KR20220131412A - 도로포장용 발열 콘크리트 조성물 - Google Patents

Abstract

본 발명은 시멘트를 포함하는 결합재, 탄소나노튜브 분산액, 전기전도성 충진제가 포함되는 것을 특징으로 하는 도로포장용 발열 콘크리트 조성물에 관한 것이다.

Description

도로포장용 발열 콘크리트 조성물{Heat Building Concrete Composition for Road Pavement}

본 발명은 전기전도성을 갖는 탄소나노튜브를 도로포장용 콘크리트 배합에 도입하여 저전압을 콘크리트에 가하여 발열시킴으로써 강설, 결빙으로 인한 도로 마찰력 저하 현상을 방지하는 기술에 관한 것이다.

종래의 기술에 따른 도로 제설기법은 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 등록특허 제10-0072942호에는 "탄소나노튜브가 함유된 콘크리트 도로용 시멘트 융설체"라는 명칭의 발명이 개시되어 있다. 상기 기술에 따른 시멘트 융설체는 탄소나노튜브를 이용한 페이스트 발열체로 콘크리트에 설치하여 발열시킴으로 콘크리트의 결빙을 방지하는 기술로서 시멘트계 결합재를 사용한 콘크리트에 시멘트 융설체를 설치하는 작업공정이 추가되어 기존의 단순한 콘크리트 타설방법에 비하여 경제적이지 못한 시공과정을 포함한다.

또한, 상기 기술에 따른 시멘트 융설체는 모체가 되는 콘크리트에 일부구간에 대해 융설체를 설치하게 되므로 설치구간의 접합부에 일체화를 위한 구조적인 검토가 필요하다.

또한, 상기 기술에 따른 시멘트 융설체는 전체 도로 포장면에서 시멘트 융설체가 설치된 구간에서 한정적으로 발열 특성을 나타내므로 도로 위 빙설을 완전히 제거하기 어렵고, 폭설로 인해 적설량이 많은 경우 신속한 대응이 어렵다는 문제점이 있다.

대한민국 등록특허 제10-0072942호

본 발명은 상술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로 콘크리트 모체에 탄소나노튜브를 넣어 일체화하여 구조적인 문제를 해결하고, 콘크리트가 노출되는 전면에서 면상 발열을 통해 해빙 효과를 극대화하며, 저전력 발열체로 경제성을 갖춘 도로포장용 발열콘크리트 조성물을 제공하고자 함이다.

상술한 문제점들을 해결하기 위한 수단으로 본 발명의 시멘트를 포함하는 결합재, 탄소나노튜브 분산액, 전기전도성 충진제가 포함되는 것을 특징으로 한다.

하나의 예로 상기 탄소나노튜브 분산액은, 탄소나노튜브, 물, 폴리카르본산계 감수제, 개미산암모늄을 혼합하여 제조되는 것을 특징으로 한다.

하나의 예로 상기 전기전도성 충진제는 탄산리튬으로 표면개질 된 벤토나이트인 것을 특징으로 한다.

하나의 예로 요산이 더 포함되는 것을 특징으로 한다.

이상에서 설명한 바와 같이 본 발명의 조성물에 의해 시공되는 도로포장은 저전력으로도 콘크리트가 노출되는 면에서 5 내지 25℃의 온도가 상승되도록 하여 경제성이 우수한 장점이 있다.

또한, 본 발명의 조성물에 의해 시공되는 도로포장은 전도성 단절구간을 제어하여 발열효율을 배가시킬 수 있는 장점이 있다.

도 1은 탄소나노튜브 분산액 가공공정에 따른 발열량을 나타내는 그래프이고,
도 2는 W/B에 따른 발열량을 나타내는 그래프이고,
도 3은 W/B에 따른 열화상카메라 사진이고,
도 4는 S/a에 따른 발열량을 나타내는 그래프이고,
도 2는 각 시료별로 작업성을 실험한 결과를 나타내는 그래프이고,
도 3은 각 시료별로 압축강도를 실험한 결과를 나타내는 그래프이고,
도 4a 내지 도 4c는 각 시료별로 시간에 따른 발열온도를 측정한 그래프이다.

이하, 본 발명의 구성 및 작용을 첨부된 도면에 의거하여 좀 더 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 조성물은 시멘트를 포함하는 결합재, 탄소나노튜브 분산액, 전기전도성 충진제가 포함되는 것을 특징으로 한다.

