[논문]고인성 섬유보강 무시멘트 복합체의 기초 배합 및 역학 실험

조창근; 임현진; 양근혁; 송진규; 이방연

doi:10.4334/jkci.2012.24.2.121

고인성 섬유보강 무시멘트 복합체의 기초 배합 및 역학 실험
Basic Mixing and Mechanical Tests on High Ductile Fiber Reinforced Cementless Composites 원문보기

콘크리트학회논문집 = Journal of the Korea Concrete Institute, v.24 no.2, 2012년, pp.121 - 127

조창근 (조선대학교 건축학부) , 임현진 (조선대학교 건축학부) , 양근혁 (경기대학교 건축공학과) , 송진규 (전남대학교 건축학부) , 이방연 (전남대학교 건축학부)

초록
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지금까지 연구된 고인성 섬유 복합체의 주요 결합재는 시멘트이다. 이 연구의 목적은 시멘트를 전혀 사용하지 않은 고로슬래그 기반 알칼리 활성 모르타르와 PVA(polyvinyl alcohol) 섬유를 이용하여 고인성을 나타내는 복합체에 대한 가능성을 검토하는 것이다. 이를 위하여 알칼리 활성화제 종류에 따라 균일한 섬유 분산성을 확보하면서 섬유 혼합을 용이하게 하기 위한 적절한 모르타르의 유동성 및 점성을 갖는 두 가지 배합을 결정하였고, 복합체의 기본적인 성능을 평가하기 위하여 슬럼프 플로, 압축강도, 일축인장, 휨 실험을 수행하였다. 실험 결과 두 가지 배합의 슬럼프 플로는 평균 465 mm로 나타났고, 약 2% 정도의 인장 변형 성능과 다중 미세균열을 나타내는 것을 확인하였다. 이를 통하여 시멘트를 전혀 사용하지 않고도 변형률 경화 거동에 의한 고인성을 나타내는 섬유 복합체의 개발 가능성을 입증하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

Cement has been traditionally used as a main binding material of high ductile fiber reinforced cementitious composites. The purpose of this paper is to investigate the feasibility of using alkali-activated slag and polyvinyl alcohol (PVA) fibers for manufacturing high ductile fiber reinforced cementless composites. Two mixture proportions with proper flowability and mortar viscosity for easy fiber mixing and uniform fiber dispersion were selected based on alkali activators. Then, the slump flow, compression, uniaxial tension and bending tests were performed on the mixes to evaluate the basic properties of the composites. The cementless composites showed an average slump flow of 465 mm and tensile strain capacity of approximately 2% of due to formation of multiple micro-cracks. Test results demonstrated a feasibility of manufacturing high ductile fiber reinforced composites without using cement.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

따라서 이 연구의 목적은 최근 활발히 연구되고 있는 시멘트를 전혀 사용하지 않는 알칼리 활성 슬래그를 결합재로 사용하고 PVA(polyvynyl alcohol) 섬유로 보강하여 ECC와 같은 고인성을 나타내는 섬유 보강 무시멘트 복합체 개발의 가능성을 검토하는 것이다. 이를 위하여 두 가지 결합재를 변수로 2%(부피비)의 PVA 섬유를 혼입하여 복합체를 제조하였고, 유동성, 압축강도, 일축인장 성능, 휨 성능을 조사하였다.
이 연구에서는 시멘트를 전혀 사용하지 않아 친환경적이고, 미세한 다중 균열에 의한 변형 경화거동에 의하여 고내구성/고인성을 나타내는 섬유 보강 복합체의 개발 가능성에 대하여 조사하였다. 이를 위하여 두 가지 배합에 대한 실험적 연구를 수행하였고, 이를 통하여 얻은 결론은 다음과 같다.
1) 시멘트를 전혀 사용하지 않고 고로슬래그 기반 알칼리 활성 결합재, 규사, 물로 이루어진 모르타르에 PVA섬유를 2%(부피비) 혼입하여, 일축 인장하에서약 2% 정도의 인장변형성능과 다중 미세균열을 나타내는 것을 확인하였다. 이를 통하여 시멘트를 전혀 사용하지 않고도 변형률 경화거동에 의한 고인성을 나타내는 섬유 복합체의 개발가능성을 입증하였다.

