KR101306269B1 - 탄소섬유를 이용한 전도성 콘크리트 조성물, 제품 및 융설장치 - Google Patents

탄소섬유를 이용한 전도성 콘크리트 조성물, 제품 및 융설장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 콘크리트 제품의 강도 및 균열저항성을 향상시키면서, 균일한 발열이 가능하도록 하는 탄소섬유를 이용한 전도성 콘크리트 조성물 등에 관한 것으로, 이를 더욱 상세히 설명하면 탄소섬유의 기계적 특성 즉 고강도, 고인성에 의해 콘크리트 제품의 균열저항성 등 내구성을 향상시키면서, 탄소섬유 표면을 친수화 하여 분산성을 좋게 함으로써 콘크리트 제품에 있어 균일한 발열이 가능하도록 하는 탄소섬유를 이용한 전도성 콘크리트 조성물 등에 관한 것이다.

Description

탄소섬유를 이용한 전도성 콘크리트 조성물, 제품 및 융설장치{Concrete composition and concrete product using carbon fiber and snow melting facilities using the same}
본 발명은 콘크리트 제품의 강도 및 균열저항성을 향상시키면서, 균일한 발열이 가능하도록 하는 탄소섬유를 이용한 전도성 콘크리트 조성물 등에 관한 것으로, 이를 더욱 상세히 설명하면 탄소섬유의 기계적 특성 즉 고강도, 고인성에 의해 콘크리트 제품의 균열저항성 등 내구성을 향상시키면서, 탄소섬유 표면을 친수화 하여 분산성을 좋게 함으로써 콘크리트 제품에 있어 균일한 발열이 가능하도록 하는 탄소섬유를 이용한 전도성 콘크리트 조성물 등에 관한 것이다.
최근에 교통수단의 발달과 동시에 도로망이 계속 확충되고 있고, 지형적으로 낙후된 산간지역에도 포장도로 등이 계속 확충되고 있다. 그러나 이러한 도로 등에 눈이 쌓이게 되면 차량의 운행장애로 인한 정체가 발생하고, 또한 차량의 사고에 따른 인명 피해를 초래하는 문제점이 있다.
특히, 지형적으로 눈이 많이 내리는 산간지역에는 적설량이 매우 많기 때문에 교통체증과 이로 인한 피해량이 더욱 크게 속출하는 문제점이 있다.
따라서 종래에는 도로에 적설과 동시에 인력과 제설장비를 동원하여 염화칼슘 또는 모래 등의 제설제를 도로 위에 살포하였으나, 인력 및 인건비 문제가 있고, 제설제의 과다 살포에 따른 도로의 빠른 노후화와 환경오염을 유발시키며, 철근이 매설된 도로인 경우에는 상기 제설제로부터 유출되는 염소 이온에 의하여 철근 부식이 초래되는 문제가 있었다.
이에 종래의 다른 제설방법으로서, 전열선을 아스팔트 도로의 내부에 매설하여, 적설과 동시에 상기 전열선을 발열시켜 쌓인 눈을 녹여 제설하였으나, 이는 도로의 타설조건에 따른 시공이 용이하지 않으며, 전열선이 아스팔트와 일체화가 되지 않아 큰 하중을 지니는 차량의 통행 시 단락되는 경우가 발생하여 누전이나 화재의 위험이 있고, 제설을 위한 전열선의 타설간격이 매우 좁아서 시공이 어려운 단점이 있다.
이러한 문제점을 해결하고자 콘크리트 배합원료로서 전도성 물질인 흑연, 탄소섬유 등을 배합함으로써 콘크리트의 저항을 감소시켜 전기적 연결시 발열이 가능하도록 하는 기술(특허공개 2006-109837호 등)이 제안되었다.
그러나 콘크리트 배합에 있어 흑연을 배합하여 전도성 콘크리트를 제조하는 경우 구조적 강도가 저하되는 문제점이 있었다.
