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KR102657995B1 - 비정질 금속 와이어 보강 콘크리트 조성물 - Google Patents

비정질 금속 와이어 보강 콘크리트 조성물 Download PDF

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KR102657995B1
KR102657995B1 KR1020220013902A KR20220013902A KR102657995B1 KR 102657995 B1 KR102657995 B1 KR 102657995B1 KR 1020220013902 A KR1020220013902 A KR 1020220013902A KR 20220013902 A KR20220013902 A KR 20220013902A KR 102657995 B1 KR102657995 B1 KR 102657995B1
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Abstract

본 발명은 비정질 금속 와이어 보강 콘크리트 조성물에 관한 기술로, 보다 상세하게는 무게를 경량화함과 더불어, 콘크리트와의 결합력이 우수하면서도 인장강도 및 휨강도가 향상되고, 부식방지, 전자파 및 방사선 차폐 효과가 우수한 비정질 금속 와이어 보강 콘크리트 조성물에 관한 것이다.
본 발명은 물, 시멘트, 골재 및 감수제를 포함하는 콘크리트 조성물에 있어서, 금속 와이어를 전체 조성물 100 중량부를 기준으로 0.02 내지 3 중량부로 포함하고, 상기 금속 와이어는 비정질인 것을 특징으로 하는 비정질 금속 와이어 보강 콘크리트 조성물을 제공한다.
본 발명에 따른 비정질 금속 와이어 보강 콘크리트 조성물은 금속 와이어를 보강재로 활용하여 인장강도 및 휨강도가 향상되고 콘크리트 구조물의 무게를 경량화함과 더불어, 금속 와이어의 구조나 표면의 형상 변형 및 무기성분 코팅을 통하여 콘크리트와의 결합력이 우수하고, 비정질 금속 와이어의 합금 조성을 통해 부식방지, 전자파 및 방사선 차폐 효과가 우수하여, 해수에 노출되는 구조물, 내산성 및 내구성이 요구되는 구조물, 취약부위의 위험성이 높은 각종 건축물 등 다양한 용도의 콘크리트 구조물에 적용할 수 있는 효과가 있다.

Description

비정질 금속 와이어 보강 콘크리트 조성물{WIRES REINFORCED CONCRETE COMPOSITION CONTAINING AMORPHOUS METAL}
본 발명은 비정질 금속 와이어 보강 콘크리트 조성물에 관한 기술로, 보다 상세하게는 콘크리트와의 결합력, 인장강도 및 휨강도가 우수하고, 부식방지 및 전자파와 방사선 차폐가 우수한 콘크리트 조성물에 관한 것이다.
일반적으로 금속은 고체 상태에서 원자가 주기적으로 배열된 결정질(crystalline)을 갖는다. 그러나, 액화된 금속이 급속도로 냉각되는 경우, 금속 원자의 주기성이 흐트러지면서 비정질(amorphous)의 금속이 수득될 수 있다.
비정질 금속은 결정질 금속에 비해 우수한 강도를 가지며, 내부식성이 우수하다. 특히, 비정질 금속은 투자율(permeability)이 우수하여, 약한 자계(magnetic field)에도 민감하게 반응하는 특징이 있다. 이러한 특징으로 인해, 비정질 금속을 다양한 소재로 활용하는 연구가 진행 중이다.
한편, 금속을 와이어(wire) 또는 섬유(fiber)형태로 가공하고자 하는 연구가 많이 진행되고 있다. 특히, 얇은 두께를 갖는 극세선 형태로 금속을 가공하는 경우, 금속의 유연성 및 기계적 강도가 우수해지고 투과성이 우수해지므로, 다양한 분야에 응용이 가능해지는 장점이 있다.
비정질 금속의 경우에도 와이어 형태로 가공됨에 따라 기계적 특성, 광학적 특성 및 전자기적 특성이 우수해질 수 있으며, 와이어 형태의 비정질 금속을 구조물에 적용하고자 하는 기술에 대한 많은 연구가 진행되고 있으며, 금속 와이어를 콘크리트 구조물에 적용하여 콘크리트 구조물의 균열을 방지하거나 전자파 차폐, 균열 감지, 부식 방지 등하는 등 특수목적을 가질 수 있는 구조물에 활용하는 기술의 개발이 필요한 실정이다.
콘크리트를 보강하기 위하여 강재, 콘크리트 보강재, 섬유소재 등을 사용하는 방법이 있으나, 강재나 콘크리트 보강재의 경우 일반적으로 강한 압축력을 가지는 데 반해 약한 취성과 타설 직후 유동 응결시 경화 수축에 의한 미세한 균열이 발생하게 되고, 이는 콘크리트 구조물의 크고 작은 강도 발현에 영향을 미치게 된다. 또한, 강재와 같은 결정계 금속 와이어는 빗물 또는 해수에 의해 부식되어 강성이 저하하거나 시멘트와의 화학적 내구성이 약하여 철근과 같이 강성 저하를 초래 하는 문제점을 가지고 있다. 섬유소재 보강재의 경우에도 섬유의 분리현상이 일어날 수 있으며, 화학적 저항성이 약하며 부식방지, 전자파 차폐 등 기능성을 부가하지 못하는 단점이 있다.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여, 비정질 금속 와이어를 활용한 콘크리트 조성물에 대한 연구가 필요하다.
