| 1차년도 |
본 연구는 플루오르화에 의해 부착성능이 개선된 HPFRCC 콘크리트의 제조기술을 개발하는 것으로써 다음과 같은 최종목표를 설정하였다. １）기존 섬유보강 콘크리트의 보강섬유로 사용되어 온 탄소섬유 및 폴리프로필렌섬유의 플루오르화를 통한 표면 개질 기술 개발함으로써 시멘트 매트릭스와의 적절한 부착성을 확보하고, ２）적정 친수성으로 개질된 탄소섬유와 폴리프로필렌섬유 및 복합섬유(탄소섬유 ＋ 폴리프로필렌섬유)를 사용한 고인성을 갖는 복합 섬유보강(HPFRCC) 콘크리트의 제조기술을 개발하며， ３）개발된 HPFRCC 콘크리트의 기계적， 화학적 제 성능（Mechanical/ Chemical Properties) 및 구조성능(Structural Properties)에 대한 역학적 특성을 이론적／실험적으로 검증 분석하고 이를 규명하여，구조부재 또는 건설 ２차 제품 재료로써의 사용성을 만족시킬 수 있도록 함으로써 국가의 건설산업 발전에 기여하고자 한다.
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■ 공/ 통 / 국내외 탄소섬유보강 콘크리트 및 HPFRCC의 현황검토-국내외 탄소섬유보강 콘크리트 및 HPFRCC의 현황검토-보강섬유로 사용되는 탄소섬유의 종류 및 경제성 검토(Pitch계, PAN계 탄소섬유 등)-탄소섬유의 Aspect ratio 및 형태에 대한 콘크리트의보강효과 검토를 통한 탄소섬유 선정-HPFRCC 제조기술 개발을 위한 제 성능 목표치 결정- 2차제품의 KS성능치 조사 및 목표 성능치 결정-구조부재를 위한 성능치 분석 및 목표성능치 결정 ■ 섬유 표면개질 기법 개발o루오르화를 통한 탄소섬유의 표면처리o혼합가스(불소＋산소)의 혼합비 조절o- 혼합가스(불소＋산소)의 반응압력조절o플루오르화 탄소섬유의 표면특성o- 화학적 특성 : 표면관능기 해석, 화학적 안정성 검토 -물리적 특성 : 젖음성, 부착성, 표면거칠기, 분산성, 인장강도등o탄소섬유의 플루오르화 기술 개발- 최적의 플루오르화 조건 제안- 다른 표면처리 기술과의 경제성 분석다른 표면처리 기술과의 경제성 분석■ 플루오르화 처리된 탄소섬유를 이용한 HPFRCC 콘크리트 제조o플루오르화 탄소섬유를 사용한 HPFRCC 제조 -플루오르화 탄소섬유의 혼입률에 따른 HPFRCC 콘크리트의 제조- 미처리 탄소섬유의 혼입률에 대한 콘크리트의 제조를 통한 개발된 HPFRCC의 시공성능 평가 oHPFRCC의 시공성능 평가 - 시공성 : 유동성, 단위중량, 공기량, 배합조건 등oHPFRCC의 내구성능 평가- 제 내구성 요인에 대한 분석■ 플루오르화 처리된 탄소섬유를 이용한 HPFRCC의 성능 평가 및 개발o플루오르화 탄소섬유와 시멘트 매트릭스 사이의 부착 메카니즘에 관한 실험분석 - Pullout Test에 의한 적정 표면개질 정도 결정- 표면개질 탄소섬유와 매트릭스 사이의 부착거동 분석o제조된 HPFRCC의 목표성능에 관한 실험적 검증- 휨강도 실험- 인장강도 실험■ 플루오르화 처리된 탄소섬유를 이용한 HPFRCC의 해석적 연구oPullout 거동에 관한 FEA 자료조사o플루오르화 탄소섬유와 시멘트 매트릭스 사이의 부착메카니즘에 관한 비선형 유한요소해석(ABAQUSTM이용) o제성능에 관한 비선형 FEA해석 및 실험결과와의 검증
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| 연구성과 |
기술적 기대성과 |
본 연구개발에서 탄소섬유 및 폴리프로필렌섬유의 표면처리에 사용하고자 하는 플루오르화(Fluorination)은 불소원소에 의해 탄소섬유 및 폴리프로필렌섬유의 Bulk 특성은 변하지 않고, 표면층만 개질되기 때문에 매우 유용하고, 혼합가스의 조성변화에 따라서 친수성을 부여하기도 하고, 소수성을 부여하는 장점이 있다. 또한, 고분자 표면의 WBL(Weak Boundary Layer)를 제거하는 특성이 있기 때문에 유기용매의 삼투율을 저감시키므로, 자동차 연료탱크의 표면처리 방법으로 국내에서도 선진국에서 기술도입하여 실용화되어 있다. 이에 따라서 선진국에서는 폴리올레핀계 고분자의 표면처리, 다양한 금속재료의 표면에칭 및 반도체 산업분야에서 활용할 가치가 무궁무진하다. 특히, 2004년부터 국내에서 불소가스가 생산되는바, 상기 분야이외에 제약, 농약을 비롯한 정밀화학 산업에서도 지속적으로 도입할 것으로 사료된다. 