[논문]고강도 콘크리트의 내화성능 용도에 따른 FRP재활용 공정 개발

이승희; 박종원; 윤구영

doi:10.7846/jkosmee.2015.18.3.207

고강도 콘크리트의 내화성능 용도에 따른 FRP재활용 공정 개발
Development of FRP Recycling Process for Regenerating Applications of Fire Resistance Performance of High Strength Concrete 원문보기

한국해양환경ㆍ에너지학회지 = Journal of the Korean Society for Marine Environment & Energy, v.18 no.3, 2015년, pp.207 - 215

이승희 (홍익대학교 과학기술대학 바이오화학공학과) , 박종원 (홍익대학교 과학기술대학 건축공학과) , 윤구영 (홍익대학교 과학기술대학 기계정보공학과)

초록
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환경문제를 야기시켰던 해상용 FRP재활용에 대해 지난 10여 년간 다양한 국가적 지원이 이루어져서 폐FRP로부터 콘크리트 강화용 섬유 제작이 진행되어 왔다. 이렇게 제작된 강화 콘크리트에 대해 구조적 능력까지 시험한 바 있다. 시험 테스트 결과 재활용 FRP 가루를 사용한 콘크리트는 고강도 콘크리트의 압축강도를 감소시키지 않았을 뿐 만 아니라, 고강도 콘크리트의 내폭 특성을 상당히 증대시켰다. 그러나 폐FRP로부터 매트층의 분리 방법이 안정화되지 않았기 때문에 폐FRP 섬유 가루의 특성에 대한 연구는 종결되지 않았다. 본 연구는 폐FRP로부터 매트층을 분리하는 효과적이며 친환경적인 새로운 방법에 관한 것이며, 이것은 내폭성이 강한 제품이나 구조물에 적합한 FRP섬유가루 생산 공정에 유용한 재활용 공정이라 생각한다.

Abstract ▼ AI-Helper

In the last decade, increasing national research fund for recycling the waste FRP (fiber reinforced plastics) ships which has caused environmental problems, improves the technology making concrete-reinforcing fibers out of the waste FRP. Furthermore, the concrete with recycled FRP fiber was tested for the structural performance. Experimental strength tests show that use of recycled FRP powder does not reduce the compressive strength of high strength concrete, and does increase the fire resistance performance of high strength concrete significantly. But, the study in investigating the properties of recycled fiber powder from waste FRP has not been completed because of the absence of the method of separation of mat layer from the waste FRP. This study is to propose a new extracting method of the mat layer from waste FRP, which is the efficient and environment friendly system. and thus it is considered to be the useful recycling method for fire resistance high concrete products or structures.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

