[논문]산업부산물을 사용한 EMP차폐 콘크리트 개발에 관한 실험적 연구

민태범; 김형철; 최현국; 노정헌; 김국주; 박영준

doi:10.5345/jkibc.2019.19.6.477

[국내논문] 산업부산물을 사용한 EMP차폐 콘크리트 개발에 관한 실험적 연구
Experimental Study on the Development of EMP Shielded Concrete Using Industrial By-products 원문보기

한국건축시공학회지 = Journal of the Korea Institute of Building Construction, v.19 no.6, 2019년, pp.477 - 484

민태범 (R&D Center, Sungshin Cement) , 김형철 (R&D Center, Sungshin Cement) , 최현국 (R&D Center, Sungshin Cement) , 노정헌 (ROKA Nuclear.WMD Protection Research Center) , 김국주 (Korea Military Academy) , 박영준 (Korea Military Academy)

초록
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본 연구에서는 EMP차폐 건축구조물 구축시 구조체 자체로써 EMP차폐성능을 발현하는 콘크리트를 개발하기 위한 기초적인 자료를 제시하고자 도전성이 우수하고 조달이 쉬운 금속계열 산업부산물을 EMP차폐용 콘크리트 골재로 사용하기 위해 골재의 안정성 평가 및 EMP차폐 성능평가를 실시하였다. 안정성 평가결과 굵은골재 안정성기준에 만족하였으나 잔골재 안정성 기준에의 경우 전기로산화슬래그는 만족하지 못하였다. 또한 콘크리트의 물성평가 결과 유동성은 증가하는 것으로 나타났으며 공기량이 감소되는 것으로 사료되며. 압축강도는 산업부산물 골재의 높은 밀도와 거친 입형을 가지기 때문에 시멘트 페이스트와 부착력이 증가하여 강도 또한 증가하는 것으로 나타났다. EMP차폐 실험결과 차폐성능이 높은 산업부산물 골재는 전기로산화슬래그와 동제련슬래그 이며 골재의 평균입경이 작거나 균일하게 분포되면 차폐성능은 증가할 것으로 사료된다.

Abstract ▼ AI-Helper

The purpose of this study is to present basic data for developing concrete with EMP shielding as the structure materials when constructing an EMP shielded building structure. In order to use metal-based recycled aggregates with excellent conductivity and easy procurement for EMP shielding concrete, an evaluation of the stability evaluation and EMP shielding performance was performed. Through the stability evaluation, it was found that the coarse aggregate stability criterion was satisfied, but the oxidized slag did not satisfy the fine aggregate stability criterion, the oxidized slag is not satisfied. In addition, as a result of fresh concrete, the workability is increased and the air volume is decreased. The compressive strength is increased due to the high density and coarse granularity of the recycled aggregates, which increased the cement paste and adhesion, thereby increasing the compressive strength. The results of an EMP shielding test show that aggregates with high shielding performance are electronic arc furnace(EAF) Oxidizing Slag and Cooper Slag. The shielding performance is expected to increase if the average particle size of aggregate is small or uniformly distributed.

주제어

표/그림 (13)

그림 Figure 1. Concept of existing EMP shielding room
표 Table 1. Measurement items
그림 Figure 2. EMP shield tester layout concept
그림 Figure 3. EMP Shield test equipment layout conceptual diagram
표 Table 2. Mix design of concrete
표 Table 3. Chemical composition of industrial by-product aggregates
표 Table 4. Evaluation result of stability of industrial by-product aggregate
표 Table 5. Free-CaO analysis of industrial by-product aggregate
그림 Figure 4. Result of experiment on slump test and air content
그림 Figure 5. Result of compressive strength
그림 Figure 6. Result of dry shrinkage test
그림 Figure 7. EMP shielding performance test results by frequency domain
그림 Figure 8. Average EMP shielding performance

