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ISSN : 2093-5145(Print)
ISSN : 2288-0232(Online)
Journal of the Korean Society for Advanced Composite Structures Vol.12 No.5 pp.61-70
DOI : https://doi.org/10.11004/kosacs.2021.12.5.061

An Experimental Study on the Mechanical Properties of Cement Composites Based on Curing Methods and Plastic Aggregate Types

Hyeon-Uk Cheon1, Jun-Hee Kwon2, Woo-Jin Lee2, Ui-Yeong Jeong2, Woo-Suk Kim3
1Master Student, Department of Architectural Engineering, Kumoh National Institute of Technology, Gumi, Korea
2Bachelor Student, School of Architecture, Kumoh National Institute of Technology, Gumi, Korea
3Associate Professor, School of Architecture, Kumoh National Institute of Technology, Gumi, Korea

ㆍ 본 논문에 대한 토의를 2021년 11월 30일까지 학회로 보내주시면 2021년 12월호에 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, 2021 October 17, 2021 October 18, 2021

Abstract


Recently, large-scale civil and architectural construction has increased the demand for high-strength and lightweight structures. In the case of the lightweight cement composite, the unit volume weight may be reduced; however, a decrease in strength occurs. In general, when mixing cement composites for weight reduction, it is possible to cut down weight by combining cement composites using artificial aggregates, such as general lightweight aggregates, rubber lightweight aggregates, and plastic pellets. Furthermore, the aggregate strength can be secured if plastic is used as a lightweight artificial aggregate for cement composites. Still, due to the material’s surface properties, mixing with cement paste and using it as an aggregate is disadvantageous. Therefore, this study conducted experiments to select the most suitable plastic as an aggregate using steel fiber, curing method, and two types (PP and PE) of plastic cement composites as variables. The results showed changes in the physical properties of the cement composite according to whether or not the steel fiber is mixed, the curing method, and the specific gravity of plastic or surface material.



플라스틱 골재 종류와 양생 방법에 따른 시멘트 복합체의 물리적 특성에 관한 실험적 연구

천 현욱1, 권 준희2, 이 우진2, 정 의영2, 김 우석3
1금오공과대학교 건축공학과 석사과정
2금오공과대학교 건축학부 학사과정
3금오공과대학교 건축학부 부교수

초록


최근 대규모 토목 및 건축 구조물 증가 추세로 건설 부재의 고강도 및 경량화에 대한 수요가 높아지고 있다. 기존 시멘트 경량 복합체의 경우 단위 체적 중량이 낮아 강도 저하 문제가 발생할 수 있다. 보통 경량화를 위해서 시멘트 복합체를 배합할 때 일반 경량골재와 고무재질의 경량골재, 플라스틱 펠릿 등 다양한 인공 경량골재를 적용한 시멘트 복합체로 경량화를 확보할 수 있다. 이 중에서도 시멘트 복합체의 인공 경량골재로 플라스틱을 사용하면 상대적으로 골재 자체의 강도를 확보하면 서 경량화를 꾀할 수 있지만 재료의 매끄러운 표면 특성으로 인해 시멘트 페이스트와 부착하는 데 불리한 부분이 있고 이는 콘 크리트 골재 또는 시멘트 복합체 골재로서의 사용에 있어 단점이 된다. 띠라서 이번 연구에서는 기존 연구에서 플라스틱 골재 로 가장 적합한 유형으로 확인된 PP, PE 두가지 유형의 플라스틱 골재와 강섬유, 양생방법을 변수로 하여 실험을 진행하였고 실험 결과 플라스틱의 비중이나 표면 재질뿐만 아니라 강섬유의 혼입유무, 양생방법에 의해서 시멘트 복합체의 물리적 특성이 변화된다는 것을 확인하였다.