또한, 콘크리트 배합에 있어 탄소섬유를 배합하여 전도성 콘크리트를 제조하는 경우 탄소섬유의 기계적 물성이 우수하여 시멘트 페이스트 내에서 가교작용을 통해 어느 정도 강도저하를 방지하면서 탄소섬유에 기해 전도성을 나타내도록 하였으나, 탄소섬유를 배합하는 경우 분산성이 떨어져 시멘트 페이스트에서 불균일한 분산이 이루어지며, 이러한 불균일은 전도도 및 저항값을 불균일하게 하여 결국 전기적 연결에 의해 발열을 시키더라도 부분적 융설이 되는 문제가 있었으며, 탄소섬유가 기계적 물성이 우수하다고 하더라도 불균일한 분산에 의해 강도 및 균열저항성이 불균일하여 전체 콘크리트의 내구성이 저하되는 문제가 있었다.
따라서, 본 발명은 콘크리트에 전도성을 부여하기 위해 기계적 물성이 우수한 탄소섬유를 사용하되, 분산성을 향상시켜 내구성 및 발열이 균일하게 발현될 수 있는 전도성 콘크리트 조성물 등을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 수단으로 본 발명의 탄소섬유를 이용한 전도성 콘크리트 조성물은 시멘트, 물, 골재, 탄소섬유를 포함하되, 상기 탄소섬유는 표면개질에 의해 친수성이 부여됨을 특징으로 한다. 즉 본 발명의 전도성 콘크리트 조성물은 탄소섬유를 배합하여 콘크리트에 전도성을 부여하되, 탄소섬유 자체만을 배합하는 경우 분산이 제대로 되지 않아 콘크리트 제품에 있어 불균일한 저항값을 도출하여 발열이 비균일하게 되는 문제가 있으므로 이에 탄소섬유 표면을 개질하여 친수성을 부여함으로써 분산성을 높여 콘크리트 제품에 균일한 발열이 발생하도록 하는 것이다.
여기서 상기 탄소섬유는 친수성 계면활성제가 도포됨에 의해 친수성이 부여되도록 함에 특징이 있다.
여기서 상기 탄소섬유는 전체체적 대비 1∼10vol%로 배합됨을 특징으로 한다. 이는 상기 탄소섬유의 함량이 조성물에 의해 형성되는 콘크리트 전체 체적에 대해 1vol%미만이면 저항값이 너무 커서 전도성이 저하되는 문제가 있으며, 이와 더불어 탄소섬유의 기계적 특성에 의해 균열제어 등 내구성 면에서도 분리하게 되는 것이며, 상기 탄소섬유가 10vol%를 초과하면 오히려 강도면에서 불리하고, 다량의 탄소섬유의 혼입에 의해 콘크리트내의 분산이 균일하게 되지 않아 시공성이 저하되어 이와 같이 한정한다.
한편 본 발명에서는 상기에서 언급한 탄소섬유를 이용한 전도성 콘크리트 조성물에 의해 형성되며, 양측에 각각 전극이 매설됨을 특징으로 하는 탄소섬유를 이용한 전도성 콘크리트 제품도 제시한다. 여기서 제품이라함은 블럭, 슬래브 등 전기적 연결에 의해 발열이 가능하도록 함으로써 융설이 필요한 제품을 포함하는 광의의 개념이다.
한편 본 발명에서는 상기 탄소섬유를 이용한 전도성 콘크리트 제품에 더하여, 상기 탄소섬유를 이용한 전도성 콘크리트 제품에 매설되는 전극과 전기적으로 연결되는 발전기 및 상기 발전기에 연결되어 전기적 제어를 수행하는 제어부로 구성되는 탄소섬유를 이용한 전도성 콘크리트 제품을 이용한 융설장치가 제시된다.
본 발명인 탄소섬유를 이용한 전도성 콘크리트 조성물 등은 탄소섬유의 기계적 특성 즉 고강도, 고인성에 의해 콘크리트 제품의 균열저항성 등 내구성을 향상시키면서, 탄소섬유 표면을 친수화 하여 분산성을 좋게 함으로써 콘크리트 제품에 있어 균일한 발열이 가능하도록 하는 장점이 있다.
도 1은 본 발명의 탄소섬유를 이용한 전도성 콘크리트 제품을 이용한 융설장치의 개략도.
