[논문]합성섬유 종류가 무시멘트 복합재료의 재료 거동에 미치는 영향

최정일; 박세언; 차상률; 이방연

doi:10.14190/jrcr.2019.7.3.255

합성섬유 종류가 무시멘트 복합재료의 재료 거동에 미치는 영향
Effects of Type of Synthetic Fiber on Material Properties of Cementless Composite 원문보기

Journal of the Korean Recycled Construction Resources Institute = 한국건설순환자원학회 논문집, v.7 no.3, 2019년, pp.255 - 261

최정일 (전남대학교 바이오하우징연구소) , 박세언 (전남대학교 건축학부) , 차상률 (한국과학기술원 건설및환경공학과) , 이방연 (전남대학교 건축학부)

초록
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이 연구의 목적은 보강섬유로 합성섬유의 종류가 알칼리활성 슬래그 복합재료의 역학성능에 미치는 영향을 조사하는 것이다. 이를 위하여 매트릭스 재료 및 배합을 결정하였고, 폴리프로필렌, 폴리비닐알코올, 폴리에틸렌 섬유로 보강된 복합재료의 압축강도, 인장성능 및 균열패턴을 평가하였다. 실험결과 폴리비닐알코올 섬유와 폴리에틸렌 섬유로 보강한 복합재료는 유사한 인장성능을 나타낸 반면 폴리프로필렌 섬유로 보강한 복합재료는 낮은 인장성능을 나타내었다. 또한 동일한 매트릭스이더라도 섬유의 종류에 따라 인장거동에 큰 차이가 발생하는 것을 확인하였으며, 섬유의 강도나 형상비 이외의 요인들도 인장거동에 큰 영향을 미치는 것을 확인하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

The purpose of this study is to investigate effects of types of synthetic fibers on mechanical properties of alkali-activated slag composite. Materials and mixture proportion for matrix are determined, and the compressive strength, tensile performance, and cracking patterns of three composites reinforced by polypropylene, polyvinyl-alcohol, and polyethylene fibers. From the test results, it was observed that polyvinyl-alcohol fiber-reinforced composite and polyethylene fiber-reinforced composite had similar tensile performance. On the other hand, polypropylene fiber-reinforced composite showed low tensile performance. And it was exhibited that other factors except tensile strength and aspect ratio of fiber influence significantly tensile behavior of composite.

주제어

표/그림 (7)

표 Table 1. Properties of slag
표 Table 2. Properties of fiber
표 Table 3. Mixture proportion
그림 Fig. 1. Compressive strength
그림 Fig. 2. Tensile stress-strain curves
그림 Fig. 3. Tensile behavior
그림 Fig. 4. Cracking pattern

AI 본문요약
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문제 정의

이 연구에서는 합성섬유의 종류에 따라 알칼리활성 슬래그 복합재료의 역학성능이 어떠한 영향을 받는지 실험적으로 조사하였다. 이를 통해 얻은 결론은 다음과 같다.
이에 이 연구에서는 시멘트 기반 복합재료에서 인장거동 향상을 위하여 주로 사용하고 있는 3가지 종류의 합성섬유가 알칼리활성 슬래그 복합재료의 역학성능에 미치는 영향을 조사하고자 한다.

가설 설정

균열 간격은 측정구간을 균열 개수로 나누어 계산하였다. 균열이 발생하지 않은 구간의 변형은 균열부분에 비하여 매우 작은 것으로 가정하였으며, 이러한 가정하에 균열폭은 실험체가 인장강도가 도달하였을 때 측정구간 내에 발생한 총 변형량을 균열개수로 나누어 계산하였다.

