한국해양환경. 에너지학회지 Journal of the Korean Society for Marine Environment and Energy Vol. 18, No. 3. pp. 207-215, August 2015 http://dx.doi.org/10.7846/jkosmee.2015.18.3.207 ISSN 2288-0089(Print) / ISSN 2288-081X(Online) Original Article 고강도콘크리트의내화성능용도에따른 FRP 재활용공정개발 이승희 1 박종원 2 윤구영 3, 1 홍익대학교과학기술대학바이오화학공학과 2 홍익대학교과학기술대학건축공학과 3 홍익대학교과학기술대학기계정보공학과 Development of FRP Recycling Process for Regenerating Applications of Fire Resistance Performance of High Strength Concrete Seung Hee Lee 1, Jong Won Park 2 and Koo Young Yoon 3, 1 Department Bio. & Chemical Engineering, Hong-Ik University, 2639, Sejong-ro, Jochiwon, Sejong 339-701, Korea 2 Department Architectural Engineering, Hong-Ik University, 2639, Sejong-ro, Jochiwon, Sejong 339-701, Korea 3 Department Mechano-Informatics Engineering, Hong-Ik University, 2639, Sejong-ro, Jochiwon, Sejong 339-701, Korea 요 약 환경문제를야기시켰던해상용 FRP재활용에대해지난 10여년간다양한국가적지원이이루어져서폐FRP로부터콘크리트강화용섬유제작이진행되어왔다. 이렇게제작된강화콘크리트에대해구조적능력까지시험한바있다. 시험테스트결과재활용 FRP 가루를사용한콘크리트는고강도콘크리트의압축강도를감소시키지않았을뿐만아니라, 고강도콘크리트의내폭특성을상당히증대시켰다. 그러나폐FRP로부터매트층의분리방법이안정화되지않았기때문에폐FRP 섬유가루의특성에대한연구는종결되지않았다. 본연구는폐FRP로부터매트층을분리하는효과적이며친환경적인새로운방법에관한것이며, 이것은내폭성이강한제품이나구조물에적합한 FRP섬유가루생산공정에유용한재활용공정이라생각한다. Abstract In the last decade, increasing national research fund for recycling the waste FRP (fiber reinforced plastics) ships which has caused environmental problems, improves the technology making concrete-reinforcing fibers out of the waste FRP. Furthermore, the concrete with recycled FRP fiber was tested for the structural performance. Experimental strength tests show that use of recycled FRP powder does not reduce the compressive strength of high strength concrete, and does increase the fire resistance performance of high strength concrete significantly. But, the study in investigating the properties of recycled fiber powder from waste FRP has not been completed because of the absence of the method of separation of mat layer from the waste FRP. This study is to propose a new extracting method of the mat layer from waste FRP, which is the efficient and environment friendly system. and thus it is considered to be the useful recycling method for fire resistance high concrete products or structures. Keywords: Waste FRP Boat Regenerating( 폐 FRP 선박의재자원화 ), FRP Powder(FRP 섬유가루 ), Eco-friendly Mechanical FRP Recycling( 친환경적 FRP 재활용 ), Mat Layer( 매트층 ), Fire Resistance High Stress Concrete( 내폭성고강도콘크리트 ) 1. 서론 최근들어많은국가적지원 (Kim et al.