KR101752919B1

KR101752919B1 - Ｐｖａ 섬유 보강재를 포함하는 시멘트 혼합토 제조방법

Info

Publication number: KR101752919B1
Application number: KR1020100138155A
Authority: KR
Inventors: 김용성
Original assignee: 강원대학교산학협력단
Priority date: 2010-12-29
Filing date: 2010-12-29
Publication date: 2017-07-03
Also published as: KR20120076130A

Abstract

본 발명은 PVA 섬유 보강재를 포함하는 시멘트 혼합토 제조방법 및 그 제품에 관한 것으로, 보다 상세하게는 단섬유 형태의 합성섬유를 추가적으로 시멘트 혼합토에 혼합함으로써 섬유의 인장력이 발휘되어 시멘트 혼합토의 취성파괴를 방지하거나 저감할 수 있는 시멘트 혼합토 제조방법 및 그 제품에 관한 것이다. 특히 수산기(-OH)를 가진 화학적 구조로 부착성능이 우수하고 내알칼리성, 내충격성 및 UV 저항성이 우수한 최적의 3차원 배열을 지닌 RECS100L을 사용하여 섬유의 인장력이 발휘되어 시멘트 혼합토의 취성 파괴를 방지하거나 저감할 수 있는 시멘트 혼합토 제조방법 및 그 제품에 관한 것이다.

Description

ＰＶＡ 섬유 보강재를 포함하는 시멘트 혼합토 제조방법{Manufacturing Method for PVA Fiber Reinforced Cememt}

본 발명은 PVA 섬유 보강재를 포함하는 시멘트 혼합토 제조방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 단섬유 형태의 합성섬유를 추가적으로 시멘트 혼합토에 혼합함으로써 섬유의 인장력이 발휘되어 시멘트 혼합토의 취성파괴를 방지하거나 저감할 수 있는 시멘트 혼합토 제조방법 및 그 제품에 관한 것이다.

시멘트를 기본으로 하는 복합체(콘크리트, 모르타르, 숏크리트, 그라우트 등)는 일반적으로 압축에는 강하나 인장에는 약한 취성적 성질과 타설 직후 가소성의 유동체로 응결, 경화되면서 대개 수축에 의한 균열이 발생하게 된다. 시멘트 복합체에서 발생하는 균열은 여러 가지 복합적인 원인에 의해 발생되지만 그 중에서 가장 큰 영향은 건조수축 및 소성수축에 의한 균열이다.

이러한 균열은 구조물의 기계적 성질 및 내구성을 약하게 할 뿐 아니라 공동주택 주차장 바닥(주택 포함)이나 건물 바닥의 경우 균열로 인해 들뜸, 방수, 보수, 보강 등에 심각한 문제를 발생하게 된다. 또한, 시멘트를 원료로 사용한 콘크리트를 사용하는 대형 구조물, 도로에서의 균열은 심각한 대형사고의 문제점을 유발하게 된다.

종래에는 이러한 균열을 방지하고자 공동주택이나 공장바닥, 주차장, 도로 등에 사용되는 시멘트 복합체에 폴리프로필렌 섬유 등의 합성수지 장섬유를 보강섬유로 사용하였다. 이러한 합성수지 장섬유는 그 직경이 1 내지 50×10^-3㎜ 아스펙트비(aspect ratio)가 150 내지 500 정도이며, 섬유 직경이 크면 분산성은 좋아지나 시멘트의 포집력이 낮아져서 시멘트와의 부착력이 낮아진다. 또한 합성수지 장섬유는 근본적으로 소수성이기 때문에 이를 보강섬유로 사용한 시멘트 복합체의 변형시 소위 '뽑힘' 현상이 발생하는 문제점이 있다.

뿐만 아니라, 합성수지재 장섬유는 0.5부피% 이상으로 시멘트 복합체에 증가되어 사용될 경우에는 합성섬유를 낱개로 콘크리트 내에 분산하기가 어려우며, 분산되더라도 슬럼프 손실이 많이 발생하고, 분산의 형태도 혼합초기에 섬유볼 형태로 분산되기가 쉬워서 최종 양생된 콘크리트의 압축강도, 휩강도 등의 저하가 발생한다. 또한 시멘트와의 부착성을 개선시키기 위하여 굴곡형, 커필링 처리 등의 가공처리를 하여도 시멘트 복합체에 혼합 전부터 섬유간에 엉킴이 발생하고, 섬유볼 현상이 더욱 두드러진다.

