KR20220050729A - 콘크리트 보강용 섬유의 표면 처리 방법 및 콘크리트 보강용 섬유를 포함하는 시멘트 복합체 - Google Patents

콘크리트 보강용 섬유의 표면 처리 방법 및 콘크리트 보강용 섬유를 포함하는 시멘트 복합체 Download PDF

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Abstract

콘크리트 보강용 섬유의 표면 처리 방법이 개시된다. 콘크리트 보강용 섬유의 표면 처리 방법은 중크롬산칼륨, 물, 그리고 황산이 혼합된 크롬산 처리액을 준비하는 단계; 소수성 표면을 띄는 콘크리트 보강용 섬유를 상기 크롬산 처리액에 함침하는 단계; 크롬산 처리가 완료된 상기 콘크리트 보강용 섬유를 세척하는 단계; 및 세척이 완료된 상기 콘크리트 보강용 섬유를 건조하는 단계를 포함한다.

Description

콘크리트 보강용 섬유의 표면 처리 방법 및 콘크리트 보강용 섬유를 포함하는 시멘트 복합체{Method for surface treatment of concrete reinforcing fibers and cement composites containing the concrete reinforcing fibers}
본 발명은 콘크리트 보강용 섬유의 표면 처리 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 섬유 표면의 산소 함량을 향상시킬 수 있는 콘크리트 보강용 섬유의 표면 처리 방법에 관한 것이다.
매우 높은 강도를 지닌 콘크리트 기반 복합체의 경우에 강섬유의 개발을 통해 인장 변형 성능과 에너지 흡수량 등 인장 성능을 전체적으로 향상시킬 수 있다.
최근 관련 분야 연구에 따르면 고강도·고성능 콘크리트 기반 복합체는 일반 콘크리트와 압축 및 인장강도, 밀도, 사용재료 등 상당 부분에서 차이가 존재하기 때문에 일반 강도 콘크리트의 인장 보강용으로 상용되던 기존의 강섬유를 사용하는데 많은 문제점이 있다.
콘크리트 보강용 강섬유는 주로 폴리머 계열의 섬유가 사용된다. 폴리머 계열의 섬유는 (CH2)n 구조를 가지고 있어, 표면이 매끄럽고 소수성을 띈다. 이러한 매끄러운 표면과 소수성의 성질은 시멘트 매트릭스와의 부착력을 떨어뜨리고, 분산성을 저하시켜 콘크리트의 강도를 저하시키는 요인이 된다.
본 발명은 표면이 친수성을 띌 수 있는 콘크리트 보강용 섬유의 표면 처리 방법을 제공한다.
또한, 본 발명은 시멘트 복합체의 변형률 성능을 극대화할 수 있는 콘크리트 보강용 섬유의 표면 처리 방법을 제공한다.
본 발명에 따른 콘크리트 보강용 섬유의 표면 처리 방법은 중크롬산칼륨, 물, 그리고 황산이 혼합된 크롬산 처리액을 준비하는 단계; 소수성 표면을 띄는 콘크리트 보강용 섬유를 상기 크롬산 처리액에 함침하는 단계; 크롬산 처리가 완료된 상기 콘크리트 보강용 섬유를 세척하는 단계; 및 세척이 완료된 상기 콘크리트 보강용 섬유를 건조하는 단계를 포함한다.
또한, 상기 중크롬산칼륨, 상기 물, 그리고 상기 황산은 4~4.5:7~7.5:88~89의 중량비로 혼합돌되는 콘크리트 보강용 섬유의 표면 처리 방법.
또한, 상기 크롬산 처리액의 온도는 20~30℃일 수 있다.
또한, 상기 콘크리트 보강용 섬유는 상기 크롬산 처리액에 10분 동안 함침될 수 있다.
또한, 상기 건조 단계가 완료된 상기 콘크리트 보강용 섬유의 표면은 14.3%의 산소를 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 시멘트 복합체는 1종 보통 포틀랜드 시멘트, 시멘트 킬른 더스트, 실리카 샌드, 그리고 상기 방법들 중 어느 하나의 방법으로 표면 처리된 콘크리트 보강용 섬유를 포함한다.
또한, 상기 1종 보통 포틀랜드 시멘트 대비, 상기 시멘트 킬른 더스트의 중량비는 0.3이고, 상기 실리카 샌드의 중량비는 0.3이고, 상기 콘크리트 보강용 섬유의 중량비는 0.02일 수 있다.
