[논문]복합 재질 폐플라스틱을 재활용한 폴리머콘크리트의 경화 전 성질

주명기; 이윤수; 김문찬; 김윤환

doi:10.4334/jkci.2006.18.1.117

문제 정의

따라서 본 연구에서는 복합재질 폐플라스틱을 재활용한 덩어리(pellet)를 이용한 폴리머콘크리트를 개발하여 경화 전 성질에 미치는 재생 peHet 골재 혼입량 및 결합재 첨가량의 영향에 대하여 연구하였다.
그러나 폴리머콘크리트에 있어서 경화반응은 촉매제, 촉진제의 첨가량 및 사용환경 온도를 변화시키는 것에 의해 광범위로 제어가 가능한 것으로 되어있다. 따라서 본연구에서는 폴리머콘크리트의 가사시간에 가장 크게 영향을 미치는 촉매제 및 환경온도에 대한 요인을 실험적으로 검토하였다.
본 연구는 복합재질 폐플라스틱에 산업폐기물인 무기 폐기물(코오데라이트, 제올라이트)을 첨가하여 용융 혼합 후이를 Pellet화 하여 폴리머콘크리트의 패널 재료용으로 사용하여 그 재활용 가치를 높이고자 한다.
본 연구에서는 복합 재질 폐플라스틱(PA)을 재활용한 폴리머콘크리트를 개발할 목적으로 시도된 실험연구로서 얻어진 결과를 요약하면 다음과 같다.
본 연구에서는 시멘트 모르타르 및 콘크리트의 규정과 폴리머콘크리트의 성질을 감안하여 작업성 실험을 실시하였으며, 특히 폴리머 모르타르 및 콘크리트의 작업성에 가장 큰 영향을 미치는 결합재 첨가량 PA 혼입량 충전재첨가량 및 작업환경 온도에 대하여 검토하였다.

제안 방법

Table 4의 폴리머콘크리트 배합비에 의해 재료를 계량한 후 골재와 충전재를 강제식 콘크리트용 혼합기에서 건비빔을 하고, 수지 혼합용 혼합기에서 수지와 수축저감제를 혼합한 다음 경화제를 투입하여 혼합한 뒤 이를 건비빔한 골재에 다시 넣어 혼합하였다. 혼합된 폴리머콘크리트 시험체는 온도 20+ 2 °C, 습도 50〜60% 의 실험실에서 건조양생을 실시하여 시험하였다.

대상 데이터

골재는 일반 시멘트와 동등한 수준의 것을 사용하였다. 그러나 친수성인 골재가 흡수를 하면 폴리머콘크리트는 골재를 둘러싼 결합재층과 골재 표면간의 수막이 결합 재와 골재 간의 접착력을 약화시켜 폴리머콘크리트의 강도를 저하시키므로 함수율이 0.
시험하였다. 공시체의 크기는 7x7x32cm 이고 정밀도 0.005mm 인 LVDT를 제작된 공시체 양 끝에 각각 설치하였으며 변위값은 data logger로 측정하였다.
본 실험에서는 열가소성인 폴리스틸렌을 스틸렌 모노머에 용해시킨 수축저감제를 사용하였는데, 이는 폴리머콘크리트가 구조부재로 사용될 경우 수축량에 의한 균열방지를 위해 사용되었으며, 수축저감제의 성질은 Table 2와 같다.
본 연구에서 사용된 재생 peUet 골재(이하 PA)는 폐 PP, 폐 PET등을 재활용한 것을 사용하였다. 잔골재에 대하여 재생 pellet 골재를 치환하여 사용하였으며, 재생 pellet 골재의 성질은 Table 3과 같다.
PET등을 재활용한 것을 사용하였다. 잔골재에 대하여 재생 pellet 골재를 치환하여 사용하였으며, 재생 pellet 골재의 성질은 Table 3과 같다.

이론/모형

가사시간은 KS F 24囹(폴리에스터 레진 콘크리트의 사용 가능 시간 측정 방법에 제시된 3가지 방법 즉, 관입법인 발 저항법, 감촉법 중 감촉법을 이용하여 측정하였으며, 가사시간은 액상수지에 개시제를 첨가했을 때의 시각부터 측정하였다.
경화수축은 Ohama-Demura 방법에 의해 시험하였다. 공시체의 크기는 7x7x32cm 이고 정밀도 0.
같다. 시험체 제작은 KS F 2419(폴리에스테르 레진 콘크리트의 강도 시험용 실험체 제작방법)에 규정된 방법에의하여 제작하였다. Table 4의 폴리머콘크리트 배합비에 의해 재료를 계량한 후 골재와 충전재를 강제식 콘크리트용 혼합기에서 건비빔을 하고, 수지 혼합용 혼합기에서 수지와 수축저감제를 혼합한 다음 경화제를 투입하여 혼합한 뒤 이를 건비빔한 골재에 다시 넣어 혼합하였다.
작업성은 KS F 2428(진동식 반죽질기 측정기에 의한 콘크리트의 유동성 시험방법^ 규정된 시험을 통해 작업성을 측정하였으며, 폴리머콘크리트 매트릭스의 점성을 고려하여 진동시간을 30초로 하여 유동성)을 측정하였다.

