자체 가열 콘크리트가 도로, 대수층 및 지갑을 도울 수 있습니다

북미의 추운 기후 지역에서는 겨울철에 눈이 내리고 동결‑융해 사이클이 흔히 발생합니다. 이는 콘크리트 도로와 평면 작업에 눈이 쌓이고 콘크리트가 동결‑융해 손상을 입히는 결과를 초래합니다.

하지만 Drexel 대학 캠퍼스에는 서리 없는 인도와 고속도로의 미래를 보여주는 콘크리트 구역이 있습니다. 이 구역은 대학 주차장 바로 옆에 위치해 있습니다.

이 구역은 30인치 × 30인치 크기의 두 개 슬래브로 구성되어 있으며, 3년 동안 사람의 삽질이나 제설제, 스크랩 없이 스스로 눈과 얼음비를 제거해 왔습니다. 하지만 이것이 기적은 아니며, 자체 가열 콘크리트입니다.

그래서 지난 주, Drexel 공대 연구원들은 이 특별한 콘크리트를 어떻게 만들었는지 보고했습니다. 이 콘크리트는 온도가 영하로 떨어지거나 눈이 올 때 스스로 가열됩니다.

Journal of Materials in Civil Engineering에 게재된 이 논문은 저온 상변화 물질(PCM)을 이용한 자체 가열 콘크리트 개발에 대해 논의합니다.

이 실험은 Drexel 대학의 Advanced Infrastructure Materials (AIM) 연구실에서 수행되었습니다. 실험을 위해 미국 기반 Compass Minerals가 재정 지원을 제공했으며, MicroTek Laboratories가 연구용 재료를 제공했습니다.

이 연구는 부교수 Amir Farnam, Ph.D., 박사과정 학생 Robin Deb, 학부생 Nishant Shrestha, Kham Phan, Mohamed Cissao, 그리고 박사과정 후보자 Sharaniaya Visvalingam, Angela Mutua, Yousif Alqenai, Parsa Namakiaraghi가 수행했으며, 모두 공대 소속입니다.

Farnam이 설명하듯, 이 자체 가열 콘크리트의 목표는 도로 및 다양한 표면의 운영 수명을 연장하는 것입니다. 구체적으로, 추운 기후에서 콘크리트 표면이 영하 이하로 떨어지지 않도록 온도를 유지하는 데 도움이 됩니다. 이는 미국 북부 지역에서 매년 약 23억 달러 규모의 제설 및 제빙 작업에 투자하는 상황에서 회복력 있는 인프라를 촉진하려는 의도입니다.

따라서 동결·융해를 방지하고 제설 및 제빙 필요성을 줄이기 위해, 새로운 실험은 콘크리트에 특수 금속을 도입하여 기후 변화 시 표면 온도를 더 높게 유지하도록 돕습니다.

이 소재는 약 5년 동안 개발되어 왔으며, 도로와 기타 콘크리트 표면에 부정적인 영향을 미치는 동결·융해 및 제설을 감소시키는 것을 목표로 합니다. 자체 가열 콘크리트는 눈을 녹이고 장기간 동안 얼음 형성을 늦추거나 방지할 수 있는 능력이 있다고 보고되었습니다.

지금까지 자체 가열 콘크리트는 제어된 실험실 환경에서 큰 잠재력과 성공을 보여왔으며, 이제는 실제 자연 환경에서도 그 실현 가능성이 입증되었습니다. 그리고 인간의 도움이나 난방 시스템 없이도 환경의 낮 시간 열 에너지만으로 눈을 녹일 수 있음을 보여주었습니다.

“이 자체 가열 콘크리트는 미국의 산악 및 북부 지역, 예를 들어 펜실베니아 북동부와 필라델피아와 같이 겨울에 적절한 가열·냉각 사이클이 있는 곳에 적합합니다.”

– Farnam

The Low-Temperature Phase Changes Material

연구에서 자체 가열 콘크리트를 구현하는 데 사용된 물질은 저온 액체 파라핀입니다. 이는 상변화 물질(PCM)으로, 주변 온도가 약 0°C(32°F)로 떨어지면 액체 상태에서 고체 상태로 변하면서 원하는 양의 열을 방출합니다. 이는 축적된 눈과 얼음이 서서히 녹는 데 기여합니다.

