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ISSN : 2093-5145(Print)
ISSN : 2288-0232(Online)
Journal of the Korean Society for Advanced Composite Structures Vol.11 No.6 pp.54-62
DOI : https://doi.org/10.11004/kosacs.2020.11.6.054

Mechanical Properties of Cement Composites According to Plastic Aggregate Types Substituted to Artificial Lightweight Aggregates

Hyeon-Uk Cheon1, Jamshid Ruziev1, Heon-Seok Lee2, Yong-Hak Kang3, Woo-Suk Kim4
1Master Student, Department of Architectural Engineering, Kumoh National Institute of Technology, Gumi, Korea
2Ph.D. Student, Department of Architectural Engineering, Kumoh National Institute of Technology, Gumi, Korea
3Senior Research Engineer, Daegu & Gyeongbuk Branch Yeungnam Division, Korea Conformity Laboratories, Daegu, Korea
4Associate Professor, School of Architecture, Kumoh National Institute of Technology, Gumi, Korea

본 논문에 대한 토의를 2021년 01월 31일까지 학회로 보내주시면 2021년 02월호에 토론결과를 게재하겠습니다.


Corresponding author:Kim, Woo-Suk School of Architecture, Kumoh National Institute of Technology 61 Daehak-ro, Gumi, Gyeongbuk 39177, Korea Tel: +82-54-478-7591, Fax: +82-54-478-7609 E-mail: kimw@kumoh.ac.kr
October 12, 2020 October 25, 2020 October 27, 2020

Abstract


Recently, as the construction of civil structures has increased, so has the demand for lightweight, high-strength structures. In the case of conventional lightweight cement composites, the unit volume weight can be lowered, but this leads to reduced strength. Generally, a lightweight composite can be created by mixing in a lightweight aggregate when combining cement composites. Various cement complexes use artificial lightweight aggregates, such as rubber aggregates and plastic pellets; of these, plastic sticks can secure the strength of the relatively high-strength aggregate, but the surface properties of the material make it disadvantageous to attach to the cement paste. In this study, cement composites using various types of plastic were produced and tested to determine the types of plastic most suitable as aggregates. The results confirm that the physical performance of the cement composites changes according to the specific gravity and/or surface of each plastic aggregate.



인공 경량골재로 치환된 플라스틱 골재 종류에 따른 시멘트 복합체의 역학적 성질에 관한 연구

천 현욱1, Ruziev Jamshid1, 이 헌석2, 강 용학3, 김 우석4
1금오공과대학교 건축공학과 석사과정
2금오공과대학교 건축공학과 박사과정
3한국건설생활환경시험연구원 책임연구원
4금오공과대학교 건축학부 부교수

초록


최근에는 대규모 건축 및 토목 구조물로 인해 건설 부재의 고강도 및 경량화에 대한 요구가 높아지고 있다. 기존의 경 량 시멘트 복합체의 경우 단위 체적 중량이 낮아질 수 있으나 강도 저하 문제가 발생한다. 일반적으로 경량화를 위해서는 시멘 트 복합체를 배합할 때 일반 경량골재와 고무경량골재, 플라스틱 펠릿 등 다양한 인공 경량골재를 이용한 시멘트 복합체를 혼 합하여 경량화를 확보할 수 있다. 이 중 시멘트 복합체의 인공 경량골재로 플라스틱을 사용하면 상대적으로 골재 자체의 강도 를 확보할 수 있지만 재료의 표면 특성으로 인해 시멘트 페이스트에 부착하는 데 불리하고 골재로서의 사용이 불리하다. 이에 본 연구에서는 골재로 가장 적합한 플라스틱의 유형을 선택하기 위해 다양한 유형의 플라스틱 시멘트 화합물을 변수로 하여 실 험을 진행하였고 실험 결과 플라스틱의 비중이나 표면 재질에 의해서 시멘트 복합체의 물리적 성질이 변화하는 것을 확인할 수 있었다.



