KR101369733B1

KR101369733B1 - 탄소나노튜브가 함유된 콘크리트 도로용 시멘트 융설체의 시공 방법

Info

Publication number: KR101369733B1
Application number: KR1020120106221A
Authority: KR
Inventors: 문병섭; 허진녕; 박범진; 전성일
Original assignee: 한국건설기술연구원
Priority date: 2012-09-25
Filing date: 2012-09-25
Publication date: 2014-03-06
Also published as: KR20130073018A

Abstract

탄소나노튜브(CNT)와 같은 나노재료를 이용하여 열전도도가 향상된 시멘트 융설체를 제공하되, 소정 압축강도를 갖는 평판 패널 형태로 제작함으로써 콘크리트 도로에 적합한 압축강도로 제설에 사용할 수 있고, 적은 전력으로 큰 열전도 효율을 나타내며, 시공 기간을 단축시킬 수 있는, 탄소나노튜브가 함유된 콘크리트 도로용 시멘트 융설체의 시공 방법이 제공된다. 탄소나노튜브가 함유된 콘크리트 도로용 시멘트 융설체는, 콘크리트 도로용 탄소나노튜브를 이용한 시멘트 융설체에 있어서, 콘크리트 페이스트로서 시멘트 융설체의 모재(Base Material) 역할을 하는 시멘트계 결합재; 시멘트계 결합재 100wt%에 대하여 40~50wt%의 함량이 혼합되는 배합수; 시멘트계 결합재 100wt%에 대하여 1~3.5wt%의 함량이 혼합되는 탄소나노튜브; 및 시멘트계 결합재 100wt%에 대하여 0.5~3wt%의 함량이 혼합되는 폴리카본산 계열의 감수제를 포함하되, 상기 탄소나노튜브는 이중벽(Double Wall) 구조로 형성된다.

Description

탄소나노튜브가 함유된 콘크리트 도로용 시멘트 융설체의 시공 방법{CONSTRUCTING METHOD FOR CARBON NANOTUBE-CONTAINED SNOW MELTING BLOCK OF CEMENT-BASE MATERIAL FOR CONCRETE ROAD}

본 발명은 시멘트 융설체에 관한 것으로, 보다 구체적으로, 콘크리트 도로의 제설 및 제빙에 사용할 수 있도록 탄소나노튜브(Carbon NanoTube: CNT)와 같은 나노재료를 이용하여 열전도도가 향상된 시멘트 융설체를 제작하되, 콘크리트 도로에 적합한 소정의 압축강도 및 휨강도를 갖도록 평판 패널 형태로 제작하는, 탄소나노튜브가 함유된 콘크리트 도로용 시멘트 융설체의 시공 방법에 관한 것이다.

종래의 기술에 따른 도로 제설 기법은, 크게, 도로에 쌓인 눈에 화학제를 살포하고 염화물과 물 사이의 반응을 통하여 발열을 유도하는 화학적인 방법, 및 전기 또는 열을 전달할 수 있는 매질을 이용하여 직접 열을 전달하는 방법으로 구분된다.

첫째, 화학적인 방법의 경우, 노면 결빙 검지기술을 이용하여 염화물을 자동 살포하는 방식과 인력이 직접 투입되어 염화물을 살포하는 방식이 있다.

그러나 이러한 방식은 짧은 시간에 효과적으로 융설을 유도할 수 있는 반면에 두 방식 모두 염화물 발열반응에 의해 노면을 융설하기 때문에 노면융설 후에 염화물이 그대로 잔존함에 따라 환경적인 측면에서 치명적인 단점이 있다.

둘째, 직접 열을 전달하는 방식의 경우, 노면 표층에서 일정 깊이에 구리와 같은 열전도도가 높은 물질로 구성된 매질(케이블)을 통해 직접 전기를 공급함으로써 전기에너지가 열에너지(저항)로 전환되는 원리를 이용한 방식과 지열 혹은 기름과 같은 유체를 이용하여 지면에 열을 전달하는 방식이 있다.

그러나 이러한 방식들은 표층에서 일정 깊이에 매설을 하기 때문에, 전기에너지가 열에너지로 변할 때, 또는 열에너지가 열에너지로 전달될 때 손실이 발생한다. 또한, 도로라는 특성상 크랙 등이 발생했을 때 또는 도로자체를 유지 및 보수할 때, 새로 구축하거나 시공해야 하는 문제점이 있다.

