KR101315847B1 - 균열자기치유 성능을 가지는 도전성 콘크리트 접지봉의 제조방법 - Google Patents

균열자기치유 성능을 가지는 도전성 콘크리트 접지봉의 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 도전성 콘크리트 접지봉의 제작방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 기존 도전성 콘크리트 접지봉의 물리적 성능 및 전기저항 성능을 그대로 확보하는 것은 물론 콘크리트의 균열을 스스로 복원하고 치유할 수 있는 균열자기치유 성능을 발휘하는 도전성 콘크리트 접지봉을 제작하는 방법에 관한 것이다.
본 발명에 따른 균열자기치유 성능을 가지는 도전성 콘크리트 접지봉 제작방법은, 수용성 무기질계 겔화제, 알카리 설페이트, 알루민산나트륨, 수용성 실리카, 친수성 망상구조 혼화제, 불소계 지연제를 포함하여 조성된 자기치유 탄산화 혼화제를 혼입하여 도전성 콘크리트를 배합하고, 상기 도전성 콘크리트로 접지 연결봉을 피복시켜 봉형으로 성형 제작하는 것을 특징으로 한다.

Description

균열자기치유 성능을 가지는 도전성 콘크리트 접지봉의 제조방법{Manufacturing Method of Grounding Rod with Crack Self Healing Performance}
본 발명은 도전성 콘크리트 접지봉의 제작방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 기존 도전성 콘크리트 접지봉의 물리적 성능 및 전기저항 성능을 그대로 확보하는 것은 물론 콘크리트의 균열을 스스로 복원하고 치유할 수 있는 균열자기치유 성능을 발휘하는 도전성 콘크리트 접지봉을 제작하는 방법에 관한 것이다.
전기 및 전자기기에는 고장전류와 낙뢰로 인해 고전압의 전류가 유입되어 기기가 파손되는 것을 방지하기 위해 접지시스템이 필요하다. 접지시스템은 지하에 접지부재를 매설한 후 전자기기에 연결하여 방전하는 형태를 가지는데, 통상 접지부재는 도전성 콘크리트와 철부자재에 의한 접지 연결봉을 이용하여 판(plate) 또는 봉(rod) 형태로 접지부재 간 연결이 용이하도록 제작된다.
도 1은 봉 형태로 제작된 접지봉의 일례이다. 통상 접지봉은 접지 연결봉인 스테인리스 파이프(STS304 32A, 지름45mm) 외부에 도전성 콘크리트(φ100×L1000)를 성형하여 제조한다. 특히 접지 연결봉 양단에는 접지봉을 상호 접속할 수 있도록 접속용 나사가 가공되고, 양단 중 한쪽에는 리드선을 접속할 수 있도록 접속단자가 부착되는 구조로 제조한다. 이렇게 제작된 도전성 콘크리트 접지봉은 일반적으로 원지름이 100mm 정도가 되는데, 여기서 도전성 콘크리트의 피복두께는 스테인리스 파이프의 두께 45mm를 뺀 55mm 정도로 얇기 때문에 도전성 콘크리트 접지봉은 보관, 운반, 시공 중 발생하는 충격과 건조수축에 따라 콘크리트 피복부분에 균열이 쉽게 발생한다.
한편, 콘크리트 제품은 성형 후 일정 기간이 지나면 그 성능이 점자 저하되고 노후화된다. 특히 콘크리트 피복부분에 균열이 발생하면 콘크리트 내부에 침투한 수분 특히 우수(빗물), 염화물이온 등에 의한 팽창특성으로 인해 도전성 콘크리트와 접지 연결봉인 스테인리스 파이프 간 이격이 초래되는데, 이에 따라 고유의 성능인 전기저항 성능이 저하되고 제품 수명이 단축된다.
