KR101411261B1 - 마이크로파를 이용한 터널 콘크리트 라이닝 시공용 고효율 균일 발열 시스템 및 그를 이용한 터널 콘크리트 라이닝 시공 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 마이크로파를 이용한 터널 콘크리트 라이닝 시공용 발열 시스템 및 이를 이용한 터널 콘크리트 라이닝 시공 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 터널 콘크리트 라이닝을 시공함에 있어, 마이크로파를 이용한 터널 콘크리트 라이닝 시공용 발열 시스템을 사용하여 터널 거푸집의 스킨 플레이트를 가열함으로써 터널 굴착면과 터널 거푸집 사이에 타설된 콘크리트의 초기 수화 시간을 단축시켜 특히 외기 온도가 낮은 기간 동안의 터널 시공 기간을 현저히 단축시킬 수 있는 터널 콘크리트 라이닝 시공용 발열 시스템 및 그를 이용한 터널 콘크리트 라이닝 시공 방법을 제공한다.
본 발명에 따른 마이크로파를 이용한 발열 시스템을 이용하여 터널 콘크리트 라이닝을 시공하면, 콘크리트 초기 수화 시간을 단축시켜 양생 기간을 단축시켜 전체 공기를 획기적으로 단축시킬 수 있으며, 보온 양생 과정에서 기존의 난로나 열풍기 등을 사용하지 않고도 콘크리트의 보온 양생이 가능하고, 특히 불균일 가열과 이로 인한 균열 발생 가능성의 문제까지도 해결할 수 있다.

Description

마이크로파를 이용한 터널 콘크리트 라이닝 시공용 고효율 균일 발열 시스템 및 그를 이용한 터널 콘크리트 라이닝 시공 방법{High-efficient and uniformly-heating system for construction of tunnel concrete lining using microwave, and construction method of tunnel concrete lining using the same}

본 발명은 마이크로파를 이용한 터널 콘크리트 라이닝 시공용 고효율 균일 발열 시스템 및 그를 이용한 터널 콘크리트 라이닝 시공 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 터널 콘크리트 라이닝을 시공함에 있어, 마이크로파를 이용해 발열되는 고효율의 균일 발열 시스템을 사용하여 거푸집 패널을 가열함으로써 터널 굴착면과 거푸집 패널 사이에 타설된 콘크리트의 초기 수화 시간을 단축시켜 터널 시공 기간을 현저히 단축시킬 수 있는 고효율 균일 발열 시스템 및 그를 이용한 터널 콘크리트 라이닝 시공 방법에 관한 것이다.

우리나라는 전 국토의 70%가 산악 지형으로 구성되어 있고, 최근 30년 동안 급격한 경제 발전으로 사회 간접 시설물에 대한 사회적 요구가 급증되어 왔다. 이와 같은 사회적 환경 변화로 인하여 도로 및 철도 구조물의 건설이 급증하였으며, 전국 반나절 생활권 및 물류 운반 효율성을 높이기 위하여 노선의 직선화 및 선형 개량으로 터널 건설이 90년대 이후 급격하게 증가하였다.

터널 공정은 지반 조사, 설계, 시공 및 유지관리 단계로 구분할 수 있으며, 이중 시공 공정은 시공 계획, 굴착, 지반 보강, 라이닝 및 부대시설 설치로 나눌 수 있다. 본 발명은 이러한 시공 공정 중 터널 콘크리트 라이닝 시공에 이용되는 거푸집 구조에 관한 것이다.

거푸집(form)은 콘크리트 구조물을 제조하는 과정에서 콘크리트가 경화될 때까지의 사이에 사용하는 임시 구조물을 말한다. 임시 구조물이므로 콘크리트의 양생이 완료되면 분리하여 재사용되는 것이 일반적이다.

터널을 시공하기 위해서는 먼저 브레이커, 발파 등을 이용하여 굴착을 진행하고 곧이어 터널 굴착면을 숏크리트 급결제, 록볼트 등을 이용하여 지보하고 바닥부를 시공한 후 방수시트를 부착하고 콘크리트 라이닝 작업이 진행되는 것이 일반적이다.

콘크리트 라이닝 작업은 필요시 철근 배근 후 터널 라이닝 거푸집을 설치하고 콘크리트를 타설하는데 이때에는 보통 8 ~ 10m 정도의 길이로 구간을 나누어 거푸집을 전진 이동시키면서 연속적으로 콘크리트 라이닝 작업을 진행한다.

도 1은 종래 일반적인 방법으로 터널 내측에 콘크리트를 타설하기 위한 라이닝 거푸집을 도시한 것이다. 도 1에서 보는 바와 같이, 터널 굴착면(40)과 상응하는 형상을 가진 거푸집 패널(41)이 구비되고 상기 거푸집 패널(41)의 내측은 거리 조절 수단에(42) 의해 거리가 조절되는 다수의 빔(43)으로 지지되며, 상기 빔(43)과 터널 거푸집은 바닥의 레일(44)을 따라 이동하도록 구성된다. 또한, 거푸집 패널(41)은 콘크리트와 맞닿는 스킨 플레이트(skin plate, 미도시)와 스킨 플레이트를 지지하는 디귿자 형강(channel, 미도시)로 구성된다.

다시 말해, 터널 내부에 콘크리트를 타설할 때 터널 거푸집을 터널 내부의 제1구간에 위치시킨 상태에서 터널 거푸집의 거푸집 패널(41)과 터널 굴착면 사이로 콘크리트(C)를 타설하고 양생한 후 터널 거푸집을 다음 구간으로 전진 이동시킨 상태에서 동일한 콘크리트 타설 작업을 진행하는 방식으로 터널 라이닝이 시공된다.

이러한 터널 라이닝을 시공함에 있어서, 종래에는 하절기와 같이 외부 온도가 높은 경우에는 콘크리트의 수화 반응이 정상적으로 진행되어 시공에 문제가 없으나, 겨울철과 같이 외기 온도가 낮은 경우에는 콘크리트 수화 반응이 일어나기 어렵기 때문에 시공 기간이 그만큼 길어진다. 이와 같은 어려움은 터널 입구나 출구와 같이 외기에 인접한 구간에서 특히 문제된다.

이와 같이 외기 온도가 낮은 경우에 터널 라이닝 시공을 하기 위하여 종래에는 보양막 등으로 외기를 차단하고 갈탄 난로나 열풍기, 스팀 등을 이용하여 내부 공간의 온도를 일정하게 유지한 채 시공을 수행하였다. 그러나 이와 같은 급열 또는 보온 양생 방법은 갈탄 난로의 경우에는 유독 가스가 다량 발생하여 작업자들의 안전이 보장되기 어렵고 민원 발생의 소지가 있으며, 열풍기, 스팀 등의 경우에는 막대한 양의 기름, 가스 및 전기가 소모되는 문제가 있었다.

이러한 문제를 해결하기 위해 일부 기술에서는 터널 거푸집에 전열선을 부착하여 온도를 올리는 방법을 제안한 바 있다. (대한민국 공개 특허 제2009-0024906호 등) 그러나, 상기 터널 거푸집에 전열선을 부착하여 온도를 올리는 방법은 전열선을 거푸집에 설치해야 하므로 복잡한 전기 공사를 요하고 전열선에 전기를 지속적으로 공급해야 하므로 막대한 양의 전기가 소모되며 열효율이 높지 않은 문제점이 있을 뿐만 아니라, 시공이 완료된 후에는 거푸집에서 전열선을 해체해야 하므로 거푸집 재사용을 위한 해체 작업이 지나치게 복잡하고 인력이 많이 소모된다는 문제점도 가지고 있었다.

기존 방법의 경우 위와 같은 문제가 있어, 사용이 제한적이었으며 시공을 하더라도 안전문제, 환경문제 및 과다한 비용 발생 등의 문제로 인해 겨울철 터널 라이닝 시공 공사는 진행되기 어려운 면이 있었다.

이러한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 본 출원인은 막대한 양의 전기, 기름, 가스 등을 사용하지 않고도 마이크로파에 의해 거푸집의 온도를 올림으로써 콘크리트 양생에 따른 터널 시공 기간을 단축할 수 있는 새로운 터널 시공 기술을 제안한 바 있다. (대한민국 특허출원 제10-2012-0031340호, 특허등록 제10-1279988호) 위 특허 기술을 이용할 경우 발열 효율과 그에 의한 콘크리트 촉진 양생 효과가 뛰어나 동절기 콘크리트 라이닝 시공이 효과적으로 진행될 수 있으나, 열발생 효율과 열전달 효율이 다소 부족하여 이에 대한 개선의 필요성이 있었다.