    1. 서 론

    최근 4차 산업 혁명의 발달에 따른 인구밀도의 증가 로 인해서 건설 구조물의 초고층화⋅대형화가 진행 되고 있어 이에 따른 고강도 경량 건설부재가 요구 되고 있다. 현재 고강도 경량 건설 부재의 재료로 가장 많이 사용되는 재료는 시멘트 복합체로 현재 국⋅내외적으로 가장 많이 사용되고 있다. 시멘트 복합체는 건설 부재의 재료로써 건물의 모양을 다양 하게 할 수 있는 유연성을 지니고 있고, 경제성 또 한 우수하며 건설 구조물을 형성하는 데 필요한 철 근과 같은 열팽창률을 지니고 있어 최고의 발명품이 라 일컫는다. 반면 콘크리트는 높은 자중을 지니고 있어 건설 구조물의 무게를 증가시키고 이로 인해서 건설 구조물이 받는 고정하중을 증가시켜 대형화 및 초고층화가 진행되면 불리한 조건을 갖게 된다. 건 설 구조물의 경량화를 유도하기 위해서는 인공 경량 골재나 결합재의 단위용적 질량을 낮추어 시멘트 복 합체의 경량화를 유도하는 방법들이 있다(Sim and Yang, 2010;Choi et al., 2018;Kim et al., 2011;Priyanka et al., 2020;Miller and Tehrani, 2017;Chung et al., 2019;Maghfouri et al., 2020;Lee et al., 2017;Huang et al., 2019;Kwon et al., 2016). 최근 코로나 19 바이러스의 확산으로 배달음식 등의 급증으로 인 해서 배달 용기의 사용이 증가하고 있고 이로 인해 서 플라스틱 폐기물이 급격히 증가하고 있다.

    이에 기존의 연구에서 플라스틱을 골재의 형태로 시멘트 복합체에 적용하여 물리적 성능을 평가하였 다(Lee et al., 2019;Lee et al., 2018;Cheon et al., 2020;Li et al., 2020). 플라스틱을 골재의 형태로 시멘 트 복합체에 적용한 경우 단위용적 질량을 낮출 수 있는 장점이 있지만 압축강도 등의 물리적 성능이 저 하되는 단점과 열에 취약해 높은 온도에 노출될 경우 물리적 성능이 크게 저하되는 단점이 발생하였다.

    이에 본 연구에서는 플라스틱을 골재의 형태로 혼입한 시멘트 복합체의 양생 방법에 따라서 시멘트 복합체의 물리적 성능이 어떤 변화를 일으키는지에 대 해서 연구를 진행하였다. 플라스틱의 종류는 PP(Poly Propylene)와 PE(Poly Ethylene)를 실험에 사용하였고 섬유는 강섬유를 사용하였으며 시멘트 복합체의 양 생 방법으로 7일과 28일 수중 양생 그리고 고온 양 생을 변수로 하여 진행하였다. 플라스틱의 특성상 낮은 열변형 온도를 지니고 있어 고온 양생을 진행 하게 되면 플라스틱 형태의 골재가 팽창하게 되어 시멘트 복합체 내부에서 균열이 발생하게 되어 시멘 트 복합체의 물리적 성능이 저하된다. 이에 본 연구 에서는 플라스틱 형태의 골재의 열변형으로 인한 강 도 저하를 감소시킬 방안으로 강섬유를 보강하여 고 온 양생에 의한 물리적 성능 저하를 방지하고자 하 였고 7일, 28일 수중 양생과 고온 양생 시에 발생할 물리적 특성 변화를 연구하고자 하였다.

    2. 실 험

    2.1 사용 재료

    Table 1은 실험에 사용된 결합재의 특성에 대해 나 타내는 것으로 본 실험에서는 KS L 5201(포틀랜드 시멘트의 물리 성능, 2016)을 만족하는 1종 보통 포 틀랜드 시멘트를 사용하였다. 시멘트 복합체에 사용 된 혼화 재료는 KS F 2567(2019)에 따른 실리카 퓸 을 사용하였으며 그 특성은 Table 2와 같다. 사용 골 재로는 ISO 표준사를 사용하였으며 플라스틱 펠릿은 압출된 PP와 PE를 사용하였고 보강 섬유로는 강섬 유를 사용하였으며 이에 대한 물리적 성질은 Table 3, 4에 나타내었으며 플라스틱과 강섬유의 형상은 Fig. 1과 같다.

    2.2 실험 계획

    실험에 사용된 변수로는 시멘트 복합체에 치환된 플 라스틱의 종류, 강섬유의 혼입 여부 그리고 양생 방 법을 변수로 하였다. 사용된 플라스틱의 종류는 가 장 가벼운 플라스틱의 종류인 PP와 PE를 사용하였 고 양생 방법으로는 7일, 28일 수중 양생 그리고 고 온 양생을 변수로 실험을 진행하였다. 변수를 바탕 으로 진행한 실험은 슬럼프 Flow 실험을 진행하였고 압축 및 인장강도 실험을 진행하였으며 연구 정리하 였고 이에 대해서 Table 5에 나타내었다.