본 발명에 의하면, 중크롬산칼륨, 물, 그리고 황산이 혼합된 크롬산 처리액에 함침하여, 콘크리트 보강용 섬유의 표면 거칠기값을 증가시키고, 산소함량을 높일 수 있다.
또한, 본 발명에 의하면, 표면 처리된 콘크리트 보강용 섬유가 포함된 시멘트 복합체는 최대인장변형률 및 에너지 소산능력이 최대 4.8%, 252.5 kJ/m3까지 증가할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 콘크리트 보강용 섬유의 표면 처리 방법을 나타내는 순서도이다.
도 2 및 도 3은 제1실험 예와 제2실험 예에 따라 표면 처리된 콘크리트 보강용 섬유의 표면을 각각 보여주는 SEM 사진이다.
도 4는 제1실험 예와 제2실험 예에 따라 표면 처리된 콘크리트 보강용 섬유의 표면 거칠기를 측정한 그래프이다.
도 5는 제1실험 예와 제2실험 예에 따라 표면 처리된 콘크리트 보강용 섬유의 산화도를 측정한 그래프이다.
도 6은 제1실험 예와 제2실험 예에 따라 표면 처리된 콘크리트 보강용 섬유 표면의 화학조성 변화를 나타내는 그래프이다.
도 7은 제1실험 예와 제2실험 예로 표면 처리된 콘크리트 보강용 섬유로 제작된 콘크리트 시편으로 측정한 인장 변형률을 나타내는 그래프이다.
도 8은 제1실험 예와 제2실험 예로 표면 처리된 콘크리트 보강용 섬유로 제작된 콘크리트 시편으로 측정한 최대 변형률 및 에너지 소산능력을 나타내는 그래프이다.
도 9는 인강 강도를 측정한 시편의 이미지 및 균열 평가를 나타내는 도면이다.
도 10은 본 발명의 크롬산 처리액으로 표면 처리한 시멘트 보강용 섬유와 불소 가스로 표면 처리한 시멘트 보강용 섬유의 산소 함량을 비교한 그래프이다.
도 11은 본 발명의 크롬산 처리액으로 표면 처리한 시멘트 보강용 섬유와 비교 예에 따른 처리액으로 표면 처리한 시멘트 보강용 섬유의 표면 거칠기를 비교한 그래프이다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 상세히 설명할 것이다. 그러나 본 발명의 기술적 사상은 여기서 설명되는 실시 예에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시 예는 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이다.
본 명세서에서, 어떤 구성요소가 다른 구성요소 상에 있다고 언급되는 경우에 그것은 다른 구성요소 상에 직접 형성될 수 있거나 또는 그들 사이에 제 3의 구성요소가 개재될 수도 있다는 것을 의미한다. 또한, 도면들에 있어서, 막 및 영역들의 두께는 기술적 내용의 효과적인 설명을 위해 과장된 것이다.
또한, 본 명세서의 다양한 실시 예 들에서 제1, 제2, 제3 등의 용어가 다양한 구성요소들을 기술하기 위해서 사용되었지만, 이들 구성요소들이 이 같은 용어들에 의해서 한정되어서는 안 된다. 이들 용어들은 단지 어느 구성요소를 다른 구성요소와 구별시키기 위해서 사용되었을 뿐이다. 따라서, 어느 한 실시 예에 제 1 구성요소로 언급된 것이 다른 실시 예에서는 제 2 구성요소로 언급될 수도 있다. 여기에 설명되고 예시되는 각 실시 예는 그것의 상보적인 실시 예도 포함한다. 또한, 본 명세서에서 '및/또는'은 전후에 나열한 구성요소들 중 적어도 하나를 포함하는 의미로 사용되었다.
명세서에서 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한 복수의 표현을 포함한다. 또한, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 구성요소 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징이나 숫자, 단계, 구성요소 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 배제하는 것으로 이해되어서는 안 된다. 또한, 본 명세서에서 "연결"은 복수의 구성 요소를 간접적으로 연결하는 것, 및 직접적으로 연결하는 것을 모두 포함하는 의미로 사용된다.
또한, 하기에서 본 발명을 설명함에 있어 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략할 것이다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 콘크리트 보강용 섬유의 표면 처리 방법을 나타내는 순서도이다.
도 1을 참조하면, 콘크리트 보강용 섬유의 표면 처리 방법은 크롬산 처리액을 준비하는 단계(S10), 콘크리트 보강용 섬유를 크롬산 처리액에 함침하는 단계(S20), 콘크리트 보강용 섬유를 세척하는 단계(S30), 그리고 콘크리트 보강용 섬유를 건조하는 단계(S40)를 포함한다.
