KR102213185B1 - High Performance Cementitious Composites for Shielding Electromagnetic Pulse - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 전자파 차폐 성능을 가진 시멘트 복합체에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 시멘트에 강섬유와, 탄소나노튜브(CNT)와 같은 전도성 나노재료를 혼합하여 전자파 차폐 성능을 갖는 전자파 차폐용 고성능 시멘트 복합체 및 그 제조 방법에 관한 것이다. The present invention relates to a cement composite having electromagnetic wave shielding performance, and more particularly, a high-performance cement composite for electromagnetic wave shielding having electromagnetic wave shielding performance by mixing a steel fiber and a conductive nanomaterial such as carbon nanotube (CNT) in cement, and the same. It relates to a manufacturing method.
근래 핵무기는 기존의 열, 폭풍, 방사능 피해를 목적으로 개발하는 것이 아니라, 고고도 전자기 펄스(Highaltitude Electromagnetic Pulse : HEMP) 발생에 의한 전자기기 무력화를 목표로 개발하고 있다. 실제로 고고도 전자기 펄스(HEMP)가 발생하게 되면, 최대 수백 km 반경에 걸쳐 전자 장비뿐만 아니라 전력망, 통신망 등의 국가 기간 시설들을 한 순간에 마비시킬 수 있어서 치명적인 피해를 야기할 수 있다.In recent years, nuclear weapons are not developed for the purpose of conventional heat, storm, and radiation damage, but are being developed with the aim of incapacitating electronic devices by generating a high-altitude electromagnetic pulse (HEMP). In fact, when a high-altitude electromagnetic pulse (HEMP) is generated, it can paralyze not only electronic equipment, but also national infrastructures such as power grids and communication networks over a radius of up to several hundred kilometers, causing fatal damage.
종래 군사적 목적을 위한 고고도 전자기 펄스(HEMP) 차폐 시설에는 전자파 차폐 성능이 우수하다고 알려진 아연 도금판, 구리판, 강판 등의 금속판의 차폐판을 이용하고 있다. 그러나, 이러한 아연 도금판, 구리판, 강판 등의 금속판을 이용한 차폐판을 사용할 경우에는 이를 가공 후 용접, 볼트 등의 조립 부위에서 전자파가 유입될 가능성이 있다. 또한, 아연 도금판, 구리판, 강판 등은 제조단가가 비싸므로 차폐 시설의 시공비용이 증가하게 되는 문제점이 있다. In the conventional high-altitude electromagnetic pulse (HEMP) shielding facility for military purposes, a shielding plate of a metal plate such as a galvanized plate, a copper plate, and a steel plate, which is known to have excellent electromagnetic wave shielding performance, is used. However, in the case of using a shielding plate using a metal plate such as a galvanized plate, a copper plate, or a steel plate, there is a possibility that electromagnetic waves may be introduced from an assembly site such as welding or bolt after processing the same. In addition, since the manufacturing cost of galvanized plates, copper plates, steel plates, etc. is high, there is a problem that the construction cost of the shielding facility increases.
기존의 대부분의 전자파 차폐시설은 철 재질로 6면이 용접되거나 철 개스킷을 이용한 볼트 조립방법으로 구성되어, 용접 이음부나 조립부가 습기에 취약한 문제점이 있어 직접적으로 비를 맞는 환경에서는 설치가 어려워 환경에 대한 영향을 막아줄 수 있는 콘크리트 건축물 내부에 설치되고 있다. Most of the existing electromagnetic wave shielding facilities are made of iron and consist of 6 sides welded or bolt assembly using iron gaskets.Therefore, the welding joint or assembly is vulnerable to moisture, making it difficult to install in an environment directly exposed to rain. It is installed inside a concrete building that can prevent the impact on the building.
이러한 차폐시설은 건축물 내부에 별로도 구성되어지는 추가적인 시설로 많은 비용 및 시간이 필요한 문제가 있다. 또한 차폐 공간 확충이 필요할 경우 별도의 추가 차폐시설 구축이 필요하다. This shielding facility is an additional facility that is separately configured inside the building, and requires a lot of cost and time. In addition, if it is necessary to expand the shielding space, it is necessary to establish an additional shielding facility.
그리고 차폐시설에 대한 성능 측정 및 유지보수 공간이 필요하여 공간 활용도가 떨어지는 문제를 안고 있다. In addition, performance measurement and maintenance space for shielding facilities is required, resulting in poor space utilization.
현재 적용되고 있는 HEMP 방호시설은 콘크리트 구조물 시공 후 벽체로부터 최소 3 m 이상 이격시켜 HEMP 방호시설을 구축하고 있어 건축공간을 비효율적으로 운행하고 있다. The currently applied HEMP protection facility is constructing a HEMP protection facility at least 3 m away from the wall after construction of the concrete structure, so the building space is operating inefficiently.
차폐판이 구조 벽체로써 지탱하기 위해서는 적정 두께가 약 2~5 ㎜ 인데, 이는 재료비의 상승을 유발하고, 차폐 실 구성을 위해 실시하는 용접 혹은 볼트 조립 등의 시공이 어려운 실정이다. In order for the shielding plate to be supported as a structural wall, the appropriate thickness is about 2~5 mm, which causes an increase in material cost, and it is difficult to perform welding or bolt assembly to form a shielding room.
또한 차폐판의 경우, 전자파 차폐 성능이 우수한 금속 판 (아연 도금 판, 구리판, 강판 등)을 제작 및 가공 후 용접이나 볼트 조립을 통해 적용하고 있으나 이는 제작 시 가공의 어려움, 용접 및 볼트 조립 부위에서의 전자파 유입 가능성, 높은 시공비용 등이 문제가 되고 있다.In the case of shielding plates, metal plates with excellent electromagnetic shielding performance (galvanized plate, copper plate, steel plate, etc.) are manufactured and processed, and then applied through welding or bolt assembly, but this is difficult to process during manufacturing, welding and bolt assembly. The possibility of inflow of electromagnetic waves and high construction costs are a problem.