또한, 종래 기술로서, 다량의 흑연을 시멘트에 혼합하여 도전성 복합물을 제조하고, 이러한 복합물 내부에 전열선을 배치하여 저항열로 융설하는 방법이 있으나, 이러한 방식은 많은 전력량이 소모되고, 모듈단위로 제작되어 현장 시공이 용이하지 않다는 문제점이 있다. 또한, 흑연이 물을 흡수하는 성질이 있기 때문에 밀실하게 배합하기 어렵고, 이로 인해 강도의 저하가 발생함으로써 마이크로 실리카, 카올린 등의 혼합재료를 넣고, 가압 성형을 하는 등 작업공정이 매우 까다롭다는 문제점이 있다.

한편, 전술한 문제점을 해결하기 위한 종래 기술로서, 대한민국 등록특허번호 제10-1027275호에는 "탄소나노튜브 혼합물을 함유한 열전달물질을 이용한 제설용 발열체, 그 제조 장치 및 방법"이라는 명칭의 발명이 개시되어 있는데, 도 1 내지 도 2를 참조하여 설명한다.

도 1은 종래의 기술에 따른 제설용 발열체의 설치 상태를 나타내는 사시도이고, 도 2는 도 1에 도시된 제설용 발열체의 설치 상태를 나타내는 평면도이다.

도 1 및 도 2를 참조하면, 종래의 기술에 따른 제설용 발열체(20)는, 가로방향 폭이 좁고 세로방향 폭이 넓은 단면 형태를 갖는 길고 납작한 블록 형태로 성형되어 도로(10)에 기형성한 설치홈(11)에 원터치 방식으로 간단하게 삽입 설치된다.

이때, 발열체(20)는 열전달물질(30)의 하부에 전열선(21)이 내장된 구조를 갖는다. 상기 전열선(21)은 전원 공급에 따라 발열하여 눈을 녹이기 위한 열을 공급하는 것으로, 설치 조건에 따라 복수개의 전열선이 구비될 수 있다.

상기 열전달물질(30)은 열전도성 수지인 실리콘수지로 이루어진 베이스(31)에 탄소나노튜브(32) 및 카본블랙(33)을 혼합하여 경화시킨 것이다.

상기 탄소나노튜브(32) 및 카본블랙(33)은 각각 별도로 구비되어 베이스(31)에 혼합될 수도 있으나, 통상적인 탄소나노튜브 제조공정에서 발생되는 중간 생산물인 탄소나노튜브-카본블랙 혼합물(CNT & CB)을 이용할 수 있다. 이때, 상기 탄소나노튜브-카본블랙 혼합물은 베이스(31)를 이루는 실리콘수지의 중량을 100으로 할 때 1~5 정도의 중량의 비율로 혼합된다.

구체적으로, 상기 제설용 발열체(20)는 탄소나노튜브-카본블랙 혼합물을 액상의 실리콘수지에 첨가한 후 고르게 혼합하여 열전달물질(30)의 원료를 만들고, 이러한 원료를 성형장치의 성형챔버에 투입하여 소정 형태를 갖도록 경화시키는 방식으로 제조될 수 있다. 이때, 원료의 투입 전에 성형챔버 내부에 전열선(21)을 먼저 배치하여 경화된 열전달물질(30)에 전열선(21)이 매입된 구조로 성형이 이루어지게 한다.

또한, 상기 제설용 발열체는 도로(10)에 소정 깊이로 설치홈(11)을 형성한 다음, 이러한 설치홈(11)에 상기 발열체(20)를 삽입하여 간단하게 설치될 수 있다. 이때, 상기 발열체(20)의 하단부는 적어도 일부가 설치홈(11)의 내측단과 이격되어 공기단열층이 형성될 수 있다. 또한, 상기 발열체(20)의 시공 방향은, 도 2에 도시된 바와 같이, 도로(10)의 진행방향에 대해 종방향이 될 수도 있고, 경우에 따라 횡방향, 사선방향 등 다양하게 선택될 수 있다.

상기 발열체(20)를 설치한 후, 경우에 따라서는 설치 중이나 설치 전에 전열선(21)을 전원케이블(41)을 통해 전원컨트롤러(40)에 연결하여 전원공급의 제어가 가능하게 함으로써 제설 시스템 시공이 완료된다.

종래의 기술에 따른 제설용 발열체(20)에 따르면, 실리콘수지 재질의 베이스(31)에 탄소나노튜브(32) 및 카본블랙(33) 혼합물이 함유된 성형물로 이루어짐으로써 에너지 효율 및 내구성을 향상시키고, 제조비용, 시공비용 및 유지비용을 절감할 수 있다.

하지만, 종래의 기술에 따른 제설용 발열체(20)의 경우, 도로에 별도의 설치홈(11)을 형성한 후 삽입 고정해야 하므로 시공이 복잡해지는 문제점이 있다. 또한, 실리콘수지 재질의 베이스(31)는 압축강도 및 휨강도가 거의 없기 때문에 도로 상에 적용하는 것이 용이하지 않다는 문제점이 있다.