크롬산 처리액을 준비하는 단계(S10)는 중크롬산칼륨, 물, 그리고 황산을 혼합하여 크롬산 처리액을 제조한다. 중크롬산칼륨, 물, 그리고 황산은 4~4.5:7~7.5:88~89의 중량비로 혼합된다. 실시 예에 의하며, 중크롬산칼륨, 물, 그리고 황산은 4.4:7.1:88.5의 중량비로 혼합될 수 있다. 크롬산 처리액의 제조 시, 황산을 많이 첨가하거나, 물을 적게 넣을 경우 폴리머 계열의 콘크리트 보강용 섬유가 산화되지 않고 타버릴 수 있다. 그리고 중크롬산칼륨의 비율이 적을 경우 크롬산 처리액이 제대로 제조되지 않아 콘크리트 보강용 섬유의 산화 정도가 낮아질 수 있다. 때문에, 중크롬산칼륨, 물, 그리고 황산의 혼합비가 중요하다. 본 발명에서는 콘크리트 보강용 섬유의 표면이 산화되어 친수성을 띌 수 있는 크롬산 처리액의 최적의 혼합비를 제공한다. 위 방법으로 제조된 크롬산 처리액은 온도 조절 수단에 의해 20~30℃온도로 제어된다. 실시 예에 의하면, 크롬산 처리액의 온도는 25℃로 제어될 수 있다.
콘크리트 보강용 섬유를 크롬산 처리액에 함침하는 단계(S20)는, 폴리머 계열의 콘크리트 보강용 섬유를 크롬산 처리액에 함침한다. 함침 단계는 10분 동안 진행된다. 콘크리트 보강용 섬유는 폴리에틸렌 섬유, 폴리프로필렌 섬유, 폴리비닐아마이드 섬유 등 폴리 올레핀계 섬유가 제공될 수 있다. 이와 달리, 콘크리트 보강용 섬유는 천연 섬유와 카본 섬유가 제공될 수 있다. 상술한 콘크리트 보강용 섬유는 공통적으로 표면이 소수성을 띈다.
콘크리트 보강용 섬유를 세척하는 단계(S30)는 크롬산 처리액에서 콘크리트 보강용 섬유를 꺼내어 메탄올로 1차 세정하고, 세정수로 2차 세정한다. 세척 단계는 콘크리트 보강용 섬유에서 크롬산이 완전 제거될 때까지 진행된다. 실시 예에 의하면, 상기 1차 세정과 상기 2차 세정은 각각 15분씩 진행된다.
콘크리트 보강용 섬유를 건조하는 단계(S40)는 세척이 완료된 콘크리트 보강용 섬유를 환기가 잘되는 곳에서 자연 건조한다. 실시 예에 의하면, 건조 단계는 24시간 동안 진행된다.
이하, 상술한 콘크리트 보강용 섬유의 표면 처리 방법으로, 콘크리트 보강용 섬유를 표면 처리한 결과에 대해 설명한다. 실험에는 폴리에틸렌 섬유가 사용되었다. 폴리에틸렌 섬유는 (CH2)n구조를 가지고 있어, 표면이 매끄럽고 소수성을 띈다.
제1실험 예는 폴리에틸렌 섬유를 크롬산 처리액에 5분간 함침하였고, 제2실험 예는 폴리에틸렌 섬유를 크롬산 처리액에 10분간 함침하였다. 도면에서는 표면 처리를 하지 않은 폴리에틸렌 섬유가 사용된 경우 Untreated로 표기하였고, 제1실험 예에 따른 폴리에틸렌 섬유가 사용된 경우 Cr-5로 표기하였고, 제2실험 예에 따른 폴리에틸렌 섬유가 사용된 경우 Cr-10으로 표기하였다.
도 2 및 도 3은 제1실험 예와 제2실험 예에 따라 표면 처리된 콘크리트 보강용 섬유의 표면을 각각 보여주는 SEM 사진이고, 도 4는 제1실험 예와 제2실험 예에 따라 표면 처리된 콘크리트 보강용 섬유의 표면 거칠기를 측정한 그래프이고, 도 5는 제1실험 예와 제2실험 예에 따라 표면 처리된 콘크리트 보강용 섬유의 산화도를 측정한 그래프이다. 도 6은 제1실험 예와 제2실험 예에 따라 표면 처리된 콘크리트 보강용 섬유 표면의 화학조성 변화를 나타내는 그래프이다.
