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열에너지 저장을 위한 시멘트 복합재료의 섬유보강 모르타르의 열역학 특성에 관한 영향
Effect of Cementitious Composite on the Thermal and Mechanical Properties of Fiber-Reinforced Mortars for Thermal Energy Storage 원문보기

콘크리트학회논문집 = Journal of the Korea Concrete Institute, v.28 no.4, 2016년, pp.395 - 405  

양인환 (군산대학교 토목공학과) ,  김경철 (군산대학교 토목공학과) ,  최영철 (한국건설생활환경시험연구원)

초록
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이 연구에서는 태양열 에너지 저장용도로 사용하기 위한 섬유보강 모르타르의 열적 및 역학적 특성을 파악하였다. 다양한 시멘트 복합재료의 배합이 섬유보강 모르타르의 열적 및 역학적 특성에 미치는 영향을 파악하기 위한 실험연구를 수행하였다. 섬유보강 모르타르의 역학적 특성으로서 열싸이클 전과 후의 압축강도인장강도를 측정하였다. 또한, 섬유보강 모르타르의 열적 특성으로서 열전도율과 비열을 측정하였다. OPC와 그라파이트를 포함한 배합의 잔류압축강도가 가장 크게 나타난다. 알루미나 시멘트를 혼합한 배합의 비열이 크게 나타나며, 이는 알루미나시멘트가 열저장 시스템의 효율적인 축열과 방열에 유리함을 의미한다. 또한, 그라파이트의 첨가는 섬유보강 복합재료의 비열을 증가시킨다. 실험연구결과는 콘크리트를 $450^{\circ}C$ 이상의 열저장 매체로 활용하기 위한 프로토타입 시스템 설계에 실제적인 기초자료로 활용될 수 있을 것으로 사료된다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

The thermal and mechanical properties of fiber-reinforced mortars for thermal energy storage were investigated in this paper. The effect of the combination of different cementitious composite on the thermal and mechanical characteristics of fiber-reinforced mortars was investigated. Experiments were...

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

  • 4성분계로 혼합하여 바인더의 영향을 평가하고자 하였다. 또한, 보통포틀랜드시멘트를 기본 바인더로 하여 3가지 배합을 구성하였다(P1~P3 배합).
  • 기존에 수행된 대부분의 폴리프로필렌 섬유를 혼입한 모르타르의 내화성능에 관한 연구14-18)는 바인더로서 보통포틀랜드 시멘트 만을 대상으로 연구하였다. 그러나 본 연구에서는 축열용 모르타르에 적용하는 바인더로서 보통포틀랜드 시멘트 이외에도 알루미나시멘트,플라이애시, 고로슬래그, 그라파이트 등의 다양한 바인더를 포함하는 모르타르의 열적 특성을 파악하고자 하였다. 알루미나시멘트, 그라파이트 및 지르코늄 등은 보통포틀랜드 시멘트에 비해 열특성이 우수하므로 배합에 사용되었으며, 플라이애시 및 실리카퓸은 고온에서 콘크리트 강도에 유리하다고 판단되어 기본 바인더로 사용하였다.
  • 따라서, 이 연구에서는 450°C 고온의 열저장 시스템을 위한 여러 가지의 시멘트 복합 재료를 활용한 모르타르의 열적 특성과 역학적 특성을 파악하고자 하였다.
  • 열에너지 저장매체로 사용되는 콘크리트의 열특성에 영향을 미치는 주요인자는 콘크리트에 사용되는 시멘트와 굵은골재이다. 본 연구에서는 시멘트 복합재료가 미치는 열특성을 파악하기 위하여 모르타르 수준에서의 열특성 실험을 수행하였다.
  • 이 논문에서는 다양한 시멘트 복합재료에 따른 열에너지 저장용 섬유보강 모르타르의 열역학 특성에 대한 실험연구를 수행하였으며, 주요 결론은 다음과 같다.
  • 1차 믹싱을 완료하고 PP섬유를 투입하였다. 이때, PP섬유는 한꺼번에 투입하지 않고 소량씩 나누어 투입하여 섬유의 분산성을 확보하고자 하였다. PP섬유를 투입하면서 2차 믹싱을 실시하였다.

