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문제 정의
- 본 연구에서는 휨 하중을 받는 시험체의 하중전달능력을 알아보고, 취성적 파괴에 대한 저항능력을 검토하기 위해 3점 휨 하중 시험에서 얻은 하중-균열개구변위의 관계를 이용하여 파괴 거동의 특성을 파괴에너지 개념을 도입하여 평가하였다. 또한 하중전달능력의 감소를 나타내는 노치민 감성을 평가하여 석탄회 고형물의 파괴 특성을 분석하여 토목 구조용 재료로서의 사용 가능성을 조사하였다.
- 본 연구는 석탄회 고형물의 파괴에 대한 일반적인 파라 메타를 구하기 위한 자중을 고려한 3점 휨 시험 중 가장 일반적인 형태인 mode I에 대해 재령과 노치비에 따른 파괴 특성을 구한 것으로써 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
- 본 연구에서는 석탄회를 고형물의 파괴 특성을 연구하기 위하여 초기 노치를 가지고 자중의 영향을 고려한 3점 휨 파괴실험을 수행하였다. 압축강도 시험체 제작 시 동시에 제작되었으며, 시험체는 예비실험을 통해 도출된 적정 배합비와 양생방법을 이용하여 제작하였고, 변수로는 재령 (28일, 56일, 96일)과 노치비(0, 0.
- 본 연구에서는 석탄회를 비소성 고형화한 재료의 파괴 특성을 연구하기 위하여 기존 수행된 연구에서 도출된 적정 배합비 및 양생 방법을 이용하여 시편을 제작하였으며, 압축강도를 이용한 탄성계수의 측정 및 초기 노치를 가진 3점 휨을 받는 시편에 대한 파괴실험을 수행하였다. 변수로는 재령(28일, 56일, 96일)과 노치비(0, 0.
- 본 연구에서는 휨 하중을 받는 시험체의 하중전달능력을 알아보고, 취성적 파괴에 대한 저항능력을 검토하기 위해 3점 휨 하중 시험에서 얻은 하중-균열개구변위의 관계를 이용하여 파괴 거동의 특성을 파괴에너지 개념을 도입하여 평가하였다. 또한 하중전달능력의 감소를 나타내는 노치민 감성을 평가하여 석탄회 고형물의 파괴 특성을 분석하여 토목 구조용 재료로서의 사용 가능성을 조사하였다.
- 이에 본 연구에서는 환경오염을 줄이고, 인공골재 및 프 리캐스트 제품 등으로의 재활용을 위한 연구의 일환으로 석탄회 고형물의 파괴 특성을 얻어내어 건설자재 재료로서 사용 가능성을 확보하기 위한 기초적인 연구자료를 제시하고자 한다.
제안 방법
- .또한 물유리를 사용하여 자체 경화 및 플라이애쉬 반응성 증가를 통한 강도 증진을 유도하였다. 강도 증진 제로 사용한 보통 포틀랜드 시멘트는 KS F 5201 규정에 만족하는 S 사의 보통 포틀랜드 시멘트로서 비중은 3.
- 혼 화제 변화량에 따른 배합비는 Table 4와 같다. 또한 혼화 제의 양을 압축강도 실험을 통하여 결정한 뒤 bottom ash를 첨가하여 이번 연구에서 사용될 적정 배합비를 찾았다. Tables 5, 6에서 보는 바와 같이 fly ash : bottom ash의 비와 양생 방법을 변수로 하고 재령 7일 압축강도(5x5x5 mm)를 측정하여 결정하였다.
- 변위 제어 시 CM0D량의 변화속도는 LOmnVmin. 로 휨 하중이 영이 될 때까지 실험을 연속적으로 수행하였으며, CMODt 측정하기 위하여 37.5mm 용량의 스트레 인게이지 형식의 COD 변위계를 부착하여 하중-균열개구 변위 곡선을 MTS의 closed-loop servo-controlled testing machine으로 자동 검출하였다. 처짐은 보 시편 중앙부의 양 끝단에서 측정하였다.
- 본 연구에서는 석탄회를 비소성 고형화한 재료의 파괴 특성을 연구하기 위하여 기존 수행된 연구에서 도출된 적정 배합비 및 양생 방법을 이용하여 시편을 제작하였으며, 압축강도를 이용한 탄성계수의 측정 및 초기 노치를 가진 3점 휨을 받는 시편에 대한 파괴실험을 수행하였다. 변수로는 재령(28일, 56일, 96일)과 노치비(0, 0.3, 0.5)로 하였다.
