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문제 정의
- 2절에서 기술한 바와 같이 압출성형 ECC는 배합에 따라 휨거동 특성이 서로 상이하며, 섬유 분포 특성도 다르게 나타났다. 따라서 이 연구에서는 4종류의 배합 차이가 각각의 섬유 분포 특성으로 나타나고, 이 특성이 휨강도에 영향을 미친 주요 요인이라 보고 결과를 분석하였다.
- 따라서 이 연구에서는 유사변형경화와 다수균열 특성을 갖는 압출성형 ECC 패널을 제작/생산하기 위하여 일련의 이론 및 실험 연구를 수행하였고, 압출성형 ECC 패널의 섬유 분포특성을 파악하여 휨성능에 미치는 섬유분포의 영향에 관하여 정량적인 결과를 도출하였다.
- 압출성형된 ECC를 제조하기 위한 이론적/실험적 연구 및 이러한 ECC 내부의 섬유의 분포 특성이 휨성능에 미치는 영향에 관한 이 연구를 통하여 다음과 같은 결론을 얻었다.
제안 방법
- 배합 조건을 결정하기 위하여 물/결합재 비(W/B), 플라이애쉬(FA/B), 규사(S/B)를 각각 8~12%, 35%, 50%로 설정하여 예비실험을 수행하였다. 실험 결과 이 배합에서는 PVA 섬유를 0.
- 5%만 혼입하여도 비빔 성능을 확보할 수 없었다. 비빔 성능을 확보하기 위하여 W/B를 증가시키면 강도 특성 및 압출성형 성능을 발현할 수 없기 때문에 섬유를 건비빔 과정에서 미리 분산시키는 대안을 고려하였다. 또한 증점제(메틸셀룰로스계)의 양을 조절하면서 섬유의 분산성을 높이는 방안을 검토하여, 압출성형 제품의 경우 증점 성분이 다량 필요하다는 특성을 발견하였으며, 실험 결과 PVA섬유를 4%까지 혼입할 수 있음을 확인하였다.
- 1과 같다. 옴니믹서를 이용하여 분체 재료와 섬유를 건비빔(dry mixing)하고 니더믹서에서 배합수를 1/2씩 첨가하면서 각각 3분씩 습식 비빔(wet-mixing)을 한다. 마지막으로 압출성형하여 패널을 제조한다.
- 이를 고려하여 이 제품은 압출성형 이후, 이송하여 4~5시간 전치양생을 거친 후 60°C에서 고온 양생하는 과정으로 양생 라인을 조절하였다.
대상 데이터
- ECC 파우더는 시멘트 매트릭스 강도 보강, 압출성형을 할 때 형상 유지 및 생산성 향상, 그리고 부가적인 내화성능 향상을 위한 분말재료로 구성되어 있다.11) 또한 밀도 2.66 g/cm3, 비표면적 3,793 cm2/g인 규사미분(silica powder: K사)과 밀도 2.64 g/cm3, 평균입경 0.2 mm인 규사(silica sand)를 골재로 사용하였다. 섬유는 고장력 PVA 섬유로 직경 39 µm길이 6~8 mm를 이용하였으며, 기계적/ 화학적 특성은 Table 2와 같다.
- 압출성형된 ECC 패널 제조에 사용된 재료의 물리적/화학적 특성은 Table 1과 같다. 밀도 3.15 g/cm3의 보통 포틀랜드시멘트와 ECC 파우더를 결합재로 사용하였다. ECC 파우더는 시멘트 매트릭스 강도 보강, 압출성형을 할 때 형상 유지 및 생산성 향상, 그리고 부가적인 내화성능 향상을 위한 분말재료로 구성되어 있다.
- 섬유는 고장력 PVA 섬유로 직경 39 µm길이 6~8 mm를 이용하였으며, 기계적/ 화학적 특성은 Table 2와 같다.
- 실험체는 압출성형된 폭 100 mm 두께 10 mm의 패널을 400 mm로 절단하여 제작하였다. 실험 변수는 Table 3의 배합조건으로 하여 각 변수별 2개씩 제작하였다.
이론/모형
- 압출성형 ECC 패널의 휨성능을 실험적으로 평가하기 위하여 KS F 2408 『콘크리트의 휨 강도 시험방법』에 준하여 3등분점 재하시험을 실시하였다. 실험체의 형상은 Fig.
- 섬유의 분포 특성은 섬유를 매트릭스로부터 정확히 검출하고, 각 섬유의 위치와 단면에서 섬유 이미지의 형상에 따라 분포 특성을 나타낼 수 있는 값을 계산함으로써 정량적으로 나타낼 수 있다. 이 연구에서는 김윤용 등12)이 제시한 섬유 분류 및 검출 기법을 적용하였다. 이 방법은 세 가지 절차와 두 가지 이미지 프로세싱 과정으로 구성된다.
