[논문]잉여 페이스트 이론과 레올로지 정수를 이용한 표면 개질골재의 피막두께 평가에 관한 연구

최희섭; 최형길

doi:10.11112/jksmi.2019.23.5.23

잉여 페이스트 이론과 레올로지 정수를 이용한 표면 개질골재의 피막두께 평가에 관한 연구
A Study on the Coating Thickness of Surface Modified Aggregate by Using the Excess Paste Theory and Rheology Value 원문보기

한국구조물진단유지관리공학회 논문집 = Journal of the Korea Institute for Structural Maintenance and Inspection, v.23 no.5, 2019년, pp.23 - 29

최희섭 (키타미공업대학 공학부 사회환경인프라 공학코스) , 최형길 (경북대학교 건축학부)

초록
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본 연구는 굵은골재의 완전 리사이클 기술개발을 위해서 시멘트계 재료를 이용한 개질 페이스트를 이용하여 원골재의 표면을 코팅하는 표면개질 기술을 적용하고 있다. 이 때에 원골재와 개질 페이스트의 계면은 개질 페이스트의 점착력과 점도에 의존되어 개질골재의 피막두께가 결정된다고 생각할 수 있다. 본 연구에서는 굳지 않은 상태에서의 개질 페이스트의 유동특성을 파악하고 표면 개질골재의 피막 두께에 대해 검토한 결과, 개질 페이스트를 빙엄유체로서 가정하여, 잉여 페이스트 이론과 유동학 정수 (항복치)를 고려하는 것으로 개질 페이스트의 정량적인 피막 두께의 설계가 가능하여, 표면개질 골재를 이용한 콘크리트의 정량적인 배합설계가 가능할 것으로 판단된다.

Abstract ▼ AI-Helper

This study applies to the surface modification technique by coating the surface of aggregates using the modified paste such as cementitious materials in order to develop completely recycling technology of coarse aggregate. In this case, coating thickness of modified aggregate can be considered that the decision is dependent on the viscosity and tenacity of modified paste. In this study identify the flow properties of the fresh modified paste, and examined for the coating thickness of modified aggregate. As a result, it was possible to design a quantitative coating thickness of modified paste assuming that a modified paste to a Bingham Fluid and consider by excess paste theory and rheology constant (yield value). Accordingly, it is considered that the quantitative mix design of concrete using by surface modified aggregates will be possible.

주제어

표/그림 (11)

그림 Fig. 1 Recovery technology of the surface modified aggregates by microwave heating^4,5,6)
그림 Fig. 2 Fluidity of concrete
그림 Fig. 3 Bingham model
그림 Fig. 4. Conceptual diagram of coating thickness of surface modified aggregate
그림 Fig. 5. Behavior of Newton and non-Newton fluid
그림 Fig. 6. Changes of the coating thickness of modified paste on surface modified aggregate
그림 Fig. 7 Coating thickness of surface modified aggregate produced by rotating
그림 Fig. 8. Quantification of aggregate shape
표 Table 1 Mix proportion of modification paste (based on 1kg of original coarse aggregate)
그림 Fig. 9 Coating thickness of surface modified aggregate by image analysis (Case1)
표 Table 2 Comparison of the coating thickness of surface modified aggregate and model aggregate