그룹은 이전에 물질을 콘크리트에 혼합하면 온도가 떨어질 때 가열이 활성화된다고 보고했으며, 최신 연구에서는 가을 및 겨울철 실내 실험 조건과 야외 실시간 조건 모두에서 자체 가열 콘크리트의 성능을 평가했습니다.

이 프로그램의 목적은 PCM 함량을 최대화하도록 콘크리트 혼합 설계를 최적화하고, LGCC를 이용해 PCM-모르타르 샘플의 열 특성을 특성화하는 것이었습니다. LGCC는 longitudinal guarded comparative calorimetry의 약자로, 콘크리트 시료의 열 특성과 열 흐름을 정량화하는 시험 장치입니다.

또한, 대규모 콘크리트 슬래브에 상변화 물질을 적용하여 실험실 외의 자연 환경에서 눈을 녹이는 효율과 동결‑융해 사건에 대한 실시간 열 성능을 평가하고자 했습니다. 여기서 동결‑융해 사건은 온도가 32°F(0°C) 이하로 떨어져 물이 얼고, 다시 상승해 녹는 현상을 의미합니다.

이제 물질을 콘크리트에 통합하기 위해 팀은 두 가지 방법을 사용했습니다. 첫 번째는 마이크로캡슐화된 PCM(MPCM)으로, 파라핀 마이크로캡슐을 콘크리트에 직접 혼합하는 방식입니다. 다른 접근법은 액체 상변화 물질을 다공성 경량 골재(PCM-LWA)에 침투시키는 것으로, 콘크리트의 작은 골재 조각들을 파라핀으로 처리합니다. 이 작은 골재와 자갈은 액체 파라핀을 흡수한 뒤 콘크리트에 포함됩니다.

실험에서 연구원들은 세 개의 슬래브를 사용했습니다: 하나는 MPCM 방법으로, 두 번째는 PCM-LWA 방법으로, 세 번째는 상변화 물질을 전혀 사용하지 않은 대조군입니다.

이 슬래브들은 2021년 12월부터 자연 기후에 노출되었습니다. 이 기간 동안 세 슬래브 모두 온도가 영하 이하로 떨어지는 32번의 동결‑융해 사건을 겪었으며, 1인치 이상 눈이 내린 5번의 눈폭풍도 경험했습니다. 온도와 슬래브의 거동을 모니터링하기 위해 팀은 카메라와 열 센서를 사용했습니다.

공기 온도가 영하로 떨어지면, 연구진은 PCM 슬래브가 표면 온도를 섭씨 5.56~12.78도(화씨 42~55도) 사이로 최대 10시간 유지한다는 것을 발견했습니다. 이는 몇 인치의 눈을 녹일 수 있는 온도입니다. 그러나 눈이 녹는 속도는 시간당 약 0.25인치로 느립니다. 무거운 눈을 녹일 정도는 아니지만, 도로 표면을 얼음으로부터 자유롭게 유지하고 교통 안전을 향상시킬 수 있습니다.

이는 도로 악화를 방지하는 데 유익합니다. 극심한 냉각과 그 후의 가열이 반복되면 표면이 팽창·수축하면서 구조적 무결성에 부담을 주어 시간이 지남에 따라 균열 및 박리 현상이 발생할 수 있습니다. 이러한 취약성은 결국 구조 내부에서의 파손으로 이어지므로 방지해야 합니다.

“유망한 발견 중 하나는 상변화 물질이 적용된 슬래브가 주변 온도가 떨어져도 온도를 영하 이상으로 안정화할 수 있었다는 점입니다.”

– Deb

인프라 수명을 연장하는 데 도움이 될 뿐만 아니라 도로 유지보수 비용도 절감할 수 있습니다. 미국 고속도로 관리국(National Highway Administration)의 추정에 따르면 겨울 날씨로 손상된 도로 복구에 수백만 달러가 지출됩니다. 또한 제설제 사용을 없애면 주는 인건비와 제설제 비용을 절감할 뿐만 아니라 차량 부식도 방지합니다. 이 접근법은 과도한 제설제로 인한 대수층 오염을 방지하여 인간 사용에 안전한 상태를 유지하는 데도 도움이 됩니다.

