[국내논문]상변화물질을 사용한 반강성 포장용 초속경시멘트 페이스트 재료의 성능평가 Material Characteristics of Rapid Hardening Cement Paste Using Phase Change Material for Semi-rigid Pavement원문보기
본 연구에서는 상변화물질(PCM)을 반강성 포장체를 구성하는 초속경시멘트 페이스트 주입재에 적용하기 위한 연구를 수행하였다. 반강성포장용 주입재의 아크릴레이트를 PCM으로 치환에 따른 총 6종류의 주입재 배합에 대하여 경화 전 후 특성을 실험을 통해 평가하였다. 아크릴레이트를 PCM으로 치환하여 유동성을 평가한 결과 본 연구에서 목표로한 유하시간 10~13초를 모두 만족시킬 수 있는 것으로 나타났다. 응결시간의 경우 PCM으로 치환하더라도 초속경 시멘트의 성능을 확보할 수 있는 것으로 나타났고, PCM 치환 60%이상의 경우 초결시간이 다른 배합에 비해 1~2분 빨리 발생되었다. 압축강도 및 부착강도의 경우 Plain 배합과 유사한 강도특성을 나타내었고, 본 연구에서 목표로 하는 압축강도 36MPa, 부착강도 2MPa를 모두 만족시켰다. PCM으로 치환한 배합은 아크릴레이트만을 사용한 배합에 비해 우수한 염소이온침투저항성을 나타내었으나, OPC수준에는 미흡하였다. 반강성포장용 주입재에 대한 물리 역학적 성능평가 결과, 이 연구의 범위내에서는 PCM 대체율 20% 수준이 효과적인 것으로 판단된다.
본 연구에서는 상변화물질(PCM)을 반강성 포장체를 구성하는 초속경시멘트 페이스트 주입재에 적용하기 위한 연구를 수행하였다. 반강성포장용 주입재의 아크릴레이트를 PCM으로 치환에 따른 총 6종류의 주입재 배합에 대하여 경화 전 후 특성을 실험을 통해 평가하였다. 아크릴레이트를 PCM으로 치환하여 유동성을 평가한 결과 본 연구에서 목표로한 유하시간 10~13초를 모두 만족시킬 수 있는 것으로 나타났다. 응결시간의 경우 PCM으로 치환하더라도 초속경 시멘트의 성능을 확보할 수 있는 것으로 나타났고, PCM 치환 60%이상의 경우 초결시간이 다른 배합에 비해 1~2분 빨리 발생되었다. 압축강도 및 부착강도의 경우 Plain 배합과 유사한 강도특성을 나타내었고, 본 연구에서 목표로 하는 압축강도 36MPa, 부착강도 2MPa를 모두 만족시켰다. PCM으로 치환한 배합은 아크릴레이트만을 사용한 배합에 비해 우수한 염소이온침투저항성을 나타내었으나, OPC수준에는 미흡하였다. 반강성포장용 주입재에 대한 물리 역학적 성능평가 결과, 이 연구의 범위내에서는 PCM 대체율 20% 수준이 효과적인 것으로 판단된다.
A study to apply phase change material(PCM) to rapid hardening cement paste forming semi-rigid pavement was carried out. The characteristics fresh and hardened paste were evaluated through the experiment for a total of 6 mixtures according to the cement type and the substitution of phase change mate...
A study to apply phase change material(PCM) to rapid hardening cement paste forming semi-rigid pavement was carried out. The characteristics fresh and hardened paste were evaluated through the experiment for a total of 6 mixtures according to the cement type and the substitution of phase change material for acrylate. The fluidity by substituting phase change material for acrylate satisfied the target flow time of 10 to 13 seconds. In case of setting time, it was possible to secure the performance of rapid hardening cement by substituting phase change material, and if the substitution ratio over 60%, the initial set occurred 1 to 2 minutes faster than other mixtures. In case of compressive strength and bond strength, it showed similar strength characteristics with the plain mixture, and it satisfied both the target compressive and bonding strength of 36MPa and 2MPa. The mixture substituting phase change material showed higher resistance to chloride ion penetration than the mixture only using acrylate and the OPC level was insufficient. From the results of physical and mechanical performances of semi-rigid pavement cement paste, the phase change material substitution rate of 20% was effective in the range of this study.