- 본 연구에서는 초기 노치비 및 재령을 변수로 수행된 실험 결과를 토대로 노치의 존재에 따른 휨강도의 변화를 비교. 검토하였으며 Fig.
- 석탄회는 일반 콘크리트와 달리 정형화된 실험 방법이 없기 때문에 본 실험을 행하기 앞서 석탄회를 이용한 고형화 기술은 콘크리트의 실험 방법을 기준으로 첨가물들의 함량을 변화시켜가면서 배합비 및 양생 방법을 결정하였다. 최종적인 배합비의 결정은 50x50x50(mm) 크기의 각주형 실험체의 압축강도(KS L 5105)를 기준으로 설정하였다.
- 실험배합비는 혼화제 양 및 fly ash와 bottom ash의 혼합비율에 대하여 예비실험을 거쳐 결정하였다. 혼화제의 적정 배합비를 알아보기 위해 플라이애쉬의 양을 고정한 후, 혼화제 양을 변화시켜가면서 배합비를 결정하였다.
- 압축 강도용 시험체를 제작하기 위하여, 강제식 믹서기를 이용하여 28일, 58일, 96일 강도를 측정을 위한 010x20 mm 의 압축강도 실험체를 각각 9개씩 총 27개를 제작하였으며, 이들 압축강도를 이용하여 할선탄성계수를 구하였다. 압축강도 실험에서는 실험변수별 압축강도와 탄성계수를 산 정하기 위하여 측점 길이 100mm인 2개의 축 방향 변위계를 이용하여 응력-변형률 곡선을 측정하였으며, 안정적 실행을 위하여 2.
- 본 연구에서는 석탄회를 고형물의 파괴 특성을 연구하기 위하여 초기 노치를 가지고 자중의 영향을 고려한 3점 휨 파괴실험을 수행하였다. 압축강도 시험체 제작 시 동시에 제작되었으며, 시험체는 예비실험을 통해 도출된 적정 배합비와 양생방법을 이용하여 제작하였고, 변수로는 재령 (28일, 56일, 96일)과 노치비(0, 0.3, 0.5)로 하였다. 100x100 x450mm(순지간 400mm)의 휨 실험 체를 제작하였으며, 안 정적인 균열성장을 유도하기 위하여 CM0D 변위제어법을 이용하였다.
- 압축 강도용 시험체를 제작하기 위하여, 강제식 믹서기를 이용하여 28일, 58일, 96일 강도를 측정을 위한 010x20 mm 의 압축강도 실험체를 각각 9개씩 총 27개를 제작하였으며, 이들 압축강도를 이용하여 할선탄성계수를 구하였다. 압축강도 실험에서는 실험변수별 압축강도와 탄성계수를 산 정하기 위하여 측점 길이 100mm인 2개의 축 방향 변위계를 이용하여 응력-변형률 곡선을 측정하였으며, 안정적 실행을 위하여 2.45kg/cm2/sec를 유지하면서 하중 제어하였다.
- 실험배합비는 혼화제 양 및 fly ash와 bottom ash의 혼합비율에 대하여 예비실험을 거쳐 결정하였다. 혼화제의 적정 배합비를 알아보기 위해 플라이애쉬의 양을 고정한 후, 혼화제 양을 변화시켜가면서 배합비를 결정하였다. 혼 화제 변화량에 따른 배합비는 Table 4와 같다.
대상 데이터
- 5)로 하였다. 100x100 x450mm(순지간 400mm)의 휨 실험 체를 제작하였으며, 안 정적인 균열성장을 유도하기 위하여 CM0D 변위제어법을 이용하였다. 변위 제어 시 CM0D량의 변화속도는 LOmnVmin.
- 또한 물유리를 사용하여 자체 경화 및 플라이애쉬 반응성 증가를 통한 강도 증진을 유도하였다. 강도 증진 제로 사용한 보통 포틀랜드 시멘트는 KS F 5201 규정에 만족하는 S 사의 보통 포틀랜드 시멘트로서 비중은 3.15, 분말도 는 3150Wcnj인 제품을 사용하였다.
- 이러한 플라이애쉬는 포졸란 반응성이 극히 크며 입자의 비 표면적이 시멘트와 거의 같기 때문에 시멘트 대체재, 장기강도 확보 내구성 증진 및 수화열 감소 등에 좋은 재료로 알려져 있다. 본 연구에서는 보령화력발전소에서 생산된 KS L5405 규정에 적합한 제품을 사용하였고, 그 물리 . 화학적 특성은 다음과 같다.
