[논문]유리섬유 메시의 인장력에 따른 텍스타일 보강 패널의 휨강도 특성

김상헌; 이세현

doi:10.12772/tse.2018.55.373

유리섬유 메시의 인장력에 따른 텍스타일 보강 패널의 휨강도 특성
Study on Flexural Strength of Textile-Reinforced Mortar Panel with Tensile Force of Glass Fiber Mesh

한국섬유공학회지 = Textile science and engineering, v.55 no.6, 2018년, pp.373 - 380

김상헌 (한국건설기술연구원 국민생활연구본부) , 이세현 (한국건설기술연구원 국민생활연구본부)

Abstract ▼ AI-Helper

Fibers are recently being considered as a new agent for improving the performance of existing building materials. However, until now, only simple methods have been applied for fiber use, such as scattering a small fiber amount inside the material or using fibers as a sheet covering for the material. Application of woven or textile fibers inside the material is believed to result in higher performance of a building material. However, because basic research on composite material performance is still underway and the theoretical manufacturing skills and techniques for fiber application have not been implemented, fibers have not yet been practically used in building materials. The purpose of this study is to evaluate the properties of the flexural strength of composite materials using textile fibers to obtain fundamental data for the production of high-performance building materials. The flexural strength of the textile-reinforced specimens increases by 55% as compared with that of the reference specimens, and it increases proportionally with an increase in the maximum tensile load of the textile. The flexural strength of the panel is estimated to increase on the basis of the tensile load of the textile. However, an increase in the thickness of the specimen containing the textile decreases the rate of increase in flexural strength.

주제어

표/그림 (23)

그림 Figure 1. Fabrication of reinforcement textile.
표 Table 1. Characteristics of fiber for building materials
표 Table 2. Physical properties of cement
표 Table 3. Chemical properties of cement
표 Table 4. Physical and chemical properties of silica fume
표 Table 5. Physical and chemical properties of blast furnace slag powder
표 Table 6. Physical and chemical properties of anhydrite
표 Table 7. Properties of agent
표 Table 8. Physical properties of polypropylene
표 Table 9. Physical properties of aggregate
그림 Figure 2. Mortar mixing.
그림 Figure 3. Molding of specimens.
표 Table 10. Properties of textiles
표 Table 11. Mixture ratio
그림 Figure 4. Pressing specimens.
그림 Figure 5. Curing and flexural strength test.
표 Table 12. Test results of experiment
표 Table 13. Mixing proportions and test results of experiment
그림 Figure 6. Area weight and tensile load of textile.
그림 Figure 7. Results of flexural load (10T).
그림 Figure 8. Results of flexural load (20T).
그림 Figure 9. Relations between tensile load of textile and flexural strength of specimens.
그림 Figure 10. Results of flexural load (20T).

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 텍스타일을 활용한 고성능 건축자재의 생산기술 개발을 위한 기초적 자료를 확보하기 위해 TRC/M 관련 기존 문헌 분석 및 예비실험을 통해 시멘트 매트릭스에 대한 기본배합을 선정하였으며, 격자 크기, 인장강도 등이 상이한 텍스타일을 적용하여 가압성형 및 증기양생을 통해 시험체를 제작하여 휨강도 실험을 실시하였다.
이에 본 연구는 텍스타일을 활용한 고성능 건축자재 생산기술 개발을 위한 기초적 연구로서, 유리섬유 메시가 내부에 삽입된 텍스타일로 보강 패널에 대한 시험체를 제작하고 유리섬유의 인장력과 이를 적용한 패널의 휨강도 특성에 대해 고찰하고자 하였다.
텍스타일을 활용한 고성능 건축자재 생산기술 개발을 위한 기초적 연구로서 텍스타일 보강 패널에 대한 시험체를 제작하여 휨강도 시험을 통해 적용된 텍스타일 및 시험체 두께 변화에 따른 최대 휨하중 및 휨강도 특성을 평가한 결과는 다음과 같다.