제안 방법

각 재료는 중량 비로 계량한 후, Fig. 2에 나타난 바와같이 결합재와 규사, 소포제를 넣고 1분 동안 건비빔을 실시하고, 배합수를 혼입한 후 1분 동안 30 L 용량의 전동 혼합기로 혼합하면서 증점제와 유동화제를 첨가하였다. 모르타르가 균일하게 혼합된 후 PVA 섬유를 1분에 걸쳐 조금씩 넣고 4분 동안 혼합하였다.
이 연구에서는 두 가지 배합을 검토하였다(Table 3). 결합재의 주요 재료는 고로슬래그이며, 알칼리 활성화제의 종류와 비율에 따라 총 두 가지 배합을 결정하였다. 물결합재의 비율은 고성능 감수제의 양을 3% 이내에서 사용하면서 혼합이 가능하며 유동성을 최대한 확보할 수있도록 예비 실험을 통해 결정하였다.
굳기 전과 굳은 후의 기본적인 물성을 파악하기 위하여 슬럼프 플로 시험, 압축강도, 일축 인장, 휨 실험을 실시하였다. 슬럼프 플로 시험은 KS F 2594에 따라 실시하였으며, 압축강도는 KS L 5105에 규정된 50 mm 입방 시험체를 이용하여 측정하였다(Fig.
물결합재의 비율은 고성능 감수제의 양을 3% 이내에서 사용하면서 혼합이 가능하며 유동성을 최대한 확보할 수있도록 예비 실험을 통해 결정하였다. 또한 섬유의 뭉침 현상이 발생하지 않는 범위 내에서 최소의 증점제를 첨가하였다. 섬유의 양은 섬유의 가교 작용과 매트릭스의 파괴 인성에 대한 미세역학 변수 값들을 알게 되면 이론적으로 계산할 수 있다.
유동성을 향상시키고 균일한 섬유 분산성을 얻기 위하여 폴리카르본산계 고성능 감수제와 증점제를 사용하였다. 또한 혼합 과정에서 생길 수 있는 큰 기포를 제거하기 위하여 소포제(antifoamer)를 첨가하였다.
결합재의 주요 재료는 고로슬래그이며, 알칼리 활성화제의 종류와 비율에 따라 총 두 가지 배합을 결정하였다. 물결합재의 비율은 고성능 감수제의 양을 3% 이내에서 사용하면서 혼합이 가능하며 유동성을 최대한 확보할 수있도록 예비 실험을 통해 결정하였다. 또한 섬유의 뭉침 현상이 발생하지 않는 범위 내에서 최소의 증점제를 첨가하였다.
유동성을 향상시키고 균일한 섬유 분산성을 얻기 위하여 폴리카르본산계 고성능 감수제와 증점제를 사용하였다. 또한 혼합 과정에서 생길 수 있는 큰 기포를 제거하기 위하여 소포제(antifoamer)를 첨가하였다.
따라서 이 연구의 목적은 최근 활발히 연구되고 있는 시멘트를 전혀 사용하지 않는 알칼리 활성 슬래그를 결합재로 사용하고 PVA(polyvynyl alcohol) 섬유로 보강하여 ECC와 같은 고인성을 나타내는 섬유 보강 무시멘트 복합체 개발의 가능성을 검토하는 것이다. 이를 위하여 두 가지 결합재를 변수로 2%(부피비)의 PVA 섬유를 혼입하여 복합체를 제조하였고, 유동성, 압축강도, 일축인장 성능, 휨 성능을 조사하였다.
4와 같은 실험체와 하중 가력 방법을 적용하였다. 하중은 일축 인장 실험기기에서 0.1 mm/min의 속도로 변위제어 방식으로 가하였고, 두 개의 변위 측정기(LVDT)를 시험체의 양측에 부착하여 150 mm 의 계측 길이에 대한 변위를 측정한 후 변형률로 환산 하였다. 휨 실험은 Fig.
모르타르가 균일하게 혼합된 후 PVA 섬유를 1분에 걸쳐 조금씩 넣고 4분 동안 혼합하였다. 혼합이 완료된 후 유동성을 측정한 후 압축강도, 일축 인장, 휨 실험을 위한 시편을 제작하여 3일이 지난 후 탈형하여 28일 동안 수중양생을 실시하였다.
휨 실험은 Fig. 5(a)와 같은 400 × 100 × 10 (mm) 크기의 직사각형 패널 실험체를 제작하였고, 실험체 중심에서 각각 50 mm만큼 떨어진 거리에서 2점 하중을 변위제어 방식으로 가하여 실시하였다.

