KR20220105539A - 헤어섬유보강 콘크리트 조성물 - Google Patents

Abstract

본 발명은 헤어섬유보강 콘크리트 조성물에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 콘크리트 보강재료로 헤어섬유를 혼입하여 인장강도 및 휨강도를 증진시킨 헤어섬유보강 콘크리트 조성물에 관한 것이다.
본 발명에 따른 헤어섬유보강 콘크리트 조성물은 시멘트 100 중량부에 대하여, 물 50 내지 100 중량부, 모래 250 내지 400 중량부, 골재 550 내지 750중량부, 혼화재 10 내지 60 중량부, 헤어섬유 1 내지 3 중량부를 포함한다.

Description

헤어섬유보강 콘크리트 조성물{Hair Fiber Reinforced Concrete Composition}

본 발명은 헤어섬유보강 콘크리트 조성물에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 콘크리트 보강재료로 헤어섬유를 혼입하여 인장강도 및 휨강도를 증진시킨 헤어섬유보강 콘크리트 조성물에 관한 것이다.

콘크리트(Concrete)는 시멘트, 배합수, 잔골재 및 굵은 골재 그리고 필요에 따라 성능개선에 필요한 혼화재료를 적정한 비율로 섞어서 만든 건축재료로 건물 시공 뿐만 아니라 도로 포장에도 많이 사용되고 있다.

콘크리트는 압축응력에는 강하지만 인장 및 휨 응력에는 취약한 한계를 가지고 있으며, 이러한 한계를 보완하기 위해 합성섬유, 강섬유, 유리섬유 등을 넣은 콘크리트가 많이 개발되어 왔다.

이와 관련하여, 국내등록특허 제 10-2158503호에서는 섬유보강재로 유리섬유, 강섬유, 합성섬유를 포함하는 콘크리트 구조물의 보수 및 보강용 모르타르 조성물을 제시하고 있으며, 국내등록특허 제 10-1954575호에서는 유리섬유, 강섬유, 폴리에스테르 섬유, 나일론 섬유, 폴리프로필렌(PP) 섬유, 셀룰로오스 섬유 및 폴리에틸렌 섬유 중 어느 하나를 포함하는 고강도 내구성 모르타르 및 탄성 보강재를 이용한 콘크리트 구조물의 내진 보강 공법을 제시하고 있다.

하지만, 상기 보강재료는 환경오염을 야기하거나 경제적이지 못한 한계가 있었으며, 이에 친환경 및 재활용 재료들을 콘크리트 보강재료로 활용하고자 하는 연구가 진행되고 있다.

한편, 헤어섬유는 다층구조(큐티클층, 모피질층, 모수질층)로 형성되어 있으며, 직경은 평균 0.1mm 에 불과하나, 1가닥에 약 50g의 무게를 견딜 수 있는 강도를 가지며, 10~ 15만 가닥의 머리카락은 약 5톤의 무게를 지탱할 수 있는 것으로 알려져 있다. 특히, 헤어섬유에 포함된 케라틴은 코일 모양의 스프링 구조로 되어 있으며, 이러한 구조적 특성에 기인하여 탄력성이 우수하다.

이처럼 헤어섬유는 우수한 물리적 특성을 가지나 활용되지 못하고 폐기처리되고 있는 실정이며, 본 발명자는 폐기처리되는 헤어섬유를 건축용 보강재료로 활용하여 친환경적이고 경제적이면서 우수한 강도를 갖는 콘크리트 조성물을 제조하고자 하였으며, 헤어섬유의 최적의 배합비 도출을 통해 우수한 인장강도 및 휨강도를 가짐을 확인하여 본 발명에 이르게 되었다.

국내등록특허 제 10-2158503호 국내등록특허 제 10-1954575호

상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은 콘크리트 보강재료로 헤어섬유를 혼입하여 인장강도 및 휨강도를 증진시킨 헤어섬유보강 콘크리트 조성물을 제공하는 것이다.

상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 헤어섬유보강 콘크리트 조성물은 시멘트, 물, 모래, 골재, 혼화재 및 헤어섬유를 포함한다.

