[논문]콘크리트 포장에서 발생하는 온도피해 저감에 관한 연구

김재돈; 장일영

doi:10.15683/kosdi.2023.6.30.305

콘크리트 포장에서 발생하는 온도피해 저감에 관한 연구
A Study on the Reduction of Temperature Damage in Concrete Pavement 원문보기

한국재난정보학회논문집 = Journal of the Society of Disaster Information, v.19 no.2, 2023년, pp.305 - 312

김재돈 (Department of Civil Engineering, Kumoh National Institute of Technology) , 장일영 (Department of Civil Engineering, Kumoh National Institute of Technology)

초록
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연구목적: 본 연구에서는 콘크리트 포장의 온도피해를 줄이기 위해 상변화에너지가 큰 PCM을 콘크리트에 혼입하고 이에 따른 성능테스트를 진행하였다. 연구방법:저온 및 고온에 대한 온도피해를 감소시키기 위해 4.5℃와 44℃의 상변화 온도를 가지는 캡슐형 PCM을 10%, 30%, 50% 치환하여 콘크리트에 혼입하였으며 열전대와 변온챔버를 활용하여 열성능 실험과 압축강도 실험을 진행하였다. 연구결과: 열성능 실험 결과 PCM의 혼입은 최대 25%이상의 온도저항성을 향상시키는 것으로 나타났으며 다량 치환시 높은 비열로 모든 온도에서 열저항성을 높이는 것으로 나타났다. 압축강도 실험 결과 30%이상의 치환은 압축강도를 저하시키는 결과를 나타냈으며 PCM의 상변화온도를 기준으로 큰 강도차이를 나타냈다. 결론: PCM의 혼입은 콘크리트의 열성능을 증가시키는 것으로 나타냈으며 PCM의 상변화온도 부근에서 가장 큰 열성능 증가폭을 나타냈다. 또한 가장 높은 치환율인 50% 치환에서 10%~20%의 작은 강도저하가 발생하였으므로 사용성에 큰 문제가 없을 것으로 판단되며 열성능 향상을 위해 추가적인 PCM 투입이 가능할 것으로 판단된다.

Abstract ▼ AI-Helper

Purpose: Although the damage caused by abnormal temperatures is extensive, blow-up or black ice is typical in concrete structures. In this study, PCM with high phase change energy was mixed with concrete to reduce temperature damage to concrete pavement. Method: In order to reduce temperature damage to low temperatures and high temperatures, capsule-type PCM with phase change temperatures of 4.5℃ and 44℃ was replaced by 10%, 30%, and 50%, and thermal performance experiments and compressive strength experiments were conducted using thermocouples and variable chambers. Result: As a result of the thermal performance experiment, it was found that the incorporation of PCM improves temperature resistance by up to 25% or more, and increases thermal resistance at all temperatures with high specific heat when substituted in large amounts. As a result of the compression strength experiment, a substitution of 30% or more resulted in a decrease in the compression strength, and a large strength difference was shown based on the phase change temperature of the PCM. Conclusion: The incorporation of PCMs has been shown to increase the thermal performance of concrete, with the greatest increase in thermal performance near the phase change temperature of PCM. In addition, a small strength reduction of 10% to 20% occurs at the highest substitution rate of 50% substitution, so there is no significant problem with usability, and additional PCM substitution is expected to improve thermal performance.

주제어

표/그림 (8)

그림 FIg. 1. Blow-Up generation mechanism
그림 FIg. 2. Black Ice generation mechanism
그림 FIg. 3. Temperature changes according to changes in thermal energy of phase change materials
표 Table 1. Physiochemical properties of OPC
표 Table 2. Physicochemical properties of OPC
표 Table 3. PCM concrete mixing design
그림 Fig. 4. PCM concrete thermal performance test results
그림 Fig. 5. Results of compressive strength of PCM concrete

AI 본문요약
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문제 정의

이러한 PCM의 열에너지 축적 및 방출 성질을 활용하기 위해 본 연구에서는 캡슐화 된 PCM을 콘크리트 배합단계에서 첨가하여 콘크리트의 열 성능을 향상시키는 것을 목적으로 하였다. 저온 및 고온에서의 열저항 성능을 향상시키기 위해 서로 다른 상변화 온도를 가지는 2종류의 PCM 물질을 적용하였다.