AI 본문요약
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문제 정의

따라서, 본 연구에서는 이러한 기술개발의 일환으로서 산화철이 혼입된 표면 개질 골재를 이용한 콘크리트의 정량적인 배합설계의 일환으로서, 우선, 잉여 페이스트 이론에 근거하여 개질 페이스트의 유동학 정수 및 골재와 페이스트의 부착성능을 이용해 굳지 않은 개질 페이스트의 유동특성을 파악하고, 개질 골재의 피막두께에 관해 검토를 통해, 개질페이스트의 정량적인 배합설계를 목적으로 한다.
. 본 기술은 Fig. 1과 같이 원골재표면의 코팅층에 골재와 시멘트 매트릭스 간의 기계적 마찰력 및 화학적 결합력의 향상이 가능한 개질재료 (포조란 재료 등)를 이용하여 콘크리트의 취약부로 여겨지는 천이대를 개선하여 콘크리트의 역학적 특성 (강도특성)을 향상하는 것이다. 더불어, 미리 골재의 표면에 고유전율을 가지는 산화철 (Fe₂O₃)⁴⁾을 개질 페이스트의 결합재에 첨가하여 콘크리트 구조물의 해체 후, 골재와 골재 사이의 개질 페이스트 부분을 마이크로파에 의해 선택적으로 가열ㆍ취약화하는 것으로 저에너지로 고품질 순환골재의 완전 리사이클이 가능한 기술이다^4,5,6).
본 연구에서는 개질 페이스트에 의해서 원골재 표면을 코팅 하는 것으로 Miyake 등이 제안한 평균 잉여 페이스트의 피막두께 이론과 골재의 평균 입경을 이용하기로 한다. 이 때 C.
본 연구에서는 잉여 페이스트 이론과 유동학 정수를 이용하여 표면 개질골재의 피막두께에 대해 검토한 결과 이하의 결론을 얻을 수 있었다.

가설 설정

2와 같이 기존의 보통 콘크리트 배합보다 높은 점성 및 유동성이 요구되어 이러한 피막두께의 정량적인 평가를 위해서는 굳지 않은 상태의 개질 페이스트의 유동특성이 매우 중요하다고 생각할 수 있다. 여기에서는 Fig. 3과 같이 굳지 않은 상태의 콘크리트를 연속체로 가정하여, 이것을 빙엄유체 (Bingham Fluid)로 모델화 하여 해석ㆍ고찰하는 고유동 콘크리트의 유동학적해석⁷⁾을 적용하기로 한다. 이후, 골재표면에서의 빙엄유체인개질 페이스트의 피막두께 모델화를 통해, 개질 페이스트의 피막두께 결정 메커니즘을 명확히 한다.
본 연구에서는 개질 페이스트에 의해서 원골재 표면을 코팅 하는 것으로 Miyake 등이 제안한 평균 잉여 페이스트의 피막두께 이론과 골재의 평균 입경을 이용하기로 한다. 이 때 C.T, Kennedy의 페이스트 피막이론에 근거하여 모든 입경 의원 골재 및 개질 페이스트 입형을 구체로 가정⁸⁾하고, 개질 페이스트의 피막두께는 Fig. 4(b)와 같이 유효 페이스트의 피막두께를 제외한 부착 페이스트의 피막 두께만을 원골재로에 피복되는 개질 페이스트 피막두께로 정의한다.
T, Kennedy의 잉여페이스트의 피막두께 이론⁸⁾과 골재의 평균 입경을 이용하여굳지 않은 콘크리트 중의 액상을 페이스트, 고상을 골재로 구분하는 경우, 콘크리트의 변형성을 평가하기 위한 지표는 ‘평균 잉여 페이스트 피막두께 / 골재입자의 비표면적 평균 입경’으로 정의하고 있다⁹⁾. 이 때, 평균 잉여 페이스트의 피막두께가 일정하며, 실제 잉여 페이스트의 평균 피막두께는 같은 것으로 가정했다. 한편, 잉여 페이스트 피막두께는 골재 입자간의 윤활효과에 기여하는 유효 페이스트의 피막두께와 골재표면에 부착하여 골재 입자와 함께 거동하는 부착 페이스트의 피막두께의 2종류로 정의하고 있다^8,9).

