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문제 정의
- 1. 본 연구에서는 프리폴리머와 폴리아민의 구성성분의 변화에 따른 영향을 파악하여 고성능 폴리우레아를 개발하였다. 개발된 폴리우레아는 기존 폴리우레아보다 초기반응성은 떨어지지만 중합반응이 거의 동시에 진행되도록 반응속도를 조절하여 공극을 충분히 채워줄 수 있으며, 미세기 포가 형성되지 않아 피착제와의 부착성능을 향상시켰다.
- 본 연구에서는 고성능 폴리우레아를 일반 구조물의 보수·보강재료로 사용하기 위한 기초적인 연구로 폴리우레아의 기본 구성물질의 변화에 따른 영향을 파악하고 폴리우레아를 RC 보와 슬래브에 적용하여 보강성능을 확인하고자 한다.
- 본 연구에서는 고인성의 폴리우레아를 콘크리트 구조물의 보강재료로 사용하기 위한 성능 검증을 실시하기 위하여, 보와 슬래브를 대상으로 휨 성능 실험을 실시하였다.
- 본 연구에서는 폴리우레아를 구조물의 보강재로 사용하기 위한 사전적인 연구로 기존 방수 코팅용으로 사용되는 폴리우레아의 성능을 개선시켜 구조물에 적용하여 보강성능을 확인한 결과 다음과 같은 결론을 도출하였다.
- 본 연구에서는 폴리우레아의 성능을 확인하기 위하여 Table 1에 나타낸 것과 같은 구성물을 가지고 주제(prepolymer)와 경화제(hardener)의 구성성분의 조성비를 변화시켜 가면서 구성성분이 폴리우레아의 성능에 미치는 영향을 확인하여 보았다. 먼저 주제의 합성은 MDI를 70%, 폴리옥시프로필렌글리콜을 20%, 안정제 및 점도 강하제로 사용되는 프로필렌 카보네이트(propylenecarbonate)를 10% 사용하여 합성하였다.
제안 방법
- 먼저 주제의 합성은 MDI를 70%, 폴리옥시프로필렌글리콜을 20%, 안정제 및 점도 강하제로 사용되는 프로필렌 카보네이트(propylenecarbonate)를 10% 사용하여 합성하였다. 경화제는 폴리옥시프로필렌디아민 40%, DETDA 10%, 2차 아민 2%, 폴리프로필렌 글리콜 2%, 무기질 안료 2%이내, UV 흡착제 2%미만으로 혼합하여 폴리우레아를 제조하였다.
- 2와 Table 5에 나타내었다. 구조성능 실험은 2000 kN 용량의 만능시험기(UTM)를 사용하여 3점 휨 실험을 하였으며, 슬래브는 휨 성능을 평가하기 위해 선하중을 재하하였다. 하중은 보의 중앙점에서 0.
- 일반적으로 폴리우레아의 제조에 사용되는 주제와 경화제는 그 종류가 매우 다양하고 주제와 경화제가 균일하게 혼합된 상태라고 하더라도 미시적 관점에서 균일한 반응이 진행되기는 매우 어려운 것으로 보였다. 따라서 본 연구에서는 기존의 폴리우레아에 비하여 초기 반응성은 다소 떨어지지만 중합 반응 시 합성 중합반응이 거의 동시에 진행되면서 미세한 부분의 미세기포가 형성되지 않도록 물질을 구성하였다.
- 한편 주제의 형성 과정에서 프리폴리머의 점도가 높아질 수 있고 반응이 쉽게 진행되어 안정성이 떨어질 수 있으므로 안정제를 주제에 혼합하여 사용한다. 또한 빛에 대한 안정성을 높이기 위해 기본적으로 경화제에 UV 차단제 (UV sorbent)와 무기질 안료(pigment)를 혼합 사용하도록 구성하였다.
- 시험체의 거동을 확인하기 위하여 보 중앙 최대 모멘트 지점인 중앙부 하부의 인장철근에 철근용 변형률 게이지를 부착하였고, 콘크리트의 응력을 측정하기 위하여 콘크리트 상부에 콘크리트용 변형률 게이지를 부착하여 변형률을 측정하였다. 또한, 시험체의 하부에 부착한 섬유시트와 폴리우레아의 변형률은 복합 변형률 게이지를 부착하여 측정하였으며, LVDT를 사용하여 중앙점에서의 처짐을 측정하였다.
