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문제 정의
- 본 연구에서는 알칼리 활성 슬래그를 결합재로 사용한 모르타르에 폴리에틸렌섬유를 혼입한 복합재료의 역학 성능을 실험적으로 조사하고자 하였다. 이를 위하여 수산화칼슘과 황산나트륨을 활성화제로 사용한 고로슬래그 기반 모르타르에 부피비로 1.
- 본 연구의 목적은 기존 알칼리 활성 슬래그 기반 고연성 복합재료의 인장 성능을 향상시키기 위하여 폴리에틸렌섬유를 혼입한 복합재료의 성능을 실험적으로 조사하고 동시에 골재 혼입에 따른 영향을 조사하는 것이다.
가설 설정
- 3 %로 나타났다. 강도설계법을 이용하여 철근콘크리트 구조물을 설계할 때 균열 발생 이후에 콘크리트의 인장력은 없는 것으로 가정하고 있는데, 이는 콘크리트의 인장강도가 압축강도에 비해 작고 부재에서 하중 저항에 기여하는바가 크지 않기 때문에 보수적으로 설계하기 위해서이다. 그러나 본 연구에서 구현한 복합재료의 경우 압축강도 대비 인장강도가 평균 20 % 수준으로 일반 콘크리트에 비하여 2배 이상이며, 연성 또한 매우 높기 때문에 새로운 고성능 건설재료로서 활용도가 매우 높을 것으로 판단된다.
제안 방법
- 일본토목학회에서 제안한 방법[13]에 따라 Fig. 1(a)와 같은 형태의 실험체를 제작한 후, 28일 재령에서 인장성능을 평가하였다. 실험체는 각 배합별로 3개씩 제작하였고, 직접인장 실험은 최대용량 2톤의 인장강도 시험기에서 0.
- 1) 물/결합재비가 30 %에서 38 %인 알칼리 활성 슬래그 기반 모르타르에 폴리에틸렌섬유를 부피비로 1.75 % 혼입하여 재령 28일에 밀도 1.9 g/cm3-2.1 g/cm3, 압축강도 36.9 MPa - 49.4 MPa, 첫 번째 균열강도 2.7 MPa - 4.8 MPa, 인장강도 6.5 MPa - 12.9 MPa, 인장변형 4.7 % - 6.6 %의 성능을 갖는 복합재료를 제조하였다.
- 각 재료는 중량 비로 계량한 후, 분말형 재료인 결합재와 규사를 넣고 1분 동안 건비빔을 실시하고, 배합수를 혼입한 후 1분 동안 혼합하면서 고성능 감수제를 첨가하였다. 매트릭스가 균일하게 혼합된 후 폴리에틸렌섬유를 1분에 걸쳐 조금씩 넣고 4분 동안 혼합하였다.
- 본 연구에서는 4가지 배합을 검토하였다(Table 3). 결합재의 주요 재료는 고로슬래그이며, 알칼리 활성화제의 종류와 비율은 한 가지로 통일하였으며, 매트릭스 강도 별 영향을 검토하기 위해 물/결합재비를 30 %, 34 %, 38 % 3수준으로 결정하였고, 골재의 영향을 검토하기 위해 중간 강도를 갖는 물/결합재비 34 %에 대해 결합재 무게 대비 40 %의 잔골재를 혼입한 배합을 추가하였다. 고성능 감수제의 양은 섬유의 뭉침 현상이 발생하지 않고 균일한 분산성을 확보하기 위하여 매트릭스의 점성이 충분하도록 배합에 따라 적정 수준을 혼입하였다[12].
- 변위 측정 방법은 실험체의 좌우 측면에 100 mm의 변위계를 부착하여 측정하였으며, 변형률 환산을 위한 측정길이는 80 mm이며 측정구간 내의 단면은 30 mm × 13 mm로 일정하다.
- 본 연구에서는 4가지 배합을 검토하였다(Table 3). 결합재의 주요 재료는 고로슬래그이며, 알칼리 활성화제의 종류와 비율은 한 가지로 통일하였으며, 매트릭스 강도 별 영향을 검토하기 위해 물/결합재비를 30 %, 34 %, 38 % 3수준으로 결정하였고, 골재의 영향을 검토하기 위해 중간 강도를 갖는 물/결합재비 34 %에 대해 결합재 무게 대비 40 %의 잔골재를 혼입한 배합을 추가하였다.
- 1 mm/min. 속도의 변위 제어 방식으로 수행하였다. 변위 측정 방법은 실험체의 좌우 측면에 100 mm의 변위계를 부착하여 측정하였으며, 변형률 환산을 위한 측정길이는 80 mm이며 측정구간 내의 단면은 30 mm × 13 mm로 일정하다.
