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알루미나 시멘트에 기반한 복합재료의 열역학적 특성
Thermal and Mechanical Properties of Alumina Cementitious Composite Materials 원문보기

Journal of the Korean Recycled Construction Resources Institute = 한국건설순환자원학회 논문집, v.3 no.3, 2015년, pp.199 - 205  

양인환 (군산대학교 토목공학과) ,  이정환 (군산대학교 토목공학과 대학원생) ,  최영철 (한국건설생활환경시험연구원)

초록
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이 연구에서는 고온의 축열재료로 사용하기 위한 알루미나 시멘트 복합재료의 역학적 및 열적 특성을 파악하고자 하였다. 알루미나 시멘트를 기본 바인더로 하고 플라이애시, 실리카퓸, CSA (calcium sulfo-aluminate) 및 그라파이트의 치환에 따른 고온에서의 물성을 파악하였다. 알루미나 시멘트 기반 복합재료의 역학적 특성으로서 열사이클 전과 후의 압축강도인장강도를 측정하였다. 또한, 복합재료의 열적 특성으로서 열전도율과 비열을 측정하였다. 열사이클링 적용 이후의 잔류압축강도 측정결과, 알루미나 시멘트만을 사용한 배합과 알루미나 시멘트를 실리카퓸으로 치환한 배합의 압축강도가 크게 나타나며, 이 두 배합의 잔류강도 비는 65%를 상회한다. 그라파이트를 혼합한 복합재료의 비열이 가장 크고 이는 그라파이트의 비열이 크기 때문이다. 연구결과는 콘크리트를 고온조건에서의 축열매체로 활용하기 위한 실제적인 기초실험 자료로 활용될 수 있을 것으로 사료된다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

The mechanical and thermal properties of high temperature aluminate cementitious thermal storage materials were investigated in this paper. Alumina cement was used as basic binder and the effect of the replacement of fly ash, silica fume, calcium sulfo-aluminate and graphite for alumina cement was i...

주제어

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문제 정의

  • 따라서, 이 연구에서는 알루미나 시멘트를 활용한 복합재료의 고온 조건에서의 물성을 파악하였다. 알루미나 시멘트를 기본 바인더로 하여 플라이애시, 실리카퓸, CSA (calcium sulfo-aluminate) 및 그라파이트의 치환에 따른 고온에서의 물성을 파악하였다.
  • 알루미나 시멘트의 일부분을 플라이애시로 40% 치환한 배합(B2), 실리카퓸으로 10% 치환한 배합(B3) 및 그라파이트로 10%로 치환한 배합(B4)을 고려하였다. 또한, 바인더를 4성분계로 혼합하여 복합 바인더의 영향을 평가하고자 하였다.
  • 복합재료의 인장거동 특성을 파악하기 위하여 쪼갬인장강도 실험을 수행하였다. 쪼갬인장강도 시편은 100(지름) × 200(높이)mm인 원주형 공시체를 이용하였다.
  • 이 실험연구에서는 고온의 열을 축열하기 위해 알루미나 시멘트를 기본 바인더로 사용한 복합재료의 역학적 및 열적특성을 파악하였으며, 주요 결론은 다음과 같다.
  • 잔류압축강도는 고온에서의 열싸이클에 노출된 후의 콘크리트 압축강도이다. 이에 따라, 고온에서 복합재료의 압축강도 특성을 파악하고자 하였다. 고온에서 열사이클을 수행한 후 복합재료의 압축강도를 측정하였다.

