김정진
(Jeong-Jin Kim)
1
김종
(Jong Kim)
2*
-
정회원, 롯데건설 기술연구원 수석연구원, 공학박사
-
정회원, 청주대학교 휴먼환경디자인학부 건축공학전공 조교수, 교신저자
Copyright © The Korea Institute for Structural Maintenance and Inspection
키워드
폴리머 콘크리트, 에폭시, 주파수 응답함수, 감쇠비
Key words
Polymer concrete, Epoxy, Frequency response function, Damping ratio
1. 서 론
최근 건설현장에서 폭 넓게 사용되고 있는 콘크리트는 강도 발현 성능이 우수하고, 장기 내구성능 또한 우수하여, 철강 재료와 함께 구조재료로서의 중요성과
사용량이 크게 증가하고 있는 추세이다. 그러나 최근 건축물의 사용성 측면에서 사회 문제화 되고 있는 층간소음 및 구조물 진동과 관련해서는 콘크리트의
진동 감쇠성능이 작아, 일반 콘크리트와 방진소재만으로는 문제를 해결하는데 어려움이 있는 실정이다.
한편, 에폭시 계열의 합성수지와 골재를 혼합함으로써 진동저감 성능을 크게 증가시킨 폴리머 혼입 고감쇠 콘크리트에 대한 연구가 활발히 진행되고 있는데,
이러한 폴리머 혼입 고감쇠 콘크리트는 배합 시, 시멘트와 물을 사용하지 않으므로, 일반 콘크리트에 비해 경화시간이 매우 짧고, 물리적 특성 및 동특성
등이 매우 우수하여, 층간소음 및 진동 저감이 요구되는 건축구조물에의 폭넓은 활용이 기대되고 있다(Wang et al.,2003; Cortes et
al., 2007, Jang et al., 1992)(1-3).
레진 바인더와 골재만의 결합으로 이루어져, 진동 감쇠 성능이 우수한 폴리머 혼입 고 감쇠 콘크리트의 활용성을 넓히기 위한 방안으로, 보강재 분야에
대한 연구가 다양하게 진행되어 왔으나, 폴리머 콘크리트가 일반 콘크리트 및 기존 방진보강재를 완전히 대체하기 위해서는 물리적 특성, 동적 물성,
생산성 및 현장 적용성 등을 고려하여 진동저감 성능에 대한 전반적인 검토가 필요한 실정이다(Rajoria et al., (2005)(5).
그러므로, 본 연구에서는 에폭시 혼입비율에 따른 고 감쇠 폴리머 콘크리트의 물리적 특성으로, 탄성계수, 압축, 인장, 휨강도를 검토하였으며, 동적
특성으로는 주파수 응답함수(Inertance)와 감쇠비(Damping raito)에 대한 검토를 진행하여, 폴리머 콘크리트와 일반 콘크리트의 물리적,
동적 특성을 비교하였다. 또한, 폴리머 콘크리트의 물리적 특성에 근거하여 폴리머 콘크리트의 일반적인 사용성에 대해 검토함과 동시에, 에폭시 혼입 비율에
따른 진동 감쇠비를 유한요소 해석 모델과 Modal 실험을 통해 도출하여, 폴리머 콘크리트의 진동저감 성능을 유한요소 해석 시뮬레이션 모델을 통해
검증하고자 한다.
2. 실험계획 및 방법
2.1 실험계획
본 연구의 실험계획은 Table 1에 나타내었다. 실험에 사용된 에폭시는 주제와 경화제를 5:1의 질량 비율로 혼합하여 에폭시 레진을 제작하였으며, 폴리머 콘크리트는 총 중량 중 에폭시
레진이 차지하는 중량 비율을 혼합비로 하였다. 골재는 일반 골재와 결정의 크기가 다른 4호사(0.85~1.2 mm)와 6호사(0.25~0.6 mm)를
1:2 질량 비율로 혼합한 혼합 골재를 사용하였으며, 폴리머 콘크리트의 혼합비를 15%에서 30%까지 증가시키며 여러 종류의 폴리머 콘크리트를 제작하였다.
