선택한 단어 수는 입니다.
최소 단어 이상 선택하여야 합니다.
최소 단어 이상 선택하여야 합니다.
선택한 단어 수는 30입니다.
최대 10 단어까지만 선택 가능합니다.
최대 10 단어까지만 선택 가능합니다.
문제 정의
- 본 연구에서는 지하수 흐름이 있는 지반공동에 긴급 뒤채움을 하거나 지반함몰이 발생하기 전의 현장에서 사전 위험요소를 제거하기 위한 방법의 일환으로 수용성 폴리머 파우치를 제작하였다. 폴리머 파우치는 무기질계 혼화재를 유실없이 원하는 시간에 맞춰 반응하도록 제작되어졌다.
- , 2017). 이에 본 연구에서는 기존 재료의 이점을 가지면서 대량생산이 가능하도록 새로운 재료를 이용한 폴리머 파우치를 개발하였고, 개발된 재료의 수용해성 특성과 강도 특성을 확인해보았으며 전단실험을 통해 토목재료로 활용시 지반보강효과를 확인해 보았다.
- , 2017). 이에 본 연구에서는 지반함몰 복구 시 비개착식 긴급복구 기술로서, 지반 내 지하수와 반응할 수 있는 빈배합된 혼화재가 포함된 수용성 파우치를 개발하였다. 이미 수용성 폴리머 재료로 PVP를 이용하여 파우치를 제작하였으나(Jung et al.
제안 방법
-
4.1 개요
개발된 파우치의 토목재료로의 강도특성 및 활용도를 확인하기 위해 무기질계 혼화재를 이용하여 구형 폴리머 파우치를 제작하여 직접 전단실험을 실시하였다. 이때 전단면의 폴리머파우치 경화시 보강 지반의 전단응력 및 수직변형률의 변화를 확인하였으며, 이를 통해 수용성 폴리머 파우치의 지반재료로서의 강도특성을 확인하였다.
- 폴리머 블렌딩 시 혼합하는 폴리머의 종류 및 비율에 따라 다양한 물성을 띄게 된다. 그렇기에 선정된 수용성 폴리머 PEG와 LDPE를 다양한 비율로 블렌딩하여 수용성 및 기계적 물성변화 확인을 위한 시편을 제작하였다. 본 실험에서 PEG&LDPE 복합체는 각각 10:0, 9:1, 8:2의 질량비율로 제작하였다.
- 또한 강도가 높아진 대신 떨어진 수용성 특성을 본 연구의 목표에 다다르기 위해 Talc를 함께 블렌딩하였으며, 연구결과 PEG&LLDPE&Talc의 3 중 복합체가 연구에서 필요한 최종 복합체로 선정되었다.
- 또한 폴리머의 용해시간을 고려하여 실험진행 전 4시간수침 및 2시간 건조 후 실험을 진행하였다.
- 본 실험에서 PEG&LDPE 복합체는 각각 10:0, 9:1, 8:2의 질량비율로 제작하였다.
- , 2008). 사용된 세라믹은 수분을 흡수하는 성질과 기계적 강도를 증가시켜주는 필러로 알려진 BN(Boron nitride), Talc(Hydrated magnesuim silicate), AlN(Aluminum nitride), 그리고 Al 2 O 3 (Aluminum oxide)로 총 4가지의 복합체를 제작하여, 반구형 파우치 제작여부를 확인하였다.
- 선정된 Talc는 질량 비율 9:1, 8:2의 두 가지 복합체를 제조하여 수용해성 테스트를 진행하였다. 수용해성 테스트는 앞서 진행되었던 실험과 동일한 조건으로 진행되었으며, Talc가 첨가된 PEG&Talc 복합체는 2시간 만에 완전 용해되는 것을 알 수 있었다.