- 본 연구에서는 폴리우레아의 성능을 확인하기 위하여 Table 1에 나타낸 것과 같은 구성물을 가지고 주제(prepolymer)와 경화제(hardener)의 구성성분의 조성비를 변화시켜 가면서 구성성분이 폴리우레아의 성능에 미치는 영향을 확인하여 보았다. 먼저 주제의 합성은 MDI를 70%, 폴리옥시프로필렌글리콜을 20%, 안정제 및 점도 강하제로 사용되는 프로필렌 카보네이트(propylenecarbonate)를 10% 사용하여 합성하였다. 경화제는 폴리옥시프로필렌디아민 40%, DETDA 10%, 2차 아민 2%, 폴리프로필렌 글리콜 2%, 무기질 안료 2%이내, UV 흡착제 2%미만으로 혼합하여 폴리우레아를 제조하였다.
- 02 mm/sec의 속도로 변위제어를 실시하여 구조물이 파괴될 때까지 실험을 수행 하였다. 시험체의 거동을 확인하기 위하여 보 중앙 최대 모멘트 지점인 중앙부 하부의 인장철근에 철근용 변형률 게이지를 부착하였고, 콘크리트의 응력을 측정하기 위하여 콘크리트 상부에 콘크리트용 변형률 게이지를 부착하여 변형률을 측정하였다. 또한, 시험체의 하부에 부착한 섬유시트와 폴리우레아의 변형률은 복합 변형률 게이지를 부착하여 측정하였으며, LVDT를 사용하여 중앙점에서의 처짐을 측정하였다.
대상 데이터
- 본 연구에 사용된 RC 보는 주철근으로 D22 철근을 사용하였으며, 전단보강철근은 D10 철근을 100 mm 간격으로 배근하여 제작하였다. RC 슬래브는 상하부 모두 HD13 철근을 사용하여 제작하였다. RC 시험체의 단면형상 및 배근형태는 Fig.
- 시험체는 보와 슬래브를 대상으로 하였으며, 보 시험체는 총 4개, 슬래브 시험체는 총 9개로 제작하였다. 기준이 되는 무보강 시험체(Control)와 시험체 하부에 폴리우레아를 두께(3 mm, 5 mm)에 따라 분사 도포한 시험체(PU), 섬유시트 (Carbon fiber sheet, Glass fiber sheet)를 전단면에 부착한 시험체, 그리고 섬유시트와 폴리우레아를 같이 적용한 시험체로 구성하였으며, 실험에 사용된 보강재료의 기본 물성은 Table 4에 나타내었다.
- 주제(prepolymer)는 이소시아네이트(isocyanate)와 다이올 (diol)의 반응으로 형성되며, 이소시아네이트는 지방족 디이소시아네이트(diisocyanate)나 방향족 디이소시아네이트 모두 사용될 수 있다. 본 연구에 기본적으로 사용되는 디이소시아네이트는 메틸렌 디페닐 디이소시아네이트(methylene diphenyl diisocyanate, MDI)이다. MDI를 사용하면 톨루엔디이소시아네이트(toluene diisocyanate, TDI)를 사용할 때에 비하여 반응성도 크고 합성된 폴리우레아의 품질이 대단히 양호하게 된다.
- 본 연구에 사용된 RC 보는 주철근으로 D22 철근을 사용하였으며, 전단보강철근은 D10 철근을 100 mm 간격으로 배근하여 제작하였다. RC 슬래브는 상하부 모두 HD13 철근을 사용하여 제작하였다.
- 본 연구에 사용된 경화제는 아민 화합물로 폴리옥시프로필렌디아민(polyoxypropylenediamine)과 폴리에테르트리아민 (polyethertriamine), 디에틸레이티드 톨루엔트리아민(diethylatedtoluenetriamines, DETDA), 그리고 2차 아민(secondary amine)의 혼합물을 사용하여 구성하였다.
- 본 연구에서는 고성능 폴리우레아의 보강성능에 따른 거동을 파악하기 위하여 Table 3과 같이 시험체를 계획하였다. 시험체는 보와 슬래브를 대상으로 하였으며, 보 시험체는 총 4개, 슬래브 시험체는 총 9개로 제작하였다. 기준이 되는 무보강 시험체(Control)와 시험체 하부에 폴리우레아를 두께(3 mm, 5 mm)에 따라 분사 도포한 시험체(PU), 섬유시트 (Carbon fiber sheet, Glass fiber sheet)를 전단면에 부착한 시험체, 그리고 섬유시트와 폴리우레아를 같이 적용한 시험체로 구성하였으며, 실험에 사용된 보강재료의 기본 물성은 Table 4에 나타내었다.
- 이러한 공극의 생성을 최대한 억제하기 위하여 본 연구에서는 실란계 소포제(γglycidoxypropyltrimethoxysilane)를 1%사용하였다.
성능/효과
- PU시편은 Fig. 6(a)에 나타난 것과 같이 파괴시까지 폴리우레아와 콘크리트계면에서의 박리현상은 나타나지 않아 일체거동을 하는 것으로 나타났으며, 하부 균열이 발생하는 위치에서 폴리우레아가 늘어나는 것을 확인할 수 있다. 그러나, 폴리우레아 보강에 의한 강성 증가 효과는 없는 것으로 나타났다.
