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문제 정의
- 본 연구에서는 콘크리트의 중성자 차폐성능을 향상시키며 콘크리트의 역학적 성능을 확보하기 위한 새로운 소재로 붕규산 유리와 비정질 붕소강 섬유의 가능성을 평가하였다. 이를 위해 콘크리트의 주요 재료인 잔골재를 붕규산 유리로 치환한 콘크리트와 비정질 붕소강 섬유를 혼입한 콘크리트의 역학적 성능과 중성자 차폐성능을 평가하여 기초적인 자료를 제시하였다.
- 본 연구에서는 콘크리트의 중성자 차폐재로서 붕규산 유리와 비정질 강섬유의 가능성을 평가하기 위한 기초연구로 붕규산 유리와 비정질 붕소강 섬유를 콘크리트에 혼입하여 역학적 특성과 중성자 차폐성능을 평가하였다. 본 연구의 결과를 요약하면 다음과 같다.
제안 방법
- 0 vol.%를 혼입한 콘크리트와 잔골재를 붕규산 유리로 중량비 100%를 치환한 콘크리트를 실험 변수로 두었다.
- 콘크리트의 압축강도는 KS F 2405에 의거 재령 3일, 7일, 28일에 측정하였으며, 압축시 변형 측정은 JSCE-SF5 에 의거 실시하였다. 경화된 콘크리트의 압축강도 실험을 통해 획득된 응력-변형률 데이터값을 이용하여 최대 응력의 1/3이내의 가장 근접한 측정 값을 이용하여 콘크리트의 정탄성계수를 산출하였다(Poon et al. 2004). 콘크리트의 압축인성은 JSCE-SF5와 Nataraja(1999), Poon(2004)에 의한 기존연구에서 사용한 시험체 길이의 0.
- 본 실험에서는 굳지 않은 콘크리트의 물리적 특성으로 KS F 2421와 KS F 2594에 의거 공기량과 슬럼프값를 측정하였다.
- 본 실험에서의 콘크리트는 강제식 팬믹서를 이용하여 배합을 실시하였으며, 배합이 완료된 이후 공기량, 슬럼프 시험을 실시한 후 시편을 제작하였다. 압축시편은 지름 10cm, 높이 20cm의 원주형 공시체로 제작하였으며, 휨시편은 폭 10cm, 높이 10cm, 길이 40cm의 각주형 공시체로 제작하였다.
- 본 연구에서는 콘크리트 설계배합강도를 35MPa로 설정하였으며, 이를 위해 Plain 콘크리트의 물시멘트비(W/C)는 40%, 잔골재율(S/a)은 32%인 배합으로 설정하였으며 목표공기량 3.5±1.0%, 목표슬럼프 150±20mm를 만족하도록 배합설계를 실시하였다.
- 중성자 선원에서 방출되는 중성자는 폴리에틸렌 감속재를 이용하여 열중성자로 변환시켰으며, 폴리에틸릴렌 감속재 주변은 납벽돌로 차폐하였다. 열 중성자 검출기는 산란 중성자를 차단하기 위해 전면부를 제외한 나머지 부분을 카드뮴으로 차폐시켰으며, 중성자 선원으로부터 거리 13.5cm에 열중성자 검출기를 설치하였다. 이후 차폐시험 시료가 없는 대기상태에서 중성자 계수율을 측정하였으며, 이를 중성자 차폐율 제로상태로 설정하였다.
- 본 연구에서는 콘크리트의 중성자 차폐성능을 향상시키며 콘크리트의 역학적 성능을 확보하기 위한 새로운 소재로 붕규산 유리와 비정질 붕소강 섬유의 가능성을 평가하였다. 이를 위해 콘크리트의 주요 재료인 잔골재를 붕규산 유리로 치환한 콘크리트와 비정질 붕소강 섬유를 혼입한 콘크리트의 역학적 성능과 중성자 차폐성능을 평가하여 기초적인 자료를 제시하였다.
- 이후 차폐시험 시료가 없는 대기상태에서 중성자 계수율을 측정하였으며, 이를 중성자 차폐율 제로상태로 설정하였다. 이후 중성자 선원과 열중성자 검출기 사이에 각 콘크리트 시편을 거치한 후 중성자 계수율을 측정하였다. Fig.
- 5cm에 열중성자 검출기를 설치하였다. 이후 차폐시험 시료가 없는 대기상태에서 중성자 계수율을 측정하였으며, 이를 중성자 차폐율 제로상태로 설정하였다. 이후 중성자 선원과 열중성자 검출기 사이에 각 콘크리트 시편을 거치한 후 중성자 계수율을 측정하였다.
- 제작된 시편은 21±2℃의 온도에서 24시간 보관하였으며, 이후 탈형을 실시하여 각 실험 재령일까지 21±2℃의 온도로 습윤양생을 실시하였다.