바람직하게 시멘트를 포함하는 결합재 100중량부에 대해 탄소나노튜브 분산액 20 내지 50중량부, 전기전도성 충진제 5 내지 10중량부를 포함하도록 배합되는 것이 타당하다.

상기 시멘트를 포함하는 결합재에는 전로슬래그가 포함될 수 있다. 전로슬래그는 철분이 많이 함유돼 있어 천연 암석보다 밀도가 높고 내마모성이 우수한 바, 페이스트의 전기전도성이 부여될 수 있는 것이다.

또한 전로슬래그엔 생석회(CaO)가 함유돼 있어 물과 반응하면 체적팽창이 되는 바, 팽창제로서 균열저감의 기능도 발현되도록 하는 것이다.

상기 탄소나노튜브 분산액은 탄소나노튜브, 물, 폴리카르본산계 감수제, 개미산암모늄을 혼합하여 제조되는 것을 특징으로 한다. 탄소나노튜브를 물에 희석하여 탄소나노튜브 분산액이 제조되도록 하는 것이다.

일반적인 탄소나노튜브 입자들은 강한 반데르발스(Van der Waals) 인력으로 인해 입자간 인력이 생기며, 이로 인해 자기-응집(self-aggregation)을 이루게 된다. 탄소나노튜브의 이러한 특성으로 인해 페이스트에서 탄소나노튜브 입자 자체를 미세입자로 분산시키고, 분산된 미세입자들의 분산성을 유지하는 것에 한계가 있다. 특히 탄소나노튜브는 비중이 매우 낮아 배합시 고르게 분포되지 못하며 표면으로 떠오르기 때문으로 균일한 분산이 이루어지기 어려운 문제가 있다.

이에 본 발명에 있어 상기 탄소나노튜브 분산액에는 폴리카르본산계 감수제가 더 포함되도록 하여 탄소나노튜브의 균일한 분산이 이루어지도록 하는 것이다.

상기 폴리카르본산(Polycarboxylate)계 감수제를 사용하는데, 주쇄(main chain)가 긴 폴리카르본산계 감수제는 카르복실기(COO-)가 시멘트의 초기 분산을 효과적으로 유도하여 단위수량을 감소시키고 시멘트가 수화하여 강도를 발현하도록 한다.

이에 더하여 상기 탄소나노튜브 분산액에는 개미산암모늄이 첨가되도록 한다.

이와 같이 탄소나노튜브 분산액에 개미산암모늄이 더 첨가되도록 하는 이유는 본 발명의 조성물에 의한 도로포장에 있어 시멘트와 타 조성들 간에 반응과정에서 수화열이 발생되는데 개미산암모늄은 배합과정 및 경화과정에서 이러한 수화열을 흡수하여 균열을 제어하는 것은 물론 수화열의 흡수에 의해 열에 의해 탄소나노튜브의 열변성을 제어하여 기능저하를 방지토록 하기 위한 것이다.

페이스트에 있어 균열이 발생되는 경우 균열구간은 전도성의 단절구간으로서 작용하여 발열효율을 저하시키게 되는 바, 상기에서 언급한 바와 같이 개미산암모늄의 첨가에 의해 균열을 제어토록 하는 것이다.

또한 상기 개미산암모늄은 전도도 보조제로서 기능을 하는 바, 개미산암모늄의 첨가에 의해 탄소나노튜브의 전도도를 더욱 배가시키도록 하는 것이다.

즉 본 발명에 있어 탄소나노튜브 분산액에 개미산암모늄이 첨가됨에 의해 균열저항성을 향상시켜 구조적 건전성은 물론 전도성 단절구간의 생성을 제어토록 하는 것이며, 자체로서 탄소나노튜브의 전도도를 배가시키도록 하여 결국 발열효율을 높이도록 하는 것이다.

또한 본 발명에서는 상기 전기전도성 충진제로서 탄산리튬으로 표면개질 된 벤토나이트가 첨가되도록 하는 예를 제시하고 있다. 즉 표면이 탄산리튬으로 코팅된 벤토나이트가 첨가되도록 하는 것이다.

벤토나이트만을 첨가하는 경우 벤토나이트가 팽창제로 작용을 하여 물리적으로 균열저항성을 향상시킴에 따라 상기에서 언급한 바와 같이 구조적 건전성은 물론 전도성 단절구간의 생성을 제어토록 하는 것이며, 팽창된 벤토나이트가 전도성 단절부분으로서 작용을 할 수 있는데 표면을 탄산리튬으로 코팅시킴으로써 전도성을 가지도록 하여 팽창에 의해 균열저항성을 향상시키면서도 전도성 단절이 제어되도록 하는 것이다.