본 발명은 상기한 바와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 무게를 경량화함과 더불어, 콘크리트와의 결합력이 우수하면서도 인장강도 및 휨강도가 향상되고, 부식방지, 전자파 및 방사선 차폐 효과가 우수한 비정질 금속 와이어 보강 콘크리트 조성물에 대한 기술 내용을 제공하고자 하는 것이다.
상기한 바와 같은 기술적 과제를 달성하기 위해서, 본 발명은 물, 시멘트, 골재 및 감수제를 포함하는 콘크리트 조성물에 있어서, 금속 와이어를 전체 조성물 100 중량부를 기준으로 0.02 내지 3중량부로 포함하고, 상기 금속 와이어는 비정질인 것을 특징으로 하는 비정질 금속 와이어 보강 콘크리트 조성물을 제공한다.
본 발명의 바람직한 일실시예에 따라, 상기 금속 와이어는 철, 코발트, 니켈, 알루미늄, 구리, 텅스텐, 지르코늄, 니오븀, 몰리브덴, 크롬, 붕소, 실리콘, 탄소, 인 및 망간에서 선택되는 어느 하나 또는 복수의 금속을 포함할 수 있다.
또한, 상기 금속 와이어는 상기 금속 와이어의 양 끝단이 절곡된 형태, 상기 금속 와이어의 양 끝단의 직경이 증가된 형태, 상기 금속 와이어의 양 끝단이 나선형으로 굴곡진 형태 또는 상기 금속 와이어의 길이 방향을 따라 나선형으로 굴곡진 형태 중 어느 하나일 수 있다.
또한, 상기 금속 와이어는 상기 금속 와이어의 양 끝단이 후크 형태일 수 있으며, 상기 금속 와이어의 중앙 부분이 굴곡진 형태일 수 있다.
또한, 상기 금속 와이어는 상기 금속 와이어의 길이가 3 내지 50㎜인 것일 수 있다.
그리고, 상기 금속 와이어는 상기 금속 와이어의 표면에 무기성분이 산화규소, 산화붕소, 산화알루미늄, 산화마그네슘, 산화칼슘, 산화스트론튬, 산화나트륨, 산화칼륨, 산화리튬, 산화철 및 산화티탄에서 선택되는 어느 하나 또는 복수의 무기산화물이 코팅된 것일 수 있으며, 상기 금속 와이어의 표면이 단면제어 플레이트에 의해 표면요철이 형성된 것일 수 있다.
본 발명의 바람직한 일실시예에 따라, 상기 콘크리트 조성물은 탄소섬유를 더 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 비정질 금속 와이어 보강 콘크리트 조성물은 금속 와이어를 보강재로 활용하여 인장강도 및 휨강도가 향상되고 콘크리트 구조물의 무게를 경량화함과 더불어, 금속 와이어의 구조나 표면의 형상 변형 및 무기성분 코팅을 통하여 콘크리트와의 결합력이 우수하고, 비정질 금속 와이어의 합금 조성을 통해 부식방지, 전자파 및 방사선 차폐 효과가 우수하여, 해수에 노출되는 구조물, 내산성 및 내구성이 요구되는 구조물, 취약부위의 위험성이 높은 각종 건축물 등 다양한 용도의 콘크리트 구조물에 적용할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예 따른 비정질 금속 와이어 제조방법을 설명하기 위한 개념도이다.
이하, 구체적인 예를 들어 본 발명에 따른 비정질 금속 와이어 보강 콘크리트 조성물을 더욱 상세히 설명한다. 다만 다음에 소개되는 실시예들은 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위한 예로서 제공되는 것이다.
따라서 본 발명은 이하 제시되는 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있으며, 이하 제시되는 실시예들은 본 발명의 사상을 명확하게 하기 위해 기재된 것일 뿐, 본 발명이 이에 제한되는 것은 아니다.
이때, 사용되는 기술 용어 및 과학 용어에 있어서 다른 정의가 없다면, 이 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 통상적으로 이해하고 있는 의미를 가지며, 하기의 설명에서 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 설명은 생략한다.
또한 명세서 및 첨부된 청구범위에서 사용되는 단수 형태는 문맥에서 특별한 지시가 없는 한 복수 형태도 포함하는 것으로 의도할 수 있다.
이하, 본 발명을 상세히 설명하도록 한다.
본 발명은 물, 시멘트, 골재 및 감수제를 포함하는 콘크리트 조성물에 있어서, 금속 와이어를 전체 조성물 100 중량부를 기준으로 0.02 내지 3 중량부로 포함하고, 상기 금속 와이어는 비정질인 것을 특징으로 하는 비정질 금속 와이어 보강 콘크리트 조성물을 제공한다.
상기 콘크리트 조성물은 물, 시멘트의 비율로 물결합재비가 20 내지 45%, 잔골재 및 굵은 골재의 절대 용적의 합에 대한 잔골재 절대용적의 백분율인 잔골재율은 40 내지 65%, 평균 공기량은 1 내지 5 %인 것이 바람직하다.
상기 물결합재비가 20% 미만일 경우 콘크리트 양생 후 균열 등이 발생할 수 있으며, 40%를 초과하는 경우 강성이 부족한 현상이 발생할 수 있다.
상기 잔골재율은 평균 공기량을 유지하기 위해 40 내지 65% 배합이 유지되어야 하며, 40% 미만이거나 65%를 초과하는 경우 작업성 저하, 접착 불량 및 콘크리트 물성 저하 등이 발생될 수 있다.
