KR102362236B1 - 자기감지 성능을 이용한 초고성능 콘크리트의 내구성 모니터링 시스템 - Google Patents
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Abstract
본 발명의 일 실시예는 도전성 탄소를 포함하는 초고성능 콘크리트; 상기 초고성능 콘크리트에 전기신호를 인가하는 전원부; 상기 초고성능 콘크리트에 전기적으로 연결되며, 상기 초고성능 콘크리트에서 출력된 전기신호를 감지하는 감지부; 및 상기 감지부에 전기적으로 연결되며, 상기 감지부로부터 수신한 저항 정보를 이용하여 상기 초고성능 콘크리트의 내구성을 판단하는 측정부;를 포함하는, 초고성능 콘크리트의 내구성 모니터링 시스템을 제공한다.
Description
본 발명은 초고성능 콘크리트의 모니터링 시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 초고성능 콘크리트에 도전성 탄소를 투입함에 따라 자기감지 성능을 구현하고, 초고성능 콘크리트의 저항 분율 변화를 측정하여 내구성을 모니터링하는 시스템에 관한 것이다.
콘크리트는 우수한 강도 내지 내구성을 갖고, 가격 대비 성능도 우수하여 사회기반시설을 건축하는데 가장 널리 이용되고 있는 건축재료이다. 그러나 다른 건축재료와 같이 크리프, 수축, 자연재해, 부식, 동결융해, 응력, 화재 등으로 인하여 그 내구성이 감소할 수 있다. 최근에는 노령화된 사회기반시설이 증가함에 따라 콘크리트 구조물의 내구성을 판단하는 방법에 대한 요구가 증가하고 있다.
콘크리트 구조물의 내구성을 판단할 수 있는 방법에 있어서 중요한 기술적 과제는 구조물에 미치는 영향을 최소화하면서 콘크리트의 내구성을 판단하는 것이다. 비파괴검사 내지 코어 채취법과 같은 기존의 방법들은 구조물에 미치는 영향이 적다는 장점이 있으나, 이러한 방법들을 수행하기 위해서는 다양한 장소에서 여러 번의 시험을 실시해야 하므로 과도한 시간과 비용이 소요된다는 단점이 있다. 또한, 비파괴검사 내지 코어 채취법은 시간과 비용이 과도하게 소요되므로 정기적인 검사가 어렵다는 단점이 있다.
최근 비파괴검사 내지 코어 채취법의 한계를 극복하기 위하여 다양한 시도가 이루어지고 있다. 그 중 자기감지 콘크리트(self sensing concrete, SSC)는 충전재 또는 센서를 콘크리트 내부에 혼입함으로써 정기적으로 콘크리트의 물성을 측정할 수 있다.
예를 들어, F. Azhari, N. Banthia에 의해 발표된 논문("Cement-based sensors with carbon fibers and carbon nanotubes for piezoresistive sensing." Cement and Concrete Composites 34.7 (2012): 866-873.)은 탄소섬유 및 탄소나노튜브를 혼입하여 콘크리트의 전기전도성을 개선함으로써 콘크리트의 내구성을 판단하는 방법을 개시하고 있다.
그러나 자기감지 콘크리트의 강도 내지 내구성 등 기계적 물성과 전기전도성 등 전기적 물성은 상충관계(tradeoff)에 놓이게 되므로, 도전성 물질을 혼입함에 따라 우수한 강도 내지 내구성을 상실할 수 있다. 따라서, 콘크리트 본연의 기계적 물성을 유지 내지 개선하면서 전기적 물성을 부여할 수 있는 물질의 개발이 요구된다.
F. Azhari, N. Banthia 외, Cement and Concrete Composites 34.7 (2012)
본 발명은 전술한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은 초고성능 콘크리트에 도전성 탄소를 투입함에 따라 자기감지 성능을 구현하고, 초고성능 콘크리트의 저항 분율 변화를 측정하여 내구성을 모니터링하는 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명의 일 측면은 도전성 탄소를 포함하는 초고성능 콘크리트; 상기 초고성능 콘크리트에 전기신호를 인가하는 전원부; 상기 초고성능 콘크리트에 전기적으로 연결되며, 상기 초고성능 콘크리트에서 출력된 전기신호를 감지하는 감지부; 및 상기 감지부에 전기적으로 연결되며, 상기 감지부로부터 수신한 저항 정보를 이용하여 상기 초고성능 콘크리트의 내구성을 판단하는 측정부;를 포함하는, 초고성능 콘크리트의 내구성 모니터링 시스템을 제공한다.
