KR102455466B1 - 알루미늄에 의한 발포 팽창이 제어되는 시멘트 기반 전도성 조성물 - Google Patents

Abstract

본 발명은 알루미늄이 혼입되어 전도성을 확보된 시멘트 페이스트, 모르타르, 콘크리트 등의 시멘트 기반 조성물에 관한 것으로서, 알루미늄 표면을 코팅하여 수산화칼슘과 알루미늄의 반응에 의한 발포 팽창을 억제하고, 알루미늄 혼입에 의한 물성(유동성, 압축강도 등) 저하가 최소화되는 시멘트 기반 전도성 조성물에 관한 것이다.
본 발명은 「표면이 코팅처리된 알루미늄 편(片)이 시멘트 100중량부 대비 20~25중량부 혼합되어 알루미늄의 발포 팽창이 제어되는 시멘트 기반 전도성 조성물」을 제공한다.

Description

알루미늄에 의한 발포 팽창이 제어되는 시멘트 기반 전도성 조성물{Cement-based conductive composite controlled the expansion by aluminum}

본 발명은 알루미늄이 혼입되어 전도성을 확보된 시멘트 페이스트, 모르타르, 콘크리트 등의 시멘트 기반 조성물에 관한 것으로서, 알루미늄 표면을 코팅하여 수산화칼슘과 알루미늄의 반응에 의한 발포 팽창을 억제하고, 알루미늄 혼입에 의한 물성(유동성, 압축강도 등) 저하가 최소화되는 시멘트 기반 전도성 조성물에 관한 것이다.

세계 건설업계의 트렌드는 '효율'에서 '안전' 중심으로 변화하고 있으며, 국내 건설업계 또한 이와 같은 흐름에 편승하고 있는 추세이다. 국내의 경우 다수의 산간과 하천이 존재하는 지형 특성상 대부분의 도로가 안개, 강우, 폭설 등의 자연재해에 취약하여 직접적 사고 및 2차 사고 등의 발생 위험이 높은 상황이다.

이와 함께 지구 온난화 등의 영향으로 지난 80년간 겨울은 점점 짧아지는 반면, 국지성 기습강설 등의 이상기후 징후는 지속적으로 증가하고 있다. 또한, 대설, 풍랑 등의 겨울철 자연재난 발생 빈도가 최근 10년간 계속 늘어나고 있으며, 영하권 온도의 지속으로 인한 빙판길 사고 발생률도 높아지는 형국이다. 이러한 상황에서 최근 5년간 국내에서는 도로 결빙 사고로 199명이 사망하였으며, 북유럽 국가의 경우 결빙 시 사고 비율이 건조 시에 비해 4배 이상 높아지고 치사율은 두 배 이상 증가하는 것으로 조사되었다.

이와 같은 결빙 사고로 인한 인명피해를 막기 위해 모래, 염화칼슘 등의 살포와 제설차 및 인력 운용을 통한 제설 및 제빙 대책이 시행되고 있다. 모래 포설의 경우, 모래에 의한 배수로 막힘, 해빙 후 환경적 문제 등이 야기되고, 이로 인한 2차적 피해가 발생할 수 있으며, 막대한 인력과 장비가 소요되므로 대량 작업 구간에 적용하기는 어렵다. 서울시의 경우, 2010년 이후 매년 약 1,000여대의 제설차량과 3,000여명의 인력이 동원되며, 연간 22만 포대(7,000t)에 달하는 제설제가 살포되는 것으로 집계되었다. 그러나 염화칼슘 및 염화나트륨 등 제설제의 무분별한 살포로 인한 환경 문제 및 구조물 외 차량의 손상까지 야기하는 등의 문제점이 확인되었다.

[참고도 1]

또한, 최근 도로 위 결빙으로 인한 사고의 가장 큰 이슈로 떠오른 블랙아이스는 워낙 얇고 투명하여 도로의 아스팔트 색을 그대로 투영하여 주행 시 눈에 잘 띄지 않아 운전자의 방심으로 인한 사고로 이어지게 한다. 일반적으로 낮 동안 내린 눈, 비가 아스팔트 틈에 스며들었다가, 밤 사이 기름, 먼지 등과 섞여 도로 위에 얇게 얼어붙어 발생된다. 그러나 제설제가 도로 위 눈과 결합 시 노면 위 잔여 수분이 표면을 더욱 미끄럽게 하여 블랙아이스의 발생이 잦아지게 되어 겨울철 빙판길 사고 예방을 위한 도로 관리에서 제설제 사용의 실효성에 대한 의문이 제기되기도 하였다.

