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  1. 숭실대학교 대학원 건축학과 대학원생 (Graduate Student, School of Architecture, Soongsil University, Seoul 06978, Rep. of Korea)
  2. 숭실대학교 건축학부 조교수 (Assistant Professor, School of Architecture, Soongsil University, Seoul 06978, Rep. of Korea)
  3. (주)대로건설 기술이사 (Technical Director, Technical Division, Daero Construction, Seoul 07222, Rep. of Korea)



마이크로 그라인딩 공법, 절삭수 순환, 친환경 공법, 그루빙, 콘크리트 도로 포장
micro-grinding method, coolant circulation, eco-friendly, grooving, concrete pavement

1. 서 론

우리나라는 1970년대 이후 경제성장과 함께 사회기반시설물 또한 급격히 증가하였다(Kim et al. 2008)(8). 현재 국내의 사회기반시설물은 건설 중심의 성숙기를 넘어 노후시설물의 안전관리로 변화되고 있으며 이에 따른 유지보수비용이 지속적으로 증가하는 추세를 보인다(Kim et al. 2015)(9). 국내의 경우 선진국에 비해 짧은 기간에 집중적으로 구축된 인프라로 인해 향후 집중적 노후관리 수요가 예상되며, 특히 콘크리트 포장의 경우 일정기간 이상 공용 후 노후화가 진행됨에 따라 적절한 시기에 효과적인 보수방법으로 포장제의 성능 개선이 필요하다(Bae 2015)(1).

실제로 2018년 국토교통부 도로업무편람(MOLIT 2018)(13)을 보면, 연도별 도로 유지보수 집행실적은 2010년 2조 2,000억 원, 2018년 3조 4,000억 원으로 꾸준히 증가세에 있다. 이렇듯 지속적으로 증가하는 도로유지보수에 대한 집행 실적을 보면 노후화된 도로에 대한 유지보수 사업 또한 확대될 것으로 보인다.

이러한 사회적 기조를 반영하여 콘크리트 도로 포장 그라인딩은 도로 유지관리 측면에서 활발히 시공되고 있다. 다이아몬드 그라인딩은 1965년을 시작으로 도로 유지보수 공법으로 사용되었다(Rao et al. 1999)(14). 현재, 다이아몬드 그라인딩은 유지보수의 목적 외에도 승차감 향상, 소음저감, 주행안전성 증진, 미끄럼저항성 향상 등의 기능성 향상을 위해 적용되며 콘크리트 포장 성능개선 프로젝트의 주요 요소가 되었다(Burge et al. 2002; Jung et al. 2006)(2,5). 국토교통부의 도로안전시설 설치 및 관리지침(MOLIT 2016)(12)에 따르면, 도로 노면의 미끄럼 저항은 도로교통 안전에 가장 중요한 요소 중 하나이기에 국내 도로의 노후화 및 지속적인 사용으로 노면의 미끄럼 저항이 낮아진 곳, 도로의 평면 및 종단 선형이 불량한 곳 등은 미끄럼방지포장을 설치하고 있다. 이에 그라인딩 공법은 표면의 재료를 절삭하여 제거하는 미끄럼방지포장으로 시멘트 콘크리트 포장의 대표적인 보수방법으로 사용되고 있으며 도로의 구간별로 특정 도로 조건 및 교통 조건에서 미끄럼마찰 증진이 요구되거나 사고 발생 위험으로 필요하다고 인정되는 구간에 설치되고 있어 콘크리트 도로 포장 그라인딩에 대한 수요가 계속 증가할 것으로 보인다(MOLIT 2013)(11).

이처럼 도로포장 유지보수에 대한 수요가 늘어나는 현황에 비하여 도로포장 그라인딩 작업을 위한 절삭 공구의 경우 해외(미국, 일본, 독일)에서 제작되어 국내에 보급되고 있으며, 급수 시스템과의 연계만 설계되어있다. 기존 그라인딩 공정 시 절삭 공구의 수명연장을 위하여 대량의 절삭수(물)를 투입하게 된다. 이때 공정과정에서 발생하는 콘크리트 슬러지와 절삭수는 대량의 오염수 처리 과정에서의 문제를 야기한다. 이처럼 오염수 처리과정에서 많은 어려움을 겪고 있지만, 오염수의 처리 및 여과에 대한 기술적 대안은 마련되어있지 않다.