- PEG&LLDPE 블렌딩을 통하여 충격강도 및 인장강도의 성능 향상이 예상되며, 세라믹 필러인 Talc의 첨가를 통하여 수용해성의 향상을 유도하였다. 이 3가지의 폴리머 파우치 재료를 3중 복합하여 성형의 가공 여부 및 수용해성 테스트를 진행하였다. 복합체를 제조함에 있어 PEG의 비율이 감소할수록 수용해성이 감소하며 액상점도가 높아지게 되어 가공이 원활하게 진행되지 않을 수 있다.
- 구형 수용성 폴리머 파우치는 20mm 크기의 규격을 이용하여 실험을 실시하였다. 이때 개발된 무기질계 혼화재의 배합비는 Table 2와 같으며 사용된 시료는 현장조건을 고려하여 표준사와 세립분(황토)을 배합하였으며 배합비는 표준사 : 세립분의 비율을 9:1로 조성하였다. 초기함수 비는 10%로 설정하였으며, 수직하중은 2kg으로 실험을진행하였다.
- 개발된 파우치의 토목재료로의 강도특성 및 활용도를 확인하기 위해 무기질계 혼화재를 이용하여 구형 폴리머 파우치를 제작하여 직접 전단실험을 실시하였다. 이때 전단면의 폴리머파우치 경화시 보강 지반의 전단응력 및 수직변형률의 변화를 확인하였으며, 이를 통해 수용성 폴리머 파우치의 지반재료로서의 강도특성을 확인하였다.
- , 2002). 이러한 조건을 충족시키는 폴리머를 찾기 위해 문헌조사를 통하여 실제 공업에 많이 사용되는 폴리머의 녹는점과 충격 강도를 조사하였으며, 폴리머 블렌딩 방법으로는 사출기(Mini molder)를 사용하여 폴리머를 용융시킨 후, 용융된 폴리머를 회전을 통하여 혼합시키는 방법을 사용한다. 이들 중에 LDPE(Low Density Polyethylene)가 가장 낮은 온도인 110°C에서 용융이 되어 PEG와의 블렌딩에 가장 적합한 폴리머로 선정하였다.
- 이러한 폴리머 복합체의 물성 조절을 위해 PEG 복합체에 세라믹 필러를 첨가하여, 폴리머의 기계적 물성 강화 및 용해속도를 증가시키는 것이 가능할 것으로 예상되어 복합체에 첨가할 세라믹 필러를 조사하였다(Raghavan et al., 2008; Chan et al., 2011; Dileep Kumar et al., 2008; Lee et al., 2008). 사용된 세라믹은 수분을 흡수하는 성질과 기계적 강도를 증가시켜주는 필러로 알려진 BN(Boron nitride), Talc(Hydrated magnesuim silicate), AlN(Aluminum nitride), 그리고 Al 2 O 3 (Aluminum oxide)로 총 4가지의 복합체를 제작하여, 반구형 파우치 제작여부를 확인하였다.
- 기존 연구에서 문제가 되었던 용융상태에서의 가공성은 PEG로 재료를 변경함에 따라 반구 형태의 폴리머 파우치 제작이 가능하였지만, 인장강도 및 충격강도가 매우 낮아 블렌딩을 통한 기계적 강도를 향상해야 할 필요성이 있다. 이러한 폴리머의 물성 조절을 위해 수용성 폴리머인 PEG와 다른 폴리머를 블렌딩하게 되면, 폴리머 복합체의 기계적 물성을 강화시킬 것으로 예상되어 블렌딩에 사용될 폴리머 후보군을 문헌조사 하였다. PEG 20,000의 녹는 점은 약 65°C로, 다른 폴리머에 비해 매우 낮은 것을 알수 있었다(Araujo et al.