일 실시예에 있어서, 상기 초고성능 콘크리트는 초고성능 콘크리트 조성물로 제조되며, 상기 초고성능 콘크리트 조성물은 물-결합재비(W/B)가 0.2 내지 0.25이며, 시멘트, 도전성 탄소, 결합재, 채움재, 감수제, 강섬유 및 물을 포함하고, 3일간 60℃의 조건에서 양생되거나, 2일간 90℃의 조건에서 양생한 후 재령 3일 또는 4일의 압축강도가 150 MPa 이상 발현될 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 도전성 탄소는 그래핀, 탄소섬유, 탄소나노와이어, 탄소나노튜브, 단일벽 탄소나노튜브, 다중벽 탄소나노튜브, 다발형 탄소나노튜브 및 이들 중 2 이상의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나를 포함할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 도전성 탄소의 겉보기 밀도는 0.01 내지 0.07 g/mL일 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 결합재는 실리카 흄, 실리카 샌드, 고로슬래그, 플라이애시 및 이들 중 2이상의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나일 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 채움재는 회수 더스트, 전기로 제강 더스트, 주물 더스트, 석영 미분말, 석회석 미분말, 석분 및 이들 중 2 이상의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나일 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 시멘트 100중량부에 대하여, 상기 결합재의 함량은 120 내지 150중량부, 상기 채움재의 함량은 20 내지 50중량부, 상기 감수제의 함량은 1 내지 10중량부, 상기 물의 함량은 15 내지 35중량부, 상기 도전성 탄소의 함량은 1 내지 10중량부일 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 매트릭스 총량을 기준으로, 상기 강섬유의 함량은 1 내지 3부피%일 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 초고성능 콘크리트 조성물은 60 내지 90℃ 조건에서 양생한 후 ASTM D-257 규정에 따라 측정된 표면저항이 500 Ω/sq 이하일 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 측정부는 상기 감지부로부터 상기 저항 정보를 수신하고, 하기 수학식 1로 정의되는 저항의 분율 변화(fractional change in resistance, FCR)를 계산하여, 상기 초고성능 콘크리트의 내구성을 판단하는 분석부; 및 상기 분석부에서 계산한 저항의 분율 변화를 표시하는 출력부;를 포함할 수 있다.
[수학식 1]
FCR(%) = (R-R0)/R0 x 100
여기서, R은 응력이 변화한 초고성능 콘크리트의 표면저항을 의미하고, R0는 응력이 변화하기 전 초고성능 콘크리트의 표면저항을 의미한다.
일 실시예에 있어서, 상기 초고성능 콘크리트의 내구성 모니터링 시스템은 상기 초고성능 콘크리트와 상기 전원부를 전기적으로 연결하는 연결부;를 더 포함할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 연결부는 콘크리트 구조물에 배근된 철근을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 초고성능 콘크리트에 도전성 탄소를 투입함에 따라 자기감지 성능을 구현하고, 초고성능 콘크리트의 저항 분율 변화를 측정하여 내구성을 모니터링할 수 있다.
본 발명의 효과는 상기한 효과로 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 상세한 설명 또는 청구범위에 기재된 발명의 구성으로부터 추론 가능한 모든 효과를 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예 및 비교예에 따라 제조된 공시체를 대상으로 압축시험한 결과 및 초고성능 콘크리트 저항의 분율 변화다.
이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명을 설명하기로 한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며, 따라서 여기에서 설명하는 실시예로 한정되는 것은 아니다. 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 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 부재를 사이에 두고 "간접적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다. 또한 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 구비할 수 있다는 것을 의미한다.
본 명세서에서 수치적 값의 범위가 기재되었을 때, 이의 구체적인 범위가 달리 기술되지 않는 한 그 값은 유효 숫자에 대한 화학에서의 표준규칙에 따라 제공된 유효 숫자의 정밀도를 갖는다. 예를 들어, 10은 5.0 내지 14.9의 범위를 포함하며, 숫자 10.0은 9.50 내지 10.49의 범위를 포함한다.
명세서에 기재된 “…부”, “…모듈” 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어 또는 소프트웨어로 구현되거나 하드웨어와 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.
본 명세서에서 기재된 중량백분율은 별도의 기재가 없는 한 초고성능 콘크리트 조성물 전체 중량을 기준으로 정하며, 중량부는 별도의 기재가 없는 한 포틀랜드 시멘트 100중량부를 기준으로 정한다. 또한, 본 명세서에서 기재된 부피백분율은 별도의 기재가 없는 한 매트릭스의 부피를 기준으로 정한다.
본 명세서에서 사용된 용어, "매트릭스(matrix)"는 일반적으로 2종 이상의 성분을 포함하는 복합물에서 연속상을 구성하는 성분을 의미하며, 본 명세서에서는 초고성능 콘크리트 조성물에서 연속상을 구성하는 성분을 뜻한다. 예를 들어, 콘크리트 조성물 중의 시멘트가 이러한 매트릭스를 구성할 수 있다.
본 명세서에서 사용된 용어, "콘크리트(concrete)"는 고성능 콘크리트, 초고성능 콘크리트, 섬유보강 콘크리트, 레미콘 등을 포함하는 광의의 콘크리트를 의미한다.
본 명세서에서 사용된 용어, "초고성능 콘크리트(ultra high performance concrete)"는 압축강도가 150 MPa 이상인 콘크리트를 의미한다.
본 명세서에서 사용된 용어, "자기감지 콘크리트(self sensing concrete)"는 콘크리트 내부에 충전재 또는 센서를 투입하여 콘크리트의 물성을 측정할 수 있는 콘크리트를 의미한다.
본 명세서에서 사용된 용어, "작업성(workability)"은 콘크리트의 시공공정에서 재료의 분리를 발생시키지 않음과 동시에 시공에 적합한 연도를 가지는 콘크리트의 성질을 의미한다.