앞서 언급한 모래살포, 제설제 외에 융설액 사용, 전열선과 열배관 기술 등이 도로 결빙방지에 적용되고 있으며, 최근에는 히트펌프 이용 방식, 초박형 지열발열체 밀 발열 콘크리트 등도 시도 되고 있다. 기존의 도로 제설 방법의 종류 및 특징은 아래 [참고표 1]에 정리된 바와 같다.

[참고표 1] - 제설 방법의 종류 및 특징

그러나 융설액은 금속재 부식을 유발하여, 차량 및 도로 시설물에 유해하고, 재결빙 및 환경적 2차 문제가 발생하는 것으로 확인된다. 전열선이나 열 배관 방식은 전기나 기타 에너지원을 통해 발생시킨 열을 활용하는 것으로 시스템의 보수가 어려워 재시공을 필요로 하는 등의 단점이 있고, 전원이나 열원 확보 비용도 과다 소요된다.

[참고도 2] - 기존 융설 시스템의 종류

따라서 오염 유발과 시스템의 장애율 최소화하고 보수와 유지관리가 용이하며 비용의 저감이 가능한 도로 융설 및 융빙 공법의 개발이 필요한 상황이다.

한편, 일반적인 콘크리트는 자연에서 쉽게 얻을 수 있는 재료를 기반으로 하고, 강도, 내구성 및 경제성이 우수하여 건축, 토목재료로 널리 사용되고 있다. 이러한 콘크리트는 부도체로서 전기전도도가 매우 낮으나, 전기전도성을 보유한 물질의 혼입을 통해 비저항을 갖는 전기전도성 재료로 활용이 가능하다. 최근 들어 이와 같은 원리를 이용하여 콘크리트에 전기전도성을 부여하고 이를 통해 발열 성능이 발현되는 콘크리트에 대한 많은 개발 연구 및 시도가 있었다. 전기전도성을 보유하는 콘크리트의 양단에 전압을 걸어 전류가 흐르면 전기가 전도되면서 발열이 되도록 하는 것이다. 해당 기술은 고속도로 결빙지역, 공항 활주로, 선박 항구 주변 도크 등의 결빙 지역 및 지하 주차장 진입 램프 등에 적용될 수 있다. 이와 함께 최근까지 흑연, 코크스, 카본블랙 및 탄소섬유 등의 전도성 물질을 혼입하여 제작한 콘크리트의 전기저항, 전기전도도 및 발열 성능 변화에 대한 연구가 진행되기도 하였다. 이러한 전도성 발열 콘크리트는 기존 제설제 및 융설액 도포 방식과는 달리 환경 오염, 구조물 손상 및 부식 등이 발생하지 않으며, 에너지 절약 차원에서도 좋은 해결책이 될 수 있다고 전망된다.

일반적으로 금속성 물질은 높은 전기전도성을 보유하고 있으며, 은(6.29 × 10⁵S/cm), 구리(5.98 × 10⁵S/cm), 금(4.26 × 10⁵S/cm), 알루미늄(3.77 × 10⁵S/cm), 철(1.03 × 10⁵S/cm)의 순서로 전기전도성이 우수한 것으로 확인된다. 이 가운데 철은 모르타르 또는 콘크리트의 전기전도성 향상을 위해 강섬유 등의 형태로 적용하기도 한다. 알루미늄의 경우 경량 금속재로서, 높은 비강도, 가공성, 우수한 내식성 및 인체 무독성 등의 장점을 보유하여 다양한 산업분야에 적용되는 재료이다. 하지만 시멘트 페이스트, 모르타르, 콘크리트 등의 시멘트 기반 조성물에 적용 시 시멘트와 반응하여 발포하는 특성으로 인해 시멘트 기반 조성물에는 혼입되기 어려운 재료로 인식되어 왔다. 알루미늄이 시멘트와 반응하는 원리는 다음과 같다.

포틀랜드 시멘트에 존재하는 화합물 중 많은 비중을 차지하는 C3S(규산3칼슘, 3CaO·SiO₂)와 C2S(규산2칼슘, 2CaO·SiO₂)는 물과 반응하면 각각 아래 [식 1] 및 [식 2]와 같은 과정을 통해 산화칼슘(Ca(OH)₂)과 규산칼슘 수화물(C-S-H)를 생성한다.

[식 1]

[식 2]

이때 생성되는 생성된 수산화칼슘은 각각 아래 [식 3] 및 [식 4]의 반응식과 같이 알루미늄과 반응하여 수소가스를 발생시키며, 시멘트 기반 조성물 내부에 기포를 생성하게 된다.