이에, 고고도 전자기 펄스(HEMP) 발생시 전자 장비, 전력망, 통신망 등의 국가 시설들이 피해를 입지 않도록 구조물의 벽체 등의 콘크리트 부재에 전자파 차폐성능을 제공하는 차폐 공법 및 차폐재 개발의 필요성이 대두되고 있다.Accordingly, there is a need to develop a shielding method and shielding material that provides electromagnetic shielding performance to concrete members such as walls of structures so that national facilities such as electronic equipment, power grids, and communication networks are not damaged when high-altitude electromagnetic pulses (HEMPs) occur. .
콘트리트 구조물에 전자파 차폐 성능을 부여하는 방법으로는 콘크리트에 강섬유나 흑연, 카본블랙, 탄소섬유, 다중벽 탄소나노튜브(MWCNT)와 같은 전도성 나노재료를 혼입하거나, 금속용사 피막을 적용하는 방법, 금속망을 매입하는 방법 등이 있는데, 금속용사 피막을 적용하거나 금속망을 매입하는 경우에는 비용이 증가하고, 시공이 복잡한 문제가 있다.The method of imparting electromagnetic shielding performance to concrete structures is a method of mixing concrete with conductive nanomaterials such as steel fiber, graphite, carbon black, carbon fiber, multi-walled carbon nanotube (MWCNT), or applying a metal spray coating, metal There is a method of purchasing a net, and the like, in the case of applying a metal spray coating or purchasing a metal net, there is a problem that the cost increases and construction is complicated.
또한 강섬유를 사용한 전자파 차폐용 시멘트 복합체는 상대적으로 전기전도성이 낮은 단점이 있으며, 온도에 의한 전기전도성의 변화가 크게 발생하는 단점이 있고, 전도성 나노재료를 사용하는 경우에는 콘크리트 내부에서 전도성 나노재료의 분산에 대한 기술적 어려움이 있거나, 분산이 되었다 하더라도 첨가된 전도성 나노재료가 콘크리트 내부의 수분을 빠르게 흡착하여 콘크리트의 유동성이 매우 낮아지게 되어 실제 건설현장에는 적용하기 어려운 문제가 있다.In addition, the cement composite for electromagnetic wave shielding using steel fibers has a disadvantage of relatively low electrical conductivity, and a large change in electrical conductivity due to temperature occurs. When using a conductive nanomaterial, the conductive nanomaterial is There is a technical difficulty in dispersion, or even if it is dispersed, the added conductive nanomaterial quickly adsorbs moisture inside the concrete, resulting in very low fluidity of the concrete, making it difficult to apply it to actual construction sites.
본 발명은 상기한 문제를 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은 시멘트에 강섬유와 함께 전도성 나노재료를 혼합하여 균일하게 분산함으로써 우수한 전자파 차폐 성능과 강도를 가짐과 동시에, 높은 유동성을 확보할 수 있도록 하여 건설현장에 실제 적용이 가능한 전자파 차폐용 고성능 시멘트 복합체 및 그 제조 방법을 제공하는 것이다. The present invention is to solve the above problem, and an object of the present invention is to have excellent electromagnetic wave shielding performance and strength by mixing and dispersing a conductive nanomaterial together with steel fiber in cement uniformly, and at the same time ensuring high fluidity. Thus, it is to provide a high-performance cement composite for electromagnetic wave shielding that can be practically applied to construction sites and a method of manufacturing the same.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 전자파 차폐용 고성능 시멘트 복합체는, 시멘트와 광물질 혼화재로 된 반응성 분체를 포함하는 결합재와, 모래, 충전재, 증점제를 혼합하여 만들어진 모르타르 및; 상기 모르타르에 혼합되는 물과 감수제로 구성되는 배합수와, 강섬유, 및 전도성 나노재료를 포함할 수 있다.The high-performance cement composite for shielding electromagnetic waves according to the present invention for achieving the above object includes: a mortar made by mixing a binder including a reactive powder made of a cement and a mineral admixture, sand, a filler, and a thickener; It may include water mixed with the mortar and a water-reducing agent, steel fibers, and conductive nanomaterials.
상기 배합수는 물 90~99.5 중량% 와 감수제 0.5 ~ 10 중량%를 혼합하여 만들어진 것이고, 상기 배합수와 결합재의 중량비는 0.25~0.30인 것이 바람직하다. The blending water is made by mixing 90 to 99.5% by weight of water and 0.5 to 10% by weight of a water reducing agent, and the weight ratio of the blending water and the binder is preferably 0.25 to 0.30.
또한 전체 시멘트 복합체 100 vol%에 대해 상기 강섬유는 0.1~2.0 vol%가 혼합되고, 상기 전도성 나노재료는 상기 시멘트 100 중량부를 기준으로 0.1~0.4 중량부로 혼합될 수 있다. In addition, with respect to 100 vol% of the total cement composite, 0.1 to 2.0 vol% of the steel fiber may be mixed, and the conductive nanomaterial may be mixed in an amount of 0.1 to 0.4 parts by weight based on 100 parts by weight of the cement.
상기 모르타르는 시멘트 100 중량부를 기준으로 모래 100 내지 130 중량부, 반응성 분체 10 내지 30 중량부, 충전재 10 내지 30 중량부 및 증점제 0.05 내지 1 중량부를 포함할 수 있다. The mortar may include 100 to 130 parts by weight of sand, 10 to 30 parts by weight of reactive powder, 10 to 30 parts by weight of filler, and 0.05 to 1 part by weight of a thickener based on 100 parts by weight of cement.
