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ISSN : 2234-6937(Print)
ISSN : 2287-6979(Online)
Journal of Korea institue for Structural Maintenance Inspection Vol.23 No.1 pp.102-112
DOI : https://doi.org/10.11112/jksmi.2019.23.1.102

Impact Fracture Behavior under Temperature Variation and Compressive·Flexural Strength of Cement Composites using VAE Powder Polymer and PVA Fiber

Gwang-Hee Heo1, Gong-Gun Park2*, Chung-Gil Kim3, Hyung-Joon Lee4, Won-Seok Choi5

본 논문에 대한 토의를 2019년 2월 1일까지 학회로 보내주시면 2019년 3월호에 토론결과를 게재하겠습니다.


Corresponding author:2630@hanmail.net Public Safety Research Institute (PSRI), Konyang National University, Nonsan, 32992, Korea)
13/09/2018 05/12/2018 10/12/2018

Abstract


This paper studies impact fracture behavior under temperature variation and compressive·flexural strength of cement composites using VAE(vinyl acetate ethylene) powder polymer and PVA(polyvinyl alcohol) fiber. Impact test were conducted in the temperature range selected for the –35°C, 0°C and 35°C. In this experimental study, impact test were carried out using a drop impact testing machine (Ceast 9350) to obtain such as displacement, time, and impact fracture energy of normal specimen and and cement composites specimen. As test results, the use of VAE powder polymer and PVA fiber were observed to enhance the flexural strength of mortar. The compressive strength of PVA fibers reinforced cement composites was slightly decreased at 28 days, but the flexural strength was observed to increase 24.4% of normal mortar strength. As a result of the drop impact tests, PVA fiber reinforced cement composites specimens showed microcracks due to energy dispersion and crack prevention with bridge effect of the fibers, and scabbing or perforation by impact was suppressed. On the other hand, the normal mortar and VAE powder polymer cement composites specimens were carried out to the perforation and macro crack. Most of normal mortar and the cement composites subjected to impact load on specimens shows mostly local brittle failure. The impact resistant performance of the specimen with PVA fiber was greatly improved due to the increase of flexure performance.



PVA 섬유와 VAE 분말 폴리머를 사용한 시멘트복합체의 압축·휨강도 및 온도변화에 따른 충격파괴거동

허 광희1, 박 종건2*, 김 충길3, 이 형준4, 최 원석5
1정회원, 건양대학교 해외건설플랜트학과 교수
2정회원, 건양대학교 공공안전연구소 전임연구원
3정회원, 건양대학교 해외건설플랜트학과 연구교수
4정회원, 한밭대학교 건설환경공학과 교수
5학생회원, 한밭대학교 건설환경공학과 석사과정

초록


본 연구는 PVA(polyvinyl alcohol) 섬유와 VAE(vinyl acetate ethylene) 분말 폴리머를 사용한 시멘트복합체의 압축·휨강도 와 온도 변화에 따른 충격파괴거동을 연구하였다. 충격시험은 -35°C, 0°C 및 35°C의 선정된 온도조건에서 실시하였다. 본 실험에서는 시멘트 복합체 와 일반 모르타르에 대한 충격파괴 에너지와 변위, 시간을 얻기 위해 낙하 충격시험기(Ceast 9350)를 사용하여 충격시험을 수행하였다. 강도 시험결과, PVA 섬유와 VAE 분말 폴리머의 휨강도는 모두 증가하였다. PVA 섬유보강 시멘트복합체의 경우 재령 28일에서의 압축강도는 약 간 감소하였으나, 휨강도는 일반 모르타르 강도보다 24.4% 증가하였다. 낙하 충격시험 결과, PVA 섬유보강 시멘트복합체 시편은 섬유의 가교 역할로 인한 균열발생의 억제와 에너지 분산에 의한 미세균열이 발생하였으며, 충격에 의한 배면파괴와 관통에 대하여 억제되었다. 반면 VAE 분말 폴리머 시멘트복합체와 일반 모르타르의 시편은 대부분 큰 균열이나 관통파괴 되었다. 충격하중을 받는 시멘트복합체와 일반 모르타르 의 시편은 대부분 국부적인 취성파괴거동을 보이며, PVA 섬유보강에 의한 휨성능 증진으로 인해 충격에 대한 저항성능이 크게 향상되었다.



