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문제 정의
- 강섬유 형상비, 혼입률 및 형상이 강섬유 보강 콘크리트의 강도증진에 미치는 영향에 대해서 알아보기 위하여, 총 7편의 논문을 비교, 검토하였다. 강섬유 보강 콘크리트의 재료특성에 관한 대표적인 장동일1) 박승범2), 문제길3) 서상교4), 부척랑5) 오병환6) 및 정환옥7)의 연구내용에서 강섬유의 형상은 직선형에서, 양단고리형 그리고 최근의 원형까지 다양하게 변천되었고, 형상비, 혼입률이 재료 특성에 영향을 미치는 것을 확인할 수 있었다.
- 성능 시험을 수행한다. 또한 재료의 강도특성이 부재에 미치는 영향을 평가하기 위하여 강섬유 계수 및 혼입률의 수준에 따른 강도특성을 평가한다.
- 본 연구에서는 구조부재에 영향을 미치는 강섬유 보강 효과를 평가하기 위하여 SFRC의 강도 및 변형 특성에 대한 성능 시험을 수행한다. 또한 재료의 강도특성이 부재에 미치는 영향을 평가하기 위하여 강섬유 계수 및 혼입률의 수준에 따른 강도특성을 평가한다.
제안 방법
- 4.1 절의 강도특성과 아울러 압축강도 시험시 측정되는 압축응력-수직변형도 곡선, 휨강도 시험시 측정되는 하중 -변위 곡선 및 하중-변위 곡선의 면적으로 산정되는 휨인성계수를 포함한 강섬유 보강 콘크리트의 변형특성을 평가하였다. 강섬유 보강 콘크리트 압축강도 시험시 측정되는 압축응력-수직변형도 곡선을 Fig.
- 강섬유 보강 콘크리트의 재료특성에 관한 대표적인 장동일1) 박승범2), 문제길3) 서상교4), 부척랑5) 오병환6) 및 정환옥7)의 연구내용에서 강섬유의 형상은 직선형에서, 양단고리형 그리고 최근의 원형까지 다양하게 변천되었고, 형상비, 혼입률이 재료 특성에 영향을 미치는 것을 확인할 수 있었다. 기존 결과1-7)들의 강섬유 혼입률(Vf)에 대한 압축강도(fck), 할렬인장강도(fsp), 휨강도(fb)의 강도증진효과를 평가하기 위하여 강섬유 비보강시험체와 보강시험체의 상대비(relative ratio) 상관으로 정리하였으며, 이를 Figs. 1, 2에 강섬유 길이로 구분하여 나타내었다.
- 보통강도 콘크리트에 있어서 형상비에 대한 강섬유 보강효과를 평가하기 위하여 강섬유 형상비 및 강섬유 혼입률을 변수로 압축강도 (fck), 할렬인장강도 (fsp), 휨강도 (fb) 및 휨인성계수(f'b)에 대하여 평가하였다(Table 1 참조). 사용 강섬유는 국내 C사의 양단고리형이며, 강섬유 길이를 지름으로 나눈 형상비 67, 75, 80의 기성품을 사용하였다.
- 본 연구에서는 SFRC의 강도 및 변형 특성에 대한 성능 시험을 수행하였으며, 주요한 연구내용은 다음과 같다
- 아울러 강섬유 계수에 따른 할렬인장강도 및 휨강도의 상대비를 통하여 SFRC의 재료 특성을 평가하였다.
- 1, 2에 강섬유 길이로 구분하여 나타내었다. 여기서 강섬유 길이와 형상(shape)에 대한 영향을 검토하기 위하여 콘크리트표준시방서 해설8)에 의거 구조용 강섬유 길이가 굵은골재 치수의 1.5배(#40 mm) 이상인 경우와 아닌 부분으로 분류하였으며, 그래프상에 점선으로 직선형(straight)과 양단고리형(hooked end)을 따로 구분하였다. 압축강도는 직선섬유의 경우 혼입률 Vf 2.
- 사용 강섬유는 국내 C사의 양단고리형이며, 강섬유 길이를 지름으로 나눈 형상비 67, 75, 80의 기성품을 사용하였다. 혼입률은 콘크리트 체적의 0.0%, 1.0%, 1.5%, 2.0%, 콘크리트의 설계강도는 24N/㎜2로 계획하였다. 여기서 형상비는 섬유길이 60 mm를 기준으로 지름의 크기를 변경한 것으로 형상비 67, 75, 80에 대한 각각의 지름은 0.