한편, 상기 합성수지 장섬유 이외에 셀룰로오스 섬유를 시멘트 복합체의 보강섬유로 사용하는 것이 영국특허 제1317245호 및 미국특허 제5,643,359호 등에 알려져 있다. 셀룰로오스 섬유 자체의 비중이 시멘트 복합체 조성물의 다른 무기 원료에 비하여 비중이 매우 낮기 때문에 물에 젖을 때까지는 시멘트 복합체 조성물 위에서 떠다니는 현상으로 혼합하기가 매우 어렵다. 셀룰로오스 섬유를 펄프 상태로 시멘트 복합체에 투입하는 방법도 있지만 별도의 해면 설비로 해면시킨 후 투입해야 하고, 해면시 다량의 물을 필요로 하므로 콘크리트 등의 단위체 조성물에 물량을 맞추어 투입하는 것은 더욱 어려우며, 혼합비를 정확히 맞추어 투입하기도 어렵다.

본 발명은 상기 종래기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 시멘트 혼합토의 취성파괴를 방지하거나 저감할 수 있는 시멘트 혼합토를 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 단섬유 형태의 합성섬유를 추가적으로 시멘트 혼합토에 혼합함으로써 섬유의 인장력이 발휘되어 시멘트 혼합토의 취성파괴를 방지하거나 저감할 수 있는 시멘트 혼합토를 제공하는 것이다.

그러므로 본 발명은,

시멘트, 잔골재 및 굵은 골재를 포함하는 골재 입자 및 물을 포함하는 시멘트 복합체를 준비하는 단계; 시멘트 복합체 조성물의 전체 부피에 대하여 0.05 부피% 내지 5 부피% 범위로 PVA 섬유보강재를 투입하는 단계; 및 상기 시멘트 복합체 조성물을 교반하는 단계를 포함하는 시멘트 혼합토 제조방법을 제공한다.

본 발명의 일실시예에 있어서, 상기 시멘트는 시멘트 복합체 조성물의 총 부피(%)에 대하여 4~8 부피%로 포함할 수 있다.

본 발명의 일실시예에 있어서, 상기 PVA 섬유보강재는 시멘트 복합체 조성물의 총 부피(%)에 대하여 0.2~0.6 부피%로 포함할 수 있다.

본 발명의 일실시예에 있어서, 상기 시멘트 복합체는 시멘트 복합체 단위부피에 대하여 시멘트 200 내지 500kg/㎥, 잔골재 600 내지 1200kg/㎥, 굵은골재 600 내지 1200kg/㎥ 및 물 150 내지 200kg/㎥를 포함할 수 있다.

또한, 본 발명은,

모르타르, 콘크리트 및 숏크리트로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나의 시멘트 복합체에 있어서, 시멘트 복합체 조성물의 전체 부피에 대하여 0.05부피% 내지 5부피% 범위로 PVA 섬유보강재를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 시멘트 혼합토를 제공한다.

본 발명의 일실시예에 있어서, 시멘트 복합체 조성물의 전체 부피에 대하여 시멘트를 4~8부피%로 포함할 수 있다.

본 발명의 일실시예에 있어서, 시멘트 복합체 조성물의 전체 부피에 대하여 PVA 섬유보강재를 0.2~0.6 부피% 범위로 포함할 수 있다.

본 발명에 따라 PVA 섬유 보강재를 추가적으로 혼합하여 제조된 시멘트 혼합토는 섬유의 인장력이 발휘됨으로 인해 시멘트 혼합토의 취성파괴를 방지하거나 저감할 수 있게 된다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따라 PVA 섬유 보강재를 포함하는 시멘트 혼합토 제조방법을 도시한 블럭도이다.
도 2는 본 발명의 섬유 보강재로 사용되는 PVA 섬유에 관한 도면으로,
도2a는 본 발명의 PVA 섬유를 나타낸 사진이고,
도2b는 상기 PVA 섬유의 화학 구조식을 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명의 실시예에서 사용된 굴착토의 입도분포를 나타낸 그래프이다.
도 4는 단위시멘트량 100kgf/m³의 CSG 배합에 대한 재령 7, 28일의 주사전자현미경에 의한 CSG재료 내부의 미세 구조를 나타낸 사진이다.
도 5는 다짐에 의한 재령 28일의 CSG 공시체에 대한 섬유 형상 및 섬유 혼입율에 따른 CSG 재료의 압축 및 인장강도 변형률 곡선을 나타낸 그래프이다.
도 6은 EDS 시험에서 시멘트의 혼입에 의한 CSG 재료의 PVA 섬유 혼입에 따른 압축강도를 나타낸 그래프이다.
도 7은 재령 28일에 대한 PVA 섬유 비율에 따른 CSG 재료의 압축강도를 나타낸 그래프이다.
도 8은 동결융해 싸이클에 따른 CSG재료의 흙-시멘트 손실량과 PVA 섬유비의 관계를 나타낸 그래프이다.