제안 방법

따라서, 본 연구에서는 개질 페이스트의 피막두께를 계산하기위해서, 먼저 뉴턴 유체의 유동으로 발생되는 ‘Curtaining 현상’에 대해 고찰한 후, 비뉴턴 유체인 개질 페이스트의 유동 특성을 파악하여 개질 페이스트의 피막두께를 산정하기로 한다.
시료는 원골재와 시멘트 매트릭스 사이의 개질 페이스트의 육안 식별이 가장 용이한 개질골재 (20-15mm)의 5개의 시료를 컷팅하여 평가했다. 또한, 모든 시험체에 대해 개질골재 단면의 지름(L)이 최대치가 되도록절단면을 연마한 후, 고해상 디지털카메라 및 화상해석 프로그램을 이용하여 화상해석을 실시했다. 화상해석은 원골재와 개질 페이스트의 부분이 명확하게 식별되도록 명도 및 색도를 조정하여, 원골재와 개질 페이스트의 면적 및 피막두께를 측정했다.
본 연구에서 원골재의 표면개질 처리재로서 사용되는 개질페이스트는 고유동ㆍ고강도의 개념에 근거하여 낮은 물시멘트비를 사용하여 가능한 한 얇고 견고하게 코팅하여, 천이대 개선을 통한 골재간의 계면강도 증진과 더불어, 프레쉬상태에서양호한 유동성 확보를 본 연구의 전제조건으로 한다. 이때, 유동성 확보를 위해, 개질 페이스트는 골재 표면에 코팅될 때, 원골재의 표면상태 및 굳지 않은 개질 페이스트의 점착력과 점도에 의존되어 피막두께가 결정된다고 생각할 수 있다.
쇄석골재를 대상으로 개질 페이스트의 균일한 피막두께의 형성을 검토하기 위해서 표면 개질 골재를 사용한 콘크리트의 원주 시험체 (Ø100×200mm)를 제작하여, 랜덤 간격으로 절단한 후 검토를 실시했다.
이상의 논의를 기본으로, 본 연구에서 사용하고 있는 개질페이스트의 유동학 실험을 실시했다. 실험은 회전 점도계를 이용하여 회전속도의 상승과정에 대한 전단응력을 측정했다.여기서, 시멘트만의 개질 페이스트의 항복치는 4.
따라서, 각각의 골재의 체적이 동일한 경우에도 실제의 원골재에 개질되는 개질 페이스트의 양은 차이가 생기게 된다. 여기서, 구형의 원골재와 기하학적인 형상을 가진 골재의 개질 페이스트의 피막두께가 동일하다고 가정하여, 실제 다양한 골재형상을 가진 원골재의 비표면적의 변화에 따른 개질 페이스트의 증가량과 그 때의 피막두께에 대해 추가적으로 검증한다. 본 연구에서 사용한 개질페이스트의 배합비를 Table 1에 나타낸다.
이상의 논의를 기본으로, 본 연구에서 사용하고 있는 개질페이스트의 유동학 실험을 실시했다. 실험은 회전 점도계를 이용하여 회전속도의 상승과정에 대한 전단응력을 측정했다.
화상해석은 원골재와 개질 페이스트의 부분이 명확하게 식별되도록 명도 및 색도를 조정하여, 원골재와 개질 페이스트의 면적 및 피막두께를 측정했다.

대상 데이터

쇄석골재를 대상으로 개질 페이스트의 균일한 피막두께의 형성을 검토하기 위해서 표면 개질 골재를 사용한 콘크리트의 원주 시험체 (Ø100×200mm)를 제작하여, 랜덤 간격으로 절단한 후 검토를 실시했다. 시료는 원골재와 시멘트 매트릭스 사이의 개질 페이스트의 육안 식별이 가장 용이한 개질골재 (20-15mm)의 5개의 시료를 컷팅하여 평가했다. 또한, 모든 시험체에 대해 개질골재 단면의 지름(L)이 최대치가 되도록절단면을 연마한 후, 고해상 디지털카메라 및 화상해석 프로그램을 이용하여 화상해석을 실시했다.
14mm가 된다. 즉, 본 연구에서 이용되는 개질골재는 피막두께가 0.14mm로 일정한 개질 페이스트가 원골재 표면전체에 코팅되어 있는 것으로 생각할수 있다.

이론/모형

개질골재에 있어서의 원골재의 비표면적은 Heywood의연구¹¹⁾를 참고하여 요구했다. Fig.