대상 데이터

이 연구에서 사용된 고로슬래그는 KS F 2563에 규정 되어 있는 3종 분말도(4,204 cm²/g)인 콘크리트용 고로슬래그이며, 비중과 염기도는 각각 2.93와 1.81이다. Table 1은 이 연구에서 사용한 고로슬래그의 화학 성분을 나타낸다.
이 연구에서 사용한 섬유는 일본 K사에서 ECC에 적합하도록 제조된 PVA 섬유이며, 상세한 물리적 성질은 Table 2와 같다.
이 연구에서는 복합체의 수축량을 줄이고 강성 확보를 위하여 평균 직경이 100 µm이고 비중이 2.65인 K사의 규사(silica sand) 7호를 잔골재로 사용하였다.
섬유의 양은 섬유의 가교 작용과 매트릭스의 파괴 인성에 대한 미세역학 변수 값들을 알게 되면 이론적으로 계산할 수 있다. 현재 고로슬래그 기반 모르타르의 파괴 인성 및 섬유 인발 실험에 대한 연구 자료가 없기 때문에 이 연구에서는 표준 ECC를 만드는데 사용 되는 섬유량과 동일한 전체 부피 대비 2%의 PVA 섬유를 사용하였다. Fig.

이론/모형

굳기 전과 굳은 후의 기본적인 물성을 파악하기 위하여 슬럼프 플로 시험, 압축강도, 일축 인장, 휨 실험을 실시하였다. 슬럼프 플로 시험은 KS F 2594에 따라 실시하였으며, 압축강도는 KS L 5105에 규정된 50 mm 입방 시험체를 이용하여 측정하였다(Fig. 3). 일축 인장 실험은 고인성 재료에 대한 규정이 없기 때문에 김윤용²²⁾ 등에 의해 제안된 Fig.
3). 일축 인장 실험은 고인성 재료에 대한 규정이 없기 때문에 김윤용²²⁾ 등에 의해 제안된 Fig. 4와 같은 실험체와 하중 가력 방법을 적용하였다. 하중은 일축 인장 실험기기에서 0.

성능/효과

1) 시멘트를 전혀 사용하지 않고 고로슬래그 기반 알칼리 활성 결합재, 규사, 물로 이루어진 모르타르에 PVA섬유를 2%(부피비) 혼입하여, 일축 인장하에서약 2% 정도의 인장변형성능과 다중 미세균열을 나타내는 것을 확인하였다. 이를 통하여 시멘트를 전혀 사용하지 않고도 변형률 경화거동에 의한 고인성을 나타내는 섬유 복합체의 개발가능성을 입증하였다.
2) Na₂SiO₃보다 Na₂SO₄를 알칼리 활성화제로 사용한 경우에 더 작은 물-결합재비로 균일한 섬유 분산성을 확보하면서 섬유 혼합을 용이하게 하기 위한 적절한 모르타르의 유동성 및 점성을 확보할 수 있었으며, 알칼리 활성화제의 종류에 따른 두 배합의 슬럼프 플로우는 450 mm와 480 mm로 나타나 일반 콘크리트에 비하여 매우 높은 유동성을 나타내었다.
3) 두 가지 배합 중에서 Na₂SO₄를 알칼리 활성화제로 사용한 배합이 압축강도, 일축인장 그리고 휨 성능이 우수한 것으로 나타났으며, 압축강도는 23.7 MPa 이고, 인장강도와 인장변형성능은 각각 4.1 MPa과 2.1%로 나타났다. 이 배합의 물-결합재 비율은 0.
일축 인장실험 결과와 같이 첫 번째 균열이 발생한 이후에 다중균열에 의한 변형률 경화거동을 나타내고 있다. 또한 일축 인장실험 결과와 유사하게 B2 배합이 B1에 비하여 강도와 변형 성능면에서 매우 우수함을 관찰할 수 있다. Fig.
인장변형성능은 연화거동이 시작되는 변형률로 정의하였으며, 두 배합에 대한 균열 강도, 인장변형성능, 인장강도는 Table 8에 정리되어 있다. 물-결합재비 차이와 압축강도 시험 결과에서 어느 정도 유추할 수 있듯이 균열 강도와 인장강도는 물-바인더비가 낮은 B2인 배합이 B1에 비하여 각각 70.3%와 86.4% 크게 나타났다. 균열강도에 비하여 인장강도의 증가폭이 더 큰 이유는 섬유인발 실험²⁴⁾을 통하여 구한 데이터를 바탕으로 해석적으로 알 수 있는데 섬유와 매트릭스 사이의 계면 물성 즉, 화학적 부착과 마찰 부착력의 증가량이 균열 강도의 증가량보다 더 커서 섬유가교성능이 더 증가한 때문인 것으로 판단된다.
9%증가된 값을 나타내었다. 파괴 양상은 하중이 증가하면서 점차 미세한 수직방향 균열이 발생하였고, 최대 하중 이후에 균열 폭이 증가하면서 파괴에 도달하였다. 최대하중에 도달한 후에도 시편은 섬유의 가교 작용에 의해 실험 전과 거의 동일한 형상을 유지하였다.

