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일민 이
5 years ago
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1 폐 FRP로부터분리한로빙 (Roving cloth) 유리섬유를이용한섬유강화모르타르의물성 윤구영, a 김용섭, b 이승희 c* a 충남연기군조치원홍익대학교과학기술대학기계정보설계학부 b 충남연기군조치원홍익대학교과학기술대학조선해양공학과 c 충남연기군조치원홍익대학교과학기술대학화학시스템공학과 Physical Properties of Fiber-reinforced Mortar Containing Glass Fiber obtained from the Roving cloth of FRP Waste Koo Young Yoon, a Yong Seop Kim, b Seung Hee Lee c* a Dept. Mechano-Informatics & Design Engineering, Hong-Ik Univ. Jochiwon, Chungnam b Dept. Naval Architecture & Ocean Engineering, Hong-Ik Univ. Jochiwon, Chungnam c Dept. Chemical System Engineering, Hong-Ik Univ. Jochiwon, Chungnam 요약폐 FRP의사용이많아짐에따라그것의폐기처분이문제시되면서, 보다친환경적으로보다부가가치가높은쪽으로재활용하고자많은연구가진행되어왔다. 본연구에서는폐 FRP의로빙층으로부터약 50 mm 길이의유리섬유를얻었다 ( 이후 F-섬유 ). F-섬유는매트층과로빙층을결합시키기위해사용하였던수지를약 25% 정도포함하고있었다. 잔존하는수지로인해 F-섬유의인장강도와 0.1 M NaOH 용액에서의화학적내식성이원료유리섬유에비해각각 2 배와 3배만큼크게나타났다. F-섬유를부피비 2% 포함한모르타르는 28일양생후 F-섬유를포함하지않은것에비해휨강도가 34.6% 증가함을보였다. ABSTRACT nce widely used FRP results in some waste hard to be dealt with, lots of research have been reported for the recycling methods in favor of the environment and for the higher value-added products. In this research roving cloths from FRP waste panel were used to obtain the glass fibers about 50 mm long * Corresponding author Tel: Fax: shleee@hongik.ac.kr

2 ('F-fiber'). F-fiber contains about 25% resin which was used to conglomerate glass fibers between mat and roving cloth. Due to the remained resin, tensile strength and chemical endurance of F-fiber were improved by about 2 times and 3 times in 0.1 M NaOH solution respectively. The 28-day cured mortar containing 2% (v/v) F-fiber shows bigger bending strength than the one with 0% F-fiber by 34.6%. K e y w o r d s : 폐 FRP, FRP-Recycling, 유리섬유, 장섬유, 모르타르, 휨강도 1. 서론섬유강화 플라스틱 (Fiber reinforced plastic, FRP) 은 유리섬유나 탄소섬유, 합성섬유를 불포화 폴리에스테르나 에폭시 수지 등의 열경화성 수지로 결합시킨 것이다. 이들 중 0.1 mm 이하의 두께를 가진 유리섬유를 보강재로 사용한 것을 유리 섬유 강화 플라스틱이라 하는데 간단히 GFRP(glass fiber reinforced plastic) 또는 상용적으로 FRP 라고 한다. 유리 섬유강화 플라스틱은 가볍고, 내구성 내충 격성 내마모성 등이 우수하고, 녹슬지 않으며, 열 에 변형되지 않고, 가공하기 쉽다는 장점이 있다. 따라서건축자재, 배의 몸체, 스키용품, 가정용욕조, 헬멧, 테니스 라켓, 의자, 항공기 부품 등 여러 분야 에활용되고 있다. 그러나 폐 FRP는 분쇄하거나, 소각 또는 매립하 는 방법으로만 처리되어 왔다 ( 권영배 [1992], 김용섭 [2000, 2001]) 소각을 하는 경우 FRP에 존재하는 수 지로 인해 환경오염이 심각해지며 이를 개선하기 위해서는 고비용이 들고, 매립의 경우 FRP가 분해 되지 않으므로 장기간의 환경오염문제를 야기시킬 것이다. 분쇄하는 경우는 FRP의 강도로 인해 분쇄 에 드는 에너지가 매우 크고, 분쇄하는 과정에서의 분진도 문제가 되며, 분쇄하여 얻은 물질은 수지와 유리섬유가 분리되지 않은 채 섞여 있으므로 친수 성의 유리섬유와 소수성의 수지 등 물리적 성질이 전혀 다른 두 물질의 혼합체로서 함께 사용하는 것 이 용이하지 않다. 또한 분쇄되어 나온 유리섬유는 그 길이가 매우 짧아 그 용도가 매우 한정되게 된 다 (Nakagawa[1996], 현부성 [1998], 황의환 [2002]). FRP의 처리를 보다 합리적으로 저에너지에 의해 부가가치를 창출할 수 있는 방법 ( 이병기 [1998], 황택 상 [2000]) 을 연구하던 중에 분쇄하는 방법 보다 적 극적으로 수지와 유리섬유를 분리함으로써 용도를 다변화할 수 있는 방법을 발표한 바 있다 ( 김용섭 [2006]). FRP를 층상으로 깎아 매트층과 로빙층으로 분리하여 50 mm 정도의 장유리섬유를 회수할 수 있었다. 섬유를 보강재로 사용하는 것으로는 FRP 이외에 FRC(fiber reinforced concrete) 가 있으며 철사, 합성 섬유, 펄프 등 다양한 종류의 보강재가 사용되고 있 다. 잘게 분쇄한 폐유리나 폐 FRP를 FRC의 잔골재 대용으로 실험한 결과는 많이 보고되고 있다. 본 연 구에서는 시멘트 모르타르에 폐 FRP로부터 얻은 장섬유 ( 이하 F-섬유 ) 를 넣어 모르타르의 내식성 및 휨강도를 측정함으로써 폐 FRP의 고부가가치화 와환경친화적인 처리를추구하고자하였다. 2. 사용재료및방법 2.1 사용재료 시멘트는보통포틀랜드시멘트를사용하였으며, 잔골재는주문진표준사를사용하였다. 앞서발표 한논문에서와같이폐선박의 FRP를적당한크기 로절단한후층상으로포개있는로빙과매트층를 분리함으로써로빙의긴유리섬유형상그자체를 사용하였다. 약 50 mm의길이로절단하여분리한 유리섬유에대해밀도, 인장강도, 화학적내구성을 비교하였으며, 이러한유리섬유를포함한시멘트모 르타르를 제조하여 휨강도, 알칼리 실리카 반응 (ASR) 등을 수행하였다. 비교 대상으로는 수입산 polyvinyl alcohol(pva) 합성섬유 ( 이하 P-54) 를이용하 였다.

