KR100363802B1

KR100363802B1 - 토양과의 접착력이 우수한 도전성 시멘트 조성물 및 그조성물로 제조되는 도전성 경화체

Info

Publication number: KR100363802B1
Application number: KR1019990059187A
Authority: KR
Inventors: 안상욱
Original assignee: (주) 지오시스; 다이토코우교우가부시끼가이샤
Priority date: 1999-12-20
Filing date: 1999-12-20
Publication date: 2002-12-11
Also published as: KR20010064830A

Abstract

토양과의 접착력이 우수한 도전성 시멘트 조성물 및 그 조성물로 제조되는 도전성 경화체가 개시되어 있다. 도전성 시멘트 조성물은 칼슘설포알루미네이트계 광물을 주성분으로 하는 클링커 분말 10∼40중량%, 포틀랜드 시멘트 1∼30중량%, 생석회 또는 소석회 10∼40중량%, 무수석고 5∼30중량%, 규불화염 0.1∼2.0중량%로 구성되는 토양 결합재 100중량%와, 토양결합재 100중량부에 대하여 혼화제 0.1∼2중량부, 탄소섬유 0.5∼2중량부를 각각 포함한다. 따라서, 토양과의 접착력이 우수한 재료를 토양 결합재로 사용함으로써 접지전극 자체의 전도성도 양호하게 유지하면서 토양과의 접촉저항을 최소화하여 낮은 저항치를 얻을 수 있는 효과가 있다.

Description

토양과의 접착력이 우수한 도전성 시멘트 조성물 및 그 조성물로 제조되는 도전성 경화체{Conductive cement composition having excellent soil adhesion and hardened material constructed from the composition}

본 발명은 도전성 시멘트 조성물 및 그 조성물로 제조되는 도전성 경화체에 관한 것으로, 좀 더 상세하게는 도전성 경화체 자체의 전도성도 양호하게 유지하면서 토양과의 접촉저항을 최소화하여 낮은 저항치를 얻을 수 있는 토양과의 접착력이 우수한 도전성 시멘트 조성물 및 그 조성물로 제조되는 도전성 경화체에 관한 것이다.

일반적으로, 낙뢰로 인해 전기설비에서 발생되는 이상전압이나 지락고장에 의한 고장전류가 전기설비에 유입되었을 때, 이로 인한 전기설비의 구내 및 주변에 전위 상승이 발생하게 된다. 이러한 대지전위의 상승을 효과적으로 억제하고, 고장전류의 전로를 제어하는 등의 적절한 대책을 수립하여 인체나 설비를 보호하기 위한 목적으로 통상 접지를 행한다.

접지란 대지와 전기설비를 전기적으로 접속하는 것인데, 실질적으로 낮은 저항값을 요구하게 된다. 접지저항은 접지전극 주위의 토양저항, 접지전극의 도체저항 및 접지전극 표면과 토양과의 접촉저항의 3가지 구성요소로 이루어져 있다.

접지전극 주위의 토양저항은 대부분이 현장의 토양상태에 따라 좌우되는데, 토양의 저항을 낮추기 위하여 화학저감제가 개발되어 사용되고 있다.

그러나, 화학저감제는 시공후 빗물이나 지하수에 유실되어 그 효과가 한시적이고 구성성분이 토양으로 용출되어 주변환경을 오염시킬 수 있으므로 현재는 그 사용량이 점점 줄어들고 있는 실정이다.

접지저항을 낮추기 위한 또 다른 방법으로는 시멘트계 저감제가 개발되어 사용되고 있는데, 이것은 접지전극을 확대시켜서 저항을 낮추는 방법이다. 시멘트계 저감제는 주로 접지전극 자체의 도체저항을 낮추는데 기술의 초점이 맞추어져 있어 이것도 그 한계가 있다.

실제로 접지의 구성요소를 살펴보면 토양의 저항율이 가장 큰 인자인데, 이것은 인위적인 제어가 어렵고 접지전극 자체의 도체저항보다는 접지전극과 토양과의 접촉저항이 접지저항에 좀 더 큰 영향을 미친다는 것이 알려져 있다.

본 발명은 상기와 같은 제반 문제점을 해결하고자 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 토양과의 접착력이 우수한 재료를 결합재로 사용하여 전극자체의 전도성도 양호하게 유지하면서 토양과의 접촉저항을 최소화하여 낮은 저항치를 얻을 수 있는 토양과의 접착력이 우수한 도전성 시멘트 조성물을 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 상기 도전성 시멘트 조성물과 충전재를 혼합하여 수화에 의해 경화시켜 제조되는 도전성 경화체를 제공하는 것이다.

