KR20190037687A - 재생수지를 포함한 섬유보강 콘크리트 조성물 - Google Patents

Abstract

본 발명은 재생수지를 포함한 섬유보강 콘크리트 조성물에 관한 것으로서, 이를 구체적으로 설명하면, 고가의 고강성 섬유 및 유기섬유 대신에 컴포지트 제조공정에서 부산물로 발생된 폴리아미드(PA) 및 폴리프로필렌(PP), 폴리에틸렌(PE) 등의 열가소성 수지가 함침된 강화섬유를 포함하여 기존 유기섬유 및 강섬유 보강 콘크리트와 유사한 성능을 구현할 뿐 아니라 경제성도 확보할 수 있는 효과를 가질 수 있다.

Description

재생수지를 포함한 섬유보강 콘크리트 조성물{Fiber reinforced contrete compostion containg recycle resin}

본 발명은 물, 시멘트, 잔골재, 굵은골재 및 감수재를 포함하는 콘크리트 조성물에 있어서 인장강도 및 굴곡강도 증진에 요구되는 열가소성 수지가 함침된 섬유보강 복합소재를 콘크리트 체적을 기준으로 0.1% 내지 3% 범위로 포함하는 섬유보강 콘크리트 조성물에 관한 것이다.

복합소재(Compostie)란 서로 다른 성분 및 물성을 갖는 물질들을 인위적으로 혼합 또는 결합시켜 각각의 물질의 특성을 극대화 하거나 단일 물질에서는 발현되지 않는 새로운 특성을 갖도록 만든 소재를 의미한다. 복합소재는 기본적으로 강도, 내식성, 피로수명, 내마모성, 내충격성, 경량성 등의 물성이 기존 소재에 비해 월등히 우수하므로 우주항공 분야를 비롯해 스포츠 용품, 선박, 건설, 자동차, 에너지 분야에 이르기까지 다양한 분야에서 각광받고 있는 대표적인 21세기 산업용 소재이다.

특히 복합소재는 그 형태에 따라 크게 2가지로 구분할 수 있는데 사출성형기 내부에 투입이 가능하여 스크류에서의 혼련이 원활토록 절단된 펠렛형태와, 연속된 방향으로(UD) 섬유의 단사 없이 길게 테잎의 형태로 제작하는 경우가 있으며, 해당 컴포지트의 제조시 위치와 형태의 변경 및 균일한 폭을 구현하여 생기는 부산물은 제품의 끝단면과 제조 개시 초물 및 종물에서 매우 다양한 형태로 다량으로 발생하게 된다. 통상적으로 이 때 발생된 부산물은 별도의 수거를 통해 폐기 되어 거나, 열가소성 복합소재의 경우 다시 가열 후 연화시키 사용이 가능하므로 일반적인 재생품 성형업체에서 주로 활용한다. 그러나 이 경우 성형처까지 부산물을 운반하여야 하는데 그 부피로 인해 운송 비용이 과다 발생되므로 경제적인 효과가 크지 않다.

또한, 재생품 제조시에 부산물만 단독으로 사용하는 것이 아니라 다양한 방식으로 수거된 스크랩 제품을 혼용 사용하게 되며, 특히 그 형태와 비율이 균일하지 않으므로 제품 제조 후 균일한 물성발현을 기대하기 어려울 뿐 아니라 구간별 제품 변형이나 불균일한 외관 품질로 인한 상품성이 저하되는 단점을 가진다.

또한, 기본적인 물, 시멘트, 잔골재 및 굵은 골재만 활용하여 만들어지는 콘트리트의 경우 그 경제성과 내구성이 우수하여 스틸 강재와 더불어 건축 구조물에 널리 사용되고 있는데, 일반적으로 강한 압축력을 가지는 데 반해 약한 취성과 타설 직후 유동 응결시 경화 수축에 의한 미세한 균열이 발생하게 되고, 이는 콘크리트 구조물의 크고 작은 강도 발현에 영향을 미치게 된다.

이와 같은 콘크리트 균열은 다양한 원인에 의해 발생되나, 그 중 건조후 수축과 소성수축이 균열을 발생시키는 주요 원인으로 작용된다. 이러한 균열은 낮은 기계적 성질과 콘크리트 내구성 저하에 영향을 끼치게 되며, 나아가 심각한 균열의 단초로써 대형사고에 대한 잠재적 영향을 끼칠 수 있다. 뿐만 아니라 초고강도 콘크리트의 경우 그 특성상 고성능의 압축강도를 가지게 되는데, 이로 인해 취성이 약해지는 단점으로 인해 취성파괴가 발생되는 경우도 발생되며 이는 지진등과 같은 진동 발생 시에 심각한 손상을 야기하게 된다.

