral Density, PSD)는 그림 3과 같이 고유한 2가지 특성을 나타낸다. 첫 번째, 케이블 PSD의 첨두는 일정한 간격으로 발생하는 주기적인 패턴을 가지며, 이는 케이블의 고유한 동적 특성을 반영한다. 이러한 첨두 간의 간격은 케이블의 제원(재료, 형상, 장력) 및 전체 구조계에 따라 달라질 수 있지만, 동일한 간격의 주기성(periodicity)은 모든 사장교 케이블 부재가 공통적으로 갖는 물리적 특징이다. 또 다른 특성은 첨두는 주변 주파수 성분에 비해 상대적으로 높은 진폭(amplitude)을 갖는다. 이와 같은 특성은 PSD 상에서 해당 첨두가 주변값들에 비해 이상치(outlier)로 작용함을 의미한다(Jin et al., 2021). 이러한 일정한 첨두 간격을 자동으로 탐지하기 위해, 의공학 분야의 생체신호 처리기술 중 하나인 Automatic Multiscale-based Peak Detection(AMPD) 기법을 활용할 수 있다(Scholkmanm et al., 2012). AMPD는 주기적으로 발생하는 첨두를 사전 설정 없이 자동 탐지할 수 있어, 완전한 자동화가 가능하다는 장점을 지닌다. 두 번째 특징인 첨두가 주변값들에 비해 이상치처럼 나타나는 특징을 감지하기 위해 임계값 기반의 이상치 탐지 기법을 병행 사용할 수 있다. 이때 임계값 설정에는, 이상치가 포함된 데이터에서도 강건하게 학습 가능한 중앙값 절대 편차(Median Absolute Deviation, MAD) 방법을 적용할 수 있다(Rousseeuw et al., 1993). 이 두 가지 기법으로 추정된 첨두 정보를 기반으로 케이블의 장력을 산출하며, 해당 기술은 1) 사전 설정이 필요하지 않음 2) 신호 변화에 대한 높은 강건성(robustness) 3) 낮은 연산 비용 같은 장점을 갖는다. 케이블 장력 모니터링을 위한 가속도 데이터는 주로 유선 계측시스템을 통해 수집된다. 이 시스템은 센서와 데이터 수집 장치를 케이블로 연결하며, 수집된 데이터는 다시 관리 주체로 전송되어 장력 분석에 사용된다. 유선 계측시스템은 데이터 손실 없이 안정적인 계측이 가능하다는 장점이 있으나, 센서와 로거를 케이블로 연결, 단선을 방지하기 위한 보호 배관 설치 등으로 인해 추가 비용이 발생하며 설치 위치와 수량에 제약이 따른다. 최근에는 다양한 IoT(Internet of Things) 기반 계측시 스템이 개발되어 시설물에 적용되고 있으나, 대부분 기존 유선 시스템처럼 단순히 데이터를 수집하고 전송하는 수준에 머물러 있다. 이는 설치 유연성과 수량 측면에서는 장점이 있으나, IoT 기술의 잠재적 강점을 충분히 활용하지 못하는 실정이다. IoT 계측시스템은 다양한 알고리즘을 내장하여 원시 데이터(raw data) 자체를 전송하는 대신, 필요한 정보만을 선별·처리한 후 전송할 수 있다. 이러한 엣지 컴퓨팅(Edge Computing) 기술은 센서 단말기 또는 그 인접 장치에서 데이터를 실시간으로 처리함으로써, 서버로의 전송 부담을 줄이고 처리 비용과 시간을 절감할 수 있다. 앞서 설명한 첨두 자동 탐지 알고리즘을 IoT 계측시스템에 탑재하여 사장교 케이블에 설치하여, 알고리즘의 정확도, 계측시스템의 사용성, 효율성 등을 검증하는 연구가 수행되었다. 이를 통해, IoT 계측시스템과 엣지 컴퓨팅의 기술을 시설물에 적용하여 시설물 계측 분야에서의 가능성을 확인하였다. 마치며 IoT 계측시스템과 엣지 컴퓨팅(Edge Computing)의 결합을 통해, 대용량 원시데이터를 서버로 전송해 수집·분석하는 방식에서 벗어나, 현장에서의 데이터 처리 및 최적 관리가 가능해졌다. 데이터 처리 및 분석 기술의 고도화를 통해 이러한 기능이 IoT 계측시스템에 탑재되면서, 기존에는 원시데이터 전송에 그쳤던 시설물 유지관리 분야에서 데이터의 활용 범위를 확대할 수 있을 것으로 기대된다. 또한 실시간 처리가 가능해짐에 따라, 사후 대응이 아닌 실시간 대응이 가능해져 예방적 유지관리가 실현될 수 있으며, 이를 통해 안전사고 예방과 함께 직·간접적인 사회적 비용 절감 효과도 기대된다. 참고자료 2024 도로교량 및 터널 현황조서. Jin et al. (2021), Fuly automated peak-picking method for an autonomous stay-cable monitoring system in cablestayed bridges, Autom. Constr. Vol. 126. Scholkmanm et al. (2012), An efficient algorithm for automatic peak detection in noisy periodic and quasiperiodic signals, Algorithms, Vol. 5. Rousseeuw et al. (1993), Alternatives to the median absolute deviation, J. Am. Stat. Assoc. Vol. 88 구조연구본부 게시일2025-09-04 조회수 274
