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문제 정의
- 기존의 모델식 중에서 Carreira and Chu 모델은 응력-변형률 곡선의 일반적인 모델형이며 식이 단순하고 고강도 콘크리트의 곡선 형태를 잘 표현할 수 있어 본 연구에서는 이 모델의 기본적인 형태를 바탕으로 하였다. Carreira & Chu 모델에서 n대신 6가 쓰이기도 하는데, 이는 응력-변형률 곡선형상을 나타내는 재료적 요소로 특히 하강부 표현에 유용하다.
- 그러나 위에서 언급한 바와 같이 PET 재활용 폴리머콘크리트는 새로운 건설재료로서 그에 대한 기초적 자료가 부족한 상태이다. 따라서 본 연구에서는 공장제품 및 구조부재로의 응용과 자원의 재활용을 목적으로 PET 재생 불포화 폴리에스터수지를 이용하여 고강도의 폴리머콘크리트를 제조하고, 이에 대한 강도 및 재령에 따른 모델 식을 실험적 결과와 이론적 근거를 바탕으로 개발, 실험 결과와 기존 모델식과의 비교·검증을 통하여 그 객관성을 살펴보고자 하였다.
제안 방법
- 각 배합에 따라 제작된 공시체는 재령 12시간, 1일, 7일, 14일, 28일에 대하여 압축파괴 실험을 실시하였다. 압축파괴실험은 MTS 815 ConcretE test system 장비를 이용하여 변위 제어 방식으로 하였으며 그 속도는 0.
- 20fcu의 응력점의 할선계수의 비를 매개변수로 하여 나타내었다. 상승부의 βu값을 통해 하강부를 비교한 결과 재령에 따라 그 차이가 확연하였으며 수지 사용량의 증가에 따른 하강부 곡선의 변화를 나타내지 못하여 그 영향을 표현할 수 있는 할선계수들의 비를 통해 하강부의 β값을 구하였다. 먼저 0.
- 5x15cm의 실험체를 제작하였으며 그 배합 및 양생방법은 Table 3와 같다. 실험체는 골재 및 충전재를 계량하여 2분간 건 비빔한 후 준비된 PET 재생 불포화 폴리에스터수지에 개시제를 첨가하여 3분간 비빔 하였으며 다짐은 봉다짐과 진동다짐기를 병행하였다.
- 압축파괴실험은 MTS 815 ConcretE test system 장비를 이용하여 변위 제어 방식으로 하였으며 그 속도는 0.018mm/min로 유지하였고 75mm 길이를 가진 Compressometer를 공 시체의 양쪽 중앙부에 설치하여 축방향 변위를 측정하였다.
- 앞에서 언급한 Carreira & Chu Model을 기본식으로 하여 상승구간과 하강구간을 하나의 수식으로 하는 단일 응력-변형률 곡선으로 모델링하였으며 실험결과를 통해 구한 각 구간의 영향인자를 달리하여 실제적으로는 복수 곡선식이 되게 함으로써 하강구간에 나타나는 오차를 최소화하였다.
- 이상의 과정을 통하여 Carreira & Chu Model를 기본 식으로 하는 PET 재활용 폴리머콘크리트의 응력-변형률 곡선의 수정 모델식을 개발하였으며 이는 식(14)와 같다.
대상 데이터
- KS F 2419에 준하여 07.5x15cm의 실험체를 제작하였으며 그 배합 및 양생방법은 Table 3와 같다. 실험체는 골재 및 충전재를 계량하여 2분간 건 비빔한 후 준비된 PET 재생 불포화 폴리에스터수지에 개시제를 첨가하여 3분간 비빔 하였으며 다짐은 봉다짐과 진동다짐기를 병행하였다.
- K사의 제품으로서 굵은골재는 쇄석을, 잔골재는 규사를 사용하였으며 골재의 수분 흡수는 수막을 형성시켜 결합재와 골재간의 접착력을 약화시키므로 함수량이 0.1% 이하가 되도록 건조한 후 냉각시켜 사용하였다.
- 개시제는 메틸에틸케톤퍼 옥사이드 (MEKPO)를 사용하였다.
- 본 실험에서는 코발트계 경화 촉진제가 첨가되어 있는 C사의 제품을 사용하였다.
- 이를 보완하기 위하여 가교제인 실란(Silane)을 사용하는데 이는 강도 증진에도 우수한 효과를 나타낸다. 본 연구에서는 D사의 LD5711 제품을 사용하였다.
- 점성을 증가시켜 부착력을 크게 하는 것이다. 본 연구에서는 가격이 저렴하고 구입이 용이할 뿐만 아니라 큰 비 표면적을 가진 중탄산칼슘을 충전재로 사용하였다.
