이현진
(Hyun-Jin Lee)
1
배수호
(Su-Ho Bae)
2*
권순오
(Soon-Oh Kwon)
3
김성욱
(Sung-Wook Kim)
4
박정준
(Jung-Jun Park)
5
© The Korea Institute for Structural Maintenance and Inspection. All rights reserved.
키워드
선반 스크랩 보강 시멘트 복합체(LSRCCs), 플레인 모르타르, 작업성, 압축 강도, 휨 강도
Key words
Lathe scrap reinforced cementitious composites(LSRCCs), Plain mortar, Workability, Compressive strength, Flexural strength
1. 서 론
건설 산업에서의 콘크리트는 강도 발현성, 성형성 및 경제 성 등이 우수할 뿐만 아니라 다양한 장점을 가지고 있어 건설 공사에서 큰 비중을 차지하고
있으며, 구조물이 대형화·고층 화·장대화 됨에 따라 현재까지 콘크리트에 대한 수요가 지속 적으로 증가되고 있는 실정이다(Im et al., 1999; Park et al., 2015). 이같이 콘크리트는 가장 기본적이며 중요한 건설재료 로 사용되고 있으나, 높은 압축강도와는 달리 낮은 인장강도 와 전단강도 및 휨강도를 가지며
균열에 대한 저항 능력이 작 아, 갑작스런 파괴를 일으키는 취성파괴(brittle failure)의 문 제를 가지고 있으며, 이는 고강도 콘크리트
일수록 두드러지 게 나타난다(Bae et al., 2014; Kim et al., 2013; Yang, 2010).
이러한 콘크리트의 성질을 보완하기 위하여 1980년대부터 강섬유 및 유기섬유 등을 보강한 콘크리트에 대한 연구가 활 발히 진행되었으며, 이로 인해
콘크리트의 연성 및 휨인성 등 이 크게 개선되는 결과를 가져왔다(Granju and Balouch, 2005; Mangat and Gurusamy, 1987). 강섬유 보강 콘크리트는 콘크 리트의 취성적 성질을 개선하기 위해 콘크리트 체적의 약 1% 정도의 강섬유를 혼입하는 방법으로, 콘크리트의 인장강도,
휨강도, 휨 인성 및 변형에 대한 저항성이 우수하여 미국을 비 롯한 기술 선진국을 중심으로 우수성을 인정받아 다양한 구 조물에 적용되어 왔다(Kim and Choi, 2006; Kim et al., 2016; Sim and Lee, 1996). 유기섬유 보강 콘크리트는 섬유 자체의 인장강도 및 탄성계수는 낮지만 휨거동, 균열에 대한 저항성, 충격 저항성 및 내화학성이 우수하여 부식의
우려가 없다는 장점을 가지고 있다(Jeon and Jeon, 2014; Jeon et al., 2015; Park et al., 2008). 그러나, 이러한 강섬유 보강 콘크리트나 유 기섬유 보강 콘크리트는 제조단가가 고가이므로 보편적으로 사용하기에는 어려운 실정이다(Ha et al., 2010).
한편, 강 스크랩(steel scrap)은 강재 생산 및 가공 과정에서 발 생된 부산물로, KS D 2101(2011)에 따라 생철 스크랩, 노폐 스 크랩, 선반 스크랩 및 가공 스크랩으로 분류되는데, 이 중 선반 스크랩(lathe Scrap)은 금속의 선반 및 밀링
작업 시 발생되며, 가 격이 기존의 강섬유보다 훨씬 저렴하고 원재료와 성분이 거의 유사하다. 따라서 이를 사용한 선반 스크랩 보강 시멘트 복합체 (lathe
scrap reinforced cementitious composites, LSRCCs)는 기 존의 강섬유 보강 시멘트 복합체와 거의 유사한 성능을
유지하 면서 경제성은 대폭 향상될 것으로 예측된다(Bdour and Al-Khalayleh, 2010; Murali et al, 2012; Vijayakumar et al, 2012).
본 연구에서는 섬유보강 시멘트 복합체 제조시 강섬유 대 신에 선반 스크랩의 활용 방안을 제시하기 위하여 금속 가공 공장으로부터 3종류의 선반 스크랩을
채취하여 폭 2 mm, 길 이 40 mm로 가공한 후 이들을 사용한 선반 스크랩 보강 시멘 트 복합체를 제작하여 이들의 작업성 및 강도 특성을 플레인
모르타르와 비교․평가하고자 한다.
2. 실험 개요
2.1. 사용 재료
LSRCCs를 제작하기 위하여 시멘트는 시중에서 구입한 H 사의 보통 포틀랜드 시멘트를 사용하였고, 잔골재는 경북 안 동에서 생산된 낙동강산 하천사를
이용하였으며, 이들의 물 리적 성질은 Tables 1 및 2와 같다. 선반 스크랩 보강 시멘트 복합체의 유동성 조절을 위한 화학 혼화제는 고강도 및 유동 화 콘크리트용으로 사용되고 있는 S사의 폴리카르본산계의
고성능 감수제(Superplasticizer, SP; 비중 : 1.05)를 사용하였 다. LSRCCs에 혼입된 선반 스크랩은 서울특별시 영등포구 도림로에
위치한 기계 가공공장 밀집지역에서 3종류의 선반 스크랩을 수집하였다. 수집된 선반 스크랩의 규격은 기존의 연구(Kwon et al., 2015)를 참고하여 폭 2 mm, 길이 40 mm로 절단하여 Fig. 1과 같이 시료를 준비하였으며, 기본 물성은 Table 3와 같다.
