KR101061476B1 - 접지저항 저감재 - Google Patents

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Abstract

본 발명에는 폴리에틸렌계 전도성폴리머 10 내지 30중량% ; 시멘트 15 내지 40중량%, 무수석고(CaSO4) 5내지 15중량%, 고미분말 천연지올라이트 (Zeolite) 10내지 25중량% 로 이루어진 접지저항 저감재가 개시된다.
전도성 폴리머, 시멘트, 무수석고, 지올라이트

Description

접지저항 저감재{material for reducing ground resistance}
본 발명은 접지저항 저감재에 관한 것으로, 보다 상세하게는 시멘트 경화체의 전도성을 증가시키고, 전기 저항치를 낮추어 이상전압이나 이상전류의 방전을 신속하고 안전하게 이룰 수 있는 접지저항 저감재에 관한 것이다.
한국공개특허 제2001-64830호는 칼슘설포알루미네이트계 광물을 주성분으로 하여 클링커분말, 시멘트, 생석회, 소속회, 무수석고, 규불화염 등으로 구성된 토양결합재와 이에 대한 혼화제, 탄소섬유 등이 포함된 접지저항 저감재를 개시하고 있다.
상기 특허는 시멘트에 탄소분말과 탄소섬유를 첨가한 도전성 시멘트 및 몰탈이 주로 사용되거나 석고 성분의 급경재에 도전성 화학물질을 첨가하여 사용하는 시공하는 방법의 하나로서, 물-분체비(Water/Powder ratio)는 약 50내지 70중량부 정도이다.
그러나 화학적으로는 토양결합재는 비전도성 물질이다. 전도성을 갖도록 하기 위해서는 토양결합재가 다량의 수분을 함유할 수 있는 구조가 되어야 한다. 시 공 시 접지저항 저감재와 혼합하는 물량을 증가시켜 물-분체비를 높일 경우는 경화체 내부의 공극량이 높아져 지중에서 경화체의 내부에 존재하는 수분량의 증가에 따라 경화체의 전기전도성이 증가함으로 접지저항 저감효과가 커진다. 이를 위하여는 높은 물-시멘트비 혹은 물-분체비에서 슬러리 중의 분체와 물이 분리하지 않는 형태를 이루어 경화하여야 하며 최종적으로 경화체 내부에 미세 공극이 다량 존재하여 다공성의 구조를 이루어야 한다. 이를 위하여 종래의 기술에서는 칼슘설포알루미네이트계 광물을 사용하고 있다.
일반적으로 일정 물-시멘트비 이상의 시멘트 현탁액에서는 시멘트 입자의 침강 현상이 발생하여 급결재 혹은 급경재를 사용하지 않은 시멘트 슬러리 주입의 경우, 높은 물-시멘트비에서는 시멘트 입자가 침강하게 되어 물이 차지하는 체적 부분은 지반 중에서 공극으로 존재하게 되어 급결재를 사용하지 않는 시멘트 현탁액 단독으로는 원하는 형상, 체적 및 강도와 기타 물리적 성능의 확보가 불가능하다.
일부 시멘트계 급결재의 경우, 낮은 물-시멘트비에서는 겔의 형성은 용이하나 열을 동반한 순간 강도가 너무 높아 가사시간의 확보가 어렵고 높은 물-시멘트비에서는 겔의 형성이 이루어지지 않는 현상을 나타내기도 한다.
본 발명은 다공성 구조로 이루어져 전기전도성이 우수하며, 경화시 충격흡수가 용이하며, 물-시멘트비율을 증가시켜 물-시멘트비의 일반 시멘트계 현탁액에서 발생하는 시멘트 입자의 침강이나 재료분리를 방지하여 시멘트 슬러리의 유동성과 분리저항성을 동시에 높이도록 한 전도성폴리머와 천연지올라이트를 활용한 시멘트계 접지저항 저감재를 제공한다.
상기 과제를 해결하는 본 발명의 해결수단은 폴리에틸렌계 전도성폴리머 10 내지 30중량% ; 시멘트 15 내지 40중량%, 무수석고(CaSO4) 5내지 15중량%, 고미분말 천연지올라이트 (Zeolite) 10내지 25중량% 로 이루어진 것이다.