본 발명은 상기와 같이 본 출원인이 제안한 기존 기술을 더욱 발전시켜 기존 특허보다 더욱 개선된 기술을 제안하기 위한 것으로서, 본 발명이 해결하고자 하는 첫 번째 과제는 기존 터널 라이닝 공사를 위하여 사용되는 터널 거푸집의 패널에 마이크로파를 이용한 발열 시스템을 부착하여 시공함으로써 콘크리트 양생을 촉진하여 시공 기간을 획기적으로 단축시킬 수 있는 동시에, 열발생 효율과 열전달 효율이 우수하여 전체적으로 균일 발열이 가능하도록 함으로써, 제조되는 터널 콘크리트 라이닝의 물성 등 품질을 향상시킬 수 있는 새로운 친환경 고효율 균일 발열 시스템을 제공하는 것이다.

또한, 본 발명이 해결하고자 하는 두 번째 과제는 상기 본 발명에 따른 새로운 친환경 고효율 균일 발열 시스템을 사용하여 기존 터널 라이닝 콘크리트 양생을 위해 사용되는 갈탄 난로나 열풍기와 같은 장치를 사용하지 않고 고품질의 콘크리트 터널 라이닝을 촉진 양생시킬 수 있는 터널 라이닝 시공 방법을 제공하고자 하는 것이다.

상기 본 발명의 첫 번째 과제를 달성하기 위해, 본 발명은

터널 굴착면과 일정 거리를 유지하며 터널 굴착면 형태로 설치되는 터널 거푸집의 스킨 플레이트와 상기 터널 거푸집에 구비된 디귿자 형강 사이에 삽입되어 상기 터널 거푸집의 스킨 플레이트에 부착되며 전원 공급에 의해 마이크로파가 발생하여 발열되는 발열 시스템으로서,

마이크로파를 발생시키는 마이크로파 발생기;

상기 마이크로파 발생기와 일단이 연결되어 있으며 마이크로파 발생기로부터 발생되는 마이크로파를 전달받아 반사부로 전달하는 파이프 형상으로 구비된 도파관;

상기 도파관과 내부 공간을 공유하며 도파관으로부터 전달되는 마이크로파를 난반사시키기 위한 밀폐된 내부 공간을 구비한 반사부;

상기 도파관과 상기 밀폐된 내부 공간을 사이에 두고 반대편에 구비되며 반사부에서 난반사되는 마이크로파를 통과시키기 위한 분배공을 구비한 분배판;

상기 반사부의 반대편에 상기 분배판과 밀착 구비되며 분배공을 통해 통과되는 마이크로파를 흡수하여 열을 발생시키는 발열체;

상기 발열체 외부에 발열체와 밀착 구비되는 바닥판과 상기 바닥판과 수직으로 일체형으로 양측단에 연결되는 측판 및 상기 측판의 상부에 연결되며 상기 측판과 함께 내부에 밀폐된 반사부를 형성하는 캐비티 커버로 구성되며 발열체에서 발생되는 열을 외부로 전달하는 캐비티; 및

상기 발열체의 발열 온도를 제어하는 온도 콘트롤러

를 포함하여 구성되며,

상기 발열체는 입자크기 5.0 mm 이하이고 구형률이 0.5 이상인 급냉 제강슬래그 및 입자크기 5.0 mm 이하인 탄화규소 입자를 100:0.1~100 중량비로 포함하는 세라믹 조성물인 것을 특징으로 하는 마이크로파를 이용한 터널 콘크리트 라이닝 시공용 발열 시스템을 제공한다.

상기 본 발명의 두 번째 과제를 달성하기 위해, 본 발명의 일 실시예는

(a) 굴착된 터널 내부에 터널 굴착면과 일정 거리를 유지하며 터널 굴착면 형태로 터널 거푸집을 설치하는 단계;

(b) 상기 설치된 터널 거푸집의 스킨 플레이트와 상기 터널 거푸집에 구비된 디귿자 형강 사이에 상기 본 발명에 따른 마이크로파를 이용한 터널 콘크리트 라이닝 시공용 발열 시스템을 삽입하고 상기 터널 거푸집의 스킨 플레이트에 부착하는 단계;

(c) 상기 터널 거푸집과 터널 굴착면 사이에 콘크리트를 타설하는 단계;

(d) 상기 (b)의 마이크로파를 이용한 터널 콘크리트 라이닝 시공용 발열 시스템에 전원을 공급하고 상기 타설된 콘크리트를 양생시키는 단계; 및

(e) 상기 설치된 마이크로파를 이용한 터널 콘크리트 라이닝 시공용 발열 시스템을 분리하는 단계

를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 터널 콘크리트 라이닝 시공 방법 을 제공한다.

상기 본 발명의 두 번째 과제를 달성하기 위해, 본 발명의 다른 실시예는

(a) 굴착된 터널 내부에 터널 굴착면과 일정 거리를 유지하며 터널 굴착면 형태로 터널 거푸집을 설치하고, 상기 터널 거푸집의 스킨 플레이트와 디귿자 형강 사이에 상기 본 발명에 따른 터널 콘크리트 라이닝 시공용 발열 시스템을 삽입 설치하되, 마이크로파 발생기와 도파관을 제외하고 설치하는 단계;

(b) 상기 설치된 터널 콘크리트 라이닝 시공용 발열 시스템에 도파관과 마이크로파 발생기를 순서대로 연결하는 단계;

(c) 상기 터널 거푸집과 터널 굴착면 사이에 콘크리트를 타설하는 단계;

(d) 상기 설치된 터널 콘크리트 라이닝 시공용 발열 시스템에 전원을 공급하고 상기 타설된 콘크리트를 양생시키는 단계; 및

(e) 상기 설치된 마이크로파를 이용한 터널 콘크리트 라이닝 시공용 발열 시스템을 분리하는 단계

를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 터널 콘크리트 라이닝 시공 방법을 제공한다.

본 발명에 따른 마이크로파를 이용한 터널 콘크리트 라이닝 시공용 발열 시스템 및 그를 이용한 터널 콘크리트 라이닝 시공 방법의 특징 및 장점을 설명하면 다음과 같다.

1. 마이크로파에 의해 발열되는 모듈 형태의 발열 시스템을 터널 거푸집의 스킨 플레이트(skin plate)와 상기 터널 거푸집에 구비된 디귿자 형강 사이에 삽입하여 상기 터널 거푸집의 스킨 플레이트에 부착하여 사용하므로 별도의 전열선 작업과 같은 복잡한 전기 배선 작업이 필요 없다. 또한, 시공이 종료된 후에는 발열 시스템을 터널 거푸집에서 분리하기만 하면 해체 작업이 완료되므로 시스템 해체에 따른 어려움이 없이 작업이 단순화되고 시공성이 우수하다.

2. 또한, 본 발명에 사용되는 마이크로파에 의해 발열되는 터널 콘크리트 라이닝 시공용 발열 시스템은 불과 수분 내지 수십분 동안만 전기를 공급해도 원하는 온도까지 단시간에 도달하며 이후에도 온도가 쉽게 식지 않아 전기를 지속적으로 투입하지 않아도 되므로 기존 전열선 방식에 비하여 전력 소비량을 대폭 줄일 수 있어 에너지 효율이 향상될 수 있다.

3. 본 발명에 사용되는 마이크로파에 의해 발열되는 터널 콘크리트 라이닝 시공용 발열 시스템은 터널 거푸집의 형태에 맞게 쉽게 설계 변경이 가능하므로 실내 제작 또는 실외 제작 등 기존 거푸집 작업이 진행되는 어떠한 형태의 제작에도 자유자재로 활용될 수 있다.

4. 본 발명에 사용되는 마이크로파에 의해 발열되는 터널 콘크리트 라이닝 시공용 발열 시스템은 외부 온도에 상관없이 적용이 가능하므로 특히 콘크리트 양생 시간이 오래 걸리는 동절기, 혹한 지역 등 외기 온도가 낮은 경우에 공사 기간을 단축하는데 큰 효과를 발휘한다.

5. 본 발명에 따른 마이크로파에 의해 발열되는 터널 콘크리트 라이닝 시공용 발열 시스템 및 이를 이용한 터널 시공 방법에 따를 경우, 기존 갈탄 난로나 열풍기, 스팀 등을 대체할 수 있으므로 안전 문제 및 환경 문제가 발생하지 않고 기름이나 가스와 같은 연료를 소모할 필요가 없으므로 시공 비용도 절감할 수 있어 경제적인 시공이 가능하다.