Table 1 Mixing design of plain and polymer concrete
|
Type
|
Mixing ratio
|
Cement
|
Epoxy
|
Aggregate Type
|
Water
|
|
Sand
|
Silica sand #4
|
Silica sand #6
|
|
Plain
|
1:3
|
200
|
-
|
600
|
-
|
-
|
130
|
|
P-15
|
1.5:8.5
|
-
|
75
|
-
|
150
|
300
|
-
|
|
P-20
|
2:8
|
-
|
100
|
-
|
150
|
300
|
-
|
|
P-25
|
2.5:7.5
|
-
|
125
|
-
|
150
|
300
|
-
|
|
P-30
|
3:7
|
-
|
150
|
-
|
150
|
300
|
-
|
2.2 사용재료
시멘트는 KS L 5201 규정을 만족하는 A사 제품의 1종 보통포틀랜드 시멘트를 사용하였으며, 물리적 특성은 Table 2와 같다. 에폭시는 KS L 5405 규정을 만족하는 국내 B사 제품의 에폭시(이하, EP)를 사용하였으며, 화학적 특성은 Table 3과 같다. 골재는 일반 골재의 경우 인천산 세척사를 사용하였고, 혼합골재는 KS F 2567을 만족하는 규사를 사용하였으며, 골재의 물리적 특성은
Table 4와 같다.
Table 2 Physical properties of cement
|
Density
(g/cm3)
|
Blaine
fineness
(cm2/g)
|
Stability
(%)
|
Setting time(min)
|
Compressive
strength(MPa)
|
|
Initial
|
Final
|
3d
|
7d
|
28d
|
|
3.15
|
3,318
|
0.16
|
210
|
300
|
22.0
|
28.8
|
38.7
|
Table 3 Physical properties of epoxy
|
Density
(g/cm3)
|
Adhesive strength
[N/mm2]
|
Tensile strength
[N/mm2]
|
Compressive strength
[N/mm2]
|
Bending strength
[N/mm2]
|
|
1.03
|
3.7
|
2.3
|
4.1
|
2.5
|
Table 4 Physical properties of aggregate
|
Aggregate type
|
Density
(g/cm3)
|
Size
(mm)
|
Absorption
(%)
|
F.M
|
|
River sand
|
2.60
|
5
|
0.8
|
3.09
|
|
Silica sand #4
|
2.64
|
0.85~1.2
|
0.4
|
3.48
|
|
Silica sand #6
|
2.60
|
0.25~0.6
|
0.5
|
1.71
|
2.3 실험방법
폴리머 콘크리트와 일반 콘크리트의 물리적 특성 중 탄성계수는 KS F 4043의 규정에 의거하여 측정하였으며, 압축강도는 KS L 5105, 인장강도는
KS L 5104, 휨강도는 KS F 2408의 규정에 의거하여 측정하였다.
폴리머 콘크리트와 일반 콘크리트의 주파수 응답함수 및 감쇠비는 Photo 2의 d) 형태의 시험체를 제작하여, 각 위치에 센서를 부착하여 측정하였다.
Photo 2 Experiment method
3. 물리적 특성 실험결과
3.1 탄성계수
Fig.1은 폴리머 혼입율별 탄성계수를 나타낸 것으로, 탄성계수는 Plain 콘크리트가 22.3GPa로 나타났으며, 폴리머 혼입률 15%부터 25%까지는 점증적으로
증가하였으나, 30%에서는 다소 감소하는 경향으로 나타났다. 폴리머 콘크리트는 강도에 비해 탄성계수가 낮아 압축부재보다는 휨 및 인장부재에 적용하는
것이 유리할 것으로 사료된다.
Fig. 1 Modulus of elasticity by polymer content
3.2 압축강도
Fig.2는 폴리머 혼입율별 압축강도를 나타낸 것으로, 압축강도는 Plain 콘크리트가 44.5MPa로 가장 작은 값을 나타냈으며, 폴리머를 15~30% 혼입한
경우는 47.4~95.3MPa로 폴리머 혼입율이 증가할수록 압축강도가 크게 증가하는 것으로 나타났다. 이는 폴리머 혼입율이 증가할수록 골재간의 접착력이
개선되고 치밀한 내부조직이 형성된 것에 기인한 것으로 사료된다.
Fig. 2 Compressive strength by polymer content
3.3 인장강도
Fig.3은 폴리머 혼입율별 인장강도를 나타낸 것으로, Plain에 비해 폴리머 혼입율이 증가할수록, 인장강도가 4~11.5배 정도 큰 폭으로 증가하는 것으로
나타났다. 특히, Plain에 비해 압축강도는 폴리머 혼입율에 따라, 1.1~2배정도 증가하였지만, 인장강도는 4~11.5배로 증가하여, 폴리머 혼입이
콘크리트의 인장강도에 미치는 영향이 더 큰 것으로 확인되었다.
Fig. 3 Tensile strength by polymer content
3.4 휨강도
Fig.4는 폴리머 혼입율별 휨강도를 나타낸 것으로, Plain의 3.8MPa에 비해 폴리머 혼입율이 증가할수록 휨강도가 12.6~ 35.3MPa로 Plain
대비 3.3~9.3배정도 증가하는 것으로 나타났다.
