[국내논문]폴리프로필렌 섬유로 보강된 하이볼륨 플라이애시 시멘트 복합재료의 성능 향상 기법 Enhancing the Performance of Polypropylene Fiber Reinforced Cementitious Composite Produced with High Volume Fly Ash원문보기
폴리비닐알코올 섬유와 폴리에틸렌 섬유 등의 합성 섬유는 고연성 섬유보강 시멘트 복합재료를 제조하는데 성공적으로 사용되고 있다. 폴리프로필렌 섬유 역시 복합재료를 제조하는데 사용되고 있지만, 고연성을 구현하는 목적보다는 고온에 노출된 콘크리트의 내화 성능 향상 목적으로 사용되고 있다. 이 연구에서는 폴리프로필렌 섬유로 보강된 시멘트 복합재료의 성능을 향상시키는 방법에 대하여 논하고자 한다. 폴리프로필렌 섬유보강 시멘트 복합재료의 성능을 평가하기 위하여 5가지 배합을 결정하였다. 1종 보통포틀랜드시멘트 (OPC)와 OPC를 다량 치환한 플라이애시를 결합재로 사용하였고 물-결합재 비는 0.23~0.25이다. 또한 부피비로 2%의 폴리프로필렌 섬유가 사용되었으며, 연성을 향상시킬 목적으로 폴리스틸렌 비드가 사용되었다. 슬럼프, 밀도, 압축강도, 1축 인장 실험을 포함한 일련의 실험을 수행하였으며, 실험결과, 파괴역학, 마이크로역학, 통계이론을 이용하여 폴리프로필렌 섬유보강 시멘트 복합재료의 성능을 향상할 수 있는 것으로 나타났다.
폴리비닐알코올 섬유와 폴리에틸렌 섬유 등의 합성 섬유는 고연성 섬유보강 시멘트 복합재료를 제조하는데 성공적으로 사용되고 있다. 폴리프로필렌 섬유 역시 복합재료를 제조하는데 사용되고 있지만, 고연성을 구현하는 목적보다는 고온에 노출된 콘크리트의 내화 성능 향상 목적으로 사용되고 있다. 이 연구에서는 폴리프로필렌 섬유로 보강된 시멘트 복합재료의 성능을 향상시키는 방법에 대하여 논하고자 한다. 폴리프로필렌 섬유보강 시멘트 복합재료의 성능을 평가하기 위하여 5가지 배합을 결정하였다. 1종 보통포틀랜드시멘트 (OPC)와 OPC를 다량 치환한 플라이애시를 결합재로 사용하였고 물-결합재 비는 0.23~0.25이다. 또한 부피비로 2%의 폴리프로필렌 섬유가 사용되었으며, 연성을 향상시킬 목적으로 폴리스틸렌 비드가 사용되었다. 슬럼프, 밀도, 압축강도, 1축 인장 실험을 포함한 일련의 실험을 수행하였으며, 실험결과, 파괴역학, 마이크로역학, 통계이론을 이용하여 폴리프로필렌 섬유보강 시멘트 복합재료의 성능을 향상할 수 있는 것으로 나타났다.
The synthetic fibers including Polyvinyl alcohol and Polyethylene fibers have been successfully used in the manufacture of high ductile fiber reinforced cementitious composites. Polypropylene (PP) fiber has also been used in composites, not for the purpose of achieving a high level of tensile ductil...
The synthetic fibers including Polyvinyl alcohol and Polyethylene fibers have been successfully used in the manufacture of high ductile fiber reinforced cementitious composites. Polypropylene (PP) fiber has also been used in composites, not for the purpose of achieving a high level of tensile ductility but to improve the fire resistance performance of concrete exposed to high temperatures. This paper discusses the method for enhancing the performance of composites supplemented with PP fiber. Five types of mixture proportions were designed with high volume fly ash for testing the performance of composites. Type I cement and fly ash F were used as binding materials. The water-to-binder ratio was 0.23~0.25, and the amount of PP fiber used was 2 vol%. Polystyrene bead were also used to increase the tensile ductility of composites. A series of experiments including slump, density, compression and uniaxial tension tests were performed to evaluate the performance of cementitious composites supplemented with PP fiber. From the test results, it was exhibited that the performance of composites supplemented with PP fiber can be enhanced by adopting the mechanics and statistics theory.