실제로 습식 마이크로 그라인딩 작업 시 발생하는 콘크리트 미세 불순물 처리는 다음과 같은 이차적 문제를 야기하고 있다. 현실적으로 폐수처리가 어려워 기존 공사장 인근 부지에 일정 기간 적재하여 폐기물로 만들어 처리하게 되는데, 이런 과정은 인근 토양 및 수질오염을 발생시킬 가능성이 있다. 또한, 처리 과정에서 발생하는 추가 인력 및 차량의 배치와 공사의 지연 현상은 개선되어야 한다. 이러한 목적과 필요성으로 기존 습・건식 그라인딩 공법 분석을 통해 오염수 처리 문제와 작업효율 저하 문제를 동시에 개선할 수 있는 공법을 개발하고자 하였다.

본 논문은 기존 습식과 건식 그라인딩 공법의 문제점을 고찰하고, 습식 그라인딩 공법의 작업속도를 유지하면서도 부가적으로 발생하는 환경적 문제점을 개선할 수 있는 공법의 개발과 그에 대한 검증을 목적으로 한다. 기존 그라인딩 공법에서 야기되었던 환경문제 및 공사지연 문제를 해결하였으며 다수의 현장 실험을 통해 개발 공법의 성능을 검증하였다. 오염수의 폐수처리를 위하여 환경부 기준에 따라 수질 분석을 수행해 공법 적용에 따른 수질개선 정도를 평가하였다. 또한 기존 공법의 경우, 오염수 처리 및 운반 시 탄소가 배출되어 대기오염의 문제가 발생하였기에 탄소발자국 계산을 통해 개선 정도를 확인하였다. 개발된 공법은 절삭수 최소화 및 오염수 즉각 처리 과정으로 기술적 해법을 통하여 환경문제를 해결하는데 독창성을 갖는다.

2. 다이아몬드 그라인딩 공법

콘크리트 포장은 일정 기간 이상 공용 후 포장의 노후화가 진행됨에 따라, 적절한 시기에 효과적인 보수방법을 통한 포장체의 성능 개선이 필요하다. 다이아몬드 그라인딩 공법은 Fig. 1과 같이 콘크리트 포장 평탄화 작업과 함께 표면에 미세한 홈인 마이크로 그루빙(micro grooving)을 형성하는 공법으로, 다이아몬드와 같은 강한 재질의 블레이드가 장착된 그라인딩 장치를 이용하여 도로포장 노면을 절삭함으로써 포장체를 보수하거나 평탄성을 개선하는 공법을 말한다. 또한 마이크로 그루빙 홈을 형성함으로써 노면의 평탄성 회복, 마찰력 개선, 마찰소음 저감, 공용기간 연장의 효과가 있으며 이는 포장의 공용기간을 약 14년 연장시키는 효과가 있다(Hong et al. 2000; Correa and Wong 2001)(3,4). 콘크리트 도로 포장에 마이크로 그루빙 홈을 형성하는 방법으로 건식 그라인딩 공법과 습식 그라인딩 공법이 사용되고 있으나 각 공법에 대한 장단점이 존재한다. 이에 본 연구에서는 각 공법의 장점을 유지할 수 있는 새로운 공법을 제안하였다.

Fig. 1. Comparison of surface finishing between conventional grooving and micro-grinding

../../Resources/kci/JKCI.2021.33.3.263/fig1.png

2.1 습식 그라인딩 공법

일반적으로 콘크리트 포장 절삭 시 발생되는 마찰열을 줄여 그라인딩 커터의 수명 향상을 위해 습식 그라인딩 공법에서는 절삭수를 공급한다. 하지만 절삭수 사용에 따라 다음과 같은 문제를 야기할 수 있다.