상기한 본 발명의 전자파 차폐용 고성능 시멘트 복합체를 제조하는 방법은, The method for producing a high-performance cement composite for shielding electromagnetic waves of the present invention described above,
(S1) 시멘트와 반응성 분체, 모래, 충전재, 증점제, 강섬유, 전도성 나노재료를 믹서기에 투입하고 교반하는 단계;(S1) adding cement and reactive powder, sand, fillers, thickeners, steel fibers, and conductive nanomaterials to a mixer and stirring;
(S2) 상기 믹서기에 배합수를 투입하되, 상기 배합수는 시멘트 복합체의 제조에 사용되는 전체 양의 70~95 중량%를 투입하는 단계;(S2) adding the blending water to the blender, wherein the blending water is 70 to 95% by weight of the total amount used for manufacturing the cement composite;
(S3) 상기 믹서기를 구동한 후 일정 시간이 경과한 시점에서부터 모터의 출력이 최대값에 도달하기 전까지 상기 배합수의 잔여분을 일정 비율로 믹서기에 서서히 투입하면서 교반하는 단계; 및,(S3) stirring while gradually injecting the remaining amount of the blended water into the blender at a certain ratio from the time when a certain time has elapsed after driving the blender until the output of the motor reaches the maximum value; And,
(S4) 상기 믹서기의 출력값이 최대값에 도달한 시점으로부터 일정 시간동안 교반하는 단계;(S4) stirring for a predetermined time from the point when the output value of the blender reaches the maximum value;
를 포함한다. Includes.
상기 S3 단계에서는 배합수를 초당 0.05~0.5중량%의 비율로 믹서기에 투입하면서 교반할 수 있다. In the step S3, the mixing water may be stirred while being added to the blender at a rate of 0.05 to 0.5% by weight per second.
상기 S3 단계는 100~180초 동안 진행될 수 있다. The S3 step may be performed for 100 to 180 seconds.
상기 배합수는 물 90~99.5 중량% 와 감수제 0.5 ~ 10 중량%를 혼합하여 만들어진 것이고, 상기 배합수와 결합재의 중량비는 0.25~0.30일 수 있다. The blending water is made by mixing 90 to 99.5% by weight of water and 0.5 to 10% by weight of a water reducing agent, and the weight ratio of the blending water and the binder may be 0.25 to 0.30.
상기 S1 단계에서 전체 시멘트 복합체 100 vol%에 대해 상기 강섬유는 0.1~2.0 vol%가 혼합되고, 상기 전도성 나노재료는 상기 시멘트 100 중량부를 기준으로 0.1~0.4 중량부로 혼합될 수 있다. In the step S1, 0.1 to 2.0 vol% of the steel fiber is mixed with respect to 100 vol% of the total cement composite, and the conductive nanomaterial may be mixed in an amount of 0.1 to 0.4 parts by weight based on 100 parts by weight of the cement.
또한 상기 S1 단계에서 시멘트 100 중량부를 기준으로 모래 100 내지 130 중량부, 반응성 분체 10 내지 30 중량부, 충전재 10 내지 30 중량부 및 증점제 0.05 내지 1 중량부가 혼합될 수 있다. In addition, 100 to 130 parts by weight of sand, 10 to 30 parts by weight of reactive powder, 10 to 30 parts by weight of filler, and 0.05 to 1 part by weight of a thickener may be mixed in the step S1 based on 100 parts by weight of cement.
본 발명에 따르면, 시멘트에 강섬유와 함께 전도성 나노재료(예를 들어 CNT)가 함께 혼합되므로 전도성이 증대되어 전자파 차폐 성능이 향상될 뿐만 아니라, 강섬유와 모래, 충전재, 시멘트 등의 구성 재료에 입자 크기가 상대적으로 매우 작은 전도성 나노재료(CNT)가 혼입되어 최적충진이론(optimum packing density)을 만족하게 되므로, 믹서기를 통해 구성 재료와 배합수를 혼합할 때 일정 시점이 경과하면 점성이 점차적으로 낮아지면서 유동성이 확보되어 건설현장에 적용이 가능한 상태가 된다. According to the present invention, since conductive nanomaterials (for example, CNT) are mixed together with steel fibers in cement, the conductivity is increased to improve electromagnetic wave shielding performance, as well as particle size in constituent materials such as steel fibers, sand, fillers, and cement. Since a relatively very small conductive nanomaterial (CNT) is mixed to satisfy the optimum packing density, the viscosity gradually decreases after a certain point in time when mixing the constituent materials and the mixing water through a mixer. The liquidity is secured, and it can be applied to the construction site.
또한 시멘트 복합체의 제조 시에 믹서기를 통해 구성 재료를 혼합하는 과정에서 배합수를 한번에 투입하지 않고, 1차 배합수 투입 후 일정 시간이 경과한 후 잔여 배합수를 일정한 비율로 서서히 투입하여 구성 재료를 혼합하게 되면 전도성 나노재료가 구성 재료 내에 균일하게 분산되므로 전자파 차폐 성능을 더욱 향상시킬 수 있다.In addition, in the process of mixing the constituent materials through a blender during the manufacture of the cement composite, the compounding water is not added at once, but after a certain period of time has elapsed after the first compounding water is added, the remaining compounding water is gradually added at a certain ratio to add the constituent materials. When mixed, the conductive nanomaterials are uniformly dispersed in the constituent material, and thus the electromagnetic wave shielding performance can be further improved.
도 1은 본 발명에 따른 시멘트 복합체의 구성 재료에 의한 최적충진이론(optimum packing density)을 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 본 발명에 따른 시멘트 복합체의 제조 과정에서 발생하는 믹서기의 출력 변화를 나타낸 그래프이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 시멘트 복합체의 제조 방법을 설명하는 순서도이다.
도 4는 비교예의 시멘트 복합체에 대한 강섬유 혼입률에 따른 전자파 차폐 성능 변화를 나타낸 그래프이다.
