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ISSN : 2093-5145(Print)
ISSN : 2288-0232(Online)
Journal of the Korean Society for Advanced Composite Structures Vol.11 No.3 pp.25-31
DOI : https://doi.org/10.11004/kosacs.2020.11.3.025

Study on Optimized PVA Fiber-Volume Fraction for Polymer Cement Mortar

Sardorbek Rustamov1, Sang-Woo Kim1, Min-Ho Kwon2, Jin-Sup Kim3
1Master Student, Department of Civil Engineering, Gyeongsang National University, Jinju, Korea
2Professor, Department of Civil Engineering, Gyeongsang National University, Jinju, Korea
3Assistant Professor, Department of Civil Engineering, Gyeongsang National University, Jinju, Korea

본 논문에 대한 토의를 2020년 07월 31일까지 학회로 보내주시면 2020년 08월호에 토론결과를 게재하겠습니다.


Corresponding author: Kim, Jin-Sup Department of Civil Engineering, Gyeongsang National University, Jinju, 52828, Korea. Tel: +82-55-772-1791, Fax: +82-55-772-1799 E-mail: jinsup.kim@gnu.ac.kr
May 21, 2020 June 1, 2020 June 5, 2020

Abstract


The purpose of this study is to provide guidelines for the production of fiber-reinforced polymer cement mortar by examining the material properties according to the amount of fiber incorporated. PVA fiber was applied to improve the tensile performance of polymer cement mortar. Hydrophilic synthetic resin (SR) was used for the production of polymer cement mortar. The (Water+Synthetic Resin)/Cement ratio was fixed as a variable used in the experiment(35%), and the substitution ratio of the synthetic resin to the specimen was used differently(15%, 30%, 45%, 60%, 75%). The amount of PVA fiber was tested by mixing 0%, 1%, and 2% of each specimen, and compressive strength, split tensile strength, and flexural strength tests were performed on each specimen. It was confirmed that when PVA fiber was incorporated into the polymer cement mortar, the tensile and the flexural strengths were increased. Therefore, it is considered that the results of this study can form a manufacturing guideline for mixing PVA fiber to improve the tensile performance of polymer cement mortar incorporating synthetic resin.



폴리머 시멘트 모르타르의 최적 PVA 섬유 혼합비 연구

루스타모브 사르도르벡1, 김 상우1, 권 민호2, 김 진섭3
1경상대학교 토목공학과 석사과정
2경상대학교 토목공학과 교수
3경상대학교 토목공학과 조교수

초록


본 연구에서는 폴리머 시멘트 모르타르의 인장성능을 개선하기 위하여 PVA 섬유를 적용하고자 하였다. PVA 섬유 혼입량에 따른 재료특성을 검토하여, 섬유보강 폴리머 시멘트 모르타르의 제조 가이드라인을 제공하고자 하였다. 폴리머 시멘트 모르타르의 제조를 위하여 친수성의 합성수지(SR)를 사용하였다. 실험에 사용된 변수로 (W+SR)/C비를 고정하여, 사용물에 대한 합성수지의 치환율을 일정하게 증가시켜 사용하였다. PVA 섬유의 혼입량은 각각의 실험체에 0%,1%,2%를 혼입하여 실험을 수 행하였다. 재료특성 실험으로는 압축강도시험, 쪼갬 인장강도시험, 휨 강도 시험을 수행하였다. 폴리머 시멘트 모르타르에 PVA 섬유를 혼입하면 쪼갬 인장강도 및 휨 강도가 증가하는 것을 확인 하였다. 따라서, 본 연구결과는 합성수지 혼입 폴리머 시멘트 모르타르의 인장성능 개선을 위한 PVA섬유 혼입시 제조 가이드라인으로 활용이 가능할 것으로 판단된다.



    Ministry of Land, Infrastructure and Transport
    20CTAP-C157156-01

    1. 서 론

    최근 국내에서는 건설 산업의 발전과 사회 발전으로 인해 도로, 항만, 교량과 같은 사회 기반 시설물들이 급속하게 증가하였다. 하지만 이러한 구조물들의 증 가와 경제 성장으로 인해 환경적 오염과 산업화에 따른 각종 유해 요인들이 발생하였다. 그 결과 현재 구조물들의 노후화 및 성능저하를 가져와 내구성에 대한 문제가 빈번히 발생하고 있다. 따라서 현재 국⋅ 내외적으로 구조물의 보수⋅보강에 대한 관심이 증 가하고 있다. 시멘트 모르타르와 콘크리트는 현재 가장 널리 이용되고 있는 건설재료이다. 하지만 이 들은 휨인성, 접착성, 내약품성 등의 결점을 가지고 있다. 콘크리트는 취성적 특성과 낮은 인장강도를 가지고 있다. 취성적 특성과 낮은 인장강도의 개선 및 콘크리트 균열제어를 위하여 토목섬유를 활용한 연구들이 1960년대 후반부터 꾸준히 연구되어 왔다 (Yang, 2010;Qian & Stroeven, 2000).

