[논문]현장시험을 통한 Carbon fiber heating wire의 콘크리트슬래브 열전달 효과

김희수; 반호기

doi:10.14481/jkges.2019.20.4.31

현장시험을 통한 Carbon fiber heating wire의 콘크리트슬래브 열전달 효과
Field Test to Investigate Heat Transferring Effect of Carbon Fiber Heating Wire on the Concrete Slab 원문보기

한국지반환경공학회논문집 = Journal of the Korean Geoenvironmental Society, v.20 no.4, 2019년, pp.31 - 38

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

초록
AI-Helper

기존 도로면 결빙방지기술은 염화물로 인한 도로파손 및 환경적인 문제점들 해결하기 위해 탄소섬유발열체를 콘크리트 슬래브에 'ㄷ'자 모양으로 삽입하여 현장시험을 수행하였다. iButton을 이용하여 중첩효과를 기대할 수 있는 구간과 그렇지 않은 구간에 대하여 12시간 발열하는 동안 온도를 측정하였다. 시험결과 중첩효과가 있는 구간에는 영상의 온도를 보였으며, 그렇지 않은 구간은 영상의 온도는 아니지만 콘크리트 표면 온도의 상승을 보였다. 따라서 CFHW는 발열체로 충분히 결빙방지 재료로 사용가능 함을 시험을 통해 검증하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

Field tests with carbon fiber heating wire (CFHW) embedded inside concrete slab were performed to present the alternative heating material capable of avoid the adverse effects of traditional de-freezing salt on the structures and environment. The CFHW was inserted into the concrete slab in the shape of 'ㄷ' to improve the heat superposition and the temperature on the surface was measured using iButton. The results showed that the temperature where the CFHW's were faced with each other increased to above zero after 12-hour at outdoor air temperature of $-6^{\circ}C$. Comparatively, the temperature slightly increased where the CFHW was embedded on one side because the heat was not superimposed. Hence, it can be said that the CFHW is a suitable heating material to prevent the concrete road from being frozen.

주제어

표/그림 (8)

그림 Fig. 1. Results of laboratory test (Kim & Ban, 2017)
그림 Fig. 2. Results of simulation (Kim & Ban, 2019)
그림 Fig. 3. Results of numerical analysis (Kim & Ban, 2019)
그림 Fig. 4. Field test
표 Table 1. Specific features of the iButton
그림 Fig. 5. Results of field test for Line.1
그림 Fig. 6. Results of field test (Line.2)
그림 Fig. 7. Results of field test (Line.3)

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 도로 결빙으로 인한 피해를 방지하고자 콘크리트 부지에 발열체를 삽입하고 발열체의 발열에 따른 열전도도 변화를 확인하였다. 이를 위한 선행연구로 실내실험을 통한 유효발열거리를 측정하였으며(Kim & Ban, 2017), 이를 수치해석을 통한 검증 및 실제 도로에 발열체 간격을 100cm로 설치 시 콘크리트 표면온도가 0°C 이상을 나타났다(Kim & Ban, 2019).

제안 방법

(1) 발열체를 콘크리트 슬래브에 ‘ㄷ’자 형태로 설치하였으며, 열 중첩 효과에 따라 세 영역으로 나누어 온도를 측정하였다.
5(c)는 Fig. 5(a)와 (b)의 결과를 종합하여 표현하기 위해 콘크리트 표면온도의 변화와 외기온도 변화를 시간과 위치의 함수로 표현 하였다. 그림에서 보듯이 시간에 따른 외기온도의 감소가급격함에도 불구하고 발열체의 영향에 따라 콘크리트의 표면의 온도는 시간의 경과에 따라 크지는 않지만 지속적으로 증가함을 보여주고 있다.
CFHW의 온도를 110°C로 유지하여 12시간 동안 시험을 진행하였다.
Fig.3에서 보듯이 100, 150cm 간격으로 설치 시 콘크리트 표면 온도가 0°C 이상으로 나타났으나, 150cm 간격인 경우 0°C 에 가깝게 나타났기 때문에 발열체를 100cm 간격으로 현장 시험을 실시하였다.
도로 결빙으로 인한 피해를 방지하고자 선행연구를 통해 열전달 및 열 중첩 효과로 인한 유효발열거리를 확인하였으며, 본 연구에서는 현장시험을 통해 콘크리트 슬래브의 온도변화를 측정함으로써 발열체의 열전달 효과를 살펴보았으며 다음과 같은 결과를 얻었다.
따라서 본 연구에서는 기존도로의 결빙방지기술의 개발의 일환으로 저자의 선행연구들(Kim & Ban(2017)와 Kim & Ban(2019))을 통해서 콘크리트 실험체에 발열체를 삽입한 실내실험 결과와 수치해석 검증을 통해 얻은 유효발열거리를 검증하고자 300×300×10cm 크기의 콘크리트 슬래브에 전력소모가 적고 시공이 간편한 Carbon fiber heating wire (CFHW)를 ‘ㄷ’ 자 모양으로 삽입 후 12시간 동안 110°C로발열시킴으로써 도로 강도저하에 영향을 미치지 않는 발열체 간격의 열전도효율(유효발열거리, 열 중첩 효과)을 검증 하였다.
실제 공용 중인 도로에 실내실험과 수치해석 결과 얻은 유효발열거리인 20cm 간격으로 홈파기 시 도로 포장 강도 저하에 영향을 미친다. 따라서 실내실험 결과와 매칭과정을 통해 얻은 전도도 1.1W/(m ℃), 비열용량 750J/(kg ℃), 필름계수 5.58W/m²/K 를 이용하여 도로 포장 강도저하에 영향을 미치지 않는 최적의 발열체 간격을 찾기 위한 수치 해석을 수행하였으며, 그 결과는 다음 Fig. 3과 같다. Fig.
수치해석을 통해 콘크리트 실험체와 발열체 사이의 온도 변화를 해석하고자 하였으며, 이를 위해 Fig. 2와 같이 실내 실험 결과와 매칭과정(matching process)을 통해 열전도도는 1.1W/(m, ℃비열용량은 750J/(kg ℃), 필름계수는 5.58W/m^2/K과 같은 물성치를 구했다.
실내실험 및 수치해석을 통해 얻은 결과를 실제 현장에 적용하기 위해 현장시험을 2회에 걸쳐 실시하였다. 현장시험은 300×300×10cm 크기의 콘크리트 슬래브에 Fig.
실내실험은 냉동챔버를 이용하여 콘크리트 실험체 내부온도와 주변온도가 -10°C가 되었을 때, 발열체의 온도를 60°C로 가해 120분간 실험을 진행하였다.
실내실험은 한국도로공사 콘크리트 포장 설계기준의 배합 비를 사용하여 실험체를 제작하여 실험을 수행하였다. 실험체의 크기는 55×15×15cm로 제작을 하였으며, 실험체의 크기가 작아 홈파기 시에 파손의 우려가 있기 때문에 미리 홈제작위해 11×11×1cm의 합판을 삽입하여 7일간의 습윤 양생을 가졌다.
실험체의 크기는 55×15×15cm로 제작을 하였으며, 실험체의 크기가 작아 홈파기 시에 파손의 우려가 있기 때문에 미리 홈제작위해 11×11×1cm의 합판을 삽입하여 7일간의 습윤 양생을 가졌다.

