순환 굵은골재를 사용한 무세골재 폴리머 콘크리트의 성능 발현 특성 = Performance Characteristics of No-Fines Polymer Concrete Using Recycled Coarse Aggregate

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

The purpose of this study was to experimentally investigate the performance characteristics of no-fines polymer concrete using recycled aggregates to promote the sustainability of precast products for infrastructure. The novelty of this study is using combined technologies encompassing previous recycled aggregate concrete, porous concrete, and polymer concrete.

The materials used were polymeric binders (unsaturated polyester resins), initiator, cross-linking agents, filler, and mixed aggregates, in which recycled coarse aggregates and crushed coarse aggregates were mixed. Experimental studies were conducted for different contents of polymeric binders because it dramatically affects both the cost-effectiveness and material properties.

The main contents of the experiment were nine items: density, absorption, void content, permeable voids, coefficient of permeability, compressive strength, flexural strength, flexural strength after exposure to freeze and thaw cycles, and acid resistance (mass loss by acid attack), all of which showed superior results compared to those of the existing concrete without fine aggregates. Among them, density, void content, permeable voids, coefficient of permeability, compressive strength, and flexural strength were found to be greatly affected by the change in the content of polymeric binder. According to the results of the study, if the content of the polymeric binder is 5.0 to 6.0 wt.%, it was beneficial in cost effectiveness. In addition, although there was no significant difference in the absorption, acid resistance, and flexural strength after exposure to freezing and thawing with respect to the binder content, it was confirmed that it was superior to those of concrete without fine aggregates. The correlations between the density and void content, and permeable voids and coefficient of permeability were found to be linear, while the correlations between the density and compressive strength, and void content and compressive strength were exponential.

Compared to previous porous and no-fines concrete using cement or polymer as a binder, the improved strength performance was due to the improvement of adhesion by the addition of cross-linking agents and their excellent surface hydrophobicity.

No-fines polymer concrete using recycled coarse aggregates can be useful for eco-friendly precast products such as wall structure and embankments for inclined protection, reinforced earth retaining wall, blocks for river levee, eco-friendly fences and tidal landscape structure, building exterior wall finishes, and sound-absorption panels.

국문 초록 (Abstract)

본 연구에서는 순환 굵은골재를 사용한 무세골재 폴리머 콘크리트에 대한 성능 발현 특성을 실험적으로 구명함으로써 사회기반시설용 프리캐스트 제품의 개발에 기여하는 한편, 궁극적으로는 순환골재의 효율적 이용을 통한 부가가치의 증대와 재활용의 촉진을 도모하는데 그 목적이 있다. 그리고 본 연구는 기존의 순환골재 콘크리트, 다공질 콘크리트 및 폴리머 콘크리트 등에 대한 기술이 융합되었다는 점이 특징적이라고 할 수 있다.
사용된 재료는 폴리머 결합재(불포화 폴리에스터 수지), 촉매제, 가교제, 충전재, 그리고 순환 굵은골재와 부순 굵은골재를 섞은 혼합 골재 등이며, 재료비와 성능 발현 측면에서 영향이 가장 큰 폴리머 결합재의 함량을 연구변수로 하였다.
실험의 주요 내용은 밀도, 흡수율, 공극률, 연속공극률, 투수계수, 압축강도, 휨강도, 동결융해 후 휨강도, 내산성 등 9개 항목이며, 이러한 성능들은 기존의 무세골재 콘크리트에 비하여 모두 우수한 결과를 보였다. 이 가운데에서도 특히 밀도, 공극률, 연속공극률, 투수계수, 압축강도, 휨강도는 폴리머 결합재 함량의 변화에 영향을 크게 받는 것으로 나타났다. 연구의 결과를 보면 폴리머 결합재의 함량이 5.0~6.0 wt.%일 경우 경제적 측면에서 유리할 것으로 판단된다. 그리고 흡수율과 동결융해 후 휨강도, 내산성은 결합재 함량에 큰 차이를 보이지 않았지만 기존의 무세골재 시멘트 콘크리트에 비하여 매우 우수함을 확인할 수 있었다. 주요 성능 사이의 상관성을 분석하여 본 결과 밀도와 공극률, 연속공극률과 투수계수는 직선적인 관계, 밀도와 압축강도, 공극률과 압축강도는 지수적인 관계로서 모두가 높은 상관성을 보였다.
시멘트나 폴리머를 결합재로 사용한 기존의 다공성 콘크리트나 무세골재 콘크리트에 비해 강도 관련 성능이 뛰어난 것은 가교제(cross-linking agent)의 첨가에 의한 부착력 향상 때문이고, 흡수성 관련 성능이 우수한 것은 폴리머 자체가 가진 표면 소수성(surface hydrophobicity) 때문인 것이다.
이상에서와 같은 성능 발현 특성을 보면 순환 굵은골재를 사용한 무세골재 폴리머 콘크리트는 ① 경사면 보강용 벽체 및 축대, ② 보강토 옹벽 블록, ③ 하천 호안 블록, ④ 친환경 담장 및 조경제품, ⑤ 건물외벽 마감재, ⑥ 흡음성 패널 등과 같은 사회기반시설용 친환경 프리캐스트 제품용으로서 유용하게 이용될 수 있을 것이다.