[2007], Paek et al.[2010]) 을통하여, 친환경적이면서도경제성을확보한많은폐FRP재활용공정들이보고되었다. 로빙면포추출기를통해폐 FRP 선박으로부터 Corresponding author: kyyoon@hongik.ac.kr Fig. 1과같은로빙 ( 유리섬유 ) 층을비교적쉽게분리해내는기술이개발되었다 (Yoon et al.[2007], Lee and Yoon[2013]). 제안된로빙면포추출기에의한폐 FRP 재활용기술은분쇄방식에비해경제적인것으로나타났다. 또한로빙면포추출기에의해폐 FRP 선박으로부터분리해낸재활용유리섬유의혼입이콘크리트재료의역학적특성에미치는영향에대한연구를통해재활용 FRP가콘크리트재료의휨강도와인장강도를개선할수있는것으로나타났 207
208 이승희 박종원 윤구영 다 (Park et al.[2009, 2014]). 또한재활용유리섬유의혼입이철근콘크리트부재의구조적성능에미치는영향에대한실험연구를통해재활용유리섬유 ( 섬유가루 ) 가콘크리트보부재의전단강도와콘크리트기둥부재의압축강도를개선할수있으며 (Park et al. [2010], Lee et al.[2014]), 콘크리트보-기둥접합부의내진성능개선에기여할수있는것으로나타났다 (Park et al.[2011], Lee et al.[2014]). 대부분의 FRP는불포화폴리에스테르수지와유리섬유를적층하여만들어진복합재이므로로빙면포추출기를통해폐 FRP 선박으로부터유리섬유층을분리해내는과정에서유리섬유보다는폴리에스테르수지가더많은가루 ( 이하재활용수지가루 ) 가발생한다. 반면에유리섬유층으로부터콘크리트의강도보강을위해 Fig. 1과같은유리섬유를파쇄하는과정에서는폴리에스테르수지보다유리섬유가더많은가루 ( 이하재활용유리가루 ) 가발생한다. 이러한수지및유리가루는소각처리시높은비용이발생할수있으며매립할경우환경문제를일으킬수있다 (Sun et al.[1995], Kim et al.[2004]). 한편초고층구조물에사용되는고강도콘크리트는화재시콘크리트내부에수증기압이발생하는데고강도콘크리트의경우, 이수증기압이외부로충분히배출되지못함으로써내부응력에의한폭렬 (spalling) 현상이발생할수있다 (NISTIR[1996], Song[2004]). 이러한폭렬현상을방지하기위한방법으로써폴리프로필렌 (PP) 섬유나폴리론파이버 (PF) 섬유를혼입시켜주는방안에대한연구가진행되어왔다 (Yoo et al.[2009], Han et al.[1999], Pierre[2001]). 그러나이러한섬유들이고가라는점이섬유강화고강도콘크리트의내화성능개선방안의상용화에가장큰걸림돌로작용하고있다. 따라서폐FRP로부터로빙면포층 ( 유리섬유가주성분 ) 만분리할수있다면남은재료들은수지매트층 ( 대부분수지성분 ) 이되게되며 (Fig. 1), 추출된수지매트층을활용하여섬유가루를생산할수있게된다. 이에본연구는사전연구를통해폐 FRP로부터콘크리트용섬유강화제를경제적으로제조할수있는장치를개발하였으며이장치를사용하여만들어진재활용섬유강화제는현재수입사용되는고가의섬유강화제와유사한수준의우수한기계적및화학적물성을갖는것을확인하였다. 따라서본연구는개발된폐 FRP를활용한섬유강화제제조기술을콘크리트강도강화용 ( 고강도콘크리트내폭렬성 ) 재활용 FRP 섬유를생산해내는공정에응용하고자한다. 폐 FRP 선박의재활용공정을통하여다량의섬유가루 ( 수지및유리가루 ) 가발생한다. Lee et al.[2014] 의연구에따르면, 해당섬 Fig. 1. The FRP structure (mat and the roving layers). 유가루의혼입이고강도콘크리트의압축강도및내화성능에미치는영향이매우우수하여고가의내폭렬수입섬유강화제를대체할수있음을보고하였다. 따라서본연구는고가의섬유강화제에대한수입대체효과를통한경제적중요성뿐아니라환경문제의해결과동시에고부가가치폐기물을재자원화라는산업적중요성을동시에확보하는기술이라할수있다. 그러나보고된폐 FRP 섬유강화제를적용함에있어서절대적전제조건이확인되었다. 즉재활용 FRP 섬유가루의혼입이고강도콘크리트의압축강도를감소시키지않으면서도수입산내폭렬 PP섬유를대체할정도의내화성능을발휘할수있기위해서는섬유가루의수지성분이 60% 이상이어야한다는것이다. 따라서건설재료로서가장대표적으로사용되는콘크리트, 특히고강도콘크리트의내진성능및내화성능을개선하는데본재활용섬유가루가사용될경우환경문제의큰요인이되고있는폐 FRP의재활용이획기적으로이루어질것이며고강도콘크리트의성능향상을통한자원의절약과건설산업의경쟁력강화에도크게기여할수있을것이다. 2. 본론 2.1 고강도콘크리트의내화성능 ( 내폭렬성 ) 용도에따른 FRP 재활용공정실용화 2.1.1 기존 FRP 파쇄시스템기존의전처리기는크기가일정치않은 1차해체물을 2차로빙면포추출기에투입할수있는크기로절삭하는과정이다. 이때회전하는칼날에의해발생하는분진과소음으로인한작업환경이열악해진다. 원형칼날에의한기존의횡방향절삭방식으로는로빙면포층이끊어져작업성이저하된다. 또한칼날의이송이나절단시모든제어가자동화되지않아작업의연속성이떨어진다. 이러한문제점들을정리하면다음과같다. 1) 전처리기의비효율성전처리기의절단방식을살펴보면선체에심하게만곡된부분에대해곡률반경을최소화하기위해샤프트에걸린칼날의간격을가변적으로조절할수있게하여야한다. 또한여러개의칼날이동시에작동하여작업성을높여야한다. 하지만, 칼날이동시에작동함에따라소음이커지고분진이발생하여작업자의작업효율을저하시킬수있다. 따라서전처리기자체의작업성과작업자의작업성을동시의높이기위해서는소음과분진문제의해결이시급하다. 2) 로빙면포추출기의비효율성기존의로빙면포추출기의추출방식을살펴보면원형칼날에의한횡방향절삭방식을채택하여 Glass fiber를추출한다. 전처리기에서절삭된폐FRP를투입구에투입한후에어실린더와가이드에의해피파쇄물이고정된다. 고정후후면부에어실린더에의해피파쇄물은앞으로전진하여횡이동절삭하는원형칼날에의해절삭되게된다. 이때칼날에크기에피파쇄물의높이가정해지게된다. 칼날에모터를달아벨트에의한구동이가능하게설계하였