    1. 서 론

    전 세계적으로 지진, 태풍 및 폭열 등의 자연재해와 같은 외 부요인과 폭발, 화재와 같은 내부요인으로 인한 재난으로부 터 인명 및 자산피해가 늘어가고 있고, 이로 인한 사회간접자 본 시설물의 손상이 증가하고 있다. 시멘트 콘크리트 구조물 이 극단하중을 받으면 외력에 의해 직접적으로 노출되는 위 험도가 높아지면서 지진, 충격 및 폭발과 같이 속도가 빠른 하 중이 작용하는 경우 충격저항성을 증대하기 위한 시멘트복합 체를 적용하는 것은 매우 유용한 건설재료 중의 하나이다.

    시멘트 콘크리트 재료는 우수한 압축강도 특성을 가지고 있어 사회간접자본 시설물인 토목 및 건축구조물에서 가장 널리 사용되고 있으나 휨인성 및 충격강도가 압축강도에 비 해 낮고, 에너지 흡수능력이 높지 않은 취성적인 파괴거동 특 성을 가지고 있다. 이러한 휨인성과 충격강도에 대한 저항성 을 높이고 취성적인 성질을 개선시킬 목적으로 일반 모르타 르에 PVA(polyvinyl alcohol) 섬유보강이나 VAE(vinyl acetate ethylene) 분말 폴리머를 사용하여 시멘트 콘크리트의 성능을 개선하는 시멘트복합체이다.

    최근 들어, 많은 연구자들이 시멘트 콘크리트 재료가 가지 고 있는 취성적으로 파괴되는 특성과 기존의 구조물을 효율 적으로 유지관리하기 위하여 시멘트 콘크리트 재료의 성질을 개선시킬 수 있는 가장 효과적인 한 가지 방안으로써 시멘트 복합재료에 관한 연구(Poston et al., 2001;Lee et al., 2013;Son et al., 2017)가 국내외적으로 활발히 진행되여 왔다.

    한편 일반 모르타르에 PVA 섬유를 혼입함으로써 높은 인 성과 에너지 흡수능력 향상을 발휘할 수 있는 PVA 섬유보강 시멘트복합체가 개발되어 왔으며, 폴리머 복합재료를 기반으 로 하는 VAE 분말 폴리머 시멘트복합체는 일반 모르타르 보 다 인장강도, 휨강도, 접착성, 수밀성, 내마모성 및 내약품성 등을 개선시키는데 우수한 효과를 갖고 있는 것으로 보고되 고 있다(Shao et al., 1997;Park et al., 2010;Kim et al., 2015;Choi et al., 2015;Cho et al., 2017). 이에 따른 시멘트 복합재료 는 보수·보강재, 충격완충재 및 에너지 흡수재 등 다양한 용도 로 활용이 기대되나, 시멘트 복합재료의 온도변화에 따른 충 격파괴거동 연구는 극히 드물며 국내는 특히 연구사례가 전 무한 상태이다.

    충격하중을 받는 시멘트 콘크리트의 파괴거동은 정적하중 에 의한 것과는 달리 높은 변형속도의 하중에서 가해진 충격 으로 인한 시편 전체에 모두 전달하지 못하고 국부적인 파괴 거동 양상을 보이며, 이러한 국부파괴형상은 크게 4종류의 형 태인 전면관입(penetration), 배면균열(crack of rear), 배면파 괴(scabbing) 및 관통파괴(perforation)로 구분된다. 아울러, 충격하중에 의한 국부적인 파괴를 억제하기 위하여 각종 섬 유나 폴리머를 혼입함으로써 휨인성 및 충격에 대한 저항성 을 향상시키는 시멘트복합체에 대한 연구(Mindess et al., 1989;Bindiganavile et al., 2001;Kim et al., 2009;Min et al., 2011; Li et al., 2013; Min et al., 2015, Lee et al., 2018)가 거듭 발전해 왔으며, 시멘트복합체의 충격파괴거동에 대한 연구가 필요하고, 저온과 고온의 온도변화에 따른 연구사례가 아직 은 그리 많지 않은 실정이다.

    따라서 본 연구는 일반 모르타르와 비교분석하기 위하여 1.0% PVA 섬유 혼입율과 10% VAE 분말 폴리머를 사용한 시 멘트복합체의 기본강도(압축, 휨) 시험을 실시하였으며, 충격 하중을 받는 –35℃, 0℃ 및 35℃의 선정된 온도조건에서 시멘 트복합체와 일반 모르타르의 충격파괴거동을 측정하여 비교, 분석하였다.