3 2.2 실험방법 유리섬유의물성측정밀도는 Alfa Mirage Co. 의 SD-200L 비중계를이용하여측정하였으며, F-섬유에포함된수지의양은 F-섬유를연소시켜수지를제거한후수지의함유량을계산하였다. F-섬유의단면은섬유를고정시킨후금으로표면처리를한후단면을촬영하였다 (Nikon EPIPHOT300, Video test 4.0 IMT). 인장강도실험은원료유리섬유, F-섬유, P-54에대해수행하였으며, 만능재료시험기 (SGA-C-LPC) 를이용하였다. 각섬유를아크릴판에고정시킨후인장강도를측정하였다. 화학적내구성은원료유리섬유와 F-섬유에대해증류수, 0.1 M NaOH 용액, 0.1 M NaCl 용액에 7일간담근후인장강도를측정하는것으로데이터를수집하였다 모르타르의물성측정모르타르의제조는 ASTM c 305와 c 109 c 109M-05에준하여시행하였다. 몇가지차이점은따로섞지않고미리섞어놓은시멘트와모래혼합물을물과부분적으로섞어가며 4분간혼합을완료했다는것이고, 믹서의혼합속도를 60 Hz로단일화하였다는것이다. 시편의크기는 mm 3 이었으며, 습도 60%, 온도는 21 를유지하는공간에서 24 시간양생시킨후몰드에서꺼내 1일째휨강도를측정하였다. 나머지시편은 21 의포화된라임용액에담가수중양생시켰으며, 3일, 7일, 28일째되는날에꺼내어바로휨강도를측정하였다. F-섬유를전체부피에대해 0%, 1.5%, 2% 의비율로첨가하여모르타르를제작하였으며모래 / 시멘트의비율을 2.75로하고, 물의양은흐름도를측정하면서조절하였다. 수입 PVA 섬유 P-54는부피비 2% 를포함하도록모르타르를제작하여휨강도를비교하였다. 각데이터는 6 개의시편을제작하여그중적어도 3 개의데이터를평균한값으로취했다. 휨강도는만능재료시험기 (SGA-C-LPC) 로측정하였으며, 식 (1)-(3) 을이용하여계산하였다. M( 굽힘모멘트 ) = P/2 L/2 = PL/4 (1) I( 관성모멘트 ) = BH 3 /12 (2) σ ( 휨강도 ) = Mc/I (3) B = H = 40 mm L = 126 mm( 지지대밖의여분고려 ) 알칼리실리카반응 (ASR) 시험은 ASTM c 에준하여실험하였다. F-섬유를넣지않은것과 1.5% 넣은시편을 3 개씩을 1 M NaOH 용액에 21일간 80 를유지한상태에서매일같은시간에길이변화를다이얼게이지로측정하였다. 3. 실험및고찰 3.1 F-섬유의물성특성 F-섬유의겉보기형태폐 FRP로부터얻은로빙은메트릭스형태로, 가로와세로로유리섬유들이꼬여져있으며, FRP를만드는공정에서 70% 의수지가첨가되어짐으로써분리된로빙에도많은양의수지가잔재한다. 열분해결과계산된수지의양은 24.6% 였으며, 이는기존에분쇄하여얻은폐 FRP 유리섬유의수지양보다극히적은값이다. 단, 폐 FRP의분리시투입되는 FRP의종류에따라, 그리고분쇄되는상황에따라로빙에잔재하는수지의양은변수라고볼수있다. 로빙으로부터얻은 F-섬유는길이가 50 mm 정도이며, 그단면은금도금을한후 SEM 사진을찍은결과 (Fig. 1) 가로 mm 세로 mm로단면적은 mm 2 였다. 잔재하는수지로인해원료유리섬유와는달리여러가닥이뭉쳐있는형태를그대로유지하였다.