상술한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 도전성 시멘트 조성물은 칼슘설포알루미네이트계(calcium sulpho-aluminate, CSA라고도 칭함) 광물을 주성분으로 하는 클링커 분말 10∼40중량%, 포틀랜드 시멘트 1∼30중량%, 생석회 또는 소석회 10∼40중량%, 무수석고 5∼30중량%, 규불화염 0.1∼2.0중량%로 구성되는 토양 결합재 100중량%와, 토양결합재 100중량부에 대하여 혼화제 0.1∼2중량부, 탄소섬유 0.5∼2중량부를 각각 포함하는 것을 특징으로 한다.

부가적으로, 상기 탄소섬유의 균일한 분산과 경화체의 물성증진을 위하여 상기 도전성 시멘트 조성물에는 토양 결합재 100중량부에 대하여 5∼30중량부의 골재가 더 포함되는 것이 바람직하다.

이하, 본 발명의 도전성 시멘트 조성물과 그 조성물로 제조되는 도전성 경화체를 좀 더 구체적으로 설명하기로 한다.

본 발명의 도전성 시멘트 조성물은 크게 토양결합재, 탄소섬유, 혼화제로 구성된다.

먼저 토양과의 결합을 위하여 사용되는 결합재로는 칼슘설포알루미네이트계 광물을 주성분으로 하는 속경성 클링커에 포틀랜드 시멘트, 석회, 석고 및 반응촉진제를 첨가하여 구성된다.

본 발명은 상기의 과제를 해결하기 위하여, 칼슘설포알루미네이트계 광물을 주성분으로 하는 클링커 분말 10∼40중량%, 포틀랜드 시멘트 1∼30중량%, 생석회 또는 소석회 10∼40중량%, 무수석고 5∼30중량%, 규불화염 0.1∼2.0중량%로 구성되는 분말상의 고강도 및 속경형 토양결합재이다.

본 발명에 있어서, 칼슘설포알루미네이트계 광물은 3CaO·3Al₂O₃·CaSO₄성분을 50중량% 이상을 함유하고 있는 클링커이며, 속경성을 갖도록 하기 위하여 수화시에 포틀랜드 시멘트, 생석회 또는 소석회 및 무수석고와 반응함으로써 에트링자이트 또는 모노설페이트를 형성한다. 이 수화물은 결합수가 많고 고강도 특성을 가지고 있으며, 유기물의 존재하에 있어서도 생성되기 때문에 본 발명의 용도 및 목적에 적합하다. 분말의 입도는 블레인 비표면적으로 3,000∼6,000cm²/g이 가능하며, 4,000±500cm²/g이 가장 좋다. 칼슘설포알루미네이트계 광물의 블레인 비표면적은 초기의 반응속도에 영향을 미치며, 비표면적이 높을수록 빠른 반응속도를 나타낸다.

본 발명의 무수석고는 반수석고나 이수석고와 비교하여 용해속도가 느리기 때문에 칼슘설포알루미네이트계 광물과의 반응성에 적합하고 이것이 고강도 및 고화된 토양체의 안정성에 기인한다. 무수석고는 칼슘설포알루미네이트계 광물, 생석회 또는 소석회와 반응하여 에트링자이트를 형성하기 위하여 배합량을 칼슘설포알루미네이트계 광물, 생석회 또는 소석회의 양에 의해서 결정되지만, 칼슘설포알루미네이트계 광물/무수석고 중량비가 1 이상 3이하로 하며 2.5±0.1이 가장 바람직하다. 이 칼슘설포알루미네이트계 광물/무수석고 비는 장기 재령에서의 안정성(치수 안정성) 및 내구성에 영향을 미치며, 고강도를 발현하는데 큰 기여를 한다. 본 발명에서 사용한 천연무수석고는 II형 무수석고이며, 분말의 입도는 블레인 비표면적으로 3,000∼8,000cm²/g이다.

생석회 또는 소석회를 이용하는 것은 이로부터 포졸란 반응에 의한 수화물을 생성하여 강도 발현에 기여할 뿐만 아니라, 생석회는 초기에 반응하여 발열하며, 수산화칼슘을 형성함으로써 토양의 함수비를 저감시켜 초기 강도 확보와 함께 건조수축에 의한 균열방지에도 도움을 주므로 소석회보다는 생석회를 사용하는 것이 유리하다.

