가. 연구의 필요성
○ 기후변화로 인해 발생빈도가 증가한 집중강우는 단시간에 광범위한 지역에 걸쳐 큰 홍수피해를 야기하며 특히 인구가 밀집된 도심지역에서 더 큰 피해가 발생함. 우리나라의 연 최다 시간당 강수량은 27.9 - 63.4mm로 연강수량인 825.6mm ~ 2008.3mm과 비교 시 매우 높은 수치임 (2010년 기준 기상청 한국기후도). 특히 서울 및 중부내륙지방을 중심으로 높은 연 최대 시간당 강수량이 높은 경향을 보이고 있어, 도심지역에서 집중강우에 대처할 수 있는 기술개발이 요구됨.
○ 도심개발로 인한 포장 면의 증가로 지면이 불투수지로 전환되어 증발산량과, 지하수위가 감소함. 하지만 우리나라의 연간 강수량의 대부분이 여름에 집중되어 빗물이 지반으로 침투해 지하수위로 회복되지 못하고 많은 양이 유출됨. 지하수위가 지속적으로 감소할 경우 지하수질 저하, 지반침하, 하천수위감소와 같은 문제를 유발함. 포장면의 투수성 향상을 위한 재료의 개발이 필요함.
○ 현재 투수성 재료는 많은 연구가 이루어져 상용화되어 있으며 많은 시공사례가 존재함. 투수콘크리트와 투수블록이 일반적으로 이용되고 있으며, 재료를 통해 투수성 향상 뿐만 아니라 온도상승 억제효과도 볼 수 있음. 하지만 투수성재료의 막힘(Clogging)으로 인해 재료성능발휘에 문제가 발생하며 이에 대한 연구가 필요함. 또한, 교토의정서 발표 이후 주요 국가들을 중심으로 기후변화의 주요인인 이산화탄소 배출 저감과 포집에 대한 연구를 활발히 진행하고 있음. 국내에서도 이산화탄소의 지중저장량 향상에 대한 연구가 활발히 진행되고 있음. 하지만 대부분의 연구는 이산화탄소 저장기술을 위한 대규모 플랜트에 집중적으로 진행되고 있음.
○ 따라서, 사회기반시설물을 이용하여 집중호후에 의한 도심지 침수 피해를 줄이고 이산화탄소 농도를 저감시킬 수 있는 건설재료의 개발은 사회경제적으로 큰 효과가 있으며 도심 보행자의 사용 편의성을 증진시킬 수 있는 필수적인 연구임.
나. 연구목표 및 내용
1) 최종 연구목표
○ 최종 연구목표 : 본 과제는 집중 호우가 발생하는 국내 강우 특성과 이상기후로 발생하는 도심지 집중호우 피해를 저감하기 위한 기능성 보도블록 시스템을 개발함. 이를 위해, 기존 보도블록 재료보다 투수성이 향상되고 CO2 흡착을 통한 포집이 가능한 보도블록 재료 개발 및 성능평가를 수행함.
