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문제 정의
- 본 연구에서는 일반적으로 사용되는 화강암, 석회암, 사암 등의 천연골재보다 열 특성이 뛰어난 폐비닐 골재를 혼합하여 경제성이 뛰어나고 단열 및 동상방지 효과 등의 열 특성이 우수한 고기능 시멘트 콘크리트를 개발하기 위한 기초시험을 수행하였다. 그리고 시험결과를 기반으로 하여 폐비닐 골재 콘크리트로 제작된 박스암거가 동절기에 콘크리트 도로포장에서 사용될 때의 단열효과를 유한요소방법으로 확인하였다.
- 11에서 보듯이 노상의 깊이 방향으로 3개의 지점(V)과 수평방향으로 3개의 지점(H)에서 시간에 따른 온도변화를 조사하였다. 암거가 통과하는 도로포장의 경우, 겨울철 동상에 취약한 단점이 있기 때문에 동상이 발생하는 노상의 온도변화를 조사한 것으로, 특히 포장표면과 암거 내면으로부터의 거리에 따른 온도의 차이를 확인하려고 하였다.
가설 설정
- 11과 같이 유한요소방법으로 모사하였다. 포장 표면 및 박스암거 외측면으로 부터의 열전달 효과를 극명히 검토하기 위해 박스암거의 상단이 린 콘크리트 하단에 맞닿아토피가 없는 것으로 가정하였다. 유한요소모형은 Table 6과 같은 형상 및 요소를 사용하였다.
제안 방법
- 3. 폐비닐 골재 콘크리트의 열 특성을 확인하기 위해 폐비닐 골재의 치환율에 따른 비열, 열팽창계수, 열전도율 시험을 실시하였다. 폐비닐 골재의 치환율이 증가함에 따라 콘크리트의 비열 및 열전도율이 감소하였고, 열팽창계수는 증가하는 것으로 나타났다.
- 4. 폐비닐 골재 콘크리트로 제작된 박스암거가 통과하는 도로포장에 대한 유한요소해석을 실시하였다. 포장체의 온도 변화를 해석한 결과, 박스암거의 폐비닐 골재 치환율이 높을수록 노상의 온도변화가 작아졌으며, 이를 통해 폐비닐 골재를 적용한 콘크리트 구조물에 대하여 단열 및 동상방지효과를 기대할 수 있을 것으로 판단되었다.
- Fig. 11에서 보듯이 노상의 깊이 방향으로 3개의 지점(V)과 수평방향으로 3개의 지점(H)에서 시간에 따른 온도변화를 조사하였다. 암거가 통과하는 도로포장의 경우, 겨울철 동상에 취약한 단점이 있기 때문에 동상이 발생하는 노상의 온도변화를 조사한 것으로, 특히 포장표면과 암거 내면으로부터의 거리에 따른 온도의 차이를 확인하려고 하였다.
- 폐비닐 콘크리트의 단열효과를 확인하기 위해서 상용 프로그램인 ABAQUS(2008)를 사용하여 열전달 해석을 실시하였다. 고속도로 건설공사 표준도(KEC, 2009)를 참고하여 중형의 박스암거가 매설된 도로포장을 Fig. 11과 같이 유한요소방법으로 모사하였다. 포장 표면 및 박스암거 외측면으로 부터의 열전달 효과를 극명히 검토하기 위해 박스암거의 상단이 린 콘크리트 하단에 맞닿아토피가 없는 것으로 가정하였다.
- 굳지 않은 폐비닐 골재 콘크리트에 대해 슬럼프 시험(KS F 2402)과 공기량 시험(KS F 2421)을 실시하였다. Table 3과 같이 폐비닐 골재의 치환율을 변화시키며 시험한 결과, 모든 치환율에서 목표로 하는 범위의 슬럼프와 공기량을 얻을 수 있었다.
- 본 연구에서는 일반적으로 사용되는 화강암, 석회암, 사암 등의 천연골재보다 열 특성이 뛰어난 폐비닐 골재를 혼합하여 경제성이 뛰어나고 단열 및 동상방지 효과 등의 열 특성이 우수한 고기능 시멘트 콘크리트를 개발하기 위한 기초시험을 수행하였다. 그리고 시험결과를 기반으로 하여 폐비닐 골재 콘크리트로 제작된 박스암거가 동절기에 콘크리트 도로포장에서 사용될 때의 단열효과를 유한요소방법으로 확인하였다.