AI 본문요약
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문제 정의

특히 전기로산화슬래그는 MgO반응으로 인해 팽창하며 균열을 발생시킬 수 있다. 따라서 본 연구에서는 산업부산물 골재에 따른 콘크리트의 길이변하 측정과 건조수축 실험을 통해 팽창 및 수축에 대하여 평가 하고자 하였다. Figure 6은 건조수축실험 결과를 나타낸 그림이다.
본 연구에서는 서론에서 언급한 문제점들을 해결하고자 도전성이 우수하고 조달이 쉬운 금속계열 산업부산물을 EMP차폐용 콘크리트 골재로 사용하기 위해 골재의 안정 성 평가 및 EMP차폐 성능평가를 실시하였다. 이를 통하여 EMP차폐 건축구조물 구축시 구조체 자체로써 EMP차폐 성능을 발현하는 콘크리트를 개발하기 위한 기초적인 자료를 제시하고자 한다.
본 연구에서는 서론에서 언급한 문제점들을 해결하고자 도전성이 우수하고 조달이 쉬운 금속계열 산업부산물을 EMP차폐용 콘크리트 골재로 사용하기 위해 골재의 안정 성 평가 및 EMP차폐 성능평가를 실시하였다. 이를 통하여 EMP차폐 건축구조물 구축시 구조체 자체로써 EMP차폐 성능을 발현하는 콘크리트를 개발하기 위한 기초적인 자료를 제시하고자 한다.

제안 방법

본 연구에서는 우선 전기로산화 슬래그, 동제련슬래그, 페로몰리브덴 슬래그를 산업부산물을 골재로 사용하기 전 성분 분석 및 안정성 평가를 일반골재를 비교대상으로 비교 평가를 진행하였다. EMP차폐는 사용 골재의 Fe함량에 따라 EMP차폐에 미치는 영향이 크기 때문에 Fe함량을 위주로 분석하였다. 아래 Table 3은 전기로산화 슬래그, 동제 련슬래그, 페로몰리브덴 슬래그 XRF 분석기기를 통한 성 분 분석 결과를 나타낸 표이다.
그리고 콘크리트의 기본 물성측정은 유동성 평가, 공기량 측정, 압축강도 측정을 실시하였으며 실험은 KS 기준에 따라 실시하였다. 내구성 평가는 골재의 평창 및 수축에 대해 평가하고자 하였으며 콘크리트 실험체를 제작하여 길이변화, 건조수축을 평가 하였다. EMP 차폐율 평가는 콘크리트내 수분이 EMP 차폐에 영향을 미치기 때문에 최대한 콘크리트내 수분을 제거하기 위해 재령28일이 경과 한 실험체를 60℃의 건조기에서 7일간 건조 후 미군 시방 서 MIL-STD-188-125-1[13]의 실험방법을 준용하여 실시하였다.
이 세 가지 손실중 가장 효과적인 것은 세 번째 다중반사 손실이며 이는 재료 내 Fe함량이 증가 할수록 EMP 차폐 효과는 증가한다. 따라서 본 연구에서는 콘크리트 재료 중 가장 많은 비율을 차지하는 골재를 대상으로 EMP 차폐 재료를 선정하였으며 산업부산물중 Fe성분을 많이 포함하고 있는 전기로산화 슬래그, 동제련슬래그, 페로몰리브덴 슬래그를 콘크리트골 재용으로 사용하기 위해 위 세가지의 산업부산물에 대해 성분 분석, 골재안정성평가, Free-CaO분석을 실시하였으며 콘크리트 골재로 사용하여 콘크리트의 기본 물성 성능평가, EMP 차폐율평가, 내구성 평가를 실시하였다. Table 1에 실험 항목을 나타내었다.
또한 산업부산물 골재중 동제련 슬래그(DJS)는 5mm이상의 크기가 발생 또는 생산되지 않음으로 잔골재로만 사용하였으며 일반쇄석 굵은골재와 혼합하여 콘크리트 배합설계를 하였다. 또한 EMP차폐 효과를 극대화시키기 위해 복합골재(JGDJ: 굵은골재: 전기로산화 슬래그+잔골재: 동제련슬래그)를 사용한 콘크리트 배합 또한 실험변수에 추가 하였다. 물리적 특성 목표치로는 일반적 인 콘크리트 물성을 기준으로 180±20mm, 공기량 4.
콘크리트배합은 일반 Plain배합에서 골재만 산업부 산물 골재로 치환하는 방식으로 골재종류에 따른 콘크리트 의 성능평가를 하고자 하였다. 또한 산업부산물 골재중 동제련 슬래그(DJS)는 5mm이상의 크기가 발생 또는 생산되지 않음으로 잔골재로만 사용하였으며 일반쇄석 굵은골재와 혼합하여 콘크리트 배합설계를 하였다. 또한 EMP차폐 효과를 극대화시키기 위해 복합골재(JGDJ: 굵은골재: 전기로산화 슬래그+잔골재: 동제련슬래그)를 사용한 콘크리트 배합 또한 실험변수에 추가 하였다.
본 연구에서는 우선 전기로산화 슬래그, 동제련슬래그, 페로몰리브덴 슬래그를 산업부산물을 골재로 사용하기 전 성분 분석 및 안정성 평가를 일반골재를 비교대상으로 비교 평가를 진행하였다. EMP차폐는 사용 골재의 Fe함량에 따라 EMP차폐에 미치는 영향이 크기 때문에 Fe함량을 위주로 분석하였다.