The synthetic fibers including Polyvinyl alcohol and Polyethylene fibers have been successfully used in the manufacture of high ductile fiber reinforced cementitious composites. Polypropylene (PP) fiber has also been used in composites, not for the purpose of achieving a high level of tensile ductility but to improve the fire resistance performance of concrete exposed to high temperatures. This paper discusses the method for enhancing the performance of composites supplemented with PP fiber. Five types of mixture proportions were designed with high volume fly ash for testing the performance of composites. Type I cement and fly ash F were used as binding materials. The water-to-binder ratio was 0.23~0.25, and the amount of PP fiber used was 2 vol%. Polystyrene bead were also used to increase the tensile ductility of composites. A series of experiments including slump, density, compression and uniaxial tension tests were performed to evaluate the performance of cementitious composites supplemented with PP fiber. From the test results, it was exhibited that the performance of composites supplemented with PP fiber can be enhanced by adopting the mechanics and statistics theory.
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문제 정의
이 연구에서는 이러한 기존 폴리프로필렌 섬유에 비하여 강도가 약 40% 증가된 폴리프로필렌 섬유를 사용한 섬유보강 시멘트 복합재료의 성능 향상 방법과 개발된 복합재료의 성능을 평가하고자 한다.
이 연구에서는 기존 폴리프로필렌 섬유에 비하여 강도가 약 40% 향상된 폴리프로필렌 섬유를 이용한 섬유보강 시멘트 복합재료의 성능 향상 방법과 개발된 복합재료의 성능을 평가하였다. 총 5가지 배합의 섬유보강 시멘트 복합재료에 대하여 유동성, 밀도, 압축강도 및 1축 인장 실험 등 일련의 실험을 수행하였고, 이를 통하여 얻은 결론은 다음과 같다.
제안 방법
그러나 압축력이 작용할 경우에는 어느 정도의 강도를 발현하여 압축강도는 크게 저하되지 않는다. 고성능 감수제는 균일한 섬유의 분산을 확보하면서 재료 분리가 발생하지 않은 범위 내에서 유동성을 높게 확보하는 양으로 최적화하였다. 섬유는 폴리프로필렌 섬유를 사용하였고, 5가지 배합에 대하여 모두 부피비로 2%를 혼입하였다.
시편 제작 후 플라스틱 시트로 덮은 후 1일 동안 23±3℃와 상대습도 50±5% 조건에서 1일 동안 양생하고, 탈형 후 28일 동안 동일 조건에서 기건양생을 하였다.
1축 인장 하에서 복합재료의 변형 성능 및 인장강도를 평가하기 위하여 200 mm × 75 mm × 12.5 mm 실험체로 1축 인장 실험을 실시하였다.
혼합이 완료되면 유동성을 측정한 후, 굳은 후 성질을 측정하기 위한 시편을 제작하였다. 시편 제작 후 플라스틱 시트로 덮은 후 1일 동안 23±3℃와 상대습도 50±5% 조건에서 1일 동안 양생하고, 탈형 후 28일 동안 동일 조건에서 기건양생을 하였다.
혼합이 완료된 후 즉시 KS F 2402와 KS F 2594에 따라 슬럼프와 슬럼프 플로 시험을 실시하였다. 밀도는 압축강도 측정을 위한 제작한 50 mm 입방 시험체를 이용하여 공기 중 무게와 수중 무게를 측정하여 다음 식 (3)과 같이 계산하였다.
1 mm/min. 속도로 변위 제어 방식으로 수행하였다. 변위는 2개의 LVDT (측정길이=100 mm)를 실험체의 양측에 부착하여 측정하였고, 이를 변형률로 환산하였다.
속도로 변위 제어 방식으로 수행하였다. 변위는 2개의 LVDT (측정길이=100 mm)를 실험체의 양측에 부착하여 측정하였고, 이를 변형률로 환산하였다. 인장 실험도 각 배합 당 3개의 시편을 제작하여 수행하였다.
이 연구에서는 기존 폴리프로필렌 섬유에 비하여 강도가 약 40% 향상된 폴리프로필렌 섬유를 이용한 섬유보강 시멘트 복합재료의 성능 향상 방법과 개발된 복합재료의 성능을 평가하였다. 총 5가지 배합의 섬유보강 시멘트 복합재료에 대하여 유동성, 밀도, 압축강도 및 1축 인장 실험 등 일련의 실험을 수행하였고, 이를 통하여 얻은 결론은 다음과 같다.