Table 1
Physical properties of cement
|
Specific gravity
|
Setting time (min)
|
Blaine (m2/kg)
|
Compressive strength (MPa)
|
|
Initial
|
Final
|
3 Days
|
7 Days
|
28 Days
|
|
|
3.14
|
250
|
370
|
329
|
34.0
|
44.1
|
56.9
|
Table 2
Physical properties of fine aggregate
|
Specimen
|
Density (g/cm3)
|
Absorption (%)
|
Unit mass (kg/m3)
|
Amount of passing 0.08mm sieve (%)
|
Fineness modulus
|
|
|
River snad (Nakdong-river)
|
2.58
|
1.47
|
1,597
|
2.2
|
2.43
|
Table 3
Physical properties of lathe scrap
|
Specimen
|
Width (mm)
|
Length (mm)
|
Density (g/cm3)
|
Tensile strength of parent metal (MPa)
|
|
|
SM45C
|
2
|
40
|
7.58
|
471
|
|
SS440
|
7.48
|
520~550
|
|
SCM440
|
7.39
|
890
|
2.2. 실험 방법
2.2.1. 공시체 제작
LSRCCs를 제작하기 위하여 Table 4와 같이 물-결합재비 (W/B)는 30% 및 40%로 설정하였고, 선반 스크랩의 혼입율은 시멘트 복합체 체적의 1.5%, 목표 플로값은 210±20
mm로 설 정하였다. LSRCCs의 작업성을 평가하기 위하여 물-결합재 비가 40%인 경우는 유동성이 양호하여 고성능 감수제를 첨가 하지 않았고,
물-결합재비가 30%인 경우는 고성능 감수제 첨 가량을 시멘트 질량의 0.5%로 고정하였으며, KS L 5105(2012) 에 따라 Fig. 2와 같이 플로 시험을 수행하였다. KS L ISO 679(2011)에 따라 압축 및 휨강도 시험용 각주형 공시체 (40×40×160 mm)를 제작하였으며, 제작된 공시체는 성형 후 24시간 경과하여 몰드를 제거한
후 강도시험 전까지 20±3℃ 의 온도로 습윤양생하였다.
Table 4
Mix proportions of LSRCCs
|
W/B(%)
|
Specimens
|
Lathe scrap content of total volume (%)
|
Target flow (mm)
|
Unit mass (kg/m3)
|
SP (C×wt. %)
|
|
|
Water
|
Cement
|
Fine aggregate
|
|
|
30
|
Plain
|
-
|
210±20
|
300
|
990
|
990
|
0.5
|
|
A (SM45C)
|
1.5
|
|
B (SS400)
|
|
C (SCM440)
|
|
|
40
|
Plain
|
-
|
210±20
|
360
|
900
|
900
|
-
|
|
A (SM45C)
|
1.5
|
|
B (SS400)
|
|
C (SCM440)
|
2.2.2. 압축강도 시험
선반 스크랩의 종류에 따른 LSRCCs의 압축강도 특성을 평 가하기 위하여 KS L ISO 679에 따라 재령 7일 및 28일 압축강 도 시험을 수행하였다.
2.2.3. 휨강도 시험
선반 스크랩의 종류에 따른 LSRCCs의 휨강도 특성을 평가 하기 위하여 KS L ISO 679에 따라 재령 7일 및 28일 휨강도 시 험을 수행하였다.
3. 실험결과 및 고찰
3.1. LSRCCs의 작업성
Figs. 3~4은 선반 스크랩의 종류에 따른 LSRCCs의 플로값 을 나타낸 것으로, 물-결합재비가 30%인 경우 혼화제의 첨가 량을 시멘트 질량의 0.5%로 고정하였을
때 LSRCCs의 플로 값은 플레인 모르타르보다 다소 저하되나, 목표 플로값을 만 족하는 것으로 나타나, 이 경우의 작업성은 플레인 모르타르 보다
크게 저하되지 않는 것으로 나타났다. 반면, 물-결합재비 가 40%인 경우의 LSRCCs의 플로값은 고성능 감수제를 첨가 하지 않아도 목표 플로값을
만족하고, 플레인 모르타르의 플로 값과 거의 유사하여 LSRCCs의 작업성은 양호한 것으로 나타 나, 물-결합재비가 클수록 작업성이 우수한 것으로
나타났다.
