고로슬래그와 환원슬래그를 기반으로 한 저에너지양생용 결합재를 사용한 압출성형패널의 최적배합 Optimum Mix of Extrusion panel Using Low Energy Curing Admixture (LA) based on Ground Granulated Blast-Furnace Slag and Ladle Furnace Slag원문보기
건설 분야 중 건설 재료와 건자재 산업에서 발생하는 $CO_2$는 약 6,700만톤으로 건설 분야에서 발생하는 $CO_2$의 약 30%를 점유하고 있다. 건설 분야에서 $CO_2$ 저감은 건자재 산업에서 $CO_2$를 발생시키는 2차, 3차 양생을 줄여 소비되는 화석연료 사용과 배출 가스 저감의 조절이 필수적이다. 따라서 본 연구는 저에너지양생용 혼합재(Low energy curing Admixture 이하 LA)를 압출성형패널에 적용한 후 그 혼입량, 섬유종류, 섬유 혼입율에 따른 물리적 특성을 관찰하였다. 섬유종류가 강도에 영향을 나타내는 주요한 인자는 아닌 것으로 나타났으며, LA 혼입율과 섬유 혼입량은 강도에 영향을 주는 주요한 인자인 것으로 나타났다. 특히 LA 혼입율 dl 40% 일 때 가장 높은 강도발현을 나타냈으며, 50% 인 시험체의 경우 강도가 하락하는 결과를 나타냈다, 또한 섬유 혼입율은 휨강도에 크게 영향을 주었으며 혼입율이 증가할수록 휨강도는 증가하는 것으로 나타났다.
건설 분야 중 건설 재료와 건자재 산업에서 발생하는 $CO_2$는 약 6,700만톤으로 건설 분야에서 발생하는 $CO_2$의 약 30%를 점유하고 있다. 건설 분야에서 $CO_2$ 저감은 건자재 산업에서 $CO_2$를 발생시키는 2차, 3차 양생을 줄여 소비되는 화석연료 사용과 배출 가스 저감의 조절이 필수적이다. 따라서 본 연구는 저에너지양생용 혼합재(Low energy curing Admixture 이하 LA)를 압출성형패널에 적용한 후 그 혼입량, 섬유종류, 섬유 혼입율에 따른 물리적 특성을 관찰하였다. 섬유종류가 강도에 영향을 나타내는 주요한 인자는 아닌 것으로 나타났으며, LA 혼입율과 섬유 혼입량은 강도에 영향을 주는 주요한 인자인 것으로 나타났다. 특히 LA 혼입율 dl 40% 일 때 가장 높은 강도발현을 나타냈으며, 50% 인 시험체의 경우 강도가 하락하는 결과를 나타냈다, 또한 섬유 혼입율은 휨강도에 크게 영향을 주었으며 혼입율이 증가할수록 휨강도는 증가하는 것으로 나타났다.
$CO_2$ emitted from building materials and construction materials industry reaches about 67 million tons, which occupy about 30 % of $CO_2$ emitted from the construction field. Controls on the use of consumed fossil fuels and reduction of emission gases are essential for the re...
$CO_2$ emitted from building materials and construction materials industry reaches about 67 million tons, which occupy about 30 % of $CO_2$ emitted from the construction field. Controls on the use of consumed fossil fuels and reduction of emission gases are essential for the reduction of $CO_2$ in the construction area as we reduce the second and third curing to emit $CO_2$ in the construction materials industry. Accordingly, this study applied the low energy curing admixture (hereinafter "LA") to the extruded panels to observe the physical properties, depending on the mixing amount of fiber, type of fiber and mixing ratio of fiber. The type of fiber did not appear to be a main factor to affect strength, while the LA mixing ratio and mixing amount of fiber appeared to be major factors to affect strength. Especially, the highest strength was developed when the LA mixing ratio was 40%, whereas the test object with the mixing ratio of 50% resulted in the decrease of strength. In addition, it appeared that the mixing ratio of fiber greatly affected flexural strength and strength increased as the mixing ratio increased.