제안 방법

결합재(binder)를 활성화 시키기 위하여 수산화칼슘(calcium hydroxide)과 황산나트륨(Sodium sulfate)이 사용되었으며, 급결현상을 막기 위하여 분말 형태로 된 활성화제를 사용하였다. 고성능 감수제(Superplasticizer)와 증점제(Viscosity modifying agent)는 섬유의 균질한 분산을 유도하기 위하여 페이스트의 점성조절을 위하여 사용하였다.
균열 간격은 측정구간을 균열 개수로 나누어 계산하였다. 균열이 발생하지 않은 구간의 변형은 균열부분에 비하여 매우 작은 것으로 가정하였으며, 이러한 가정하에 균열폭은 실험체가 인장강도가 도달하였을 때 측정구간 내에 발생한 총 변형량을 균열개수로 나누어 계산하였다.
지그에 변위계를 설치하여 측정하였다. 균열발생에 따라 생길 수 있는 편심에 의한 변형량을 보상하기 위하여 변위계는 실험체 양쪽에 하나씩 설치하였으며, 측정된 값을 평균하여 변형량으로 사용하였다. 인장응력은 하중을 단면적으로 나누어 계산하였으며, 변형률은 변형량을 측정구간(80mm)로 나누어 계산하였다.
균열패턴을 조사하기 위하여 인장실험이 종료된 실험체에서 측정구간(80mm) 내에 발생한 균열 개수를 확대경을 이용하여 측정하였다. 균열 간격은 측정구간을 균열 개수로 나누어 계산하였다.
0% 로 하였다. 물-결합재비는 35%이며, 고성능 감수제와 증점제의 양은 섬유의 균질한 분산을 위하여 최적화하였다. 섬유량은 부피 비로 1.
균열발생에 따라 생길 수 있는 편심에 의한 변형량을 보상하기 위하여 변위계는 실험체 양쪽에 하나씩 설치하였으며, 측정된 값을 평균하여 변형량으로 사용하였다. 인장응력은 하중을 단면적으로 나누어 계산하였으며, 변형률은 변형량을 측정구간(80mm)로 나누어 계산하였다.
공시체를 3개씩 제작하였다. 일축인장실험을 수행하기 위하여 JSCE recommendation에 따라 dumbbell shape의 실험체를 배합별로 5개씩 제작하였다. 인장실험체의 즉정구간은 80mm이며, 측정구간 내의 단면적은 30mmx13mm로 일정하다.
하중은 인장실험기에 부착된 로드셀(Load cell)을 이용하여 측정하였으며, 측정구간내에 발생한 변형은 실험체 상하부에 부착된 지그에 변위계를 설치하여 측정하였다. 균열발생에 따라 생길 수 있는 편심에 의한 변형량을 보상하기 위하여 변위계는 실험체 양쪽에 하나씩 설치하였으며, 측정된 값을 평균하여 변형량으로 사용하였다.
혼합이 완료된 후 압축강도 측정을 위하여 배합별로 50mm 입방형 공시체를 3개씩 제작하였다. 일축인장실험을 수행하기 위하여 JSCE recommendation에 따라 dumbbell shape의 실험체를 배합별로 5개씩 제작하였다.

대상 데이터

GGBFS와 silica fume의 화학성분은 X-ray fluorescence(XRF) 방법을 이용하여 측정하였다. 결합재(binder)를 활성화 시키기 위하여 수산화칼슘(calcium hydroxide)과 황산나트륨(Sodium sulfate)이 사용되었으며, 급결현상을 막기 위하여 분말 형태로 된 활성화제를 사용하였다. 고성능 감수제(Superplasticizer)와 증점제(Viscosity modifying agent)는 섬유의 균질한 분산을 유도하기 위하여 페이스트의 점성조절을 위하여 사용하였다.
고로 슬래그 미분말(Ground granulated blast furnace 이ag: GGBFS)가 주결합재(source material)로 사용되었으며, GGBFS의 Blaine fineness 와 specific gravity는 각각 4, 320cm²/g와 2.92이다. GGBFS의 화학성분은 Table 1과 같다.
보강섬유로는 고연성 복합재료에 사용되는 3종류의 합성섬유를 사용하였으며, 폴리프로필렌(PP), 폴리비닐알코올(PVA), 폴리에틸렌(PE) 섬유이다. 폴리프로필렌 섬유와 폴리에틸렌 섬유는 소수성이며, 폴리비닐알코올 섬유는 친수성을 갖고 있다.
인장실험은 일본토목학회에서 제안한 방법에 따라 실시하였다(JSCE 2008). 일축인장 실험을 위하여 최대용량 2 톤의 전기식 인장실험기를 이용하였다. 인장하중은 변위제어 방식으로 0.