종래 도전성 콘크리트 접지봉은 건조수축으로 인한 균열 및 운반, 보관 중의 파손을 방지하기 위해 종이틀인 지관(紙管) 또는 지기(紙器)를 이용하여 제작되었는데, 이는 종이틀을 이용한 성형틀로 접지봉을 성형함으로써 건조 시 수분입자의 증발을 억제하고 건조수축으로 인한 균열을 방지하고자 한 것이다. 하지만 종이틀을 이용한 수동적인 균열 방지 대책으로는 미흡하다. 즉 접지봉을 운반하는 과정에서 접지봉에 충격이 가해지거나 시공까지 접지봉의 보관기간이 길어지는 경우에는 외부의 환경변화에 따라 수분입자가 접지봉에서 증발되거나 접지봉으로 유입되면서 건축수축이 진행되어 균열이 발생하기 쉽다. 또한 도전성 콘크리트 접지봉은 제작 및 보관 중에는 종이틀에 의해 보호되지만 시공 과정에서 종이틀이 제거된 채 지하 75cm이상 깊이로 매설되기 때문에 시공 과정에는 외부 충격으로 접지봉에 균열이 발생할 우려가 있고 시공 후에는 매설 지반의 환경에 따라 수분 흡수에 의해 팽창하거나 건조에 의해 수축함으로써 균열이 가속될 우려가 있다.
본 발명은 종래 접지봉의 균열 문제를 개선하고자 개발된 것으로서, 다음과 같은 기술적 과제를 갖는다.
첫째, 기존 도전성 콘크리트 접지봉의 물리적 성능 및 전기저항 성능을 그대로 확보하면서도 발생한 균열을 스스로 복원하고 치유할 수 있는 균열자기치유 특성의 도전성 콘크리트 접지봉의 제작방법을 제공하고자 한다.
둘째, 비교적 저렴한 재료의 사용으로 경제적으로 생산할 수 있는 도전성 콘크리트 접지봉의 제작방법을 제공하고자 한다.
상기한 기술적 과제를 해결하기 위해 본 발명은 수용성 무기질계 겔화제, 알카리 설페이트, 알루민산나트륨, 수용성 실리카, 친수성 망상구조 혼화제, 불소계 지연제를 포함하여 조성된 자기치유 탄산화 혼화제를 혼입하여 도전성 콘크리트를 배합하고, 상기 도전성 콘크리트로 접지 연결봉을 피복시켜 봉형으로 성형 제작하는 것을 특징으로 하는 균열자기치유 성능을 가지는 도전성 콘크리트 접지봉 제작방법을 제공한다.
본 발명에 따르면 다음과 같은 효과를 기대할 수 있다.
첫째, 접지봉 제작에서 도전성 콘크리트를 배합할 때 자기치유 탄산화 혼화제를 혼입한 결과, 기존 접지봉과 동등 이상의 물리적 성능 및 전기저항 성능을 확보하면서도 발생한 균열을 스스로 복원하고 치유할 수 있는 접지봉으로 제작할 수 있다. 이로써 접지봉의 내구성을 향상시키고 제품 수명을 늘릴 수 있다.
둘째, 고가의 팽창재 및 탄산화제에 비해 상대적으로 저렴한 재료의 자기치유 탄산화 혼화제를 이용하기 때문에 경제적으로 접지봉을 제작할 수 있으며, 나아가 자기치유 특성을 발현하는 자기치유 탄산화 혼화제가 초기의 시멘트 수화반응을 촉진하므로 조기강도가 향상된 접지봉으로 제작할 수 있다.
도 1은 접지봉에 대한 사진과 평단면도이다.
도 2는 투수시험 전후의 투수시험체의 전자현미경 관찰사진을 보여준다.
본 발명은 접지봉 제작을 위한 도전성 콘크리트 배합에서 자기치유 탄산화 혼화제를 혼입한다는데 특징이 있다. 여기서 자기치유 탄산화 혼화제는 수용성 무기질계 겔화제, 알칼리 설페이트, 알루민산나트륨, 수용성 실리카, 친수성 망상구조 혼화제, 불소계 지연제를 포함하여 조성된다. 이러한 자기치유 탄산화 혼화제는 반응성, 소요성능, 경제성을 고려할 때 수용성 무기질계 겔화제 11~83중량%, 알칼리 설페이트 8~47중량%, 알루민산나트륨 5.9~11.5중량%, 수용성 실리카 1~19중량%, 친수성 망상구조 혼화제 2~7중량%, 불소계 지연제 0.1~4.5중량%를 포함하여 조성하는 것이 바람직하다.