전술한 문제점을 해결하기 위한 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 탄소나노튜브(CNT)와 같은 나노재료를 이용하여 열전도도가 향상된 시멘트 융설체를 제공하되, 소정 압축강도를 갖는 평판 패널 형태로 제작함으로써 콘크리트 도로에 적합한 압축강도로 제설에 사용할 수 있는, 탄소나노튜브가 함유된 콘크리트 도로용 시멘트 융설체의 시공 방법을 제공하기 위한 것이다.

본 발명이 이루고자 하는 다른 기술적 과제는, 탄소나노튜브(CNT)와 시멘트 페이스트 배합을 통하여 발열체를 제작함으로써, 적은 전력으로 큰 열전도 효율을 나타내고, 시공 기간을 단축시킬 수 있는, 탄소나노튜브가 함유된 콘크리트 도로용 시멘트 융설체의 시공 방법을 제공하기 위한 것이다.

전술한 기술적 과제를 달성하기 위한 수단으로서, 본 발명에 따른 콘크리트 도로용 탄소나노튜브를 이용한 시멘트 융설체의 시공방법은 탄소나노튜브가 함유된 콘크리트 도로용 시멘트 융설체의 시공 방법에 있어서, a) 시멘트계 결합재, 배합수, 탄소나노튜브 및 폴리카본산 계열의 감수제를 배합하는 단계; b) 전류공급용 전선을 배치하여 상기 시멘트계 결합재, 배합수, 탄소나노튜브 및 폴리카본산 계열의 감수제와 함께 성형하는 단계; c) 소정 압축강도를 갖는 평판 형태의 시멘트 융설체를 프리캐스트 제조하는 단계; 및 d) 콘크리트 도로의 표층에 프리캐스트 시멘트 융설체를 설치하는 단계를 포함하되, 상기 a) 단계의 배합수는 상기 시멘트계 결합재 100wt%에 대하여 40~50wt%의 함량이 혼합되고, 상기 탄소나노튜브는 1~3.5wt%의 함량이 혼합되며, 상기 폴리카본산 계열의 감수제는 0.5~3wt%의 함량이 혼합되는 것을 특징으로 한다.

여기서, 상기 a) 단계의 탄소나노튜브는 이중벽(Double Wall) 구조인 것을 특징으로 한다.

여기서, 상기 a) 단계의 시멘트 결합재는 상기 시멘트 융설체의 모재(Base Material) 역할을 하는 콘크리트 페이스트(Concrete Paste)인 것을 특징으로 한다.

여기서, 상기 c) 단계에서 상기 시멘트 융설체를 감싸는 절연층이 형성되는 것을 특징으로 한다.

여기서, 상기 c) 단계의 시멘트 융설체는 21MPa 이상의 압축강도 및 4.5MPa 이상의 휨강도를 갖는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따르면, 탄소나노튜브(CNT)와 같은 나노재료를 이용하여 열전도도가 향상된 시멘트 융설체를 제공하되, 소정 압축강도를 갖는 평판 패널 형태로 제작함으로써 콘크리트 도로에 적합한 압축강도로 제설에 사용할 수 있다.

본 발명에 따르면, 탄소나노튜브(CNT)와 시멘트 페이스트 배합을 통하여 발열체를 제작함으로써, 적은 전력으로 큰 열전도 효율을 나타낼 수 있고, 또한, 환경 유해성을 최소화하며, 시공 기간을 단축시킬 수 있다.

도 1은 종래의 기술에 따른 제설용 발열체의 설치 상태를 나타내는 사시도이다.
도 2는 도 1에 도시된 제설용 발열체의 설치 상태를 나타내는 평면도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 콘크리트 도로용 탄소나노튜브를 이용한 시멘트 융설체의 배합을 나타내는 도면이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 콘크리트 도로용 시멘트 융설체에 적합한 탄소나노튜브의 선정을 설명하기 위한 도면이다.
도 5a 및 도 5b는 각각 본 발명의 실시예에 따른 콘크리트 도로용 탄소나노튜브를 이용한 시멘트 융설체의 압축강도 및 휨강도의 측정 결과를 나타내는 도면이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 콘크리트 도로용 탄소나노튜브를 이용한 시멘트 융설체가 평판 패널 형태로 제조된 것을 예시하는 도면이다.
도 7a 및 도 7b는 본 발명의 실시예에 따른 콘크리트 도로용 탄소나노튜브를 이용한 시멘트 융설체에서 CNT 함량이 낮은 경우의 열전도 특성을 예시하는 도면이다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 콘크리트 도로용 탄소나노튜브를 이용한 시멘트 융설체에서 CNT 함량이 적합한 경우의 열전도 특성을 예시하는 도면이다.
도 9a 및 도 9b는 각각 본 발명의 실시예에 따른 콘크리트 도로용 탄소나노튜브를 이용한 시멘트 융설체에서 CNT 함량이 2.80%인 경우 및 3.20%인 경우의 열전도 특성을 예시하는 도면이다.
도 10은 본 발명의 실시예에 따른 콘크리트 도로용 탄소나노튜브를 이용한 시멘트 융설체에서 전기소모량에 따른 발열곡선을 나타내는 도면이다.
도 11은 본 발명의 실시예에 따른 콘크리트 도로용 탄소나노튜브를 이용한 시멘트 융설체의 시공 방법을 나타내는 동작흐름도이다.
도 12는 본 발명의 실시예에 따른 콘크리트 도로용 탄소나노튜브를 이용한 시멘트 융설체에서 CNT 분말이 2.5% 배합된 공시체의 전자현미경 사진이다.

