Study on the Application of Dry-Ice Blaster for Development of Automatic Stripe-Line Removal

大 韓 土 木 學 會 論 文 集 第29卷 第2D 號·2009年 3月 pp. 245~253

施 工 管 理

노면표시 제거 장비 개발을 위한 드라이아이스 블래스터 적용에 관한 연구

Study on the Application of Dry-Ice Blaster for Development of Automatic Stripe-Line Removal

구자경*·문득수**·Leonhard E. Bernold***·이태식****

Koo, Ja Kyung·Moon, Deuk Soo·Leonhard E. Bernold·Lee, Tai Sik

···

Abstract

Road facility is the most fundamental infrastructure for traffic and various information for smooth traffic is included in road surfaces. Various information included in road surfaces should be often removed and reinstalled by partial damage and aging.

In addition, the existing road surface information should be removed in order to mark new information as traffic information changes. The existing road surface removal method suing grinders and torches had problems such as dangerous working equip- ment and workers' direct exposure to cars. In addition, although water-jet system using super high-pressure water was used to remove road surface in order of improvement of traditional method, there are another problems such as limitations according to water-tanks and water frost on the road surfaces after work. Therefore, this study analyzes and suggests systems to develop prototype after analyzing dry ice blaster in order to improve the current road surface removal methods. In addition, the study analyzes the possibility of introduction of dry ice blaster through a test for proposing an automatized equipment for new road surface mark removal considering environment and work efficiency, and compare traditional method with introduced dry ice blaster for operating cost.

Keywords :line stripe removal, dry-ice blaster, automatic equipment

···

요 지

도로시설은 교통을 위한 가장 기본적인 인프라 시설로, 원활한 교통흐름을 위해 다양한 정보를 노면에 포함하고 있다. 노 면에 표시된 다양한 정보는 차량 소통으로 인한 부분 파손 및 노화에 의해 제거되고 다시 표시되어야 하는 경우가 발생하 며, 해당 도로의 교통정보의 변화에 따른 노면표시 정보를 새로 표시하기 위해 기존의 것을 제거해야 한다. 종래의 노면표 시 제거방법은 그라인더와 토치를 이용하여 인력작업으로 작업장비의 위험성과 함께 작업자가 운행 중인 차량에 직접 노출 되는 점과 아스팔트에 손상을 입히는 문제점을 갖고 있었다. 이러한 문제점을 보완하기 위하여 새로운 기술을 도입하여 초 고압수를 이용한 워터젯 시스템은 노면표시 제거작업에 활용되고 있으나 물탱크에 따른 작업의 제약 및 작업 후 도로표면에 남은 수분의 결빙 및한정된 도료의 제거 등과 같은 문제점을 내포하고 있다. 이에 본 연구는 노면표시 제거 작업공정 분석 선행연구에 따른 드라이아이스 블래스터 도입의 자동화 차선제거 시스템 개발을 위해 프로토타입 개발을 수행하였다. 또한 환경과 작업성을 고려한 새로운 노면표시 제거 자동화 장비의 제안을 위한 드라이아이스 블래스터 장비 도입의 가능성을 테 스트를 통해 파악하였으며, 실험 결과를 바탕으로 노면표시 중 차선 제거를 하는데 소요되는 작업 비용을 새로운 방법과 비 교 분석 하였다.

핵심용어

:

노면표시 제거, 드라이아이스 블래스터, 건설 자동화

···

1.

서 론

1.1

연구배경 및 목적

도로시설은 사람의 이동과 물류 운송을 위한 차량 운행에 없어서는 안 될 중요한 인프라 시설 중 하나이며, 안전하고

효율적인 도로의 역할을 다하기 위하여 차선, 제한속도, 운 행방향 및 기타정보 등이 도로 노면에 표시되어 있다. 더불 어 도로의 유지관리 노면표시 제거작업은 교통량 증가에 따 른 차선 변경 및 변질된 도료의 보수 등을 위해 지속적으로 이뤄지고 있으며, 교통법규 및 도로여건의 변화 등에 따라

*정회원·교신저자·한양대학교공과대학토목공학과박사수료 (E-mail : [email protected])

**한양대학교 공과대학 토목공학과 석사과정 (E-mail : [email protected])

***한양대학교공과대학토목공학과교수 (E-mail : [email protected])

****정회원·한양대학교 공과대학 토목공학과 교수 (E-mail : [email protected])

− 246 − 기존 정보의 수정을 위해서도 노면표시 제거 작업이 발생한 다. 그러나 현재의 노면표시 제거작업은 부분적으로 차로를 막고 작업이 이뤄지기 때문에 차량 통행에 영향을 미치며, 작업자가 차량 흐름에 직접 노출되어 안전사고의 발생 가능 성이 높으며, 단순 반복되는 수작업 중심의 작업공정으로 인 해 작업자에 따라 생산성과 작업 품질에 차이가 발생한다(김 균태, 2006). 이와 함께, 3D 업종 기피현상의 요인을 가지 고 있는 노면표시 제거작업은 신규 인력 충원을 확신할 수 없게 한다. 이러한 문제를 해결하기 위해 수작업 중심의 재 래식 노면표시 제거 방법은 자동화된 장비를 이용하는 새로 운 작업 방식으로 바뀔 필요가 있다.

해외의 경우 다양한 기술의 노면표시 제거방법에 관한 연 구가 수행되었으며(Oregon DOT, 2001), 실제 공항 활주로 및 차선 제거 등에 적용되고 있다(NLB Corporation, 2005).

국내의 경우는 초고압수(워터젯)를 이용한 노면표시 자동제 거 장비 개발을 위한 연구가 수행되었으며(건설교통부,

2006),

선진국 역시 워터젯(Water Jet)을 이용한 장비를 도

입하여 도로의 차선을 포함한 노면표시 제거작업을 수행하 고 있다. 초고압수를 이용한 장비는 재래식 노면표시 제거 방법에 비해 작업자의 노출로 인한 위험요소가 감소되었으 며, 기존 방법에서 발생하는 분진 등의 유해환경을 개선하는 등의 효과를 거두었으나, 운영 과정에서 몇 가지 문제를 내 포하고 있다.