대상 데이터
- 참조). 사용 강섬유는 국내 C사의 양단고리형이며, 강섬유 길이를 지름으로 나눈 형상비 67, 75, 80의 기성품을 사용하였다. 혼입률은 콘크리트 체적의 0.
성능/효과
- Fig. 4(a)의 형상비 AR 67의 경우 Vf 2.0%까지 할렬인장 강도 휨강도가 증진되는 것으로 나타났으며, 압축강도의 증진은 미흡한 것으로 나타났다. Fig.
- Fig. 4(b)의 형상비 AR 75의 경우 Vf 2.0%까지 휨강도 및 할렬인장강도 증진이 우수한 것으로 나타났다. 압축강도의 증진도 다소 있는 것으로 평가되었으나 그정도는 매우 미미한 것으로 판단된다.
- 그리고 Fig. 4(c)의 AR 80 경우 Vf 1.0%일 때 제일 우수한 보강 효과가 있는 것으로 나타났으며, 1.5%, 2.0%의 강섬유 보강효과는 1%에 비해 떨어지는 것으로 나타났다.
- .1) 강섬유 보강에 따른 압축강도의 증진은 다소 있는 것으로 평가할 수 있으나, 이는 할렬인장강도, 휨강도 증진에 비하면 매우 적은 것으로 판단된다.
- 2) 할렬인장강도 및 휨강도는 양단고리형을 사용할 때, AR 75이하의 Vf 2.0%까지 증가함에 따라 증진되는 것으로 나타났으며, AR 80이상의 Vf 1.0%의 경우의 능력증진이 우수한 것 으로 나타났다. 또한 40 mm이상의 섬유는 콘크리트내 섬유부착을 돕고 강도 성능 증진에 많은 영향을 미치는 것으로 판단된다.
- 3) 응력-변형도 곡선, 하중-변위곡선 및 휨인성 계수로부터, 강섬유 보강은 구조물 변형능력을 중분히 증진시키는 것으로 판단된다.
- 4) 이상의 연구결과로부터 구조용으로 적합한 강섬유의 길이는 40mm이상의 형상비 67, 75로 판단되며, 시공성을 고려한 최대 강섬유 혼입률은 콘크리트 체적의 1.5%가 적절한 것으로 판단된다.
- 5) 기존 연구와 본 연구를 통계적으로 추정한 결과, 강섬유 계수, 할렬인장강도, 휨강도가 주요한 특성인자로 판단된다.
- 10에 나타내었다. 강섬유 혼입률에 따른 강도증진은 강섬유 계수와 거의 유사한 경향을 나타내었으나, 추세선의 경향으로 보면 결과의 분산 정도가 섬유 계수의 경우보다 큰 것으로 평가되었다. 따라서 SFRC의 강도 특성을 평가하기에는 부적한 것으로 판단된다.
- 이에 의하면 AR 67, 75 경우 강섬유 혼입률이 증가함에 따라 휨인성 계수 증진효과가 있는 것으로 평가되었다. 강섬유 혼입률에 따른 휨인성 계수의 상대비는 휨강도 상대비와 유사한 경향을 보이며, AR 67 및 75의 경우 혼입률 증가에 에너지 흡수 능력이 향상되었다. AR 80의 경우 Vf 1.
- 따라서 시공성, 작업여건 등을 고려할 경우 AR 67, 75 및 Vf 1.5% ~ 2.0% 전후의 강섬유를 사용하는 것이 적절할 것으로 판단된다.
- 이때 Y축의 상대강도비는 비보강 실험체를 기준으로 한 것이다. 압축강도는 강섬유 계수가 증가하여도 별다른 증진이 없는 것으로 평가되었으며, 할렬인장강도 및 휨강도는 섬유증가에 따른 강도증진효과가 명확히 나타났다.
- 5배(#40 mm) 이상인 경우와 아닌 부분으로 분류하였으며, 그래프상에 점선으로 직선형(straight)과 양단고리형(hooked end)을 따로 구분하였다. 압축강도는 직선섬유의 경우 혼입률 Vf 2.0%까지 강도가 증가하였으며, 양단고리형은 혼입률 Vf 1.5%까지 강도증진 후 Vf 2.0%까지 강도가 떨어지는 것을 볼 수 있었다. 압축강도에 있어 강섬유의 길이가 증가함에 있어 강도증진효과는 거의 차이가 없는 것으로 나타났으며, 이는 1996년 박승범의 연구결과9)에서 확인할 수 있었다.