아래에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.

명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.

본 발명의 실시예로서, 전술한 종래 기술에 따른 열전도 효율성 및 환경적 유해성, 과다한 전력소모량 문제 등을 극복하기 위해서 최근 특별한 물성으로 각광받고 있는 나노재료인 탄소나노튜브(Carbon Nanotube)를 이용하여 열전도도가 향상된 시멘트 융설체가 제공된다.

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 콘크리트 도로용 탄소나노튜브를 이용한 시멘트 융설체의 배합을 나타내는 도면이다.

도 3을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 콘크리트 도로용 탄소나노튜브를 이용한 시멘트 융설체(100)는, 시멘트계 결합재(110), 배합수(120), 탄소나노튜브(130) 및 0.5~3wt%의 폴리카본산 계열의 감수제(140)를 포함하며, 여기서, 상기 시멘트계 결합재(100)를 100wt%로 하는 경우, 상기 배합수(120)는 40~50wt%, 상기 탄소나노튜브(130)는 1~3.5wt%, 및 폴리카본산 계열의 감수제(140)는 0.5~3wt% 함유된다.

시멘트계 결합재(110)는 콘크리트 페이스트로서 모재(Base Material)로 사용된다. 즉, 상기 시멘트계 결합재(110)는 소정의 압축강도 및 휨강도를 구현하도록 사용된다.

탄소나노튜브(130)는 이중벽 구조로서 1~3.5wt%가 사용되지만, 발열 효과를 위해서는 2~3.2wt%가 사용되는 것이 바람직하다.

이러한 탄소나노튜브(130)는 탄소 6개로 이루어진 육각형 모향이 서로 연결되어 관 모양을 이루고 있다. 이때, 상기 탄소나노튜브(130)의 관의 지름은 수~수십 나노미터에 불과하며, 이미 알려진 바와 같이, 기계적 강도가 매우 높고, 전기전도성, 열전도성 등이 우수하면서 강철보다 강하고 탄성률이 좋아 잘 휘어지는 성질을 지니고 있다. 또한, 이러한 탄소나노튜브(130)는 속이 비어있기 때문에 철보다 무게가 가볍고, 열전도도는 다이아몬드의 2배, 전기 전도도는 구리의 1,000배로 알려져 있다. 또한, 기존의 탄소섬유가 1%만 변형시켜도 끊어지는 반면에, 본 발명의 실시예에 따른 탄소나노튜브(130)는 15%가 변형되어도 견딜 수 있다고 알려져 있다.

구체적으로, 기존의 흑연을 포함한 탄소 범용소재와 본 발명의 실시예에 따른 탄소나노튜브(130)의 가장 큰 구조적 차이점은 장축비(소재의 길이를 소재의 직경으로 나눈 비)라 할 수 있다. 즉, 본 발명의 실시예에 따른 탄소나노튜브(130)가 기존의 범용 카본 소재인 흑연 및 카본블랙 대비 월등히 높은 장축비를 보유하고 있다.

한편, 통상적으로 모재에 첨가되는 필러(Filler)인 탄소나노튜브, 흑연 및 카본블랙이 소정의 전도성능이나 강도강화 성능을 발현하기 위해서는 이러한 필러소재 간에 네트워킹(Networking)이 형성되어야 하며, 이러한 필러 간에 좋은 네트워킹을 형성하기 위해서는 장축비가 작은 흑연 및 카본블랙보다는 장축비가 월등히 큰 탄소나노튜브가 절대적으로 유리하다. 즉, 장축비가 큰 탄소나노튜브는 적은 량의 함량으로도 우수한 전기전도성을 발현하며, 반면에 장축비가 작은 카본블랙은 탄소나노튜브에 비하면 훨씬 많은 량의 함량이 필요하다. 이러한 개념은 흑연에도 적용될 수 있으나, 탄소나노튜브가 발현하는 전도 성능을 발현하기 위해서는 탄소나노튜브의 함량보다 훨씬 많은 량의 흑연이 필요하게 된다.