- 폐비닐 골재는 열과 관련된 성질에서는 장점이 있지만, 일반 골재에 비하여 비중이 작고 강도가 약해 굵은 골재를 폐비닐 골재로 치환할 경우 강도 등의 콘크리트의 물리적 성질이 저하될 수 있다고 판단하였다. 따라서 대조군인 0%를 포함하여 굵은골재의 체적대비 5%와 10%를 각각 폐비닐 골재로 치환한 세 가지 경우에 대해 공시체를 제작하였다. 표면건조포화상태로 만들기 위해 폐비닐 골재를 24시간 침수시킨 뒤 표면을 얇은 헝겊으로 문질러 표면수를 흡수시키고 Table 2의 배합설계에 따라 공시체를 제작하였다.
- 목표 슬럼프를 80mm로 설정하였고 공기량을 3.5±1.5%로 맞추기 위해 1회의 시험배합을 통해 시멘트 중량의 0.5%의 PC용 감수제를 사용하기로 하였다.
- 실내시험과 문헌조사를 근거로 Table 7과 같은 물성을 입력값으로 사용하였다. 열전달에 의한 포장 온도의 변화를 확인하기 위해 슬래브 표면과 암거 내면에 접하는 대기온도는 -20℃, 포장체의 온도는 5℃로 초기조건을 설정하였다. 폐비닐 골재 치환율에 따른 단열효과를 확인하기 위해 박스암거 콘크리트의 골재 중 0%, 5%, 10%를 폐비닐 골재로 치환하여 30일의 기간에 대해 시간이력해석을 실시하였다.
- 치환율 별로 5개씩의 공시체에 대해 열전도율을 측정하였고, 그중 최대·최소값을 제외한 3개 공시체의 평균값을 사용하여 열전도율을 정하였다.
- 콘크리트의 열전도율을 측정하기 위해 KS F 2463을 참고하여 Fig. 6과 같이 쾌속 열전도율 측정기인 QTM-500을 사용하여 폐비닐 골재 치환율에 따른 열전도율 시험을 실시하였다. 치환율 별로 5개씩의 공시체에 대해 열전도율을 측정하였고, 그중 최대·최소값을 제외한 3개 공시체의 평균값을 사용하여 열전도율을 정하였다.
- 8과 같이 콘크리트 공시체의 내부 온도를 5℃에서 60℃까지 변화시키면서 LVDT를 사용하여 수직변위를 측정하였다. 콘크리트의 온도는 공시체 제작시 미리 매립한 I-button을 사용하여 측정하였다. Fig.
- 열전달에 의한 포장 온도의 변화를 확인하기 위해 슬래브 표면과 암거 내면에 접하는 대기온도는 -20℃, 포장체의 온도는 5℃로 초기조건을 설정하였다. 폐비닐 골재 치환율에 따른 단열효과를 확인하기 위해 박스암거 콘크리트의 골재 중 0%, 5%, 10%를 폐비닐 골재로 치환하여 30일의 기간에 대해 시간이력해석을 실시하였다.
- 폐비닐 골재 치환율에 따른 열팽창계수 시험을 실시하였다. Fig.
대상 데이터
- 본 연구에서 사용된 폐비닐 골재는 농업 폐비닐을 사용하여 인공으로 제작되었으며, LDPE(Low Density Polyethylene)를 주성분으로 하고 있다. Fig.
- 이 과정에서 용융된 폐비닐에 다수의 공극이 생성되어 폐비닐 골재의 열전도율과 비중을 감소시킨다. 본 연구에서는 폐비닐 골재를 굵은골재로 사용하기 위해 Fig. 3과 같이 콘크리트 공시체의 공칭최대치수인 19mm의 크기로 절단하였다. 폐비닐 골재의 물리적 성질을 시험한 결과는 Table 1과 같다.
데이터처리
- 폐비닐 골재치환율에 따라 5개의 공시체를 사용하여 시험을 실시하였으며, 결과의 신뢰성을 높이기 위해 최대·최소값을 제외한 3개 값의 평균을 구하였다.
이론/모형
- 굳은 폐비닐 콘크리트의 성질을 알아보기 위해 KS 규정에 따라 압축강도(KS F 2405), 탄성계수 및 포아송비(KS F 2438), 쪼갬 인장강도(KS F 2423) 시험을 Fig. 4와 같이 실시하였다. 시험에 사용한 공시체는 20℃ 항온실에서 28일간 수중양생 시켰다.
- 일반 콘크리트는 압축에 강한 성질을 보이지만 인장에는 약한 단점이 있다. 따라서 Fig. 4(c)와 같이 폐비닐 골재 치환율에 따라 콘크리트 공시체에 대한 쪼갬 인장강도(KS F 2423) 시험을 실시하였다.
- 폐비닐 콘크리트의 단열효과를 확인하기 위해서 상용 프로그램인 ABAQUS(2008)를 사용하여 열전달 해석을 실시하였다. 고속도로 건설공사 표준도(KEC, 2009)를 참고하여 중형의 박스암거가 매설된 도로포장을 Fig.
