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문제 정의
- 그러나 기존의 연구들은 한 가지 결합재를 사용한 독립적인 연구로서 폴리머 콘크리트에 범용적으로 적용이 가능한 재령－강도 관계식을 도출한 연구 결과는 찾아볼 수가 없다. 따라서 본 연구에서는 불포화 폴리에스터, 비닐에스터, 에폭시, PMMA 등 4가지 폴리머 결합재로 제조된 폴리머 콘크리트의 압축 및 휨강도 시험 데이터로부터 재령에 따른 강도 예측식을 도출하였다.
- 따라서 양생온도도 시험의 주요변수로 할 수 있으나 본 연구는 폴리머 결합재의 종류와 재령에 따른 강도발현 특성을 구명하는 것이 주된 목적이므로 양생온도 (curing temperature와 시험온도 (testing temperature)는 모두20 °C로 유지하였다.
- 본 연구에서는 콘크리트의 성능을 나타내는 핵심적인 성질 중에서 압축 및 휨강도에 대하여 실험적으로 구명하여 보고자 한다. 이를 위해 불포화 폴리에스터, 비닐에스터, 에폭시, PMMA 등 4가지 폴리머 결합재를 사용한 폴리머 콘크리트에 대하여 재령 6, 12, 24, 168 hrs에서의 강도시험을 실시하고 폴리머 결합재의 종류와 재령에 따른 압축 및 휨강도 발현 특성을 분석하여 보기로 한다.
- 본 연구에서는 폴리머 콘크리트의 재령에 따른 압축강도 시험결과를 바탕으로 강도 예측식을 도출하여 보고자 한다. 앞에서 언급한 바와 같이 양생과 시험은 온도 20 °C에서 이루어졌다.
제안 방법
- MMA는 공중합 상태에서 개시제만 첨가하였을 경우 분자간 반응속도가 매우 느리므로 촉진제로서 DMA (N,NDimethylaniline)를 첨가하였으며, 그 성질은 앞에서 제시한 Table 4와 같다.
- 한편 본 연구는 위의 4가지 폴리머 결합재를 사용한 폴리머 콘크리트의 최적 배합비는 결합재의 성질과 조성비가 다르기 때문에 동일하게 할 수가 없다. 따라서 반죽질기와 가사 시간, 양생온도와 시험온도 등 작업성과 온도환경을 동등한 조건으로 하여 시험하였다. 그리고 폴리머 콘크리트는 중합반응 (polymerization)에 의해 조기경화가 일어나기 떄문에 일반적으로 재령 168 hrs (7 days)의 강도를 기준강도로 하고 있음을 밝혀둔다.
- , 1993)과 마찬가지로 폴리머 콘크리트도 이러한 요소들의 영향을 받는다. 본 연구에서는 4종류의 폴리머 결합재를 사용하였으며, 폴리머 콘크리트의 배합비는 반죽질기와 가사시간으로 나타내어지는 작업성을 기준으로 하여 결정 하였다. 즉 반죽질기는 플로우 값(flow rate)으로서 125±10 %, 가사시간 (working life)은 80분을 기준으로 하였다.
- 본 연구에서는 불포화 폴리에스터, 비닐에스터, 에폭시, PMMA 등 4가지 결합재를 사용한 폴리머 콘크리트에 대해 재령 168 hrs에서 측정한 압축강도와 휨강도 값을 가지고 이들 두 강도의 관계식을 도출하여 보았던 바 Fig. 6과 같다.
- 본 연구에서는 콘크리트의 성능을 나타내는 핵심적인 성질 중에서 압축 및 휨강도에 대하여 실험적으로 구명하여 보고자 한다. 이를 위해 불포화 폴리에스터, 비닐에스터, 에폭시, PMMA 등 4가지 폴리머 결합재를 사용한 폴리머 콘크리트에 대하여 재령 6, 12, 24, 168 hrs에서의 강도시험을 실시하고 폴리머 결합재의 종류와 재령에 따른 압축 및 휨강도 발현 특성을 분석하여 보기로 한다.
- 즉 반죽질기는 플로우 값(flow rate)으로서 125±10 %, 가사시간 (working life)은 80분을 기준으로 하였다.
대상 데이터
- MMA (methyl methacrylate) 모노머는 불포화 폴리에스터 수지의 점도 조절용으로 사용되었으며, 그 성질은 Table 2와 같다.
- 개시제로서 BPO (benzoyl peroxide)를 사용하였으며, 그 성질은 Table 13과 같다.
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(3) 개시제
개시제로서는 MEKPO (methyl ethyl ketone proxide) 55%인 DMP 용액을 사용하였으며, 그 성질은 Table 3과 같다.
- 비닐에스터 수지와 MMA는 공중합 상태에서 개시제만 첨가하였을 경우 경화가 일어나지 않기 때문에 촉진제가 필요하다. 본 연구에서는 Cobalt Naphthenate를 촉진제로 사용하였으며, 그 성질은 Table 8과 같다.
