2.1.1. PCM(Phase Changing Material : 이하 PCM)

본 연구에서는 파라핀 왁스를 수용액에서 에멀전화 한 후 벽재물질인 멜라민 수지를 투입하여 왁스의 계면에서 계면중 합이 일어나도록 하여 마이크로캡슐 반응을 행하였다. 계면 중합은 Fig. 1에 나타낸 모식도와 같이 심물질인 파라핀 왁스 와 용매인 몰 간의 계면에서 고분자반응이 일어나서 벽재가 형성되는 원리이다.

Fig. 1

Principle of the interfacial polymerization in micro-capsulation

제조 반응장치는 Fig. 2 와 같다. 반응은 제조장치인 자켓형 특수 반응장치 내부에 정량의 물과 파라핀 왁스를 온도를 70°C로 유지한 후 SDS를 정량 투입한 후 호모믹서에 의하여 격렬한 교반을 통하여 파라핀 에멀전을 생성하였다.

Fig. 2

Schematic diagram of the reaction apparatus for micro-capsulation.

벽재 형성을 위한 계면중합은 2.3에서 보인 미리 제조된 전 중합 용액과 아세트산을 정량 투입하여 100분간 350 rpm의 속도로 교반한 후에 실온으로 냉각 후 건조하여 최종 제품을 얻었다.

2.1.2. 기포제

이 연구에 사용한 기포제는 독립 기포형 기포제로서 그 화 학조성 및 물리적 성질은 Table 1과 같다.

2.1.3. 시멘트 및 결합재

기포콘크리트의 페이스트 부분의 영향을 평가하기 위한 실 험변수로서, 시멘트는 보통포틀랜드 시멘트를 사용하였으며, 응결촉진을 위해 칼슘알루미네이트계(ACC(blended mixture of calcium aluminate)) 급결제를 사용하였다.Table 2Table 3Table 4

2.1.4. 배합

기포콘크리트의 배합은 총 3개의 Part로 진행을 하였다. 1 차 배합에서는 단위 시멘트량 및 물․결합재 비를 고정시켜 실 시를 하였으며, 기포량은 단위용적에 대하여 시멘트 페이스 트의 용적을 제외한 용적만큼 투입되도록 조정하였다. Fly-ash 혼입에 따른 강도성상을 파악하기 위하여 Fly-ash 20%치환 배합과 0% 배합 수준을 두어 비교 검토를 진행하였다. 또한 경시변화에 따른 체적변화에 대한 대응으로 급결제를 첨가하 여 검토를 실시하였다.

2차 배합에서는 1차 배합에서 물성을 검토하여 도출되어진 1개의 배합을 기준으로 급결제의 치환율을 변화시켜 실험을 실시하였다. 급결제에 따른 변화를 확인하기 위해 단위결합 재와 기포제 용적을 고정하였으며, 기포제에 혼입되는 기포 제 혼입량을 변화시켜 배합을 실시하였다.Table 5Table 6

2.1.5. 실험방법

이 연구는 경량기포콘크리트 패널개발을 위한 기초적인 연 구로서 KS F 4736 압출성형 경량콘크리트 패널 기준에 부합 하기 위해 각 배합에 따른 기포콘크리트의 기본적인 물성을 확인하였다. 각 실험 방법은 KS기준 및 ASTM기준에 의거하 여 실험을 실시하였다. 배합 방법을 Fig. 3에 나타내었다.

Fig. 3

Development of blended foaming concrete

물리적 특성

1)

겉보기 비중 실험(KS F 2459)

플로우 테스트(ASTM C 1437 for Flow Table, KS F 4039 for Free Flow Test)Fig. 4Fig. 5

Fig. 4

Compressive test

Fig. 5

Beam sample in flexural test

3.1.1. 압축강도 결과

이 실험은 혼합기포 방식(Mixed-foaming type)에서 내부 젤라틴 성분의 양을 변경시켜 플라이애시의 미연탄소분이 유 기계 기포의 흡착을 방지하도록 조정하였으며, 변경되어진 기포의 희석비 조정을 통해 기포제의 희석비를 3.0%에서 5% 까지의 범위내로 조정하여 실험을 진행하였다.

재령 7일에서의 압축강도와 28일에서의 압축강도 및 휨강 도를 측정한 결과를 Fig. 6에 나타낸다.

Fig. 6

Compressive strength test result(part 1)

압축강도 실험결과 기포제 희석비가 증가할수록 7일에서 의 압축강도가 증가되는 경향을 나타냈으며, 28일 압축강도 는 희석비 5%가 가장 높은 것으로 확인되었다. 3∼4%까지의 희석비를 적용한 결과에서는 재령 28일 강도에서는 큰 차이 를 나타내지 않았다.

또한 급결제를 혼입한 경우, 같은 5%의 희석비율에서 Fly-ash가 치환되지 않은 시험체가 급결제의 영향을 크게 받 아 강도가 크게 증가되는 경향을 나타냈다. 같은 5% 희석 비 율에서도 Fly-ash가 치환되지 않은 경우에서 강도가 더욱 높 게 발현 되는 것이 확인 되었다. 하지만 28일 재령에서 Fly-ash 가 치환되지 않은 시험체와 급결제가 추가되어진 Fly-ash 20% 치환 배합에서의 압축강도 차이는 1 MPa 이하로 큰 차이 를 나타내지 않았다.