이하, 본 발명의 실시 예에 대해 구체적으로 설명한다. 본 발명을 설명함에 있어서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 발명자가 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
본 발명의 탄소섬유를 이용한 전도성 콘크리트 조성물은 시멘트, 물, 골재, 탄소섬유를 포함하되, 상기 탄소섬유는 표면개질에 의해 친수성이 부여됨을 특징으로 한다.
상기 탄소섬유는 유기섬유를 불활성기체 속에서 적당한 온도로 열처리해 탄화, 결정화시킨 섬유를 정의하는 것으로, 탄소섬유는 그래파이트(graphite)상의 탄소로 된 고강도ㆍ고강성 등 기계적 성질이 발현된다.
특히 탄소섬유는 전기전도성을 가지고 있는 바, 일반 모르타르/콘크리트가 큰 저항값을 나타내므로 전기전도성이 없으나, 이러한 모르타르/콘크리트에 상기 탄소섬유를 배합하는 경우 전기전도성을 가지게 되며, 적절한 배합의 조정으로 최적의 저항값이 발생하도록 하여 전기에너지를 가하면 저항에 의해 발열이 되도록 하는 것이다.
그런데 상기 탄소섬유를 그대로 모르타르/콘크리트에 배합하는 경우 상기 탄소섬유의 특성상 시멘트 메트릭스에서 제대로 분산이 되지 않아 비균일한 분포가 형성된다. 이러한 비균일한 분포에 의해 전기에너지를 부과하더라도 비균일한 저항값에 의해 발열도 비균일하게 발생하게 되어 결국 융성이 제대로 이루어지지 않게 된다.
이에 본 발명에서는 상기 탄소섬유를 사용함에 있어 표면개질에 의해 친수성이 부여되도록 함으로써 분산성을 향상시킴에 특징이 있다.
이렇게 상기 탄소섬유의 친수화에 의해 분산성을 향상시킴에 따라 균일한 발열이 이루어지도록 함은 물론, 탄소섬유의 기계적 물성이 시멘트 메트릭스에서 고르게 발현되도록 하여 휨강성 등 내구성을 향상시키는 것이다.
또한, 상기 탄소섬유의 표면개질에 의해 친수성을 부여함에 따라 시멘트와 수소결합이 가능하게 되므로 탄소섬유와 시멘트 메트릭스 간의 부착력이 증진되어 균열저항성이 향상되도록 한다.
여기서 상기 탄소섬유는 친수성 계면활성제가 도포됨에 의해 친수성이 부여되도록 함에 특징이 있는데, 이러한 계면활성제로는 음이온계 계면활성제, 양이온계 계면활성제, 비이온계 계면활성제 등이 사용될 수 있다.
또한, 음이온계 계면활성제로는 카르복시레이트염(caoboxylate soaps), 술포네이트(sulphonates), 술페이트(sulphates), 포스페이트(phosphates) 타입이 사용될 수 있으며, 양이온계 계면활성제로는 4급 암모늄염(구체적으로, 세틸트리메틸암
모늄 할라이드(cetyltrimethylammonium halide), 벤질 트리메틸 할라이드(benzyl trimethyl halide)), 아민염, 이미다졸린염등이 사용될 수 있다.
또한, 비이온계 계면활성제로는 알코올 에톡시레이트, 모노 알카놀아미드 에톡시레이트, 지방산 아민 에톡시레이트, 지방산 에톡시레이트, 알킬 페놀 에톡시레이트, 글루코 사이드, 글리세라이드, 글리콜 에스테르, 글리세롤 에스테르, 폴리글리세롤 에스테르, 폴리글루코사이트, 소르비탄 에스테르, 소르비탄 에스테르 에톡시레이트, 수크로스 에스테르등이 사용될 수 있다. 상기에서 언급된 계면활성제는 단독 또는 2종 이상의 혼합물로 사용될 수 있다.