이론/모형

GGBFS의 화학성분은 Table 1과 같다. GGBFS와 silica fume의 화학성분은 X-ray fluorescence(XRF) 방법을 이용하여 측정하였다. 결합재(binder)를 활성화 시키기 위하여 수산화칼슘(calcium hydroxide)과 황산나트륨(Sodium sulfate)이 사용되었으며, 급결현상을 막기 위하여 분말 형태로 된 활성화제를 사용하였다.
압축강도는 KS L 5105에 따라 50mm 입방형 공시체를 이용하여 측정하였다. 인장실험은 일본토목학회에서 제안한 방법에 따라 실시하였다(JSCE 2008).
측정하였다. 인장실험은 일본토목학회에서 제안한 방법에 따라 실시하였다(JSCE 2008). 일축인장 실험을 위하여 최대용량 2 톤의 전기식 인장실험기를 이용하였다.

성능/효과

(3) 낮은 인장강도와 소수성 성질을 갖는 폴리프로필렌 섬유로 보강한 복합재료는 다른 섬유로 보강한 복합재료에 비하여 성능이 낮은 것으로 나타났으며, 이를 통하여 우수한 인장 성능을 갖기 위해서는 섬유의 인장강도가 충분히 높아야 하는 것으로 확인되었다.
2와 같다. 3가지 섬유를 혼입한 각 배합에서 모두 정도의 차이는 있으나 고 연성 복합재료의 특징인 변형이 증가하면서 응력이 증가하는 변형 경화현상이 나타났다. 특히 PVA 배합과 PE 배합에서 변형 경화 현상이 뚜렷하게 나타났다.
PP 배합의 경우 발생한 균열의 개수가 다른 두 배합에 비하여 매우 작은데 이는 낮은 섬유 인장강도로 인하여 최대 섬유가교응력이 매트릭스의 균열 강도보다 충분히 크지 못하기 때문인 것으로 판단된다. PP 배합의 균열폭은 PVA 배합과 PE 배합의 균열폭에 비하여 크게 나타나 인장강도가 낮은 폴리프로필렌 섬유를 사용하는 경우 역학 성능 뿐만 아니라 내구성 측면에서 균열패턴도 좋지 않은 것으로 나타났다.
⑴ 물리/화학적 성질이 다른 3가지 섬유 사용으로 최대 10%의 압축강도 차이가 발생하였으며, 상대적으로 폴리 비닐 알코올과 폴리에틸렌 섬유를 사용한 경우 압축강도가 크게 나타났다.
⑵ 폴리비닐알코올 섬유와 폴리에틸렌 섬유는 섬유의 형상비, 인장강도, 표면특성이 다름에도 불구하고 복합재료의인장성능 뿐만 아니라 균열패턴도 유사하게 나타났다. 친수성을 나타내는 폴리비닐알코올 섬유로 보강된 복합재료는 폴리에틸렌 섬유로 보강된 복합재료에 비하여 인장강도는 높고 인장변형성능은 낮지만 인성은 유사한 것으로 나타났다.
3 절에 기술된 바와 같이 균열개수는 측정구간인 80mm내에 발생한 평균 균열의 개수를 의미한다. 균열개수는 인장변형성능과 인성과 같이 PE 배합에서 가장 많은 것으로 관찰되었으며, PP 배합이 가장 작은 것으로 관찰되었다. 균열간격은 측정구간을 균열개수로 나누어 계산하였기 때문에 균열개수와 반대되는 경향이 나타났다.
섬유와 매트릭스 사이의 화학적 부착이 너무 큰 경우 섬유가 뽑히지 못하고 파단되는 경우가 많이 발생할 수 있기 때문에 인장성능이 낮을 수 있다. 그러나 이 연구에서 사용한 폴리비닐알코올 섬유와 같이 적절한 표면처리를 하는 경우 다른 섬유를 사용한 것보다 높은 인장강도를 확보할 수 있음을 확인하였다. 유사한 소수성 성질을 갖는 폴리프로필렌 섬유를 사용한 PP 배합의 인장강도가 PE 배합에 비하여 낮은 이유는 섬유의 인장강도가 가장 큰 이유로 판단된다.
나타났다. 따라서 목표 재료 성능을 얻기 위해서는 매트릭스에 적합한 섬유를 선정하는 것이 필요한 것으로 나타났다.