이에 본 연구는 노면표시 제거를 위한 새로운 자동화 장 비를 개발하기 위한 과정으로, 기존에 초고압수를 이용하는 방법을 대체할 수 있는 방안을 적용하고자 하였으며, 프로토 타입 개발에 따른 자동화 장비를 제작하는데 고려되어야 할 요인을 파악하였으며, 현장 테스트를 통해 새로운 세척기술 중 하나인 드라이아이스 블래스터 장비의 적용 가능성 살펴 보았다.

1.2

연구범위 및 방법

본 연구는 개선된 노면표시 제거 자동화 장비 제안을 위한 선행 연구로 친환경적 세척 기술 중 하나인 드라이아이스 블 래스터가 기존의 초고압수 방식을 대체할 수 있는지를 검토 하였다. 이를 위해 다음과 같은 연구를 수행하였다.

1)

문헌연구를 통해 노면표시 제거 장비를 이용한 제거 대상인 노면표시용 도료에 대해 조사

2)

문헌연구를 통해 기존의 노면표시 제거 방식과 함께 초고압수를 이용한 노면표시 제거 장비에 대해 조사

3)

문헌연구를 통해 해외의 노면표시 제거 기술에 대해

조사

4)

문헌연구 및 드라이아이스 블래스터 생산 업체 담당자 인터뷰를 통해 드라이아이스 블래스터를 이용한 세척 작업 활용 및 기술 특성 조사

5) 4)

를 통해 드라이아이스 블래스터와 함께 적용 가능한

프로토타입 제안

6)

테스트를 통한 드라이아이스 블래스터를 이용하여 노 면표시 제거작업에 적용하여 적용 가능성 파악

7)

테스트 결과를 바탕으로 재래식 장비와의 작업비용 분석 장기적인 측면에서 노면표시 제거 자동화 장비의 작업성을 고려하여 드라이아이스 블래스터의 분사각도 및 분사거리 등 작업 효율성과 타 장비와 비교를 통한 경제적 측면도 고려 되어야 한다. 그러나 현재 프로토타입 개발이 계속 진행 중 이기 때문에 연구에서 제시하는 장비의 특성인 드라이아이 스 블래스터의 노면표시 제거 가능성 검토를 목적으로 연구 를 수행하였다.

2.

노면표시 제거 방법의 검토

2.1

노면표시 현황 및 재료

국내 도로표시 종류는 도로교통법 시행규칙의 노면표시에 서 규정하고 있으며, 시공 시 도로표시의 규격은 도로공사 표준시방서에 아래의 표와 그림과 같이 제시되어 있다. 표

1

및 그림 1, 2를 통해 기존의 도로표시는 선, 문자, 도형 등의 다양한 종류와 규격이 존재함을 알 수 있으며, 노면표 시는 대부분 선으로 이루어져 있음을 확인할 수 있다.

횡단보도 및 정지선의 경우 노면표시선의 폭이 45cm로 조 사되었으며 일반 공용도로의 경우 폭이 15~16cm이며, 일부 사설주차장이나 민간시설의 도로 표시 선은 이보다 작은 폭 을 갖는 것으로 조사되었다. 특히, 오래된 도로나 차량통행이 많은 도로의 경우 굴곡이나 크랙 등이 노면표시를 제거하는 표

1.

도로표시의 종류에 따른 규격

선 종 류 도로교통법

시행규칙

표 준(cm)

시가지도로 지방도로 자동차전용

중앙선

점선(단선)

길이(cm)

300 300 300 300

길이(cm)

300 300 300 300

폭(cm)

15~20 15~20 15~20 15~20

실선(단선) 폭(cm)

15~20 15~20 15~20 15~20

실선(복선) 폭(cm)

10~15 10~15 10~15 10~15

간격(cm)

10~15 10~15 10~15 10~15

차선

실선 폭(cm)

10~15 10~15 10~15 10~15

점선

길이(cm)

300~3,000 300 500 1,000

간격(cm) 길이의 1~2배

500 800 1,000

폭(cm)

10~15 10~15 10~15 10~15

길가장자리 구획선 폭(cm)

10~15 10~15 10~15 10~15

출처 : 대한주택공사, 도로포장 및 교통안전시설물공사-노면표시, 전문시방서, 2006

데 영향을 미칠 수 있을 것으로 판단된다(건설교통부, 2006).

2.2

노면표시에 사용되는 시공방식 및 도료의 특성 현재 국내에서 사용 중인 노면표시 시공법에는 융착식, 상 온식, 가열식 세 가지가 있으며, 각 시공방법에 따라 사용되 는 도료의 특성에 차이가 있다. 본 연구는 향후 노면표시 제거 자동화 장비 개발에 따른 적용성을 높이기 위해 세 가 지 시공방법에 적용되는 도료를 모두 제거하는 것을 목표로 하였다.

융착식 시공방법에 사용되는 도료는 대부분의 노면표시에 사용되며, 합성수지와 흰색, 황색 및 체질안료를 혼합하여 제 조하는 무용제형 도료이다. 시공 시 가열 융해하여 사용되 며, 내구성이 강해 차량소통이 많은 도심지역이나 학교구간 에 일반적으로 사용되고 있으며, 가열식 시공방법에 비해 적 은 시간이 소요되고, 한번 작업하면 오랫동안 지속되는데 반 해 기존의 표시를 제거하기가 어렵고 시간도 많이 소요되는 단점을 갖고 있다.