A study to apply phase change material(PCM) to rapid hardening cement paste forming semi-rigid pavement was carried out. The characteristics fresh and hardened paste were evaluated through the experiment for a total of 6 mixtures according to the cement type and the substitution of phase change material for acrylate. The fluidity by substituting phase change material for acrylate satisfied the target flow time of 10 to 13 seconds. In case of setting time, it was possible to secure the performance of rapid hardening cement by substituting phase change material, and if the substitution ratio over 60%, the initial set occurred 1 to 2 minutes faster than other mixtures. In case of compressive strength and bond strength, it showed similar strength characteristics with the plain mixture, and it satisfied both the target compressive and bonding strength of 36MPa and 2MPa. The mixture substituting phase change material showed higher resistance to chloride ion penetration than the mixture only using acrylate and the OPC level was insufficient. From the results of physical and mechanical performances of semi-rigid pavement cement paste, the phase change material substitution rate of 20% was effective in the range of this study.
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문제 정의
국내의 반강성 포장용 주입재의 유동특성 기준은 10~14초이며, 일본의 경우 9~13초로 규정하고 있어, 본 연구에서는 국내외 기준을 모두 만족할 수 있는 10~13초를 목표로 하였다.
따라서, 본 연구에서는 반강성 포장체의 주입재로 사용되는 초속경시멘트의 수화열저감을 통한 반강성 포장체 성능향상을 목적으로 상변화 물질인 PCM의 적용성을 검증하고자 한다.
이 연구에서는 반강성 포장체의 주입재로 사용되는 초속경 시멘트의 수화열저감을 통한 반강성 포장체의 성능향상을 목적으로 상변화 물질인 PCM의 적용성을 검토하기 위하여 주입재의 물리 역학적 성능을 평가하였으며, 본 연구의 범위 내에서 얻어진 결과는 다음과 같다.
제안 방법
반강성 포장용 시멘트 주입재의 배합요인별 물리·역학적 특성을 분석하기 위하여 사전실험을 통해 초속경시멘트의 혼합비율을 선정하였다. PCM의 적용 가능성을 평가하기 위하여 아크릴레이트의 대체비율(0, 15, 30, 60%, 100%)을 변화시켜 배합을 실시 하였으며, 배합표는 Table 1과 같다.
겨울철 제설제로 사용되는 염소인온의 영향으로 포장체에서 주로 발생되는 포트홀 등의 열화가 발생되는 것을 방지하기 위하여, 반강성 포장용 주입재의 염소이온 침투저항성을 염화물 확산계수 시험으로 평가하였으며 그 결과는 Fig. 10과 같다.
반강성 포장용 시멘트 주입재의 배합요인별 물리·역학적 특성을 분석하기 위하여 사전실험을 통해 초속경시멘트의 혼합비율을 선정하였다. PCM의 적용 가능성을 평가하기 위하여 아크릴레이트의 대체비율(0, 15, 30, 60%, 100%)을 변화시켜 배합을 실시 하였으며, 배합표는 Table 1과 같다.
반강성 포장용 시멘트 주입재의 응결시간을 측정하기 위하여 주입재의 배합 후 10분 후부터 비카트 침 장치를 이용하여 시험을 수행하였다. 비카트 침 방법에 의해 초결 및 종결을 측정한 결과는 Fig.
반강성 포장용 시멘트 주입재의 작업시간 확보와 조기강도확보정도를 평가하기 위하여 시멘트 페이스트의 응결시간을 측정하였다. 측정은 KS L 5108 「비카트 침에 의한 수경성 시멘트의 응결시간 시험 방법」에 준하여 측정하여 분석하였다.
압축강도의 국내 도로교통협회에서 제안한 기준은 7일 강도 기준으로 10~30MPa이며, 일본교통협회의 경우 15~ 36MPa로 규정하고 있다. 본 연구에서는 긴급 도로보수 등 교통개방시기의 조절을 위하여 3시간 기준으로 21MPa이상, 7 일 기준 36MPa 이상을 목표로 하여 제작하였다.
염소이온침투저항성 평가를 위하여 시멘트 주입재 배합 외에 OPC로 아크릴레이트를 혼합하지 않은 공시체(I-0, OPC배합)를 제작하여 아크릴레이트의 염해저항성을 동시에 평가 하였다. 아크릴레이트를 혼입하지 않은 OPC배합에 비하여 아크릴레이트를 혼입한 Plain의 배합에서는 염소이온 확산계 수가 2.