1. 본 연구는 이러한 섬유가루의 매우 유용한 활용처로서 고강도 콘크리트의 압축강도 및 내화성능 향상에 주목하여 유용한 섬유가루 생산공정을 개발하는 것을 목표로 하였다. 기존의 RFRP(재활용섬유강화 FRP)에 사용되는 폐FRP 유리섬유(로빙층 분리 공정) 개발 공정을 개선하여, 수지성분이 주로 포함된 매트층을 효과적으로 추출하는 공정을 개발하였다.
HF 수용액으로 처리한 경우 눈으로 섬유의 밀도를 비교하여 로빙층을 판단할 수 있으나 광학적 센서를 이용하여 보다 정확하게 로빙층을 인식하고자 하였다. 수지의 경우는 소수성이고 섬유는 친수성이므로 친수성 염료를 사용하여 HF로 처리한 섬유를 착색하였다.
이번 개선결과는 기존의 폐FRP에서 로빙면포층만을 효과적으로 추출함으로써 얻게 되는 대부분의 매트층(전체의 6/7)으로부터 수지 성분이 60% 이상인 섬유가루를 얻을 수 있다는 것이다. 따라서 건설재료로서 가장 대표적으로 사용되는 콘크리트, 특히 고강도콘크리트의 내진성능및 내화성능을 개선하는 용도로 본 재활용 섬유가루의사용이 보장 되는 것이다. 이는 재활용공정 전체의 경제성확보를 가능하게 할것으로 예상된다.
이에 본 연구는 사전 연구를 통해 폐 FRP로부터 콘크리트용 섬유강화제를 경제적으로 제조할 수 있는 장치를 개발하였으며 이 장치를 사용하여 만들어진 재활용 섬유강화제는 현재 수입 사용되는 고가의 섬유강화제와 유사한 수준의 우수한 기계적 및 화학적 물성을 갖는 것을 확인하였다. 따라서 본 연구는 개발된 폐 FRP를 활용한 섬유강화제 제조기술을 콘크리트 강도 강화용(고강도 콘크리트 내폭렬성) 재활용 FRP 섬유를 생산해 내는 공정에 응용하고자 한다.
[2014]의 연구에 따르면, 해당 섬유가루의 혼입이 고강도 콘크리트의 압축강도 및 내화성능에 미치는 영향이 매우 우수하여 고가의 내폭렬 수입섬유강화제를 대체 할 수 있음을 보고 하였다. 따라서 본 연구는 고가의 섬유강화제에 대한 수입대체 효과를 통한 경제적 중요성 뿐 아니라 환경문제의 해결과 동시에 고부가가치 폐기물을 재자원화라는 산업적 중요성을 동시에 확보하는 기술이라 할 수 있다. 그러나 보고된 폐 FRP 섬유강화제를 적용함에 있어서 절대적 전제 조건이 확인 되었다.
본 연구는 유의미한 수지성분이 포함된 폐FRP 섬유가루를 얻기 위한 매트층 추출공정을 다음과 같이 개발하였다.
FRP로부터 유리성분을 얻어내는 방법에는 화학적인 방법으로 수지를 녹여 재활용하는 방법과 초임계 용매를 사용하여 수지를 녹이는 방법도 있다. 본 연구는 환경적인 문제나 에너지 소비적인 면과 재활용성을 고려하여 층간을 분리한 후 유리섬유가 70% 이상인 로빙층과 수지가 대부분인 매트층을 얻는 방법에 대해 것이며, 본 실험의 목적은 일련의 과정 중 공정의 단순화와 자동화를 꾀하는 과정에서 두 층을 쉽게 인식할 수 있도록 하기 위함이다.
이에 본 연구는 사전 연구를 통해 폐 FRP로부터 콘크리트용 섬유강화제를 경제적으로 제조할 수 있는 장치를 개발하였으며 이 장치를 사용하여 만들어진 재활용 섬유강화제는 현재 수입 사용되는 고가의 섬유강화제와 유사한 수준의 우수한 기계적 및 화학적 물성을 갖는 것을 확인하였다. 따라서 본 연구는 개발된 폐 FRP를 활용한 섬유강화제 제조기술을 콘크리트 강도 강화용(고강도 콘크리트 내폭렬성) 재활용 FRP 섬유를 생산해 내는 공정에 응용하고자 한다.
첫째, 기존의 미흡했던 공정과정을 보완하여 이송방식에 대해 고찰함으로써 폐FRP 재처리시설의 자동화를 도모하고자 하였다. 이를 위해 컨베이어의 설치와 흡착기를 활용하여 자동공정을 이루었고, 로빙면포위치에 따른 종류별 프로그램을 개발하도록 구상하였다.