이러한 탄산리튬에 의한 코팅층은 리튬 금속 분말이 Si 또는 SiO 계면에 존재하는 O, OH 등과 반응하여 생성된 것으로서, 이러한 반응은 공지의 기계화학적 공정(mechanochemical process) 또는 열분해 반응(pyrolysis reaction)에 의한다. 상기 기계화학적 공정(mechanochemical process)은 리튬 금속 분말과 상기 벤토나이트를 혼합한 후 물리적으로 힘을 가하여 리튬 금속 분말과 상기 벤토나이트의 표면에 있는 O, OH 등과 반응시키는 방법이고, 상기 열분해 반응(pyrolysis reaction)은 리튬 금속의 전구체를 활용하여 고온에서 열분해하여 리튬 금속 분말을 생성시키고, 이들 리튬 금속 분말과 이들의 전구체와 함께 혼합된 상기 벤토나이트의 표면에 있는 O, OH 등을 반응시키는 방법이다.

상기 벤토나이트 표면 위에서 리튬 금속 분말의 반응은 10분 내지 3시간 동안 진행되도록 함이 바람직하고, 상기 코팅층의 두께는 1 내지 400 ㎚인 것이 바람직한바, 이 범위 내에서는 전기전도도가 유지될 수 있는 것이다.

한편 페이스트에 있어 경화과정 및 공용중에 모세관현상에 의해 균열이 발생될 수 있는데, 이러한 건조수축균열은 상기 개미산암모늄 및 상기 벤토나이트에 의해 제어될 수 없는 바, 본 발명에서는 요산이 더 첨가되도록 하는 예를 제시하고 있다. 이렇게 요산이 더 첨가됨에 의해 요산이 보습제로서 기능을 하는바, 건조수축균열을 제어토록 하는 것이다.

이하 실험을 통해 본 발명의 바람직한 실시예를 설명한다.

<탄소나노튜브 분산액 제조>

본 발명에서 탄소나노튜브는 액상의 형태로 콘크리트 배합에 적용되며, 액상의 탄소나노튜브는 탄소나노튜브를 1 내지 5중량% 포함한다. 탄소나노튜브 분산액은 탄소나노튜브가 액상에서 100% 분산되는 것을 100으로 기준 하였을 때 분산 제조시 가공 공정을 30까지 낮추어 분산액을 제조하여 비용을 절감토록 한다. 하기 표 1은 탄소나노튜브의 분산액 제조시 가공 공정율을 나타낸다.

	#1	#2	#3	#4	#5
CNT함량	6A1 wt % 10A 3 wt %	6A1 wt % 10A 3 wt %	6A1 wt % 10A 3 wt %	6A1 wt % 10A 3 wt %	6A1 wt % 10A 3 wt %
분산제 첨가 여부	O	O	O	O	O
장비 A 가동률	60	60	60	20	30
장비 B 가동률	40	24	20	10	16
총 가동률 (%)	100	84	60	30	46

표 1과 같이 5단계로 분류하여 콘크리트에 혼입한 결과는 도 1에 도시되고 있다. 탄소나노튜브 분산액의 제조 가공단계별로 콘크리트가 발열되는 온도 상승량은 최소 5℃이상으로 #5에서도 5℃이상의 발열을 확인할 수 있으나, 콘크리트 제조시 안전율을 고려하여 #4수준 이상의 탄소나노튜브 분산액을 범위로 정하는 것이 타당한 것으로 판단하였다.

<W/B 및 S/a에 따른 발열량 실험>

도 2는 36시간 동안 측정한 각 시료의 W/B에 따른 온도 상승 이력을 나타낸 것이다. 도 3은 전력 공급 후 5시간 경과 후 각 시료의 발열온도 분포를 열화상 카메라를 통해 측정한 결과이다. W/B가 30%로 가장 높은 시료가 가장 높은 온도 상승을 나타내었고, W/B가 50%로 가장 낮은 시료에서도 발열특성을 나타냄을 확인하였다.

또한 도 4는 36시간 동안 각 시료의 S/a에 따른 온도 상승이력을 나타낸 것으로 발열량은 S/a에 큰 영향을 받지 않는 것으로 나타났다.