상기 헤어섬유보강 콘크리트 조성물은 시멘트 100 중량부에 대하여, 물 50 내지 100 중량부, 모래 250 내지 400 중량부, 골재 550 내지 750중량부, 혼화재 10 내지 60 중량부, 헤어섬유 1 내지 3 중량부를 포함한다.

상기 헤어섬유는 인장강도 5 내지 20 g/㎠, 두께 50 내지 200 ㎛를 갖는 것을 특징으로 한다.

상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 헤어섬유보강 콘크리트 조성물에 의하면, 폐기처리되는 헤어섬유를 건축용 보강재료로 활용하여 인장강도 및 휨강도를 증가시킬 수 있으며, 친환경적이고 경제적인 효과가 있다.

도 1은 본 발명에 따른 헤어섬유보강 콘크리트 조성물의 양생 28일 콘크리트 압축강도-변위 곡선 그래프.
도 2는 본 발명에 따른 헤어섬유보강 콘크리트 조성물의 양생 28일 콘크리트 휨강도-변위 곡선 그래프.
도 3은 본 발명에 따른 헤어섬유보강 콘크리트 조성물 내 헤어섬유를 보여주는 SEM 분석사진.

본 발명의 구체적 특징 및 이점들은 이하에서 첨부도면을 참조하여 상세히 설명한다. 이에 앞서 본 발명에 관련된 기능 및 그 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 구체적인 설명을 생략하기로 한다.

도 1은 본 발명에 따른 헤어섬유보강 콘크리트 조성물의 양생 28일 콘크리트 압축강도-변위 곡선 그래프이고, 도 2는 본 발명에 따른 헤어섬유보강 콘크리트 조성물의 양생 28일 콘크리트 휨강도-변위 곡선 그래프이며, 도 3은 본 발명에 따른 헤어섬유보강 콘크리트 조성물 내 헤어섬유를 보여주는 SEM 분석사진이다.

본 발명은 헤어섬유보강 콘크리트 조성물에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 콘크리트 보강재료로 헤어섬유를 혼입하여 인장강도 및 휨강도를 증진시킨 헤어섬유보강 콘크리트 조성물에 관한 것이다.

본 발명에 따른 헤어섬유보강 콘크리트 조성물은 시멘트, 물, 모래, 골재, 혼화재 및 헤어섬유를 포함하며, 보다 상세하게는, 시멘트 100 중량부에 대하여, 물 50 내지 100 중량부, 모래 250 내지 400 중량부, 골재 550 내지 750 중량부, 혼화재 및 혼화제 10 내지 60 중량부, 헤어섬유 1 내지 3 중량부를 포함한다.

상기 시멘트는 1종 보통 포틀랜드 시멘트를 사용할 수 있으며, 밀도 2 내지 4 g/㎤, 분말도 3 내지 4㎤/g 를 갖는 것을 사용할 수 있다.

상기 혼화재 및 혼화제는 실리카흄, 플라이애시, AE제, 고성능AE감수제, 감수제, 고로슬래그, 급결제, 유동화제, 경화제, 응결지연제 또는 이들의 조합 중 어느 하나를 포함할 수 있으며, 바람직하게는, 실리카흄, 플라이애시, AE제를 포함할 수 있으며, 상세하게는, 시멘트 100중량부에 대하여, 실리카흄 5 내지 20 중량부, 플라이애시 5 내지 20 중량부, AE제 0.5 내지 5중량부를 포함할 수 있다.

이때, 상기 실리카흄은 블리딩(Bleeding)의 감소, 강도 증진 및 고강도 발현에 도움을 주며 화학 저항성, 동결융해 저항성 등에 매우 효과적이다. 상기 실리카흄은 밀도 500 내지 700 kg/㎤, 비중 20℃ 기준 2 내지 2.5, 분말도 150,000 내지 300,000 ㎠/g, 입경 0.01 내지 1 ㎛, 단위용적중량 250 내지 300 kg/㎥, 감열감량 3.45% 이하인 것을 사용할 수 있다.

상기 플라이애시는 워커빌리티(Workablity) 및 수밀성을 향상시키고, 수화열과 건조수축을 감소시키기 위하여 첨가되며, 비표면적 2,500 내지 5,000 ㎠/g 인 것을 사용할 수 있다.