또한, 종래에는 이와 같은 문제점을 개선하기 위해 강섬유 및 유기섬유를 투입하여 인장강도와 굴곡강도를 일부 개선하여 사용하는 기술이 제시되었으나, 섬유의 분리현상과 뚜렷한 균열개선 효과를 기대하기 어려운 실정이다.

뿐만 아니라 종래에는 콘크리트와의 분리현상을 개선하기 위해 폴리비닐알콜(PVA), 폴리아마이드(PA), 폴리에틸렌(PE) 등의 유기섬유와 유리섬유 강섬유, 탄소섬유등을 하이브리드하여 다종의 섬유를 혼입하여 사용하는 기술도 제시되었으나, 각각의 이종 섬유 특성이 적절히 반영되지 않을 뿐 아니라 유기섬유 및 강화섬유를 콘크리트 투입을 위해 별도의 제작이 이루어지고 있어, 충분한 경제성을 확보하지 못해 소재 투입량을 극대화 하지 못하는 한계를 가진다.

본 발명은 콘크리트 제조에 있어서 인장강도 및 굴곡강도 개선에 요구되는 강화섬유를 컴포지트 제조공정에서 부산물로 발생되는 폴리아미드(PA) 및 폴리프로필렌(PP), 폴리에틸렌(PE) 등의 열가소성 수지가 함침된 강화섬유 부산물을 사용함으로써 기존 유기섬유 및 강섬유 보강 콘크리트와 유사한 성능을 구현할 뿐 아니라 제조 경제성도 확보를 기대할 수 있다.

본 발명은 열가소성 컴포지트 연속 생산 시 발생되는 초물과 종물의 부산물 및 연속섬유 테이프 제조시 발생되는 사이드 변사(미미) 커팅 스크랩을 콘크리트 제조시 투입토록 정형화 하는 기술을 제공하고자 한다.

또한, 본 발명의 실시예들은 복합수지 제조시에 발생되는 부산물들을 활용하여 콘크리트 조성물에 포함함으로써 종래기술인 섬유보강 콘크리트와 유사한 인장강도 및 굴곡강도를 만족할 뿐 아니라 경제성도 확보할 수 있어, 범용 건축자재인 콘크리트에 쉽게 적용하기 위한 기술을 제공하고자 하는 것이다.

본 발명의 바람직한 일 구현예는 물, 시멘트, 잔골재, 굵은골재 및 감수재를 포함하는 콘크리트 조성물에 있어서, 열가소성 복합소재 부산물을 체적을 기준으로 0.1 내지 3%로 포함하고, 상기 열가소성 복합소재 부산물은 열가소성 수지가 함침된 강화섬유인 섬유보강 콘크리트 조성물을 제공하는 것이다.

상기 열가소성 수지가 함침된 강화섬유는 섬유장의 길이가 5 내지 40㎜인 것을 특징으로 한다.

상기 열가소성 수지가 함침된 강화섬유는 밀도가 1.1 내지 1.7g/㎤인 것을 특징으로 한다.

상기 강화섬유는 유리섬유, 탄소섬유, 아라미드섬유 및 바잘트 섬유 중에서 선택되는 1종 이상인 것을 특징으로 한다.

상기 열가소성 수지는 폴리올레핀 수지, 폴리프로필렌, 폴리아마이드, 폴리페닐설파이드, 중에서 선택되는 1종 이상인 것을 특징으로 한다.

상기 조성물은 물/결합재비(W/B)가 체적비로 25~40%, 잔골재율이 체적비로 40~65%, 평균 공기량이 조성물에 대한 체적비로 1~5%인 것을 특징으로 한다.

상기 조성물은 증점제, 공기연행제, 방수제, 발포제, 감수제 및 소포제로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상의 첨가제를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 재생수지를 포함한 섬유보강 콘크리트 조성물은 인장강도 및 굴곡강도 특성을 향상할 수 있다.

또한, 본 발명에 따르면 복합소재 제조시 발생되는 부산물을 포함하여 환경오염의 원인이 되는 폐기물을 줄이는 효과를 기대할 수 있다.

