사조

프로젝트 개요

기술개발 과제

국문 : 칼라 콘크리트와 슬러지를 이용한 점자블록 보완 설계

영문 : Enhanced Design of Braille Blocks Using Colored Concrete and Sludge

과제 팀명

사조

지도교수

김지수 교수님

개발기간

2024년 3월 ~ 2024년 6월 (총 4개월)

구성원 소개

서울시립대학교 토목공학과 2021860048 조용배(팀장)

서울시립대학교 토목공학과 2016860014 문대혁

서울시립대학교 토목공학과 2021640047 정수현

서울시립대학교 토목공학과 2021860044 노수민

서울시립대학교 토목공학과 2021860048 송현석

서론

개발 과제의 개요

◇ 파손 및 유실, 페인트 벗겨짐 등으로 보행자 및 시각장애인에게 불편함을 주는 기존의 점자블럭의 단점을 보완하는 일체형 콘크리트 점자블럭 설계

◇ 점자블럭 관련 규정에 따르면 정기보수는 1년에 한번, 유실 및 파손 발생 시 즉시 보수 필요한데 일체형 점자블럭의 사용으로 유지 보수의 불편함을 줄임

◇ 환경을 오염시키는 슬러지를 재활용 할 수 있는 방안을 마련하여 기존의 매립 및 소각으로 발생하는 비용과 환경오염을 절감

개발 과제 요약

◇ 현재 세계적으로 환경오염의 문제를 야기하고 있는 슬러지를 활용한 친환경 점자블럭 제작

◇ 기존의 분리형과 겉면의 염색 염료 도포로 발생하였던 문제를 점자블록의 상부를 칼라콘크리트의 사용으로 일체형 제작

◇ 점자블록 제작과정에서 시멘트를 슬러지로 대체함에 따라 시멘트 사용량, 슬러지 처리비용 감소와 더불어 칼라콘크리트 사용으로 유지,보수 비용 감소 예상

개발 과제의 배경

◇ 시각 장애인들에게 눈이 되어주는 점자블럭의 설치와 관리가 미흡

◇ 제대로 관리되지 않은 점자블럭으로 시민들에게 불편함을 초래

◇ 자주 발생하는 블록의 손상으로 인해 추가적인 자원 소모와 환경부담을 초래

◇ 폴리염화비닐(PVC), 탄성 고무 재질의 점자블럭은 우천 시 보행 안전을 위협

◇ 2020년 기준 10년간 슬러지 발생량은 71.7% 증가했고, 이에 따른 슬러지 처리에 많은 에너지가 필요

개발 과제의 목표 및 내용

◇ 기존의 점자블록을 슬러지와 칼라콘크리트를 이용하여, 기존의 점자블록보다 개선된 제품을 만드는 것

◇ 모두에게 더 나은 접근성을 제공하고 동시에 지속 가능한 제품으로서의 역할을 수행

◇ CAD와 3D프린터를 활용하여 일체형 점자블럭 몰드 제작

◇ 슬러지의 비율을 조절해가며 콘크리트와 혼합 후 강도 시험 진행

◇ 최적의 슬러지-콘크리트의 상부에 칼라 콘크리트를 합친 후 강도 시험 진행

◇ 경제성 및 안정성 평가

구성원 및 추진체계

◇ 송현석 : 슬러지 비율에 따른 타설 및 강도 측정, 기존 점자블럭의 마찰력과 타설 블록의 마찰력 비교, 발표

◇ 조용배 : 몰드 설계 후 3D 프린팅, 슬러지 비율에 따른 타설 및 강도 측정, 실험

◇ 정수현 : 빛 반사 및 발광 물질 조사 및 실험, 칼라 시멘트의 양에 따른 색상 비교, PPT 제작

◇ 문대혁 : 몰드 설계 후 3D 프린팅, 빛 반사 및 발광 물질 조사 및 실험, 자료 조사

◇ 노수민 : 기존의 점자블럭의 마찰력과 타설 블록의 마찰력 비교, 칼라시멘트의 양에 따른 색상 비교, 자료조사

설계

설계사양

제품의 요구사항

설계 사양

◇ 현재 일상생활 속 하수처리 과정, 건설페기물 세척과정, 폐기물 처리과정 등 다양한 환경에서 슬러지가 발생한다. 각기 다른 상황에서 발생한 슬러지는 기본 성질은 비슷한 듯 보이지만 상세한 성분의 비율은 다르므로 타설시 각기 다른 반응을 나타낸다. 이 중 건설페기물에서 생성되는 슬러지를 활용하여 Sluge/Binder 비에 따른 압축강도 변화 값을 측정할 것이다.

