[논문]EVA, EVCL 분말수지와 플라이애시를 혼입한 시멘트 모르타르의 고온특성

송훈; 신현욱

doi:10.14190/jrcr.2018.6.4.365

EVA, EVCL 분말수지와 플라이애시를 혼입한 시멘트 모르타르의 고온특성
High Temperature Properties of Cement Mortar Using EVA, EVCL Redispersible Polymer Powder and Fly Ash 원문보기

Journal of the Korean Recycled Construction Resources Institute = 한국건설순환자원학회 논문집, v.6 no.4, 2018년, pp.365 - 372

송훈 (한국세라믹기술원 에너지환경소재본부) , 신현욱 (한국세라믹기술원 에너지환경소재본부)

초록
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건축물에서의 3D 프린팅은 구조재 및 비구조재로의 적용으로 구분되며, 비구조재는 내 외장 패널이나 조형물로의 적용 등이 주를 이룬다. 연속적으로 적층하여 제조하는 3D 프린팅 방식은 시멘트 모르타르의 경화속도나 특성을 개질하며 이를 위한 재료의 혼입과 경화속도나 시공성, 접착성의 개선을 위한 시멘트 혼화용 폴리머의 사용이 필수적이다. 본 연구는 적층방식 3D 프린팅 적용을 위해 시멘트, 플라이애시, EVA 및 EVCL 분말수지의 혼입률을 달리하여 고온에서의 특성을 검토하였고 혼입에 따른 유효성 여부를 확인하였다. 실험결과, EVA 및 EVCL 분말수지에 혼입에 따라 시멘트 모르타르는 연행된 공기에 의해 특성이 개질되었고 EVA보다는 EVCL을 혼입한 시험체가 고온에서 유리하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

3D printing technology of construction field can be divided into structural materials, interior and exterior finishing materials, and is mainly done by extruding and adapting. Particularly when it is applied as an exterior materials, it is mainly applied to an unstructured exterior materials and high accuracy is required. The exterior materials can be used as a cement composite materials, it is suitable also for a additive type manufacturing, and the role of a redispersible polymer powder is important. But, high temperatures, redispersible polymer cement base material beget dehydration and micro crack of cement matrix. In this research, we developed a EVA, EVCL redispersible polymer cement base material applicable as a 3D printing exterior materials, confirmed density and strength characteristics for application as an exterior materials, a flame retardancy test for improving the fire resistance of buildings and confirmed its possibility. From the test result, developed EVCL redispersible polymer cement mortar showed good stability in high temperatures. These high temperature stability is caused by the ethylene-vinyl chloride binding. Thus, this result indicates that it is possible to fire resistant 3D printing interior and exterior finishing materials.

주제어

표/그림 (12)

그림 Fig. 1. Diameter of raw materials
표 Table 1. High temperature property in cement based materials and EVA, EVCL
표 Table 2. Raw materials of polymer cement mortar
그림 Fig. 2. Heating condition of polymer cement mortar
표 Table 3. Mix proportions of EVA, EVCL polymer cement mortars
그림 Fig. 3. Density vs. temperature of EVA, EVCL polymer cement mortars
그림 Fig. 4. Compressive strength vs. temperature of EVA, EVCL polymer cement mortars
그림 Fig. 5. Relative compressive strength vs. temperature of EVA, EVCL polymer cement mortars
그림 Fig. 6. Cumulative porosity vs. temperature of EVA, EVCL polymer cement mortars
그림 Fig. 7. Heat release rate of EVA, EVCL polymer cement mortars
표 Table 4. The results of cone calorimeter test
그림 Fig. 8. Total heat release rate of EVA, EVCL polymer cement mortars

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 적층방식 3D 프린팅 적용을 위해 시멘트, 플라이애시, EVA 및 에틸렌비닐콜로라이드(Ethylene-vinyl chloride, 이하 EVCL) 재유화형 분말수지의 혼입률을 달리하여 고온에서의 특성을 검토하여 혼입에 따른 유효성 여부의 검토 및 기초자료를 제공하고자 한다.