    2.3 시멘트 복합체 최적 배합

    시멘트 복합체의 최적 배합에는 KS L ISO 679 (2018)의 표준 배합으로 40%의 물/바인더비를 적용 하였고 결합재는 결합재의 10%를 실리카 흄을 혼입 하였으며 골재의 50%를 플라스틱으로 비중을 고려 하여 배합하였으며 섬유는 용적에 대비하여 0.75% 혼입하여 배합하였다. 이에 대한 배합비는 Table 6에 나타내었으며 시험체 제작 시에는 섬유 뭉침 현상을 방지하고자 Fig. 2와 같이 시멘트 복합체 배합 중에 섬유를 혼입하는 방법으로 시험체를 제작하였다.

    2.4 Slump Flow Test

    슬럼프 플로우 성능 테스트는 Fig. 3과 같이 KS L 5111 (2017)에 따라 플로우 측정용 Table을 이용하여 평가하였다. 재료 분리 저항성을 확인하기 위해서 Slump Flow Test를 한 후에 퍼진 모양을 확인하여 재료 분리에 대한 성능을 평가하였으며 퍼진 정도를 mm 단위로 평가하여 유동성을 평가하였다. Slump Flow Test에 사용된 기기와 Flow Test Tester는 Fig. 3 에 나타내었다.

    2.5 양생 방법

    실험에 사용된 양생 방법을 변수로 하여 KS F 2403 (2019)에 따라 시멘트 복합체를 양생 방법 중 가장 일반적으로 사용되는 수중 양생을 7일, 28일 진행하 였고, 90℃의 온도로 3일간 고온 양생한 시험체를 제작하여 실험을 진행하였다(Fig. 4 참조).

    양생 방법에 따라서 시멘트 복합체의 변화가 어 떻게 발생하는지에 대해 확인하기 위해 양생이 완료 된 시험체의 표면상태를 확인하였고 미세한 균열을 확인하는 방식으로 양생 방법이 어떤 영향을 미치는 지에 대해서 선행적인 연구를 진행하였고 이에 대해 검토하였다.

    2.6 휨강도 평가시험

    휨강도 평가시험은 KS L ISO 679 (2018)에 따라 시 험체를 배합당 9개씩 제작하여 7일, 28일 수중 양생 과 증기 양생을 한 시험체의 휨강도 시험을 진행하 였다. 시험체의 size는 40×40×160mm이며 하중은 2등 분점 중앙부에 하중 제어방식으로 3kN/min의 속도로 재하하였다. 플라스틱 펠릿의 종류 및 섬유의 유무 에 따른 전체적인 연성 거동을 평가하기 위해, 최대 휨강도 이후 최대 휨강도의 80% 이하로 저하될 때 까지 하중 재하를 지속하여 측정하였다(Kwon et al., 2016). 실험에 대한 전경 및 모식도는 Fig. 5, 6과 같 다. 휨강도는 KS L ISO 679 (2018)의 2등분점 하중 의 휨강도 계산식 (1)로 계산하여 유효숫자 두 자리 까지 계산하였다.

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

    where,

    • P : Maximum flexural load (N)

    • l : Span length (mm)

    • b : Section width (mm)

    • h : Section height (mm)

    2.7 압축강도 평가시험

    압축강도 평가시험은 KS L ISO 679 (2018)에 따라 시험체를 변수당 9개씩 제작하여 7일, 28일 수중 양 생과 고온 양생을 한 압축강도 시험을 진행하였다. 시험체의 size는 40×40mm이며 하중 제어방식으로 90kN/min의 속도로 하중을 가하여 실험을 진행하였 으며 플라스틱의 종류나 섬유의 유무에 따른 연성 거동을 확인하기 위해 최대 압축강도 이후 최대 압 축강도의 80% 이하로 저하될 때까지 하중을 가하였 다. 실험 모식도 및 전경은 Fig. 7, 8과 같다.

