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문제 정의
- 본 연구에서 비정질 붕소강 섬유를 혼입한 콘크리트의 역학적 성능 및 중성자 차폐성능을 평가하였다. 비정질 붕소강 섬유를 콘크리트 체적 대비 0.
- 본 연구에서는 비정질 붕소강 섬유를 혼입한 콘크리트의 역학적 특성과 중성자 차폐성능에 대해 평가하였으며, 본 연구의 내용 및 결과를 요약하면 다음과 같다.
- 본 연구에서는 상기의 문제를 해결하기 위해 중성자 흡수 능력이 높은 비정질 붕소강 섬유를 이용하여 콘크리트에 적용시킴으로써 콘크리트의 중성자 차폐성능을 높이는 동시에 역학적 성질을 개선시킨 차폐 콘크리트를 개발하고자 한다. 이를 위한 선행연구로 비정질 붕소강 섬유를 혼입한 콘크리트의 역학적 성능 및 중성자 차폐성능을 평가하고자 한다.
- 본 연구에서는 상기의 문제를 해결하기 위해 중성자 흡수 능력이 높은 비정질 붕소강 섬유를 이용하여 콘크리트에 적용시킴으로써 콘크리트의 중성자 차폐성능을 높이는 동시에 역학적 성질을 개선시킨 차폐 콘크리트를 개발하고자 한다. 이를 위한 선행연구로 비정질 붕소강 섬유를 혼입한 콘크리트의 역학적 성능 및 중성자 차폐성능을 평가하고자 한다.
제안 방법
- Table 1과 같이 물-시멘트비는 52%, 목표슬럼프 및 공기량 은 각각 150±20mm, 3.5±1.0%를 만족하도록 배합설계 를 실시하였다.
- 경화된 콘크리트의 역학적 특성으로 압축강도와 휨강도를 측정하였다. 콘크리트의 압축강도는 KS F 2405에 의거 재령 3일, 7일, 28일의 시편을 이용하여 측정하였다[11].
- 본 실험에서는 굳지 않은 콘크리트의 물리적 특성으로 KS F 2421 및 KS F 2594에 의거 공기량, 슬럼프를 측정하였다 [9,10].
- 본 연구에서 비정질 붕소강 섬유를 혼입한 콘크리트의 역학적 성능 및 중성자 차폐성능을 평가하였다. 비정질 붕소강 섬유를 콘크리트 체적 대비 0.25%에서 1.0%까지 혼입하여 굳지 않은 콘크리트의 공기량과 슬럼프값, 경화된 콘크리트의 압축강도, 휨강도, 휨인성 및 중성자 차폐성능을 평가하였다. 실험결과, 비정질 붕소강 섬유의 혼입량이 증가할수록 콘크리트의 휨인성 및 중성자 차폐성능이 향상되는 것으로 나타났다.
- 중성자 선원에서 방출되는 중성자를 폴리에틸렌 감속재를 이용하여 열중성자로 변환시켰으며, 폴리에틸릴렌 감속재 주변은 납벽돌로 차폐하였다. 열중성자 검출기는 산란 중성자를 차단하기 위해 전면부를 제외한 나머지 부분을 카드뮴으로 차폐시켰으며, 중성자 선원으로부터 거리 13.5cm에 열중성자 검출기를 설치하였다. 이후 차폐시험 시료가 없는 대기상태에서 중성자 계수율을 측정하였으며, 이를 중성자 차폐율 제로상태로 설정하였으며, 이후 중성자 선원과 열중성자 검출기 사이에 재령 28일의 각 콘크리트 시편을 거치한 후 중성자 계수율을 측정하였다.
- 5cm에 열중성자 검출기를 설치하였다. 이후 차폐시험 시료가 없는 대기상태에서 중성자 계수율을 측정하였으며, 이를 중성자 차폐율 제로상태로 설정하였으며, 이후 중성자 선원과 열중성자 검출기 사이에 재령 28일의 각 콘크리트 시편을 거치한 후 중성자 계수율을 측정하였다. Figure 2는 실험에 사용된 중성자 차폐시험장치와 중성자 선원을 나타낸 것이다.