◇ 칼라콘크리트 제작과정에서 시멘트의 적정량을 안료로 대체하여 색을 발현한다. 하지만 각기 안료마다 구성하는 성분이 달라 타설시 강도 측면에서 차이를 나타낸다. 이를 바탕으로 시멘트에 대한 안료의 비에 따라 압축강도의 변화와 색의 발현 정도를 측정할 것이다.

◇ 다양한 양생방법 중 습윤 양생은 비교적 높은 압축강도를 보여준다. 따라서 점자블록 설계 시 높은 압축강도를 발현 시키기 위해 습윤 양생을 채택 할 것이다.

◇ 시방서에 따른 기준에 맞춰 실험을 진행한다.

개념설계안

◇ 편의증진법에서 제시하고 있는 점자블럭 기준 300mm x 300mm 크기의 표준형, 돌출점의 높이는 0.6±0.1cm로 정해져있지만 과제의 효율과 실험예산 단축을 위해 압축강도의 변화가 크게 없는 선에서 크기를 줄여 제작한다.

◇ 점자블록에 경우 휨강도 규정이 있지만 휨강도 실험을 진행하기 힘들다고 판단하여 대신 압축강도 시험을 진행하기로 결정하고 보도블록의 압축강도 규정인 12Mpa ~ 25Mpa를 목표로 하였다.

◇ 여러 개의 콘크리트를 타설하고 부숴가며 실험을 해야하는 과제 특성을 고려하여 몰드 재사용을 위해 점자블록 모형을 3D프린터로 제작 한 후, 실리콘을 이용해 몰드를 제작하였다.

◇ 공시체 제작 후 각 공시체의 압축강도 시험을 진행하여 점자블록 기준 압축강도에 부합하는지 확인하여 적합성을 확인한다.

◇ 슬러지, 시멘트 및 기타 재료 배합은 논문을 참고하여 진행. 단, 논문에서 다루지 않은 비율은 슬러지 증가량에 따른 경화제 사용 증가량을 참고하여 결정하였다.

◇ 안료 첨가 비율 역시 논문 참고. 데이터 상 6% 이상부터는 뚜렷한 결과 변화가 없다고 판단하여 6%로 진행한다.

◇ 실험장소인 실험실의 경우 에어컨이 상시 가동중이여서 건조한 환경이다. 따라서 모래는 절대건조 상태가 유지되고 있으며 실제 건설현장에서 사용하는 모래의 상태인 표면건조 상태와 상이하기 때문에 배합 전 모래에 물을 뿌려 실제 시험환경과 유사한 표면 건조 상태를 만들어준다. 이를 확인하고 최적 함수율을 맞추기 위해 다짐시험을 실시하였다. 추가로 배합을 완료한 후에 타설 시 공극 감소, 최적함수율을 찾기 위해 플로우테스트를 진행한다.

◇ 양생은 시간적 제약으로 7일, 28일 진행하기로 하였으며, 다양한 양생 방식 중 결과값이 비교적 양호한 습윤양생으로 진행하기로 하였다.

이론적 계산 및 시뮬레이션

이론적 계산

◇ 상부(컬러콘크리트) 15mm 부분에서 6%를 안료로 대체 -> 전체 시멘트 중 1.8%

◇ 하부(슬러지콘크리트) 35mm 부분에서 20~40%를 슬러지로 대체 -> 전체 시멘트 중 14~28%

◇ 총 최소 15.8%에서 최대 29.8%까지 시멘트 비용을 절감할 수 있으며, 슬러지 처리 비용 또한 절감 가능

시뮬레이션

◇ 제작 여건 상의 문제와 정확한 실험을 위해 위의 표와 같이 20, 30, 40%의 슬러지 콘크리트를 날짜를 나워서 강도시험을 진행.

