[논문]폐타이어 고무분말과 골재를 혼입한 폴리우레탄 복합재료의 감쇠 특성

박세언; 최정일; 황재승; 이방연

doi:10.14190/jrcr.2020.8.3.263

폐타이어 고무분말과 골재를 혼입한 폴리우레탄 복합재료의 감쇠 특성
Damping Characteristics of Polyurethane Composites Incorporating Recycled Rubber Particles and Aggregates 원문보기

Journal of the Korean Recycled Construction Resources Institute = 한국건설순환자원학회 논문집, v.8 no.3, 2020년, pp.263 - 268

박세언 (전남대학교 건축학부) , 최정일 (전남대학교 바이오하우징연구소) , 황재승 (전남대학교 건축학부) , 이방연 (전남대학교 건축학부)

초록
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이 연구의 목적은 폐타이어 고무분말을 혼입한 폴리우레탄 복합재료와 굵은 골재를 사전채움하고 폴리우레탄을 주입한 폴리우레탄 복합재료의 감쇠성능을 평가하는 것이다. 이를 위하여 총 4 종류의 폴리우레탄 기반 복합재료를 제조하였고, 충격 가진 실험을 실시하였다. 실험을 통하여 시간 영역과 주파수 영역에서의 진동특성을 계측한 후 감쇠비를 계산하였다. 실험 결과, 고무분말을 혼입하여 폴리우레탄의 양이 각각 10.6%와 21.2% 줄어든 실험체들의 감쇠비는 순수한 폴리우레탄 실험체에 비하여 각각 8.4%와 4.6% 낮은 것으로 나타났다. 프리팩트 콘크리트 제조 방법과 유사한 방법으로 제조한 폴리우레탄 복합재료의 감쇠비는 순수 폴리우레탄에 비하여 22% 낮은 것으로 나타났지만 폴리우레탄 혼입량은 50% 감소하였으며, 강성은 25.7배 높은 것으로 나타났다.

Abstract ▼ AI-Helper

The purpose of this study is to investigate the damping properties of polyurethane composites incorporating waste tire rubber powder and preplaced coarse aggregates. Four types of polyurethane-based composites were manufactured, and longitudinal impact tests were performed. And vibration signals in the time domain and frequency domain were measured and values of damping ratio for each specimen were calculated. Test results showed that the damping ratios of polyurethane composites, in which the amount of polyurethane was reduced by 10.6% and 21.2% through incorporation of rubber particles, were 8.4% and 4.6% lower than that of pure polyurethane. The damping ratio of the polyurethane composite produced in a similar manner to the prepact concrete production method was found to be 22% lower than that of pure polyurethane, however, the amount of polyurethane was reduced by 50% and the stiffness was 25.7 times higher than that of pure polyurethane.

주제어

표/그림 (8)

그림 Fig. 1. Size distribution of rubber particle
표 Table 1. Properties of polyurethane
표 Table 2. Properties of rubber particle
표 Table 3. Mixtures
그림 Fig. 2. Impact test setup for measuring damping ratio
그림 Fig. 3. Time history of acceleration in each representative specimen
그림 Fig. 4. Spectrum of acceleration in each representative specimen
표 Table 4. Resonant frequency, Dynamic modulus, and damping ratio of each mixture

AI 본문요약
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문제 정의

이 연구에서는 고무와 유사한 화학적 성질을 갖는 유기계 재료인 폴리우레탄을 결합재로 사용하여, 폐타이어 고무분말의 혼입량에 따른 폴리우레탄 복합재료의 감쇠성능과 강성 증진 목적으로 굵은 골재를 사전채움하여 제작한 폴리우레탄 복합재료의 감쇠성능을 조사하고자 한다.
이 연구에서는 폐타이어 고무분말과 굵은 골재를 혼합한 폴리 우레탄 복합재료의 감쇠성능을 조사하였다. 이를 위하여 감쇠 성능이 우수한 폴리우레탄을 폐타이어 고무분말로 일 부 대체하고, 골재 사전 채움 후 공극에 주입하여 실험체를 제작하였다.