전술한 탄소와 탄소나노튜브와의 차이점에 따라, 본 발명의 실시예에서는 탄소나노튜브(130)를 콘크리트 페이스트인 시멘트계 결합재(110)와 일정량의 배합수(120), 폴리카본산 계열의 감수제(140)를 이용하여 배합함으로서, 전술한 작업공정의 문제점 및 열전도 저하 문제점을 용이하게 해결할 수 있다.

다시 말하면, 모재인 시멘트계 결합재(110)에 탄소나노튜브(130)를 배합함으로써, 탄소나노튜브(130)의 주요 특성인 전기전도성과 네트워킹을 이용하여 소량의 전기만으로 저항열을 발생시킴으로써, 열전도가 용이하게 됨은 물론, 나노단위의 탄소나노튜브(130)가 시멘트계 결합재(110)의 공극을 메꿈으로써 일정 기준 이상의 강도를 확보할 수 있다.

폴리카본산 계열(Polycarboxilic)의 감수제(140)는 0.5~3wt%가 사용된다. 여기서, 상기 감수제(water-reducing agent)는 콘크리트의 워커빌리티(workability)의 개선을 주목적으로 하는 혼합제로서, 이를 사용하면 탄소계열 소재가 물을 흡수하는데서 기인한 배합수 과다문제를 해결할 수 있고, 내구성도 개선되는 경우가 많고, 강도까지 향상시킬 수 있다.

후속적으로, 상기 시멘트계 결합재(110), 배합수(120), 탄소나노튜브(130) 및 폴리카본산 계열의 감수제(400)를 혼합한 후, 전류공급용 전선을 배치하여 함께 성형할 수 있다.

본 발명의 실시예에 따른 콘크리트 도로용 탄소나노튜브를 이용한 시멘트 융설체(100)는 탄소나노튜브(130)와 시멘트 페이스트(110) 배합을 통하여 제작되는 발열체로서, 종래의 기술과 비교하면, 적은 전력으로 큰 열전도 효율을 나타낼 수 있고,전기소모량을 절감시킬 수 있으며, 환경 유해성을 최소화시킬 수 있다.

특히, 본 발명의 실시예에서 적용한 배합비를 이용하면 열전도에 유리한 범위의 비저항(0.63Ωcm~1Ωcm)을 확보할 수 있으며, 이때, 압축강도는 21MPa~35MPa, 휨강도는 4.5MPa~6MPa을 확보할 수 있다.

한편, 도 4는 본 발명의 실시예에 따른 콘크리트 도로용 시멘트 융설체에 적합한 탄소나노튜브의 선정을 설명하기 위한 도면이다.

본 발명의 실시예에 따른 콘크리트 도로용 시멘트 융설체에 적합한 탄소나노튜브는 압축강도 및 휨강도와 같은 물리적 특성을 만족해야 하고 체적 저항률 및 열전도도와 같은 전기적 특성을 만족해야 한다. 예를 들면, 도로에 사용되기 위해서는 21MPa 이상의 압축강도이어야 하고, 4.5MPa 이상의 휨강도를 가져야 한다.

따라서 본 발명의 실시예에 따른 콘크리트 도로용 시멘트 융설체에 적용하는데 다중벽 탄소나노튜브 분말이, 도 4에 도시된 바와 같이, 가장 적합한 것으로 알 수 있다.

구체적으로, 탄소나노튜브는 나노단위 소재이므로, 그 용도에 맞게 어떻게 작업하느냐에 따라 다양한 분류될 수 있다. 통상적으로, 업계에서는 탄소나노튜브의 종류는 통상 크게 단일벽 탄소나노튜브와 다중벽 탄소나노튜브로 분류한다. 또한, 이러한 탄소나노튜브가 나노단위이므로 비산성(흩날림) 문제 때문에 쉽게 핸들링하기가 어려워 단위 탄소나노튜브를 압축하여 일정 크기와 중량을 갖는 랩(Wrap) 타입의 탄소나노튜브를 제조하고 있다.

하지만, 단일벽(Single Wall) 탄소나노튜브는 지나치게 고가이기 때문에 경제성 측면에서 채택하기 어렵다. 또한, 상기 랩(Wrap) 타입 탄소나노튜브의 경우, 서로 엉겨 붙는 성질이 있기 때문에 고르게 분산되는데 한계가 있고, 이에 따라 발열성능이 나오지도 않고, 또한 한쪽으로 몰려 있다 보니 강도 역시 원하는 성능이 나오지 않는다는 문제점이 있다.