- 이처럼 PEG&LDPE 복합체가 수용해성을 잃게 되는 원인으로는 LDPE가 고르게 분산되지 않고 뭉치게 되어, PEG의 용해를 저하시켜, 수용해 특성이 사라진 것으로 예상된다. 이러한 현상을 막기 위하여, 폴리머 블렌딩의 재료를 LDPE와 화학적 구조식은 같지만 LDPE에 비해 가는 사슬구조를 지닌 LLDPE로 변경하였다(Fig. 4).
- 선행연구에서 제작되었던 폴리머 파우치의 경우 성형상의 문제로 지반공극 투입 시 최적의 형상이었던 구형 형태로의 제작이 어려워 새로운 재료로의 개발이 필요하 였다. 이에 본 연구에서는 PVP와 LDPE를 대신할 재료를 선정하였으며 선정된 재료의 블렌딩 복합체를 이용하여 폴리머 파우치로서의 특성평가를 실시하였다. 그 결과, 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
- 분자량이 증가하게 될 경우, 녹는점 및 기계적 물성이 좋아지지만 그와 반대로 수용성, 용융상태에서의 점도가 높아지게 되어 수용성 파우치의 원료로 적합하지 않게 된다. 이에 폴리머 파우치에 가장 적합한 분자량을 찾기 위하여 간단한 sampling을 통하여 각각 용해도를 측정하였다. 각각의 폴리머는 모두 우수한 용융상의 점도를 가지고 있어, 반구 형태의 폴리머 파우치를 제작할 수있었으며, 모든 PEG는 3시간 내로 완전 용해되는 것을 알수 있었다(Fig.
- 폴리머 파우치는 충돌이 일어난 후 그 형상을 유지해야 목표 충전율에 도달할 수 있으며, 지하공동 내부에서 폴리머 파우치의 특성을 유지할 수 있다. 최적의 배합비를 선정하기 위하여, Charpy 충격강도 시험(KS M ISO 179-1:2012)을 실시하였으며 실험을 통하여 시험편의 충격에 대한 에너지 차이를 비교평가하고 에너지량을 kJ/m 2 으로 산출하여 그 비교결과를 얻고자 하였다. 실험을 위해 시험편은 폴리머 재료의 배합비를 달리하였으며, 길이 80±2mm, 너비 10± 0.
대상 데이터
- 구형 수용성 폴리머 파우치는 20mm 크기의 규격을 이용하여 실험을 실시하였다. 이때 개발된 무기질계 혼화재의 배합비는 Table 2와 같으며 사용된 시료는 현장조건을 고려하여 표준사와 세립분(황토)을 배합하였으며 배합비는 표준사 : 세립분의 비율을 9:1로 조성하였다.
- 기존 연구에 사용된 폴리머는 Low Density Polyethylene (이하 LDPE, Sigma Aldrich, Korea, Mw=35000)와 Polyvinylpyrrolidone(이하 PVP, Daejung Chemical, Korea, Mw= 120000)을 블렌딩하여 사용하였다. 하지만 PVP 의 용융점이 매우 낮아 원하던 반구 형태로의 성형이 불가능하였으며, Hot-Pressed 방식의 판 형식으로밖에 성형이 불가능하였음을 확인하였다.
- , 2011). 또한 분자량이 높을수록 강도가 높게 나타나는데 실험에 사용된 PEG 중 분자량 20,000의 경우가 용해속도 4시간과 유사하며, 이는 지반 내 보강속도를 고려할 경우 적절한 시간으로 고려되므로 폴리머 파우치의 소재로 최종 선정하였다.
- 실험과정을 통해 PEG의 블렌딩 폴리머의 재료로는 LLDPE, 세라믹 필러 첨가제로는 Talc가 최종적으로 선정되었다. PEG&LLDPE 블렌딩을 통하여 충격강도 및 인장강도의 성능 향상이 예상되며, 세라믹 필러인 Talc의 첨가를 통하여 수용해성의 향상을 유도하였다.
- 실험을 위해 시험편은 폴리머 재료의 배합비를 달리하였으며, 길이 80±2mm, 너비 10± 0.2mm, 두께 4±0.2mm로 제작하였다(Fig. 11).