    2. 실험계획 및 방법

    2.1 실험계획

    본 연구에서 배합조건으로 VAE 분말 폴리머 시멘트복합 체와 일반 모르타르의 W/C는 40.0%이었고, 워커빌리티 확보 하기 위해 PVA 섬유보강 시멘트복합체의 W/C는 44.0%로 하 였다. 목표 평균압축강도는 재령 28일에서 약 40 MPa로 하였 다. 시험사항으로 재령 28일에서의 압축강도와 휨강도를 측 정토록 계획하였다. 또한 –35℃, 0℃ 및 35℃의 선정된 온도조 건에서 시멘트복합체의 충격하중에 의한 파괴거동을 비교, 분석하기 위하여 낙하 충격시험을 실시하였다.

    2.2 사용재료 및 모르타르 배합

    2.2.1 시멘트

    시멘트는 S사 제품의 보통 포틀랜드 시멘트(TypeⅠ)를 사 용하였으며, 비중은 3.15이고 분말도는 3,620㎠/g 이다.

    2.2.2 잔골재

    잔골재는 비중이 2.60인 충남 공주지역에서 채취하여 생산 된 세척사를 사용하였다.

    2.2.3 PVA 섬유

    본 연구에 사용된 PVA 섬유는 일본 Kuraray사 제품으로 섬 유표면이 수산기를 가지고 있는 친수성 재료로써 시멘트 페 이스트와 높은 부착성능을 가지고 있으며, 인장강도가 900∼ 1,600MPa이다. 본 연구에 사용된 PVA 섬유는 직경 0.04mm, 길이 12.0mm 정도로써 형상비 300 (=12/0.04)을 가지고 있다. PVA 섬유의 물리적 특성은 Table 1과 같다.

    2.2.4 VAE 분말 폴리머

    본 연구에 사용한 VAE 분말 폴리머는 독일에서 생산되는 VAE계 재유화형 분말 폴리머를 사용하였으며, VAE 분말은 미세분말로 배합 시 배합수와 혼합하여 사용하였다. VAE 분 말 폴리머의 물리적 특성 및 형상은 Table 2와 같다. 또한 Fig. 1은 PVA 섬유와 VAE 분말 폴리머의 형상을 나타낸 것이다.

    2.2.5 배합설계

    본 연구에 사용한 PVA 섬유보강 시멘트복합체는 배합설 계 시 중량에 포함하지 않는 재료로서 Vf=1.0%를 적용하였 으며, 모르타르 1㎥에 PVA 섬유 13kg에 해당한다. VAE 분말 폴리머 시멘트복합체의 경우 혼입률은 시멘트 중량의 10% 를 대체 적용하였으며, 모르타르 1㎥에 VAE 분말 폴리머 61.0kg을 사용하였다. 시멘트와 잔골재의 비율(C:S)은 1:2의 비율로 정하였으며, 폴리머 시멘트비(P/C)를 10%로 하였다. 압축·휨강도 및 충격시험을 위한 모르타르의 배합설계는 Table 3과 같다.

    2.3 실험방법

    2.3.1 압축강도 및 휨강도 시험

    압축강도 및 휨강도 시험은 KS L ISO 679(시멘트의 강도시 험 방법)에 준하여 시험을 실시하였다. 압축강도 시험은 50×50mm 정육면체 몰드를 이용하여 각각 3개씩 제작하여 시 험을 실시하였다. 휨강도 시험은 50mm×50mm×2 00mm의 각 주형 공시체를 제작하여 3점 재하를 기반으로 실시하였으며, 지간은 150mm, 높이 50mm의 시편에 하중을 가력하였다. 공시 체는 모두 재령 28일에서의 압축강도 및 휨강도를 측정하였다.