성능/효과

1) 복합 재질 폐플라스틱을 재활용한 폴리머콘크리트의 작업성은 결합재 첨가량 PA혼입량 및 충전제 첨가량의 증가에 따라 개선되는 경향을 보였다.
2) 복합 재질 폐플라스틱을 재활용한 폴리머콘크리트의 가사 시간은 결합재 가사시간과 마찬가지로 촉매제 첨가량의 증가 및 시험온도의 상승에 따라 짧아졌다.
3) 복합 재질 폐플라스틱을 재활용한 폴리머콘크리트의 경화 수축은 PA 혼입량이 증가할수록 증가하는 경향을 보였다. 4) 본 연구 결과가 복합 재질 폐플라스틱 종말품의 재활용에 조금이나마 기여할 수 있을 것을 기대하며 향후 지속적인 연구개발을 통하여 더욱 광범위한 복합 재질 폐플라스틱 종말품의 재활용이 이루어질 수 있을 것으로 판단된다.
2는 폴리머콘크리트의 강하깊이와 PA 혼입량의 관계를 나타낸 것이다. 결합재 첨가량에 관계없이 폴리머콘크리트의 강하깊이는 PA 혼입량의 증가에 따라 증가하는 경향을 나타내었다. 이것은 혼입된 PA의 입형이 구형이고, 흡수율이 낮아 결합재인 액상레진의 침투가 없어 같은 결합 재량에서 작업성이 좋아지는 것이라 판단된다.
6은 결합재의 가사 시간과 온도와의 관계를 나타낸 것이다. 결합재의 가사시간은 촉매제 첨가량의 증가 및 시험온도의 상승에 따라 짧아지는 경향을 보였다. 특히 시험온도 10 °C의 폴리머콘크리트의 가사 시간이 5시간 이상으로 이상적인 배합설계를 위해서는 시험온도의 상승 및 촉매제의 첨가량을 1.
복합재질 폐플라스틱(PA) 혼입량 및 충전재 첨가량에 관계없이, 폴리머콘크리트의 강하깊이는 결합재 첨가량의 증가에 따라 증가하는 경향을 나타내었으나 결합재 첨가량 11%와 12%와의 강하 깊이는 큰 차이가 나지 않았다. 이것은 결합재 첨가량의 증가에 따라 폴리머콘크리트의 유동성이 향상되기 때문이라고 사료된다。따라서 본 연구에서 살펴보면, 열경화성수지인 불포화 폴리에스터 수지를 결합재로 사용하는 폴리머콘크리트의 경우는 결합재 첨가량에 더 큰 영향을 받는 것으로 판단된다.
13은 폴리머콘크리트의 최종길이변화와 결합재 첨가량의 관계를 나타낸 것이다 결합재 첨가량 및 충전재 첨가량에 관계없이 수축저감제를 첨가한 폴리머콘크리트는 PA 혼입량의 증가에 따라 수축이 커지는 경향을 보였다. 또한 PA 혼입량에 관계없이 폴리머콘크리트는 재령시간의 경과함에 따라 수축이 커지는 경향을 보였다. 폴리머콘크리트의 길이변화는 재령 1시간 정도까지는 거의 변화가 없었으나 그 이후로부터는 비교적 급격한 변화를 보였으며, 재령 6시간 이후는 비교적 완만한 변화를 보였다.
수축저감제의 첨가에 의한 수축저감효과는 수축저감제의 높은 열팽창계수와 낮은 유리 전이 온도(낮은 분자량^ 의하여 수축저감제가 고온에서 크게 팽창되어 수축저감 효과를 가져오는 것이라 판단된다. 또한 폴리머콘크리트의 최종 길이변화는 PA 혼입량의 증가에 따라 증가하는 경향을 보였다. 이것은 입경이 큰 PA골재의 혼입량이 증가함에 따라 콘크리트 내부의 공극이 증가하기 때문이라 판단된다.
1은 수축저감제 첨가 폴리머콘크리트의 강하 깊이와 결합재 첨가량의 관계를 나타낸 것이다. 복합재질 폐플라스틱(PA) 혼입량 및 충전재 첨가량에 관계없이, 폴리머콘크리트의 강하깊이는 결합재 첨가량의 증가에 따라 증가하는 경향을 나타내었으나 결합재 첨가량 11%와 12%와의 강하 깊이는 큰 차이가 나지 않았다. 이것은 결합재 첨가량의 증가에 따라 폴리머콘크리트의 유동성이 향상되기 때문이라고 사료된다。따라서 본 연구에서 살펴보면, 열경화성수지인 불포화 폴리에스터 수지를 결합재로 사용하는 폴리머콘크리트의 경우는 결합재 첨가량에 더 큰 영향을 받는 것으로 판단된다.
