[논문]실내실험 및 수치해석을 통한 Carbon Nanotube의 콘크리트슬래브 열전달 효과 검증

김희수; 반호기

doi:10.14481/jkges.2019.20.1.51

[국내논문] 실내실험 및 수치해석을 통한 Carbon Nanotube의 콘크리트슬래브 열전달 효과 검증
Integrated Experimental-Numerical Approach to Investigate the Heat Transferring Effect of Carbon Nanotube on the Concrete Slab 원문보기

한국지반환경공학회논문집 = Journal of the Korean Geoenvironmental Society, v.20 no.1, 2019년, pp.51 - 56

김희수 (Department of Civil Engineering, Kangwon National University) , 반호기 (Department of Civil Engineering, Kangwon National University)

초록
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본 연구에서는 염화물, 전열선 등을 이용한 기존 결빙방지기술의 문제점인 도로 및 주변 구조물 내구성 저하, 많은 인력과 유지비용이 필요로 하는 등을 해소하고자 Carbon nanotube(CNT)를 이용한 결빙방지기술에 대한 기초자료로 실내실험과 수치해석 방법을 제시하였다. 이를 위해 실내실험과 수치해석을 통한 검증을 수행하였다. 실내실험은 CNT를 콘크리트 실험체 중심에 1개 삽입 후 냉동 Chamber를 이용하여 주변온도 및 실험체의 내부온도를 $-10^{\circ}C$로 유지하였으며, CNT를 $60^{\circ}C$로 발열시켰다. 콘크리트 표면 온도를 측정하여 발열체로부터 $0^{\circ}C$까지의 거리인 유효발열거리를 확인하였다. 또한 열 중첩에 의한 CNT 간의 간격을 결정하기 위해 CNT를 150, 200, 300mm의 간격으로 삽입하여 총 4가지의 Case로 실내실험을 진행하였다. 실내실험과 함께 콘크리트 실험체의 열전도도 분석을 위한 수치해석을 수행하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

This paper presents a method to deice concrete pavement with carbon nanotube(CNT) as an heating material so as to avoid the adverse effects of conventional deicing method such as salt on the structure, function and environment. To this end, laboratory tests integrated with numerical simulations were conducted. In the laboratory tests, the CNT was embedded inside the concrete slab and generated the heat up to the target temperature of $60^{\circ}C$ in the freezer at temperature of $-10^{\circ}C$. Then, the surface temperature was measured to investigate how far the heat transfers on the surface at temperature of above $0^{\circ}C$. Also, three different spacings of 15, 20 and 30cm between CNTs were conducted to determine the maximum allowable spacing of CNT. Along with these experimental tests, heat transferring analysis conducted to validate the test results.

주제어

표/그림 (11)

그림 Fig. 1. Schematic drawing of CNT embedded into concrete slab
그림 Fig. 2. Laboratory test
그림 Fig. 3. Single installation of carbon nanotube
그림 Fig. 4. Dual installation of carbon nanotube of spacing of 15 cm
표 Table 1. Concrete pavement mix proportioning
그림 Fig. 5. Dual installation of carbon nanotube of spacing of 20 cm
그림 Fig. 6. Dual installation of carbon nanotube of spacing of 30 cm
그림 Fig. 7. Element mesh and boundary conditions for the simulations
그림 Fig. 8. Results of simulation
표 Table 2. Physical properties of concrete
그림 Fig. 9. Results of numerical analysis

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구는 기존 도로면 결빙방지를 할 수 있는 발열체인 Carbon nanotube(CNT)의 발열효과를 확인하기 위한 실내 실험 및 수치해석을 통한 검증을 하였다. 실내실험은 콘크리트 실험체 중심에 CNT를 1개 삽입하여 유효발열거리(발열체로부터 0°C까지의 거리)를 확인하였다.

가설 설정

는 각각 x, y, z방향의 열 전도율, q는 발열량이다. 열전도도는 모든 방향에서 동일하다고 가정하였다. Fig.
실제 포장체의 수치해석은 CNT 간격을 1,000, 1,500, 2,000mm로 가정하였으며 발열온도 발열시간도 각각 100°C와 600분이 적용되었다.

