1. 서론21세기를 눈앞에 둔 현재의 금속, 화학공학의 발달은 눈부신 발전을 거듭하여 각종 구조용 신소재의 등장을 통해 강철을 비롯한 각종 재래 구조재료의 퇴장을 강요하기 시작한 지 오래다. 지금까지 인간이 사용 가능한 재료와 응용 가능한 기술로 구조 형식을 발전시켜 왔듯이 우리에게는 새로운 소재를 사용하는데 적합한 새로운 구조 형식의 개발이 필요한 것이다.복합 재료는 1940년대에 개발된 유리섬유 복합재료를 시발점으로 출발하여, 선진국에서는 2000년대에 전투기 자체중량의 40%까지 복합 재료화 한다는 계획을 추진 중이며 우주항공, 방위산업, 자동차, 산업분야(건설,기계) 등에 중요한 위치를 차지하고 있다. 건설분야에서의 복합재료의 용도와 그 이용공법은 시설물의 특성에 따라 아주 다양하게 개발, 활용되고 있다. 복합재료 활용이 가능하게 된 것은 화학분야의 고분자계 신소재가 개발되면서 기존 건설재료와 혼합 병용하여 강도, 내부식성, 내마모성, 내 충격성, 절연성, 단열성, 경량화, 미려한 외관 등의 특성으로 시설물의 내구성과 안전성 등을 확보할 수 있기 때문이다.은 보강재와 모재(결합재)로 되어 있으며 보강재로 이용되고 있는 주요섬유는 탄소섬유(CF), 유리 섬유(GF), 브론섬유(BF)의 무기물질 섬유와 유기물질 섬유인 아라미드 섬유(AF)가 있다. 결합재는 수지계를 사용하며, 섬유재인 보강재를 결합시켜 섬유에 가해지는 힘을 분산시키는 역할을 하고 우수한 내식성, 내열성을 가지고 있어 역학적 특성뿐만 아니라, 화학적 특성의 향상에 기여하고 있다.수지계의 종류는 열경화성 수지와 열가소성 수지로 나눌 수 있고, 열경화성 수지로는 폴리에스테르, 에폭시, 페놀, 폴리이미드 등이 있고, 열가소성수지로는 폴리아미드, 폴리카보네이트, 폴리무틸렌테레프탈레이드, 폴리에테르슬폰, 폴리아미드 이미드, 폴리페닐렌설파이드가 있다.는 보강재 섬유sheet와 결합재인 수지계를 층상으로 배치한 층상복합재료와, 고강도 섬유를 보강재로 하고, 고분자계 수지, 콘크리트,모르타르, 흙 등을 모의 힘에 의해 감겨진다.베일은 부식방지와 보다 나은 표면을 이루기 위해 표면 안팎에 사용한다.3-3 압축성형Mold속에 보강재와 수지의 혼합물을 넣고 Mold를 닫은 다음, 압력과 열을 가하여 재료를 성형하는 방법입니다. 압축성형에 사용되는 재료는 SMC, BMC, Preform, 또는 유리섬유 강화 열가소성 Sheet 등이 있습니다.3-4 라미네이션이것은 건축용 판넬, 전기절연 재료와 같은 Sheet 형태로 재료를 만 들기 위한 공정 입니다. 수지와 결합된 강화재는 수지와 결합되고 두개의 플라스틱 이송 필름사이에 샌드위치 형태로 만들어 집니다. 만들어진 Sheet는 롤러에 감겨집니다.4. 구조물의 새로운 기본개념(복합재료)인류 문화상 새로운 구조개념의 대표적인 구조 형식은 복합재료구조(composite structure)이다. 간단히 말해서 복합재료(composite)란, 두 가지 또는 그 이상의 소재들을 복합적으로 결합시켜 특정 목적을 위해 만들어진 최종 제품을 의미한다. 두 가지 이상의 소재가 결합되는 고로 단일 소재에는 없는 여러 가지 특성을 창출해 낼 수 있다.복합재료의 구성요소는 성능상으로 크게 두 가지 요소로 분류된다. 즉 역학적 특성을 나타내주는 보강재(reinforcement)와 이를 지지 고정시켜 주는 고정재(binder)로 구성되는데, 고정재는 흔히 모재(matrix)라 불리운다. 