KR100267735B1 - 섬유보강 시멘트 콘크리트 복합체를 이용한 경량 고강도 이중바닥용 상판의 제조방법 - Google Patents

섬유보강 시멘트 콘크리트 복합체를 이용한 경량 고강도 이중바닥용 상판의 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 각종 구조물에 사용되고 있는 막대한 수입 경량화용 소재 및 철강재의 절감을 위한 경량, 고강도의 섬유보강 시멘트 콘크리트 복합체의 제조기술의 개발 및 용도개발의 일환으로 양단 후크(Hook)형 강섬유와 PAN(polyacrylonitrile)계 및 피치(Pitch)계 탄소섬유를 사용하고 골재로써 미분말의 실리카 파우더(Silica Powder)를 사용한 섬유보강 시멘트 콘크리트 복합체의 제조방법과, 상기 복합체를 이용하여 역학적 성능이 우수한 구조부재의 개발을 목적으로 한 경량, 고강도·내력의 이중바닥용 상판(FREE ACCESS FLOOR)의 제조방법에 관한 것이다.
이러한 본 발명은 직경 6.5∼20μm, 비중 1.60∼1.80, 인장강도 7,500∼38,000kg/cm2`, 탄성계수 3.5∼25.0×105`kg/cm2`, 섬유길이 3∼20mm, 혼입량 1.0∼3.0%의 PAN계 탄소섬유와 피치계 탄소섬유와 비중 3.14의 조강 포틀랜드 시멘트, 비중 2.7, 입경 0∼80μm의 실리카 파우더를 골재로 사용하고, 혼화제로는 유동화제로써 나프타렌 설폰산염 고축합물인 Mighty 150, 증점제로는 메칠셀루로즈, 소포제로는 안티폼을 함께 슬러리 상태로 혼합하여 성형하므로써 이루어진다.

Description

섬유보강 시멘트 콘크리트 복합체를 이용한 경량 고강도 이중바닥용 상판의 제조방법
본 발명은 각종 구조물에 사용되고 있는 막대한 수입 경량화용 소재 및 철강재의 절감을 위한 경량, 고강도의 섬유보강 시멘트 콘크리트 복합체의 제조기술의 개발 및 용도개발의 일환으로 양단 후크(Hook)형 강섬유와 PAN(polyacrylonitrile)계 및 피치(Pitch)계 탄소섬유를 사용하고 골재로써 미분말의 실리카 파우더(Silica Powder)를 사용한 섬유보강 시멘트 콘크리트 복합체의 제조방법과, 상기 복합체를 이용하여 역학적 성능이 우수한 구조부재의 개발을 목적으로 한 경량, 고강도·내력의 이중바닥용 상판(FREE ACCESS FLOOR)의 제조방법에 관한 것이다.
종래의 섬유보강 시멘트 콘크리트 복합체의 섬유강화 소재 중, 그 동안 수입사용하여 오던 유리섬유는 화학적으로 불안정하여 장시간 경과 후 강도 감소가 필연적이고 고온양생에 취약한 문제점이 있으며, 석면섬유는 충격강도가 작고 분진에 의한 공해가 심하고 인체에 해로운 문제점이 있기 때문에 그 사용이 억제되고 있으며, 폴리프로피렌섬유는 탄성률이 낮아 시멘트 콘크리트 복합체의 강도증진에 문제가 있어 안정성과 신뢰성을 제고시킬 수 없는 것이었다.
본 발명은 이와 같은 종래의 섬유보강 시멘트 콘크리트 복합체의 제조방법의 결점을 해결하고자 한 것으로 역학적 특성, 내열성 및 화학적 안정성 등이 다른 섬유에 비하여 월등히 우수하고 이들 섬유에는 없는 밸런스 성능을 갖고 있는 탄소섬유와 매트릭스의 역학적 성능향상에 탁월한 양단 후크형 강섬유 및 내력 보강용 메쉬를 사용한 경량.고강도 및 고내력의 신뢰성이 높은 건재의 개발을 목적으로 하는 것이다.