• 수중 건설 자동화를 위한 건설용 3D 프린팅 재료 개발 수중 건설 자동화를 위한 건설용 3D프린팅 재료 개발 ▲ 서은아 KICT 구조연구본부 전임연구원, 이호재 KICT 구조연구본부 수석연구원 들어가며 2024년 세계기상기구(WMO)는 ‘2023년 전 지구 기후현황 보고서’를 통해서 최근 10년 간 전 세계 해수면 상승 속도가 연간 4.77 mm로 이전 대비 2배 이상 빠르게 높아지고 있으며, 평균 해수면 온도가 사상 최고치를 경신함을 발표하였다. 전 세계 인구의 40%가 해안으로부터 100 km 이내에 거주하고 있어 해수면 상승으로 인한 거주공간 확보와 생존 문제를 당면하고 있다. 해양자원 확보와 생활영역 확장이 요구됨에 따라 연안공간의 수요가 증가하고 있으며, 향후 수중공간의 개발까지 확대되고 있다. 괌과 두바이, 몰디브 등에는 수중 5~6 m 깊이의 호텔·리조트를 건설하여 실제로 운영하고 있다. 국내에서는 현대건설과 한국해양과학기술원이 컨소시엄을 구성하여 울산광역시 울주군 바다에 2026년까지 해저과학기지 완공을 목표로 건설을 진행하고 있다. 또한 새로운 수중환경구조물 건설기술 개발을 통해 이상기후 등으로 더욱 증폭되는 태풍과 지진 등 자연재해 현장의 조속한 복구 및 방재 측면에서의 예방시설 축조가 증가할 것으로 예상된다. 수중환경 구조물 수요가 증가하고 있지만 수중 건설에 대한 시공과 품질관리는 현실적인 어려움이 많은 실정이다. 특히, 수중 건설 분야에서는 최근 잠수사의 부족 및 고령화로 인해 안전사고 위험성이 더욱 증가하고 있기 때문에 수중 건설 자동화 기술 수요는 점차 증가하고 있다. 그 외에도 각종 취·배수 구조물, 댐, 교량 수중부 등 다양한 수중 구조물의 보수·보강 자동화 기술에 대한 수요도 증가하고 있다. 수중 구조물 시공 시에는 내수압의 고성능 구조 및 재료 기술이 필수적으로 요구되며, 기상환경에 영향을 많이 받는 문제점이 있다. 시공 환경문제를 극복하기 위하여 수중로봇의 적용으로 잠수사 투입을 최소화하는 기술이 확대되고 있다. 수중로봇은 강한 조류에도 작업이 가능하고 수중에서 인력으로 작업하기 어려운 문제 해결과 실시간 촬영 및 센싱기술을 통하여 시공 정확도를 향상시킬 수 있는 장점이 있다. 한국해양과학기술원에서는 수중 건설자동화에 대한 사회적 요구를 반영하여 2013년에 수중건설로봇사업단을 출범하였다. 이 사업단에서는 2019년까지 6년간 로봇기술을 개발하였으며, 2022년까지 4년간 실증 및 확산사업을 추진하였다. 특히, 수중로봇사업단은 수중용접, 해저케이블 매설, 수중구조물 설치, 파이프라인의 매설 작업을 수행하기 위한 경작업용 유영식 ROV(Remotely operated vehicle), 중작업용 유영식 ROV, 트랙기반 로봇 등 3종의 로봇을 개발하였다. 그러나 수중 구조물 on-site 시공기술의 부재로 인해 기술적 공백영역을 해소하고자 시공 자동화 방안으로 수중 건설용 3D프린팅 기술이 대두되었는데, 건설용 3D 프린팅 기술이 우주 주거환경 조성기술과 같은 극한 환경에서 적용할 수 있는 기술로 알려졌기 때문이다. 최근 해저도시 개발 및 수중과 연결된 해상구조물 건설 등 다양한 관점에서 추진됨에 따라 수중건설용 3D 프린팅 기술에 대한 연구가 전 세계적으로 확대되고 있다. 이 글에서는 수중 건설 자동화를 위한 건설용 3D 프린팅 재료 기술 개발 현황과 방향을 간단히 소개하고자 한다. 수중 건설용 3D 프린팅 재료의 요구성능 콘크리트는 거푸집 안을 잘 채울 수 있는 수준의 유동성이 항상 필요한 재료이다. 하지만 3D 프린팅용 재료는 반대로 출력 이후 형상을 유지하며 연속적으로 쌓아 올려야 하므로 재료 자체가 흐름성이 없으며, 외력에도 형상이 변화하지 않고 저항해야 하는 특성이 요구된다. 일반적으로 건설용 3D 프린팅 기술은 생산(production), 이송(pumping), 출력(printing)의 3단계로 구성된다. 시멘트계 재료는 시간이 지남에 따라 유동성이 줄어들고 경화되므로, 재료 개발은 생산부터 출력에 이르는 전체 시스템에 맞춰야 한다. 만약 재료가 빨리 경화하면 장비 내부에서 폐색이 발생하고, 유동성 감소가 느리면 재료가 적층되지 않는다. 시멘트계 재료는 원재료의 미세한 변화에도 물성 제어가 어렵고, 기온과 습도변화에 민감하기 때문에 건설용 3D 프린팅 재료 개발과 물성제어가 가장 어렵고 핵심적인 기술이다. 콘크리트는 시멘트, 물, 모래, 자갈의 혼합물로, 혼합 후 경화하는 데 최소 8시간 이상 소요된다. 경화 전에 물과 만나면 구성물이 씻겨 내려가므로 수중에서 콘크리트를 타설하는 것은 어려운 기술이다. 수중 건설용 3D 프린팅 재료는 출력성, 적층성, 치수안정성, 역학적 성능이 핵심이다. 3D 프린팅 재료의 이송 및 출력 성능은 유동성과 리올로지(rheology) 평가로 정량화할 수 있으며, 수중 불분리성 시멘트계 재료의 적용이 필수적이다. 일반적으로 레이어의 적층성과 치수안정성을 확보하기 위해서는 적층경로에 따라 노즐의 이동속도(적층속도)를 조절하는 방식을 사용한다. 대부분의 건설용 3D 프린팅 재료로는 물과 시멘트계 재료 및 잔골재를 혼합한 모르타르가 사용되고 있다. 3D 프린팅 기술이 현실적으로 사용되기 위해서는 현재의 모르타르 3D프린팅 기술보다 더 빠른 출력 속도가 요구되는데, 모르타르 3D 프린팅은 레이어(layer)의 1회 출력 면적을 향상시키는 데 제약이 있다. 하지만 굵은 골재를 혼합한 3D 프린팅 재료는 레이어 내부에 포함되어 있는 굵은 골재들이 지지력과 마찰력을 갖게 되어 레이어 높이를 증가시키기 수월해지는 장점이 있다. 이에 따라 2020년도 이후부터 건설용 기중 및 수중 3D 프린팅 기술에 굵은골재를 적용한 기술 연구가 전세계적으로 확대되고 있다. 수중 건설용 3D 프린팅 기술 성능 검증 한국건설기술연구원은 2020년부터 2022년까지 ‘수중 적층 타설용 콘크리트 복합재료 개발’ 연구를 수행하였다. 