$CO_2$ emitted from building materials and construction materials industry reaches about 67 million tons, which occupy about 30 % of $CO_2$ emitted from the construction field. Controls on the use of consumed fossil fuels and reduction of emission gases are essential for the reduction of $CO_2$ in the construction area as we reduce the second and third curing to emit $CO_2$ in the construction materials industry. Accordingly, this study applied the low energy curing admixture (hereinafter "LA") to the extruded panels to observe the physical properties, depending on the mixing amount of fiber, type of fiber and mixing ratio of fiber. The type of fiber did not appear to be a main factor to affect strength, while the LA mixing ratio and mixing amount of fiber appeared to be major factors to affect strength. Especially, the highest strength was developed when the LA mixing ratio was 40%, whereas the test object with the mixing ratio of 50% resulted in the decrease of strength. In addition, it appeared that the mixing ratio of fiber greatly affected flexural strength and strength increased as the mixing ratio increased.
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문제 정의
압출성형패널은 휨강도 증대, 균열억제 등을 목적으로 섬유를 사용하지만 고온, 고압의 오토클레이브 양생공정으로 인해 양생 중 연소되지 않는 내열성이 높은 PP(polypropylene)와 같은 섬유만을 선택적으로 사용하여야 하며 이는 고가의 재료로서 생산단가를 상승시키는 문제점을 가지고 있다. 따라서 본 실험에서는 LA를 이용하여 오토클레이브 양생공정을 배제하였기 때문에 상대적으로 저가이며 휨강도 증진, 균열억제를 위해 PE(polyethylene)와 Nylon 섬유의 적용가능성을 검토하였다. Table 1은 실험계획으로 실험인자로는 LA 대체율, 섬유종류, 섬유혼입율로 설정하였으며 Table 2에 실험배합을 나타내었다.
따라서 본 연구는 국내온실가스 감축정책에 발맞춰 국내 CO2 배출량 중 높은 비중을 차지하는 건설 분야 CO2 감축의 일환으로 건자재 산업에서 압출성형 패널 제조시 CO2를 발생시키는 2차, 3차 양생을 줄여 소비되는 화석연료 사용의 억제 및 탄소저감을 목적으로 저에너지양생용 결합재(LA)를 적용한 압출성형패널의 최적배합을 검토하였다.
본 연구에서는 선행연구 결과물인 저에너지양생용 혼합재(Low energy curing Admixture 이하 LA이라 칭함)를 압출성형패널에 적용하여 최적배합을 도출하고자 Table 1과 같은 실험을 계획하였다. 압출성형패널은 휨강도 증대, 균열억제 등을 목적으로 섬유를 사용하지만 고온, 고압의 오토클레이브 양생공정으로 인해 양생 중 연소되지 않는 내열성이 높은 PP(polypropylene)와 같은 섬유만을 선택적으로 사용하여야 하며 이는 고가의 재료로서 생산단가를 상승시키는 문제점을 가지고 있다.
은 압출성형패널에 알파형반수석고를 혼입하여 내화성능을 향상시킨 패널을 개발하였다. 이들 연구는 모두 결합재로 Ordinary Portland cement와 재활용 재료를 혼입하여 제조단계에서 생산비 절감을 목표로 하였다.
이러한 문제점을 해결하기 위해서 본 연구에서는 오토클레이브양생 배제를 위하여 결합재를 보통 포틀랜드 시멘트 대신 속경성 결합재를 이용하여 해결하고자 하였다. 속경성 결합재는 콘크리트 타설 후 시간경과에 따라 유동성을 잃어버리고 굳어지는 경화 현상의 속도가 상대적으로 빠른 성질을 가지고 있다.
제안 방법
따라서 본 실험에서는 LA를 이용하여 오토클레이브 양생공정을 배제하였기 때문에 상대적으로 저가이며 휨강도 증진, 균열억제를 위해 PE(polyethylene)와 Nylon 섬유의 적용가능성을 검토하였다. Table 1은 실험계획으로 실험인자로는 LA 대체율, 섬유종류, 섬유혼입율로 설정하였으며 Table 2에 실험배합을 나타내었다.
상압증기양생은 80℃, 상대습도 100%의 조건에서 4시간 상승 5시간 유지 후 자연 냉각하는 방법을 사용하였다. 고압증기양생은 상압 증기 양생한 시험체를 대상으로 온도 180℃, 10 hPa, 상대습도 100%의 조건으로 4시간 상승, 5시간 유지 후 자연 냉각하는 방법을 사용하였다.
