[국내논문]UP-MMA 폴리머 콘크리트의 경화수축, 열팽창계수 및 탄성계수 Setting Shrinkage, Coefficient of Thermal Expansion, and Elastic Modulus of UP-MMA Based Polymer Concrete원문보기
이 연구는 시멘트 콘크리트 포장의 보수나 프리캐스트 제품용으로 사용되는 UP-MMA 폴리머 콘크리트의 경화수축, 열팽창계수 및 탄성계수에 대한 연구이다. 이를 위해 UP-MMA비, SRA 첨가량, 시험온도 등을 변수로 하여 경화수축 시험과 UP-MMA비에 따른 열팽창과 압축응력-변형률에 대하여 시험을 실시하였다. 그 결과 경화수축은 29.2~$82.6{\times}10^{-4}$으로 UP 비율과 시험온도에 큰 영향을 받는 것으로 나타났다. 그리고 열팽창계수는 21.6~$31.2{\times}10^{-6}/^{\circ}C$, 탄성계수는 2.8~$3.3{\times}10^4MPa$, 극한변형률은 0.00381~0.00418이었으며, 이는 UP-MMA비에 크게 영향을 받는 것으로 나타났다. 이러한 결과들은 UP-MMA 폴리머 콘크리트의 적용을 위한 설계에 중요한 기초자료로 이용될 수 있을 것이다.
이 연구는 시멘트 콘크리트 포장의 보수나 프리캐스트 제품용으로 사용되는 UP-MMA 폴리머 콘크리트의 경화수축, 열팽창계수 및 탄성계수에 대한 연구이다. 이를 위해 UP-MMA비, SRA 첨가량, 시험온도 등을 변수로 하여 경화수축 시험과 UP-MMA비에 따른 열팽창과 압축응력-변형률에 대하여 시험을 실시하였다. 그 결과 경화수축은 29.2~$82.6{\times}10^{-4}$으로 UP 비율과 시험온도에 큰 영향을 받는 것으로 나타났다. 그리고 열팽창계수는 21.6~$31.2{\times}10^{-6}/^{\circ}C$, 탄성계수는 2.8~$3.3{\times}10^4MPa$, 극한변형률은 0.00381~0.00418이었으며, 이는 UP-MMA비에 크게 영향을 받는 것으로 나타났다. 이러한 결과들은 UP-MMA 폴리머 콘크리트의 적용을 위한 설계에 중요한 기초자료로 이용될 수 있을 것이다.
This study examines setting shrinkage, coefficient of thermal expansion, and elastic modulus of unsaturated polyester( UP)-methyl methacrylate(MMA) polymer concrete, which is generally used for repair of portland cement concrete pavement and manufacturing of precast products. In this study, a series...
This study examines setting shrinkage, coefficient of thermal expansion, and elastic modulus of unsaturated polyester( UP)-methyl methacrylate(MMA) polymer concrete, which is generally used for repair of portland cement concrete pavement and manufacturing of precast products. In this study, a series of laboratory test were conducted with variables such as UP-MMA ratio, shrinkage reducing agent (SRA) content, and test temperature. The results showed that the setting shrinkage ranged from 29.2 to $82.6{\times}10^{-4}$, which was significantly affected by test temperature. Moreover, the findings revealed that the coefficient of thermal expansion, elastic modulus and ultimate strain of UP-MMA based polymer concrete ranged from 21.6 to $31.2{\times}10^{-6}/^{\circ}C$, 2.8 to $3.3{\times}10^4$ MPa, and 0.00381 to 0.00418, respectively. The results of this study will be used as important data for design and application of UP-MMA based polymer concrete.
This study examines setting shrinkage, coefficient of thermal expansion, and elastic modulus of unsaturated polyester( UP)-methyl methacrylate(MMA) polymer concrete, which is generally used for repair of portland cement concrete pavement and manufacturing of precast products. In this study, a series of laboratory test were conducted with variables such as UP-MMA ratio, shrinkage reducing agent (SRA) content, and test temperature. The results showed that the setting shrinkage ranged from 29.2 to $82.6{\times}10^{-4}$, which was significantly affected by test temperature. Moreover, the findings revealed that the coefficient of thermal expansion, elastic modulus and ultimate strain of UP-MMA based polymer concrete ranged from 21.6 to $31.2{\times}10^{-6}/^{\circ}C$, 2.8 to $3.3{\times}10^4$ MPa, and 0.00381 to 0.00418, respectively. The results of this study will be used as important data for design and application of UP-MMA based polymer concrete.