[식 3]

[식 4]

알루미늄은 위와 같은 이유로 모르타르 및 콘크리트에는 적용되고 있지 못하지만, 여러 산업 분야에서 다양하게 활용되고 있으므로 그 사용량과 배출량이 방대하다. 특히 알루미늄 캔의 경우 연간 12억 3천 600만개에 달하는 상당한 양이 소모되는 것으로 추정된다.

1. 공개특허 10-2009-0117259 "전도성 시멘트 조성물 및 이를 이용한 방식방법" 2. 등록특허 10-0328539 "발열성 시멘트 모르타르 또는 콘크리트 조성물, 발열체 및 그의 제조방법" 3. 등록특허 10-0234577 "시멘트를 이용한 전기전도성 발열 콘크리트"

본 발명은 버려진 알루미늄 캔을 건축 재료로 적용할 수 있는 방안을 도출하는 것을 1차 목표로 하는 것으로서, 알루미늄을 시멘트 기반 조성물에 적용 시 발생하는 발포현상을 제어하여 물성 저하를 최소화시키고, 전기전도성을 개선하고자 한 것이다.

이에 따라 알루미늄 캔을 원료로 활용한 전도성 시멘트 기반 조성물을 도출함으로써 겨울철 빙판길 및 블랙아이스 문제를 해소할 수 있도록 함을 2차 목표로 한다.

본 발명은 「표면이 코팅처리된 알루미늄 편(片)이 시멘트 100중량부 대비 20~25중량부 혼합되어 알루미늄의 발포 팽창이 제어되는 시멘트 기반 전도성 조성물」을 제공한다.

상기 알루미늄 편은 알루미늄 캔을 가로 2~4㎜, 세로 2~4㎜이 방형으로 절단한 것을 적용할 수 있으며, 식물성 오일 20~70 중량부, 송진 20~50 중량부 및 계면활성제 5~15 중량부로 이루어진 코팅용액으로 코팅처리할 수 있다.

상기 코팅처리는, 상기 알루미늄 편을 상기 코팅용액에 침전시킨 상태로 15~25℃에서 2시간 이상 유지시키고, 상기 코팅용액에서 상기 알루미늄 편을 제거한 후 100℃에서 24시간 이상 건조하는 과정으로 실시할 수 있다.

전술한 본 발명에 따라 다음의 효과를 얻을 수 있다.

1. 알루미늄 편을 시멘트 기반 조성물에 혼입하기 전에 표면을 코팅하는 전 처리를 수행함으로써 알루미늄과 시멘트 반응물(수산화칼슘) 간의 반응을 제어하여 발포 팽창을 억제할 수 있다.

2. 알루미늄 캔을 절단하여 본 발명에 적용함으로써, 다량 발생하는 생활폐기물을 건축재료화 할 수 있다.

3. 알루미늄 편의 혼입량에 따른 전기 전도성 향상과 압축강도 감소를 고려하여, 알루미늄 편의 혼입량을 시멘트 100중량부 대비 20~25중량부로 도출하였고, 이에 따라 자원 활용 효율을 극대화 시킬 수 있다.

4. 본 발명을 도로공사용 모르타르, 콘크리트 등으로 적용함으로써, 전기전도에 의한 발열효과를 활용한 제설, 제빙 작업을 수행할 수 있다.

[도 1]은 절단한 알루미늄 캔 원료를 촬영한 사진이다.
[도 2]는 모르타르 시험체 제작 모식도이다.
[도 3]은 모르타르 시험체의 전기전도성 측정 시험 과정을 촬영한 사진이다.
[도 4]는 알루미늄 편 전처리 상태에 따른 시험체별 표면 상태를 촬영한 것이다.
[도 5]는 각 시험체의 양생일 별 전기전도 특성 그래프이다.
[도 6]은 코팅 알루미늄 혼입량에 따른 28일 양생 시 측전 전류 그래프이다.
[도 7]은 코팅 알루미늄 혼입량에 따른 양생일별 압축강도 그래프이다.

본 발명은 「표면이 코팅처리된 알루미늄 편(片)이 시멘트 100중량부 대비 20~25중량부 혼합되어 알루미늄에 의한 발포 팽창이 제어되는 시멘트 기반 전도성 조성물」을 제공한다.

본 명세서에서 '시멘트 기반 조성물'이라 함은 시멘트 페이스트(슬러리), 모르타르 및 콘크리트를 총칭하는 용어이다.

상기 알루미늄 편은 [도 1]에 도시된 바와 같이 알루미늄 캔(맥주 캔, 음료 캔, 커피 캔 등)을 가로 2~4㎜, 세로 2~4㎜이 방형으로 절단한 것을 적용할 수 있다.