본 명세서에서 사용된 용어 "피에조저항효과(Piezoresistive effect)"란 반도체 또는 금속에 가해지는 외력의 변화에 따라 반도체 또는 금속의 저항이 증가 또는 감소하는 효과를 의미한다.
본 명세서에서 사용된 용어, "전기양생(electric curing)"은 직류 또는 교류 전원을 인가하여 발생하는 전열을 이용하여 콘크리트를 촉진 양생하는 방법을 의미한다.
이하, 첨부된 도면을 참고하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
초고성능 콘크리트의 내구성 모니터링 시스템
본 발명의 일 측면에 따른 초고성능 콘크리트의 내구성 모니터링 시스템은, 초고성능 콘크리트; 상기 초고성능 콘크리트에 전기신호를 인가하는 전원부; 상기 초고성능 콘크리트에 전기적으로 연결되며, 상기 초고성능 콘크리트에서 출력된 전기신호를 감지하는 감지부; 및 상기 감지부에 전기적으로 연결되며, 상기 감지부로부터 수신한 저항 정보를 이용하여 상기 초고성능 콘크리트의 내구성을 판단하는 측정부;를 포함할 수 있다. 콘크리트의 기계적 물성과 전기적 물성은 상충관계에 있으므로, 종래에는 두 종류의 물성을 모두 구현할 수 있는 콘크리트를 제공할 수 없었다. 이에 따라 실무적으로는 자기감지 성능을 갖는 일반적인 강도의 콘크리트를 사용하여 부분적으로 자기감지 성능을 구현하고 있는 상황이었다.
그러나 자기감지 성능을 갖는 일반적인 강도의 콘크리트와 초고성능 콘크리트를 병용하여 구조물을 건축하는 경우, 양 물질 사이 기계적 물성이 상이하여 기계적 물성이 떨어지는 콘크리트에 일방적으로 응력이 가해져 구조물이 붕괴될 위험이 있다.
따라서, 콘크리트 본연의 기계적 물성을 유지 내지 개선하면서 전기적 물성을 부여할 수 있는 물질의 개발이 요구된다.
대한민국 등록특허공보 제10-1888481호는 초단유리섬유와 강섬유를 혼입하여 우수한 기계적 물성을 유지하면서 자기감지 성능을 보유한 콘크리트를 개시하고 있다. 다만, 대한민국 등록특허공보 제10-1888481호에서 개시하는 콘크리트는 그 압축강도가 94 내지 122 MPa에 불과하다.
본 발명에 따라 제조된 초고성능 자기감지 콘크리트는 그 내부에 분산된 도전성 탄소에 의하여 자기감지 성능을 가질 뿐만 아니라, 우수한 열전도성으로 용이하게 고온의 양생 조건을 구현하여 우수한 압축강도를 가질 수 있다.
일반적인 초고성능 콘크리트는 5 MΩ을 넘는 높은 저항특성을 가지므로, 균열 등이 발생하여도 별도의 저항 변화가 없다. 따라서, 이러한 초고성능 콘크리트의 균열을 감지하기 위해서는 별도의 센서 등 감지수단을 구비하여야 한다. 그러나, 본 발명의 일 실시예에 따른 상기 초고성능 자기감지 콘크리트는 매트릭스 내부에 도전성 탄소가 상호 밀접하게 연결되어 낮은 저항을 나타내며, 이 때 항복으로 인해 균열이 발생하면 섬유 간 연결이 파괴되어 저항이 급격히 증가할 수 있다. 이러한 저항 변화를 측정하여 별도의 센서 없이도 상기 콘크리트의 내구성을 측정할 수 있다.
상기 초고성능 콘크리트는 초고성능 콘크리트 조성물로 제조되며, 상기 초고성능 콘크리트 조성물은 물-결합재비(W/B)가 0.2 내지 0.25이며, 시멘트, 도전성 탄소, 결합재, 채움재, 감수제, 강섬유 및 물을 포함하고, 3일간 60℃의 조건 또는 2일간 90℃의 조건에서 양생한 후 재령 3일 또는 4일의 압축강도가 150 MPa 이상, 또는 180 MPa 이상 발현될 수 있다. 예를 들어, 60℃에서 3일 양생 이후 재령 3일 또는 4일의 압축강도가 150 MPa 이상일 수 있고, 90℃에서 2일 양생 이후 재령 3일 또는 4일의 압축강도가 150 MPa 이상일 수 있다.
상기 도전성 탄소는 그래핀, 탄소섬유, 탄소나노와이어, 탄소나노튜브, 단일벽 탄소나노튜브, 다중벽 탄소나노튜브, 다발형 탄소나노튜브 및 이들 중 2 이상의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나를 포함할 수 있고, 바람직하게는, 다중벽 탄소나노튜브를 포함할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
이러한 도전성 탄소는 부도체인 초고성능 콘크리트에 전기 전도성 내지 피에조저항효과를 부여하기 위한 물질로서, 강섬유와 함께 망상구조(network)를 형성하여 초고성능 콘크리트에 전자파 차폐효과를 부여할 수도 있다.
본 발명의 비제한적인 일 예시로, 상기 도전성 탄소는 다중벽 탄소나노튜브, 특히 본 발명의 출원인이 선출원한 '연속식 공정을 이용한 다중벽 탄소나노튜브의 제조방법(출원번호 : 제10-2018-0024472호)'에 따라 제조된 다중벽 탄소나노튜브일 수 있다.