이고있다. Table 2 Tensile strength of the fibers tested 섬유종류 최대인장강도 (MPa) 원료 유리섬유 F-섬유 P-54 414 794 758 Fig. 1 Cross section photograph of F-fiber obtained from FRP waste (by SEM).

4 이고있다. Table 2 Tensile strength of the fibers tested 섬유종류 최대인장강도 (MPa) 원료 유리섬유 F-섬유 P Fig. 1 Cross section photograph of F-fiber obtained from FRP waste (by SEM). 위의단면사진으로부터얻은데이터를이용하여형상비 (Aspect ratio) 를계산하였으며 (Table 1), 수입 PVA 섬유 P-54의것과비교하였다. Table 1 Aspect ratio (length/diameter) of F-fiber and P-54 시료단면적 (mm 2 ) 형상비참고문헌 F-섬유 본실험 P 회사자료형상비가클수록모르타르와섬유간결합이강해지는것으로보고되고있으나본연구에서사용된 F-섬유는기존의 PVA 섬유보다작은형상비를가짐을보이고있다 F-섬유의물성 FRP 제작시에는수지의양이전체의 70% 를차지할정도로많은양을포함하나 F-섬유를얻는물리적분리과정에서많은양의수지가로빙층이아닌매트층과함께떨어지는현상을관찰하였다. F- 섬유를열분해하여잔존하는수지의양을계산한결과 24.6% 만을포함하는것으로나타났으며, 이수치는폐 FRP의샘플에따라분쇄된샘플에따라다른값을가질것으로예상된다. 섬유에대한인장강도는원료유리섬유와 F-섬유, P-54에대해측정하였으며, 그결과를 Table 2에보 F-섬유의인장강도는원료유리섬유보다 1.9배강하고, PVA 섬유 P-54와유사한결과를보였다. 이러한결과와는별개로화학적내구성을평가하기위해섬유를증류수와알칼리용액, 염용액에 7 일간담근후인장강도의변화를관찰하였다. 유리섬유의구조는 주변에 4 개의산소가결합하는그물구조를기본으로한다 (Fig. 2). FRP에사용되는유리는 E-glass로 borosilicate로서다른유리에비해 Al 2O 3, B 2O 3, CaO, MgO, 알칼리금속의양이온을많이포함하고있다. 그구조는 -O 간의결합이부분적으로끊어지고 원소대신다른금속의양이온으로치환되기도하고, 전기적중성을유지하기위해이온들이포함되어있다 (Fig. 3). 알칼리용액에서는수산기 (OH-) 가 -O 간결합을공격함으로써결합이끊어져강도가약해질수있으나, 염의용액에서는비정질의구조에서빈공간에이온들이끼어들어구조를촘촘하게만들수있으므로강도에별영향을주지않을수도있다. 원료유리섬유와 F-섬유를증류수, 알칼리용액, 염용액에 1 주일간담가둔후측정한인장강도의결과를 Table 3에보이고있다. O O O O O O O - O O O O OH O OH - O O Fig. 2 Probable diagram of the O 2 network in the glass which may be broken by hydroxide ion in alkali solution.

팽창된길이 1 0.9 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0 0% 1.50% 1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 일자 Fig. 3 Diagram of the O 2 network of glasses with some alkali and alkaline metal ions.