- 2. 폴리우레아를 구조물의 보강재료로 사용하기 위한 성능검증 시험을 실시한 결과, 보에서는 폴리우레아로 보강한 시편의 보강효과는 거의 나타나지 않았다. 슬래브에서는 폴리우레아의 두께에 비례하여 강도 증가를 보였으며, 최대 112%의 극한강도 증가를 보였다.
- 3. 폴리우레아로 보강한 시편은 콘크리트 시편과 매우 안정적으로 일체거동을 하여 계면부착파괴 없이 콘크리트 시편과 유사한 휨 파괴 거동을 보였다. 이는 반응속도를 조절하여 부착성능을 최대로 하였기 때문인 것으로 판단된다.
- Figs. 7~9의 결과로부터 폴리우레아는 콘크리트에 직접적으로 보강할 경우 강성과 연성이 증가되는 반면, 유리섬유시트나 탄소섬유시트와 같은 섬유와 복합적으로 적용할 경우 보강효과가 거의 나타나지 않는 것으로 판단된다. 이러한 결과는 폴리우레아가 섬유시트의 변형을 억제하고 콘크리트에 작용하는 응력을 집중시키기 때문인 것으로 판단된다.
- 8은 유리섬유시트와 폴리우레아를 적용한 슬래브 시험체의 하중-변위 관계 그래프이다. Fig. 8에 나타낸 것과같이 유리섬유시트만으로 보강한 시험체가 가장 높은 극한강도를 보이고 있으며, 폴리우레아와 함께 적용한 시험체는 보강두께에 상관없이 극한강도를 저하시키는 것으로 나타났다. 탄소섬유시트로 보강한 시험체에 대한 결과인 Fig.
- 본 연구에서는 프리폴리머와 폴리아민의 구성성분의 변화에 따른 영향을 파악하여 고성능 폴리우레아를 개발하였다. 개발된 폴리우레아는 기존 폴리우레아보다 초기반응성은 떨어지지만 중합반응이 거의 동시에 진행되도록 반응속도를 조절하여 공극을 충분히 채워줄 수 있으며, 미세기 포가 형성되지 않아 피착제와의 부착성능을 향상시켰다.
- 3단계에서는 1단계의 배합에서 2차 아민의 혼합량을 30%로 증가시키고 폴리옥시프로필렌디아 민을 30%로 감소하여 실험하였다. 건조경화 시간이 40초로 매우 느리게 반응하는 것을 알 수 있으며, 부착강도가 증가하였다. 4단계에서는 3단계와 거의 동일하나 폴리에테르트리아민을 고분자량으로 사용하였다.
- 4단계에서는 3단계와 거의 동일하나 폴리에테르트리아민을 고분자량으로 사용하였다. 건조시간은 부착강도가 발현하기 적정한 30초 내외로 형성되었으며, 신장률이 향상되는 것을 확인할 수 있다. 5단계에서는 3단계 배합에서 폴리에테르트리아민을 고분자량 10%와 저분자량 20%로 혼합하여 사용한 결과, 건조시간이 빨라져 부착강도가 저하되었다.
- 그러나, 섬유시트로 보강된 GF시리즈와 CF시리즈는 모두 섬유시트와 콘크리트의 탈락에 의한 계면 부착파괴가 발생하였으며, 섬유의 부착파괴 이전까지는 매우 안정적인 휨 균열이 발생한 것으로 나타났다.
- 폴리우레아로 보강된 시편(PU)은 기준시험체와 비교하여 극한강도와 파괴강도가 거의 유사하게 나타나고 있다. 그러나, 최대 변위는 기준시험체와 PU 시험체가 각각 53.11 mm와 61.42 mm로 PU 시험체의 변위가 더 크게 발생하여 연성증가에 효과가 있는 것을 확인할 수 있다. 섬유시트로 보강한 시편(FRP)은 기준시험체에 비해 최대 112%의 강성증가를 보이고 있다.
- 또한, 강도 증가와 함께 중앙점에서의 최대 변위도 함께 증가하는 것으로 나타났다. 그러나, 폴리우레아와 섬유시트를 복합적으로 적용한 경우에는 섬유시트 위에 도포된 폴리우레아가 섬유시트의 인장변형을 억제시키고 응력을 집중시켜 오히려 섬유시트의 성능을 감소시키는 것으로 나타났다.