제안 방법

고온시의 재료특성 평가는 상온과 고온에서 1시간 동안 가열한 후 상온으로 되돌린 후 밀도와 압축강도를 측정하였다.
난연성능 시험은 100✕100mm 크기의 시험편을 온도 23±2℃, 상대습도 50±5%로 항량이 되도록 유지한 후 3회 실시하였다.
난연성능 시험은 100✕100mm 크기의 시험편을 온도 23±2℃, 상대습도 50±5%로 항량이 되도록 유지한 후 3회 실시하였다. 또한, 최대열방출률, 총방출열량 및 질량감소율을 측정하였다.
시멘트, 규사의 배합은 중량비로 1:1이며 플라이애시는 시멘트의 10%를 치환하였다. 물시멘트비는 실험을 통해 가장 유효하다고 판단된 45%로 고정하였고 재유화형 분말수지의 혼입률은 시멘트 중량의 1, 3, 5 및 10%이다.
미세구조의 측정은 28일 양생한 후 다이아몬드 커터를 이용하여 5mm의 입방체로 절단하여 전기로를 이용하여 각각의 가열온도에서 1시간 가열한 후 상온으로 냉각하였고, 공극률 및 세공구조의 측정은 포로시미터를 이용하여 측정하였다.
EVA 및 EVCL 재유화형 분말수지를 사용한 시멘트 모르타르의 배합표는 Table 3과 같다. 시멘트, 규사의 배합은 중량비로 1:1이며 플라이애시는 시멘트의 10%를 치환하였다. 물시멘트비는 실험을 통해 가장 유효하다고 판단된 45%로 고정하였고 재유화형 분말수지의 혼입률은 시멘트 중량의 1, 3, 5 및 10%이다.
시험체 제작은 혼합용적 5.7L의 강제식 믹서를 이용하였고, 재료투입은 재료의 균질성을 위하여 선 비빔을 실시하였고 KS L ISO 679에 의거하여 제조하였다. 제조된 시험체는 강재형틀을 이용하여 KS L 5105에 의거하여 50×50×50mm로 제작하였다.
제작된 시험체는 항온항습 챔버를 이용하여 온도 23±2℃, RH 95% 이상의 조건에서 표준양생을 실시하였다.

대상 데이터

본 실험에 사용한 시멘트는 S사의 보통포틀랜트시멘트이고 혼합재로는 N사의 플라이애시를 사용하였고 골재는 규사 8호사를 사용하였다. 플라이애시는 시멘트 대체의 혼화재로 사용되며 주성분이 실리카(SiO₂)와 알루미나(Al₂O₃)로 포졸란 반응으로 밀실한 구조를 형성하고 경량성 및 내화학성이 우수하다.
제조된 시험체는 강재형틀을 이용하여 KS L 5105에 의거하여 50×50×50mm로 제작하였다.
플라이애시는 시멘트 대체의 혼화재로 사용되며 주성분이 실리카(SiO₂)와 알루미나(Al₂O₃)로 포졸란 반응으로 밀실한 구조를 형성하고 경량성 및 내화학성이 우수하다. 파우더 형태의 재유화형 분말수지는 W사의 EVA와 EVCL을 사용하였다. EVCL의 경우 에틸렌에 비닐콜로라이드가 결합되어 EVA에 비해 난연특성이 있는 것으로 알려져 있다.

이론/모형

난연성능의 측정은 KS F ISO 5660-1의 콘칼로리미터법에 의거하여 실시하였다. 일반적으로 시멘트 모르타르는 불연재료이지만 재유화형 분말수지를 혼입하는 경우 폴리머의 열분해에 의해 중량이 감소하고 열특성이 다르게 나타난다.