6. 또한, 마이크로파에 의해 발열되는 발열체로서 열발생 효율 즉 에너지 효율이 우수한 재료와, 에너지 전달 효율 즉 에너지 방출 속도가 우수한 재료를 최적 비율로 조합하여 사용함으로써 단시간에 높은 열을 발생시키고 발생한 열을 주변으로 신속하게 전달할 수 있으므로 기존 재료에 비해 발열 균일성이 획기적으로 개선된다.

7. 또한, 마이크로파가 국부적으로만 조사되는 것을 방지하기 위하여 발열 시스템의 내부 구조가 마이크로파를 전체적으로 효율적으로 배분될 수 있도록 설계됨으로써 상기 재료 설계와 더불어 균일 발열 효과를 더욱 증대시킬 수 있다.

8. 따라서 기존의 국부적 과열 발생으로 인한 균열 발생의 문제와 압축강도 등 물성 불균일의 문제를 해결하여 콘크리트 라이닝 시공시 균일 물성 등 고품질의 시공이 가능하다.

도 1은 종래 일반적인 방법으로 터널 내측에 콘크리트를 타설하기 위한 터널 거푸집을 도시한 것이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로파를 이용한 터널 콘크리트 라이닝 시공용 발열 시스템의 일 예를 나타내는 평면도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로파를 이용한 터널 콘크리트 라이닝 시공용 발열 시스템의 일 예를 나타내는 측단면도이다.
도 4a 내지 도 4d는 본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로파를 이용한 터널 콘크리트 라이닝 시공용 발열 시스템에 적용되는 분배판의 몇 가지 예를 나타내는 평면도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로파를 이용한 터널 콘크리트 라이닝 시공용 발열 시스템에 사용되는 발열체의 외부 형상을 나타낸다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따라 급냉 제강 슬래그, 탄화규소 및 그 혼합물의 내부 에너지 및 방출 에너지 평가 결과를 나타낸 그래프이다.
도 7은 본 발명에 따른 마이크로파를 이용한 터널 콘크리트 라이닝 시공용 발열 시스템을 이용한 터널 콘크리트 라이닝 시공 방법의 일 예를 나타내는 순서도이다.
도 8은 본 발명에 따른 마이크로파를 이용한 터널 콘크리트 라이닝 시공용 발열 시스템을 이용한 터널 콘크리트 라이닝 시공 방법의 다른 예를 나타내는 순서도이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따라 터널 내측에 콘크리트를 타설하기 위한 터널 거푸집을 설치한 것을 나타내는 터널 입구 도면이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로파를 이용한 발열 시스템을 구비한 터널 거푸집의 구조를 나타낸 평면도이다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로파를 이용한 발열 시스템을 구비한 터널 거푸집의 구조를 나타낸 A-A 측단면도이다.
도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로파를 이용한 발열 시스템을 구비한 터널 거푸집의 구조를 나타낸 B-B 측단면도이다.

본 발명에서 “이상”의 의미는 해당 수치 이상으로서 일반적으로 본 기술이 속하는 분야에서 상식적, 합리적으로 이해될 수 있는 만큼의 상한치를 갖는다는 의미이며, “이하”의 의미는 해당 수치 이하로서 일반적으로 본 기술이 속하는 분야에서 상식적, 합리적으로 이해될 수 있는 만큼의 하한치를 갖는다는 의미로서, 이는 발명을 간단하고 명료하게 나타내기 위한 표현으로 이해되어야 한다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부도면을 참조하여 발명이 속하는 기술분야의 통상의 기술자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세하게 설명하면 다음과 같다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로파를 이용한 터널 콘크리트 라이닝 시공용 발열 시스템의 일 예를 나타내는 평면도이고, 도 3은 그 측단면도이다.

도 2 및 도 3에서 보는 바와 같이, 본 발명에 따른 마이크로파를 이용한 터널 콘크리트 라이닝 시공용 발열 시스템(20)은

마이크로파를 발생시키는 마이크로파 발생기(21);

상기 마이크로파 발생기(21)와 일단이 연결되어 있으며 마이크로파 발생기로부터 발생되는 마이크로파를 전달받아 반사부로 전달하는 파이프 형상으로 구비된 도파관(22);

상기 도파관과 내부 공간을 공유하며 도파관으로부터 전달되는 마이크로파를 난반사시키기 위한 밀폐된 내부 공간(23)을 구비한 반사부(24);

상기 도파관과 상기 밀폐된 내부 공간을 사이에 두고 반대편에 구비되며 반사부에서 난반사되는 마이크로파를 통과시키기 위한 분배공(26)을 구비한 분배판(25);

상기 반사부의 반대편에 상기 분배판과 밀착 구비되며 분배공을 통해 통과되는 마이크로파를 흡수하여 열을 발생시키는 발열체(27);

상기 발열체 외부에 발열체와 밀착 구비되는 바닥판(28-1), 상기 바닥판과 수직으로 일체형으로 양측단에 연결되는 측판(28-2) 및 상기 측판의 상부에 연결되며 상기 측판과 함께 내부에 밀폐된 반사부(24)를 형성하는 캐비티 커버(28-3)로 구성되며 발열체에서 발생되는 열을 외부로 전달하는 캐비티(28); 및

상기 발열체의 발열 온도를 제어하는 온도 콘트롤러(33)

를 포함하여 구성되며,

상기 발열체는 입자크기 5.0 mm 이하이고 구형률이 0.5 이상인 급냉 제강슬래그 및 입자크기 5.0 mm 이하인 탄화규소 입자를 100:0.1~100 중량비로 포함하는 세라믹 조성물인 것을 특징으로 한다.

상기 본 발명에 따른 마이크로파를 이용한 터널 콘크리트 라이닝 시공용 발열 시스템(20)은 터널 굴착면과 일정 거리를 유지하며 터널 굴착면 형태로 설치되는 터널 거푸집의 스킨 플레이트와 상기 터널 거푸집에 구비된 디귿자 형강 사이에 삽입되어 상기 터널 거푸집의 스킨 플레이트에 부착되며 전원 공급에 의해 마이크로파가 발생하여 발열이 이루어진다.

본 발명에서 상기 마이크로파 발생기, 다른 말로 마그네트론은 고전압 변압기(29)에 의해 전원에 연결되고 그 주변에는 마이크로파 발생기에서 발생하는 열을 냉각시키기 위한 공냉식 냉각장치(예: 냉각팬(30))나 수냉식 냉각 장치가 구비되는 것이 바람직하다.

또한, 상기 마이크로파 발생기와 고전압 변압기 및 냉각장치 등의 내부 장치를 보호하기 위한 보호커버(31)가 캐비티 커버(28-3)에 고정되는 것이 바람직하다.

또한, 상기 캐비티(28)에는 캐비티의 온도를 검지하기 위한 온도센서(32)가 구비되며, 상기 온도센서는 온도 콘트롤러(33)에 연결되어 캐비티의 온도에 따라 마이크로파 발생기와 냉각장치의 운전을 제어하도록 구비되는 것이 바람직하다.

또한, 상기 마이크로파 발생기, 도파관 및 캐비티의 외부에는 내부 장치들을 보호하기 위한 케이스(34)가 구비되는 것이 바람직하다. 상기 케이스(34)는 중량을 줄이기 위하여 플라스틱 소재로 구성될 수 있으며 사출 또는 압출 성형에 의해 제조된 것을 사용할 수 있다.

또한, 도 2 및 도 3에서는 온도 콘트롤러(33)가 외부에 구비된 것으로 도시되었으나, 반드시 외부에 별도로 구비되어야 하는 것은 아니며, 상기 케이스(34) 내부에 디스플레이부가 외부에서 보일 수 있도록 배치된 상태에서 함입 설치될 수도 있다.

또한, 내부에서 발생하는 열을 가열 대상물의 반대쪽으로 발산되지 않도록 하기 위해 캐비티 커버(28-3)에 단열재(35)가 부착되는 것이 바람직하다. 이러한 단열재의 재료로는 글래스 울(glass wool), 석고, 내열 플라스틱, 내열 세라믹, 내열지 또는 돌가루 등을 사용할 수 있다.

