산화 그래핀을 혼입한 나노 콘크리트의 열 성능에 관한 실험적 연구

안성권; 방춘석; 강윤석; 신윤지; 설유강

doi:10.4334/JKCI.2024.36.3.187

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자료유형: 학술저널

저자정보: 안성권 (한국철도기술연구원) 방춘석 (한국철도기술연구원) 강윤석 (한국철도기술연구원) 신윤지 (우송대학교) 설유강 (한국교통대학교)

저널정보: 한국콘크리트학회 콘크리트학회 논문집 콘크리트학회 논문집 제36권 제3호(통권 제201호)

발행연도: 2024.6

수록면: 187 - 195 (9page)

DOI: 10.4334/JKCI.2024.36.3.187

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지구 온도가 산업화 시기 이전보다 1 °C 이상 올라갔는데 설상가상으로 여름철 도심지에서의 상승 폭은 도시열섬현상 때문에 이보다 더 크다. 이 때문에 여름철 에어컨 사용이 일상적인데 문제는 막대한 전력 사용에 따른 온실가스 배출이다. 따라서 탄소 중립 및 도시열섬현상 완화를 위해서는 되도록 에너지 사용을 줄일 수 있도록 단열 성능이 우수한 건설재료를 사용해야 한다. 본 논문은 수분을 흡수하는 나노소재의 특성을 이용해 콘크리트의 열 성능을 개선하는 방안의 타당성을 평가하기 위해 수행한 실험의 과정 및 결과를 기술한다. 평판열류계를 이용해 0.08~0.24 %의 산화 그래핀을 혼입한 나노콘크리트 시편의 열 성능을 평가했다. 관련 국제표준에 따라 데이터를 분석해 열전도율을 산정했고 열확산율 방정식을 이용해 이를 검증했다. 나노콘크리트의 열전도율은 1.5~1.9 W/m°C였고 일반콘크리트의 열전도율은 2.4~2.5 W/m°C였다. 이것은 일반콘크리트에 비해 나노콘크리트의 열전도율이 20~40 % 감소했음을 시사한다. 또한 시차주사열량계를 이용해 승온에 따른 열출입을 측정했다. 일반콘크리트는 75 °C 부근까지만 열을 흡수했지만, 나노콘크리트는 최대 약 100 °C까지 열을 흡수했다. 이것은 일반콘크리트에 비해 나노콘크리트의 흡열량이 더 컸음을 보여주는 것이다. 본 논문은 산화 그래핀 혼입량이 증가함에 따라 열전도도는 감소했고 흡열량은 증가했음을 보여준다. 본 논문은 분자동역학 시뮬레이션 등의 수치해석 및 개선된 친수성 표면 작용기를 활용한 분석실험 등 후속 연구도 제안한다.

The Earth’s temperature has risen more than 1 °C since the pre-industrial era, with an even more significant increase in urban areas during the summer due to the urban heat island effect, making air conditioning a common practice. However, there is a significant problem with the huge power consumption and subsequent greenhouse gas emissions associated with air conditioning. Therefore, to achieve carbon neutrality and mitigate the urban heat island effect, it is essential to use materials with good insulation properties to reduce energy consumption. This paper describes the process and results of experiments conducted to evaluate the feasibility of improving the thermal performance of concrete using moisture-absorbing nanomaterials. The thermal performance of nanoconcrete specimens with 0.08~0.24 % graphene oxide admixture was assessed using the hot disk transient plane source method. The thermal conductivity was calculated according to relevant international standards and verified using the thermal diffusivity equation. The thermal conductivity of nanoconcrete was found to be 1.5~1.9 W/m°C, while that of conventional concrete was 2.4~2.5 W/m°C, suggesting a 20~40 % reduction in thermal conductivity for nanoconcrete compared to conventional concrete. Additionally, differential scanning calorimetry was used to measure heat exchange during heating. While conventional concrete absorbed heat only up to about 75 °C, nanoconcrete absorbed heat up to approximately 100 °C, indicating a higher heat absorption capacity compared to conventional concrete. This work demonstrates that the thermal conductivity decreased, and the heat absorption increased with increasing graphene oxide content. The work also proposes further research, including numerical analysis using molecular dynamic simulations and experimental analysis using improved hydrophilic surface functional groups.

#urban heat island effect #thermal conductivity #thermal diffusivity #hot disk transient plane source #differential scanning calorimetry #도시열섬현상 #열전도도 #열확산도 #평판열류계 #시차주사열량계

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Casandra (2013) What Is the Heat Island Effect?. Green Ribbon, http://www.gardinergreenribbon.com/heat-island-effect/#commentform Accessed 08 September 2023.

Guo, S., Forooshani, P. K., Dai, Q., Lee, B. P., and Si, R. (2020) Design of pH-responsive SAP Polymer for Pore Solution Chemistry Regulation and Crack Sealing in Cementitious Materials. Composites Part B 199, 108262.

He, Y. (2005) Rapid Thermal Conductivity Measurement with a Hot Disk Sensor: Part 1. Theoretical Considerations. Thermochimica Acta 436, 122-129.

ISO/TC 61/SC 5 (2008) Plastics-Determination of Thermal Conductivity and Thermal Diffusivity - Part 2: Transient Plane Heat Source (Hot Disk) Method (ISO 22007-2: 2008). Geneva, Switzerland: International Organization for Standardization (ISO). 1-17.

ISO/TC 61/SC 5 (2017) Plastics-Determination of Thermal Conductivity and Thermal Diffusivity - Part 1: General Principles (ISO 22007-1: 2017). Geneva, Switzerland: International Organization for Standardization (ISO). 1-19.

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