미국인들은 매일 이러한 구조물의 안전성이나 신뢰성을 고려하지 않고 도로, 교량 및 고속도로를 여행한다. 그러나 미국의 많은 교통 인프라는 구식이고 노후화되어 수리가 절실히 필요하다.   

예를 들어, 미국의 614,387개 교량 중 39%는 설계된 수명보다 오래되었으며 거의 10%는 구조적으로 결함이 있다. 즉, 더 빨리 파괴되기 시작하거나 치명적인 장애에 취약해질 수 있다.

전국 교통 인프라를 수리하고 개선하는 데 드는 비용은 거의 1,900 억 달러에서 거의 1조 달러에 이른다. 미국 인프라를 수리하는 데 드는 비용은 매년 평균 약 $3,400이다. 교통 혼잡만으로도 평균 운전자에게 연료와 통근 시간에 1,400달러의 비용이들 것으로 추정되며, 이는 전국적으로 연간 1,600억 달러 이상이다. 

 나는 Lyles School of Civil Engineering의 교수이자 Purdue University의 지능형 인프라 센터 소장이다. 저의 공동 저자인 Vishal Saravade는 SMART (Sustainable Materials and Renewable Technology) 연구소의 제 팀원이다.

SMART Lab은 미국 인프라를 "지능적이고"안전하며 비용 효율적으로 만들기 위해 새로운 기술을 연구하고 개발한다. 이 새로운 시스템은 도로와 교량의 상태를 빠르고 정확하게 자체 모니터링하고 때로는 스스로 수리할 수도 있다.

스마트한 자가치유 콘크리트

교량, 고속도로, 포장 도로 등 인프라는 지속적으로 사용하면서 시간이 지남에 따라 악화된다. 그러나 손상을 실시간으로 모니터링하고 조기에 수정하면 구조물의 수명을 연장할 수 있다. 예를 들어, 미국 북부에서는 겨울철 동결-해동 주기로 인해 물이 포장 도로에 스며들어 동결, 팽창 및 균열이 확대되어 심각한 피해를 입힐 수 있다. 수리하지 않고 방치하면 이 손상이 확산되어 포장 도로와 다리가 무너질 수 있다.

 균열 콘크리트(왼쪽)와 28일 후자가 치유 콘크리트(오른쪽)를 사용한자가치유 콘크리트 시험 연구. SMART Lab/ Purdue University, CC BY-ND

이러한 손상은 자율적으로 식별하고 수리할 수 있다. 예를 들어 균열의 초기 단계에서 자가치유 포장재는 고 흡수성 폴리머를 활성화하여 물을 흡수하고 균열을 채우는 콘크리트와 같은 재료를 생성한다. 몇 미크론만큼 작은 균열은 동결-해동주기의 후반 단계를 방지하거나 지연시켜 심각한 손상을 방지하기 위해 치유될 수 있다.

도로 기술

세계의 많은 연구자들이 건설 인프라를 개선하기 위해 노력하고 있다. 최근 연구중인 기술에는 태양광 및 에너지 수확 도로, 전기자동차 충전 차선, 스마트 가로등, 건축 자재의 탄소관련 배출 감소 등이 있다.

Purdue SMART Lab에서 우리 팀은 교통 인프라를 여러 인디애나 주간 고속도로에 내장하여 모니터링하는 새로운 센서를 테스트하고 있다. 우리는 증가된 교통량을 더 잘 수용하고 건설 및 그 수명 동안 도로 상태에 대한 정확한 추정치를 제공하기 위해 향후 몇 년 내에 다른 주 고속도로 시스템으로 확장할 계획이다.

 인디애나 주간 I-74에 설치된 센서. Erin Easterling/Purdue University, CC BY-ND

콘크리트 포장 도로에 내장된 센서는 인프라의 상태에 대한 정보를 실시간으로 수집하고 데이터를 컴퓨터에 전달한다. 센서를 통해 전기 신호가 적용된다. 콘크리트의 진동은 전기 신호로 변환되어 실험실에서 제작한 맞춤형 소프트웨어로 읽고 분석한다. 이를 통해 운송 엔지니어는 도로 개통에서 교통에 이르기까지 효과적이고 데이터 기반 결정을 내리고 손상 또는 악화를 유발하는 문제를 사전에 식별할 수 있다.

예를 들어 고속도로 포장을 위해 콘크리트를 타설한 후 양생하는 데 몇 시간이 걸리고 통행을 위해 열릴 수 있을 만큼 튼튼해진다. 고속도로 개통시기는 콘크리트 혼합물이 경화되는 시기에 따라 다르다. 도로가 너무 일찍 열리고 콘크리트가 깎이면 포장 도로의 수명이 단축되고 유지 보수 비용이 증가할 수 있다.

도로를 열기 위해 너무 오래 기다리면 교통 지연, 혼잡 및 건설 노동자와 통근자들의 안전 위험이 증가할 수 있다. 대규모 고속도로 프로젝트를 위해 콘크리트를 양생하려면 해당 지역의 날씨와 관련하여 엔지니어의 세심한 주의가 필요하다.

콘크리트에 내장된 스마트 센서를 통해 엔지니어는 인프라를 모니터링하고 최대 기대 수명을 유지하면서 도로 개통시기에 대한 데이터 기반 결정을 내릴 수 있다. 센서는 또한 콘크리트의 품질과 도로가 열린 후 교통 흐름과 부식을 견딜 수 있을 만큼 견고한 지 여부를 모니터링하는 데 도움이 될 수 있다.

스마트하고 효율적인 인프라는 비극적이거나 정상적인 마모를 통해 구조적 결함을 크게 줄일 수 있을 뿐만 아니라 비용을 절감하고 구조 엔지니어가 포장 도로에 대한 실시간 정보를 평가할 수 있는 새로운 방법을 제공할 수 있다.

시간과 비용 절약

의회는 미국 교통 시스템에 대한 투자의 필요성을 인식하고 있다. 미국의 악화된 고속도로와 교량 문제를 해결하면서 탄소 오염을 줄이기 위해 4,940억 달러 규모의 미국 투자법(INVEST In America Act)이 최근 도입되었다.

스마트 센서와 지능형 인프라 시스템은 건설 안전을 개선하여 시간과 비용을 크게 절약할 수 있다. 센서는 엔지니어에게 인프라 품질에 대한 실시간 데이터를 제공하여 운전자와 건설 작업자의 안전을 개선하는 동시에 도로, 교량 및 포장 도로를 건설하고 유지하기위한 최선의 결정을 내릴 수 있다. 자가 수리 속성을 추가하면 지속 가능하고 오래 지속되는 인프라를 구축하여 유지 관리 및 비용을 줄일 수 있다.