제안 방법

2. 로빙층(유리섬유층)과 매트층(수지층)을 효율적으로 분리하기 위하여, 다양한 폐FRP 종류별 추출공정(10개의 추출프로그램)을 개발하였다. 또한 로빙층 염색과 광학적 인식기술을 활용한 로빙층과 매트층 추출 공정을 개발하였다.
본 연구는 이러한 섬유가루의 매우 유용한 활용처로서 고강도 콘크리트의 압축강도 및 내화성능 향상에 주목하여 유용한 섬유가루 생산공정을 개발하는 것을 목표로 하였다. 기존의 RFRP(재활용섬유강화 FRP)에 사용되는 폐FRP 유리섬유(로빙층 분리 공정) 개발 공정을 개선하여, 수지성분이 주로 포함된 매트층을 효과적으로 추출하는 공정을 개발하였다.
로빙층(유리섬유층)과 매트층(수지층)을 효율적으로 분리하기 위하여, 다양한 폐FRP 종류별 추출공정(10개의 추출프로그램)을 개발하였다. 또한 로빙층 염색과 광학적 인식기술을 활용한 로빙층과 매트층 추출 공정을 개발하였다. 따라서 추출된 매트층을 활용한 수지성분의 비율이 높은 섬유가루(고강도 콘크리트 내폭렬성 용도)의 대량생산이 가능해졌다.
또한 전처리기와 세단기 사이를 벨트컨베이어로 연결하며, 자동 흡착기와 분류기를 설치함으로써 자동화 공정을 구현할 수 있게 되었다. 로빙면포층을 확인하고 파쇄물의 적층구조를 살펴 정해진 프로그램을 선택하고 입력하는 과정에서 비전시스템을 활용하여 작업자의 시각적 판단에만 의존하던 기존의 로빙면포 확인과정에서의 작업자가 담당해야 하는 부담을 많이 줄일 수 있게 되었다.
새로운 로빙면포 추출 방식의 기본 이론은 FRP의 직교 이방성에 기초를 둔다. FRP가 구조상의 특징인 직교 이방성 재료라 했을 때, 복합재료의 응력 및 파괴 에너지 해석이 이루어진다(Kim et al.
HF 수용액으로 처리한 경우 눈으로 섬유의 밀도를 비교하여 로빙층을 판단할 수 있으나 광학적 센서를 이용하여 보다 정확하게 로빙층을 인식하고자 하였다. 수지의 경우는 소수성이고 섬유는 친수성이므로 친수성 염료를 사용하여 HF로 처리한 섬유를 착색하였다. 수용성 녹색 염료의 용액을 HF로 처리한 면에 붓으로 두 번 도포한 결과 Fig.
첫째, 기존의 미흡했던 공정과정을 보완하여 이송방식에 대해 고찰함으로써 폐FRP 재처리시설의 자동화를 도모하고자 하였다. 이를 위해 컨베이어의 설치와 흡착기를 활용하여 자동공정을 이루었고, 로빙면포위치에 따른 종류별 프로그램을 개발하도록 구상하였다.
하지만 전처리과정에서 나오는 파쇄물은 눕혀진 상태로 이송되어 오기 때문에 자동화 공정을 이루기 위해서는 파쇄물의 위치변경을 위한 새로운 정렬방식이 필요하게 된다. 이를 위해서 흡착기를 이송부분과 절삭부 사이에 설치하여 파쇄물의 위치변경을 가능하게 하였다.
또한 이송마력이 부족하게 되면 원형칼날의 회전속도가 줄어들게 되고, 로빙면포층이 찢어지는 또 하나의 원인이 되기도 하였다. 칼날의 이러한 문제점들을 고려하여 기존의 횡 방향으로 절삭하던 원형칼날을 대신하여 종 방향으로 절삭하는 쐐기형 칼날을 채택함으로써 기존의 원형칼날이 가지고 있었던 여러 문제들을 해결하였다(Fig. 4).
또한 이송마력이 부족하게 되면 원형칼날의 회전속도가 줄어들게 되고, 로빙면포층이 찢어지는 또 하나의 원인이 되기도 하였다. 칼날의 이러한 문제점들을 고려하여 기존의 횡 방향으로 절삭하던 원형칼날을 대신하여 종 방향으로 절삭하는 쐐기형 칼날을 채택함으로써 기존의 원형칼날이 가지고 있었던 여러 문제들을 해결하였다(Fig. 4).
칼날에 모터를 달아 벨트에 의한 구동이 가능하게 설계하였지만, 모터를 작동시키지 않아도 이송부의 횡 이동하는 힘으로서 피파쇄물은 절삭되게 된다. 하지만 이송 마력이 부족하면 칼날 회전은 가능하지만 칼날 회전시 로빙면포층이 끊어지기 때문에 칼날의 회전을 자제하도록 설계되었다. 이러한 방식에서 발생하는 문제점들을 살펴보면 크게 두 가지로 나눌 수 있다.