보강재나 모재의 원료는 금속, 고분자, 세라믹 등 재래의 소재와 최신의 최첨단소재까지 포함해서 모든 소재가 동원될 수 있으며 성능, 가격등을 고려한 최적의 제품을 만들 수 있게 선별, 설계되어 한다. 또 보강재나 모재는 두 가지 이상의 원료가 섞인 hybrid 상태로 사용될 수 있다. 한 극단의 예가 철근 콘크리트의 보강재로 철근과 탄소, 유리 또는 고분자 섬유를 혼합하는 경우이다. 이 소재들 가운데 건설용 섬유로는 유리섬유, 모재로는 폴리에스터나 비닐에스터와 같은 고분자 소재가 주로 사용될 전망이다.인류는 복합재료를 수천년 동안 사용해왔다. 진흙에 짚을 썰어 흙재료로서의 이용은 아직 초보 단계에 있다. 그 주된 원인은 다음 세 가지로 요약될 수 있다.1)이론이 일반 설계 기술자에게는 너무나 어렵다. 설계 사무소나 현장의 건설 기술자들은, 대개 학부 수준의 이론적 배경을 갖고 있다.2)건설 기술자를 위한 포괄적인 교과서/참고서가없다. 주된 이유는 항공우주분야등 신소재 구조 기술자와 건설 기술자는 서로 다른 언어를 사용하고 있는데 있다.3)고급 복합재료의 가격이 높다는 편견이 있다.현재 각종 소재의 가격은 계속 내리고 있고, 경제적이고 효율적인 제작 방법이 나날이 개발되고 있어 설계 방법이 가격 형성에 결정적인 작용을 하고 있다. 기존 재료에 근거한 부적절한 개념에 의한 설계야말로 구조물의 가격이 높게끔 되기 한 장본인인 것이다. 새로운 개념에 근거한 최적설계가 결정적으로 필요한 것이다. 이것은 공사단가의 대소는 설계 개념에 따라 크게 좌우되기 때문이다. 선택의 폭이 방대하고 고려 사항이 무수히 많은 복합재료의 경우 가격은 설계자의 판단 능력에 더욱 크게 좌우된다.복합재료로 교량을 건설할 때를 상상해보자. 먼저 구조물의 경량성으로 인하여 중장비 사용이 극단적으로 감소되고 공기는 몇 달이 아니라 몇 시간대로 된다. 우리 나라와 같은 교통량이 많은 나라에서, 특히 도심지에서 교통난 해소를 위해 고가도로나 육교(overpass)를 건설할 경우, 복합재료 교량을 사용하지 않는 한 지옥과 같은 교통혼란을 몇 달씩 면치 못한다.다음은 내부식성이다. 우리는 이미 여러 가지 구조물에서 부식으로 인한 엄청난 국가적 손실을 입고 있다. 콘크리트 내의 철근은 전기, 화학적작용으로 부식이 진행되고 있다. 새로 건설하는 구조물의 부식방지를 위해서 복합재료 구조물을 건설하는 것은 절대 필수 불가결한 일이며, 또한 기존 구조물의 보수에도 복합재료가 사용되어야 효과적이 된다. 높은 비강도와 비강성 이외에도 강한 내충격력, 높은 피로강도를 갖고 있으며, 중량이 작으므로 (1/10도 가능)지진이나 기타 진동발생시 그 무게 비율로 감소된 관성력을 받게된하게 유지하기 위한 보수보강이 필요하기 때문이다.FRP로 만들어진 복합재료가 몇가지 확고한 기술적인 이유들로 건설시장을 천천히 잠식하고 있다. 그 복합 재료들은 steel(쇠)처럼 부식하지도, 콘크리트처럼 부서지지도 않는다. 또한, 나무처럼 썩지 않으며 높은 강도와,경량이면서도 높은 강성을 가지고 있다. 건설업은 복합재료를 위한 시장으로서, 자동차산업과 트럭산업에 이어 2번째 시장에 해당된다. 지난 10년동안 건설분야 에서의 복합재료 판매는 43% 증가했다.5-2 curtain wallcurtain wall은 mortar 매트릭스에 길이 3-5mm의 pitch계 탄소 섬유를 2-4vol%,혼련하고 ,autoclave로 양생된 것 이다. 