    최대 압축강도는 KS L ISO 679 (2018)에 따라 압축 강도 계산식 (2)로 유효숫자 두 자리까지 계산하였다.

    f c k = P A
    (2)

    여기서,

    • P : Compressive load (N)

    • A : Area of auxiliary plate (mm2)

    3. 실험 결과 및 고찰

    3.1 유동성(Fluidity)

    Table 7과 Fig. 9는 플라스틱 펠릿의 종류 및 강섬유 혼입 여부에 따른 시멘트 복합체의 슬럼프 플로우 value를 통해 유동성(Fluidity) 측정 결과를 나타낸 것 이다. 슬럼프 플로우 시험 결과 185∼250mm의 범위 로 나타났으며, 플라스틱 펠릿의 종류별로 50% 치환 하여 적용하였을 때 대부분의 시멘트 복합체 시험체 는 Plain 시험체보다 더 큰 슬럼프 플로우값을 나타 내었다. 이는 골재 형태 플라스틱의 흡수율이 0.01% 로 낮은 값을 나타내고 있기에 일반 잔골재를 혼입 한 경우보다 더 높은 슬럼프 플로우값을 나타내는 것으로 판단된다.

    굳지 않은 시멘트 복합체에 강섬유를 혼입할 경 우 플라스틱 펠릿을 골재의 형태로 혼입하지 않은 시멘트 복합체의 경우보다 슬럼프 플로우값이 3% 정도 증가하는 것으로 나타났지만 플라스틱 펠릿을 골재의 형태로 시멘트 복합체에 혼입한 경우 시멘트 복합체에 강섬유를 혼입할 경우 슬럼프 플로우값이 9∼25% 정도 감소되는 것을 확인할 수 있었다. 이는 강섬유의 섬유 뭉침(Fiber Ball) 현상으로 인한 것으 로 판단되며 플라스틱을 혼입하지 않은 경우 낮은 유동성으로 인해서 강섬유의 섬유 뭉침 현상이 상대 적으로 낮기 때문에 나타나는 현상으로 판단된다.

    3.2 플라스틱 종류 및 섬유 혼입 여부에 따른 휨 강도

    Fig. 10과 Table 8은 플라스틱 펠릿의 종류 및 섬유 의 혼입 여부와 함께 양생 방법에 따른 휨강도 시험 결과값을 나타낸 것이다. 강섬유를 혼입한 경우 혼입 하지 않은 시멘트 복합체와 비교하여 휨성능이 169 ∼678%로 크게 개선된 것을 확인할 수 있었으며 플 라스틱을 골재의 형태로 혼입한 경우에도 강섬유의 영향을 받아 휨강도가 상승한 것을 확인할 수 있었 다. 양생 방법에 따라서 휨성능을 평가한 결과 사용 된 재료에 따라서 다르지만 플라스틱을 골재의 형태 로 혼입한 경우 대부분의 변수에서 휨강도가 감소한 것을 확인하였다.

    3.3 플라스틱 골재의 종류에 따른 시멘트 복합체 의 압축강도

    Table 9, Fig. 11은 플라스틱의 종류와 섬유 혼입 여 부와 함께 7일, 28일 수중 양생 및 고온 양생에 따 른 시멘트 복합체의 압축 성능을 그래프 및 표로 정 리하여 나타낸 것이다. 강섬유를 시멘트 복합체에 혼입한 경우 혼입하지 않은 경우와 비교해서 대략 11∼99% 정도 압축강도가 증가한 것을 확인할 수 있었다. 양생 방법에 의한 시험체를 비교할 경우 플 라스틱을 골재의 형태로 혼입하지 않은 Plain 시험체 의 경우 강섬유의 보강에 따라 7일 강도에서 37.5%, 28일 강도에서 2%, 고온 양생에서 19.2%의 압축강도 상승이 나타났다. 플라스틱을 골재(PP, PE)의 형태로 시멘트 복합체에 혼입한 경우 강섬유의 보강에 따라 7일 강도에서 16.2∼18.9%, 28일 강도에서 12.1∼ 20.8%, 고온 양생에서 11∼99%의 압축강도 상승이 나타났다. Fig. 12는 각 변수별 시험체의 압축강도시 험 결과를 섬유 보강에 따른 시험체의 연성 거동을 확인하고자 그래프로 나타낸 것이다. 섬유를 혼입하 지 않은 시험체는 최대하중 이후 급격하게 하중 저 하가 발생하는 것을 확인할 수 있었지만 섬유를 혼 입한 시험체의 경우 최대하중 이후 하중 저하가 혼 입하지 않은 시험체에 비해서 완만하게 저하되는 것 으로 볼 때 섬유보강이 취성적인 거동을 연성적인 거동으로 변환시킨다는 것을 확인하였다.