- 불포화 폴리에스터 수지와 MMA 모노머는 공중합 상태에서 개시제만 첨가하였을 경우 분자간 반응속도가 매우 느리므로 이를 빠르게 하기 위한 촉진제로서 DMA (N,N-Dimethyl aniline)를 사용하였으며, 그 성질은 다음 Table 4와 같다.
- 비닐에스터 수지의 경화를 위한 개시제로서 MEKPO 55 % 인 DMP 용액을 사용하였으며, 그 성질은 앞에 제시한 Table 3과 같다.
- 사용된 경화제는 지방족(aliphatic amines) 계열로서 MXDA(Meta- xylenediamine)와 IPDA (Isophorone diamine), 지환족 아민 (cycloaliphatic amines) 계열로서 MCAA (modified cycloaliphatic amine) 등 3종이며, 그 성질은 Table 10, Table 11 및 Table 12와 같다.
- 사용된 아크릴계 수지는 PMMA (polymethyl methacrylate)를 MMA 모노머에 용해시킨 것이다. MMA 모노머의 성질은 앞에서 제시한 Table 2와 같다.
- 압축강도 시험에는 ∅5×10 cm의 원주형 시험체를 사용하였으며, 휨강도 시험에는 4×4×16 cm 크기의 각주형 시험체를 사용하였다.
이론/모형
- 최적의 선형 모델을 용이하게 찾아낼 수 있는 컴퓨터 프로그램들이 상용화 되어있기 때문이다. 본 연구에서는 최적 모델을 찾아내기 위해 선형 예측 관련 소프트웨어 중에서 CurveExpert Professional (http:www.curveexpert.net/download/)을 사용하였다.
- 압축강도 시험은 ASTM C 579 (Standard test methods for compressive strength of chemical-resistant mortars, grouts, monolithic surfacings, and polymer concretes)에 따라 실시하였고, 휨강도 시험은 ASTM C 293 (Standard test method for flexural strength of concrete)에 따라 실시하였다.
성능/효과
- 1. 재령 168 hrs에서 폴리머 콘크리트의 평균 압축강도는 88.70MPa이고, 평균 휨강도는 20.30 MPa로서 보통 포틀랜드시멘트 콘크리트보다 월등히 높아 구조용 재료로서 유리함을 알 수 있다.
- 2. 재령 168 hrs에 대한 재령 24 hrs의 압축강도 발현율은 68.6~88.3 %, 휨강도 발현율은 73.8~94.4 %로서 조기재령에서의 강도 발현율이 매우 높게 나타나 거푸집존치기간의 단축과 교통의 조기개방이 가능함을 알 수 있다.
- 3. 압축 및 휨강도 시험 데이터를 바탕으로 하여 재령－강도관계식을 도출하였으며, 도출된 관계식은 결정계수 (R2)가 매우 높게 나타나 무리 없이 적용할 수 있는 것으로 확인되었다.
- 4. 재령 168 hrs에서 측정한 압축강도와 휨강도의 관계식을 도출한 바, 결정계수 (R2)가 0.9051로서 비교적 높게 나타났으며, 휨강도/압축강도 비는 1/4~1/5로 보통 포틀랜드시멘트 콘크리트에 비해 월등히 크게 나타났다.
- 결과적으로 볼 때 폴리머 콘크리트는 압축강도뿐만 아니라 휨강도도 높으므로 구조 부재나 프리캐스트 제품용으로 사용할 경우 단면두께를 줄여 자중을 감소시킬 수 있는 유리한 건설재료라고 할 수 있다.
- 9 MPa의 순으로 재령 6 hrs와 같은 경향을 보였다. 그러나 재령 24 hrs의 압축강도는 PMMA 89.7 MPa, 에폭시 68.4 MPa, 비닐에스터 66.1 MPa, 불포화 폴리에스터 65.8 MPa의 순이고, 재령 168 hrs의 압축강도는 PMMA 101.3 MPa, 에폭시 98.8 MPa, 불포화 폴리에스터 78.7 MPa, 비닐에스터 76.0 MPa의 순으로서 그 순서가 바뀌는 경향을 보였다.
- 그리고 4가지 폴리머 콘크리트에 대한 재령 168 hrs에서의 평균 압축강도를 구해 보면88.70 MPa로서, 폴리머 콘크리트의 강도발현이 결합재인 폴리머의 종류 등 여러 조건에 의해 달라지지만 압축강도는 80 MPa을 상회한다 (Chandra et al., 1994)는 것과 부합됨을 알 수 있다.
- 그리고 본 연구를 통해 나타난 재령 168 hrs의 휨강도는 17.5~22.6 MPa로서, 양생온도 20 °C일 때 재령 168 hrs의 휨강도가 21.15~25.31 MPa이라는 선행 연구결과들 (Okada etal., 1981; Vipulanandan, 1988; Yeon, 1988) 보다 다소 낮게 나타났으나, 이는 압축강도가 117.7 MPa인 초고강도 시멘트 콘크리트의 경우 휨강도가 9.2~11.5 MPa인 것 (Jang et al., 1992)과 비교해 보면 매우 높은 값임을 알 수 있다.