(1) 폴리비닐 알코올 섬유나 폴리에틸렌 섬유에 비하여 강도가 낮은 폴리프로필렌 섬유를 보강섬유로 사용하였고 고연성 복합재료를 설계하였다. 마이크로역학이론을 기반으로 하여 물-결합재비와 사용재료를 변화시키는 기존의 방법 이외에도 소포제와 인공결함을 함께 적용하였으며 이를 통하여 섬유보강 시멘트 복합재료의 강도 특성 및 인장 변형 성능을 제어할 수 있음을 검증하였다.
대상 데이터
1종 보통포틀랜드시멘트와 평균 직경이 17.5 μm인 플라이애시 F가 결합재로 사용되었다.
인공결함을 만들기 위해서는 직경이 4 mm이고 밀도가 1.4 g/cm³인 폴리스틸렌 비드가 사용되었다 (Fig. 2).
고성능 감수제는 균일한 섬유의 분산을 확보하면서 재료 분리가 발생하지 않은 범위 내에서 유동성을 높게 확보하는 양으로 최적화하였다. 섬유는 폴리프로필렌 섬유를 사용하였고, 5가지 배합에 대하여 모두 부피비로 2%를 혼입하였다. 사용한 폴리프로필렌 섬유의 제원은 Table 2에 정리되어 있다.
압축강도는 KS L 5105에 규정된 50 mm 입방 시험체를 이용하여 측정하였고, 각 배합 당 3개의 시편을 제작하여 측정하였다. 1축 인장 하에서 복합재료의 변형 성능 및 인장강도를 평가하기 위하여 200 mm × 75 mm × 12.
변위는 2개의 LVDT (측정길이=100 mm)를 실험체의 양측에 부착하여 측정하였고, 이를 변형률로 환산하였다. 인장 실험도 각 배합 당 3개의 시편을 제작하여 수행하였다.
성능/효과
이러한 실험 결과로부터 폴리스틸렌 비드를 혼입하게 되면 유동성이 떨어지게 되고 이러한 원인은 폴린스틸렌 비드가 표면에서 물을 일부 흡수하고 구형이 아닌 각형으로 인하여 마찰력이 증가하였기 때문인 것으로 판단된다. 소포제를 넣은 MP 2 시리즈의 유동성이 MP 1 시리즈 보다 저하되는 것을 관찰할 수 있는데 이로부터 미세한 공기들이 볼 베어링 효과가 있는 것을 알 수 있다. MP 3의 유동성이 MP 2-2 보다 향상된 원인은 증가된 물-결합재 비에 의한 것으로 판단된다.
2절에서 기술한 바와 같이 의도하지 않은 기포의 생성 때문인 것으로 판단된다. 반면 소포제를 사용한 MP 2 시리즈의 강도는 MP 1 시리즈에 비하여 약 3배에 가깝게 측정되어 구조 재료로서 적합한 압축강도를 확보하는 것으로 나타났다. MP 2에 비하여 물-결합재 비가 7% 증가한 MP 3의 압축강도는 MP 2 시리즈에 비하여 16% 감소하였다.
8은 첫 번째 균열이 발생하는 균열강도로서 매트릭스의 강도에 크게 의존하는 값이다. MP 1-1과 MP 1-2 뿐만 아니라 MP 2-1과 MP 2-2를 비교하면 폴리스틸렌 비드를 첨가하면 균열강도가 약 10% 감소하였고, 소포제 첨가로 약 25% 증가하였다. MP 3의 균열강도가 MP 2-2와 유사한 것으로 볼 때, 이 연구의 한정된 실험 조건에서는 물-결합재비보다 폴리스틸렌 비드가 매트릭스의 강도에 더 큰 영향을 주는 것으로 나타났다.
MP 1-1과 MP 1-2 뿐만 아니라 MP 2-1과 MP 2-2를 비교하면 폴리스틸렌 비드를 첨가하면 균열강도가 약 10% 감소하였고, 소포제 첨가로 약 25% 증가하였다. MP 3의 균열강도가 MP 2-2와 유사한 것으로 볼 때, 이 연구의 한정된 실험 조건에서는 물-결합재비보다 폴리스틸렌 비드가 매트릭스의 강도에 더 큰 영향을 주는 것으로 나타났다. 반면, 압축강도의 실험 결과와 마찬가지로 소포제 사용으로 매트릭스 강도는 크게 증가하는 것으로 나타났다.