이 연구를 통하여 수중 적층 압축강도 30 MPa 이상, 수/기중 압축강도비 80% 콘크리트 복합재료와 1회 적층고 50 mm, 적층폭 100 mm 대응 수중 콘크리트 적층 실험장비를 개발하였다. 개발된 수중 건설용 3D 프린팅 기술은 대형 수조와 한국건설기술연구원의 방파제실험동에서 성능검증 실험을 수행하였다. 개발한 수중 건설용 3D 프린팅 기술을 수중과 기중 환경에서 동일한 조건으로 콘크리트 시험체를 제작하여 레이어 폭과 높이, 적층물의 총 높이, 압축강도를 측정하였다. 정수 조건인 수조환경에서 수중 적층 콘크리트의 압축강도는 62.8 MPa를 확보하였으며, 기중 압축강도 대비 99% 수준의 성능을 달성하였다. 수중 출력 부재의 레이어폭은 100 mm이상, 적층 두께는 52.9 mm, 부재 전체 높이에 대한 처짐량은 1 mm로 높은 치수안정성을 나타내었다(그림 1). 또한 한국건설기술연구원 방파제실험동에서 부산신항의 평균유속을 모사한 조건으로 수중 3D 프린팅 재료의 성능을 평가하였다. 출력 단계에서 3D 프린팅 재료의 분리는 거의 없이 형상을 유지하며 출력되었으며, 목표했던 탁도기준 50 mg/l를 달성하였다(그림 2). 이를 통하여 수중 및 유속환경에서의 건설용 3D 프린팅 기술을 활용하여 구조물 직접 시공이 가능함을 확인하였다. 맺음말 수중 건설용 3D 프린팅 기술은 해저도시, 심해기지 건설 등 수중 극한환경에서 적용할 수 있는 미래 선도적인 건설 융복합 분야의 원천기술이 될 것으로 예상된다. 하지만 수중 건설사업에 바로 적용하기 위해서는 해결해야 할 현실적인 문제들이 많기 때문에 현재 적용 가능한 분야를 도출하는 것이 필요하다. 수중 건설용 3D 프린팅 기술은 해조류 및 어패류의 생육환경에 맞춰 설계된 인공어초와 수중 구조물의 유실부를 형상에 맞게 제작할 수 있으며, 연안침식을 방지하기 위한 수중 구조물 제작에도 활용될 수 있을 것이다. 또한 이 기술에 적정한 보수 보강 기술을 추가로 개발함으로써 수중 구조물의 보수 보강을 자동화할 수 있을 것으로 예상된다. 이러한 노력을 통해 건설용 수중 3D 프린팅 기술이 실제 수중 구조물 보수 및 건설 현장에서 광범위하게 활용될 수 있기를 기대해본다. 참고자료 World Meteorological Organization(2024) 2023년 전지구기후현황, 1347, 3-7. 해양수산부 해양수산과학기술진흥원(2023) 수중 적층 타설용 콘크리트 복합재료 개발 최종보고서. 구조연구본부 게시일2025-02-24 조회수 845
• 차세대 원전 구조물 기술 개발 동향 차세대 원전 구조물 기술 개발 동향 ▲ 이종석 KICT 구조연구본부 선임연구위원 들어가며 ‘차세대 원전’이라고 하면 어떤 이미지를 떠올릴까? 대형 상용 원전의 경우 최신 한국형 원전 ARP1400을 개선한 더욱 용량이 크고 안전한 방식의 원전 혹은 최근에는 기존 대형 원전에 비해 1/3~1/5의 출력 규모인 SMR(Small Modular Reactor)로 불리는 소형 모듈형 원전을 생각하게 될 것이다. 그리고 대부분은 원전의 발전용량, 냉각방식, 제작방식 등 주로 원자로와 이와 관련된 원자력 기술을 떠올릴 것이다. 그러나, 여기서 간과하고 있는 중요한 부분은 ‘구조물’에 대한 고민이다. 원자력발전소(원전)에서 구조물은 원전의 안전을 담당하는 최후의 보루라고 할 수 있다. 즉, 원자로에 문제가 생겼을 경우 내부로부터의 폭발 압력을 버티고 저항하여 대형 사고로 이어지지 않도록 훌륭한 버팀목이 되며, 외부로부터의 충격, 예를 들면 미국의 911테러처럼 원자로 격납 건물에 대한 항공기 충돌에 대응하여 원자로를 지켜주기도 한다. 또한, 원자로에서 발생하는 각종 방사선에 대한 훌륭한 차폐막이 되어 외부 유출을 막기 때문에 국민의 안전을 생각 한다면 절대로 간과해서는 안된다. 물론 가장 중요한 것은 원자로 자체의 안전이겠지만, 원전 사고는 그 영향력이 매우 크기 때문에 최후의 보루는 구조물이 될 수밖에 없다. 이 글에서는 차세대 원전 구조물에 대한 기술을 소개하고자 한다. 원자력발전에 대한 세계적 동향 전 세계적으로 선진국에서는 태양열, 풍력, 지열, 조력 등 그린에너지 기술 개발이 활발히 진행되어 왔으며, 원자력발전의 경우 방사성 물질 등에 대한 환경적인 영향을 고려하여 탈원전의 기류를 타고 있었다. 그러나, 최근 에너지 부족, 탄소 저감 등의 커다란 벽에 부딪혀 점차 원자력발전으로 회귀 하는 양상을 보인다. 유럽연합(EU)은 2022년 2월 EU 그린텍소노미(Green Taxonomy)를 통하여 원자력발전을 친환경 에너지로 편입하여 친환경 에너지에 주는 여러 가지 혜택을 받을 수 있도록 하였다. 영국은 전력 생산량 중 원전 비중을 현재 15%에서 2050년까지 25%로 상향 추진하고 있다. 폴란드는 2043년까지 신규 원전 6기를 순차적으로 건설하는 것을 계획하고 있으며, 핀란드는 15년 만에 처음으로 신규 원전을 가동하기 시작했다. 프랑스도 2050년까지 신규 원전 6기를 건설하고, 추가로 8기를 검토하고 있다고 한다. 미국, 캐나다 등은 SMR과 같은 차세대 원전 개발에 집중하고 있는 양상이다. 특히, SMR의 경우 우리나라를 비롯하여 미국, 러시아, 중국 등 각국에서 70종 이상을 개발하고 있으며, 경쟁이 매우 치열하다. 우리나라는 2012년 SMART 원자로가 표준설계 인가를 받았으며, 현재 경쟁력을 더욱 강화한 i-SMR을 2028년 표준설계인가 취득 및 2030년 이후 상용화를 목표로 한국원자력연구원과 한국수력원자력이 개발하고 있다. 