제안 방법

성형된 시험체는 탈형 후 80 o C, 습도 100%의 증기양생으로 24시간 양생을 실시한 후, 50×150 mm의 크기로 절단 하여 3개의 휨강도 시편을 만들었다.
시험체의 성형은 150×160 mm 사이즈의 몰드를 사용하여, 10 mm, 20 mm 두께의 2 type으로 제작하였다. 앞서 제조한 모르타르를 소정의 두께로 1차 타설후 텍스타일을 깔고 그 위에 다시 모르타르를 부어넣는 방식으로 하며, 텍스타일의 매설지점을 각 시험체의 1/2 높이 지점으로 하였다. 이후 UTM(만능재료시험기)을 사용하여 약 600,000 N의 하중으로 30분간 가압을 하여 시험체를 성형하였다.
모르타르 배합은 KS L ISO 679 시멘트 강도 시험방법에 의거하여 진행하였다. 용기에 개량된 바인더, 폴리프로필렌 섬유 및 표준사를 투입하여 30초간 건비빔한 후, 물과 혼화제를 추가 투입하여 저속 30초, 고속 30초로 1차 혼합하였다. 혼합기의 작동을 멈추고 90초간 용기의 바닥과 벽면에 부착된 모르타르를 모은 후 60초 동안 고속으로 2차 혼합하였다.
앞서 제조한 모르타르를 소정의 두께로 1차 타설후 텍스타일을 깔고 그 위에 다시 모르타르를 부어넣는 방식으로 하며, 텍스타일의 매설지점을 각 시험체의 1/2 높이 지점으로 하였다. 이후 UTM(만능재료시험기)을 사용하여 약 600,000 N의 하중으로 30분간 가압을 하여 시험체를 성형하였다.
텍스타일 보강 패널 시험체의 제작 및 평가는 모르타르 배합, 시험체 성형, 양생 및 휨강도 실험의 순서로 진행하였으며, Figure 2−5와 같다.
텍스타일을 활용한 고성능 건축자재 개발을 위한 기초적 연구로서 텍스타일 보강 시험체를 제작하고, 모르타르, 텍스타일 및 시험체에 대한 역학적 특성에 대한 실험을 진행하였으며 이에 따른 실험결과는 Table 12와 같다.

대상 데이터

골재: 본 연구에 사용된 골재는 KS L ISO 679 시멘트 강도 시험방법의 표준사를 사용하였으며, 골재의 물리적 특성은 Table 9와 같다.
바인더: 본 연구에서는 TRM에 적합한 시멘트 매트릭스를 구성하기 위한 바인더로써 백색 시멘트 및 실리카 퓸, 고로슬래그 미분말, 무수석고 등을 사용하였다.
시멘트는 KS L 5204 백색 포틀랜드 시멘트에서 규정하고 있는 밀도 3.15 g/cm³, 분말도 5,301 cm²/g인 제품으로 주요 물리적, 화학적 특성은 Table 2, 3과 같다.
시험체의 성형은 150×160 mm 사이즈의 몰드를 사용하여, 10 mm, 20 mm 두께의 2 type으로 제작하였다.
텍스타일: 본 실험에 사용된 텍스타일은 알칼리 저항성의 아크릴계 고분자로 코팅한 C-glass의 유리섬유가 레노 직물로 구성된 코리아화스너사의 유리섬유 메시(이하 텍스타일) 제품으로 그 물리적 특성 및 형상은 Table 10과 같다.
혼화제: 본 실험에 사용된 혼화제는 작업성능 향상 및 기포 감소 등을 목적으로 실크로드시앤티사의 폴리카르복 실산 고성능 감수제(MEFAD T1) 및 Munzing사의 소포제
(P803)을 사용하였으며, 사용된 혼화제의 주요 특성은 Table 7과 같다.

이론/모형

성형된 시험체는 탈형 후 80 o C, 습도 100%의 증기양생으로 24시간 양생을 실시한 후, 50×150 mm의 크기로 절단 하여 3개의 휨강도 시편을 만들었다. 각 시험체의 휨강도 시험은 KS F 2408의 중앙점 재하법에 따라 3회 측정하고평균값으로 텍스타일의 위사 방향에 대한 휨하중 및 휨강도 값을 구하였다.
모르타르 배합은 KS L ISO 679 시멘트 강도 시험방법에 의거하여 진행하였다. 용기에 개량된 바인더, 폴리프로필렌 섬유 및 표준사를 투입하여 30초간 건비빔한 후, 물과 혼화제를 추가 투입하여 저속 30초, 고속 30초로 1차 혼합하였다.
텍스타일 보강 패널 시험체 제작을 위해 TRC/M 관련 시멘트 매트릭스에 대한 기존 문헌 및 예비실험을 통해 증기 양생시 고강도 발현이 가능하도록 실리카 퓸, 고로슬래그 미분말, 무수석고 등과 수축변형 및 균열 저감을 위한 단섬유가 혼입된 배합을 구성하였으며, 이에 따른 모르타르의 압축강도 및 휨강도를 KS L ISO 679에 따라 측정하였다. 그 결과, Table 13과 같이 증기 양생 24시간 경과후 압축강도 68 MPa, 휨강도 14.