본 발명은, 양단 후크형 강섬유와 PAN계 및 피치계 탄소섬유를 보강함에 의하여 우수한 역학적 성능은 물론, 내구성, 수밀성이 양호하고 미관이 좋으면서 슬렌더(slender)한 부재를 제작할 수 있고 중량의 대폭경감으로 공기를 크게 단축할 수 있기 때문에 산업용재로서의 활용과 고부가가치의 건설산업용 2차제품의 제작이 가능하도록 한 것이다.
제1도는 본 발명의 상판공시체 횡내하력 측정용 장치의 상세도.
제2도는 본 발명의 상판공시체의 상세도.
제3도는 본 발명의 매트릭스 보강용 메쉬(mesh)의 상세도.
제4도는 본 발명의 메쉬(mesh)에 설치한 앵커(anchor)의 종류 및 규격의 상세도.
제5도는 본 발명의 보강용 양단 후크(Hook)형 강섬유의 상세도.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
1 : 봉강 2 : 공시체
3 : 지지대 4 : 변위측정기
5 : 유니버설 테스트 머신 10 : 메쉬
20 : 후크형강섬유
본 발명에 사용된 강섬유는 국내에서 제조된 제품으로 치수 Ø0.6mmx36mm의 양단 후크형으로 비중 7.85, 아스펙트비(ℓ/d) 60, 인장강도 110kg/cm2`이며, 탄소섬유는 석탄계 및 석유계 핏치를 원료로 한 비교적 저온에서 소성하여 만들어진 인장탄성률 50GPa 이상이고 탄소섬유 직경 12μm∼20μm, 섬유의 표층에 산소와 탄소의 원자비의 값이 0.1∼0.6이 되도록 산화처리한 핏치계 탄소섬유와 인장탄성률 200~400Gpa이고 섬유직경 6.5∼7.0μm인 Polyacylonitr ile(PAN)계의 탄소섬유를 사용했고, 본 발명품의 제조를 위한 최적길이는 공히 3mm∼20mm였고, 시멘트는 비중 3.14의 조강 포틀랜드 시멘트를 사용하였으며, 사용골재는 비중 2.7, 입경 0∼80μm의 실리카 파우더(Silica Powder)를 사용하였고, 또한 혼화제로는 유동화제로써 나프타렌 설폰산염 고축합물인 Mighty 150을 시멘트중량의 1%의 비율로, 증점제로써 메칠셀루로즈와 소포제로써 안티폼(Antifoam)을 각각 시멘트 중량의 0.5, 1%의 비율로 사용하였다.
본 발명에 사용된 배합은 복합체 제조에 있어 섬유와 매트릭스가 분리하지 않고 파이버 볼(Fiber-ball)이 생기지 않도록 섬유를 매트릭스 내에 균등 분산시키면서 적당한 워커빌리티(walkability)를 확보하도록 시험배합을 통하여 믹싱방법과 배합조건을 선정하였다.
시멘트 매트릭스는 각각 PAN계 CF단섬유(CF길이:5, 10, 20mm)와 피치계 CF 단섬유(CF길이 : 3, 6, 10, 20mm)를 시멘트 매트릭스 전용적의 Vf = 0, 1, 2, 3% 혼입하여 제조하였고, 그 배합 예는 아래의 표 (1)에 나타낸 바와 같으며, 여기에 고내력 보강판의 경우는 양단 후크형 강섬유(20)를 0.2∼0.4 Vol.%를 혼입하였다.
믹싱은 섬유의 시멘트 매트릭스 내에서의 랜덤 균등분산을 위하여 섬유분산용 고성능 Omni-Mixer를 사용하였고, 비빔시간은 a) Dry blend(cement, dispersing agent and silica powder) 30초, b) Primary blend(Add water and admixtures) :3-5분, c) Secondary blend(Add carbon fiber) : 4.5-6.5분으로 토탈(Total) 약 10분간으로 하여 혼합함에 의하여 균질한 성능의 섬유보강 시멘트 콘크리트 복합체를 제조할 수 있다.
본 발명에서 섬유분산용 Omni-Mixer로 믹싱할 경우 균등분산이 이루어지는 양호한 배합상태는 섬유길이 3∼5mm의 경우는 용적비로 3%까지이며, 6∼10mm까지는 용적비로 2%까지이고, 11∼20mm의 길이인 경우는 용적비로 1%의 혼입율이다.