고강도콘크리트의내화성능용도에따른 FRP 재활용공정개발 209 지만, 모터를작동시키지않아도이송부의횡이동하는힘으로서피파쇄물은절삭되게된다. 하지만이송마력이부족하면칼날회전은가능하지만칼날회전시로빙면포층이끊어지기때문에칼날의회전을자제하도록설계되었다. 이러한방식에서발생하는문제점들을살펴보면크게두가지로나눌수있다. 첫째, 장치의제어를수작업으로실시하므로이로인한작업성의저하와정확도가감소되었다. 둘째, 로빙면포추출기에원형칼날사용의한계성이드러났다. 원형칼날은적층구조의경계면 ( 매트수지층과로빙층의경계 ) 에정확히위치한후, 칼날이횡이동하는과정에서칼날과경계면의접촉부위가넓어횡이동중경계면을이탈하여로빙면포가끊어지는현상이발생된다. 이는최초 FRP 선박건조자의작업성에따라로빙면포층이항상수평하지않아발생되는문제이므로이러한폐 FRP의가변성을모두충족시킬수있는칼날의개발이필요하다. 3) 자동화된로빙면포층및매트층추출시스템의필요성폐FRP를처리하는과정에서발생하는소음과분진은인체에무해하지만, 작업장의작업환경을해쳐작업능률의저하를초래하기때문에이러한소음과분진문제해결이시급하다. 가장이상적인해결방법은폐FRP 로빙면포층및매트층추출시스템의자동화를통해인력활용을최소화하는시설의개발이다. 2.1.2 개선된로빙면포층추출시스템의개발새로운로빙면포추출방식의기본이론은 FRP의직교이방성에기초를둔다. FRP가구조상의특징인직교이방성재료라했을때, 복합재료의응력및파괴에너지해석이이루어진다 (Kim et al. [2010]). 따라서횡단방향으로 cutting을하였을때매우적은에너지 ( 약 1/23) 로서파쇄할수있다는것을보여준다. 또한 FRP는복합적층구조로서, 특히 20여년이지난폐FRP 선박의경우는강도용이아닌형상구성용으로사용된매트층 (chopped strand glass mat) 은수지를많이함유하고있으므로로빙층 (roving cloth layer) 에비하여상당수준재료의변질 (degrading) 이진행되어강도특성이매우취약한상태이므로적층분리와횡단방향절단을응용한파쇄시스템을구상하게되었다. 1) 향상된기능의전처리기선박을해체하고난폐 FRP는로빙면포추출기에투입되기위해하나의공정을더거치게된다. 크기가일정치않은 1차해체물을일정한크기로자르는과정으로, 로빙면포추출기에투입할수있도록정해진규격 (300 mm 120 mm) 으로절삭하게된다. 이때이규격은선체에심하게만곡된부분에대해곡률반경을최소화할수있도록정한것이다. 이때곡률반경을줄이는과정은 2차추출과정에서로빙면포층의휘어짐을최소화시키는것에있다. 선박으로부터해체된폐FRP를이송부에투입하여전진시키고, 정해진위치 (300 mm) 에도달하면유압실린더로고정시킨다. 이때이송방향과직각으로설치된칼날이전진하면서고정된폐FRP를절단한다. 그리고절단된폐FRP를가지고위와동일한방법으로정해진위치 (120 mm) 만을변경하여절단한다. 이때절단과정에서 Fig. 2. The belt conveyor of the extracting system. 의분진과소음에대한문제는칼날회전부에케이스를덮고집진장비를설치하여해결하였다. 케이스에의한방음효과와집진설비로분진방지에따른작업자의능률상승이예상된다. 2) 로빙면포추출기개선개선된로빙면포추출기의로빙면포추출방식은다음과같은문제점들을고려하여설계하였다. 첫째, 기존의미흡했던공정과정을보완하여이송방식에대해고찰함으로써폐FRP 재처리시설의자동화를도모하고자하였다. 이를위해컨베이어의설치와흡착기를활용하여자동공정을이루었고, 로빙면포위치에따른종류별프로그램을개발하도록구상하였다. 설치한컨베이어의선정조건으로는 1 시설 2 운반물 3 운반량 4 운반경로 5 운반방법 6 설치장소 7 설비효과등이필요하다. 따라서위의 7가지선정조건을고려하여최적의자동화공정을이루기위한컨베이어를선정하였다. Fig. 2는로빙면포추출기에설치된컨베이어를나타낸사진이다. 이컨베이어는벨트컨베이어방식으로구성되어있다. 벨트컨베이어방식은운반조작이연속적이므로동작이원활정숙하고능률적이다. 그리고설비비에비하여운반량이많다. 또한운전신뢰도가높고, 보수점검이용이하며유지비가적게든다. 따라서모든조건을고려해보았을때로빙면포추출기자동화공정에필요한컨베이어는벨트컨베이어방식이적합하다. 둘째, 폐FRP 재처리시설의이송방식과정렬방식을고려하여, 흡착기를설치함으로써이송방식으로는부족한폐 FRP 재처리시설의자동화를완성하였다. Fig. 3은이송된파쇄물을절단부로옮겨주는흡착기와이동통로를보여주고있다. 새로운로빙면포추출방식은기존의횡방향절삭과는다르게종방향으로절삭이이루어지게되므로파쇄물이세워진상태로절삭부에이송되어야한다. 하지만전처리과정에서나오는파쇄물은눕혀진상태로이송되어오기때문에자동화공정을이루기위해서는파쇄물의위치변경을위한새로운정렬방식이필요하게된다. 이를위해서흡착기를이송부분과절삭부사이에설치하여파쇄물의위치변경을가능하게하였다. 이송부분인벨트컨베이어를통해이송된파쇄물이흡착기가설