한편, 우리나라는 2009년 아랍에미리트(UAE) 바라카 원전 수주 이후 최근 체코 두코바니 원전 2기의 우선협상대상자로 선정되어 원전 수출국으로서의 입지를 다졌으며, 이를 바탕으로 향후 폴란드, 우크라이나, 사우디아라비아 등 원전 수주를 기대하고 있다. 차세대 원전 구조물 기술에 관하여 전 세계적으로 원전 구조물의 신규 건설은 상당히 진행될 것으로 보인다. 앞에서 설명하였듯이 원전 구조물은 매우 중요한 역할을 하고 있다. 원전 콘크리트 구조물은 1971년 착공 된 고리원전 1호기를 시작으로 지속적인 기술 발전이 이루어졌다. 특히, 우리나라 최초의 원전은 미국 웨스팅하우스의 기술로 설계되었으나 이후 지속적인 기술 개발을 통해 원자로뿐 아니라 원전 구조물에서도 독자적인 기술력을 확보하게 되었다. 구조물은 원자로를 비롯한 각종 기기 설비와 달리 한 번 건설하면 폐로 및 해체시까지 교체 없이 사용해야 하는 특성을 갖고 있다. 따라서 구조물의 설계와 시공은 장기적인 안전성 관점에서 접근해야 하기에 가급적 검증된 기술들을 적용하고자 하는 보수성이 저변에 자리 잡고 있다. 하지만 SMR이라는 기존의 원전에서 벗어난 새로운 형식의 원전이 개발되어 생활환경과 밀접한 관계를 맺게 되었으며, 수출을 목표로 하는 한국형 상용 원전은 기후변화 등으로 인한 극한 환경 또는 국가 간 분쟁환경에도 대응할 수 있는 구조물의 개발이 필요한 상황으로 탈바꿈하고 있다. 그렇다면, 원전 구조물에 대하여 어떤 이슈들이 있으며 이를 해결하기 위하여 어떤 기술이 필요한지 살펴보자. 먼저, 콘크리트는 중성자 차폐를 위한 가장 우수한 재료이다. 이에 원자로 옆에는 차폐 콘크리트가 시공되어 있으며 우수한 성능으로 차폐 임무를 담당하고 있다. 그러나 그림 2와 같이 원자로에서 나오는 열중성자에 콘크리트가 장기간 노출되면 콘크리트는 방사화가 진행되게 된다. 방사화된 콘크리트는 원전 수명종료 후 해체 시에는 중저준위 방사성 폐기물로 처리되어야 하므로 상당한 비용이 소요된다. 단지 비용뿐만 아니라, 핵폐기물 저장소가 부족한 우리나라의 실정에서는 방사성 폐기물 자체를 줄여야 하는 숙제도 안고 있기 때문에 처분공간의 문제가 발생하게 된다. 따라서 이러한 방사화를 줄일 수 있는 기술이 필요하며, 고리 1호기를 비롯하여 많은 원전이 향후 원전 수명종료 후 해체를 앞두고 있어 점점 더 심각한 문제가 될 수 있다. 중성자에 방사화가 되는 원소를 최소화한다는 것은 콘크리트에 사용되는 시멘트와 골재에서 중성자 방사화 원소를 줄여야 하므로 재료의 선별적 사용이 매우 중요한 이슈가 된다. 또한, 콘크리트의 자체적인 차폐 성능을 향상하기 위해서 과거에는 밀도가 높은 중량골재 등이 주로 사용되었다. 중량골재는 철광석과 같은 밀도가 큰 광물이 대부분으로 차폐에는 유리하지만, 중성자 방사화에 매우 취약하여 오히려 방사화를 부추기는 효과를 가져올 수 있어 사용하기 어려운 실정이다. 따라서, 중성자를 흡수하거나 산란시킬 수 있는 재료 등을 활용하여 콘크리트의 중성자 차폐 성능을 효과적이며 경제적으로 향상할 수 있는 기술이 이슈가 되고 있다. 한편, 원전 격납 건물 외벽은 원전 중대사고 시 내부 폭발에 대응하고, 외부 충격으로부터 방어하는 방벽으로써 중요한 역할을 하고 있다. 격납 건물 외벽은 최소 두께가 1.2m 이상이 되는 두꺼운 콘크리트이다. 한국형 원전의 경우 프리스트레스트 콘크리트(Prestressed Concrete)로 시공되어 있어 내부 폭발압력에 대한 대응능력이 매우 뛰어나다고 할수 있으며 항공기 등의 충돌에도 비교적 안전하다고 알려져 있다. 다만, 수출까지 목표로 하는 우리 상용원전은 국내 환경뿐 아니라 해외 환경까지 고려해야 한다. 특히 최근 러시아와 우크라이나 분쟁으로 자포리자 원전에 드론공격이 가해지는 등 원전 구조물의 안전성에 대한 요구는 더욱 높아지고 있다. 이런 상황에서 동유럽 국가 등 분쟁의 영향을 받을 수 있는 지역으로의 수출 시 다른 국가들과의 경쟁에서 우위를 점하기 위해서는 더욱더 안전한 원전임을 강조해야 한다. 이에 원전 격납 건물의 외벽은 더 높은 충격 저항 성능이 요구될 수밖에 없는 실정이다. 이를 위하여 격납 건물 외벽을 120 Mpa 이상의 초고강도 콘크리트로 시공함으로써 현재보다 최소 3배 이상의 강도를 확보하여 추가적인 충격저항 성능을 얻고자 하는 노력이 이루어지고 있다. 또한 이러한 강도의 증가가 실제 충격 저항 성능에 어느 정도 기여할 수 있는지를 도출하는 연구도 필요한 실정이다. 그러나, 초고강도 콘크리트를 매스 콘크리트(Mass Concrete)로 타설하는 것은 수화열, 거푸집 측압, 현장 시공방법 등에 있어 상당히 도전적인 기술이 될 것으로 생각된다. 마지막으로 원전 구조물의 수명에 대하여 살펴보고자 한다. 원자력 발전소는 설계수명 종료시점에서 가동기간 연장을 통하여 10년 혹은 20년을 추가로 사용할 수 있는지를 검토하는 것이 전 세계적인 추세이다. 원전 수명종료 후 해체 비용 및 신규 원전 건설 비용을 고려해 보면, 가동기간의 연장은 비용 측면에서 매우 유리하다고 할 수 있다. 그러나, 원전의 수명을 연장하여 활용할 경우, 내부의 설비들은 교체하여 사용할 수 있으나 구조물은 교체하여 사용할 수 없기 때문에 원전 구조물은 건설 당시부터 미리 충분한 수명을 확보할 필요가 있다. 최근에 건설되는 한국형 원전 구조물은 설계수명이 60년이므로 최소 80년, 안정적으로 100년 이상의 수명을 미리 확보할 필요가 있다. 이것은 국내뿐만 아니라 해외로 수출되는 원전 구조물에서도 동일하게 필요한 성능이라고 할 수 있다. 