- 7과 같이 4가지의 세라믹 필러 모두 PEG에 첨가되어도 가공성을 잃지 않고 반구 형태의 폴리머 파우치가 제작 가능한 것을 확인하였다. 이 중에서도, 수분을 흡수하는 성질이 우수하고, 가격이 저렴하며, 용해 후 지반에 잔존하여도 환경문제를 일으키지 않는 Talc를 복합체에 첨가할 세라믹 필러로 선정하였다.
- 이들 중에 LDPE(Low Density Polyethylene)가 가장 낮은 온도인 110°C에서 용융이 되어 PEG와의 블렌딩에 가장 적합한 폴리머로 선정하였다.
- PEG 는 녹는점이 매우 낮은 고분자 재료로 저온에서 가공이 수월하며, 액상상태에서 유동성이 매우 뛰어나기 때문에 기존 연구에서 문제가 되었던 가공성을 해결할 수 있는 것으로 판단하였다. 이에 PEG를 최종적으로 수용성 폴리머 파우치 소재로 재선정하였다.
- 판 형식의 형태는 조립에 의한 대량생산이 어려우며, 보관에도 문제점이 많아 새로운 재료를 선정하였다. 이에 기존 문헌조사를 통해서 용융상태에서도 뛰어난 유동성을 가진 고분자인 Polyethylene glycol(이하 PEG, Daejung Chemicals, Korea)을 선정하였다(Jiang et al., 2016; Saba et al., 2015; Savagatrup et al., 2014). PEG 는 녹는점이 매우 낮은 고분자 재료로 저온에서 가공이 수월하며, 액상상태에서 유동성이 매우 뛰어나기 때문에 기존 연구에서 문제가 되었던 가공성을 해결할 수 있는 것으로 판단하였다.
- 하지만 PVP 의 용융점이 매우 낮아 원하던 반구 형태로의 성형이 불가능하였으며, Hot-Pressed 방식의 판 형식으로밖에 성형이 불가능하였음을 확인하였다. 판 형식의 형태는 조립에 의한 대량생산이 어려우며, 보관에도 문제점이 많아 새로운 재료를 선정하였다. 이에 기존 문헌조사를 통해서 용융상태에서도 뛰어난 유동성을 가진 고분자인 Polyethylene glycol(이하 PEG, Daejung Chemicals, Korea)을 선정하였다(Jiang et al.
성능/효과
- (1) 수용성 폴리머로 새롭게 선정된 PEG는 성형성과 수용성 능력이 우수하지만 약한 강도로 인해 LLDPE와 블렌딩함으로써 본 연구에서 원하는 강도를 충족시킬수 있었다. 또한 강도가 높아진 대신 떨어진 수용성 특성을 본 연구의 목표에 다다르기 위해 Talc를 함께 블렌딩하였으며, 연구결과 PEG&LLDPE&Talc의 3 중 복합체가 연구에서 필요한 최종 복합체로 선정되었다.
- (2) 선정된 최종 복합체는 샘플링 과정을 통해 본 연구에 적합한 반구형태로 제작하였으며, 수용성 테스트 및 인장강도, 충격강도 테스트 결과, 수용성과 성형성이 우수하고 지반 내 주입시 외부의 충격에도 견딜 수 있는 충분한 강도가 확보된 것을 확인할 수 있었다.
- (3) 수용성 폴리머파우치의 매립지반 내 강도증진효과를 검증하기 위해 직접전단실험 실시 결과 전단응력이 선형적으로 증가하였으며, 일정변위 이상에서는 전단응력이 기존지반에 비해 커지는 것을 확인하였다. 이는 향후 무기질계 혼화재와 수용성 폴리머 파우치의 지반 내 복합시공 주입 시 전단응력의 증가로 인한 보강효과를 기대할 수 있을 것으로 판단하였다.
