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폴리머 콘크리트의 진동저감 특성에 대한 실험적 연구
Experimental Study on Vibration Reduction Characteristics of Polymer Concrete 원문보기

한국구조물진단유지관리공학회 논문집 = Journal of the Korea Institute for Structural Maintenance and Inspection, v.23 no.7, 2019년, pp.58 - 65  

김정진 (롯데건설 기술연구원) ,  심학보 (롯데건설 기술연구원)

초록
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폴리머 콘크리트는 일반 콘크리트에 비해 경화시간이 짧고, 압축, 인장, 휨, 부착강도, 마찰저항성, 마모감량 등이 우수해 건축 재료로써 폭넓은 활용이 기대되는데, 특히, 레진 바인더와 골재만의 결합으로 이루어진 폴리머 콘크리트는 진동 감쇠 성능이 우수하여, 다양한 보강재로의 활용과 관련한 연구가 진행되고 있다. 한편, 이러한 폴리머 콘크리트가 일반 콘크리트 및 일반 방진보강재를 완전히 대체하기 위해서는 물리적 특성, 동적 특성, 생산성 및 현장 적용성 등을 고려한 진동저감 성능에 대한 전반적인 검토가 필요한 실정이다. 본 연구에서는 폴리머 콘크리트의 에폭시 혼입비율별 물리적, 동적 특성을 일반 콘크리트와 비교한 결과, 압축, 인장, 휨, 부착강도가 상당히 우수한 결과를 보였으며, 특히 인장강도는 4~6.5배 이상 큰 차이를 보였다. 폴리머 콘크리트의 기본적인 물리적 특성에 근거하여 폴리머 콘크리트의 일반적인 사용성에 대해 검토함과 동시에, 에폭시 혼입비율에 따른 동적 특성인 감쇠비를 해석 모델과 실험을 통해 도출하여 검토한 결과, 폴리머 콘크리트의 동적 강성은 일반 콘크리트의 동적 강성 보다 20% 높고, 손실률은 약 3배 정도 높은 것으로 나타났다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

Polymer concrete is expected to be widely used as a building material because it has a shorter hardening time and excellent compression, tensile, bending, bond strength, frictional resistance and abrasion loss compared to general concrete. The polymer concrete has excellent vibration damping perform...