종래의 콘 크리트에 비해서 탄소 섬유 강화 mortar의 강도는 2-5배로 되고, curtain wall의 두께를 얇게 할 수 있으므 로 콘크리트에 비해서 무게가 1/2-1/3 로 경량화 되었다. 이 때문에 빌딩 골격에 철골량 이 적게 되었고 공사의 효율을 높 이게 되었다. 물론 공사기간또 한 단축 되 었다.5-3 교량 및 건물에 대한 응용교랑 건설에 대한 복합재료의 응용은 비록 느린 속도이긴 하지만 이미 시작되었다. 독일의 뒤셀도르프(Dusseldorf)시는 세계에서 최초로 복합재료 보강봉을 이용한 콘크리트 도로교가 건설되어 있다. 1986년에 개통된 16m의 폭의 47m 지간을 가진 이 교량은 유리섬유와 폴리에스테르로 된 복합재료 봉으로 프리스트레스한 세계 최초의 PC교이다.오지리(Austria)에서는 부두와 선착장이 볼트로 연결된 blow-moded 복합재료로 건조되었다. 미육군용 공격용 중형(heavy)교량은 장갑차 위에 3개의 연결된 부분까지 운반되게 되어 있는데, 수압식으로 33m 스팬까지 펴질 수 있으며 비지진된 스팬중앙에서 70톤 하중을 지지하는 것으로 알려져 있다.-길이 113m인 횡단 육교가 스코틀랜드의 아버휄디(Aberfeldy)에 세워졌다. 이 교량은 유리섬유 보강 복합재료로 구성되었으며, 40개의 평행한 보강 폴리 에스테르와 비닐에스테르 폴리머 복합재료로 만들어 졌으며 잚은 지간범주 (120-feet(36m이하)에 주안하여 만들었다. 설계개념은 multi-cell box와 orthootropic beam system 이다. 각각의 구성 요소의 무게는 1.590kg보다 적고, 미리 결합시킬 수 있으며, 재래식 장비로 교대에 들어올릴 수 있다. 교량의 결합은 전적으로 단 세명의 인력, 지게차와 경량 호이스트에 으해 수행되었다.상세한 실험결과, 이 교량의 재하능력이 AAS-HTO 시방서 조건의 2배를 초과하는 것으로 나타났다. 최대 재하 죽하중은 51.36톤인데, 이때의 응력은 설계허용능력의 20%보다 작았다. 그것은 교량을 효과적인 비용으로 지을수 있는 것을 증명한다(2,178dollars/㎡). 재료값은 사용이 증가할수록 지속적으로 떨어지는 것이 예상되며, 이 비용은 더욱더 떨어질 것이다.교량에 대해서는 프리스트레싱용 강봉 또는 케이블, 케이블튜브 교량, glulam-CFRP보, T-system 교량, 현수교 및 사장교용 케이블, 고속전철용 교량 등에 대해서 복합재료가 이미 사용되었거나 연구가 진행중이다.-Delaware 부두에서 시공자들이 목재파일 대신 이용하고 있는 유리섬유는, 거대한 선박의 충격을 견뎌낼 만큼 강할 뿐 아니라, 필요한 목재파일의 80%의 양으로 목재파일을 대신할 수 있다. Atlanta의 주차빌딩은, 탄소섬유시트와 수지계의 복합재료를 사용하여 콘크리트의 상판보를 성공적으로 보강하였다. 그리고 Ohio에서는 소형 크레인과 인력으로 31ft 길이의 FRP교량상판을 설치할 수 있었으며, 그것은 50ton의 중량차량을 견딜 수 있다. 플라스틱재료의 새로운 세대 복합재료(composites)는, 전세계의 건설환경을 변화시키고 있다. 복합재료가 가진 경량성, 고강도, 내부식성, 범용성의 특징들은 가격과 시공면에서 획기적 변화를 가져왔다.주재료로 사용하기에는 시방서의 부재와 사용 역사가 짧은 이유로 보수적인 건설관계자들이 아직은 시기상조라 생각하고 있다.