또한, 공시체의 양생은 공시체 탈형 후 기건양생(23 ± 2℃, 60 ± 5% R.H.), 수중양생(23 ± 2℃) 및 오토클래브(autoclave) 양생을 하였고, 오토클래브 양생은 최고온도 180℃(10기압)에서 5시간으로 하여 양생을 종료한 후, 다시 23 ± 2℃, 60 ± 5% R.H.의 조건에서 기건양생 하였다. 시험재령은 공시체의 종류에 따라 다소 차이가 있으나 평균 7일로 하였다.
섬유보강 시멘트 콘크리트 복합체의 시험방법은 플로우(Flow)시험 및 단위용적중량시험은 각각 KS L 5105 및 KS F 2409에 준하여 실시하며, 압축강도의 시험은 KS L 5105에 준하여 5.08cm×5.08cm×5.08cm의 입방공시체를 제조하여 측정하였고, 압축응력-변형률 관계를 파악하기 위하여 ø5×10cm의 원주공시체를 제작하여 공시체 중앙부에 와이어 스트레인 게이지(Wire Strain gage)(길이 30mm)를 부착하여 변형을 측정하였다. 휨강도 및 휨응력-처짐량 측정은 JIS R 5201에 준하여 4cm×4cm×16cm의 각주공시체를 제조하여 용량 25ton의 Computer Controlled Universal Testing Machine(Autograph)을 사용하여 3점 휨하중 시험방법에 의해 크로스헤드 속도 0.5mm/min의 변위제어 방식으로 휨시험을 행하였고, 이때의 하중-처짐곡선을 X-Y레코더에 의하여 구하였다. 휨내하력 측정을 위하여 공시체의 크기 50×50×(2.0∼3.5)cm인 상판공시체를 제조하여 1일간 습윤양생을 실시한 다음, 오토클래브 양생(180℃, 10기압의 조건에서 5시간 양생)을 실시하였고, 공시체 제작시 메쉬보강을 하였으며, 고내력 보강판의 경우 메쉬 대신 양단 후크형 강섬유(20)로 보강하였다. 상판공시체의 휨내하력 측정은 제1도 에 나타낸 바와 같이 100tonUTM(universal testing machine)(5)을 사용하여 공시체(2)의 4모서리를 ø25mm 지지대(3) 위에 얹은 다음, 중앙에 ø50mm의 봉강(1)을 올려 놓고 그 위에 재하하여 파괴에 이를때 까지 재하시 중앙점의 처짐을 변위측정기(4)를 이용하여 측정하였다.
상술한 바와 같은 시험을 통하여 최적배합을 찾아보면 워커빌리티를 고려한 섬유혼입율과 플로우(Flow)값과의 관계는 섬유혼입율의 증가에 따라 그 비표면적이 현저히 증대하여 혼합수가 그 표면에 부착하기 때문에 워커빌리티의 저하를 초래하므로 적당한 워커빌리티를 확보하기 위하여 섬유혼입율은 1∼3%가 적당하며, PAN계 CF는 피치계 CF에 비하여 비중이 다소 크나 섬유직경이 작아 아스펙트비(ℓ/d)가 대단히 크므로 동일 CF혼입율이라도 섬유의 혼입본수가 훨씬 많기 때문에 플로우(Flow)값은 현저히 저하된다. 또한 매트릭스는 물시멘트비의 변화에 따라서도 워커빌리티가 크게 영향을 받는데 물시멘트비 70∼110%에서 섬유보강 시멘트 콘크리트 매트릭스의 워커빌리티는 양호하다.
섬유보강 시멘트 콘크리트 매트릭스의 단위용적중량은 매트릭스와 섬유비중의 차에 의하여 섬유혼입율을 크게 하면 단위용적중량이 계산상 다소 저하하지만 실제적으로는 이론적인 값보다 저하율은 큰 경향을 나타내었고, 메칠셀룰로즈 혼용시와 오토클래브 양생시 이러한 경향은 더욱 현저해지는데 이것은 섬유의 체적증가에 따른 다공성의 증대에 원인이 있으며 섬유혼입율 3% 까지는 단위용적중량은 저하하였으나 4%의 경우는 단위용적중량이 증대하는 경향을 나타내므로 매트릭스의 경량화 측면에서 섬유혼입율은 4% 이하가 좋다. 또한 CF단섬유의 길이가 3,6,10μm로 증가함에 따라 플로우값이 약 30%정도로 현저히 저하하므로 섬유의 길이는 3∼6mm가 적당하다.