상기 헤어섬유는 인간, 동물 또는 이들의 조합 중 어느 하나로부터 수득될 수 있으며, 인장강도 5 내지 20 g/㎠, 두께 50 내지 200 ㎛, 밀도 1.1 내지 1.6 t/㎥, 비중 1.1 내지 1.6 를 갖는 것을 사용할 수 있다.

상기 헤어섬유는 시멘트 100 중량부에 대하여 헤어섬유 0.1 내지 3 중량부 첨가되는데, 상기 헤어섬유가 시멘트 100 중량부에 대하여 0.1 중량부 미만으로 첨가되면 강도 증진효과가 미미하고, 3 중량부를 초과할 경우에는 헤어섬유의 뭉침현상(Fiberball)이 발생되면서 오히려 강도를 저하시키기 때문에 상기 범위를 벗어나지 않는 것이 바람직하다. 바람직하게는, 상기 헤어섬유는 시멘트 100 중량부에 대하여 0.25 내지 0.5 중량부 첨가될 수 있다.

이하, 본 발명을 바람직한 일 실시예를 참조하여 다음에서 구체적으로 상세하게 설명한다. 단, 다음의 실시예는 본 발명을 구체적으로 예시하기 위한 것이며, 이것만으로 한정하는 것은 아니다.

1.1 사용 재료

1.1.1 헤어섬유(Hair Fiber)

하기의 표 1은 테스트에 사용된 헤어섬유의 물리적 특성을 보여준다.

1.1.2 보통 포틀랜드 시멘트

시멘트는 1종 보통 포틀랜드 시멘트를 사용하였고, 테스트에 사용된 시멘트의 물리적 특성은 하기의 표 2와 같다.

1.1.3 실리카흄

혼화재로 사용된 실리카흄은 블리딩(Bleeding)의 감소, 강도 증진 및 고강도 발현에 도움을 주며 화학 저항성, 동결융해 저항성 등에 매우 효과적이다. 하기의표 3은 테스트에 사용된 실리카흄의 물리적 특성을 보여준다.

1.1.4 플라이애시

플라이애시(Fly ash)는 시멘트의 워커빌리티(Workablity) 및 수밀성을 향상시키고, 수화열과 건조수축을 감소시킨다. 테스트에서 사용한 플라이애시의 물리적 특성은 하기의 표 4와 같다.

1.2 배합 설계

준비된 보통 포틀랜드 시멘트와 모래, 실리카흄, 플라이애시, 골재, AE제, 물, 헤어섬유를 하기의 표 5와 같이 배합하여 시험체를 제작하였다. 헤어섬유는 시멘트 중량 대비 0%, 0.25%, 0.5%, 0,75%, 1.00%의 비율로 혼입하였다.

1.3 재료특성 실험

1.3.1 압축강도 실험

압축강도 측정을 위한 공시체는 Φ100×200 원통형 공시체를 제작하여 KS F 2405에 따라 압축강도 실험을 수행하였다. 모든 공시체는 타설 후 24시간 후 탈형하였고, 양생수조에서 재령일에 맞춰 수중양생을 진행하였으며, 실험일 기준 3일, 7일, 28일순으로 양생하였다. 압축강도 시험기를 통하여 하중값(kN)을 측정하였으며, 하중값 측정 시 하기의 [식 1]을 이용하여 압축강도를 산정하였고, 실험값은 공시체 3개의 평균값으로 하였다.

[식 1]

1.3.2 휨강도 실험

KS F 2407의 휨인성 평가 방식에 따라 진행하였다. 테스트에 사용된 콘크리트 공시체는 콘크리트 장방형보(100×100×400 mm)를 중앙 집중재하방식으로 가력하였다. 휨강도 실험 역시 콘크리트 타설일 기준 3일, 7일, 28일 동안 양생수조에서 수중양생을 진행하였다. 실험결과는 휨강도 시험기를 통하여 측정하였으며 TDS602 Data Logger를 이용하여 변위에 따른 하중을 측정하였고, 하기의 [식 2]를 통해서 콘크리트 휨강도(MPa)를 산출하였다.