가설 설정

  • 4) 모르타르에 CSA의 첨가는 열전도율을 감소시킨다. CSA는 팽창성으로 모르타르 내부에 균열을 유발하며, 균열로 인한 공극 때문에 열전도율이 감소한 것으로 판단된다.
  • 5) 그라파이트의 첨가는 모르타르의 열전도율을 증가시킨다. 따라서 열전도율을 향상시키기 위해 시멘트복합재료를 그라파이트로 치환하는 것이 유리하다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
태양열에너지를 저장하는 기법에는 어떤 것이 있는가? 태양열에너지를 저장하는 기법으로, 현열저장(sensible heat storage), 잠열저장(latent heat storage) 및 화학에너지 저장기법이 있다.5) 잠열 저장을 위해 열에너지는 재료의 상(phase)이 변환하여 저장되거나 추출하며 재료의 온도 변화는 거의 없다.
열에너지 저장용도로 사용되는 콘크리트의 요구조건은? 열에너지 저장용도로 사용되는 콘크리트는 우수한 열특성과 역학적 특성을 가지고 있어야 한다. 열특성으로서 콘크리트에 저장되는 열용량을 증가시키기 위해서는 비열이 커야 하고, 신속한 열에너지의 축열 및 방열을 위해서는 높은 열전도율이 필요하다. 또한, 고온 조건에서 열에너지 저장 구조물의 구조건전성을 확보하기 위한 역학적 특성으로서 콘크리트 강도가 커야 한다.
열저장 시스템은 어떤 과정을 반복하여 열을 저장하는가? 열저장 시스템은 열의 축열(charging)과 방열(discharging) 과정을 반복한다. 고온의 반복 사이클 조건에서의 복합재료 모르타르의 압축강도 성능을 평가하기 위하여 고온열싸이클에 노출된 후의 모르타르 압축강도 즉, 잔류압축강도를 평가하였다.
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참고문헌 (20)

  1. Faas, S. E., "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, 1983. 

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  5. Laing, D., Steinmann W.D., Tamme., and Richter, C., "Solid Media Thermal Storage for Parabolic Trough Power Plants," Solar Energy, Vol.80, 2006, pp.1283-1289. 

  6. Laing, D., Steinmann, W.D., Viebahn, P., Grater, F., and Bahl, C., "Economic Analysis and Life Cycle Assessment of Concrete Thermal Energy Storage for Parabolic Trough Power Plants," Journal of Solar Energy Engineering, Vol. 132, 2010, 041013-1-6. 

  7. Laing, D., Steinmann, W.D., Tamme, R., Worner, A., and Zunft, S., "Advances in Thermal Energy Storage Development at The German Aerospace Center (DLR)," Energy Storage Science and Technology, Vol.1, No.1, 2012, pp.13-25. 

  8. Skinner, J.E., Brown, B.M., and Selvam, R.P., "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, 2011, pp.1-6. 

  9. Strasser, M.N., and Selvam, R.P., "A Cost and Performance Comparison of Packed Bed and Structured Thermocline Thermal Energy Storage Systems," Solar Energy, Vol.108, 2014, pp.390-402. 

  10. Yuan, H.W., Lu, C.H., Xu, Z.Z., Ni, Y.R., and Lan, X.H., "Mechanical and Thermal Properties of Cement Composite Graphite for Solar Thermal Storage Materials," Solar Energy, Vol.86, 2012, pp.3227-3233. 

  11. Fernandez, A.I., Martinez, M., Segarra, M., Martorell, I., and Cabeza, L.F., "Selections of Materials with Potential in Sensible Thermal Energy Storage," Solar Energy Materials & Solar Cells, Vol.94, 2010, pp.1723-1729. 

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  16. Han, C. G., Yang, S. H., Lee, B. Y., and Hwang, Y. S., "A Study on the Spalling Properties of High-Performance Concrete with the Kinds of Aggregate and Polypropylene Fiber Contents," Journal of Korea Concrete Institute, Vol. 11, No.5, 1999, pp.69-77. 

  17. Hannant, D.J., "Durability of Polypropylene Fibers in Portland Cement-Based Composites: eighteen years of data," Cement and Concrete Research, Vol.28, No.12, 1998, pp.1809-1817. 

  18. Bilodeau, A., Kodur, V.R., and Hoff, G.C., "Optimization of The Type and Amount of Polypropylene Fibers for Preventing the Spalling of Lightweight Concrete Subjected to Hydrocarbon Fire," Cement Concrete Composite Journal, Vol.26, No.2, 2004, pp.163-175. 

  19. Suhaendi, S.L., Horiguchi, T., and Shimura, K., "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, Vol.08, 2008, pp.149-156. 

  20. Neville, A. M., Properties of concrete (4th ed.). Addison Wesley Longman Limited., 1995. 

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