주제어

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제안 방법

  • 따라서, 본 연구에서는 먼저, 폴리머 콘크리트의 에폭시 혼입비율별 물리적, 동적 특성에 대한 연구를 진행하였으며, 폴리머 콘크리트의 에폭시 레진 사용량에 따른 폴리머 콘크리트의 물리적, 동적 특성을 일반 콘크리트와 비교하였다. 먼저, 폴리머 콘크리트의 기본적인 물리적 특성에 근거하여 폴리머 콘크리트의 일반적인 사용성에 대해 검토함과 동시에, 에폭시 혼입 비율에 따른 동적 특성인 감쇠비를 해석 모델과 실험을 통해 도출하여, 폴리머 콘크리트의 진동저감 성능을 해석 모델 및 실험을 통해 검증하고자 한다.
  • 따라서, 본 연구에서는 먼저, 폴리머 콘크리트의 에폭시 혼입비율별 물리적, 동적 특성에 대한 연구를 진행하였으며, 폴리머 콘크리트의 에폭시 레진 사용량에 따른 폴리머 콘크리트의 물리적, 동적 특성을 일반 콘크리트와 비교하였다. 먼저, 폴리머 콘크리트의 기본적인 물리적 특성에 근거하여 폴리머 콘크리트의 일반적인 사용성에 대해 검토함과 동시에, 에폭시 혼입 비율에 따른 동적 특성인 감쇠비를 해석 모델과 실험을 통해 도출하여, 폴리머 콘크리트의 진동저감 성능을 해석 모델 및 실험을 통해 검증하고자 한다.
  • 경화 과정 동안 콘크리트 내부의 수분이 빠져나가면서 강도는 증가하지만 감쇠성능이 감소하게 된다. 약 4주간의 질량 변화를 측정한 뒤, 피로 수명을 측정하여 폴리머 콘크리트와 비교하였다.
  • 폴리머 콘크리트의 동적 강성 및 손실률을 측정하기 위해 진동 혹은 충격 가진을 통한 응답을 측정해야 한다. 양끝이 자유단인 경계조건에서 임팩트 해머로 충격 가진 한 뒤, 가속도 응답에 대한 전달함수를 측정한다. 측정한 전달함수와 이론상의 전달함수를 비교하여 발생하는 두 데이터의 허용 오차가 작게되면 각 주파수별 파수를 수치적으로 계산할 수 있다(Kwon, et, al.
  • 폴리머 콘크리트 및 시멘트 콘크리트에 가하는 응력 수준을 달리하며 피로 실험을 수행하였다. 응력 수준은 폴리머 콘크리트의 정적 휨 강도 17 [MPa]의 50%, 40%, 30%, 10%로 설정하고 최소 응력은 최대 응력의 10% 수준으로 고정하였다. 응력 수준이 낮아질수록 피로 수명이 선형적으로 증가하였다.
  • 주파수별 파수를 활용하여 구한 주파수별 동적 강성 측정 결과는 주파수에 따라 결과 값이 분포하기 때문에 혼합비에 따른 물성 변화를 파악하기가 쉽지 않으므로, 1k~3kHz 구간의 측정 결과를 평균 낸 값을 활용하여 혼합비에 따른 동적 물성을 비교하였다. 폴리머 혼입율에 따른 동적 물성 측정 결과를 정적 물성 측정 결과와 같이 비교 분석한 결과, 동적 강성 및 손실률은 정적 물성과 같이 폴리머 혼입율이 증가할수록 증가하는 경향을 나타내었으며, 특히, 손실률은 폴리머 혼입율 20% 가 가장 높았다.
  • 폴리머 콘크리트 및 시멘트 콘크리트에 가하는 응력 수준을 달리하며 피로 실험을 수행하였다. 응력 수준은 폴리머 콘크리트의 정적 휨 강도 17 [MPa]의 50%, 40%, 30%, 10%로 설정하고 최소 응력은 최대 응력의 10% 수준으로 고정하였다.
  • 폴리머 콘크리트와 일반 콘크리트의 동적 강성 및 손실률을 측정하기 위해서, Photo 2의 d)와 f) 형태의 시험체를 제작하여, 각 위치에 센서를 부착하여 측정하였다.
  • 폴리머 콘크리트의 피로 수명 측정 결과를 시멘트 콘크리트와 비교하기 위해서 시멘트 콘크리트 시험체를 제작하였다. 일반 콘크리트 시험체는 시멘트와 골재 물을 혼합하여 제작하는데, 콘크리트를 혼합할 때는 폴리머 콘크리트와 달리 물을 같이 혼합하기 때문에 오랜 시간 경화가 필요하다.
  • 폴리머 콘크리트는 총중량 중 에폭시 레진이 차지하는 중량 비율을 혼합비로 하였다. 폴리머 콘크리트의 혼합비를 10%에서 20%까지 증가시키며 여러 종류의 폴리머 콘크리트를 제작하였다.
  • 폴리머 혼입에 따른 폴리머 콘크리트의 진동저감 특성에 관한 고찰을 목적으로, 물리적 특성 중 강도성능으로 압축강도, 인장강도, 휨강도, 부착강도를 측정하고, 내구성능으로는 길이변화율, 미끄럼저항성, 마모감량을 측정하였으며, 동적특성을 검토한 결과 이하의 결론을 얻을 수 있었다.

대상 데이터

  • 에폭시는 KS L 5405 규정을 만족하는 국내 B사 제품의 에폭시(이하, EP)를 사용하였고, 그 화학적 성분은 Table 3과 같다. 골재는 일반 골재의 경우 인천산 세척사, 혼합골재는 KS F 2567을 만족하는 규사를 사용하였으며, 골재의 물리적 특성은 Table 4와 같다.
  • 본 실험에서는 KS L 5201 규정을 만족하는 A사 제품의 1종 보통포틀랜드 시멘트를 사용하였으며, 물리적 성질은 Table 2와 같다. 에폭시는 KS L 5405 규정을 만족하는 국내 B사 제품의 에폭시(이하, EP)를 사용하였고, 그 화학적 성분은 Table 3과 같다.
  • 본 연구의 실험계획은 Table 1에 나타내었다. 실험에 사용된 골재는 결정의 크기가 다른 4호사(0.85~1.2 mm)와 6호사(0.25~0.6 mm)를 1:2 질량 비율로 혼합한 혼합 골재와 일반 골재로 구분되며, 에폭시는 주제와 경화제를 5:1의 질량 비율로 혼합하여 에폭시 레진을 제작하였다. 폴리머 콘크리트는 총중량 중 에폭시 레진이 차지하는 중량 비율을 혼합비로 하였다.
  • 본 실험에서는 KS L 5201 규정을 만족하는 A사 제품의 1종 보통포틀랜드 시멘트를 사용하였으며, 물리적 성질은 Table 2와 같다. 에폭시는 KS L 5405 규정을 만족하는 국내 B사 제품의 에폭시(이하, EP)를 사용하였고, 그 화학적 성분은 Table 3과 같다. 골재는 일반 골재의 경우 인천산 세척사, 혼합골재는 KS F 2567을 만족하는 규사를 사용하였으며, 골재의 물리적 특성은 Table 4와 같다.