자기치유 탄산화 혼화제에서 수용성 무기질계 겔화제는 무기질계 응집제로서 초기에는 물리화학적 응집 현상에 기여하고 경화 후에는 겔화 형태를 유지하여 수분이 공급시 이온의 용출을 통하여 delayed ettringite 생성하는 작용을 한다. 가령 수용성 무기질계 겔화제의 대표격인 황산알루미늄(Al2(SO4)3·xH2O)은 무기전해질로서 물에 용해되어 액체 속의 입자의 표면전위를 거의 0에 가깝게 하여 입자 상호 간의 전기적 반발력을 없애 줌으로써 고점도의 응집현상을 일으키고, 더불어 물에 용해되어 SO42 - 이온과 Al3 + 이온을 공급함으로써 시멘트 수화물 중의 Ca(OH)2에서 Ca2+ 이온과 반응하여 Ettringite(3CaO·Al2O3·3Ca(SO)4·32H2O) 생성에 기여한다. 수용성 무기질계 겔화제는 황산알루미늄과, 황산칼륨알루미늄(AlK(SO4)2·xH2O) 중에서 하나 이상 채택하면 적당하며, 반응성을 고려할 때 비중이 1.5~1.9이고, 용해도가 8%이상(25℃)이 며 Al2O3함량이 15% 이상 것이 바람직하다.
알카리 설페이트는 아래 반응식에서와 같이 수분이 공급되면 팽창성 수화물(ettringite, 3CaO·Al2O3·3Ca(SO)4·32H2O)을 생성하여 균열부를 복원하는데 기여한다.
3R2SO4+3CaO·Al2O3 + 3Ca(OH)2 + 32H2O -> 3CaO·Al2O3·3Ca(SO)4·32H2O + 6R(OH)
위 반응식에서 3CaO·Al2O3, 3Ca(OH)2는 시멘트 성분에서 공급되는데, 시멘트의 수화반응 초기에 시멘트의 3CO·Al2O3가 설페이트 이온(SO42 -)과 급격하게 반응하기 때문에 xCaO·yAl2O3·zH2O가 생성되는 수화반응이 지연되면서 유동성이 확보된다. 또한 재령 초기에는 아래 반응식에서와 같이 알칼리 환경을 제공하여 시멘트의 수화반응을 촉진함으로써 강도 증진에도 기여한다.
(XCaO + YSiO2 + ZH2O)(Condition : pH 12~13) -> xCaO·yAl2O3·zH2O
위 반응식에서 CaO, SiO2 는 시멘트 성분에서 공급되며, pH 12~13의 환경은 Alkali Sulfate의 용해에 의한 ROH의 생성으로 pH가 12~13의 조건이 되며, 또한 시멘트의 수화과정에서 발생하는 Ca(OH)2의 생성도 pH 조건에 기여한다. 이러한 반응을 통해 생성되는 칼슘실리케이트 수화xCaO·yAl2O3·zH2O은 강도발현을 하는 대표적인 시멘트 수화물로 우수한 강도를 발현한다.
알칼리 설페이트는 CaSO4, CaSO42H2O, CaSO41/2H2O 중 하나 이상 35~70중량%와 Na2SO4, K2SO4 중 하나 이상 30~65중량%를 혼합하여 사용하는 것이 반응성을 고려할 때 바람직하다.
알루민산나트륨(Al2O3·nNa2O)은 일반적으로 물에 용해되면 NaOH와 Al(OH)3를 생성하여 알카리성을 나타내는데(Al2O3·nNa2O + 5H2O -> xNaOH + yAl(OH)3), 이때 생성되는 NaOH는 시멘트 페이스트의 pH를 높여 시멘트의 수화반응을 촉진함으로써 칼슘실리케이트 수화물(xCaO·yAl2O3·zH2O)를 신속하게 생성시켜 자기치유 석출물의 초기 석출 및 성장에 기여하며, Al(OH)3는 황산알루미늄과 함께 Ettringite 생성하여 초기재령 강도 증진에 기여한다. 알루민산나트륨은 화학식이 Al2O3nNa2O(n=1.3~1.8)이고, Na2O 함량이 35중량% 이상이고, 겉보기밀도가 0.4~0.7g/㎤인 것이 반응성을 고려할 때 바람직하다.
