재생 PET 섬유의 형상 및 길이가 시멘트 복합 재료의 소성 수축 균열에 미치는 영향 Effect of Recycled PET Fiber Geometry and Length on the Plastic Shrinkage Cracking of Cement Based Composites원문보기
본 연구의 주요 목적은 시멘트 복합 재료의 소성 수축 균열 제어에 폐 PET병으로부터 만들어진 재생 PET 섬유의 효과를 평가하는 것이다. PET은 플라스틱 재료라 알려진 재료로 음료수 병 등에 다양하게 적용되어 왔다. 그렇지만 폐 PET 병은 사용 후에 환경적 측면에서 큰 문제점으로 부각되고 있다. 따라서 폐 PET 병을 재활용하는 방법에 대한 연구는 환경 및 경제적 측면에서 중요하게 되었다. 폐 PET 병을 재활용하는 방법 중 시멘트 복합 재료의 보강 섬유로 사용하는 방법은 효과적인 방법 중에 하나이다. 본 연구에서는 시멘트 복합 재료의 소성 수축 균열에 재생 PET 섬유의 형상 및 길이의 효과를 얇은 슬래브 실험을 통해서 조사하였다. 실험 계획은 섬유의 형상, 길이 및 혼입률의 영향을 이해하기 위하여 수행하였다. 재생 PET섬유의 형상은 straight, crimped및 embossed type의 3가지 형상을 포함하며, 각 3가지 섬유형상 마다 3가지 수준의 섬유 혼입률 및 2가지 종류의 섬유 길이에 대해서 조사하였다. 실험 결과 재생 PET섬유는 시멘트 복합 재료의 소성 수축 균열에 효과적이었다. 섬유의 길이의 관점에서 길이가 긴 섬유는 섬유의 형상이 동일할 때 섬유체적비가 적을 때 효과적이며, 섬유체적비가 증가하면 길이가 짧은 섬유가 더욱더 효과적이었다. 또한 embossed type의 섬유는 적은 섬유 혼입률에서 다른 형상의 섬유보다 소성 수축 균열 제어 효과가 우수하였으며, 높은 섬유 혼입률에서는 straight type의 섬유가 다른 형상의 섬유보다 시멘트 복합 재료의 소성 수축 균열 제어에 가장 효과적이었다.
본 연구의 주요 목적은 시멘트 복합 재료의 소성 수축 균열 제어에 폐 PET병으로부터 만들어진 재생 PET 섬유의 효과를 평가하는 것이다. PET은 플라스틱 재료라 알려진 재료로 음료수 병 등에 다양하게 적용되어 왔다. 그렇지만 폐 PET 병은 사용 후에 환경적 측면에서 큰 문제점으로 부각되고 있다. 따라서 폐 PET 병을 재활용하는 방법에 대한 연구는 환경 및 경제적 측면에서 중요하게 되었다. 폐 PET 병을 재활용하는 방법 중 시멘트 복합 재료의 보강 섬유로 사용하는 방법은 효과적인 방법 중에 하나이다. 본 연구에서는 시멘트 복합 재료의 소성 수축 균열에 재생 PET 섬유의 형상 및 길이의 효과를 얇은 슬래브 실험을 통해서 조사하였다. 실험 계획은 섬유의 형상, 길이 및 혼입률의 영향을 이해하기 위하여 수행하였다. 재생 PET섬유의 형상은 straight, crimped및 embossed type의 3가지 형상을 포함하며, 각 3가지 섬유형상 마다 3가지 수준의 섬유 혼입률 및 2가지 종류의 섬유 길이에 대해서 조사하였다. 실험 결과 재생 PET섬유는 시멘트 복합 재료의 소성 수축 균열에 효과적이었다. 섬유의 길이의 관점에서 길이가 긴 섬유는 섬유의 형상이 동일할 때 섬유체적비가 적을 때 효과적이며, 섬유체적비가 증가하면 길이가 짧은 섬유가 더욱더 효과적이었다. 또한 embossed type의 섬유는 적은 섬유 혼입률에서 다른 형상의 섬유보다 소성 수축 균열 제어 효과가 우수하였으며, 높은 섬유 혼입률에서는 straight type의 섬유가 다른 형상의 섬유보다 시멘트 복합 재료의 소성 수축 균열 제어에 가장 효과적이었다.
