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문제 정의
- 따라서, 본 연구는 자연생태계 및 환경보전을 위하여 재생 조골재와 콘크리트의 가장 큰 단점인 취성적 성질을 개선하기 위하여 탄소섬유와 유리섬유로 보강된 재생 폴리머 콘크리트를 개발하고, 섬유 혼입량에 따른 압축강도, 휨강도, 내마모성 및 내충격성을 비교 구명하여, 휨을 받는 구조물 및 농업 시설구조물 등에 활용하기 위한 자료를 제시하는데, 그 목적이 있다.
제안 방법
- 따라서, 결합재량을 최소로 하기 위하여 예비실험을 통하여 잔골재에 대한 재생굵은골재의 비율과 충전재의 사용량을 결정하였으며, 충전재는 각 타입별 역학적 특성 비교를 위하여 모든 배합에 동일 중량을 사용하였고, 재생굵은골재의 활용성 증대를 위하여 5~20 mm의 굵은골재를 사용하였다.
- 배합별로 5×5×5 cm 각주 공시체를 제작하여 재령 28일까지양생한 후, 공시체를 깨끗이 씻은 후 105±5 °C에서 항량이 될때까지 건조한 후 최초중량을 측정하였으며, 공시체를 지름 47.5 mm 강구 6개와 함께 로스엔젤스시험기에 넣고, rpm 30회로 500회, 1,000회, 1,500회를 회전시킨 후 각 공시체의 중량을 측정하여, 측정한 값의 차가 3 % 이내인 경우의 평균값을 마모감량으로 결정하였으며, 마모율은 다음 식으로 산출하였다.
- 아울러, 섬유보강 재생 폴리머 콘크리트의 공학적 특성을 구명하기 위하여 탄소섬유와 유리섬유를 사용하였으며, 시공성과 경제성을 고려하여 섬유의 혼입률을 체적비 0.0 %, 0.3 %, 0.6 %, 0.9 %, 1.2 %, 1.5 %로 하여 섬유보강 재생 폴리머 콘크리트의 공학적 특성 시험을 하였다.
대상 데이터
- 본 시험에 사용한 불포화 폴리에스터 수지는 코발트계 경화촉진제가 첨가되어 있는 올소타입으로, 일반적인 성질은 Table 1과 같다.
- 본 시험에서는 여러 충전재에 비해 가격이 저렴하고 구입이 용이하며 비표면적이 커 폴리머 콘크리트 배합 시 중량에 유리한 탄산칼슘을 충전재로 사용하였고, 이는 석회암을 분쇄하여 세분말화한 것으로 각각 함수율이 1% 이하가 되도록 110 ± 5 °C인 건조기에서 24시간 건조시킨 후 냉각시켜 사용하였으며 (Sung, 1996), 그 물리적 성질은 Table 3과 같다.
- 유리섬유는 국내 O사의 제품을 사용하였으며, 물리적 성질은 Table 6과 같다.
- 잔골재는 금강유역에서 채취한 천연모래를, 굵은골재는 경기도 I사에서 제조된 1종 재생골재를 각각 수분 함수율이 0.1 % 이하가 되도록110 ± 5 °C인 건조기에서 24시간 건조시킨 후 냉각시켜 사용하였으며, 사용된 골재의 물리적 성질은 Table 4와 같다.
이론/모형
- 내마모성은 섬유보강 폴리머 콘크리트의 충격을 고려한 마모 특성을 파악하기 위해 로스엔젤스시험기를 사용하여 KS F 2508 (굵은골재의 마모시험방법)에 준하여 실시하였다.
- 내충격성은 KS F 2221 (건축용 보드류의 시험방법)에 준하여 300x300x30 mm의 평판공시체를 모래판에 전면 지지 시킨 후 2 kg의 강구를 높이 500 mm에서 낙하시켜 초기균열 발생과 최종파괴 시의 낙하횟수를 측정하였고, 시험장치의 구성은 Fig. 1과 같다.
- 압축강도는 ø75×150 mm의 공시체를 제작하여 KS F 2497 (레진콘크리트 시험방법)에 준하여 측정하였으며, 폴리머 콘크리트는 골재 중 수분함량에 따라 강도의 변화가 크기 때문에 골재 중 수분이 많을수록 강도가 저하되는 것으로 알려져 있다. 또한, 폴리머 콘크리트는 재령7일까지는 강도가 증가하며, 그 이후의 강도 증진은 미미하다는 연구 결과에 의해 강도를 재령7일에 측정하였다 (Ohama, 1973).
- 휨강도는 60×60×240 mm의 공시체를 제작하여 KS F 2497 (레진콘크리트 시험방법)에 규정된 방법에 준하여 측정 하였다.