대상 데이터

따라서 위의 7가지 선정조건을 고려하여 최적의 자동화 공정을 이루기 위한 컨베이어를 선정하였다.
매트층의 수지를 녹이기 위해 고온의 진한 황산을 이용하여 왔으나, 그 방법이 너무 위험하여 실용성이 떨어진다. 본 그룹에서는 로빙층의 유리를 녹이기 위해 플루오르수소산(HF) 용액을 사용하였다.

성능/효과

3. 비록 실험실 규모의 공정개발 연구로 유용한 재활용 FRP 섬유가루의 생산 공정을 완성 하였다고 할 수는 없으나, 개발된 생산공정을 보완하여 대량생산용 공정개발에 활용하는 것은 충분히 가능할 것으로 사료된다.
HF로 처리하지 않은 FRP에 대해 수용성 염료를 그대로 사용한 경우는 염료의 착색이 이루어지지 않고 HF로 처리한 이후에만 착색이 잘 되는 것으로 보아, HF가 FRP 단면의 섬유에 대한 친수성을 보장하는 것으로 결론지을 수 있다. 위의 결과로 염료의 농도를 기준으로 광학적 센서를 이용하면 매트층과 로빙층을 구별할 수 있을 것이다.
결론적으로 저탄소 실험을 추구하고 환경오염을 배제하고자 하는본 연구에 유기용매의 사용은 적절하지 않으며, 에폭시 수지인 경우 그 용해도가 매우 떨어지므로 적절한 용매를 찾기도 어렵고 녹인 후의 수지 용액의 처리가 어렵다는 부작용도 가지고 있으므로 수지의 용해는 적절치 않다고 판단된다. 진한 황산을 사용하는 경우 위험하다는 점 외에 저급 황산의 경우 검게 변하는 성질로 인해 작업환경 및 외관상 추천할 만하지 않다.
두 층을 기계적으로 칼날을 쐐기처럼 이용하여 층 사이를 분리 하는 실험을 수행하는 과정에서, 촘촘하게 유리섬유 가닥들이 짜여있는 로빙층과 그렇지 않은 매트층은 물리적으로 쉽게 분리가 되었다. 그러나 칼날이 기계적으로 두 층의 약한 틈을 찾아 파고드는 것은 자동적으로 이루어지지 않았다.
둘째, 로빙면포 추출기에 원형칼날 사용의 한계성이 드러났다. 원형칼날은 적층구조의 경계면(매트수지층과 로빙층의 경계)에 정확히 위치한 후, 칼날이 횡 이동하는 과정에서 칼날과 경계면의 접촉 부위가 넓어 횡 이동 중 경계면을 이탈하여 로빙면포가 끊어지는 현상이 발생 된다.
둘째, 폐FRP 재처리시설의 이송방식과 정렬방식을 고려하여, 흡착기를 설치함으로써 이송방식으로는 부족한 폐 FRP 재처리시설의 자동화를 완성하였다.
또한 로빙층 염색과 광학적 인식기술을 활용한 로빙층과 매트층 추출 공정을 개발하였다. 따라서 추출된 매트층을 활용한 수지성분의 비율이 높은 섬유가루(고강도 콘크리트 내폭렬성 용도)의 대량생산이 가능해졌다.