The main objective of this study was to evaluate the effect of recycled PET fiber made from waste PET bottle on the control of plastic shrinkage cracking of cement based composites. PET is blown as a plastic material and used in a variety products such as a beverage bottle. However, waste PET bottle...
The main objective of this study was to evaluate the effect of recycled PET fiber made from waste PET bottle on the control of plastic shrinkage cracking of cement based composites. PET is blown as a plastic material and used in a variety products such as a beverage bottle. However, waste PET bottles are thrown after the usage, raising huge problems in terms of the environment. Thus, the research on the method to recycle the PET bottles indicates important aspects in environment and economy. The method to recycle waste PET bottles as a reinforcing fiber for cement based composites is one of effective methods in terms of the recycle of waste PET bottles. In this research, the effect of recycled PET fiber geometry and length on the control of plastic shrinkage was examined through thin slab tests. A test program was carried out to understand the influence of fiber geometry, length and fiber volume fraction. Three type of recycled PET fibers including straight, twist crimped and embossed type. Three volume fraction and two fiber length were investigated for each of the three fiber geometry. Test results indicated that recycled PET fibers are effective in controlling plastic shrinkage cracking in cement based composites. In respect to effect of length of fiber, longer fiber was observed to have efficient cracking controlling with low volume fraction in same fiber geometry while shorter fiber controled plastic shrinkage cracking efficiently as addition rate increase. Also, embossed type fibers were more effective in controlling plastic shrinkage cracking than other geometry fiber at low volume fraction. But, for high volume fraction, straight type fibers were most effective in plastic shrinkage cracking controlling in cement based composites.
The main objective of this study was to evaluate the effect of recycled PET fiber made from waste PET bottle on the control of plastic shrinkage cracking of cement based composites. PET is blown as a plastic material and used in a variety products such as a beverage bottle. However, waste PET bottles are thrown after the usage, raising huge problems in terms of the environment. Thus, the research on the method to recycle the PET bottles indicates important aspects in environment and economy. The method to recycle waste PET bottles as a reinforcing fiber for cement based composites is one of effective methods in terms of the recycle of waste PET bottles. In this research, the effect of recycled PET fiber geometry and length on the control of plastic shrinkage was examined through thin slab tests. A test program was carried out to understand the influence of fiber geometry, length and fiber volume fraction. Three type of recycled PET fibers including straight, twist crimped and embossed type. Three volume fraction and two fiber length were investigated for each of the three fiber geometry. Test results indicated that recycled PET fibers are effective in controlling plastic shrinkage cracking in cement based composites. In respect to effect of length of fiber, longer fiber was observed to have efficient cracking controlling with low volume fraction in same fiber geometry while shorter fiber controled plastic shrinkage cracking efficiently as addition rate increase. Also, embossed type fibers were more effective in controlling plastic shrinkage cracking than other geometry fiber at low volume fraction. But, for high volume fraction, straight type fibers were most effective in plastic shrinkage cracking controlling in cement based composites.
* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.
문제 정의
또한 섬유의 길이 및 혼입률은 시멘트 복합 재료의 체적에 포함되는 섬유의 수를 결정하여 시멘트 복합 재료의 미세 구조에 영향을 미치는 동시에 분산성에도 영향을 미쳐 시멘트 복합 재료의 소성 수축 균열에 영향을 미친다. 따라서 본 연구에서는 재생 PET 섬유의 혼입률, 길이 및 형상에 따른 소성 수축 균열 제어 특성을 평가하였다.
본 연구는 재생 PET 병을 콘크리트의 균열 제어용 보강 섬유로서의 성능을 평가하기 위하여 섬유의 형상, 길이에 따른 소성 수축 균열 제어 성능을 평가하였다. 실험 결과를 요약하면 다음과 같다.