- 제작된 공시체는 21±2℃의 온도에서 24시간 보관하였으며, 이후 탈형을 실시하여 각 실험 재령일까지 21±2℃의 온도로 습윤양생을 실시하였다.
- 163cm2인 SP9 3He 비례계수기(확장불확도 2%, 신뢰수준 약 95%)를 이용하여 열중성자를 검출하였다. 중성자 선원에서 방출되는 중성자를 폴리에틸렌 감속재를 이용하여 열중성자로 변환시켰으며, 폴리에틸릴렌 감속재 주변은 납벽돌로 차폐하였다. 열중성자 검출기는 산란 중성자를 차단하기 위해 전면부를 제외한 나머지 부분을 카드뮴으로 차폐시켰으며, 중성자 선원으로부터 거리 13.
- 경화된 콘크리트의 역학적 특성으로 압축강도와 휨강도를 측정하였다. 콘크리트의 압축강도는 KS F 2405에 의거 재령 3일, 7일, 28일의 시편을 이용하여 측정하였다[11]. 콘크리트의 휨강도는 KS F 2408에 의거 재령 28일의 시편을 이용하여 측정하였으며, 하중-변위 곡선을 이용하여 ASTM C 1609에 의거 휨인성을 평가하였다[12,13].
- 콘크리트의 중성자 차폐실험은 중성자 방출률이 2.334 ×105 s-1인 241Am-Be를 중성자 선원(확장불확도 2%, 신뢰수준 약 95%)으로 이용하였으며, 민감도가 3.163cm2인 SP9 3He 비례계수기(확장불확도 2%, 신뢰수준 약 95%)를 이용하여 열중성자를 검출하였다.
대상 데이터
- 본 실험에 사용된 시멘트는 KS L 5201의 1종 보통포틀랜드 시멘트를 사용하였다[8]. 골재의 경우 경북 낙동산 강모래를 잔골재로 사용하였으며, 경북 칠곡산 25mm 부순골재를 굵은 골재로 사용하여 표준입도범위를 만족하도록 입도조절하였다.
- 본 실험에 사용된 비정질 붕소강 섬유는 전해철, 페로붕소, 순금속(Gd, Mo, Cr)을 모합금으로 사용하여 Melt spinner를 통해 리본형태로 제조하였으며, Fe72-B24.55- Mo3- Gd0.5의 원자분율을 가지고 있다. Figure 1은 본 실험에 사용된 비정질 붕소강 섬유와 이를 제조하기 위한 장비를 나타낸 것이며, Table 3은 비정질 붕소강 섬유의 물리적인 성질을 나타낸 것이다.
- 본 실험에 사용된 시멘트는 KS L 5201의 1종 보통포틀랜드 시멘트를 사용하였다[8]. 골재의 경우 경북 낙동산 강모래를 잔골재로 사용하였으며, 경북 칠곡산 25mm 부순골재를 굵은 골재로 사용하여 표준입도범위를 만족하도록 입도조절하였다.
- 본 실험에서는 비정질 붕소강 섬유를 혼입한 콘크리트를 제조하기 위하여 설계배합강도는 35MPa로 설정하였다. Table 1과 같이 물-시멘트비는 52%, 목표슬럼프 및 공기량 은 각각 150±20mm, 3.
- 콘크리트는 강제식 팬믹서를 이용하여 배합을 실시하였으며, 배합이 완료된 이후 공기량, 슬럼프 시험을 즉각 실시한 후 공시체를 제작하였다. 압축시편의 경우 지름 10cm, 높이 20cm의 원주형 공시체로 제작하였으며, 휨시편의 경우 가로 10cm, 세로 10cm, 길이 40cm의 각주형 공시체로 제작하였다. 중성자 차폐시험용 시편의 경우 지름 10cm, 높이 6cm의 원주형 공시체로 제작하였다.