1에 나타낸 바와 같다. 용기에 주입용 굳지 않은 시멘트 페이스트를 일정 높이까지 채운 후 유출하고, 유출시 페이스트가 처음 끊어질 때까지의 시간을 측정하여 평가하였다.
초속경 시멘트 주입재에 적용한 PCM의 수화열 저감효과를 평가하기 위하여 간이단열온도상승시험을 수행하였다. 시험은 Fig.
콘크리트에서 염화물이온의 중요한 침투과정은 확산현상이기 때문에 확산계수를 사용화여 염화물이온의 농도추정 및염해에 대한 내구성을 평가하였다. 본 연구에서는 시험체의 염화물 확산계수 측정을 위해 유럽의 Duracrete 모델에 적용 되는 전기적 촉진시험방법인 NT Build 492 「Chloride Migration Coefficient from Non-Steady-State Migration Experiments」에준하여 시험을 실시하였으며 시험 장치는 Fig.
한편, 염해저항성 평가시 아크릴레이트의 혼입유무에 따른 영향을 평가하기 위하여 보통포틀랜드시멘트(OPC)를 사용한 W/B 40%의 페이스트를 추가로 제작하여 검토하였다. 믹싱은 시멘트의 분산성을 높이기 위하여 스탠드형 믹서를 사용하여 먼저 물, 아크릴레이트, PCM을 투입하고 750rpm으로 60초간 혼합한 후 초속경시멘트를 투입한 후 다시 120초 동안 혼합하는 분할투입방법으로 혼합을 실시하였다.
대상 데이터
7g/cm3, 분말도 4,480cm2/g의 초속경시멘트를 사용하였으며 초속경시멘트의 화학적 특성은 Table 2에 나타내었다. 또한, 염해저항성 평가를 위해 사용된 OPC는 국내 D사의 밀도 3.14g/cm3, 분말도 3,200cm2/g의 보통포틀랜드시멘트를 사용하였다.
시멘트 주입재와 개립도 아스팔트간의 부착성능 평가를 위하여 시멘트 주입재를 KS F 4716에 의해 제작된 베드(모르타르) 위에 타설하여 공시체를 제작하였으며, 28일간 온도 25°C, 습도 60%의 조건에서 양생을 하였다. 양생이 완료된 시험체의 상단에 접착제(에폭시)를 도포하고 인장용 지그를 접착하여 24시간 후에 부착강도를 측정하였으며 그 결과는 Fig.
이 연구에 사용된 시멘트는 반강성 포장재의 주입재로 제조시 조기강도 확보를 위하여 국내 J사에서 생산되는 밀도 2.7g/cm3, 분말도 4,480cm2/g의 초속경시멘트를 사용하였으며 초속경시멘트의 화학적 특성은 Table 2에 나타내었다. 또한, 염해저항성 평가를 위해 사용된 OPC는 국내 D사의 밀도 3.
이 연구에서 사용한 상변화물질인 PCM은 열교환도료에 주로 적용되는 국내 M사 제품을 사용하였다. 열교환도료는 아크릴수지를 기본으로 하여 우레탄수지와 열에너지교환제를 혼합한 상태의 액상 수지로서 일반 아스팔트포장에 도포시 15°C이상의 열저감효과를 나타내는 물질이다.
이 연구에서는 반강성 포장체 주입재로 사용시 균열억제 등의 목적으로 시멘트 혼화용 제유화제 수지로서 아크릴공중합체를 주성분으로 하는 아크릴레이트를 사용하였으며, 그특성은 Table 3과 같다.
이론/모형
반강성 포장용 시멘트 주입재의 강도특성 평가는 KS L ISO 679 「시멘트의 강도 시험 방법」에 준하여 300kN 용량의 유압식 만능시험기를 사용하여 휨강도와 압축강도를 측정하였다.
반강성 포장용 주입재의 유동특성 평가는 ASTM C939:10 「Standard Test Method for Flow of Grout for PreplacedAggregate Concrete」에 의하여 수행하였으며, 시험용 기구는 Fig. 1에 나타낸 바와 같다.
배합조건별 공시체의 부착강도 시험은 KS F 2476 「폴리머시멘트 모르타르의 시험 방법」에 준하여 측정하였으며, Fig. 2와 같이 제작하여 측정하였다.