대상 데이터

5± 1%로 하였다. Plain배합은 25-24-180인 레미콘사에서 일반적으로 가장 많이 사용하는 배합으로서 비교 대상으로 설정하였다.

이론/모형

내구성 평가는 골재의 평창 및 수축에 대해 평가하고자 하였으며 콘크리트 실험체를 제작하여 길이변화, 건조수축을 평가 하였다. EMP 차폐율 평가는 콘크리트내 수분이 EMP 차폐에 영향을 미치기 때문에 최대한 콘크리트내 수분을 제거하기 위해 재령28일이 경과 한 실험체를 60℃의 건조기에서 7일간 건조 후 미군 시방 서 MIL-STD-188-125-1[13]의 실험방법을 준용하여 실시하였다. 그림 Figure 2는 EMP차폐 시험기기 배치개념도를 나타낸 것이며 Figure 3은 측정주파수에 따른 안테나를 나타낸 것이다.
)를 사용하여 실시하였으며 Free-CaO 함량분석 실험방법은 ASTM STP 985에 따라 Ethylene glycol, Brom cresol green, N/10-HCl 용액을 사용하여 실시하였다. 그리고 콘크리트의 기본 물성측정은 유동성 평가, 공기량 측정, 압축강도 측정을 실시하였으며 실험은 KS 기준에 따라 실시하였다. 내구성 평가는 골재의 평창 및 수축에 대해 평가하고자 하였으며 콘크리트 실험체를 제작하여 길이변화, 건조수축을 평가 하였다.
실험방법은 앞서 설명한 바와 같이 4가지로 설정하였으며 산업부산물의 성분분석은 XRF장비를 활용하여 성분 분석을 하였으며 및 안정성 평가는 KS F 2507에 의하여 무수 황산나트륨(Na₂SO₄)를 사용하여 실시하였으며 Free-CaO 함량분석 실험방법은 ASTM STP 985에 따라 Ethylene glycol, Brom cresol green, N/10-HCl 용액을 사용하여 실시하였다. 그리고 콘크리트의 기본 물성측정은 유동성 평가, 공기량 측정, 압축강도 측정을 실시하였으며 실험은 KS 기준에 따라 실시하였다.