    폴리머 시멘트 모르타르는 내수성, 내약품성, 접 착성 등 물리적 성질이 우수하고 경화시간이 빠른 장점이 있다(Joo et al., 2004;Hyung et al., 2005;Kim et al., 2007). 따라서 고성능이 요구되는 건물이나 구 조물의 외장재, 포장재, 코팅재, 보수 보강재와 피복 마감재 등으로 다양하게 사용되고 있다(Ohama et al., 1991;ACI committee 548, 1992;Hwang et al., 1994;Kwon et al., 2013). 폴리머 시멘트 모르타르의 결합 재인 수지는 사용량이 작을 경우에는 경화 수축량이 적은 반면 강도가 낮다. 반대로 수지의 사용량이 많 을 경우에는 경화 수축량이 많을 뿐 아니라 수축균 열이나 내부에 수축응력이 잔존하게 되어 파괴강도 가 감소한다. 그리고 폴리머 시멘트 모르타르는 폴 리머-시멘트비의 증가에 따라 강도가 증가하는 경우, 감소하는 경우, 최대치를 나타내는 경우가 있다. 일 반적으로는 압축강도보다는 인장강도나 휨강도가 향 상되는 것으로 알려져 있다(Ohama, 1984;Li, 2002). 때문에 수지 사용량이 각각의 사용목적에 맞는 강도 발현을 위한 매트릭스를 형성하기에 필요 이상으로 사용되면 여러 측면에서 바람직하지 못하므로 수지 의 최적사용량을 결정하는 것이 매우 중요한 관건이 다. 특히 수지는 고가이므로 경제적인 측면에서도 사용목적에 맞는 적절한 수지량을 찾는 것이 매우 중요하다. 또한 국내⋅외 연구에 의하면 폴리머 시 멘트 모르타르에 섬유를 혼입으로 휨 인성이 증대하 는 경향을 나타낸다고 알려져 있다(Kim, 2006;DePuy, 1996;Ohama, 1973;Soh et al., 1991). 따라서 본 연구에서는 폴리머 시멘트 모르타르의 인장성능 을 개선하기 위하여 토목섬유인 PVA 섬유를 적용하 고자 하였다. PVA 섬유의 최적 혼합비를 검토하기 위하여, 합성수지의 함유량과 PVA(Polyvinyl Alcohol) 섬유의 혼입비를 다르게 하여 시험체를 제작하였다. PVA 섬유의 함유량과 합성수지의 함유량에 따른 재 료특성을 실험을 통하여 평가하였다. 실험결과를 바 탕으로 섬유보강 폴리머 시멘트 모르타르의 사용 목 적에 따른 최적의 섬유 혼입량을 검토하고, 섬유보 강 폴리머 시멘트 모르타르의 현장 적용을 위한 기 초자료로 활용하고자 한다.

    2. 사용재료

    2.1 합성수지

    본 연구에서 사용한 폴리머 결합재는 합성수지 (Synthetic Resin, SR)를 사용하였으며, 구성성분은 Table 1과 같다.

    2.2 시멘트

    본 실험에서 사용된 시멘트는 KS L 5201 규정된 보 통 포틀랜드 시멘트를 사용하였으며, 구성 성분은 Table 2와 같다.

    2.3 잔골재

    잔골재는 주문진산 표준사를 사용하였으며 재료의 공학적 특성은 Table 3과 같다.

    2.4 PVA 섬유

    섬유보강 시멘트 모르타르의 제작을 위하여 PVA 섬 유를 사용하였다(Fig. 1). PVA섬유는 섬유표면을 친 수성 재료로 화학적 처리하여 배합 시 시멘트 모르 타르에서 분산이 잘 발생한다. PVA 섬유의 물리적 특성은 Table 4와 같다.

    2.5 혼화제

    섬유의 효과적인 분산과 공기량을 조절하기 위하여 유동화제(PCSP)와 증점제 (HPMC), 소포제(Defoamer)를 혼화제로 첨가하였다.

