철도 인프라 적용을 위한 탄소섬유 기반 발열 콘크리트의 열적 거동 분석

초록

기후변화로 인한 폭설 및 결빙은 철도 운영에 심각한 위협이 되며, 기존의 염화칼슘 제설 방식은 구조물 손상과 환경 문제를 야기한다. 이를 해결하고자 본 연구는 탄소섬유를 발열체로 활용하고, 이를 제강슬래그를 재활용한 PS볼 및 상변화물질(PCM)과 같은 기능성 소재와융합하여 고성능 발열 콘크리트 기술의 철도 인프라 적용 가능성을 평가하였다. 먼저 5종의 탄소섬유에 대한 저항 및 발열 성능 평가를 통해, 에너지 효율이 우수하면서도 안정적인 발열이 가능한 탄소섬유(Φ1 mm, 3가닥)를 최적 발열체로 선정하였다. 이후 선정된 발열체를 일반 콘크리트(C01), PS볼 콘크리트(C02), PCM 콘크리트(C03)에 각각 매립한 뒤, 동일 전력을 인가하여 줄 발열(Joule heating)에 따른 열적 거동을 비교분석하였다. 실험 결과, 제강슬래그 골재를 사용한 PS볼 콘크리트는 높은 열전도성으로 인해 가장 빠른 열 확산 속도와 가장 넓은 유효 발열 너비를 보여, 신속한 융설이 요구되는 환경에 가장 적합함을 확인하였다. 반면, PCM 콘크리트는 상변화 과정에서 잠열을 흡수 및 방출하며 가장뛰어난 축열 성능을 보였다. 이로 인해 전원 차단 후에도 온도를 가장 안정적으로 유지하여, 에너지 공급이 중단된 후에도 지속적인 효과가 필요한 경우에 가장 큰 장점을 나타냈다. 본 연구는 기능성 소재(PS볼, PCM)의 고유한 열적 특성이 발열 콘크리트의 성능을 특정 목적(신속 발열vs. 장기 축열)에 맞게 제어하는 핵심 메커니즘임을 규명하였다. 이는 염화칼슘을 대체하여 철도 인프라의 안전성과 내구성을 높이는 친환경맞춤형 융설 시스템의 개발 가능성을 제시하며, 특정 운영 환경에 최적화된 재료 선택의 공학적 근거를 마련했다는 점에서 중요한 의의를 가진다. 향후 실증 실험을 통한 현장 적용성 검증 및 장기 내구성에 대한 추가 연구가 요구된다.

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