210 이승희 박종원 윤구영 Fig. 3. The FRP block suction system. Fig. 4. The wedge type blade and a sample layer. 치된 곳까지 옮겨지게 되면 흡착기 밑 4개의 모서리에 부착된 고 벨트컨베이어를 통해 이송되면 파쇄물의 적층구조를 살펴 정해진 무압판에 의해 파쇄물을 고정하게 된다. 흡착기 중간부분에 설치된 프로그램을 입력한다. 파쇄물의 적층구성에 따라 프로그램된 방식에 공압실린더에 의해 고정된 파쇄물은 흡착기에 완전히 부착되고 난 의해 가운데에 있는 쐐기형 칼날이 로빙면포와 매트수지층을 구분 후 흡착기가 들어 올려지고, 90도 회전하여 파쇄물을 절삭부 앞까 하여 종 방향으로 내려와 로빙면포를 절삭하기 시작한다. 이 과정에서 지 전달시켜준다. 절삭부 옆에는 ㄱ 자 모양의 금속가이드가 설 쐐기형 칼날은 단순히 종 방향으로 움직이는 것뿐만 아니라 앞뒤로 치되어 있는데 파쇄물이 절삭부에 놓이게 되면 이 금속가이드는 절 움직여 로빙면포층을 매트수지층으로부터 분리한다. 삭부에 놓인 파쇄물을 절삭날 앞까지 밀어 전달하게 된다. 셋째, 자동화 공정에서 가장 중요한 파쇄물의 추출방식을 고려 어느 정도 절삭되면 쐐기형 칼날은 더 이상 이동하지 않고 양 옆에 있는 보조칼날이 파쇄물의 절단된 단면에 들어와 양옆으로 서서히 한 설계, 새롭게 고안된 로빙면포 추출기는 기존의 원형 칼날에 의 이동하여 로빙면포층을 떼어내기 시작한다. 여기서 중요한 점은 양 한 횡 방향 절삭방식 대신에 쐐기형 칼날을 채택하여 종 방향으로 옆의 칼날은 로빙면포와 매트수지층을 잘라내는 것이 아니라 떼어 로빙면포를 떼어낸다. 기존의 로빙면포 추출방식과 가장 큰 차이점 내기 위한 것이므로 가운데의 쐐기형 칼날에 비해 날이 날카롭지 은 칼날에 의해서 로빙면포를 절삭하는 방식이 아닌 로빙면포를 떼 않다는 것이다. 세 개의 칼날을 사용하여 절삭하기 때문에 파쇄물 어내는 방식이라는 점이다. 에서 로빙면포조각을 떼어낼 때 로빙면포와 매트수지층 사이의 어 기존의 원형칼날은 일관성이 부족한 단점이 있다. 파쇄물에서 로 긋남을 없애 로빙면포조각이 찢어지거나 로빙면포에 수지가 많이 빙면포조각을 떼어낼 때 처음에는 잘 절삭되더라도 접착력의 문제 묻어나는 문제를 해결할 수 있다. 또한 굴곡이 있는 로빙면포 조각 라던가 기타 여러 가지 이유로 인해 한번 어긋나기 시작하면 로빙 을 절삭할 때에도 마찬가지로 절삭이 가능하게 된다. 면포 조각이 찢어지는 문제가 발생하게 되었다. 또한 굴곡이 있는 3) 폐FRP 면포층분류 방식의 프로그램화 파쇄물일 경우 굴곡에 따른 절삭이 불가능하여 역시 로빙면포 조 FRP 적층구성에는 최초 작업자의 작업 방식과 목적에 따른 몇 각이 찢어지는 문제가 발생하였다. 또한 이송마력이 부족하게 되면 가지의 규칙성이 있었다. 규칙성은 크게 두 가지로 분류(로빙면포 원형칼날의 회전속도가 줄어들게 되고, 로빙면포층이 찢어지는 또 층의 개수와 위치)가 가능하였다. 먼저 층의 개수로 나누어 보면, 하나의 원인이 되기도 하였다. 칼날의 이러한 문제점들을 고려하여 최초 FRP 생산자의 목적에 따라 로빙면포 층을 1장 삽입한 FRP 기존의 횡 방향으로 절삭하던 원형칼날을 대신하여 종 방향으로 절 와 2장내지 3장까지 삽입한 FRP가 존재하였다. 로빙면포 층의 개 삭하는 쐐기형 칼날을 채택함으로써 기존의 원형칼날이 가지고 있 수가 달라지면 절단 횟수 또한 달라지므로 층에 따른 변수를 고려 었던 여러 문제들을 해결하였다(Fig. 4). 하여 로빙면포 추출기를 프로그래밍 하여야 한다. 새로운 절삭방식은 가이드를 통해 파쇄물이 절삭부로 이송되어 먼저, 로빙면포 층의 위치에 따른 분류를 살펴보면 다음과 같다. 오면 쐐기형 칼날과 양쪽의 칼날이 종 방향으로 절삭하게 된다. 절 Fig. 5는 로빙면포 층을 1장 포함하고 있는 폐FRP의 단면이다. 그 삭부로 옮겨진 파쇄물은 분류기와 절삭부 사이에 위치한 가이드로 림에서 보듯이 로빙면포 층이 끝단이나 중앙에 위치하는 2가지 변 고정되고 쐐기형 칼날이 종 방향으로 내려와 앞뒤로 움직여 로빙 면포를 떼어낸다(Fig. 4). 폐FRP는 일정한 로빙면포층을 가지고 있는 것이 아니고 다양한 층을 가지고 있기 때문에 로빙면포층의 개수, 위치에 따라 칼날의 위치가 달라져야 한다. 따라서 로빙면포층의 개수에 따라 프로그램 구성이 달라진다. 앞의 분류방식에서 폐FRP의 적층구성에 따른 프 로그램 구성표를 보면 적층구성에 따라 서로 다른 10개의 프로그램 구성이 필요하다는 것을 알 수 있다. 파쇄물이 전처리과정을 거쳐 Fig. 5. A FRP Type with single roving layer.
