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ISSN : 2093-5145(Print)
ISSN : 2288-0232(Online)
Journal of the Korean Society for Advanced Composite Structures Vol.6 No.2 pp.70-76
DOI : https://doi.org/10.11004/kosacs.2015.6.2.070

Influence of Measurements of Lathe Scrap on the Characteristics of Fiber Reinforced Cementitious Composites

Soon-Oh Kwon1, Su-Ho Bae2, Hyun-Jin Lee1, Sung-Wook Kim3, Jung-Jun Park4
1PhD., Candidate, Department of Civil Engineering, Andong National University, Andong, Korea
2Professor, Department of Civil Engineering, Andong National University, Andong, Korea
3Senior Researcher, Korea Institute of Civil Engineering and Building Technology (KICT), Goyang, Korea
4Senior Research Fellow, Korea Institute of Civil Engineering and Building Technology (KICT), Goyang, Korea

Corresponding author: Bae, Su-Ho Department of Civil Engineering, Andong National University, 1375 Gyeongdong-ro, Andong, Gyeongsangbuk-do 760-749, Korea Tel: +82-54-820-5896, Fax: +82-54-820-5896,shbae@andong.ac.kr
May 12, 2015 June 13, 2015 June 15, 2015

Abstract

It should be noted that the use of the lathe scrap for making fiber reinforced cementitious composites(FRCCs) raised friendly environmental effect as well as economy because the lathe scrap is a by-product of steel manufactures and is occurred when lathe and milling works of them are conducted to process steel manufactures. Thus, the purpose of this research is to investigate the effect of measurements of lathe scrap on the characteristics of FRCCs. For this purpose, various lathe scraps were collected from processing plants of metal, and then these were processed 10mm, 20mm, and 40mm in lengths for 2mm and 4mm in widths, respectively. FRCCs containing lathe scraps were made according to their widths and lengths, and then characteristics such as the workability, compressive strength, and flexural strength of those were evaluated. As a result, it was observed from the test results that the optimum measurements of the lathe scrap for manufacturing FRCCs was 2mm in width and 40mm in length.


섬유보강 시멘트 복합체의 특성에 미치는 선반 스크랩 규격의 영향

권 순오1, 배 수호2, 이 현진1, 김 성욱3, 박 정준4
1안동대학교 토목공학과 박사과정
2안동대학교 토목공학과 교수
3한국건설기술연구원 인프라구조연구실 선임연구위원
4한국건설기술연구원 인프라구조연구실 수석연구원

초록


    1.서 론

    콘크리트는 경제성 및 내구성이 우수한 건설재료 로서 강재와 더불어 콘크리트 구조물의 건설에 널 리 사용되고 있다. 그러나 콘크리트는 인장강도와 휨강도가 작고, 균열이 발생하기 쉬운 본질적인 결 함을 가지고 있으며, 또한 최근 고강도 콘크리트의 실용화에 따른 압축강도의 증가로 인해 콘크리트의 취성파괴(brittle failure)가 문제시되고 있다(Bae et al., 2014; Kim et al., 2013; Yang, 2010).

    이에 따라 콘크리트의 휨강도 및 인성을 개선시 켜서 취성파괴 등을 방지하기 위하여 일반 콘크리 트의 배합에 강섬유 및 유기섬유 등을 1% 정도로 혼입하여 제조하는 섬유 보강 콘크리트(fiber reinforced concrete)가 일부 콘크리트 구조물에 사 용되고 있다. 그러나, 섬유 보강 콘크리트는 일반 콘크리트의 배합에 강섬유나 유기섬유를 혼입하는 데, 이들은 고가이므로 보편적으로 사용하기에는 어 려운 실정이다(Ha et al., 2010).

    한편, 강 스크랩(steel scrap)은 강재 생산 및 가 공 과정에서 발생된 부산물로, KS D 2101(Classification Standard for Iron and Steel Scraps, 2011)에 따라 생철 스크랩, 노폐 스크랩, 선 반 스크랩 및 가공 스크랩으로 분류되는데, 이들은 철강산업의 부산물로 가격이 기존의 강섬유보다 훨 씬 저렴하고 원재료와 성분이 거의 유사하므로, 섬 유보강 시멘트 복합체(fiber reinforced cementitious composites, FRCCs) 제조시 이들을 활용할 경우 기 존의 강섬유 보강 시멘트 복합체와 거의 유사한 성 능을 유지하면서 경제성은 대폭 향상될 것으로 예 측된다(Bdour & Al-Khalayleh, 2010; Murali et al, 2012; Vijayakumar et al, 2012).