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문제 정의
더욱이 폴리머 콘크리트는 일반 콘크리트가 갖지 못하는 장점들을 갖고 있지만 큰 변형성을 가지고 있다는 것이 가장 큰 단점으로 알려져 있는 만큼 이를 줄일 수 있는 기술을 확보하여야 한다. 따라서 이 연구에서는 재령과 UP-MMA비, 수축저감제(SRA) 첨가량, 시험온도 등이 경화수축에 미치는 영향과 열팽창 특성, 압축응력-변형률 관계 등을 실험적으로 구명함으로써 UP-MMA 폴리머 콘크리트 현장시공이나 프리캐스트 제품의 제조를 위한 설계 및 시공기준 설정에 필요한 기초자료를 제공하고자 한다.
이 연구는 콘크리트 포장의 보수나 프리캐스트 제품용으로 사용가능한 UP-MMA 폴리머 콘크리트의 경화수축, 열팽창계수 및 탄성계수에 대한 실험적 연구로서 얻어진 결과를 요약하면 다음과 같다.
이 연구에서는 UP-MMA를 결합재로 하는 폴리머 콘크리트의 경우 재령, UP-MMA비, 수축저감제(SRA)의 첨가량 및 시험온도가 경화수축에 미치는 영향을 구명하고자 한다. 이들 4가지 요소에 대한 각각의 범위는 실제 폴리머 콘크리트 제조 시 적용가능한 한도 내에서 정해진 값이다.
제안 방법
UP-MMA비가 열팽창계수에 미치는 영향을 구명하기 위해 시험체는 온도 25℃에서 재령 168시간 동안 양생하였으며, SRA 첨가량은 예비시험 결과 열팽창계수에 미치는 영향이 매우 작게 나타나 4 phr로 고정하였다. Fig.
시험체의 크기는 70 × 70 × 320 (mm)이며, 시험은 온도 10℃, 20℃, 30℃, 상대습도는 60±3%인 항온실에서 실시하였다.
응력-변형률 시험에서도 열팽창률 시험에서와 마찬가지로 UP-MMA비를 변수로 하여 시험을 하였다.
이 같은 점도 문제를 해결하기 위해서는 스틸렌 모노머를 첨가할 수 있으나 과다하게 첨가하면 경화수축이 커지고 강도의 저하를 초래하게 된다. 이러한 문제점을 해결하기 위해 이 연구에서는 MMA 모노머를 첨가한 새로운 결합재를 사용하여 폴리머 콘크리트를 제조하였다.
주결합재인 UP 수지는 높은 점도로 인해 작업성이 저하되며, 양호한 작업성을 얻기 위해서는 상대적으로 많은 양의 결합재를 필요로 한다. 이러한 점의 해결을 위해 스틸렌 모노머를 첨가할 수 있으나 과다하면 강도가 저하하고 경화수축이 커지는 문제가 있기 때문에 MMA 모노머를 사용하였다.
시험체의 크기는 70 × 70 × 320 (mm)이며, 시험은 온도 10℃, 20℃, 30℃, 상대습도는 60±3%인 항온실에서 실시하였다. 측정은 초기 3시간은 10분 간격으로, 나머지는 30분 간격으로 데이터 로거(Tokyo Sokki, TDS-602)에 의해 측정하였다.
대상 데이터
UP 수지의 경화를 위해 개시제와 촉진제가 첨가되며, 촉진제가 첨가된 UP 수지는 개시제만 첨가되면 경화반응이 일어난다. 개시제로서는 메틸에틸케론 프록사이드(MEKPO) 55%인 DMP 용액이 이용된다.
시험체의 크기는 100 × 100 × 400 (mm)이고, 각 배치(batch)별로 공시체를 동일 조건하에서 3개씩 제작하였다.
한편, 폴리머 콘크리트 결합재는 액상이기 때문에 페이스트 형태로 만들어 골재사이의 공극을 채워주기 위해서는 충전재가 필요하며, 이것은 결합재의 증량 및 강도 향상에 기여하게 된다. 이 연구에 사용된 충전재는 중질탄산칼슘이며, 물리적 성질은 Table 7과 같다.