상기 발열체는 산화철 화합물을 포함하는 금속산화물을 포함하여 구성되고 300MHz ~ 300GHz의 마이크로파에 의해 발열되는 것을 특징으로 한다. 구체적으로 상기 발열체는 앞서 설명한 마이크로파에 의해 발열되는 발열체 조성물을 사용하며, 상세하게는 입자크기 5.0 mm 이하이고 구형률이 0.5 이상인 급냉 제강슬래그 및 입자크기 5.0 mm 이하인 탄화규소 입자를 100:0.1~100 중량비로 포함하는 세라믹 조성물을 그대로 사용하거나, 상기 세라믹 조성물 100 중량부에 시멘트를 0.1~50의 중량비율로 혼합하여 물을 적당량 가해 수화에 의해 경화시킨 경화체를 사용한다. 이 때, 세라믹 조성물을 그대로 사용할 경우에는 내열 본드를 이용하여 바닥판에 부착하는 것이 바람직하며, 예를 들어 세라믹 조성물을 내열 본드와 믹싱하여 바닥판에 부착할 수 있다.

본 발명의 마이크로파를 이용한 터널 콘크리트 라이닝 시공용 발열 시스템은 상기 마이크로 발생기에 전원을 인가하여 마이크로파를 발생시키기만 하면 발열체를 통해 가열 대상 터널 라이닝 콘크리트의 표면을 신속하게 가열할 수 있다.

상기 마이크로파 발생기, 도파관 및 발열체는 캐비티의 내부에 장착된 형태로 모듈화되어 가열 대상물에 설치되는 것이 바람직하나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니고 다양한 설계 상의 변형이 가능하다.

특히, 상기 도파관은 그 일단이 마이크로파 발생기에 직접 연결되고 타단은 내부에 밀폐된 공간을 보유한 반사부로 연결된 관형 형태로 구비되는 것이 바람직하다.

마이크로파 발생기(마그네트론)는 고전압 변압기와 연결되고 고전압 변압기는 외부의 전원에 연결되는 것으로 구성된다. 고전압 변압기는 외부로부터 입력되는 상용 교류전압을 고주파 발생에 적합한 고전압(예를 들면, 2 킬로볼트[kV] 정도)으로 변압하여 마그네트론으로 인가하며, 마그네트론은 고전압 변압기로부터 인가되는 고전압에 의하여 고주파 발진을 하여 마이크로파를 발생시킨다.

마이크로파 주파수는 ISM(Industrial, Scientific and Medical)주파수(Frequency)를 사용하되, 부품 수급의 원활성 등 장점을 살려 주로 2,450MHz대역을 사용하는 것이 바람직하나, 이에 한정하는 것은 아니고, 용도에 따라 300MHz ~ 300GHz 영역의 주파수를 갖는 마이크로파를 다양하게 변형하여 사용할 수 있다.

상기 마그네트론이 구동될 때 마그네트론에서 발생되는 고열을 냉각시키기 위해 마그네트론의 주변에는 냉각장치(예, 냉각팬)가 설치되고, 냉각장치는 팬모터와 연결되며, 외부로부터 전압(상용 교류전압)이 팬모터에 인가되면 팬모터가 가동되면서 팬모터에 의해 냉각장치의 팬이 구동되어 외부의 찬공기를 마그네트론에 송풍함으로써, 마그네트론에서 발생되는 고열을 냉각시킬 수 있다.

상기 마이크로파 발생기는 도파관의 일단부 측면에 고정 브라켓에 의해 고정되고, 마이크로파 발생기의 배면에 돌출된 연결관에 의해 도파관의 일단부 측면에 연통 가능하게 결합됨으로써, 마이크로파 발생기로부터 발생된 마이크로파를 도파관의 일단부로 전달할 수 있다.

이러한 마이크로파 발생기는 소모품으로서 일정 수명이 다하면 교체해 주어야 한다. 본 발명에 따른 마이크로파를 이용한 터널 콘크리트 라이닝 시공용 발열 시스템에서 마이크로파 발생기는 마치 전구를 교체하는 것처럼 쉽게 교체가 가능하다. 따라서 본 발명에 따른 터널 콘크리트 라이닝 시공용 발열 시스템은 마이크로파 발생기만 주기적으로 또는 불량 발생시 교체해 주기만 하면 반영구적으로 사용할 수 있다.

본 발명에서 상기 발열체는 내열성을 가지며, 길이가 길고 세라믹 재질의 내열성 판 구조로 이루어지고(도 5 참조), 유전손실계수(dielectric loss factor)가 높은 세라믹 재질의 판에 마이크로파가 조사되면 +/- 쌍극자 회전에 의한 열을 발생시킨다.

한편, 상기와 같이 마이크로파 발생기가 도파관의 일단부 측면에 설치되어 마이크로파를 공급하므로 반사부에서 도파관에 바로 연결된 부분은 마이크로파를 많이 받게 되고 멀어질수록 마이크로파의 영향을 적게 받게 된다. 따라서 마이크로파의 난반사가 원활하게 이루어지도록 반사판, 다른 말로 분배판을 두되, 상기 분배판에서 마이크로파가 거의 대부분 반사되므로 일정 정도의 마이크로파를 흡수할 수 있도록 분배공을 상기 분배판의 중간 중간에 형성시켜야 한다.

본 발명에서 분배공을 구비한 분배판의 몇 가지 형태는 도 4a 내지 도 4d에 도시된 바와 같다.

도 4a 내지 도 4d에서 보는 바와 같이 상기 분배판은 도파관의 바로 앞 부분에는 분배공이 형성되어 있지 않고 도파관을 중심으로 대칭형으로 구비되는 것이 바람직하다. 그러나, 반드시 대칭형으로 구비되어야 하는 것은 아니고 비대칭형으로 구비될 수도 있다. 이 때 상기 분배공의 형태는 원형, 타원형, 사각형 등 다양하게 설계될 수 있다.

또한, 도파관으로부터 멀어질수록 마이크로파의 밀도가 적어지므로 상기 분배공은 도파관으로부터 멀어질수록 그 크기가 커지도록 하여 도파관으로부터 먼 쪽이 발열이 조금 더 일어나도록 하여 전체적으로 균일하게 발열이 일어나도록 하는 것이 바람직하다.

또한, 본 발명에서 도파관은 분배판의 중심뿐만 아니라 일단으로 치우쳐 연결될 수 있으므로 도파관에서 멀어지는 지점으로도 마이크로파의 흡수가 원활하도록 분배공이 최적으로 설계되는 것이 바람직하다.

본 발명에서 상기 분배판으로 사용되는 재료는 마이크로파를 흡수하지 않고 반사하는 재료를 사용하는 것이 바람직하며, 예로서는 강재, 알루미늄재 또는 동재 등을 사용할 수 있다.

또한, 본 발명에서 상기 분배판은 표면이 매끄러운 판형상이거나 표면에 요철된 판형상인 것이 바람직하다.

이하에서는 본 발명에 사용되는 마이크로파를 이용한 터널 콘크리트 라이닝 시공용 발열 시스템에 사용되는 상기 발열체(27)에 관하여 상세히 설명한다.

도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 발열체(27)의 외부 형상을 나타낸다. 도 5에 도시된 바와 같이 본 발명에 따른 발열체는 입자크기 5.0 mm 이하이고 구형률이 0.5 이상인 급냉 제강슬래그 및 입자크기 5.0 mm 이하인 탄화규소 입자를 100:0.1~100 중량비로 포함하는 세라믹 조성물인 것이 바람직하다. 본 발명에서 상기 급냉 제강 슬래그는 그 입자크기가 3.0mm 이하인 것이 더 바람직하고, 더더욱 바람직하게는 1.0mm 이하이다. 또한, 본 발명에서 상기 탄화규소 입자는 또한, 그 입자크기가 3.0mm 이하인 것이 더 바람직하고, 더더욱 바람직하게는 1.0mm 이하이다. 또한, 상기 급냉 제강 슬래그와 탄화규소 입자의 혼합 중량비율은 100:0.1~50이 바람직하고, 더욱 바람직하게는 100:0.5~20이다. 상기 발열체는 상기 세라믹 조성물 그 자체로 사용되어도 좋으나, 상기 세라믹 조성물 100 중량부에 시멘트를 0.1~50의 중량비율로 혼합하고 적당량의 물을 가하여 반죽한 상태로 수화에 의해 경화시켜 얻어진 경화체(10)로 사용되는 것이 더욱 바람직하다. 이 경우, 상기 세라믹 조성물의 함량이 많고 소량의 시멘트가 포함되므로 외부에서 보면 진한 회색이나 옅은 검은색에 가까운 색을 나타낸다. 도 5에는 이러한 경화체의 외부 형상이 도시되었는데, 이러한 경화체는 도 5의 형상대로 그대로 사용돼도 되고, 표면을 평평하게 가공한 상태로 사용돼도 좋다. 또한, 세라믹 조성물을 그대로 사용할 경우에는 내열 본드를 이용하여 바닥판에 부착하는 것이 바람직하다.