한편, 압축강도가 117.7MPa인 초고강도 콘크리트의 경우, 휨강도가 9.2~11.5MPa인 것(Jang et al., 1992)(3)과 비교해 보면 매우 높은 값임을 알 수 있는데, 이러한 폴리머 콘리트의 우수한 휨강도 성능이 동적 특성에 영향을 미쳐, 폴리머 콘크리트의 동적 특성을
향상 시킬 수 있을 것으로 사료된다.
Fig. 4 Flexural strength by polymer content
4. 진동 특성 실험결과
4.1 폴리머 콘크리트의 동적 특성
폴리머 콘크리트의 동적강성 및 감쇠성능을 측정하기 위해서는 진동 혹은 충격 가진을 통한 응답을 측정 하는데, Photo 3에서와 같이 양끝이 자유단인 경계조건에서 임팩트 해머로 충격 가진 한 뒤, 가속도 응답에 대한 전달함수를 측정한다.
Photo 3 Measurement of dynamic properties
Fig. 5는 Photo 3에서와 같이 충격 가진 시, 3개의 가속도계 중 가운데 지점에서의 일반 콘크리트와 폴리머 콘크리트에 대한 가속도 시간이력과 스펙트럼을 나타내는 것으로
진동이 상대적으로 긴 시간동안 지속되는 것을 보여준다.
감쇠물질의 특성상 감쇠비는 진동수영역에 따라 달라지는 경향이 있는데, 이러한 점을 고려하여 고유진동수 500Hz 대역에 있는 Plain과 폴리머 콘크리트의
감쇠비를 비교한 결과, Plain의 경우 1.34%, 폴리머 콘크리트 15%의 경우 3.92%로 감쇠비가 약 3배 증가하는 것으로 나타났다. 이러한
고 감쇠 콘크리트를 일반 콘크리트와 결합하여 구조물에 적용할 경우, 큰 진동저감 효과를 기대할 수 있을 것으로 사료된다.
Fig. 5 Modal properties of Plain and Polymer concrete
4.2 평균 동적 물성 비교
Fig. 6은 폴리머 혼입율별 주파수 응답함수(Inertance) 및 감쇠비를 비교한 그래프이다. 전달함수 방법을 이용하여 측정한 주파수 응답함수 및 감쇠비를
분석한 결과, 주파수 응답함수는 Plain이 가장 큰 것으로 나타났으며, 폴리머를 15% 혼입한 경우가 가장 작은 값을 나타내었다.
감쇠비의 경우는 Plain이 1.34%로 가장 작은 값을 나타내
Fig. 6 Inertance and Damping ratio by polymer content
었으며, 폴리머 15% 혼입한 경우가 2.84~3.92% 가장 큰 값을 나타내었다. 한편, 폴리머 콘크리트를 1cm(B), 2cm(C)의 판상으로
일반 콘크리트와 결합한 시험체의 경우가 폴리머 콘크리트만으로 구성된 시험체(A)보다 큰 값을 나타내었는데, 이는 일반 콘크리트와 폴리머 콘크리트가
복합체로써 구성될 경우, 감쇠성능이 향상되는 것을 나타낸다. 또한, 폴리머 콘크리트의 두께별 감쇠성능은 폴리머 혼입율 15%, 20%는 2cm보다는
1cm의 경우가 다소 큰 값을 보였으나, 25%, 30%의 경우는 반대의 경향을 보였다.
종합적으로 폴리머를 혼입함에 따라 Plain 콘크리트에 비해 주파수 응답함수는 감소하였으며, 감쇠비는 크게 증가하는 것으로 나타나, 폴리머를 혼입함으로써
고 감쇠 콘크리트의 특성을 보이는 것으로 확인되었다.
5. 진동 특성 해석결과
5.1 폴리머 콘크리트의 모드 해석
폴리머 콘크리트의 동적 특성을 측정하기 위해 Fig. 7과 같이 5x5x50cm 크기의 시험체와 1x1x50cm, 2x2x50cm의 폴리머 콘크리트에 4x4x50cm, 3x3x50cm의 일반 콘크리트를
결합한 시험체를 제작하여, 진동 혹은 충격 가진을 통한 응답과 모드를 측정하였다.
Fig. 7 Specimen by bonding type of plain and polymer concrete
실험적인 모드 해석은 해당 구조체의 주파수 응답함수(Frequency Response Function, 이하 FRF)를 측정하기 위한 것으로, 운동은
변위, 속도 및 가속도로 나타낼 수 있는데, 이에 상응하는 주파수 응답함수를 컴플라이언스(compliance), 모빌리티(mobility), 이너턴스(inertance)라
하며, 아래 식(1)~(3)과 같이 나타낼 수 있다.