또한, 다중벽 나노튜브의 경우, 개질 처리하여 사용할 수 있는데, 그 개질 방법에 따라 초음파 처리, 산(Acid) 처리 방법 등이 있다. 이러한 개질 처리를 하는 이유는 탄소나노튜브가 지나치게 완전체이기 때문에 다른 작용기와 화학적 본딩(Bonding)을 이루는데 한계가 있기 때문이다.

이러한 방법으로 개질 처리한 탄소나노튜브로는 계면활성제로 처리하여 수계에 분산한 탄소나노튜브(전기적 특성별로 음이온, 양이온, 비이온으로 구분됨), 계면활성제로 처리하여 알콜계에 분산한 탄소나노튜브 및 산처리 수계 탄소나노튜브 등이 있다.

그러나 상기 수계 탄소나노튜브의 경우, 계면활성제를 넣어 처리해야 하므로, 배합 실험시 거품 때문에 탄소나노튜브의 절대적인 양이 부족하게 되고, 강도 및 발열 성능이 떨어진다는 문제점이 있다. 또한, 상기 알콜계 탄소나노튜브의 경우, 28일이 경과하여도 공시체가 경화되지 않는다는 문제점이 있다.

따라서 본 발명의 실시예에 따른 콘크리트 도로용 시멘트 융설체에 적합한 탄소나노튜브는 이중벽 구조의 탄소나노튜브 분말이 가장 적합한 것으로 밝혀졌다.

한편, 도 5a 및 도 5b는 각각 본 발명의 실시예에 따른 콘크리트 도로용 탄소나노튜브를 이용한 시멘트 융설체의 압축강도 및 휨강도의 측정 결과를 나타내는 도면이다.

본 발명의 실시예에 따른 콘크리트 도로용 탄소나노튜브를 이용한 시멘트 융설체로서, 시멘트계 결합재 함량의 0.2~3.2wt%의 분말 탄소나노튜브가 함유되고, 4 X 16 X 4의 크기를 갖고 28일 양생시킨 콘크리트 공시체에 대해 압축강도 및 휨강도실험이 수행되었다. 이러한 실험은 콘크리트 공시체가 가져야 하는 압축 및 휨강도가 탄소나노튜브를 첨가한 후, 어떻게 변화하는지 대하여 알아보기 위한 것이다. 먼저, 전술한 바와 같이, 도로에 사용되기 위해서는 21MPa 이상의 압축강도이어야 하고, 4.5MPa 이상의 휨강도를 가져야 한다.

구체적으로, 도 5a를 참조하면, 적색 선은 순수 시멘트 페이스트 압축강도를 나타내고, 청색 선은 탄소나노튜브를 첨가한 시멘트 페이스트의 압축강도를 나타낸다. 도 5a에 도시된 바와 같이, 28일 양생한 탄소나노튜브 공시체의 압축강도는 분말 탄소나노튜브를 시멘트 페이스트 중량대비 0.2%를 첨가하였을 때, 가장 큰 강도를 나타내는 것을 알 수 있다. 또한, 0.2%를 초과하였을 때 압축강도는 점차 감소하며, 3.2%가 되었을 때는 시멘트 페이스트의 강도보다 약 38%가 감소하는 것을 알 수 있다. 하지만, 3.2% 첨가시의 압축강도는 약 21MPa를 나타내지만, 작업성이 떨어지기 때문에 3.2% 이상의 탄소나노튜브를 첨가하는 것은 바람직하지 않다.

또한, 도 5b를 참조하면, 적색 선은 순수 시멘트 페이스트의 휨강도를 나타내고, 청색 선은 탄소나노튜브를 첨가한 시멘트 페이스트의 휨강도를 나타낸다. 도 5b에 도시된 바와 같이, 28일 양생한 탄소나노튜브 공시체의 휨강도는 분말 탄소나노튜브를 시멘트 페이스트 중량대비 0.2%~0.5를 첨가하였을 때, 가장 큰 강도를 나타낸다. 또한. 0.5%를 초과하였을 때는 점차 감소하며, 2.5%가 되었을 때4.5MPa가 되었다. 이때, 3.2% 첨가시의 휨강도는 약 3.5MPa로 4.5MPa보다 1MPa이 작은 것을 알 수 있다.

한편, 도 6은 본 발명의 실시예에 따른 콘크리트 도로용 탄소나노튜브를 이용한 시멘트 융설체가 평판 패널 형태로 제조된 것을 예시하는 도면이다.