- 실험 변수는 Table 3의 배합조건으로 하여 각 변수별 2개씩 제작하였다. 휨 실험은 Fig. 4와 같이 KS F 2408에 따라 수행하였고, 처짐은 중앙부 양 측면에 LVDT를 설치하여 측정하였다(Fig. 4). 휨 강도는 다음 수식과 같이 계산하였다.
성능/효과
- 1) 안정상태 균열 이론에 의한 배합 결정, 섬유의 건식 분산 및 2차 배합, 오토클레이브 과정을 대체한 고온 양생 기법, PVA섬유 2% 혼입을 통하여 변형률 경화거동을 보이는 압출성형 ECC를 제조할 수 있다.
- 이와 같이 높은 Jtip으로 인하여 다중 균열을 발생시킬 수 있는 포텐셜이 감소하게 된다.17) 섬유 분산성 측면에서는 NO1 실험체가 NO3 실험체보다 약 14% 낮은 값을 나타내고 있어, 상대적으로 불량한 분산 성을 보이고 있다. 또한 Fig.
- 2) 물과 매트릭스의 비율이 9.8%이고 시멘트, ECC 파우더, 규사미분의 비율이 각각 33, 29, 37.2일 때 변형률 경화거동 및 인성 측면에서 가장 높은 성능을 보이는 것으로 나타났다.
- 85 J/m2를 사용하였다. 2.1절에서 기술한 바와 같이 ECC의 거동 특성은 매트릭스의 파괴인성(Jtip), 강도(ft), 그리고 섬유 가교 곡선의 영향을 받는다. 즉, 매트릭스 파괴인성과 강도가 낮을수록, 섬유 가교의 상보에너지(#)와 최고 가교 응력(σ0)이 클수록 유사 변형경화 특성이 나타날 확률이 높아진다.
- 3) 섬유 분산성의 경우 휨 인성이 큰 순서대로 좋은 것으로 나타났으며 이로부터 섬유 분산성이 좋을수록 휨 인성이 크게 나타나는 것을 알 수 있다. 섬유 방향성의 경우 실험체 별로 크게 차이가 발생하지 않았으나 약 44o로 나타났다.
- 4) 동일한 압출성형 공정을 적용하더라도 매트릭스의 배합에 따라 섬유 분포 특성이 상이하게 나타났으며, 이러한 섬유 분포 특성에 의하여 ECC의 휨거동에 차이가 발생하였다. 따라서 원하는 성능(초기 균열 강도 및 인성)의 압출성형 ECC 패널을 제조하기 위해서는 제조 공정과 함께 재료의 배합비와 결과적으로 나타나는 섬유 분포 특성을 함께 고려하는 것이 바람직하다.
- 4.1절과 4.2절에서 기술한 바와 같이 압출성형 ECC는 배합에 따라 휨거동 특성이 서로 상이하며, 섬유 분포 특성도 다르게 나타났다. 따라서 이 연구에서는 4종류의 배합 차이가 각각의 섬유 분포 특성으로 나타나고, 이 특성이 휨강도에 영향을 미친 주요 요인이라 보고 결과를 분석하였다.
- 5) 이러한 압출성형기법을 ECC에 적용함으로써 비례변형한도 내에서는 재료의 강도 및 탄성계수를 크게 향상시킬 수 있고, 비례변형한도 이후에는 높은 연성을 유지할 수 있도록 만들 수 있다. 또한 ECC와 같이 비교적 많은 양의 섬유가 혼입된 시멘트복합재료를 제작할 때 압출성형 기법을 사용하면, 섬유가 방향성을 의도적으로 부여할 수 있다는 장점이 있다.
- 7은 휨성능에 차이가 가장 많이 발생하였던 NO1과 NO3 시편의 대표적인 섬유 사진이다. Table 4와 Fig. 7에서 확인할 수 있듯이 섬유 분산성의 경우, NO3 실험체가 평균적으로 가장 우수하게 평가되었고, NO2, NO4, 그리고 NO1 실험체 순으로 좋은 것으로 나타났다. 이러한 결과는 섬유의 분산성이 우수할수록 ECC의 인장 거동 특성이 개선된다는 기존의 연구 결과15)로 부터 NO3, NO2, NO4, NO1 순으로 인장 성능이 좋을 것으로 예상할 수 있으며, 그러한 경향을 Fig.
- 평가 결과 초기 재령 3일에 압축강도는 30% 이상 발현하고 있어, 야적 및 양생 중 파손이나 변형이 발생하지 않는다는 것을 알 수 있었다. 따라서 오토클레이브 양생을 실시하지 않고도 3일 내에 제품 생산을 완료할 수 있었으며, 오트클레이브 양생을 생략함으로써 보다 경제적인 제품을 생산할 수 있었다.
- 39로써 가장 높게 나타나 우수한 연성능력을 갖고 있음을 알 수 있다. 또한 균열 개수를 통한 분석에 있어서도 NO3 실험체가 11~12개로써 가장 우수한 다수 균열 특성을 나타내었다. 압출성형 ECC 패널의 휨 강성은 42.