상온식 시공방법에 사용되는 도료는 KSM5322 아크릴 수 지를 전색제로 하여 흰색, 황색 및 제질안료를 조합 분산한 도료로써, 아스팔트면 및 시멘트 도로면에 부착력이 뛰어나 고 내마모성이 우수하며, 내후성, 내충격성, 내수성, 내알칼 리성 등이 좋다. 대기온도 5~40

^oC,

상대습도 85% 이하에서 작업이 원활하며 붓, 로라, 스프레이 등을 이용하여 작업이 가능하며, 스프레이 사용 시 입자가 작은 페인트 도료를 분 사하여 사용하나 차선이 오래 지속되지 않는 단점이 있다.

가열식 시공방법에 사용되는 도료는 융착식과 같이 도료를

가열하여 사용하는 것으로 특수 변형합성수지를 전색제로 사 용하고 내마모성 및 내후성이 좋은 안료를 선정하여 제조한 가열 분사형 자연건조 도료이다. 이상의 세 가지 시공방법에 사용되는 도료에 대한 특성은 표 2와 같다.

2.3

기존의 노면표시 제거방법

현행 도로 공사 시방서는 노면표시 제거 작업에 대해 표

3

과 같이 규정하고 있다.

시방서를 통해 노면표시 제거 작업 간 포장 표면의 손상 을 최소화하고, 제거 후 작업 구간에 대한 청소가 함께 수 행되어야 함을 알 수 있다. 이러한 시방서 규정은 향후 자 동화 장비를 개발하는 과정에서 개발 장비의 타당성 검토 시 적용 기준으로 활용되어야 한다.

현재 적용중인 노면표시 제거 방법은 국내의 경우는 그라 인더를 이용한 제거방식과 토치를 이용한 제거방식이 주로 사용된다.

노면표시 제거작업은 5~6명, 최대 8명 정도가 한 팀을 이 루어 작업을 수행하며, 교통을 통제하고 작업을 수행한다(한 재구 외, 2004). 또한 최근 개발된 초고압수을 이용한 워터 젯(Water jet) 방식이 일부 적용되고 있다. 초고압수를 이용 하는 방식은 작업의 많은 부분을 자동화 하여 기존 방법에 비해 적은 작업자가 투입되며, 기존의 방법들에 비해 안전하 고 환경적인 장비로 활용되고 있다.

2.4

기존 노면표시 제거작업의 문제점

기존의 노면표시 제거작업은 안전 시설물을 배치하고, 그 그림

1.

도로표시의 종류

그림

2.

도로의 노면표시 종류

(

일부

)

표

2.

노면표시 시공방법의 종류 및 특성

¹⁾

시공방법 도료의 특성

융착식 ㆍ합성수지와 흰색, 황색, 체질안료를 혼합하여 제조하 는 무용제형 도료

ㆍ시공 시 가열 융해하여 사용 상온식 ㆍ아크릴수지를 전색제로 사용

ㆍ흰색, 황색 및 체질안료를 조합 분산한 도료

가열식

ㆍ특수변성합성수지를 전색제로 사용

ㆍ내마모성 및 내후성이 좋은 안료를 선정하여 제조한 가열 분사형 자연건조 도료

ㆍ시공시 도료를 가열하여 사용

표

3.

도로시방서의 노면표시 제거 규정

3.3.1

노면표시의 제거는 감독자의 지시에 따라 시행해야 하며, 그 제거방법에 대해서는 시공을 시작하기 전에 감독자의 승인을 받아야 한다.

3.3.2

기 설치된 노면표시를 제거하기 위해 검정색 페인트를 덮어

씌워서는 안 된다.

3.3.3

노면표시의 제거는 포장 표면의 손상을 최소로 할 수 있도록 실시해야 한다.

3.3.4

노면표시의 제거 시 발생된 포장면의 손상은 계약자 부담으

로 즉시 보수해야 한다.

3.3.5

노면표시의 제거 후 시공구간의 청소는 계약자가 실시한다.

출처: 도로공사 표준시방서, 2007

1)

한재구 외, “노면표시 제거 자동화 장비개발을 위한 작업공정

분석”, 대한건축학회 학술발표논문집, 2004, pp. 373의 표를

수정하여 인용.

− 248 − 라인더를 이용한 노면 표시제거, 노면 청소, 프로판가스 화 염으로 가열, 바닥 마무리의 과정이 반복적으로 수행되며, 각 작업자들은 서로 다른 위치에서 선행 작업자를 따라가면서 동시 다발적으로 작업을 수행하여 작업 현장이 복잡하다. 또 한 그라인더를 이용하는 방법은 장비의 과열 방지를 위해 하루 평균 40~80분 정도의 휴식시간이 필요하며, 하루 평균

1

회 정도의 베어링 고장이 발생하여 30~40분 정도의 베어링 교체시간을 요구한다. 장비의 휴식 및 부품 교체 시간은 작 업 지연으로 나타나며, 장비 고장으로 인해 작업이 중단되는 경우도 발생할 수 있다. 날씨가 더운 하절기에는 아스팔트가 녹아 노면표시가 깨끗하게 되지 않으며, 기기에 과부하를 주 는 요인으로도 작용한다. 작업환경 측면에서는 작업 구간의 바로 옆에서 차량이 운행하기 때문에 작업자가 위험에 직접 노출되며, 작업 시 많은 소음과 분진을 일으켜 작업자의 신 체 건강에 좋지 않고, 작업장 주변의 민원 요인으로 작용한 다(한재구 외, 2004).

토치를 이용한 방법 역시 그라인더를 이용한 방식과 마찬 가지로 작업자들이 직접 도로에 노출되어 있어 작업자의 안 전성에 대한 문제가 있으며, 차량 흐름을 방해한다는 문제점 을 갖고 있다. 이와 함께노면표시를 불로 가열 후 솔로 비 벼 제거하는 작업 중에 일산화탄소, 시안화수소, 염화수소 등 유해한 요소가 발행하며, 작업 시 프로판 가스를 이용하여 큰 사고로 이어질 수 있다.