본 발명의 실시예에 따른 콘크리트 도로용 탄소나노튜브를 이용한 시멘트 융설체(100)는 전술한 바와 같이 시공을 용이하게 하면서 소정의 압축 강도 및 휨강도를 갖도록 평판 패널 형태로 제조된다.

구체적으로, 시멘트 융설체(100)의 내부에는 전류 공급용 전선(200)이 미리 배치된 상태에서 성형되고, 상기 시멘트 융설체(100)를 감싸도록 절연층(300)이 형성된다. 즉, 또한, 소정의 압축강도 및 휨강도를 갖는 시멘트 융설체(100)가 평판 형태로 배치되기 때문에, 전술한 종래의 기술과 비교하면, 설치홈을 형성할 필요가 없고, 이에 따라 시공이 간편해진다.

한편, 본 발명의 실시예에 따른 콘크리트 도로용 탄소나노튜브를 이용한 시멘트 융설체에서, 탄소나노튜브 첨가에 따른 콘크리트 공시체의 온도변화를 알아보기 위한 실험이 수행되었다.

도 7a 및 도 7b는 본 발명의 실시예에 따른 콘크리트 도로용 탄소나노튜브를 이용한 시멘트 융설체에서 CNT 함량이 낮은 경우의 열전도 특성을 예시하는 도면이고, 도 8은 본 발명의 실시예에 따른 콘크리트 도로용 탄소나노튜브를 이용한 시멘트 융설체에서 CNT 함량이 적합한 경우의 열전도 특성을 예시하는 도면이며, 도 9a 및 도 9b는 각각 본 발명의 실시예에 따른 콘크리트 도로용 탄소나노튜브를 이용한 시멘트 융설체에서 CNT 함량이 2.80%인 경우 및 3.20%인 경우의 열전도 특성을 예시하는 도면이다.

먼저, 탄소나노튜브가 0~1.9wt% 첨가된 콘크리트 공시체의 경우, 통전할지라도 도 7a 및 도 7b에 도시된 바와 같이, 온도의 변화가 거의 없다는 것을 알 수 있다.

또한, 탄소나노튜브가 2.0wt% 이상 첨가된 콘크리트 공시체의 경우, 통전시 와트수에 따라 온도의 변화가 발생하며, 도 8은 탄소나노튜브를 첨가한 퍼센트(%)와 통전 와트수(w)에 따른 분당 온도변화율의 최대값을 나타낸다.

또한, 도 8에서 효율이 가장 좋은 것으로 나타난 탄소나노튜브가 각각 2.8% 및 3.2% 첨가된 콘크리트 공시체에 대해서 30분 동안 1w~40w까지 통전하였을 때의 온도변화는 도 9a 및 도 9b에 도시된 바와 같다.

한편, 도 10은 본 발명의 실시예에 따른 콘크리트 도로용 탄소나노튜브를 이용한 시멘트 융설체에서 전기소모량에 따른 발열곡선을 나타내는 도면이다.

본 발명의 실시예에 따른 콘크리트 도로용 탄소나노튜브를 이용한 시멘트 융설체에서, 탄소나노튜브가 3.2% 첨가된 콘크리트 공시체의 경우, 도 10에 도시된 바와 같이, -7도의 시작온도에서 30분 동안 1~100w까지의 온도변화에 따라 6분 동안 78가 증가하고, 분당 15.8도가 증가하는 것을 알 수 있다.

한편, 도 11은 본 발명의 실시예에 따른 콘크리트 도로용 탄소나노튜브를 이용한 시멘트 융설체의 시공 방법을 나타내는 동작흐름도이다.

도 11을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 콘크리트 도로용 탄소나노튜브를 이용한 시멘트 융설체의 시공 방법은, 먼저, 50wt%의 시멘트계 결합재(110), 44~48.5wt%의 배합수(120), 1~3.5wt%의 탄소나노튜브(130) 및 0.5~3wt%의 폴리카본산 계열의 감수제(140)를 배합한다(S110).

다음으로, 전류공급용 전선을 배치한다(S120). 즉, 상기 시멘트계 결합재(110), 배합수(120), 탄소나노튜브(130) 및 폴리카본산 계열의 감수제(140)의 투입 전에 성형챔버 내부에 전류공급용 전선(200)을 먼저 배치함으로써, 경화된 시멘트 융설체(100)에 전류공급용 전선(200)이 매입된 구조로 성형이 이루어지게 한다.

다음으로, 소정 압축강도, 예를 들면, 전술한 21MPa 이상의 압축강도를 갖는 평판 형태의 시멘트 융설체를 프리캐스트 제조한다(S130).