수용성 실리카는 혼화제의 균질한 혼합 및 분산 등에 기여하여 혼화제의 제조성과 안정적인 성능을 확보할 수 있게 한다. 또한 시멘트 입자 사이의 충전재가 되어 시멘트의 수화반응이 진행될수록 중장기 재령 강도를 증진시키고, 나아가 규산이온에 의해 칼슘실리케이트 수화물(xCaO·yAl2O3·zH2O)을 생성하여 중장기 재령 강도를 증진시키기도 한다. 수용성 실리카는 실리카퓸, 반응성 실리카 분말 중 하나 이상이면 적당하며, 작용효과를 고려할 때 입자 크기가 5㎛ 이하이면서 SiO2 함량이 90% 이상이고 비중이 2.1~2.8이며 분말도가 10,000~200,000㎠/g인 것이 바람직하다.
친수성 망상구조 혼화제는 말단기에 친수특성을 띄는 수산기(-OH)를 가지면서 다공성의 3차원 해면스폰지 구조를 형성하는 것으로, 친수성을 가짐으로써 도전성 콘크리트의 부착성능을 향상시켜 접지 연결봉과의 결합력을 향상시키는 역할을 한다. 이러한 친수성 망상구조 혼화제는 (CxHyOz)n을 기본구성 및 반복단위로 하는 물질로서, PVA(Poly Vinyl Alcohol), PVB(Poly Vinyl Butyral), PVF(Poly Vinyl Formal), PVAc(Poly Vinyl Acetal) 중에서 하나를 선택하여 사용하거나 둘 이상을 선택하여 혼합하여 사용하면 적당하다. 다만 알칼리특성의 시멘트와의 혼합성을 고려할 때 진비중 1.1~1.3, 겉보기비중 0.6~0.7, 용해pH(5% 용액) 5~7, 점도(4% 용액, 20℃, brookfield점도계) 5.5~6.5cps인 PVA를 사용하는 것이 바람직하다.
불소계 지연제(KF·nH2O, n=0~2)는 알칼리 이온에 의해 초기응결 속도를 제어하는 역할을 하는데, 비중 2~3, 용해도(20℃ 물) 92~93%, pH가 4~6.5로 약산성인 것을 특징으로 하는 것이 바람직하다.
상기와 같은 구성의 자기치유 탄산화 혼화제가 도전성 콘크리트 배합에 혼입되면 균열자기치유 특성의 도전성 콘크리트가 된다. 이때 균열자기치유 특성의 도전성 콘크리트는, 보통 포틀랜트 시멘트 22~60중량%, 무기충전제 20.8~32중량%, 골재 14~23중량%, 도전성 탄소분말 또는 탄소섬유 0.1~2.5중량%, 반응조정제 0.1~0.5중량%, 자기치유 탄산화 혼화제 5~20중량%를 포함하여 조성한 건조혼합물 100중량부에 물 30~45중량부를 배합하는 것이 바람직하다. 여기서 건조혼합물은 프리믹스로 미리 혼합하여 준비할 수 있다.
보통 포틀랜드 시멘트는 결합재가 되는 것인데, 건조혼합물의 22~60중량%로 사용한다. 22중량% 미만이면 경화체의 충분한 강도 발현이 어려우며, 60중량% 초과하면 지나친 점성으로 인해 유동성 확보에 어려움이 있고 균열발생 문제가 우려된다.
무기충전제는 분산효과와 함께 시멘트 내 공극에 대한 충전효과를 발휘하여 시멘트의 강도와 수밀성 개선을 위해 사용하며, 이러한 사용목적을 효과적으로 실현하기 위해 건조혼합물에서 20.8~32중량% 사용하는 것이 적당하다. 무기충전제로는 탄산칼슘이 바람직하다.
골재는 강도 증진 목적으로 사용하는데, 세골재 크기의 규사가 적당하다. 골재는 건조혼합물에서 14~23중량% 사용하며, 14중량% 미만이면 강도 증진 효과가 미미하고 23중량% 초과하면 과도한 사용으로 경화체의 중량 증대가 우려된다.