초고압수를 이용하는 방식의 경우 기존 방법에 비해 작업 자의 투입이 적고 물을 사용하여 기존 작업에서 발생하는 분진발생 등의 문제를 해결하여 환경오염 및 작업자의 건강

에 미치는 유해요소를 최소화 하였다. 또한 자동화를 통해 작업자가 위험에 노출되는 것을 최소화하여 안전성을 크게 높였다. 그러나 현재까지 장비의 보급이 많지 않고, 초고압 수 운영을 위한 물탱크가 장비의 많은 부분을 차지하여 장 비가 대형이며, 이동속도가 느리다는 문제가 있다. 또한 초 고압수 작업으로 인한 잔여 작업수(水)로 인해 노면이 젖어 차량 운행에 영향을 미칠 수 있으며, 동절기에 수분이 결빙 을 일으켜, 사고로 이어질 수도 있다.

2.5

노면표시 제거 방법에 대한 해외 사례

²⁾

국내의 경우 전통적인 그라인더 또는 그라인더와 토치를 활용한 노면표시 제거방법과 최근의 초고압수를 이용한 장 비가 개발되어 적용 초기 단계에 있다. 그러나 도로가 발달 된 미국의 경우는 노면표시 제거 방법을 개선하기 위해 국 내에 비해 다양한 방법의 노면표시 제거방법이 소개되었다.

Florida Department of Transportation(DOT)

는 1999년에

아스팔트 포장 도로에 표시된 차선을 대상으로 그라인딩

(Grinding),

워터블래스팅(Water-blasting), 그라인딩과 워터블

라스팅을 조합한 세 가지 방법으로 노면표시 제거 테스트를 수행하였다.

노면에 표시되어 있는 도료의 형태는 수용성(Water-based

paint),

가열성(Thermoplastics), 임시적(Temporary)으로 구분

하였으며, 워터 블래스트(Water blast)방법이 가장 효과적인 노면표시 제거 방법이라는 결과를 도출하였다. 그러나 본 테 스트는 장비를 운영하는 작업자의 경험과 기술에 의해 제거 결과의 차이가 발생할 수 있음을 고려하여 특정 방법을 가 그림

3.

현재 이용 중인 노면표시 제거 장비

2) Kevi Haas (2001) “Research Notes; Methods for Traffic Stripe Removal”, Oregon Department of Transportation

의 보고서 내 용을 바탕으로 작성하였음.

표

4. Florida DOT

의 현장 테스트 결과

차선 도색 형태 및 길이 제거 방법 장비 및 과정 제거시간

(

분) 제거속도

(ft/min)

제거정도

^* Water-based paint/20 mil Waterblast 36,000psi, 4.5gal/min, 2800rpm, single pass 3.1 32.3 5

Thermoplastic /100 mil

Waterblast Same, 80% removal on first pass,

20% removal on second 5.2 19.2 4

Grind, flush & waterblast Same, 9HP Edco grinder 7.5 13.3 4

Thermoplastic /90 mil

Waterblast Same, but lowered nozzles to 1/2 in. 5.5 18.2 4

Grind & overlay Edco 9HP grinder 3.5 28.6 4

Grind Edco 9HP grinder 4.2 23.8 3

Waterblast, hand unit 36,000psi walk-behind unit, single pass 8.3 12 5

Temporary Tape/35 mil Waterblast Same 4.2 23.8 4

제거정도 : 5는 완전 제거, 1은 제거에 따른 작은 파편의 잔존을 의미함

장 적합한 방법으로 제시하지는 않았다. FDOT의 실험 결과 는 표 4와 같다.

NewYork

의 DOT는 그라인드, 워터블래스트, 그라인드와

워터블래스트 장비의 조합, 모래를 이용한 고압 워터블래스 트 등을 이용하여 테스트를 실시하였다. 샌드블래스터로 이 용한 테스트는 모든 종류의 페인트

³⁾

제거에 가장 효과적인 방법이라는 결과를 도출하였다. 또한 물을 이용한 블래스터

(Hydro-and water blaster)

은 샌드블래스터와 유사한 결과를

얻었으나 사용된 장비의 형태와 페인트의 두께에 많은 영향 을 받는 것으로 조사되었으며, 그라인더를 이용한 장비도 도 료의 두께가 얇은 노면표시는 빠르게 제거되지만, 잔여물 및 노면의 파손을 가져오는 것으로 조사되었다.

또한, Oregon DOT는 현장 테스트를 아래의 표와 같이 네 가지 장비를 이용하여 아스팔트 포장 노면에 표시된 차 선을 대상으로 현장 테스틀 실시하였다. 테스트 결과는 다음 의 표 5와 같다.

테스트 결과는 작업자의 기술과 경험에 많은 영향을 받을 수 있지만 다음과 같은 결과를 제시하였다. 1) 소다 블래스 터는 작업 속도는 느리지만, 가장 깔끔하게 제거되는 것으로 조사되었다. 2) 스파이크가 달린 노면 제거기기(Scarifies)와 그라인더는 다른 장비에 비해 빠르게 차선을 포함한 노면표 시를 제거할 수 있지만, 포장의 손상을 일으키는 단점을 가 지고 있었다. 3) 날카로운 날을 부착한 장비(Bobcat planer) 는 스파이크가 달린 노면 제거기 및 그라인더와 비슷한 장 비가 구성되어 있으며, 아스팔트에 많은 파손을 일으키는 것 이 단점으로 조사되었다.

3.