다음으로, 콘크리트 도로, 예를 들면, 표층에 프리캐스트 시멘트 융설체를 배치하고, 콘크리트 도로를 시공한다(S140).

한편, 도 12는 본 발명의 실시예에 따른 콘크리트 도로용 탄소나노튜브를 이용한 시멘트 융설체에서 CNT 분말이 2.5% 배합된 공시체의 전자현미경 사진이다.

도 12의 a) 내지 g)에 도시된 바와 같이, 녹색으로 표현되어 있는 것들이 해당 원소(왼쪽부터 원이미지, C-탄소, O-산소, Mg-마그네슘, Al-알루미늄, Si-규소, Ca-칼슘)들의 분포를 확인할 수 있다.

구체적으로, 회색으로 되어 있는 첫 번째 그림이 원이미지이고, 본 발명의 실시예에 따른 콘크리트 도로용 탄소나노튜브를 이용한 시멘트 융설체에서, 시멘트가 첨가되기 때문에 Ca-칼슘과 Si-규소가 가장 많이 함유된 것을 알 수 있다.

또한, 도 12의 b)에 도시된 바와 같이, C-탄소(탄소나노튜브)는 고르게 분포되어 있음을 알 수 있고, 이러한 이유로 전기전도성에 의한 저항열이 발생하는 것을 알 수 있다.

결국, 본 발명의 실시예에 따른 콘크리트 도로용 탄소나노튜브를 이용한 시멘트 융설체의 경우, 탄소나노튜브(CNT)와 같은 나노재료를 이용하여 열전도도가 향상된 시멘트 융설체를 제공하되, 소정 압축강도를 갖는 평판 패널 형태로 제작함으로써 콘크리트 도로에 적합한 압축강도로 제설 및 제빙에 사용할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 콘크리트 도로용 탄소나노튜브를 이용한 시멘트 융설체의 경우, 탄소나노튜브(CNT)와 시멘트 페이스트 배합을 통하여 발열체를 제작함으로써, 적은 전력으로 큰 열전도 효율을 나타낼 수 있고, 또한, 환경 유해성을 최소화하며, 시공 기간을 단축시킬 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 콘크리트 도로용 탄소나노튜브를 이용한 시멘트 융설체의 경우, 자동감지 온도센서와 결빙센서를 이용하여 기준으로 정한 일정온도가 감지되면, 자동으로 통전시키고 멜팅(Melting) 온도로 정한 임계값에 다다르면 자동으로 전원이 차단되는 시스템으로 구현될 수 있다.

전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.

본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

100: 시멘트 융설체
110: 시멘트계 결합재(모재)
120: 결합수
130: 탄소나노튜브
140: 폴리카본산 계열 감수제

Claims

탄소나노튜브가 함유된 콘크리트 도로용 시멘트 융설체의 시공 방법에 있어서,
a) 시멘트계 결합재, 배합수, 탄소나노튜브 및 폴리카본산 계열의 감수제를 배합하는 단계;
b) 전류공급용 전선을 배치하여 상기 시멘트계 결합재, 배합수, 탄소나노튜브 및 폴리카본산 계열의 감수제와 함께 성형하는 단계;
c) 소정 압축강도를 갖는 평판 형태의 시멘트 융설체를 프리캐스트 제조하는 단계; 및
d) 콘크리트 도로의 표층에 프리캐스트 시멘트 융설체를 설치하는 단계
를 포함하되,
상기 a) 단계의 배합수는 상기 시멘트계 결합재 100wt%에 대하여 40~50wt%의 함량이 혼합되고, 상기 탄소나노튜브는 1~3.5wt%의 함량이 혼합되며, 상기 폴리카본산 계열의 감수제는 0.5~3wt%의 함량이 혼합되며, 상기 탄소나노튜브는 이중벽(Double Wall) 구조인 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브가 함유된 콘크리트 도로용 시멘트 융설체의 시공 방법.
삭제
제1항에 있어서,
상기 a) 단계의 시멘트 결합재는 상기 시멘트 융설체의 모재(Base Material) 역할을 하는 콘크리트 페이스트(Concrete Paste)인 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브가 함유된 콘크리트 도로용 시멘트 융설체의 시공 방법.
제1항에 있어서,
상기 c) 단계에서 상기 시멘트 융설체를 감싸는 절연층이 형성되는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브가 함유된 콘크리트 도로용 시멘트 융설체의 시공 방법.
제1항에 있어서,
상기 c) 단계의 시멘트 융설체는 21MPa 이상의 압축강도 및 4.5MPa 이상의 휨강도를 갖는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브가 함유된 콘크리트 도로용 시멘트 융설체의 시공 방법.