먼저 도 2 및 도 3을 참조하면, 표면 처리 전 콘크리트 보강용 섬유는 매끈한 표면을 갖는다. 그러나 크롬산 처리액에 침지된 상태에서 시간이 경과함에 따라 표면이 산화한다. 제2실험 예에서는 제1실험 예에서 보다 섬유 표면의 산화 정도가 커짐을 확인할 수 있다. 그리고 표면 처리된 섬유의 표면에는 소섬유가 형성됨을 확인할 수 있다.
도 4를 참조하면, 크롬산 처리액에 침지된 상태에서 시간이 경과함에 따라 섬유의 표면 거칠기가 증가되는 것을 확인할 수 있다. 표면 거칠기 평가 결과에 의하면, 섬유는 표면 처리 전 31.6nm의 표면 거칠기를 보이는 반면, 제1실험 예에서는 65.3nm, 제2실험 예에서는 76.6nm의 표면 거칠기를 보였다.
도 5를 참조하면, 섬유의 산화된 정도를 확인하기 위해, XPS 분석을 진행한 결과, 표면 처리되지 않은 섬유의 O/C ratio는 6.9%인 반면, 10분 동안 크롬산 처리액에 침지된 섬유의 O/C ratio는 최대 17.4%까지 증가하는 것을 확인할 수 있었다. O/C ratio의 증가는 도 6과 같이, 하이드록실기(-OH), 카보닐기(-C=O), 카르복실기(-COO) 등의 친수성 작용기가 섬유 표면에 치환되었기 때문이다.
이하, 상술한 방법으로 표면 처리된 콘크리트 보강용 섬유를 이용하여 제조된 시멘트 복합체에 대해 설명한다.
시멘트 복합체는 1종 보통 포틀랜드 시멘트, 시멘트 킬른 더스트, 실리카 샌드, 그리고 상기 방법들 중 어느 하나의 방법으로 표면 처리된 콘크리트 보강용 섬유를 포함한다.
또한, 상기 1종 보통 포틀랜드 시멘트 대비, 상기 시멘트 킬른 더스트의 중량비는 0.3이고, 상기 실리카 샌드의 중량비는 0.3이고, 상기 콘크리트 보강용 섬유의 중량비는 0.02일 수 있다.
상기 시멘트 복합체를 이용하여 시편을 제작하였다.
시편의 제작은 1종 보통 포틀랜드 시멘트, 시멘트 킬른 더스트, 실리카 샌드를 같이 건비빔하고 혼화제와 물이 잘 혼합된 배합수를 건비빔된 재료에 천천히 혼입하였다. 혼화제의 경우 바인더 중량대비 0.015%이다. 이후 재료들이 잘 섞일 수 있도록 5~10분간 더 교반한 뒤 섬유를 주의 깊게 혼입하고 5~10분간 더 교반하였다. 배합이 완료되면 준비된 몰드에 타설하고, 48시간 뒤에 탈형하여 90˚C로 수중 양생하였다.
상술한 과정으로 제작된 시편으로 인장강도를 측정하였다.
도 7은 제1실험 예와 제2실험 예로 표면 처리된 콘크리트 보강용 섬유로 제작된 콘크리트 시편으로 측정한 인장 변형률을 나타내는 그래프이다. 그래프 (a)는 제1실험 예에 따른 인장 변형률을 나타내는 그래프이고, 그래프(b)는 제2실험 예에 다른 인장 변형률 나타내는 그래프이다. 도 8은 제1실험 예와 제2실험 예로 표면 처리된 콘크리트 보강용 섬유로 제작된 콘크리트 시편으로 측정한 최대 변형률 및 에너지 소산능력을 나타내는 그래프이고, 도 9는 인강 강도를 측정한 시편의 이미지 및 균열 평가를 나타내는 도면이다.
도 7 및 도 8을 참조하면, 섬유를 크롬산으로 처리한 경우 시멘트 복합체의 인장강도가 감소했지만, 최대인장변형률 및 에너지 소산능력이 표면 처리 전보다 최대 4.8%, 252.5 kJ/m3까지 증가함을 확인할 수 있다.
도 9를 참조하면, 크롬산으로 표면 처리된 섬유가 포함된 시멘트 복합체의 변형률 경화 거동은 인장 시편 내에 많은 균열을 야기하고, 균열간 거리가 감소되어 연성 재료와 유사한 특성을 가지는 것을 확인할 수 있다.
도 10은 본 발명의 크롬산 처리액으로 표면 처리한 시멘트 보강용 섬유와 불소 가스로 표면 처리한 시멘트 보강용 섬유의 산소 함량을 비교한 그래프이다.