<작업성 및 압축강도 실험>

하기 표 2에 도시된 바와 같이 시료를 제작하였다. 하기에서 언급하는 바와 같이 탄소나노튜브 분산액을 콘크리트 배합에 사용하여 콘크리트의 작업성과 압축강도에 영향을 미치지 않고 오히려 초기 압축강도를 3~5%를 상승시키는 효과를 나타내는 것을 알 수 있다. 여기서 탄소나노튜브 분산액에는 폴리카르본산계 감수제, 개미산암모늄이 첨가되도록 한다.

	단위 중량 (kg/㎥)
구분	물	결합재	CNT	잔골재1	잔골재2	굵은골재	혼화제
C1	168	450	4.5	370	377	936	4.05
C5	168	450	22.5	370	377	936	4.05
P	168	450	-	370	377	936	4.05

도 5에서 보는 바와 같이 탄소나노튜브를 사용한 시료는 슬럼프 플로우가 2.2 내지 2.7% 증가되고 있는 것을 알 수 있다. 즉 탄소나노튜브는 작업성에 큰 영향을 미치지 않는 것을 알 수 있다.

또한 도 6에서 보는 바와 같이 탄소나노튜브를 사용한 시료는 일반 시료에 비하여 압축강도가 5.7 내지 10.5% 상승하는 결과가 도출되는 것을 알 수 있다.

<발열량 실험>

상기 C5와 동일하게 배합하되, 실시예 1에서는 탄소나노튜브 분산액에 개미산암모늄이 첨가되지 않은 시료이며, 실시예 2의 경우 탄소나노튜브 분산액에 개미산암모늄이 첨가된 시료이고, 실시예 3의 경우 실시예 2와 동일하면서 충진제로 벤토나이트가 더 첨가된 시료이고, 실시예 4의 경우 실시예 3과 동일하되 충진제로 탄산리튬이 코팅된 벤토나이트가 첨가된 시료이다.

시간경과에 따른 발열온도를 측정한 결과 실시예 2가 실시예 1보다 높은 발열량이 발현되는 것을 알 수 있다. 이는 실시예 2의 경우가 탄소나노튜브 분산액에 개마산암모늄이 첨가됨에 기인한 것으로서 탄소나노튜브 분산액에 개미산암모늄이 첨가됨에 의해 균열저항성을 향상시켜 전도성 단절구간의 생성을 제어토록 함과 동시에 전도도보조제로서 기능을 하여 탄소나노튜브의 전도도를 배가시킴에 기인한 것으로 판단된다.

또한 실시예 3의 경우 실시예 2와 대비 조금 높은 발열량이 발현되는 것을 알 수 있는데 이는 실시예 3에서 벤토나이트가 첨가되어 균열저항성 향상에 따른 전도성 단절구간의 생성을 제어토록 함에 기인한 것으로 판단되며, 실시예 4의 경우가 실시예 3의 경우보다 더 높은 발열량이 발현되는 것은 탄소리튬이 코팅된 벤토나이트가 첨가됨에 의해 벤토나이트 자체에 의한 전도성 단절부분이 생김이 탄소리튬 코팅층에 의해 제어됨에 기인한 것으로 판단된다.

이상 설명한 내용을 통해 당업자라면 본 발명의 기술사상을 일탈하지 아니하는 범위에서 다양한 변경 및 수정 가능함을 알 수 있을 것이다. 따라서, 본 발명의 기술적 범위는 명세서의 상세한 설명에 기재된 내용으로 한정되는 것이 아니라 특허청구범위에 의해 정해져야만 할 것이다.

Claims (4)

1. 시멘트를 포함하는 결합재, 탄소나노튜브 분산액, 전기전도성 충진제가 포함되는 것을 특징으로 하는 도로포장용 발열 콘크리트 조성물.
   
2. 제 1항에 있어서,
   상기 탄소나노튜브 분산액은,
   탄소나노튜브, 물, 폴리카르본산계 감수제, 개미산암모늄을 혼합하여 제조되는 것을 특징으로 하는 도로포장용 발열 콘크리트 조성물.
   
3. 제 1항에 있어서,
   상기 전기전도성 충진제는 탄산리튬으로 표면개질 된 벤토나이트인 것을 특징으로 하는 도로포장용 발열 콘크리트 조성물.
   
4. 제 1항에 있어서,
   요산이 더 포함되는 것을 특징으로 하는 도로포장용 발열 콘크리트 조성물.

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