KR20220048645A - 콘크리트 전기양생을 위한 발열 시멘트 복합체 및 이의 제조방법 - Google Patents

콘크리트 전기양생을 위한 발열 시멘트 복합체 및 이의 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 콘크리트 전기양생을 위한 발열 시멘트 복합체 및 이의 제조방법에 관한 것으로, 보다 구체적으로 카본블랙(carbon black) 및 카본파이버(carbon fiber)를 이용하여 전압 인가 시 발열하여 콘크리트 내부양생을 촉진할 수 있는 발열 시멘트 복합체 및 이의 제조방법에 관한 것이다.

Description

콘크리트 전기양생을 위한 발열 시멘트 복합체 및 이의 제조방법 {Heating cement composite for electrical curing of concrete and method for preparing thereof}
본 발명은 콘크리트 전기양생을 위한 발열 시멘트 복합체 및 이의 제조방법에 관한 것으로, 보다 구체적으로 카본블랙(carbon black) 및 카본파이버(carbon fiber)를 이용하여 전압 인가 시 발열하여 콘크리트 내부양생을 촉진할 수 있는 발열 시멘트 복합체 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
시멘트 소재는 토목, 건축 및 플랜트에 이르기까지 대부분의 구조물을 건설하는 데에 가장 널리 사용되고 있는 재료 중 하나이다. 시멘트 소재는 취성 소재로 진동과 인장에 의한 하중에 의해 손쉽게 균열(crack)이 발생할 수 있다. 구조물의 건축 후 일정 기간이 경과하면 그 성능이 점차 저하되고 노후화되는데, 이러한 성능 저하에 결정적 영향을 미치는 것이 바로 균열이다.
구조물에 균열이 발생하면 균열을 통해 유해한 외기나 수분, 화학 성분이 침투하여 성능 저하가 더욱 촉진된다. 즉, 시멘트 소재 내부에 균열이 한번 발생하게 되면 그 균열을 시작점으로 손상이 빠르게 전파된다.
시멘트 소재 내부에 침투한 수분, 염화물 이온 등에 의해 구조물 내부의 철근에 부식이 발생하여 추가적인 균열이 발생하거나, 철근 부식에 의해 철근 단면이 감소하는 등 성능 저하로 인해 결과적으로 구조물의 붕괴까지 초래할 수 있다. 따라서, 소재의 수명 연한을 늘리고 추가적인 손상을 방지하기 위해서는 발생된 미세균열의 빠른 복구가 필수적이다.
건축 구조물은 그 특성상 내부에 균열이 발생하면 해당 부위만의 복구가 어렵다. 종래에는 구조물 외벽을 통해 에폭시와 몰탈과 같은 물질을 채워 넣는 방식으로 균열에 대한 보수가 이루어졌다. 자외선을 통해 가교되는 자가치유 물질이 포함된 캡슐을 콘크리트 표면에 도포하여 사용한 예가 있으나, 이 방법 또한 자외선의 침투 한계에 따라 그 효과가 매우 제한적이다.
종래 기술에 따른 균열 보수 방식의 경우 구조물의 표면 부위에 대해 한정적인 균열 치유에만 효과적인 방식이며, 외관에 드러나지 않은 내부 균열을 메우기는 어렵다. 또한, 최근에 마이크로캡슐을 이용하여 미세 균열을 셀프힐링하는 방식이 제안되었으나, 외부 또는 내부적으로 발생한 손상 부위에 반드시 깨진 마이크로캡슐이 존재할 때만 1회성으로 손상 복구가 가능한 문제가 있다.
상기와 같은 문제점을 해결하고자, 탄소나노튜브를 혼합한 시멘트 발열 복합체가 최근 개발되고 있다. 탄소나노튜브를 혼입한 시멘트 발열 복합체의 경우 재료 자체의 물리 ·화학적 내구성이 뛰어나며, 다른 발열성능 재료와 비교하여 월등히 뛰어난 전기 전도 성능을 발휘하고, 복합체의 제작과 시공이 쉽고 도로의 기존 구조물과 일체화가 쉬운 이점이 있다. 또한 NTC(negative temperature coefficient) 특성을 가지고 있어 뛰어난 발열효율을 발휘한다.