고강도콘크리트의내화성능용도에따른 FRP 재활용공정개발 211 Fig. 6. FRP Types with two roving layers. Fig. 8. Total FRP extracting system (pre-cutting part, main cutting part and FRP powder producing part). 빙층분리기그리고수지가루분리기인 Fig. 8과같다. 선반해체를제외한나머지단계들은전처리장치를통과한후자동화된하나의작업라인을구축할수있다. 이처럼여러단계의공정들을하나의일괄된형태의자동화된작업라인을구축함으로작업의효율성및연속성을높일수있었다. Fig. 7. FRP Types with three roving layers. 수가있다. Fig. 6은로빙면포층을 2장포함하고있는폐FRP의단면이다. Fig 6은로빙면포층의위치가양끝단에 2장, 중앙에 2장, 끝단에 1장과중앙에 1장위치하는 3가지변수가존재한다. Fig. 7은로빙면포층을 3장포함하고있는폐 FRP의단면이다. 로빙면포층의위치가중앙에 3장, 양끝단에 3장, 중앙에 1장과끝단에 2장, 중앙에 2장과끝단에 1장, 양끝단에 1장씩과중앙에 1장위치하는 5가지변수가존재한다. 폐 FRP의적층구성에따른로빙면포층의총장수와위치를고려한절단시변수를정리하면 Table 1과같다. Table 1에서볼수있듯이로빙면포층적출시총 10가지의다른프로그래밍이필요하다. 4) 최종형태의자동화공정메커니즘폐FRP 재처리시설의전체단계를다시살펴보면, 전처리기, 로 5) 염색장치 ( 수지가루와유리가루를폐FRP 섬유강화제와분리하는장치 ) 개발폐선박으로부터발생하는섬유강화플라스틱은주로유리섬유와수지로이루어져있다. 이것은복합재료로서강도가매우커서재활용하기위해분쇄하는경우많은에너지를소비해야한다. 또한분쇄시발생하는분진은환경오염을야기할수도있다. 소각하여열에너지로얻는경우는수지가소각되고소각로에잔존하게되는유리섬유덩어리를제거해야하는번거로움이따른다. FRP로부터유리성분을얻어내는방법에는화학적인방법으로수지를녹여재활용하는방법과초임계용매를사용하여수지를녹이는방법도있다. 본연구는환경적인문제나에너지소비적인면과재활용성을고려하여층간을분리한후유리섬유가 70% 이상인로빙층과수지가대부분인매트층을얻는방법에대해것이며, 본실험의목적은일련의과정중공정의단순화와자동화를꾀하는과정에서두층을쉽게인식할수있도록하기위함이다. 보통의소형과중형의폐선에서사용한 FRP는약두층의로빙 Table 1. The Cutting Program Number for the FRP Type Place of Roving Layer Number of Roving Layer 1 Layer 2 Layers 3 Layers Upper Section Lower Section Middle Section Program # Upper or Lower None NO.1 None 1 Layer NO.2 1 Layer 1 Layer None NO.3 None 2 Layers NO.4 1 Layer in Upper or Lower 1 Layer NO.5 None 3 Layers NO.6 3 Layers in Upper or Lower None NO.7 2 Layers in Upper or Lower 1 Layer NO.8 1 Layer in Upper or Lower 2 Layers NO.9 1 Layer 1 Layer 1 Layer NO.10
212 이승희 박종원 윤구영 층을 가지며, 로빙층의 두께는 매트층의 약 1/7의 두께를 이룬다. 두 층을 기계적으로 칼날을 쐐기처럼 이용하여 층 사이를 분리 하는 실험을 수행하는 과정에서, 촘촘하게 유리섬유 가닥들이 짜여 있는 로빙층과 그렇지 않은 매트층은 물리적으로 쉽게 분리가 되 었다. 그러나 칼날이 기계적으로 두 층의 약한 틈을 찾아 파고드는 것은 자동적으로 이루어지지 않았다. 또 다른 난점은 선박에 사용 하는 FRP는 정해진 규격이 없어서 로빙층의 개수, 로빙층과 매트 층의 두께가 조선소 마다 다르다는 것이다. 표준화되지 않은 시편을 자동화 시스템에 적용한다는 것은 인위적인 기준을 필요로 한다. 따라서 두 층의 물리적 또는 화학적 특성의 차이점을 이용하여 구별할 수 있도록 하여야 한다. 우선 유기고분자인 수지가 대부분 인 매트층과, SiO2로 대표할 수 있는 로빙층 중 어느 것을 없애거 Fig. 10. (a) Photophysical differentiation System and (b) pre-treated samples of FRP waste. 나 차별화하느냐에 따라 방법이 달라질 수 있다. 매트층의 수지를 녹이기 위해 고온의 진한 황산을 이용하여 왔으나, 그 방법이 너무 위험하여 실용성이 떨어진다. 본 그룹에서는 로빙층의 유리를 녹이기 위해 플루오르수소산(HF) 용액을 사용하였다. 것이다. 결론적으로 저탄소 실험을 추구하고 환경오염을 배제하고자 하는 본 연구에 유기용매의 사용은 적절하지 않으며, 에폭시 수지인 경우 HF 수용액으로 처리한 경우 눈으로 섬유의 밀도를 비교하여 로 그 용해도가 매우 떨어지므로 적절한 용매를 찾기도 어렵고 녹인 빙층을 판단할 수 있으나 광학적 센서를 이용하여 보다 정확하게 후의 수지 용액의 처리가 어렵다는 부작용도 가지고 있으므로 수 로빙층을 인식하고자 하였다. 수지의 경우는 소수성이고 섬유는 친 지의 용해는 적절치 않다고 판단된다. 진한 황산을 사용하는 경우 수성이므로 친수성 염료를 사용하여 HF로 처리한 섬유를 착색하 위험하다는 점 외에 저급 황산의 경우 검게 변하는 성질로 인해 작 였다. 수용성 녹색 염료의 용액을 HF로 처리한 면에 붓으로 두 번 업환경 및 외관상 추천할 만하지 않다. 