또한, 본 발명에 따르면 복합소재 부산물의 활용폭을 종래의 유기섬유 및 강섬유를 대체할 수 있어 경제적 효과를 기대할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 구현예에 따른 열가소성 복합소재 부산물을 찍은 사진이다.
도 2는 실시예 1 내지 5 및 비교예의 압축강도를 측정한 그래프이다.
도 3은 실시예 1 내지 5 및 비교예의 굴곡강도를 측정한 그래프이다.

본 발명의 바람직한 일 구현예에 따르면, 물, 시멘트, 잔골재, 굵은골재 및 감수재를 포함하는 콘크리트 조성물에 있어서, 열가소성 복합소재 부산물을 체적을 기준으로 0.1 내지 3%로 포함하고, 상기 열가소성 복합소재 부산물은 열가소성 수지가 함침된 강화섬유인 섬유보강 콘크리트 조성물을 제공하는 것이다.

또한 본발명의 실시예 및 발명에의 수단에 표현되는 함량(%) 및 비율은 모두 체적을 기준으로 구성었음을 고려해야 한다.

상기 열가소성 복합소재 부산물은 0.1 내지 3%로 포함하는 것이 바람직하다. 콘크리트 체적의 0.1% 미만일 경우 인강강도 및 굴곡강도를 개선을 기대하기 어려우며, 콘크리트 체적의 3%를 초과할 경우 일부 사용환경에 따라 적정하게 고려될 수 는 있으나, 투입 가격 및 콘크리트의 본래의 압축강도 물성이 저하되는 문제가 야기될 수 있으며, 투입되는 부산물의 가격을 고려하였을 때 경제적이지 못할 수 있다.

또한, 상기 열가소성 복합소재 부산물은 주로 무색 혹은 흑색의 색상을 가지며, 흑색의 경우 콘크리트 혼화 및 양생 후에 외부 흑점으로도 보일 수 있으나, 콘크리트의 외관 검사시에 문제제기의 소지가 있어 무색인 것이 바람직하다.

이 때, 열가소성 복합소재 부산물의 제조는 복합소재 생산의 개시 및 종료시에 야기되는 불안정한 연속생산 공정에서 제조되는 복합소재를 포함하여, 또한 연속생산 공정에서 제품의 폭방향로의 균일 생산을 위해 제거하는 사이드 변사(미미)를 별도의 커터로 투입하여 제조 할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 구현예에 따른 열가소성 복합소재 부산물을 찍은 사진이다. 도 1에서 보는 바와 같이, 열가소성 복합소재 부산물은 다양한 길이로 조정할 수 있으며, 이는 포틀랜드 시멘트의 요구강도 및 성능 수준에 따라 조정 할 수 있다. 본 발명에 따른 부산물은 연속섬유 강화복합재로부터 만들어 지는 것이다. 구체적으로 설명하면, 섬유장은 초기 연속된 (UD) 방향으로는 커팅되어 있지 않으며, 이를 부산물 제조시에 필요한 형태로 끊어서 사용할 수 있다. 따라서 섬유장의 길이와 부산물의 길이가 동일하다.

상기 열가소성 수지가 함침된 강화섬유는 바람직하게는 섬유장의 길이가 5 내지 40㎜, 인 것이 좋다. 상기 섬유장의 길이가 5㎜ 미만인 경우 콘크리트 부착성이 저하될 소지가 높으며, 40㎜를 초과하는 경우 부착성은 유리해 질 수 있으나, 분산성이 떨어져 성능이 불균일 해 질 수 있다.

상기 열가소성 수지가 함침된 강화섬유는 비중이 1.1 내지 1.7g/㎤인 것이 좋다.

상기 강화섬유는 유리섬유, 탄소섬유, 아라미드섬유 및 바잘트 섬유 중에서 선택되는 1종 이상인 것이 바람직하다.

상기 열가소성 수지가 함침된 강화섬유에서 열가소성 수지는 폴리올레핀 수지, 폴리프로필렌, 폴리아마이드 중에서 선택되는 1종 이상인 것이 바람직하다.

특히, 콘크리트 조성물에 포함되는 열가소성 복합소재 부산물은 내식성을 만족하는 폴리올레핀 계열의 수지를 주로 사용하는 것으로 구성할 수 있으며, 혼련 시 형상비가 큰 것을 고려하면 콘크리트와의 부착면적이 증가하여 콘크리트의 특성을 효과적으로 제어할 수 있어 유리하나, 열가소성 복합소재 생산시 사용되는 섬유의 가격이나, 함침되는 소재의 물성도 고려하여 선정하는 것이 바람직하다.