제안 방법

저온 및 고온에서의 열저항 성능을 향상시키기 위해 서로 다른 상변화 온도를 가지는 2종류의 PCM 물질을 적용하였다. PCM 이 적용된 콘크리트는 열 성능실험과 온도에 따른 압축 강도 실험을 진행하였다.
PCM 혼입율 및 콘크리트 온도에 따른 강도 특성을 파악하기 위해 압축강도 실험을 진행하였다. 재령28일의 콘크리트를 0°C, 25°C, 50°C의 환경에서 24시간 이상 정치 후 KS F 2456에 의거하여 압축강도 측정을 실시하였다.
PCM 혼입율에 따른 열 특성 및 강도특성을 파악하기 위해 Table 3와 같이 콘크리트 배합설계를 산정하였다. 각 PCM의 치환율은 OPC 부피대비 10% ~ 50%로 하였으며 배합명을 PCM의 상변화 온도_치환율로 하였다. 배합설계의 부피를 일정하게 유지하기 위해 PCM이 투입된 부피만큼 잔골재의 부피를 감소시켰다.
본 연구는 콘크리트의 열성능을 향상시키기 위해 PCM을 캡슐화 하여 혼입하였으며 그에 따른 열성능 및 압축강도 양상을 실험하여 다음과 같은 결론을 얻었다.
시편의 제작은 열 성능테스트용 시편과 압축강도 테스트용 시편으로 나누어 진행되었다. 열 성능테스트용 시편은 50mm 두께를 가지는 단열재를 활용하여 내부공간이 100 * 100 * 100mm가 되게 제작하였으며 상단으로부터 50mm 지점에 열전대를 배치하여 시편의 온도를 실시간으로 측정할 수 있도록 제작하였다. 압축강도 측정용 시편은 Ø10 * 200mm의 원주형 몰드에 콘크리트를 타설하여 제작하였다.
4에 나타냈다. 온도 센서는 콘크리트의 표면에서부터 50mm 지점에서의 온도를 측정하였고 챔버 내부의 온도를 측정하기 위해 매립되지 않은 온도센서를 챔버 내에 거치하고 air tem이라 명명하였다.
재령28일의 콘크리트를 0°C, 25°C, 50°C의 환경에서 24시간 이상 정치 후 KS F 2456에 의거하여 압축강도 측정을 실시하였다
제작한 서로 다른 치환율의 PCM 콘크리트를 온도 제어가 되는 챔버에 투입하였고 -10°C ~ 60°C의 환경에서 콘크리트 내부온도의 변화를 측정하였다
배합설계의 부피를 일정하게 유지하기 위해 PCM이 투입된 부피만큼 잔골재의 부피를 감소시켰다. 표에서 밝힌 바와 같이 두 종류의 PCM은 비중이 다르므로 치환율에 해당하는 부피에 각각의 비중을 적용하여 배합설계를 진행하였다.

대상 데이터

본 연구에 사용된 시멘트는 KS L 5201을 만족하는 보통 포틀랜드 시멘트로 CaO를 약 70% 함유하고 있으며 물리화학적 특성을 Table 1에 나타냈다.
압축강도 측정용 시편은 Ø10 * 200mm의 원주형 몰드에 콘크리트를 타설하여 제작하였다
이러한 PCM의 열에너지 축적 및 방출 성질을 활용하기 위해 본 연구에서는 캡슐화 된 PCM을 콘크리트 배합단계에서 첨가하여 콘크리트의 열 성능을 향상시키는 것을 목적으로 하였다. 저온 및 고온에서의 열저항 성능을 향상시키기 위해 서로 다른 상변화 온도를 가지는 2종류의 PCM 물질을 적용하였다. PCM 이 적용된 콘크리트는 열 성능실험과 온도에 따른 압축 강도 실험을 진행하였다.

성능/효과

(1) 일정수준 이상의 PCM 혼입은 콘크리트 열성능을 향상시키는 것으로 나타났으며 PCM의 상변화 온도 구간에서 가장 큰 향상 폭을 보였다. 또한 다량의 PCM 혼입은 PCM의 높은 비열로 인해 외기에 따른 온도변화가 적게 나타났다.
모든 배합에서 0°C일 때 가장 높은 강도를 나타냈으며 온도가 상승할수록 강도가 하락하는 경향을 나타냈다
10% 이상의 치환율에서는 OPC 보다 낮은 강도의 발현을 보였으며 치환율이 높아질수록 이러한 경향은 강하게 나타났다. 이와 같은 결과를 볼 때 소량의 PCM 첨가는 강도하락에 큰 영향을 미치지 않으며 미세공극의 채움효과로 인해 오히려 강도의 상승을 일으킬 수 있으며 또한, 다량의 PCM 첨가는 PCM의 낮은 강도로 인해 압축강도의 저하를 발생시키는 것으로 판단된다.
한 가지 독특한 점은 PCM 종류에 관계없이 50% 혼입시에는 저온 및 고온 모두에서 저항하는 성질을 나타내는 것으로 확인되는데 이는 PCM 자체의 높은 비열에 의한 것으로 사료된다.

후속연구

(2) PCM의 혼입은 콘크리트의 압축강도 저하를 유발하지만 50%혼입에서 사용성에 문제가 생길만큼의 강도저하는 나타나지 않으며 추가적으로 감수제 등의 혼화제를 활용한다면 더 높은 혼입율을 적용하여 열성능을 향상시킬 수 있을 것으로 사료된다.
(3) PCM 캡슐파괴에 의한 강도저하가 우려되는 만큼추가적인 연구를 통해 명확한 상관관계를 규명하는 과정이 필요할 것으로 판단된다.

참고문헌 (7)

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Hawlader, M.N.A., Uddin, M.S., Khin, M.M. (2003). "Microencapsulated PCM thermal-energy storage system."？Applied Energy, Vol. 74, No. 1-2, pp. 195-202.

상세보기
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Lee, J.H. (2021). Numerical Modeling of Concrete Pavement Growth and Blow-up. Master Dissertation,？Gangneung-Wonju National University.
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Souayfane, F., Fardoun, F., Biwole, P.H. (2016). "Phase change materials (PCM) for cooling applications in？buildings: A review. Energy and Buildings, Vol. 129, pp. 396-431.

상세보기
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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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