- 5mm 정도로 석탄회 발생량의 15~20% 정도가 된다. 본 연구에서는 보령화력발전소에서 생산된 bottom ash를 이용하였으며, 미연 탄소분말을 제거하기 위해 No.8체를 통과하고 No.200체에 남는 Bottom ash를 사용하였고, 그 화학적 특성은 다음의 Table 3과 같다.
- 혼화제로는 이산화망간, 보통포틀랜드시멘트 수산화나트륨 그리고 물유리 등을 사용하였다. 수산화나트륨은 플 라이애쉬와 Ca(OH)2의 반응성을 증가시키고 플라이 애 쉬에서 siHca의 용해 속도를 증가시키기 위한 첨가제로 사 용 되었으며, 금속 산화제를 이 반응의 촉매제로 사용을 하였다. .
- 이번 연구에 사용한 재활용 석탄회에 대한 탄성계수를 측정하기 위해서 100x200(mm)의 공시 체를 재령별로 3개씩 제작하여 구하였다. 그 결과 아래의 Table 7에서 보는 바와 같이 탄성계수는 재령 28일에서는 15.
- 혼화제로는 이산화망간, 보통포틀랜드시멘트 수산화나트륨 그리고 물유리 등을 사용하였다. 수산화나트륨은 플 라이애쉬와 Ca(OH)2의 반응성을 증가시키고 플라이 애 쉬에서 siHca의 용해 속도를 증가시키기 위한 첨가제로 사 용 되었으며, 금속 산화제를 이 반응의 촉매제로 사용을 하였다.
이론/모형
- 석탄회는 일반 콘크리트와 달리 정형화된 실험 방법이 없기 때문에 본 실험을 행하기 앞서 석탄회를 이용한 고형화 기술은 콘크리트의 실험 방법을 기준으로 첨가물들의 함량을 변화시켜가면서 배합비 및 양생 방법을 결정하였다. 최종적인 배합비의 결정은 50x50x50(mm) 크기의 각주형 실험체의 압축강도(KS L 5105)를 기준으로 설정하였다.
성능/효과
- 1) 28일의 평균 압축강도는 27.49MPa이 나왔고, 56일 경우에는 32.1 MPa, 96일 경우에는 34.38MPa이 측정되었다. 따라서, 일반 콘크리트와 비교할 경우, 우수한 압축강도의 특성을 보여주고 있는 것으로 판단되었다.
- 1) 적정배합비는 플라이애쉬 중량비 67%의 bottom ash, 10%의 보통 포틀랜드 시멘트와 수산화나트륨, 5%의 금속산화물, 15%의 물유리 배합이 가장 양호하였다.
- 2) 양생 방법은 적절한 습도와 50 ℃로 유지한 건 조로에서 24시간 양생 후 공기중(18 ℃)에서 양생한 경우의 양생이 가장 양호한 것으로 나타났다.
- 2) 탄성계수의 경우 재령 28일에서는 15.06GPa이 측정되었으며, 재령 56일에는 21.31 GPa, 96일에는 23.15GPa 이 측정이 되었다. 하지만 이는 콘크리트의 탄성계수 (28일, 약 245GPa)와 비교해 61.
- 3) 위의 결정된 배합비와 양생 방법을 이용하여 제작된 공 시체의 재령 7일 압축강도(건조 양생법)는 평균 26.72 MPa로 측정되었다.
- 3) 하중-변위 곡선 곡선 및 하중-균열개구변위의 곡선에서노 치비가 작을수록, 재령이 증가할수록 균열개구변위의 값의 변동의 폭이 최대하중 이후 작았으며, CMOD 변위가 약 0.1mm 되는 지점에서 최대 하중점이 됨을 볼 수 있었다. 또한 재령이 증가되어질수록 최대하중 이후의 감소 기울기가 급해지는 경향을 보여주는데 이는 강도가 증진 되어지면서 취성적인 경향이 강해진 것으로 판단되었다.
- 또한 재령이 증가되어질수록 최대하중 이후의 감소 기울기가 급해지는 경향을 보여주는데 이는 강도가 증진 되어지면서 취성적인 경향이 강해진 것으로 판단되었다. 4) 노치의 깊이와 파괴에너지값과의 관계는 노치비가 커질수록 재령이 작아질수록 파괴에너지(Gp)의 값이 감소하는 경향이 있었다. 이는 파괴에너지가 강도 발현의 영향을 크게 받고 있는 것으로 판단되어진다.