상기 평균 공기량은 1% 미만일 경우 작업성이 저하될 수 있고, 5%를 초과할 경우에는 금속와이어 및 골재류간의 접착성이 떨어질 수 있어 상기 범위에서 구성하는 것이 바람직하다.
콘크리트의 내부 조직은 재료의 사용과 제조과정에서 필연적으로 공기가 발생되게 되며, 이때 발생하는 공기는 콘크리트의 성능과 연관되며, 공기량이 과도하면 강도저하 및 균열이 발생하고 적정 비율일 경우 동결 저항이 우수해지는 특성이 있다.
상기 감수제는 고성능 감수제 일 수 있으며, 고성능 감수제는 시멘트 입자를 강하게 분산시킬 수 있기에 고성능 콘크리트의 작업성을 향상시킬 수 있다. 아울러 물결합재비를 낮추어 고성능 콘크리트의 압축강도를 향상시킬 수 있다.
본 발명의 비정질 금속 와이어 보강 콘크리트 조성물은 결합재 또는 채움재를 포함할 수 있다. 상기 결합재는 실리카 흄(silica fume), 실리카 샌드(silica sand), 고로슬래그, 플라이애시 및 이들 중 2이상의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나일 수 있고, 바람직하게는, 실리카 흄 및 실리카 샌드의 조합일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 이러한 결합재는 입자 간 마찰이 적어 고성능 콘크리트 조성물의 유동성을 향상시킬 수 있으며, 고성능 콘크리트 내부의 공극을 메워 밀실한 구조를 형성함으로써 고성능 콘크리트의 압축강도를 향상시킬 수 있다. 아울러, 석회석 미분말과 같은 채움재와 포졸란 반응을 일으켜 고성능 콘크리트의 수밀성을 향상시킬 수 있다.
상기 채움재는 회수 더스트, 전기로 제강 더스트, 주물 더스트, 석영 미분말, 석회석 미분말, 석분 및 이들 중 2 이상의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나일 수 있고, 바람직하게는, 석영 미분말일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 이러한 채움재는 고성능 콘크리트 내부의 공극을 메워 밀실한 구조를 형성함으로써 고성능 콘크리트의 압축강도를 향상시킬 수 있다.
상기 금속 와이어는 상기 콘크리트 전체 조성물 100 중량부를 기준으로 0.02 내지 3 중량부로 포함하는 것이 바람직하다. 0.02 중량부 미만일 경우 인강강도 및 휨강도 개선 효과를 기대하기 어려우며, 3 중량부를 초과할 경우 초과적인 물성향상 효과를 기대하기 가져오기 어렵고 역학적 성질이 저하될 우려가 있다. 상기 금속 와이어는 비정질인 것이 바람직하며, 비정질 합금 형태로 첨가될 수 있다.
상기 금속 와이어는 철, 코발트, 니켈, 알루미늄, 구리, 텅스텐, 지르코늄, 니오븀, 몰리브덴, 크롬, 붕소, 실리콘, 탄소, 인 및 망간에서 선택되는 어느 하나 또는 복수의 금속을 포함할 수 있다.
상기 금속 와이어는 상기 금속 와이어 100 중량부 기준으로 철(Fe), 코발트(Co) 및 니켈(Ni) 성분을 60 내지 90 중량부 포함할 수 있고, 실리콘(Si), 붕소(B), 탄소(C), 인(P), 망간(Mn) 성분을 5 내지 35 중량부 포함할 수 있다. 알루미늄(Al), 구리(Cu), 텅스텐(W), 지르코늄(Zr), 니오븀(Nb), 몰리브덴(Mo), 크롬(Cr) 성분은 0.1 내지 10 중량부 일 수 있다.
구체적으로 상기 금속 와이어의 금속성분은 철, 코발트, 니켈, 붕소, 실리콘, 탄소, 인, 알루미늄, 구리, 텅스텐, 지르코늄, 니오븀, 몰리브덴, 망간 및 크롬 등을 포함하되, 상기 철, 코발트, 니켈 원소의 함량을 일정 범위로 조절하는 것이 바람직하다.
상기 비정질 합금은 (Co, Fe, Ni)50(Cr,Mo)x(C,B)50-x의 조성을 가지며, 코발트와 철, 니켈의 비율을 조절해 비정질 고유의 물성을 유지하면서 강도 및 강성을 확보할 수 있다. 이때 비정질 합금의 코발트(Co), 철(Fe) 및 니켈(Ni) 원소의 비율은 각각 1:1:1, 2:1:1, 2:2:1, 3:2:1 및 3:3:1 중 적어도 하나의 비율로 포함되도록 조절하는 것이 좋다.
상기 비정질 합금으로 인해 결정질의 금속 와이어에 비하여 내화학성이 강화되며, 해수에 대한 저항성이 커져 콘크리트 구조물의 부식을 방지할 수 있는 효과가 있다.
상기 금속 와이어는 제조방법을 한정하지 않는다. 기본적으로 당업계에 알려진 제조방법 중 어느 하나 또는 복수를 적용할 수 있으며, 이러한 제조방법의 예를 들면 다발인발법(bundle drawing), 절삭법(shaving), 분말압출법(powder extrusion) 등의 기계가공법; CME(crucible melt extrusion)법, PDME(pendant drop melt extraction)법, 테일러-울리토스스키(taylor-Ulitovsky)법, 습식방사(in rotating water spinning)법 등의 급냉응고법;을 들 수 있다.