상기 알루미늄 편의 표면 코팅처리는 알루미늄의 전기 전도성을 유지하면서, 알루미늄과 시멘트 반응물(수산화칼슘) 간의 반응을 차단하기 위한 것으로서, 식물성 오일 20~70 중량부, 송진 20~50 중량부 및 계면활성제 5~15 중량부로 이루어진 코팅용액으로 상기 알루미늄 편의 표면을 코팅처리할 수 있다. 이에 따라 상기 알루미늄 편의 표면에는 오일 성분 기반의 코팅막이 형성되어, 수산화칼슘과 알루미늄의 반응이 억제되고, 결과적으로 발포현상이 제어된다.

상기 코팅처리는, 상기 알루미늄 편을 상기 코팅용액에 침전시킨 상태로 15~25℃에서 2시간 이상(바람직하게는 2시간 이상 3시간 이내, 가장 바람직하게는 2시간) 유지시키고, 상기 코팅용액에서 상기 알루미늄 편을 제거한 후 100℃에서 24시간 이상(바람직하게는 24시간 이상 25시간 이내, 가장 바람직하게는 24시간) 건조하는 과정으로 실시할 수 있다.

이하에서는 구체적인 시험예와 함께 본 발명을 상세히 설명하기로 한다.

시험 진행을 위한 시험체들은 시멘트, 모래, 물이 혼입된 '모르타르'로 제조하였다. 아래 [표 1]은 시험체 모르타르 배합비를 나타낸 것이다. 시멘트량은 198g, 잔골재(모래)량은 594g으로 고정시켰고, 알루미늄 편은 시멘트 중량의 0~25wt% 범위에서 5wt%간격으로 투입하였다. 각 시험체 명은 알루미늄 편의 혼합량에 따라 나타낸 것이다.

알루미늄 편 혼합량 증가에 따라 모르타르 조성물의 유동성(작업성)은 감소하므로 물-시멘트비(W/C)는 모르타르 플로우 190±10㎜ 범위를 만족하도록 시험체 별로 가변적으로 설정하였다.

시험에 사용된 시멘트는 1종보통포틀랜드시멘트, 잔골재는 인공규사 6호를 사용하였다. 상기 알루미늄 편은 알루미늄 캔을 3㎜×3㎜의 크기로 절단한 것인데, 상단면과 하단면을 절단한 뒤 옆면만을 사용하였다. 알루미늄 캔 내부벽의 이물질 제거를 위해 상기 절단 작업 후 세척 및 건조 과정을 진행하였다.

위와 같이 제조된 알루미늄 편을 모르타르에 투입하기 전에, 발포 제어를 위한 표면 코팅 작업을 수행하였다. 이를 위한 코팅용액은 전술한 바와 같이 식물성 오일 20~70 중량부, 송진 20~50 중량부 및 계면활성제 5~15 중량부로 이루어진 것을 적용할 수 있으며, 본 시험에서는 상기 코팅용액을 대두에서 추출한 식물성 오일 50 중량부, 송진 40 중량부 및 계면활성제 10 중량부를 혼합, 조성하여 적용하였다.

상기 알루미늄 편을 상기 코팅용액에 침전시키고 상온(15~25℃)에서 2시간 유지시킨 후, 체를 이용하여 잔여 코팅용액과 알루미늄 편을 분리한 뒤 100℃에서 24시간 동안 건조시켜, 알루미늄 편의 표면 코팅이 이루어지도록 하였다.

각 시험체 제조를 위해 모르타르 재료(시멘트, 잔골재, 물)에 상기 알루미늄 편을 설정된 양만큼 혼합한 뒤 1분간 저속 믹싱(자전 140±5rpm, 공전 62±5rpm) 및 30초간 고속 믹싱(자전 285±10rpm, 공전 125±10rpm) 과정을 진행한 후, 15초간 바닥에 밀착되어 섞이지 않은 원료를 긁어내어 준 뒤 1분 15초간 휴지 시간을 가졌다. 다시 1분간의 고속 믹싱 후 혼합된 모르타르를 몰드(40㎜×40㎜×160㎜)에 2회에 걸쳐 담으며, Jolting Table(ELE社, 39-1150, 영국)을 사용하여 1회 당 60번의 jolting 과정을 진행하였다. 이 후 몰드를 채우고 남은 여분의 모르타르를 제거하며, 상단을 평탄화한 뒤 양끝에서 10㎜ 가량 떨어진 곳에 구리선을 [도 2]와 같이 매설하였다.