성능/효과

1) EVA, EVCL 분말수지 혼입에 따라 시멘트 모르타르는 연행된 공기에 의해 특성이 개질되고 가열온도의 증가에 따라 밀도 및 압축강도는 감소하며, 공극률 및 열방출율 등의 변화량이 커진다.
1㎛ 이상의 공극은 가열온도가 증가함에 따라 공극도 증가하였고, EVA, EVCL의 혼입에 상관없이 가열온도에 따라 증가하는 경향을 보였다. 이는 폴리머 시멘트 모르타르 내부의 미세균열과 수화물의 탈수에 의한 결과이다.
2) EVA, EVCL 분말수지를 혼입한 시험체는 100∼300℃, 450∼500℃ 범위에서 변화가 크게 나타났는데 이는 수분의 증발 및 EVA, EVCL의 열분해, 수산화칼슘의 열분해에 의한 것이다.
3) EVA보다는 EVCL을 혼입한 시험체가 유리하였고 약간의 내화성능의 개선을 보였지만 고온의 영향을 받아 변화의 폭이 크므로 적절한 배합 및 사용조건의 선정이 필요하다.
열방출율은 시험체의 표면적당 발생하는 순간적인 열량의 크기로 시험체가 착화되어 소모하는 산소의 양을 정량하여 재료의 연소시 발생되는 열량을 나타낸다. EVA 및 EVCL 분말수지를 혼입한 시멘트 모르타르는 분말수지의 혼입률이 증가할수록 열방출율 및 총방출열량이 증가하는 경향을 보였다. Plain 시험체의 경우 거의 열방출율 및 총방출열량이 없었고, 분말수지의 혼입률이 증가할수록 열방출율 및 총방출열량도 증가하는 경향을 보였다.
7N/mm²이었다. EVA를 1, 3, 5 및 10% 혼입한 시험체의 강도는 약 37.8, 37.5, 35.9 및 34.6N/mm²이며 EVA 혼입에 따라 압축강도는 감소하였다. EVCL을 혼입한 시험체의 압축강도는 약 47.
01g/cm³이었다. EVA를 1, 3, 5 및 10% 혼입한 시험체의 밀도는 약 1.98, 1.91, 1.88 및 1,83g/cm³이었고 분말수지의 혼입률이 증가할수록 밀도는 감소하는 경향을 보였다. EVCL을 혼입한 시험체의 경우 약 1.
2%이다. EVA를 혼입한 경우 분말수지 혼입률의 증가에 따라 공극률도 증가하는 경향을 보였고, EVCL의 경우 Plain 시험체보다 공극은 증가하였으나 혼입률에 따른 뚜렷한 상관성은 보이지 않았다.
EVA와 EVCL 분말수지를 혼입한 시험체는 공극률도 증가하지만 Plain 시험체보다 고온에서의 공극률 증가도 크다. 분말수지의 혼입에 따라 공기가 연행되어 Plain 보다 공극률이 높고, 또한 시멘트와 골재사이의 공극이나 모세관공극에 폴리머 필름이 충전되어 있지만 고온에 의해 EVA나 EVCL의 필름이 열분해하기 때문에 고온에서 공극률의 증가가 커진다.
1~3% 혼입률 범위에서는 EVA보다 크고, 5~10% 혼입률 범위에서는 유사한 경향을 보였다. EVA와 EVCL 시험체 모두 가열온도가 증가할수록 압축강도는 감소하였다. 또한 가열온도의 증가에 따라 압축강도는 점진적으로 감소하는 경향을 보였고, 특히 400℃ 전후에서 강도의 감소가 크게 나타났다.
3과 같다. EVA와 EVCL 재유화형 분말수지를 혼입한 시험체는 가열온도가 상승함에 따라 밀도는 감소하는 경향을 보였다. 시멘트 모르타르는 고온에 노출될수록 결합수의 탈수와 신축에 의한 균열이 발생하고 시간의 경과에 따라 균열이 진행된다.
EVA 및 EVCL 시험체는 600℃에서 약 13~20%의 밀도감소를 보였고 혼입률에 상관없이 유사한 경향을 보였다. 또한 EVA의 경우 약 15~20%, EVCL의 경우 약 13~17%의 밀도감소를 보여 EVCL의 경우가 약간 고온에서 유리한 것을 확인할 수 있었으나 그 차는 크지 않았다. 이는 전술한 것과 같이 에틸렌에 비닐콜로라이드 모노머가 결합한 구조에 기인하는 결과이며 약간의 난연성능 향상을 기대할 수 있다.
EVA를 혼입한 경우 200℃ 이하의 영역에서는 혼입률에 상관없이 거의 유사하나 400~600℃ 범위에서는 강도감소가 크다. 또한 EVCL을 혼입한 시험체의 경우 온도가 증가할수록 강도가 감소되는 경향은 동일하지만 강도감소가 작아 EVCL이 EVA보다 고온에서 안정성이 높은 것으로 나타났다. 하지만 고온에서의 강도감소는 plain에 비해 차이가 크므로 사용시 혼입률의 조정 등이 필요하다.
EVA와 EVCL 시험체 모두 가열온도가 증가할수록 압축강도는 감소하였다. 또한 가열온도의 증가에 따라 압축강도는 점진적으로 감소하는 경향을 보였고, 특히 400℃ 전후에서 강도의 감소가 크게 나타났다. 이는 EVA와 EVCL의 열분해에 따른 강도감소의 결과이며 EVA보다는 EVCL을 혼입한 시멘트 모르타르의 경우 강도저하가 작게 나타났다.
이는 전술한 것과 같이 에틸렌에 비닐콜로라이드 모노머가 결합한 구조에 기인하는 결과이며 약간의 난연성능 향상을 기대할 수 있다. 또한 고온 가열에 따라 시험체 표면에서 내부로 이어지는 균열이 발생하였으나 형태를 유지하고 있는 것을 확인할 수 있었다.
상온에서의 Plain, EVA 및 EVCL 시험체의 0.01㎛이하의 공극은 전체 부피의 약 3% 정도를 차지하나 가열온도가 증가할수록 0.01㎛이하의 공극이 감소하는 경향을 보였다. 또한 600℃로 가열한 일부 시험체의 경우 0.
EVA와 EVCL 분말수지를 혼입하는 경우 밀도가 감소하는 경향을 보였고 이는 분말수지의 혼입에 따른 공기의 연행에 따른 것으로 폴리머 시멘트 모르타르에서 보이는 일반적인 경향이다. 시험체의 밀도는 가열온도가 상승할수록 감소하는 경향을 보였다. 100~200℃ 전후에서 시험체의 내부의 수분의 증발에 의해 밀도변화가 크게 나타났다.