- 압축시편의 경우 지름 10cm, 높이 20cm의 원주형 공시체로 제작하였으며, 휨시편의 경우 가로 10cm, 세로 10cm, 길이 40cm의 각주형 공시체로 제작하였다. 중성자 차폐시험용 시편의 경우 지름 10cm, 높이 6cm의 원주형 공시체로 제작하였다. 제작된 공시체는 21±2℃의 온도에서 24시간 보관하였으며, 이후 탈형을 실시하여 각 실험 재령일까지 21±2℃의 온도로 습윤양생을 실시하였다.
- 콘크리트는 강제식 팬믹서를 이용하여 배합을 실시하였으며, 배합이 완료된 이후 공기량, 슬럼프 시험을 즉각 실시한 후 공시체를 제작하였다. 압축시편의 경우 지름 10cm, 높이 20cm의 원주형 공시체로 제작하였으며, 휨시편의 경우 가로 10cm, 세로 10cm, 길이 40cm의 각주형 공시체로 제작하였다.
이론/모형
- 콘크리트의 압축강도는 KS F 2405에 의거 재령 3일, 7일, 28일의 시편을 이용하여 측정하였다[11]. 콘크리트의 휨강도는 KS F 2408에 의거 재령 28일의 시편을 이용하여 측정하였으며, 하중-변위 곡선을 이용하여 ASTM C 1609에 의거 휨인성을 평가하였다[12,13].
성능/효과
- 0vol.% 수준까지는 Plain 콘크리트와 비교하여 큰 변화가 없었으나, 슬럼프값의 경우 섬유 혼입율이 증가할수록 저하되는 것으로 나타났다. 이는 비정질 붕소강의 형상이 리본형태로 시멘트 페이스트와의 부착면적이 커져 작업성을 저해하기 때문으로 판단된다.
- 0vol.% 수준에서 Plain 시편과 비교시 상대적으로 약 16% 가량의 압축강도 감소를 나타냈다.
- 0vol.%까지 증가할수록 중성자 차폐율은 최소 83.5%에서 최대 91.3% 수준까지 증가하였으며, Plain 시편과 대비하여 상대적으로 약 1.26배에서 1.38배까지의 중성자 차폐성능을 나타났다. 이를 통해 콘크리트에 비정질 붕소강 섬유의 혼입이 중성자 포획에 있어서 효과적이라는 것을 알 수 있다.
- 0vol.%까지 증가할수록 휨인성은 지속적으로 증가하는 것으로 나타났다.
- %까지 증가할수록 Plain 콘크리트와 비교하여 중성자 차폐성능이 상대적으로 1.26배에서 1.38배까지 향상되는 것을 알 수 있다.
- 1) 비정질 붕소강 섬유를 혼입한 콘크리트의 경우 공기량은 섬유 혼입율 1.0vol.% 수준까지는 Plain 콘크리트와 비교하여 큰 변화가 없었으나, 슬럼프값의 경우 섬유 혼입율이 증가할수록 저하되는 것으로 나타났다.
- 2) 비정질 붕소강 섬유를 혼입한 콘크리트는 섬유의 혼입율이 증가할수록 압축강도가 감소하는 것으로 나타났다. 하지만 섬유혼입율 1.
- 4) 비정질 붕소강 섬유를 혼입한 콘크리트는 섬유 혼입율이 증가할수록 중성자 차폐성능이 향상되는 것으로 나타났다. 섬유 혼입율이 0.