    2.6 배합

    본 연구에서 모르타르 배합시험은 40L 믹서기를 이 용하였으며 시멘트와 표준사의 비율을 1:1로 하였다. (W+SR)/C의 비는 35%로 일정하게 고정하였으며, W+SR에서 수지 혼입량은 15%에서 75%까지 15%씩 일정하게 증가시켜 치환 배합하였다. PVA 섬유는 각각 0%, 1%, 2%를 혼입하였다. 합성수지 함유 섬 유보강 시멘트 모르타르의 배합을 위해 40L 용량의 혼합기를 사용하였다. 실험에 관한 배합설계는 다음 Table 5와 같으며, 배합 순서는 Fig. 2의 순서와 같다.

    본 연구에서는 SR 혼입량이 다른 각 실험체의 PVA 섬유의 혼입량에 따른 재료적 특성을 검토하기 위하여 각 변수의 혼입량이 다른 실험체를 제작하였 다. SR은 혼입은 물에 대한 치환비율을 달리 하여 제조하였으며, SR의 치환량에 따라 실험체의 이름을 SR15, SR30, SR45, SR60, SR75으로 명명하였다. 합 성수지 혼입량에 따른 실험체의 설계결과를 Table 6. 에 정리하였다.

    2.7 실험체의 제작

    실험체 제작 계획은 Table 7과 같다. 압축강도용 공 시체(Compressive Strength)는 실험 방법 KS L 5105에 준하여 50mm 입방체 큐빅 몰드에 1/3씩 넣어 다짐 을 하여 제작하였다. 쪼갬 인장강도용 공시체(Split Tension Strength)는 실험 방법 KS F 2423에 따라 100mm×200mm인 실린더형 몰드에 1/3씩 넣어 다짐 막대로 매 12회씩 다져 공시체를 제작하였다. 휨강 도용 공시체(Flexural Strength)는 실험 방법 KS F 2408에 따라 100mm×100mm×500mm 빔형 몰드에 1/2 씩 넣고 다짐막대로 매 25회씩 다져 모르타르를 제 작하였다. 각 공시체는 3개씩 제작하였으며 양생은 수중양생을 실시하였다. 재령일은 28일을 기준으로 하였다. Fig. 3은 실험체 제작사진이다.

    3. 실험결과 및 분석

    실험체에 대한 강도 시험은 300kN U.T.M을 이용하 였으며 압축 강도 시험은 KS F 2405, 쪼갬 인장 강 도 시험은 KS F 2423, 휨 강도 시험은 KS F 2408을 참고하여 시행 하였다. Fig. 4는 각 시험에 따른 실 험체 파괴거동을 나타내고 있다.

    3.1 압축강도

    Fig. 5는 PVA 섬유 혼입량과 합성수지 혼입량에 따른 각 실험체의 압축강도결과를 나타내고 있다. 먼저 PVA의 혼입량에 따른 SR15의 압축강도는 PVA 혼입 량 2%까지 혼입량이 증가할수록 강도도 증가하는 경 향을 나타내었다. SR30의 압축강도는 PVA 섬유의 혼 입량이 1%인 경우 감소하지만 2%의 경우에서는 가장 높은 강도를 나타냈다. SR45, SR60, SR75 모두 PVA를 1% 혼입하였을 때 압축강도가 감소하였지만, 2% 혼입 한 경우 1% 혼입한 실험체보다 압축강도가 증가하는 것을 확인하였다. 하지만 SR15와 SR30의 실험체와 달 리 PVA 섬유를 혼입하지 않은 실험체보다 강도는 낮 게 나타났다. PVA 섬유 혼입량에 따른 각 실험체의 압축강도 시험결과는 Table 8에 정리하였다.

    SR 혼입량과 PVA 섬유의 혼입량에 따른 압축강 도의 경향을 비교하여 보면, PVA 섬유를 1% 혼입한 경우 압축강도가 감소하나, PVA 섬유의 혼입량이 증가할수록 압축강도도 증가하여, 혼입하지 않았을 때의 압축강도정도로 나타나고 있다. 인장강도 개선 을 위하여 고려되는 PVA 섬유의 혼입으로 압축강도 는 감소하는 경향이 나타났다.