1) 급수, 살수 차량 및 분진 회수 차량이 필요하며 이로 인한 추가적 인력 및 매연이 발생하게 된다.

2) 절삭수와 분진이 섞인 오염수와 폐자재가 대량으로 발생한다. 또한 오염수의 누출로 인해 이차적 환경 피해를 일으킬 가능성이 있다. 원칙적으로 습식 그라인딩 작업으로 발생되는 슬러지와 잔류물은 포장 면에 방치되거나 배수 시설로 유입되지 않도록 흡입 장치나 청소 장비에 의해 지속적으로 제거해야하며 슬러지와 잔류물은 폐기물관리법 등 관련 법령에 의거하여 처리되어야 하지만 현실적으로 반영되기 어려운 측면이 있다.

3) 분진 회수 차량의 회수 범위와 용량에 제한이 있다. 이는 분진 회수 차량의 여과 부하로 인해 공사의 지연을 일으킨다.

이처럼 절삭수는 분진과 함께 혼합된 오염수가 되며 흡입하여 집수정에 일정기간 보관 후 처리하지만 일부는 강 또는 하천으로 흘러들어가 환경을 훼손하고 있는 실정이다. 이에 오염수를 효율적으로 처리할 수 있는 친환경 공법이 요구된다.

2.2 건식 그라인딩 공법

건식 그라인딩 공법은 기존 습식 그라인딩 공법의 단점을 보완하기 위하여 개발되었다. 하지만 습식 그라인딩 공법과 달리 절삭수룰 사용하지 않아 다음과 같은 제약사항이 있다.

1) 절삭공구의 수명 단축이 있다. 건식 공법은 절삭수 대신 냉각된 압축공기를 주입하지만 그라인딩 장치와 콘크리트 노면의 마찰 때문에 절삭공구의 수명이 단축된다.

2) 습식 공법에 비하여 작업속도가 두 배 이하로 내려가 넓은 범위 작업에 한계가 있다. 공사기간의 지연문제는 넓은 범위의 시공이 이루어져야 하는 도로 포장 그라인딩 작업의 특성상 경제성이 매우 낮은 결과로 귀결된다. 이에 현실적으로 습식 그라인딩에 비하여 사용에 많은 제약이 따른다.

3) 습식 그라인딩의 오염수 문제 대신 분진이 발생하며, 이를 흡입하기 위한 장비에도 필터여과 및 용량에 제한이 따른다. 특히 현장에서 발생하는 분진으로 인한 시야차단은 이차적인 안전문제를 야기할 가능성이 포함된다.

2.3 절삭수 순환식 다이아몬드 그라인딩 공법

본 연구에서 제안하는 절삭수 순환식 다이아몬드 그라인딩 공법은 기존 습식 그라인딩 공법의 오염수 발생으로 인한 문제를 개선하는데 그 목적이 있다. 기존 습식 그라인딩 공법은 Fig. 2(a)와 같이 공정상 전면에 절삭수를 공급해주는 살수차를 배치하며 후면에는 오염수를 흡입 저장하는 저장용 장비를 배치하는 방식으로 작업 차량이 배치되었다. 작업의 특성상 절삭수를 공급하는 살수차의 물이 모두 소모 되었거나, 오염수를 흡입하는 저장용 장비의 저장 한도를 채웠을 경우 장비 교체가 이뤄져야 작업이 가능했다. 이로 인해 장비 교체에 따른 시공성 저하, 추가 차량 운행으로 인한 경제성 저하 등의 문제가 발생하며, 오염수의 처리 과정에 있어 환경문제가 야기되고 있다.