규불화염은 칼슘설포알루미네이트계 광물과의 수화반응을 경화가 되는 시점 이후에서부터 촉진시키는 것과 더불어 토양으로부터 장기적으로 용출되는 실리카(SiO₂), 알루미나(Al₂O₃)의 성분의 용출속도를 촉진시킴으로써 포졸란 반응을 앞당기는 것이 가능하다. 이로써 특히 초기재령에서의 고강도에 기인한다. 본 발명에서의 규불화염은 K₂SiF₆, MgSiF₆, NaSiF₆을 사용할 수 있는데, 그중 K₂SiF₆의 효과가 가장 좋다.

본 발명의 토양 첨가재의 특징적인 반응을 설명하면 다음과 같다.

첫째, 다량의 에트링자이트를 생성한다. 에트링자이트는 다량의 수분을 결합수로 가지고 있기 때문에 물비를 저항시켜 토양인자의 이동을 구속하고 결합이 가능한 상태로 만든다. 본 발명의 고화재에서는 규불화염을 첨가함으로써 이러한에트링자이트의 수화속도를 촉진하였다.

둘째, 규불화염의 첨가는 에트링자이트의 생성을 촉진시킬 뿐만 아니라 토양과의 포졸란 반응을 앞당겨 속경화, 고강도화가 가능하게 한다.

셋째, 시멘트, 생석회 또는 소석회로부터 용출된 초기의 다량의 칼슘이온은 토양입자를 응집시킨다.

탄소섬유는 PAN계 탄소섬유를 사용하는데, 탄소섬유의 길이는 3∼20mm 이내의 것이 사용에 적합하다. 탄소섬유의 사용량은 토양 결합재 100중량부에 대하여 0.5∼2중량부 사용하는 것이 바람직하다.

혼화제는 재료를 물과 혼합하여 성형시 작업성의 확보를 위하여 사용되는데, 리그닌계, 나프탈렌계 및 멜라닌계 등이 사용가능하다. 그 사용량은 토양 결합재 100중량부에 대하여 0.1∼2중량부 사용하는 것이 바람직하다.

본 발명의 도전성 시멘트 조성물에는 탄소섬유의 균일한 분산과 경화체의 물성증진을 위하여 골재를 사용하는 것이 바람직하며, 규사를 사용하는 것도 가능하며 토상흑연, 인조흑연 및 코크스 분말 등을 사용하는 것이 가능하다. 이때 사용되는 골재의 양은 토양 결합재 100중량부에 대하여 5∼30중량부 사용하는 것이 바람직하다.

한편, 상기와 같은 도전성 시멘트 조성물에 충전재를 혼합하고, 그 혼합물에 수화에 의해 경화시켜 실제로 접지전극으로 사용되는 도전성 경화체가 제조된다.

충전재로는 본 발명의 장점이라고 할 수 있는 현장토양을 사용하는 것이 가능하다. 토양은 조립토 계열이 바람직하며, 그중에서도 사질토 및 점성 사질토 계열이 특히 바람직하다. 이러한 토양은 주변에서 용이하게 채취할 수 있는 토양으로서, 본 발명의 토양 결합재는 토양에 대하여 3∼200중량% 첨가하여 사용하는 것이 바람직한데, 만약 그 첨가량이 3중량%에 미달되면 소정의 강도발현이 어렵고 200중량%를 초과하게 되면 강도는 증가하지만 경제적으로 유리하지 못하다.

또한, 현장토양 대신 실리카퓸, 메타카올린, 플라이애쉬, 슬래그 및 석분 등의 무기 미분말을 충전재로 사용하는 것이 가능하다.

이하 실시예를 통하여 본 발명을 구성 및 작용을 좀 더 구체적으로 설명하지만, 이에 의해 본 발명의 범주가 한정되는 것은 아니다.