/g 상태로 분쇄한 것으로 CA계 초속경 화학조성과 유사한 조성을 가지고 있으며 높은 수화열과 급결의 특성을 가지고 있다. 또한 슬래그와 하소카올린의 포졸란 반응에 기여하고자 석회망초와 규불화염을 사용하였다. 이 두 재료는 시멘트 매트릭스 내에서 가수분해에 의한 가용성 실리카로 전이되어 시멘트 수화반응에 의해 생성된 수산화칼슘과 반응하는 포졸란 반응을 촉진하여 균열억제, 수화열 상승억제, 중성화, 동결융해저항성 등의 내구성 향상에 도움이 되는 것으로 알려져 있다.
상온양생은 온도 20 ± 1℃, RH 60 ± 5% 조건의 항온 항습실에서 수행하였다. 상압증기양생은 80℃, 상대습도 100%의 조건에서 4시간 상승 5시간 유지 후 자연 냉각하는 방법을 사용하였다. 고압증기양생은 상압 증기 양생한 시험체를 대상으로 온도 180℃, 10 hPa, 상대습도 100%의 조건으로 4시간 상승, 5시간 유지 후 자연 냉각하는 방법을 사용하였다.
상온양생은 온도 20 ± 1℃, RH 60 ± 5% 조건의 항온 항습실에서 수행하였다.
압출에 의해 성형이 된 시험체의 양생은 Fig. 2에 나타낸 바와 같이 상온양생, 상압증기양생까지 실시하였고, 비교 대상이 되는 시멘트만을 사용한 Base의 경우 고압증기양생인 오토클레이브양생을 실시하였다. 상온양생은 온도 20 ± 1℃, RH 60 ± 5% 조건의 항온 항습실에서 수행하였다.
이에 고로슬래그, Calcium Sulfate Aluminate, 환원슬래그, 하소카올린, 석회망초, 규불화염을 기반으로 하소카올린, 석회망초, 규불화염 첨가량은 동일하게 고정하고 고로슬래그, Calcium Sulfate Aluminate, 환원슬래그 첨가량을 대체하여 시멘트 결합재만을 사용하여 3차 오토클레이브 양생까지 실시한 실험체와 강도 및 특성을 비교, 분석한 결과 최적 조성비를 도출하였으며 이 개발 결합재를 시멘트 압출패널에 적용하여 오토클레이브 양생 배제 가능성을 확인하였다.7-8)
콘크리트 2차제품인 압출성형패널의 생산단계에서 양생차수 저감을 위한 LA 결합재와 섬유종류, 섬유혼입율을 대체한 실험 결과 다음과 같은 결론을 얻었다.
대상 데이터
26 g/cm3의 제품을 사용하였다. 그 외 압출 시 인장강도 증진을 위해 섬유계 재료로 무기질계인 규회석(Wollastonite)과 유기질계 Pulp를 사용하였으며, 섬유는 인조섬유인 PP (Polypropylene)와 PE (polyethylene), Nylon을 사용하였다.
또한 압출성형시 점도조절 및 윤활특성 개선을 위해 사용된 증점제는 국내 S사 제품으로 점도는 40,000 cps, 밀도 1.26 g/cm3의 제품을 사용하였다. 그 외 압출 시 인장강도 증진을 위해 섬유계 재료로 무기질계인 규회석(Wollastonite)과 유기질계 Pulp를 사용하였으며, 섬유는 인조섬유인 PP (Polypropylene)와 PE (polyethylene), Nylon을 사용하였다.
시멘트는 국내 A사에서 시판되는 1종 보통포틀랜드 시멘트를 사용하였고 고로슬래그는 선철공정 중 부산물로 생성되는 3종 고로슬래그이며, U사 제품으로 비표면적 (blaine)은 7,400 cm2/g이며, CSA는 국내 H사의 비표면적 (blaine)은 4,500 cm2/g으로 Al2O3가 36.5% 함량된 것을 사용하였다.
압출 시험체는 일본 I사 SY-05S모델의 압출기를 이용하여 300 × 1,000 × 35 mm크기의 패널형태로 제작하였으며 실험방법은 Fig. 1과 같다.
하소카올린은 메타카올린 제조 공정 중 카올리나이트가 하소된 것으로 메타카올린에 비하여 반응성이 떨어지지만 저가인 국내 B사의 비표면적 (blaine) 4,200 cm2/g을 갖는 제품을 사용하였다.
이론/모형
1과 같다. 압출된 시험체의 휨강도 및 압축강도는 시험체를 120 mm길이로 절단하여 KS L ISO 679에 준하여 만능재료시험기를 이용하여 상압증기양생 후 측정하였으며, KS F 4735에 준하여 패널의 밀도, 흡수율, 함수율을 측정하였다.