제안 방법

감쇠성능을 측정하기 위하여 40mm × 40mm × 160mm 실험체를 각 배합별로 3개씩 제조한 후 폴리우레탄이 충분히 경화될 수 있도록 2일 동안 양생하였다. 탈형 후 재령 28일까지 20℃ ± 1℃의 항온실에서 기건 양생을 실시하였다.
이 연구에서는 폐타이어 고무분말과 굵은 골재를 혼합한 폴리 우레탄 복합재료의 감쇠성능을 조사하였다. 이를 위하여 감쇠 성능이 우수한 폴리우레탄을 폐타이어 고무분말로 일 부 대체하고, 골재 사전 채움 후 공극에 주입하여 실험체를 제작하였다. ASTM C215(2014)에 규정된 충격 가진 실험 방법으로 감쇠 성능을 측정하였으며, 실험을 통해 얻은 결론은 다음과 같다.

대상 데이터

결합재로 사용된 액상형 폴리우레탄은 주제인 우레탄과 경화제를 무게 비율 1:1로 혼합한 것이며, 주제와 경화제의 성질은 Table 1과 같다. 주제인 우레탄은 단분자(Monomer)이지만 경화제에 의해 중합반응이 일어나 우레탄들이 결합되어 폴리우레탄이 형성된다.

이론/모형

이를 위하여 감쇠 성능이 우수한 폴리우레탄을 폐타이어 고무분말로 일 부 대체하고, 골재 사전 채움 후 공극에 주입하여 실험체를 제작하였다. ASTM C215(2014)에 규정된 충격 가진 실험 방법으로 감쇠 성능을 측정하였으며, 실험을 통해 얻은 결론은 다음과 같다.
각 배합별 감쇠비를 측정하기 위하여 ASTM C215(2014)에 규정된 충격 가진 실험 방법을 사용하였다. 먼저 실험체의 진동특성을 계측하기 위하여 Fig.
계측된 시간 영역의 가속도 신호는 고속 푸리에 변환(Fast Fourier transformation)을 통해 주파수 영역의 신호로 변환하였다. 감쇠비는 공진 주파수(f₀)와 진폭의 # 크기에 해당하는 진동수(f₁, f₂)를 선형보간 추정을 통해 구하고, 하프 파워 방법(half power bandwidth method)을 사용하여 식 (1)을 통하여 계산하였다.