성형이 완료된 몰드는 23℃-RH 90%의 환경에서 24시간 동안 노출시킨 후 탈형을 진행하였다. 이 후 전기전도성 측정용 시험체는 국내 평균 기온 및 습도 조건(23℃-RH 60%)과 유사한 환경에서 28일간 양생하였으며, 기초물성 측정용 시험체는 3, 7, 28일간 23℃ 수중에서 양생을 진행하였다.

각 시험체의 전기전도성은 [도 3]과 같이 측정하였으며, 직류 전압 공급 장치(Agilent Technologies, Inc., 6634B, 미국)를 사용하여 100V전압 인가 시 3, 7, 28일 양생기간별 전류를 측정하였다. 또한, 측정한 전류를 통해 각 시험체의 양생일별 저항 및 전기전도 특성을 계산하였다. 이후 각 시험체의 3, 7, 28일 압축강도를 측정하였다.

[도 4]는 알루미늄 편 전처리 상태에 따른 시험체별 표면 상태를 촬영하여 나타낸 것이다. [도 4]는 모두 알루미늄 편을 시멘트 대비 20wt% 혼합시킨 모르타르 시험체의 경화상태이나, [도 4]의 (b), (d)는 코팅처리를 하지 않은 알루미늄 편(이하, '미코팅 알루미늄 편')을 적용한 것으로서, [발명의 배경이 되는 기술] 부분에서 설명한 [식 1] 내지 [식 4]의 원리로 발생한 수소가스에 의해 발포 현상이 발생하여, 기포가 형성된 상태와 시험체 상단이 부풀어 오른 상태가 확인되었다.

반면, 상기 코팅용액으로 표면 코팅처리를 한 알루미늄 편(이하, '코팅 알루미늄 편')을 혼합한 모르타르에서는 [도 4]의 (a) 및 (c)의 형태와 같이 발포 현상이 발생하지 않았으며, 상단 표면 상태가 평탄한 상태를 유지하였다.

아래 [표 2]는 모르타르의 팽창을 수치화하여 비교하기 위해 시험체 별 높이를 측정하여 변화 비율을 계산하여 나타낸 것이다. 각 시험체 상면 좌측, 중앙, 우측을 각각 A, B, C지점으로 특정하고 높이를 측정하여 평균을 산출하였으며, 몰드 높이(40㎜)를 기준으로 팽창 비율을 도출하였다.

코팅 알루미늄 혼합 시험체의 평균 높이는 40.35㎜였으며, 팽창 비율은 100.8%로 사실상 팽창이 이루어지지 않은 상태의 오차범위 내에 들어오는 수치로 판단된다.

반면, 미코팅 알루미늄 혼합 시험체는 평균 높이 45.02㎜로, 기준 높이 대비 112.6%의 팽창률을 보였다. 해당 시험체는 육안으로도 확인이 가능할 만큼 외형적인 변화를 보였으며, 팽창높이가 코팅 알루미늄 시험체 대비 약 15.8배에 이를 정도로 변화폭이 크게 나타났다. 이와 같은 결과는 코팅 알루미늄 혼합 시험체에서, 모르타르 믹싱 및 양생 과정에서도 알루미늄 편의 코팅상태가 훼손되지 않고, 알루미늄과 시멘트와의 접촉 및 반응을 방지하여 발포 현상이 제어된 것으로 판단된다.

[도 5]는 각 시험체의 양생일자 별 측정 전류 및 저항 값을 나타낸 그래프이다. 이하의 시험체들에 혼합된 알루미늄 편은 모두 코팅 알루미늄 편이다.

100V인가 시 AL0% 시험체의 양생일(3, 7, 28일) 별 전류는 각각 0.0192A, 0.0061A 및 0.0019A 로 나타났으며, 재령 28일의 전류 값은 재령 3일에 비해 9.9%에 불과한 수준으로 대폭 하락하였다.

AL5% 시험체의 양생일(3, 7, 28일) 별 전류는 0.0342A, 0.0121A, 0.0025A로 측정되었으며, AL10% 시험체에서는 0.0423A, 0.0198A 및 0.0073A로 양생기간이 증가 할수록 측정 전류는 감소하였다. 그러나 재령 28일의 경우 재령 3일에 비해 전류값이 7.3%(Al5%) 및 17.3%(Al10%) 수준을 나타내며 AL0% 대비 전기전도 특성이 소폭 개선된 것을 확인 할 수 있었다.

보다 다량의 코팅 알루미늄을 혼입한 AL15% 시험체와 AL20% 시험체에서는 양생일(3, 7, 28일) 별 전류가 각각 0.0827A, 0.0490A, 0.0215A와 0.0824A, 0.0718A 및 0.0716A로 측정되었다. 재령 3일 대비 재령 28일 전기전도 특성은 26.0%(Al15%) 및 86.9%(Al20%) 수준으로 알루미늄 20% 혼입 시 전기전도 성능이 매우 큰 폭으로 상승한 것을 확인 할 수 있었다.