- Fig. 5와 같이 재선정된 LLDPE를 블렌딩한 복합체는 9:1 그리고 8:2의 비율에서도 수용해성을 잃지 않는 것을 확인하였으며, 수용해성 테스트는 유동이 없는 3차 증류 수를 통하여 실험하였다.
- Fig. 7과 같이 4가지의 세라믹 필러 모두 PEG에 첨가되어도 가공성을 잃지 않고 반구 형태의 폴리머 파우치가 제작 가능한 것을 확인하였다. 이 중에서도, 수분을 흡수하는 성질이 우수하고, 가격이 저렴하며, 용해 후 지반에 잔존하여도 환경문제를 일으키지 않는 Talc를 복합체에 첨가할 세라믹 필러로 선정하였다.
- , 2014). PEG 는 녹는점이 매우 낮은 고분자 재료로 저온에서 가공이 수월하며, 액상상태에서 유동성이 매우 뛰어나기 때문에 기존 연구에서 문제가 되었던 가공성을 해결할 수 있는 것으로 판단하였다. 이에 PEG를 최종적으로 수용성 폴리머 파우치 소재로 재선정하였다.
- PEG&LLDPE 블렌딩을 통하여 충격강도 및 인장강도의 성능 향상이 예상되며, 세라믹 필러인 Talc의 첨가를 통하여 수용해성의 향상을 유도하였다.
- 각각 비율이 다른 세 가지의 3중 복합체의 인장강도를 테스트한 결과, 상대적으로 LLDPE의 함량이 가장 높은 7:2:1이 가장 우수한 인장강도를 가지는 것으로 나타났다 (KS M ISO 527-1). 그 다음으로는 7:1:2, PEG 대비 LLDPE 의 비율이 가장 낮은 8:1:1 샘플의 인장강도가 가장 낮게 측정되었다(Fig.
- 이에 폴리머 파우치에 가장 적합한 분자량을 찾기 위하여 간단한 sampling을 통하여 각각 용해도를 측정하였다. 각각의 폴리머는 모두 우수한 용융상의 점도를 가지고 있어, 반구 형태의 폴리머 파우치를 제작할 수있었으며, 모든 PEG는 3시간 내로 완전 용해되는 것을 알수 있었다(Fig. 1).
- 또한 보강 시 지반의 전단강도가 상승함으로써 상재하중에 의한 지반 침하나 지반공동 발생 시 공동 하부 지반에서 발생한 지반 이완영역에 지지할 수 있고 지반의 역학적 특성을 70% 이상 향상시킬 수 있음을 알 수 있다.
- 수용성 폴리머 파우치 시료의 계산된 c값은 0.0111g/cm 2 이었으며 Ø는 48.6°으로 기존 폴리머파우치가 내포되지 않았던 시료(Table 3)의 점착력과 내부마찰각과 비교하였을 때 소폭 상승된 것으로 확인되었다.
- 수용해성 테스트는 앞서 진행되었던 실험과 동일한 조건으로 진행되었으며, Talc가 첨가된 PEG&Talc 복합체는 2시간 만에 완전 용해되는 것을 알 수 있었다.
- 7:1:2의 3가지 비율로 고정하여 실험을 진행하였다. 실험결과, 3가지의 비율 반구 형태의 폴리머파우치 제작이 가능한 우수한 가공성을 보여주는 것을 확인할 수 있었으며, 최종적으로 생성한 3중 복합체의 수용해성 테스트에서도 세 가지 복합체 모두 3시간 내로 완전 용해되는 것을 확인하였다. 최종적으로 세 가지 비율의 복합체 모두 가공성 및 수용해 성은 우수한 것으로 확인되었다.