또한, 본 발명의 다른 해결수단은 폴리에틸렌계 전도성폴리머 10.0 내지 30.0중량%; 시멘트 15.0 내지 30.0중량%, 무수석고(CaSO4) 5.0 내지 15.0중량%, 천연지올라이트 (Zeolite) 10.0 내지 24.9중량% 와 수화 촉진제, 분산제, 수화 지연제 중 적어도 하나 이상으로 이루어진 기타 첨가물 0.1 내지 4.0중량%로 이루어지는 것이다.
또한, 본 발명에서 상기 접지저항 저감재는 물과 상기 접지저항 저감재의 중량비가 80 내지 400으로 혼합되어 시공되는 것이 바람직하다.
또한, 본 발명에서 시멘트, 무수석고(CaSO4), 천연지올라이트 (Zeolite)는 분말도 6,000cm2/g 이상의 분말인 것이 바람직하다.
본 발명은 다공성을 특징으로 하고, 전기전도성이 우수하여 각종 전기제품으로 사용되고 있는 전도성폴리머와 미세기공이 발달되어 있고, 환경친화적이며, 경제적인 천연지올라이트를 동시에 이용하여 경화시 충격흡수와 다공성 유지를 통하여 전기전도성을 향상시켰고, 물-시멘트비율을 증가시켜 물-시멘트비의 일반 시멘트계 현탁액에서 발생하는 시멘트 입자의 침강이나 재료분리를 방지하여 시멘트 슬러리의 유동성과 분리저항성을 동시에 높이는 효과를 갖도록 특성을 개선하였다. 실제로 본 발명품은 물-분체 중량비(Water/Powder Weight Ratio)가 80내지 400중량부 정도로 높은 시멘트 슬러리 현탁액으로 준비하여도 분체의 침강 및 물과 분체의 분리가 발생하지 않고 액상 형태를 이루어 졸(Sol)화 및 겔(Gel)화 된다.
분말도 6,000cm2/g 이상의 시멘트, 분말도 6,000cm2/g 이상의 무수석고, 분말도 6,000cm2/g 이상의 천연지올라이트 등의 미세분말을 사용함으로써 치밀한 경화체 구조를 형성하도록 유도함으로써 기존의 제품보다 우수한 불용성의 침(Needle) 상의 에트린자이트(Ettringite) 광물을 생성하여 다공성의 미세구조를 이루므로 안정성과 내구성이 우수한 장점이 있다. 또한 현장에서 물과 혼합하여 슬러리 현탁액 으로 교반하여 구덩이에 주입하는 형태로 시공이 간편하며 80인 넘는 높은 물-분체비에서 사용됨으로 지올라이트 내부에 다량의 공극을 포함하여 지중에서 경화체 내부에 높은 함수율을 유지하고 있어 경화체의 전기전도성을 증진시킨다.
이하, 본 발명의 실시예들을 구체적으로 설명하기로 한다.
제1실시예
본 발명의 제1실시예는 폴리에틸렌계 전도성폴리머 10 내지 30중량% ; 분말도 6,000cm2/g 이상 시멘트 15 내지 40중량%, 분말도 6,000cm2/g 이상 무수석고(CaSO4) 5내지 15중량%, 분말도 6,000cm2/g 이상 고미분말 천연지올라이트 (Zeolite) 10내지 25중량% 의 혼합물로 이루어진다.
제1실시예의 분체(powder) 혼합물은 물과 분체 혼합물의 혼합비 80 내지 400의 물-분체 중량비(water/powder weight ratio)로 물로 혼합되어 시공되는 것이 바람직하다.