가장 많은 중량의 알루미늄이 혼합된 AL25% 시험체에서는 양생일(3, 7, 28일) 별 전류가 0.1150A, 0.0866A 및 0.0802A로 측정되었으며, 재령 3일 대비 재령 28일의 전류 특성은 69.7%로 나타났다. 재령 28일 측정 전류의 절대 값은 AL25% 시험체에서 가장 높에 확인되었으나 3일 양생 시와 비교하였을 때 감소율이 상승한 것으로 확인되었다.

또한, AL15%-AL20% 구간에 비해 AL20%-AL25% 구간에서의 전기전도 상승폭이 미비하였다. 해당 결과를 통해 알루미늄 혼입량이 증가 할수록 모르타르의 전기전도 특성이 개선되는 것으로 사료되며, 알루미늄 20% 및 25% 혼합 시 상당히 높은 수준의 전기전도 특성을 보유한 것으로 확인되었다. 더불어, 알루미늄 20% 혼입 시 전기전도 특성의 개선이 가장 크게 이루어지는 것으로 판단된다.

한편, 양생 기간에 따른 시험체 별 전류 측정값의 감소와 더불어 전기저항 값은 증가하였으며, [도 5] (b)의 그래프에 해당 데이터의 변화를 나타내었다.

재령 3일 대비 재령 28일의 측정 전류 감소율이 높은 순으로 그래프의 기울기가 큰 것으로 나타났으며, 측정 전류값이 가장 낮은 AL0% 시험체의 전기저항이 가장 높은 것으로 확인되었다. AL0% 시험체의 양생기간에 따른 전기저항 값은 재령 3, 7, 28일별로 각각 729Ω·m, 2,295Ω·m, 7,368Ω·m로 나타나, 재령 3일에 비해 재령 28일에서 모르타르의 저항은 1010.5%의 매우 높은 증가율을 보였다.

AL5% 시험체는 재령 3, 7, 28일 전기저항 값이 각각 409Ω·m, 1157Ω·m 및 5600Ω·m으로 나타났으며, 재령 28일에서의 전기저항은 재령 3일 대비 1368.0%로 가장 높은 상승률을 나타내었다.

이어서 AL10% 시험체의 재령별 전기저항 값은 각각 331Ω·m, 707Ω·m, 1918Ω·m로 측정되었으며, 재령 3일 대비 재령 28일의 전기저항은 579.5%로 AL0% 시험체에 비해 약 절반 수준의 증가율을 나타내었다.

또한, AL15% 시험체는 재령별 전기저항 값이 169Ω·m, 286Ω·m, 651Ω·m로 측정되었으며, 재령 3일 대비 재령 28일 전기저항이 384.7%로 낮아졌다.

전기전도 특성이 가장 크게 개선된 AL20% 시험체의 경우 재령별 전기저항 값이 0Ω·m, 195Ω·m, 196Ω·m로 재령별 전기저항의 편차가 두드러지지 않았으며, 재령 3일 대비 재령 28일 전기저항의 증가율은 115.1%로 매우 미미한 수준이었다.

마지막으로 가장 많은 중량의 알루미늄을 혼입한 AL25%에서는 재령별 전기저항 값이 122Ω·m, 162Ω·m 및 175Ω·m으로 재령 28일의 전기저항이 재령 3일에 비해 143.4% 증가하였다. 해당 시험체의 전기저항 절대 값은 AL20%에 비해 소폭 하락하였고 상승률은 AL20%에 비해 증가하였으나, 그 차이는 미비하여 이 후 추가적인 양생기간을 가지더라도 전기전도 특성의 하락은 미비할 것으로 추측된다.

[도 6]은 각 시험체의 28일 측정 전류 값을 비교하여 나타낸 그래프이다. 알루미늄 편 혼합량이 가장 많은 AL25% 시험체를 기준으로 하면, AL0% 내지 AL25% 시험체의 알루미늄 편 함량은 각각 0wt%, 20wt%, 40wt%, 60wt%, 80wt% 및 100wt%이다.

하지만 전기전도 특성의 개선 정도는 알루미늄 혼입량과 정비례하지 않으며 특정 구간에서 그래프의 기울기 또한 큰 폭으로 변화를 보였다. 이는 알루미늄 혼합량에 따른 전기전도 특성이 일정한 폭으로 증가 또는 감소하지 않으며, 특정 임계값 초과 시 전기전도성의 개선이 대폭 이루어지는 것으로 추측된다. 또한, 이후 구간에서 혼합량 증가에 따른 측정 전류의 변화량이 감소하는 추세를 보인다. 이는 전도성 물질의 충분한 분포 및 내부 구조가 형성되어 전하 이동을 용이하게 하는 최소 조건이 존재하는 것으로 추측된다.

