Research on EMP Shielding Concrete Product Development and Improvement

Abstract

In this study, the research was conducted for the purpose of developing Electro Magnetic Pulse (EMP) shield concrete using electric furnace oxidizing slag and carbon material and improving the quality of EMP shield concrete mixed with fly ash(FA) and blast furnace slag(BS). As a result of the study, it was confirmed that compressive strength and Shielding Effectiveness (SE) increased when electric furnace oxidized slag(EOS) was used as aggregate, and that SE increased when Carbon Fiber(CF) was used rather than Milled Carbon Fiber (MCF) in the form of carbon materials. In the case of CF, when the mixing ratio increased, the SE increased, but the fluidity significantly decreased, so the Electric Furnace Oxidized Slag CF 0.2 was suitable as an EMP shielding concrete. Fluidity and SE were increased when FA and BS were incorporated, and EMP BS20 was confirmed to be effective in improving quality.

Keywords: Carbon Fiber, Electric Furnace Oxidized Slag, EMP Shielding, Industrial-By Product

서론

대한민국은 북한과 휴전상태인 분단국가로 군사적 대치를 하고 있는 상황에서 핵무기 사용 위협을 받고 있다. 북한의 핵실험은 2006년부터 5회 이상 실시한 것으로 보고되고 있으며, 6회차 핵실험에서는 250 kt 급의 폭발력 발현을 성공했다고 보고하고 있다.[1,2] 또한 2022년에 탄도미사일 등의 발사체 시험을 30회 이상 수행하며, 최근까지도 탄도미사일 발사를 재개하는 등의 지속적인 위협을 행사하고 있다. 이러한 위협이 지속되는 상황에서 국내 방호체계는 핵전략에 대한 대응이 필요하다고 보고되고 있다.[3] 최초의 고출력 전자기파(Electro Magnetic Pulse, EMP)는 미국에서 1950년대에 수행한 핵폭발 시험에서 발견되었으며 EMP에 의해 전자기기가 파괴되는 현상을 확인하였다.[4] 이러한 현상을 기반으로 핵폭발을 통한 Nuclear-EMP, 40km 이상의 고고도 핵폭발인 High-altitude EMP를 무기화 하였으며, 핵폭발이 아닌 전자폭탄을 사용한 EMP 공격으로 전자회로 기반의 기기 및 시스템을 파괴하고 네트워크 연결상의 사회인프라를 마비시켜 인명피해를 유발한다고 보고되고 있다.[5-7]

EMP 방호시설의 중요성은 지속적으로 증가하고 있으며, 2013년 ‘ EMP 방호시설 개념정립 및 구축계획’ 수립 이후 2051년까지 군사시설 및 작전성의 중요도, 지휘통신체계 요소 등을 판단하여 55개소를 선정해 EMP 방호 적용을 목표하고 있다. 기존의 EMP 방호시설은 Fig. 1에 나타낸 것과 같이 외부 구조물 내부에 도전성이 높은 금속 패널을 활용하여 차폐실을 구축하는 공법이 대다수이며, 시공시의 비용이 높고 공간 활용도가 낮아지는 문제점이 존재한다. 때문에 이를 보완하고자 패널 방식, 도장(금속용사 및 고분자 합성물 코팅) 등의 신기술이 주목받고 있으나 시공능력 내구성 등의 품질 확보 문제로 현재까지 현장적용을 못하고 있는 실정이다.[8,9]

Fig. 1.

Electro Magnetic Pulse (EMP) Shielding Room Schematic[10]

EMP 차폐성능(Shielding Effectiveness, SE)에 관한 연구는 도전성이 우수한 탄소복합체(탄소섬유, 그래파이트 및 그래핀 등)와 EMP 반사손실을 유발하는 금속성 물질(금속섬유, 구리, 니켈 등)의 물질을 활용한 연구들이 활발히 수행 중에 있으며, 한가지 재료를 활용하는 것보다 여러 재료를 복합적으로 활용하는게 효과적으로 SE를 증가시킨다고 알려져있다.[11-13]

시멘트 복합체에 EMP SE의 부여는 도전성 물질을 복합체 내에 혼입할 시 Fig. 2와 같이 다중반사에 의한 손실과 시멘트계 재료의 파동 흡수손실에 의하여 SE가의 효과가 증가한다고 대다수의 연구들에서 보고되고 있다.[14,15] 이러한 연구들은 콘크리트 수준이 아닌 페이스트와 모르타르 수준에 한정되어 있으므로 EMP 방호용 시멘트 복합체의 상용화를 위해서는 추가적인 연구가 수행되어야 할 필요성이 있다.