복합재료의 소개복합재료는 두가지 이상의 혼합물로 만들어 진다.유리섬유 강화 복합재료에 있어서, 주요 혼합물은 플라스틱 수지와 강화용 유리섬유가 쓰여지는데,유리섬유를 수지속에 첨가하여 성형 또는 가공공정을 통하여 최종제품의 형상을 만들어 낸다.Resin이 경화되어 딱딱해 지면, 보강재로써의 강도를 지니게 된다.최종 복합재료 제품의 형상은 가공과정에서의 Mold, Die 혹은 가공방법에 따라 다양하게 결정되는데, 복합재료의 주된 강도는 수지 속에 들어있는 유리섬유 제품의 중량, 배열, 종류등에따라 좌우된다. 전형적으로 보강재의 함유량이 높을수록 재료의 강도는 우수하게 나타난다.때론, 유리섬유가 Carbon 혹은 Aramid 와 같은 다른 종류의 강화섬유와 혼합되었을 때, 소위"하이브리드(hybrid)" 일때가 한가지 강화재를 사용했을 때 보다 우수한 물성을 나타내기도 한다.또한, 복합재료는 주로 충진제나 첨가제의 혼합비를 조정하여 성능이나 가공성에 변화를 주기도한다. 모든 Polymer들은 한 두가지 기본적인 그룹, 열경화성 플라스틱과 열가소성 플라스틱으로구분될 수 있다. 열경화성의 혹은 열경화성 수지의 분자구조는 교차결합으로 서로 얽혀있기 때문에한번 경화된 상태가 되면, 환원시킬수 없다.따라서 열경화성 수지는 계란과 비슷한데 한번 요리되면, 본질적으로 같은 상태로 유지가 된다.복합재료에 사용되는 열 경화성 수지로는 불포화 폴리에스터(polyester), 비닐 에스터(vinylester), 에폭시(epoxy), 우레탄(urethan), 페놀(phenolic) 등이 사용된다.한편 열가소성 수지는 선형분자구조를 가지고 있기 때문에, 반복적으로 열을 가하면 soft해지고,냉각시키면 단단해지는 성질을 가지고 있다. 간단히 말해서, 열가소성 수지는 paraffin wax와비슷하며, 가열하면 유동성이 생기고, 냉각하면 유동성이 사라진다.열가소성 수지의 예로는 polypropylene, polyethylene, polystyrene, ABS(acrylonitrile-butad면 장식용으로 많이 쓰인다. 유리섬유 직포(fabric)는 직조방법에 따라 평직, 바스켓직, 능직, 크로푸트직,8축 수자직 등으로 나뉜다. 또한, 두께방향으로 섬유를 보강하여 3차원 보강직포도 쓰이고있는데, 이러한 직포를 쓴 복합재료는 충격에 대한 손상 허용값이 현저하게 증가한다.유리섬유의 성질 및 응용분야는 원료조성에 따라 ,A-유리(고알카리용), C-유리(화학용), E-유리(전기부품용), S-유리(고강도용) 등으로 나눌 수 있다. A-유리는 보통 병유리로 알려져 있는고알카리 유리로서 가장 대표적인 유리이며, 화학물질에 대한 저항성이 높다. 한편, A-유리는 전기적특성이 떨어지므로, 전기절연 등의 목적으로 저 알카리 조성의 E-유리가 사용된다. 현재 대부분의유리섬유 제품은 E-유리섬유로 만들어진다. 특별히 화합물에 대한 저항성이 요구될 경우에는 C-유리가사용되며, 높은 인장강도가 요구될때에는 S-유리가 사용된다. 또 [표 1]에서 보는 바와 같이 S-유리의 인장강도는 E-유리보다 약 40% 가량이나 높다. 따라서, 최신 복합재료에 사용되는 유리섬유는대부분 S-유리이다.유리섬유는 폴리에스테르 수지와 등과 함께, 일상생활에서 많이 접하는 소위 FRP 제품을 만드는데널리 쓰이고 있으나, 보다 나은 기계적 성질이 요구되는 최신 복합재료에서는 S-유리섬유가 주로사용된다.