Fig. 2. Schematic illustration of diamond-grinding methods using

../../Resources/kci/JKCI.2021.33.3.263/fig2.png

절삭수 순환식 다이아몬드 그라인딩 공법은 시공 시 발생하는 오염수를 현장에서 정화, 처리 과정을 거쳐 오염수를 다시 절삭수로 재사용하는 공법이다. 절삭수 순환식 그라인딩 공법에 사용되는 시스템의 구성은 다이아몬드 그라인딩, 오염수 1차 정화장치, 오염수 2차 정화장치로 구성되며 공정의 절차는 Fig. 2(b)와 같다. 오염수 1차 정화 장치에서는 마이크로 그라인딩 작업 시 발생하는 오염수를 흡입하여 필터프레스를 통한 불순물 제거 및 2차 정화 장치로 1차 정화 과정을 거친 오염수를 공급한다. 1차 정화 장치를 거친 오염수를 물탱크에 저장 후 2차 정화 필터를 거쳐 미세 불순물을 제거한다. 그 후 정화된 오염수는 순환 물탱크로 이동하여 저장되며, 제안공법을 통해 다시 절삭수로 재사용한다. 이와 같은 순환과정을 통해 노면 그라인딩 작업 시 발생하는 오염수를 즉각 처리 및 순환하여 재사용할 수 있는 친환경 공법이면서도, 기존 습식 그라인딩 공법의 작업 속도를 그대로 유지할 수 있는 효율적 공법을 개발하였다.

3. 절삭수 순환식 다이아몬드 그라인딩 공법 개발 및 검증

절삭수 순환식 그라인딩 공법은 노면의 그루빙 홈 절삭 가공시 발생되는 오염수의 여과 처리를 위한 절삭장비 및 이를 이용한 친환경 그라인딩 공법을 제안한다. 개발된 이동식 오염수 여과과정의 개략도는 Fig. 3과 같으며, 여과과정은 다음과 같다. 다이아몬드 그라인더 뒷부분에 배치된 오염수 흡입펌프로 수집된 오염수는 1차 정화 장치로 이동하여 여과박스를 반복적으로 순환하며 여과된다. 1차적으로 정화과정을 마친 오염수는 정화물탱크에 저장되며 오염수 2차 정화 장치의 정화필터에 의해 절삭수로 재사용 가능한 정도로 정화된다. 이후 절삭수는 순환물탱크에 저장되며 재순환펌프에 의해 절삭수 분사 노즐로 공급되어 절삭수로 재사용된다.

3.1 오염수 1차 정화 장치

오염수 1차 정화장치는 마이크로 그라인딩으로 인해서 발생하는 오염수로부터 슬러지를 제거하는데 그 목적이 있다. 이에 여과판과 여과포로 구성된 필터프레스를 Fig. 4(a)와 같이 제작하였다. 필터프레스는 40개의 여과판과 여과포로 구성되어 있으며, 여과박스 내부에 여과포가 설치되기 위해 직육면체의 형태로 망 구조를 갖는 박스형 여과판이 설치된다. Fig. 4(b)는 필터프레스의 구성도이다. 불순물 흡입 덕트에 의해 흡입된 오염수는 여과포를 통과하며 1차 정화가 이루어진다. 1차 정화를 통해 발생한 불순물, 이물질 등의 슬러지는 개폐 가능하게 설치된 시스템의 하부로 여과되며 이후 폐기물로 처리한다.

Fig. 3. Diagram of cooling water circulation system

../../Resources/kci/JKCI.2021.33.3.263/fig3.png

3.1.1 여과포

오염수 1차 정화 장치에 사용되는 여과포의 상세도면을 Fig. 5에 나타내었다. 여과포는 총 4가지로 구성되어 있으며, 각각 100 µm, 150 µm, 200 µm, 250 µm의 여과공을 갖는 여과포를 순차적으로 배치하였다. 여과 부하를 적게 하여 오염수 순환 효율을 향상시키기 위하여, 여과공이 순차적으로 작아지도록 배치하였다. Table 1은 사용된 여과포에 대한 재료적 특성 및 규격이다. 여과포는 폴리프로필렌 재질로 안료, 염료, 화학제품 등의 여과용으로 사용되며 내약품성에 있어 산, 알칼리에 매우 우수하여 알칼리성인 콘크리트 오염수를 걸러내기에 적합하다.