성능/효과
- 1. 폐비닐 골재의 치환율을 0%, 5%, 10%로 하여 굳지않은 시멘트 콘크리트의 성질을 측정한 결과, 모든 치환율에서 목표로 하는 범위의 슬럼프와 공기량을 얻을 수 있었다. 따라서 굵은골재를 폐비닐 골재로 치환하더라도 적정 공기량과 슬럼프를 확보할 수 있을 것으로 판단되었다.
- 2. 폐비닐 골재의 치환율에 따른 물리적 특성을 측정한 결과 폐비닐 골재의 치환율이 증가함에 따라 압축강도 및 포아송비가 다소 감소하는 것을 확인할 수 있었고, 탄성계수는 증가하는 것을 확인할 수 있었다. 또한 쪼갬 인장강도 역시 폐비닐 골재의 치환율이 증가함에 따라 감소하는 경향을 보였다.
- 포장 깊이에 따른 결과와 마찬가지로 폐비닐 골재 치환율이 높을수록 온도 변화가 작아지는 것을 확인할 수 있었다. 각 지점에서의 온도 변화를 확인한 결과 암거에 가장 가까운 H1의 온도가 가장 빨리 내려갔으며, H2와 H3의 순서로 온도가 내려갔다. 30일이 경과 한 후 H1에서의 온도는 -15.
- 9와 같이 콘크리트 공시체의 온도와 수직변위 간의 선형관계에 대한 기울기로서 열팽창계수를 구하였다. 그 결과, Table 4와 같이 열팽창계수는 폐비닐 골재 치환율이 높아짐에 따라 증가하는 경향을 보였는데, 그 이유는 폐비닐 골재가 일반 골재에 비해 열팽창계수가 높기 때문으로 판단되었다. 하지만 일반적으로 사용되는 콘크리트의 열팽창계수 범위 안에 들어가는 것으로 나타났다(Kim et al.
- 08로 매우 작았고 열전도율도 일반 쇄석골재의 약 5% 정도로 매우 작은 값을 나타냈다. 내부마찰각은 일반 쇄석골재와 비교하였을 때 큰 차이가 없었으며, LA 마모율 시험을 실시한 결과 일반 쇄석골재의 기준을 크게 만족하였다. 환경유해성 검사에서는 중금속이 검출되지 않았고, 기름성분이 0.
- 폐비닐 골재의 치환율을 0%, 5%, 10%로 하여 굳지않은 시멘트 콘크리트의 성질을 측정한 결과, 모든 치환율에서 목표로 하는 범위의 슬럼프와 공기량을 얻을 수 있었다. 따라서 굵은골재를 폐비닐 골재로 치환하더라도 적정 공기량과 슬럼프를 확보할 수 있을 것으로 판단되었다.
- 따라서 농촌 등에 방치되는 폐비닐로 골재를 만들어 콘크리트 구조물의 골재로 사용한다면 경제적 측면은 물론이고 비닐 특유의 열 특성에 의해 단열능력이 뛰어나며, 부족한 골재를 대체하여 골재수급 안정에 기여하고 폐기물을 재활용한다는 1석 4조의 효과를 얻을 수 있을 것이다.
- 해석결과, 폐비닐 골재 치환율이 커짐에 따라 박스암거 콘크리트의 열전도율은 작아지고 비열은 커져서 특정한 온도까지 내려가는데 걸리는 시간 또한 지연되었다. 또한 각 지점에서의 온도변화를 확인한 결과 포장 표층에 가장 가까운 V1에서 온도가 급격하게 내려갔고, V2와 V3 순서로 온도가 내려갔다. 이에 따라 30일이 경과한 후 V1에서의 온도는 -19.
- 폐비닐 골재의 치환율에 따른 물리적 특성을 측정한 결과 폐비닐 골재의 치환율이 증가함에 따라 압축강도 및 포아송비가 다소 감소하는 것을 확인할 수 있었고, 탄성계수는 증가하는 것을 확인할 수 있었다. 또한 쪼갬 인장강도 역시 폐비닐 골재의 치환율이 증가함에 따라 감소하는 경향을 보였다. 하지만 모든 물성이 구조용 콘크리트의 기준을 만족하는 것으로 나타났다.
- 시험결과 Fig. 5와 같이 폐비닐 골재의 치환율이 증가함에 따라 압축강도와 탄성계수는 감소하는 경향을 보였고 푸아송 비는 증가하는 경향을 나타냈다. 하지만 치환율에 따른 강도의 차이가 크지 않았으며 토목구조물인 암거를 기준으로 설계압축강도 24MPa, 탄성계수 27,000MPa(MLTM, 2008)를 만족하여 폐비닐 콘크리트를 구조물에 적용하여도 지장이 없을 것이라고 판단되었다.