상기 붕소는 방사선 차폐 역할을 하며, 상기 붕소 이외에 방사선 차폐 성분으로 가돌리늄(Gd), 카드뮴(Cd), 사마륨(Sm), 유로퓸(Eu), 디스프로슘(Dy)에서 선택되는 어느 하나 또는 복수의 성분을 상기 금속 와이어의 성분으로 추가로 포함할 수 있다.
콘크리트는 구조적으로 여러 종류의 치밀하거나, 각기 다른 크기의 공극을 가진 여러 다른 상태의 재료가 복합적으로 결합되었기 때문에(heterogeneous), 감마선의 통과시 산란효과를 극대화 시킬 수 있어 감마선 차단 성능을 가지고 있으나, 중성자를 잡아줄 수 있는 성분은 없어 중성자 차폐 효과는 미비하다.
차폐용 콘크리트로 종래는 붕소 분말을 혼화재료로 사용하거나 탄화붕소 할 경우 콘크리트의 역학적 성능이 급격하게 저하될 수 있으며, 방사선 차폐 및 구조물의 안전성 등에 큰 문제를 나타낼 수 있으나, 금속 와이어에 방사선 차폐 성분을 혼합하여 구조강화재로 활용할 경우 방사선 차폐 효과 뿐만 아니라 역학적 성능을 강화할 수 있는 효과가 있다.
상기 금속 와이어는 선형의 금속 와이어 일 수 있으며, 상기 금속 와이어의 양 끝단이 절곡된 형태, 상기 금속 와이어의 양 끝단의 직경이 증가된 형태, 상기 금속 와이어의 양 끝단이 나선형으로 굴곡진 형태 또는 상기 금속 와이어의 길이 방향을 따라 나선형으로 굴곡진 형태 중 어느 하나일 수 있다.
더욱 바람직하게는 상기 금속 와이어는 상기 금속 와이어의 양 끝단이 후크 형태일 수 있다.
또한, 상기 양 끝단이 후크형태인 금속와이어의 중앙 부분이 굴곡진 형태일 수 있다.
상기 금속 와이어는 상기 금속 와이어의 길이가 3 내지 50㎜ 일 수 있다.
상기 금속 와이어의 길이가 3㎜ 미만인 경우 콘크리트 부착성이 저하될 소지가 높으며, 50㎜를 초과하는 경우 부착성은 유리해 질 수 있으나, 분산성이 떨어져 성능이 불균일해 질 수 있다.
상기 금속 와이어는 상기 금속 와이어의 직경이 50㎛ 내지 1mm 일 수 있으며, 콘크리트 조성물의 설계강도에 따라 변형될 수 있으며, 이에 제한되는 것은 아니다.
상기 금속 와이어는 상기 금속 와이어의 표면에 무기성분이 산화규소, 산화붕소, 산화알루미늄, 산화마그네슘, 산화칼슘, 산화스트론튬, 산화나트륨, 산화칼륨, 산화리튬, 산화철 및 산화티탄에서 선택되는 어느 하나 또는 복수의 무기산화물이 코팅된 것을 포함할 수 있으며, 더욱 바람직하게는 산화마그네슘, 산화칼슘, 산화스트론튬 등의 알칼리 토금속 화합물을 포함하는 것이 바람직하다.
이러한 무기산화물로 알칼리 토금속 화합물의 구체예로는 MgCO3, CaCO3, BaCO3, SrCO3, (Mg,Ca)CO3(돌로마이트) 등의 탄산염이나, MgO, CaO, BaO, SrO 등의 산화물이나, Mg(OH)2, Ca(OH)2, Ba(OH)2, Sr(OH)2 등의 수산화물을 예시할 수 있다.
알칼리 토금속원으로서 구체적으로는, 예를 들어 (Mg,Ca)CO3(돌로마이트) 단독, 알칼리 토금속의 탄산염 단독, 돌로마이트와 알칼리 토금속의 수산화물의 혼합물, 알칼리 토금속의 수산화물과 탄산염의 혼합물, 알칼리 토금속의 수산화물 단독 등을 사용할 수 있다. 탄산염으로는 MgCO3, CaCO3 및 (Mg,Ca)CO3(돌로마이트) 중 어느 1종 이상을 사용하는 것이 바람직하다.
또한 알칼리 토금속원의 일부 또는 전부에 수산화물을 함유시켜도 된다. 이 경우의 수산화물의 함유량은 특별히 한정되지 않지만, 알칼리 토금속원 100 몰량％ (MO 환산. 단 M 은 알칼리 토금속이다.) 중, 15 내지 100 몰％(MO 환산)의 범위가 바람직하다. 수산화물의 첨가량이 15 몰％ 이상이면, 유리 원료를 융해시킬 때에 규사 중에 함유되는 SiO2 성분의 미융해량이 감소되고, 미융해의 SiO2가 유리 융액 중에 기포가 발생하였을 때 기포에 도입되어 균질성이나 평탄성이 감소될 수 있다.