● 1단계 : CO2 포집 투수성 보도블록 개발
● 2단계 : 기능성 (이산화탄소 포집 및 고투수성) 보도 블록 및 노반 시스템 개발
2) 1단계 연구목표 및 내용
○ 1단계(2011. 9 – 2015. 8) 연구목표 : CO2 포집 투수성 보도블록 개발
○ 단계별 연구목표 및 연구내용
단계 | 연구목표 | 연차 | 연구내용 |
1단계 (2011.9 - 2015.8) | CO2포집 투수성 보도블록시스템 개발 | 3차 | 투수성이 증진된 새로운 투수보도블록 재료 개발 이산화탄소 포집 성능 발현을 위한 재료 합성 및 성능 평가 |
4차 | CO2 포집 성능에 대한 정량적 평가 다기능성 보도블록시스템 설계 |
3) 3차년도 연구목표 및 내용
○ 3차년도 (2013. 9. 1 – 2014. 8. 31) 연구목표 : 투수성과 이산화탄소 포집 성능을 고려한 다기능 보도블록 재료 개발
○ 연구내용
연구목표 | 연구내용 |
투수성과 이산화탄소 포집 성능을 고려한 다기능 보도블록 재료 개발 | 배합비 및 양생 조건에 따라 내부 공극 네트워크 형성이 가능한 다공성 투수 콘크리트 재료 합성. 역학적-수리적 물성치의 정량적 성능평가 및 이미지 분석을 통한 내부 공극 구조 분석 실시. CO2 흡착이 가능한 이산화티타늄 (TiO2) 및 광촉매 등의 기능성 재료를 활용하여 투수성 콘크리트 재료와의 배합 및 코팅 압력 및 온도, 함수비에 따른 CO2 흡착 성능 평가하기 위한 Gas content 분석 |
다. 연구과제 추진전략, 방법 및 추진체계
○ CO2 포집 투수성 보도블록 재료 개발을 위해 다음과 같은 연구 추진전략과 방법을 제안함.
○ 콘크리트 분야 전문가 그룹과의 협력 실험
◆ GS 건설 연구소 내 콘크리트 전문가 (염광수 박사)의 배합 및 성능 평가 노하우를 바탕으로 투수성이 확보된 투수콘크리트 시작품 제작 (예: Autoclaved Aerated Concrete, ACC)
◆ 역학적 물성치 (강도, 마모성, 강성도) 및 물리적 특성 (열전도도, 투수계수)에 대한 실내 모형실험을 통해 정량적 기능 평가
◆ 마이크로 스케일에서의 공극 구조 평가하기 위해 3차원 micro X-ray CT를 이용하여 공극 간 네트워크 발현, 공극막힘 현상에 대한 이미지 분석을 실시하고 Lattice Boltzmann Method를 이용하여 유체 흐름에 대한 해석적 평가 실시
◆ 재료의 배합 및 다양한 조건에서의 시작품 제작은 GS 건설 연구소 및 협력업체를 통해 실시하되 기본 물성치에 대한 실험적 연구 및 분석은 연구책임자 및 참여연구원의 주도로 데이터를 확보함
◆ 블록의 형태 및 맞물림 구조에 따라 투수성 및 강도 발현이 달라지므로 최적화된 형상 디자인 및 기능발휘를 위한 선행연구를 수행. 이를 위해 본 연구그룹이 보유한 장비를 적극 활용하며 추가적인 계측 시스템을 구축
○ 이산화탄소 포집 성능 평가를 위한 합성 및 성능 평가
◆ CO2 흡착이 가능한 재료가 코팅된 투수성 보도블록 샘플에 대한 실내 실험은 압력 및 온도 변화, 공극 내부 함수비에 따라 실시하며 closed chamber 내의 이산화탄소 농도 조절 및 반응시간에 따른 gas content 분석을 실시하여 포집 성능 평가를 실시함.
라. 기대효과
○ 개발을 제한하는 투수성 콘크리트는 도심지 보도블록 및 포장재료로 활용되며 집중호우로 인해 발생되는 초과 지표수를 원 지반으로 신속히 침투시키므로 도심지 지하수위를 회복하여 지하수자원을 확보함과 동시에 기존의 배수시스템이 처리하는 지표수를 분담하여 침수피해를 저감할 수 있음.
○ 기능성 혼화재 및 코팅 재료를 이용하여 이산화탄소 흡착 효과를 가지는 투수성 콘크리트를 개발하고 이를 보도블록 및 포장에 사용하여 사회기반시설물을 이용한 이산화탄소의 저감 기법 개발에 기여할 수 있음.
○ 이산화탄소 흡착 성능에 대한 평가는 보도블록 시스템뿐만 아니라 다양한 사회기반시설물에 적용이 가능하여 선제적 기후변화대응 재료로써의 가치를 가짐.