이러한 다중벽 탄소나노튜브는 응집되어 다발형 탄소나노튜브로 존재할 수 있다. 상기 다발형 탄소나노튜브는 기본적으로 복수의 탄소나노튜브, 바람직하게는, 복수의 다중벽 탄소나노튜브가 상호 응집된 형태로 존재할 수 있다. 각각의 탄소나노튜브 및 그 집합체는 직선형, 곡선형, 또는 이들이 혼합된 형태일 수 있다.
이 때, 다발형 탄소나노튜브의 평균 다발 직경이 0.5 ㎛ 이상, 1.5 ㎛ 이상, 또는 2.5 ㎛ 이상이고, 20 ㎛ 이하, 19 ㎛ 이하, 또는 18 ㎛ 이하일 수 있으며, 평균 다발 길이가 10 ㎛ 이상, 20 ㎛ 이상, 또는 30 ㎛ 이상이고, 200 ㎛ 이하, 190 ㎛ 이하, 또는 180 ㎛ 이하일 수 있다. 또한, 상기 다중벽 탄소나노튜브의 라만 분광 강도비(IG/ID)가 0.7 이상, 0.8 이상, 또는 0.9 이상이고, 1.5 이하, 1.4 이하, 또는 1.3 이하일 수 있고, 평균 직경은 5 nm 이상, 7 nm 이상, 또는 9 nm 이상이고, 50 nm 이하, 48 nm 이하, 또는 46 nm 이하일 수 있다.
상기 도전성 탄소의 겉보기 밀도는 0.01 g/mL 이상, 0.02 g/mL 이상, 또는 0.03 g/mL 이상이고, 0.07 g/mL 이하, 0.06 g/mL 이하, 또는 0.05 g/mL 이하일 수 있다. 상기 도전성 탄소의 겉보기 밀도가 0.01 g/mL 미만이면 과도한 비산 문제가 발생할 수 있고, 0.07 g/mL 초과이면 초고성능 콘크리트 조성물 배합 시 도전성 탄소의 분산성이 저하될 수 있다.
상기 결합재는 실리카 흄(silica fume), 실리카 샌드(silica sand), 고로슬래그, 플라이애시 및 이들 중 2이상의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나일 수 있고, 바람직하게는, 실리카 흄 및 실리카 샌드의 조합일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 이러한 결합재는 입자 간 마찰이 적어 초고성능 콘크리트 조성물의 유동성을 향상시킬 수 있으며, 초고성능 콘크리트 내부의 공극을 메워 밀실한 구조를 형성함으로써 초고성능 콘크리트의 내구성을 향상시킬 수 있다. 아울러, 석회석 미분말과 같은 채움재와 포졸란 반응을 일으켜 초고성능 콘크리트의 수밀성을 향상시킬 수 있다.
상기 채움재는 회수 더스트, 전기로 제강 더스트, 주물 더스트, 석영 미분말, 석회석 미분말, 석분 및 이들 중 2 이상의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나일 수 있고, 바람직하게는, 석영 미분말일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 이러한 채움재는 초고성능 콘크리트 내부의 공극을 메워 밀실한 구조를 형성함으로써 초고성능 콘크리트의 내구성을 향상시킬 수 있다.
본 발명의 비제한적인 일 예시로, 상기 감수제는 고성능감수제일 수 있다. 고성능감수제는 시멘트 입자를 강하게 분산시킬 수 있기에 초고성능 콘크리트의 작업성을 향상시킬 수 있다. 아울러, 물-결합재비(W/B)를 낮추어 초고성능 콘크리트의 내구성을 향상시킬 수 있다.
본 발명의 비제한적인 일 예시로, 상기 양생 조건은 60℃ 이상, 65℃ 이상, 또는 70℃ 이상이고, 90℃ 이하, 85℃ 이하, 또는 80℃ 이하일 수 있다. 양생 조건은 건설 현장의 온도 및 습도 등을 고려하여 전술한 범위에서 조절될 수 있으며, 상기 양생온도 조건이 과도하게 낮으면 수화 반응이 저하되어 초고성능 콘크리트의 내구성이 감소할 수 있고, 과도하게 높으면 수분이 증발함에 따라 공극을 형성하여 초고성능 콘크리트 내부에 균열이 발생할 수 있다.
이 때, 상기 양생은 전기양생, 전열양생, 가압양생, 고주파양생, 증기양생, 오토클레이브양생 및 이들 중 2 이상의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나에 의하여 수행될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 시멘트 100중량부에 대하여, 상기 결합재의 함량은 120중량부 이상, 125중량부 이상, 또는 130중량부 이상이고, 150중량부 이하, 145중량부 이하, 또는 140중량부 이하일 수 있고, 상기 채움재의 함량은 20중량부 이상, 25중량부 이상, 또는 30중량부 이상이고, 50중량부 이하, 45중량부 이하, 또는 40중량부 이하일 수 있고, 상기 감수제의 함량은 1중량부 이상, 2중량부 이상, 또는 3중량부 이상이고, 10중량부 이하, 9중량부 이하, 또는 8중량부이하일 수 있고, 상기 물의 함량은 15중량부 이상, 17중량부 이상, 또는 19중량부 이상이고, 35중량부 이하, 33중량부 이하, 또는 31중량부 이하일 수 있다.