MP 3의 균열강도가 MP 2-2와 유사한 것으로 볼 때, 이 연구의 한정된 실험 조건에서는 물-결합재비보다 폴리스틸렌 비드가 매트릭스의 강도에 더 큰 영향을 주는 것으로 나타났다. 반면, 압축강도의 실험 결과와 마찬가지로 소포제 사용으로 매트릭스 강도는 크게 증가하는 것으로 나타났다.
9는 측정된 인장강도로서 이론적으로는 복합재료의 최대 섬유 가교 응력에 해당된다. MP 1-2과 MP 2-2의 인장강도는 MP 1-1과 M 2-1에 비하여 각각 8.2%와 22.9% 감소하는 것으로 나타났다. 이는 폴리스틸렌 비드가 최대 섬유 가교 응력을 감소시킨다는 것을 의미한다.
이미 많은 기포를 함유하고 있는 매트릭스에 추가로 인공결함을 넣었기 때문에 단순한 강도 감소 효과만을 나타냈기 때문이다. 반면, MP 2 시리즈에서는 폴리스틸렌 비드의 사용으로 인장 변형 성능이 약 3배 증가하였고, 그 성능 향상 효과는 인장강도의 감소 비율인 약 20%에 비하여 월등히 뚜렷하다. 즉 MP 2-2 배합은 소포제 효과로 증가된 매트릭스 강도를 인공결함으로 감소시키고, 시편 내에서 무작위로 존재하던 결함을 인공결함 도입으로 고르게 함으로써 위치별 매트릭스 강도 편차를 줄인 것이다.
이로 인하여 MP 1 시리즈에 비하여는 높은 압축강도를 가지면서 MP 2-1 배합에 비하여는 우수한 연성을 확보하게 된 것으로 사료된다. 한편, MP 3의 압축강도는 MP 2-2에 비하여 낮지만, 인장 변형 성능은 더욱 우수하게 나타났다. 이는 이 연구 범위 내에서 고연성이 나타날 수 있는 가장 좋은 조건인 높은 물-결합재비와 낮은 매트릭스 파괴인성을 갖고 있기 때문이다.
이 연구의 결과, 물-결합재비와 결합재 종류 등을 변화시키는 기존의 방법 이외에도 소포제와 인공결함을 함께 이용하여 섬유보강 복합재료의 강도 및 인장 변형 성능을 향상시킬 수 있음을 확인하였다. 향후, 구조물 신설 및 보수보강 설계 시에 요구되는 재료 성능을 확보하는 데에 이 재료 설계 기법이 효과적으로 활용될 수 있을 것으로 기대된다.
(1) 폴리비닐 알코올 섬유나 폴리에틸렌 섬유에 비하여 강도가 낮은 폴리프로필렌 섬유를 보강섬유로 사용하였고 고연성 복합재료를 설계하였다. 마이크로역학이론을 기반으로 하여 물-결합재비와 사용재료를 변화시키는 기존의 방법 이외에도 소포제와 인공결함을 함께 적용하였으며 이를 통하여 섬유보강 시멘트 복합재료의 강도 특성 및 인장 변형 성능을 제어할 수 있음을 검증하였다.
78 g/cm3로 나타났다. 또한 극한 인장변형률이 3%에서 6%로서 높은 연성을 나타내었고 인장강도는 2.2 MPa에서 2.8 MPa 범위, 압축강도는 15 MPa에서 45 MPa 범위로 각각 나타났다.
(3) 물-결합재비가 0.23~0.25 수준이고 플라이애시 치환율이 74%이며, 소포제와 폴리스틸렌 비드를 혼입한 배합 (MP 2-2, MP 3)의 경우에 강도 및 연성 측면에서 모두 우수한 성능을 나타내었다. 소포제의 사용으로 압축강도를 약 3배로 증가시켜 구조 재료 수준으로 향상시키면서 이와 수반되어 증가된 매트릭스의 파괴인성을 폴리스틸렌 비드가 감소시켜 높은 연성도 함께 확보하는 우수한 배합인 것으로 밝혀졌다.