도전성 탄소분말 내지 탄소섬유는 강도 증진과 함께 전기 전도성 향상을 위해 사용하며, 건조혼합물에서 0.1~2.5중량%가 바람직하다. 도전성 탄소섬유가 0.1중량% 미만이면 도전성 콘크리트의 전기적 특성저하로 인해 전기저항율이 높게 나오며, 2.5중량% 초과하면 도전성 콘크리트 혼합시 서로 엉기는 현상으로 인해 도전성이 불규칙해지기 쉽다.
반응조정제는 시멘트의 수화반응을 자극하여 경화특성 개선하기 위해 사용하는데, Calcium sulfo aluminate(CSA)가 바람직하다. 반응조정제는 건조혼합물에서 0.1~0.5중량% 사용하는 것이 적당하다.
자기치유 탄산화 혼화제는 앞서 살펴본 바와 같이 균열자기치유 특성과 조기강도 개선을 위해 혼입된다. 자기치유 탄산화 혼화제는 건조혼합물에서 5~20중량% 사용하는 것이 경제성과 반응성을 고려할 때 적당하다.
위와 같은 재료들로 건조혼합물을 조성한 후에, 이러한 건조혼합물 100중량부에 대하여 30~45중량부의 물을 배합하면 접지봉 제작을 위한 균열자기치유 특성의 도전성 콘크리트가 된다. 이때 배합수가 30중량부 미만이면 유동성이 부족하여 작업성 확보가 곤란하고, 45중량부 초과하면 과도한 수분함량으로 인해 성형과정에서 재료분리(하부에 고형분이 침전하고 상부에 배합수가 뜨게 됨)가 일어나 성형성이 저하되는 것은 물론 양생 건조과정에서 크랙이 발생하고 양생 후에는 콘크리트의 강도저하 등의 문제가 우려된다
이하에서는 실시예에 의거하여 본 발명에 따른 자기치유 특성의 도전성 콘크리트 접지봉의 특성을 살펴본다. 다만, 하기의 실시예는 본 발명을 예시하기 위한 것일 뿐이며, 본 발명의 범위가 이로써 한정되는 것은 아니다.
[ 실시예 ] 도전성 콘크리트 접지봉의 특성
1. 시편제작
아래 [표 1]에 따른 건조혼합물과 [표 2]에 따른 자기치유 탄산화 혼화제를 이용하면서 도전성 콘크리트를 배합하였다. 도전성 콘크리트는 건조혼합물 100중량부에 36중량부의 물로 배합하였으며, 도전성 콘크리트 접지봉(판) 한전등록구매규격(ES-5975-0001)에 의거하여 도전성 콘크리트 접지봉을 제작하였다.
도전성 콘크리트의 건조 혼합물 조성(중량%)
구성물 실시예1 실시예2 비교예1 비고
보통 포틀랜트 시멘트 50 47 55 보통 포틀랜트 시멘트
무기충전제 24.6 25.4 28 탄산칼슘
골재 17 16 16.7 규사 #3
도전성 탄소분말 또는 탄소섬유 0.3 0.3 0.4 PAN계 6mm 길이
반응조정제 0.1 0.3 0.1 CSA
자기치유 탄산화 혼화제 8 11 0 비중 1.4
소계 100 100 100 -
자기치유 탄산화 혼화제의 조성(중량%)
구성물 조성 비고
수용성 무기질계 겔화제 47 비중: 1.69, 용해도: 11%(25℃)
Al2O3함량 17%인 Al2(SO4)3
알칼리 설페이트 33 Na2(SO)4
알루민산나트륨 7.3 Na2O 함량: 42%, Al2O3nNa2O(n=1.4)
겉보기밀도 : 0.6g/㎤
수용성 실리카 8 SiO2 함량: 92%,,비중 : 2.2,
분말도: 100,000㎠/g인 Silica fume
친수성 망상구조 혼화제 4 진비중 1.2, 겉보기비중 0.6,
용해pH(5% 용액) 6, 점도(4% 용액, 20℃, brookfield점도계) 6cps인 PVA
불소계 지연제 0.7 KF·nH2O(n=1), 비중 2,
용해도(20℃ 물) 92%, pH 4.5
계 100 -
2. 특성평가
제작된 시편에 대해 도전성 콘크리트 접지봉(판) 한전등록구매규격(ES-5975-0001)에 따라 압축강도, 휨강도, 전기저항을 평가하였으며 그 결과는 아래 [표 3]과 같이 나타냈다. 더불어 크랙 후 치유형상에 대한 특성을 평가하였는데, 기건 7일 양생 후 항온항습 21일 경화한 시편에 크랙을 임의로 가하여 0.1~0.3mm 범위의 크랙 간격으로 제어한 다음 물을 7일 동안 투수하여 치유형상을 확인하는 방법으로 평가하였으며, 그 결과는 도 2와 같다.
