[논문]석유피치 재활용 탄소섬유를 혼입한 모르타르의 인장 특성

이인규; 이준석; 김진희; 김융암; 김우

doi:10.7844/kirr.2017.26.6.20

[국내논문] 석유피치 재활용 탄소섬유를 혼입한 모르타르의 인장 특성
Tensile Strength of Cement Mortar using Pitch-based Carbon Fiber Derived from Oil Residues 원문보기

資源리싸이클링 = Journal of the Korean Institute of Resources Recycling, v.26 no.6, 2017년, pp.20 - 28

이인규 (전남대학교 토목공학과) , 이준석 (전남대학교 바이오하우징연구소) , 김진희 (전남대학교 바이오하우징연구소) , 김융암 (전남대학교 고분자융합소재공학부) , 김우 (전남대학교 토목공학과)

초록
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피치계 탄소섬유를 함유한 모르타르의 직접인장강도는 평균압축강도의 1/27~1/22에 해당하였다. 동일 양의 PAN계 탄소섬유를 함유한 모르타르의 직접인장강도가 1/15임에 비하여, 낮은 수준으로 나타났다. 이 때, 무보강 기준시편의 직접인장강도는 1/29 수준이었다. 피치계 탄소섬유를 함유한 모르타르의 휨인장강도는 평균압축강도에 비해, 약 1/12 수준으로 나타났고, PAN계 탄소섬유를 함유한 모르타르와 무보강 모르타르는 각각 1/10, 1/13.5의 수준으로 나타났다. 피치계 탄소섬유를 혼입한 모르타르의 인장성능은 무보강 모르타르와 PAN계 탄소섬유를 혼입한 모르타르의 중간 수준으로 나타났다.

Abstract ▼ AI-Helper

The direct tensile strength of the mortar specimen containing pitch-based carbon fiber was ranged between 1/27~1/22 as compared to the average compressive strength of mortar. It was found that the direct tensile strength of the mortar containing the same amount of PAN-based carbon fiber was around 1/15. While the case of the control specimen without the carbon fiber was around 1/29. One the other hands, the flexural tensile strength of the mortar containing pitch-based carbon fibers was about 1/12 as compared to the average compressive strength. In case of the mortar specimen with PAN-based carbon fiber and control mortar were 1/10 and 1/13.5, respectively. The tensile performance of the mortar with pitch-based carbon fiber was found to be intermediate between control mortar and the reinforced mortar incorporated with the PAN-based carbon fiber.

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AI 본문요약
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문제 정의

이러한 방식은 기존의 탄소생산 단가를 상당히 낮출 가능성이 있다. 그러나, PAN계열에 비해, 연구가 진행된 바가 없어, 본 연구는 Pitch계열 탄소섬유를 직접적으로 시멘트성 재료인 모르타르에 혼입하여, 그 복합체의 역학적 특성을 확인하고자 한다. 기존 연구와의 차별성은 기존의 PAN 계열 탄소섬유 쉬트의 활용이 아닌, Pitch계 탄소섬유 자체를 혼입제로 사용한다는 점이다.
본 연구는 단일섬유 직접 인장강도는 PAN계 탄소섬유에 비해, 그 강도와 강성이 모두 낮지만, MeltBlown방식으로 경제적인 대량생산이 가능할 것으로 예상되는 피치계 탄소섬유의 시멘트성 재료 적용에 관한 연구이다. 피치계 탄소섬유의 건설분야 적용성을 타진하기 위해, 피치계 탄소섬유를 혼입한 모르타르의 인장 특성을 확인하였다.