도 5는 비교예 및 본 발명의 시멘트 복합체 실시예에 대한 강섬유 및 탄소나노튜브(CNT) 혼입률에 따른 전자파 차폐 성능 변화를 나타낸 그래프이다. 1 is a view for explaining the optimal packing density (optimum packing density) by the constituent materials of the cement composite according to the present invention.
2 is a graph showing a change in output of a blender occurring in the manufacturing process of the cement composite according to the present invention.
3 is a flow chart illustrating a method of manufacturing a cement composite according to an embodiment of the present invention.
4 is a graph showing changes in electromagnetic wave shielding performance according to the mixing ratio of steel fibers for the cement composite of Comparative Example.
5 is a graph showing changes in electromagnetic wave shielding performance according to the mixing ratio of steel fibers and carbon nanotubes (CNT) for Comparative Examples and Cement Composite Examples of the present invention.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 전자파 차폐용 고성능 시멘트 복합체 및 그 제조 방법을 후술된 실시예들에 따라 구체적으로 설명하도록 한다. Hereinafter, a high-performance cement composite for shielding electromagnetic waves and a method of manufacturing the same will be described in detail with reference to the accompanying drawings according to the embodiments described below.
본 발명의 전자파 차폐용 고성능 시멘트 복합체는, 시멘트와 광물질 혼화재로 된 반응성 분체를 포함하는 결합재와, 모래, 충전재, 증점제를 혼합하여 만들어진 모르타르에, 물과 감수제로 구성되는 배합수와, 강섬유, 및 전도성 나노재료를 혼합하여 만들어진 것으로, 제조 과정에서 배합수가 2단계에 걸쳐 투입됨으로써 전도성 나노재료가 균일하게 분산되며, 높은 유동성을 확보할 수 있도록 된 것이다.The high-performance cement composite for shielding electromagnetic waves of the present invention comprises a binder comprising a reactive powder made of a cement and a mineral admixture, sand, a filler, and a mortar made by mixing a thickener, water and a water reducing agent, steel fibers, and It is made by mixing conductive nanomaterials, and the conductive nanomaterials are uniformly dispersed and high fluidity can be secured by adding the compounding water over two steps during the manufacturing process.
상기 배합수는 물과 감수제를 일정 비율로 혼합하여 만들어진 것으로, 바람직하기로 물 90~99.5 중량% 와 감수제 0.5 ~ 10 중량%를 혼합하여 만들어진다. The blended water is made by mixing water and a water reducing agent in a certain ratio, and is preferably made by mixing 90 to 99.5% by weight of water and 0.5 to 10% by weight of a water reducing agent.
상기 모르타르는 시멘트 100 중량부를 기준으로 모래 100 내지 130 중량부, 반응성 분체 10 내지 30 중량부, 충전재 10 내지 30 중량부 및 증점제 0.05 내지 1 중량부를 포함한다. 그리고 상기 배합수와 결합재의 중량비는 0.25~0.30인 것이 바람직하다. The mortar includes 100 to 130 parts by weight of sand, 10 to 30 parts by weight of reactive powder, 10 to 30 parts by weight of filler, and 0.05 to 1 parts by weight of a thickener based on 100 parts by weight of cement. And it is preferable that the weight ratio of the blending water and the binder is 0.25 to 0.30.
상기 결합재를 구성하는 반응성 분체는 실리카퓸, 고로슬래그, 플라이애쉬 등과 같은 광물질 혼화재로서, 반응성 분체는 시멘트 100중량부를 기준으로 약 10∼30중량부가 사용된다. 반응성 분체는 구형 입자들로 이루어져 있으므로 시멘트 복합체의 마찰을 감소시켜 시공성을 향상시키고, 페이스트(paste)의 점성을 증가시켜 강섬유의 분산성을 증가시키고, 또한 포졸란 반응에 의해 강도를 향상시키는 작용을 한다. The reactive powder constituting the binder is a mineral admixture such as silica fume, blast furnace slag, fly ash, and the like, and about 10 to 30 parts by weight of the reactive powder is used based on 100 parts by weight of cement. Since the reactive powder is composed of spherical particles, it improves workability by reducing the friction of the cement composite, increases the dispersibility of the steel fiber by increasing the viscosity of the paste, and also improves the strength by the pozzolanic reaction. .
반응성 분체는 시멘트의 수화반응 생성물인 수산화칼슘(Ca(OH)2)과 반응하여 규산칼슘염(3CaO·2SiO2·3H2O)과 알루미산칼슘염(3CaO·Al2O3)을 생성하는 포졸란 반응에 의해 장기 강도가 증가시키는 장점이 있다.Reactive powder reacts with calcium hydroxide (Ca(OH)2), which is a hydration product of cement, to produce calcium silicate salt (3CaO·2SiO 2 ·3H 2 O) and calcium aluminate salt (3CaO·Al 2 O 3 ). There is an advantage of increasing the organ strength by the reaction.
충전재는 10㎛ 이하의 입자크기를 가진 석영질 분말(SiO2 95% 이상) 또는 석회석 미분말(CaCO3 75% 이상)을 시멘트 100중량부를 기준으로 10∼30중량부를 사용한다. 이와 같은 충전재를 사용함으로써 시멘트 페이스트와 골재 사이의 계면 영역 또는 시멘트 페이스트와 섬유 사이의 계면영역에 충전되는 필러(filler) 작용으로 계면 영역의 파괴를 방지하여 시멘트 복합체의 강도를 향상시킬 수 있다. As the filler, 10 to 30 parts by weight of quartz powder (SiO 2 95% or more) or limestone fine powder (CaCO 3 75% or more) having a particle size of 10 μm or less based on 100 parts by weight of cement is used. By using such a filler, it is possible to improve the strength of the cement composite by preventing destruction of the interface region by the action of a filler filled in the interface region between the cement paste and the aggregate or the interface region between the cement paste and the fibers.