드라이아이스 블래스터의 특성 및 실험 장비

3.1

드라이아이스의 특성

드라이아이스는 기체인 이산화탄소(CO

2)

를 압축하여 액체 로 만든 후, 노즐로부터 분출시켜 갑자기 팽창시키며 일부를 기화시키는 과정을 통해 만들어진다. 드라이아이스는 대기 중에서 -78.5

^oC

에서 고체에서 직접 기체로 승화하는 성질이 있고, 이 때 주위로부터 열(기화열)을 흡수하므로 주위의 온 도를 급속도로 낮추는 작용을 한다. 드라이아이스는 승화 시 잔류물이 남지 않아 깔끔하며 단위 중량당 기화열이 크고 얼음과 달리 젖지 않기 때문에 냉각제로 널리 이용된다. 또 한 실험실에서 에테르·메틸알코올 등에 넣어 냉각제로 사 용하며 -80

^oC

또는 -110

^oC

정도까지 쉽게 냉각할 수 있기

때문에 과학연구용으로도 많이 사용되고 있다.

드라이아이스는 얼음과 달리 매우 낮은 온도의 물질이기 때문에 직접 손이나 몸에 닿으면 급격한 동상에 걸리기 쉬 우므로 취급에 주의가 요구되나, 직접적인 접촉을 피하는데 특별한 기술이 요구되는 것이 아니기 때문에 비교적 쉽게 사용할 수 있다.

3.2

드라이아이스 블래스터의 세정 원리

드라이아이스를 이용한 분사 기술은 1970년대 후반에서

1980

년대 초반에 걸쳐 Lockhead Corp.에 의해 개발이 시작 되고, 1987년에 최초로 상용화된 기술로, 선진국에서 몰드, 팬(Fan), 인쇄장비, 동상 등 세척장비로 많이 이용되고 있으 며, 현재 국내에서는 몇 개의 업체에서 장비의 개발 및 제 작을 수행하고 있으며, 산업전반에 보급률은 높지 않다.

드라이아이스 입자(Dry-ice pallet)를 블래스터를 이용하여 물체 표면에 분사하면 충격을 받는 드라이아이스 입자는 물 체 표면간의 결합 충격에너지 분산과 급속한 열전달로 인해 충돌과 거의 동시에 약 800배 이상으로 팽창하며, 승화한다.

이 과정에서 기체로 바뀐 드라이아이스는 바로 증발하여 다 른 2차 폐기물을 생성하지 않으며 남는 것은 제거 되는 오 염물질만 남아 잔여물의 2차 처리가 용이하다.

그림 5에서 보이는 바와 같이 드라이아이스 펠릿이 충 돌속도(V

s)

로 오염물질이 있는 물체 표면에 충돌하면(a),

표

5. ODOT

의 현장 테스트 결과

장비 제거율(m/min)

1

차 제거율(%) 잔여 정도

^*

0.375mm 0.75mm 0.375mm 0.75mm 0.375mm 0.75mm

Soda blaster 0.26 0.10 100 100 1 1

Scarifies 3.11 4.58 95 95 2 3

Grinder 7.20 4.91 99 50 3 2

Bobcat Planer 13.42 4.45 75 100 3 4

*

잔여정도 : 5는 다량의 잔여물을, 1은 최소의 잔여물을 나타냄

3) Traffic paint, Thermoplastic, Epoxy, Preformed tape

등 네 가지 종류.

그림

4.

드라이아이스 팰릿과 블래스터

그림

5.

드라이아이스 클리닝 메커니즘

− 250 − 드라이아이스 입자 내의 압력이 충격압(P)만큼 상승하게 되며(b), 드라이아이스 입자는 충격압과 충돌에 따른 변형 과정에서 수평 방향으로 방사속도(V

f)

를 갖는 방사류를 발생시키고(c), 이러한 방사류는 오염물에 대한 외력으로 작용하여 이를 통해 물체에 부착된 오염물을 제거한다

(d)⁴⁾.

본 연구에서 고려하고자 하는 드라이아이스 블래스터는 노면에 각종 표지를 위해 사용된 도료를 오염물질로 간주 하여, 이를 노면에서 제거하는 것으로, 블래스터로 드라이 아이스 입자를 초고속으로 가속하여 노면의 도료에 분사하 여 크랙을 만들고 크랙 사이로 드라이아이스 입자를 연속 적으로 분사하면 입자가 승화하면서 순간적으로 팽창하여 도료를 제거하는 것이다. 이 때, 노면표시 제거의 효율(세 정력)을 결정하는 핵심요인은 승화력과, 밀도로써 블래스터 의 분사 속도와 입자의 상태가 영향을 미친다는 것을 고려 해야 한다.

3.3

드라이아이스 블래스터의 선정

⁵⁾

드라이아이스 블래스터는 드라이아이스 팰릿이 정확한 위 치에 정확한 압력으로 분사되기 위한 노즐, 드라이아이스 팰 릿을 주입하는 주입부, 팰릿이 작업 조건에 맞는 압력 및 분사속도, 분사량 등을 조절하기 위한 모터(동력)부로 구분된 다(그림 6 참조). 드라이아이스 블래스터 장비는, 2~16Bar의 압력으로 100HP 이상의 압축공기를 발생하여 초당 25g의 팰릿을 분사한다.

드라이아이스 블래스터 장비 선정 시에는 경제성 검토에 요구되는 운영비용을 고려하여 사용 전력 및 드라이아이스 입자를 적재하는 저장탱크(Storage tank)의 용량 검토 등이 요구된다. 또한 드라이아이스 입자의 배출을 제어하는 블래 스터 건(Blaster gun)은 안전사고를 방지할 수 있는 장치가 마련되어야 한다. 그리고 블래스터는 노즐의 길이가 길수록 압력의 전달이 확실하여 분사 압력이 증가한다. 노즐은 드라 이아이스의 초저온에서도 버틸 수 있는 재질로 제작되어야 하며, 수축과 응축을 반복하기 때문에 응축도가 작아야 한다.

또한 블래스터 주입부는 주입된 드라이아이스가 뭉쳐서 한 번에 모두 쏟아져 나가는 것을 방지하고 일정 시간에 일정 량이 주입될 수 있어야 한다.