상기 콘크리트 조성물에 포함되는 섬유는 콘크리트 구성 및 양생시 내부 분산성 및 부착성능을 향상시키는 역할을 수행하므로 이와 같은 역할을 할 수 있도록 열가소성 복합소재 부산물은 표면에 별도의 처리를 수반할 수도 있다.

또한 복합소재 특성상 이종재질과의 친화성 및 상용성을 극대화 하기 위해 복합소재 제조공정에서 체적을 기준으로 3~15%의 상용화제를 투입하여 제조할 수도 있다. 콘크리트 성능의 환경 내구성 향상을 위해 복합소재 제조시 별도의 내침식성, 내약품성, 내마모성 기능이 부여된 첨가제를 부가할 수 있으며, 이에 따라 복합소재 부산물의 특성이나 형태가 변경될 수 있다

상술한 섬유보강 콘크리트 조성물은 물결합재비가 25~40%, 잔골재율이 40~65%, 평균 공기량이 1~5%인 것이 바람직하다.

상기 물/결합재비(W/B)은 물과 시멘트의 비율을 의미이며, 상기 결합재는 시멘트 및 혼화재로 정의된다.

상기 잔골재율은 잔골재 및 굵은골재의 절대 용적의 합에 대한 잔골재의 절대용적의 백분율을 의미한다. 즉, 작은모래와 자갈을 콘크리트 체적의 해당 비율만큼 투입되는 것을 뜻한다.

상기 공기량에 대하여 설명하면, 콘크리트의 내부조직은 복합재 사용과 제조과정에서 필연적으로 공기가 발생되게 된다. 이때, 생기는 공기는 경화콘크리트의 성능과 연관되며, 공기량이 과도하면 강도저하 및 균열이 발생되고 적정하면 동결 저항이 우수해 진다. 이러한 면에서 본 발명에서는 평균 공기량을 1~5%로 만족하는 것이 좋다.

상기 물결합재비가 25% 미만일 경우 양생 후 균열등이 발생할 소지가 높으며, 40%를 초과하는 경우 강성이 부족이 발생할 수 있다.

또한, 상기 잔골재율은 평균 공기량을 유지하기 위해 40~65% 배합이 유지되어야 하며, 40% 미만이거나 65%를 초과하는 경우 작업성 저하, 접착 불량 및 콘크리트 물성 저하등이 발생될 수 있다.

또한, 상기 평균 공기량이 1% 미만일 경우 작업성이 저하될 수 있고, 5%를 초과할 경우에는 열가소성 복합소재 및 골재류간의 접착성이 떨어질 수 있어 상기 범위에서 구성하는 것이 바람직하다.

상기 섬유보강 콘크리트 조성물은 콘크리트 성능을 향상하기 위해 별도의 내침식성, 내부식성, 내약품성, 내마모성의 첨가제를 부가할 수 있으며, 이에 따라 복합소재 부산물의 특성이나 형태가 변경 될 수 있다.

실시예

이하, 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 상세히 설명하고자 한다. 이들 실시예는 오로지 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위한 것으로서, 이에 의해 본 발명이 한정되는 것은 아니다.

실시예 1 내지 5 및 비교예 1

하기 표 1에 기재된 함량 및 성분으로 통상의 방법을 통하여 콘크리트를 제조하였다. 이 때, 상기 열가소성 복합소재 부산물 및 감수제의 함량은 조성물 중 총 고형분 함량에 대한 중량%이다.

	열가소성 복합소재 부산물	물/결합재비(W/B) (%)	잔골재율(%)	단위 질량(㎏/㎥)				감수제
				물	시멘트	잔골재	굵은골재
비교예 1*	0.5	35	55	200	570	730	892	1.5
실시예 1	0.1
실시예 2	0.5
실시예 3	1
실시예 4	2
실시예 5	3

주석) *: 비교예 1에서는 열가소성 복합소재 부산물 대신에 혼화용 보강제를 첨가하였다.

상기 비교예 1은 상기 표 1에 나타낸 바와 같이 물/결합재비(W/B)는 35%, 잔골재율은 55%, 목표 슬럼프와 공기량은 각각 180 ± 25mm, 공기량은 3 ±1.5%로 설정하였다. 상기 슬럼프란 콘크리트 슬럼프콘에 배합물을 집어넣고 슬럼프콘을 제거했을 때 얼마나 무너지는지, 흐트러지는지를 확인하는 기준이다. 즉, 슬럼프가 150, 180이 있다면 180이 더 많이 무너졌다는 의미이며, 150에 비해 180의 물의 배합량이 높아서 그런 것이다.