또한 전처리기와 세단기 사이를 벨트컨베이어로 연결하며, 자동 흡착기와 분류기를 설치함으로써 자동화 공정을 구현할 수 있게 되었다. 로빙면포층을 확인하고 파쇄물의 적층구조를 살펴 정해진 프로그램을 선택하고 입력하는 과정에서 비전시스템을 활용하여 작업자의 시각적 판단에만 의존하던 기존의 로빙면포 확인과정에서의 작업자가 담당해야 하는 부담을 많이 줄일 수 있게 되었다. 비록 투입되는 폐FRP의 조건(로빙면포층의 개수 및 구성 배열 등)에 따라 적절한 절삭프로그램을 수동 선택해야함으로 완전한 자동화를 이루었다고 보기는 어렵지만 기존의 면포추출기(단순 절단방식)에 비해 효율적이며 정확한 작업을 할 수가 있게 되었다.
셋째, 자동화 공정에서 가장 중요한 파쇄물의 추출방식을 고려한 설계, 새롭게 고안된 로빙면포 추출기는 기존의 원형 칼날에 의한 횡 방향 절삭방식 대신에 쐐기형 칼날을 채택하여 종 방향으로 로빙면포를 떼어낸다. 기존의 로빙면포 추출방식과 가장 큰 차이점은 칼날에 의해서 로빙면포를 절삭하는 방식이 아닌 로빙면포를 떼어내는 방식이라는 점이다.
주축칼날의 이송시스템의 완전한 지능화는 로빙면포 추출시 로빙면포 조각이 찢어지는 문제 및 굴곡이 있는 로빙면포조각을 절삭할 때에도 마찬가지로 활용이 가능할 것이다. 이번 개선결과는 기존의 폐FRP에서 로빙면포층만을 효과적으로 추출함으로써 얻게 되는 대부분의 매트층(전체의 6/7)으로부터 수지 성분이 60% 이상인 섬유가루를 얻을 수 있다는 것이다. 따라서 건설재료로서 가장 대표적으로 사용되는 콘크리트, 특히 고강도콘크리트의 내진성능및 내화성능을 개선하는 용도로 본 재활용 섬유가루의사용이 보장 되는 것이다.
선반 해체를 제외한 나머지 단계들은 전처리 장치를 통과한 후 자동화된 하나의 작업 라인을 구축할 수 있다. 이처럼 여러 단계의 공정들을 하나의 일괄된 형태의 자동화된 작업 라인을 구축함으로 작업의 효율성 및 연속성을 높일 수 있었다.
[2007], Lee and Yoon[2013]).제안된 로빙면포추출기에 의한 폐 FRP 재활용 기술은 분쇄방식에 비해 경제적인 것으로 나타났다. 또한 로빙면포추출기에 의해 폐 FRP 선박으로부터 분리해 낸 재활용 유리섬유의 혼입이 콘크리트 재료의 역학적 특성에 미치는 영향에 대한 연구를 통해 재활용 FRP가 콘크리트 재료의 휨강도와 인장강도를 개선할 수 있는 것으로 나타났다(Park et al.
첫째, 장치의 제어를 수작업으로 실시하므로 이로 인한 작업성의 저하와 정확도가 감소되었다.