    2.3.2 낙하 충격 시험

    시편의 충격하중에 의한 파괴거동을 측정하기 위한 낙하 충격시험기(drop impact testing machine)는 미국 Instron사의 Ceast model 9350인 낙하 충격시험기를 사용하여 측정하였으 며, 장비규격은 Table 4와 같다. 시편을 장착하고 모든 시편 중 앙에 충격하중을 가하였으며, 21.3kN 무게의 반구형 추를 높 이 144mm에서 낙하시켰다. 충돌시점의 낙하속도는 자유 낙 하의 속도로써 약 1.67m/s 이었으며, 이때 가해준 충격에너지 는 약 3.0J이었다. 충격하중은 낙하되는 추의 끝에 달려 있는 텁(tub) 안의 설치된 로드 셀(load cell)를 이용하여 시편에 충 격이 가해질 때 하중을 자동으로 측정되며, 시편의 변위는 낙 하 시험기 자체에서 측정되었다. 또한 측정된 하중을 통해서 충격에너지로 환산된다. 충격시험을 통해 발생하는 테이터는 충격시험기에 연결된 충격데이터 측정 소프트웨어를 이용하 여 수집하였으며, 각각의 선정된 온도조건에서 시편별로 3회 씩 충격시험을 실시하였다. 충격시험의 온도조건은 각각의 선정된 온도까지 온도를 상승시킨 후 최대 온도에서 1시간 동 안 온도를 유지하였다. 충격시험을 위해 온도조절기를 통하 여 환경 챔버 내부의 온도를 –35℃∼35℃까지 조절하였다. 저 온의 경우 액체질소를 사용하였으며, 고온의 경우 가열기를 사용하였다. 각각의 –35℃와 0℃의 온도에서 1시간 냉각 후 시험을 실시하였으며, 이후 35℃ 온도까지 오븐에서 1시간 동 안 온열 후 시험을 실시하였다. Fig. 2는 충격시험을 위한 낙하 충격시험기의 설치모습을 나타낸 것이다.

    2.3.3 시편제작 및 양생

    각 배합에 따른 충격시험을 위한 시편의 크기는 60×60mm 의 정사각형이고 두께는 10mm로 일정하게 하여 각각의 시편 별로 3개씩 온도조건에 따라 총 27개의 시편을 제작하였다. 격자모양 형틀에 넣은 후 탈형하여 시험일까지 기건상태에서 양생하였다. 선정된 온도조건에 따른 충격시험을 위한 시편 제작은 Table 5와 같다.

    2.3.4 SEM 관찰

    본 연구는 강도시험 완료 후 PVA 섬유와 VAE 분말 폴리머 를 이용한 시멘트복합체와 일반 모르타르의 파단된 표면 형 상을 관찰하기 위해 파괴된 공시체 내의 조각을 진공상태에 서 건조하여 백금 코팅 후 주사 전자현미경(scanning electron microscope, SEM) 모델명(MIRA LMH, Tescan Ltd)을 촬영 하여 관찰하였다.

    3. 실험결과 및 분석

    3.1 강도 시험결과

    PVA 섬유와 VAE 분말 폴리머를 사용한 시멘트복합체와 일반 모르타르에 대한 압축강도 및 휨강도 시험결과를 정리 하면 Table 6과 같다. 본 시험결과로부터 압축강도는 PVA 섬 유보강 시멘트복합체와 일반 모르타르의 경우 목표 강도를 상회하는 것으로 나타났으며, VAE 분말 폴리머 시멘트복합 체는 압축강도에 크게 미치지 못하였다. PVA 섬유와 VAE 분 말 폴리머를 사용한 시멘트복합체의 재령 28일에서 압축강도 는 각각 48.9MPa와 35.5MPa로 나타내었다. PVA 섬유보강 시멘트복합체의 압축강도는 일반 모르타르에 비해 98.2% 정 도로 거의 동일하거나 약간 떨어져 강도 증진효과는 거의 없 는 것으로 나타났으며, VAE 분말 폴리머 시멘트복합체는 71.3% 압축강도가 다소 낮게 나타내어 압축강도 개선을 위한 추가적인 연구가 필요한 것으로 판단된다. 한편 재령 28일에 서 휨강도는 PVA 섬유보강 시멘트복합체의 경우 6.07MPa와 VAE 분말 폴리머 시멘트복합체는 5.00MPa로 나타났으며, 일반 모르타르의 휨강도는 4.88MPa로 나타내었다. PVA 섬 유보강 시멘트복합체의 휨강도는 일반 모르타르에 비해 약 24.4%의 정도 증가하였으며, VAE 분말 폴리머 시멘트복합 체의 경우 약 2.5% 정도로 휨강도 증가효과는 미미하였다. 그 러나 압축강도에 대한 휨강도비는 PVA 섬유보강 시멘트복합 체의 경우 1/8.0와 VAE 분말 폴리머 시멘트복합체는 1/7.1 정 도로 되어, 일반 모르타르의 경우 1/10.2 정도 보다 휨강도가 크게 증가하는 것으로 나타내었다. 이와 같은 휨강도의 성능 이 향상되는 것은 PVA 섬유보강 시멘트복합체의 경우 섬유 의 가교역할(bridging effect)로 인한 균열발생의 억제와 VAE 분말 폴리머 시멘트복합체는 내부에 형성된 폴리머 필름에 기인한 입자들이 분산되어 공극을 채우면서 모르타르의 내부 조직이 치밀하게 됨과 동시에 부착력 증진에 의한 결과로 사 료된다. 휨강도의 증가량은 PVA 섬유 〉VAE 분말 폴리머 〉 일반 모르타르 순으로 PVA 섬유보강 시멘트복합체의 경우 가장 크게 나타내었다.