- 이상 기존 연구와 본 연구를 통계적으로 추정한 결과, 강섬유 보강 콘크리트의 재료를 평가하는 특성인자론 강섬유 혼입률 보다는 강섬유 계수가 적절한 것으로 판단된다. 아울러 강섬유 계수에 따른 할렬인장강도 및 휨강도의 상대비를 통하여 SFRC의 재료 특성을 평가하였다.
- 이상의 결과로부터 AR 67, 75 경우 Vf 2.0%까지, AR 80 Vf 1.0%까지 우수한 보강효과가 있는 것으로 판단되며, 할렬인장강도 및 휨강도의 증진이 압축강도 증진보다 우수한 것으로 판단된다. 형상비(AR)가 커질수록, 혼입되는 강섬유 개수가 많을수록 Vf 1.
- 5에 나타내었다. 이에 의하면 강섬유 비보강 시험체는 최대하중 이후 명백한 취성파괴를 나타내었으며, 강섬유 보강시험체는 최대하중 이후 취성적인 특성이 개선됨을 확인할 수 있었다. 응력-변형도 곡선은 강섬유 혼입률이 증가됨에 따라 곡선 기울기(즉, 탄성계수)가 비례적으로 변하지 않는 것으로 나타났으며, 이는 기존연구에서도 확인할 수 있는 형상이었다.
- 할렬인장강도 및 휨강도 시험 결과는 기존보다 본 시험결과가 우수한 것으로 나타났다. 전체적으로 본 시험결과가 기존 연구 결과보다 큰 값으로 평가되었는데, 본 시험에서는 1차로 비빈 SFRC를 다시 한번 더 비빔에 의해 감섬유가 고루 콘크리트에 분포됨에 기인한 것으로 판단된다. 향후 강섬유 혼합 시간, 혼합 횟수 및 방법 (mixing method)의 표준화가 필요한 것으로 판단된다.
- 5%까지 보강효과가 명백함을 검증할 수 있었다. 할렬인장강도 및 휨강도 시험 결과는 기존보다 본 시험결과가 우수한 것으로 나타났다. 전체적으로 본 시험결과가 기존 연구 결과보다 큰 값으로 평가되었는데, 본 시험에서는 1차로 비빈 SFRC를 다시 한번 더 비빔에 의해 감섬유가 고루 콘크리트에 분포됨에 기인한 것으로 판단된다.
- 그리고 혼입률이 증가함에도 불구하고 압축강도가 떨어지는 현상이 나타나는데, 이는 강섬유가 콘크리트에 골고루 분산되지 않는 섬유뭉침(fiber-balling)으로 인하여 강도가 감소된 것으로 판단된다. 할렬인장강도는 Vf 2.0 %까지 선형적으로 강도증진 양상이 나타났으며, 섬유길이가 40mm이상일 때, 직선형 강섬유보다 양단고리형의 강섬유가 강도증진이 우수한 것으로 나타났다. 휨강도는 Vf 2.
- 0%까지 우수한 보강효과가 있는 것으로 판단되며, 할렬인장강도 및 휨강도의 증진이 압축강도 증진보다 우수한 것으로 판단된다. 형상비(AR)가 커질수록, 혼입되는 강섬유 개수가 많을수록 Vf 1.0% 초과시 섬유의 뭉침 등에 의하여 보강효과가 떨어지는 것으로 평가되었다.
- 0 %까지 선형적으로 강도증진 양상이 나타났으며, 섬유길이가 40mm이상일 때, 직선형 강섬유보다 양단고리형의 강섬유가 강도증진이 우수한 것으로 나타났다. 휨강도는 Vf 2.0%까지 할렬인장강도보다 우수한 강도증진을 보였고, 40mm이상의 강섬유, 양단고리형의 강섬유가 직선형 형상보다 강도 증진효과가 크게 나타났다. 이는 강섬유가 콘크리트의 균열면을 잡아주는 브리징효과에 있어 길이가 짧은 강섬유보다 긴 강섬유가 콘크리트와 부착력을 증가시켜 휨 및 인장강도 증진에 영향을 미치는 것으로 판단된다.
후속연구
- 전체적으로 본 시험결과가 기존 연구 결과보다 큰 값으로 평가되었는데, 본 시험에서는 1차로 비빈 SFRC를 다시 한번 더 비빔에 의해 감섬유가 고루 콘크리트에 분포됨에 기인한 것으로 판단된다. 향후 강섬유 혼합 시간, 혼합 횟수 및 방법 (mixing method)의 표준화가 필요한 것으로 판단된다.
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