1과 같은 슬래브 공시체를 항온항습실에 설치하고, 시멘트 복합체를 배합 후 슬래브 공시체에 타설한 후 trowel을 이용하여 표면을 마감하였다. 그 후 소성수축 균열 실험 결과 측정은 시멘트 복합재료 타설 후 24시간 후에 0.01 mm의 정밀도를 가진 균열게이지를 이용하여 실시하였다. 시멘트 복합체에서 발생한 소성수축균열 폭은 발생한 균열의 길이에서 최소 3개의 측점을 선정 평균값으로 하였다.
Banthia 등, Banthia와 Yan, Naaman 등은 서로 다른 응력 발생 장치를 이용한 단면적(70x100mm)이 작고 길이(1, 500mm) 가 긴 공시체를 사용하였다ms. 서로 다른 응력 발생 장치는 콘크리트, 강과 같은 서로 다른 재료를 이용하였으며 서로 다른 구속률을 제공하였다. 상기와 같은 방법 중에 실험실에서 소성 수축 균열을 유도하는데 가장 효과적인 방법은 판형 슬래브 공시체를 사용하는 방법이다.
00%로 증가시켜 실험을 실시하였다. 실험은 Fig. 1과 같은 슬래브 공시체를 항온항습실에 설치하고, 시멘트 복합체를 배합 후 슬래브 공시체에 타설한 후 trowel을 이용하여 표면을 마감하였다. 그 후 소성수축 균열 실험 결과 측정은 시멘트 복합재료 타설 후 24시간 후에 0.
1과 같은 얇은 슬래브 공시체를 이용하였다. 얇은 슬래브 공시체의 치수는 900x600x150mm로 공시체의 외부둘레에 인장응력을 발생시킬 수 있는 구속 섬유를 100 mm 간격으로 설치하였다. 또한 소성 수축 균열을 유도하기 위하여 사용된 시멘트 복합 재료의 배합비는 시멘트:잔골재 비를 1 : 1.
시멘트 복합체에서 발생한 소성수축균열 폭은 발생한 균열의 길이에서 최소 3개의 측점을 선정 평균값으로 하였다. 이와 같은 방법으로 균열의 길이와 폭을 측정한 후 총 균열 면적(균열 길이X균열 폭) 을 결정하였다. 최대 균열폭은 측정된 균열폭 중 가장 큰 폭으로 결정하였다.
83 kg/m2/hr 정도이다. 재생 PET 섬유의 혼입률은 0.00%, 0.50%, 0.75% 및 1.00%로 증가시켜 실험을 실시하였다. 실험은 Fig.
대상 데이터
본 연구에서는 판형 슬래브 공시체를 이용하여 재생 PET 섬유의 형상, 길이 및 혼입률에 따른 시멘트 복합재료의 소성 수축 균열 제어 특성을 평가하기 위하여 Fig. 1과 같은 얇은 슬래브 공시체를 이용하였다. 얇은 슬래브 공시체의 치수는 900x600x150mm로 공시체의 외부둘레에 인장응력을 발생시킬 수 있는 구속 섬유를 100 mm 간격으로 설치하였다.
데이터처리
01 mm의 정밀도를 가진 균열게이지를 이용하여 실시하였다. 시멘트 복합체에서 발생한 소성수축균열 폭은 발생한 균열의 길이에서 최소 3개의 측점을 선정 평균값으로 하였다. 이와 같은 방법으로 균열의 길이와 폭을 측정한 후 총 균열 면적(균열 길이X균열 폭) 을 결정하였다.
성능/효과
1) 섬유의 길이에 따른 소성 수축 균열 제어 특성은 섬유의 혼입률에 영향을 받았다. 즉, 섬유의 혼입률이 적은 경우에는 시멘트 복합 재료 내에서 정착길이가 길어 인장응력의 전달을 효과적으로 할 수있는 50mm 길이의 섬유가 총 균열 면적 발생을 감소시켰다.
2) 섬유의 형상에 따른 소성 수축 균열 제어 성능은 섬유의 혼입률이 적을 때는 부착 성능이 가장 우수한 embossed type의 섬유가 가장 우수하였다. 그러나 섬유의 혼입률이 증가할수록 부착 성능이 가장 낮은 straight type의 섬유가 균열 제어 성능이 우수하게 나타났다.