- 본문에서 제안한 수정 모델식과 기존 모델식과의 비교는 재령 28일을 기준하여 수지 사용량이 13%인 실험체에 대하여 실시하였다. Fig.
이론/모형
- 응력-변형률 곡선 하강부의 기울기는 Martinez의 하강부 모델식과 Scott의 하강부 모델식을 이용하여 최대 응력점(fcu)과 0.85fcu의 응력점의 할선계수, 그리고 최대응력점과 0.20fcu의 응력점의 할선계수의 비를 매개변수로 하여 나타내었다. 상승부의 βu값을 통해 하강부를 비교한 결과 재령에 따라 그 차이가 확연하였으며 수지 사용량의 증가에 따른 하강부 곡선의 변화를 나타내지 못하여 그 영향을 표현할 수 있는 할선계수들의 비를 통해 하강부의 β값을 구하였다.
성능/효과
- 1) 수지 사용량의 증가에 따라 최대 응력은 점차 커지지만 17%를 사용한 경우 13%를 사용하였을 때 보다그 증가폭이 비교적 작거나 오히려 감소하였고 응력-변형률 곡선의 하강부는 연성적인 경향을 나타내었다.
- 2) 20°C의 상온 양생보다 70°C로 고온 양생을 실시한 경우 15~30% 정도의 강도증진 효과가 있었으며, 이에 따라 취성파괴 현상을 나타내며 응력-변형률 곡선의 하강부는 더욱 큰 기울기를 나타내었다.
- 3) PET 재활용 폴리머콘크리트의 고강도, 취성파괴 경향을, 골재 계면에 적절한 가교제를 사용함으로써, 결합력을 증가시켜, 안정적인 응력-변형률 곡선의 하강부와 함께, 취성 파괴 현상을 다소 완화시켰다.
- 4) 최대 응력점 변형률은 재령이 증가함에 따라 점차 작아지며 수지 사용량이 증가할수록 커지는 경향을 나타냈다.
- 5) 수정 모델식은 상승구간과 하강구간을 하나의 수식으로 하는 단일 응력-변형률 곡선식으로 하였으나 상승 부와 하강부의 매개변수를 실험결과를 통하여 따로 반영함으로써 실제적인 복수 곡선식이 되도록 함으로써 하강 구간의 오차를 최소화 하였다.
- 6) 본 연구에서 제안한 수정 모델식은 재령 및 수지 사용량에 따른 거동과 초기 재령에서 고강도를 발현하는 PET 재활용 폴리머콘크리트의 응력-변형률 곡선 특성을 정확히 예측하였다.
- Fig. 4는 재령별 고온 양생 결과를 나타내는데 재령 1일 압축강도가 28일의 83 %~ 92 %로 강도발현이 급격하게 진행됨을 알 수 있으며 13H에서 17H보다 초기재령 강도 발현이 우수하였다. 이는 17H에 사용된 수지가 필요 이상으로 과다하여 폴리머 래디칼 부가반응과 같이 재령에 따라 발생되는 수지의 매트릭스 형성 종료를 지연시켜 발생한 것으로 판단되며 따라서 초기 재령에서 목표하는 고강도를 얻고자 할 때에는 수지량을 적절히 조절할 필요가 있을 것이다.
- 5는 실란을 결합재인 수지 사용량의 1% 첨가하여 고온 양생 결과를 나타낸다. 가교제인 실란의 첨가를 통해 압축강도가 9-17% 증가하였으며 수지사용량 9%인 9HS에서 강도 증가 폭이 가장 크게 나타났다. 또한 재령에 따라 하강부의 기울기가 급격히 증가하는 것을 알 수 있으며 상승부 기울기는 재령에 따라 꾸준히 증가하였으며 재령 7일 이후에는 증가가 감소하였다.
- 10에서 나타난 바와 같이 각 모델식에 대한 상승부의 기울기는 유사한 경향을 보이는 반면 하강부의 기울기는 기존 모델식과 큰 차이를 나타내고 있다. 따라서 본 연구에서 제안한 모델식은 PET 재활용 폴리머콘크리트의 응력-변형률 거동을 예측하는데 만족할만한 수준인 것으로 판단된다.
- 가교제인 실란의 첨가를 통해 압축강도가 9-17% 증가하였으며 수지사용량 9%인 9HS에서 강도 증가 폭이 가장 크게 나타났다. 또한 재령에 따라 하강부의 기울기가 급격히 증가하는 것을 알 수 있으며 상승부 기울기는 재령에 따라 꾸준히 증가하였으며 재령 7일 이후에는 증가가 감소하였다.