또한, 열가고성 복합재료 부산물의 투입량은 콘크리트 조성물 중 고형분 전체 함량 대비 0.1 ~ 3중량%로 첨가하여 KS F 2403에 따라 압축강도 시험용(Φ100x200mm) 및 굴곡강도 시험용 (100x100x400mm) 콘크리트 공시체를 제작 하였다.

또한, 비교예 1에서 투입된 혼화용 보강제는 함침하지 않고, 비정질 강섬유(ASF)와 폴리아마이드 섬유를 1:1의 중량비로 혼합하여 제조한 것이다. 즉, 상기 강섬유는 말그대로 스틸로 스템플러 심처럼 만든 것이며, 폴리아마이드 섬유도 섬유 자체를 강섬유와 유사한 형태로 제조된 것이다.

특히 비교예 1 및 실시예 1 내지 5의 시멘트는 통상의 포틀랜드 시멘트(아시아시멘트)를 사용하였으며, 잔골재는 경남 의령에서 생산된 낙동강산 하천사를 사용하였으며, 굵은 골재도 동일 지역에서 생산된 것들을 사용하였다. 또한 감수제의 경우 산노프코사의 폴리카르본산계의 액상 고성능 감수제를 사용하였다.

또한, 실시예 1 내지 5에 따른 열가소성 복합재료 부산물은 폴리프로필렌(PP)이 함침된 유리섬유를 사용하였으며, 섬유장의 길이가 11㎜이고, 밀도가 1.48 g/㎤인 것이다.

압축강도는 KS L ISO 679에 따라 재령 7일 강도 시험을 수행하였으며, 굴곡강도는 콘크리트 섬유 투입량에 따른 재령 7일 굴곡강도를 나타낸 것이다.

도 2는 실시예 1 내지 5 및 비교예의 압축강도를 측정한 그래프이고, 도 3은 실시예 1 내지 5 및 비교예의 굴곡강도를 측정한 그래프이다.

도 2 및 3을 참고하여 실시예 평가 결과에 따르면 열가소성 복합소재 부산물의 투입량과 비례하여 혼입량이 많으면 압축강도는 감소하는 것으로 나타났다. 하지만 굴곡강도의 경우 개선효과가 있는 것으로 나타났으며, 따라서 인장강도 및 굴곡강도 개선이 요구되는 콘크리트 배합에 있어서 유용하게 활용할 수 있는 것으로 확인되었다.

Claims (7)

1. 물, 시멘트, 잔골재, 굵은골재 및 감수재를 포함하는 콘크리트 조성물에 있어서,
   열가소성 복합소재 부산물을 체적을 기준으로 0.1 내지 3%로 포함하고,
   상기 열가소성 복합소재 부산물은 열가소성 수지가 함침된 강화섬유인 섬유보강 콘크리트 조성물.
2. 제1항에 있어서, 상기 열가소성 수지가 함침된 강화섬유는 섬유장의 길이가 5 내지 40㎜인 것을 특징으로 하는 섬유보강 콘크리트 조성물.
3. 제1항에 있어서, 상기 열가소성 수지가 함침된 강화섬유는 밀도가 1.1 내지 1.7g/㎤인 것을 특징으로 하는 섬유보강 콘크리트 조성물.
4. 제1항에 있어서, 상기 강화섬유는 유리섬유, 탄소섬유, 아라미드섬유 및 바잘트 섬유 중에서 선택되는 1종 이상인 것을 특징으로 하는 섬유보강 콘크리트 조성물.
5. 제1항에 있어서, 상기 열가소성 수지는 폴리올레핀 수지, 폴리프로필렌, 폴리아마이드 중에서 선택되는 1종 이상인 것을 특징으로 하는 섬유보강 콘크리트 조성물.
6. 제1항에 있어서, 상기 조성물은 물/결합재비(W/B)가 체적비로 25~40%, 잔골재율이 체적비로 40~65%, 평균 공기량이 체적비로 1~5%인 것을 특징으로 하는 섬유보강 콘크리트 조성물.
7. 제1항에 있어서, 상기 조성물은 증점제, 공기연행제, 방수제, 발포제, 감수제 및 소포제로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상의 첨가제를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 섬유보강 콘크리트 조성물.

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