증점제는 시멘트 매트릭스에 점성을 부여하기 위한 것으로서, 셀로룰오스(Cellulose) 증점제 또는 아크릴(Acryl) 증점제 등을 시멘트 100중량부를 기준으로 0.05∼1중량부를 사용한다. 이와 같은 증점제는 강섬유의 분산성을 향상시키는 작용도 한다.The thickener is for imparting viscosity to the cement matrix, and a cellulose thickener or an acrylic thickener is used in an amount of 0.05 to 1 parts by weight based on 100 parts by weight of cement. Such a thickener also acts to improve the dispersibility of the steel fibers.
감수제는 시멘트 매트릭스의 유동성을 확보하기 위해 사용된다. 본 발명에 따른 시멘트 복합체에서 시멘트 100중량부를 기준으로 고형분 30∼40중량%인 폴리칼본산계 고성능 감수제 또는 나프탈렌계 고성능 감수제 0.5∼10중량부가 사용될 수 있다. Water reducing agents are used to ensure the fluidity of the cement matrix. In the cement composite according to the present invention, 0.5 to 10 parts by weight of a polycarboxylic acid-based high-performance water reducing agent or a naphthalene-based high-performance water reducing agent having a solid content of 30 to 40% by weight based on 100 parts by weight of cement may be used.
전체 시멘트 복합체 100 vol%에 대해 상기 강섬유는 0.1~2.0 vol%가 혼합되는 것이 바람직하다. 강섬유는 직경이 0.2 ~ 0.5㎜이고 길이가 12 ~ 30㎜ 인 것을 사용할 수 있는데, 특정 직경과 길이를 갖는 강섬유를 단독으로 사용하거나 다양한 직경과 길이를 갖는 강섬유를 하이브리드(Hybrid) 형태로 사용할 수 있다.It is preferable that 0.1 to 2.0 vol% of the steel fibers are mixed with respect to 100 vol% of the total cement composite. Steel fibers with a diameter of 0.2 to 0.5 mm and a length of 12 to 30 mm can be used. Steel fibers with a specific diameter and length can be used alone or steel fibers with various diameters and lengths can be used in a hybrid form. .
상기 전도성 나노재료는 시멘트 복합체의 전도성을 증가시켜 전자파 차폐 효과를 향상시키는 작용을 하는 것으로, 상기 시멘트 100 중량부를 기준으로 0.1~0.4 중량부로 혼합될 수 있다. 전도성 나노재료로서 탄소나노튜브(CNT), 그래핀 등을 적용할 수 있다. The conductive nanomaterial serves to improve the electromagnetic wave shielding effect by increasing the conductivity of the cement composite, and may be mixed in an amount of 0.1 to 0.4 parts by weight based on 100 parts by weight of the cement. As conductive nanomaterials, carbon nanotubes (CNT), graphene, and the like can be applied.
이러한 전도성 나노재료를 시멘트에 투입하게 되면 분산이 잘되지 않으며, 유동성이 급격하게 감소하게 되지만, 본 발명에서는 시멘트 복합체의 제조 과정에서 최적충진이론(optimum packing density)에 의해 분산성 및 유동성이 향상되는 효과를 얻을 수 있다. When these conductive nanomaterials are added to the cement, dispersion is not well and the fluidity is rapidly reduced, but in the present invention, dispersibility and fluidity are improved by the optimal packing density in the manufacturing process of the cement composite. You can get the effect.
즉, 본 발명의 시멘트 복합체의 재료 구성은 최적충진이론(optimum packing density)에 근거하고 있는데, 0.1㎛부터 0.5mm까지의 다양한 크기를 갖는 강섬유와 모래와 충전재 및 시멘트를 비롯하여, 직경이 5~10㎚이고 길이가 50~200㎚ 정도인 전도성 나노재료(CNT)가 혼입되어 있으므로(도 1 참조), 공극이 최소화될 수 있게 된다. 이와 같이 공극이 최소화됨에 따라 사용되는 물도 최소한의 양만 들어가게 되는데, 여기에 감수제(계면활성제)를 첨가하게 되면, 최소한의 물 투입량으로 매우 우수한 유동성을 갖는 시멘트 복합체를 제조할 수 있다.That is, the material composition of the cement composite of the present invention is based on the optimal packing density, including steel fibers having various sizes from 0.1㎛ to 0.5mm, sand, filler, and cement, and diameters of 5-10. Since a conductive nanomaterial (CNT) having a length of about 50 to 200 nm is mixed (see FIG. 1), voids can be minimized. As the pores are minimized as described above, only a minimum amount of water is used. If a water reducing agent (surfactant) is added thereto, a cement composite having very good fluidity can be manufactured with a minimum amount of water input.
이러한 고성능 시멘트 복합체의 구성 재료의 특징을 이용하면 전도성 나노재료의 분산성을 높일 수 있다. The dispersibility of the conductive nanomaterial can be improved by using the characteristics of the constituent material of such a high-performance cement composite.