분말도 6,000cm2/g 이상의 시멘트는 물과 반응하여 수화반응을 일으켜 시멘트 경화체의 수시간 이후의 강도를 확보하며, 시멘트 슬러리 액에 미리 폴리머 분말을 첨가함으로써 에멀션 상태의 혼합체를 형성하고, 시멘트와 6,000cm2/g 이상의 무수석고가 첨가된 혼합물이 물과 접촉하여 수산화칼슘(Ca(OH)2)과 석고(CaSO4) 성 분 등이 수용액 중에 녹아 나오게 되며, 분말도 6,000cm2/g 이상의 천연지올라이트는 높은 반응성으로 물-시멘트비가 높은 시멘트 수용액에서 시멘트 수용액 중의 물(H2O) 및 수산화 칼슘(Ca(OH)2), 석고(CaSO4) 성분 등과 효과적으로 반응하여 높은 물-시멘트비의 시멘트 슬러리를 겔화시키고 시멘트 경화체에 초기강도를 부여한다. 특히 고미분말 천연지올라이트는 수산화칼슘(Ca(OH)2)과 반응하여 에트린자이트(3CaO·Al2O3·3CaSO4·32H2O)나 혹은 이와 유사한 수화반응물(예: 3CaO·Al2O3·CaSO4·12H2O)을 생성시키며 그 수화반응 중에 다량의 물분자를 사용함으로 높은 물-시멘트비의 시멘트 슬러리의 겔화를 촉진시키고 시멘트의 강도 발현성을 수분 혹은 수십 분의 시간 안에 조기에 발현시키며 침상인 에트린자이트 결정의 생성에 의한 치밀한 수화조직을 생성하여 외부로부터의 물리적 및 화학적 침식에 대한 시멘트 경화체의 저항성이 증가된다.
제2실시예
제2실시예는 제1실시예에 높은 물-시멘트비 하에서 시멘트 현탁액의 겔(Gel)화를 촉진시키기 위한 수화 촉진제(Accelerator), 현탁액 중에서 입자의 응집 및 침전을 억제하는 분산제(Dispersing Agent), 작업시간 확보를 위한 수화 지연제(Retarder) 중 적어도 하나 이상이 필요에 따라서 혼합되는 것이다.
구체적으로는 폴리에틸렌계 전도성폴리머 10 내지 30중량%; 분말도 6,000cm2/g이상 시멘트15 내지 30중량%, 분말도 6,000cm2/g 무수석고(CaSO4) 5내지 15중량%, 분말도 6,000cm2/g 이상 고미분말 천연지올라이트 (Zeolite) 10내지 24.9중량% 와 수화 촉진제, 분산제, 수화지연제 중 적어도 하나 이상의 재료로 이루어진 기타 첨가물 0.1 내지 4.0중량%가 혼합되는 것이다.
수화 촉진제로서 사용되는 리튬 카보네이트(Li2CO3) 및 황산나트륨(Na2SO4), 알루민산나트륨(NaAl2O), 칼륨명반(KAl2(SO4)2-12H2O) 등을 포함한 알칼리 토금속류를 본 발명품 중량의 0.1 내지 1.0중량부를 첨가하면 시멘트 분말의 초기수화를 촉진하여 시멘트 혼합체의 슬러리를 겔화시켜 슬러리 중의 입자의 침강을 방지하고 경화체의 형상을 확보할 수 있다.
분산제는 리그닌 설폰산염(Calcium Ligno-Sulfonate, Sodium Ligno-Sulfonate, Magnesium Ligno-Sulfonate 등), 멜라민 설폰산염(Melamine Sulfonate), 나프탈렌 설폰산염(Poly-Naphthalene Sulfonate) 및 폴리카본산(Polycarboxilate)계 주성분의 분산제를 단독으로 혹은 2종 이상 혼합한 것으로, 고형분 기준으로 중량의 2.0중량부 이하 첨가하여 시멘트 및 기타 미분말의 분산성을 증진시켜 시멘트 슬러리의 유동성을 증가시키는 동시에 현탁액 중에서의 각 분체 입자의 응집을 방지하고 안정화시킨다.
수화반응 지연제는 소듐 글루코네이트(Sodium Gluconate), 구연산(Citric Acid), 주석산(Tartaric Acid) 등의 수화 지연제를 고형분 기준으로 중량의 1.0중량부 이하 사용하여 시멘트 현탁액의 교반 및 시멘트 슬러리의 주입 작업 등에 필요한 작업 시간을 확보하기 위하여 시멘트의 수화반응을 지연시킨다.
수화반응 촉진제와 수화반응 지연제를 적절히 배합함으로써 원하는 시간에 시멘트 슬러리의 수화반응이 일어나도록 한다.
이하, 실험예들과 비교예들을 비교설명하기로 한다.