폴리머 콘크리트의 수치해석을 위해, ANSYS ver.2013을 이용하여 수행하였으며, Fig. 8과 같이 각 시험체의 형상별로 유한요소모델을 수립하여, 양끝이 자유단인 경계조건에서 가진력을 입력하여 유한요소 해석을 실시하였다.
해석 결과는 측정결과와 유사한 경향을 보였는데, 폴리머 콘크리트의 주파수 응답함수는 Plain 콘크리트에 비해 20~30% 정도 감소하는 것으로 나타났으며,
감쇠비는 폴리머 콘크리트와 일반 콘크리트를 복합체로한 경우가 46~65% 정도 감소하는 것으로 나타났다.
Fig. 8 Mode analysis of plain and polymer concrete
5.2 동적 물성 해석 검토
Fig.9는 Plain과 폴리머 콘크리트의 시험체 형상별 주파수 응답함수(Inertance)의 실측정 값을 나타낸 그래프이다.
고유진동수 500Hz 대역에서의 Plain과 폴리머 콘크리트의 주파수 응답함수는 Plain의 경우 16.2로 가장 큰 값을 나타냈으며, 폴리머 콘크리트
1cm와 일반 콘크리트 4cm 결합체가 5.7로 가장 작은 값을 나타냈다. 한편, 폴리머 콘크리트만으로 구성된 시험체의 경우는 고유진동수가 407Hz로
강성이 다소
Fig. 9 Inertance by measurement of plain and polymer concrete
Fig. 10 Inertance by FEM analysis of plain and polymer concrete
감소하였으나 주파수 응답함수는 15.6으로 Plain과 유사한 값을 나타냈다.
Fig. 10은 Plain과 폴리머 콘크리트의 시험체 형상별 주파수 응답함수(Inertance)의 유한요소해석 결과를 나타낸 그래프인데, 대체적으로 Fig. 9의 실측정 값과 유사한 경향을 보이는 것으로 나타났다. 특히, 해석결과는 실측정 감쇠비를 적용한 결과로서, Plain은 주파수 응답함수가 16.6으로,
실측값 16.2와 가장 유사한 값을 보였으며, 폴리머 콘크리트 1cm와 일반 콘크리트 4cm 결합체의 주파수 응답함수 해석치가 6.4로 실측값인 5.7과
10% 정도 차이의 유사한 값을 보여, 유한요소 해석 프로그램에 의한 해석 결과의 신뢰도가 충분하다고 할 수 있다.
6. 결 론
폴리머 혼입에 따른 폴리머 콘크리트의 고 감쇠 특성에 관한 해석적 고찰을 목적으로, 물리적 특성 중 탄성계수, 압축강도, 인장강도, 휨강도를 측정하고,
동적 특성으로는 주파수 응답함수와 감쇠비를 측정하고 이에 대한 유한요소해석을 수행한 결과 이하의 결론을 얻을 수 있었다.
(1) 탄성계수는 Plain 콘크리트가 22.3GPa로 나타났고, 폴리머 혼입률 15~25%까지는 점증적으로 증가하였으나, 30%에서는 다소 감소하는
경향으로 나타났다. 폴리머 콘크리트는 강도에 비해 탄성계수가 낮아 압축부재보다는 휨 및 인장부재에 적용하는 것이 유리할 것으로 사료된다.
(2) 압축강도는 Plain 콘크리트가 44.5MPa로 가장 작은 값을 나타냈으며, 폴리머 콘크리트의 경우는 혼입율이 증가할수록 47.4MPa~95.3MPa로
압축강도가 크게 증가하는 것으로 나타났다.
(3) 인장강도는 Plain에 비해 폴리머 콘크리트가 폴리머 혼입율에 따라 4~11.5배 정도 크게 증가하는 것으로 나타났다. 특히, 압축강도에
비해 인장강도가 더 큰 폭으로 증가하여, 폴리머가 콘크리트의 인장강도에 미치는 영향이 더 큰 것으로 확인되었다. 또한, 휨강도도 인장강도와 비슷한
경향으로, 폴리머 혼입율이 증가할수록 Plain 대비 3~9.3배 정도 크게 증가하는 것으로 나타났다.
(4) 전달함수 방법을 이용하여 측정한 주파수 응답함수 및 감쇠비를 분석한 결과, 주파수 응답함수는 Plain이 가장 큰 것으로 나타났으며, 폴리머를
15% 혼입한 경우가 가장 작은 값을 나타내었다. 감쇠비의 경우는 Plain이 1.34%인 반면, 폴리머 15% 혼입한 경우가 2.84~3.92%로
폴리머를 혼입한 폴리머 콘크리트가 감쇠성능이 3배 이상 우수한 것으로 확인되었다.