상기와 같은 유리성분의 상업적인 예로는 Pyrexⓡ(SiO2 81 중량%, B2O3 13 중량%, Na2O 4 중량%, Al2O3 2 중량%, Corning), Duranⓡ(SiO2 80.6 중량%, B2O3 12.6 중량%, Na2O 4.2 중량%, Al2O3 2.2 중량%, CaO 0.1 중량%, Cl 0.1 중량%, MgO 0.05 중량%, Fe2O3 0.04 중량%, 잔량의 기타성분, DURAN Group GmbH), Fiolaxⓡ(SiO2 75 중량%, B2O3 10.5 중량%, Al2O3 5 중량%, Na2O 7 중량%, CaO 1.5 중량%, 잔량의 기타성분, Schott), Simaxⓡ(SiO2 80.3 중량%, B2O3 13 중량%, Al2O3 2.4 중량%, Na2O, K2O 4.3 중량%, 잔량의 기타성분) 등을 들 수 있다.
상기 유리성분은 전체 조성물 100 중량% 중 20 내지 40 중량% 포함될 수 있다. 유리성분이 상기 범위 미만으로 첨가되는 경우 코팅층의 내후성이 하락할 수 있으며, 상기 범위를 초과하는 경우 가공성이 떨어지고 점도가 상승하여 바람직하지 않다.
상기 무기성분은 상기 금속 와이어의 표면에 코팅층을 형성하는 방법을 한정하지 않는다. 일예로, 상기 금속 와이어의 생산방법으로 테일러-울리토브스키법을 적용하는 경우, 이성분사와 유사하게 용융된 금속성분과 함께 방사하여 제조할 수 있으며, 무기성분의 조성비를 조절하여 용융점을 낮춘 후 용융된 무기성분에 금속성분을 침지시키거나 통과시킨 후 이를 경화하는 방법 등으로 적용할 수 있다.
상기 코팅층은 두께를 한정하지 않는다. 구체적으로 상기 코팅층은 후술할 다발 상태의 금속 와이어를 가열 및 연신 가공할 때 연화되거나 일정 정도로 용융되어 인접한 금속 와이어들의 코팅층이 결합하여 단일화될 정도의 두께를 만족하는 것이 좋다.
일예로 상기 코팅층은 1 내지 20㎛의 두께를 가질 수 있다. 코팅층의 두께가 상기 범위 미만인 경우, 코팅층이 가열에 의해 연화되더라도 점탄성을 갖기 어려워 합사가 제대로 이루어지지 않으며, 상기 범위를 초과하는 경우 제조되는 코팅층의 균질성과 평활성이 떨어질 수 있다.
상기 금속 와이어 표면에 상기 무기 산화물이 코팅된 상태로 가열하여 연신함으로써 무기성분을 녹여 제조될 수 있다. 상기 금속 와이어의 제조방법으로는 바람직하게는 테일러-울리토브스키법을 들 수 있다. 상기 테일러-울리토브스키법은 용융된 금속을 유리와 같은 무기성분과 함께 방사하는 일종의 이성분계 방사법이기 때문에 방사구금의 금형 형태나 용융된 성분들의 점도, 온도 등에 따라 섬유의 섬도나 형태, 섬유와 코팅된 무기성분 간의 부피 등을 자유롭게 조절하는 장점을 가진다.
상기 테일러-울리토브스키법을 더욱 상세히 설명하면, 분말이나 잉곳 등의 성분을 용융한 금속원료를 도(island)성분으로, 무기성분을 해(sea)성분으로 방사하는 이성분 방사로, 일종의 튜브 형상의 무기성분 내에 금속원료가 위치하여 방사될 수 있다. 용융된 액체금속과 무기성분은 이후 적절한 인발(연신) 조건을 통해 인발될 수 있다.
필요에 따라 상기 테일러-울리토브스키법은 사용되는 방사구금은 크기나 방사용액의 압력, 방사속도 등에 의해 제조되는 금속 와이어나 코팅되는 무기성분의 두께를 조절할 수 있다. 예를 들어 금속 와이어의 연신 후 직경을 감소시키기 위해 제조 과정에서 일정 이하의 방사구금을 통해 금속원료를 방사할 수도 있으며, 또는 금속성분의 방사압력을 의도적으로 감소시킴과 동시에 방사속도를 높여 금속 와이어의 직경을 감소시킬 수도 있다.
또한 공정 과정에서 형성된 금속 와이어나 무기성분 코팅층의 미세 구조와
기계적 물성은 냉각 속도에 따라 변화할 수 있다. 예를 들어 습식이나 기격습식과 같이 급속도로 냉각시키는 경우 금속 와이어의 강도와 경도가 증가하게 되며, 공기 중에서 천천히 냉각시키는 경우 금속 재료 표면과 내부의 경화속도 차이를 줄여 체적팽창에 따른 크랙 형성 등을 방지할 수 있다.
또한, 상기 금속 와이어는 상기 금속 와이어의 표면이 단면제어 플레이트에 의해 표면요철이 형성된 것을 포함할 수 있다.
도 1을 참조하면, 비정질 금속 와이어를 제조하는 제조장치로 튜브, 가열 코일, 단면제어 플레이트, 냉각장치 및 와인딩 장치를 포함한다.
튜브는 금속 용융물을 보관 및 배출하기 위한 구성으로서, 금속 용융물의 온도에서 물리적, 화학적 안정성을 갖는 물질로 구성될 수 있다. 예를 들어, 튜브는 유리(glass) 또는 쿼츠(quartz)로 구성될 수 있다.