◇ 20, 30%의 슬러지 콘크리트를 현재 타설 완료하여 양생 중에 있고 40%의 슬러지 콘크리트를 5월 9일 실시할 예정.

◇ 모든 슬러지 콘크리트의 7일 압축강도 데이터를 추출한 5월 16일에 강도가 미진할 시 실험계획이 보수적으로 변경될 수 있음. 더 낮은 치환 비율을 선정하거나, 적정값이 나온 치환 비율 사이값을 다시 타설 할 예정.

◇ 강도시험이 성공적으로 마무리될 시 모든 28일 압축강도 데이터를 추출한 6월 6일에 최종 목표를 달성할 수 있을 것으로 예상.

상세설계 내용

◇ 개념 설계안에 제시된 다짐시험, 배합, 플로우테스트를 진행 후 타설 과 양생을 진행.

◇ 상부(컬러콘크리트) 부분은 15mm로 점자블럭의 상단만을 덮고 하부(슬러지콘크리트) 부분은 35mm로 층을 나눠 한 번에 타설.

◇ 그 후 하루를 기다려 굳힌 다음, 몰드에서 빼내 물에 집어넣어 습윤양생 진행.

◇ 똑같은 모양의 점자블럭을 슬러지 비율마다 6개 씩 타설하여 총 18개를 타설.

◇ 7일, 28일 마다 3개 씩 강도시험을 진행하여 평균 데이터값을 추출할 예정.

◇ 최종적으로 기대되는 컬러 콘크리트와 슬러지를 이용한 일체형 점자블럭.

결과 및 평가

결과

◇ 28일 기준 20, 30% 치환 시의 압축강도는 점자블럭의 허용압축강도인 12~25Mpa을 만족하고 40% 치환 시의 압축강도는 만족하지 못한다.

◇ 40% 치환 시의 압축강도가 허용압축강도와 큰 차이가 나지 않기 때문에 충분한 양생기간을 갖고 실험과정에 대한 숙련도를 높인다면 허용압축강도를 만족시킬 수 있을 것으로 보인다.

◇ 최적의 치환 비율이 30~40% 사이에 있을 것으로 추측할 수 있다.

◇ 20, 30% 치환된 점자블럭에서는 컬러 콘크리트를 배합한 윗부분부터 파괴가 시작되어 아래로 파괴가 전파.

◇ 40% 치환된 점자블럭에서는 슬러지를 배합한 아랫부분부터 파괴가 시작되어 위로 파괴가 전파.

◇ 이는 20, 30% 치환된 점자블럭에서는 컬러 안료가 사용된 상부보다 슬러지가 사용된 하부가 압축강도가 강하고, 40% 치환된 점자블럭에서는 상부가 하부보다 강하다는 걸 알 수 있다.

◇ 적정량 이상의 슬러지 사용이 강도를 감소시키는 것을 생각하면 이 실험결과는 굉장히 합리적으로 나왔다고 추측할 수 있다.

◇ 상단과 하단의 접착 상태 양호. 실험을 수행한 결과 육안으로 봤을 떄 접착부에 문제가 문제가 없었을 뿐더러, 강도테스트 과정에서 접착부의 파괴가 아닌 수직 파괴가 먼저 발생 했다.

완료 작품의 소개

프로토타입 사진 혹은 작동 장면

포스터

완료작품의 평가

◇ 40% 치환의 강도 자체는 실패 했지만 최적의 치환 비율을 산정함에 있어 사이값을 알게 됐음으로 초기 치환 비율의 선정은 성공적으로 보인다.