- 본 연구에서는 알칼리 활성 슬래그를 결합재로 사용한 모르타르에 폴리에틸렌섬유를 혼입한 복합재료의 역학 성능을 실험적으로 조사하고자 하였다. 이를 위하여 수산화칼슘과 황산나트륨을 활성화제로 사용한 고로슬래그 기반 모르타르에 부피비로 1.75 %의 폴리에틸렌섬유를 혼입하여 실험체를 제작한 후 직접 인장 실험, 밀도 및 압축강도 등 일련의 실험을 수행하였고, 이를 통하여 얻은 결론은 다음과 같다.
- 섬유의 양은 섬유의 가교 작용과 매트릭스의 파괴 인성에 대한 미시역학 변수 값 들을 알게 되면 이론적으로 계산할 수 있다[6]. 일반적으로 고연성 섬유 보강 복합재료를 제조하는데 부피비로 2 %의 합성섬유를 혼입하고 있는데 본 연구에서는 인장강도가 높고 단면적이 작은 폴리에틸렌섬유를 사용하였기 때문에 혼입량을 부피비 1.75 %로 정하였다.
- 직접인장 실험을 통해 섬유 보강 복합재료의 인장성능을 평가하였다. 일본토목학회에서 제안한 방법[13]에 따라 Fig.
- 혼합이 완료된 후 압축강도와 일축 인장 실험을 위한 시편을 제작하여 (23 ± 3) ℃와 상대습도 (50 ± 5) % 조건에서 양생하고, 타설 2일 후 탈형하여 재령 28일까지 양생 온도 (23 ± 2) ℃의 양생 수조에서 수중양생을 실시하였다.
대상 데이터
- 본 연구에서 사용된 고로슬래그는 KS F 2563에 규정되어 있는 3종 분말도(4,320 cm2/g)인 콘크리트용 고로슬래그이며, 비중과 염기도는 각각 2.92와 1.80이다. Table 1은 XRF(x-ray fluorescence) 분석을 통해 구한 본 연구에서 사용한 고로슬래그의 화학 성분을 나타낸다.
- 본 연구에서 사용한 골재는 평균 직경이 100 μm이고 비중이 2.65인 규사(silica sand) 7호를 잔골재로 사용하였다.
- 1(a)와 같은 형태의 실험체를 제작한 후, 28일 재령에서 인장성능을 평가하였다. 실험체는 각 배합별로 3개씩 제작하였고, 직접인장 실험은 최대용량 2톤의 인장강도 시험기에서 0.1 mm/min. 속도의 변위 제어 방식으로 수행하였다.
- 알칼리 활성화제는 6가지 즉, 수산화 계열의 가성 알칼리 계열, 비규산계 약산염, 규산염, 알루민산염, 알루미나 규산염, 비규산계 강산염 등으로 분류할 수 있으며[10], 본 연구에서는 가격이 비교적 저렴하면서 성능이 우수한 것으로 나타난 분말형의 수산화칼슘(Ca(OH)2)과 황산나트륨(Na2SO4)을 알칼리 활성화제로 사용하였다[6].
- 유동성을 향상시키고 균일한 섬유 분산성을 얻기 위하여 폴리카르본산계 고성능 감수제를 사용하였고, 보강 섬유로는 직경이 12 μm이고, 길이가 18 mm이면서 단면이 원형인 직선형 폴리에틸렌섬유를 사용하였다.
이론/모형
- 압축강도는 밀도를 측정한 시험체를 이용하여 KS L5105에 규정된 방법에 따라 측정하였다.
성능/효과
- 2) 물/결합재비 30 %인 배합의 경우, 압축강도 49.4 MPa, 첫 번째 균열 강도 4.8 MPa, 인장강도 12.9 MPa, 인장변형 6.6 %의 성능을 나타내었다. 이러한 성능은 기존에 보고된 복합재료에 비하여 우수한 성능이며, 특히 일반 콘크리트의 압축강도 대비 인장강도가 약 10 % 정도인 반면 이 복합재료는 압축강도 대비 인장강도가 26 %로 나타났다.
- 3) 본 연구에서 사용한 결합재의 경우 물/결합재비가 감소함에 따라 압축강도, 첫 번째 균열강도, 인장강도, 인장변형 측면에서 성능이 향상되는 것으로 나타났으나, 골재를 혼입함에 따라 성능이 떨어지는 것으로 나타났다.
- 4) 밀도 실험을 통해 본 연구에서 적용한 혼합 방법에 의해 의도하지 않은 과도한 기포가 생성되지 않는 것을 확인하였다.
- M30의 인장성능은 3개의 실험체에 대하여 평균적으로 첫 번째 균열강도, 인장강도, 인장변형이 각각 4.8 MPa, 12.9 MPa, 6.6 %로 나타났다. 최초의 PE-ECC가 첫 번째 균열 강도 약 3 MPa, 인장강도 약 5.