도 10을 참조하면, 불소화 처리 방법은 섬유에 불소가스를 사용하여 표면을 개질하는 방법으로 최소 1시간 이상 처리해야할 뿐만 아니라 가스를 공급하는 과정에서 압력차로 인한 폭발 위험 가능성이 있다. 또한 1시간 처리 후 반응 챔버 내부의 가스 안정화를 위해 추가적인 시간이 필요하다.
반면, 크롬산 처리의 경우, 매우 짧은 시간(5 min, 10 min)동안 처리하기 때문에 시간적으로 유리할 뿐만 아니라 처리방법이 매우 간단하다.
처리된 섬유의 XPS 분석을 이용한 산화 정도 평가 결과, 불소화 처리의 경우(Flu), 13.1%의 산소함량을 가지는 것으로 분석된 반면, 크롬산으로 5분, 10분 처리한 경우 각각 9.5%, 14.3%의 산소함량을 가지는 것으로 나타났다. 크롬산으로 10분 처리할 경우, 불소화 가스로 1시간 이상 처리하는 경우보다 높은 산소함량을 가지는 것을 확인할 수 있다.
도 11은 본 발명의 크롬산 처리액으로 표면 처리한 시멘트 보강용 섬유와 비교 예에 따른 처리액으로 표면 처리한 시멘트 보강용 섬유의 표면 거칠기를 비교한 그래프이다. 비교 예에 따른 처리액은 질산(Nitric acid)과 황산(Sulfuric acid)이 사용되었다.
도 11을 참조하면, 크롬산 처리액으로 표면 처리한 섬유(Chromic acid, Cr-10)의 표면 거칠기값(Ra)이 질산과 황산 처리액으로 표면 처리한 섬유의 표면 거칠기값(Ra) 보다 큰 것을 확인할 수 있다.
이처럼, 본 발명에 따른 크롬산 처리액은 다른 산성 용액에 비해 시멘트 보강용 섬유의 표면 산화력이 우수함을 알 수 있다.
이상, 본 발명을 바람직한 실시 예를 사용하여 상세히 설명하였으나, 본 발명의 범위는 특정 실시 예에 한정되는 것은 아니며, 첨부된 특허청구범위에 의하여 해석되어야 할 것이다. 또한, 이 기술분야에서 통상의 지식을 습득한 자라면, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않으면서도 많은 수정과 변형이 가능함을 이해하여야 할 것이다.
S10: 크롬산 처리액을 준비하는 단계
S20: 콘크리트 보강용 섬유를 크롬산 처리액에 함침하는 단계
S30: 콘크리트 보강용 섬유를 세척하는 단계
S40: 콘크리트 보강용 섬유를 건조하는 단계

Claims (7)

  1. 중크롬산칼륨, 물, 그리고 황산이 혼합된 크롬산 처리액을 준비하는 단계;
    소수성 표면을 띄는 콘크리트 보강용 섬유를 상기 크롬산 처리액에 함침하는 단계;
    크롬산 처리가 완료된 상기 콘크리트 보강용 섬유를 세척하는 단계; 및
    세척이 완료된 상기 콘크리트 보강용 섬유를 건조하는 단계를 포함하는, 콘크리트 보강용 섬유의 표면 처리 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 중크롬산칼륨, 상기 물, 그리고 상기 황산은 4~4.5:7~7.5:88~89의 중량비로 혼합되는 콘크리트 보강용 섬유의 표면 처리 방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 크롬산 처리액의 온도는 20~30℃인 콘크리트 보강용 섬유의 표면 처리 방법.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 콘크리트 보강용 섬유는 상기 크롬산 처리액에 10분 동안 함침되는 콘크리트 보강용 섬유의 표면 처리 방법.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 건조 단계가 완료된 상기 콘크리트 보강용 섬유의 표면은 14.3%의 산소를 포함하는 콘크리트 보강용 섬유의 표면 처리 방법.
  6. 1종 포틀랜드 시멘트, 시멘트 킬른 더스트, 실리카 샌드, 그리고 제 1 항 내지 제 5항 중 어느 하나의 방법으로 표면 처리된 콘크리트 보강용 섬유를 포함하는 시멘트 복합체.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 1종 보통 포틀랜드 시멘트 대비, 상기 시멘트 킬른 더스트의 중량비는 0.3이고, 상기 실리카 샌드의 중량비는 0.3이고, 상기 콘크리트 보강용 섬유의 중량비는 0.02인 시멘트 복합체.
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