Fig. 4. Filter press system

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Fig. 5. Design of filter cloth for optimized filtering

../../Resources/kci/JKCI.2021.33.3.263/fig5.png

Table 1. Details of filter cloth

Characteristic

Filter cloth specifications (PP1800D)

Material

Polypropylene

Thickness (mm)

1.16

Weight (gr/m2)

611

Air permeability (cm2/cm2/sec)

2

Temperature range (°C)

88~95

Combustibility

Flammable

Wear resistance

Very good

Chemical resistance

Excellent for acids and alkalis

Surface treatment

Heat treatment setting

3.1.2 여과판

필터프레스 장비에 사용한 여과판은 가로, 세로 1,000 mm 규격의 단식 여과판(recessed plate)을 사용하였다. 단식 여과판은 일정한 볼륨을 가진 동일한 형상의 여과판이 반복 배치되는 형태이다(KR. Patemt No. 10-1763651, Kyung 2016)(10). 여과판 관련 상세 정보는 Table 2와 같다. Fig. 4(b)는 슬러지와 오염수가 여과・분리되는 과정을 나타낸 개념도이다. 오염수는 연속된 여과박스를 통과하며 슬러지는 여과판에 탈수 및 압착되어 축적되게 된다. 연속된 여과박스를 통과하며 점차 슬러지 및 불순물이 제거된 오염수는 40개의 여과박스를 통과하며 1차 정화수가 된다. 여과박스 한 판당 23 L의 슬러지를 여과할 수 있기에 40개의 여과박스는 총 1,794 L의 슬러지를 처리할 수 있다. 이는 일일 평균작업량 240 m2구간을 기준으로 발생하는 슬러지를 전부 처리할 수는 수준이다.

Table 2. Details of filter plate

Division

Filter plate

Size (mm)

1,000$\times$1,000

Sludge generation area (m2)

1.54

Sludge volume capacity (L)

23

Fig. 6. Filter cloth electron microscopy

../../Resources/kci/JKCI.2021.33.3.263/fig6.png

Fig. 6은 오염수 1차 정화 장치에서의 절환밸브 사용에 따른 오염수의 순환과정을 나타낸 예시도이다. 오염수 흡입펌프와 여과박스 사이에는 오염수의 순환방향을 교대적으로 정, 역방향으로 바꾸어 주기 위해 절환밸브를 설치하였다. 따라서 절환밸브의 절환 동작에 따라 오염수는 여과판을 반복적으로 순환 방향을 변경하며 순환하게 된다. 이러한 교대적인 순환 과정에서 오염수는 여과박스에 의해 효율적으로 여과되고, 여과된 정화수는 이후 2차 정화 장치로 이동된다.

이처럼 여과박스에서 오염수의 여과 방향을 교대로 바꾸어 주도록 함으로써 여과 성능과 효율이 향상되며, 불순물을 1차적으로 걸러 여과 부하를 줄일 수 있다.

3.2 오염수 2차 정화 장치

오염수 2차 정화 장치의 구성은 Fig. 7과 같이 정화 물탱크, 2차 정화필터(압축 플라스틱 정화필터)와 순환 물탱크로 이루어져 있다. 정화물탱크는 오염수 1차 정화 장치에 의해 정화된 정화수가 저장되는 곳으로, 정화물탱크의 용량은 3,000 kg이다. 순환 물탱크는 미세 슬러지까지 제거된 정화수가 최종적으로 저장되는 곳으로, 용량은 1,500 kg이다.

단순 저장 공간인 정화 물탱크와 순환 물탱크 사이에 정화필터를 배치하여, 앞선 공정에서 여과되지 않은 미세불순물을 제거하기 위해 사용하였다. 필터 상단의 흡입구를 통해 정화물탱크에 저장된 1차 정화수가 흡입되며, 하단의 배수구를 통해 최종 정화된 절삭수는 순환 물탱크에 저장된다. 정화필터는 50 µm의 여과공을 갖는 스테인레스 재질의 필터를 사용하였다. 정화필터의 경우, 작업 완료 시 필터를 분리하여 세척 후 자연건조를 진행하며, 교체주기는 분기별 1회 또는 평균 2,000 m2 시공 후 교체한다.