제안 방법

실내 실험과 함께 콘크리트 실험체의 열전도도 분석을 위한 수치 해석을 수행하였다.
실내실험은 콘크리트 실험체 중심에 CNT를 1개 삽입하여 유효발열거리(발열체로부터 0°C까지의 거리)를 확인하였다.
5kw/m² 전력이 소비되었다. 4년간 시험 가동 하였으며, 결빙방지기 성능은 일정하였으며, 전기 전도도의 저하는 발견하지 못하였다. 유지비용은 눈이 내려 가동시킬때 약 250달러가 소비되었다.
실내실험은 콘크리트 실험체 중심에 CNT를 1개 삽입하여 유효발열거리(발열체로부터 0°C까지의 거리)를 확인하였다. 또한 열중첩 효과를 확인하기 위해 CNT를 150, 200, 300mm의 간격으로 삽입하여 총 4가지의 Case로 실내실험을 진행하였다. 실내 실험과 함께 콘크리트 실험체의 열전도도 분석을 위한 수치 해석을 수행하였다.
콘크리트 도로면 결빙방지효과를 확인하기 위해 실내실험은 다음 Fig. 1과 같이 콘크리트 실험체에 CNT를 삽입하여 CNT의 발열효과에 대한 실내실험을 진행하였다. Fig.
열중첩 효과로 인한 유효발열거리 상승을 측정하기 위해 Fig. 1(b)와 같이 CNT 2개를 150, 200, 300mm 간격으로 삽입하여 유효발열거리를 측정하였다.
실내실험에 사용된 콘크리트 실험체는 실험체 중심에 CNT가 1개 삽입된 경우, CNT 2개가 150, 200, 300mm 간격으로 삽입된 경우로 각 2개씩 총 8개의 실험체를 제작하였다. 콘크리트 배합은 한국도로공사 콘크리트 설계기준 배합비를 참고하였으며, 작업 편리를 위해 시멘트의 0.6%의 AE감수제를 배합 시 첨가하였다. 콘크리트 배합비는 다음 Table 1에 나타냈다.
콘크리트 배합비는 다음 Table 1에 나타냈다. 콘크리트 실험체 배합은 시멘트와 잔골재, 굵은 골재 순으로 투입하여 30초의 건비빔을 진행하였으며, AE감수제가 섞인 배합수를 투입하여 2분 30초의 본 비빔을 진행하였다. 이때, 공기량은 4.
7%, 슬럼프 값은 160mm 로 나타났다. 배합된 콘크리트는 500*150*150mm 크기의 몰드를 이용하여 실험체로 제작하였으며, 콘크리트 실험체의 크기가 작아 홈파기 시 콘크리트 실험체의 파손 우려가 있기 때문에 110*110*10mm 크기의 합판을 미리 삽입하여 홈을 제작하였다. 콘크리트 실험체는 7일간의 습윤 양생을 가졌으며, 습윤 양생이 끝난 실험체의 홈에 100*100*5mm 크기의 CNT를 삽입 후 빈 공간을 모르타르로 채워 7일간 양생을 더 진행하여 콘크리트 실험체를 제작하였다.
실내실험은 Fig. 2와 같이 냉동 Chamber를 사용하여 외기 온도와 콘크리트 실험체의 내부온도가 -10°C가 되었을 때, CNT를 60°C로 발열시켜 2시간 동안 실내실험을 진행하였다.
이때, 실내실험 중에 외기온도가 -10°C 유지되도록 하였으며, 외기온도 및 콘크리트 내부, 표면온도는 Thermocouple 을 외기 및 콘크리트 실험체에 장착하여 온도 변화를 측정하였다.
CNT 1개의 경우와 수치해석 결과와 일치시킨 후에 150, 200, 300mm 간격에 대해 수치해석을 진행하였다.
실제 공용 중인 도로에 200mm 간격으로 홈파기를 하여 CNT를 삽입 시 도로포장 강도저하에 영향을 미치기 때문에 수치해석 결과로 얻은 물성치인 열전도도 1.1W/(m·℃), 비열용량 750(kg·℃), 필름계수 5.5W/m2/K를 이용하여 CNT 1,000, 1,500, 2,000mm 간격으로 설치 시 열 전도도에 대한 수치해석을 수행하였다.
기존 도로 결빙방지기술 개발을 위해 발열체인 CNT를 콘크리트 실험체에 삽입 후 열전달 및 열 중첩효과로 인한 온도 변화를 살펴보았으며, 이를 수치해석을 통한 검증 및 분석을 수행하였다. 이를 통해 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
콘크리트 실험체는 7일간의 습윤 양생을 가졌으며, 습윤 양생이 끝난 실험체의 홈에 100*100*5mm 크기의 CNT를 삽입 후 빈 공간을 모르타르로 채워 7일간 양생을 더 진행하여 콘크리트 실험체를 제작하였다.