    3.2 쪼갬 인장강도

    Fig. 6은 PVA 섬유 혼입량과 합성수지 혼입량에 따 른각 실험체의 쪼갬 인장강도를 비교하고 있다. PVA 섬유의 혼입량에 따른 SR15의 쪼갬 인장강도 는 PVA 섬유 혼입량 2%까지 혼입량이 증가할수록 강도도 증가하는 경향이 나타났다. PVA 섬유 혼입 량이 2%인 경우에서 가장 높은 쪼갬인장 강도가 발 생하였다. SR30, SR45, SR60. SR75 또한 PVA 섬유 혼입량 증가에 따라 쪼갬 인장강도가 증가하는 경향 이 나타났다. PVA 혼입량에 따른 각 실험체의 쪼갬 인장강도 시험결과는 Table 9에 정리하였다.

    PVA 섬유의 혼입에 따른 쪼갬인장강도 결과, PVA 섬유의 혼입으로 쪼갬인장강도가 증가하는 것 을 알 수 있다. 혼입량의 증가에 따라서 거의 유사 한 증분치를 나타내고 있다.

    3.3 휨 강도

    Fig. 7은 PVA 섬유 혼입량과 합성수지 혼입량에 따 른 각 실험체의 휨 강도결과를 나타내고 있다. PVA 섬유 혼입량에 따른 SR15, SR30, SR45, SR60. SR75 의 휨강도는 PVA 혼입량 2%까지 혼입량이 증가할 수록 휨 강도도 증가하는 경향이 나타났다. PVA 혼 입량에 따른 각 실험체의 휨 강도 시험결과는 Table 10에 정리하였다.

    PVA 섬유의 혼입에 따른 휨 인장강도 결과, PVA 섬유의 혼입으로 휨 인장강도가 증가하는 것을 알 수 있다. 혼입량의 증가에 따라 약2배 증가하는 것으로 나타났다. 합성수지의 혼입량과 PVA섬유의 혼입량이 증가할수록 증가하는 경향이 나타났다.

    5. 결 론

    본 연구에서는 폴리머 시멘트 모르타르의 인장성능 을 개선하기 위하여 토목섬유인 PVA 섬유를 적용하 고자 하였다. PVA 섬유의 최적 혼합비를 검토하기 위하여, 합성수지의 치환량과 PVA섬유의 혼입비를 다르게 하여 시험체를 제작하였다. PVA 섬유의 혼 입량과 합성수지의 치환량에 따른 재료특성을 실험 을 통하여 평가하였다. 실험결과, 압축강도의 경우 PVA 섬유의 혼입으로 강도가 감소하였다. 하지만 PVA 섬유의 혼입량이 증가할수록 압축강도가 증가 하였다. 쪼갬 인장강도와 휨 강도는 PVA 섬유의 혼 입여부와, PVA 섬유의 혼입량 증가에 따라 증가하 였다. PVA섬유를 1% 혼입할 경우 압축강도가 다소 감소되는 경향이 있지만, PVA 섬유의 혼입량이 증 가할수록 쪼갬인장강도와 휨강도가 개선됨을 확인하 였다. 특히, 휨 인장강도의 개선이 뚜렷하게 발생하 였다. 또한, 압축강도도 PVA 섬유의 혼입전 강도를 유지하는 것으로 나타났다. 본 연구결과, 합성수지를 사용한 폴리머 시멘트 모르타르의 인장강도 및 휨강 도 개선을 위한 PVA 섬유의 최적 혼입비는 함성수 지 75% 치환율일 경우 PVA 2%가 최적의 혼입비로 판단된다. 또한, 내구성능과 인장성능이 요구되는 폴 리머 시멘트 모르타르의 제조 시 PVA섬유의 혼입량 에 대한 가이드라인으로 사용이 가능할 것으로 판단 된다.

    ACKNOWLEDGMENT

    본 연구는 국토교통부/국토교통과학기술진흥원의 지 원으로 수행되었음(과제번호: 20CTAP-C157156-01).

    Figure

    KOSACS-11-3-25_F1.gif
    PVA Fiber
    KOSACS-11-3-25_F2.gif
    Mixing Procedure
    KOSACS-11-3-25_F3.gif
    Mixing and Make Specimen
    KOSACS-11-3-25_F4.gif
    Material Test
    KOSACS-11-3-25_F5.gif
    Compressive Strength
    KOSACS-11-3-25_F6.gif
    Splitting Tensile Strength
    KOSACS-11-3-25_F7.gif
    Flexural Strength

    Table

    Synthetic Resin
    Constityents of Portland Cement
    Engineering Characteristics of Standard Sand
    Physical Properties of PVA Fiber
    Mix Design
    Specimen Design
    Specimen Plan
    Summary of Compressive Strength Results
    Summary of Splitting Tensile Strength Results
    Summary of Flexural Strength Results

    Reference

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