종래 제강 공장에서 배출되는 슬래그는 전로 또는 전기로 하부에 배치된 슬래그 포트에 슬래그를 수용한 후 처리장에 배출시켜 처리하였는데, 종래의 처리법으로는 배출된 슬래그에 다량의 물을 살포하여 슬래그를 냉각시켜 고화시키며 이후 파쇄 과정을 거쳐 슬래그에 존재하는 철 성분은 자력 선별기를 통해 선별하여 다시 철원으로 사용하고 나머지 슬래그는 특별한 용도가 없어 매립하거나 도로 포장 등의 골재로서 사용되는 것이 대부분이었다. 그러나 이와 같이 폐 슬래그를 단순 매립할 경우 매립 비용이 부수적으로 발생하고 매립양이 많을 경우 그 비용이 상당히 부담이 되며 더불어 환경적인 문제가 발생하므로 별도의 용도로 활용할 수 있는 용처의 개발이 절실한 상황이었다.

상기 냉각(서냉)에 의해 냉각된 제강 슬래그는 서냉 제강 슬래그로 불리는데, 내부에 다량의 프리 라임(유리된 CaO)울 포함하고 있고 이러한 프리 라임은 도로 포장시 물과 반응하여 수산화칼슘(Ca(OH)₂)을 형성한다. 상기 형성된 수산화칼슘은 프리 라임에 비하여 부피가 크고 분화되기 쉬운 성질을 가지기 때문에 도로 노반재료로 이용될 경우 도로가 융기되는 문제가 있고 분화된 수산화칼슘이 대기 및 수질을 오염시키는 원인이 되기도 한다. 또한, 수산화칼슘이 알칼리성이므로 토양 오염의 원인이 되기도 하므로 도로 포장용 골재로의 사용도 매우 제한적이었다.

이러한 서냉 제강 슬래그의 문제를 해결하기 위하여 급냉 제강 슬래그가 도입되었다. 급냉 제강 슬래그는 고온의 용융슬래그를 낙하시키며 고속기류를 분사하여 고온의 용융슬래그를 풍쇄함으로써 고속기류에 의해 급속하게 냉각시키고 미세 분말 형태로 제조하는 방법에 의해 제조될 수 있다. 이러한 방법을 사용할 경우 벌크 상태의 슬래그가 아닌 미세 분말 상태의 슬래그가 제조되어 별도의 파쇄 과정이 필요없고 프리 라임의 양도 줄어드는 효과가 있다. 그러나 종래의 급냉 제강 슬래그는 프리 라임의 양을 줄여 건설용 골재로서 사용하는 데만 주안점을 두었기 때문에 새로운 용처의 개발이 지지 부진한 상황이었다.

본 발명은 이러한 급냉 제강 슬래그의 새로운 용처를 개발한 것으로서 급냉 제강 슬래그가 마이크로파를 흡수하여 발열이 이루어지는 성질을 발견하여 이를 발열 재료로서 이용하고자 한다.

본 발명에서 사용되는 급냉 제강 슬래그는 종래부터 사용되던 일반적인 급냉 제강 슬래그를 그대로 사용하는 것이 아니라 특별한 선별 및 정제 방법을 이용하여 정제된 형태로 제조하여 사용하는 것이다.

이하에서는 이러한 상기 선별/정제 방법에 대하여 더욱 구체적으로 설명한다.

먼저, 본 발명에 따른 급냉 제강슬래그의 제조방법의 일 예는 하기와 같다. 즉, 제1단계로 시빙(sieving) 과정을 거쳐 5.0 mm 이하의 입경을 갖는 급냉 제강 슬래그를 선별하고, 제2단계로 자력 세기 500가우스 이상, 바람직하게는 700~5,000 가우스의 자력 선별기를 사용하여 선별하여 본 발명에서 요구되는 마이크로파 흡수 효율을 갖는 입자만을 선별해 낸 후, 구형 선별기를 통하여 구형률 0.5 이상인 것만을 선별해 낸다. 이 때 상기 시빙과정과 구형선별 과정 및 자력선별 과정은 순서가 바뀌어도 되고 동시에 진행해도 되며, 이 모두 본 발명의 범위에 포함된다. 본 발명에서는 이러한 특별한 선별 및 정제 작업을 거쳐 얻어진 급냉 제강 슬래그를 간단히 “MIP(Microwave-irradiated pyrogen)"로 명명한다.

본 발명에서 상기 급냉 제강 슬래그의 입자크기 5.0 mm 이하인 것이 바람직하고 구형률은 0.5 이상인 것이 요구된다. 상기 입자크기가 5.0 mm를 넘어서 너무 크게 되면 전체 비표면적이 크지 않아 발열 효율 및 열 전달 효율이 떨어지므로 바람직하지 않다. 상기 구형률은 다른 말로 형상계수로서 입자의 가장 긴 쪽 지름에 대한 가장 작은 쪽 지름의 비율을 의미하는데, 만약 구형률이 0.5가 안 되는 급냉 제강 슬래그의 경우 찌그러진 모양을 갖게 되어 마이크로파가 뾰족한 부분으로 수렴할 수 있으며 이 경우에는 스파크가 발생할 수 있고 에너지가 뾰족한 부분이나 각진 부분으로만 집중되어 에너지 손실이 발생하기 때문에 입자 전체에서의 발열 효율이 떨어지는 문제가 발생하므로 구형률은 0.5 이상인 것을 선별해서 사용해야 한다. 이러한 급냉 제강 슬래그는 도체와 부도체의 중간적인 반 부도체의 성격을 가지기 때문에 흡수 가열과 유도 가열이 이뤄지며, 충전 상태에 따라 내부 마이크로파의 전달이 이루어진다. 즉, 연속되어 있는 구형의 급냉 제강 슬래그에 마이크로파가 인가될 경우 표면 효과에 의해 급냉 제강 슬래그를 따라 마이크로파가 전달되면서 인접한 급냉 제강 슬래그에도 이전과 마찬가지로 흡수 가열과 유도 가열이 이루어지는 것이다.

본 발명자들은 앞선 특허(대한민국 특허출원 제10-2011-0032313호)를 통해 급냉 제강 슬래그 조성물을 마이크로파에 의해 발열되는 발열체로 활용하는 기술에 관하여 제안한 바 있다.

그러나, 상기 특허에 기재된 급냉 제강 슬래그 조성물은 비열과 마이크로파에 의해 발생되는 에너지는 매우 높지만 이를 주변으로 전달시키는 전달 속도, 즉 에너지 방출 속도 면에서는 빠르지 않아 전체 발열체에 걸쳐 균일한 발열이 이루어지도록 하기까지 많은 시간이 소요되고 또한 국부적으로 발열이 진행되는 문제점이 있는 것을 발견하였다. 이러한 문제점을 극복하기 위해 연구 노력을 거듭한 결과, 급냉 제강 슬래그와 탄화 규소(SiC)를 조합하여 사용할 경우 해결될 수 있음을 발견하였다. 즉, 기존에 마이크로파에 의해 발열될 수 있는 소재로 알려졌었던 탄화 규소의 경우 아래 표 1에 나타난 바와 같이 비열과 마이크로파에 의해 발생되는 에너지는 급냉 제강 슬래그에 비하여 낮지만, 에너지를 방출하는 속도(에너지 전달 속도)는 급냉 제강 슬래그에 비하여 훨씬 높다는 것을 실험을 통해 확인하였다. 따라서 에너지 전달 속도가 큰 탄화 규소를 혼합 사용할 경우 기존 급냉 제강 슬래그를 단독으로 사용했을 때의 문제점이었던 낮은 에너지 전달의 문제, 불균일 발열의 문제를 해결할 수 있음을 발견하여 본 발명을 완성하였다.

	급냉 제강 슬래그(MIP)	탄화규소(탄화규소)
비열	0.1807 Cal/g·℃	0.1624 Cal/g·℃
에너지 방출속도	0.343W/m·K	170W/m·K

탄화규소와 MIP 및 물을 이용하여 마이크로파에 의한 열 효율을 측정한 결과를 아래 표 2에 나타내었다. 수식 1을 이용하여 온도를 올리는데 사용된 열에너지를 사용 전력으로 표시하였고, 수식 2를 이용하여 유입 전력에 따른 사용 전력의 비율을 근거로 에너지 효율을 계산하였다.