금속 용융물은 비정질 금속 와이어의 주소재가 되는 금속의 용융물일 수 있다.
도 1에 도시된 바와 같이, 튜브의 일측은 개방되며, 튜브의 통공(hollow) 내에 보관된 금속 용융물은 튜브 일측의 개방구를 통해 배출될 수 있다. 튜브의 일측에 구비된 개방구의 형상은 원형, 타원형, 다각형 등 다양한 형상으로 구성될 수 있다. 튜브의 일측에 구비된 개방구의 직경은 최종적으로 제조되는 비정질 금속 와이어의 직경에 대응될 수 있다. 튜브의 일측에 구비된 개방구의 직경은 수마이크로미터(μm) 내지 수 밀리미터(mm) 일 수 있다. 튜브 개방구의 직경은 제조하고자 하는 비정질 금속 와이어의 직경에 따라 다양한 길이로 선택될 수 있다.
금속 용융물이 배출되는 튜브의 개방구에 근접하여 가열 코일이 배치된다. 가열 코일은 금속 용융물의 용융상태가 유지되도록 금속 용융물을 가열하는 구성으로서, 유도 가열장치(induction heater)로 구성될 수 있다. 가열 코일은 금속 용융물이 냉각되어 고체화되지 않고 용융상태를 유지시킬 수 있는 온도까지 가열이 가능한 고주파 유도 가열장치로 구성될 수 있으며, 일반적인 유도 가열장치가 사용될 수 있다. 가열 코일에 의해 지속적으로 열이 발생되므로, 금속 용융물은 용융된 상태에서 튜브의 개방구로 배출될 수 있다.
튜브의 개방구를 통해 배출된 금속 용융물은 중력에 의해 자유낙하되며, 단면제어 플레이트가 배치된 영역을 통과하여 냉각장치에 의해 공급되는 냉각매체에 의해 냉각된다.
냉각장치는 냉각매체를 공급하기 위한 구성으로서, 공지된 분사 장치로 구성될 수 있다. 냉각매체에 의해 금속 용융물의 형상이 변화되지 않도록 냉각장치는 적절한 압력으로 냉각매체를 분사 하도록 구성될 수 있다.
냉각매체는 물(water)과 같은 액체로 구성되거나, 냉각가스와 같은 기체로 구성될 수 있다. 냉각매체는 금속 용융물이 고체화되는 온도로 금속 용융물을 급속 냉각시킬 수 있는 적절한 온도를 갖는다. 예를 들어, 냉각매체는 금속 용융물의 온도를 102 K/sec 이상, 바람직하게는 106 K/sec 이상의 속도로 급속 냉각시키기에 적합한 온도를 갖는다.
금속 용융물이 냉각매체에 의해 고체화되어 비정질 금속 와이어로 형성되며, 비정질 금속 와이어는 와인딩 장치에 의해 롤(roll)형태로 권선된다.
와인딩 장치는 모터와 연결되어 금속 와이어의 권선을 위한 회전력을 전달하는 장치로서, 일반적인 와인딩 장치가 사용될 수 있다. 와인딩 장치는 비정질 금속 와이어의 제조 속도에 대응되는 속도로 회전될 수 있다. 또한, 냉각매체에 의해 냉각된 비정질 금속 와이어의 표면은 여전히 뜨거울 수 있으므로, 비정질 금속 와이어와 접촉되는 와인딩 장치의 표면은 우수한 내열성 및 내마모성을 갖는 소재로 구성될 수 있다.
단면제어 플레이트는 금속 용융물의 단면을 변화시키기 위한 구성으로서, 금속 용융물 배출되는 지점과 금속 용융물이 냉각되는 지점 사이의 영역에서 삽입되도록 구성된다.
단면제어 플레이트는 금속 용융물과 접촉되더라도, 금속 용융물의 조성은 변화시키지 않으면서 금속 용융물이 고체화되어 형성되는 비정질 금속 와이어의 단면만을 변화시킬 수 있다.
단면제어 플레이트의 측면은 각이 없는 곡면으로 구성될 수 있다. 이 경우, 단면제어 플레이트의 측면과 금속 용융물의 접촉 면적이 최소화되며, 금속 용융물이 단면제어 플레이트의 측면에 묻는 문제가 최소화될 수 있다.
단면제어 플레이트의 평균 표면조도(surface roughness, Ra)는 0.4 내지 0.5nm 일 수 있다. 평균 표면조도는 표면 평활도를 나타내는 물리량으로서, 단면제어 플레이트의 평균 표면을 기준으로 단면제어 플레이트 표면상에 존재하는 요철 구조의 평균 높이 차이를 정량적으로 수치화한 값을 의미하며, KS B ISO4287 표준에 따른다. 단면제어 플레이트의 평균 표면조도가 0.4nm 미만인 경우 표면 요철 효과를 나타내기 어려우며, 0.5nm를 초과하는 경우, 단면제어 플레이트의 표면 마찰력이 증가되어 단면제어 플레이트의 표면에 금속 용융물이 묻어 단면제어 플레이트 표면에서 금속 용융물이 고체화될 수 있으며, 비정질 금속 와이어의 효율적 제조를 방해할 수 있다.