- 압축강도 발현율은 Fig. 3에서 볼 수 있는 바와 같이 재령 168 hrs에 대한 재령 6 hrs의 강도 발현율이 PMMA 79.6 %, 비닐에스터 78.8 %, 불포화 폴리에스터 69.2 %, 에폭시 15.5%이고, 재령 12 hrs의 발현율은 PMMA 84.8 %, 비닐에스터 84.3 %, 불포화 폴리에스터 75.9 %, 에폭시 45.7 %이었으며, 재령 24 hrs의 강도 발현율은 PMMA와 비닐에스터가 88.3%, 불포화 폴리에스터가 83.5 % 에폭시가 68.6 %이었다.
- 1과 같다. 이 결과에서 압축강도 발현 특성을 살펴보면 재령 6 hrs의 압축강도는 PMMA 80.9 MPa, 비닐에스터 59.9 MPa, 불포화 폴리에스터 54.6 MPa, 에폭시 16.0 MPa의 순이었으며, 재령 12 hrs의 압축강도는 PMMA 86.4 MPa,비닐에스터 64.1 MPa, 불포화 폴리에스터 59.9 MPa, 에폭시 45.9 MPa의 순으로 재령 6 hrs와 같은 경향을 보였다. 그러나 재령 24 hrs의 압축강도는 PMMA 89.
- 2와 같다. 이 결과에서 휨강도 발현 특성을 살펴보면 재령 6 hrs에서의 휨강도는 PMMA 18.4 MPa, 비닐에스터 16.1MPa, 불포화 폴리에스터 13.5 MPa, 에폭시 3.9 MPa의 순이었고, 재령 12 hrs의 휨강도는 PMMA 19.4 MPa, 비닐에스터17.2 MPa, 불포화 폴리에스터 14.8 MPa, 에폭시 10.2 MPa의 순이었으며, 재령 24 hrs의 휨강도는 PMMA 20.4 MPa, 비닐 에스터 19.6 MPa, 불포화 폴리에스터 15.8 MPa, 에폭시 15.1MPa의 순으로서 이 재령까지는 같은 경향을 보였다. 그러나 에폭시 폴리머 콘크리트의 휨강도는 재령이 증가할수록 현저히 높아져서 재령 168 hrs의 휨강도는 PMMA 22.
- 이들 4가지 폴리머 콘크리트에 대한 압축강도 발현율은 재령 6 hrs일 때 15.5~79.6 %, 재령 12 hrs일 때 45.7~84.8 %, 재령 24 hrs일 때 68.6~88.3 %로서 24 hrs 이내의 조기재령에서의 강도 발현율이 높게 나타났다.
- 이들 4가지 폴리머 콘크리트에 대한 휨강도 발현율은 재령 6 hrs일 때 18.6~80.8 %, 재령 12 hrs일 때 49.4~85.1 %, 재령 24 hrs일 때 73.8~94.4 %로서 압축강도의 경우와 같이 조기 재령에서의 강도 발현율이 매우 높게 나타났다.
- 이들 압축강도 시험 결과를 보면 아크릴계인 PMMA 폴리머 콘크리트는 모든 재령에서 높게 나타나 강도발현 측면에서 가장 유리함을 알 수 있다. 에폭시 폴리머 콘크리트의 경우 초기재령에서는 강도가 낮게 발현되지만 재령 24 hrs을 지나면서 부터 다른 종류의 폴리머를 사용한 것 보다 높게 발현된다는 점이 특징적이라고 하겠다.
- 이상과 같이 본 연구를 통해 나타난 압축강도는 76.0~101.3MPa로서, 양생온도 20 °C일 때 재령 168 hrs의 압축강도가 90.6~112.1 MPa 범위라는 외국에서의 연구 결과 (Okada etal., 1981; Vipulanandan et al., 1988)들과 비슷하며, 국내에서의 연구결과 (Yeon, 1988; Yeon et al., 1990)들과도 유사한 값을 보였다.
- 이상의 압축 및 휨강도 발현 특성에서 볼 수 있는 바와 같이 6 hrs, 12 hrs 재령에서는 PMMA, 비닐에스터, 불포화 폴리에스터 등에 비해 유독 에폭시가 낮게 나타났지만 24 hrs 재령에서는 다른 것들과의 차이가 훨씬 작아짐을 알 수 있다. 이와 같은 조기재령에서의 강도 발현율은 보통 포틀랜드 시멘트 콘크리트 보다 훨씬 높은 것으로서, 이러한 점은 거푸집 존치기간의 단축이나 교통의 조기개방 측면에서 유리함을 보여주는 결과라고 하겠다.
- 휨강도 발현율은 Fig. 4에서 볼 수 있는 바와 같이 재령 168 hrs에 대한 재령 6 hrs의 강도 발현율이 PMMA 80.8 %, 비닐 에스터 77.7 %, 불포화 폴리에스터 76.7 %, 에폭시 18.6 %이고, 재령 12 hrs의 발현율은 PMMA 85.1 %, 불포화 폴리에스터 84.2 %, 비닐에스터 83.0 %, 에폭시 49.4 %이며, 재령 24 hrs의 강도 발현율은 비닐에스터가 94.4 %, 불포화 폴리에스터가 90.0 %, PMMA 89.9 %, 에폭시가 73.8 %이었다.
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