이하 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명에 대하여 보다 상세하게 설명한다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따라 PVA 섬유 보강재를 포함하는 시멘트 혼합토 제조방법을 도시한 블럭도이다.

참조한 바와 같이 본 발명은 시멘트 복합체 조성물을 준비하는 시멘트 복합체 준비단계가 이루어진다(S100).

본 발명의 일실시예에 따른 시멘트 복합체 조성물은 시멘트, 잔골재 및 굵은 골재를 포함하는 골재 입자들, 물 및 섬유보강재를 포함한다. 섬유보강재는 시멘트 복합체 조성물의 전체 부피에 대해 0.05 부피% 내지 5 부피%로 포함될 수 있다. 콘크리트 조성물의 경우 잔골재 입자들과 굵은골재 입자들을 포함하며 모르타르 조성물과 콘크리트 조성물의 경우 굵은골재 입자들을 포함하지 않는다.

본 발명의 바람직한 일실시예에 있어서, 상기 시멘트 복합체는 복합체 단위부피에 대하여 시멘트 200 내지 500kg/㎥, 잔골재 600 내지 1200kg/㎥, 굵은골재 600 내지 1200kg/㎥ 및 물 150 내지 200kg/㎥를 포함할 수 있다.

콘크리트는 가장 많이 사용되는 시멘트 복합체 건설재료 중의 하나로서, 시멘트와 골재를 물과 혼합하여 수화반응을 거쳐 경화되는데, 이때 콘크리트는 선조수축 및 소성수축 균열과 수화열에 의한 온도균열이 발생된다. 이와 같이 콘크리트에 발생하는 미세한 균열은 콘크리트에 미치는 영향이 상당히 크게 되는데, 콘크리트의 수밀성을 감소시키고, 유해물질의 침투에 의한 열화현상이 가속화된다. 이와 같은 영향으로 콘크리트 구조물의 내구수명은 물론, 최종적으로 구조적 성능저하가 가속화되는 현상이 나타나고 있다.

본 발명의 시멘트 복합체에 있어서 시멘트는 결합재(binder)로서 사용되는데, 본 발명의 바람직한 일실시예에 있어서 복합체 단위부피에 대하여 200 내지 500kg/㎥, 보다 바람직하게는 250 내지 400kg/㎥를 포함할 수 있다. 상기 결합재는 콘크리트 설계기준강도 측면에서 200kg/㎥ 이상 포함하는 것이 바람직하고, 수화열 저감, 경제성 측면에서 500kg/㎥ 이하로 포함되는 것이 바람직하다.

또한 본 발명의 바람직한 일실시예에 있어서, 시멘트는 포틀랜드 시멘트를 사용하는 것이 바람직하지만, 그 이외에도 시중에서 구입할 수 있는 다양한 종류의 시멘트를 모두 사용할 수 있다.

또한, 본 발명의 결합재는 상기 시멘트와 함께 고로슬래그 미분말 및 플라이애쉬 등의 광물질 혼화재 1종 이상을 추가로 포함할 수 있다.

고로슬래그 미분말은 그 자체로는 수경성이 없지만 시멘트 속의 알칼리성을 자극하여 천천히 수화하는 특징이 있으며, 콘크리트의 워커빌리티(유동성) 및 장기강도가 증진되며, 조직이 치밀하여 수밀성 및 화학적 저항성을 향상시킨다.

플라이애쉬로는 화력발전소 등에서 분탄을 연소시킬 때 불연 부분이 용융상태로 부유한 것을 냉각 고화시켜 채취한 미분탄재를 사용할 수 있다. 상기 플라이애쉬는 KS L 5405 규격에 준하는 밀도가 1.95kg/㎥ 이상이고, 비표면적이 3,000㎠/g 이상인 것을 사용할 수 있다. 또한 플라이애쉬는 표면이 매끈한 구형 입자이기 때문에 볼 베어링 작용을 하여 콘크리트의 워커빌리티, 즉 유동성을 좋게 하고, 콘크리트 속에서 물에 녹아있는 수산화 칼슘과 상온에서 천천히 화합하여 불용성 화합물을 생성한 것으로 수화열 저감, 장기강도 및 수밀성을 증대시킬 수 있다.

여기서 고로슬래그 미분말과 플라이애쉬의 함량비는 중량 기준으로 1:1 내지 5:1, 바람직하게는 1:1 내지 3:1로 사용할 수 있다.

특히, 본 발명의 결합재는 시멘트 25 내지 100중량%, 고로슬래그 미분말 0 내지 50중량%, 및 플라이애쉬 0 내지 25중량%를 포함할 수 있으며, 바람직하게는 시멘트 50 내지 90중량%, 고로슬래그 미분말 5 내지 30중량%, 및 플라이애쉬 5 내지 20중량%를 포함하는 것으로 사용할 수 있다.