Fig. 2.

EMP Shielding Mechanism

본 연구에서는 산업부산물 중 금속성 Fe 함량이 높은 전기로산화슬래그(Electric furnace oxidized slag, EOS)의 골재 및 카본계 재료를 활용하여 EMP 차폐 콘크리트 개발 가능성을 확인한 Min and Cho[16]의 연구와 Kim et al.[10]의 연구 이후 기초적인 EMP 차폐 콘크리트의 배합 확립 및 일반적으로 사용하는 혼화재료인 고로슬래그 미분말 및 플라이애시 혼입 시의 특성을 확인하여 품질을 개선하고자 하였다.

사용재료 및 실험방법

2.1 실험재료

2.1.1 바인더

본 실험에서 사용한 시멘트, 플라이애시, 고로슬래그 미분말의 화학성분은 Table 1과 같다.

Table 1.

Chemical composition of materials

Specimen	Chemical composition(wt.%)
Specimen	SiO₂	Al₂O₃	Fe₂O₃	CaO	MgO	SO₃
OPC	21.78	4.72	3.60	63.21	1.83	2.33
FA	39.04	10.68	7.01	27.22	3.21	4.63
BS	32.00	10.36	0.36	50.67	2.88	1.51

FA: Fly Ash, BS: Blast Furnace Slag

2.1.2 골재

본 연구에서 사용한 골재의 화학성분은 Table 2와 같으며, 국내 D사 EOS를 잔골재 및 굵은 골재로 사용하였다. EOS의 경우 Ca 함량이 일반 골재에 비하여 극명하게 높아 화학 반응을 통한 팽창의 우려가 있으므로 Free-CaO 함량을 측정하였으며, 그 결과 EOS와 NA의 Free-CaO의 차이가 미비하여 팽창 균열이 발생하지 않을 것으로 사료된다.

Table 2.

Chemical composition of industrial by-product aggregates

Specimen	Chemical composition(wt.%)
Specimen	Ig-Loss	SiO₂	Al₂O₃	Fe₂O₃	CaO	MgO	SO₃	Free-CaO
Fine Aggregate	0.83	72.82	14.92	1.79	0.99	0.56	0.03	0.14
Coarse Aggregate	1.10	63.55	17.43	4.19	3.75	1.19	0.10	0.11
EOS	2.14	19.69	10.67	25.15	28.70	5.85	0.40	0.13

2.1.3 카본계 재료

본 연구에서 사용한 카본계 재료는 Carbon Fiber (CF)와 Milled Carbon Fiber(MCF)로 특성은 Table 3과 같다.

Table 3.

Characteristics of Carbon materials

Characteristic	CF	MCF
Filament diameter(㎛)	7
Density(g/ml)	1.80	0.22∼0.28
Tensile strength(MPa)	4,900	3,150
Youngs modulus(GPa)	230	210
Strain at failure(%)	2.1	1.1∼1.4
Carbon content(%)	>93	>90
Sizing content(%)	>1.0	0.5∼1
Mean fiber length	6mm	100㎛

2.2 실험 방법

2.2.1 실험 인자 및 수준

실험 인자 및 수준은 Table 4, 배합의 표기법은 Fig. 3과 같으며, 본 실험은 EMP 차폐 콘크리트 개발단계의 Type 1과 혼화재료 적용에 의한 품질개선의 Type 2의 실험을 진행하였다.

Fig. 3.

Notation type[10]

Table 4.

