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논문 기본 정보
- 자료유형
- 학위논문
- 저자정보
- 지도교수
- 원종필
- 발행연도
- 2020
- 저작권
- 건국대학교 논문은 저작권에 의해 보호받습니다.
이용수26
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시멘트계 복합체는 낮은 인장강도, 휨강도, 충격강도 및 에너지 흡수 능력으로 인해 인장이나 동적하중에 취약해 취성적인 성질을 띠는 단점이 있다. 이러한 시멘트계 복합체의 본질적인 단점은 콘크리트의 적용성을 제한하게 되며 이를 개선하기 위해 섬유가 보강재로 혼입된 섬유보강 콘크리트가 개발되어 사용되고 있다. 콘크리트에 섬유가 혼입됨으로써 인성 및 에너지 흡수능력 등이 향상되고 균열에 대한 저항성이 우수해져 내구성이 향상된다. 이러한 보강재로 사용되고 있는 섬유 중 구조용 합성섬유의 경우 낮은 비중으로 단위중량당 혼입량이 낮음에도 불구하고 우수한 성능을 발휘하여 경제적이다. 또한 화학적으로 비활성 상태로 산이나 알칼리에 반응하지 않아 강섬유에서 일어나는 부식 문제가 발생하지 않는다. 하지만 재료적으로 소수성을 띠어 시멘트 매트릭스와의 부착력이 약해 섬유와 시멘트 매트릭스 사이 계면에서의 균열과 공극 문제가 발생한다.
이에 본 연구에서는 구조용 합성섬유 표면에 균열 문제를 해결하기 위한 물질(core)과 시멘트 매트릭스와의 부착성능을 개선할 수 있는 물질(shell)을 적용하기 위해 구조용 합성섬유 표면처리용 3D 프린터를 제작하였다. 균열 문제의 경우 섬유 자체의 균열 제어도 효과가 있지만 자기치유 성능을 가지는 물질을 추가로 적용하여 화학적인 균열 제어를 통한 내구성을 향상시키고자 하였다. 이를 위해 calcium nitrate, sodium silicate, epoxy resin을 혼입율에 따라 나누어 core 물질의 변수로 두고 압축강도, 휨강도, 휨강도 회복 시험을 실시하였다. 압축강도의 경우 모든 배합에서 Plain과 비슷한 값을 나타내었지만 휨강도의 경우 모두 Plain보다 낮았으며 물질 별로 경향성이 다르게 나타났다. 휨강도를 바탕으로 치유양생 후 휨강도와 비교하여 휨강도 회복성능 평가를 한 결과 sodium silicate 5wt.%(SS5)가 126%의 강도 회복률을 보여 Plain보다 우수한 강도 회복 성능을 나타냈다. 또한 SS5의 휨강도의 경우 Plain의 92% 수준으로 자기치유를 통한 균열 제어뿐 만 아니라 강도 발현에도 문제가 없는 것으로 나타났다. 구조용 합성섬유와 시멘트 매트릭스 간의 부착성능 개선을 위한 shell 물질을 선정하기 위해서는 polyurethane resin(PU)과 urea-formaldehyde resin(UF)을 변수로 두어 pull-out 시험을 실시하였다. Pull-out 시험은 섬유의 묻힘길이를 25mm와 30mm로 달리하여 실시하였는데 실험을 통해 부착강도와 계면인성을 도출한 결과 묻힘길이에 관계없이 UF를 적용한 섬유의 부착강도와 계면인성이 모두 우수하였다. UF를 적용한 합성섬유의 부착강도는 shell 물질을 적용하지 않은 일반 섬유보다 34% 높았으며 계면인성 또한 47% 높은 결과를 보였다. 이러한 물질들을 합성섬유 표면에 적용시키기 위하여 기존에 사용되고 있는 3D 프린터를 개조하여 효율과 정밀도를 높인 구조용 합성섬유 표면처리용 3D 프린터를 제작하였고 적용성을 넓히기 위해 맞춤형 부품을 제작하였다.
