[논문]이미지 분석을 활용한 합성수지 혼입 모르타르의 특성 및 미세구조 분석

이빛나; 민지영; 이종석; 이장화

doi:10.4334/jkci.2016.28.1.059

초록
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본 연구에서는 수소 함유량이 높아 중성자 차폐에 유리한 합성수지를 대상으로 중성자 차폐용 골재로서의 적용성 검토를 수행하였다. 사용된 합성수지는 고밀도 폴리에틸렌(HDPE), 폴리프로필렌(PP), 초고분자량 폴리에틸렌(UPE)으로 잔골재의 20%, 40%, 60%의 부피에 해당하는 양을 무게로 환산하여 배합하였다. 실험은 모르타르의 물리적 특성을 파악할 수 있는 플로우 테스트, 인장 및 압축강도 시험을 수행하였으며, 시험체 내부의 미세구조를 분석하기 위해 파단면의 이미지 분석, SEM 및 X-ray CT 촬영을 실시하였다. 합성수지를 혼입한 모르타르의 플로우의 값은 HDPE 및 PP는 증가하였지만 UPE의 경우 감소하였다. 반면 인장 및 압축강도의 경우 종류에 상관없이 전반적으로 강도가 감소하는 경향을 보였으며, 이미지 분석 결과, HDPE 및 PP를 혼입한 모르타르의 강도는 혼입량에 관계없이 파단면에서의 합성수지 비율에 영향을 받았으며, 모르타르 내의 시멘트 매트릭스와의 단락 및 재료의 불균등한 분포가 강도 저하에 영향을 미친 것으로 추정된다. 반면, 미분말 상태인 UPE는 혼입량이 증가함에 따라 내부 공극이 증가하였으며, 이러한 특징은 일정량 이하에서는 강도 저하가 미미하였으나 일정한 혼입률 이상, 특히 본 실험에서는 치환율이 60% 이상에서 급격한 강도 저하를 나타냈다.

Abstract ▼ AI-Helper

Commercial synthetic resins with great amount of hydrogen atoms were investigated for neutron shielding aggregates. Total three types of resins were considered in this study: high density polyethylene (HDPE), polypropylene (PP), and ultra molecular weight polyethylene (UPE). When these resins replac...

Commercial synthetic resins with great amount of hydrogen atoms were investigated for neutron shielding aggregates. Total three types of resins were considered in this study: high density polyethylene (HDPE), polypropylene (PP), and ultra molecular weight polyethylene (UPE). When these resins replaced 20, 40, 60 vol% of fine aggregates, mechanical properties were first evaluated including compressive and tensile strengths, and then image/microstructure analyses such as cross-section analysis, SEM, and X-ray CT were performed. The results showed that the compressive and tensile strengths decreased with the increase of replacement ratio of HDPE and PP, which was found through image analysis that it was closely related to the distribution of resins at the failure surface of test specimens. The strength reduction of UPE was quite small compared to HDPE and PP but it abruptly increased when the replacement level exceeded 60 vol%. The results of microstructure analyses indicated that the replacement level significantly affected the amount of air void so that it is critical to determine the reasonable amount of UPE to make cementitous materials for neutron shielding.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

^9,10) 그러나, 블록타입의 차폐체나 코팅막을 사용할 경우 초기 건설비용이 증가하고 콘크리트의 직접적인 재료로서 활용되기보단 2차적인 부재로 사용되기 때문에 사용의 제한이 있다. 따라서 본 연구에서는 기존 생산되는 합성수지를 차폐용골재로 활용하여 경제적이면서, 부재의 크기, 형상 등에 제한을 받지 않는 중성자 차폐 콘크리트로서의 적용성을 검토하고자 한다.

제안 방법

사용된 합성수지를 대상으로 첨가량을 변수로 모르타르의 기본 물성 시험을 실시하여 역학적 특성에 대한 분석을 수행하였다. 또한, 합성수지를 혼입한 모르타르의 구성 성분 및 내부 분포 상태를 파악하기 위해 이미지 분석을 활용하였고, 이러한 결과를 3D 이미지로 나타내었다. 이를 통해 합성수지를 골재 대체제로서의 사용 가능성을 검토하였다.
사용된 합성수지를 대상으로 첨가량을 변수로 모르타르의 기본 물성 시험을 실시하여 역학적 특성에 대한 분석을 수행하였다. 또한, 합성수지를 혼입한 모르타르의 구성 성분 및 내부 분포 상태를 파악하기 위해 이미지 분석을 활용하였고, 이러한 결과를 3D 이미지로 나타내었다.