25 수준이고 플라이애시 치환율이 74%이며, 소포제와 폴리스틸렌 비드를 혼입한 배합 (MP 2-2, MP 3)의 경우에 강도 및 연성 측면에서 모두 우수한 성능을 나타내었다. 소포제의 사용으로 압축강도를 약 3배로 증가시켜 구조 재료 수준으로 향상시키면서 이와 수반되어 증가된 매트릭스의 파괴인성을 폴리스틸렌 비드가 감소시켜 높은 연성도 함께 확보하는 우수한 배합인 것으로 밝혀졌다. 특히 MP 2-2 배합의 압축강도와 인장강도는 폴리스틸렌 비드가 없는 배합 (MP 2-1)에 비하여 약 5%와 22% 감소한 반면, 인장 변형 성능 향상 효과는 약 3배에 달하는 것으로 나타났다.
소포제의 사용으로 압축강도를 약 3배로 증가시켜 구조 재료 수준으로 향상시키면서 이와 수반되어 증가된 매트릭스의 파괴인성을 폴리스틸렌 비드가 감소시켜 높은 연성도 함께 확보하는 우수한 배합인 것으로 밝혀졌다. 특히 MP 2-2 배합의 압축강도와 인장강도는 폴리스틸렌 비드가 없는 배합 (MP 2-1)에 비하여 약 5%와 22% 감소한 반면, 인장 변형 성능 향상 효과는 약 3배에 달하는 것으로 나타났다.
(4) 폴리스틸렌 비드와 같은 재료를 이용하여 적절히 인공 결함을 만들 경우에 섬유보강 시멘트 복합재료의 연성을 확보하는데 도움이 되지만, 배합 조건 및 재료에 따라서는 인장 변형 성능의 편차를 줄이는 데에 효과를 보이지 않는 것으로 나타났다.
후속연구
이 연구의 결과, 물-결합재비와 결합재 종류 등을 변화시키는 기존의 방법 이외에도 소포제와 인공결함을 함께 이용하여 섬유보강 복합재료의 강도 및 인장 변형 성능을 향상시킬 수 있음을 확인하였다. 향후, 구조물 신설 및 보수보강 설계 시에 요구되는 재료 성능을 확보하는 데에 이 재료 설계 기법이 효과적으로 활용될 수 있을 것으로 기대된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
섬유보강 시멘트 복합재료가 다중 균열에 의한 변형률 경화 거동을 나타내기 위해서는 무엇이 필요한가?
섬유보강 시멘트 복합재료가 다중 균열에 의한 변형률 경화 거동을 나타내기 위해서는 에너지 조건과 강도 조건을 만족하여야 한다 (Leung, 1996; Li and Leung, 1992). 에너지 조건은 안정 상태 균열이 발생하기 위한 조건으로서, 외부 하중의 변화 없이 일정한 개구 변위 상태로 균열이 진전하기 위한 조건이다.
고연성 특성을 확보하기 위해서는 매트릭스의 배합 뿐만 아니라 섬유의 종류 또한 매우 중요한 이유는 무엇인가?
, 2010). 이러한 복합재료의 성능은 섬유 가교 거동에 의해 결정되며 섬유 가교 거동에 영향을 주는 인자들은 섬유, 매트릭스, 그리고 섬유와 매트릭스의 계면 특성 등이 있다. 따라서 고연성 특성을 확보하기 위해서는 매트릭스의 배합 뿐만 아니라 섬유의 종류 또한 매우 중요하다.
에너지 조건이란 무엇인가?
섬유보강 시멘트 복합재료가 다중 균열에 의한 변형률 경화 거동을 나타내기 위해서는 에너지 조건과 강도 조건을 만족하여야 한다 (Leung, 1996; Li and Leung, 1992). 에너지 조건은 안정 상태 균열이 발생하기 위한 조건으로서, 외부 하중의 변화 없이 일정한 개구 변위 상태로 균열이 진전하기 위한 조건이다. 에너지 조건은 외부에서 한 일, 매트릭스 균열이 진전하는데 필요한 에너지, 그리고 섬유 가교 작용에 의하여 소산된 에너지 사이의 에너지 평형 조건에 의하여 정의되며, 응력과 개구변위의 관계를 나타내는 섬유 가교 곡선에서 상보 에너지가 매트릭스 파괴인성보다 클 때 성립한다 (Marshall and Cox, 1988).
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