- 용해도 실험 결과, 일반적으로 PEG와 LDPE를 블렌딩할 때 나타나는 현상인 뭉침 현상이 현저하게 감소하여 녹은 후에도 뭉쳐있지 않고 증류수 위에 떠있는 것을 확인할 수 있다. 이러한 결과는 PEG가 원활하게 용해될 수 있어 수용해성 또한 일정 부분 유지되어 두 비율의 복합체 모두 4시간 내에 완전 용해되는 것을 확인하였다.
- 이를 통해 일정변위 발생 전까지는 원재료의 영향을 받지만 보강 전 재료의 보강효과는 변위가 일정크기 이상이 되는 경우 전단응력이 선형적으로 증가하고 있음을 알 수 있다. 즉, 개발 전 수용성 폴리머 보강재의 보강 효과는 선형적으로 증가 특성을 가지며 수침에 의해 Fig. 13과 같이 지반 내 포화된 전단면을 확인 가능하였다. 또한 보강 시 지반의 전단강도가 상승함으로써 상재하중에 의한 지반 침하나 지반공동 발생 시 공동 하부 지반에서 발생한 지반 이완영역에 지지할 수 있고 지반의 역학적 특성을 70% 이상 향상시킬 수 있음을 알 수 있다.
- 실험결과, 3가지의 비율 반구 형태의 폴리머파우치 제작이 가능한 우수한 가공성을 보여주는 것을 확인할 수 있었으며, 최종적으로 생성한 3중 복합체의 수용해성 테스트에서도 세 가지 복합체 모두 3시간 내로 완전 용해되는 것을 확인하였다. 최종적으로 세 가지 비율의 복합체 모두 가공성 및 수용해 성은 우수한 것으로 확인되었다.
- 폴리머 블렌딩을 통하여 PEG&LLDPE 복합체를 생성한 결과, 소폭의 수용해성을 잃은 것으로 확인되었다.
- 본 실험에서 PEG&LDPE 복합체는 각각 10:0, 9:1, 8:2의 질량비율로 제작하였다. 하지만 LDPE는 용융 점도가 낮은 액상 PEG에서 분산이 제대로 일어나지 않고 뭉치는 현상을 일으키며 8:2의 비율에서도 복합체의 수용해성이 사라는 것으로 확인되었다.
- 기존 연구에 사용된 폴리머는 Low Density Polyethylene (이하 LDPE, Sigma Aldrich, Korea, Mw=35000)와 Polyvinylpyrrolidone(이하 PVP, Daejung Chemical, Korea, Mw= 120000)을 블렌딩하여 사용하였다. 하지만 PVP 의 용융점이 매우 낮아 원하던 반구 형태로의 성형이 불가능하였으며, Hot-Pressed 방식의 판 형식으로밖에 성형이 불가능하였음을 확인하였다. 판 형식의 형태는 조립에 의한 대량생산이 어려우며, 보관에도 문제점이 많아 새로운 재료를 선정하였다.
후속연구
- (3) 수용성 폴리머파우치의 매립지반 내 강도증진효과를 검증하기 위해 직접전단실험 실시 결과 전단응력이 선형적으로 증가하였으며, 일정변위 이상에서는 전단응력이 기존지반에 비해 커지는 것을 확인하였다. 이는 향후 무기질계 혼화재와 수용성 폴리머 파우치의 지반 내 복합시공 주입 시 전단응력의 증가로 인한 보강효과를 기대할 수 있을 것으로 판단하였다.
- 또한 보강 시 지반의 전단강도가 상승함으로써 상재하중에 의한 지반 침하나 지반공동 발생 시 공동 하부 지반에서 발생한 지반 이완영역에 지지할 수 있고 지반의 역학적 특성을 70% 이상 향상시킬 수 있음을 알 수 있다. 이에 추후 연구에서는 다양한 지반 내 적용을 위해 대형직접전단실 험을 통해 수용성 폴리머 파우치가 지반보강에 미치는 영향을 추가적으로 알아볼 필요가 있다.
※ AI-Helper는 부적절한 답변을 할 수 있습니다.