성능/효과

1. 텍스타일 보강 패널 시험체의 최대 휨하중 및 휨강도는 텍스타일 미적용 시험체에 대해 최대 55%의 하중 및 강도의 증가가 이루어지는 것으로 나타났다.
2. 텍스타일을 적용한 시험체의 최대 휨하중은 텍스타일의 최대 인장하중 및 시험체의 두께가 증가함에 따라 증가하는 것으로 나타났다.
20T 시험체에 대한 최대 휨하중 및 휨강도 측정 결과, 텍스타일을 미적용한 P-P 시험체의 최대 휨하중은 2,232 N, 휨강도는 16.7 MPa였으며, 이에 대해 텍스타일 적용에 따라 최대 휨하중은 2,678−3,290 N, 휨강도는 20.1−24.7 MPa로 나타나 20.0−47.4%의 최대 휨하중 및 휨강도 증가가 이루어지는 10T 시험체와 유사한 결과를 나타냈다.
3. 텍스타일을 적용한 시험체의 휨강도는 텍스타일의 최대 인장하중이 증가함에 따라 비례하여 증가하는 선형적인 관계에 있는 것으로 나타나, 텍스타일의 최대 인장하중을 통해 휨강도 증가량을 추정할 수 있을 것으로 판단된다.
4. 동일 텍스타일을 적용하는 경우 시험체 두께가 증가할수록 최대 휨하중 및 휨강도의 증가율은 다소 낮아지는 것으로 나타났으며, 이는 두께가 얇은 경우 매트릭스 대비 텍스타일의 비중이 낮아지는 것에 기인한 것으로 판단된다. 본 연구를 통해 텍스타일을 적용하는 경우 패널의 휨강도 및 최대 휨하중이 크게 개선되며, 텍스타일의 최대 인장하중을 통해 패널의 휨강도에 대한 설계가 가능함을 확인할 수 있었다.
각 시험체에 적용된 텍스타일의 최대 인장하중과 시험체의 휨강도를 비교한 결과, 시험체의 휨강도는 텍스타일의 최대 인장하중이 증가함에 따라 비례하여 증가하는 것으로 나타났다. 다만, 격자의 간격이 큰 8×8 격자의 텍스타일을 사용한 P-F 시험체의 경우, 4×4 및 5×5 격자의 텍스타일에 비해 낮은 휨강도 증가가 이루어지는 것으로 나타났다.
다만, 격자의 간격이 큰 8×8 격자의 텍스타일을 사용한 P-F 시험체의 경우, 4×4 및 5×5 격자의 텍스타일에 비해 낮은 휨강도 증가가 이루어지는 것으로 나타났다.
7%의 증가율을 보였다. 두께 20 mm의 20T 시험체의 평균 최대 휨하중 및 휨강도는 2,984 N, 22.4 MPa로 텍스타일이 미적용된 P-P 시험체 대비 752 N, 5.6 MPa 증가하여 평균 33.7%의 증가율을 보이며 10T 시험체보다 낮은 최대 휨하중 및 휨강도 증가율을 나타냈다. 이는 두께가 얇은 시험체보다 두께가 두꺼운 시험체에서 매트릭스 대비 텍스타일의 비중이 낮아짐으로 인해 보다 낮은 휨강도 증가율을 나타낸 것으로 판단된다.
또한, 텍스타일을 적용한 두께 10 mm의 10T 시험체는 평균 최대 휨하중 및 휨강도가 804 N, 24.1 MPa로 P-P 시험체 대비 215 N, 6.5 MPa 증가한 평균 36.7%의 증가율을 보였다. 두께 20 mm의 20T 시험체의 평균 최대 휨하중 및 휨강도는 2,984 N, 22.
본 실험에 사용된 텍스타일의 위사방향에 대한 인장시험 결과는 Figure 6과 같으며, 텍스타일의 단위면적당 무게가 127.9 g/m2에서 382.3 g/m2로 증가함에 따라 50 mm에 대한 최대 인장하중은 1,417 N에서 2,723 N으로 나타났으며, 각 텍스타일의 코팅률과 경사의 양을 감안하면 선형적으로 비례하여 증가하는 것으로 판단된다.
동일 텍스타일을 적용하는 경우 시험체 두께가 증가할수록 최대 휨하중 및 휨강도의 증가율은 다소 낮아지는 것으로 나타났으며, 이는 두께가 얇은 경우 매트릭스 대비 텍스타일의 비중이 낮아지는 것에 기인한 것으로 판단된다. 본 연구를 통해 텍스타일을 적용하는 경우 패널의 휨강도 및 최대 휨하중이 크게 개선되며, 텍스타일의 최대 인장하중을 통해 패널의 휨강도에 대한 설계가 가능함을 확인할 수 있었다. 이후 연구에서는 매트릭스 강도, 시험체 크기 등에 따른 상관성 평가, 텍스타일의 격자 크기에 따른 차이 발생에 대한 분석 등을 진행할 예정이며, 이를 통해 요구성능을 확보할 수 있는 텍스타일 보강 패널 설계 기법을 확보하여 고성능 건축자재 생산 기술에 활용하고자 한다.
시험 결과, 최대 휨하중 및 휨강도는 텍스타일 적용에 따라 크게 증가하는 것으로 나타나, 텍스타일이 미적용된 두께 10 mm인 10T P-P 시험체의 최대 휨하중 589 N, 휨강도 17.7 MPa에 대해 텍스타일 적용에 따라 최대 휨하중 697− 912 N, 휨강도 20.9−27.4 MPa로 18.3−55.0%의 최대 휨하중 및 휨강도의 증가율을 보였다.
시험체 두께 변화에 따른 평균 최대 휨하중은 텍스타일이 적용된 10T 시험체는 804 N, 20T 시험체는 2,984 N로 3.7배가량 증가하였으며, 평균 휨강도는 10T 시험체 24.1 MPa, 20T 시험체 22.4 MPa로 7.2% 감소한 것으로 나타났다. 시험체의 최대 휨하중이 두께의 증가에 따라 크게 증가한 것은 재료의 휨응력, 즉 최대 휨하중이 두께의 제곱에 비례한다는 사실에 기인한 것으로 판단된다.
이를 통해, 본 실험의 제한적 상황에서 텍스타일의 최대 인장하중이 1,000 N 증가할 때 시험체의 휨강도는 3.1±0.3 MPa의 증가가 추정가능하다 판단된다.