성 질유 리 종 류A(고알칼리용)C(화학용)E(전기부품용)S(고강도용)비 중2.502.492.542.48Mohs 경도-6.56.56.5인장강도(Mpa)*************84585371--26203758538--17242413인장탄성계수22 (Gpa)-69.072.485.5항복변형률 %-4.84.85.7열팽창계수10(㎜/ )8.67.25.05.6열전도도(watt/mhK)--10.4-연화점727749841-유전률(22 )60Hz--5.9 ~ 6.45.0 ~ 5.410Hz6.97.06.35.1손실계수(22 )60Hz--0.0050.00310Hz--0.0020.003부피저항률(22 ,500V DC), -든 공정의 접촉면에서 발생하는 마찰로부터 Filaments를 보호하기 위하여2) Glass Fiber와 수지의 결합이 용이하도록 도와주는 기능을 부여하기 위하여 사용한다.스트랜드 (Strands)Sizing이 도포된후 1~3단계를 거치면서 Filaments들은 여러 가닥으로 합사 되며 이것은 후공정에서 어떤 제품으로 가공되는가에 따라 결정된다.권취기 (Winders)Strands를 감기위하여 고속으로 운전되는 권취기이며 Strands는 회전하는 Collet에 의해 연속적으로 감겨진다.반제품 (Intermediate Package)Winder에 의해 감겨진 반제품은 일정한 형상을 가지게 되며 이것은 후공정에서 여러형태의 제품으로 가공된다.타입-30 로빙 (Type 30 Roving)Winders중 일부는 Strands를 Single-End Roving Package형태로 권취하며 이것은 인발 (Pultrusion)제품과 Filament Winding 제품을 생산하는 고객에게 별도의 가공없이 공급된다.멀티플 엔드 로빙 (Multiple-End Roving)대부분의 반제품은 해사한 후 다시 Multiple Ends 형태의 새로운 Package로 권취된다. 이같은 Conventional Roving은 Spray-up 그리고 Sheet Molding Compound와같은 제품을 생산하는 공정에사용된다.촙스트랜드 매트 (Chopped Strands Mat)반제품의 Strands를 길이 방향으로 일정하게 자른후 여기에 Powder 형태의 Binder와 결합시켜 Mat를 제조한다.촙스트랜드 (Chopped Strands)Strands를 일정한 길이로 절단하여 Oven에서 건조후 제품형태로 포장하며 이제품은 열가소성 (Thermoplastic) 그리고 열경화성 (Thermoset) 수지와 함께 사용된다.컨티뉴어스 필라멘트 매트 (Continuous Filaments Mat)이것은 일반적인 생산방식과는 다른 형태의 제품으로 Bushing 아래로 떨어지는 Strands를 Pull 재료이다. FRP는 비중이 철의 4분의 1, 또 열전도율이 철의180분의 1밖에 되지 않으며, 내식성, 내약품성이 좋고 기계적강도가 좋은 동시에 내구성에도좋은 점이 있어서 금속과 대치하여 모든 설비와 건설기기 및 화학산업에 광범위하게 이용되고있다. 특히 FRP(Fiber glass Reinforced Plastics : FRP)는 합재료 중 가장 대표적인 재료로비강도(단위중량에 대한 강도와 비탄성계수, 단위중량에 대한 탄성계수)가 크고 내부식 및 내구성이우수한점 때문에 항공, 조선, 우주, 자동차 및 레저산업의 재료로 그 이용분야가 점차 확산되어가고 있다.비인장강도는 강재에 비하여 유리섬유에폭시가 11배, 케블라에폭시는 24배나 되며, 비탄성계수는유리섬유에폭시가 0.7배, 탄소섬유에폭시(Graphite Epoxy)는 3.4배가 된다.