[도 7]은 알루미늄 함량에 따른 시험체들의 재령별 압축강도 변화 추이를 나타낸 그래프이다. AL0% 시험체의 압축강도는 재령 3, 7, 28일에서 모두 가장 높은 값을 나타내었으며, AL5%, AL10%, AL15%, AL20% 및 AL25% 시험체 순으로 압축강도의 감소량이 증가하였다.

AL0% 시험체의 재령 3, 7, 28일 압축강도는 각각 31.6MPa, 36.4MPa, 45.2MPa로 측정되었다.

AL5% 시험체의 재령 3, 7, 28일 압축강도는 각각 31.02MPa, 35.07MPa, 43.80MPa로 측정되었다.

AL10% 시험체의 재령 3, 7, 28일 압축강도는 각각 29.8MPa, 33.0MPa, 40.1MPa로 측정되었다.

AL15% 시험체의 재령 3, 7, 28일 압축강도는 각각 29.20MPa, 33.00MPa, 38.71MPa로 측정되었다.

AL20% 시험체의 재령 3, 7, 28일 압축강도는 각각 28.6MPa, 32.1MPa, 38.9MPa로 측정되었다.

AL25% 시험체의 재령 3, 7, 28일 압축강도는 각각 26.22MPa, 29.23MPa, 34.05MPa로 측정되어, AL25% 시험체에서 가장 낮은 압축강도를 특성을 보유한 것으로 드러났다.

재령 3일 압축강도의 경우, AL5% 시험체와 AL25% 시험체는 AL0% 시험체 대비 98.2% 및 94.2%였으며, AL15% 시험체와 AL20% 시험체는 AL0% 시험체 대비 각각 92.4%, 90.4% 수준으로 확인되었다. 또한, 알루미늄이 혼합량이 가장 높은 AL25% 시험체는 AL0% 시험체 대비 83%로 가장 큰 격차를 보였다.

재령 7일 압축강도의 경우, AL5% 시험체와 AL10% 시험체는 AL0% 시험체 대비 96.3% 및 90.7%이고, AL15%, AL20%, AL25% 시험체는 AL0% 대비 90.7%, 88.3%, 80.3%로 감소하면서, 재령 3일 압축강도 대비 감소율이 증가한 것으로 확인되었다.

또한, 재령 28일 압축강도의 경우, AL5% 시험체 및 AL10% 시험체는 AL0% 대비 97.0% 및 88.9%이었으며, AL15%, AL20%, AL25% 시험체 순으로 85.7%, 83.2%, 75.4%의 비율을 보여 AL25%에서 감소율이 가장 높게 나타났다.

결과적으로 알루미늄 혼입량 증가에 따라 압축강도의 감소율이 증가하는 경향을 보였으며, 알루미늄 AL25% 시험체에서 압축강도 감소 폭이 가장 큰 것으로 확인되었다.

이러한 결과는 알루미늄 혼합량이 증가 할수록 감소하는 작업성의 보완을 위해 증가시킨 배합수 양과 모르타르 내 알루미늄 편 및 코팅액의 영향에 의한 것으로 추측된다. 판상 형태를 지닌 알루미늄 편의 혼합량이 증가할수록 시멘트 입자간의 미끄러짐을 방해하는 요인으로 작용하며, 이는 작업성의 저하를 야기한다. 때문에 성형에 적합한 작업성을 확보하기 위해 배합수 양의 증가가 필수적이며, 이로 인해 발생한 잉여수 또한 증가하여 강도 저하가 발생한다. 또한 알루미늄 편은 모르타르 조성물의 타 재료에 비해 조대하므로, 모르타르의 치밀화를 방해해 강도의 저하를 야기하는 것으로 예상된다. 더불어, 알루미늄 편 표면에 잔류하고 있는 코팅용액이 모르타르 믹싱과정에서 시멘트 입자 표면을 감싸 반응성을 감소시키는 면이 있는 것으로 사료된다. 이로 인해 수화반응 저하가 발생하여 양생일의 경과에 따른 압축강도 감소율이 증가한 것으로 추측된다.

이상의 시험결과를 정리하면 다음과 같다.