접지봉 시편의 특성평가 결과
특성 실시예1 실시예2 비교예1
압축강도(kgf/cm2) 320 301 211
휨강도(kgf/cm2) 163 151 127
전기저항율(Ωm)
(기건7일양생 후)		 0.0344 0.0328 0.0339
위의 [표 3]에서와 같이 비교예1보다 실시예1,2에서 압축강도와 휨강도가 더 향상된 것을 확인할 수 있다. 이로부터 자기치유 탄산화 혼화제는 압축강도와 휨강도의 향상에 기여함을 알 수 있다. 또한 도 2에서는 자기치유 탄산화 혼화제가 혼입된 실시예1,2가 비교예1보다 균열부가 효과적으로 복원되고 있음을 확인할 수 있다.

Claims (4)

  1. 삭제
  2. 수용성 무기질계 겔화제, 알칼리 설페이트, 알루민산나트륨, 수용성 실리카, 친수성 망상구조 혼화제, 불소계 지연제를 포함하여 조성된 자기치유 탄산화 혼화제를 혼입하여 도전성 콘크리트를 배합하고, 상기 도전성 콘크리트로 접지 연결봉을 피복시켜 봉형으로 성형 제작하되,
    상기 자기치유 탄산화 혼화제로,
    Al2(SO4)3, AlK(SO4)2 중에서 하나 이상에 의한 수용성 무기질계 겔화제,
    CaSO4, CaSO42H2O, CaSO41/2H2O 중 하나 이상이 35~70중량%이면서 Na2SO4, K2SO4 중 하나 이상이 30~65중량%로 구성된 알칼리 설페이트,
    Na2O 함량이 35중량% 이상이면서 겉보기밀도가 0.4~0.7g/㎤인 알루민산나트륨,
    실리카퓸, 반응성 실리카 분말 중 하나 이상에 의한 수용성 실리카,
    PVA(Poly Vinyl Alcohol), PVB(Poly Vinyl Butyral), PVF(Poly Vinyl Formal), PVAc(Poly Vinyl Acetal) 중에서 하나 이상에 의한 친수성 망상구조 혼화제,
    비중 2~3, 용해도(20℃ 물) 92~93%, pH가 4~6.5로 약산성인 불소계 지연제를 이용하여 조성하면서 제작하는 것을 특징으로 하는 균열자기치유 성능을 가지는 도전성 콘크리트 접지봉의 제작방법.
  3. 제2항에서,
    상기 도전성 콘크리트는, 보통 포틀랜트 시멘트 22~60중량%, 무기충전제 20.8~32중량%, 골재 14~23중량%, 도전성 탄소분말 또는 탄소섬유 0.1~2.5중량%, 반응조정제 0.1~0.5중량%, 자기치유 탄산화 혼화제 5~20중량%를 포함하여 조성된 건조혼합물 100중량부에 물 30~45중량부를 배합한 것이며,
    상기 자기치유 탄산화 혼화제는, 수용성 무기질계 겔화제 11~83중량%, 알칼리 설페이트 8~47중량%, 알루민산나트륨 5.9~11.5중량%, 수용성 실리카 1~19중량%, 친수성 망상구조 혼화제 2~7중량%, 불소계 지연제 0.1~4.5중량%를 포함하여 조성된 것임을 특징으로 하는 균열자기치유 성능을 가지는 도전성 콘크리트 접지봉의 제작방법.
  4. 제3항에 따라 봉형으로 성형 제작된 도전성 콘크리트 접지봉.
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