단위	기호	탄화규소(탄화규소)	MIP	물
질량(g)	M	200	200	200
비열(Cal/g·℃)	Cp	0.1624	0.1807	1
온도차(℃)	ΔT	79.1	152.8	22.5
시간(초)	t	60	60	60
사용전력(W)	P	179.8	386.5	315
유입전력(W)	Pin	700	700	700
에너지효율	η	0.26	0.55	0.45
(수식1) (수식2)

위 표 2에서 보는 바와 같이, 동일 유입 전력에 대한 마이크로파에 의해 발열되는 효율은 MIP의 경우가 탄화규소의 경우에 비하여 2배 이상 우수함을 알 수 있다.

또한, 위와 같은 실험을 통하여 얻어진 MIP, 탄화규소 및 그 혼합물의 내부 에너지 및 방출 에너지 결과는 도 6과 같다. 도 6에서 보는 바와 같이 MIP 발열체는 에너지 발생은 크나 이를 전달하는 속도는 낮고, 반대로 탄화규소는 에너지 발생은 상대적으로 작으나 이를 전달하는 속도는 높으므로 이를 최적 비율로 혼합할 경우 높은 에너지 발생과 빠른 에너지 전달이라는 두 가지 효과를 모두 얻을 수 있다. (본 실험은 국제공인시험기관인 한국고분자시험연구소에 의뢰하여 진행하였으며, 비열 분석은 KS M 3049 방법에 의하여 Perkin-Elmer DSC 4000을 이용하여 실험하였고, 열전도도는 ASTM C 518의 방법에 의해 Mathis TC-30을 이용하여 실험하였다. 본 발명에서 혼합물의 경우는 MIP:탄화규소를 100:0.5의 중량비율로 혼합하였다.)

도 6의 실험 결과에서 알 수 있는 바와 같이, MIP 단독의 경우 마이크로파 조사에 의해 내부 에너지는 높게 올라가지만, 방출 에너지는 낮고, 탄화규소 단독의 경우 마이크로파 조사에 의해 올라가는 내부 에너지가 MIP만 못하지만 방출 에너지는 매우 높다.

따라서 이와 같은 특성을 이용하여 MIP와 탄화규소를 혼합 사용했을 때는 내부 에너지도 비교적 높고 에너지 방출성도 높게 유지됨을 알 수 있으며, 이를 이용하여 기존 MIP를 단독으로 사용할 때의 문제점을 해결할 수 있다.

본 발명에서는 이와 같은 MIP, 즉 입자크기 5.0 mm 이하이고 구형률이 0.5 이상인 급냉 제강슬래그를, 입자크기 5.0 mm 이하인 탄화 규소 입자와 최적 비율로 혼합하여 사용한다. 탄화 규소의 경우 단가 면에서 MIP 대비 약 30~50배 정도 고가이기 때문에 그 사용량을 많이 하면 경제적 면에서 유리하지 않으므로 최적 비율로 사용해야 하는데 본 발명에서는 상기 MIP 대비 사용되는 탄화규소를 100: 0.1~100 중량부로 혼합하여 사용하는 것이 바람직하고, 더욱 바람직하게는 100:0.1~50 중량부이다. 상기 탄화규소가 MIP 100 중량부 대비 0.1 중량부 미만으로 너무 적게 사용되면 에너지 전달 효율이 떨어지므로 기존 MIP 단독 사용할 경우의 문제를 해결하기 어려우며, 100 중량부를 초과하여 너무 과량으로 사용하면 에너지 발생 효율이 떨어지고 단가가 너무 올라가 경제적 효과가 떨어질 수 있으므로 바람직하지 않다.

본 발명에서 상기 입자크기 5.0 mm 이하이고 구형률이 0.5 이상인 급냉 제강슬래그(MIP)와 입자크기 5.0 mm 이하인 탄화규소(탄화규소) 입자를 최적 비율로 포함하는 세라믹 조성물은 그대로 사용할 수도 있으며, 시멘트와 물을 혼합하여 경화된 형태로 사용할 수도 있다. 이와 같이 경화된 형태로 사용하는 이유는 미경화된 입자(파티클) 형태를 사용할 경우 취급성이 좋지 않고 한쪽으로 쏠릴 우려도 있기 때문이며, 시멘트를 사용한 경화체의 경우 시멘트 자체의 특성으로 인해 잠열을 오랫동안 유지하는 효과도 있기 때문이다. 본 발명에서 상기 세라믹 조성물에 혼합되는 시멘트, 예를 들어 포틀랜드 시멘트는 상기 세라믹 조성물 100 중량부에 0.1~50의 중량비율로 혼합하는 것이 바람직하며, 적당량의 물을 가하여 수화시킴에 의해 수화에 의해 경화되어 경화체가 얻어진다. 이 때 상기 경화체의 두께는 용도에 따라 달라질 수 있으며 일반적인 용도의 경우 1~100 mm인 것이 바람직하다.

본 발명에서 상기 세라믹 조성물에는 종래 마이크로파를 흡수하는 것으로 알려진 금속 산화물을 더 포함할 수 있으며, 그 포함되는 함량은 0.1~100 중량부의 범위에서 포함되는 것이 바람직하고, 더욱 바람직하게는 0.5~50 중량부이다. 또한, 상기 세라믹 조성물의 크기는 5.0 mm 이하인 것이 바람직하고, 더욱 바람직하게는 3.0 mm 이하이며, 더더욱 바람직하게는 1.0 mm 이하이다. 이와 같은 금속 산화물의 예로는 철산화물이 바람직하며, 구체적 예로는 Fe₂O₃, Fe₃O₄, FeO 등을 들 수 있고, 기타 금속 산화물의 예로는 Al₂O₃, CaO, SiO₂, TiO₂, MgO 등을 들 수 있다.

본 발명은 상기와 같은 마이크로파에 의해 발열되는 발열체를 이용하여 발열 시스템을 제조하며, 발열 시스템을 구조는 앞서 설명한 바와 같다.

본 발명에 따른 상기 발열 시스템은 터널 거푸집의 각 파티션에 본 발명에 따른 마이크로파를 이용한 터널 콘크리트 라이닝 시공용 발열 시스템을 모듈 형태로 부착하여 전원을 공급하기만 하면 설치가 끝나므로 작업이 용이하고, 발열체 재료의 특성으로 인해 온도 상승이 빠르고 한 번 상승된 온도는 서서히 하강하므로 설정된 온도를 유지하기 위해서 전력을 과다하게 소비하지 않아도 되는 장점이 있다. 또한, 강도나 내구성 등 양생된 콘크리트의 품질도 소요 품질 이상을 만족할 수 있고 특히 전체적으로 균일한 발열과 이로 인한 균일 품질 확보가 가능하다.

특히, 동절기나 혹한 지역과 같이 외기 온도가 낮을 경우 기존에는 콘크리트의 자연 수화에 따른 양생이 불가능하여 겨울철 콘크리트 타설 공정이 매우 제한적이었으나, 본 발명에 따른 마이크로파를 이용한 터널 콘크리트 라이닝 시공용 발열 시스템을 사용하면 일정한 온도를 콘크리트에 공급하여 초기에 강제로 온도 상승을 유발하고 이후 자연 수화가 진행됨으로써 콘크리트 양생이 촉진된다.

따라서 겨울철이나 초봄, 늦가을과 같이 온도가 낮아 콘크리트 양생 기간이 오래 걸리는 기간 동안에 사용하면 하절기에 콘크리트를 양생시키는 것과 거의 대등한 효과를 볼 수 있다.

또한 터널 시공이 완료된 후에는 상기 발열 시스템 모듈을 상기 터널 거푸집의 파티션에서 분리하기만 하면 되므로 분리 해체를 위한 복잡한 작업이 필요 없고, 거푸집을 재사용하기도 용이하다.

도 7은 본 발명에 따른 마이크로파를 이용한 터널 콘크리트 라이닝 시공용 발열 시스템을 이용한 터널 콘크리트 라이닝 시공 방법의 일 예를 나타내는 순서도이다.

도 7에 기재된 바와 같이 본 발명의 일 실시예에 따른 터널 시공 방법은

(a) 굴착된 터널 내부에 터널 굴착면과 일정 거리를 유지하며 터널 굴착면 형태로 터널 거푸집을 설치하는 단계(S100);

(b) 상기 설치된 터널 거푸집의 패널과 상기 터널 거푸집에 구비된 디귿자 형강 사이에 상기 본 발명에 따른 마이크로파를 이용한 터널 콘크리트 라이닝 시공용 발열 시스템을 삽입하고 상기 터널 거푸집의 패널에 부착하는 단계 (S110);

(c) 상기 터널 거푸집과 터널 굴착면 사이에 콘크리트를 타설하는 단계(S120);

(d) 상기 발열 시스템에 전원을 공급하고 상기 타설된 콘크리트를 양생시키는 단계(S130); 및

(e) 상기 설치된 마이크로파를 이용한 터널 콘크리트 라이닝 시공용 발열 시스템을 분리하는 단계(S140)

를 포함하여 구성된다.