콘크리트에서 염화물이온의 중요한 침투과정은 확산현상이기 때문에 확산계수를 사용화여 염화물이온의 농도추정 및염해에 대한 내구성을 평가하였다. 본 연구에서는 시험체의 염화물 확산계수 측정을 위해 유럽의 Duracrete 모델에 적용 되는 전기적 촉진시험방법인 NT Build 492 「Chloride Migration Coefficient from Non-Steady-State Migration Experiments」에준하여 시험을 실시하였으며 시험 장치는 Fig. 3과 같다.
반강성 포장용 시멘트 주입재의 작업시간 확보와 조기강도확보정도를 평가하기 위하여 시멘트 페이스트의 응결시간을 측정하였다. 측정은 KS L 5108 「비카트 침에 의한 수경성 시멘트의 응결시간 시험 방법」에 준하여 측정하여 분석하였다.
성능/효과
1) 반강성 포장용 시멘트 주입재의 유동성 및 응결특성 평가결과, 아크릴레이트에 대한 PCM 대체율과 상관없이 국내 외 품질기준을 모두 만족하는 것으로 나타났으며, 60%이상 대체시 응결시간이 일부 촉진 되는 것으로 나타났다.
2) 강도특성 평가 결과, 압축강도와 부착강도는 PCM대체율 증가에 따라 강도가 미소하지만 증가되는 경향을 나타냈고, 60%이상에서는 증가율이 둔화되었다. 휨강도 결과는압축강도와 달리 20%이상 혼입시 오히려 강도가 저하되는 결과를 나타냈다.
3) 반강성 포장용 시멘트 주입재의 단점인 염해저항성 평가결과, PCM 혼입률 증가에 따라 염소이온침투저항성이 증대되는 것으로 나타났으나, 모든 배합조건에서 일반 OPC 에 비해서는 낮은 염소이온침투저항성을 나타내었다.
4) 수화열 저감성능 검토결과, 주입재의 아크릴레이트 대체재로서 PCM 20% 혼입시 가장 우수한 수화열 저감 효과를 나타내었으며, 40% 혼입시 효과가 둔화되는 것으로 나타났다.
모든 배합조건에서 배합 후 약 40분부터 발열온도가 상승하기 시작하여 약 90~100분경에 가장 높은 온도를 나타내었으며, 약 500분 이후에 온도가 외기온도와 같이 수렴되는 것으로 나타났다.
반강성 포장용 초속경시멘트 주입재의 아크릴레이트에 대한 PCM의 대체율에 따른 수화발열 특성은 10% 및 20%혼입시 우수한 수화열 저감효과를 나타내어 Plain에 비하여 최대 8.9°C의 온도 저감효과를 나타내었다. 반면 PCM의 대체율 40% 이상에서는 오히려 수화열 저감성능이 일부 저하되는 경향을 나타내었다.
휨강도의 국내 도로교통협회에서 제안한 기준은 7일에서 2MPa이상으로 규정되어 있다. 배합조건별 휨강도 특성을 분석한 결과, PCM의 혼입률 증가에 따라 휨강도가 감소하는 경향을 나타내었지만, 재령 1일 후 국내 도로교통협회에서 제안한 2MPa을 모두 만족하는 것으로 나타났다.
하지만, 일정수준 이상의 대체에서는 부착강도 개선에 영향을 미치지 못하는 것으로 판단된다. 부착강도에 대한 국내외 기준은 없으나, 모르타르 보수재의 부착강도기준이 1MPa이상임을 감안할 때 반강성 포장용 시멘트 주입재의 부착성능은 모든 배합조건에서 우수한 것으로 판단된다.
시험결과, 아크릴레이트에 대한 PCM의 대체율 증가에 따른 유하시간은 10.21~10.54초로서 유사한 결과를 나타내어 국내외 기준을 모두 만족하는 것으로 나타났다. 이는 당초 사용되는 아크릴레이트와 동일 계열의 아크릴수지를 기반으로한 PCM을 사용하였기에 초속경 시멘트 페이스트의 유동성능도 유사한 결과를 나타낸 것으로 판단된다.
아크릴레이트에 대한 PCM의 대체율 증가에 따른 경향은 대체율 증가에 따라 염소이온침투 저항성은 증대되었으며, PCM 대체율 60%이상에서는 증가 경향이 둔화되는 것으로 나타났다.
아크릴레이트에 대한 PCM의 대체율에 따른 부착강도 경향을 분석해 보면, 대체율의 증가에 따라 부착강도는 증가하는 것으로 나타났다. 하지만, PCM대체율 40%까지는 증가율이 뚜렷하였으나, 그 이상에서는 둔화되는 경향을 나타내었다.