- 콘크리트의 압축강도는 KS F 2405에 의거 재령 3일, 7일, 28일에 측정하였으며, 압축시 변형 측정은 JSCE-SF5 에 의거 실시하였다. 경화된 콘크리트의 압축강도 실험을 통해 획득된 응력-변형률 데이터값을 이용하여 최대 응력의 1/3이내의 가장 근접한 측정 값을 이용하여 콘크리트의 정탄성계수를 산출하였다(Poon et al.
- 2004). 콘크리트의 압축인성은 JSCE-SF5와 Nataraja(1999), Poon(2004)에 의한 기존연구에서 사용한 시험체 길이의 0.75%의 변형률 값을 기준으로 하여 응력-변형률 곡선 아래의 면적을 산출하였다.
- 콘크리트의 중성자 차폐 실험에서는 중성자 방출률이 2.334× 105s-1인 241Am-Be를 중성자 선원으로 이용하였으며, SP9 3He 비 례계수기를 이용하여 열중성자를 검출하였다.
- 콘크리트의 휨강도는 재령 28일째의 시편을 이용하여 KS F 2408에 의거 측정하였으며, 측정된 하중-변위 데이터를 이용하여 ASTM C 1609에 의거 시편의 휨인성을 평가하였다.
대상 데이터
- 본 실험에서 잔골재 치환용으로 사용된 붕규산 유리는 독일 D사의 제품으로 물리화학적인 성능은 Table 4와 같으며, 2mm이하로 입도 조절된 분말을 사용하였다. Fig.
- 본 실험에서는 KS L 5201의 1종 보통포틀랜드 시멘트를 사용하였으며, 잔골재의 경우 2mm이하의 입도 조절된 경북 낙동산 강모래, 굵은 골재의 경우 표준 입도범위를 만족하는 최대치수 25mm 이하의 경북 칠곡산 부순골재를 사용하였다.
- 본 실험의 비정질 붕소강 섬유는 전해철, 페로붕소, 순금속(Gd, Mo, Cr)을 모합금으로 사용하여 제조된 리본형태의 섬유로 중량대비 4.88%의 붕소 함유량을 가지고 있다. Table 3은 비정질 붕소강 섬유의 물리적인 성질을 나타낸 것이다.
- 본 실험에서의 콘크리트는 강제식 팬믹서를 이용하여 배합을 실시하였으며, 배합이 완료된 이후 공기량, 슬럼프 시험을 실시한 후 시편을 제작하였다. 압축시편은 지름 10cm, 높이 20cm의 원주형 공시체로 제작하였으며, 휨시편은 폭 10cm, 높이 10cm, 길이 40cm의 각주형 공시체로 제작하였다. 중성자 차폐시험용 시편은 지름 10cm, 높이 5cm의 원주형 공시체로 제작하였다.
- 압축시편은 지름 10cm, 높이 20cm의 원주형 공시체로 제작하였으며, 휨시편은 폭 10cm, 높이 10cm, 길이 40cm의 각주형 공시체로 제작하였다. 중성자 차폐시험용 시편은 지름 10cm, 높이 5cm의 원주형 공시체로 제작하였다. 제작된 시편은 21±2℃의 온도에서 24시간 보관하였으며, 이후 탈형을 실시하여 각 실험 재령일까지 21±2℃의 온도로 습윤양생을 실시하였다.
성능/효과
- 1. 본 연구에서의 실험배합에서 잔골재를 붕규산 유리로 치환한 콘크리트와 비정질 붕소강 섬유를 혼입한 콘크리트의 공기량과 슬럼프값은 Plain 콘크리트와 큰 차이를 나타내지 않았다. 하지만 비정질 붕소강 섬유의 경우 시멘트페이스트와 부착면이 넓은 리본형태라는 단점으로 인해 형상비가 달라질 경우 콘크리트의 작업성에 큰 영향을 미칠 것이라고 판단된다.
- 2. 잔골재를 붕규산 유리로 치환한 콘크리트의 경우 Plain 콘크리트와 대비하여 압축강도가 저하되는 현상을 나타냈으며, 비정질 붕소강 섬유를 혼입한 콘크리트의 경우 Plain 콘크리트와 대비하여 정탄성계수가 상대적으로 저하되는 현상을 나타냈다. 하지만 비정질 붕소강 섬유를 혼입한 경우 Plain 콘크리트와 대비하여 압축강도는 유사하며 최대하중 이후 압축인성을 발현하는 것으로 나타났다.
- 3. 잔골재를 붕규산 유리로 치환한 콘크리트의 경우 Plain 콘크리트와 대비하여 휨강도의 저하를 나타냈으나, 비정질 붕소강 섬유를 혼입한 시편의 경우 Plain 콘크리트와 유사한 휨강도를 나타내며 휨인성을 증가시키는 경향을 나타냈다.
- 4. 잔골재를 붕규산 유리로 치환한 콘크리트와 비정질 붕소강 섬유를 혼입한 콘크리트의 경우 Plain 콘크리트와 대비하여 중성자 차폐율의 현저한 증가를 나타냈다. 특히 잔골재를 붕규산 유리로 치환한 콘크리트의 경우 비정질 붕소강 섬유만을 혼입한 콘크리트보다 중성자 차폐율이 증가하는 것으로 나타났다.