로빙층의 유리섬유는 5분 도포한 결과 Fig. 9에 보이는 결과를 얻었다. Fig. 9(a)는 HF 용액에 이상의 시간 동안 HF 용액으로 처리하고 수용성 염료로 도포하면 1시간 담근 후 염료를 칠한 FRP에 후광의 광원을 비친 후 촬영한 매트층을 Fig. 10(b)처럼 구별할 수 있으며, 광학적 센서와 함께 자 것으로 뚜렷하게 두 줄의 로빙층이 관찰된다. (b)의 사진은 광원을 동화 공정에 이용할 수 있을 것으로 생각된다. 따라서 이 방법은 매우 옆에 두었을 때 로빙층의 유리섬유 다발들이 볼록하게 튀어나온 현 간단한 공정이면서도 섬유가 주를 이루는 로빙층과 수지가 주를 이 상을 보이고 있다. 이것은 HF 용액만으로 처리하였을 때 눈으로 루는 매트층을 분리할 때 환경오염을 덜 발생시킬 것으로 예상된다. 관찰된 것을 가시적으로 표현한 것이다. (c)는 (b)에서 볼록하게 튀 6) 광학비젼장치를 장착한 매트층 추출기 어나온 섬유 단면들을 단단한 펜 끝으로 긁었을 때 쉽게 파이는 현 기존의 추출기에서 발생했던 소음과 분진발생 문제는 강화유리 상을 보인 것이다. 즉 HF 용액으로 처리한 경우 섬유가 녹아 약해 설치와 흡진기를 통해 보완하였다. 강화유리는 흡착기 부분에 설치 져 있다는 것을 의미한다. 되어 소음 뿐 아니라 작업자의 안전을 도모하는 효과도 있다. 또한 HF로 처리하지 않은 FRP에 대해 수용성 염료를 그대로 사용한 절삭부에 흡진기를 설치하여 절삭시 발생하는 분진발산을 막아준다. 경우는 염료의 착색이 이루어지지 않고 HF로 처리한 이후에만 착 또한 전처리기와 세단기 사이를 벨트컨베이어로 연결하며, 자동 색이 잘 되는 것으로 보아, HF가 FRP 단면의 섬유에 대한 친수성을 흡착기와 분류기를 설치함으로써 자동화 공정을 구현할 수 있게 되 보장하는 것으로 결론지을 수 있다. 위의 결과로 염료의 농도를 기 었다. 로빙면포층을 확인하고 파쇄물의 적층구조를 살펴 정해진 프 준으로 광학적 센서를 이용하면 매트층과 로빙층을 구별할 수 있을 로그램을 선택하고 입력하는 과정에서 비전시스템을 활용하여 작 Fig. 9. Treatment of FRP roving layers with hydrofluoric acid and dye solution.
고강도콘크리트의내화성능용도에따른 FRP 재활용공정개발 213 업자의시각적판단에만의존하던기존의로빙면포확인과정에서의작업자가담당해야하는부담을많이줄일수있게되었다. 비록투입되는폐FRP의조건 ( 로빙면포층의개수및구성배열등 ) 에따라적절한절삭프로그램을수동선택해야함으로완전한자동화를이루었다고보기는어렵지만기존의면포추출기 ( 단순절단방식 ) 에비해효율적이며정확한작업을할수가있게되었다. 기존로빙면포추출기는로빙면포층을추출하는기계로폐FRP를재처리하는데가장핵심이되는기계이며, 기존의로빙면포추출과정은크게 2단계로나눌수있다. 1단계 : 전처리기에서이송된규격화된폐 FRP 블럭을정렬하는단계로공압을이용하여흡착기로폐 FRP를들어올려절삭위치를정렬한다. 2단계 : 정렬된폐 FRP에서로빙면포를추출하는단계로왼쪽부터 1~3번칼날이있다 (Fig. 6) 로빙면포가절삭전단계에들어가면위에설치된칼날이송시스템을조정하여로빙면포층에맞는 1-3번칼날의위치를잡는다. 주축칼날인 2번칼날의절단후 2번칼날의위치에따라움직이는 1, 3번칼날절단작업으로마무리절삭을한다. 기존의추출공정에서는주축 (2번) 칼날의위치선정시작업자의시각적판단에만의지함으로서절단공정의비효율성 ( 정확성및공정효율등 ) 의발생이자주일어나고있어로빙층의염색과비전장치를통한로빙면포추출장치 ( 특허등록 ) 를제작하였다 (Fig. 11). 로빙면포제거를통한매트층추출의구조는다음과같다. 기존의자동화공정에서가장중요한과정은로빙층의추출공정이다. 새롭게고안된매트면포추출공정은기존의원형칼날에의한횡방향절삭방식대신에쐐기형칼날을채택하여종방향으로로빙면포를분리해낸다. 기존의방식은로빙면포만을추출하기위한공정이라면, 본공정은칼날에의해서폐FRP로부터로빙면포층만을절삭하는방식이아닌매트면포층을동시에분리하는 ( 떼어내는 ) 방식이라는점이다 (Fig. 12). 기존의원형칼날은일관성이부족한단점이있다. 파쇄물에서로 Fig. 12. Advanced vision system for layer differentiation. 빙면포조각을떼어낼때처음에는잘절삭되더라도접착력의문제라던가기타여러가지이유로인해한번정렬이어긋나기시작하면로빙면포조각이찢어지는문제가빈번하게발생하였다. 또한굴곡이있는파쇄물일경우굴곡에따른절삭이매우어려우며, 일부성공시에도로빙면포조각이찢어지는문제가발생하였다. 또한이송마력이부족한경우에도원형칼날의회전속도가줄어들게되고로빙면포층이찢어지는또다른원인이되기도하였다. 칼날의이러한문제점들을고려하여기존의횡방향으로절삭하던원형칼날을대신하여종방향으로절삭하는쐐기형칼날을채택함으로써기존의원형칼날이가지고있었던여러문제들을해결하였다. 그러나가장핵심의주된개선은비전시스템응용절단시스템으로서추출해야될로빙면포층의위치를염색을통한크게개선된광학이미지를활용하여컴퓨터가지원하는비전시스템의로빙면포위치분석자료를얻게 (Lee and Yoon, 2013) 된것이다. 따라서주축칼날이송장치지능화의기술을매트층분리과정에적용하여, 충분한수지성분이포함된섬유가루 ( 즉매트층 ) 만을추출할수있게되었다. 주축칼날의이송시스템의완전한지능화는로빙면포추출시로빙면포조각이찢어지는문제및굴곡이있는로빙면포조각을절삭할때에도마찬가지로활용이가능할것이다. 이번개선결과는기존의폐FRP에서로빙면포층만을효과적으로추출함으로써얻게되는대부분의매트층 ( 전체의 6/7) 으로부터수지성분이 60% 이상인섬유가루를얻을수있다는것이다. 따라서건설재료로서가장대표적으로사용되는콘크리트, 특히고강도콘크리트의내진성능및내화성능을개선하는용도로본재활용섬유가루의사용이보장되는것이다. 이는재활용공정전체의경제성확보를가능하게할것으로예상된다. 따라서앞으로도본추출시스템의재활용용도별완전한지능화를위한연구는지속되어야할것이다. 4. 결론 Fig. 11. Advanced distract system with vision system for layer differentiation. 고강도콘크리트의폭렬현상을방지하기위해사용되는섬유는우수한내화성능에도불구하고섬유가고가인점이산업현장에있어가장큰부담으로작용하여왔다. 또한기존로빙층로빙면포추출기를사용하여폐 FRP 선박의재활용시에발생하는잔유물인섬유가루 ( 유리가루와수지가루포함 ) 는환경문제를일으킬수있다.