이 결과는 Fly-ash 상의 미연탄소분이 기포콘크리트 내부 의 기포를 흡착하여 사이즈가 큰 공극을 만들어 강도가 저하 되는 것으로 판단되며, 기포제의 경우 미연탄소분에 대한 저 항성이 향상되도록 조정하였지만, 미연탄소분이 없는 일반보 통포틀랜드 시멘트를 사용했을 경우와 비교하는 경우, 강도 차이가 생기는 것으로 판단된다. 하지만 급결제를 소량 사용 하는 경우 압축강도의 차이를 감소시키는 것이 가능한 것으 로 사료된다.

3.1.2. 휨강도 결과

Fig. 7에 나타낸 것과 같이 휨강도의 경우, 모든 시험체에서 재령 7일에 KS F 4736 압출성형 경량기포콘크리트 기준에서 제시하는 1.5 MPa를 모두 상회하는 결과를 나타내었으며, 재 령 28일에서는 모든 시험체가 2 MPa를 상회하는 결과를 나타 내었다. 휨강도의 경우에서도 압축강도와 유사하게 Fly-ash 가 치환되지 않은 시험체에서 휨강도가 다소 증가하는 결과 를 나타냈으며 이 또한 Fly-ash의 미연탄소가 영향을 미친 것 으로 판단된다.

Fig. 7

Flexural strength test result(part 1)

3.2.1. 압축강도 결과

Part 1에서의 실험결과에서 급결제를 치환하는 경우 일반 보통포틀랜드 시멘트를 사용한 배합과 가장 유사한 강도결과 를 나타내었다. 이를 2단계 배합에 적용하여 급결제의 치환율 을 증가 시켜 배합을 설계했으며, 그 양을 점차 증가 시켜 실험 을 실시하였다. 또한 PCM을 10∼30% 범위에서 시멘트 질량 에 따른 비율로 조정하여 실험을 실시하였다.

압축강도의 경우 기포제의 희석비는 5%로 고정하였으며, 급결제를 0.1%와 0.3%로 구분하여 배합을 실시하였다. 또한 각 배합에 PCM을 0%, 10%, 20%, 30%로 추가하여 배합을 실 시하였으며 그 결과를 Fig. 8에 나타낸다.

Fig. 8

Compressive strength test result(part 2)

PCM을 추가하지 않고 급결제만을 사용한 경우 0.1% 사용 에서 0.3%보다 높은 강도성상을 나타내어 0.1%의 사용량이 가장 적절한 것으로 판단된다.

PCM을 추가하는 경우 급결제 0.1% 시험체에서는 PCM 0%와 10%의 차이는 큰 차이가 없는 것으로 확인되었다. 하지 만 PCM이 20% 이상으로 추가되는 경우 강도가 감소되는 것 으로 확인 되었다. 또한 급결제 0.3%에서는 PCM이 추가될 수 록 강도가 감소하는 결과를 나타내었다. 이는 PCM이 기포콘 크리트에 잔골재와 같이 적용이 되어 천이대영역이 형성이 되고 하중을 받는 경우 PCM 계면에서 균열이 시작되어 파괴 가 되므로 인해 강도가 감소되는 것으로 판단된다. 또한 PCM 이 배합 시 분산성이 감소되어 뭉침 현상이 발생되어 치환율 이 증가됨에 따라 강도 감소 폭이 커지는 것으로 판단된다.

하지만 재령 28일 이후의 장기 강도의 경우, Fly-Ash의 수 화반응으로 인해 강도가 증가되면서 급결제 0.1%혼입된 PCM 10% 배합은 PCM 0%의 강도를 다소 상회하는 결과를 나타냈으며, KS F 4736에서 기준하는 10 MPa를 상회하는 결 과를 나타내어 최적 배합으로 사용이 가능한 것으로 판단된다.

3.2.2. 휨강도 결과

Fig. 9에 나타낸 것과 같이 휨강도의 경우, Part 1의 결과와 같이 대부분의 시험체에서 재령 7일에 KS F 4736 압출성형 경량기포콘크리트 기준에서 제시하는 1.5 MPa를 모두 상회 하는 결과를 나타내었으나 PCM 치환율이 30%의 경우 강도 에 미치지 못하는 결과를 나타내었다. 하지만, 재령 28일에서 는 모든 시험체가 기준인 1.5 MPa를 상회하는 결과를 나타내 었다.

Fig. 9

Flexural strength test result(part 2)

압축강도의 결과와 유사하게 급결제 0.1%의 배합에서는 PCM 0%와 10% 추가에 따른 강도 차이는 크지 않은 것으로 나타났으며, 오히려 PCM이 치환된 경우 강도가 다소 증가된 결과를 나타내었다. 또한 Part 1의 시험결과와 큰 차이를 나타 내지 않았다. 급결제 0.3%의 배합에서는 압축강도와 유사한 강도발현 성향을 나타내었다. 이는 PCM이 치환되는 경우 천 이대 영역이 생겨 압축에 대한 강도가 감소되나 PCM의 심재 를 멜라민으로 코팅하면서 생긴 표면은 마찰계수의 증가에 따라 적정 범위 내에서의 휨강도에는 강도 감소에 미치는 영 향이 다소 감소되는 것으로 판단된다.