Fig. 3
Flow values of LSRCCs(W/B=30%)
Fig. 4
Flow values of LSRCCs(W/B=40%)
3.2. LSRCCs의 압축강도
Figs. 5~6은 LSRCCs의 재령 7일 및 28일 압축강도를 나타 낸 것으로, LSRCCs의 재령 28일 압축강도는 선반 스크랩의 종류에 관계 없이 플레인 모르타르보다
다소 증진되는 것으 로 나타났다. 즉, 물-결합재비가 30%인 경우, 선반 스크랩 종 류에 따른 LSRCCs의 압축강도는 A, B, C 각각의 경우
플레인 모르타르의 1.09배, 1.14배, 1.16배로 나타났으며, 물-결합재 비가 40%인 경우, A, B, C 각각의 경우 플레인 모르타르의 1.02배,
1.11배, 1.15배로 나타나, 선반스크랩의 종류가 LSRCCs의 압축강도에 다소 영향을 미치며, 스크랩 모재의 인장강도가 클수록 LSRCCs의
압축강도도 증가하는 것으로 나타났다. 또한, LSRCCs의 압축강도는 물-결합재비가 작을 수록 플레인 모르타르보다 크게 증가하는 것으로 나타났다.
Fig. 5
Compressive strength of LSRCCs(W/B=30%)
Fig. 6
Compressive strength of LSRCCs(W/B=40%)
3.3. LSRCCs의 휨강도
Figs. 7~8은 LSRCCs의 재령 7일 및 28일 휨강도를 나타낸 것으로, LSRCCs의 재령 28일 휨강도는 선반 스크랩의 종류 에 관계 없이 플레인 모르타르보다
크게 증진되는 것으로 나 타났다. 즉, 물-결합재비가 30%인 경우, 선반 스크랩의 종류 에 따른 LSRCCs의 휨강도는 A, B, C 각각의 경우
플레인 모 르타르의 1.49배, 2.05배, 2.28배로 나타났으며, 물-결합재비 가 40%인 경우, A, B, C 각각의 경우 플레인 모르타르의
1.84 배, 2.31배, 2.55배로 나타나, 선반 스크랩의 종류가 LSRCCs 의 휨강도에 크게 영향을 미치며, 스크랩 모재의 인장강도가 클수록
LSRCCs의 휨강도도 크게 증가하는 것으로 나타났다. 한편, LSRCCs의 휨강도는 압축강도의 경우와는 다르게 물- 결합재비가 클수록 플레인 모르타르보다
크게 증가하는 것으 로 나타났다.
Fig. 7
Flexural strength of LSRCCs(W/B=30%)
Fig. 8
Flexural strength of LSRCCs(W/B=40%)
4. 결 론
섬유보강 시멘트 복합체 제작시 각 강섬유 대체재료로서 선반 스크랩의 활용 방안을 제시하기 위하여 선반 스크랩 종 류에 따라 LSRCCs를 제작하여
이들의 작업성, 압축강도 및 휨강도를 평가한 결과로부터 다음과 같은 결론을 얻었다.
-
1) LSRCCs의 작업성은 플레인 모르타르보다 다소 저하되 나, 목표 플로값을 만족시키는 것으로 나타나, 작업성은 대체적으로 양호한 것으로 나타났으며,
물-결합재비가 클 수록 작업성은 개선되는 것으로 나타났다.
-
2) LSRCCs의 재령 28일 압축강도는 선반 스크랩의 종류에 관계 없이 플레인 모르타르보다 다소 증진되는 것으로 나 타났으며, 물-결합재비가 30%인
경우, 선반 스크랩 종류 에 따른 LSRCCs의 압축강도는 A, B, C 각각의 경우 플레 인 모르타르의 1.09배, 1.14배, 1.16배, 물-결합재비가
40% 인 경우, A, B, C 각각의 경우 플레인 모르타르의 1.02배, 1.11배, 1.15배로 나타나, 선반 스크랩의 종류가 LSRCCs 의
압축강도에 다소 영향을 미치며, 스크랩 모재의 인장강 도가 클수록 LSRCCs의 압축강도도 증가하는 것으로 나 타났다.
-
3) LSRCCs의 재령 28일 휨강도는 선반 스크랩의 종류에 관 계 없이 플레인 모르타르보다 크게 증진되는 것으로 나타 났으며, 물-결합재비가 30%인
경우, 선반 스크랩 종류에 따른 LSRCCs의 휨강도는 A, B, C 각각의 경우 플레인 모 르타르의 1.49배, 2.05배, 2.28배, 물-결합재비가
40%인 경 우, A, B, C 각각의 경우 플레인 모르타르의 1.84배, 2.31 배, 2.55배로 나타나, 선반 스크랩의 종류가 LSRCCs의
휨 강도에 크게 영향을 미치며, 스크랩 모재의 인장강도가 클 수록 LSRCCs의 휨강도도 크게 증가하는 것으로 나타났다.
-
4) 지금까지의 연구 결과, LSRCCs의 휨강도는 플레인 모르 타르보다 1.49배∼2.55배까지 크게 증가하나, 섬유보강 시멘트 복합체는 휨강도보다 휨인성
및 연성 개선 목적으 로 활용되므로 추후 이에 관한 연구를 지속적으로 수행할 계획이다.
감사의 글
이 연구는 국토교통부 건설기술연구사업 방호·방폭 연구 단(과제번호 : 13건설연구S02)의 연구지원에 의해 수행되었 습니다.
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