그러나, 탄소나노튜브의 경우 고가의 재료로서 대량 산업에 실질적으로 적용되기 어려움이 있고, 분산성이 부족하여 고른 발열능을 기대하기 어려움이 있다.
따라서, 전술한 문제점을 보완하기 위해 본 발명가들은 고른 발열능을 가지며 대량산업에 적용되기 용이한 시멘트 복합체의 개발이 시급하다 인식하여, 본 발명을 완성하였다.
대한민국 등록특허공보 제10-0912385호 대한민국 등록특허공보 제10-0328539호
본 발명의 목적은 카본블랙(carbon black) 및 카본파이버(carbon fiber)를 이용하여 전압 인가 시 발열하여 콘크리트 내부양생을 촉진할 수 있는 발열 시멘트 복합체를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 카본블랙 및 카본파이버를 이용하여 전압 인가 시 발열하여 콘크리트 내부양생을 촉진할 수 있는 발열 시멘트 복합체의 제조방법을 제공하는 것이다.
발명이 이루고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 본 발명의 기재로부터 당해 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 발열 시멘트 복합체 및 이의 제조방법을 제공한다.
이하, 본 명세서에 대하여 더욱 상세하게 설명한다.
본 발명은 시멘트; 실리카 퓸(silica fume); 고성능 유동화제; 카본블랙(carbon black); 및 카본파이버(carbon fiber)를 포함하는 발열 시멘트 복합체를 제공한다.
본 발명에 있어서, 상기 카본블랙은 상기 시멘트 중량% 대비 0.5 내지 1.2 중량%로 포함하고, 상기 카본파이버는 상기 시멘트 중량% 대비 0.3 내지 0.8 중량%로 포함한다.
본 발명에 있어서, 상기 실리카 퓸은 분산성을 향상시키기 위해 상기 카본블랙보다 상대적으로 작은 크기의 입자이며, 상기 고성능 유동화제는 폴리카르복실(polycarboxyl) 계열 고성능 유동화제이다.
또한, 본 발명은 시멘트; 실리카 퓸(silica fume); 카본블랙(carbon black); 및 카본파이버(carbon fiber)를 혼합하는 단계; 상기 혼합물에 물 및 고성능 유동화제를 첨가하는 단계; 및 상기 혼합물을 몰드에 타설하여 발열 시멘트 복합체를 제조하는 단계;를 포함하는 발열 시멘트 복합체의 제조방법을 제공한다.
본 발명에 있어서, 상기 물은 상기 시멘트 중량% 대비 25 내지 40 중량%로 포함한다.
상기 발열 시멘트 복합체 및 이의 제조방법에서 언급된 모든 사항은 모순되지 않는 한 동일하게 적용된다.
본 발명의 발열 시멘트 복합체 및 이의 제조방법은 본블랙(carbon black) 및 카본파이버(carbon fiber)를 이용하여 전압 인가 시 발열하여 콘크리트 내부양생을 촉진할 수 있다.
또한, 본 발명의 발열 시멘트 복합체 및 이의 제조방법은 균일한 발열로 인해 콘크리트 내부양생을 균일하게 적용시킬 수 있으며, 전압을 인가하여 발생하는 발열 양상을 통해 콘크리트 내부의 균일 위치를 확인하여 사건·사고를 예방하고 방지할 수 있다.
본 발명의 효과들은 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 청구범위의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 실시예 1에 따라 제조된 발열 시멘트 복합체이다.
도 2는 실시예 1에서 제조된 발열 시멘트 복합체 및 비교예 1에서 제조된 비교 발열 시멘트 복합체 1에 대한 (a) 카본블랙 함량(wt%)에 따른 전기 비저항 및 (b) 양생 일(curing day)에 따른 전기 비저항 그래프이다.
도 3은 실시예 1에서 제조된 발열 시멘트 복합체 및 비교예 1에서 제조된 비교 발열 시멘트 복합체 1에 대한 전압에 따른 평균 표면 온도 그래프이다.