    Ministry of Land, Infrastructure and Transport(MOLIT)
    20CTAP-C157795-01

    1. 서 론

    최근 건축⋅토목 구조물의 대형화⋅초고층화로 인해 건설 부재의 고강도 및 경량성 확보에 대한 요구가 늘어나고 있다. 기존의 경량 시멘트 복합체는 일반 적으로 경량화를 위해 시멘트 복합체 배합 시 경량 골재를 혼입하여 경량성을 확보할 수 있으며, 폐타 이어를 활용한 고무 경량골재, 소성 점토 칩, 폐유리 분말 표면 코팅 및 바텀애시 등 다양한 인공 경량골 재를 활용한 시멘트 복합체에 관한 연구가 활발하게 진행되고 있다(Sim et al., 2010;Lee et al., 2018;Choi et al., 2018;Priyanka et al., 2020;Miller & Tehrani., 2017;Li et al., 2020). 기존의 경량 시멘트 복합체의 경우 단위용적 중량을 낮출 수는 있지만, 이에 따라 강도가 저하되는 문제가 발생한다. 그중 플라스틱 펠릿을 골재를 시멘트 복합체용인공 경량 골재로서 활용할 경우 골재 자체의 비교적 높은 강 도를 확보할 수 있지만 재료의 표면 성질로 인해서 시멘트 페이스트와의 부착에 불리한 조건을 갖는다 (Lee et al., 2019).

    이에 본 연구에서는 플라스틱 펠릿을 시멘트 복 합체에 골재의 형식으로 혼입하였고 여러 가지 플라 스틱 종류(PP, PC, PE, LDPE, HDPE, ABS)에 따라서 시멘트 복합체의 물리적 성질이 다르게 나타나는 것 을 확인하고자 한다. 이에 따라 플라스틱 펠릿을 이 용한 시멘트 복합체의 성능 확보에 가장 용이한 플 라스틱 펠릿의 종류를 선택하기 위한 실험을 수행하 고자 한다(Maghfouri et al., 2020;Huang et al., 2019).

    플라스틱 펠릿의 경우 시멘트 복합체에 적용하기 위해서는 여러 가지 보완해야 할 부분이 존재한다. 첫 번째로 전술한 바와 같이 플라스틱 펠릿의 표면 성질이 시멘트 페이스트와 접착력이 저하되는 문제 점이 있고, 플라스틱 펠릿의 종류에 따라 다소 차이 는 있지만 플라스틱 펠릿 자체의 비중이 물이나 시 멘트 페이스트와 비교해도 다소 낮은 값을 나타내기 에 재료 분리에 대해서도 검토를 할 필요가 있다. 이러한 문제점들을 개선하기 위해서 감마선 조사기 술을 통한 가교결합을 통해서 재료 자체의 표면을 시멘트 페이스트와의 부착성능을 증가시키는 방법에 대한 기초 실험 및 재료분리를 발생시키지 않기 위 한 다양한 배합비 등을 검토하였다. 그리고 이에 따 른 시멘트 복합체의 역학적 성질에 관한 연구를 수 행하고자 한다(Kim et al., 2011).

    2. 실 험

    2.1 사용재료

    실험에 사용된 시멘트는 KS L 5201(포틀랜드 시멘 트의 물리 성능)을 만족하는 1종 보통 포틀랜드 시 멘트를 사용하였으며 그 특성은 Table 1과 같다. 시 멘트 복합체에 사용하는 잔골재는 ISO 표준사를 사 용하였으며 시멘트 복합체의 경량화를 위해서 치환 혼 입하는 플라스틱 펠릿은 압출 처리된 PP (Polypropylene), PE(Polyethylene), PC(Polycarbonates), ABS(Acrylonitrile butadiene styrene copolymer), LDPE (Low Density Polyethylene), 사출 처리된 HDPE (High Density Polyethylene)을 사용하였다. 각 플라스틱 펠릿의 종 류별 비중은 Table 2에 나타내었고, 각 플라스틱 펠 릿의 형상은 Fig. 1에 나타내었다.

    2.2 시멘트 복합체 배합

    시멘트 복합체의 배합에는 KS L ISO 679의 표준 배 합을 적용하였으며, 배합표는 Table 3과 같다. 플라 스틱 펠릿은 압출 처리된 PP, PE, PC, ABS, HDPE, LDPE와 사출 처리된 HDPE를 모두 사용재료의 밀도 등을 고려하여 플라스틱 펠릿의 종류별로 50% 치환 하여 플라스틱 펠릿의 종류에 따른 시멘트 복합체의 영향에 대하여 평가하였다. 시멘트 복합체 배합방법 은 Fig. 2와 같고 선행된 연구에 의한 배합방법을 참 조하였다(Lee et al., 2014;Roh et al., 2016;Lee et al., 2017;Chung et al., 2019).