    본 연구의 목적은 섬유보강 시멘트 복합체 제조 시 선반 스크랩(lathe scrap)을 활용하기 위한 것인 데, 선반 스크랩은 금속의 선반 및 밀링작업시 발생 되며, 동일 종류의 금속 및 재질이라도 작업자의 작 업방식에 따라 선반 스크랩의 굵기와 길이가 달라 지므로, FRCCs 제조시 선반 스크랩을 활용하기 위 해서는 FRCCs 특성에 유리한 선반 스크랩의 규격 을 도출하여야 한다.

    따라서 본 연구에서는 선반 스크랩의 폭과 길이 를 변수로 하여 선반 스크랩 보강 시멘트 복합체의 특성을 규명한 후, FRCCs의 특성에 유리한 선반 스크랩의 규격과 혼입률을 제시하고자 한다.

    2.실험 개요

    2.1.사용 재료

    선반 스크랩 보강 시멘트 복합체를 제조하기 위하 여 시멘트는 시중에서 구입한 H사의 보통 포틀랜드 시멘트를 사용하였고, 잔골재는 경북 안동에서 생산된 낙동강산 하천사를 이용하였으며, 이들의 물리적 성질 은 Tables 1 및 2와 같다. 선반 스크랩 보강 시멘트 복합체의 유동성 조절을 위한 화학혼화제는 고강도 및 유동화 콘크리트용으로 사용되고 있는 S사의 폴리 카르본산계의 고성능 감수제(Superplasticizer, SP)를 사용하였다(Table 3). FRCCs 특성에 유리한 선반 스 크랩의 규격을 도출하기 위하여 서울특별시 영등포구 도림로에 위치한 기계 가공공장 밀집지역에서 선반 스크랩을 수집하였다. 수집된 선반 스크랩은 폭을 약 2, 4mm로 구분한 후, 이들 각각에 대해 길이 10, 20 및 40mm로 절단하여 시료를 준비하였으며(Fig. 1), 기본 물성은 Table 4와 같다.Table 2

    2.2.실험방법

    2.2.1.선반 스크랩의 규격에 따른 FRCCs의 특성 평가

    공시체 제작

    선반 스크랩 보강 시멘트 복합체를 제작하기 위 하여 Table 5와 같이 단위질량에 의한 배합비를 정 하였다. 물-결합재비(W/B)는 30%, 목표 플로값은 210±20mm로 설정하였고, 선반 스크랩은 폭 2mm, 4mm 각각에 대해서 길이 10mm, 20mm 및 40mm 로 변화시켰으며, 선반 스크랩 혼입률은 시멘트 복 합체 체적의 1.5%로 일정하게 하였다. KS L ISO 679(Methods of testing cements-Determination of strength, 2006)에 따라 Fig. 2와 같이 각주형 공시 체(40×40×160mm)를 제작하였으며, 제작된 공시체 는 성형 후 24시간 경과하여 몰드를 제거한 후 강 도시험 전까지 20±3°C의 온도로 습윤양생하였다.

    압축강도 시험

    선반 스크랩의 규격에 따른 FRCCs의 압축강도 특성을 평가하기 위하여 KS L ISO 679에 따라 Fig. 3과 같이 재령 7일 및 28일 압축강도 시험을 수행하였다.

    휨강도 시험

    선반 스크랩의 규격에 따른 FRCCs의 휨강도 특 성을 평가하기 위하여 KS L ISO 679에 따라 Fig. 4와 같이 재령 7일 및 28일 휨강도 시험을 수행하 였다.

    2.2.2.선반 스크랩의 최적 혼입률 도출실험

    공시체 제작

    ⌈2.2.1 선반 스크랩의 규격에 따른 FRCCs의 특 성 평가⌋로부터 FRCCs 특성에 유리한 선반 스크 랩의 규격을 도출한 후, 선반 스크랩 보강 시멘트 복합체의 작업성, 압축강도 및 휨강도 특성에 유리 한 선반 스크랩의 최적 혼입률을 제시하기 위하여 Table 6과 같이 단위질량에 의한 배합비를 정하였 다. 물-결합재비는 30%, 목표 플로값은 210±20mm 로 설정하였고, 선반 스크랩은 FRCCs의 특성에 유 리한 규격이 도출됨에 따라 폭 2mm, 길이 40mm로 고정시켰으며, 선반 스크랩 혼입률은 시멘트 복합체 체적의 0~2.5%까지 0.5%씩 변화시켰다. KS L ISO 679에 따라 각주형 공시체(40×40×160mm)를 제작하 였으며(Fig. 2), 제작된 공시체는 성형 후 24시간 경 과하여 몰드를 제거한 후 강도시험 전까지 20±3°C 의 온도로 습윤양생하였다.

    압축강도 시험

    ⌈2.2.1 선반 스크랩의 규격에 따른 FRCCs의 특 성 평가⌋의 압축강도 시험과 동일한 방법으로 수 행하였다.