본 발명의 비제한적인 일 예시로, 상기 도전성 탄소의 함량은 1중량부 이상, 2중량부 이상, 또는 3중량부 이상이고, 10중량부 이하, 9중량부 이하, 또는 8중량부 이하일 수 있다. 도전성 탄소의 함량은 구현하고자 하는 초고성능 콘크리트의 재료적 특성, 예를 들면, 표면저항, 전자파 차폐효과, 압축강도 등을 고려하여 전술한 범위에서 조절될 수 있다. 상기 도전성 탄소의 함량이 1중량부 미만이면 초고성능 콘크리트의 재료적 특성이 저하될 수 있고, 10중량부 초과이면 초고성능 콘크리트 본연의 기계적 물성을 저하시킬 수 있다.
상기 강섬유의 함량은 상기 시멘트를 기준으로 1부피% 이상, 1.2부피% 이상, 또는 1.4부피% 이상이고, 3부피% 이하, 2.8부피% 이하, 또는 2.6부피% 이하일 수 있다. 강섬유의 함량은 구현하고자 하는 초고성능 콘크리트의 재료적 특성, 예를 들면, 표면저항, 전자파 차폐효과, 압축강도 등을 고려하여 전술한 범위에서 조절될 수 있다. 상기 강섬유의 함량이 1부피% 미만이면 초고성능 콘크리트의 재료적 특성이 저하될 수 있고, 3부피% 초과이면 초고성능 콘크리트 조성물의 배합 과정에서 믹서기에 과도한 부하를 발생시킬 수 있으며, 강섬유의 높은 가격으로 인하여 경제성이 현저히 떨어질 수 있다.
이러한 강섬유는 초고성능 콘크리트에 내구성 내지 압축강도를 부여하기 위한 물질로서, 도전성 탄소와 망상구조(network)를 형성함으로써 전자파 차폐효과를 구현할 수 있다.
상기 초고성능 콘크리트 조성물은 60 내지 90℃ 조건에서 양생한 후 ASTM D-257 규정에 따라 측정된 표면저항이 500 Ω/sq 이하, 300 Ω/sq 이하, 또는 200 Ω/sq 이하일 수 있다.
이러한 초고성능 콘크리트 조성물은 방재시설 내지 집단에너지시설, 예를 들면, 댐 내지 원자력발전소에 적용될 수 있다.
상기 전원부는 상기 초고성능 콘크리트에 전기적으로 연결되어 가변전압을 인가하는 영역을 의미한다.
상기 감지부는 상기 초고성능 콘크리트에서 출력된 전기신호를 감지하고, 상기 초고성능 콘크리트의 표면저항을 측정하여 저항 정보를 생성하고, 생성된 저항 정보를 상기 측정부에 전달하는 영역을 의미한다. 이러한 감지부는 상기 초고성능 콘크리트에 전기적으로 연결되어, 상기 초고성능 콘크리트의 일 면에 설치될 수 있다. 상기 연결은 전선 등의 유선 연결 외에도 무선 통신기술을 이용한 무선 연결을 의미할 수 있다.
상기 측정부는 상기 감지부로부터 수신한 저항 정보를 이용하여 상기 초고성능 콘크리트의 내구성을 판단하는 영역을 의미한다. 이러한 측정부는 상기 감지부에 전기적으로 연결되어, 상기 감지부로부터 저항 정보를 수신할 수 있다. 상기 연결은 전선 등의 유선 연결 외에도 무선 통신기술을 이용한 무선 연결을 의미할 수 있다.
상기 측정부는 상기 감지부로부터 상기 저항 정보를 수신하고, 하기 수학식 1로 정의되는 저항의 분율 변화(fractional change in resistance, FCR)를 계산하여, 상기 초고성능 콘크리트의 내구성을 판단하는 분석부; 및 상기 분석부에서 계산한 저항의 분율 변화를 표시하는 출력부;를 포함할 수 있다.
[수학식 1]
FCR(%) = (R-R0)/R0 x 100
여기서, R은 응력이 변화한 초고성능 콘크리트의 표면저항을 의미하고, R0는 응력이 변화하기 전 초고성능 콘크리트의 표면저항을 의미한다. 상기 R0는 상기 초고성능 콘크리트를 포함하는 구조물이 제조된 이후 측정한 값일 수 있다. 또는, 상기 R의 측정 전 소정의 시간 동안 측정된 저항 값의 평균일 수 있다.
상기 초고성능 콘크리트에 작용하는 응력은 압력, 회전력, 충격, 수축, 장력, 강도, 융해, 온도, 습도, 결빙 및 마모 등에 의하여 변화할 수 있다. 응력이 변화함에 따라 상기 초고성능 콘크리트 내부에 균열이 발생할 수 있고, 도전성 탄소 내지 강섬유가 형성한 망상구조가 붕괴할 수 있으며, 망상구조가 붕괴함에 따라 상기 초고성능 콘크리트의 저항이 급격하게 증가할 수 있다.