특히 상기 친수성 계면활성제는 HLB 값이 10 내지 20인 것이 타당한 바, 여기서, HLB 값이란, 계면활성제의 특징을 나타내는 값으로서, 계면활성제의 분자들에서 친수(hydrophilic)기와 친유(lipophilic)기의 평형(balance)에 따라 주어지는 값이다. 이 값은 0.1∼40의 임의범위에서 분자들의 극성을 나타낸다. 친수성이 커질수록 HLB 값이 커지며 반대로 친유성이 커질수록 HLB 값이 작아지게 되는 것이다.
이러한 친수성 계면활성제는 HLB 값이 10 미만이면 친수기가 너무 적어서 분산성이 저하되고, 탄소섬유와 시멘트 페이스트 간에 부착력이 저하되는 문제가 있으며, HLB값이 20을 초과하면 과다한 친수기로 인해 시멘트와 강한 수소결합을 일으키게 되므로 인성을 저하시키는 문제가 있어 본 발명에서는 친수성 계면활성제 HLB 값을 10 내지 20으로 한정을 하는 것이 바람직하다.
여기서 상기 탄소섬유는 전체체적 대비 1∼10vol%로 배합됨을 특징으로 한다. 이는 상기 탄소섬유의 함량이 조성물에 의해 형성되는 콘크리트 전체 체적에 대해 1vol%미만이면 저항값이 너무 커서 전도성이 저하되는 문제가 있으며, 이와 더불어 탄소섬유의 기계적 특성에 의해 균열제어 등 내구성 면에서도 분리하게 되는 것이며, 상기 탄소섬유가 10vol%를 초과하면 오히려 강도면에서 불리하고, 다량의 탄소섬유의 혼입에 의해 콘크리트내의 분산이 균일하게 되지 않아 시공성이 저하되어 이와 같이 한정한다.
한편 본 발명에서는 상기에서 언급한 탄소섬유를 이용한 전도성 콘크리트 조성물에 의해 형성되며, 양측에 각각 전극이 매설됨을 특징으로 하는 탄소섬유를 이용한 전도성 콘크리트 제품도 제시한다.
여기서 제품이라 함은 블럭, 슬래브 등 전기적 연결에 의해 발열이 가능하도록 함으로써 융설이 가능한 제품을 포함하는 광의의 개념이다.
일 예로 콘크리트 블럭의 제조방법을 보면, 상기에서 기 언급한 탄소섬유를 이용한 전도성 콘크리트 조성물을 우선 배합하는 공정을 갖는 바, 배합원료는 통상의 포틀랜드 시멘트, 물, 모래, 자갈, 친수처리 된 탄소섬유, 그리고 전극을 포함한다.
배합원료가 균일하게 혼합되어 성형 주형틀로 충진되고, 전극이 성형 주형틀에 매설되며, 제품이 성형 주형틀로부터 제거되어 일정시간 동안 양생과정을 거치게 된다. 이 경우 배합원료가 균일하게 혼합되어 성형 주형틀로 충진된 후 고압에 의해 압축성형을 실시할 수 있다. 압력을 가하여 배합원료 내의 물이 배수되도록 하고 고압을 해제함으로써 콘크리트 블럭을 제조하는 것인데, 이렇게 고압에 의해 압축성형을 하는 경우에는 콘크리트 블럭에 압축강도를 증진시킬 수 있게 되는 것이다.
한편, 도 1은 본 발명의 탄소섬유를 이용한 전도성 콘크리트 제품을 이용한 융설장치의 개략도로, 본 발명에서는 도 1에서 보는 바와 같이 상기 탄소섬유를 이용한 전도성 콘크리트 제품(110)에 더하여, 상기 탄소섬유를 이용한 전도성 콘크리트 제품에 매설되는 전극과 전기적으로 연결되는 발전기(120) 및 상기 발전기(120)에 연결되어 전기적 제어를 수행하는 제어부(130)로 구성되는 탄소섬유를 이용한 전도성 콘크리트 제품을 이용한 융설장치(100)가 제시된다.