이러한 조건 등을 바탕으로 본 연구에서는 드라이아이스 블래스터의 적용 가능성을 검토하기 위해 가볍고 콤팩트한 사이즈에 드라이아이스 토출량 및 에어압력 조절이 용이한 드라이아이스 블래스터를 선정하였으며, 선정된 드라이아이 스 블래스터의 제원은 아래 표 6과 같다.

3.4

노면표시 제거 자동화 장비의 프로토타입 제안 연구를 수행하는 과정에서 자동화된 노면표시 제거 장비의 프로토타입의 개발을 함께 수행하였다. 프로토타입은 드라이 아이스 블래스터를 결합하여 드라이아이스 블래스터의 적용 성을 검토하고, 향후 센서 및 기타 노면표시 제거 작업을 수행하는데 요구되는 각 모듈이 개발될 때 이를 부착하여 테스트를 수행할 수 있도록 확장성을 고려하여 제작하고자 하였다. 향후 확장을 고려할 때 프로토타입 제작 시 고려해 야 하는 사항은 드라이아이스 블래스터(Dry ice blaster), 컨 트롤 시스템(Control system), 센서(Sensor), 동력장치(Trans-

mission system),

집진장치(Filter

^system)

등이다.

4)

박종수, “드라이아이스 블래스터 장치 및 공정 개발에 관한 연구” 중앙대학교 석사학위 논문, 2001.12

5) Inno Clean Corp, http://www.innoclean.co.kr

그림

6.

블래스터의 주요 부재

그림

7.

주입부 상세 사진

그림

8.

블래스터 구성 도면

표

6.

드라이아이스 블래스터

<ICDB-2>

의 제원

항 목 제 원

치수

L700mm

×W530mm×H990mm

무게

79kg

호퍼 용량

23kg

펠릿 소모량

30~80kg/hr(

표준 airlock plate)

호스 직경

3/4 inch

유량

2~12m²/min at 2~16bar

전압

110/220V

전력 소모량

750W/h

제시된 디자인은 제작을 위해 CAD를 이용하여 블래스터 노즐(Blaster nozzle)의 거치대, 잔여물에 대한 흡입부(Filter

system),

센서를 부착하기 위한 전면부(Front box with

sensor),

동력 시스템(Transmission system), 장비의 이동을

위한 구동부(Wheels) 등의 다섯 부분으로 설계도면을 제작 하였다. 설계 시 차선의 폭과 도로의 폭을 고려하여 프로토 타입(Prototype)의 폭을 결정하였으며, 전면부는 켄틀 레버와 같은 구조물을 고려하여 앞쪽으로 쏠리지 않도록 하였다. 가 장 중요한 베이스 플래이트(Base plate)는 가벼운 알루미늄 재질을 선택하여, 가로(L) 1200mm, 높이(H) 140mm, 두께

(T) 15mm

으로 제작하였으며, 장비의 구동을 위해 지름

170mm

의 캐스터(Caster)가 사용되었다. 캐스터는 베이스 플

래이트 높이와 지면과의 높이를 고려하여 앞쪽은 고정형, 뒤 쪽은 자유형 캐스터를 부착하여 원활한 이동이 가능하도록 하였다. 특히 캐스터는 공기주입식 타이어를 이용해서 비포 장도로에서도 구동이 원활하고 도로 장애물로 인한 충격완 화 효과가 있을 것이다.

4.

드라이아이스 블래스터 적용 테스트

노면표시 제거 자동화 장비는 노면의 표시를 효과적임과 동시에 경제적으로 제거해야 한다. 이를 위해 본 연구에서 제안하는 드라이아이스 블래스터는 노면표시를 제거하는데 적정량의 드라이아이스를 이용하여 빠른 시간 내에 노면표 시를 제거할 수 있어야 하며, 본 연구에서 수행한 테스트는 이와 관련한 기초 자료의 획득을 목적으로 수행되었다.

4.1

드라이아이스 블래스터 적용성 검토를 위한 테스트 환경

드라이아이스 블래스터를 이용한 자동화 장비 개발을 위 한 장비 적용 가능성을 확인하기 위하여 한양대학교 내에 위치하고 있는 아스팔트 도로에 표시된 차선을 대상으로 테스트를 실시하였다. 제거 대상물 선정은 도료가 제거되

어야 할 상태로 보이는 것으로 선정하였으며, 여러 겹 상 태로 되어 있는 도료를 테스트 대상으로 선택하였다. 또한 아스팔트 위에 차선이 한 겹으로 되어 있는 경우는 본 실 험을 통하여 빠르게 제거 될 수 있을 것으로 판단 할 수 있다.

드라이아이스 블래스터를 적용하는데 있어 본 연구는 적용 성만을 고려하여 차선과 드라이아이스 블래스트의 거리를 5,

10cm

로 이격하고, 블래스터의 분사각도는 30

^o, 60^o, 90^o

변 화하여 둥근 노즐과 와이드 노즐을 적용하여 1차 테스트를 진행하였으며, 2차 테스트는 1차 테스트 결과를 바탕으로 효 율이 가장 좋은 노즐타입과 이격거리를 선택한 후 블래스터 압력을 달리하여 테스트를 수행하였다.

4.2

드라이아이스 블래스터 적용

1

차 테스트

드라이아이스 블래스터의 적용은 오래된 차선과 중복 표시 된(여러겹) 차선에 대해 테스트를 각각 3회씩 실시하였다.

실험 조건으로 15cm의 동일한 차선 길이와 블래스터 압력 을 8Bar로 동일하게 하였다. 또한 이격거리 5, 10cm로 고 정하고, 분사각도를 변화를 주어 최적조건을 찾고자 하였으 며, 둥근노즐과 와이드 노즐에 따라서 최적의 차선제거용 노 즐타입을 알아보았다. 사용된 펠렛량은 대상물과 주변 환경 에 따라 차이가 있으나, 실험을 통해 평균 1kg/min가 소모 됨을 알 수 있었다. 연료측정은 실험이 종료되었을 때 들어 간 연료량을 파악하였다. 그림 10은 실험 작업의 모습((a),

(b))

과 제거된 상태((c))를 나타내고 있다.