Measurement items

Items	Factors
Type 1 EMP Shielding Concrete Development	W/B(%)		42.5
	Slump(mm)		200 ± 10
	Air content(%)		3 ± 1.5
	Series 1 (NA)	Carbon material	Non add
	Series 2 (EOS)	Carbon material	Non add
			CF (vol%)	0.2, 0.4
			MCF (%)	5
	Compressive strength		3, 7, 14, 28 days
	EMP Shielding performance		100, 200 mm
Type 2 EMP Shielding Concrete Improvement	W/B(%)		41
	Slump(mm)		200 ± 10
	Air content(%)		3 ± 1.5
	Addition ratio of admixture(%)		10, 20
	Carbon material		CF (vol%)	0.2
	Compressive strength		3, 7, 14, 28, 56 days
	EMP Shielding performance		200 mm

Type 1은 NA 골재를 사용한 콘크리트와 EOS 골재 및 카본계 재료를 혼입한 EMP 차폐 콘크리트의 역학적 특성(슬럼프, 공기량 및 압축강도) 및 EMP SE를 비교평가 후 최적의 차폐재료를 도출하였으며, 이를 기반으로 혼화재료 적용에 따른 품질개선 효과를 Type 2에서 확인하고자 하였다. 각각의 배합은 Table 5, Table 6과 같다.

Table 5.

Mixing design of EMP Concrete(Type 1)

Specimen	W/C (%)	S/a (%)	Unit weight(kg/m³)
Specimen	W/C (%)	S/a (%)	W	C	MCF	CF	S	G	EOSS	EOSG
NA	42.5	49	182.8	430	-	-	856	29.8	-	-
EOS			182.8	430	-	-	-	-	1153	1174
EOS CF 0.2			182.8	430	-	3.4	-	-	1153	1174
EOS CF 0.4			182.8	430	-	6.8	-	-	1153	1174
EOS MCF 5			182.8	409	21.5	-	-	-	1143	1162

NA: Normal Aggregates, EOS: Electric Furnace Oxidized Slag, MCF: Milled Carbon Fiber, CF: Carbon Fiber

Table 6.

Mixing design of EMP Concrete(Type 2)

Specimen	W/B (%)	S/a (%)	Unit weight(kg/m³)
Specimen	W/B (%)	S/a (%)	W	C	CF	FA	BS	EOSS	EOSG
EMP	41	49	176.3	430	3.4	-	-	1170	1190
EMP FA10				387		43	-	1158	1179
EMP FA20				344		86	-	1146	1167
EMP BS10				387		-	43	1168	1189
EMP BS20				344		-	86	1166	1187

※ FA: Fly Ash, BS: Blast Furnace Slag

2.2.2 콘크리트 역학적 특성평가 실험

역학적 특성평가는 굳지않은 콘크리트의 경우 시공이 용이한 슬럼프 200 mm를 목표값으로 설정하여 실험을 진행하였으며, 슬럼프 및 공기량은 각각 KS F 2402, KS F 2409의 KS 규격에 의거하여 측정을 진행하였다. 압축강도는 KS F 2405에 의거하여 진행하였으며, Φ100 × 200 mm² 시험체를 재령 3, 7, 14, 28일에 맞춰 각 배합의 3개 시험체 평균값을 평가하였다.

2.2.3 차폐율(SE) 측정 실험

SE 측정 실험은 MIL-STD-188-125-1의 실험방법에 의거하여 300 × 300 × (100,200) mm³의 실험체를 제작하였다. SE 측정용 실험체는 Kim et al.[10]의 연구와 동일하게 증기양생으로 진행하였으며, Fig. 4에 나타낸 바와 같이 양생을 완료한 후 SE에 영향을 주는 수분 상태를 줄이기 위해 60℃에서 2주간 건조를 진행한 후 SE를 측정하였다.

Fig. 4.

Steam Curing Method[10]

결과 및 고찰

3.1 EMP 차폐 콘크리트 개발 결과

3.1.1 콘크리트의 물리적 특성

카본계 재료 혼입에 따른 유동성은 CF 혼입 시 기존 Safiuddin et al.[17] 및 Dehghani and Aslani[18]의 연구와 동일하게 섬유형상으로 인하여 유동성이 저하되었으며, MCF 혼입 시 유동성이 증가되는 것을 확인하였다[10].