본 발명의 시멘트 복합체에 있어서 물을 복합체 단위부피에 대하여 150 내지 200kg/㎥, 보다 바람직하게는 160 내지 190kg/㎥를 포함할 수 있다. 물의 함량은 콘크리트의 강도 및 유동성 측면에서 최적 범위로 조절할 수 있다.

본 발명의 시멘트 복합체에 있어서 골재는 일반적으로 콘크리트용으로 알려진 것을 사용할 수 있으며, 잔골재와 굵은 골재로 이루어질 수 있다. 잔골재로는 KS F 2526 규격에 준하는 입경 0.15 내지 2.5㎜, 절대건조밀도 2.5g/㎤ 이상, 흡수율 3% 이하, 안정성 10% 이하, 마모율 40% 이하인 것을 사용할 수 있다.

본 발명의 시멘트 복합체에 있어서 잔골재는 복합체 단위부피에 대하여 600 내지 1,200kg/㎥, 보다 바람직하게는 700 내지 1,000kg/㎥를 포함하며, 상기 잔골재는 유동성 및 재료 분리저감 측면에서 상기 함량 범위로 사용하는 것이 바람직하다.

본 발명의 시멘트 복합체에 있어서 굵은 골재는 복합체 단위부피에 대하여 600 내지 1,200kg/㎥, 보다 바람직하게는 700 내지 1,000kg/㎥를 포함하는 것이 유동성 및 재료 분리 저감 측면에서 바람직하다.

이에 따라 본 발명은 기존의 일반 콘크리트 조성물을 이용하여 섬유보강재를 포함하는 시멘트 복합체를 제공한다.

본 발명의 바람직한 일실시예에 사용 가능한 섬유 보강재는 PVA(Polyvinyl Alcohol) 섬유로서, 종래의 토목섬유에 비해 콘크리트와 모르타르 속에서의 분산성이 우수하며 보강성분이 뛰어나 콘크리트와 모르타르 섬유로 높은 평가를 받고 있다. 보다 상세하게는 수산기(-OH)를 가진 화학적 구조로 부착성능이 우수하고 내알칼리성, 내충격성, UV(Ultraviolet) 저항성이 우수한 최적의 3차원 배열을 지닌 RECS100L을 사용할 수 있다.

PVA 섬유는 도 2에 도시된 바와 같이 OH-기를 가지고 있는 친수성 물질로서 비닐 알코올(Vinyl alcohol)의 중합에 의하여 제조되는 고분자이다. PVA는 비닐 알코올 단량체의 불안정성 때문에 비슷한 구조를 가지는 비닐 아세테이트(Vinyl acetate)의 변형과 같은 간접적인 방법에 의해서 제조되는 화합물이다. 화학적, 물리적으로 우수한 접착성을 가지고 있으며 인장강도가 900~1,600Mpa로 내알칼리성과 인장력이 높게 요구되는 시멘트 콘크리트 보강재에 매우 적합한 제품이다. 또한 합성섬유 중에는 가장 연소열이 낮고, 또 연소시의 발생가스는 질소계(암모니아, 시안 등) 또는 유황계(아황산가스, 유화수소 등) 등의 유해가스를 갖고 있지 않아 인체에 대해서는 매우 안전한 물질이다.

PVA는 도2b에 도시된 바와 같은 화학구조를 가지고 있는 폴리머로서 일반적으로 초산비닐 모노머를 라디칼 중합하여 알칼리 검화하여 제조된다. 검화도(Degree of saponification, DS)는 PVA 특성을 결정하는 중요한 요소이다. 검화도가 높은 경우 분자간 수소결합이 강하여 융점이 높고 물에 용해되기 어렵다.

일반적으로 고강도용 PVA섬유 제조에 사용되는 PVA 검화도는 99.0 mol% 이상이고 이러한 고강도 PVA 섬유는 끓는 물에도 용해되지 않는다. 반면에 검화도가 88.0~98.0 mol%인 PVA를 사용하면 수용 가능 온도가 9~95℃인 수용성 PVA 섬유가 만들어진다. 또한 초산비닐은 여러 종류의 PVA계 화합물을 얻을 수 있다. 그러나 PVA 분자구조 내에 여러 종류 결합이 존재하면 분자간 수소결합이 약해지므로 산업용 고강도 PVA 섬유를 목표로 할 경우 공중합 PVA는 일반적으로 사용되지 않는 것이 효과적이다.