5 팽창된길이 % 1.50% 일자 Fig. 3 Diagram of the O 2 network of glasses with some alkali and alkaline metal ions. Table 3 Tensile strength (MPa) of raw glass fiber and F-fiber simmered in each solution for one week. 섬유증류수 0.1 M 0.1 M 용액 NaOH NaCl 원료유리섬유 F-섬유 수용액과의평형상태에서증류수로의이온이동에따른우리섬유의인장강도감소로이해되어지는위의결과는원료유리섬유의경우 72%, F-섬유는 5% 만큼의감소를보였다. NaOH 용액에서일어나는수산기의공격에의한인장강도의감소도원료유리섬유의경우는 84% F-섬유는 75% 이었다. 원료유리섬유에비해인장강도의변화가적은것은 F-섬유에잔재하는수지의영향으로용액의침투가쉽지않았기때문으로생각되어진다. Fig. 4 ASR experiments of cement mortar: the expanding length changes (μm) of the mortars containing 0% and 1.5% F-fiber simmered in 1% NaOH soln. 위의그래프에서보듯이 21일간측정한결과모두 0.02% 미만의변화를보이고있다 휨강도 F-섬유를 0%, 1.5%, 2% 포함한모르타르와수입 PVA 섬유 P-54를 2.0% 포함한모르타르에대해 1일, 3일, 7일, 28일에걸쳐휨강도를측정한결과를 Fig. 5에보이고있다. 휨강도 (MPa) % 1.50% 2.00% 수입산 2.0% 3. 2 F - 섬유를포함한모르타르의물성 알칼리실리카반응 (ASR) 일 F-섬유를포함한모르타르와포함하지않은것에대해팽창된길이를측정한결과를 Fig. 4에보이고있다. Fig. 5 Bending strength of the mortars containing various amounts of F-fiber (0%, 1.5%, 2%) and P-54 (2%) depending on the curing dates. 1일과 3일의양생시편은 0% 에비해크게증가하지않았다. 그러나 7일째이후 1.5% F-섬유를포함한모르타르는 8.4%, 2% 포함한것은 23.1% 만큼

6 증가한휨강도를보였으나, 28일째는 1.5% 짜리가 23.2%, 2% 짜리가 34.6% 증가한것으로나타났다. 또한수입섬유와는거의유사한휨강도를보임으로써모르타르의휨강도보강용섬유재료로서의가능성을보여주고있다. 양생된모르타르의단면은 1 일과 3일째에는섬유가모르타르에서분리되는현상을보이나, 7일이후의시편에서는섬유가단절되는현상을보이고있다. 따라서재령이커질수록포졸란효과가좋을것으로예상되며, 이에대한실험은진행중에있다. 4. 결론본연구에서는기존의폐 FRP 처리방법과는달리 50 mm 정도의장섬유를얻기위해로빙층을이용하였으며, 로빙층으로부터얻은F-섬유는수지성분을약 25% 정도포함하는것으로나타났다. F-섬유는원료유리섬유보다인장강도도우수하고, 화학적내구성도있으며, 이것을포함한모르타르는휨강도가뛰어나골재로서실용가능성을보였다. F-섬유의형상비가수입 PVA 섬유 P-54 보다작음에도불구하고그휨강도가유사한것으로나타났으므로형상비와무관하게 F-섬유의길이를달리하여휨강도를측정함으로써폐 FRP의재활용율을증가시키는실험이이루어져야할것이다. 참고문헌 [1] 권영배외 10인. 1992, 고분자폐기물연속건류소각과폐열회수및건식가스처리기술개발, 동력자원부연구보고서 [2] 김용섭, 김도영, 황기연 가연성해양폐기물열분해장치개발에대한연구, 한국해양공학회추계학술대회, pp 96~100 [3] 김용섭, 정충훈, 김백현, 열가소성물질의효과적인연소제어기수개발, 한국해양연구원연구보고서 [4] 이병기, 이범재, 황의환, 노재성, , 분쇄된 FRP 폐기물을사용한폴리머시멘트몰타르의물성, 콘크리트학회지, 제10권, 제5호 p217 [5] 황택상, 박진원, 이철호, 폐 FRP/ 석물슬러지충진복합재의제조및기계적물성에관한연구, 포리머 (Korea), 제 24권, 제 6호, p829 [6] Nakagawa Muneo외 폐 FRP 미분말을사용한콘크리트의기초물성연구 대한건축학회학술논문집 [7] 현부성, 폐유리를원료로한건자재개발, 세라미스트, 2[1], [8] 황의환, 한천구, 최재진, 이병기, 폐FRP미분말을사용한폴리머시멘트모르타르의물성 Journal of the Korea Concrete Institute [9] 김용섭, 윤구영, 이승희, 섬유강화콘크리트및제품개발에의한폐FRP자원화기술환경부연차보고서.

14.531~539(08-037).fm

14.531~539(08-037).fm G Journal of the Korea Concrete Institute Vol. 20, No. 4, pp. 531~539, August, 2008 š x y w m š gj p { sƒ z 1) * 1) w w Evaluation of Flexural Strength for Normal and High Strength Concrete with Hooked