실험예 1 내지 3
실험예 1 내지 3은 폴리에틸렌계 전도성폴리머 30.0 중량부, 분말도 6,000㎠/g이상 시멘트 30.0 중량부, 분말도 6,000㎠/g이상 무수석고 15.0 중량부, 분말도 6,000㎠/g이상 천연지올라이트 24.0 중량부, 겔화 및 경화조절용 구연산 0.5 중량부, 천연지올라이트의 수화를 촉진시키는 리듐카보네이트 0.5 중량부의 분체 혼합물로 이루어진 것이다.
실험예 4 내지 6
실험예 4 내지 6은 폴리에틸렌계 전도성폴리머 28.0 중량부, 분말도 6,000㎠/g이상 시멘트 30.0 중량부, 분말도 6,000㎠/g이상 무수석고 14.0 중량부, 분말도 6,000㎠/g이상 천연지올라이트 27.0 중량부, 겔화 및 경화조절용 구연산, 주석산, 소듐글루코네이트 0.4 중량부, 천연지올라이트의 수화를 촉진시키는 리듐카보네이트 및 항산나트륨, 알루민신나트륨, 칼슘명반등을 포함한 알카리 토금속류 0.6 중량부의 분체 혼합물로 이루어진 것이다.
비교예 1
보통 포틀랜드 시멘트와 물을 물-시멘트비 200중량부로 혼합하여 경화시킨 것이다.
비교예 2 내지 비교예 4
보통 포틀랜드 시멘트와 물과 물유리를 각각 33중량부 및 57중량부, 10중량부의 비율로 혼합하여 제조한 물유리계 급결재 첨가 일반 시멘트 현탁액을 제조하여 경화시킨 것이다.
비교예 5
전기전도성 시멘트 몰탈과 물을 물-몰탈비 40중량부로 제조하여 경화시킨 것이다.
시험결과
실험예 1 내지 실험예 6을 각각 물- 시멘트 중량비를 달리하여 혼합한 것과 비교예 1 내지 비교예 4에 대하여 50×50×50mm 크기의 정육면체 공시체를 제조하여 1일간 기중양생 후에 탈형하여 90일간 7일 간격으로 20℃ 항온수조에서의 수중양생과 온도 20℃, 상대습도 60%에서의 기건양생을 반복한 후에 꺼내어 표면건조포화상태의 최초 계산상 중량에 대한 실제 중량의 차이를 비교하여 중량감소율을 계산한 결과는 다음의 표 1과 같다. 본 발명의 실험예 1 내지 6의 제품의 공시체는 90일 이후에도 중량변화를 거의 나타내지 않았으나 물유리계 급결재를 사용한 공시체는 높은 중량변화를 나타내었다.
Figure 112008079295183-pat00001
또한, 실험예 1 내지 실험예 3의 분체 혼합물과 비교예 1의 분체 혼합물을 사용하여 각각 제조한 물-시멘트비 200중량부의 시멘트 현탁액을 매스 실리더 용기 속에서 1시간 정치시킨 결과 비교예 1의 일반 시멘트 입자는 침강하여 물과 완전히 분리되었으나 실험예 1 내지 실험예 3에서는 급경재와 시멘트 입자의 수화반응에 의해 슬러리 중의 입자의 침강과 분리 없이 수 분 이내에 시멘트 페이스트 슬러리 수용액이 겔화 되어 형상을 유지하고 수 십분 혹은 수 시간 사이에 강도를 발현하는 우수한 효과를 나타내었다.
또한, 실험예 1 내지 실험예 6으로 제조된 시멘트 슬러리와 비교예 2 내지 비교예 4로 제조한 물유리계 급결재 사용 시멘트 슬러리로 50mm×50mm×50mm 크기의 정육면체 공시체를 제조하여 1일간 온도 20℃, 상대습도 95% 이상에서 기중양생 후에 탈형하여 온도 20℃의 항온수조에서의 수중양생후의 28일 압축강도를 측정한 결과 다음의 표 2의 결과를 나타내었다.
Figure 112008079295183-pat00002
또한, 보링Φ150, 깊이15m를 기준으로 접지저항을 비교한 결과 다음의 표 3과 같이 접지저항의 저감효과를 얻었다.