    3.2 압축파괴 형상

    각각의 공시체에 대한 압축 시험 후 파괴형상과 모습은 Table 7과 같다. Table 7(a)에서 보는바와 같이 균열 면 전체에 PVA 섬유가 매우 촘촘히 퍼져 있는 것을 볼 수 있으며, 균열 면을 따라 고르게 분포되어 있는 것을 확인할 수 있었다. 공시 체의 파괴 매커니즘은 섬유의 파단이라기 보다는 섬유의 뽐 힘(fiber pull-out)현상이 주로 발생된 것을 관찰할 수 있었으 며, 균열 폭은 눈에 띄게 넓어지면서 큰 균열을 그대로 유지하 고 있었다. 이것은 공시체 내부에 PVA 섬유의 가교역할로 인 한 균열발생을 억제함으로써 급격한 취성파괴를 방지하기 때 문인 것으로 판단된다. 반면 Table 7(b)에서 VAE 분말 폴리머 시멘트복합체는 폴리머 필름 형성으로 입자들이 공극을 채움 으로써 결합력 개선으로 파단면은 상당히 매끄러운 편이었으 나, 미세기포가 많이 형성됨을 알 수 있었다. 하지만 일반 모 르타르는 수직균열로 공시체 높이 중앙부에서 집중파열로 파 편이 산산 조각되면서 작은 소음과 함께 급작스럽게 파괴 양 상을 보였다.

    3.3 충격시험 결과

    3.3.1 시편 충돌 후 파괴 특성

    본 연구는 충격시험 방법에 대해 아직은 명확한 표준 규정 이 제시되고 있지 않아 기존 연구자들의 연구결과를 참고하 였다(Kim et al., 2015;Han et al., 2015). 외부 충격하중에 의한 충격특성은 재료특성, 충격속도, 시편의 형상 및 보강재료 등 다양한 실험조건에 따라 영향을 미친다. Fig. 3은 모르타르에 대한 일반적인 충격에 의한 시편의 파괴유형을 나타낸 것이 다. 시편에 충돌 후 육안으로 관찰한 시편의 파괴유형에 따라 크게 4종류의 등급으로 분류할 수 있다. 1) 전면관입 (penetration): 2) 배면균열(crack of rear): 3) 배면파괴 (scabbing): 4) 관통파괴(perforation)의 등급으로 분류하였다.

    첫째, 전면관입의 경우 충돌에 의한 표면관입과 충돌한 주 변에 휨변형 영역이 생기거나, 배면에 미세균열(micro crack) 이 나타난 정도로 하였다. 둘째, 배면균열은 배면의 박리가 발 생하지 않고 탈락량이 미미하거나, 충돌에 의한 전면의 주변 을 따라 균열이 진전된 정도로써 배면균열(crack of rear)로 하 였다. 셋째, 배면파괴의 경우 충돌에 의한 전면균열과 함께 배 면박리가 일어나거나, 배면에 뚜렷한 큰 균열(macro crack)이 발생한 경우로 하였다. 넷째, 관통파괴는 충돌에 의한 충격파 의 발생으로 균열이 진전되어 시편을 완전히 관통하는 경우 로 분류하였다.