- Table 4와 Figure 8은 중성자 차폐시험을 통해 측정된 각 시편의 중성자 계수율과 차폐율을 나타낸 것이며, Figure 9는 Plain 시편과 대비하여 비정질 붕소강 섬유를 혼입한시편의 상대적인 차폐성능을 나타낸 것이다. 대기 중에서 측정된 중성자 계수율과 비교시 Plain 시편의 경우 중성자 계수율이 66.4% 가량 감소되는 것으로 나타나 콘크리트 자체의 중성자 차폐성능을 확인할 수 있었다. 비정질 붕소강 섬유를 혼입한 경우 Plain 시편과 대비하여 상대적으로 높은 중성자 차폐성능을 나타냈다.
- 비정질 붕소강 섬유를 혼입한 경우 Plain 시편과 대비하여 상대적으로 높은 중성자 차폐성능을 나타냈다. 또한 혼입되는 비정질 붕소강 섬유의 양이 증가할수록 중성자 차폐성능이 향상되는 것으로 나타났다. 비정질 붕소강 섬유의 혼입율이 1.
- Figure 5는 재령 28일에서의 비정질 붕소강 섬유를 혼입한 콘크리트의 휨실험을 통해 획득된 하중-변위 곡선을 나타낸 것이며, Figure 6은 각 시편의 휨강도를 나타낸 것이 다. 비정질 붕소강 섬유를 혼입한 시편의 경우 재령 28일에서의 휨강도는 섬유의 혼입비에 상관없이 약 5.3MPa로 거의 일정하게 나타났다. 또한 Plain 시편과의 비교시 비정질 붕소강 섬유를 혼입한 시편의 경우 유사한 휨강도를 나타내 비정질 붕소강 섬유의 혼입이 1.
- 0%까지 혼입하여 굳지 않은 콘크리트의 공기량과 슬럼프값, 경화된 콘크리트의 압축강도, 휨강도, 휨인성 및 중성자 차폐성능을 평가하였다. 실험결과, 비정질 붕소강 섬유의 혼입량이 증가할수록 콘크리트의 휨인성 및 중성자 차폐성능이 향상되는 것으로 나타났다. 이를 통해 비정질 붕소강 섬유의 혼입이 중성자 차폐성능 뿐만 아니라 역학적 성능을 효과적으로 개선시켜 줄 것이라고 기대된다.
- 비정질 붕소강 섬유를 혼입한 시편의 경우 각 재령에서 Plain 시편과 대비하여 상대적으로 압축강도의 저하를 나타냈다. 특히 재령 7일 및 28일에서는 비정질 붕소강 섬유의 혼입량이 증가할수록 압축강도가 상대적으로 저하하는 경향을 나타냈다. 비정질 붕소강 섬유를 혼입한 시편의 경우 재령 28일에서의 압축강도는 목표강도인 35MPa을 상회하나, 혼입비 1.
후속연구
- 특히 후쿠시마 원전과 같이 지진하중이 발생할 경우 설계 강도보다 현저히 저하된 인장강도로 인한 구조물의 균열 발생 등으로 방사선 유출 우려 및 구조물의 안전성 등에 큰 문제를 나타낼 수도 있다. 이러한 문제로 인해 차폐 콘크리트에 있어서 중성자를 효율적으로 흡수하는 동시에 콘크리트의 역학적 성질을 저하시키지 않은 새로운 소재 및 공법에 대한 연구가 필요하다.
- 본 연구에서 사용된 비정질 붕소강 섬유는 제조단가 등 경제적인 측면의 해결과 붕소함량을 높이는 원천기술을 확보에 대한 문제점을 가지고 있다. 이러한 문제를 해결한다면 향후 원전시설물 뿐만이 아니라 중성자 차폐성능이 요구되는 콘크리트 구조물에 효과적으로 사용되어질 수 있을 것이라 기대된다.
- 실험결과, 비정질 붕소강 섬유의 혼입량이 증가할수록 콘크리트의 휨인성 및 중성자 차폐성능이 향상되는 것으로 나타났다. 이를 통해 비정질 붕소강 섬유의 혼입이 중성자 차폐성능 뿐만 아니라 역학적 성능을 효과적으로 개선시켜 줄 것이라고 기대된다.
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