3) 본 연구의 실험 결과 가장 우수한 소성 수축 균열제어 성능을 나타낸 섬유의 형상 및 혼입률은 25 mm straight type 섬유의 혼입률 1.00%일 때 이다. 그러나 섬유 뭉침 현상을 해결할 수 있는 기술을 도입하면 시멘트 복합 재료에서 부착 성능이 우수한 50mm 길이의 embossed 및 crimped type의 섬유가균열을 통과하는 인장응력의 전달을 효과적으로 달성하여 균열 성장의 억제에 더 유리할 것으로 보인다.
00%에서는 섬유의 혼입률이 상대적으로 많아져 섬유 뭉침 현상이 발생하여 25 mm 길이의 섬유가좋은 균열 제어 성능을 발휘하였다. Crimped type 섬유의 경우 섬유의 형상이 상대적으로 섬유 뭉침 발생을 유도할 수 있는 형상으로 혼입률 0.50%에서도 상대적으로섬유 뭉침 현상이 발생하여 50 mm길이 보다는 25 mm길이에서 균열 제어 성능이 우수하게 나타났다. Embossed type의 경우 0.
00%일 때 이다. 그러나 섬유 뭉침 현상을 해결할 수 있는 기술을 도입하면 시멘트 복합 재료에서 부착 성능이 우수한 50mm 길이의 embossed 및 crimped type의 섬유가균열을 통과하는 인장응력의 전달을 효과적으로 달성하여 균열 성장의 억제에 더 유리할 것으로 보인다.
50%에서는 섬유 뭉침 현상이 크게 일어나지 않아 부착 성능이 우수한 50mm 길이의 섬유가 25mm 길이의 섬유보다 소성 수축 균열 발생 면적이 적었다. 그러나 섬유의 혼입률이 0.75% 및 1.00%에서는 섬유 뭉침 현상으로 시멘트 복합재료 내에서 섬유가 골고루 분산되지 않아 균열 발생면적이 25 mm 길이 섬유에서 우수하게 나타났다. 이와 같은 결과로부터 재생 PET 섬유가 시멘트 복합 재료에 첨가되었을 때 소성 수축 균열 제어 성능은 부착 성능이 우수한 길이가 긴 섬유가 유리하지만 섬유의 혼입률이 증가되면 섬유 뭉침 현상이 발생하기 때문에 분산성이 우수한 길이가 짧은 섬유가 우수하다는 것을 알 수 있다.
그러나 섬유의 혼입률이 증가할수록 부착 성능이 가장 낮은 straight type의 섬유가 균열 제어 성능이 우수하게 나타났다. 이는 섬유의 혼입률이 증가하면 부착 성능 향상을 위하여 형상을 변화시킨 crimped type 및 embossed type의 섬유가 서로 엉키는 현상이 발생하여 섬유 뭉침 현상이 발생하기 때문이다.
00%에서는 25 mm 섬유가 균열 제어 성능이 우수하였다. 또한 crimped type의 경우 모든 섬유의 혼입률에서 25 mm 길이의 섬유가 가장 우수한 결과를 보여주었으며, embossed type의 경우 혼입률 0.50%에서 는 길 이 50 mm의 섬 유가 우수한 결과를 보여주었으나 0.75% 이상에서는 25mm 길이의 섬유의 소성수축 균열 면적이 더 작게 나타났다. 일반적으로 섬유의 길이가 길어지면 부착 성능이 우수한 것으로 알려져 있다.
얇은 슬래브 공시체의 치수는 900x600x150mm로 공시체의 외부둘레에 인장응력을 발생시킬 수 있는 구속 섬유를 100 mm 간격으로 설치하였다. 또한 소성 수축 균열을 유도하기 위하여 사용된 시멘트 복합 재료의 배합비는 시멘트:잔골재 비를 1 : 1.2로 하고 물/시멘트비는 0.55%로 결정하였으며 항온항습실의 환경 조건은 온도 28~32℃, 습도는 37~40%, 풍속은 6m/sec로 유지하도록 하여 실험실환경에서 control 시험체의 소성 수축 균열의 발생 가능성을 극대화하였다. 이와 같은 조건에서 수분 증발률은 약 0.
