1. 서 론
2. 결빙방지 기술
2.1 제설제를 이용한 방법
2.2 전기에너지를 이용한 방법
2.3 친환경에너지를 이용한 방법
2.4 결빙방지재를 이용한 방법
3. 결빙방지 표면처리공법의 현장적용
3.1 사용재료
3.2 시험시공
3.3 시험시공구간 추적조사
4. 결 론
1. 서 론
겨울철 도로의 노면결빙과 살얼음(Black Ice) 발생으로 교통사고가 빈번히 발생하고 있다. 습기 및 기온 급강하에 따른 노면결빙으로 인한 도로의 살얼음 발생은 노면의 마찰저항 감소로 차량의 제동거리를 증가시켜 치명적인 사고로 이어진다. 최근 10년간(2014~2023년) 도로교통공단에서 조사된 교통사고 발생건수는 2,147,503건이다(TAAS, 2024). 이 가운데 노면상태별 교통사고 중 ‘서리/결빙’으로 인하여 발생한 교통사고 발생건수는 30,027건으로, 전체 발생한 교통사고 건수의 약 1.4%를 차지한다(TAAS, 2024). 노면의 상태가 ‘서리/결빙’인 상태에서 발생한 교통사고는 해마다 큰 편차가 있으나, 노면의 상태가‘서리/결빙’인 상태에서 발생한 교통사고의 치사율은 2.4%로 ‘건조’상태에서 발생한 교통사고 치사율 1.6%보다 1.5배 높기 때문에 ‘서리/결빙’인 상태에서 발생한 교통사고에 각별한 주의가 필요하다.
미국교통부 연방 고속도로 관리국 자료에 따르면 눈길과 빙판길로 인해 연간 평균 1,836명의 사망자와 136,309명의 부상자가 발생하는 것으로 나타났다(FWHA, 2024). 교통사고로 인한 인적·물적 손실비용과 교통 지・정체 유발 등 사회간접비용 손실을 고려하면 동절기 교통사고 예방대책은 국가적 차원에서 관리되어야 할 중요한 현안이다. 교량 구간, 터널 진・출입구간, 가로수에 의해 그늘진 구간, 강/호수 통과 구간 등 도로 살얼음 발생이 빠르고, 빈번하게 발생하는 구간은 주행안전 확보를 위해서 지속적인 결빙방지 대책이 필요하다. 서리, 노면 습기, 강설 시 기온강하로 인한 노면결빙으로 미끄럼 저항성 감소와 이로 인해 유발될 수 있는 교통사고 예방을 위하여 자동염수분사시설 운영 및 강설 또는 노면결빙 전 염화물을 미리 살포하는 예방적 조치를 취하고 있으나, 기습적 기온강하로 인한 도로살얼음 발생 초기대응에 한계가 있다. 이에 따라 본 연구에서는 결빙방지 기술중 도로 노면의 빙점을 낮추어 살얼음 발생과 강설초기에 발생 가능한 사고를 방지할 수 있는 도로 결빙방지재를 사용한 표면처리공법에 대하여 현장 시험시공 및 추적조사를 실시하여 운전자들의 안전한 운행과 생명을 보호할 수 있는 도로 결빙방지 표면처리공법의 도로 살얼음 발생 방지 및 억제효과에 대하여 연구하였다.
2. 결빙방지 기술
2.1 제설제를 이용한 방법
제설제란“물리적 또는 화학적인 방법으로 눈과 얼음을 녹이는 물질”로 정의된다(COST, 2002). 제설은 제빙(De-icing)과 방빙(Anti-icing)으로 구분할 수 있다. 제빙은 이미 적설 된 눈 또는 결빙된 노면 위에 제설제를 살포하여 노면의 눈과 얼음을 녹이는 개념이며, 방빙은 미리 노면에 제설제를 살포하여 적설 및 노면의 결빙을 방지하는 개념이다(Cho, 2019).
2.2 전기에너지를 이용한 방법
전기에너지를 이용한 결빙방지 방법으로는 히팅케이블, 탄소섬유, 강섬유, CNT등의 다양한 발열체를 사용하고 있으나 전기에너지를 이용하여 발열체를 가동시키는 원리는 동일하다. 전기에너지를 이용한 결빙방지기술은 다른 결빙방지기술 보다 효과가 우수하다. 이는 전력 공급이 계속되는 한 높은 열에너지와 지속적으로 가동이 가능하여 결빙방지 효과가 뛰어난 것으로 알려있다(Kim, 2023). 또한 제설제을 이용한 결빙방지기술과 다르게 도로의 주변 구조물과 식물들에게 피해를 주지 않는 장점이 있다. 반면, 단점으로는 설치 시 도로 재포장으로 인한 시공비용과 전기에너지 소모로 인한 유지관리 비용이 많이 발생하는 문제점을 지니고 있다(Cho, 2019).
