재생 PET 섬유 저혼입에 따른 콘크리트의 역학적 특성에 관한 연구

Abstract

Polyethylene terephthalate (PET) can be utilized for reinforcing construction materials by strengthening the weakness of concrete in tension and low ductility. In this study, with the addition of 0.5 vol% recycled PET (rPET) fibers, material characterization were conducted. However, the smooth surface of PET weakened the bond strength with mortar matrix results in decreased at ITZ compared to the surrounding matrix. In order to improve the ITZ bond strength and frictional behavior between PET and mortar matrix, nano-particle (nano-SiO2) and surface treatment(NaOH, silane coating) were utilized. The nano-particle can fill the voids at ITZ between rPET and mortar matrix. The effect of seawater was also considered. The seawater mixed mortars were similar to those of freshwater mixed mortar. Additionally, formation of Friedel's salt was observed. It was also observed that rPET reinforced seawater mixed mortar did not reduce the mechanical properties compared to ordinary mortar while ensuring the cost efficiency. XRD and cemGEMS analysis were performed to find hydrated component from the matrix mixed with seawater. The degree of bonding condition at ITZ between rPET fiber and mortar matrix was also confirmed through SEM. The test results from the rPET fiber reinforced mortar confirmed that the mechanical properties (tensile strength, adhesion strength and fracture energy) were greatly improved. When 0.5 vol% of rPET fiber was mixed, the fracture energy increased by up to 802% compared to plain mortar. After confirmation of the improvement on the mechanical properties of rPET fiber reinforced mortar, the fracture energy of rPET fiber-reinforced concrete was also evaluated through the low speed CMOD control test(0.012 mm/min). The CMOD control test evaluated the fracture energy of concrete mixed with 0.2 vol% of rPET fiber and the fracture energy was improved by up to 156%. Accordingly, impact analysis model of wave dissipating concrete block was developed using the experimentally obtained fracture energies and the fragility curves of the wave dissipating concrete block has been presented. Under the same collision conditions, the probability of failure of wave dissipating concrete block was found to be reduced by 71% when 0.2 vol% of rPET fiber was mixed. It is expected that the rPET fibers can be used to reduced environmental problems and improve impact resistance of various concrete structures in the future.|본 연구에서는 rPET 섬유 보강 모르타르 및 콘크리트의 역학적 성능 개선 여부를 검토하고 이를 해양구조물인 소파블록에 적용하여 내충격성을 평가하고자 하였다. 일반적으로 PET의 매끄러운 표면과 소수성은 모르타르 매트릭스와 형성되는 Interfacial Transfer Zone(ITZ)에서의 치밀한 수화생성물 형성을 방해하여 섬유와 모르타르의 부착강도를 약화하는 것으로 알려져 있다. 이에 본 연구에서는 ITZ 결합 강도 개선을 위한 연구도 함께 수행하였다. 먼저 나노파티클(nano-SiO2)을 활용하였고, rPET의 친수성 개선을 통한 부착성능 개선을 도모하였다. 또한, 해수에 대한 영향도 함께 고려하였다. 수행된 rPET 보강 모르타르 시험 결과 정수로 배합된 경우는 물론이고 해수로 배합된 rPET 보강 모르타르의 역학적 성능(인장강도, 부착강도 및 파괴에너지)도 크게 개선됨을 확인하였다. rPET 섬유가 0.5 vol% 혼입된 경우 파괴에너지는 일반 모르타르(Plain mortar)에 비해 최대 802% 증가하여 건설재료의 내충격성 개선에 크게 효과가 있을 것으로 판단된다. 해수로 배합된 모르타르의 수화 생성물 확인을 위해 XRD 및 cemGEMS 정량분석을 수행하였다. 정량분석 수행결과 해수 모르타르의 전반적인 수화 생성물이 정수로 배합된 경우와 유사함을 확인하였으며, 추가적으로는 프리델염(Friedel’s salt)의 생성을 확인되었다. 나노파티클을 혼입한 경우 rPET와 모르타르 매트릭스 사이 ITZ에서 보다 치밀한 수화물이 생성됨을 SEM을 통해 확인하였고 이러한 성능개선 효과는 인장강도 시험, 부착강도 시험 및 파괴에너지 시험을 통해 최종 확인되었다. 모르타르에서 rPET 섬유의 역학적 성능개선 효과를 확인한 후 실제 콘크리트 구조물의 내충격성 개선 정도를 평가하기 위해 rPET 섬유 보강 콘크리트의 파괴에너지를 초저속 CMOD 시험을 통해 평가하여 0.2 vol%의 rPET 섬유 저혼입에 따라 최대 156%의 파괴에너지가 개선됨을 보였다. 전술한 파괴에너지 시험 값을 적용한 SPH 콘크리트 충돌 해석모델을 개발하여 소파블록의 내충격성능을 검토하고 Bayesian 통계법을 활용하여 충돌 취약도 곡선을 제시하였다. 동일한 충돌조건에서 0.2 vol%의 섬유 저혼입에도 파괴확률이 최대 71% 저감됨을 확인하였다. 향후 환경문제 검감과 동시에 다양한 해양구조물의 내충격성 개선에 rPET 섬유가 유용하게 활용될 수 있을 것으로 판단된다.