50%에서는 섬유 뭉침 현상이 발생하지 않아 균열제어 성능은 50mm 길이의 섬유가 우수하였다 반면 crimped type의 경우 50mm 길이의 섬유에서는 분산성이좋지 않아 부착성능이 우수함에도 25 mm 길이의 섬유보다 균열 제어 성능이 감소하였다. 섬유의 혼입률 0.75% 및 1.00%에서는 25mm 및 50mm 섬유 모두 부착 성능이 가장 낮은 straight type의 섬유가 가장 우수한 소성 수축 균열 제어 성능을 보여주었으며 embossed type, crimped type 순으로 소성 수축 균열이 많이 발생하였다. 이와 같은 결과는 섬유의 혼입률이 0.
4 및 5와 같다. 실험 결과 균열 면적은 섬유의 혼입률이 적을 때는 길이가 긴 섬유가 균열 제어 효과가 우수하나 섬유의 혼입률이 증가하면 짧은 길이의 섬유가 균열 제어 효과가 우수하게 나타났다. 즉 Straight type의 경우 섬유의 혼입률이 0.
실험 결과 섬유의 혼입률 0.5%의 경우 25mm 및 50mm모두 부착 성능이 가장 좋은 embossed type의 섬유가 가장 우수한 결과를 보여주었다. 그러나 crimped type의 경우 straight type과 비교하여 25 mm에서는 우수한 성능을 보여주었으나 50mm에서는 더 많은 소성 수축 균열이 발생하였다.
3개 시편의 평균값을 제시한 것이다. 실험 결과 섬유의 혼입률이 증가할수록 섬유의 형상, 길이에 관계없이 소성 수축 균열이 감소하는 것을 알 수 있다. Fig.
실험 결과는 재생 PET 섬유를 첨가한 시멘트 복합 재료 시편은 2개, 재생 PET 섬유가 첨가되지 않은 control 시험체는 3개 시편의 평균값을 제시한 것이다. 실험 결과 섬유의 혼입률이 증가할수록 섬유의 형상, 길이에 관계없이 소성 수축 균열이 감소하는 것을 알 수 있다.
그러나 섬유의 혼입률이 증가하면 섬유의 뭉침 현상으로 인하여 길이가 짧은 25 mm 길이의 섬유가 총 균열 면적을 감소시키는 결과를 나타내었다. 이와 같은 결과는 섬유의 형상에 따라 차이는 있으나 결과적으로는 섬유의 흔입률이 1%까지증가하면 모든 섬유의 형상에서 25 mm 길이의 섬유가 50mm 길이의 섬유보다 총 균열 면적을 감소시키는 효과를 보여주었다.
이는 섬유의 혼입률이 증가하면 부착 성능 향상을 위하여 형상을 변화시킨 crimped type 및 embossed type의 섬유가 서로 엉키는 현상이 발생하여 섬유 뭉침 현상이 발생하기 때문이다. 이와 같은 결과는 섬유의 혼입률에 영향을 받았으나 0.5% 혼입률에서는 부착 성능이 가장 우수한 embossed type 의 섬유가 균열 제어 성능이 우수하였고, 1.0%에서는 부착 성능이 가장 작은 straight type의 섬유가 가장 우수한 결과를 보여주었다.
00%에서는 섬유 뭉침 현상으로 시멘트 복합재료 내에서 섬유가 골고루 분산되지 않아 균열 발생면적이 25 mm 길이 섬유에서 우수하게 나타났다. 이와 같은 결과로부터 재생 PET 섬유가 시멘트 복합 재료에 첨가되었을 때 소성 수축 균열 제어 성능은 부착 성능이 우수한 길이가 긴 섬유가 유리하지만 섬유의 혼입률이 증가되면 섬유 뭉침 현상이 발생하기 때문에 분산성이 우수한 길이가 짧은 섬유가 우수하다는 것을 알 수 있다. 즉 섬유의 길이가 긴 섬유는 분산성의 향상을 위해서는 폴리프로필렌 섬유와 같이 망사형 등으로 사용하거나, 강섬유와 같이 번들형 등으로 사용하는 것이 바람직하다.