대상 데이터

본 연구에서 합성수지가 혼입된 모르타르의 물리적 성능 및 미세구조 분석을 위해 Table 1과 같이 실험을 계획하였다. 선정된 합성수지는 고밀도 폴리에틸렌(High density polyethylene, 이하 HDPE), 폴리프로필렌(Polypropylene, 이하 PP), 초고분자량 폴리에틸렌(Ultra-high molecular weight polyethylene, 이하 UPE)으로 총 3가지 종류를 사용하였다. 합성수지는 HDPE를 기준으로 잔골재의 20%, 40%, 60%의 부피에 해당하는 양을 치환하여 설정하였으며 PP와 UPE는 HDPE와 비교를 위하여 동일한 양을 첨가하여 배합을 하였다.

데이터처리

물성분석을 위해 굳지 않은 모르타르에서 플로우 테스트를 수행하였고 경화 상태에서는 압축 및 인장강도를 측정하였다. 또한, 이미지 분석 프로그램을 사용하여 파단면의 실면적을 계산하였고 모르타르 내부의 합성수지분포 및 미세 구조를 분석하기 위해 SEM 및 X-ray CT촬영을 수행하였다.

이론/모형

X-ray CT는 X선을 투과하여 재료의 상대적인 밀도차를 이용하여 내부를 분석하는 기술로서 본 연구에서는 마이크로 CT 이미지와 확률 분포 함수를 사용하여 시험체 내부의 재료 분포를 분석하였다.

성능/효과

1) HDPE 및 PP의 경우 치환율이 증가할수록 슬럼프값이 증가하는 경향을 보였으나 미분말 형태인 UPE의 경우 치환율이 증가할수록 낮은 플로우 값을 나타냈다.
3) HDEP 및 PP의 SEM 분석결과, 합성수지와 시멘트 매트릭스 사이의 계면이 단리된 형태를 관찰할 수 있었으며, 반면 UPE의 경우 시멘트와 매트릭스 사이가 치밀하게 결합되어 있음을 확인할 수 있었다
4) UPE를 혼입한 모르타르의 경우, X-ray CT로 내부공극을 3D 이미지로 나타낸 결과 혼입율이 증가할수록 내부의 공극이 급격하게 증가하는 경향을 확인할 수 있었다. ;

후속연구

9로 물보다 작기 때문에 타설시 합성수지 골재가 상부로 이동하기 쉽기 때문인 것으로 추정되며, 경화된 시험체의 강도 저하를 일으키는 요인 중의 하나인 것으로 판단된다. 따라서, HDPE 및 PP를 혼입할 경우 이들 합성수지를 고루 분포시킬 수 있는 방안에 대한 연구가 추가적으로 필요할 것으로 판단된다.
따라서, HDPE 및 PP와 같은 합성수지를 골재로 사용할 경우 타설시 합성수지 골재가 균등하게 분포할 수 있는 방법에 대한 추가적인 연구가 필요할 것으로 판단된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	콘크리트의 특징은?	콘크리트는 지난 200여년간 가장 널리 사용되고 있는 재료 중 하나로 경제적이고 안전성 및 내구성이 우수한 재료이기 때문에 건설 재료로서 광범위하게 사용되고 있다. 최근 콘크리트의 단점을 보완하고자 강재 및 유리섬유 등을 혼입하거나 유기화합물인 폴리머를 함침시키는 등 연구가 활발하게 진행되어 왔다.
	고분자 기술로 생성된 유기화합물과 콘크리트를 조합하여 만든 구조재료의 활용 예는?	특히나 고분자 기술로 생성된 유기화합물과 콘크리트를 조합하여 사용할 경우 인장강도, 휨강도, 접착성 등을 개선시키는데 우수한 효과가 있으며 내구적이고 안정적인 구조재료로서의 역할을 할 수 있어 다양한 용도로 개발이 이루어지고 있다.2) 그 중의 한 예로 사용후핵연료 등에서 발생되는 중성자를 차폐하기 위한 목적으로 한연구이다.3,4)
	콘크리트의 단점을 보완하기 위해 어떤 성분을 추가하는 연구가 진행되어 왔는가?	콘크리트는 지난 200여년간 가장 널리 사용되고 있는 재료 중 하나로 경제적이고 안전성 및 내구성이 우수한 재료이기 때문에 건설 재료로서 광범위하게 사용되고 있다. 최근 콘크리트의 단점을 보완하고자 강재 및 유리섬유 등을 혼입하거나 유기화합물인 폴리머를 함침시키는 등 연구가 활발하게 진행되어 왔다.1)

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KS L 5104, Testing method for tensile strength of hydraulic cement mortars, 2012.

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