- 10에 슬래브 시험체의 파괴형상과 균열도를 나타내었다. 기준시편은 철근의 항복에 의한 휨 파괴 거동을 나타내었으며, 폴리우레아로 보강한 PU3와 PU5 시편도 기준시험 체와 거의 유사한 휨 파괴 거동과 균열 양상을 보이는 것을 확인할 수 있다. 폴리우레아는 높은 부착성능과 파단변형률이 310%에 이르는 고인성 재료이기 때문에 계면부착파괴나 폴리우레아의 파단에 의한 파괴가 발생하지 않은 것으로 판단된다.
- Table 2의 실험결과에서와 같이 소포제를 사용하였을 경우, 사용하지 않은 경우에 비해 60%이상의 부착력이 증가하는 것을 알 수 있다. 따라서, 본 연구에서 개발하는 폴리우레아는 소포제를 혼합하여 사용하는 것이 좋을 것으로 판단된다.
- 5단계에서는 3단계 배합에서 폴리에테르트리아민을 고분자량 10%와 저분자량 20%로 혼합하여 사용한 결과, 건조시간이 빨라져 부착강도가 저하되었다. 따라서, 부착강도가 유지되며 건조시간이 빠르게 진행되는 4단계의 배합이 가장 높은 성능을 보이는 것으로 판단된다.
- 8 kN으로 기준시험체에 비해약 106% 증가하였으며, 5 mm 두께로 도포한 PU5 시험체는 약 112% 가량 극한강도가 증가하였다. 뿐만 아니라 폴리우레아의 두께가 증가할수록 중앙점에서의 최대 변위도 증가하는 것으로 나타나 강성과 연성이 모두 증가하는 것으로 나타났다. 이러한 결과는 신장률이 높은 폴리우레아가 콘크리트에 발생하는 집중응력을 분산시켜 주기 때문인 것으로 판단된다.
- 6(b)와 같이 극한하중에 도달한 이후 섬유시트와 콘크 리트 사이에서 섬유시트가 떨어지는 부착파괴가 발생하였다. 섬유시트로 보강한 시편 위에 폴리우레아를 도포한 (FRP+PU) 시편은 섬유시트만으로 보강한 FRP 시편보다 전체적으로 낮은 성능을 나타내었다. 섬유시트 위에 도포된 폴리우레아가 섬유시트와의 상호작용으로 성능을 증대시킬 것으로 기대하였으나, 오히려 섬유시트의 변형을 억제시키며 응력을 집중시키는 것으로 나타나, FRP 시편보다 조기에 계면부착파괴가 발생하였다.
- 42 mm로 PU 시험체의 변위가 더 크게 발생하여 연성증가에 효과가 있는 것을 확인할 수 있다. 섬유시트로 보강한 시편(FRP)은 기준시험체에 비해 최대 112%의 강성증가를 보이고 있다. 그러나, 초기균열 강도는 30 kN 전·후로, 초기균열 강도에 대한 섬유시트와 PU의 보강효과는 크지 않은 것으로 나타났다.
- 실험 결과, 일정 수준의 부착력과 인장강도가 확보되나 건조 시간이 5초로 매우 빠르게 진행되는 것을 알 수 있다. 2단계에서는 경화제는 고정시키고 주제의 디이소시아네이트를 지방족 디이소시아네이트 40%와 MDI를 30%로 혼합한 결과 경화시간이 10초로 늦어지는 것을 알 수 있었다.
- 8 kN으로 RC 보 실험에서와 마찬가지로 가장 낮은 휨 성능을 나타내었다. 폴리우레아를 3 mm 두께로 도포한 PU3 시험체는 극한강도가 165.8 kN으로 기준시험체에 비해약 106% 증가하였으며, 5 mm 두께로 도포한 PU5 시험체는 약 112% 가량 극한강도가 증가하였다. 뿐만 아니라 폴리우레아의 두께가 증가할수록 중앙점에서의 최대 변위도 증가하는 것으로 나타나 강성과 연성이 모두 증가하는 것으로 나타났다.
후속연구
- 방향족 디이소시아네이트만을 사용할 때는 빛에 대한 안정성을 높이기 위하여 가수분해 반응 억제제나 열분해 반응 억제제 또는 자외선 차단제 등을 사용하여야 한다. 결과적으로 방향족 및 지방족 디이소시아네이트가 각각 단독으로 사용되거나 또는 2가지 이상 혼합되어 사용될 수도 있으나 이들 물질이 본 연구의 주제 (prepolymer)로 사용된다.
- 본 연구에 사용된 방향족 2차 아민은 반응 속도가 1차아민에 비하여 느려 부착 강도 증진에 탁월한 효과가 있으며 소포제의 사용 없이도 고강도의 부착력을 발휘할 것으로 기대된다. 또한 폴리머 형성 과정에서 미세한 공극을 감소시키고 부착 표면에 대한 부착력을 증가시키기 위하여 소포제의 성질을 갖는 물질을 혼용하여 사용한다.
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