이 연구에서 사용된 SRA는 폴리스틸렌을 스틸렌 모노머에 용해시킨 것으로서 그 성질은 Table 5와 같다.
이 연구에서 주결합재로 사용한 UP 수지는 한국의 A 사에서 제조된 것으로서 올소 타입이며, 그 성질은 Table 1과 같다.
따라서 반응 촉진제의 첨가가 반드시 필요하다. 이 연구에서는 DMA(N,N-Dimethylaniline)를 사용하였으며, 그 성질은 Table 4와 같다.
이 연구에서는 주결합재인 UP 수지에 일정한 비율로 혼합하여 사용하였으며, 그 성질은 Table 2와 같다.
이론/모형
경화수축시험은 Ohama-Demura 시험방법에 따라 몰드의 양단에 LVDT를 장착하는 방법을 이용하였다. 시험체의 크기는 70 × 70 × 320 (mm)이며, 시험은 온도 10℃, 20℃, 30℃, 상대습도는 60±3%인 항온실에서 실시하였다.
열팽창계수는 RILEM TC 113-CPT(PC-12 method of test for coefficient of thermal expansion of polymer concrete and mortar)를 준용하여 실시하였다. 시험체의 크기는 100 × 100 × 400 (mm)이고, 각 배치(batch)별로 공시체를 동일 조건하에서 3개씩 제작하였다.
탄성계수는 Ø50 × 100 (mm) 크기의 시험체를 이용하여 KS F 2438(콘크리트 원주 공시체의 정탄성계수 및 포아송비 시험방법)에 규정된 방법에 따라 시험하였다.
성능/효과
1) 경화수축은 재령 120분내에서 94.5% 이상 발현되었으며, 재령 720분(12시간) 이후에는 경화수축의 증가가 미소하였다. 경화수축은 최소 29.
2) 열팽창률은 1,424~2,047 × 10-6이었으며, 열팽창계수는 21.6~31.2 × 10-6/℃로서 UP 비율이 커질수록 현저하게 증가하는 경향을 보였다.
경화수축은 최소 29.2 × 10-4, 최대 82.6 × 10-4으로서 UP-MMA비, SRA 첨가량, 시험온도 등의 영향을 받으며, 특히 UP-MMA비에 크게 영향을 받는 것으로 나타났다.
에 달하였다. 그리고 온도가 증가함에 따라 6개 시험치에 대한 분산이 커져 80℃에서는 비교적큰 분산을 보였다. 시험온도와 열팽창률의 관계식은 직선회귀식으로 표현할 수 있으며, R2 값도 0.
그리고 재령 720분에서의 경화수축은 최대값 82.6 × 10-4,최소값 29.2 × 10-4으로 53.4 × 10-4의 차이가 있었으며, 이는 UP와 MMA의 비, SRA의 첨가량, 시험온도 등의 영향을 받는 것으로 나타났다.
또한 UP-MMA비 별로 SRA 첨가량에 따른 경화수축의 차이는 거의 일정하여 UP-MMA비와 SRA 첨가량은 상호간의 작용에 간섭이 일어나지 않음을 알 수 있다.
4 × 10-4으로 나타났다. 또한 UP-MMA비가 90:10, 80:20, 70:30일 때의 경화수축 변화경향을 보면 등간격을 유지하는 것으로 보아 UP 비율이 확실하게 경화수축의 변화에 작용함을 알 수 있다.
그리고 온도가 증가함에 따라 6개 시험치에 대한 분산이 커져 80℃에서는 비교적큰 분산을 보였다. 시험온도와 열팽창률의 관계식은 직선회귀식으로 표현할 수 있으며, R2 값도 0.97 이상으로서 상관성이 높게 나타났다.
또한, 이 그림으로부터 얻어진 데이터를 정리해놓은 것이 Table 10이다. 여기서 UP-MMA비가 70:30, 80:20, 90:10일 때 극한응력은 각각 76.4, 80.5, 82.1 MPa이며, 극한 변형률은 각각 0.00381, 0.00395, 0.00418로서 UP 비율이 많아질수록 응력과 변형률 값이 커짐을 알 수 있다. 이러한 결과를 시멘트 콘크리트의 경우와 비교해 보면 최대응력이 100 MPa일 때 변형률이 0.