성능/효과
(1) 섬유 종류와, LA 혼입율에 따른 압출성형패널의 함수율의 변화는 없었으며 섬유 혼입율에 따라 변화가 나타나 대체적으로 섬유가 혼입되지 않은 실험체에서 함수율이 비교적 높은 값을 나타내었다.
(2) 흡수율 측정결과 함수율 측정 결과와 유사하게 섬유 혼입율이 증가할수록 흡수율은 감소하는 경향을 나타냈으며 밀도의 경우 섬유 종류와, 섬유 혼입율에는 크게 영향을 받지 않고 LA 혼입율에 따라 그 특성이 변화되는 것으로 나타났다.
(3) 강도특성에 있어 섬유 종류는 강도에 크게 영향을 미치는 유효인자로 나타나지 않았다. 섬유 혼입율이 증가할수록 강도는 증가하였으며, LA 혼입율은 40% 대체하였을 경우 가장 높은 강도 발현을 나타냈다.
(4) 이상의 실험·실증적인 연구 결과 LA를 혼입하여 압출성형패널 제조 시 고가의 PP섬유 대신 저가의 PE 또는 Nylon 섬유의 대체 가능성을 확인하였으며, LA 혼입율 40%, 섬유 혼입율 0.8%일 경우 최적배합인 것으로 판단되었다.
각 섬유종류, 섬유혼입율, LA 혼입율에 따른 함수율은 Fig. 3과 같이 모든 실험군에서 기준에 적합한 것으로 나타났다. 섬유 종류와 섬유 혼입량, LA 혼입율에 따른 함수율의 상관관계는 나타나지 않았으며 대체적으로 섬유가 혼입되지 않은 실험체에서 함수율이 비교적 높은 값을 나타내고 있다.
6의 낮은 비중값을 가지고 있어 혼입율이 증가할수록 매트릭스의 밀도는 하락한 것으로 판단된다. 따라서 섬유혼입율이 높고 결합재 치환율이 큰 3, 6, 9, 12, 15, 18, 21, 24, 27 시험체가 가장 낮은 밀도값을 나타내는 것으로 나타났다. 밀도가 높은 경우 단위하중 증가로 인한 시공이 어려운 단점이 있어 비교적 밀도가 낮은 시험체를 시공면에 적용할 경우 유리할 것으로 판단되어 진다.
밀도변화는 섬유종류에 영향을 받지 않고 결합재 치환율과 섬유혼입율에 따라 변화하는 것으로 나타났다. 특히 섬유 혼입율이 증가하고, 결합재 치환율이 증가 할수록 밀도는 하락하는 것으로 나타났다.
3과 같이 모든 실험군에서 기준에 적합한 것으로 나타났다. 섬유 종류와 섬유 혼입량, LA 혼입율에 따른 함수율의 상관관계는 나타나지 않았으며 대체적으로 섬유가 혼입되지 않은 실험체에서 함수율이 비교적 높은 값을 나타내고 있다. 이는 기존문헌에서 보고된 바와 같이 섬유가 패널 매트릭스내에 분산되어 미세공극을 채움으로서 수분의 이동통로를 감소시켜 함수율을 저하시키는 것으로 판단된다.
특히 섬유는 PP섬유가 가장 높은 강도성상을 나타내며 PE의 경우도 유사한 강도 성상을 나타내고 있다. 섬유 혼입량이 증가할수록 강도에 유리한 것으로 나타나고 있으며 결합재 대체율은 40% 까지 강도 증진을 나타내고 있지만 50% 대체 시 강도가 저하하는 경향이 나타났다.
(3) 강도특성에 있어 섬유 종류는 강도에 크게 영향을 미치는 유효인자로 나타나지 않았다. 섬유 혼입율이 증가할수록 강도는 증가하였으며, LA 혼입율은 40% 대체하였을 경우 가장 높은 강도 발현을 나타냈다.
7과 같이 압축강도와 유사하게 LA 혼입율이 증가할수록, 섬유혼입율이 증가할수록 휨강도는 증진하는 것으로 나타났으며 특히 섬유혼입율이 강도발현에 크게 영향을 주는 것으로 나타났다. 섬유를 혼입하지 않았을 경우 10.16 N/mm2으로 압출성형패널 기준에서 정하고 있는 14.0 N/mm2 이상을 만족하지 못하였으며, 혼입율이 0.4%, 0.8%로 증가할수록 휨강도 발현율은 크게 증가하였다. LA 혼입율에 따라 압축강도와 유사한 경향을 나타내고 있으며 40% 대체인 경우 14.