Fig. 7. Filter cloth electron microscopy

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Fig. 8. Diagram of micro-grinder

../../Resources/kci/JKCI.2021.33.3.263/fig8.png

Table 3. Details of diamond-grinder

Division

PC-1500

Output power (hp)

260

Self-weight (kg)

9,500

Maximum grooving width per cutting (mm)

980

Cutting depth (mm)

3.5~5.0

이처럼 오염수는 정화 물탱크, 2차 정화필터, 순환 물탱크를 순차적으로 통과하며 재사용할 수 있는 절삭수로 정화된다. 또한 최종적으로 정화된 절삭수는 재순환펌프에 의해 절삭수 분사노즐로 재공급되어 노면 절삭 시 사용하게 된다.

3.3 다이아몬드 그라인더

노면 그루빙 홈 형성용 이동식 절삭 장비(다이아몬드 그라인더)의 정면도를 Fig. 8에 나타내었다. 다이아몬드 그라인더는 하부 프레임에 엔진을 탑재하여 이동하면서 노면에 절삭 작업이 가능하도록 한 시스템이다. 다이아몬드 그라인더의 이동 방향과 속도를 조절하기 위해 하부프레임의 전단부 측에 조향바퀴가 설치되어 있으며 엔진의 출력 동력을 전달받아 구동하게 되어 있다. 하부 프레임의 중앙부에는 회전 구동이 가능한 종방향 홈 커터가 설치되어 있으며 종방향 홈 커터에 의해 노면에 일정 깊이에 해당하는 홈을 형성한다. 또한 종방향 홈 커터 전방에 절삭수 분사 노즐을 설치하여 노면 절삭 시 발생되는 마찰열을 줄여 종방향 홈 커터의 수명을 향상시킬 수 있도록 제작하였다. Table 3은 절삭수 순환식 그라인딩 공법에 사용된 다이아몬드 그라인더에 대한 규격이다.

3.4 현장 적합성 평가 및 검증

개발 공법에 대한 성능 검증을 위하여 총 5회의 현장적합성 평가를 진행하였다. Fig. 9는 실제 시공 사진으로 오염수 1차 정화장치와 오염수 2차 정화장치, 다이아몬드 그라인더로 물 순환이 이루어져 오염수의 유출을 최소화하며 즉각 수 처리를 가능하게 했다. 현장적합성 평가는 기존 공법과 개발 공법의 비교를 통해 이루어졌으며 결과는 다음과 같다.

Table 4. Results of water classification

Water quality inspection items

Industrial water standards

Contaminated water collected after applying the proposed method

Hydrogen ion concentration (pH)

5.0~9.0

7.0

Chemical oxygen demand (mg/L)

100 or less

4.4

Amount of suspended matter (mg/L)

No trash etc. floating

Not detected

Dissolved oxygen (mg/L)

2 or more

10.3

TP (mg/L)

0.15 or less

0.033

Chlorine ion (mg/L)

500 or less

19.9

plumbum (mg/L)

0.2 or less

Not detected

Mercury (mg/L)

0.02 or less

Not detected

Arsenic (mg/L)

0.1 or less

Not detected

Cadmium (mg/L)

0.02 or less

Not detected

Hexavalent chromium (mg/L)

0.1 or less

Not detected

Fig. 9. Application of developed cooling water circulation system in the field

../../Resources/kci/JKCI.2021.33.3.263/fig9.png

3.4.1 오염수 처리

개발 공법의 오염수 정화능력을 측정하기 위해 오염수 수질에 대한 정량지표 분석을 공인인증기관(한국화학융합시험연구원, TAK-2020-025869)을 통해 시행하였다. 5회의 시범 시공을 통한 수질 분석 최종 결과는 Table 4와 같다. 이는 공업용수 1급 기준을 만족하여 폐수처리가 가능한 정도로 오염수를 개선하였음을 확인하였다.