상업적으로 유용한 PVA 중합도(Degree of polymerization, DP)는 1,500 ~ 2,000 정도이다. PVA는 라디칼 중합시 초산비닐의 성장 말단이 매우 활성이 강하기 때문에 고중합도 PVA를 얻는 것은 일반적으로 곤란하지만, 최근에 라디칼 중합을 사용하여 고중합도 PVA를 얻을 수 있는 에멀젼 중합법이 개발되었다. 이와 같은 초중합도 PVA를 사용할 경우 아라미드 섬유의 일종인 케블라(Keblar)의 강도와 같은 2.9GPa(24g/d)의 고강도 PVA 섬유를 제조할 수 있다.

시멘트 복합체 조성물에서 섬유보강재의 총 혼입률이 0.05부피% 미만이면 섬유보강재로 인한 시멘트 복합체의 균열제어 효과와 휨 성능 개선효과가 미비해진다. 그리고 섬유 보강재들의 총 혼입률이 5부피%를 초과하면, 섬유보강재들이 시멘트 복합체 조성물 내에서 균일하게 분산되지 못하여 오히려 시멘트 복합체 조성물 내부의 공극을 증가시킨다. 따라서 시멘트 복합체의 균열 억제 기능과 휨 성능이 감소하는 결과를 초래한다.

본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 섬유보강재는 3㎜ 내지 50㎜의 길이로 형성될 수 있다. 섬유보강재의 길이가 3㎜ 미만이면 시멘트 복합체 조성물 내에서 섬유보강제가 잘 분산되지 못하고 한곳으로 몰리는 경우가 발생할 수 있다. 또한, 섬유보강재의 길이가 50㎜를 초과하면 시멘트 복합체 조성물 내에서 섬유보강재가 서로 뒤엉켜 충분히 분산되지 못할 수도 있다. 즉, 두 경우 모두 섬유보강재의 분산성이 저하되어 시멘트 복합체의 성능을 저하시킬 수 있다.

다음으로, 상기 S100단계에서 준비된 시멘트 복합체를 믹서에 투입하여 혼합하는 혼합단계가 진행된다(S110). 바람직하게는 시멘트 복합체를 구성하는 시멘트, 골재 입자들, 적어도 하나의 분산제 및 섬유보강재를 믹서에 투입하여 30rpm의 속도로 10분정도 혼합한 다음 물과 감수제를 투입하여 100rpm의 속도로 10분 동안 혼합한 후 다시 40rpm의 속도로 5분 동안 혼합하는 단계를 거친다.

본 발명의 일 실시예에 따른 시멘트 복합체는 전술한 섬유 보강재들을 포함하며, 섬유보강재들이 분산된 시멘트 복합체 조성물을 경화시켜 시멘트 복합체를 완성한다. 이하 실시예를 통해 본 발명을 보다 상세하게 설명하며, 이는 본 발명의 이해를 돕기 위해 제시된 예일 뿐, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.

< 실시예 1>

시멘트 복합체 제조

Cemented sand & grevel(이하 CSG라 함) 공법의 최대골재의 치수는 150 mm 또는 80 mm 이하이며, 입도 조정 없이 현장입도를 그대로 사용하지만 실내배합의 설계의 경우 실험장비의 제약으로 대형입도를 사용할 수 없기 때문에 통상적으로 최대굵은 골재는 40mm 이하를 사용하였다.

본 발명의 실시예에서는 CSG 재료로서 터파기시 발생된 굴착토를 선별기를 이용하여 40~25, 20~10, 10~4.76 mm 그리고 4.76 mm 이하로 분리하여 사용하였다. 도 3은 본 발명의 실시예에서 사용된 굴착토의 입도분포곡선을 보여준다. 시멘트는 국내 H사의 보통 포틀랜드 시멘트를 사용하였으며, 표 1 및 표 2는 본 발명의 실시예에 사용된 시멘트의 역학적 특성 및 화학적 성분을 나타낸다.

한편, CSG 재료의 강도 및 인성 증진을 위하여 사용된 섬유는 국내 P사가 일본으로부터 수입한 PVA 섬유이며, 사용된 PVA 섬유의 제원과 형상은 표 3 및 도 2a와 같다.

사용된 시멘트의 역학적 특성

S.G	Setting time (h-min)		Compressive strength
S.G	Initial	Final	3 days	7 days	28 days
3.15	5-7	7-20	19.4	21.6	32.3

사용된 시멘트의 화학적 특성

SiO₂	Al₂O₃	CaO	MgO	SO₃	K₂O	Na₂O	Fe₂O₃
21.09	4.84	63.85	3.32	3.09	1.13	0.29	2.39

사용된 시멘트의 물리적 특성

Color	Specific gravity	Length	Diameter	Tensile strength	Modulus of elasticity
off-white	1.3	12mm	100 micron	1,100 MPa	25 GPa

배합설계 및 제작

[배합]

CSG 공법의 배합설계에 대한 명확한 기준이 제시되고 있지 않으나 일반적으로 다짐시험에 의해 단위재료량을 산정하는 토질역학적인 방법과 물/시멘트 및 단위재료량에 따른 최적배합설계를 기준으로 하는 콘크리트 배합설계방법으로 분류된다. 본 실시예에서는 섬유를 혼입하지 않은 CSG 재료에 대하여 단위시멘트량에 따른 최적함수비 및 최대건조밀도를 측정하여 최적함수비에서 목표 강도를 발현할 수 있도록 예비실험을 통하여 최적배합을 결정하였으며, 단위시멘트량이 100 kg/㎥인 CSG배합을 기본 배합으로 선정하였다.