도 4는 실시예 1에서 제조된 발열 시멘트 복합체를 20 V의 전압의 가했을 때 표면 온도 상승 이미지이다.
본 명세서에서 사용되는 용어는 본 발명에서의 기능을 고려하면서 가능한 현재 널리 사용되는 일반적인 용어들을 선택하였으나, 이는 당 분야에 종사하는 기술자의 의도 또는 판례, 새로운 기술의 출현 등에 따라 달라질 수 있다. 또한, 특정한 경우는 출원인이 임의로 선정한 용어도 있으며, 이 경우 해당되는 발명의 설명 부분에서 상세히 그 의미를 기재할 것이다. 따라서 본 발명에서 사용되는 용어는 단순한 용어의 명칭이 아닌, 그 용어가 가지는 의미와 본 발명의 전반에 걸친 내용을 토대로 정의되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
수치 범위는 상기 범위에 정의된 수치를 포함한다. 본 명세서에 걸쳐 주어진 모든 최대의 수치 제한은 낮은 수치 제한이 명확히 쓰여져 있는 것처럼 모든 더 낮은 수치 제한을 포함한다. 본 명세서에 걸쳐 주어진 모든 최소의 수치 제한은 더 높은 수치 제한이 명확히 쓰여져 있는 것처럼 모든 더 높은 수치 제한을 포함한다. 본 명세서에 걸쳐 주어진 모든 수치 제한은 더 좁은 수치 제한이 명확히 쓰여져 있는 것처럼, 더 넓은 수치 범위 내의 더 좋은 모든 수치 범위를 포함할 것이다.
이하, 본 발명의 실시예를 상세히 기술하나, 하기 실시예에 의해 본 발명이 한정되지 아니함은 자명하다.
발열 시멘트 복합체
본 발명은 시멘트; 실리카 퓸(silica fume); 고성능 유동화제; 카본블랙(carbon black); 및 카본파이버(carbon fiber)를 포함하는 발열 시멘트 복합체를 제공한다.
상기 실리카 퓸은 분산성을 향상시키기 위해 상기 카본블랙보다 상대적으로 작은 크기의 나노입자일 수 있다.
상기 고성능 유동화제는 액상형의 폴리카르복실(polycarboxyl) 계열 고성능 유동화제일 수 있다.
상기 카본블랙은 상기 시멘트 중량% 대비 0.5 내지 1.2 중량%로 포함할 수 있다. 보다 구체적으로, 상기 카본블랙은 상기 발열 시멘트 복합체의 전도성 경로(conductive pathway) 형성을 증진하는 구성으로, 상기 카본블랙을 시멘트 중량% 대비 0.5 중량% 미만 또는 시멘트 중량% 대비 1.2 중량% 초과하여 포함할 경우 상기 발열 시멘트 복합체의 발열능을 확보하기 어려움을 가질 수 있으므로, 상기 카본블랙은 상기 시멘트 중량% 대비 0.5 내지 1.2 중량%로 포함하는 것이 바람직하다.
상기 카본블랙은 600 내지 950 m2/g의 질소 표면적(nitrogen surface area) 및 6.5 내지 9.5 범위의 pH를 가질 수 있다.
상기 카본파이버는 상기 시멘트 중량% 대비 0.3 내지 0.8 중량%로 포함할 수 있다. 보다 구체적으로, 상기 카본파이버가 상기 시멘트 중량% 대비 0.3 중량% 미만 또는 시멘트 중량% 대 0.8 중량% 초과하여 포함될 경우, 유동성이 확보되지 않을 수 있다. 따라서, 상기 카본파이버는 상기 시멘트 중량% 대비 0.3 내지 0.8 중량%로 포함하는 것이 바람직하다.
상기 카본파이버는 4,000 내지 5,500 Mpa의 인장강도(tensile strength), 200 내지 300 Gpa의 인장탄성율(tensile modulus), 1.5 내지 2.0 g/cm3의 밀도 및 1.0 × 10-3 내지 2.0 × 10-3 Ω·cm의 전기 저항도(Electric resistivity)를 가질 수 있다.