한편, 최근 세계적으로 경제, 사회, 문화적으로 급변하는 발전 속에 상기의 콘크리트를 사용한 건축구조물에도 혁신적인 변화의 물결이 일고 있다. 즉, 보다 높고(초고층 구조물), 보다 넓고(장스팬-무기둥 구조물), 보다 깊은(심층지하구조물, 해양구조물) 구조물이 요구되고 있으며, 실제 이를 충족시킬 수 있는 구조물이 속속 등장하고 있다. 이러한 구조물들은 초기에 시공성 및 구조적 특성을 고려하여 철골조나 철골-철근콘크리트조 등으로 설계 및 시공되는 경향이 있었으나, 현재에는 고성능의 재료개발과 설계 및 시공기술의 발달로 다양한 콘크리트 구조물이 적용되고 있다. 이러한 구조물을 설계하기 위해서는 우선적으로 고려하여야할 기본 개념은 무엇보다 구조물의 안정성(Stability)을 확보하는 것이며, 이와 함께 기능성(Serviceability), 아름다움(Beauty) 및 경제성(Economy)을 고려하여야 한다. 또한, 기본설계 조건으로는 강도 및 강성(Strength and Stiffness), 사용성(Serviceability), 내구성(Durability)을 만족하는 구조물 설계와 시공이 이루어져야 할 것으로 기대된다. 상기와 같은 신개념 건축구조물의 건설에 본 연구에서 개발된 기술이 일조를 할 것으로 사료된다.
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| 사회 경제적 파급효과 |
도로포장에 사용되지 않았던 부분 및 숏크리트용 그리고 고강도 콘크리트 및 콘크리트 2차제품 부분에서 약 400억원 이상의 시장확보가 가능할 것으로 보이며, 중국 및 동남아 등지에 수출이 가능할 것으로 보인다. 또한 현재까지 사용되어오던 유리섬유 등 보다 내구성, 내화학성, 강도특성이 뛰어나 상당량의 보수비용 절감까지 가능할 것으로 사료된다. - 2001년 레미콘 협회에 등록된 고강도 콘크리트의 수요량은 약 380만m3(약 200억원)이었으며, shotcrete에서 50억원 및 도로포장 등에 사용시 그 수요량은 500억원 이상으로 늘어날 전망이다. 또한 고강도 부분의 콘크리트는 매년 15% 이상의 성장이 예상되고 있다. 특히, 국내의 경우 고강도 콘크리트에 사용되는 친수성 보강섬유를 전량 수입에 의존하고 있는 실정으로 막대한 수입대체 효과를 얻을 수 있다. 또한 다양한 환경조건 및 시공조건하에서의 콘크리트 구조물의 시공에 있어 보강재료의 사용 및 성능이 저하된 구조물에 대한 효과적인 보수시공으로 구조물의 내구년수 연장 및 성능회복을 통하여 보수/보강 비용을 절감할 수 있다는 측면에서, 2000년도 보수/보강 비용을 실적신고된 공사금액의 합계 약 4,000억원으로 보면 이중에서 기존에는 10/20%이었던 재하자율을 본 연구를 성공적으로 완수하게 되면 3/5% 절감할 수 있으므로 약 100억/200억/년 수준의 비용을 절감할 수 있게 된다. 구조물의 LCC 개념에 비추어 신축비용은 25%에 불과하고 유지, 관리, 보수/개수, 폐기처분 등의 비용이 75%를 차지함에 따라 새로운 건설시장으로의 돌파구로서 보수/보강에 대한 관심이 높아지고 있는 시점에서 체계화된 보수/보강섬유의 개발은 사회적 측면에서 볼 때, 현재 연평균 건설폐기물 중 폐콘크리트 발생량이 2,945천m3로 보면 본 연구를 성공적으로 완수하게 될 경우 2/3%인 60,000/90,000m3의 폐콘크리트 발생억제 효과를 얻을 수 있어 신축에 필요한 자원절약 및 구조물 사용기간 증대 등 사회적 비용절감을 기대할 수 있다.
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| 활용방안 |
플루오르화 친수성 복합섬유 보강 콘크리트는 탄소섬유 및 폴리프로필렌 섬유의 표면에 친수성을 부여하여 섬유와 시멘트 매트릭스간의 부착성과 섬유의 분산성 및 방향성을 향상시킴으로써 섬유보강 콘크리트의 보강효과를 개선시키게 된다. 이러한 섬유의 표면처리 과정을 거쳐 제조된 고인성 시멘트 복합체는 보다 높고(초고층 구조물), 보다 넓고(장스팬-무기둥 구조물), 보다 깊은(심층지하구조물, 해양구조물) 구조물에 활용을 하게 된다. 예를 들면, 신설되는 구조물에서 레미콘에 혼합하여 보강용 섬유로 활용되거나 또는 기존 구조물의 보수공사에 있어서 보수/보강용 섬유로 활용될 수 있을 것으로 판단된다.
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