섬유혼입량에 따른 매트릭스의 기건비중은 CF혼입율의 증가에는 별영향을 나타내지 않고, 섬유의 종류에 따라 PAN계의 경우 피치계에 비하여 다소 높은 값을 나타낸다. 이것은 섬유자체의 비중이 PAN계가 크기 때문이며, 또한 경량화를 주목적으로 하는 경우, 물 ·시멘트 70%∼110%로 하고 골재/시멘트비를 0.3∼0.5, 탄소 섬유 혼입율은 1∼3%로 하고 증점제인 메칠셀룰로즈를 시멘트 중량비로 0.5∼ 1.5%의 비율로 사용하면 기건비중 1.41∼1.65의 섬유보강 시멘트 콘크리트 복합체를 제조할수 있는 특징을 가지고 있다.
CF단섬유의 혼입량 증가에 따라 압축강도의 변화는 그다지 크지 않으나 전반적으로 약간 저하하는데 이는 섬유혼입율과 단위용적중량과의 관계와 마찬가지로 섬유혼입율 증가에 따른 기공증대 및 다짐불량에 기인하는 것으로 본 발명에서 섬유혼입율 3%이하로 하였으며, PAN계 탄소섬유를 혼입한 경우가 Pitch계 탄소섬유를 혼입한 경우에 비하여 다소 높은 강도를 나타내었는데, 이는 동일 섬유혼입율이라도 PAN계 CF가 피치계 CF에 비하여 섬유직경이 작기 때문에 혼입되는 섬유본수가 많고, 섬유자체의 강도가 고강도이기 때문이다. 탄소섬유보강 시멘트 콘크리트 복합체의 압축강도는 실리카 파우더를 사용함으로써 섬유의 균등분산과 유동성 및 성형성이 양호하고 부재의 경량화와 오토클래브 양생시 미분말의 실리카 파우더에 의한 반응생성물이 매트릭스중의 공극에 충전되어 조직이 밀실화되어 오토클래브 양생의 경우가 기건양생의 경우에 비하여 7∼20% 정도 높은 강도를 나타내는 것을 발견하였다.
CF단섬유의 혼입율과 휨강도와의 관계는 CF단섬유의 혼입량의 증가에 수반하여 휨강도는 현저히 증가하는 경향을 나타내었으며, 이는 실리카 파우더에 의해 CF의 분산성이 향상되고, 동시에 시멘트 매트릭스와 섬유의 부착력을 향상시켜 그 보강효과가 증대하기 때문이다. 또한, PAN계 탄소섬유를 혼입한 경우가 피치계 탄소섬유를 혼입한 경우에 비하여 다소 높은 강도를 나타내었으며, 이는 섬유자체가 PAN계가 피치계에 비해 월등히 높은 고인장강도와 고탄성을 가지기 때문이다.
휨응력을 받는 CFRC의 휨응력과 처짐량과의 관계를 확인하기 위하여 PAN계 CF단섬유를 Vf= 0, 1, 2, 3%를 혼입한 경우, 섬유혼입율의 증가에 따른 휨응력-처짐관계는 Vf= 0%인 Plain의 경우 직선적으로 저하하는데 비하여, CFRC의 경우에는 현저한 비선형으로서 최대 휨응력을 나타낸 이후에도 급격히 저하하지 않고 현저한 연성적 특성을 나타내었다. 이것은 CF혼입율의 증가에 따라 휨응력의 증가와 함께 변형 성능도 크게 증대함을 알 수 있고, 특히 휨인성(흡수에너지)은 급격히 증대하는 경향을 나타내었다.
또한, 오토클래브 양생의 경우 우수한 휨변형 특성을 나타내었는데 이는 매트릭스 자체가 고강도화 됨과 아울러 섬유와 매트릭스의 부착력이 현저히 증대하여 섬유가 매트릭스로부터 인발이 감소하고 파단섬유가 증가하기 때문이다.