- 이것은 배합시 수지 사용량의 증가는 강도 증진에 일정 부분 기여할 뿐만 아니라 콘크리트의 연성 파괴 현상을 증가시키는 역할을 하는 것으로 판단된다. 또한 재령의 증가에 따른 최대 응력점에서의 변형률 감소는 수지량이 증가함에 따라 다소 감소하는 경향을 나타내었다.
- 9는 식(14)의 수정 모델식에 의한 응력-변형률 곡선과 실험결과를 비교한 것으로 재령에 따른 PET 재활용 폴리머콘크리트의 응력-변형률 곡선을 효과적으로 표현하고 있음을 알 수 있다. 상승부는 거의 일치하였고 하강부는 실험결과의 기울기가 대체적으로 더 급격하였으며 재령에 따라 기울기의 차이가 더욱 커지는 경향을 나타냈으나 어느 정도의 오차 내에서 비교적 정확히 예측할 수 있는 것으로 판단된다.
- 상온 양생의 경우 재령 1일의 압축강도가 재령 28일의 압축강도에 약 77~87%를 나타내어 초기재령에서의 강도 발현이 우수함을 알 수 있었다.
- 2는 양생방법 및 실란 첨가시의 수지 사용량에 따른 응력-변형률 곡선을 나타낸다. 수지 사용량을 증가시키면 모든 실험체에서 동일하게 최대 응력점 변형률이 다소 증가하였으며 압축강도는 수지 사용량이 늘어날수록 증가하지만 13%와 17%인 실험체들의 압축강도 차이는 비교적 작았고 고온양생시에는 17%에서 13%보다 다소 감소하는 경향을 나타내었다. 하강부에서는 수지량이 증가할수록 연 성적인 경향을 나타내었다.
- 3에서와 같이 상온양생의 경우 각 재령별 최대 응력 점의 변형률은 재령이 증가하여 강도가 발현됨에 따라 점점 작아짐을 알 수 있었고, 압축강도와 응력-변형률 곡선의 상승구간 탄성계수도 꾸준히 증가하는 경향을 나타냈다. 수지 사용량이 증가할수록 최대응력점의 기울기가 완만하게 나타났고 강도가 증가함에도 불구하고 최대 응력점 이후의 압축 연화거동 현상은 더욱 뚜렷하게 나타났다. 이것은 배합시 수지 사용량의 증가는 강도 증진에 일정 부분 기여할 뿐만 아니라 콘크리트의 연성 파괴 현상을 증가시키는 역할을 하는 것으로 판단된다.
- 이처럼 PET 재활용 폴리머콘크리트의 응력-변형률 곡선상 승부는 최대 응력점에서의 할선탄성계수와 탄성계수의 비를 포함한 매개 변수로서 표현할 수 있었으며 초기 재령에서 고강도를 발현하는 특성 또한 잘 나타낼 수 있었다.
- 일축 압축 하에서의 응력-변형률 실험을 통한 결과 분석과 PET 재활용 폴리머콘크리트의 응력-변형률 곡선의 수정 모델식 분석결과 일정 범위 내에서 정확히 예측하였다.
- 재령에 따라 B와 βd는 꾸준히 증가하여 이들 간에 어떤 상관관계가 존재함을 알 수 있으며 곡선의 하강부 기울기와 관련된 βd를 B에 관한 함수로 표현할 수 있었다.
후속연구
- 4는 재령별 고온 양생 결과를 나타내는데 재령 1일 압축강도가 28일의 83 %~ 92 %로 강도발현이 급격하게 진행됨을 알 수 있으며 13H에서 17H보다 초기재령 강도 발현이 우수하였다. 이는 17H에 사용된 수지가 필요 이상으로 과다하여 폴리머 래디칼 부가반응과 같이 재령에 따라 발생되는 수지의 매트릭스 형성 종료를 지연시켜 발생한 것으로 판단되며 따라서 초기 재령에서 목표하는 고강도를 얻고자 할 때에는 수지량을 적절히 조절할 필요가 있을 것이다.
- 향후 구조물에 적용되는 콘크리트의 강도는 더욱 높아질 것으로 판단되며 이를 위해서는 PET 재활용 폴리머콘크리트와 같은 고강도 재료의 역학적 특성이 구명되어야 한다. 기존의 모델식 중에서 Carreira and Chu 모델은 응력-변형률 곡선의 일반적인 모델형이며 식이 단순하고 고강도 콘크리트의 곡선 형태를 잘 표현할 수 있어 본 연구에서는 이 모델의 기본적인 형태를 바탕으로 하였다.
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