일반적인 시멘트 복합체는 시멘트와 구성 재료를 믹서기에 투입하고 교반하여 혼합할 때 시간이 지남에 따라 점성이 점점 높아져서 유동성이 계속 감소하게 된다. 하지만, 본 발명의 시멘트 복합체는 구성 재료와 배합수를 믹서기에 투입하고 교반하여 혼합하게 되면, 초기에는 점성이 점차적으로 높아지다가 어느 시점을 지나면 급격하게 점성이 낮아지게 된다. 이는 도 2에 도시한 믹서기를 구동시키는 모터 출력-시간 그래프에서 확인할 수 있는 것과 같다. 즉 믹서기를 구동시키는 모터의 출력은 믹서기 내부의 구성 재료의 점성에 비례하게 되는데, 믹서기를 구동시킨 시점부터 일정 시기까지는 시멘트 복합체의 점성이 점진적으로 상승하게 되므로 모터 출력이 점진적으로 상승하게 되고, 어느 시점에서부터 점성이 점진적으로 낮아져서 모터 출력이 점진적으로 감소하게 된다. 이와 같이 점성이 점진적으로 상승하다가 낮아지는 시점을 'saturation point'라고 하며, 본 발명의 시멘트 복합체는 상기 saturation point 를 지나게 되면 최적충진효과에 의해 유동성이 급격하게 좋아진다.In general cement composites, when cement and constituent materials are added to a blender and mixed by stirring, the viscosity gradually increases over time and the fluidity continues to decrease. However, in the cement composite of the present invention, when the constituent materials and water are added to a mixer and mixed by stirring, the viscosity gradually increases at the beginning, and then the viscosity decreases rapidly after a certain point. This is as can be seen in the motor output-time graph for driving the blender shown in FIG. 2. That is, the output of the motor driving the blender is proportional to the viscosity of the constituent materials inside the blender. Since the viscosity of the cement composite gradually rises from the point when the blender is driven to a certain period, the motor output gradually rises. From this point on, the viscosity gradually decreases and the motor power gradually decreases. As such, the point at which the viscosity gradually increases and then decreases is referred to as a'saturation point', and when the cement composite of the present invention passes the saturation point, the fluidity rapidly improves due to the optimum filling effect.
이 때 시멘트 복합체의 구성 재료를 믹서기에 투입하고 단순 혼합하면 전도성 나노재료는 충분히 분산되지 않는다. 하지만 믹서기에 구성 재료와 배합수를 투입하고 혼합할 때 상기 saturation point에 도달하기 약 100~180초 전에 소량의 배합수를 일정량씩 서서히 투입하게 되면, 전도성 나노재료의 분산이 가장 잘 이루어지는 것으로 확인되었다. At this time, if the constituent materials of the cement composite are put into a blender and simply mixed, the conductive nanomaterials are not sufficiently dispersed. However, when adding and mixing the constituent materials and the mixed water into the blender, it was confirmed that the best dispersion of the conductive nanomaterials was achieved if a small amount of the mixed water was gradually added by a certain amount about 100 to 180 seconds before reaching the saturation point. .
따라서, 본 발명은 시멘트 복합체에 구성 재료를 투입하여 혼합할 때 배합수를 2단계로 나누어서 진행하는 방법을 제안한다. Accordingly, the present invention proposes a method of dividing the compounding water into two steps when mixing the constituent materials into the cement composite.
즉, 믹서기에 시멘트 복합체의 구성 재료(시멘트, 반응성 분체, 모래, 충전재, 증점제, 강섬유, 및 전도성 나노재료)를 투입하고 건비빔한 직후에 전체 배합수 양의 70~95 중량%를 1차 투입하여 믹서기를 구동시켜 구성 재료를 혼합하고, 일정 시간이 경과하여 구성 재료가 충분히 혼합되면 2차적으로 배합수의 잔여분(5~30 중량%)을 일정 비율(초당 0.05~0.5 중량%)로 믹서기에 서서히 투입하면서 교반하면 전도성 나노재료가 균일하게 분산될 수 있게 된다. That is, the constituent materials of the cement composite (cement, reactive powder, sand, filler, thickener, steel fiber, and conductive nanomaterials) are added to the blender, and 70 to 95% by weight of the total amount of water are first added immediately after drying. Then, the blender is driven to mix the constituent materials, and after a certain period of time elapses, when the constituent materials are sufficiently mixed, the remaining amount (5-30% by weight) of the mixed water is secondarily added to the blender at a certain ratio (0.05-0.5% by weight per second). By slowly adding and stirring, the conductive nanomaterial can be uniformly dispersed.
이러한 배합수의 2단계에 걸친 투입후에 saturation point를 통과하게 되면, 높은 유동성을 갖는 시멘트 복합체를 제조할 수 있게 되므로, 우수한 유동성과 전기전도성을 모두 얻을 수 있게 된다. When the saturation point is passed after the addition of the compounded water over two stages, it is possible to manufacture a cement composite having high fluidity, so that both excellent fluidity and electrical conductivity can be obtained.
상기 배합수의 2차 투입은 saturation point에 도달하기 약 100~180초 전에 수행하는 것이 바람직한 것으로 확인되었다.It was confirmed that the second input of the blended water is preferably performed about 100 to 180 seconds before reaching the saturation point.
시멘트에 전도성 나노재료의 분산과 유동성 확보를 동시에 해결하기는 매우 어려운 문제이다. 다시 말해서, 시멘트에 전도성 나노재료를 혼합할 때 분산이 잘되어도 유동성은 확보하기가 매우 어려우며, 이와 반대로 유동성은 확보되어도 전도성 나노재료의 분산은 잘 안되는 경우가 대부분이다. 만약 분산은 잘되고 유동성이 확보되지 않을 경우, 배합수를 추가로 투입하게 되면 전도성 나노재료 사이의 공간에 물 분자가 채워져서 전도성 나노재료 간의 연결되어 어렵게 되고, 전기전도도가 저하된다. 그리고, 배합수를 1단계에서만 투입하거나, 1단계 투입 후 2단계 투입을 진행하더라도 2단계 투입 과정이 매우 짧게 진행되는 경우에는 유동성은 확보될 수 있지만 전도성 나노재료의 분산이 잘 이루어지지 않게 된다. It is a very difficult problem to simultaneously solve the dispersion of conductive nanomaterials in cement and securing fluidity. In other words, when a conductive nanomaterial is mixed with cement, it is very difficult to secure the fluidity even if the dispersion is good, and on the contrary, even if the fluidity is secured, the dispersion of the conductive nanomaterial is in most cases difficult. If the dispersion is good and the fluidity is not secured, if the compounding water is added additionally, water molecules are filled in the space between the conductive nanomaterials, making it difficult to connect the conductive nanomaterials, and the electrical conductivity decreases. In addition, even if the compounding water is added only in the first step, or even if the second step is introduced after the first step, if the second step is very short, the fluidity can be secured, but the dispersion of the conductive nanomaterial is not well made.