섬유보강플라스틱의 가격은 아직까지는 비싼편으로 제품가격을 비인장강도로 나눈 값은 강재에비하여 유리섬유에폭시는 2.2배, 탄소섬유에폭시는 12배나 되나 사용분야가 넓어지고 제조방법이발달함에 따라 점차 저렴해지고 있다.FRP는 주로 유럽에서 많이 사용하고 있다. 1987년 현재 유럽에서 연간 소모되는 FRP의 25%가자동차산업에 사용되고 있으며 주요 군용기의 약 25%, 민간항공기의 약 10%가 FRP로 제작되고있다. 건설재료로서 FRP의 이용은 주로 내장재, 욕조, 물탱크 등에 사용되어 왔지만 근래에는주구조재로 이용하려는 경향이 두드러지고 있다.FRP는 비강도가 강재의 8배이상 되기 때문에 적재하중이 작고 고정하중에 의하여 구조체의 단면이결정되는 장경간의 지붕구조에 주로 사용되고 있다.최근에는 교량구조재로도 사용되어 1986년에 오스트리아에서는 기존 부두를 대체하기 위하여FRP교량을 제작하였고, 서독에서도 실험겸 실용을 위한 교량에 복합재료를 이용한 긴장재를사용하였으며 체코슬로바키아와 중국에서도 보행자용 FRP 교량을 건설하였다.국내에도 점차 FRP 재료를 사용하여 구조물을 제작하는 사례가 증가 하고 있으며, FRP 재료는금속이온 레크리에이션(Consumer/Recreation)경량화복합재료는 다른 재료와 비교하여 가벼우면서도 좋은 강도를 갖고 있다. 응용 방법에 따라 경량화가가능하므로 에너지를 감소시키고, 취급이 용이하여 설치시간을 줄일 수 있다.- 우주항공 (Aerospace/Defense)- 수송장비(Transportation)- 의료(Medical)- 레크리에이션(Consumer/Recreation)- 인프라스트럭쳐(infrastructure)설계 다양성여러가지 가공기술, 유리섬유, 수지의 선택으로 대부분의 형태나, 기능성 제품을 만들 수 있다.복합재료 응용은 광물 채취용 선박만큼 큰 것부터, 전기용 코일을 감는 보빈만큼 작은 것까지가능하다.많은 응용방법에 있어서, 성형 후 추가 패인팅 공정이 필요 없으므로 비용을 절감하고, 표면손상이나, 긁힘을 방지할 수 있다. 복합재료의 표면은 Mold나 Die의 표면을 그대로 모사한다.거울과 같은 표면에서부터 직물모양이나 이랑 모양에 이르기 까지 다양합니다.- 수송장비(Transportation)- 레크리에이션(Consumer/Recreation)- 전기/전자(Electrical/Electronics)- 우주항공(Aerospace/Defense)치수 안정성유리섬유를 사용하는 복합소재는 넓은 범위의 온도와 물리적 조건하에서 형상을 유지하는 능력,즉 치수 안정성이 우수하다.- 전기/전자(Electrical/Electronics)- 우주항공(Aerospace/Defense)- 수송장비(Transportation)- 인프라스트럭쳐(Infrastructure)- 건축(Building Construction)내식성복합재료는 철재만큼 부식되지 않고, 목재만큼 썩지 않으며, 콘크리트처럼 깨지지도 않는다. 복합재료는 산이나, 알칼리, 용제 그리고 탄화수소의 부식성에 대해 내성을 가지고 있다.- 인프라스트럭쳐 (Infrastructure)- 레크리에이션(Consumer/Recreation)- 수송장비(Transportation)- 건축(Building Co
건설용도로의 복합재료
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복합재료, 건설, 건축자재, 건축에서의 복합재료, 복합재료의 적용