- 또한 상대적으로 큰 입경의 충진재를 매트릭스에 혼입함으로써 섬유 분산성을 저하시키는 결과가 나타나 αf값(Table 5)이 NO3에 비하여 약 11.0% 낮은 것으로 평가되었다.
- 비빔 성능을 확보하기 위하여 W/B를 증가시키면 강도 특성 및 압출성형 성능을 발현할 수 없기 때문에 섬유를 건비빔 과정에서 미리 분산시키는 대안을 고려하였다. 또한 증점제(메틸셀룰로스계)의 양을 조절하면서 섬유의 분산성을 높이는 방안을 검토하여, 압출성형 제품의 경우 증점 성분이 다량 필요하다는 특성을 발견하였으며, 실험 결과 PVA섬유를 4%까지 혼입할 수 있음을 확인하였다. Table 3은 배합조건으로 결정된 4가지 종류의 배합 조건을 나타낸 것으로, 이 조건을 이용하여 휨 강도 특성을 평가하였다.
- 섬유 방향성의 경우, 실험체 별로 크게 차이가 발생하지는 않았으나, NO2와 NO3 실험체는 평균적으로 촬영 단면 방향(휨인장 방향)과 43.5° 기울어진 것으로 평가된 반면, NO1과 NO4 실험체의 경우 평균 45° 기울어진 것으로 나타났다.
- 배합 조건을 결정하기 위하여 물/결합재 비(W/B), 플라이애쉬(FA/B), 규사(S/B)를 각각 8~12%, 35%, 50%로 설정하여 예비실험을 수행하였다. 실험 결과 이 배합에서는 PVA 섬유를 0.5%만 혼입하여도 비빔 성능을 확보할 수 없었다. 비빔 성능을 확보하기 위하여 W/B를 증가시키면 강도 특성 및 압출성형 성능을 발현할 수 없기 때문에 섬유를 건비빔 과정에서 미리 분산시키는 대안을 고려하였다.
- 3% 우수한 섬유 분산성을 갖고 있으며, 섬유들의 방향성 또한 휨인장 방향에 가깝게 배열되었기 때문인 것으로 사료된다. 이러한 결과로부터 섬유의 분포 특성이 휨 거동에 미치는 영향이 있음을 확인하였다. 향후에는 섬유의 분포 특성과 ECC의 역학적 특성의 관계를 보다 정량적으로 구명할 수 있도록 마이크로역학에 근거한 상세한 연구가 필요할 것으로 판단된다.
- 한편, NO1 실험체를 제외한 다른 모든 실험체에서는 초기균열 이후 강도가 증가하는 특징을 보였다. 최대 휨강도는 NO2 및 NO3 실험체가 35~38 MPa로 나타나 일반적인 ECC 패널(휨 강도 10~15 MPa)에 비하여 2~4배 높게 나타났다. 휨 강도에 해당하는 처짐 값과 초기 균열이 발생했을 때의 처짐 비를 분석해 보면, NO3시험체가 8.
- 초기 제품 야적 단계에서 3일 이상 양생을 하지 못하기 때문에 초기 재령 강도를 검토할 필요가 있었다. 평가 결과 초기 재령 3일에 압축강도는 30% 이상 발현하고 있어, 야적 및 양생 중 파손이나 변형이 발생하지 않는다는 것을 알 수 있었다. 따라서 오토클레이브 양생을 실시하지 않고도 3일 내에 제품 생산을 완료할 수 있었으며, 오트클레이브 양생을 생략함으로써 보다 경제적인 제품을 생산할 수 있었다.
- 한편 NO2와 NO3 실험체는 NO1과 NO4 실험체에 비하여 우수한 섬유 분산성과 높은 #과 σ0를 갖는 것으로 측정되어 유사 변형경화 특성을 나타나는 데에 월등히 유리한 것으로 나타났다.
- 최대 휨강도는 NO2 및 NO3 실험체가 35~38 MPa로 나타나 일반적인 ECC 패널(휨 강도 10~15 MPa)에 비하여 2~4배 높게 나타났다. 휨 강도에 해당하는 처짐 값과 초기 균열이 발생했을 때의 처짐 비를 분석해 보면, NO3시험체가 8.72~9.39로써 가장 높게 나타나 우수한 연성능력을 갖고 있음을 알 수 있다. 또한 균열 개수를 통한 분석에 있어서도 NO3 실험체가 11~12개로써 가장 우수한 다수 균열 특성을 나타내었다.
후속연구
- 이러한 결과로부터 섬유의 분포 특성이 휨 거동에 미치는 영향이 있음을 확인하였다. 향후에는 섬유의 분포 특성과 ECC의 역학적 특성의 관계를 보다 정량적으로 구명할 수 있도록 마이크로역학에 근거한 상세한 연구가 필요할 것으로 판단된다.
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