시험을 위한 공시체는 각 배합당 20개를 1조로 하여 제작하였으며, CSG재료의 전체 중량에 대한 중량비로 PVA 섬유는 0.4, 0.6, 0.8, 1.0%로, 시멘트는 2, 4, 6, 8, 10%로 혼입하였고, 섬유보강된 CSG재료의 배합설계는 표 4와 같다.

[다짐]

본 실시예에서는 최적함수비 및 최대건조밀도 산출을 위한 다짐은 A 다짐에 준하여 실시하였으며, 강도 측정을 위한 공시체 제작시에도 A다짐 방법 (Φ100x200 mm)에 의하여 다짐에너지를 계산하여 5층 25회 다짐으로 다짐에너지가 일정하도록 조정하였다.

[공시체 제작]

다짐시험에서 산출된 최적 함수비와 최대 건조 단위 중량을 기준으로 하여 수량 및 물량을 산정한 후 다짐 시험과 동일한 수준의 다짐에너지를 나타낼 수 있도록 Φ100*200mm 몰드에 재료를 투입하고 재료분리가 발생하지 않도록 각층의 재료를 따로 배합하여 5층으로 나누어 다짐을 실시하였다.

재령에 따른 강도 특성을 구명하기 위하여 재령 3, 7, 28일 및 91일 동안 양생을 실시하였다.

시험방법

[일축압축강도]

일축압축강도시험은 KS F 2405(콘크리트의 압축강도 시험방법)에 준하여 재령 3, 7, 28일 및 91일에 Φ100*200mm인 공시체를 Instron사의 만능시험기를 사용하여 1mm/min의 속도로 하중을 재하하여 측정하였다.

[인장강도시험]

인장강도시험은 KS F 2423(콘크리트의 인장강도 시험방법)에 준하여 재령 3,7,28일 및 91일에 Φ100*200mm인 공시체를 Instron사의 만능시험기를 사용하여 1mm/min의 속도로 하중을 재하하여 측정하였다.

[건습시험]

건습시험은 KS F 2330(다져진 흙 시멘트 혼합물의 건조 시험 방법)에 준하여 공시체를 성형한 후에 습윤 양생실에서 7일간 양생한 후 5시간의 수침과 42시간 동안 71℃의 건조로에서 건조하기를 12주기 반복하여 흙-시멘트 손실량을 측정하였다.

흙 시멘트의 손실율(%) = 100×A/B

이때, A는 처음에 계산된 노 건조 질량에서 최종 수정된 노 건조 질량을 뺀 값이고, B는 처음에 계산된 노 건조 질량이다.

[동결융해]

동결융해 시험은 KS F 2332(다져진 흙 시멘트 혼합물의 동결 융해 시험 방법)에 준하여 공시체를 성형한 후에 습윤 양생실에서 7일간 양생한 후 -23℃보다 높아지지 않는 동결 캐비닛에 24시간의 동결과 온도 21℃, 상대습도 100%인 습윤 양생실에서 24시간 동안 융해하기를 12주기 반복하여 흙-시멘트 손실량을 측정하였다.

흙 시멘트의 손실율 (%) = 100×A/B

[SEM(Scaning Electronic Microscope)]

수화특성을 분석하기 위하여 재령 3, 7, 28일 된 공시체에서 시료를 채취하여 주사전자현미경을 이용하여 10,000배로 측정하였다.

[EDS(Energy Dispersive Spectroscopy)]

전류의 인가에 의해 생성된 전자를 가속시켜 시료와 충돌시키는 방법으로 원자를 구분하여 주요생성물에 대한 구성 성분을 확인하였다.

실험 결과

[섬유혼입율-압축강도]

도 4는 단위시멘트량 100kgf/m³의 CSG 배합에 대한 재령 7, 28일의 주사전자현미경에 의한 CSG재료 내부의 미세 구조를 보여준다. 도 4a, 4b, 4c 및 4d는 재령 7일 및 28일에 채취된 시료에 대하여 주사전자현미경에 의해 10,000배로 측정된 미세구조 분석 결과 CSG재료에 혼입된 시멘트 수화에 의하여 수화생성물이 다소 생성된 것을 볼 수 있으며, 시멘트 함유량이 많을수록 전형적인 침상의 에트린자이트 생성이 더 확연하게 나타나고 있음을 알 수 있다. 이와 같이 시멘트에 의하여 생성된 수화생성물은 흙과의 결합력을 증가시킬 뿐만 아니라 혼입된 PVA 섬유와의 부착력 향상에도 기여하여 섬유보강 CSG 재료의 압축강도 증진에 효과적일 것으로 판단된다.