2.3 친환경에너지를 이용한 방법
친환경에너지의 종류로는 지열, 태양열, 해수열을 이용한 기술로 구분 할 수 있다. 지열에너지를 이용한 결빙방지 기술은 Fig. 2와 같이 지하에 밸브 설치 후 펌프를 이용하여 파이프에 물을 순환시키는 방법으로 지반 내의 열을 도로 포장층까지 올려 결빙을 방지하는 기술이다(Morita and Tago, 2000). 태양열 에너지는 태양전지를 설치하여 생성된 전기를 도로에 설치된 발열체를 가동시키는 기술이다. 해수열은 여름철에는 수온이 대기보다 낮고, 겨울철에는 높은 특성을 이용한 기술이다(Kim, 2023).
2.4 결빙방지재를 이용한 방법
결빙방지재를 이용한 방법은 노면 빙점을 낮추어 제설 및 제빙(Deicing) 작업 시 노면에 흡착된 눈과 얼음의 제거를 보다 쉽게 할 수 있는 특징을 가진 기술이다. 결빙방지재는 크게 물리계 시공방법과 화학계 시공방법으로 구분된다.
물리계 시공방법은 도로 포장체에 탄력성을 부여하여 결빙방지 효과를 얻는 것이다. 노면에 고무 등이 차량하중에 의해 변형되어 물리적으로 노면의 결빙 층을 파괴하는 원리로, 고무입자, 분말형태의 탄성체를 아스팔트 혼합물 생산에 사용하는 방법, 포장 면에 그루빙(grooving)을 실시하고 탄성체를 충진하는 방법, 박층포장공법(Lee, 2003; Lee, 2011) 등이 있다.
화학계 시공방법은 염화물(염화칼슘 또는 염화나트륨)의 빙점강하 특성을 이용하는 방법으로 타이어 마찰에 의한 도로표면 마모와 모세관 현상에 의하여 염화물이 도로표면에 노출되어 노면 결빙을 방지, 억제 및 예방하는 포장공법이다. 화학계 결빙방지재의 종류로는 버그리미트(Verglimit), 마필론(Mafilon), 논 프리즈(Non-freeze), 세이프레인(Safelane), 윈터페이브(WinterPave), 그리콜(Grikol), 자체 융설 아스팔트 콘크리트가 있다(Cho and Shin, 2021). Fig. 1은 결빙방지재를 이용한 표면처리방법에 대한 메카니즘을 보여준다.
3. 결빙방지 표면처리공법의 현장적용
3.1 사용재료
본 연구에서는 80%의 염화나트륨, 10%의 염화칼슘 및 10%의 Siakor(실리콘계)로 이루어진 결빙방지재(Grikol)와 Acrylic과 Methacrylic Acid Easter의 중합반응 공정을 거쳐 이중 탄소결합을 갖도록 만든 반응형 MMA(Methyl Methacrylate)수지를 사용하였다. Table 1 및 Table 2는 결빙방지재 및 MMA 수지에 대한 재료 특성을 정리한 것이다.
Table 1.
Anti-icing material (Grikol)
Table 2.
MMA (Methyl Methacrylate)
3.2 시험시공
결빙방지재인 그리콜을 사용하여 결빙방지 표면처리공법을 한국도로공사 경부선(부산)과 동해선(속초), 중부내륙선(양평), 서해안선(목포)에 2018년 시험시공을 실시하였다. 시공방법은 Fig. 2와 같이 실시하였으며, 시험시공 구간 현황은 Table 3과 같다.
Table 3.
Test bed
Expressway Route | Direction | Length (m) | Date |
Gyeongbu (246.9 k) | Busan | 100 | 2018.4 |
Donghae (61.5 k) | Sokcho | 600 | 2018.11 |
Jungbunaeryuk (255.4 k) | Yangpyeong | 600 | 2018.11 |
Seohaean (38.0 k) | Mokpo | 100 | 2018.12 |
3.3 시험시공구간 추적조사
경년변화에 따른 결빙방지 표면처리공법의 성능 평가를 위하여 Fig. 3과 같이 시험시공 구간에 코어를 채취하여 표면처리층과 얼음층과 부착강도시험(Fig. 3(a)) 및 미끄럼저항성시험(Fig. 3(b))을 실시하였다.