그림 10의 (a)를 통해 기존 노면표시에 사용된 도료가 제 거되는 것을 확인할 수 있다. 또한 테스트를 통해 도로 포 장면에 대한 손상 없이 깨끗하게 노면표시에 사용된 도료를 제거할 수 있음을 확인할 수 있었다.

테스트 결과 와이드 노즐을 이용하여 분사 범위가 넓은 경우, 즉 와이드 노즐형태가 제거 시간이 짧아지는 것으로 조사되었다. 아스팔트에 붙어 있는 미세한 도료까지 제거 되는 것으로 확인되었으며, 아스팔트 포장에는 외관상 변 화가 없는 것으로 조사되었다. 결과적으로 드라이아이스 블 래스터 장비를 적용하기 위해서는 와이드 노즐을 통해 드 라이아이스의 분사 면적을 넓게 하고, 분사 각도를 60°, 이격거리를 5cm로 하였을 경우가 최적을 조건으로 파악되 었다.

4.3

드라이아이스 블래스터 적용

2

차 테스트

드라이아이스 블래스터 운영 시 요구되는 적정 분사 압력 을 확인하기 위해 1차 실험을 통해 선정된 분사각도 60

^o

와 이격거리 5cm, 와이드 노즐을 바탕으로 블래스터 압력을 그림

9.

드라이아이스 블래스터 도입을 위한 프로토타입 제안

그림

10.

노즐 형태에 따른 차선 제거 모습 및 결과

− 252 −

6, 8, 10Bar

로 조정하여 실험을 실시하였다. 실험 결과

10bar

일 때 작업 시간이 가장 짧은 것으로 조사되었다(표

9

참조).

여기서 10Bar는 운영 장비인 블래스터가 제공하는 최대 압력으로 그 이상을 테스트 하지 못하였으나, 드라이아이스 블래스터 장비 운영 경험이 있는 전문가를 대상으로 인터뷰 한 결과 분사 압력이 높을수록 제거 시간이 단축된다고 답 한 부분과 일치하는 것으로 판단된다. 또한 최적의 조건 상

태에서 종래기술 중 하나인 토치를 병행하여 실험을 실시해 본 결과 아스팔트 표면의 가열로 인한 손상을 받으며, 가열 로 인해 녹은 도료가 블래스터의 분사력에 의해 기존의 노 면표시 영역을 벗어나 작업을 수행한 지역이 지저분해 지는 경우가 발생하며, 결과적으로 작업 품질이 토치를 사용하지 않을 때에 비해 저하됨을 알 수 있다.

4.4

드라이아이스 블래스터 장비의 작업비용 분석 테스트 결과를 바탕으로 드라이아이스 블래스터 장비를 이 용한 노면표시 제거 방식과 그라인더와 토치를 이용하는 재 래식 방식과 작업비용을 비교·분석 하였다. 전체 장비의 개 발이 이뤄지지 않았기 때문에 장비 전체의 경제성을 비교하 기에는 어려움이 있기 때문에 노무비를 대상으로 작업비용 을 분석하였다.

재래식 방식은 작업반장(깎기식 차선제거기 운전원 겸임)

1

인, 프로판가스 화염 작업원 1인, 바닥 마무리(잔흔적제거) 작업원 1인, 청소 1인, 안전요인 1인 등 5명의 작업자가 기 본적으로 요구된다. 드라이아이스 블래스터를 이용한 노면표 시 제거 자동화 장비가 개발될 경우 5명의 작업자 중 최대

3

명을 감소시킬 수 있을 것으로 기대되며, 그에 따른 비용 절감 효과는 아래 표 10과 같이 산정하였다.

노무비를 바탕으로 재래식 방법과 드라이아이스 블래스터 이용 시 작업비용을 살펴보았다. 단위면적(1)을 노면의 폭을

15cm

로 가정할 때 단위작업 길이는 약 6.7m로 산정된다.

6.7m

를 기준으로 재래식 방식의 노무비와 재료비는 아래 표

11

과 같이 비교할 수 있다.

표 11을 통해 드라이아이스 블래스터를 이용한 노면표시 제거 자동화 장비가 개발될 경우 재래식 비용에 비해 재료 비는 증가하나 노무비의 절감을 통해 결과적으로는 전체 비 용의 절감효과를 가져올 것으로 판단된다.

표

7.

와이드 노즐을 이용한 테스트 결과 노즐타입 적용된 분사

각도 이격거리 시간

(

초) 펠렛량

(Kg/Min)

와이드 노즐

30^o

5cm

165 2.8

218 3.6

170 2.8

10cm

134 2.2

160 2.7

167 2.8

60^o

5cm

105 1.8

91 1.5

88 1.5

10cm

131 2.2

136 2.3

122 2.0

90^o

5cm

157 2.6

162 2.7

163 2.7

10cm

270 4.5

158 2.6

155 2.6

표

8.

둥근 노즐을 이용한 테스트 결과 노즐타입 적용된 분사

각도 이격거리 시간

(

초) 펠렛량

(Kg/Min)

둥근 노즐

30^o 5cm 300

이상

5.0

이상

10cm 300

이상

5.0

이상

60^o 5cm 251

이상

4.2

이상

10cm 300

이상

5.0

이상

90^o

5cm 338

이상

5.6

이상

10cm

208 3.5

280 4.7

210 3.5

표

9.