섬유보강 시멘트 콘크리트 복합체의 제조시 실리카 파우더/시멘트 비를 30%로 하면 실리카 파우더의 분산작용 및 증점효과로 화이버볼의 생김이 없이 섬유혼입율 3%까지의 단섬유를 시멘트 매트릭스 중에 균일하게 분산시킬수 있고, 경량, 고강도를 얻기 위한 최적배합 조건은 실리카 파우더/시멘트 비를 30%, 탄소섬유 혼입율은 3% 이하가 좋으며, 섬유의 길이는 3∼6mm 최적이다.
상기와 같이 본 발명에서 역학적 특성 및 경제적 측면을 고려하여 개발된 최적배합조건에 따라 제2도와 같은 상판공시체(2)를 제조하여 휨내하력을 측정하였다.
여기서, 상판공시체(2)의 응력상태는 다음과 같이 평가한다 탄성범위내에 있는 4모퉁이 지지의 정방형의 상판공시체(2)의 중앙에 Pkg을 재하한 경우 발생하는 최대 휨모멘트 M은 근사적으로
여기서 a:공시체의 한변의 길이,
u:정사각형 재하판의 한변의 길이, 재하판이 원형인
경우의 u값을 환산하면,
(c : 재하봉강의 반지름)
로 나타내었다.
앵커(Anchor)형상에 따른 상판공시체의 하중-처짐관계는 강성의 지표로서 하중과 처짐이 직선관계인 300kg 재하시의 처짐, 최대하중 및 강성비를 다음의 표 2에 나타내었다.
앵커형상의 영향을 처짐의 역수비인 강성의 비로 평가하면 제4도 의 A와 C는 B의 0.88, 0.93이 되고, 처짐성능을 비교하면 A는 최대하중시의 처짐이 작으며, 최대하중후는 급격히 하중이 저하하게 된다. 한편, B, C는 최대하중시의 처짐이 각각 A의 1.4배, 1.5배 이다. 이러한 경우, A는 CFRC와 메쉬(10)와의 미끄러짐(활동)변형에 대하여 상판 전면에서 저항하기 때문에 촤대하중까지의 강성저하는 작지만 파괴와 동시에 메쉬(10)가 CFRC와 박리하기 때문에 급격한 하중저하가 생긴다. 반면에 B, C는 응력이 높은 상판공시체 중앙 부근의 앵커가 미끄러짐 변형에 저항하며, B는 주로 CFRC의 압축소성변형이, C는 주로 앵커의 인장소성변형이 서서히 진행되기 때문에 최대하중시의 처짐이 커진다고 생각된다. 또한 최대하중 이후에도 메쉬(10)가 CFRC와 박리하는 일이 적으며 하중저하도 완화된다.
앵커형상을 B로 하고 상판공시체(2)의 두께 30mm와 35mm의 두가지 경우에 대하여 앵커의 간격을 각각 30, 60, 90, 120mm로 했을 경우에 대하여 실험한 하중-처짐관계는 표 (3)와 같으며, 앵커간격 60mm까지는 간격이 좁을 수록 앵커의 갯수가 많아져 앵커1개가 부담하는 힘이 작아지고 최대하중이 높아지지만,30mm와 60mm의 경우는 대부분 차이가 없다. 이것은 앵커의 갯수 증가에 의한 내력향상에는 한계가 있기 때문이며, 또한 파괴형식은 앵커간격 90, 120mm가 휨파괴에 이르고 앵커간격 30, 60mm는 재하부의 전단파괴가 있다. 그러한 것의 차이는 간격이.작은 쪽이 메쉬(10)와 CFRC의 미끄러짐(활동) 또는 박리력에 대한 앵커 1개가 부담하는 힘이 작기 때문이다. 즉, 휨내력이 커지고 전단내력을 상회하기 때문에 전단파괴가 먼저 일어 나므로 앵커간격 60mm이하가 적당하다.
앵커의 형상을 B로 하고 상판공시체(2)의 두께를 각각 20, 25, 30, 35mm로 하였을 경우, 300kg재하시의 처짐, 최대하중 및 강성비를 표 4에 나타내었다. 이때 상판공시체의 두께에 따른 처짐의 역수비를 강성의 비로 나타내면 상판공시체의 두께가 20, 25, 30, 35mm일때 각각 0.69, 0.82, 1.0, 1.23이 되고, 파괴형식은 두께 20, 25, 30mm가 휨파괴에 이르고 두께 35mm는 재하부의 전단파괴가 있다.