제안 방법

모르타르의 인장강도는 압축강도와 더불어 시멘트성 재료에 주요한 역학적 성능이며, 주로 구조물의 내구성 측면에서 제어에 중요한 인자이다. 본 연구에서 고려되는 탄소섬유는 피치계 탄소섬유로 그 제작사가 국내 ○○사의 경우와 일본 □□사의 제품을 기본적으로 이용하였고, 그 성능 수준을 비교할 수있도록, △△사 일본 탄소섬유의 PAN계 탄소섬유를 이용하여, 그 성능 수준을 검토하였다. Table 1은 사용되는 피치계와 PAN계 탄소섬유의 물성이 정리되어 있다.
결국, 섬유자체의 인장성능 보다는 섬유-모르타르 간의 인발성능으로 강도에 기여하는 형태인 것으로 추정하였다. 이를 재확인하고, 섬유혼입 모르타르의 인장강도에 기여하는 정도를 파악하기 위해서, Fig. 3(a)와 같이, 직접인장시험 패널을 제작하고, 그 중앙 심부에 탄소섬유 종류 별 각각 0.067g의 섬유를 길이방향으로 배치하였다. 사용배합은 W/C 비로 50%가 사용되었으며, Table 3과 같다.
시멘트성 재료 내에서의 분산성은 선행 연구¹⁹⁾에 의하면, 피치계 탄소 섬유는 시멘트성 재료 내에서 분산이 잘 되는 것으로 보고된 바 있다. 따라서, 본 연구에서는 부가적인 분산제를 첨가하지 않았다. 균질한 직접인장시편 제작을 위해, 적정한 다짐이 필요하였으며, 진동대를 사용하였다.
균질한 직접인장시편 제작을 위해, 적정한 다짐이 필요하였으며, 진동대를 사용하였다. 다짐 적용시간에 따른 재료분리 등에 따른 강도손실을 파악하기 위해, Table 4와 같이, 다짐강도, 시간에 따른 선행조건 시험을 시행하였다. 동일 다짐강도에서, 60초를 진동 다짐하였을 때, 상대적으로 더 균질한 상태인 것으로 판단하여, 본 배합에서도 직접인장시편 제작 시 60초 진동다짐을 시행하였다.
다짐 적용시간에 따른 재료분리 등에 따른 강도손실을 파악하기 위해, Table 4와 같이, 다짐강도, 시간에 따른 선행조건 시험을 시행하였다. 동일 다짐강도에서, 60초를 진동 다짐하였을 때, 상대적으로 더 균질한 상태인 것으로 판단하여, 본 배합에서도 직접인장시편 제작 시 60초 진동다짐을 시행하였다. 직접인장시험은 Fig.
동일 다짐강도에서, 60초를 진동 다짐하였을 때, 상대적으로 더 균질한 상태인 것으로 판단하여, 본 배합에서도 직접인장시편 제작 시 60초 진동다짐을 시행하였다. 직접인장시험은 Fig. 4와 같이, 인장지그의 응력집중 현상을 제거하기 위해, 포치형식으로 인장작용면을 보다 넓게 분포시켰으며, 시험 게이지 길이는 80 mm로 중앙부 단면에 설정하였다. 2개의 10 mm LVDT가 시험편 좌, 우에서 수직변위량을 측정하였다.
이 전에서는 일축상태에서의 탄소섬유 혼입 시편의 직접인장강도 특성을 살펴보았다. 일반적으로 다축 구속상태에서의 인장강도의 발현이 되므로, 휨인장강도의 측정이 별도로 필요하다.
3(b)와 같이, 50×50×200 mm의 각주(Prism) 형태로 제작되었으며, 하단으로부터 10 mm 높이에 직접인장시편과 동일한 각 탄소섬유가 길이방향으로 단일 배치되었다. PAN계열의 에폭시 표면처리에 따른 섬유 표면조도(Roughness) 감소로 인한 효과를 알아 볼 수 있도록, PAN 제작 시 1차 탄화된 안정화(Oxidated) 시편인 Oxidated-PAN 섬유을 시험조건에 포함시켰다. Fig.
)으로 거치 후 3점 재하시험을 실시하였다. 재하 방법은 변위재하 방식으로 가력하였다. Fig.
본 연구는 단일섬유 직접 인장강도는 PAN계 탄소섬유에 비해, 그 강도와 강성이 모두 낮지만, MeltBlown방식으로 경제적인 대량생산이 가능할 것으로 예상되는 피치계 탄소섬유의 시멘트성 재료 적용에 관한 연구이다. 피치계 탄소섬유의 건설분야 적용성을 타진하기 위해, 피치계 탄소섬유를 혼입한 모르타르의 인장 특성을 확인하였다. 직접인장시험과 휨인장시험을 통해, 그 특성을 고찰하였다.
피치계 탄소섬유의 건설분야 적용성을 타진하기 위해, 피치계 탄소섬유를 혼입한 모르타르의 인장 특성을 확인하였다. 직접인장시험과 휨인장시험을 통해, 그 특성을 고찰하였다. 그 결과, 다음과 같은 결론을 얻었다.

대상 데이터

4와 같이, 인장지그의 응력집중 현상을 제거하기 위해, 포치형식으로 인장작용면을 보다 넓게 분포시켰으며, 시험 게이지 길이는 80 mm로 중앙부 단면에 설정하였다. 2개의 10 mm LVDT가 시험편 좌, 우에서 수직변위량을 측정하였다. 직접인장강도 시험 결과는 Fig.