이를 바탕으로 표면처리 된 합성섬유를 콘크리트에 적용하였을 때 성능이 향상되었는지에 대한 연구와 성능 향상을 예측할 수 있는 모델 제안에 대한 향후 연구 방향을 제시하였다.
이에 본 연구에서는 구조용 합성섬유 표면에 균열 문제를 해결하기 위한 물질(core)과 시멘트 매트릭스와의 부착성능을 개선할 수 있는 물질(shell)을 적용하기 위해 구조용 합성섬유 표면처리용 3D 프린터를 제작하였다. 균열 문제의 경우 섬유 자체의 균열 제어도 효과가 있지만 자기치유 성능을 가지는 물질을 추가로 적용하여 화학적인 균열 제어를 통한 내구성을 향상시키고자 하였다. 이를 위해 calcium nitrate, sodium silicate, epoxy resin을 혼입율에 따라 나누어 core 물질의 변수로 두고 압축강도, 휨강도, 휨강도 회복 시험을 실시하였다. 압축강도의 경우 모든 배합에서 Plain과 비슷한 값을 나타내었지만 휨강도의 경우 모두 Plain보다 낮았으며 물질 별로 경향성이 다르게 나타났다. 휨강도를 바탕으로 치유양생 후 휨강도와 비교하여 휨강도 회복성능 평가를 한 결과 sodium silicate 5wt.%(SS5)가 126%의 강도 회복률을 보여 Plain보다 우수한 강도 회복 성능을 나타냈다. 또한 SS5의 휨강도의 경우 Plain의 92% 수준으로 자기치유를 통한 균열 제어뿐 만 아니라 강도 발현에도 문제가 없는 것으로 나타났다. 구조용 합성섬유와 시멘트 매트릭스 간의 부착성능 개선을 위한 shell 물질을 선정하기 위해서는 polyurethane resin(PU)과 urea-formaldehyde resin(UF)을 변수로 두어 pull-out 시험을 실시하였다. Pull-out 시험은 섬유의 묻힘길이를 25mm와 30mm로 달리하여 실시하였는데 실험을 통해 부착강도와 계면인성을 도출한 결과 묻힘길이에 관계없이 UF를 적용한 섬유의 부착강도와 계면인성이 모두 우수하였다. UF를 적용한 합성섬유의 부착강도는 shell 물질을 적용하지 않은 일반 섬유보다 34% 높았으며 계면인성 또한 47% 높은 결과를 보였다. 이러한 물질들을 합성섬유 표면에 적용시키기 위하여 기존에 사용되고 있는 3D 프린터를 개조하여 효율과 정밀도를 높인 구조용 합성섬유 표면처리용 3D 프린터를 제작하였고 적용성을 넓히기 위해 맞춤형 부품을 제작하였다.
이를 바탕으로 표면처리 된 합성섬유를 콘크리트에 적용하였을 때 성능이 향상되었는지에 대한 연구와 성능 향상을 예측할 수 있는 모델 제안에 대한 향후 연구 방향을 제시하였다.
목차
제1장 서론 1제1절 개요 1제2절 연구 목적 및 내용 2제3절 논문의 구성 3제2장 연구사 4제1절 개요 4제2절 3D 프린터 51. 3D 프린터의 종류 52. 3D 프린터의 적용 10제3절 자기치유기술 161. 자기치유의 정의 162. 시멘트계 복합체에서 자기치유 기술의 적용 19제4절 구조용 합성섬유 391. 구조용 합성섬유의 제조 및 특성 392. 구조용 합성섬유 보강 콘크리트 41제3장 구조용 합성섬유 표면에 적용될 물질 선정 47제1절 개요 47제2절 역학적 성능평가 501. 사용재료 502. 실험방법 523. 실험결과 55제3절 소결 64제4장 구조용 합성섬유 표면처리용 3D 프린터 제작 66제1절 개요 66제2절 구조용 합성섬유 표면처리 공정 671. 3D 프린터 제작 672. 구조용 합성섬유의 표면처리 70제3절 소결 71제5장 결론 및 향후 연구방향 72제1절 결론 72제2절 향후 연구방향 73참고문헌 75국문초록 83
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