상기 발열 시멘트 복합체는 10 내지 25 V의 전압 인가 시 50 내지 70 ℃로 발열할 수 있다.
상기 발열 시멘트 복합체에는 전극을 추가적으로 포함할 수 있다. 상기 전극은 전류의 흐름을 개선하기 위해 상기 전극 표표면에 은 페이스트(silver paste)가 도포된 구리 전극일 수 있으며, 상기 구리는 99.9% 이상의 순도를 갖는 구리일 수 있다.
본 발명의 발열 시멘트 복합체 및 이의 제조방법은 카본블랙(carbon black) 및 카본파이버(carbon fiber)를 이용하여 전압 인가 시 발열하여 콘크리트 내부양생을 촉진할 수 있다.
발열 시멘트 복합체의 제조방법
본 발명은 시멘트; 실리카 퓸(silica fume); 카본블랙(carbon black); 및 카본파이버(carbon fiber)를 혼합하는 단계; 상기 혼합물에 물 및 고성능 유동화제를 첨가하는 단계; 및 상기 혼합물을 몰드에 타설하여 발열 시멘트 복합체를 제조하는 단계;를 포함하는 발열 시멘트 복합체의 제조방법을 제공한다.
상기 발열 시멘트 복합체는 앞서 언급한 바와 같다.
보다 구체적으로, 상기 시멘트; 실리카 퓸; 카본블랙; 및 카본파이버를 50 내지 200 rpm의 속도로 0.1 내지 10 분 동안 건식 배합(dry mixing)하여 혼합물을 제조할 수 있다.
다음으로, 상기 혼합물에 물(배합수) 및 고성능 유동화제를 첨가하고 100 내지 500 rpm의 속도로 5 내지 20 분 동안 습식 배합(wet mixing)할 수 있다.
상기 물(배합수)은 상기 시멘트 중량% 대비 25 내지 40 중량%로 포함할 수 있다.
최종적으로, 상기 혼합물을 몰드에 타설한 후 전극을 삽입함으로써 본 발명에 따른 발열 시멘트 복합체를 제조할 수 있다.
본 발명의 발열 시멘트 복합체 및 이의 제조방법은 균일한 발열로 인해 콘크리트 내부양생을 균일하게 적용시킬 수 있으며, 전압을 인가하여 발생하는 발열 양상을 통해 콘크리트 내부의 균일 위치를 확인하여 사건·사고를 예방하고 방지할 수 있다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해 질 것이다. 그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하세 알려 주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다.
실시예 1. 발열 시멘트 복합체 제조
시멘트와, 상기 시멘트 중량% 대비 10 중량%의 실리카 퓸; 0.5 중량%의 카본블랙 및 1.0 중량%의 카본파이버를 100 rpm의 속도고 1분간 건식 배합하여 혼합하였다. 이때, 상기 카본블랙 및 카본파이버는 하기 [표 1]의 구성을 갖는 것을 사용하였다. 상기 혼합물에 물(배합수) 및 고성능 유동화제(동남기업, Flowmix 3000S)를 첨가한 후, 200 rpm의 속도로 6분 동안 습식 배합하여 혼합하였다. 이때, 상기 물은 상기 시멘트 중량% 대비 32중량%로, 상기 고성능 유동화제는 상기 시멘트 중량% 대비 2.0 중량%로 첨가하였다. 그리고, 상기 혼합물을 몰드에 타설한 후 은 페이스트가 도포된 구리 전극을 삽입하여, 본 발명에 따른 발열 시멘트 복합체를 제조하였으며, 이를 도 1에 나타내었다.
[표 1]
Figure pat00001
비교예 1. 비교 발열 시멘트 복합체 1 제조
상기 실시예 1과 모든 과정을 동일하게 수행하되, 카본블랙만을 첨가하지 않은 비교 발열 시멘트 복합체 1을 제조하였다.
비교예 2. 비교 발열 시멘트 복합체 2 제조
상기 실시예 1과 모든 과정을 동일하게 수행하되, 카본파이버만을 상기 시멘트 중량% 대비 0.25 중량% 첨가한 비교 발열 시멘트 복합체 2를 제조하였다.