    2.3 실험계획 및 방법

    굳지 않은 시멘트 복합체에 대해 KS L 5111(수경성 시멘트 시험용 플로테이블)에 따라 슬럼프 플로우 시험을 진행하였으며, 경화된 시멘트 복합체는 KS L ISO 679에 따라서시멘트 복합체의 압축강도 및 휨강 도 실험을 수행하였다. 휨성능 평가 시험체가 완전 히 파괴된 후 각 시험체 단면의 플라스틱 펠릿의 분 포를 통해 재료분리 저항성에 대해서 평가하고, 단면 에 나타난 플라스틱 펠릿의 분포된 정도에 따라서 재료 분리 분포 특성에 대한 분석을 수행하였다(Park et al., 2007).

    2.3.1 플로우 성능 평가

    플로우 성능은 Fig. 3과 같이 KS L 5111에 따라 플 로우 측정용 테이블을 이용하여 평가하였으며 시멘 트 복합체의 재료 분리 저항성은 플로우 측정용 테 이블 상의 굳지 않은 시멘트 복합체의 분포가 고른 지 고르지 않은지의 정도에 따라서 평가하였다.

    2.3.2 휨강도 평가

    휨강도 평가실험은 KS L ISO 679에 따라 시험체를 변수당 12개씩 제작하여 3일, 7일, 28일 양생과 증기 양생을 한 시험체의 휨강도 실험을 수행하였다. 시 험체의 크기는 40×40×160mm이며 하중은 2등분점 중 앙부에 하중제어방식으로 3kN/min의 속도로 재하하 였다. 플라스틱 펠릿의 종류에 따른 연성 거동을 평 가하기 위해, 최대강도 이후 최대강도의 80% 이하로 감소할 때까지 하중재하를 지속하였다(Kwon et al., 2016). 실험 모식도 및 전경은 Fig. 4, 5와 같다.

    휨강도는 KS L ISO 679의 2등분점 하중의 휨강도 계산식 (1)로 계산하여 유효 숫자 2자리까지 구하였다.

    f r = 1.5 P l b h 2
    (1)

    여기서,

    • P : Flexural load (N)

    • l : Span length (mm)

    • b : Width of section (mm)

    • h : Height of section (mm)

    2.3.3 압축강도 평가

    압축강도 평가실험은 KS L ISO 679에 따라 시험체 를 변수당 12개씩 제작하여 3일, 7일, 28일 양생과 증기양생을 한 압축강도 실험을 수행하였다. 시험체 의 크기는 40×40×40mm이며 하중제어방식으로 90 kN/min의 속도로 하중을 재하하였다. 실험 모식도 및 전경은 Fig. 6, 7과 같다.

    압축강도는 KS L ISO 679의 시험식에 따라서 압 축강도 계산식 (2)로 계산하여 유효숫자 2자리까지 계산하였다.

    f c k = P A
    ...(2)

    여기서,

    • P : Compressive load (N)

    • A : Area of auxiliary plate (mm2)

    3. 실험결과 및 고찰

    3.1 유동성 및 재료 분리 저항성

    3.1.1 유동성

    Table 4와 Fig. 8은 플라스틱 펠릿의 종류에 따른 시 멘트 복합체의 슬럼프 플로우값을 통해 유동성 측정 결과를 나타낸 것이다. 슬럼프 플로우 실험결과 205∼ 230 mm의 범위로 나타났으며, 플라스틱 펠릿의 종 류별로 잔골재의 형태로 50% 치환하였을 때의 모든 시멘트 복합체는 Plain 시험체보다 더 큰 슬럼프값을 나타내는 것을 확인할 수 있었다. 플라스틱 펠릿의 종류에 따라서도 PE 시험체와 ABS 시험체가 230mm 로 Plain 시험체 대비 대략 12% 정도로 가장 높은 슬럼프값을 나타내어 유동성 면에서 유리함을 확인 할 수 있었다. 압출한 PP 시험체의 경우 Plain 시험 체보다 슬럼프 값에 비해서는 대략 5% 정도 높은 값을 나타냈지만 다른 종류의 플라스틱 펠릿을 사용 한 시험체에 비해서는 다소 낮은 슬럼프값을 나타내 었다. 이는 플라스틱 펠릿의 표면이 일반적인 골재 에 비해서 공극이 적고 이로 인해서 흡수율이 낮아 지기에 이런 결과를 보이는 것으로 보인다.