탄소섬유를 이용한 전도성 콘크리트 제품(110)의 경우 상기에서 언급한 바와 같이 친수화 처리된 탄소섬유를 배합함으로써 분산성을 향상시켜 균일한 발열이 가능하도록 하며, 탄소섬유의 기계적 물성이 제품(110) 전체에 걸쳐 고르게 발현이 되므로 휨강성 등 물리적 강성이 증진되고, 탄소섬유의 친수화 처리로 인해 탄소섬유와 시멘트 페이스트 간의 부착력이 증진되어 균열저항성이 향상되는 것이다.
따라서, 이러한 특성을 가진 탄소섬유를 이용한 전도성 콘크리트 제품(110)은 강도를 필요로 하거나, 극한의 환경 등 다양한 용도로 사용될 수 있으며, 매설된 전극에 상기 발전기(120)를 전기적으로 연결하여 발열을 시킬 수 있어 융설이 가능하도록 하는 것이다.
상기 발전기(120)는 도 1에서 풍력발전기를 예로 도시하고 있으나, 이에 한정하는 것은 아니며, 수력, 화력, 전기력, 태양열 등에 의해 전기에너지를 생산할 수 있는 것이면 가능하게 되는 것이다.
도 1과 같이 풍력을 사용하는 발전기(120)의 경우 전기가 도달되지 않는 오지 등에 있어 적설이 발생하는 경우 지리적 여건에 의해 인력에 의해 이를 제거함이 용이하지 않은데, 상기 탄소섬유를 이용한 전도성 콘크리트 제품(110)을 사용하는 경우 풍력에 의해 발열이 가능하게 하여 도로 등에 융설이 가능하도록 하는 것이다.
상기 발전기(120)는 제어부(130)와 전기적으로 연결이 되어 제어부(130)의 제어에 의해 상기 발전기(120)에서 상기 탄소섬유를 이용한 전도성 콘크리트 제품(110)으로 전기적 인가가 가능하도록 하는 것이다. 상기 제어부(130)의 제어는 수동은 물론 자동에 의해 작동케 할 수 있는 바, 도면에 도시된 바는 없으나, 적설량 등을 측정할 수 있는 센서 등과 연동하여 센서의 지시에 의해 자동적으로 상기 제어부(130)가 작동하도록 구성할 수 있음은 당연하다.
110 : 전도성 콘크리트 제품 120 : 발전기
130 : 제어부

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  8. 시멘트, 물, 골재, 탄소섬유를 포함하되, 상기 탄소섬유는 음이온계 계면활성제, 양이온계 계면활성제, 비이온계 계면활성제 중 1 또는 2이상의 혼합물이며 HLB 값이 10 내지 20인 친수성 계면활성제가 도포됨에 의해 친수성이 부여되어 균일한 저항값이 형성되도록 하는 전도성 콘크리트 조성물에 의해 형성되며, 양측에 각각 전극이 매설되는 전도성 콘크리트 제품;
    상기 전극과 전기적으로 연결되는 풍력발전기;
    상기 풍력발전기에 연결되어 전기적 제어를 수행하는 제어부;
    로 구성됨을 특징으로 하는 탄소섬유를 이용한 전도성 콘크리트 제품을 이용한 융설장치.
  9. 제 8항에 있어서,
    상기 계면활성제는,
    카르복시레이트염(caoboxylate soaps), 술포네이트(sulphonates), 술페이트(sulphates), 포스페이트(phosphates), 세틸트리메틸암모늄 할라이드(cetyltrimethylammonium halide), 벤질 트리메틸 할라이드(benzyl trimethyl halide)), 아민염, 이미다졸린염, 알코올 에톡시레이트, 모노 알카놀아미드 에톡시레이트, 지방산 아민 에톡시레이트, 지방산 에톡시레이트, 알킬 페놀 에톡시레이트, 글루코사이드, 글리세라이드, 글리콜 에스테르, 글리세롤 에스테르, 폴리글리세롤 에스테르, 폴리글루코사이트, 소르비탄 에스테르, 소르비탄 에스테르 에톡시레이트, 수크로스 에스테르 중 1 또는 2이상의 혼합물인 것을 특징으로 하는 탄소섬유를 이용한 전도성 콘크리트 제품을 이용한 융설장치.
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