[논문]상변화 물질을 함유한 하이볼륨 슬래그 시멘트 복합재료의 압축강도와 인장특성

강수태; 최정일; 이방연

doi:10.14190/jrcr.2020.8.2.183

상변화 물질을 함유한 하이볼륨 슬래그 시멘트 복합재료의 압축강도와 인장특성
Compressive Strength and Tensile Properties of High Volume Slag Cement Composite Incorporating Phase Change Material 원문보기

Journal of the Korean Recycled Construction Resources Institute = 한국건설순환자원학회 논문집, v.8 no.2, 2020년, pp.183 - 189

강수태 (대구대학교 건설시스템공학과) , 최정일 (전남대학교 바이오하우징연구소) , 이방연 (전남대학교 건축학부)

초록
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이 연구의 목적은 상변화물질을 혼입한 슬래그 다량 치환 시멘트 기반 섬유보강 복합재료의 압축 및 인장성능을 실험적으로 조사하는 것이다. 이를 위하여 활성화제인 수산화칼슘과 팽창제의 양에 따라 4가지 배합을 결정하였고, 밀도, 압축강도 및 인장성능을 평가하였다. 실험결과 4가지 배합 모두 51MPa 이상의 압축강도와 3.2% 이상의 인장연성이 나타났다. 수산화칼슘과 팽창제는 압축 및 인장성능 영향을 미치는 것으로 나타났으며, 적절한 혼합을 통하여 강도, 연성, 균열패턴을 향상시킬 수 있는 것으로 나타났다.

Abstract ▼ AI-Helper

The purpose of this study is to investigate the compressive and tensile properties of high volume slag cement-based fiber-reinforced composite incorporating phase change material. Four mixtures were determined according to calcium hydroxide and expansive admixture, and the compressive strength and tension tests were performed. Test results showed that four mixtures showed a compressive strength over 51MPa and a tensile ductility over 3.2%. It was observed that calcium hydroxide and expansive admixture influenced the compressive and tensile performance, and the strength, ductility, and cracking patterns of composite could be improved by including proper amount of calcium hydroxide and expansive admixture.

주제어

표/그림 (8)

표 Table 1. Properties of cement and slag
그림 Fig. 1. Dimension of specimen and test setup
그림 Fig. 2. Density
표 Table 2. Mixture proportions
그림 Fig. 3. Compressive strength
그림 Fig. 4. Tensile stress-strain curves
그림 Fig. 5. Tensile behavior
그림 Fig. 6. Cracking pattern

AI 본문요약
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문제 정의

이 연구에서는 상변화물질을 혼입한 슬래그 다량 치환 시멘트 기반 섬유보강 복합재료의 압축 및 인장성능을 실험적으로 조사하였다. 특허 슬래그를 활성화시킬 수 있는 활성화제의 양과 팽창제의 혼입량에 따른 거동을 조사하였다.
이 연구에서는 이러한 다기능 건축재료 개발에 대한 기초연구로서 상변화물질을 혼입하고 슬래그를 다량 함유한 시멘트 기반 섬유보강 복합재료에서 슬래그를 활성화시킬 수 있는 알칼리활성화제 중의 하나인 수산화칼슘과 수축량을 감소시킬 수 있는 팽창제가 압축 및 인장성능에 미치는 영향을 조사하고자 한다.

제안 방법

각 실험체의 압축강도는 KS L 5105에 따라 측정하였다. 일축인장실험은 일본토목학회에서 제안한 방법에 따라 수행하였으며, 최대 용량 2톤의 전기식 인장실험기를 사용하였다. 하중은 로드셀로 측정하고, 변형은 Fig.
이 연구에서는 상변화물질을 혼입한 슬래그 다량 치환 시멘트 기반 섬유보강 복합재료의 압축 및 인장성능을 실험적으로 조사하였다. 특허 슬래그를 활성화시킬 수 있는 활성화제의 양과 팽창제의 혼입량에 따른 거동을 조사하였다. 실험을 통해 다음과 같은 결론을 도출하였다.