도 5는 다짐에 의한 재령 28일의 CSG 공시체에 대한 섬유 형상 및 섬유 혼입율에 따른 CSG 재료의 압축 및 인장강도 변형률 곡선을 나타낸다. 도 5a, 5b, 5c 및 5d에 도시된 바와 같이 PVA 섬유를 혼입한 CSG 재료는 재령에 관계없이 압축강도가 증가하는 경향을 나타내었으며, 인장강도 또한 증가하는 경향을 나타내었다.

강도-변형률 곡선에서 PVA의 함유율에 크게 관련 없이 시멘트 비율 6% 이상의 경우 탄성계수가 크고 강도도 크게 나타나고 있으므로 경제성을 고려한다면 시멘트 비율 6%, PVA 섬유 비율 0.4%가 적절한 배합비율이라 판단된다.

[재령-압축강도]

섬유를 혼입하지 않은 CSG 배합의 압축강도는 재령이 증가함에 따라 증가하는 경향을 나타내었으며, 재령 28일의 압축강도는 6.1MPa로 재령 28일에 대한 재령 7일 및 91일의 압축강도비는 56% 및 115%로 나타났다.

도 6은 EDS 시험에서 시멘트의 혼입에 의한 CSG 재료의 PVA 섬유 혼입에 따른 수화생성물을 보여준다. 시멘트를 활용한 콘크리트의 경우 시멘트에 의한 초기 수화반응 메커니즘 등을 구명하기 위한 CaCO₃SiO₂와 CaCO₃Al₂O₃의 함량 및 수화생성물인 Ca(OH)₂, CaCO₃SiO₂ 및 KFe 등을 확인하기 위하여 활용되어 진다.

도 6a 및 6b에서 보는 바와 같이 에너지분산법에 의한 분석 결과 시료의 주성분이 O와 Si 임을 알 수 있었으나 Si의 비율은 시멘트 혼합 비율 10%에서 훨씬 크게 나타났으며, 두 시료 모두 Al이 검출되었는데 이는 침상 주위의 수화물에 의해 검출되어지는 것으로 판단된다.

도 7은 재령 28일에 대한 PVA 섬유 비율에 따른 CSG 재료의 압축강도를 보여준다. 도 7a, 7b 및 7c에서 보는 바와 같이 PVA 혼합비 및 시멘트 혼합비율이 증가함에 따라 압축강도 및 인장강도는 증가하는 경향을 나타냈으며, 재령에 따른 강도증가율은 시멘트 비율 10%에서 가장 크게 나타났다. 섬유의 혼입에 의한 보강 효과는 마찰각 증가 및 점착력 증가에 의한 보강토체 내의 수평응력 감소 또는 수평방향으로 랜덤 분포된 섬유에 작용하는 인장력이 흙으로 전달됨으로서 구속응력의 증가에 기인하는 것으로 알려져 있다. 본 연구에서 사용된 PVA 섬유는 CSG 재료의 혼합시 흙 속에 랜덤 분포되며, 자동다짐기계의 다짐에 의하여 섬유와 흙의 부착력이 증가하면서 CSG 재료 내부에 마찰각 및 점착력이 증가하여 강도증가 효과가 나타난 것으로 판단된다.

[동결 융해 저항성]

시멘트-섬유 혼합토에 동결융해가 반복적으로 작용하면 콘크리트 내부에 물이 얼게 되고 이때 팽창에 의하여 콘크리트 내부 구조에 균열이 발생하여 내구성이 저하한다. 반면에 토양 지반이 동결하면 동결하기 전에 비하여 매우 단단해지며, 지반이 동결할 때는 흙의 종류, 토립자의 배열 상태, 함수비, 부동수분, 건조단위중량, 염분함유량 등 여러 가지 요인이 작용하므로 역학적 성질이 매우 복잡한 형상을 나타내는 것으로 알려져 있다.

도 8은 동결융해 싸이클에 따른 CSG재료의 흙-시멘트 손실량과 PVA 섬유비의 관계를 나타낸다. 시멘트비가 2%인 경우 섬유비가 0.4%였을 때 흙-시멘트 손실량이 낮았으며 섬유비가 1%일 때에는 손실량이 24.21%에 도달하였을 때 공시체에 파괴가 발생하여 해당 공시체에 대한 실험은 중단하였다. 시멘트비가 10%인 경우 섬유비가 0.8%였을 때 흙-시멘트 손실량이 0.78%로 가장 낮은 결과를 알 수 있다.