그러나, 해외의 경우 중동국가 등 환경이 우리나라와 극단적으로 다른 경우가 대부분이기 때문에 이러한 환경노출의 변화에도 대응하여 충분한 구조물 수명을 확보할 수 있는 기술이 필요하다고 할 수 있다. 이외에도 차세대 원전 구조물은 기존 원전 구조물이 가지고 있는 여러 가지 약점들과 걱정을 해결할 수 있는 능력이 있어야 하며, 이를 통하여 더욱 안전하고 방사성 폐기물이 적게 발생할 수 있는 환경이 만들어져야 할 것이다. 이를 위해서는 차세대 원전의 구조물 분야의 기술의 개발을 위한 꾸준하고 지속적인 노력이 필요하다고 하겠다. ――――――――――――――――― 참고자료 • 헤럴드경제(2022, 7월 6일) 그린워싱’ 논란…EU, 원자력 택소노미에 포함. • 뉴스1(2024, 8월 7일) 대형 원전부터 SMR까지…원전 시장 두드리는 건설사들. 구조연구본부 게시일2024-12-27 조회수 1415
• 철도교, 체계적이고 효율적으로 유지 관리한다 철도교, 체계적이고 효율적으로 유지 관리한다 ▲ 서동우 KICT 구조연구본부 연구위원 신속 교체 및 급속 시공이 가능한 철도 하로교 기술 국내 철도교는 대체로 건설된 지 오래돼 다양한 문제점이 나타나고 있다. 노후화로 안전성에 대한 우려가 제기되는 것뿐만 아니라, 유지보수에도 상당한 경제적·인적 자원이 필요하다. 철도 교량의 노후화로 인한 불의의 사고를 예방하고, 인명과 재산 피해를 최소화하기 위한 기술이 개발됐다. 신속 교체 및 급속 시공이 가능한 철도 하로교 기술이 바로 그것이다. 철도 하로교는 무엇이며, 철도에서 어떤 역할을 하는 구조물인가요? 철도가 지나는 교량인 철도교에는 상로교(上路橋)·하로교(下路橋)·중로교(中路橋)가 있습니다. 이중 하로교는 주행로의 궤도를 지지하는 바닥판을 교량 거더의 하부에 배치한 구조로, 거더 아래에 공간 여유가 없는 경우 주로 활용됩니다. 최근 연구 중인 기술은 하로교에 적용할 수 있습니다. 기술을 개발하게 된 배경은 무엇인가요. 2020년 12월 기준으로 국내 철도시설 현황을 보면 교량은 총 3,514개소, 터널은 842개소, 역사는 696개소입니다. 이 수치에서 알 수 있듯이, 교량은 역사와 터널과 비교해 4배 이상 많아요. 그런데 이런 교량은 대체로 일제강점기나 산업성장기 때 건설된 철도시설로, 노후화가 매우 심각한 상황이에요. 게다가 최근 기상이변과 잦은 지진 발생으로 노후화된 철도 시설의 성능이 더욱 저하되고 있어요. 이는 열차의 안전 운행뿐만 아니라 이용자의 안전까지 위협하는 문제이죠. 국민의 생명과 안전을 확보하기 위해서라도, 하로교의 체계적인 관리와 유지를 위한 기술이 필요했습니다. 또한 사고나 재난이 발생해 하로교에 문제가 생겼을 때 신속하게 시설물을 유지보수 할 수 있는 기술이 부족했습니다. 사고가 발생하면 철도교 이용을 제한하는 시간이 길어집니다. 게다가 철도교 특성상 우회로를 확보하는 일이 불가능해요. 따라서 유지 보수나 개량을 위해 신속한 기술이 필요로 했죠. ‘신속 교체 및 급속 시공이 가능한 철도 하로교 기술(이하 하로교 기술)’을 더욱 자세하게 설명해주세요. 기존에는 이런 기술이 없었나요? 일반적으로 철도 하로교를 건설할 때 ‘강합성(SRC)’ 구조와 ‘프리스트레싱(PSC)’ 구조 두 가지 공법을 사용합니다. 강합성 구조는 강재 주거더와 가로보를 철근이 관통하여 일체로 타설하는 공법으로, 상대적으로 구조의 높이가 낮고 무거운 하중을 잘 견딜 수 있어요. 하지만 강철을 가공하는 데 비용이 많이 들고, 현장에서 철근을 가공하고 조립하며 콘크리트를 부어야 하기 때문에 시간이 많이 걸려요. 무거운 구조물을 사용해야 하므로 긴 다리에는 적용하기 어려워요. PSC는 종방향 거더와 횡방향 바닥판에 긴장력을 주는 방식입니다. 이는 콘크리트의 강도와 품질에 크게 영향을 받고, 현장에서 철근 조립과 콘크리트 타설 작업이 필요해요. 또 형고가 높아 다리의 개방감을 떨어뜨리고 SRC와 마찬가지로 40m 이상의 긴 경간을 만들기에는 어렵습니다. 프리캐스트 모듈러 하로교 기술은 빠르게 시공하기 위해 PC(Precast Concrete) 슬래브를 이용한 방법입니다. 이 방법은 현장에서 콘크리트를 부어 굳히는 시간이 필요 없고 계절에 따라 작업이 제한되지 않는다는 장점이 있습니다. 현재 기술은 어느 단계까지 와 있나요? 하로교 바닥판 위치에 따라 적용할 수 있는 다양한 형식의 구조를 개발하는 중에 있습니다. T형, 역T형, 초저형고 PSC 구조, 굴절형 강합성 바닥판 등이 있습니다. 강재 주거더를 사용해 횡방향으로 긴장을 주는 방식은 트럼펫이나 나선철근이 필요 없고, 일반 포스트텐션의 정착구처럼 힘이 집중되지 않습니다. 이런 구조는 국내외에서 아직 사례가 없습니다. 본 기술의 시장 전망은 어떤가요? 30년 이상 된 철도 교량과 터널의 노후화가 37% 이상으로 급속히 진행되고 있어, 철도 시설 개선을 위해 체계적인 기술과 경제적인 방법을 개발하는 필요성이 높아지고 있습니다. 2020년부터 2024년까지의 국가재정 운용계획에 따르면, 철도 및 도시철도에 대한 사회경제적 투자 계획은 2021년부터 도로에 비해 상당히 높아지고 있습니다. 특히, 교통 및 물류 분야에서는 철도 및 도시철도에 대한 투자 비중이 가장 크게 늘어나고 있습니다. 2022년에는 철도시설 및 안전설비의 확충 및 개량을 위해 약 2조 690억 원의 예산이 책정되어 있으며, 이는 분야별·연차별 예산 중에서 가장 큰 비중을 차지하고 있습니다. 