KSCE Journal of Civil and Environmental Engineering Research (대한토목학회논문집)

Korean Society of Civil Engeneers (대한토목학회)
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Development of Nanomodified Snow-Melting Concrete Using Low-Temperature Phase-Change Material Impregnated Lightweight Aggregate

저온 상변화 물질 함침 경량골재를 이용한 나노 개질 융설 콘크리트 개발

  • 경주현 (인천대학교 건설환경공학부) ;
  • 김선미 (인천대학교 건설환경공학부) ;
  • 허종완 (인천대학교 건설환경공학부)
  • Received : 2022.07.03
  • Accepted : 2022.08.30
  • Published : 2022.12.01
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Abstract

In winter, the excessive use of deicing salt deteriorates concrete pavement durability. To reduce the amount of deicing salt used, phase-change materials (PCMs) potentially offer an alternative way to melt snow through their latent heat storage characteristics. In this research, thermal energy storage concrete was developed by using PCM-impregnated expanded clay as 50 % replacement to normal aggregate by volume. In addition, to improve the thermal efficiency of PCM lightweight aggregate (PCM-LWA)-incorporated concrete, multi-walled carbon nanotubes (MWCNTs) were incorporated in proportions of 0.10 %, 0.15 %, and 0.20 % by binder weight. Compressive strength testing and programmed thermal cycling were performed to evaluate the mechanical and thermal responses of the PCM-LWA concrete. Results showed a significant strength reduction of 54 % due to the PCM-LWA; however, the thermal performance of the PCM-LWA concrete was greatly improved with the addition of MWCNTs. Thermal test results showed that 0.10 % MWCNT-incorporated concrete had high thermal fatigue resistance as well as uniform heat flow, whereas specimens with 0.15 % and 0.20 % MWCNT content had a reduced thermal response due to supercooling when the ambient temperature was varied between -5℃ and 10℃.

겨울철 제설염의 사용은 콘크리트의 미세조직을 손상시기게 되고 이는 내구성을 감소시켜 콘크리트의 수명 단축으로 이어진다. 이러한 단점을 개선하기 위해 상변화물질(Phase Change Material, PCM)의 잠열을 콘크리트에 적용함으로써 손상을 완화하고 제설염의 수요를 감소시킬 수 있는 융설 PCM 함침 경량골재(Phase Change Material Impregnated Light Weight Aggregate, PCM-LWA) 콘크리트를 개발하고자 한다. 콘크리트를 제작할 때, PCM을 함침하고 캡슐화한 팽창점토(Expanded Clay)는 일반골재의 50 %를 대체하여 사용되었으며, 열적 성능을 향상시키기 위해 사용된 다중벽 탄소나노튜브(Multi-walled Carbon Nano Tube, MWCNT)는 바인더 중량 대비 0.10 %, 0.15 % 및 0.20 %의 비율로 첨가되었다. PCM-LWA를 적용한 시편들의 압축강도 시험 결과 약 54 %의 강도 감소를 보였지만 MWCNT의 첨가를 통하여 PCM-LWA 콘크리트의 열적 성능을 크게 향상시켰다. 열 사이클링 시험에서 모든 시편은 15℃ ~ -5℃의 온도에서 시험하였다. 주변 온도가 0℃ 미만으로 내려갈 때, 다른 시편들의 내부 온도는 0℃ 미만으로 내려가거나 조금 웃도는 경향을 보였지만, CNT를 0.10 % 첨가한 시편의 내부 온도는 2℃로 유의미한 차이를 보였다. 0.15CNT와 0.20CNT의 경우 CNT의 함유로 인하여 과냉각이 발생하였고 열효율이 떨어지게 되어 시편 내부의 온도가 0℃ 이하로 떨어지는 것을 확인할 수 있었다. 융설 시험에서 열 사이클링 시험의 결과와 유사하게 50PCM-LWA와 0.10CNT는 얼음을 녹이는 데에 가장 뛰어난 성능을 보였지만 시간이 흐름에 따라 열전도율이 높은 0.10CNT 시편이 가장 우수한 성능을 보였다.

Keywords

Acknowledgement

본 연구는 국토교통부/국토교통과학기술진흥원 국토 교통기술 사업화지원사업의 지원으로 수행되었습니다(과제번호 22TBIPC161399-02). 본 연구 지원에 깊은 감사를 드립니다.

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