성능/효과

1) 산업부산물 골재의 Fe 함량 분석결과 동제련슬래그의 Fe함량이 51%로 가장 높았으며 다음으로는 전기로 산화슬래그가 34%로 높았다.
2) 산업부산물 골재의 안정성 평가결과 굵은골재 안정성 기준에 만족하였으나 잔골재 안정성 기준에의 경우 483 전기로산화슬래그는 만족하지 못하였다. 따라서 전기로 산화슬래그를 EMP차폐 콘크리트 골재로 사용하기 위해서는 굵은골재로만 사용하여야 하며 잔골재는 동제련 슬래그등을 복합적으로 사용하여야 할 것 으 로 판단된다.
3) 산업부산물 골재를 사용한 콘크리트의 물성평가 결과 유동성은 증가하는 것으로 나타났으며 공기량이 감소 되는 것으로 사료된다. 또한 산업부산물 골재의 밀도가 높고 입형이 거칠기 때문에 시멘트페이스트와 부착력이 증가되어 압축강는 증가하는 것으로 나타났다.
4) EMP 차폐성능이 높은 산업부산물 골재는 전기로산화슬래그와 동제련슬래그 이며 골재의 평균입경이 작거나 균일하게 분포되면 차폐성능은 증가할 것으로 사료되며 산업부산물 골재의 성분중 Fe함량이 높을수록 EMP 차폐의 성능이 증가하는 것으로 나타났다.
Table 5는 산업부산물 골재의 Free-CaO 함량분석 결과를 나타낸 것이다. Free-CaO 함량 분석 결과 페로몰디브덴(FN)의 Free-CaO함량이 가장 많았으며 전기로 산화 슬래그(JG)와 동제련슬래그(DJ)의 Free-CaO의 함량은 극소량으로 나타났다. Free-CaO 함량이 높으면 골재의 팽창으로 인해 균열을 야기시킬 수 있다.
공기량 실험결과 산업부산물 골재를 사용한 콘크리트는 공기량이 감소하는 것으로 나타났다.
3) 산업부산물 골재를 사용한 콘크리트의 물성평가 결과 유동성은 증가하는 것으로 나타났으며 공기량이 감소 되는 것으로 사료된다. 또한 산업부산물 골재의 밀도가 높고 입형이 거칠기 때문에 시멘트페이스트와 부착력이 증가되어 압축강는 증가하는 것으로 나타났다.
또한 전기로 산화슬래그를 잔골재와 굵은골재로 100% 사용한 JG실험체는 42dB의 차폐성능을 나타내었으며 전기로 산화슬래그를 굵은골재로 동제련슬래그를 잔골재로 사용한 JGDJ실험체 또한 41dB의 차폐성능을 나타냈다. 또한 전기로 산화 슬래그를 잔골재와 굵은골재로 사용한 JG와 전기로 산화 슬래그를 굵은골재로 동제련슬래그를 잔골재로 사용한 JGDJ의 차폐성능을 비교하였을 경우 전체 Fe함량이 높은 JGDJ실험체가 JG실험체보다 낮은 차폐성능을 나타내었다. 이는 전기로산화슬래그 잔골재는 평균입경이 1mm이하 이고 동제련슬래그의 잔골재의 평균입경은 5mm임으로 동제련슬래그를 잔골재로 사용하여 실험체로 제작시 잔골재가 치밀하게 분포되지 않아 골재와 골재사이로 전자기 스펙트럼이 투과 되었을 곳으로 사료된다.
또한 전기로 산화슬래그를 잔골재와 굵은골재로 100% 사용한 JG실험체는 42dB의 차폐성능을 나타내었으며 전기로 산화슬래그를 굵은골재로 동제련슬래그를 잔골재로 사용한 JGDJ실험체 또한 41dB의 차폐성능을 나타냈다.
산업부산물 골재의 종류에 따른 EMP차폐 실험결과 차 폐성능이 높은 산업부산물 골재는 전기로산화슬래그와 동 제련슬래그 이며 골재의 평균입경이 작거나 균일하게 분포 되면 차폐성능은 증가할 것으로 사료된다.
Figure 5는 콘크리트의 압축강도 결과를 나타낸 그림이다. 산업부산물 종류에 따른 압축강도 측정결과 페로몰디 브덴을 사용한 실험체는 배합설계 강도기준에 만족하지 않 았으며 페로몰디브덴 제외한 실험체는 배합설계 강도기준에 만족하는 것으로 나타났다. 이는 페로몰디브덴 골재의 강도가 시멘트 페이스트 경화체의 강도보다 낮기 때문에 골재에서 먼저 파단이 발생하여 압축강도가 낮게 발현되는 것으로 사료된다.
88%의 Fe함량이 나타났다. 성분 분석을 통하여 EMP 차폐율을 예측하면 동제련 슬래그를 골재가 EMP 차폐성능이 우수할 것으로 사료된다.
아래 Table 3은 전기로산화 슬래그, 동제 련슬래그, 페로몰리브덴 슬래그 XRF 분석기기를 통한 성 분 분석 결과를 나타낸 표이다. 실험결과 동제련 슬래그 (DJ)의 Fe함량이 51.05%로 가장 높았으며 전기로산화 슬래그(JG)는 34.63%로 나타났다. 그러나 페로몰리브덴 슬래그(FM)는 11.
또한 비교대상이 필요함으로 일반 굵은골재와 일반 잔골재의 안정성 또한 동일한 조건으로 실험하여 결과를 나타내었다. 실험결과 전기로 산화슬래그를 제외한 모든 골재는 KS F 2526에서 정의하는 안정성 범위에 만족하는 것으로 나타났으나 전기로 산화슬래그 골재는 KS F 2526의 굵은골재 안정성 기준인 12% 범위에 는 만족하는 것으로 나타났다. 그러나 잔골재의 안정성 기준인 10% 이하에는 만족하지 못하는 것으로 나타나 EMP 차폐 콘크리트 제조시 전기로 산화슬래그를 굵은골재와 잔골재를 모두 사용하는 것은 부적절할 것으로 사료된다.
Figure 4는 각각의 실험체에 대한 유동성 및 공기량 측정 결과를 나타낸 그림이다. 유동성 측정 결과 산업부산물 골제를 사용한 콘크리트의 유동성은 증가하는 것으로 나타났다. 이는 전기로산화슬래그 골재와 동재련슬래그 골재의 경우 흡수율이 낮고 밀도는 높기 때문에 골재 자중에 의한 슬럼프 형상의 붕괴 및 콘크리트 배합수의 흡착이 세척사에 비해 상대적으로 작기 때문에 나타나는 현상으로 판단된다.
0GHz 주파수 영역범위에서 골재의 종류에 따른 주파수 영역별 차폐성능 결과를 나타낸 그림이다. 차폐성능 실험결과 0.4GHz범위에서 가장 낮은 차폐율을 나타냈으며 1.6GHz 범위에서는 가장 높은 차폐성능을 나타냈다. 또한 차폐성능이 높지 않은 Plain 실험체와 페로몰디브덴 슬래그를 사용한 FM실험체는 주파수 세기에 따라 큰 변화는 없었다.
차폐성능 평가 결과 전기로 Plain실험체는 차폐성능이 매우 낮았으며 페로몰디브덴 슬래그를 골재로 사용한 실험체 FM은 Plain보다는 높았지만 낮은 차폐성능을 나타냈 다. 이는 페로몰디부덴의 철(Fe)함량이 전기로산화슬래그나 동제련슬래그에 비해 낮았음으로 차폐효과가 미비한 것으로 판단된다.