상기에서는 (b)단계가 (c)단계 이전에 진행되는 것으로 기재되어 있으나, 상기 (b)단계와 상기 (c)단계는 서로 순서가 바뀌어도 본 발명이 달성될 수 있으므로 상기 순서는 본 발명의 범위를 제한하는 것으로 해석되어서는 안 된다.

주지된 바와 같이, 터널 시공은 먼저 기계식 굴착기나 장약에 의한 폭파 등으로 터널 공을 굴착한 후에 터널 굴착면에 숏크리트, 록 볼트 등의 지보재를 이용하여 지보하고 바닥면을 시공한 후 배관 공사, 거푸집 설치 등의 작업을 진행하고 설치된 거푸집과 터널 굴착면 사이에 콘크리트를 타설하여 양생하는 과정으로 진행된다.

터널 거푸집을 설치함에 있어서는 예를 들어 말굽 형태와 같이 터널 굴착면 형상을 이루도록 다수의 빔이 종/횡 방향을 구성하여 터널 굴착면과 일정 거리를 유지하도록 터널 거푸집을 설치한다. 이 때 터널 거푸집의 하부에는 이동이 용이하도록 이동용 바퀴나 레일이 구비될 수 있다.

이어서, 상기 설치된 터널 거푸집에 구비된 스킨 플레이트와 상기 거푸집에 구비되어 거푸집을 지지하는 역할을 하는 디귿자 형강 사이 공간에 본 발명에 따른 마이크로파를 이용한 터널 콘크리트 라이닝 시공용 발열 시스템을 삽입하고 거푸집 스킨 플레이트에 부착한다. 이 때 거푸집 스킨 플레이트에의 밀착 부착을 위해 발열 시스템에 스페이서를 부착하고 외부에서 볼팅 등을 이용하여 압착하면서 부착하는 것이 바람직하다.

이어서, 상기 터널 거푸집과 터널 굴착면 사이에 콘크리트를 타설한다. 이 때, 콘크리트 타설을 위해서는 통상 철근 배근 작업을 선행해야 하는 것은 당연하므로 이에 관해서는 별도의 설명은 생략한다.

이어서, 상기 터널 거푸집 파티션에 부착된 본 발명에 따른 마이크로파를 이용한 터널 콘크리트 라이닝 시공용 발열 시스템에 전원을 공급하여 상기 터널 거푸집의 스킨 플레이트를 가열함으로써 타설된 콘크리트의 초기 수화를 강제로 유도한다. 겨울철과 같이 외기가 낮은 경우에 콘크리트의 수화는 진행되기 어려우므로 강제 가열에 의해 콘크리트의 초기 수화를 유도하면 이후는 자연 수화가 진행되므로 콘크리트의 양생을 촉진시킬 수 있는 것이다.

도 8은 본 발명에 따른 마이크로파를 이용한 터널 콘크리트 라이닝 시공용 발열 시스템을 이용한 터널 콘크리트 라이닝 시공 방법의 다른 예를 나타내는 순서도이다.

도 8에 기재된 바와 같이 본 발명의 일 실시예에 따른 터널 시공 방법은

(a) 굴착된 터널 내부에 터널 굴착면과 일정 거리를 유지하며 터널 굴착면 형태로 터널 거푸집을 설치하되 터널 거푸집의 스킨 플레이트와 디귿자 형강을 조립하여 설치하며, 상기 스킨 플레이트와 디귿자 형강 사이에 상기 본 발명에 따른 터널 콘크리트 라이닝 시공용 발열 시스템을 삽입 설치하되, 마이크로파 발생기와 도파관을 제외하고 설치하는 단계 (S200);

(b) 상기 설치된 터널 콘크리트 라이닝 시공용 발열 시스템에 도파관과 마이크로파 발생기를 순서대로 연결하는 단계(S210);

(c) 상기 터널 거푸집과 터널 굴착면 사이에 콘크리트를 타설하는 단계(S220);

(d) 상기 설치된 터널 콘크리트 라이닝 시공용 발열 시스템에 전원을 공급하고 상기 타설된 콘크리트를 양생시키는 단계(S230); 및

(e) 상기 설치된 마이크로파를 이용한 터널 콘크리트 라이닝 시공용 발열 시스템을 분리하는 단계(S240)

를 포함하여 구성된다.

본 실시예는 마이크파 발생기와 도파관을 분리형으로 부착하는 것만 다르고 나머지는 도 7에 관한 실시예와 동일하므로 중복 설명은 생략한다.

이하에서는 본 발명에 따른 마이크로파를 이용한 터널 콘크리트 라이닝 시공용 발열 시스템을 터널 거푸집에 삽입 및 부착하는 것에 관하여 상세히 설명한다.

도 9는 본 발명의 일 실시예에 따라 터널 내측에 콘크리트를 타설하기 위한 터널 거푸집을 설치한 것을 나타내는 터널 입구 도면이다. 또한, 도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로파를 이용한 발열 시스템을 구비한 터널 거푸집의 구조를 나타낸 평면도이다. 또한, 도 11은 도 10에 나타낸 터널 거푸집의 A-A 방향의 측단면도이고, 도 12는 도 10에 나타낸 터널 거푸집의 B-B 방향의 측단면도이다.

도 9 내지 도 12에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 마이크로파를 이용한 터널 콘크리트 라이닝 시공용 발열 시스템(20)은 터널 굴착면과 일정 거리를 두고 설치된 터널 거푸집의 스킨 플레이트(70) 및 터널 거푸집에 구비된 디귿자 형강(50) 사이에 삽입되고 터널 거푸집의 스킨 플레이트(70)에 부착된다. 이 때, 스킨 플레이트(70)에 부착되는 것은 상기 마이크로파를 이용한 터널 콘크리트 라이닝 시공용 발열 시스템(20)의 외측에 스페이서(62)를 적당한 위치에 배치한 후에 그 위에 지지대(60)를 두고 상기 지지대를 터널 거푸집의 측판(51)에 볼트(61)에 의해 압박함으로써 부착할 수 있다.

이상, 본 발명에 따른 마이크로파를 이용한 터널 콘크리트 라이닝 시공용 발열 시스템 및 이를 이용한 터널 콘크리트 라이닝 시공 방법에 관하여 설명하였다. 본 발명에 따른 마이크로파를 이용한 터널 콘크리트 라이닝 시공용 발열 시스템은 콘크리트의 조기 양생이 필요한 터널의 콘크리트 라이닝 시공에 사용할 경우 겨울철과 같이 외기 온도가 낮은 시기에도 충분한 초기 수화가 가능하게 되어 겨울철 터널 시공이 효과적으로 가능해진다. 특히 동절기에 초기 동해로부터 콘크리트를 보호하고 소요 강도를 확보함은 물론 콘크리트를 급열 양생하여 강도 발현을 촉진함으로써 공기 단축이 가능하고, 기존의 단열 및 가열 보온 양생 방법에 비해 연료 소비량과 전력 소비량을 현저히 줄일 수 있는 저에너지, 저비용, 고효율 기술이며, 또한, 종래 방법과 같은 유독가스가 발생하지 않아 안전성이 확보될 수 있는 저탄소, 친환경 기술이다. 특히 종래 본 발명자들에 의해 발표된 기술에서의 문제점이었던 불균일 가열과 이로 인한 균열 발생의 가능성도 본 기술에 의해 해결이 가능하다.

이상과 같이, 본 발명을 도면을 참조하여 그 특징에 관하여 구체적으로 설명하였으나, 본 발명은 통상의 기술자에 의하여 다양한 변형 및 변경이 가능하고 이러한 변형 및 변경은 본 발명의 보호범위에 속하는 것으로 해석되어야 할 것이다.