대상 데이터

이 연구에서 사용한 결합재는 보통 포틀랜드 시멘트, 고로슬래 그 및 수산화칼슘이다. 고로슬래그는 KS F 2563에 규정된 고로슬래그 미분말 3종 분말도(4,320cm² /g)를 사용하였으며, 밀도는 2.92cm³ /g이다. Table 1은 XRF(X-ray fluorescence) 분석을 통한 보통 포틀랜드 시멘트와 고로슬래그의 화학적 성분을 나타낸다.
보강 섬유로는 인장강도 3 030MPa인 폴리에틸렌 섬유를 사용 하였다. 직경은 16μm이며, 길이는 12mm로서 형상비는 750이다.
상변화물질은 분자식 C₁₇H₃₆의 n-Heptadecane이 97% 이상인 파라핀계열 제품을 사용하였다. 상변화 온도는 22℃이고, 상변화 온도보다 낮을 경우 고체 상태, 높을 경우 액체 상태를 나타낸다.
섬유의 분산성이 최적화되는 유동상태를 확보하기 위하여 폴리카르본산계 고성능 감수제와 증점제를 사용하였다. 또한 실험체 제작과정에서 의도하지 않게 발생한 기포가 압축 및 인장거동에 미치는 영향을 최소화하기 위하여 소포제를 사용하였다.
이 연구에서 사용한 결합재는 보통 포틀랜드 시멘트, 고로슬래 그 및 수산화칼슘이다. 고로슬래그는 KS F 2563에 규정된 고로슬래그 미분말 3종 분말도(4,320cm² /g)를 사용하였으며, 밀도는 2.
알칼리활성화제는 고로슬래그의 잠재수경성을 활성화시키기 위하여, 수산화칼슘 성분이 95% 이상인 분말형태의 수산화칼슘을 사용하였다. 잔골재는 규사 7호를 사용하였고, 수축량 저감 및 강성 확보를 위하여 혼입하였다. 굵은골재는 매트릭스의 파괴인성을 증가시켜 안정상태 균열 발생 가능성이 낮아지고, 섬유의 균질한 분포를 저하시키기 때문에 사용하지 않았다.
또한 실험체 제작과정에서 의도하지 않게 발생한 기포가 압축 및 인장거동에 미치는 영향을 최소화하기 위하여 소포제를 사용하였다. 팽창제는 수축량을 저감하기 위하여 혼입하였고, Hauyne(3CaO₃·3Al2O₃· CaSO₄), 유리석회(CaO), 석고(CaSO₄)로 구성된 칼슘설포알루미네이트(CSA)계 팽창재를 사용하였다.
혼합이 완료된 압축강도 시험을 위하여 한변의 길이가 50mm인 정사각형 실험체를 배합별로 3개씩 제작하였다. 또한 인장거동을 평가하기 위하여 일본토목학회에서 제안한 방법(JSCE 2008)에 따라 배합별로 4개씩 인장실험체를 제작하였다.

이론/모형

밀도는 압축강도 시험을 위한 실험체를 이용하였으며, 각 실험체의 무게를 공기 중과 수중에서 측정하여 계산하였다. 각 실험체의 압축강도는 KS L 5105에 따라 측정하였다. 일축인장실험은 일본토목학회에서 제안한 방법에 따라 수행하였으며, 최대 용량 2톤의 전기식 인장실험기를 사용하였다.
혼합이 완료된 압축강도 시험을 위하여 한변의 길이가 50mm인 정사각형 실험체를 배합별로 3개씩 제작하였다. 또한 인장거동을 평가하기 위하여 일본토목학회에서 제안한 방법(JSCE 2008)에 따라 배합별로 4개씩 인장실험체를 제작하였다. Fig.