실시예

배합비

		실시예			비교예
	1	2	3	1	2	3
CSA	23	26	17	-	5	-
무수석고	16	20	13	-	5	-
포틀랜드시멘트	8	9	6	60	55	65
생석회	12	14	8	-	-	-
규불화염	0.1	0.2	0.1	-	-	-
혼화제	0.3	0.3	0.2	-	-	-
탄소섬유	0.6	0.5	0.7	0.4	0.2	0.5
플라이애쉬	34	-	-	36	34.8	-
실리카퓸	-	18	-	-	-	-
모래	6	-	5	3.6	-	4.5
흑연	-	12	-	-	-	-
흙	-	-	50	-	-	30
합 계	100	100	100	100	100	100
물	40	40	40	40	40	40

(1) 경화체의 제작

본 발명에 의한 경화체의 물성 측정을 위한 경화체의 제작은 JIS R 5201 '시멘트의 물리시험방법'에 따른다. 상기 배합비에 따라 본 발명의 조성물과 물을 모르터 혼합기를 이용하여 혼합하고 가로4cm×세로4cm×길이16cm의 몰드에 잘 채워 넣는다. 이후 온도 20±1℃, 상대습도 90% 이상의 항온항습기에서 양생시킨다. 24시간 양생된 경화체는 탈형하여 물성 측정을 행한다.

(2) 경화체의 물성측정

경화체의 전기저항율 측정을 위해서는 탈형된 경화체를 대기 중에 1시간 정도 방치 후, 경화체의 양단에 은전극(silver paste)을 바른 후, 저항 측정기를 이용하여 저항을 측정한다. 측정된 저항값은 아래의 식에 의해 저항율을 산출한다.

강도 측정은 탈형된 경화체를 6일간 양생시킨 후, 곡강도와 압축강도를 측정하는데, JIS R 5201 '시멘트의 물리시험방법'에 따라 곡강도를 측정하고, 절단된 시편을 이용하여 압축강도를 측정한다.

(3) 접지저항 테스트

본 발명에 의한 도전성 조성물의 토양과의 접착력에 따른 접지저항 저감 효과를 시험하기 위하여 접지저항 테스트를 행하였다. 테스트를 위하여 4점식 측정기를 사용하여 대지저항율을 측정하였는데, 대지저항율은 180Ω-m로 분석되었다.

그리고, 각각 폭 0.4m, 깊이 1m, 길이 3m의 터파기를 행하고, BC100mm²의 전선을 바닥에 고정시킨 다음, 1m당 10kg의 재료를 물과 혼합하여 포설하고, 흙으로 되메우기를 행하였다.

접지저항 측정기는 4점식 측정기인 BIDDLE사의 DET2/2를 사용하였고, 측정 방법은 전위강하법(Fall of potential Method)으로 측정을 행하였다.

(4) 시험 결과

		실시예			비교예
	1	2	3	1	2	3
전기저항율(Ω-m)	0.05	0.03	0.04	0.15	0.42	0.21
곡강도(kgf/cm²)	48	52	45	28	9	17
압축강도(kgf/cm²)	234	250	211	150	60	94
접지저항(Ω)	67	54	72	105	173	121

이상의 설명에서 알 수 있듯이 본 발명에 의하면, 토양과의 접착력이 우수한 재료를 사용함으로써 전극자체의 전도성과 기계적 강도가 양호하게 유지되면서 토양과의 접촉저항을 최소화하여 낮은 저항치를 얻을 수 있는 효과가 있다.

이상의 설명들은 본 발명의 도전성 시멘트 조성물과 그 조성물로 제조되는 도전성 경화체를 좀 더 구체적으로 설명하기 위한 것이지, 이것이 본 발명의 범주를 한정하는 것은 아니며 다양한 실시변형이 가능하다.

Claims

칼슘설포알루미네이트계 광물을 주성분으로 하는 클링커 분말 10∼40중량%, 포틀랜드 시멘트 1∼30중량%, 생석회 또는 소석회 10∼40중량%, 무수석고 5∼30중량%, 규불화염 0.1∼2.0중량%로 구성되는 토양 결합재 100중량%와,

상기한 토양결합재 100중량부에 대하여 리그닌계, 나프탈렌계 및 멜라닌계 중에서 선택된 혼화제 0.1∼2중량부와 탄소섬유 0.5∼2중량부를 포함하는 것을 특징으로 하는 토양과의 접착력이 우수한 도전성 시멘트 조성물.
제 1항에 있어서, 상기 토양 결합재 100중량부에 대하여 5∼30중량부의 골재를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 토양과의 접착력이 우수한 도전성 시멘트 조성물.
제 1항의 도전성 시멘트 조성물과 충전재를 혼합하고, 그 혼합물을 수화에 의해 경화시켜 제조한 것을 특징으로 하는 도전성 경화체.
제 3항에 있어서, 상기 충전재는 현장토양, 실리카퓸, 메타카올린, 플라이애쉬, 슬래그 및 석분으로 구성된 군으로부터 하나 또는 그 이상으로 선택되는 것을특징으로 하는 도전성 경화체.