성능/효과

5의 수준으로 나타났다. 피치계 탄소섬유를 혼입한 모르타르의 인장성능은 무보강 모르타르와 PAN계 탄소섬유를 혼입한 모르타르의 중간 수준으로 나타났다.
Pitch계열의 탄소섬유를 혼입한 시멘트성 재료의 거동은 현재 국내에서는 전무한 상황이고, 그간 탄소나노 튜브, 그래핀 등의 경제성, 기능성, 위험성 등을 모두 고려한다면, 나노크기에서 다시 마이크로 크기의 혼입 재의 리턴연구가 필요한 시점으로 사료된다. PAN계열 탄소섬유가 Pitch계열 탄소섬유에 비해, 섬유자체의 직접인장강도는 상대적으로 PAN계열이 높은 걸로 나타났지만, 탄성계수는 상대적으로 Pitch계열이 가공이 용이한 것으로 나타났다. PAN계열은 품질이 안정되어 있는 편이며, 외부에 에폭시 코팅 처리하여 마감하므로, 강도 자체는 단순비교는 어려운 점이 있다.
6 MPa 사이에 분포하는 것으로 나타났다. 이 때, 시편의 압축 강도는 50 mm 큐브시편을 별도 제작하여, 압축파괴실험을 실시한 결과, 평균 53.8 MPa로 나타났다. 이는 직접인장강도의 범위가 압축강도의 1/29~1/15로 나타났다.
이는 직접인장강도의 범위가 압축강도의 1/29~1/15로 나타났다. 탄소섬유의 혼입에 따라, 직접인장강도는 Fig 5와같이, 증가하며, PAN계 탄소섬유에서 가장 높은 인장 강도를 나타냈고, 2개의 서로 다른 피치계 탄소섬유를 함유한 인장시편의 경우는 무보강 기준 시편에 비해, 향상되는 정도가 미미한 것으로 나타났다. 이는 Table 1의 개별 섬유 자체의 일축 인장실험 결과와 일치하는 것으로 나타났다.
1. 피치계 탄소섬유를 함유한 모르타르의 직접인장강도는 평균압축강도의 1/27~1/22에 해당하였다. 동일 양의 PAN계 탄소섬유를 함유한 모르타르의 직접인장강도가 1/15임에 비하여, 낮은 수준으로 나타났다.
2. 피치계 탄소섬유를 함유한 모르타르의 휨인장강도는 평균압축강도에 비해, 약 1/12 수준으로 나타났고, PAN계 탄소섬유를 함유한 모르타르와 무보강 모르타르는 각각 1/10, 1/13.5의 수준으로 나타났다. 피치계 탄소섬유를 혼입한 모르타르의 인장성능은 무보강 모르타르와 PAN계 탄소섬유를 혼입한 모르타르의 중간 수준으로 나타났다.
3. 직접인장강도와 휨인장강도의 결과로 피치계의 인장성능은 무보강 모르타르와 PAN계 탄소섬유를 혼입한 모르타르의 성능의 중간 수준으로 나타났다. 직접인장강도는 휨인장강도에 비해, 인장강도 민감성이 상대적으로 크게 나타냈다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	피치계 탄소섬유를 혼입한 모르타르의 인장 특성을 연구한 결과는?	1. 피치계 탄소섬유를 함유한 모르타르의 직접인장강도는 평균압축강도의 1/27~1/22에 해당하였다. 동일 양의 PAN계 탄소섬유를 함유한 모르타르의 직접인장강도가 1/15임에 비하여, 낮은 수준으로 나타났다. 이 때, 무보강 기준시편의 직접인장강도는 1/29 수준이었다. 2. 피치계 탄소섬유를 함유한 모르타르의 휨인장강도는 평균압축강도에 비해, 약 1/12 수준으로 나타났고, PAN계 탄소섬유를 함유한 모르타르와 무보강 모르타르는 각각 1/10, 1/13.5의 수준으로 나타났다. 피치계 탄소섬유를 혼입한 모르타르의 인장성능은 무보강 모르타르와 PAN계 탄소섬유를 혼입한 모르타르의 중간 수준으로 나타났다. 3. 직접인장강도와 휨인장강도의 결과로 피치계의 인장성능은 무보강 모르타르와 PAN계 탄소섬유를 혼입한 모르타르의 성능의 중간 수준으로 나타났다. 직접인장강도는 휨인장강도에 비해, 인장강도 민감성이 상대적으로 크게 나타냈다.
	PAN방식의 특징은?	기본적으로 석유에 추출되는 탄소섬유는 PAN계열과 Pitch(피치, 아스팔트)계열로 나뉜다. PAN방식은 원재료인 AN의 원가가 높지만 중합 후 연속적인 피딩(feeding)시스템으로 탄소섬유를 방사할 수 있으며, 현재 대부분의 탄소섬유가 이러한 방식(국내 ◇◇사, 일본 △△사 등)으로 생산되고 있다. Pitch방식은 원유정제 후 찌꺼기(oil residue)에 해당하는 피치를 원료로 녹인 후, 고압으로 불어내어 섬유를 생산하는 방식으로 Melt-Blown방식이라고도 한다7-9).
	Pitch방식은 무엇인가?	PAN방식은 원재료인 AN의 원가가 높지만 중합 후 연속적인 피딩(feeding)시스템으로 탄소섬유를 방사할 수 있으며, 현재 대부분의 탄소섬유가 이러한 방식(국내 ◇◇사, 일본 △△사 등)으로 생산되고 있다. Pitch방식은 원유정제 후 찌꺼기(oil residue)에 해당하는 피치를 원료로 녹인 후, 고압으로 불어내어 섬유를 생산하는 방식으로 Melt-Blown방식이라고도 한다7-9). 이러한 방식은 기존의 탄소생산 단가를 상당히 낮출 가능성이 있다.

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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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