214 이승희 박종원 윤구영 사전보고된연구결과에따르면, 굳지않은콘크리트와경화콘크리트의압축강도실험의결과, 수지성분의비율이높은섬유가루의경우섬유미혼입콘크리트에비해압축강도감소가없는것으로나타났으며, 또한일정수준이상의수지성분이포함된섬유가루의경우는내폭렬성도갖는것으로보고되었다. 본연구는유의미한수지성분이포함된폐FRP 섬유가루를얻기위한매트층추출공정을다음과같이개발하였다. 1. 본연구는이러한섬유가루의매우유용한활용처로서고강도콘크리트의압축강도및내화성능향상에주목하여유용한섬유가루생산공정을개발하는것을목표로하였다. 기존의 RFRP( 재활용섬유강화 FRP) 에사용되는폐FRP 유리섬유 ( 로빙층분리공정 ) 개발공정을개선하여, 수지성분이주로포함된매트층을효과적으로추출하는공정을개발하였다. 2. 로빙층 ( 유리섬유층 ) 과매트층 ( 수지층 ) 을효율적으로분리하기위하여, 다양한폐FRP 종류별추출공정 (10개의추출프로그램 ) 을개발하였다. 또한로빙층염색과광학적인식기술을활용한로빙층과매트층추출공정을개발하였다. 따라서추출된매트층을활용한수지성분의비율이높은섬유가루 ( 고강도콘크리트내폭렬성용도 ) 의대량생산이가능해졌다. 3. 비록실험실규모의공정개발연구로유용한재활용 FRP 섬유가루의생산공정을완성하였다고할수는없으나, 개발된생산공정을보완하여대량생산용공정개발에활용하는것은충분히가능할것으로사료된다. 5. 기대성과 추가적인연구를통한재활용 FRP 콘크리트섬유가루생산공정의활용은재활용공정의성능의개선은물론폐 FRP 선박의처리비용 ( 잔유물활용도개선 ) 의획기적인감소에따른경제적효과와기존의환경문제의해결에도도움이될수있을것으로기대된다. 연구결과의기대성과는아래와같다. (1) 기술적측면최근들어국내에서도비교적큰규모의지진이발생하면서내진성능이우수한콘크리트구조물에대한수요가급증하고있다. 한편최근들어 100층규모의초고층구조물이계획되면서초고강도콘크리트의개발이절대적으로요구되고있다. 그러나초고강도콘크리트가갖는화재에의한폭렬현상은초고강도콘크리트개발의가장큰문제점으로대두되었다. 본연구에의한내폭열성초고강도 RFRC의실용화에크게기여할수있을것으로기대된다. (2) 환경적측면최근들어엄청난양의폐FRP의발생은큰환경문제를야기하고있다. 본연구를통한폐FRP 섬유가루재활용처의개발은재활용섬유와더불어폐FRP의재활용총량증대를통해환경문제를획기적으로개선할수있을것으로기대된다. (3) 경제적 산업적측면현재국내에서사용되는고강도콘크리트용섬유강화제는대부 분이수입품을사용하여있어재활용섬유가루의활용을통하여수입대체의효과를통한자원절약의이점과함께고부가건설기술의개발로인한국가건설산업의경쟁력강화에도기여할것으로기대된다. 후 기 이논문은홍익대학교학술연구진흥비에의해지원되었음. References [1] Kim, Y.S., Shim, S.M., Yoon, K.Y. and Kim, S.D., 2004, Develoipment of technology for environmentally friendly scrapped FRP ship treatment, Technology for Waste Material Recycling from KIEST. [2] Kim, Y.S., Lee, S.H. and Yoon, K.Y., 2007, A recycling technology for waste FRP by development of FRC and its products, Technology for Waste Material Recycling, Eco-Technopia 21 Project from KIEST. [3] Baek, J.H., Kim, Y.S., Yoon, K.Y., Lee, S.H. and Park, J.W., 2010, Seismic performance of reinforced concrete beam-tocolumn joints strengthened with recycled fibres from fiber-reinforced plastics, Korean, 2010, A recycling technologyhigh of strength concrete reinforced for with recycled fibres from fiberreinforced plastics, Technology for Waste Material Recycling, Eco-Technopia 21 Project from KIEST. [4] Park, J. and Baek, J., 2009, Mechanical properties of high strength concrete reinforced with recycled fibres from fiber-reinforced plastics, Journal of the Architectural Institute of Korea Structure & Construction, Vol. 25, No. 8, pp. 127-134. [5] Park, J.W. and Paek J.H., 2010, Structural performance of reinforced concrete members