Gradual Progress, Potential for Growth 

그룹은 다양한 규모에서 자체 가열 콘크리트를 조사했으며, PCM이 만족스러운 과냉각, 장기 열 안정성 및 높은 융해 엔탈피를 보임을 확인했습니다. 전반적으로, 물질이 적용된 두 콘크리트 슬래브 모두 눈을 녹이는 능력이 긍정적이며, 겨울철 동결‑융해 사이클 수를 감소시키는 것으로 나타났습니다.

다공성 경량 골재(PCM-LWA)로 처리된 슬래브는 동결‑융해(F‑T) 사이클 수를 감소시키는 데 더 효과적인 것으로 나타났습니다. 이는 PCM이 골재 내부에 고르게 분포하고, LWA 기공 네트워크의 구속 압력에 의해 저온에서의 과냉각 현상이 발생하기 때문입니다.

이로 인해 잠열이 점진적으로 방출되었습니다. 여기서 과냉각은 저온 범위인 섭씨 3.94°C에서 -13.04°C(화씨 39.09°F에서 8.52°F)까지의 상변화를 일으킵니다. 따라서 PCM-LWA 방법은 이 저온 범위에서 눈을 녹이는 데 더 효과적인 것으로 밝혀졌습니다.

반면, MPCM 콘크리트의 “한 번에” 열 방출 현상은 눈을 빠르게 녹이는 데 도움이 됩니다. 마이크로캡슐화된 상변화 물질(MPCM)로 처리된 슬래브는 더 빠르게 가열되지만, LWA-PCM에 비해 가열 지속 시간이 절반 수준에 불과했습니다.

따라서 PCM-LWA 슬래브는 재료가 화씨 39도에 도달할 때까지 열 에너지를 방출할 수 있었지만, MPCM은 온도가 화씨 42도에 도달하자마자 열을 방출하기 시작해 상대적으로 짧은 활성 기간을 보였습니다.

결과적으로 팀은 PCM-LWA 방법이 영하 온도에서 제빙 적용에 더 적합하다고 밝혔습니다.

두 방법 모두 콘크리트 온도를 화씨 53~55도(섭씨 11.7~12.8도)까지 상승시킬 수 있지만, 눈 강도와 눈이 내리기 전의 대기 온도가 PCM-LWA와 MPCM의 성능에 영향을 미칩니다.

PCM이 적용된 포장은 2인치(5cm) 이상과 같은 대량의 눈을 완전히 녹이지는 못하지만, 그 이하에서는 눈을 “꽤 효과적으로” 녹일 수 있습니다. 눈이 쌓이기 시작하자마자 즉시 해동을 시작합니다.

Deb에 따르면, 열의 점진적 방출은 콘크리트 표면을 성공적으로 해동시켜 대량 눈이 내리기 전 사전 제설이 필요 없게 합니다. 다만, 물질이 눈이나 동결‑융해 사건 사이에 재충전 시간을 필요로 하며, 이때 액체 상태로 복귀하지 않으면 성능이 저하될 수 있습니다.

팀이 PSM이 포함된 콘크리트가 자연에서 어떻게 작동하는지 이해하게 되면서, 더 긴 가열 시간과 더 큰 눈 녹임을 최적화하기 위해 시스템 개선에 착수할 것입니다. 연구자들은 장기 효능을 파악하기 위해 더 많은 데이터를 수집하고, 이 방법이 콘크리트 수명을 얼마나 연장시킬 수 있는지 연구할 필요가 있습니다.

이는 인프라를 개선하고 환경을 보호하기 위한 최신 진전이며, 조직과 정부가 추운 계절과 더운 계절을 다루는 더 나은 방법을 찾기 위해 노력하고 있습니다. 최근 우리는 캘리포니아 대학교 연구원들이 적응형 지붕 타일을 통해 난방 및 냉방 비용을 절감하는 방법을 보도했습니다. 이 타일은 방사형 스위치 또는 수동 온도조절 장치를 갖추어 다양한 온도에 대응합니다.