10 : MIP 경화체
20 : 마이크로파를 이용한 터널 콘크리트 라이닝 시공용 발열 시스템
21 : 마이크로파 발생기 22 : 도파관
23 : 내부 공간 24 : 반사부
25 : 분배판 26 : 분배공
27 : 발열체 28 : 캐비티
28-1 : 바닥판 28-2 : 측판
28-3 : 캐비티 커버 29 : 고전압 변압기
30 : 냉각팬 31 : 보호커버
32 : 온도센서 33 : 온도 콘트롤러
34 : 케이스 35 : 단열재
36 : 콘덴서 37 : 콘덴서 홀더
40 : 터널 41 : 거푸집 패널
42 : 거리조절 수단 43 : 빔
44 : 레일 45 : 터널 거푸집
50 : 디귿자 형강 51 : 터널 거푸집 측판
60 : 지지대 61 : 볼트
62 : 스페이스 70 : 스킨 플레이트

Claims (17)

1. 터널 굴착면과 일정 거리를 유지하며 터널 굴착면 형태로 설치되는 터널 거푸집의 스킨 플레이트와 상기 터널 거푸집에 구비된 디귿자 형강 사이에 삽입되어 상기 터널 거푸집의 스킨 플레이트에 부착되며 전원 공급에 의해 마이크로파가 발생하여 발열되는 발열 시스템으로서,
   마이크로파를 발생시키는 마이크로파 발생기;
   상기 마이크로파 발생기와 일단이 연결되어 있으며 마이크로파 발생기로부터 발생되는 마이크로파를 전달받아 반사부로 전달하는 파이프 형상으로 구비된 도파관;
   상기 도파관과 내부 공간을 공유하며 도파관으로부터 전달되는 마이크로파를 난반사시키기 위한 밀폐된 내부 공간을 구비한 반사부;
   상기 도파관과 상기 밀폐된 내부 공간을 사이에 두고 반대편에 구비되며 반사부에서 난반사되는 마이크로파를 통과시키기 위한 분배공을 구비한 분배판;
   상기 반사부의 반대편에 상기 분배판과 밀착 구비되며 분배공을 통해 통과되는 마이크로파를 흡수하여 열을 발생시키는 발열체;
   상기 발열체 외부에 발열체와 밀착 구비되는 바닥판과 상기 바닥판과 수직으로 일체형으로 양측단에 연결되는 측판 및 상기 측판의 상부에 연결되며 상기 측판과 함께 내부에 밀폐된 반사부를 형성하는 캐비티 커버로 구성되며 발열체에서 발생되는 열을 외부로 전달하는 캐비티; 및
   상기 발열체의 발열 온도를 제어하는 온도 콘트롤러
   를 포함하여 구성되며,
   상기 발열체는 입자크기 5.0 mm 이하이고 구형률이 0.5 이상인 급냉 제강슬래그 및 입자크기 5.0 mm 이하인 탄화규소 입자를 100:0.1~100 중량비로 포함하는 세라믹 조성물인 것을 특징으로 하는 마이크로파를 이용한 터널 콘크리트 라이닝 시공용 발열 시스템.
   
2. 청구항 1에 있어서, 상기 발열체는 상기 세라믹 조성물 100 중량부에 시멘트를 0.1~50 중량비로 혼합하고 물을 가하여 수화에 의해 경화시킨 경화체인 것을 특징으로 하는 마이크로파를 이용한 터널 콘크리트 라이닝 시공용 발열 시스템.
   
3. 청구항 1에 있어서, 상기 발열체는 내열 본드를 이용하여 바닥판에 부착되는 것을 특징으로 하는 마이크로파를 이용한 터널 콘크리트 라이닝 시공용 발열 시스템.
   
4. 청구항 1에 있어서, 상기 마이크로파 발생기는 고전압 변압기에 의해 전원에 연결되는 것을 특징으로 하는 마이크로파를 이용한 터널 콘크리트 라이닝 시공용 발열 시스템.
   
5. 청구항 4에 있어서, 상기 마이크로파 발생기 주변에는 마이크로파 발생기에서 발생하는 열을 냉각시키기 위한 냉각 장치가 구비되는 것을 특징으로 하는 마이크로파를 이용한 터널 콘크리트 라이닝 시공용 발열 시스템.
   
6. 청구항 5에 있어서, 상기 마이크로파 발생기와 고전압 변압기 및 냉각 장치를 보호하기 위한 보호 커버가 캐비티 커버에 고정되는 것을 특징으로 하는 마이크로파를 이용한 터널 콘크리트 라이닝 시공용 발열 시스템.
   
7. 청구항 1에 있어서, 상기 캐비티에는 캐비티의 온도를 검지하기 위한 온도센서가 구비되며, 상기 온도센서는 온도 콘트롤러에 연결되어 캐비티의 온도에 따라 마이크로파 발생기의 온도를 제어하는 것을 특징으로 하는 마이크로파를 이용한 터널 콘크리트 라이닝 시공용 발열 시스템.
   
8. 청구항 1에 있어서, 상기 마이크로파 발생기, 도파관 및 캐비티의 외부에는 내부 장치들을 보호하기 위한 케이스가 구비되는 것을 특징으로 하는 마이크로파를 이용한 터널 콘크리트 라이닝 시공용 발열 시스템.
   
9. 청구항 1에 있어서, 상기 캐비티 커버에는 내부에서 발생하는 열을 가열 대상 콘크리트의 반대쪽으로 발산하지 않도록 하기 위한 단열재가 부착되는 것을 특징으로 하는 마이크로파를 이용한 터널 콘크리트 라이닝 시공용 발열 시스템.
   
10. 청구항 1에 있어서, 상기 분배공은 도파관의 바로 앞 부분에는 형성되어 있지 않고 도파관을 중심으로 대칭형 또는 비대칭형으로 구비되는 것을 특징으로 하는 마이크로파를 이용한 터널 콘크리트 라이닝 시공용 발열 시스템.
    
11. 청구항 1에 있어서, 상기 분배공은 도파관으로부터 멀어질수록 그 크기가 커지도록 배열되는 것을 특징으로 하는 마이크로파를 이용한 터널 콘크리트 라이닝 시공용 발열 시스템.
    
12. 청구항 1에 있어서, 상기 분배공은 원형, 타원형 또는 사각형 형상으로 구비되는 것을 특징으로 하는 마이크로파를 이용한 터널 콘크리트 라이닝 시공용 발열 시스템.
    
13. 청구항 1에 있어서, 상기 분배판은 강재, 알루미늄재 또는 동재인 것을 특징으로 하는 마이크로파를 이용한 터널 콘크리트 라이닝 시공용 발열 시스템.
    
14. 청구항 1에 있어서, 상기 분배판은 판형상 또는 요철된 판형상인 것을 특징으로 하는 마이크로파를 이용한 터널 콘크리트 라이닝 시공용 발열 시스템.
    
15. 청구항 1에 있어서, 상기 세라믹 조성물은 금속산화물을 0.1~100 중량부로 더 포함하는 것을 특징으로 하는 마이크로파를 이용한 터널 콘크리트 라이닝 시공용 발열 시스템.
    
16. (a) 굴착된 터널 내부에 터널 굴착면과 일정 거리를 유지하며 터널 굴착면 형태로 터널 거푸집을 설치하는 단계;
    (b) 상기 설치된 터널 거푸집의 스킨 플레이트와 상기 터널 거푸집에 구비된 디귿자 형강 사이에 청구항 1에 따른 마이크로파를 이용한 터널 콘크리트 라이닝 시공용 발열 시스템을 삽입하고 상기 터널 거푸집의 스킨 플레이트에 부착하는 단계;
    (c) 상기 터널 거푸집과 터널 굴착면 사이에 콘크리트를 타설하는 단계;
    (d) 상기 (b)의 마이크로파를 이용한 터널 콘크리트 라이닝 시공용 발열 시스템에 전원을 공급하고 상기 타설된 콘크리트를 양생시키는 단계; 및
    (e) 상기 설치된 마이크로파를 이용한 터널 콘크리트 라이닝 시공용 발열 시스템을 분리하는 단계
    를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 터널 콘크리트 라이닝 시공 방법.
    
17. (a) 굴착된 터널 내부에 터널 굴착면과 일정 거리를 유지하며 터널 굴착면 형태로 터널 거푸집을 설치하고, 상기 터널 거푸집의 스킨 플레이트와 디귿자 형강 사이에 청구항 1에 따른 터널 콘크리트 라이닝 시공용 발열 시스템을 삽입 설치하되, 마이크로파 발생기와 도파관을 제외하고 설치하는 단계;
    (b) 상기 설치된 터널 콘크리트 라이닝 시공용 발열 시스템에 도파관과 마이크로파 발생기를 순서대로 연결하는 단계;
    (c) 상기 터널 거푸집과 터널 굴착면 사이에 콘크리트를 타설하는 단계;
    (d) 상기 설치된 터널 콘크리트 라이닝 시공용 발열 시스템에 전원을 공급하고 상기 타설된 콘크리트를 양생시키는 단계; 및
    (e) 상기 설치된 마이크로파를 이용한 터널 콘크리트 라이닝 시공용 발열 시스템을 분리하는 단계
    를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 터널 콘크리트 라이닝 시공 방법.
    
    

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