목차 (Table of Contents)

• 제1장 서 론 1
• 1.1 연구의 필요성 1
• 1.2 연구의 목적 7
• 1.3 연구의 내용 및 범위 9
• 제2장 이론적 배경 13
• 2.1 개 요 13
• 2.2 순환골재 콘크리트 15
• 2.2.1 순환골재의 개요 15
• 2.2.2 순환골재 콘크리트의 특징 15
• 2.2.3 순환골재 콘크리트의 성질 17
• 2.3 무세골재 콘크리트 19
• 2.3.1 무세골재 콘크리트의 개요 19
• 2.3.2 무세골재 콘크리트의 특징 20
• 2.3.3 무세골재 콘크리트의 성질 20
• 2.3.4 무세골재 콘크리트의 용도 23
• 2.4 폴리머 콘크리트 25
• 2.4.1 폴리머 콘크리트의 개요 25
• 2.4.2 폴리머 콘크리트의 특징 25
• 2.4.3 폴리머 콘크리트의 성질 27
• 2.4.4 폴리머 콘크리트의 용도 28
• 2.4.5 무세골재 폴리머 콘크리트 29
• 2.5 연구변수 및 연구내용의 설정 33
• 제3장 재료 및 방법 35
• 3.1 개 요 35
• 3.2 사용재료 37
• 3.2.1 폴리머 결합재 37
• 3.2.2 충전재 39
• 3.2.3 순환 굵은골재 40
• 3.2.4 부순 굵은골재 41
• 3.2.5 혼합 굵은골재 43
• 3.3 배합비 및 시험체 제작 46
• 3.3.1 배합비 46
• 3.3.2 재료의 배합 48
• 3.3.3 다짐 및 양생 50
• 3.4 시험방법 53
• 3.4.1 밀도 53
• 3.4.2 흡수율 53
• 3.4.3 공극률 54
• 3.4.4 연속공극률 54
• 3.4.5 투수계수 55
• 3.4.6 압축강도 56
• 3.4.7 휨강도 56
• 3.4.8 동결융해 후 휨강도 57
• 3.4.9 내산성 58
• 제4장 결과 및 고찰 59
• 4.1 개 요 59
• 4.2 폴리머 함량에 따른 성능 발현 61
• 4.2.1 밀도 61
• 4.2.2 흡수율 64
• 4.2.3 공극률 67
• 4.2.4 연속공극률 72
• 4.2.5 투수계수 74
• 4.2.6 압축강도 77
• 4.2.7 휨강도 83
• 4.2.8 동결융해 후 휨강도 86
• 4.2.9 내산성 88
• 4.3 주요 성질 사이의 상관성 91
• 4.3.1 밀도와 공극률의 관계 91
• 4.3.2 밀도와 압축강도의 관계 92
• 4.3.3 연속공극률과 투수계수의 관계 93
• 4.3.4 공극률과 압축강도의 관계 95
• 4.3.5 압축강도와 휨강도의 관계 97
• 제5장 종합논의 및 연구방향 99
• 제6장 결 론 104
• 참고문헌 108
• 영문초록(Abstract) 119

참고문헌 (Reference)

1. 투수성 폴리머 콘크 리트의 공극률, 투수계수 및 동결융해 후 압축강도, 안재훈, 이태형, 이윤제, Marcaida A. K., 차명환, 한국방재학회논문집, 19(3), pp.203~208, , 2019

2. 순환 굵은골재를 사용한 레디믹스트 콘크리트의 역학적 특성. 대한건축학회논문집 (구조계), 윤현도, 유영찬, 지상규, 김긍환, 전에스터, 최기선, 제25권 제8호(통권 250호), pp.103~110, , 2009