- 전반적으로 공기량의 경우 붕규산 유리와 비정질 붕소강 섬유를 혼입할 경우 증가하는 추세를 나타내고 있으나 콘크리트 작업성에 있어서는 크게 유의할 만한 수준은 아닌 것으로 판단된다. 각 시편의 슬럼프값은 Plain 시편과 비교시 붕규산 유리와 비정질 강섬유를 혼입이 큰 영향을 미치지 않는 것으로 나타났다. 이를 통해 비정질 붕소강 섬유의 혼입비 1.
- 11은 Plain 시편과 대비하여 비정질 붕소강 섬유 및 붕규산 유리를 혼입한 시편의 상대적인 차폐성능을 나타낸 것이다. 대기 중에서 측정된 중성자 계수율과 비교시 Plain 시편의 경우 중성자 계수율이 68.44% 가량 감소되는 것으로 나타나 콘크리트 자체의 중성자 차폐성능을 확인할 수 있었다. 붕규산 유리를 혼입한 시편의 경우 중성자 차폐율이 94.
- 본 연구를 통해 붕규산 유리와 비정질 붕소강 섬유의 혼입이 콘크리트의 중성자 차폐에 효과적이라는 것을 알 수 있었다. 전반적으로 붕규산 유리의 경우 콘크리트의 역학적 성능에 있어서는 다소 불리하다는 점과 알칼리 골재반응을 유발할 가능성을 가지고 있으나 중성자 차폐에 있어서는 매우 효과적이며, 비정질 붕소강 섬유의 경우 인성을 증진시킨다는 점에서 역학적 성능개선에서 기여를 하지만 상대적으로 붕규산 유리에 비해 중성자 차폐성능이 낮다는 것을 알 수 있다.
- 44% 가량 감소되는 것으로 나타나 콘크리트 자체의 중성자 차폐성능을 확인할 수 있었다. 붕규산 유리를 혼입한 시편의 경우 중성자 차폐율이 94.38%로 Plain 시편과 대비하여 중성자 차폐율이 25.94%가 증가하는 것으로 나타났다. 비정질 붕소강 섬유를 혼입한 시편의 경우 중성자 차폐율은 85.
- 94%가 증가하는 것으로 나타났다. 비정질 붕소강 섬유를 혼입한 시편의 경우 중성자 차폐율은 85.94%로 Plain 시편 대비 17.5%가 증가하는 것으로 나타났다. 비정질 붕소강 섬유와 붕규산 유리를 동시에 혼입한 경우는 중성자 차폐율이 95.
- 전반적으로 잔골재를 붕규산 유리로 치환한 콘크리트의 경우 Plain 콘크리트와 대비하여 압축강도가 상대적으로 저하되는 현상을 나타냈으며, 비정질 붕소강 섬유를 혼입한 콘크리트의 경우 Plain 콘크리트와 대비하여 정탄성계수가 상대적으로 저하되는 현상을 나타냈다.
- 잔골재를 붕규산 유리로 치환한 콘크리트와 비정질 붕소강 섬유를 혼입한 콘크리트의 경우 Plain 콘크리트와 대비하여 중성자 차폐율의 현저한 증가를 나타냈다. 특히 잔골재를 붕규산 유리로 치환한 콘크리트의 경우 비정질 붕소강 섬유만을 혼입한 콘크리트보다 중성자 차폐율이 증가하는 것으로 나타났다.
- 잔골재를 붕규산 유리로 치환한 콘크리트의 경우 Plain 콘크리트와 대비하여 압축강도가 저하되는 현상을 나타냈으며, 비정질 붕소강 섬유를 혼입한 콘크리트의 경우 Plain 콘크리트와 대비하여 정탄성계수가 상대적으로 저하되는 현상을 나타냈다. 하지만 비정질 붕소강 섬유를 혼입한 경우 Plain 콘크리트와 대비하여 압축강도는 유사하며 최대하중 이후 압축인성을 발현하는 것으로 나타났다.
후속연구
- 2010, 2014). 이러한 문제로 인해 차폐 콘크리트에 있어서 중성자를 효율적으로 흡수하는 동시에 콘크리트의 역학적 성질을 저하시키지 않은 새로운 소재 및 공법에 대한 연구가 필요하다.
- 전반적으로 붕규산 유리의 경우 콘크리트의 역학적 성능에 있어서는 다소 불리하다는 점과 알칼리 골재반응을 유발할 가능성을 가지고 있으나 중성자 차폐에 있어서는 매우 효과적이며, 비정질 붕소강 섬유의 경우 인성을 증진시킨다는 점에서 역학적 성능개선에서 기여를 하지만 상대적으로 붕규산 유리에 비해 중성자 차폐성능이 낮다는 것을 알 수 있다. 향후 각각의 문제점에 대한 보완연구를 통해 최적 배합비를 도출한다면 중성자 차폐재로서 붕규산 유리와 비정질 붕소강 섬유의 활용이 증가될 것으로 기대되어진다.
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