(5) 유한요소 해석 결과는 실측정한 감쇠비를 적용한 결과로서, Plain 콘크리트는 주파수 응답함수가 16.6으로, 실측정치 16.2와 가장 유사한
값을 보였으며, 폴리머 콘크리트 1cm와 일반 콘크리트 4cm의 결합 시험체의 해석치가 6.4로 실측정치인 5.7과 유사한 값을 보여, 해석모델에
대한 검증이 이루어 졌음을 확인하였다.
감사의 글
이 연구는 국토교통부 사회이슈해결 연구개발사업의 연구비지원(20CTAP-C153014-02)에 의해 수행되었습니다.
References
Wong, W. G., Fang, Ping, Pan., J. K. (2003), Dynamic properties impact toughness
and abrasiveness of polymer-modified pastes by using nondestructive tests, Cement
and Concrete Research, 33(9), 1371-1374.
Cortes, F., Castillo., G. (2007), Comparison between the dynamical properties of polymer
concrete and grey cast iron for machine tool applications, Material and Design, 28(5),
1461-1466.
Jang, I.Y., Lee, H.B., Byun., K.J. (1992), Experimental study on the material characteristics
and flexural behavior of ultra high strength concrete, Journal of the Korea Concrete
Institute, 4(2), 111-118.
Wongpa, J., Kiattikomol, K., Jaturapitakkul, C., , Chindaprasirt. (2007), Compressive
strength, modulus of elasticity, and water permeability of inorganic polymer concrete,
Material and Design, 31(10), 4748-4754.
Rajoria , H., Jalili , N. (2005), Passive Vibration Damping Enhancement Using Carbon
Nanotube-epoxy Reinforced Composites, Composites Science and Technology, 65(14), 2079-2093.
Jeon, W., Lee, J. Y. (2016), Efficient Damping of Vibration Using and Acoustic Black
Hole, Proceedings of the KSNVE 2016 annual Spring Conference, 202-203.
Yoo, S. Y., Yeon, J. O., Jeon, J. Y. (2009), Analysis and Evaluation of Impact Sound
Insulation of Concrete Floor Structures in Response to Characteristics of Heavy-weight
Impact Sources, Transactions of the Korean Society for Noise and Vibration Engineering,
19(10), 1062-1068.
Lee, W. H., Ivan, R., Haan, C. H., Han, S. H. (2009), Pilot Experiments of Estimated
Proper Ratio of Latex Polymer Concrete for Reducing Floor Impact Sound, Proceedings
of the KSNVE Annual Spring Conference, 532-533.
Cho, H. N. (2000), Flexural Behavior of Damaged Reinforced Concrete Beams repaired
wity Epoxy Mortar, Master’s Thesis of Ewha University.
Kwon, S. M, Ahn, S. K, Koh, H I, Park, J H. (2018), Analysis of Dynamic characteristics
of complex polymer concrete according to structure of polymer concrete, Proceedings
of the KSNVE 2018 annual Spring Conference, 202.
Park, C. Y., Sohn., B. Y. (1997), Estimation of loss energy from the measurement returning
time of rebound for carbon black-filled natural rubber compounds, Journal of Korean
Inst. Chem. Eng, 35,154
Saliba, J., Roziere, E., Grondin, F., Loukill, A. (2011), Influence of Shrinkage-Reducing
Admixture on Plastic and Long-Term Shrinkage, Cement and Concrete Composites, 33(2),
209-217.
Kobayashi, T, Ohama, Y. (1984), Low-Temperature Curing of Polymethyl Methacrylate
Polymer Concrete, Transportation Research Record 1003, Transportation Research Board(ISSN:
0361-1981), 15-18.
Ahn, N., Park, D. K,., Lee, J, Lee, M. K. (2009), Structureal Test of Precast Polymer
Concrete, Journal of Applied Polymer Science, 114(3), 1370-1376.
Ahmad, S., Elahi, A., Barbhuiya, S. A., Farid, Y. (2012), Use of Polymer modified
mortar in controlling cracks in reinforced concrete beams, Construction and Building
Materials, 27, 91-96.
Joo, M. J., Lee, Y. S., Hong, G. S., Hong, Y. K., Choi, O. C. (1997), An Evaluation
on the Flexural Strength of Concrete Beams Repaired by Polymer resin, Korea Institute
for Structural Maintenance and Inspection, 1(10, 107-112.