또 다른 해결책은 버클리 연구소 재료 과학 부서에서 개발한 사계절 스마트 루프 코팅으로, 겨울에는 집을 따뜻하게, 여름에는 시원하게 유지하면서 천연 가스나 전기를 필요로 하지 않습니다. 이 코팅은 온도 적응형 방사 코팅(TARC)이라는 새로운 물질을 활용해 겨울에는 방사 냉각을 자동으로 차단해 과냉각 및 에너지 낭비를 방지합니다. 이 모든 것이 우리와 지구의 밝은 미래를 보여줍니다.

Working on Winter Maintenance

이제 제설 솔루션을 제공하고 보다 혁신적인 옵션을 모색하는 업계의 몇몇 이름을 살펴보겠습니다:

#1. Clear Roads

이 프로그램은 전국의 교통 전문가와 연구자를 모아 겨울 유지보수 혁신을 추진합니다. Clear Roads는 실제 현장에서 재료, 장비 및 방법을 평가하여 비용 절감, 효율성 향상 및 안전 개선에 도움이 되는 최적의 기술과 솔루션을 찾습니다.

In its 2024 TRB Annual Meeting, the program focused on topics like the implementation of salt stockpile inventory using LiDAR measurements, salt sustainability, artificial intelligence, and roadway friction modeling. It also covered predicting winter road surface conditions using a data-driven approach, a winter pavement temperature prediction model based on transfer learning and long and short-term memory neural networks, developing a prototype of a digital twin for winter road maintenance, the future of road weather, and more.

#2. Cargill

이 회사는 도로 및 고속도로용 제설 솔루션을 제공합니다. Cargill의 효과적인 겨울 유지보수 솔루션은 환경 영향을 최소화하고 관련 비용도 절감합니다. 회사의 다양한 제품에는 입자형 제설제, 방제제, 자동 염수 생산 시스템 및 첨가제, 포장 오버레이 솔루션 등이 포함됩니다.

지난해 하반기에 보도된 바에 따르면, 이 회사는 미국 내 제설제 사업 중 일부를 매각하려고 하고 있으며, 당시 매출 약 3억 7,500만 달러 중 약 4천만 달러의 EBITDA를 창출하고 있었습니다.

회사가 매각하려는 자산은 제설제를 채굴, 가공 및 운송하는 시설로, 전국의 지방자치단체, 정부 기관 및 민간 기업에 겨울 폭풍 시 도로에 사용됩니다. 이는 2022년에 Cargill이 라오리조아 섬에 있는 세 번째 제설제 광산을 폐쇄한 이후의 일입니다.

#3. Clariant

이 회사는 항공기 제설을 제공하는데, 이는 성장하는 분야이며 예측에 따르면 향후 7년간 연평균 5% 성장해 18억 3천만 달러에 이를 것으로 보입니다. 북미는 견고한 항공 산업 덕분에 이 성장의 선두에 있습니다. 항공기 제설 시스템은 안전한 이착륙에 필수적입니다.

항공기 제설 외에도 Clariant은 재활용 솔루션과 악천후 시 활주로 운영 어려움을 극복하도록 고객을 지원합니다. 이를 위해 눈과 얼음으로부터 항공기 표면을 깨끗하게 유지하는 매우 효과적인 제설액을 개발했습니다. 또한 이 회사는 활주로 제설 및 방제 화학 물질에도 전문성을 가지고 있습니다.

Conclusion 

보시다시피, 자체 가열 콘크리트는 포장, 차도, 교량 데크 및 다양한 평면 작업에 활용될 수 있는 큰 발명입니다. 이 제품은 콘크리트 내구성과 서비스 수명을 향상시켜 도로 유지보수, 인건비 및 제품 사용 비용을 절감하고, 차량 부식을 방지하며 과도한 제설제가 대수층을 오염시키는 것을 방지합니다. 이러한 연구는 인간에게만 좋은 것이 아니라 환경에도 이롭고, 우리의 삶을 향상시키면서 생태계를 보호합니다.

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