- 치환율 별로 5개씩의 공시체에 대해 열전도율을 측정하였고, 그중 최대·최소값을 제외한 3개 공시체의 평균값을 사용하여 열전도율을 정하였다. 시험결과, Fig. 7과 같이 폐비닐 골재 치환율이 증가함에 따라 열전도율이 감소하는 것을 확인할 수 있었으며, 이를 통하여 폐비닐 콘크리트를 구조물에 적용 시 단열효과가 있을 것으로 판단하였다.
- 하지만 치환율에 따른 강도의 차이가 크지 않았으며 토목구조물인 암거를 기준으로 설계압축강도 24MPa, 탄성계수 27,000MPa(MLTM, 2008)를 만족하여 폐비닐 콘크리트를 구조물에 적용하여도 지장이 없을 것이라고 판단되었다. 쪼갬 인장강도는 폐비닐 골재 치환율이 증가함에 따라 감소하였으며, 압축강도의 1/10~1/13 정도의 값을 나타냈다. 이는 일반 콘크리트에서 보이는 쪼갬 인장강도와 압축강도의 비와 동일하다(Shin et al.
- (1)에 사용된 각 재료의 비열은 Table 5와 같다. 측정 결과 Fig. 10과 같이 폐비닐 골재 치환율이 증가함에 따라 콘크리트의 비열이 크게 나타났다.
- 폐비닐 골재의 물리적 성질을 시험한 결과는 Table 1과 같다. 폐비닐 골재는 비중이 1.08로 매우 작았고 열전도율도 일반 쇄석골재의 약 5% 정도로 매우 작은 값을 나타냈다. 내부마찰각은 일반 쇄석골재와 비교하였을 때 큰 차이가 없었으며, LA 마모율 시험을 실시한 결과 일반 쇄석골재의 기준을 크게 만족하였다.
- 폐비닐 골재는 열과 관련된 성질에서는 장점이 있지만, 일반 골재에 비하여 비중이 작고 강도가 약해 굵은 골재를 폐비닐 골재로 치환할 경우 강도 등의 콘크리트의 물리적 성질이 저하될 수 있다고 판단하였다. 따라서 대조군인 0%를 포함하여 굵은골재의 체적대비 5%와 10%를 각각 폐비닐 골재로 치환한 세 가지 경우에 대해 공시체를 제작하였다.
- 이들 범위도 폐비닐 골재 치환율이 클수록 노상의 온도가 늦게 내려갔기 때문이다. 폐비닐 골재에 의한 단열효과는 박스암거에 연접한 위치(H1)에서 치환율이 높을수록 더욱 뚜렷하게 나타났다.
- 폐비닐 골재 콘크리트의 열 특성을 확인하기 위해 폐비닐 골재의 치환율에 따른 비열, 열팽창계수, 열전도율 시험을 실시하였다. 폐비닐 골재의 치환율이 증가함에 따라 콘크리트의 비열 및 열전도율이 감소하였고, 열팽창계수는 증가하는 것으로 나타났다.
- 13은 해석기간 30일 동안의 수평방향 거리 H1, H2 및 H3에서 노상의 온도변화를 도시한 것이다. 포장 깊이에 따른 결과와 마찬가지로 폐비닐 골재 치환율이 높을수록 온도 변화가 작아지는 것을 확인할 수 있었다. 각 지점에서의 온도 변화를 확인한 결과 암거에 가장 가까운 H1의 온도가 가장 빨리 내려갔으며, H2와 H3의 순서로 온도가 내려갔다.
- 폐비닐 골재 콘크리트로 제작된 박스암거가 통과하는 도로포장에 대한 유한요소해석을 실시하였다. 포장체의 온도 변화를 해석한 결과, 박스암거의 폐비닐 골재 치환율이 높을수록 노상의 온도변화가 작아졌으며, 이를 통해 폐비닐 골재를 적용한 콘크리트 구조물에 대하여 단열 및 동상방지효과를 기대할 수 있을 것으로 판단되었다.
- 또한 쪼갬 인장강도 역시 폐비닐 골재의 치환율이 증가함에 따라 감소하는 경향을 보였다. 하지만 모든 물성이 구조용 콘크리트의 기준을 만족하는 것으로 나타났다.
- 12는 해석기간 30일 동안의 포장 깊이 V1, V2 및 V3에서 노상의 온도변화를 도시한 것이다. 해석결과, 폐비닐 골재 치환율이 커짐에 따라 박스암거 콘크리트의 열전도율은 작아지고 비열은 커져서 특정한 온도까지 내려가는데 걸리는 시간 또한 지연되었다. 또한 각 지점에서의 온도변화를 확인한 결과 포장 표층에 가장 가까운 V1에서 온도가 급격하게 내려갔고, V2와 V3 순서로 온도가 내려갔다.
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