    휨강도 시험

    ⌈2.2.1 선반 스크랩의 규격에 따른 FRCCs의 특성 평가⌋의 휨강도 시험과 동일한 방법으로 수행하였 다.

    3.실험결과 및 고찰

    3.1.선반 스크랩의 규격에 따른 FRCCs의 특성

    3.1.1.작업성

    Fig. 5는 선반 스크랩의 혼입률이 FRCCs 체적의 1.5%일 때, 폭 및 길이 변화에 따른 FRCCs의 작업 성을 평가하기 위한 고성능 감수제(SP) 첨가량을 나타낸 것으로, 선반 스크랩의 폭에 관계없이 선반 스크랩의 길이가 증가할수록 목표 플로값 (210±20mm)을 얻기 위한 고성능 감수제 첨가량이 다소 증가하므로, 선반 스크랩의 작업성은 선반 스 크랩을 혼입하지 않은 플레인 모르타르보다 다소 불리한 것으로 나타났다.

    선반 스크랩의 폭에 따른 고성능 감수제 첨가량 은 거의 일정하므로 선반 스크랩의 폭이 작업성에 미치는 영향은 거의 없는 것으로 나타났으며, 선반 스크랩의 길이가 증가하여도 선반 스크랩의 뭉침현 상은 없는 것으로 나타나, 선반 스크랩 보강 시멘트 복합체의 작업성은 그다지 문제가 없는 것으로 판 단된다.

    3.1.2.압축강도

    Fig. 6은 선반 스크랩의 폭 및 길이 변화에 따른 선반 스크랩 보강 FRCCs의 재령 7일 및 28일 압축 강도를 나타낸 것으로, 선반 스크랩의 폭에 관계없 이 선반 스크랩의 길이가 증가할수록 압축강도는 다소 감소하는 것으로 나타났으나, 유의할 수준은 아닌 것으로 나타났다. 또한, 섬유보강 시멘트 복합 체는 압축강도 증진보다는 휨강도 및 인성 개선 목 적으로 사용하므로, 선반 스크랩 보강 FRCC의 압 축강도가 약간 감소하여도 사용상 문제가 없는 것 으로 판단된다.

    3.1.3.휨강도

    Fig. 7은 선반 스크랩의 폭 및 길이 변화에 따른 FRCCs의 재령 7일 및 재령 28일 휨강도를 나타낸 것으로, 선반 스크랩의 폭에 관계없이 선반 스크랩 의 길이가 증가함에 따라 휨강도가 증가하는 것으 로 나타났다. 또한 이 같은 경향은 선반 스크랩의 폭이 작은 경우가 보다 뚜렷한 것으로 나타났다.

    3.2.FRCCs의 특성에 유리한 선반 스크랩의 규 격

    선반 스크랩 보강 FRCCs의 작업성 및 압축강도 는 선반 스크랩의 길이가 증가할수록 다소 불리한 것으로 나타났으나, 유의할 수준은 아닌 것으로 나 타났으며, 선반 스크랩 보강 FRCCs의 휨강도는 선 반 스크랩의 길이가 길수록 증가하고, 선반 스크랩 의 길이가 동일한 경우 폭이 작은 경우가 보다 증 가하는 것으로 나타났다. 따라서, 본 연구에서 사용 된 선반 스크랩의 폭은 2mm, 4mm이고, 길이는 10mm, 20mm및 40mm 이므로, 이들 중 FRCCs 특 성에 유리한 선반 스크랩의 최적 규격은 폭 2mm, 길이 40mm로 나타났다.

    3.3.선반 스크랩의 최적 혼입률

    3.3.1.작업성

    Fig. 8은 물-결합재비 30%의 경우, 선반 스크랩 보 강 FRCCs의 선반 스크랩의 혼입률에 따른 고성능 감 수제 첨가량을 나타낸 것이다. 선반 스크랩의 혼입률 1.0%까지는 목표 플로값(210±20mm)을 얻기 위한 고 성능 감수제 첨가량이 플레인과 유사한 것으로 나타났 으나, 선반 스크랩의 혼입률이 1.5%부터 선반 스크랩 의 혼입률이 증가할수록 고성능 감수제 첨가량이 다소 증가하는 것으로 나타나, 작업성이 다소 불리한 것으 로 나타났으며, 선반 스크랩의 혼입률 2.0% 이상인 경 우 섬유 뭉침현상이 발생하는 것으로 나타났다.

    3.3.2.압축강도

    Fig. 9는 선반 스크랩 보강 FRCCs의 선반 스크 랩의 혼입률에 따른 재령 28일 압축강도를 나타낸 것으로, 선반 스크랩의 전 혼입률에서 플레인 모르 타르보다 증가하는 것으로 나타났으며, 선반 스크랩 의 혼입률 1.5%에서 최대 압축강도를 발현하는 것 으로 나타났다.