후속연구

본 연구를 통해 텍스타일을 적용하는 경우 패널의 휨강도 및 최대 휨하중이 크게 개선되며, 텍스타일의 최대 인장하중을 통해 패널의 휨강도에 대한 설계가 가능함을 확인할 수 있었다. 이후 연구에서는 매트릭스 강도, 시험체 크기 등에 따른 상관성 평가, 텍스타일의 격자 크기에 따른 차이 발생에 대한 분석 등을 진행할 예정이며, 이를 통해 요구성능을 확보할 수 있는 텍스타일 보강 패널 설계 기법을 확보하여 고성능 건축자재 생산 기술에 활용하고자 한다.
한편, 직조된 연속섬유를 시멘트 기반 매트릭스와 결합시키는 텍스타일 보강 콘크리트/모르타르는 단섬유를 사용하는 것보다 높은 인장강도와 균열 저항성을 확보할 수 있을 것으로 기대되고 있다. 그러나, 외부에 덧씌우는 방식이 아닌 시멘트 매트릭스 내부로 텍스타일을 삽입하여 독립된 건축자재로 생산하는 방식은 제작 기법의 미확보된 상태에서 기본적인 텍스타일 적용에 따른 자재의 물리, 역학적 특성 등에 대한 기초연구 미미 등으로 아직 실용화되고 있지 못한 실정이다[3,6−8].

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	섬유소재의 특징은 무엇인가?	섬유소재는 기존 재료의 고성능화를 위해 적용되는 대표적인 재료로 다양한 복합재료, 제품에 활용되고 있다. 섬유강화 복합재료들은 높은 강도 및 강성, 비강도 및 비강성, 경량성, 내구성 등에 장점이 있으며, 이에 따라 항공우주산업, 선박/레저산업 및 군수산업 등에 활용되고 있으며, 최근 건축/토목자재로서의 활용도 크게 증가하고 있다[1].
	섬유강화 복합재료의 장점은 무엇인가?	섬유소재는 기존 재료의 고성능화를 위해 적용되는 대표적인 재료로 다양한 복합재료, 제품에 활용되고 있다. 섬유강화 복합재료들은 높은 강도 및 강성, 비강도 및 비강성, 경량성, 내구성 등에 장점이 있으며, 이에 따라 항공우주산업, 선박/레저산업 및 군수산업 등에 활용되고 있으며, 최근 건축/토목자재로서의 활용도 크게 증가하고 있다[1].
	건축/토목 분야에서 어떤 원리로 섬유소재를 활용하는가?	건축/토목 분야에서 섬유소재를 활용하는 대표적인 방법 으로 섬유보강 콘크리트(FRC)와 같이 단섬유 형태를 재료 내부에 흩뿌려 적용하는 방법, 섬유보강 플라스틱(FRP) 봉재를 철근 또는 프리케스트용 강봉의 대체재료로 이용하는 방법, 시트 형태의 직조된 연속섬유를 노후 구조체의 외부에 덧씌워 보수 및 보강용 재료로 활용하는 방법 등이 있다[2−5]. 이와 같은 방법들은 높은 인장력을 갖는 섬유를 매트릭스와 일체화함으로써 복합체의 높은 강도와 강성을 갖도록 하는 것이다[3−5].

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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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