압축강도 측정결과 Table 7, Fig. 5와 같이 EOS, EOS MCF 5, EOS CF 0.2, EOS CF 0.4, NA 순으로 각각 28일 기준 64.7, 59.6, 57.5, 54.2, 39.5 MPa의 수치를 나타내어 기존 Faleschini et al.[19] 및 Sosa et al.[20]의 연구에서 나타낸 바와 같이 EOS 골재의 경우 NA 대비 기계적인 특성이 높은 것을 확인할 수 있었다. 이는 시멘트 페이스트와 골재의 EOS 사용시 골재의 기계적특성이 우수한 측면과 골재와 페이스트 사이의 천이대가 개선되어 압축강도가 높은 것으로 판단된다[10].

Fig. 5.

Compressive Strength(Type 1)

Table 7.

Mixing design of EMP Concrete(Type 1)

Specimen	Slump (mm)	Air (%)	Compressive Strength(MPa)
Specimen	Slump (mm)	Air (%)	3 d	7 d	14 d	28 d
NA	200	3.6	25.4	31.4	33.9	39.5
EOS	210	3.0	45.2	55.6	58.4	64.7
EOS CF 0.2	200	3.0	32.4	43.3	48.5	57.5
EOS CF 0.4	190	3.5	30.2	40.1	42.3	54.2
EOS MCF 5	210	3.0	34.1	45.5	50.3	59.6

CF 혼입시의 특성은 일반적으로 섬유의 인장보강 효과에 의해 강도가 증진된다는 결과와 반대되는 특성을 나타내었으며, 이는 CF의 소수성에 의한 페이스트와의 결합력 저하에 의한 것으로 판단된다.

3.1.2 차폐율(SE) 측정 결과

미군 시방서 MIL-STD-125-1의 실험 방법을 준용하여 SE를 측정한 결과는 Table 8, Fig. 6과 같다. 600∼2000 MHz 주파수 범위 영역에서 차폐성능을 보유하지 않은 NA를 제외한 배합별 SE 평균은 100 mm 실험체가 약 24 dB, 200 mm 실험체 약 52 dB 값을 보였다.

Fig. 6.

EMP Shielding Effectiveness(Type 1)

Table 8.

Shielding Effectiveness(Type 1)

Type	Everage of Shielding Effectiveness(dB)
Type	NA	EOS	EOS CF 0.2	EOS CF 0.4	EOS MCF 5
100 mm(h)	4.5	20.4	24.0	29.8	21.3
100 mm(v)	4.2	19.7	23.7	29.5	20.5
200 mm(h)	8.8	47.2	52.8	57.8	46.3
200 mm(v)	8.4	47.5	51.8	57.1	46.3

※ Range of Average: 600 MHz∼2000MHz

시험체 두께에 따른 배합별 SE는 100 mm 실험체의 경우 EOS CF 0.4, EOS CF 0.2, EOS MCF 5, EOS, NA 순으로 SE 성능이 우수한 것을 확인할 수 있었으며, Dehghani and Aslani[18]의 연구와 동일한 경향을 나타내는 것을 확인할 수 있었다. 반면, 200 mm 실험체는 EOS CF 0.4, EOS CF 0.2, EOS, EOS MCF 5, NA 순으로 SE 성능이 우수하게 측정되었다. 이는 100 mm 두께에서도 차이가 크지 않아 측정 시 환경조건의 영향인 것으로 판단된다.[10]

3.2 EMP 차폐 콘크리트 품질개선 결과

3.2.1 콘크리트의 물리적 특성

물리적 특성 측정결과는 Table 9와 같다. 슬럼프의 경우 EMP 배합 대비 EMP FA 배합에서 플라이애시 혼입량과 비례하여 증가하는 경향을 보였으며, EMP BS 배합은 EMP BS10 배합에서 EMP 대비 슬럼프가 다소 감소하였다가 EMP BS20 배합에서 슬럼프가 역전되는 것을 확인할 수 있었다.

Table 9.