경제성을 고려한다면 흙-시멘트 손실율이 6.51%의 결과를 나타낸 시멘트비 6% - PVA 섬유비 0.6%가 적당한 저항성을 가지는 것을 확인할 수 있다.

[습윤 및 건조저항성]

섬유를 혼입하지 않은 무보강 CSG 공시체의 습윤건조 시험에서는 시멘트 함유량이 증가함에 따라 손실율이 감소하는 경향을 나타내었으며, 이러한 결과는 물속에 완전 침적된 CSG 배합의 시편에서 간극에 수분이 침두된 후 건조-습윤이 반복되면서 간극 속의 수분이 부피 팽창을 일으켜 밀도의 감소를 초래하였기 때문으로 판단된다.

한편 도 9에서는 습윤 및 건조 시험에서는 시멘트비 2% - PVA 섬유비 0.8%, 1.0%에서는 각각 23.82%, 27.46%에서 섬유보강 CSG 공시체에서 파괴가 발생하였으며 대부피로 시멘트 함유량이 증가함에 따라 손실율은 감소하는 결과를 나타낸다.

시멘트비 10% - PVA 섬유비 1.0%에서는 손실율이 1.86%로 흙-시멘트 손실율이 가장 감소되었지만 경제성을 고려한다면 흙-시멘트 손실율이 7.35%인 시멘트비 8% - PVA 섬유비 0.8%가 습윤 및 건조 시험에 대한 적당한 저항성을 가지는 것을 확인할 수 있다.

이제까지 본 발명에 대하여 그 바람직한 실시예들을 중심으로 살펴보았다. 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 개시된 실시예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims

시멘트, 잔골재 및 굵은 골재를 포함하는 골재 입자 및 물을 포함하는 시멘트 복합체를 준비하는 단계;
시멘트 복합체 조성물의 전체 부피에 대하여 0.05 부피% 내지 5 부피% 범위로 PVA 섬유보강재를 투입하는 단계; 및
상기 시멘트 복합체 조성물을 교반하는 단계;를 포함하고,
상기 섬유보강재는 하기 화학식 1로 표시되는 공중합체이고, 비중 1.3, 길이 12mm, 직경 100 ㎛, 인장강도 1100Mpa, 탄성계수 25Gpa인 것을 특징으로 하는 시멘트 혼합토 제조방법.
[화학식 1]
제1항에 있어서,
상기 시멘트는 시멘트 복합체 조성물의 총 부피(%)에 대하여 4~8 부피%로 포함하는 것을 특징으로 하는 시멘트 혼합토 제조방법.
제1항에 있어서,
상기 PVA 섬유보강재는 시멘트 복합체 조성물의 총 부피(%)에 대하여 0.2~0.6 부피%로 포함하는 것을 특징으로 하는 시멘트 혼합토 제조방법.
제1항에 있어서,
상기 시멘트 복합체는 시멘트 복합체 단위부피에 대하여 시멘트 200 내지 500kg/㎥, 잔골재 600 내지 1200kg/㎥, 굵은골재 600 내지 1200kg/㎥ 및 물 150 내지 200kg/㎥ 를 포함하는 것을 특징으로 하는 시멘트 혼합토 제조방법.
모르타르, 콘크리트 및 숏크리트로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나의 시멘트 복합체에 있어서,
시멘트 복합체 조성물의 전체 부피에 대하여 0.05부피% 내지 5부피% 범위로 섬유보강재를 포함하고,
상기 섬유보강재는 하기 화학식 1로 표시되는 공중합체이고, 비중 1.3, 길이 12mm, 직경 100 ㎛, 인장강도 1100Mpa, 탄성계수 25Gpa인 것을 특징으로 하는 시멘트 혼합토.
[화학식 1]
제5항에 있어서,
시멘트 복합체 조성물의 전체 부피에 대하여 시멘트를 4~8부피%로 포함하는 것을 특징으로 하는 시멘트 혼합토.
제5항에 있어서,
시멘트 복합체 조성물의 전체 부피에 대하여 PVA 섬유보강재를 0.2~0.6 부피% 범위로 포함하는 것을 특징으로 하는 시멘트 혼합토.
제5항에 있어서,
상기 시멘트 복합체는 시멘트 복합체 단위부피에 대하여 시멘트 200 내지 500kg/㎥, 잔골재 600 내지 1200kg/㎥, 굵은골재 600 내지 1200kg/㎥ 및 물 150 내지 200kg/㎥ 를 포함하는 것을 특징으로 하는 시멘트 혼합토.