후속연구

또한 EVA의 경우 약 15~20%, EVCL의 경우 약 13~17%의 밀도감소를 보여 EVCL의 경우가 약간 고온에서 유리한 것을 확인할 수 있었으나 그 차는 크지 않았다. 이는 전술한 것과 같이 에틸렌에 비닐콜로라이드 모노머가 결합한 구조에 기인하는 결과이며 약간의 난연성능 향상을 기대할 수 있다. 또한 고온 가열에 따라 시험체 표면에서 내부로 이어지는 균열이 발생하였으나 형태를 유지하고 있는 것을 확인할 수 있었다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	시멘트란?	따라서 적층방식을 사용하여 출력물을 제작하는 경우는 기존의 시멘트 모르타르의 특성을 개질하기 위한 재료의 혼입이 필수적이다. 시멘트는 물과 반응하여 에트린자이트와 규산칼슘수화물을 생성하는 수경성 재료이다. 또한, 미반응 간극물질과 석고 등이 에트린자이트와 반응하여 모노설페이트 수화물을 생성하여 강도를 발현한다.
	시멘트계 재료의 이용방식은?	건축물에서의 3D 프린팅의 이용은 구조재 및 비구조재로 구분할 수 있고, 비구조재의 적용은 건축물의 내·외장 패널이나 조형물 등이 주를 이룬다. 사용되는 재료는 크게 바인더에 따라 폴리머계와 시멘트계 재료로 구분할 수 있고, 이중 시멘트계 재료의 이용은 직접 재료와 바인더를 잉크젯 프린터와 같은 형식으로 분사하거나 노즐을 통해 연속적으로 적층하여 제조하는 방식을 취하게 된다. 재료를 바인더와 같이 분사하여 제조하는 방식은 정밀도가 높은 출력물의 제작이 가능하고 연속적으로 적층하여 제조하는 방식은 기성 건축자재의 사용 없이 시멘트 모르타르의 경화속도를 조절하여 전통적인 건축방식을 융합하여 제조한다(KICT 2016).
	건축물에서 사용되는 재료를 바인더에 따라 구분하면?	건축물에서의 3D 프린팅의 이용은 구조재 및 비구조재로 구분할 수 있고, 비구조재의 적용은 건축물의 내·외장 패널이나 조형물 등이 주를 이룬다. 사용되는 재료는 크게 바인더에 따라 폴리머계와 시멘트계 재료로 구분할 수 있고, 이중 시멘트계 재료의 이용은 직접 재료와 바인더를 잉크젯 프린터와 같은 형식으로 분사하거나 노즐을 통해 연속적으로 적층하여 제조하는 방식을 취하게 된다. 재료를 바인더와 같이 분사하여 제조하는 방식은 정밀도가 높은 출력물의 제작이 가능하고 연속적으로 적층하여 제조하는 방식은 기성 건축자재의 사용 없이 시멘트 모르타르의 경화속도를 조절하여 전통적인 건축방식을 융합하여 제조한다(KICT 2016).

참고문헌 (5)

ISO 5660-1. (1993). Reaction to Fire, Part 1. Rate of Heat Release from Building Products (Cone Calorimeter), Geneva.
KICT. (2016). Development of Innovative Design, Material and Equipment for 3D Printing Small Buildings/Freeform Members [in Korean].
Kim, W.K. (2006). Strength and adhesion properties of polymer-modified mortars using redispersible powders and polymer dispersions, Journal of Architectural Institute of Korea, 22(4), 119-126 [in Korean].
Kim, H.J., Noguchi, T. (2012). "Burn-up characteristics of polymermodified cement mortar used for building repair," Proceedings of the Korea Institute of Building Construction, 12(1), 295-298 [in Korean].
Song, H., Lee, J.C., Lee, S.H. (2006). Correlation between variation of pore structure and heating temperatures of hign strength concrete, Journal of Architectural Institute of Korea, 22(9), 91-98 [in Korean].

저자의 다른 논문 :

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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