- 5와 같다. 결과에서 보듯이 28일의 평균 압축강도는 27.49MPa이 나왔고, 56일 경우에는 32.1 MPa, 96일 경우에는 3438MPa이 측정되었다 28일에서 56일까지는 약 16.7 %의 강도의 발현이 일어났으나, 56일 이후 90일까지는 7.14%의 강도 발현이 되면서 점차 둔화 되어지는 경향을 볼 수 있었다. 하지만 본 실험에서 사용된 주재료인 플라이애쉬는 포졸란 반응에 의하여 초기강도의 발현율이 낮은 특성을 지니고 있기 때문에 장기강도에 대한 연구가 필요할 것으로 판단되어졌다.
- 10에 노치민감도 분석 결과를 나타내었다. 그래프에서 보듯이 28일과 56일인 경우 노치 비가 0.3에서 0.5로 증가함에 따라 노치 민감도는 감소함을 보여주고 있고, 또한 재령이 작을수록 노치민감도는 감소하는 모습을 볼 수 있었다. 이는 인위적인 노치의 존재 는 훨씬 낮은 하중에서 큰 응력집중 효과로 인하여 하중 전달능력이 감소하는데 노치비가 클수록 또한 재령이 작을수록 강도는 감소됨에 따라 하중 전달능력이 떨어짐을 반영하고 있다.
- 5~7과 같다. 두 경우 모두 압축강도가 클수록 최대하중 값 또한 큰 것으로 나타났으며, 높은 파괴강도를 갖는 시편일수록 파괴 시의 처짐은 감소하는 것으로 나타났다. 또한 변위가 약 0.
- 38MPa이 측정되었다. 따라서, 일반 콘크리트와 비교할 경우, 우수한 압축강도의 특성을 보여주고 있는 것으로 판단되었다. 한편, 초기 재령에 비해 재령 56일 이후 재령에서의 강도증진이 적은 것으로 나타났으나, 플라이애쉬는 포졸란 재료이므로 장기강도에 대한 검토가 필요한 것으로 생각된다.
- 7 배정 도의 파괴에너지 증가를 보였다. 또한 노치비에 증가함에 따라 점차 파괴에너지가 감소되는 것을 볼 수 있었다. 이번 연구에서 구해진 28일 양생의 노치비가 0.
- 1mm 되는 지점에서 최대 하중점이 됨을 볼 수 있었다. 또한 재령이 증가되어질수록 최대하중 이후의 감소 기울기가 급해지는 경향을 보여주는데 이는 강도가 증진 되어지면서 취성적인 경향이 강해진 것으로 판단되었다. 4) 노치의 깊이와 파괴에너지값과의 관계는 노치비가 커질수록 재령이 작아질수록 파괴에너지(Gp)의 값이 감소하는 경향이 있었다.
- 본 실험에서 구한인자들에 대한 평가 결과, 측정값이 기존 시멘트 모르타르 또는 콘크리트와 비교하였을 때, 압축강도는 우수하였으나, 탄성계수 및 휨 파괴 특성 등의 파괴 .역학적 특성이 낮은 것으로 보여주고 있으며, 이를 통하여 현재까지 의 석탄회고형물은 비구조용 재료로 의 사용이 가능할 것으로 보이지만, 콘크리트와 비슷한 강도를 지니면서도 콘크리트에 비하여 연성의 재료임을 고려하여 앞으로 계속 연구가 진행되어진다면 충분히 건설용 구조재료로도 사용이 가능할 수 있을 것으로 판단된다.
- 하지만 96일인 경우에는 오히려 56일보다 노치 비가 감소하는 경향을 보여주었다. 이는 5.3절 결과에서 보여주는 바와 같이, 56일 이후 전체적으로 최대하중이 증진하는 현상을 보여주기는 하였으나, 노치가 0mm 일 때 약 45% 최대하중 증가에 비해 30mm, 50mm인 경우 약 20%와 5%의 작은 최대하중의 증가로 인한 것으로 판단되었다.
- 또한 노치비에 증가함에 따라 점차 파괴에너지가 감소되는 것을 볼 수 있었다. 이번 연구에서 구해진 28일 양생의 노치비가 0.5의 경우 25.44N/m으로 같은 조건의 일반 모르타르(28일 양생, 76~87N/m)와 비교하여 보았을 때 일반 모르타르의 약 33.5 %에 해당되어지는 것으로 측정되었다.