Table 5. Details of water consumption

Trials

Carrying capacity

(kg)

Remaining amount

(kg)

Coolant usage ratio

(remaining amount/carrying capacity, %)

1st

3,000

2,800

7

2nd

3,000

2,700

10

3rd

3,000

2,700

10

4th

3,000

2,600

4

5th

4,500

4,400

3

기존 습식 그라인딩 공법의 경우, 오염수는 1차적으로 슬러지가 섞여 있어 폐수처리가 본질적으로 불가능하였다. 또한 추가적 여과과정을 거친다 하더라도 현장 내에서 발생하는 오염수 유출의 문제도 있었다. 개발 공법을 통하여 현장 내에서 오염수를 즉각 여과, 처리 과정을 통해 오염수의 배출 및 처리에 대한 문제를 해결함으로써 노면 유지관리 측면의 환경적 문제를 대폭 개선하였다.

3.4.2 절삭수 사용량

마이크로 그라인딩 작업 시 사용하는 절삭수 소모량의 측정은 Table 5와 같이 5차례의 현장 시공을 통해 결과를 분석하였다. 마이크로 그라인딩 작업에 소요되는 작업수량을 측정하기 위하여 평균 200 m2 구간을 시험 시공하였으며 기존 마이크로 그라인딩 공법으로 시공 시 필요한 절삭수는 3,000~ 4,500 kg이였다. 하지만 제안하는 절삭수 순환식 그라인딩 공법으로 시공 시 100~400 kg의 절삭수가 사용됨을 현장적용을 통해 확인하였다. 따라서 개발 공법은 기존 공법 대비 약 90 %의 절삭수를 절감할 수 있음을 확인하였다.

3.4.3 탄소발자국

적용된 공법과 기존 공법사이의 온실가스 배출량의 비교를 위해 탄소발자국을 계산하였다. 탄소발자국은 제품 전 과정에서 배출되는 직・간접 온실가스 총 배출량이며 지구온난화의 주범인 온실가스를 효과적으로 관리하기 위한 지표로 국제적으로 활용되고 있다(Kim 2009)(7). 특히 탄소발자국 계산에 쓰이는 탄소배출계수의 경우, 온실가스 배출원별 단순 탄소배출량을 포함한 해당 원료 채취에서부터 최종폐기를 포함한 전 과정을 고려한 계수이기에 전 과정에 대한 영향을 고려한 계수이다. 탄소발자국의 단위는 지구온난화에 영향을 미치는 다양한 요소들을 이산화탄소를 기준으로 등가 정의한 것으로 단위는 $kg CO_{2}e$이다. 탄소발자국 계산은 다음 식(1)과 같이 정의한다.

(1)
$PCF =\sum_{i=1}^{n}(A_{i}\times EF_{i})$

여기서, PCF는 탄소발자국(Product Carbon Footprint)을 말하며 $A_{i}$는 배출원별 활동량, $EF_{i}$는 탄소배출계수(Carbon Emission Factor), $i$는 온실가스 배출원을 의미한다. 탄소발자국은 위 식과 같이 온실가스 배출원별 활동량과 탄소배출계수를 곱하여 계산한다. 탄소배출계수는 한국환경산업기술원(KEITI 2015)(6)에서 공고한 환경성적표지 탄소배출계수를 적용시켜 비교하였다. 「환경기술 및 환경산업 지원법」 제18조 및 「환경성적표지 작성지침」 제4조에 따라, 환경성적표지(탄소발자국) 인증을 위한 환경성적표지 탄소배출계수를 사용하였다.

절삭수 순환식 그라인딩 공법의 경우 발생하는 탄소발자국은 오염수를 폐수처리장까지 이동하는데 발생하는 차량의 수송과 오염수를 정화하는데 발생하는 폐수처리에 대한 탄소발자국을 나누어 계산하였다. 첫 번째로 수송과정에서 발생한 탄소발자국은 배출원별 활동량을 산정하기 위하여 수송량과 수송거리의 정보가 필요하다. 이에 5차례 현장의 위치가 모두 달랐다는 점을 반영하기 위하여 작업 현장과 폐수처리시설의 최단 편도거리의 평균인 3.2 km를 적용하였다. 두 번째로 폐수 처리로 인한 탄소발자국의 계산은 종말처리에 관한 탄소배출계수인 2.49×10-1 $kg CO_{2}e/$Ton・kg과 실제 공정 시 발생한 폐수량을 곱하여 탄소발자국을 계산한다.