즉, 선로 연장과 시설 노후화에 따른 유지보수와 개량 시장의 비중이 계속해서 증가하고 있으며 이에 대한 투자 예산이 증가하고 있기 때문에 시장 전망은 밝다고 할 수 있습니다. 본 기술을 실제로 적용했을 때의 효과에는 무엇이 있나요? 철도 하로교의 주요 문제 중 하나는 현장 작업량이 많다는 것인데, 프리캐스트 모듈러 철도 하로교를 사용하면 작업 시간이 약 83% 줄어든다는 것을 확인했습니다. 만약 이 연구 개발이 성공한다면, 공동연구기관인 코벡㈜에서 제작 및 시공 중인 철도 하로교의 공사비를 27m 및 40m 간격으로 사전 검토한 결과, 20% 이상 절감할 수 있을 것으로 기대됩니다. 공동연구기관과 중·장경간 철도 하로교의 공사비를 줄일 수 있는 방법을 검토한 결과, 강재 사용량이 공사비 증가에 가장 큰 영향을 미친다는 사실을 확인했습니다. 사전 검토 자료에 따르면, 현재 코벡㈜의 공사비는 다른 개량 업체에 비해 27m 간격에서는 약 33.5% 높고, 40m 간격에서는 약 38.4% 높다는 것으로 나타났습니다. 하로교 기술이 실제로 적용되면, 시간 단축뿐만 아니라 비용 절감이라는 다양한 효과가 발생할 것으로 예측되는데요. 그렇다면 앞으로의 연구 목표에는 무엇이 있을까요. 현재는 철도뿐만 아니라 소하천의 홍수 위험이 높아진 경우에 대비하여 강합성 라멘(저형고 교량 형식) 도로교의 교체를 목표로 새로운 기술을 개발하고 있습니다. 더불어 이 프로젝트는 중로교 형식에도 적용할 수 있도록 급속 시공 및 교체가 가능한 교량을 개발하는 것 또한 목표로 하고 있습니다. 무엇보다 철도교통이 정시·안전 운행할 수 있도록 하는 것은 국민 대다수의 편익에 절대적인 영향을 주는데요. 재해 발생 시 신속한 대응과 복구가 가능한 기술을 적용하여 불의의 사고를 예방하고 인명 및 재산 피해를 최소화하는 데 도움이 될 수 있기를 바랍니다. 구조연구본부 게시일2024-10-24 조회수 1231
• 탄소 배출은 이제 그만! 콘크리트가 CO2 먹는 시대 열린다! 탄소 배출은 이제 그만! 콘크리트가 CO2먹는 시대 열린다! - CO2나노버블 배합수를 활용한 이산화탄소 저장 콘크리트 제조 기술 개발 - 1 ㎥ 레미콘 생산에 1.0~1.8 kg CO2저장 가능 한국건설기술연구원이 지구 온난화의 원인 중 하나인 이산화탄소를 콘크리트 안에 저장하는 ‘나노버블을 활용한 CO2먹는 콘크리트’를 국내 최초로 개발했다. 콘크리트는 전 세계에서 가장 많이 사용되는 인공재료로 연간 300억 톤 정도 생산되며, 사회기반시설과 도시화 수요로 인해 사용량이 꾸준히 증가하고 있다. 단일 품목 임에도 불구하고 전체 온실가스의 5%가량을 차지할 정도로 콘크리트 생산(시멘트 포함)과정에서 막대한 양의 이산화탄소가 발생한다. CCUS 기술을 콘크리트에 적용한 ‘CCU for concrete(이하 CCU 콘크리트)’ 기술은 CO2를 콘크리트 생산에 활용하여 기후변화에 영향을 주지 않는 콘크리트를 의미한다. 2021년 Nature Communications 저널에 발표된 논문에 따르면, CCU 콘크리트는 이론적으로 2050년까지 0.1~1.4 Gt(기가 톤)의 CO2를 격리할 것으로 추정된다. CCU 콘크리트는 포집된 CO2와 콘크리트의 반응을 통해 미네랄화(광물탄산화)하여 CO2를 대기 중에 재방출 없이 안정적으로 콘크리트 내부에 저장할 수 있는 유일한 기술로 알려져 있다. 일반적으로 콘크리트는 대기 중의 CO2와 접촉하여 내부의 pH(수소 이온 지수)가 낮아지면서 알칼리성을 잃고 탄산화 반응을 하는 물질이다. 대기 중의 CO2농도는 400ppm으로 매우 낮아 이러한 탄산화 반응이 매우 서서히 진행되지만, 내구성이 약한 콘크리트에 둘러싸인 철근은 부식될 위험이 커질 수 있다. 그러나 CCU 콘크리트 기술은 고농도의 CO2를 의도적으로 콘크리트 내부의 물질과 반응하도록 유도한다. 이러한 화학반응을 통해 CO2를 강도 증진 물질인 탄산염 광물로 전환시켜 콘크리트 내부에 영구적으로 저장한다. 결과적으로 탄산염 광물이 콘크리트 미세조직의 밀도를 높여서 일반 콘크리트보다 강도와 내구성이 향상된 콘크리트를 제조하는 것이 가능하다. 즉, CCU 콘크리트는 단순히 CO2저장소로만 활용하는 것이 아니라 콘크리트 성능 향상 및 시멘트 사용량 감소 등 부가적인 효과를 기대할 수 있어 시장 잠재성이 매우 큰 기술이라고 할 수 있다. 이에 KICT 구조연구본부 연구팀은 콘크리트로 만들어진 건물이 이산화탄소를 효과적으로 흡수하고 저장할 수 있고, 동시에 콘크리트의 압축 강도 및 내구성도 향상할 수 있는 나노버블을 활용한 CO2먹는 콘크리트‘CEC(Carbon Eating Concrete)’를 국내 최초로 개발하였다. 일반적으로 콘크리트는 시멘트가루와 물, 골재를 반죽하여 혼합하는 방식으로 만들어진다. 연구팀은 나노버블을 사용하여 일반 대기압 조건에서도 CO2를 고농도로 저장 할 수 있는 CO2나노버블수를 개발하였다. ‘CO2나노버 블수’란 다량의 나노버블이 존재하는 물에 CO2가 고농도로 용해된 물을 말한다. 개발된 기술은 물(배합수) 대신에 CO2나노버블수를 산업부산물과 함께 콘크리트 생산에 활용하는 제조 기술이다. 첨단 분석 기술(라만 분광법)을 통해 CO2나노버블수 안에 존재하는 CO2가 콘크리트와 화학적으로 반응하는 것을 검증하였다. 개발된 기술은 1 m3의 콘크리트를 생산하면, 1.0~1.8 kg CO2를 콘크리트 내부에 직접적으로 저장할 수 있다. 이는 CO2 직접 주입 기술 분야의 세계 선도 기업인 캐나다 ‘카본큐어(Carbon Cure)’사의 직접주입법에 의한 CO2저장량과 유사한 수준이다. 