즉, 상기 초고성능 콘크리트 저항의 급격한 변화는 상기 초고성능 콘크리트 내부에 균열이 발생하거나 망상구조가 붕괴함을 의미할 수 있으며, 저항의 급격한 변화를 측정함으로써 상기 초고성능 콘크리트의 내구성을 예측할 수 있다.
상기 분석부는 상기 감지부로부터 상기 저항 정보를 수신하고, 저항의 분율 변화(FCR) 값을 계산하여 소정의 임계값과 비교하고, 상기 분석부에서 계산한 저항의 분율 변화(FCR) 값이 상기 임계값을 넘으면, 상기 출력부를 통하여 경고메시지를 표시할 수 있다. 이러한 분석부는 상기 감지부에 전기적으로 연결되어 배치될 수 있다. 상기 연결은 전선 등의 유선 연결 외에도 무선 통신기술을 이용한 무선 연결을 의미할 수 있다.
상기 임계값은 1% 이상, 10% 이상, 20% 이상, 30% 이상, 또는 40% 이상일 수 있고, 100% 이하, 90% 이하, 80% 이하 또는 70% 이하일 수 있다. 상기 임계값은 사용자에 따라 전술한 범위에서 조절될 수 있다. 상기 임계값이 1% 미만이면 일시적인 응력 변화에 모니터링 시스템이 작동하여 시스템의 신뢰도가 하락할 수 있고, 100% 초과이면 시스템의 정밀도가 하락할 수 있다.
상기 초고성능 콘크리트의 내구성 모니터링 시스템은 상기 초고성능 콘크리트와 상기 전원부를 전기적으로 연결하는 연결부;를 더 포함할 수 있다. 여기서 연결부는 상기 전원부에서 인가되는 가변전압을 상기 초고성능 콘크리트에 전달하는 영역을 의미한다.
상기 연결부는 콘크리트 구조물에 배근된 철근을 포함할 수 있다.
이하, 본 발명의 실시예에 관하여 더욱 상세히 설명하기로 한다. 다만, 이하의 실험 결과는 상기 실시예 중 대표적인 실험 결과만을 기재한 것이며, 실시예 등에 의해 본 발명의 범위와 내용이 축소되거나 제한되어 해석될 수 없다. 아래에서 명시적으로 제시하지 않은 본 발명의 여러 구현예의 각각의 효과는 해당 부분에서 구체적으로 기재하도록 한다.
실시예 1
포틀랜드 시멘트 100중량부, 실리카 흄 25중량부, 실리카 샌드 110중량부, 고성능감수제 5중량부, 석영 미분말 35중량부, 강섬유 2.0부피%, 물 24중량부, 다중벽 탄소나노튜브 분말 1.5중량부를 준비하였다.
포틀랜드 시멘트 100중량부, 실리카 흄 25중량부, 실리카 샌드 110중량부, 고성능감수제 5중량부, 석영 미분말 35중량부, 강섬유 2.0부피%를 믹서기에 투입하고 배합하여 배합물을 제조하였다.
물 24중량부에 상기 다중벽 탄소나노튜브 분말 1.5중량부를 투입하고 초음파를 인가하여 탄소나노튜브 분산액을 제조한 뒤, 상기 배합물에 투입하고 배합함으로써, 초고성능 콘크리트 조성물을 수득하였다.
상기 강섬유의 부피%는 상기 매트릭스 총량을 기준으로 측정하였다.
실시예 2
다중벽 탄소나노튜브 분말을 3.0중량부로 조절한 것을 제외하면, 실시예 1과 동일한 방법으로 초고성능 콘크리트 조성물을 수득하였다.
실시예 3
다중벽 탄소나노튜브 분말을 3.6중량부로 조절한 것을 제외하면, 실시예 1과 동일한 방법으로 초고성능 콘크리트 조성물을 수득하였다.
실시예 4
다중벽 탄소나노튜브 분말을 4.5중량부로 조절한 것을 제외하면, 실시예 1과 동일한 방법으로 초고성능 콘크리트 조성물을 수득하였다.
실시예 5
다중벽 탄소나노튜브 분말을 6중량부로 조절한 것을 제외하면, 실시예 1과 동일한 방법으로 초고성능 콘크리트 조성물을 수득하였다.
비교예 1
강섬유 및 다중벽 탄소나노튜브 분말을 투입하지 않은 것을 제외하면, 실시예 1과 동일한 방법으로 초고성능 콘크리트 조성물을 수득하였다.
비교예 2
다중벽 탄소나노튜브 분말을 투입하지 않은 것을 제외하면, 실시예 1과 동일한 방법으로 초고성능 콘크리트 조성물을 수득하였다.
실험예 1. 저항 성능 측정 실험
다중벽 탄소나노튜브 내지 강섬유를 첨가함에 따른 초고성능 콘크리트의 저항 성능 변화를 측정하기 위하여, 초고성능 콘크리트 조성물을 타설하고 양생하여 와셔(washer) 형상의 공시체를 제조하였다.