또한, 보강형태에 따른 상판공시체(2)의 내력을 알아보기 위해 두께 30mm의 상판공시체(2)를 제작하여 내부보강을 하지 않은 것과 메쉬(10)로 보강한 것, 메쉬(10) 대신 양단 후크형 강섬유(20)로 보강했을 때의 각하중별 처짐을 비교하여 표 5에 나타내었다. 이때 내부보강을 하지 않은 것 보다 메쉬(10)로 보강하였을 경우 약 30% 정도 처짐량이 저하하였고, 양단 후크형 강섬유(20)로 보강하였을 경우 약 55%의 처짐 저하가 나타났다.
이는 매트릭스내에 보강용 메쉬(10) 대신 양단 후크형 강섬유(20)를 0.2∼0.4 Vol.%를 혼입한 고내력 보강판의 경우는 양단 후크형 강섬유(20)의 양단이 매트릭스내에서 앵커의 역할을 하여 매트릭스의 파괴를 구속함으로써 최대응력에 도달한 후에도 섬유가 뽑히지 않고 신장되어 휨거동시 균열발생후의 저항능력이 증대되어 메쉬(10)사용시의 박리로인한 급격한 하중저하의 문제를 해결하였다.
이같이 본 발명은 양단 후크형 강섬유와 산업부산물인 탄소섬유를 사용한 섬유보강 시멘트 콘크리트 복합체를 이용하고, 인장에 약한 콘크리트의 결점을 보완하기 위하여 시멘트 콘크리트와 섬유, 메쉬를 복합화한 합리적인 구조부재의 개발로 경량, 고강도·내력의 이중바닥용 상판(FREE ACCESS FLOOR)을 제조할 수 있어 자원의 재활용면에서 매우 큰 실용 가치가 있고 에너지절약 및 수입대체에 따른 외화절감효과가 매우 클 것으로 전망되는 발명인 것이다.

Claims (2)

  1. 직경 6.5-20μm, 비중 1.60∼1.80, 인장강도 7,500∼38,000kg/cm2, 탄성계수 3.5∼25.0×105`kg/cm2`, 섬유길이 3~2mm, 혼입량 1.0~3.0%의 PAN계 탄소섬유와 피치계 탄소섬유와 비중 3.14의 조강 포틀랜드 시멘트, 비중 2.7, 입경 0∼80μm의 실리카 파우더를 골재로 사용하고, 혼화제로는 유동화제로써 나프타렌 설폰산염 고축합물인 Mighty 150, 증점제로는 메칠셀룰로즈, 소포제로는 안티폼을 함께 슬러리 상태로 혼합하여 성형하므로써, 기건비중 1.4∼1.7 정도이고 압축강도는 190∼260kg/cm2`, 휨강도 65~120kg/cm2`이고, 휨인성은 보통 시멘트모르터의 50∼80배의 경량, 고강도이면서 내열, 내화성능이 탁월하고, 우수한 내구성 및 수밀성을 특징으로 하는 섬유보강 시멘트 콘크리트 복합체의 제조방법.
  2. 직경 6.5~20μm, 비중 1.60~1.80, 인장강도 7,500~38,000kg/cm2`, 탄성계수 3.5~25.0×105`kg/cm2`, 섬유길이 3~20mm, 혼입량 1.0~3.0%의 PAN계 탄소섬유와 피치계 탄소섬유와 비중 3.14의 조강 포틀랜드 시멘트, 비중 2.7, 입경 0~80μm의 실리카 파우더를 골재로 상요하고, 혼화제로는 유동화제로써 나프탈렌 설폰산염 고축합물인 Mighty 150, 증점제로는 메칠셀룰로즈, 소포제로는 안티폼을 함께 슬러리 상태로 혼합하여 성형한 섬유보강 시멘트 콘크리트 복합젤르 이용하여 지름 2.5mm의 메쉬, 치수 Ø0.6mm×36mm, 비중 7.85, 아스펙트비(ℓ/d) 60, 인장강도 110kg/cm2`인 양단 후크형 강섬유를 사용하여 인장에 약한 콘크리트의 결점을 보완한 콘크리트와 섬유, 메쉬를 복합화한 합리적인 구조부재인 경량, 고강도·내력의 이중바닥용 상판의 제조방법.
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