- 1 mm 되는 지점에서 최대 하중점이 됨을 볼 수 있었다. 재령에 따른 경우, 노치비가 0.3인 경우 최대하중은 28일에서는 690.9N, 56일 경우에는 920.22N, 96일에는 1099.56N 이였고, 노치비가 0.5일 경우에는 28일과 56일 각각 437.08N 및 471.38N, 96일은 495.88N으로 재령이 증가할수록 더 높은 하중에서 견디어 내고 있음을 알 수 있었다. 또한 노치비가 0.
- 전반적으로 노치비가 작을수록, 재령이 커질수록 파1괴에너지의 값은 커지는 경향이 있었다. 재령에 따른 파괴에너지의 변화에서 파괴에 너 지는 재령이 증가할수록 점차 증가함을 보임으로써 휨 부재 에 에너지 흡수 능력이 증대되어지고 있음을 알 수 있다.
- 9에서 나타내었다. 전반적으로 노치비가 작을수록, 재령이 커질수록 파1괴에너지의 값은 커지는 경향이 있었다. 재령에 따른 파괴에너지의 변화에서 파괴에 너 지는 재령이 증가할수록 점차 증가함을 보임으로써 휨 부재 에 에너지 흡수 능력이 증대되어지고 있음을 알 수 있다.
- 5일 때 평균 2544切初의 파괴에너지가 측정되었다. 한편 노치 민감도는 전반적으로 재령이 증가할 수 록, 노치비가 작을수록 커지는 경향을 볼 수 있었다.
후속연구
- 이에 폭넓은 연구가 세계 각지에서 수행되면서, 기존의 시멘트 재료나, 매립재, 비료 등의 재활용 한계를 극복하고, 콘크리트 재료, 건축재료, 토양개 량재, 어초, 인공골재 등 다양한 방면으로 재활용하기 위한 연구가 수행되고 있으며, 국내에도 플라이애쉬를 재활용을 위한 연구가 진행되고 있다. 또한 bottom ash의 경우도 비록 플라이애쉬보다 발생량이 적고, 연구가 아직 미 진하나, 앞으로 연구가 충분히 이루어지면 사용 도가 많을 것이라고 본다.
- 본 실험에서 구한인자들에 대한 평가 결과, 측정값이 기존 시멘트 모르타르 또는 콘크리트와 비교하였을 때, 압축강도는 우수하였으나, 탄성계수 및 휨 파괴 특성 등의 파괴 .역학적 특성이 낮은 것으로 보여주고 있으며, 이를 통하여 현재까지 의 석탄회고형물은 비구조용 재료로 의 사용이 가능할 것으로 보이지만, 콘크리트와 비슷한 강도를 지니면서도 콘크리트에 비하여 연성의 재료임을 고려하여 앞으로 계속 연구가 진행되어진다면 충분히 건설용 구조재료로도 사용이 가능할 수 있을 것으로 판단된다.
- 5%에 해당하는 값이다. 탄성계수의 값은 강성과 밀접하므로 강성의 증진에 대한 앞으로의 연구가 계속 진행되어 진다면 충분히 콘크리트와 비슷한 탄성계수의 값을 얻을 수 있을 것이라고 보여진다.
- 5%에 해당하는 값이다. 탄성계수의 값은 강성과 밀접하므로 강성의 증진에 대한 앞으로의 연구가 계속 진행되어 진다면 충분히 콘크리트와 비슷한 탄성계수의 값을 얻을 수 있을 것이라고 판단되었다.
- 14%의 강도 발현이 되면서 점차 둔화 되어지는 경향을 볼 수 있었다. 하지만 본 실험에서 사용된 주재료인 플라이애쉬는 포졸란 반응에 의하여 초기강도의 발현율이 낮은 특성을 지니고 있기 때문에 장기강도에 대한 연구가 필요할 것으로 판단되어졌다.
- 따라서, 일반 콘크리트와 비교할 경우, 우수한 압축강도의 특성을 보여주고 있는 것으로 판단되었다. 한편, 초기 재령에 비해 재령 56일 이후 재령에서의 강도증진이 적은 것으로 나타났으나, 플라이애쉬는 포졸란 재료이므로 장기강도에 대한 검토가 필요한 것으로 생각된다.
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