미코팅 알루미늄 편이 혼합된 모르타르 시험체의 팽창비율은 112.6%로 크게 나타나는 반면, 코팅 알루미늄 편이 혼합된 모르타르 시험체의 팽창비율ㄹ은 100.8%로 몰드 높이와 큰 격차가 없으므로, 알루미늄 편을 식물성 오일 20-70%, 송진 20-50% 및 계면활성제 5-15%로 이루어진 코팅용액으로 코팅처리함에 따라 알루미늄과 시멘트 반응물(Ca(OH)₂)간의 반응 제어가 이루어진다.

코팅 알루미늄을 혼합한 모르타르의 100V 인가 시 측정 전류는 28일 양생 기준 AL20% 및 AL25% 시험체에서 가장 높은 0.0716A, 0.0802A의 전류가 측정되었다. AL15% 시험체와 AL20% 시험체의 측정 전류 값의 편차가 가장 크게 나타났고, AL20% 시험체와 AL25% 시험체의 측정 전류 값 편차는 크게 감소하였다.

각 시험체의 전기저항은 측정 전류가 높을수록 낮은 값을 나타내었으며, 가장 높은 전류가 측정된 AL20% 시험체 및 AL25% 시험체의 재령 28일 저항 값은 각각 196Ω·m, 175Ω·m로 큰 격차가 나타나지 않았다.

각 시험체의 압축강도는 코팅 알루미늄의 함량이 증가함에 따라 감소하였으며, 가장 높은 전기전도 특성을 나타낸 AL20% 시험체 및 AL25% 시험체의 재령 28일 압축강도는 각각 38.9MPa, 34.05MPa로 45.2MPa의 압축강도가 발현된 AL0% 시험체 대비 83.2% 및 75.4%의 수준으로 저하되었다.

코팅된 알루미늄 혼합량이 증가할수록 전기전도성은 개선되나 압축강도 특성은 지속적으로 감소하며, 이는 작업성 확보를 위한 알루미늄 투입양에 따른 배합수 증가와 조대한 입자를 지닌 알루미늄의 모르타르 내부 치밀화 방해 및 알루미늄 코팅액의 시멘트 입자 표면 코팅으로 인한 수화반응 저하가 야기한 결과로 사료된다.

전기전도 특성이 가장 우수한 AL20% 시험체 및 AL25% 시험체의 전기전도 특성 격차는 크지 않으나 압축강도 감소율은 AL25% 시험체에서 가장 크게 발생하였고, AL25% 시험체의 재령별 압축강도는 AL20% 시험체와도 큰 격차가 확인되었으므로 코팅 알루미늄 첨가 범위는 시멘트 대비 20~25wt% 범위가 가장 적절해보이며, 그 이상의 과다한 사용은 비효율 적인 것으로 판단된다.

아래 [표 3]은 28일간 양생한 각 시험체에 100V 전압을 1시간 동안 인가하였을 때의 온도 변화를 측정한 결과를 정리하여 나타낸 것이다. 온도 상승 폭은 전술한 전기전도 특성의 변화와 유사한 양상으로 나타났다. 특히, AL15% 시험체와 AL20% 시험체의 온도변화량이 5.7℃에서 16.8℃로 증가하여 300%에 가까운 급격한 상승폭을 나타냈다.

이상에서, 시험예들을 통해 본 발명 조성물의 물성 및 효과를 검토하였으나, 본 발명은 상기의 시험예들에만 한정되는 것은 아니라 할 것이며, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다소간의 변형 및 변경이 가능하다고 할 것이다.

해당 없음

Claims (4)

1. 표면이 코팅처리된 알루미늄 편(片)이 시멘트 100중량부 대비 20~25중량부 혼합되어 알루미늄에 의한 발포 팽창이 제어되는 시멘트 기반 전도성 조성물.
   
2. 제1항에서,
   상기 알루미늄 편은 알루미늄 캔을 가로 2~4㎜, 세로 2~4㎜이 방형으로 절단한 것을 특징으로 하는 시멘트 기반 전도성 조성물.
   
3. 제1항 또는 제2항에서,
   상기 알루미늄 편은 식물성 오일 20~70 중량부, 송진 20~50 중량부 및 계면활성제 5~15 중량부로 이루어진 코팅용액으로 코팅처리된 것을 특징으로 하는 시멘트 기반 전도성 조성물.
   
4. 제3항에서,
   상기 코팅처리는,
   상기 알루미늄 편을 상기 코팅용액에 침전시킨 상태로 15~25℃에서 2시간 이상 유지시키고, 상기 코팅용액에서 상기 알루미늄 편을 제거한 후 100℃에서 24시간 이상 건조하는 과정으로 실시된 것을 특징으로 하는 시멘트 기반 전도성 조성물.

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