- 이는 물/결합재비의 감소에 따라 섬유와 매트릭스 사이의 부착 특성이 감소하였기 때문인 것으로 판단된다. 골재혼입에 따른 영향은 골재 혼입에 따라 인장강도가 29 % 감소하는 것으로 나타났다.
- 5 %를 나타내는데 이와 비교하여도 매우 높은 인장 성능이다. 따라서 기존의 대표적인 고연성 섬유 보강 복합재료와 비교하여 본 연구에서 구현한 섬유 보강 복합재료는 압축강도를 높이기 위하여 특별한 재료 및 배합 설계 없이 우수한 인장 성능을 갖고 있는 것을 알 수 있다.
- 8은 배합별 압축강도를 나타낸다. 물/결합재비가 가장 낮은 M30이 가장 높은 압축강도를 나타내었으며, 물/결합재비가 높아질수록 비례하여 압축강도가 감소하였다. M34와 M34-S를 비교해 보면 골재 혼입에 따른 압축강도의 변화는 크지 않은 것으로 나타났다.
- 6에서 확인할 수 있듯이 모든 실험체에서 미세한 다중 균열이 발생한 것을 확인할 수 있다. 본 연구에서는 매크로 수준에서 복합재료의 성능을 평가하여 인장 성능이 매우 우수함을 보였다. 그러나 이와 같이 인장하중 하에서 고강도와 고연성이 나오는 이유를 정량적으로 분석하기 위해서는 섬유 인발 실험 및 섬유 가교 거동에 대한 실험 및 분석을 위한 추가 연구가 필요하다.
- 22 %로 나타났다. 이 실험을 통하여 본 연구에서 적용한 방법을 통해 제조할 경우 의도하지 않은 과도한 기포가 생성되지 않은 것을 확인할 수 있다.
- 6 %의 성능을 나타내었다. 이러한 성능은 기존에 보고된 복합재료에 비하여 우수한 성능이며, 특히 일반 콘크리트의 압축강도 대비 인장강도가 약 10 % 정도인 반면 이 복합재료는 압축강도 대비 인장강도가 26 %로 나타났다.
- 7 % 높은 것으로 나타났는데 이는 상대적으로 밀도가 큰 골재가 함유되었기 때문이다. 이론적으로 계산한 밀도와 오차는 각각 0.30 %, 0.05 %, 1.87 %, 1.22 %로 나타났다. 이 실험을 통하여 본 연구에서 적용한 방법을 통해 제조할 경우 의도하지 않은 과도한 기포가 생성되지 않은 것을 확인할 수 있다.
- 2에서 볼 수 있듯이 모든 실험체에서 일반 콘크리트와 달리 첫 번째 균열이 발생한 이후 변형 경화 거동이 뚜렷이 나타났다. 최대 응력에 해당하는 인장강도에 도달한 후 변형이 증가하면서 응력이 감소하는 변형 연화 거동이 나타났으며, 변형 연화 거동 중에는 하나의 균열 폭이 지속적으로 커지면서 최종적으로 실험체가 파괴되는 양상을 나타내었다.
후속연구
- 강도설계법을 이용하여 철근콘크리트 구조물을 설계할 때 균열 발생 이후에 콘크리트의 인장력은 없는 것으로 가정하고 있는데, 이는 콘크리트의 인장강도가 압축강도에 비해 작고 부재에서 하중 저항에 기여하는바가 크지 않기 때문에 보수적으로 설계하기 위해서이다. 그러나 본 연구에서 구현한 복합재료의 경우 압축강도 대비 인장강도가 평균 20 % 수준으로 일반 콘크리트에 비하여 2배 이상이며, 연성 또한 매우 높기 때문에 새로운 고성능 건설재료로서 활용도가 매우 높을 것으로 판단된다.
- 본 연구에서는 매크로 수준에서 복합재료의 성능을 평가하여 인장 성능이 매우 우수함을 보였다. 그러나 이와 같이 인장하중 하에서 고강도와 고연성이 나오는 이유를 정량적으로 분석하기 위해서는 섬유 인발 실험 및 섬유 가교 거동에 대한 실험 및 분석을 위한 추가 연구가 필요하다.
- 향후 성능 안정화와 거동에 대한 정량적 분석을 위하여 고로슬래그 기반 알칼리 활성 모르타르의 역학 특성과 섬유와 모르타르 사이의 계면 특성에 관한 추가 연구가 필요할 것으로 판단되며, 균일한 성능만 확보할 수 있다면 새로운 고성능 건설재료로서 활용도가 매우 높을 것으로 판단된다.
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