대상 데이터

Yehia & Tuan(1999)는 지난 10년 동안 전도성 콘크리트를 사용하여 교량 슬래브 및 포장 면에 대한 연구를 수행하였다. 전도성 콘크리트는 콘크리트 배합 시 강철 shaving와 강철 섬유를 첨부하여 제작하였다. 콘크리트 슬래브 열전도 시험을 통해 전도성 콘크리트를 사용하여 원하는 전기 전도도로 제작이 가능하였으며, 슬래브 온도를 -1.
실내실험에 사용된 콘크리트 실험체는 실험체 중심에 CNT가 1개 삽입된 경우, CNT 2개가 150, 200, 300mm 간격으로 삽입된 경우로 각 2개씩 총 8개의 실험체를 제작하였다. 콘크리트 배합은 한국도로공사 콘크리트 설계기준 배합비를 참고하였으며, 작업 편리를 위해 시멘트의 0.

성능/효과

콘크리트 슬래브 열전도 시험을 통해 전도성 콘크리트를 사용하여 원하는 전기 전도도로 제작이 가능하였으며, 슬래브 온도를 -1.1에서 증가시키기 위해 평균 전력 밀도가 약 520W/m2되어야 함을 확인하였다.
시험 결과는 주변온도가 -8°C에서 -4.9°C, 눈이 내린 시간은 약 5.25시간, 바람은 1~5 Beaufort, 적설량이 70mm 일 때 평균 전력이 300~1,000W/m2으로 확인하였다.
따라서 수행되었던 실내실험 결과를 종합해보면 콘크리트 표면의 온도가 상온(0°C) 이상을 유지할 수 있는 최대간격은 200mm임을 알 수 있었다.
(4) 실내시험 결과를 바탕으로 수치해석을 통해 콘크리트 슬래브에서의 발열체의 열전도 물성치를 얻었으며, 이를 바탕으로 실제 현장실험을 위한 발열체 온도 100°C 와 발열시간 600분의 수치해석 결과 1,000, 1,500mm 간격으로 발열체를 설치 시 콘크리트 표면 온도가 0°C 이상으로 나타났음을 알 수 있었다.
(3) 실내실험을 통해 발열체의 온도 60°C, 발열시간을 120분 하였을 때의 최적의 CNT 설치 간격은 200mm 임을 알 수 있었다.
(2) 이에 반해 300mm 간격으로 삽입하였을 경우 전체적인 표면 온도가 상승함을 볼 수 있었으나, 표면 온도가 0°C 이상과 0°C 이하로 나타났다.
(1) 실내실험 결과 발열체인 CNT를 1개 삽입한 경우 평균 유효발열거리가 80mm로 나타났으며, CNT 2개를 150, 200mm 간격으로 삽입하였을 경우 콘크리트 표면 온도가 0°C 이상으로 나타났음을 알 수 있었다.

후속연구

그러나 1,500mm의 경우는 표면온도가 0°C에 가깝기 때문에 향후 진행할 현장시험 적용을 위해 1,000mm에 대한 실용 및 열전도도에 대해 살펴볼 예정이다.
그러나 1,500mm인 경우 표면 온도가 0°C에 가깝기 때문에 향후 현장시험 적용을 위해 1,000mm에 대한 실용 및 열전도도에 대해 살펴볼 예정이다.

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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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