향후계획

◇ 시멘트 혼화재인 플라이애쉬, 실리카퓸 등과 슬러지의 최적배합비를 산정하는 방법

최근 세계적으로 환경, 자원 등의 문제에 관심이 증가하고 있고 이에 따른 규제 및 환경 개선을 위한 노력이 요구되고 있다. 슬러지 발생 및 처리 과정에서 환경오염과 사회적 비용 등이 발생하기에 슬러지 처리 기술뿐만 아니라 자원의 재활용 측면에서 다양한 연구가 이루어지고 있다. 슬러지를 재활용한 콘크리트도 다양한 연구가 진행되고 많은 자료가 존재하지만 슬러지 생성 과정과 환경, 종류에 따라 슬러지의 특성이 다르고 실험 환경, 재료의 품질, 사용되는 슬러지 종류 등에 따라 다양한 결과가 도출되기 때문에 다양한 연구가 진행될 것이다. 다만 현재 흔하게 사용되는 혼화재인 플라이애쉬, 실리카퓸 등과 슬러지의 배합 실험 및 논문은 많지 않은 것을 파악할 수 있었다. 위의 혼화재는 강도 및 내구성 향상, 화학적 저항성 등을 보완하기 위해 사용되는데, 앞으로 슬러지 배합에 연구가 증가하고 많은 데이터가 축적된다면 다양한 혼화재를 사용한 연구도 많이 발전 할 것이고 콘크리트 배합 시 기존 연구보다 슬러지 사용량의 증가를 기대할 수 있다.

◇ 모르타르 큐브 몰드를 사용하는 방법.

우리는 압축강도테스트를 진행할 때 실제 사람들이 밟고 지나가는 것을 생각하여 점자블럭을 그대로 넣고 테스트를 진행했다. 하지만 이 방식은 돌기에 집중된 압축력으로 인해 돌기 주변 원형의 지압파괴를 일으켜 오히려 압축강도를 감소시키는 결과가 나타났다. 모르타르 큐브 몰드를 사용하여 압축강도테스트를 진행하는 방법을 사용하여 이러한 기존 실험방식의 문제를 해결할 수 있고 몰드 제작비 또한 감소시킬 수 있다.

특허 출원 내용

◇ 공학인증담당자에게 문의 후 특허 출원 예정

참고 문헌

◇ Zhi-hai He 외 6인, Recycling hazardous water treatment sludge in cement-based construction materials: Mechanical properties, drying shrinkage, and nano-scale characteristics, Journal of Cleaner Production, Volume 290, 25 March 2021, 125832

◇ 강영만, 황익현, 폐콘크리트를 이용한 콘크리트 포장 및 보도블록 제조방법, 1997

◇ Bao Jian Zhan, Chi Sun Poon, Study on feasibility of reutilizing textile effluent sludge for producing concrete blocks, Journal of Cleaner Production, Volume 101, 15 August 2015, Pages 174-179

◇ 정재호, 레미콘 슬러지를 활용한 콘크리트블록 활용에 대한 기초 연구, 한국건축시공학회지 제19권 제4호, 307p-312p

◇ 황현욱 외 2인, 정수슬러지를 이용한 점토벽돌 생산 기술 개발 연구, 대한환경공학회지, 2009.03., 217p-222p

◇ 김도겸 외 3인, 하수슬러지와 건설폐기물을 주원료로 하는 고품질 청정시멘트 제조기술 개발 기획 연구

◇ Up-cycling Technology of Sewage Sludge and Construction Waste for the Production of High Quality Clean Cement, 한국건설기술연구원, 2018.12.

◇ 최재진 외 2인, 안료를 첨가한 칼라콘크리트의 유동성 및 강도에 대한 실험적 연구, 대한토목학회논문집 A, 2006, 550p

◇ 한상균, ‘폐기물 굴 껍데기, 보도블럭으로 재탄생’, 경남매일, 2024.01.01.

◇ 이호선, [순환경제㉑] ‘폐플라스틱을 활용한 보도블록 국·내외 사례’, 디지털 비즈온, 2022.09.06.

◇ 김봉운, 김경태, ‘슬러지 처리, 친환경 신기술 도입 필요’, 환경일보, 2020.02.17.

◇ 황예원, ‘점자블록, 어디까지 알고 계시나요?’, 서울시각장애인복지관, 2023.05.08.

◇ 전기넷 (예산 관련 자료)

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