    4. 결론 및 고찰

    본 연구에서는 PP와 PE 종류의 플라스틱 펠릿을 골 재의 형태로 시멘트 복합체에 적용하였으며 섬유를 혼입하여 양생 방법에 따라서 각 시험체가 어떤 물리 적 성능을 나타내는지에 대해 연구하고자 하였다.

    • 1) 플라스틱을 골재의 형태로 시멘트 복합체에 적용할 경우 플라스틱을 골재의 형태로 혼입 하지 않은 Plain 시험체와 비교하였을 때 물 리적 성능의 저하가 발생하는 것을 확인할 수 있었다. 이는 골재의 형태로 플라스틱을 사용 할 경우 플라스틱 자체의 낮은 경도와 표면의 성질이 골재와 적합하지 않은 성질을 가지고 있기에 시멘트 복합체에 적용할 경우 시멘트 복합체 내에서 균열이 발생하고 이로 인해서 물리적 성능이 저하되는 것으로 판단된다.

    • 2) 플라스틱 골재를 혼입하여 제작한 시멘트 복 합체의 경우 양생 방법에 따라서 물리적 성능 이 차이를 보이는 것을 확인할 수 있었다. 플 라스틱을 골재의 형태로 시멘트 복합체에 적 용하지 않은 Plain 시험체의 경우 7일, 28일 수중 양생, 고온 양생 순서로 압축 및 휨 성 능이 증가하였지만 플라스틱을 골재의 형태로 치환하여 제작한 시험체의 경우 7일, 28일 수 중 양생한 시험체에 비해서 고온 양생한 시험 체의 물리적 성능이 저하되는 것을 확인할 수 있었다. 이는 골재 형태의 플라스틱이 낮은 온도에서 열변형을 하여 고온 양생을 진행할 시에 시멘트 복합체에 고온이 가해지면서 팽 창하게 되고 이로 인해서 시멘트 복합체에 미 세한 균열이 발생하여 물리적 성능의 저하가 발생하는 것으로 판단된다.

    • 3) 섬유를 보강하여 시험한 결과 섬유를 혼입하 지 않은 시험체에 비해 물리적 성능이 개선된 것을 확인할 수 있었다. 고온 양생한 플라스 틱 골재 혼입 시멘트 복합체의 경우 섬유를 혼입함에 따라서 물리적 성능이 크게 개선되 는 것을 확인할 수 있었다. 또한 섬유가 휨성 능 개선에 있어서 크게 영향을 미친다는 선행 된 연구와 더불어 압축강도의 증가도 확인할 수 있었다. 이는 섬유혼입으로 인해 연성 작 용을 일으켜 시멘트 복합체의 물리적 성능을 개선시키는 것으로 사료된다.

    감사의 글

    본 연구는 국토교통부/국토교통과학기술진흥원 국토 교통기술촉진연구사업(21CTAP-C157794-02)의 지원에 의해 수행되었으며 이에 감사드립니다.

    Figure

    KOSACS-12-5-61_F1.gif
    Plastics and Steel Fiber
    KOSACS-12-5-61_F2.gif
    Cement Composite Manufacturing Process
    KOSACS-12-5-61_F3.gif
    Flow Test Tester and Flow Test
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    High Temperature Curing Machine
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    Modulus of Rupture (M.O.R) Test Set-up
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    Photo of M.O.R Test
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    Set-up for Compressive Strength Test
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    Compressive Strength Test View
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    Slump Flow Value by Plastic Types
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    Flexural Strength according to All Specimens
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    Compressive Strength for All Specimens
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    Compressive Strength-Strain Curve for Specimens

    Table

    Portland Cement’s Physical Properties
    Physical Properties of Silica Fume
    Physical Properties to Plastic Types
    Physical Properties to Steel Fiber
    Experimental Variables and Experimental Design
    Mix Proportion Ratio
    Slump Flow Value by Plastic Aggregate Types
    Flexural Strength for All Specimens (Unit: MPa)
    Compressive Strength for Specimens (Unit : MPa)

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