실험예 1. 전기 비저항 시험(Electrical resistance test)
발열 시멘트 복합체의 전기 비저항성을 확인하기 위해, 상기 실시예 1에서 제조된 발열 시멘트 복합체(카본블랙 1.0 중량%) 및 비교예 1에서 제조된 비교 발열 시멘트 복합체 1(카본블랙 무첨가)에 대해 (a) 카본블랙 함량(wt%)에 따른 전기 비저항 및 (b) 양생 일(curing day)에 따른 전기 비저항을 확인하였으며, 이를 도 2에 나타내었다.
도 2를 참조하면, (a) 카본블랙이 시멘트 중량% 대비 1.0 증량%를 포함하는 발열 시멘트 복합체(실시예 1)는 카본블랙을 포함하지 않는 비교 발열 시멘트 복합체 1(비교예 1)과 비교하여 현저히 낮은 전기 비정항을 갖는 것을 확인할 수 있다. 또한, (b) 양생 일수가 증가함에 따라 카본블랙이 시멘트 중량% 대비 1.0 증량%를 포함하는 발열 시멘트 복합체(실시예 1)의 전기 비저항이 안정하게 유지되는 것을 확인할 수 있다.
실험예 2. 발열 특성
발열 시멘트 복합체의발열 특성을 확인하기 위해, 상기 실시예 1에서 제조된 발열 시멘트 복합체(카본블랙 1.0 중량%) 및 비교예 1에서 제조된 비교 발열 시멘트 복합체 1(카본블랙 무첨가)에서 제조된 에 대해 전압에 따른 평균 표면 온도를 확인하였으며, 이를 도 3 및 도 4에 나타내었다.
도 3을 참조하면, 카본블랙이 시멘트 중량% 대비 1.0 증량%를 포함하는 발열 시멘트 복합체(실시예 1)는 카본블랙을 포함하지 않는 비교 발열 시멘트 복합체 1(비교예 1)과 비교하여 현저히 높은 평균 표면 온도를 갖는 것을 확인할 수 있다. 특히, 도 4를 참조하면, 카본블랙이 시멘트 중량% 대비 1.0 증량%를 포함하는 발열 시멘트 복합체(실시예 1)을 20V의 전압을 인가했을 때 표면 온도가 80 ℃ 가까이 상승한 것을 확인할 수 있다.
따라서, 상기 결과를 통해, 본 발명의 발열 시멘트는 높은 발열 특성으로 콘크리트 내부양생에 적용되었을 때 우수한 양생효과를 기대할 수 있다.
이상 설명으로부터, 본 발명에 속하는 기술 분야의 당업자는 본 발명의 그 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 이와 관련하여, 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며, 한정적인 것이 아닌 것으로서 이해해야만 한다.

Claims (5)

  1. 시멘트;
    실리카 퓸(silica fume);
    고성능 유동화제;
    카본블랙(carbon black); 및 카본파이버(carbon fiber)를 포함하는 발열 시멘트 복합체.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 카본블랙은 상기 시멘트 중량% 대비 0.5 내지 1.2 중량%로 포함하고,
    상기 카본파이버는 상기 시멘트 중량% 대비 0.3 내지 0.8 중량%로 포함하는 발열 시멘트 복합체.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 실리카 퓸은 분산성을 향상시키기 위해 상기 카본블랙보다 상대적으로 작은 크기의 입자이며,
    상기 고성능 유동화제는 폴리카르복실(polycarboxyl) 계열 고성능 유동화제인 발열 시멘트 복합체.
  4. 시멘트; 실리카 퓸(silica fume); 카본블랙(carbon black); 및 카본파이버(carbon fiber)를 혼합하는 단계;
    상기 혼합물에 물 및 고성능 유동화제를 첨가하는 단계; 및
    상기 혼합물을 몰드에 타설하여 발열 시멘트 복합체를 제조하는 단계;를 포함하는 발열 시멘트 복합체의 제조방법.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 물은 상기 시멘트 중량% 대비 25 내지 40 중량%로 포함하는 발열 시멘트 복합체의 제조방법.
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