단면제어 플레이트는 금속 용융물의 낙하 방향과 상이한 방향으로 삽입될 수 있다. 예를 들어, 단면제어 플레이트는 금속 용융물의 낙하 방향과 수직한 방향으로 삽입될 수 있다. 그러나, 이에 한정되는 것은 아니며, 단면제어 플레이트의 삽입 방향은 비정질 금속 와이어의 단면 제어 정도에 따라 다양하게 설정될 수 있다.
변화시키고자 하는 비정질 금속 와이어의 단면 형상에 따라 적어도 한 개 이상의 단면제어 플레이트 가 사용될 수 있다. 도 1에는 2개의 단면제어 플레이트가 사용된 예가 도시되어 있다. 상측 단면제어 플레이트는 금속 용융물 이 형성하는 기둥을 기준으로 우측에서 좌측으로 삽입되며, 비정질 금속 와이어의 우측 단면 형상을 제어 한다. 하측 단면제어 플레이트는 금속 용융물이 형성하는 기둥을 기준으로 좌측에서 우측으로 삽입되며, 비정질 금속 와이어의 좌측 단면 형상을 제어한다. 단면제어 플레이트에 의해 금속 와이어의 표면 요철을 형성시켜 콘크리트 조성물과의 결합력을 더욱 강화시킬 수 있으며, 고성능 콘크리트의 소재로 활용될 수 있다.
상기 콘크리트 조성물은 탄소섬유를 더 포함할 수 있다.
싱기 금속 와이어에 상기 탄소섬유를 더 포함할 수 있으며, 상기 탄소섬유는 도전성 탄소로, 이러한 도전성 탄소는 콘크리트에 전기 전도성을 더욱 강화하기 위한 물질로서, 상기 도전성 탄소의 함량에 따라 콘크리트에 도체와 같은 전기전도성을 더욱 향상시켜 전자파 차폐 성능을 강화할 수 있다.
상기 전자파 차폐 성능은 표피효과(skin effect)로 설명될 수 있으며, 표피효과란 금속과 같은 도체에 교류 전원을 인가할 때 전류가 도체의 표면 부근에만 흐르는 현상을 말하며, 교류 전원을 인가할 때, 도체를 흐르는 전류의 방향이 급속하게 변하기 때문에 도체 내부에 유도기전력이 발생할 수 있으며, 유도기전력이 발생함에 따라 도체의 중심부에 전류가 흐르기 어렵게 되기에, 전류가 도체의 표면 부근에만 흐르게 되어 도전성을 나타낼 수 있다.
상기 전자파 차폐 성능은 상기 금속 와이어 단독 혹은 상기 탄소섬유 단독으로 사용된 경우보다 금속와이어와 탄소섬유가 함께 사용된 경우에 동일한 함유율로 사용되더라도 전자파 차폐 성능이 더욱 뛰어나다. 따라서 전자파 차폐 기능이 필요한 콘크리트 구조물에는 비정질 금속 와이어와 탄소섬유를 동시에 사용하여 효과를 증대할 필요가 있다.
이하, 실시예 및 비교예를 예로 들어 본 발명을 더욱 상세히 설명한다.
다만, 하기 실시예 및 비교예는 본 발명을 더욱 상세히 설명하기 위한 하나의 예시일 뿐, 본 발명이 하기 실시예 및 비교예에 제한되는 것은 아니다.
<실시예 1-1 내지 1-7>
(1) 비정질 금속 와이어로 비정질합금((Co2FeNi)50(CrMo)30(CB)20) 재질의 금속 와이어(직경 50㎛, 길이 20mm) 1 중량부, 시멘트 20 내지 25 중량부, 잔골재 25 ~ 40 중량부, 굵은골재 30 ~ 45 중량부, 물 4 내지 10 중량부, 감수제를 포함하는 혼화제 0.1 중량부를 포함하는 함량 및 성분으로 통상의 방법을 통하여 콘크리트를 제조하였다.
(2) 선형의 금속 와이어(1-1), 양 끝단이 절곡된 형태(1-2), 양 끝단의 직경이 증가된 형태(1-3), 양 끝단이 나선형으로 굴곡진 형태(1-4), 금속 와이어의 길이 방향을 따라 나선형으로 굴곡진 형태(1-5), 양 끝단이 후크 형태(1-6), 양 끝단이 후크형태인 금속와이어의 중앙 부분이 굴곡진 형태(1-7)로 각각 금속 와이어를 준비하여, 실시예 1-1 내지 1-7의 콘크리트를 제조하였다.
<실시예 2>
비정질 금속 와이어의 표면을 코팅하기 위해 용융된 무기산화물이 포함된 무기성분에 상기 금속 와이어를 통과시키고 이를 상온(20℃)의 공기 중에서 경화한 후, 무기성분 10㎛의 두께를 갖도록 한 것을 제외하고 실시예 1-1과 동일한 콘크리트를 제조하였다.
<실시예 3>
비정질 금속 와이어의 표면이 평균 표면조도 0.5nm인 단면제어 플레이트에 의해 표면요철이 형성된 것을 제외하고는 실시예1-1과 동일한 콘크리트를 제조하였다.
<실시예 4>
비정질 금속 와이어의 성분으로 가돌리늄(Gd), 카드뮴(Cd), 사마륨(Sm), 유로퓸(Eu), 디스프로슘(Dy)에서 선택되는 어느 하나 또는 복수의 성분을 추가로 포함한 것을 제외하고는 실시예 1-1과 동일한 콘크리트를 제조하였다.