본 발명에서와 같이 배합수를 2단계에 걸쳐 투입하되, 두번째 단계에서 잔여 배합수를 100초 이상 일정 비율로 서서히 투입하게 되면, 배합수가 유동성에 필요한 최적의 양만큼만 투입되고 전도성 나노재료 사이 공간을 차지하는 물 분자는 최소화되므로, 만족할만한 전도성 나노재료의 분산성을 얻을 수 있으며, 다양한 구성재료들이 최적충진이론에 근거하여 최적으로 충진되는 단계를 일정시간 이상 거치게 되므로 시멘트 복합체의 유동성 또한 확보할 수 있게 된다. As in the present invention, the compounding water is added over two steps, but when the remaining compounding water is gradually added at a certain rate for 100 seconds or more in the second step, only the optimal amount required for fluidity is added and the space between the conductive nanomaterials is removed. Since the occupied water molecules are minimized, satisfactory dispersibility of the conductive nanomaterials can be obtained, and since various constituent materials are optimally filled based on the optimal filling theory for a certain period of time, the flowability of the cement composite can also be secured. do.
이러한 본 발명의 시멘트 복합체를 제조하는 방법에 대해 상세히 설명하면 다음과 같다. A detailed description of the method for manufacturing the cement composite of the present invention is as follows.
시멘트와 반응성 분체, 모래, 충전재, 증점제, 강섬유, 전도성 나노재료를 믹서기에 투입하고 교반한다(단계 S1). 이 단계에서 시멘트 100 중량부를 기준으로 모래 100 내지 130 중량부, 반응성 분체 10 내지 30 중량부, 충전재 10 내지 30 중량부 및 증점제 0.05 내지 1 중량부가 혼합된다. 또한 전체 시멘트 복합체 100 vol%에 대해 상기 강섬유는 0.1~2.0 vol%가 혼합되고, 상기 전도성 나노재료는 상기 시멘트 100 중량부를 기준으로 0.1~0.4 중량부로 혼합될 수 있다. Cement and reactive powder, sand, filler, thickener, steel fiber, and conductive nanomaterial are added to a blender and stirred (step S1). In this step, based on 100 parts by weight of cement, 100 to 130 parts by weight of sand, 10 to 30 parts by weight of reactive powder, 10 to 30 parts by weight of filler, and 0.05 to 1 part by weight of thickener are mixed. In addition, with respect to 100 vol% of the total cement composite, 0.1 to 2.0 vol% of the steel fiber may be mixed, and the conductive nanomaterial may be mixed in an amount of 0.1 to 0.4 parts by weight based on 100 parts by weight of the cement.
이어서 상기 믹서기에 배합수를 투입하되, 상기 배합수는 시멘트 복합체의 제조에 사용되는 전체 양의 70~95 중량%를 투입한다(단계 S2). 상기 배합수는 물 90~99.5 중량% 와 감수제 0.5 ~ 10 중량%를 혼합하여 만들어진 것이고, 상기 배합수와 결합재(시멘트 및 반응성 분체)의 중량비는 0.25~0.30인 것이 바람직하다. Subsequently, the blending water is added to the blender, but the blending water is added in 70 to 95% by weight of the total amount used in manufacturing the cement composite (step S2). The blending water is made by mixing 90 to 99.5% by weight of water and 0.5 to 10% by weight of a water reducing agent, and the weight ratio of the blending water and the binder (cement and reactive powder) is preferably 0.25 to 0.30.
상기 믹서기를 구동하여 구성 재료를 혼합한 후 일정 시간이 경과한 시점에서부터 모터의 출력이 최대값에 도달하기 전까지, 즉 saturation point 전까지 상기 배합수의 잔여분을 일정 비율로 믹서기에 서서히 투입하면서 교반한다(단계 S3). 이 때, 배합수를 초당 0.05~0.5 중량%로 투입한다. The blender is driven to mix the constituent materials, and then from the point when a certain time has elapsed until the output of the motor reaches the maximum value, that is, until the saturation point, the remaining amount of the blended water is gradually added to the blender at a certain ratio and stirred ( Step S3). At this time, the blended water is added at 0.05 to 0.5% by weight per second.
상기 믹서기의 출력값이 최대값에 도달한 시점으로부터 일정 시간동안 교반한 다음(단계 S4), 믹서기에서 만들어진 시멘트 복합체를 시공 현장이나 공장에서 거푸집 또는 몰드에 타설하여 사용하면 된다. After stirring for a certain period of time from the point when the output value of the blender reaches the maximum value (step S4), the cement composite made in the blender may be poured into a form or mold at a construction site or factory to be used.
아래의 표 1은 상기한 제조 방법에 의해 제조된 다양한 시멘트 복합체 시편에 대한 전자파 차폐 성능과, 유동성, 압축강도 성능을 나타낸 표이다. Table 1 below is a table showing electromagnetic wave shielding performance, fluidity, and compressive strength performance for various cement composite specimens manufactured by the above manufacturing method.
도 4는 비교예1~3의 강섬유 혼입률에 따른 전자파 차폐 성능 변화를 나타낸 그래프이고, 도 5는 비교예 4와 실시예 1 및 2의 강섬유 및 탄소나노튜브(CNT) 혼입률에 따른 전자파 차폐 성능 변화를 나타낸 그래프로, 강섬유만 혼입되거나 탄소나노튜브(CNT)는 비교예의 시멘트 복합체 시편에 비하여 전자파 차폐 성능이 우수한 것을 확인할 수 있다. 4 is a graph showing the change in electromagnetic wave shielding performance according to the mixing rate of steel fibers of Comparative Examples 1 to 3, and FIG. 5 is a graph showing the change of electromagnetic wave shielding performance according to the mixing rate of steel fibers and carbon nanotubes (CNT) of Comparative Example 4 and Examples 1 and 2 As a graph showing, it can be seen that only steel fibers are mixed or carbon nanotubes (CNT) have superior electromagnetic wave shielding performance compared to the cement composite specimen of Comparative Example.