strengthened with recycled fibres from fiber-reinforced plastics, Journal of the Architectural Institute of Korea Structure & Construction, Vol. 26, No. 7, pp. 37-44. [6] Park, J.W. and Peek, J.H., 2011, Seismic Performance of Reinforced Concrete Beam-to-Column Joints Strengthened with Recycled Fibres from Fiber-Reinforced Plastics, Korean Society of Disaster & Security, Vol. 11, No. 6, pp. 25-30. [7] Shun, D.W., Ghim, Y.S., Bae, D.H., Cho, S.H. and Son, J.E., 1995, Bench - scale fluidized - bed plastic waste pyrolysis, Korea Society of Waste Management, Vol. 12, No. 1, pp 120. [8] Yoo, S.H., 2009, Spalling reduction method of high strength reinforced concrete columns using fibers, Journal of Korean Insitute of Fire Sci. & Eng., Vol. 23, No. 4, pp. 1-6. [9] Lee, S.H., Lee, J.K. and Kim, Y.J., 2012, A study on the chemical pre-treatments suitable for the layer differentiation of FRP waste, Journal of the Korean Society for Marine Environment and Energy, Vol. 15, No. 1, pp. 47-53. [10] Han, C.G., Yang, S.H., Lee, B.Y. and Hwang, Y.S., 1999, A study on the spalling properties of high-performance concrete with the kinds of aggregate and polypropylene fiber contents, Journal of
고강도콘크리트의내화성능용도에따른 FRP 재활용공정개발 215 the Korea Concrete Institute, Vol. 11, No. 5, pp. 69-78. [11] NISTIR 5934, 1996, Fire performance of high-strength concrete : a report of the state-of-the-art, NIST, Dec. [12] Song, H., Hyung, W. K., Do, J.Y. and So, Y.S., 2004, Explosive spalling dependent on compressive strength concrete including silica fume, Journal of Architectural Institute of Korea. Sep. Vol. 20, No. 9, pp. 111-117. [13] Pierre Kalifa, 2001, High-temperature behaviour of HPC with polypropylene fibers from spalling to microstructures, Cement and Concrete Research, Jun. pp. 1487-1499. [14] Yoon, K.Y., Kim, Y.S. and Lee, S.H., 2007, Recycle of the glass fiber obtained from the roving cloth of FRP I: study for the physical properties of fiber-reinforced mortar, Journal of the Korean Society for Marine Environment and Energy, Vol. 10, No. 2, pp. 102-106. [15] Lee, S.H. and Yoon, K.Y., 2013, Developing advanced total recycling method of FRP boats, Journal of the Korean Society for Marine Environment and Energy, Vol. 16, No. 1, pp. 53-59. [16] Lee, S.H., Park, J.W. and Yoon, K.Y., 2014, Compressive strength and fire resistance performance of high strength concrete with recycled fiber powder from fiber-reinforced plastics, Journal of the Korean Society for Marine Environment and Energy, Vol. 17, No. 1, pp. 46-51. [17] Yoon, K.Y., Kim, Y.S. and Paek, J.H., 2009, The extracting system for waste FRP roving layer, Korea Patent No. 10-2009-0008129. Received 7 July 2015 Revised 23 July 2015 Accepted 28 July 2015