추가로 연구팀은 CO2반응성이 높은 산업 부산물을 사용하여 시멘트 사용량을 절약할 수 있는 최적의 온습도 조건 및 배합기술을 적용한 ‘CEC’도 개발하였다. 개발 된 CO2양생 기술은 적은 양의 시멘트로도 콘크리트의 물리적 성능을 최대로 발현할 수 있다. 즉, 기존 증기 양 생 기술에 비해 콘크리트 생산에 더 적은 에너지가 소모 되며, CO2양생 기법을 적용하여 기존 대비 동등 이상의 압축 강도를 확보할 수 있다. 또한, 높은 CO2 저장 효율을 갖는 것이 큰 장점이다. 연구팀은 다양한 온도와 압력 조건의 CO2양생 환경을 모사하기 위해서 국내 최대 규모의 콘크리트용 CO2 고온 가압 양생 시스템을 구축하였다. 본 성과는 과학기술정보통신부의 지원으로 한국건설기술연구원의 주요사업 “친환경 Carbon Eating Concrete(CEC) 제조 및 활용 기술 개발 (2022~2024)” 과제를 통해 개발되었다. 구조연구본부 게시일2024-09-27 조회수 3118
• 콘크리트의 나노미터(nano meter) 세계를 들여다보는 기술 콘크리트의 나노미터(nano meter) 세계를 들여다보는 기술 ▲ 이남곤 KICT 구조연구본부 수석연구원 들어가며 콘크리트는 물, 시멘트, 모래, 자갈로 구성된 지구상에서 많이 사용하는 인공재료 중 하나이다. 전 세계적으로 콘크리트 연간 생산량은 약 300억 톤이며, 우리나라에서는 연간 약 3억 톤이 생산되고 있다(York, I. N. et. al., 2021)(한국레미콘 공업협회). 우리가 살고 있는 아파트를 포함해 대부분의 건축물은 콘크리트로 지어져 있기 때문에 우리 생활과도 매우 밀접한 재료라고 할 수 있다. 그러나 일반인들에게 콘크리트라는 재료는 주로 부정적인 인식으로 자리 잡고 있다. 예를 들어 콘크리트의 주원료인 포틀랜드 시멘트는 생산과정 중에 다량의 이산화탄소를 배출해 지구온난화의 원인 중 하나로 알려져 있으며, 건설 산업에서 콘크리트 관련 부실시공으로 인해 구조물 사고 및 인명피해가 발생하기도 하는 등 콘크리트에 대한 대중적인 인식은 좋다고 할 수 없다. 콘크리트는 최소 4가지 이상의 재료가 혼입되어 제조된다. 물과 반응하여 굳어지는 특성, 그리고 콘크리트의 강도를 발현하는 물질의 복잡성과 낮은 결정성으로 인해 콘크리트의 성능을 예측하고, 제어하기가 매우 까다롭고 어렵다. 콘크리트에 대한 연구는 더 강하고, 더 오래가고, 더 환경친화적인 콘크리트를 만들기 위해 많은 연구자가 수십년간 노력해 오고 있다. 콘크리트의 대표적인 물성인 압축강도, 탄성 계수, 인장강도, 수축, 크리프, 응결, 유동성, 수화열 등에 대한 연구는 주로 매크로(macro, › 1mm) 또는 마이크로(micro, ‹ 1μm) 크기 수준에서 이루어지며, 마이크로 수준까지 연구 만으로도 충분히 위에서 언급한 물성에 대한 메커니즘 규명 및 성능 향상 연구가 가능했다. 또한, 분석 장비의 발달과 함께 마이크로 수준에서 콘크리트의 재료 및 미세구조 분석이 가능해 지면서 관련 분야 연구가 활발하게 이루어졌다. 그러나 마이크로 수준의 연구만으로는 여전히 밝혀지지 않은 콘크리트 정보가 존재하며, 풀어야 할 콘크리트의 재료적 문제가 있다. 콘크리트 공극 구조 분석 최근에는 고급 분석 장비 발달과 함께, 콘크리트에서도 마이크로미터 이하 수준에서 분석 연구가 가능해지고 있다. 콘크리트에는 다양한 크기의 공극이 존재하며, 이 공극들이 콘크리트의 물성과 매우 밀접한 관련이 있다. 예를 들어, 0.1mm 수준의 공극은 콘크리트의 동결융해저항성능, 염해저항성 과 관련이 높고, 0.1~1μm 수준의 공극은 압축강도, 탄성계수, 50nm 이하 수준의 나노 크기 공극은 수축, 크리프 등 과 연관성이 높다고 알려져 있다. 이러한 다양한 크기의 콘크리트 공극을 알아보기 위해서 기존에 여러 분석 장비가 존재 한다(그림 1). 현재까지 가장 많이 사용되는 공극 분석 장비는 수은압입법(Mercury Intrusion Porosimetry)이다. 정량적이고 손쉽게 측정이 가능한 장점이 있으나, 일반적으로 10㎚ 크기 이상의 공극만 알아낼 수 있는 단점이 있다. 또한, 콘크리트의 정확한 공극 구조를 관찰하기 위해서는 내부에 존재하는 물을 제거(건조)하는 과정이 필요한데, 이 건조 과정에서 내부 공극 구조가 손상되는 문제도 있다. 이 외에도, 질소흡착(Nitrogen Adsorption), 투과전자 현미경(Transmission Electron Microscopy: TEM), 주 사전자현미경(Scanning Electron Microscopy: SEM), Micro X-ray CT 등의 분석법이 있다. 더 작은 크기의 공극까지 알아볼 수 있는 분석 장비 중에서 최근에 활발하게 연구되고 있는 장비가 바로 H NMR(proton NMR 또는 Hydrogen-1 NMR)이다. 