Mixing design of EMP Concrete(Type 2)

Specimen	Slump (mm)	Air (%)	Compressive Strength(MPa)
Specimen	Slump (mm)	Air (%)	3 d	7 d	14 d	28 d	56 d
EMP	190	3.7	31.2	42.1	49.3	62.5	62.6
EMP FA10	210	4.1	27.5	36.2	44.4	57.7	60.1
EMP FA20	215	4.5	23.8	33.2	40.9	55.8	57.7
EMP BS10	190	3.8	28.1	40.3	49.9	63.9	64.0
EMP BS20	200	3.4	24.4	37.3	46.8	65.2	65.8

압축강도는 Fig. 7과 같다. EMP 배합대비 플라이애시 혼합시 강도가 감소하는 경향을 보였으며, EMP FA10, EMP FA20 배합 각각 재령 28일에서 약 8%, 11% 감소, 재령 56일에서 약 4%, 8% 감소하는 것을 확인하였다. 고로슬래그 미분말을 혼합시에는 재령 28일 이전강도의 경우 EMP 배합대비 강도가 낮았으나 재령 28일부터 강도가 역전되는 경향을 보였으며, EMP BS10, EMP BS20 배합 각각 재령 28일에서 각각 약 2%, 4% 증가, 재령 56일에서 약 2%, 5% 증가하는 것을 확인할 수 있었다.

Fig. 7.

EMP Compressive Strength(Type 2)

3.2.2 차폐율(SE) 측정 결과

차폐율 측정 결과는 Table 10, Fig. 8과 같다. 혼화재 종류에 관계없이 EMP 배합대비 SE가 9% 이상 증가하는 것을 확인할 수 있었으며, EMP BS20 > EMP BS10 > EMP FA20 > EMP FA10 > EMP 순으로 SE가 높게 측정되었다. 이는 플라이애시 혼입 시 Fe₂O₃에 의한 전자파 혼입효과가 발생하여 SE가 증가하고 고로슬래그 미분말 혼입 시 미분말 내 존재하는 페로브스카이트(Perovskite)의 영향으로 SE가 증가한다는 Wanasinghe et al.[21]의 연구와 유사한 결과값을 나타내었다.

Fig. 8.

EMP Shielding Effectiveness(Type 2)

Table 10.

EMP Shielding Effectiveness(Type 2)

Type	Everage of Shielding Effectiveness(dB)
Type	EMP	EMP FA10	EMP FA20	EMP BS10	EMP BS20
200 mm(h)	49.9	54.2	52.8	58.9	60.0
200 mm(v)	48.2	52.4	55.6	54.6	55.5

※ Range of Average: 600 MHz∼2000MHz

결론

본 연구에서는 전기로 산화슬래그, 카본재료을 사용한 EMP 차폐 콘크리트 개발 및 플라이애시, 고로슬래그 미분말을 혼입한 EMP 차폐 콘크리트의 품질개선 목적으로 연구를 수행한 결과는 다음과 같다.

1) 전기로 산화슬래그를 골재로 활용할 시 보통골재에 비해 압축강도 및 SE가 증가하였다. 카본계 재료의 형태는 MCF보다 CF를 활용하는 것이 SE가 높았으며, 혼입율이 증가할 시 SE가 증가하나 유동성이 크게 저하되므로 EMP 차폐 콘크리트의 최적 배합은 EOS CF 0.2(EMP)가 적합하였다.
2) 플라이애시 및 고로슬래그 미분말을 혼입한 품질개선은 두 종류의 혼화재 모두 유동성 및 SE를 증가시키는 것을 확인할 수 있었다. 고로슬래그 미분말을 혼입하는 것이 압축강도가 가장 높고 SE 성능이 가장 우수하여 EMP BS20 배합이 혼화재료 혼입을 통한 품질개선에 가장 적합하였다.
3) 추후 연구에서는 플라이애시 및 고로슬래그 미분말을 혼입한 EMP 차폐 콘크리트의 화합생성물에 따른 전기전도성, 전자파 흡수성을 확인하여 SE 증진효과에 대한 정밀한 분석을 수행할 예정이다.