기존 습식 그라인딩공법과 절살유 순환식 그라인딩 공법에 대한 탄소발자국 계산 값은 Table 6과 같다. 수송과 폐수처리에 대한 온실가수 배출원에 따른 탄소배출계수는 각각 2.49×10-1 $kg CO_{2}e/$Ton・kg와 1.28×10-3 $kg CO_{2}e/kg$이다. 계산된 탄소발자국은 수송의 경우 기존공법대비 약 91~98 %를 감축 가능하며 폐수처리의 경우 기존공법대비 약 92~97 %를 감축 가능한 것으로 사료된다. 이는 기존 공법의 문제점인 오염수 처리에 따른 공기지연 및 부가적 차량 운행의 연료소비에 대한 값은 생략한 것으로 실제 탄소배출량에 대한 격차는 더욱 클 것으로 사료된다.

Table 6. Comparison of product carbon footprint between conventional and proposed methods

Source of greenhouse gas emission (i)

Methods

Activity amount per sources

(Si) (min-max)

Carbon emission factor

(EFi) ($kg CO_{2}e/$ton・kg)

Product carbon footprint

(PCF) (min-max) ($kg CO_{2}e$)

Transport

Conventional wet grinding method

Transport amount

3,000~4,500 kg

2.49×10-1

2.79~3.19

Travel distance

3.2 km

Proposed method

Transport amount

100~400 kg

0.08~0.32

Travel distance

3.2 km

Waste

water

Conventional wet grinding method

Waste water amount

3,000~4,500 kg

1.28×10-3

3.84~5.76

Proposed method

100~400 kg

0.13~0.51

4. 결 론

본 연구에서는 콘크리트 도로의 습식 그라인딩 작업 시 발생하는 오염수를 여과・처리・순환의 과정을 걸쳐 절삭수로 재사용할 수 있는 절삭수 순환식 그라인딩 공법을 개발하였다. 총 5차에 걸친 현장 시범 시공을 통하여 제안 공법의 현장 적용성 및 안정성을 검증하였다. 본 연구 결과를 요약하면 다음과 같다.

1) 노면 그라인딩 작업 시 발생하는 오염수를 즉각 처리・순환하여 절삭수로 재사용할 수 있는 친환경 공법을 개발하였다. 오염수 1차 정화 장치, 오염수 2차 정화 장치의 적용으로 절삭수의 재순환 및 여과를 통해 별도의 물탱크 차량 운행이 불필요해졌다. 또한, 오염수 1차 정화 장치에서의 반복적인 순환과, 오염수 2차 정화장치에서의 침전 및 2차 정화필터를 통해 여과 부하를 줄일 수 있도록 개발되었다.

2) 개발된 공법의 현장 적용 결과, 기존 기술 대비 물 사용량을 최대 97 % 절감하여 물 사용량을 획기적으로 개선할 수 있음을 확인하였다. 또한 시스템을 통해 정화된 절삭수에 대해 국가공인기관을 통해 수질 분석을 진행한 결과 공업용수 1급을 만족하여 폐수처리가 가능하였다.

3) 탄소발자국에 대한 분석 결과, 기존 공법 대비 최대 98 %의 탄소배출 저감 효과를 확인할 수 있었다. 추가적으로 기존 공법에서 소요되는 오염수 운반 맟 폐토 처리를 고려했을 때 탄소 배출량의 저감 효과는 더욱 증대될 것으로 사료된다.

감사의 글

본 성과물은 중소벤처기업부에서 지원하는 2019년도 산학연협력 신사업 R&D바우처(No. S2719736)의 연구수행으로 인한 결과물임을 밝힙니다.

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