성능/효과

1) 폴리우레탄의 감쇠비는 22.61%로 나타났으며, 이는 일반적으로 알려진 콘크리트의 감쇠비 2%에 비해 10배 이상 높은 성능이다.
2) 고무분말을 폴리우레탄의 무게 대비 10%와 20%를 혼합한 PU-T10과 PU-T20 배합의 감쇠비는 각각 20.72%와 21.58%로 나타났다. PU 배합에 비해 폴리우레탄 부피가 10.
3) 프리팩트 콘크리트 제조 방식과 유사하게 골재를 몰드에 채워 넣은 후 액상의 폴리우레탄을 골재 사이로 주입하여 제작한 PU-PA-T 배합의 감쇠비는 17.57%로 나타났다. 이는 PU 배합에 비해 22% 감소한 감쇠 성능이었지만 폴리우레탄의 혼입량은 50% 줄이고 25.
58%로 나타났다. PU 배합에 비해 폴리우레탄 부피가 10.6%와 21.2% 줄어든 반면 감쇠성능은 8.4%와 4.6%만 감소하였다. 이를 통해 적정량의 고무분말 혼입을 통하여 감쇠성능 저하가 크지 않으면서 보다 경제적인 고감쇠 재료를 제조할 수 있는 것을 확인하였다.
61%로 측정되었다. 고무분말을 혼입한 PU-T10과 PU-T20 배합은 PU 배합에 비하여 폴리우레탄의 부피가 각각 10.6%와 21.2% 감소하였지만, 감쇠비는 각각 8.4%와 4.6%만 감소되는 것으로 나타났다. 이를 통하여 폴리우레탄 사용량을 감소시키면서 감쇠비 저하는 크지 않은 고감쇠 재료의 제조가 가능함을 확인하였다.
골재를 사전채움 후 공극에 액상형 폴리우레탄과 고무분말을 혼합한 복합재료를 주입해 제작한 PU-PA-T 배합의 감쇠비는 17.57%로 PU 배합에 비해 폴리우레탄의 혼입량은 50% 줄고, 감쇠 성능은 22% 저하되는 것으로 나타났다. 즉, 프리팩트 콘크리트 제조 방법과 동일한 방법으로 제작하면 감쇠성능의 저하에 비하여 폴리우레탄의 사용량을 획기적으로 줄일 수 있는 것으로 나타났다.
57%로 나타났다. 이는 PU 배합에 비해 22% 감소한 감쇠 성능이었지만 폴리우레탄의 혼입량은 50% 줄이고 25.73배 높은 강성을 지닌 것으로 나타났다. 이를 통하여 굵은 골재와 고무분말을 활용하면 폴리우레탄의 사용량을 줄이면서 높은 감쇠성능과 강성을 확보할 수 있는 것으로 나타났다.
73배 높은 것으로 나타났다. 이를 통하여 굵은 골재와 고무분말을 활용하면 폴리우레탄의 사용량을 줄이면서 높은 감쇠성능과 강성을 확보할 수 있는 것으로 나타났다.
73배 높은 것으로 나타났다. 이를 통하여 굵은 골재와 고무분말을 활용하면 폴리우레탄의 사용량을 줄이면서 높은 감쇠성능과 강성을 확보할 수 있는 것으로 나타났다.
6%만 감소되는 것으로 나타났다. 이를 통하여 폴리우레탄 사용량을 감소시키면서 감쇠비 저하는 크지 않은 고감쇠 재료의 제조가 가능함을 확인하였다.
6%만 감소하였다. 이를 통해 적정량의 고무분말 혼입을 통하여 감쇠성능 저하가 크지 않으면서 보다 경제적인 고감쇠 재료를 제조할 수 있는 것을 확인하였다.
57%로 PU 배합에 비해 폴리우레탄의 혼입량은 50% 줄고, 감쇠 성능은 22% 저하되는 것으로 나타났다. 즉, 프리팩트 콘크리트 제조 방법과 동일한 방법으로 제작하면 감쇠성능의 저하에 비하여 폴리우레탄의 사용량을 획기적으로 줄일 수 있는 것으로 나타났다. 이러한 현상이 나타나는 이유는 프리팩트 콘크리트 제조 방법으로 골재를 사전에 채우게 되면 골재들이 접촉하게 되어 진동이 발생하였을 때 골재의 맞물림에 의해 에너지가 소산되고 골재와 폴리우레탄의 계면에서도 에너지가 소산되기 때문인 것으로 판단된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	PU-PA-T 배합은 어떻게 제조되었는가?	3) 프리팩트 콘크리트 제조 방식과 유사하게 골재를 몰드에 채워 넣은 후 액상의 폴리우레탄을 골재 사이로 주입하여 제작한 PU-PA-T 배합의 감쇠비는 17.57%로 나타났다.
	폴리우레탄 기반 복합재료들의 감쇠비는 어떤 결과들을 나타냈는가?	실험을 통하여 시간 영역과 주파수 영역에서의 진동특성을 계측한 후 감쇠비를 계산하였다. 실험 결과, 고무분말을 혼입하여 폴리우레탄의 양이 각각 10.6%와 21.2% 줄어든 실험체들의 감쇠비는 순수한 폴리우레탄 실험체에 비하여 각각 8.4%와 4.6% 낮은 것으로 나타났다. 프리팩트 콘크리트 제조 방법과 유사한 방법으로 제조한 폴리우레탄 복합재료의 감쇠비는 순수 폴리우레탄에 비하여 22% 낮은 것으로 나타났지만 폴리우레탄 혼입량은 50% 감소하였으며, 강성은 25.7배 높은 것으로 나타났다.
	고무분말의 함량이 증가하면 감쇠성능이 증가하고 기계적 성질이 감소하게 된다. 그 이유는?	2010). 이는 고무분말 자체의 감쇠와 시멘트 페이스트 사이 계면에서의 감쇠에 의해 감쇠 성능이 증가하는 반면 강도 및 강성 측면에서 시멘트 페이스트에 비해 낮은 강도와 강성을 지닌 고무 분말이 결점으로 작용하기 때문이다. 따라서 고무의 감쇠 성능을 가지면서 콘크리트와 유사한 특성을 갖는 재료를 개발하거나 모재료의 성질이 고무와 유사한 성질을 갖는 경우 기존 연구에서 나타난 단점을 피할 수 있다.

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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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