친수성을 나타내는 폴리비닐알코올 섬유로 보강된 복합재료는 폴리에틸렌 섬유로 보강된 복합재료에 비하여 인장강도는 높고 인장변형성능은 낮지만 인성은 유사한 것으로 나타났다. 또한 폴리비닐알코올 섬유로 보강된 복합재료는 작은 균열폭을 나타내어 내구성 측면에서 우수한 것으로 나타났다.
친수성을 갖기 때문에 섬유와 매트릭스 사이에 화학적 부착이 존재하는 폴리비닐알코올 섬유를 혼입한 PVA 배합이 가장 큰 압축강도를 나타내었으며, 인장강도가 가장 낮은 폴리프로필렌 섬유를 혼입한 PP 배합이 가장 낮은 압축강도를 나타내었다. 매트릭스를 이루는 재료 및 배합이 동일하더라도 혼입하는 섬유 종류에 따라 최대 10% 압축강도에 차이가 발생할 수 있는 것으로 나타났다. 기존연구에서도 시멘트 기반 페이스트에 섬유를 혼입하여 압축강도가 3.
(2016a)은 동일한 물-결합재비를 갖는 시멘트 기반 복합재료와 알칼리활성 슬래그 기반 복합재료의 성능을 비교하였다. 실험결과 알칼리활성 슬래그 기반 복합재료는 시멘트 기반 복합재료에 비하여 강도는 낮지만 인장변형성능이 높고 우수한 균열 패턴(즉, 작은 균열간격과 균열폭)을 보이는 것으로 확인되었다. 또한 Choi et al.
이 연구에서는 한 가지 종류의 매트릭스에 대해서만 조사하였지만, 종합적으로 매트릭스를 구성하는 재료 및 배합이 동일하더라도 역학성능 및 균열패턴에 큰 차이가 발생하는 것으로 나타났으며, 섬유의 물리/화학적 특성에 차이가 크더라도 유사한 역학 성능과 균열패턴을 갖는 복합재료 제조가 가능한 것으로 나타났다. 따라서 목표 재료 성능을 얻기 위해서는 매트릭스에 적합한 섬유를 선정하는 것이 필요한 것으로 나타났다.
인장강도는 PVA 배합이 가장 크게 나타났으며, 섬유의 인장강도가 가장 낮은 PP 배합이 가장 낮게 나타났다. 이론적으로 다른 조건이 동일한 경우 섬유의 인장강도가 증가하고, 형상 비가 증가할수록 최대 섬유가교응력이 증가한다.
2016). 재료의 불확실성의 정도를 나타내는 변동계수는 PP 배합이 4.3%로 가장 크게 나타났으며, PE 배합이 0.6%로 가장 낮게 나타났다.
인성은 인장강도와 인장변형성능의 영향을 동시에 받기 때문에 PVA 배합과 PE 배합의 차이는 줄어드는 것으로 나타났다. 종합적으로 동일한 매트릭스이더라도 섬유의 종류에 따라 인장 거동에 큰 차이가 발생하는 것을 확인하였으며, 섬유의 강도나 형상비 이외의 요인들도 인장거동에 큰 영향을 미치는 것을 확인하였다.
친수성을 나타내는 폴리비닐알코올 섬유로 보강된 복합재료는 폴리에틸렌 섬유로 보강된 복합재료에 비하여 인장강도는 높고 인장변형성능은 낮지만 인성은 유사한 것으로 나타났다. 또한 폴리비닐알코올 섬유로 보강된 복합재료는 작은 균열폭을 나타내어 내구성 측면에서 우수한 것으로 나타났다.
화학적 부착이 존재하는 PVA 배합의 첫 번째 균열강도가 가장 크게 나타났으며, PE 배합이 가장 작은 것으로 나타났다. 변동계수는 13.

참고문헌 (14)

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표제어: PCR

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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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