성능/효과

(2) 이에 반해 열 중첩 효과가 적은 발열체의 열전도가 한쪽방향으로만 전달되는 구간인 Line.2의 경우 중첩효과가 있었던 Line.1의 경우보다 온도가 낮았으며, 심지어 시간의 경과에 따라 외기온도가 급격히 낮아졌을 때 표면온도도 동반 감소함을 알 수 있었다. 이는 중첩효과가 없어 외기온도에 영향을 많이 받은 것으로 판단된다.
6(c)는 Fig. 6(a)와 (b)의 결과를 종합하여 콘크리트 표면온도의 변화와 외기온도 변화를 시간과 위치의 함수로 공간적으로 표현하였다. 그림에서 보듯이 시간에 따른 외기온도의 감소가 급격함에도 불구하고 발열체의 영향에 따라 콘크리트의 표면의 온도는 시간 의 경과에 따라 크지는 않지만 지속적으로 증가함을 보여 주고 있다.
5(d), (e), (f)는 2차 시험 결과이며, 이는 1차 시험 결과와 유사한 결과를 보여주고 있다. 2차에 걸친 시험을 통해 발열체로부터 발생된 열이 중첩효과를 통해 표면의 온도가 외기온도의 감소에도 불구하고 증가함을 알 수 있었다. 또한 12시간 후의 결과는 0°C 이상인 상온의 온도에 도달함을 알 수 있었다.
구체적으로는 시험시작 12시간 후의 표면온도는 외기온도에 비해 약 1.1°C 상승함을 알 수 있었다.
또한 12시간 후의 결과는 0°C 이상인 상온의 온도에 도달함을 알 수 있었다.
합판을 제거 후 10×10×0.5cm의 발열체를 삽입하여 빈 곳을 모르타르를 채워 7일간의 습윤 양생을 가졌다.

후속연구

(4) 각 구간마다 시간과 위치에 따라 온도변화 분포가 다르게 나타나고 있지만 전체적인 결빙방지 시스템으로 봤을 경우 중첩효과가 있는 구간의 온도로 인해 해빙이 시작되면 점차적으로 해빙지역이 확대되어 전 구간으로 해빙이 될 것으로 기대할 수 있다. 따라서 본 연구의 시험에 사용된 CFHW를 ‘ㄷ’자 형태로 기존 도로에 설치하였을때 도로면의 결빙을 방지할 수 있을 것으로 기대된다.
따라서 본 연구의 시험에 사용된 CFHW를 ‘ㄷ’자 형태로 기존 도로에 설치하였을때 도로면의 결빙을 방지할 수 있을 것으로 기대된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	도로면 결빙방지기술의 특징은 무엇인가?	기존 도로면 결빙방지기술은 염화물로 인한 도로파손 및 환경적인 문제점들 해결하기 위해 탄소섬유발열체를 콘크리트 슬래브에 'ㄷ'자 모양으로 삽입하여 현장시험을 수행하였다. iButton을 이용하여 중첩효과를 기대할 수 있는 구간과 그렇지 않은 구간에 대하여 12시간 발열하는 동안 온도를 측정하였다.
	도로면 결빙의 문제를 해결하기 위한 방법은 무엇인가?	, 2014). 이러한 피해를 미연에 방지하고자 제설제 살포, 전열선, 지열, 태양열 등을 이용한 결빙방지기술이 연구 및 실용화 중에 있다. 하지만 Kim et al.
	도로면 결빙의 문제점은 무엇인가?	겨울철 폭설과 도로 결빙으로 인한 사고는 매년 증가를 하고 있다. 특히 도로면 결빙은 도로표면과 차량의 마찰을 감소시킴으로써, 제동거리가 길어져 대형 사고를 유발하고 치사율이 높아지게 된다(Kim et al., 2014).

참고문헌 (15)

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Jee, S. C., Kim, B. H. and Kim, I. S. (2014), A case study on chloride corrosion for the end zone of concrete deck subjected to de-icing salts added calcium chloride, Journal of the Korean Society of Safety, Vol. 62, No. 6, pp. 87-93.
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저자의 다른 논문 :

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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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