    본 실험결과로부터 얻은 –35℃, 0℃ 및 35℃의 선정된 온도 조건에서 충격하중을 받는 시편의 전면과 배면에 대한 전반 적인 파괴유형을 정리하면 Table 8과 같다. 완전 관통파괴된 시편을 살펴보면 전체 시편 27개 중 18개 이었다. PVA 섬유보 강 시멘트복합체 시편의 경우 –35℃ 온도에서 No3 시편을 제 외하고는 모두 관통파괴가 발생하지 않았으며, 배면파괴가 억제되어 내충격성의 차이를 육안으로 관찰할 수 있었다. 전 면은 –35℃ 온도에서 No1과 No3 시편의 중심부에서 수직 또 는 사선 방향으로 균열이 발생하였으며, 나머지 0℃와 35℃ 온도에서는 큰 올록볼록한 모양은 보이지 않고 비교적 평탄 한 면을 나타내어 깊은 자국이나 소성변형의 흔적이 관찰되 었다. 배면은 선정된 온도조건에 관계없이 시편의 중심부에 서 수직 또는 사선 방향으로 균열이 넓어지는 패턴을 나타내 었다. 이것은 PVA 섬유를 혼입함으로써 파괴 시에 균열의 진 전이 보강섬유에 의해 지연된 때문이라고 판단된다. 반면 VAE 분말 폴리머 시멘트복합체 시편의 경우 0℃ 온도에서 No2 시편의 전면을 제외하고는 모든 시편의 중심부에서 수직 또는 사선 방향으로 뚜렷한 큰 균열 발생과 함께 거의 비슷하 게 관통파괴 되었다. 하지만 일반 모르타르의 시편은 온도조 건에 관계없이 모든 시편의 중심부에서 수직 또는 사선 방향 으로 큰 균열 발생과 함께 취성파괴로 비교적 많은 수의 파편 들로 쬬개지면서 관통파괴 현상이 나타나 내충격 성능 향상 정도가 가장 떨어지는 것으로 나타내었다. 또한 0℃ 온도에서 No3 시편의 경우 전면과 배면탈락으로 파편들이 쬬개지면서 일부 박리가 발생하였다. 따라서 PVA 섬유보강 시멘트 복합 재료는 지진과 충격하중을 받는 시설물 에서 높은 안전성능 을 확보할 수 있을 것으로 판단된다.

    3.3.2 온도조건에서 충격파괴 에너지 특성

    충격파괴에너지 분석결과 –35℃, 0℃ 및 35℃의 선정된 온 도조건에서 PVA 섬유보강 시멘트복합체 시편이 다른 시편에 비해 가장 높은 충격파괴에너지를 갖으며, 상대적으로 일반 모르타르의 시편은 충격파괴에너지가 현저하게 저하되었다. 이것은 PVA 섬유의 가교역할로 인해 가장 높은 충격파괴에 너지를 보여 주여 준 것으로 판단된다. 또한 저온인 –35℃에 서 가장 높고, 고온인 35℃에서 가장 낮게 나타나 저온에 대한 충격파괴에너지의 민감도가 큰 것을 알 수 있었다. 충격파괴 에너지는 PVA 섬유 〉VAE 분말 폴리머 〉일반 모르타르 순 으로 PVA 섬유보강 시멘트복합체의 경우 가장 높게 나타내 었으며, 일반 모르타르 시편에 비해 충격파괴에너지에 대한 흡수저항성이 다소 개선되는 것으로 나타내었다.

    3.3.3 충격파괴 에너지와 변위 관계

    Fig. 4는 –35℃, 0℃ 및 35℃의 선정된 온도조건에서 충격파 괴에너지와 변위곡선 관계를 나타낸 것이다. 그림에서 보는 바와 같이 PVA 섬유보강 시멘트복합체 시편의 경우 충격파 괴에너지와 변위 곡선으로 부터 초기에는 거의 선형적으로 유지하다가 나중에 다소 비선형적으로 증가함을 보여주었다. PVA 섬유보강 시멘트복합체 시편의 경우 충격파괴에너지는 다른 시편에 비해 더 많은 변위가 증가하였으며, 가장 높은 충 격파괴에너지를 보였다. PVA 섬유의 가교역할로 인해 다른 시편에 비해 충격하중을 받을 시 가장 높은 충격파괴에너지 를 갖으며, 변위의 증가가 크게 증가됨을 확인할 수 있었다. 이것은 완전한 파괴가 이루어지지 않고 충격파괴에너지를 상 당히 흡수하기 때문이라고 판단된다. 그림에서 보는 바와 같 이 저온의 경우 충격파괴에너지의 증가하는 기울기가 완만하 나, 고온으로 갈수록 그 기울기는 급격해짐을 보여주고 있다. 반면 VAE 분말 폴리머 시멘트복합체 시편과 일반 모르타르 시편은 급격한 취성파괴 거동으로 보였으며, 거의 비슷하게 변위가 저하되는 경향을 보였다.