제조된 공시체를 대상으로 ASTM D-257 규정에 따라 표면저항을 측정하여 표 1에 나타내었다.
| 구분 | 다중벽 탄소나노튜브의 중량백분율(%) | 강섬유의 부피백분율(%) | 표면저항(Ω/sq) |
| 실시예 1 | 0.5 | 2.0 | 1.6×105 |
| 실시예 2 | 1.0 | 2.0 | 241 |
| 실시예 3 | 1.2 | 2.0 | 30 |
| 실시예 4 | 1.5 | 2.0 | 17 |
| 실시예 5 | 2.0 | 2.0 | 11 |
| 비교예 1 | 0 | 0 | 6×109 |
| 비교예 2 | 0 | 2.0 | 1.5×104 |
표 1을 참고하면, 비교예 1~2에 따라 제조한 초고성능 콘크리트와 비교할 때, 실시예 1~5에 따라 제조한 초고성능 콘크리트는 다중벽 탄소나노튜브 내지 강섬유의 투입량이 증가함에 따라 표면저항이 감소하는 것을 알 수 있다. 특히, 다중벽 탄소나노튜브를 1.2~2.0중량% 투입함과 동시에 강섬유를 2.0부피% 투입한 초고성능 콘크리트는 다중벽 탄소나노튜브와 강섬유가 시너지효과를 나타내어 11~30 Ω/sq의 표면 저항을 나타낸다.
이러한 실험 결과에 따르면, 다중벽 탄소나노튜브와 같은 도전성 탄소 내지 강섬유의 투입량이 클수록 표면저항이 감소하여 초고성능 콘크리트의 전력 내지 발열량을 쉽게 조절할 수 있다. 다시 말하면, 도전성 탄소 내지 강섬유의 투입량을 조절하여 발열량의 조절이 용이한 초고성능 콘크리트를 제공할 수 있다.
표면저항이 감소할수록 그 분율 변화가 두드러지므로, 본 발명에 따른 초고성능 콘크리트의 내구성 모니터링 시스템은 도전성 탄소 내지 강섬유의 투입량을 조절하여 초고성능 콘크리트의 내구성을 정밀하게 판단할 수 있다.
실험예 2. 압축강도 비교 실험
양생법에 따른 초고성능 콘크리트의 내구성 내지 압축강도를 비교하기 위하여, 초고성능 콘크리트 조성물을 타설하고 양생하여 입방 형상의 공시체를 제조하였다.
구체적으로, 실시예 1~5에 따라 수득한 초고성능 콘크리트 조성물을 타설하고, 타설한 다음날 15 V를 15분 동안 인가하여 초고성능 콘크리트 조성물의 내부 온도를 60℃로 조절한 뒤, 3일 동안 초고성능 콘크리트 조성물의 내부 온도를 60℃로 유지한 채 전기양생하여 공시체를 제조하였다.
비교예 2에 따라 수득한 초고성능 콘크리트 조성물은 타설된 다음날 항온항습기를 이용하여 초고성능 콘크리트 조성물의 온도를 60℃로 조절한 뒤, 3일 동안 초고성능 콘크리트 조성물의 온도를 60℃로 유지한 채 증기양생하여 공시체를 제조하였다.
제조된 공시체를 대상으로 KS F 2405 규정에 준하여 압축강도를 측정하여 표 2에 나타내었다.
| 구분 | 다중벽 탄소나노튜브의 중량백분율(%) | 재령 3일 압축강도(MPa) |
| 실시예 1 | 0.5 | 187.390 |
| 실시예 2 | 1.0 | 194.283 |
| 실시예 3 | 1.2 | 196.564 |
| 실시예 4 | 1.5 | 175.486 |
| 실시예 5 | 2.0 | 150.752 |
| 비교예 2 | 0 | 181.064 |
표 2를 참고하면, 비교예 2에 따라 제조한 초고성능 콘크리트와 비교할 때, 실시예 1~5에 따라 제조한 초고성능 콘크리트의 압축강도가 높다는 것을 알 수 있다. 특히, 비교예 2에 따라 제조된 공시체의 압축강도에 비교할 때, 실시예 3에 따라 제조된 공시체의 압축강도는 8.56%나 증가한 것을 알 수 있다.
즉, 동일한 온도 조건이라면, 증기양생법에 따라 제조된 초고성능 콘크리트에 비하여, 전기양생방법에 따라 제조된 초고성능 콘크리트의 압축강도가 우수하다는 것을 알 수 있다. 이는 초고성능 콘크리트 조성물에 실질적으로 전달되는 열량에 차이가 있기 때문이다.
전기양생방법에 따라 제조된 초고성능 콘크리트 내부에는 망상구조가 형성될 수 있다. 여기서, 망상구조는 다중벽 탄소나노튜브와 같은 도전성 탄소 내지 강섬유가 매트릭스 사이 존재하는 빈 공간을 침투하여 형성될 수 있다. 전기양생방법에 따르면 망상구조를 통하여 열을 균일하게 전달할 수 있다. 아울러, 다중벽 탄소나노튜브와 같은 도전성 탄소는 열전도 성능이 매우 우수하기에 열을 효율적으로 전달할 수 있다.
실험예 3. 자기감지 성능 비교 실험
도 1은 실시예 3 및 비교예 2에 따라 제조된 공시체를 대상으로 압축시험한 결과 및 초고성능 콘크리트 저항의 분율 변화(fractional change in resistance, FCR)를 도시한 것이다.