    3.1.2 단면 상태

    Fig. 9는 휨강도 시험 종료 후 플라스틱 펠릿의 종류 에 따른 시멘트 복합체의 단면 형상을 나타낸 것이 다. 압출처리된 PP, PE종류(PE, LDPE), 압출 및 사출 처리된 HDPE의 경우 낮은 비중을 나타내었기에 재 료분리가 일어나 플라스틱 펠릿이 단면의 위쪽으로 떠오르는 것을 확인할 수 있었지만 ABS와 PC의 경 우 비교적 높은 비중을 나타내었기에 상대적으로 재 료분리가 발생하지 않은 것을 확인할 수 있었다. 대 표적으로 PP에서 재료분리가 크게 발생한 것을 확인 할 수 있었는데 이는 Fig. 10에서 확인할 수 있다.

    3.2 플라스틱 펠릿의 종류에 따른 시멘트 복합체의 휨강도

    Table 5, Fig. 11은 플라스틱의 종류에 따른 재령 일 수 28일의 시험체 3가지를 강도 실험하여 평균 값을 나타낸 것이다. 실험결과 큰 휨강도의 차이를 보이 지는 않았지만 골재 형태의 플라스틱을 치환하여 만 든 시멘트 복합체의 경우 ABS 재질의 플라스틱을 치환하였을 때를 제외하고는 휨강도가 4.58∼8.24 MPa로 20∼50% 정도 감소하는 것을 확인할 수 있 었다. 이는 골재 형태의 플라스틱과 시멘트 페이스 트 간의 부착력이 골재의 표면이 굴곡이 없는 매끈 한 표면을 가지고 있기에 Plain 시멘트 복합체에 비 해서 다소 시멘트 페이스트와의 접착력이 부족하고 이로 인해서 낮은 휨강도를 나타내는 것으로 판단된다.

    3.3 플라스틱 펠릿의 종류에 따른 시멘트 복합체의 압축강도

    Table 5, Fig. 12는 플라스틱 펠릿의 종류에 따른 재 령일수 28일의 3개의 시험체를 압축강도 시험한 결 과의 평균값이고 Fig. 13은 그에 대한 응력-변형률 곡선을 나타낸 것이다. 잔골재를 50% 치환한 여러 종류의 플라스틱 펠릿을 활용한 시멘트 복합체 시험 체의 경우 16.77MPa∼22.60MPa로 나타나, Plain 시멘 트 복합체 대비 약 50% 낮은 압축강도를 나타내는 것을 확인할 수 있었다. 플라스틱 펠릿의 종류에 따 른 압축강도는 큰 차이는 보이지 않았지만 ABS, PC 와 같이 다른 플라스틱 펠릿에 비해 높은 비중을 나 타내는 플라스틱 펠릿의 경우 약 20% 높은 압축강 도를 나타내었다. 이러한 실험결과 비중이 높은 골 재 형태의 플라스틱 펠릿을 사용하였을 때 비중에 비례하여 높은 압축 응력을 나타내는 것을 확인할 수 있었지만 Fig. 14의 그래프를 통해 확인한 결과 PC와 LDPE의 경우 비중 대비 압축 응력의 효율성을 고려하여 보았을 때 좋은 효율성을 보이지 않았다.

    4. 결론 및 고찰

    본 연구에서는 플라스틱 펠릿의 종류를 시멘트 복합 체에 50%의 비율로 치환하여 배합함에 따른 시멘트 복합체의 역학적 성질을 실험을 통해 확인하였다. 시멘트 복합체의 높은 강도 및 경량화를 유도하기 위해 플라스틱 펠릿을 사용한 결과 시멘트 복합체의 배합 상의 경량성은 얻을 수 있었지만, 압축강도는 치환하지 않은 시험체의 평균 강도 39.50MPa에 대비 해서 16.77MPa∼22.60MPa로 약 20∼50% 낮은 압축 강도를 나타내었고, 휨강도는 치환하지 않은 시험체 의 평균 휨강도 9.93MPa에 대비하여 치환하였을 경 우의 평균 휨강도는 4.58MPa∼8.24MPa로 50% 낮은 휨강도를 나타내는 것을 확인할 수 있었다. 그러나 ABS 재질의 플라스틱 펠릿을 사용하였을 경우에는 평균 휨강도 10.49MPa로 휨강도가 5% 정도 상승한 것을 확인할 수 있었다. 이와 관련된 고찰은 다음과 같다.