데이터처리

  • (7) 1k~3kHz 구간의 주파수별 동적 강성 측정 결과의 평균 값을 활용하여 혼합비에 따른 동적 물성을 비교하였다. 폴리머 혼입율에 따른 동적·물성 측정 결과를 정적 물성 측정 결과와 같이 비교 분석한 결과, 동적 강성 및 손실률은 정적 물성과 같이 폴리머 혼입율이 증가할수록 증가하는 경향을 나타내었으며, 특히, 손실률은 폴리머 혼입율 20% 가 가장 높은 것으로 확인되었다.

이론/모형

  • 측정된 전달함수로부터 Newton-Rapson법을 활용하여 파수를 계산한다. 계산된 파수를 이용하여 동적 강성 및 손실률을 다음 수식과 같이 계산할 수 있다.
  • 폴리머 콘크리트와 일반 콘크리트의 물리적 특성 중 압축강도, 휨강도, 부착강도, 길이변화율은 KS F 4043의 규정에 의거하여 측정하였으며, 인장강도는 KS L 5104의 규정에 의거하여 측정하였다. 폴리머 콘크리트를 일반 콘크리트의 상부에 설치하여, 사용성능을 검토하기 위한 미끄럼저항성은 KS F 2375에 의거하여 측정하였으며, 마모감량은 LH전문시방서 42050에 의거하여 측정하였다.
  • 폴리머 콘크리트와 일반 콘크리트의 물리적 특성 중 압축강도, 휨강도, 부착강도, 길이변화율은 KS F 4043의 규정에 의거하여 측정하였으며, 인장강도는 KS L 5104의 규정에 의거하여 측정하였다. 폴리머 콘크리트를 일반 콘크리트의 상부에 설치하여, 사용성능을 검토하기 위한 미끄럼저항성은 KS F 2375에 의거하여 측정하였으며, 마모감량은 LH전문시방서 42050에 의거하여 측정하였다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
폴리머 콘크리트의 장점은? 최근 콘크리트 구조물이 초고층화, 대형화 되어감에 따라, 고급형 구조물에 적합한 고품질의 콘크리트 개발이 요구되고 있는데, 콘크리트는 강도 및 내구성능은 우수한 반면, 최근 사회 문제화 되고 있는 층간소음 및 구조물 진동과 관련해서는 진동 감쇠성능이 작아 문제 시 되고 있다. 한편, 에폭시 계열 합성수지와 골재를 혼합한 폴리머 콘크리트에 대한 연구가 활발히 진행되고 있는데, 이러한 폴리머 콘크리트는 일반 콘크리트에 비해 경화시간이 짧고, 압축, 인장, 휨, 부착강도, 마찰저항성, 마모도 등이 우수해 건축 재료로써 폭넓은 활용이 기대되고 있다(Wang et al.,2003; Cortes et al.
폴리머 콘크리트란? 최근 콘크리트 구조물이 초고층화, 대형화 되어감에 따라, 고급형 구조물에 적합한 고품질의 콘크리트 개발이 요구되고 있는데, 콘크리트는 강도 및 내구성능은 우수한 반면, 최근 사회 문제화 되고 있는 층간소음 및 구조물 진동과 관련해서는 진동 감쇠성능이 작아 문제 시 되고 있다. 한편, 에폭시 계열 합성수지와 골재를 혼합한 폴리머 콘크리트에 대한 연구가 활발히 진행되고 있는데, 이러한 폴리머 콘크리트는 일반 콘크리트에 비해 경화시간이 짧고, 압축, 인장, 휨, 부착강도, 마찰저항성, 마모도 등이 우수해 건축 재료로써 폭넓은 활용이 기대되고 있다(Wang et al.,2003; Cortes et al.
폴리머 콘크리트의 연구가 활발해진 배경은? 최근 콘크리트 구조물이 초고층화, 대형화 되어감에 따라, 고급형 구조물에 적합한 고품질의 콘크리트 개발이 요구되고 있는데, 콘크리트는 강도 및 내구성능은 우수한 반면, 최근 사회 문제화 되고 있는 층간소음 및 구조물 진동과 관련해서는 진동 감쇠성능이 작아 문제 시 되고 있다. 한편, 에폭시 계열 합성수지와 골재를 혼합한 폴리머 콘크리트에 대한 연구가 활발히 진행되고 있는데, 이러한 폴리머 콘크리트는 일반 콘크리트에 비해 경화시간이 짧고, 압축, 인장, 휨, 부착강도, 마찰저항성, 마모도 등이 우수해 건축 재료로써 폭넓은 활용이 기대되고 있다(Wang et al.
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참고문헌 (16)

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