3.3.1 표면처리층과 얼음층과의 부착강도시험
결빙방지표면처리공법에 대한 결빙방지효과 지속성을 평가하기 위하여 결비방지 표면처리공법을 적용하지 않은 미시공구간과 결빙방지 표면처리공법을 적용한 구간을 구분하여 시공초기부터 최대 공용기간 23개월 후에 대하여 현장에서 코어를 채취하여 실험실에서 0°C, -6°C, -12°C, -21°C에서의 표면처리층과 얼음층과의 부착강도을 평가하였다. 부착강도시험은 결방방지효과 분석을 위하여 수행되는 시험방법으로 결빙방지 표면처리공법이 영하 몇 °C까지 결빙을 방지 할 수 있는지를 확인하는 시험방법이다. 부착강도 관리기준은 SHRP(strategic highway research program, Blackburn et al., 1993)에서 수행한 “Ice-Pavement Bond Disbonding Fundamental Study”에서는 포장층과 얼음사이의 부착강도를 0.1 MPa 이내로 관리하는 것을 제시하였다. 본 연구에서는 SHRP에서 제시한 0.1 MPa을 부착강도의 경계온도로 결정하였으며, 시험방법은 물로 포화된 부직포가 달린 디스크를 결빙방지 아스팔트 포장 상부에 부착하여 3시간 동안 영하의 실험온도에서 보관한 후 인장 접착강도(KS F 2386)을 수행하는 방식으로 실시하였다. 부착강도시험에 대한 결과는 Tables 4, 5, 6, 7과 같다.
Table 4.
Bond strength results (Gyeongbu (246.9 k))
Table 5.
Bond strength results (Donghae (61.5 k))
Table 6.
Bond strength results (Jungbunaeryuk (255.4 k))
Table 7.
Bond strength results (Seohaean (38.0k))
3.3.2 미끄럼저항시험
노면의 결빙으로 인한 미끄럼사고는 노면과 타이어와의 마찰력 감소로 인하여 발생한다. 결빙방지 표면처리공법적용시 동절기 도로 노면의 결빙현장을 억제 할 수 있는지를 평가하기 위하여 시험포장 현장 도로 노면의 미끄럼 저항성평가를 실시하였다. 평가방법으로 SN(Skid Number)을 이용한 미끄럼저항성 시험을 시공전, 시공초기, 공용 4개월 후, 15개월 후, 16개월 후, 23개월 후 실시하였다. 미끄럼저항시험에 대한 품질기준 및 결과는 Tables 8~9와 같다.
Table 8.
Skid resistance test quality standards
standard | Normal section | Downhill section of 100m or more |
More than 4 serious injuries or fatal accidents in the past year | |
5% or less | 5% or more | |||
ASTM E 274 | SN ≥ 35 | SN ≥ 40 | SN ≥ 45 | SN ≥ 50 |
Table 9.
Skid resistance test results
4. 결 론
본 기술기사는 겨울철 도로 노면의 결빙과 살얼음 발생으로 인한 미끄럼 교통사고를 사전에 예방하고자 결빙방지재(Grikol)와 MMA수지를 혼합한 결빙방지 표면처리 공법에 대한 현장 시험시공 추적조사결과을 다음과 같이 요약하였다.
1. 결빙방지 표면처리공법 시공 후 채취한 현장코어를 대상으로 표면처리층과 얼음층의 부착강도시험결과 SHRP에서 제시한 0.1 Mpa 기준을 최대 -6°C까지 만족하는 것을 확인하였다.
2. 시험포장 현장의 도로 노면의 미끄럼 저항성 평가 시험결과 기준인 일반평지구간 SN ≥ 35의 기준을 모두 만족하였다.
3. 현장 추적조사를 통하여 영하의 온도에서도 결빙방지 표면처리공법이 결빙성능을 발휘 한다는 것을 확인하였다.
4. 향후, 상급결빙구간에 결빙방지 표면처리 공법을 현장에 적용한다면 도로 살얼음, 강설로 인한 미끄럼 사고를 사전에 예방함으로써 도로이용자의 안전과 생명을 보호 할 수 있을 것으로 기대된다.