    • 1) 시멘트 복합체에 사용할 수 있는 골재의 조건 에는 시멘트 페이스트와의 부착력이 뛰어나야 하는 조건이 있는데 천연골재의 경우 표면이 부착성능에 유리한 조건을 가지고 있다. 이에 반해서 플라스틱 펠릿은 표면의 성질이 부착 력이 저하되는 조건을 가지고 있는 것으로 판단 된다. 이에 플라스틱 펠릿을 골재의 형태로 사 용하려면 플라스틱 펠릿의 표면 성질을 개질하 여 시멘트 페이스트와의 부착력을 개선할 수 있 는 연구가 추가적으로 필요할 것으로 판단된다.

    • 2) 시멘트 복합체의 경우 선행 연구에 따라서 비 중과 응력은 비례하는 것을 확인할 수 있었다. 이는 본 실험을 통해서도 나타났는데 배합상 의 비중이 가장 높은 Plain 시험체가 가장 높 은 강도를 나타냄과 동시에 플라스틱 펠릿을 치환한 시험체의 경우 배합상의 비중이 가장 높은 PC를 치환하여 혼입한 시험체의 강도가 가장 높은 것을 확인할 수 있었다. 이는 시멘 트 복합체의 강도는 비중에 비례하는 것으로 판단되며 비중 대비 어떤 재료가 가장 강도를 내는 효율이 좋을지에 대한 고찰이 필요할 것 으로 사료된다.

    • 3) 플라스틱 펠릿의 비중은 천연 잔골재(비중 2.61)에 비해 1/2 이하로 낮은 비중을 나타낸 다. 이런 이유로 시험체 제작 시 플라스틱 펠 릿이 시험체의 위로 몰리는 현상을 휨 강도 시험 후 단면을 통해서 확인할 수 있었다. 이 러한 이유로 재료 분리 현상이 발생하고 이 는 시멘트 복합체의 강도가 저하되는 주요 원인이 되는 것으로 판단된다. 이에 재료 분 리 현상을 방지하기 위한 대책으로 배합 시 에 단위 수량을 저감 시키는 방안과 증점제 를 첨가하여 재료 분리를 방지할 필요가 있 을 것으로 사료된다.

    따라서 플라스틱 펠릿 표면을 감마선 조사나 표 면 코팅을 통한 개질 방안과 재료 분리에 대한 대책 으로 이를 고려한 배합설계 및 증점제에 대한 추가 적인 연구가 필요할 것으로 판단된다.

    ACKNOWLEDGEMENT

    본 연구는 국토교통부/국토교통과학기술진흥원 국토 교통기술촉진연구사업(20CTAP-C157795-01)의 지원에 의해 수행되었으며 이에 감사드립니다.

    Figure

    KOSACS-11-6-54_F1.gif
    Plastic Aggregate Types
    KOSACS-11-6-54_F2.gif
    Mixing Method of Cement Composites
    KOSACS-11-6-54_F3.gif
    low Test
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    Modulus of Rupture Test Set-up
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    Photo of Modulus of Rupture Test
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    Compressive Strength Test Set-up
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    Photo of Compressive Strength Test
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    Flow Value according to Plastic Types
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    Section of Cement Composites according to Plastic Aggregate Types
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    Separation of Materials Confirmed through the Condition of the Cross Section of the Specimen
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    Flexural Strength according to All Specimens
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    Compressive Strength according to All Specimens
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    Compressive Strength Strain Curve of Cement Composites according to Plastic Aggregate Types
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    Comparison of Compressive Strength and Specific Gravity

    Table

    Physical Properties of Portland Cement
    Specific Gravity according to Plastic Types
    Mixing Ratio according to P lastic A ggregate T ypes
    Flow Value according to Plastic Aggregate Types
    Flexural Strength of All Specimens
    Compressive Strength according to All Specimens

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