때문이라고 사료된다9). 수축저감제의 첨가에 의한 수축저감효과는 수축저감제의 높은 열팽창계수와 낮은 유리 전이 온도(낮은 분자량^ 의하여 수축저감제가 고온에서 크게 팽창되어 수축저감 효과를 가져오는 것이라 판단된다. 또한 폴리머콘크리트의 최종 길이변화는 PA 혼입량의 증가에 따라 증가하는 경향을 보였다.
식⑴에서 구해진 실험정수 A 및 B에서 실험정수 B의 값을 비교하면, 시험온도의 상승에 따라서 실험정수 B는 감소하는 경향을 보였는데, 이것은 시험온도가 상승하면 촉매제 첨가량의 변화에 따른 결합재의 가사시간 변화가 작아진다는 것을 보여주는 결과이다.
5phr 이상으로 증가시킬 필요가 있으며, 20 °C 및 30 °C의 시험온도에서도 시험온도 및 촉매제 첨가량을 변화시켜 원하는 가사 시간을 얻는 것이 필요할 것으로 판단된다. 촉매제 첨가량에 관계없이 결합재의 가사시간은 시험온도가 상승함에 따라 짧아지는 경향을 보였고, 실험온도 10 〜 20 °C에서는 촉매제 첨가량에 따른 차이가 컸으나 실험온도 20 °C 이상에서는 그 차이가 작게 나타났다. 따라서 실험온도가 상승할 경우 촉매제의 첨가량을 변화시킨 경우의 가사시간의 변화는 완만하게 된다는 것을 시사한다.
7 및 8는 PA 혼입량 20%일때의 폴리머콘크리트의 가사 시간과 촉매제 첨가량 및 시험온도의 관계를 나타낸 것이다. 폴리머 콘크리트의 가사시간은 결합재의 가사 시간과 마찬가지로 촉매제 첨가량의 증가 및 시험온도의 상승에 따라서 짧게 되는 경향을 보였다. 따라서 결합재의 가사 시간과 마찬가지로 폴리머콘크리트의 가사시간에 관해서도 촉매제 첨가량을 변수로 하는 실험식을 도입할 수 있다5 7).
또한 PA 혼입량에 관계없이 폴리머콘크리트는 재령시간의 경과함에 따라 수축이 커지는 경향을 보였다. 폴리머콘크리트의 길이변화는 재령 1시간 정도까지는 거의 변화가 없었으나 그 이후로부터는 비교적 급격한 변화를 보였으며, 재령 6시간 이후는 비교적 완만한 변화를 보였다. 이것은 경화수축 시 폴리머콘크리트에서 중합반응이 짧은 시간 안에 이루어지면서 단시간 내에 경화가 완료되기 때문이라고 판단된다 PA 혼입량에 관계없이 폴리머콘크리트의 최종 길이변화는 결합재 첨가량의 증가에 따라 증가하는 경향을 보였다.
이것은 입경이 큰 PA골재의 혼입량이 증가함에 따라 콘크리트 내부의 공극이 증가하기 때문이라 판단된다. 한편 폴리머콘크리트의 최종 길이변화는 충전재 첨가량의 증가에 따라 감소하는 경향을 나타냈다.

후속연구

보였다. 4) 본 연구 결과가 복합 재질 폐플라스틱 종말품의 재활용에 조금이나마 기여할 수 있을 것을 기대하며 향후 지속적인 연구개발을 통하여 더욱 광범위한 복합 재질 폐플라스틱 종말품의 재활용이 이루어질 수 있을 것으로 판단된다.
결합재의 가사시간은 촉매제 첨가량의 증가 및 시험온도의 상승에 따라 짧아지는 경향을 보였다. 특히 시험온도 10 °C의 폴리머콘크리트의 가사 시간이 5시간 이상으로 이상적인 배합설계를 위해서는 시험온도의 상승 및 촉매제의 첨가량을 1.5phr 이상으로 증가시킬 필요가 있으며, 20 °C 및 30 °C의 시험온도에서도 시험온도 및 촉매제 첨가량을 변화시켜 원하는 가사 시간을 얻는 것이 필요할 것으로 판단된다. 촉매제 첨가량에 관계없이 결합재의 가사시간은 시험온도가 상승함에 따라 짧아지는 경향을 보였고, 실험온도 10 〜 20 °C에서는 촉매제 첨가량에 따른 차이가 컸으나 실험온도 20 °C 이상에서는 그 차이가 작게 나타났다.

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