    3.3.4 충격파괴 에너지와 시간 관계

    Fig. 5는 –35℃, 0℃ 및 35℃의 선정된 온도조건에서 충격파 괴에너지와 시간곡선 관계를 나타낸 것이다. 그림에서 보는 바와 같이 충격시험을 통해 시간 변화에 따른 충격파괴에너 지 곡선은 직선구간과 변환구간으로 구성된 것으로 볼 수 있 다. PVA 섬유보강 시멘트복합체 시편의 경우 다른 시편에 비 해 PVA 섬유의 가교역할로 인해 시간이 가장 길고 충격파괴 에너지가 가장 높았다. 이것은 균열간의 응력전달을 도와 PVA 섬유에서의 에너지 요구를 증가시켜 균열의 진전을 억 제하고, 충격을 흡수하기 때문에 취성파괴 현상에서 연성파 괴 현상으로 전이가 이루어졌다고 판단된다. 반면 VAE 분말 폴리머 시멘트복합체 시편과 일반 모르타르 시편은 거의 비 슷하게 취성적인 파괴 경향을 보여주고 있었다. 특히 -35℃ 온 도에서 PVA 섬유보강 시멘트복합체 시편의 경우 오래 동안 시간을 유지하면서 변위가 가장 많이 증가하였으며, 0℃와 3 5℃ 온도의 시편에 비해 연성적으로 변하였다. 따라서 PVA 섬유보강 시멘트복합체 시편은 시간이 상대적으로 가장 길어 지는 경향을 보였다. 이로 인하여 가장 높은 에너지 흡수능력 을 나타내었다.

    3.4 SEM 관찰

    Fig. 6은 강도 시험 후 공시체 내 파단면의 표면상태를 SEM 으로 관찰한 사진을 나타낸 것이다. Fig. 6(a)에서 보는 바와 같이 PVA 섬유보강 시멘트복합체의 경우 섬유의 표면에 크 고 작은 입자들의 시멘트 수화물 결정 형성과 함께 섬유사이 의 간격이 넓어 친화력이 커서 매트릭스 사이의 섬유뽐힘(pull out)이 발생하였다. 이것은 파괴 매커니즘이 섬유의 파단이라 기 보다는 주로 섬유의 뽐힘이 일어나고 있음을 보여 주고 있 다. Fig. 6(b)에서 보는 바와 같이 VAE 분말 폴리머 시멘트복 합체의 경우 형성된 폴리머 필름이 시멘트 수화물과 골재간 의 입자들이 공극을 채움으로써 내부조직이 치밀하고 결합력 개선으로 파단면은 아주 깨끗하고 상당히 매끄러운 편이었으 나, 미세한 기포가 다소 형성됨을 알 수 있었다. 하지만 일반 모르타르의 경우 내부조직 결합력이 적고 시멘트 수화물의 형성이 부족하며, PVA 섬유는 표면에 시멘트 수화물의 결정 이 많이 형성됨으로 인해 일반 모르타르에 비해 계면 결합력 이 더 우수함을 보였다.

    4. 결 론

    본 연구는 PVA 섬유와 VAE 분말 폴리머를 사용한 시멘트 복합체와 일반 모르타르의 압축강도와 휨강도 시험을 실시하 였으며, 충격하중을 받는 –35℃, 0℃ 및 35℃의 선정된 온도조 건에서 충격파괴거동을 측정하여 비교, 분석하였다. 본 연구 를 통해 얻은 결과를 요약하면 다음과 같다.

    1. 재령 28일에서의 압축강도는 PVA 섬유보강 시멘트복합 체의 경우 48.9MPa와 VAE 분말 폴리머 시멘트복합체는 35.5MPa로 나타내었다. PVA 섬유보강 시멘트복합체의 압축강도는 일반 모르타르에 비해 약 98.2% 정도로 거의 동일하거나 약간 떨어져 강도 증진효과는 거의 없는 것 으로 나타났으며, VAE 분말 폴리머 시멘트복합체의 경 우 약 71.3%로 압축강도가 다소 감소하였다.