이 결과에서 보면 재령 720분을 기준으로 할 때, 120분에서의 경화수축이 평균 94.5%(32개 데이터 평균)에 달 함으로써, 재령 초기에 수축이 거의 다 발생함을 알 수 있다. 즉 120분까지는 경화수축발생이 0.
이 연구 결과에서 분명한 것은 UP 비율의 증가는 경화수축에서와 같이 열팽창계수도 증가시키는 중요한 요인임을 알 수 있으며, 반대로 MMA 비율의 증가시키면 경화수축과 열팽창계수의 감소 측면에서 유리하다는 점이다.
즉 SRA 0 phr(SRA 미첨가)일 때와 6 phr일 때 경화수축의 차이는 시험온도 10℃일 때 평균 8.2 × 10-4, 20℃일 때 7.7 × 10-4, 30℃일 때 10.1 × 10-4로서 전체적으로는 평균 8.6 × 10-4을 보여 앞에서 언급한 UP-MMA비에 따른 경화수축의 차이보다 훨씬 작게 나타났다.
즉 시험온도 10℃와 20℃에서의 차이가 매우 작게 나타났는데, 특이한 경향은 SRA 0 phr일 때는 UP-MMA비에 따라 일정한 폭을 유지하면서 증가하는 경향을 보였으나 SRA 2, 4, 6 phr일 경우 UP-MMA비가 70:30과 80:20일 때는 차이가 없고, 90:10에서만 차이를 보였다는 점이다.
후속연구
4) 이 연구를 통하여 얻어진 경화수축, 열팽창계수, 극한변형률, 탄성계수 등은 UP-MMA 폴리머 콘크리트를 실제 응용하기 위한 설계를 함에 있어서 기초 자료로 이용될 수 있을 것이다.
또한 이 연구에서 개질제로 사용한 MMA 모노머는 작은 경화수축과 우수한 내후성을 가지나 점도가 0.56 mPa·s로서 매우 낮고 휘발성이 높아 점도를 증가시키기 위한 첨가제를 사용하지 않고 단독으로 사용하는 데는 한계가 있다.
이 결과를 시멘트 콘크리트에 대한 열팽창계수가 11~13 × 10-6/℃의 범위에 있다는 보고8,9)와 비교해 보면 2~3배에 달하는 값으로서, 프리캐스트 제품 제조 시에는 큰 문제가 없으나 기존 콘크리트 포장의 보수 등에 적용할 때에는 분리가 일어날 있으므로 택 코트(tack coat) 등을 통하여 부착력을 강화시키기 위한 방안을 마련해야 할 것이다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
폴리머 콘크리트는 무엇으로 구성되는가?
폴리머 콘크리트는 유기질인 폴리머 결합재, 무기질인 골재와 제조 시 발생하는 공극으로 구성되며, 강도가 높고, 내충격성, 내식성, 방수성, 동결융해 저항성, 부착성 등이 우수하다. 주된 용도는 시멘트 콘크리트 포장의 보수, 주차장 바닥의 코팅 등과 같은 현장시공용과 경량 슬래브, 미장 패널, 수리시설물, 지하구조물 등과 같은 제품제조용이다.
폴리머 콘크리트는 어떤 특성이 우수한가?
폴리머 콘크리트는 유기질인 폴리머 결합재, 무기질인 골재와 제조 시 발생하는 공극으로 구성되며, 강도가 높고, 내충격성, 내식성, 방수성, 동결융해 저항성, 부착성 등이 우수하다. 주된 용도는 시멘트 콘크리트 포장의 보수, 주차장 바닥의 코팅 등과 같은 현장시공용과 경량 슬래브, 미장 패널, 수리시설물, 지하구조물 등과 같은 제품제조용이다.
폴리머 콘크리트의 주된 용도는?
폴리머 콘크리트는 유기질인 폴리머 결합재, 무기질인 골재와 제조 시 발생하는 공극으로 구성되며, 강도가 높고, 내충격성, 내식성, 방수성, 동결융해 저항성, 부착성 등이 우수하다. 주된 용도는 시멘트 콘크리트 포장의 보수, 주차장 바닥의 코팅 등과 같은 현장시공용과 경량 슬래브, 미장 패널, 수리시설물, 지하구조물 등과 같은 제품제조용이다.1,2)
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