[식 2]

1.3.3 쪼갬인장강도 실험

쪼갬인장강도 실험시 공시체는 압축강도 시험에 사용했던 것과 동일한 형상의 콘크리트 원통형 공시체(Φ100×200)를 사용하였으며, 공시체는 24시간이 지난 후 탈형하여 양생수조에서 3일, 7일, 28일 순으로 양생한 후 KSF 2423에 따라 실험을 수행하였다. 쪼갬인장강도 실험은 980 kN용량의 만능시험기(UTM)를 사용하여 강도를 측정하였으며, 실험값은 공시체의 3개의 평균값으로 지정하였다.

2. 실험 결과 및 분석

2.1 압축강도 실험결과

28일 압축강도 실험결과를 도 1과 표 6에 나타내었다. 압축강도의 경우 헤어섬유를 혼입하지 않은 실험체를 기준(29.6 MPa)으로 헤어섬유 혼입률이 0.25%

인 경우 32.4 MPa로 9.5% 증가하였다. 그러나 혼입률이 0.5%, 0.75%, 1.0%로 증가할수록 압축강도는 각각 14%, 5%, 7%로 감소하는 경향을 나타내었는데 이는 헤어섬유의 양이 많아지면서 섬유의 뭉침현상(Fiberball)이 나타난 것이 원인이 된 것으로 판단된다.

2.2 휨강도 실험결과

28일 휨강도 실험결과를 도 2, 표 7에 나타내었다. 휨강도의 경우 HF-025 > HF-075 > HF-100 > HF-00 > HF-050 순으로 강도가 발현되었다. 특히 압축강도와 마찬가지로 헤어섬유 혼입률 0.25%에서 12.12 MPa로 가장 높은 휨강도를 나타내었다.

2.3 쪼갬인장강도 실험결과

28일 쪼갬인장강도 실험결과를 표 8에 나타내었다. 쪼갬인장강도의 경우 HF-050 > HF-00 > HF-025 >HF-075 > HF-100 순으로 강도가 발현되었다. 특히 쪼갬인장강도의 경우 휨강도와 압축강도와는 다르게 헤어섬유 혼입률 0.5%에서 4.7 MPa로 가장 높은 강도를 나타내었다.

이러한 결과로 유추해 볼 때, 헤어섬유의 혼입률 0.25% ~0.5%에서 콘크리트의 강도발현이 가장 적절하게 나타난다는 것을 확인할 수 있었다.

2.4 SEM 분석 결과

파괴된 공시체 내의 헤어섬유를 확인하기 위해 SEM분석을 진행하였다. 주사전자현미경 6380 (JSM-6380) 모델을 통해 도 3과 같이 ×200~500 배율로 촬영해 콘크리트 내부를 확인한 결과 헤어섬유 표면에 콘크리트가 잘 부착된 것을 확인할 수 있었고 이로 인해 ITZ(interfacial transition zone)에서 부착력의 증가로 콘크리트의 강도 상승을 기인한 것으로 판단된다.

이상과 같이 본 발명은 첨부된 도면을 참조하여 바람직한 실시예를 중심으로 설명하였지만 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 특허청구범위에 기재된 기술적 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 또는 변형하여 실시할 수 있다. 따라서 본 발명의 범주는 이러한 많은 변형의 예들을 포함하도록 기술된 청구범위에 의해서 해석되어야 한다.

Claims (3)

1. 시멘트, 물, 모래, 골재, 혼화재 및 헤어섬유를 포함하는 것을 특징으로 하는
   헤어섬유보강 콘크리트 조성물.
   
2. 제 1항에 있어서,
   상기 헤어섬유보강 콘크리트 조성물은
   시멘트 100 중량부에 대하여, 물 50 내지 100 중량부, 모래 250 내지 400 중량부, 골재 550 내지 750중량부, 혼화재 10 내지 60 중량부, 헤어섬유 1 내지 3 중량부를 포함하는 것을 특징으로 하는
   헤어섬유보강 콘크리트 조성물.
   
3. 제 1항에 있어서,
   상기 헤어섬유는
   인장강도 5 내지 20 g/㎠, 두께 50 내지 200 ㎛를 갖는 것을 특징으로 하는
   헤어섬유보강 콘크리트 조성물.
   

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