    2. 재령 28일에서의 휨강도는 PVA 섬유보강 시멘트복합체 의 경우 6.07MPa와 VAE 분말 폴리머 시멘트복합체는 5.0MPa로 나타내었다. 즉, 압축강도에 대한 휨강도비는 PVA 섬유보강 시멘트복합체의 경우 1/8.0과 VAE 분말 폴리머 시멘트복합체는 1/7.1 범위로 되어, 일반 모르타 르의 경우 1/10.2 정도에 비해 휨강도가 크게 증가하는 것을 확인할 수 있었다.

    3. 충격하중을 받는 PVA 섬유보강 시멘트복합체 시편의 경우 배면은 전면보다 뚜렷한 더 큰 균열로 배면파괴와 관통파괴가 억제되는 것을 확인할 수 있었다. 이것은 PVA 섬유를 혼입함으로써 파괴 시에 균열의 진전이 보 강섬유에 의해 지연된 때문이라고 판단된다. 반면 VAE 분말 폴리머 시멘트복합체와 일반 모르타르는 시편의 중심으로부터 균열이 수직 또는 사선방향으로 3조각 또 는 그 이상 조각으로 뚜렷하게 관통되어 매우 취성적인 파괴거동 양상을 보였다.

    4. –35℃, 0℃ 및 35℃의 선정된 온도조건에서 충격파괴거 동을 살펴본 결과, PVA 섬유보강 시멘트복합체 시편이 다른 시편에 비해 가장 높은 충격파괴에너지를 갖으며, 상대적으로 일반 모르타르의 시편이 가장 적은 충격파 괴에너지를 갖는다. 이로 인하여 가장 높은 에너지 흡수 능력을 나타내었다. 특히 –35℃ 온도조건에서PVA 섬유 보강 시멘트복합체 시편의 경우 시간이 가장 길고 변위 가 늘어지면서 가장 컸다.

    5. SEM 관찰을 통해 PVA 섬유보강 시멘트복합체의 경우 섬유의 표면에 시멘트 수화물 결정 형성으로 일반 모르 타르에 비해 계면 결합력이 더 우수함을 보였다. 반면 VAE 분말 폴리머 시멘트복합체는 모르타르 내부에 형 성된 폴리머 필름에 의한 결합력 개선으로 파단면은 깨 끗하고 상당히 매끄러운 편이었으나, 다량의 미세한 기 포가 형성됨을 보여주고 있었다.

    감사의 글

    이 논문은 2016년도 및 2018년도 정부(교육부)의 재원 으 로 한국연구재단의 지원을 받아 수행된 기초연구사업 입니다 (No. NRF-2018R1A6A1A03025542), (No. NRF- 2016R1A6A 3A11931945).

    Figure

    JKSMI-23-102_F1.gif

    Shapes of VAE powder polymer and PVA fiber: (a) PVA fiber (b) VAE powder polymer

    JKSMI-23-102_F2.gif

    View of impact test setups: (a) Drop impact testing machine (b) Data acquisition system (c) Specimen restraint state in chamber

    JKSMI-23-102_F3.gif

    Failure pattern and grade by impact: (a) Penetration (b) Crack of rear (c) Scabbing (d) Perforation

    JKSMI-23-102_F4.gif

    Comparison of impact energy-displacement curves at temperature variation: (a) -35℃ (b) 0℃ (c) 35℃

    JKSMI-23-102_F5.gif

    Comparison of impact energy-time curves at temperature variation: (a) -35℃ (b) 0℃ (c) 35℃

    JKSMI-23-102_F6.gif

    SEM images of mortar: (a) PVA fiber (b) VAE polymer (c) Norma

    Table

    Physical properties of PVA fiber

    Physical properties of VAE powder polymer

    Mix proportions of mortar

    Specifications of drop impact testing machine

    Specimens for impact test under ultimate temperature condition

    Results of mortar strength tests

    Fracture shape and apparatus after compressive strength tests

    Failure pattern of specimens under temperature range selected for the –35℃, 0℃ and 35℃

    Results of impact loading tests

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