도 1을 참고하면, 공시체에 인가된 압력이 압축강도에 도달한 직후 실시예 3에 따라 제조된 공시체의 FCR이 급격하게 증가하는 반면, 비교예 2에 따라 제조된 공시체의 FCR은 그 변화량이 0에 수렴하는 것을 알 수 있다. 즉, 본 발명에 따른 초고성능 콘크리트는 응력이 변화함에 따라 망상구조가 붕괴하여 FCR이 급격하게 증가할 수 있고, 이는 본 발명에 따른 초고성능 콘크리트가 반도체 또는 금속에 속하지 않음에도 불구하고 피에조저항 효과를 가질 수 있음을 의미한다.
따라서, 사용자는 임계값을 설정하고, 본 발명에 따라 자기감지 성능을 갖는 초고성능 콘크리트를 이용하여 저항의 분율 변화를 측정한 뒤, 두 값을 비교함으로써 초고성능 콘크리트의 내구성을 판단할 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 후술하는 청구범위에 의하여 나타내어지며, 청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
Claims (12)
- 초고성능 콘크리트;
상기 초고성능 콘크리트에 전기신호를 인가하는 전원부;
상기 초고성능 콘크리트에 전기적으로 연결되며, 상기 초고성능 콘크리트에서 출력된 전기신호를 감지하는 감지부; 및
상기 감지부에 전기적으로 연결되며, 상기 감지부로부터 수신한 저항 정보를 이용하여 상기 초고성능 콘크리트의 내구성을 판단하는 측정부;를 포함하고,
상기 초고성능 콘크리트는 시멘트, 도전성 탄소, 결합재, 채움재, 감수제, 강섬유 및 물을 포함하는 초고성능 콘크리트 조성물을 전기양생하여 제조되며,
상기 시멘트 100중량부에 대하여, 상기 도전성 탄소의 함량은 3중량부 초과, 4.5중량부 미만이고,
상기 초고성능 콘크리트 조성물은 물-결합재비(W/B)가 0.2 내지 0.25이며,
3일간 60℃의 조건에서 양생한 후 재령 3일 압축강도가 180 MPa 이상 발현되고,
60 내지 90℃ 조건에서 양생한 후 ASTM D257 규정에 따라 측정된 표면저항이 200 Ω/sq 이하인, 초고성능 콘크리트의 내구성 모니터링 시스템. - 삭제
- 제1항에 있어서,
상기 도전성 탄소는 그래핀, 탄소섬유, 탄소나노와이어, 탄소나노튜브, 단일벽 탄소나노튜브, 다중벽 탄소나노튜브, 다발형 탄소나노튜브 및 이들 중 2 이상의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나를 포함하는, 초고성능 콘크리트의 내구성 모니터링 시스템. - 제1항에 있어서,
상기 도전성 탄소의 겉보기 밀도는 0.01 내지 0.07 g/mL인, 초고성능 콘크리트의 내구성 모니터링 시스템. - 제1항에 있어서,
상기 결합재는 실리카 흄, 실리카 샌드, 고로슬래그, 플라이애시 및 이들 중 2이상의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나인, 초고성능 콘크리트의 내구성 모니터링 시스템. - 제1항에 있어서,
상기 채움재는 회수 더스트, 전기로 제강 더스트, 주물 더스트, 석영 미분말, 석회석 미분말, 석분 및 이들 중 2 이상의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나인, 초고성능 콘크리트의 내구성 모니터링 시스템. - 제1항에 있어서,
상기 시멘트 100중량부에 대하여,
상기 결합재의 함량은 120 내지 150중량부,
상기 채움재의 함량은 20 내지 50중량부,
상기 감수제의 함량은 1 내지 10중량부,
상기 물의 함량은 15 내지 35중량부인, 초고성능 콘크리트의 내구성 모니터링 시스템. - 제1항에 있어서,
상기 시멘트 총량을 기준으로,
상기 강섬유의 함량은 1 내지 3부피%인, 초고성능 콘크리트의 내구성 모니터링 시스템. - 삭제
- 제1항에 있어서,
상기 측정부는 상기 감지부로부터 상기 저항 정보를 수신하고, 하기 수학식 1로 정의되는 저항의 분율 변화(fractional change in resistance, FCR)를 계산하여, 상기 초고성능 콘크리트의 내구성을 판단하는 분석부; 및
상기 분석부에서 계산한 저항의 분율 변화를 표시하는 출력부;를 포함하는, 초고성능 콘크리트의 내구성 모니터링 시스템:
[수학식 1]
FCR(%) = (R-R0)/R0 x 100
여기서, R은 응력이 변화한 초고성능 콘크리트의 표면저항을 의미하고, R0는 응력이 변화하기 전 초고성능 콘크리트의 표면저항을 의미한다. - 제1항에 있어서,
상기 초고성능 콘크리트의 내구성 모니터링 시스템은 상기 초고성능 콘크리트와 상기 전원부를 전기적으로 연결하는 연결부;를 더 포함하는, 초고성능 콘크리트의 내구성 모니터링 시스템. - 제11항에 있어서,
상기 연결부는 콘크리트 구조물에 배근된 철근을 포함하는, 초고성능 콘크리트의 내구성 모니터링 시스템.
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