<비교예 1>
비정질 금속 와이어를 포함하지 않은 것을 제외하고 실시예 1-1과 동일한 콘크리트를 제조하였다.
<비교예 2>
비정질 금속 와이어의 길이가 2 ㎜인 것을 제외하고 실시예 1-1과 동일한 콘크리트를 제조하였다.
<비교예 3>
비정질 금속 와이어의 성분으로 붕소를 포함하지 않은 것을 제외하고 실시예 1-1과 동일한 콘크리트를 제조하였다.
<비교예 4>
비정질 금속 와이어를 0.01 중량부 포함한 것을 제외하고 실시예 1-1과 동일한 콘크리트를 제조하였다.
<실험예 1> - 강도평가
실시예들 및 비교예들에 의해 제조된 콘크리트 시편에 대하여 휨강도, 압축강도 및 인장강도에 대해 측정하였다. 이때 압축강도는 KS F 4039의 시험방법으로 측정하였고, 인장강도는 KS F 2423의 시험방법으로 측정하였으며, 휨강도는 KS F 2408의 시험방법으로 측정하였으며 그 결과는 표 1에 나타내었다.
구 분 휨강도(MPa) 압축강도(MPa) 인장강도(MPa)
실시예 1 1-1 22.2 79.7 12.4
1-2 23.7 80.8 13.7
1-3 23.9 81.6 14.2
1-4 24.3 81.8 14.5
1-5 25.1 82.8 15.0
1-6 24.4 83.1 14.7
1-7 26.1 84.3 16.0
실시예 2 23.8 81.5 13.5
실시예 3 24.6 83.0 14.8
비교예 1 15.5 50.4 6.9
비교예 2 17.9 66.5 8.4
<실험예 2> - 중성자 차폐 평가
시편의 크기는 5cm X 5cm X 1cm 의 정사각 판형의 시편을 제작하여 중성자 차폐성능을 측정하였으며, 선원은 241Am-Be를 사용하였으며, 중성자 방출률 2.334 X 105s-1, 확장불확도 2.0% 의 조건에서 시행하였고, 열중성자 검출기로는 SP93He 비례계수기를 사용하였으며, 상대비교를 위하여 선원거리를 일정하게 하고 열중성자 방출률을 측정하였으며, 금속 와이어가 포함되지 않은 비교예 1의 콘크리트를 기준으로 상대적인 중성자 차폐 성능을 표2에 나타내었다.
구 분 중성자 차폐 성능 평가
실시예 1-1 1.18
실시예 4 1.24
비교예 1 1
비교예 2 1.12
비교예 3 1.03
<실험예 3> - 내화학성 평가
내화학성을 평가하기 위해 35‰의 염분 농도를 갖는 염수 및 2%농도의 황산용액을 각각 크랙이 있는 콘크리트 시편상에 매일 1시간씩 처리한 후 콘크리트 크랙부위가 손상되었는지 여부를 1일 단위로 60일간 확인하여 측정한 결과 실시예들에서는 50일 이상 크랙부위의 손상이 일어나지 않았으나, 비교예 1 및 비교예 4에서는 5일 내지 20일내에 크랙부위의 손상이 발생한 것을 확인하였다.
110 : 튜브
120 : 가열 코일
130 : 단면제어 플레이트
140 : 냉각장치
150 : 와인딩 장치
mm1 : 금속 용융물
mm2 : 비정질 금속 와이어

Claims (9)

  1. 물, 시멘트, 골재 및 감수제를 포함하는 콘크리트 조성물에 있어서,
    금속 와이어를 전체 조성물 100 중량부를 기준으로 0.02 내지 3 중량부로 포함하고,
    상기 금속 와이어는 길이가 3 내지 50mm이고 직경이 50㎛ 내지 1mm인 비정질합금이며, 상기 금속 와이어의 양 끝단이 후크 형태이고 중앙 부분이 굴곡진 형태이고,
    상기 금속 와이어의 성분으로 붕소(B)를 포함하고, 가돌리늄(Gd), 카드뮴(Cd), 사마륨(Sm), 유로퓸(Eu), 디스프로슘(Dy)에서 선택되는 어느 하나 또는 복수의 성분을 추가로 포함하며,
    상기 금속 와이어는 테일러-울리토브스키법에 의하여 생산되며, 상기 금속 와이어의 표면에 1 내지 20㎛의 두께의 무기성분이 코팅층이 형성되고, 상기 금속 와이어의 표면이 평균 표면조도 0.4 내지 0.5nm인 단면제어 플레이트에 의해 표면요철이 형성된 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 비정질 금속 와이어 보강 콘크리트 조성물.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 제1항에 있어서,
    상기 금속 와이어는
    상기 금속 와이어의 표면에 무기성분이 산화규소, 산화붕소, 산화알루미늄, 산화마그네슘, 산화칼슘, 산화스트론튬, 산화나트륨, 산화칼륨, 산화리튬, 산화철 및 산화티탄에서 선택되는 어느 하나 또는 복수의 무기산화물이 코팅된 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 비정질 금속 와이어 보강 콘크리트 조성물.
  8. 삭제
  9. 제1항에 있어서,
    상기 콘크리트 조성물은
    탄소섬유를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 비정질 금속 와이어 보강 콘크리트 조성물.
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