후속연구

또한 MgO 및 Free -CaO의 팽창보다 위에서 설명한 수축의 영향이 크기 때문에 팽창에 의한 결과 값은 분석하지 못하였다. 추후 팽창에 관한 연구가 추가적으로 실시되어야 한다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	국외 건설 분야의 전자파 차폐 관련 연구에서 사용한 소재는?	국외 건설 분야의 전자파 차폐 관련 연구는 주로 카본계 물질(Carbon fiber, Graphite 등)과 반사성이 큰 금속계 물질(Metal fiber, Metal powder, silver 등)을 사용하여 그 특성을 실험적으로 검정한 바 있다[6-12]. 그러나 이와 같은 연구는 고가의 신소재를 사용한 연구임으로 상용화 측면에서 다소 무리가 있는 것으로 판단된다.
	골재의 안정성 평가 및 EMP차폐 성능평가의 결과는 어떠한가?	본 연구에서는 EMP차폐 건축구조물 구축시 구조체 자체로써 EMP차폐성능을 발현하는 콘크리트를 개발하기 위한 기초적인 자료를 제시하고자 도전성이 우수하고 조달이 쉬운 금속계열 산업부산물을 EMP차폐용 콘크리트 골재로 사용하기 위해 골재의 안정성 평가 및 EMP차폐 성능평가를 실시하였다. 안정성 평가결과 굵은골재 안정성기준에 만족하였으나 잔골재 안정성 기준에의 경우 전기로산화슬래그는 만족하지 못하였다. 또한 콘크리트의 물성평가 결과 유동성은 증가하는 것으로 나타났으며 공기량이 감소되는 것으로 사료되며. 압축강도는 산업부산물 골재의 높은 밀도와 거친 입형을 가지기 때문에 시멘트 페이스트와 부착력이 증가하여 강도 또한 증가하는 것으로 나타났다. EMP차폐 실험결과 차폐성능이 높은 산업부산물 골재는 전기로산화슬래그와 동제련슬래그 이며 골재의 평균입경이 작거나 균일하게 분포되면 차폐성능은 증가할 것으로 사료된다.
	최근 북한에서 개발 중인 핵무기의 특징은?	북한은 2006년 1차핵실험을 시작한 이후 현재까지 총 5차례의 핵실험을 단행 하였으며 이러한 문제는 전 세계적으로 주목되고 있다[1]. 일반적인 핵무기는 공중에서 폭발되며 피해요인으로는 열, 폭풍, 방사능이지만 최근 북한에서 개발 중인 핵무기는 변형된 핵무기로써 고고도 전자기파(High-altitude Electromagnetic Pulse: HEMP)를 통한 EMP(Electro Magnetic Pulse) 공격을 통한 전력망, 통신망, 전자장비등 국가기반 시설들의 마비가 그 목적으로 예측되고 있다[2].

참고문헌 (13)

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MIL-STD-188-125-1. High-altitude electromagnetic pulse (HEMP) protection for ground-based c41 facilities performing critical. Time-urgent Missions Part 1 Fixed facilities. Department of Defense Interface Standard; 1988. 98 p.

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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