이 연구에서 목표를 한 기준으로 평가하였을 때에는 모든 배합조건에서 압축강도가 3시간 21MPa, 7일 36MPa의 조건을 만족하는 것으로 나타났다.
이러한 잠열재기능을 가지는 PCM을 반강성 포장체의 주입재에 적용이 가능하면 초속경시멘트의 수화발열로 인한 미소균열억제가 가능할 것으로 판단되며, 미소균열이 감소되면 모체 콘크리트와의 부착성능이 증대될 뿐만 아니라 포장체의 매트릭스가 밀실하게 되어 내구성 증대를 도모할 수 있을 것으로 판단된다. 또한, 주입재의 수화반응이 종료된 이후에는 도심지에 건설되는 반강성 포장체가 잠열 및 축열 기능을 가지게 되어 도심지 열섬현상의 저감을 기대할 수 도 있을 것으로 판단된다(Lee et al.
후속연구
5) 반강성 포장용 시멘트 주입재의 아크릴레이트 대체재료 로서 PCM의 활용가능성을 평가한 결과, 역학적 성능과 수화열저감성능은 확보되는 것으로 확인하였으나, 추후 내구성 및 경제성에 대한 추가 검토가 필요한 것으로 사료된다.
PCM은 어떤 물질이 고체에서 액체로, 또는 액체에서 기체로 상(phase)이 변하면서 열을 흡수하거나 방출하는 잠열 특성을 활용하는 재료를 말하며, 상전이 물질이라고도 한다. PCM의 용해열은 물질의 고유 특성이며, 물질에 따라서 상전이 온도와 용해열이 다르므로, 사용 목적에 따라 적절한 잠열재를 활용한다면 다양한 분야에서 유효할 것으로 기대된다. 일례로 건축분야에서는 보일러, 경량벽체 등의 냉난방시스템에 이미 활용되고 있는 사례가 있으며, 첨단산업, 의류산업 및 에너지 분야 등에서 주로 활용되고 있다(Kim et al.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
PCM이란?
PCM은 어떤 물질이 고체에서 액체로, 또는 액체에서 기체로 상(phase)이 변하면서 열을 흡수하거나 방출하는 잠열 특성을 활용하는 재료를 말하며, 상전이 물질이라고도 한다.
반강성 포장에서 미소균열이 발생하는 원인은?
그러나 높은 내구성의 특성을 취한 반강성 포장이라도 반강성 포장체의 주입재로 쓰이는 초속경시멘트의 높은 수화열로 인하여 미소수축이 발생되어, 아스팔트 모체와 주입재간의 부착이 원활히 이루어지 못하는 등의 문제점이 발생하고 있다. 이러한 미소균열은 교량 슬래브로 수분과 염분 등을 침투시켜 구조물의 열화를 촉진시키기는 주요 원인이 되고 있다.
아스팔트의 포장체로서의 특징은?
이렇게 건설되는 교량의 포장체에 대한 연구가 국내·외에서 활발히 진행되어 충격, 우수, 염화물, 환경조건 등으로부터 교량의 바닥판을 보호할 수있는 공법이 요구되고 있다. 현재 일반 포장용으로서 널리 사용되고 있는 아스팔트 경우 연성이 우수하여 높은 주행성을 지니고 있으나 강성이 부족하여 내구성이 낮은 특성을 가지고 있으며, 콘크리트 포장의 경우 이와는 상반된 낮은 연성과 높은 강성의 특성을 가지고 있다. 그러므로 상당수의 교량 표층 포장은 이 두 가지 포장의 장단점을 보완포장의 극대화시켜 반강성 포장을 이용하고 있다(Lee et al.
참고문헌 (11)
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Lee, B. J., Jang, Y. I., Bae, J. Y., Bang, J. W., Kim, Y. Y., and Kim, J. H. (2012), Experimental Study on the Strength Properties of Porous Concrete Using Surface Coated Recycled Aggregate, Proceedings of the Korea Concrete Institute, 24(2), 727-728.
NT-Build 492 (1999), Concrte, Mortar and Cement-Based Repair Materials : Chloride Migration Coefficient from Non-Steady-State Migration Experiments, Nordtest, Finland.
ASTM C 939:10 (2010), Standard Test Method for Flow of Grout for Preplaced-Aggregate Concrete (Flow Cone Method), American Society of Testing Materials.
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