성능/효과

(1) 상변화물질을 함유한 슬래그 다량 치환 섬유보강 복합재료는 50MPa 이상의 압축강도를 나타내었고, 변형경화현상과 함께 5.9MPa 이상의 인장강도와 3% 이상의 높은 인장연성을 나타내었다.
(2) 이 연구에서 조사한 배합 내에서 활성화제 보다는 팽창제가 압축강도에 더 큰 영향을 미치는 것으로 나타났으며, 팽창제의 양이 증가할수록 압축강도는 증가하는 것으로 나타났다. 이에 반하여 인장성능은 활성화제와 팽창제의 영향이 비례적으로 나타나지 않았다.
(3) 압축강도와 인장강도의 변동계수는 최대 6.8%로 유사하게 나타난 반면 인장연성은 최대 30.5%로 큰 것으로 나타나 인장연성의 품질관리가 더 어려운 것으로 나타났다.
(4) 활성화제와 팽창제는 압축 및 인장성능에 영향을 미치는 것으로 나타났으며, 활성화제를 넣지 않고 팽창제를 0.1% 넣은 P 배합과 활성화제를 0.035%, 팽창제를 0.05% 넣은 P-EA 배합이 다른 두 배합에 비하여 강도, 연성, 인성, 균열개수 및 균열간격 측면에서 우수한 것으로 나타났다.
4는 각 배합별 인장응력과 변형률의 관계를 나타낸다. 4가지 배합 모두 첫 번째 균열발생 이후 응력의 감소와 증가가 반복되는 현상이 나타났으며, 전체적으로 변형률이 증가하면서 인장응력이 증가하는 변형경화현상이 나타났다. 모든 배합에서 변형경화현상이 나타났지만 배합별로 인장강도와 인장변현성능에는 차이가 나타났다.
이를 통해 이 연구에서 조사한 배합의 범위에서 압축강도를 높게 유지하기 위해서는 팽창제를 혼입하는 것이 적절한 것으로 나타났다. 4가지 배합의 압축강도에 대한 변동계수(coefficient of variation)는 최대 6.8%로 나타났다.
종합적으로 압축강도에 비하여 인장성능은 활성화제와 팽창제의 영향이 비례적으로 나타나지 않았다. 압축강도와 인장성능 측면에서 기준 배합인 P 배합과 P-EA 배합이 다른 배합에 비하여 우수한 것으로 나타났다. 인장강도의 변동계수는 최대 6.
인장강도는 각 실험체의 최대 인장응력을 평균하여 계산하였고, 인장연성은 인장강도에 해당하는 변형률로 정의하여 계산하였다. 이 연구에서 조사한 배합에서 활성화제의 양이 0%에서 0.035%와 팽창제의 양이 0.05%에 서 0.1%까지 인장강도에는 뚜렷한 차이가 나타나지 않은 반면 활성화제의 양이 0.07%이고, 팽창제를 넣지 않은 P-A-EA 배합에서 가장 낮은 인장강도가 측정되었다. 인장연성은 뚜렷한 경향이 나타나지 않았으며, P 배합과 P-EA 배합이 나머지 두 배합에 비하여 큰 것으로 나타났다.
팽창제를 넣지 않고 활성화제를 가장 많이 넣은 P-A-EA 배합의 압축강도가 가장 낮게 나타났다. 이를 통해 이 연구에서 조사한 배합의 범위에서 압축강도를 높게 유지하기 위해서는 팽창제를 혼입하는 것이 적절한 것으로 나타났다. 4가지 배합의 압축강도에 대한 변동계수(coefficient of variation)는 최대 6.
압축강도와 인장성능 측면에서 기준 배합인 P 배합과 P-EA 배합이 다른 배합에 비하여 우수한 것으로 나타났다. 인장강도의 변동계수는 최대 6.5%로 압축강도의 변동계수와 유사하였지만 인장연성의 변동계수는 최대 30.5%로 상대적으로 큰 것으로 나타났다. 재료의 에너지 흡수 능력을 나타내는 인성은 인장강도와 인장연성이 가장 높게 나타난 P-EA 배합이 가장 크게 나타났으며, 전체적으로 인장변형성능과 유사한 경향을 나타내었다.
인장연성은 뚜렷한 경향이 나타나지 않았으며, P 배합과 P-EA 배합이 나머지 두 배합에 비하여 큰 것으로 나타났다. 종합적으로 압축강도에 비하여 인장성능은 활성화제와 팽창제의 영향이 비례적으로 나타나지 않았다. 압축강도와 인장성능 측면에서 기준 배합인 P 배합과 P-EA 배합이 다른 배합에 비하여 우수한 것으로 나타났다.
3은 각 배합의 압축강도를 나타낸다. 활성화제를 넣은 경우 강도변화는 거의 발생하지 않은 반면 팽창제의 양이 감소할수록 그에 비례하여 압축강도가 감소하는 것으로 나타났다. 팽창제를 넣지 않고 활성화제를 가장 많이 넣은 P-A-EA 배합의 압축강도가 가장 낮게 나타났다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	열에너지를 저장하는 방법에는 무엇이 있는가?	따라서 건축물에 사용되는 재료의 열용량을 향상시키는 것을 건축물에서 냉난방으로 사용되는 에너지량을 줄일 수 있는 가장 직접적인 방법이다. 열에너지를 저장하는 방법은 화학반응에 의해 에너지가 방출되거나 흡수되는 화학에너지(chemical energy), 물질의 상태가 바뀌지 않고 온도를 높이거나 낮아지는 현열(sensible heat), 물체의 상이 변하면서 흡수하거나 방출되는 잠열(latent heat) 현상을 이용하는 것이다(Jeon et al. 2013).
	상변화물질의 온도에 따른 상태는 어떻게 변화하는가?	상변화물질은 분자식 C17H36의 n-Heptadecane이 97% 이상인 파라핀계열 제품을 사용하였다. 상변화 온도는 22℃이고, 상변화 온도보다 낮을 경우 고체 상태, 높을 경우 액체 상태를 나타낸다. 일반적인 잠열 용량은 200kJ/kg이고, 비열 용량은 2kJ/kg이다.
	상변화물질(Phase change material)의 특징은 무엇인가?	2013). 이중 상이 변하면서 에너지가 흡수되거나 방출되는 잠열 현상이 나타나는 상변화물질(Phase change material)은 특정 온도에서 고체가 액체가 되거나 액체가 고체로 변하면서 에너지가 흡수되거나 방출되는 현상을 갖고 있기 때문에 원하는 온도에서 에너지의 방출과 흡수를 조절하기 용이한 재료이다. 이러한 특성으로 구조물의 에너지 사용 저감을 목적으로 다양한 상변화물질 혼입에 따른 에너지 저감현상에 대한 연구를 수행하였다(Tyagi and Buddhi 2007; Pomianowski et al.

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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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