가설 설정

  • 3. 그라파이트를 혼합한 복합재료 배합의 비열이 가장 크며, 이는 그라파이트의 비열이 크기 때문이다.
  • 태양열 발전소의 집열온도는 400∼500℃ 수준이다. 따라서 본 논문에서는 열싸이클의 최대온도를 450℃로 설정하였다. 또한, 기존연구결과(John and Selvam 2013)는 콘크리트가 고온에 노출후 3회 싸이클까지 압축강도저하가 뚜렷하고, 이후의 압축강도 저하는 미미한 것으로 나타나므로 열싸이클 횟수를 10회로 설정하였다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
태양열 발전시스템에서 축열장치가 필수적인 이유는? 2010). 태양열은 흐린날씨나 밤에 발전을 제한받기 때문에 태양열 발전소시스템 구축을 위해서는 낮에 집열된 태양열을 저장하는 축열장치의 구성이 필수적이다.
태양열 발전시스템은 어떤 장치로 구성되어 있는가? 화석연료를 대신하는 다양한 대체에너지를 이용한 발전시스템의 개발이 이루어지고 있으며, 해외에서는 태양열을 이용한 대규모 발전시스템의 기술개발이 증가하고 있다. 태양열 발전시스템은 태양열을 모으는 집열장치, 집열장치로부터 전달된 태양열을 저장하는 축열장치 및 열에너지를 이용하여 전기를 생산하는 발전장치로 구성된다(Laing et al. 2006; Laing et al.
태양열발전 축열시스템에서 사용하는 기존의 용융염 탱크 축열기법은 무엇이며 문제점은? 태양열발전을 위해서는 400℃ 이상의 고온에서 태양열 축열이 필요하며, 대표적인 기존의 축열시스템은 두 개의 용융염 탱크를 이용하는 기법이다(Faas 1983). 두 개의 탱크는 고온의 용융염 탱크(hot molten salt tank)와 저온의 용융염 탱크(cold molten salt tank)로 구성된다. 그러나, 두 개의 용융염 탱크를 이용한 축열기법은 용융염 탱크 운영에 따른 높은 비용과 탱크로부터 용융염 누출 시에 환경문제를 야기할 수 있다(Skinner et al. 2011; Strasser and Selvam 2014).
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참고문헌 (14)

  1. Behloul, M., Chanvillard, G., Casanova, P., Orange, G. (2002). Fire resistance of Ductal ultra high performance concrete, Proceedings of the 1st fib Congress, Development of New Materials, Osaka, Japan, 421-430. 

  2. Bentz, D.P., Peltz, M.A., Duran-Herrera, A., Valdez, P., Juarez, C.A. (2010). Thermal properties of high-volume fly ash mortars and concretes, Journal of Building Physics, 34(3), 263-275. 

  3. Bilodeau, A., Kodur, V.R., Hoff, G.C. (2004). Optimization of the type and amount of polypropylene fibers for preventing the spalling of lightweight concrete subjected to hydrocarbon fire, Cement Concrete Composite Journal, 26(2), 163-175. 

  4. Faas, S.E. (1983). 10 MWe solar thermal central receiver pilot plant: Thermal storage subsystem evaluation, subsystem activation and controls testing phase, SAND 83-8015, Sandia National Laboratories, Albuquerque, NM. 

  5. Hannant, D.J. (1998). Durability of polypropylene fibers in portland cement-based composites: eighteen years of data, Cement and Concrete Research, 28(12), 1809-1817. 

  6. John, E., Hale. M., Selvam. P. (2013). Concrete as a thermal energy storage medium for thermocline solar energy storage systems, Solar Energy, 96, 194-204. 

  7. Kodur, V.K.R., Sultan, M.A., (2003). Effect of temperature on thermal properties of high-strength concrete, Journal of Materials in Civil Engineering, 15(2), 101-107. 

  8. Laing, D., Lehmann, D., Bahl, C. (2008). Concrete storage for solar thermal power plants and industrial process heat, Proceedings of the Third International Renewable Energy Storage Conference, Germany, Berlin, 1-6. 

  9. Laing, D., Steinmann, W.D., Tamme, Richter, C., (2006). Solid media thermal storage for parabolic trough power plants, Solar Energy, 80, 1283-1289. 

  10. Laing, D., Steinmann, W.D., Tamme, R., Worner, A., Zunft, S. (2012). Advances in thermal energy storage development at the German Aerospace Center (DLR), Energy Storage Science and Technology, 1(1), 13-25. 

  11. Laing, D., Steinmann, W.D., Viebahn, P., Grater, F., Bahl, C. (2010). Economic analysis and life cycle assessment of concrete thermal energy storage for parabolic trough power plants, Journal of Solar Energy Engineering, 132, 041013-1-6. 

  12. Skinner, J.E., Brown, B.M., Selvam, R.P. (2011). Testing of high performance concrete as a thermal energy storage medium at high temperatures, Proceedings of the ASME 2011 5th International Conference on Energy Sustainability, Washington, DC, USA, 1-6. 

  13. Strasser, M.N., Selvam, R.P. (2014). A cost and performance comparison of packed bed and structured thermocline thermal energy storage systems, Solar Energy, 108, 390-402. 

  14. Suhaendi, S.L., Horiguchi, T., Shimura, K. (2008). Effect of polypropylene fiber geometry on explosive spalling mitigation in high strength concrete under elevated temperature conditions, Proceedings of International Conference, Concrete for Fire Engineering, 08, 149-156. 

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