혹한 기후 대응 콘크리트 면상발열체 / 한국건설기술연구원 제공 

한국건설기술연구원은 영하 15℃ 혹한 기후 대응을 위한 고성능 콘크리트 시공 기술과 AI 기반의 동절기 시공관리 시스템을 개발했다고 밝혔다.

경기도 북부, 강원도 그리고 접경지역은 국내 다른 지역과 달리 동절기가 긴 기후 특성이 있다. 이 지역에서 건설공사가 진행될 경우 충분한 공사기간을 확보하기 어렵고, 공사의 준공 기한을 맞추기 위해서는 동절기에 공사를 진행할 수밖에 없다.

동절기 공사는 극한의 온도 조건을 고려해 재료 관리, 콘크리트 타설, 양생 등 철저한 동절기 공사계획 수립이 필요하다. 그러나 일부 현장에서는 동절기에 타설된 콘크리트의 재료 불량, 양생기간 부족 등의 품질관리 문제가 지속적으로 발생하고 있다. 이러한 품질관리 문제 때문에 콘크리트의 적정 강도를 확보하지 못해 인명피해를 포함한 다양한 사고로 이어진다. 또한, 매년 동절기 콘크리트 보온양생 작업 시 갈탄 연료 사용에 의한 일산화탄소 질식 사고가 끊이지 않고 있다. 2021년 한국산업안전보건공단에서 발표한 자료에 따르면 최근 10년간 건설업 질식 재해사고 25건 중 17건이 콘크리트 보온양생 작업 중에 발생한 것으로 나타났다.

이에 건설연 남북한인프라특별위원회 연구팀은(위원장 고경택 박사) 동절기 충분한 공사 기간 및 품질 확보를 위해 혹한 기후 조건에서도 건설시공이 가능한 ‘고성능 콘크리트 배합 기술’과 에너지 사용량을 최적화시킨 ‘저비용·고효율의 양생 기술’, 콘크리트의 품질관리가 가능한 ‘AI 기반 동절기 시공관리 시스템’을 개발했다.

구체적으로 동절기에 고성능 콘크리트의 초기 강도 향상을 위해 구성 재료 선정과 다양한 역학적 성능 검증 등을 통해 최적의 배합을 도출했다. 결과적으로 국내 최초로 초기 응결 시간을 16% 단축했고, 콘크리트 타설 후 1일 만에 거푸집 탈형 강도 14MPa(≒140kgf/㎠) 이상인 19.6MPa(≒196kgf/㎠)을 확보했다.

동절기에 콘크리트의 품질 확보를 위해서는 콘크리트의 보온/가열 양생은 필수적이다. 기존에는 화석 난로처럼 콘크리트 보온 및 가열을 위해 화석원료와 메탄올 성분의 원료를 용기에 담아 건물 내부에서 가열했다. 이러한 양생 방법은 열효율이 매우 낮고 내부 공간에서 상하부 간의 온도편차가 크다. 또한 열원이 위치하고 있는 부위만 부분적으로 과열되어 열변형으로 인한 균열과 화재 발생 우려가 있어 담당자가 상주해 관리해야 한다는 단점이 있다.

이에 나노 탄소 기반 재료가 포함된 면상 발열 시트를 활용해 낮은 전기 공급으로도 높은 열효율을 기대할 수 있는 저전력·고효율 양생 기술을 새롭게 개발했다. 면상 발열 시트란 얇은 면상의 전도성 발열체 위에 금속 전극을 설치한 후 절연 처리해 면 전체가 발열되는 시트이다.

개발된 기술은 기존 공법의 문제점인 국부적인 온도 집중 현상을 해소할 수 있다. 또한 보온양생 시 화석연료를 통한 가열이 필요하지 않기 때문에 일산화탄소 질식 사고를 예방할 수 있고, 이산화탄소 배출이 없기 때문에 탄소중립 기여 효과가 있을 것으로 기대된다. 향후 국내 동절기 공사뿐만 아니라, 몽골, 러시아, 우크라이나, 중국 등의 북방지역으로 기술을 확대 적용해 나갈 예정이다.

면상발열체를 활용한 양생기술 개념도 / 한국건설기술연구원 제공

AI기반 건설공사 시공관리 시스템 개요 / 한국건설기술연구원 제공 

더불어 동절기 안전한 현장 관리를 위해 ‘AI 기반 동절기 시공관리 시스템’을 새롭게 개발했다. 개발된 시공관리 시스템은 기상청의 실시간 기상정보를 반영해 예기치 못한 기상변화에 대응할 수 있도록 설계했다. 딥러닝 AI 기술을 기반으로 건설 환경에 최적화된 배합 정보를 제공하고, 외부 온도 및 압축강도와 양생 일정 정보를 제공해 콘크리트의 품질관리가 가능하다. 또한, 웹 기반으로 개발된 시스템이기 때문에 다양한 기기(노트북, PC, 태블릿 및 스마트폰 등)에서 실행이 가능하며, 공간적 제약 문제를 해결했다.

김병석 원장은 “최근 이슈화되고 있는 동절기 콘크리트 공사의 문제점 해결을 위한 핵심 기술을 개발한 것으로, 향후 지자체 등과 협업해 실증사업을 진행할 예정”이라며 “연구 개발을 통해 국내 유관 기관, 기업 등에 관련 기술 등을 공유할 수 있도록 노력하겠다”라고 밝혔다.

이번 연구는 과학기술정보통신부의 지원으로 건설연 주요사업 ‘남북한 공동번영을 위한 인프라 통합·연계 기반 구축 연구(2021~2023)’의 예산을 지원받아 진행됐다.