성능/효과

(2) 원골재를 회전시키면서 골재의 표면을 개질하는 경우,중력에 의한 영향은 관계하지 않고, 원골재 수직면에 대한 피막두께만을 고려하여, 구형으로 가정한 개질골재의 피막두께는 개질 페이스트의 항복치와의 관계로 구할 수 있다.
(3) 쇄석골재의 비표면적은 구형의 경우보다 커지게 되어,골재의 형상에 따른 형상 계수비를 고려하여 피막두께를 계산할 수 있다. 형상 계수를 7.
01mm정도의오차를 나타냈다. 여기서, 근소한 오차의 발생은 시험체 연마에 따른 개질 페이스트와 시멘트 매트릭스의 경계가 다소 불분명하게 된 것이 원인으로 생각할 수 있지만, 실제 개질 페이스트의 피막두께는 모델골재와 상당한 근사범위에서 일치하는 것을 확인할 수 있었다.
(3) 쇄석골재의 비표면적은 구형의 경우보다 커지게 되어,골재의 형상에 따른 형상 계수비를 고려하여 피막두께를 계산할 수 있다. 형상 계수를 7.5로 하여 비표면적에의한 개질 페이스트의 증가분을 계산한 결과, 원골재 표면을 피복하는 개질 페이스트의 두께는 구형의 경우와 상당한 근사 범위에서 일치하는 것을 확인할 수 있었다.
화상해석의 결과로부터 모든 개질골재의 실제 피복두께는 모델골재의 피막두께인 0.14mm과 비교해, 약 ±0.01mm정도의오차를 나타냈다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	각각의 골재의 체적이 동일해도 실제 원골재에 개질되는 개질 페이스트의 양이 차이가 생기는 이유는?	전술한 모델에 의해 요구할 수 있는 개질 페이스트의 피막두께 계산은 구형으로 가정한 원골재 표면에 균일하게 부착하는 잉여 페이스트 이론의 부착 페이스트량을 의미한다. 하지만, 실제의 원골재는 기하학적 형상을 가지고 있어, 일반적으로 구형으로 가정할 경우에 비해, 비표면적은 크게 된다. 따라서, 각각의 골재의 체적이 동일한 경우에도 실제의 원골재에 개질되는 개질 페이스트의 양은 차이가 생기게 된다.
	고품질의 순환골재를 제조할 때의 문제점은?	최근 환경문제에 관해 관심이 높아짐에 따라, 이러한 건설산업 분야에 있어서의 콘크리트 분야가 담당하는 역할이 크고, 특히 콘크리트 체적의 대부분 (약 70%) 을 차지하는 골재의 리사이클 기술은 매우 중요하다고 생각할 수 있다1,2). 이러한 문제에 대해서 국내ㆍ외에서는 다양한 관점으로부터 연구되어, 국내에서도 순환골재의 규격이 제정되고 있지만, 고품질의 순환골재를 제조하기 위해서는 방대한 에너지가 필요하며, 파쇄 시에 미분말이 대량으로 발생되는 문제가 있다1,2). 한편, 저품질 순환골재의 경우는 콘크리트의 성능이 저하되는 문제점들이 산재해 있어, 순환골재의 이용촉진을 방해하고 있다1).
	Curtaining 현상은 무엇인가?	한편, 원골재 표면에 피복되는 개질 페이스트의 피막두께는 유체역학과 도료의 유동학의 개념에 근거한 개질 페이스트 거동 및 피막두께 형성에 의해 변동된다고 생각할 수 있다10). 특히, 도료의 유동학에 있어서, 유체의 항복치에 따라 뉴턴유체의 특성을 가지는 흐름현상(도료가 선형으로 흘러내리는 현상,이하 Curtaining 현상)과 비뉴턴 유체의 특성을 가지는 흐름현상(도료가 파형으로 흘러내리는 현상, 이하 Sagging 현상)으로구분할 수 있다6). 여기서, 개질 페이스트의 정량적인 피막두께를 계산하기 위해서 본문에 제시하고 있는 식 (1)에서 식 (4)와같이 TEMPLE C.

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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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