콤프레샤 변화에 따른 드라이아이스 블래스터 실험 결과 노즐 타입 적용된 이격

거리 블래스터

압력(Bar) 차수 시간

(

초) 펠릿량

(1kg/min)

와이드 노즐

5cm

6

1 161 2.7

2 171 2.9

3 159 2.7

8

1 106 1.8

2 113 1.9

3 111 1.9

10

1 68 1.1

2 80 1.3

3 74 1.2

표

10.

재래식 장비와 드라이아이스 블래스터 방식의 노무비 비교

재래식 방식

^※

드라이아이스 블래스터 방식

구분 인원(명) 단가(원) 비용(원) 구분 인원(명) 단가(원) 비용(원)

건설기계운전기사

2 81,596 163,138

장비 운영

1 81,596 81,596

보통 인부

3 63,530 190,590

보통인부

1 63,530 63,530

소계

5 353,728

소계

2 145,126

자동화 차선제거 방식의 1일 노무비 절감액=353,728-145,126=208,602(원/일)

※

재래식 방식과 관련한 데이터는 한재구 외(2006)의 p. 84의 분석 데이터를 인용하여 사용하였음.

5.

결 론

본 연구는 드라이아이스 블래스터가 노면표시 제거 자동화 장비의 노면표시 제거 기능을 수행하는데 적합한지를 판단 하기 위한 연구로써 장비의 프로토타입을 제작하고, 드라이 아이스 블래스터의 적용성을 확인하기 위한 테스트를 수행 하였다. 테스트를 통해 다음의 사항을 확인할 수 있었다.

1.

아스팔트 포장 도로에 융착식 도료를 이용한 노면표시는 드라이아이스 블래스터를 이용하여 도로포장면에 손상 없 이 깨끗하게 제거가 할 수 있음

2.

드라이아이스 블래스터를 적용하는데 있어 노즐 형태, 분 사각도와 블래스터 압력에 따라 작업 시간 및 소요되는 드라이아이스의 양에 차이가 발생

3.

노즐 형태, 분사각도, 블래스터 압력의 최적의 조건은 차 선 제거 비용에 영향을 줌

4.

토치를 함께 운영할 경우 작업의 품질이 낮아짐

5.

자동화 장비의 작업비는 테스트 결과를 바탕으로 하는 노 무비와 재료비를 근거로 산출할 때 재래식 방식에 비해 작업비용의 절감효과가 나타남

위의 결과를 바탕으로 드라이아이스 블래스터를 노면표시 제거작업에 적용이 가능함을 알 수 있었으며, 테스트 결과를 이용하여 노즐형태, 분사각도, 블래스터 압력 등의 적정값을 찾아 장비 개발을 위한 구체적 방향 제시와 함께 비용적인 측면에서 노무비의 절감이 가능할 것으로 판단되었다.

테스트와 관련, 테스트 구간이 짧았다(15cm)는 것이 제약 사항이 될 수 있기 때문에 향후 테스트 구간을 확대하여 테 스트를 범위를 확대하여 추가적인 테스트 수행이 필요하다.

또한 작업비용 분석과 관련하여 드라이아이스 블래스터를 이 용한 노면표시 제거 장비의 개발 단계가 프로토타입 개발 단계로 기존 장비와 직접 비교하기에는 어려움이 있어 노무 비 측면에서만 작업비용을 검토하였다.

그러나 친환경 재료인 드라이아이스를 활용하여 기존 장비 에 비해 도로 표면에 손상을 거의 입히지 않고 노면표시를 제거할 수 있음을 확인하여 새로운 방법을 제안한 것을 성 과로 볼 수 있다.

향후 연구를 통해 완성된 프로토타입을 기반으로 테스트를

수행하고 재래식 작업과 구체적으로 경제성을 비교하여 노면 표시 제거 작업에 대한 적용가능성을 분석하는 것이 요구된다.

감사의 글

본 연구는 교육인적자원부의 두뇌한국21(BK21)사업으로 이루어진 것으로 본 연구를 가능하게 한 해당 기관에 감사 드립니다.

참고문헌

(

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논문집, 한국건설관리

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Kevi Haas (2001) Methods for Traffic Stripe Removal, Oregon Department of Transportation, Research Note.

NLB Website(http://www.nlbcorp.com)

Ralph Ellis and Byron Ruth (1989) Development of Improved Pro- cedures for the Removal of Pavement Marking during FDOT Construction Projects, Florida Department of Transportation.

Summary of Final Report.

Water Blasting Technologies Website(http://waterblastingtechnologies.

com)

(

접수일: 2008.11.3/심사일: 2008.12.3/심사완료일: 2009.1.28)

표

11.

재래식 장비와 드라이아이스 블래스터 방식의 작업비용 비교

구분 재래식 방식(원/m

²)

드라이아이스 블래스터 방식

^※(

원/m

²)

노무비

53,713 10,177

재료비

0.0144 24,256

소계

53.713 34,373

산출근거

1).

재료비

0.00012*1204(프로판가스)=0.14448(원/10m²) 0.1448/10m²= 0.0144(

원/m

²)

2).

인건비

작업반장: (1.6/10m

²)*81,596=13,055(원/m²)

보통인부: (4.8/10m

²)*63,530=30,494(원/m²)

노면청소인부: (1.6/10m

²)*63,530=10,164(원/m²)

1).

재료비

33.5(min/m²)*700(원/min)= 23,450(원/m²) 0.6(L/m²)*1,344(원/L)=806(원/m²) 2).

인건비

특별인부: 170(원/min)*33.5(min/m

²)= 5,695(

원/m

²)

보통인부: 132(원/min)*33.5(min/m

²)= 4,422(

원/m

²)

※

블래스터 장비의 테스트 결과를 바탕으로 산정하였음.

드라이아이스 블래스터 장비는 현재 건설 현장에 적용된 장비가 아니며, 최종적으로 개발된 장비가 아니기 때문에 다른 비용에 대한

고려 없이 제거시간에 따른 재료비와 인건비만을 산출하였음.