성능/효과
- 1. 압축강도는 섬유를 혼입하지 않은 배합보다 탄소섬유는 혼입률이 증가할수록 최대 18.1 %까지 감소하는 경향을 나타내었으며, 유리섬유는 혼입률이 증가할수록 최대 15.6 %까지 감소하는 경향을 나타내었는데, 이는 섬유의 혼입률이 증가할수록 폴리머와 골재와의 부착력이 저하되었기 때문으로 판단된다.
- GF-12의 휨강도는 19~20.1 MPa로 RPC의 휨강도 18.8 MPa에 비하여 모두 높게 나타났으며, 섬유 혼입률이 증가함에 따라 휨강도가 증가하는 경향을 나타내었는데, 이는 Folwer (1994)의 연구결과와 같이 섬유보강 뿐만 아니라 폴리머 콘크리트가 가지는 특성을 잘 보여준 경우로 휨강도 증진에 효과를 나타내었다. 아울러, 강도 발현에 가장 큰 영향을 미치는 폴리머 수지와 골재간의 피복정도 및 결합구조와 시험체 내섬유의 배열에 따라 결속력이 증진되었기 때문이라 생각된다(Flower, 1994).
- 3. 내마모성은 탄소섬유 및 유리섬유를 혼입한 배합이 섬유를 혼입하지 않은 배합의 경우보다 마모율이 최대 21.6 %와 11.6 % 각각 작게 나타났다. 이는 섬유가 혼입됨에 따라 콘크리트 내부의 결속력을 증가시켜 충격에 대한 흡수 능력이 증가하였기 때문으로 판단된다.
- 따라서, 탄소섬유와 유리섬유를 재생 폴리머 콘크리트에 사용할 경우, 휨강도, 내마모성 및 내충격성 등의 성능이 우수하여, 이를 요하는 구조물에 활용하면 매우 유익할 것으로 판단된다.
- 또한, CF의 혼입률이 증가할수록 휨강도도 증가하는 경향을 나타내었으나, 1.5 %를 초과하여 섬유를 혼입하게 되면 섬유 뭉침 현상이 일어날 수 있기 때문에, 탄소섬유 혼입률은 배합설계에 따라 적정량을 혼입하는 것이 효과적이라고 판단된다.
- 또한, RPC에서는 패임없이 타격횟수 3회에서 취성파괴가 진행되었으며, CF와 GF는 섬유 혼입률0.6 % 이하에서는 각각 23회와 18회에서 파괴가 일어나 취성파괴의 경향을 보였으나, 섬유의 혼입률 증가에 따라 약 1 mm의 패임이 발생한 후 최종파괴가 나타났다. 또한, 섬유의 혼입률이 증가할수록 최종파괴의 낙하횟수는 증가하였다.
- 또한, 섬유 혼입률 1.5 %에서, CF의 최종파괴의 낙하횟수가 GF보다 최대 18회 증가하여, 충격에 대한 저항성이 CF가 더 우수한 것으로 나타났다.
- 섬유보강 재생 폴리머 콘크리트의 휨강도는 Fig. 3에서 보는 바와 같이, CF-6의 휨강도는 19.1~21.5 MPa로 RPC의 휨강도 18.8 MPa에 비하여 모두 높게 나타났으며, 섬유 혼입률이 증가함에 따라 휨강도가 증가하는 경향을 나타내었다.
- 이러한 결과로, 휨 강도 측면에서는 CF가 GF보다 더 우수한 성능을 나타낸다고 볼 수 있으며, 장섬유의 CF를 썼을 경우 더욱 뛰어난 성능을 나타낼 것이라고 판단된다.
- 탄소섬유 및 유리섬유보강 재생 폴리머 콘크리트의 내충격성은 Fig. 5(a) 및 Fig. 5(b)에서 보는 바와 같이, RPC의 경우 초기균열에서 최종파괴에 이르는 낙화횟수가 1~3회인데 비하여, CF의 경우 5~71회, GF의 경우 4~53회로서, RPC보다 매우 크게 나타났으며, 섬유의 혼입률이 증가함에 따라 증가하였다.
- 5 % 증가하는 경향을 나타내었다. 탄소섬유가 유리섬유보다 단섬유를 사용했음에도 불구하고 휨강도 성능이 우수하게 나타나 휨을 많이 받는 구조물에 탄소섬유를 사용하면 매우 유익할 것으로 판단된다.
- 2. 휨강도는 모든 배합에서 섬유를 혼입하지 않은 배합보다 증가하였으며, 탄소섬유의 경우 혼입률이 증가할수록 최대 14.3 %까지 증가하는 경향을 나타내었고, 유리섬유는 혼입률이 증가할수록 최대 8.5 % 증가하는 경향을 나타내었다. 탄소섬유가 유리섬유보다 단섬유를 사용했음에도 불구하고 휨강도 성능이 우수하게 나타나 휨을 많이 받는 구조물에 탄소섬유를 사용하면 매우 유익할 것으로 판단된다.
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