상술한 것과 같이 제조된 본 발명의 시멘트 복합체는 전자파 차폐 성능 뿐만 아니라, EMP 차폐 목적으로도 활용이 가능하다. EMP 란 고출력전자기파(electromagnetic pulse)로서, 100 V/m 이상의 전기적인 충격을 갖는 고출력 전자기파를 이용하여 각종 정보통신장치에 장착된 전자소자를 손상시켜 오작동 및 기능 마비를 일으키는 수단으로 활용될 수 있다. The cement composite of the present invention prepared as described above can be utilized not only for electromagnetic wave shielding performance, but also for EMP shielding purposes. EMP is a high-power electromagnetic pulse, and it can be used as a means of causing malfunction and functional paralysis by damaging electronic devices installed in various information and communication devices by using high-power electromagnetic waves having an electric shock of 100 V/m or more.
이에 본 발명의 시멘트 복합체는 EMP 침입에 대하여 차폐할 수 있는 구조물 건설 기술에 활용할 수 있다. Accordingly, the cement composite of the present invention can be utilized in a structure construction technology capable of shielding against EMP intrusion.
본 발명의 시멘트 복합체가 적용 가능한 분야로는, 신규로 건설할 정보통신기반시설에는 사전 계획, 설계 및 시공을 통해 신설 방호 구조물에 적용할 수 있으며, 기존 정보통신기반시설이 거의 EMP 차폐 성능을 확보하고 있지 않기 때문에 EMP 차폐 고성능 시멘트 복합체를 활용하여 EMP 차폐를 위한 구조물 보강도 가능하다. As a field to which the cement composite of the present invention can be applied, it can be applied to newly established protective structures through preliminary planning, design, and construction for newly constructed information and communication infrastructure, and existing information and communication infrastructure almost secures EMP shielding performance. Because it is not doing, it is possible to reinforce the structure for EMP shielding by using the EMP shielding high-performance cement composite.
또한 EMP 방호 대상인 정보통신장치는 독립된 보안시설에 있는 경우와 정보통신기반시설의 일부 공간에 배치될 수 있다. 따라서 콘크리트계 EMP 방호 구조체의 적용 형태는 건물 외부 전체, 일부 층 또는 일부 룸에 한정적으로도 적용이 가능하다.In addition, information and communication devices subject to EMP protection may be located in separate security facilities and in some spaces of information and communication infrastructure. Therefore, the application form of the concrete-based EMP protective structure can be limitedly applied to the entire exterior of the building, some floors, or some rooms.
이상에서 본 발명은 실시예를 참조하여 상세히 설명되었으나, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기에서 설명된 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 부가 및 변형이 가능할 것임은 당연하며, 이와 같은 변형된 실시 형태들 역시 아래에 첨부한 특허청구범위에 의하여 정하여지는 본 발명의 보호 범위에 속하는 것으로 이해되어야 할 것이다.In the above, the present invention has been described in detail with reference to the embodiments, but those of ordinary skill in the art to which the present invention pertains will be able to make various substitutions, additions, and modifications within the scope not departing from the technical idea described above. It is natural, and it should be understood that such modified embodiments also belong to the scope of protection of the present invention, which is defined by the appended claims below.
Claims (10)
상기 모르타르에 혼합되는 물과 감수제로 구성되는 배합수와, 강섬유, 및 전도성 나노재료를 포함하는 전자파 차폐용 고성능 시멘트 복합체.A mortar made by mixing a binder including a reactive powder made of a cement and mineral admixture, sand, a filler, and a thickener;
A high-performance cement composite for electromagnetic wave shielding comprising a water-reducing agent and a water-reducing agent mixed with the mortar, steel fibers, and conductive nanomaterials.
(S1) 시멘트와 반응성 분체, 모래, 충전재, 증점제, 강섬유, 전도성 나노재료를 믹서기에 투입하고 교반하는 단계;
(S2) 상기 믹서기에 배합수를 투입하되, 상기 배합수는 시멘트 복합체의 제조에 사용되는 전체 양의 70~95 중량%를 투입하는 단계;
(S3) 상기 믹서기를 구동한 후 일정 시간이 경과한 시점에서부터 모터의 출력이 최대값에 도달하기 전까지 상기 배합수의 잔여분을 일정 비율로 믹서기에 서서히 투입하면서 교반하는 단계; 및,
(S4) 상기 믹서기의 출력값이 최대값에 도달한 시점으로부터 일정 시간동안 교반하는 단계;
를 포함하는 전자파 차폐용 고성능 시멘트 복합체의 제조 방법.A mortar made by mixing a binder including a reactive powder made of a cement and mineral admixture, sand, a filler, and a thickener; A method of producing a high-performance cement composite for electromagnetic wave shielding comprising a water-reducing agent and a water-reducing agent mixed with the mortar, steel fiber, and a conductive nanomaterial,
(S1) adding cement and reactive powder, sand, filler, thickener, steel fiber, and conductive nanomaterial to a blender and stirring;
(S2) Injecting the blending water into the blender, wherein the blending water is 70 to 95% by weight of the total amount used in the production of the cement composite;
(S3) stirring while gradually injecting the remaining amount of the blended water into the blender at a certain ratio from the time when a certain time has elapsed after driving the blender until the output of the motor reaches the maximum value; And,
(S4) stirring for a predetermined time from the point when the output value of the blender reaches the maximum value;
Method of producing a high-performance cement composite for electromagnetic shielding comprising a.
According to claim 5, In the step S1, based on 100 parts by weight of cement, 100 to 130 parts by weight of sand, 10 to 30 parts by weight of reactive powder, 10 to 30 parts by weight of filler, and 0.05 to 1 part by weight of thickener are mixed. Method of making a cement composite.
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