Figure 112008079295183-pat00003
또한, 물유리계를 시멘트의 급경재로 사용하는 경우, 급격한 겔 형성은 시멘트의 수화반응에 의한 것이 아닌 물유리의 고화에 의한 것으로 장기강도는 시멘트의 수화반응에 의존해야 한다. 그러나 물유리는 시간의 경과와 더불어 슬러리를 구성하는 물(H2O)과 함께 용출되어 시멘트 수화물과의 연결고리가 끊어짐에 따라, 경화체의 체적은 점차 감소하면서 부스러지는 현상을 갖게 된다. 이러한 용탈 과정에서 시멘트 성분 중의 중금속 성분이 함께 용출되는 경우 심각한 환경 오염이 발생하게 된다.
시멘트의 제조 과정에서 원료에 포함되어 있는 천연의 3가 크롬(Cr+3)의 일부는 소성 과정에서 산화되어 6가 크롬(Cr+6)으로 변화된다. 6가 크롬은 국제 암연구센터(International Agency for Research on Cancer) 및 미국 환경보호국(Environmental Protection Agency)에서 석면과 더불어 2대 발암물질로 지정되어 있다. 따라서 시멘트계 성분이 포함된 재료를 사용하는 경우, 6가 크롬의 외부로의 용출 여부는 환경 및 인체 건강에 미치는 영향을 고려할 때 매우 중요한 요소이다. 일본에서는 “建設省技調發 第48號”에서 시멘트 및 시멘트계 고화제를 사용한 개량토의 경우에 폐기물 공정 시험방법 등에 의한 6가 크롬의 검출치가 토양 환경 기준을 만족하는가를 확인하도록 규정하고 있으며 그 허용값은 폐기물 기준으로1.5mg/Liter이고 토양환경기준으로 0.05mg/Liter이다. 본 발명의 시멘트 경화체는 시멘트 성분의 수화과정에서 중금속 성분들이 고용체로 시멘트 수화물에 결합되어 6가 크롬의 용출이 발생하지 않으므로 환경적 안정성이 뛰어나다.
본 발명의 실험예 2와 물유리를 사용한 비교예 3으로 크기 50mm×50mm×50mm의 압축강도 시험용 공시체를 각각 제조하여 1일간 항온항습조에서 양생 후, 물속에 3일간 침적하여 용출된 성분을 분석하여 그 결과를 표-4에 나타내었다.
일반적으로 많이 사용되는 물유리를 급결재로 사용하는 주입재는 주입 후에 시간의 경과에 따라 물유리의 용탈이 시작되어 체적이 감소하고 수개월 후에는 미세한 균열이 수없이 발생하여 강도가 저하된다. 반면에 본 발명품에 의해 제조된 공시체는 체적 변화가 거의 발생하지 않고 강도발현이 지속됨으로 그 효과와 내구성이 거의 영구적이다.
Figure 112008079295183-pat00004

Claims (4)

  1. 폴리에틸렌계 전도성폴리머 10 내지 30중량% ; 시멘트 15 내지 40중량%, 무수석고(CaSO4) 5내지 15중량%, 고미분말 천연지올라이트 (Zeolite) 10내지 25중량% 를 포함하며,
    시멘트, 무수석고(CaSO4), 천연지올라이트 (Zeolite)는 분말도 6,000cm2/g 이상의 분말인 것을 특징으로 하는 접지저항 저감재.
  2. 폴리에틸렌계 전도성폴리머 10.0 내지 30.0중량%; 시멘트 15.0 내지 30.0중량%, 무수석고(CaSO4) 5.0 내지 15.0중량%, 천연지올라이트 (Zeolite) 10.0 내지 24.9중량% 와 수화 촉진제, 분산제, 수화 지연제 중 적어도 하나 이상으로 이루어진 기타 첨가물 0.1 내지 4.0중량%를 포함하며,
    시멘트, 무수석고(CaSO4), 천연지올라이트 (Zeolite)는 분말도 6,000cm2/g 이상의 분말인 것을 특징으로 하는 접지저항 저감재.
  3. 청구항 1 또는 청구항 2에서, 상기 접지저항 저감재는 물과 상기 접지저항 저감재의 중량비가 80 내지 400으로 혼합되어 시공되는 것을 특징으로 하는 접지저항 저감재.
  4. 삭제
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