표 1 콘크리트 내부 공극 크기에 따른 분류(Monterio, P., 2006) 콘크리트 내부 공극 크기에 따른 분류(Monterio, P., 2006) 분류 모세관 공극(수) 겔 공극(수) 층간 공극(수) size 50nm이상 10~50nm 2.5~10nm 0.5~2.5nm 설명 50㎚보다 큰 공극은 보통 macro pore라 하며, 강도와 투수성에 영향 이 공간에 존재하는 물을 free water 라고 함 50㎚보다 작은 공극은 micro pore라 함 건조수축 및 크리프에 영향 C-S-H와 같은 수화물 표면에 물리적으로 결합된 물 상대습도 30% 이하의 강한 건조조건에서 증발되고 수축 발생 매우 작은 크기 공극이므로 강도와 투수성에는 영향이 적음 건조수축 및 크리프에 영향 C-S-H 구조의 공극 안에 결합된 물로서 존재 이 공간에 존재하는 물은 수소 결합에 의해 강하게 C-S-H 층에 결합되어 있음 상대습도 11% 이하의 강한 건조조건에서 증발되고 수축 발생 1 H NMR(Nuclear Magnetic Resonance) 분석 기술 개념 NMR이란 원자핵의 스핀 성질과 자기모멘트를 이용한 분광법이며, 자기장 내에서 원자핵의 자기모멘트에 특정한 외부의 에너지가 작용하여 그 에너지를 흡수하고 다른 에너지 준위로 전이하는 현상을 말한다. 1H NMR은 물 분자 속 양성자(proton)의 T2이완시간(spin- spin relaxation time)을 측정하여 콘크리트 내부의 물 분자가 존재하는 공간(공극)의 크기를 알아내는 방법이다. 콘크리트 내부에 존재하는 물은 건조과정 후에 그 공간이 공극이 되므로, 1H NMR과 같은 분석 방법을 사용하면 콘크리트의 공극 크기를 정량화할 수 있게 된다. 쉽게 말해 물을 사용하여 콘크리트 내부의 공극 구조를 관찰하는 분석법이다. 이 분석법은 콘크리트 내부 나노미터 크기의 작은 공극을 알아 볼 수 있으며, 별도의 건조과정이 필요없고 콘크리트가 굳기 전부터 굳은 후까지 실시간으로 측정이 가능하다. 이 방법을 통해 알아낼 수 있는 정보는 표 1과 같으며, 콘크리트 속에 존재하는 공극을 크기별로 알아낼 수 있다(그림 2). 예를 들어, Interlayer pore(층간 공극, 2.5nm 이하), gel pore(겔 공극, 2.5~10nm), capillary pore(모세관 공극, 10nm 이상)이다. 또한 각각의 공극 부피를 정량적으로 알아내는 것도 가능하다. 나노미터 수준에서 콘크리트 공극 구조 분석 1H NMR 분석법을 사용하여 콘크리트의 공극을 분석한 결과를 그림 3과 그림 4에 나타냈다. 해당 시편은 물/시멘트 비 0.4로 제조된 시멘트 페이스트로서 H NMR 분석을 수행한 결과이다. 1H NMR 신호를 통해서 계산된 피크에 대응하는 T2이완시간을 알 수 있고, T2이완시간은 물 분자가 존재하는 공극의 크기를 알 수 있게 된다. 일반적으로 T2 이완시간이 100μs(micro second)일 때 나타나는 피크는 ‘Interlayer water’를 의미하고, 300~500μs에서는 ‘Gel water’, 600~1000μs에서는 ‘Interhydrate water’(보통 Capillary water에 속함), 1000μs 이상은 ‘Capillary water’를 의미한다. 그림 3에 나타난 상대적 신호 강도를 정량화하여 계산한 결과는 그림 4와 같다. 그림 4는 시멘트 페이스트가 점차 수화함에 따라서 내부 공극수의 크기가 어떻게 변화하는지를 시간 영역으로 나타내고 있다. 초기부터 약 5시간까지는 시멘트 페이스트가 굳기 전 상태이므로 Capillary water만 측정된다. 수화가 시작되고 4~5시간부터 Interhydrate water가 발생하기 시작하고, 7시간부터 Gel water가 측정된다. 그리고 10시간 후부터는 Interlayer water도 확인된다. 기술 활용 방안 콘크리트가 굳기 전부터 내부의 공극 크기가 어떻게 변화하는 가에 대한 정보를 실시간으로 얻을 수 있는 것은 매우 의미 있는 연구이다. 이 기술은 콘크리트의 주요 물성인 자기수축, 건조수축, 크리프, 압축강도를 예측하는 데 활용될 수 있다. 장기 내구성 측면에서도 이 정보를 활용하여 콘크리트의 공극 구조 를 시뮬레이션 함으로써 동결융해, 염해저항성 등을 예측하고 판단하는 데 활용할 수 있는 가치 있는 정보라고 할 수 있다. 즉, 콘크리트에서도 나노 크기의 미시 세계 정보를 사용하여 거시 거동을 예측하는 연구가 가능하다. 향후, 이 분석기술은 더 안전하고 튼튼한 신규 콘크리트 구조물을 건설하기 위한 재료 설계에 활용될 수 있으며, 또한 기존 구조물의 내구도를 판단하는 근거로 활용될 수 있기를 기대해 본다. ――――――――――――――――― 참고자료 • 한국레미콘공업협회(http://www.krmcia.or.kr) • Anovitz L M Cole D. R. (2015). Characterization and analysis of porosity and pore structures. Reviews in Mineralogy and geochemistry 80(1), 61-164.) • Jennings H M Kumar A., & Sant, G. (2015). Quantitative discrimination of the nano-pore-structure of cement paste during drying: New insights from water sorption isotherms Cement and Concrete Research, 76, 27-36 • Monteiro, P. (2006). Concrete: microstructure, properties, and materials. McGraw-Hill Publishing. • York, I. N., & Europe, I. (2021). Concrete needs to lose its colossa carbon footprint. Nature, 597(7878), 593-594. 구조연구본부 게시일2024-08-28 조회수 2115

첫페이지이전페이지12다음페이지마지막페이지