후속연구

4) 향후 유동성을 향상시키기 위한 추가 연구가 필요하며, 강도와 변형 성능을 향상시키기 위하여 고로 슬래그 기반 알칼리 활성 모르타르의 역학 특성과 섬유와 모르타르 사이의 계면 특성에 관한 추가 연구가 필요할 것으로 판단된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	1 ton의 시멘트 생산시 발생하는 이산화탄소량은 어떻게 되는가?	Humphrey와 Mahasenan의 연구 자료에 의하면 일반적으로 1 ton의 시멘트를 생산할 때 0.8 ton의 이산화탄소가 발생된다.2) 따라서 현재 주요 건설 구조재료인 콘크리트의 친환경성을 향상하기 위해 시멘트의 일부를 고로슬래그나 플라이애쉬와 같은 산업부산물로 대체하여 친환경 성을 높이는 연구가 진행되고 있으며,3-5) 최근 시멘트를 전혀 사용하지 않는 지오폴리머나 고로슬래그 기반 알칼리 활성 콘크리트에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다.
	ECC의 고인성이 고내구성이 발휘되는 이유는 무엇인가?	9-17) ECC는 시멘트, 물, 잔골재로 구성된 모르타르에 2% 이내의 합성섬유를 혼입함으로써 일반적으로 일축 인장하에서 약 3% 이상의 변형 성능을 나타내는 재료이다. 이러한 고인성은 다중 균열에 의한 변형률 경화 거동이 나타나면서 발휘되며, 균열폭이 50~150 µm로 제어되기 때문에 투수계수가 균열이 발생하기 전과 비교하여 거의 변하지 않으며,18)이러한 균열폭을 가질 때 자기치유 현상19)이 나타나기 때문에 고내구성이 발휘된다. 미시역학 이론을 통해 균열면에서 섬유가교 거동 모델과 파괴역학 이론에 기반한 안 정상태 균열이론은 ECC 연구의 이론적 배경이 될 뿐만아니라 재료 설계 및 거동 분석 등에 활용되고 있다.
	ECC란 무엇인가?	산업부산물을 이용하여 친환경성을 높이는 이러한 접근방법 이외에 재료의 내구성을 향상시키기 위한 연구가 진행되고 있으며, ECC(engineered cementitious composite)로 알려진 고인성/고내구성 섬유 복합체에 대한 연구가 국내에서도 활발히 진행되고 있다.9-17) ECC는 시멘트, 물, 잔골재로 구성된 모르타르에 2% 이내의 합성섬유를 혼입함으로써 일반적으로 일축 인장하에서 약 3% 이상의 변형 성능을 나타내는 재료이다. 이러한 고인성은 다중 균열에 의한 변형률 경화 거동이 나타나면서 발휘되며, 균열폭이 50~150 µm로 제어되기 때문에 투수계수가 균열이 발생하기 전과 비교하여 거의 변하지 않으며,18)이러한 균열폭을 가질 때 자기치유 현상19)이 나타나기 때문에 고내구성이 발휘된다.

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용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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