섬유종류, 섬유혼입율, 결합재 치환율에 따른 밀도는 Fig. 5와 같이 함수율, 흡수율과 동일하게 모든 실험군에서 기준에 적합한 것으로 나타났다.
6은 압축강도를 나타내 것으로 섬유종류에서는 PP와 PE의 경우 유사한 강도성상을 나타내고 있으며 Nylon의 경우 비교적 낮은 압축강도 값을 나타냈지만 섬유종류가 강도발현에 크게 영향을 미치지 않았다. 섬유혼입율에 있어 혼입하지 않았을 경우가 가장 낮은 강도값을 나타냈으며 혼입율이 0.4%에서 0.8%로 증가할수록 강도는 증가하는 것으로 나타났다. 이러한 경향은 기존 섬유보강 콘크리트의 일반 배합 범위에서의 실험 결과들과 일치하는 것으로 본 압출성형패널에서도 유사한 경향을 나타내고 있다.
밀도변화는 섬유종류에 영향을 받지 않고 결합재 치환율과 섬유혼입율에 따라 변화하는 것으로 나타났다. 특히 섬유 혼입율이 증가하고, 결합재 치환율이 증가 할수록 밀도는 하락하는 것으로 나타났다. 이는 실험에 사용한 섬유의 경우 비중 0.
휨강도 특성은 Fig. 7과 같이 압축강도와 유사하게 LA 혼입율이 증가할수록, 섬유혼입율이 증가할수록 휨강도는 증진하는 것으로 나타났으며 특히 섬유혼입율이 강도발현에 크게 영향을 주는 것으로 나타났다. 섬유를 혼입하지 않았을 경우 10.
후속연구
8%일 경우 최적배합인 것으로 판단되었다. 하지만 장기 내구성과 옥외 폭로 저항성, 압출성형패널 제조 시 압출속도, 점도 등에 대한 세부사항 등의 추가적인 연구가 필요할 것으로 사료된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
압출성형은 무엇인가?
압출성형은 투입재료가 소성상태에 있을 때 금형(Die)을 통과시켜 성형하는 방식으로 각종 패널류 등의 판재 및 봉재, 기타 선형부재의 생산을 위한 방법으로서 가장 보편적인 생산기법 중 하나이다. 압출성형방식 자체가 가지고 있는 특징인 연속적인 생산방식으로 인하여 생산성이나 경제성 면에서 가장 유리한 방식으로 알려져 있으며, 습식 프리캐스트 제품에 비해 경량이며, 질량대비 강도가 높고, 치수안정성과 습기에 강한 장점을 가지고 있다.
속경성 결합재의 어떤 성질을 가지고 있는가?
이러한 문제점을 해결하기 위해서 본 연구에서는 오토클레이브양생 배제를 위하여 결합재를 보통 포틀랜드 시멘트 대신 속경성 결합재를 이용하여 해결하고자 하였다. 속경성 결합재는 콘크리트 타설 후 시간경과에 따라 유동성을 잃어버리고 굳어지는 경화 현상의 속도가 상대적으로 빠른 성질을 가지고 있다. 즉 시멘트의 활성도를 높이는 것으로 분말도를 높여 시멘트 입자들의 표면적을 크게 하여 물을 가했을 때 수화반응을 더욱 활발하게 이뤄지게 하고 그 속도도 빨라지게 하는 방법뿐만 아니라 결합재에 첨가되는 성분을 변화 시켜 속도를 증진시키기도 한다.
압출성형방식의 단점은 무엇인가?
압출성형방식 자체가 가지고 있는 특징인 연속적인 생산방식으로 인하여 생산성이나 경제성 면에서 가장 유리한 방식으로 알려져 있으며, 습식 프리캐스트 제품에 비해 경량이며, 질량대비 강도가 높고, 치수안정성과 습기에 강한 장점을 가지고 있다. 그러나 고가의 혼화재 사용과 2, 3차 양생으로 인한 생산비 증대 등으로 인한 낮은 경제성 때문에 시장점유율이 높지 않아 경제성 향상 및 기능성을 향상시키기 위한 연구가 진행 중이다.
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