후속연구

즉 재활용 FRP 섬유가루의 혼입이 고강도 콘크리트의 압축강도를 감소시키지 않으면서도 수입산 내폭렬 PP섬유를 대체할 정도의 내화성능을 발휘할 수 있기 위해서는 섬유가루의 수지 성분이 60% 이상이어야 한다는 것이다. 따라서 건설재료로서 가장 대표적으로 사용되는 콘크리트, 특히 고강도콘크리트의 내진성능 및 내화성능을 개선하는데 본 재활용 섬유가루가 사용될 경우 환경문제의 큰 요인이 되고 있는 폐 FRP의 재활용이 획기적으로 이루어질 것이며 고강도 콘크리트의 성능향상을 통한 자원의 절약과 건설산업의 경쟁력 강화에도 크게 기여할 수 있을 것이다.
이는 재활용공정 전체의 경제성확보를 가능하게 할것으로 예상된다. 따라서 앞으로도 본 추출시스템의 재활용 용도별 완전한 지능화를 위한 연구는 지속 되어야 할 것이다.
최근 들어 엄청난 양의 폐FRP의 발생은 큰 환경문제를 야기하고 있다. 본 연구를 통한 폐FRP 섬유가루 재활용처의 개발은 재활용 섬유와 더불어 폐FRP의 재활용 총량 증대를 통해 환경문제를 획기적으로 개선할 수 있을 것으로 기대된다.
그러나 초고강도 콘크리트가 갖는 화재에 의한 폭렬현상은 초고강도 콘크리트 개발의 가장 큰 문제점으로 대두되었다. 본 연구에 의한 내폭열성 초고 강도 RFRC의 실용화에 크게 기여할 수 있을 것으로 기대된다.
HF로 처리하지 않은 FRP에 대해 수용성 염료를 그대로 사용한 경우는 염료의 착색이 이루어지지 않고 HF로 처리한 이후에만 착색이 잘 되는 것으로 보아, HF가 FRP 단면의 섬유에 대한 친수성을 보장하는 것으로 결론지을 수 있다. 위의 결과로 염료의 농도를 기준으로 광학적 센서를 이용하면 매트층과 로빙층을 구별할 수 있을 것이다.
주축칼날의 이송시스템의 완전한 지능화는 로빙면포 추출시 로빙면포 조각이 찢어지는 문제 및 굴곡이 있는 로빙면포조각을 절삭할 때에도 마찬가지로 활용이 가능할 것이다. 이번 개선결과는 기존의 폐FRP에서 로빙면포층만을 효과적으로 추출함으로써 얻게 되는 대부분의 매트층(전체의 6/7)으로부터 수지 성분이 60% 이상인 섬유가루를 얻을 수 있다는 것이다.
추가적인 연구를 통한 재활용 FRP 콘크리트 섬유가루 생산공정의 활용은 재활용공정의 성능의 개선은 물론 폐 FRP 선박의 처리비용(잔유물 활용도 개선)의 획기적인 감소에 따른 경제적 효과와 기존의 환경문제의 해결에도 도움이 될 수 있을 것으로 기대된다. 연구결과의 기대성과는 아래와 같다.
현재 국내에서 사용되는 고강도 콘크리트용 섬유강화제는 대부분이 수입품을 사용하여 있어 재활용 섬유가루의 활용을 통하여 수입대체의 효과를 통한 자원절약의 이점과 함께 고부가 건설기술의 개발로 인한 국가 건설산업의 경쟁력 강화에도 기여할 것으로 기대된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	폭렬(spalling) 현상을 방지하기 위한 방법으로써 어떠한 연구가 진행되어져 왔는가?	한편 초고층 구조물에 사용되는 고강도 콘크리트는 화재 시 콘크리트 내부에 수증기압이 발생하는데 고강도 콘크리트의 경우, 이 수증기압이 외부로 충분히 배출되지 못함으로써 내부 응력에 의한 폭렬(spalling) 현상이 발생할 수 있다(NISTIR[1996], Song[2004]). 이러한 폭렬 현상을 방지하기 위한 방법으로써 폴리프로필렌(PP) 섬유나 폴리론 파이버(PF) 섬유를 혼입시켜주는 방안에 대한 연구가 진행되어 왔다 (Yoo et al.[2009], Han et al.
	설치한 컨베이어의 선정조건으로 무엇이 필요한가?	설치한 컨베이어의 선정조건으로는 ① 시설 ② 운반물 ③ 운반량 ④ 운반경로 ⑤ 운반방법 ⑥ 설치장소 ⑦ 설비효과 등이 필요하다.
	대부분의 FRP는 무엇으로 만들어진 복합재인가?	대부분의 FRP는 불포화 폴리에스테르수지와 유리섬유를 적층하여 만들어진 복합재이므로 로빙면포추출기를 통해 폐 FRP 선박으로 부터 유리섬유층을 분리해 내는 과정에서 유리섬유보다는 폴리에스테르수지가 더 많은 가루(이하 재활용 수지가루)가 발생한다. 반면에 유리섬유층으로부터 콘크리트의 강도 보강을 위해 Fig.

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Lee, S.H., Park, J.W. and Yoon, K.Y., 2014, "Compressive strength and fire resistance performance of high strength concrete with recycled fiber powder from fiber-reinforced plastics", Journal of the Korean Society for Marine Environment and Energy, Vol. 17, No. 1, pp. 46-51.

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Yoon, K.Y., Kim, Y.S. and Paek, J.H., 2009, "The extracting system for waste FRP roving layer", Korea Patent No. 10-2009-0008129.

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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