그러나 crimped type의 경우 straight type과 비교하여 25 mm에서는 우수한 성능을 보여주었으나 50mm에서는 더 많은 소성 수축 균열이 발생하였다. 즉 embossed 및 straight type의 경우 섬유 혼입률 0.50%에서는 섬유 뭉침 현상이 발생하지 않아 균열제어 성능은 50mm 길이의 섬유가 우수하였다 반면 crimped type의 경우 50mm 길이의 섬유에서는 분산성이좋지 않아 부착성능이 우수함에도 25 mm 길이의 섬유보다 균열 제어 성능이 감소하였다. 섬유의 혼입률 0.
따라서 폴리프로필렌섬유의 경우 섬유의 길이가 길어지면 단사형 섬유보다는 망사형 섬유를사용하여 분산성을 향상시킴으로써 균열 제어 성능을 향상시키고 있다”). 즉 본 연구의 결과에서 재생 PET 섬유의 길이가 25mm에서 50mm로 증가하고 섬유의 혼입률이 0.5%에서 0.75% 및 1.00%로 증가하면 분산성이 나빠지기 때문에 균열 제어 효과가 감소하는 결과를 초래한다. 또한 소성 수축 균열은 섬유의 형상에 영향을 받는다.
참고문헌 (17)
Naaman, A E., New Fiber Technology, Concrete International, USA, Vol.20, No.7, 1998, pp,57-62
Wang, K., Surendra, P, Shah, and Pariya Puaksuk, 'Plastic Shrinkage Cracking in Concrete Materials Influence of Fly Ash and Fibers', ACI Materials Journal, Vol.98, No.49, 2001, pp.458-464
Balaguru, P. N. and Shah, S, P., Fiber Reinforced Cement Composites, McGraw-Hill Intemaltional Editions, 1992, pp.1-22
Bentur, A. and Mindess, S., Fibre Reinforced Cementitious Composites, Elsevier Applied Science, London, 1990, pp.1-11
Balaguru, P., 'Contribution of Fibers to Crack Reduction of Cement Composites the Initial and Final Setting Period', ACI Materials Journal, Vol.91, M27, 1994, pp.280-288
S. Mindess, J. and Francis, D, Darwin, Concree, 2nd edition, Pentis Hall, NJ, USA, 2003, pp.1-8
Qi, C., Weiss, W. J., and Olek, J., 'Characterization of PIastic Shrinkage Cracking in Fiber Reinforced Concrete Using Semi-Automate Image Analysis', Concrete Science and Engineering, Vol.36, No.260, 2003, pp.386-395
Najm, H. and Balaguru, P., 'Effect of Large-Diameter Polymeric Fibers on Shrinkage Cracking of Cement Composites', ACI Materials Journal, Vol.99, No.4, 2002. pp.345-351
Naaman, A. E., Xia, Z., Hikasa, J.I., and Saito, T., 'Control of Plastic Shrinkage Cracking of Concrete with PYA Fibers', Proceedings of International Symposium on Infrastructure Regeneration and Rehabilitation, University of Sheffield, UK, June 28-July 2, 1999, pp.371-385
Grzybowshi, M. and Shah, S.P., 'Shrinkage Cracking of Fiber Reinforced Concrete', ACI Materials Journal, Vol.87, M16, 1991, pp,138-148
Banthia, N, and Yan, C., 'Shrinkage Cracking in Polyolefin Fiber Reinforced Concrete', ACI Materials Journal, Vol.97, No.4, 2000, pp.432-437
Choi, Y. W., Moon, D. J., Chung, J. S., and Chod, S. K., 'Effects of Waste PET Bottles Aggregate on the Properties of Concrete', Cement and Concrete Research, No.35, 1985, pp.776-781
Kraai, Paul P., 'A Proposed Test to Determine the Cracking Potential due to Drying Shrinkage of Cracking', Concrete Construction, Vol.30, No.9, 1985, pp.775-778,
Carlson, R. and Reading, T. J., 'Model of Studying Shrinkage Cracking in Concrete Building Walls', ACI Structural Journal, Vol.85, No.4, 1988, pp.395-404
Banthia, N. and Gupta, R., 'Influence of Polypropylene Fiber Geometry on Plastic Shrinkage Cracking in Concrete', Cement and Concrete Research, No.36, pp.1263-1267
※ AI-Helper는 부적절한 답변을 할 수 있습니다.