    3.3.3.휨강도

    Fig. 10은 선반 스크랩 보강 FRCCs의 선반 스크 랩의 혼입률에 따른 재령 28일 휨강도를 나타낸 것 으로, 선반 스크랩 보강 FRCCs의 휨강도는 혼입률 에 관계없이 플레인 모르타르보다 증가하며, 선반 스크랩 혼입률 1.5%까지 혼입률에 따라 증가하다가 그 이후로는 감소하는 것으로 나타났다. 또한, 선반 스크랩의 혼입률 1.5%에서 최대 휨강도를 나타내며, 이 때 휨강도는 플레인 모르타르의 약 1.3배 개선되 는 것으로 나타났다.

    3.3.4.선반 스크랩의 최적 혼입률

    선반 스크랩 보강 FRCCs는 선반 스크랩의 혼입 률 1.5%에서 최대 휨강도를 나타내며, 이 때 선반 스크랩의 뭉침현상은 나타나지 않았으므로, 작업성 과 휨강도를 고려한 선반 스크랩의 최적 혼입률은 1.5%로 나타났다(Figs. 8, 10).

    4.결 론

    섬유보강 시멘트 복합체 제조를 위한 선반 스크 랩의 활용 방안을 제시하기 위하여 선반 스크랩의 규격에 따른 FRCCs의 특성을 평가한 결과로부터 다음과 같은 결론을 얻었다.

    1. 선반 스크랩의 규격에 따른 선반 스크랩 보강 FRCCs의 작업성은 선반 스크랩의 폭에 관계없이 선반 스크랩의 길이가 증가할수록 목표 플로값 (210±20mm)을 얻기 위한 고성능 감수제 첨가량이 다소 증가하므로, 선반 스크랩의 작업성은 플레인 모르타르보다 다소 불리한 것으로 나타났으나, 유의 할 수준은 아닌 것으로 판단된다.

    2. 선반 스크랩의 규격에 따른 선반 스크랩 보강 FRCCs의 재령 7일 및 28일의 압축강도는 선반 스 크랩의 폭에 관계없이 선반 스크랩의 길이가 증가 할수록 압축강도는 다소 감소하는 것으로 나타났으 나, 유의할 수준은 아닌 것으로 나타났다. 또한, 섬 유보강 시멘트 복합체는 압축강도 증진보다는 휨강 도 및 인성 개선 목적으로 사용하므로, 선반 스크랩 보강 FRCC의 압축강도가 약간 감소하여도 사용상 문제 가 없는 것으로 판단된다.

    3. 선반 스크랩의 규격에 따른 선반 스크랩 보강 FRCCs의 재령 7일 및 28일의 휨강도는 선반 스크 랩의 폭에 관계없이 선반 스크랩의 길이가 증가함 에 따라 증가하는 것으로 나타났으며, 이 같은 경향 은 선반 스크랩의 폭이 작은 경우가 보다 뚜렷한 것으로 나타났다.

    4. 본 연구에 사용된 선반 스크랩의 폭은 2mm, 4mm이고, 길이는 10mm, 20mm 및 40mm이므로, 이들 중 FRCCs 특성에 유리한 선반 스크랩의 최적 규격은 폭 2mm, 길이 40mm로 나타났다.

    5. 선반 스크랩 보강 FRCCs는 선반 스크랩의 혼 입률 1.5%에서 최대 휨강도를 나타내며, 이 때 선반 스크랩의 뭉침현상은 나타나지 않았으므로, 작업성 과 휨강도를 고려한 선반 스크랩의 최적 혼입률은 1.5%로 나타났다.

    Figure

    KOSACS-6-70_F1.gif

    Lathe Scraps Chopped

    KOSACS-6-70_F2.gif

    FRCCs Specimens for Compressive and Flexural Strength Tests

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    Compressive Strength Test of FRCCs

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    Flexural Strength Test of FRCCs

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    Dosage of SP of FRCCs with Measurements of Lathe scrap

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    Compressive Strength of FRCCs with Measurements of Lathe Scrap

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    Flexural Strength of FRCCs with Measurements of Lathe Scrap

    KOSACS-6-70_F8.gif

    Dosage of SP of FRCCs with Lathe Scrap Content

    Compressive Strength of FRCCs with Lathe Scrap Content

    KOSACS-6-70_F10.gif

    Flexural Strength of FRCCs with Lathe Scrap Content

    Table

    Physical Properties of Cement

    Physical Properties of Fine Aggregate

    Properties of Chemical Admixture

    Physical Properties of Lathe Scrap

    Mix Proportions of FRCCs with Different Width and Length of Lathe Scrap

    W: Water, B: Binder, S: Fine aggregateW: Water, B: Binder, S: Fine aggregate

    Mix Proportions of FRCCs with Lathe Scrap Content

    Reference

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