초고강도 강섬유 보강 시멘트 복합체의 구성인자가 압축강도에 미치는 영향 Influence of Constitute Factor on the Compressive Strength of Ultra-High Strength Steel Fiber Reinforced Cementitious Composites원문보기
최근 콘크리트의 취성파괴 등의 문제점을 해결하기 위해 다양한 섬유보강 시멘트 복합체가 사용되고 있다. 특히, 미국, 유럽, 일본 등에서 압축강도 100MPa 이상을 지닌 초고강도 섬유보강 시멘트 복합체가 개발되어 주목을 받고 있으나, 국내에서는 이 분야에 대한 연구가 전무한 실정이다. 따라서, 본 연구에서는 목표 압축강도 180MPa에 도달할 수 있는 초고강도 강섬유 보강시멘트 복합체 개발을 목적으로 매트릭스의 구성요소가 압축강도에 미치는 영향을 검토하였다. 실험변수는 물-결합재비의 변화, 실리카퓸의 혼입률, 골재의 입경조절 및 투입비, 충전재의 사용유무, 종류 및 투입비, 강섬유의 사용유무로 하였다. 실험결과, 물-결합재비 0.20에서 실리카퓸, 0.5mm 이하의 석영질 모래, 충전재 및 강섬유를 적절히 사용함으로써 압축강도 180MPa를 확보할 수 있는 초고강도 강섬유 보강 시멘트 복합체를 제조할 수 있음을 보여주었다.
최근 콘크리트의 취성파괴 등의 문제점을 해결하기 위해 다양한 섬유보강 시멘트 복합체가 사용되고 있다. 특히, 미국, 유럽, 일본 등에서 압축강도 100MPa 이상을 지닌 초고강도 섬유보강 시멘트 복합체가 개발되어 주목을 받고 있으나, 국내에서는 이 분야에 대한 연구가 전무한 실정이다. 따라서, 본 연구에서는 목표 압축강도 180MPa에 도달할 수 있는 초고강도 강섬유 보강시멘트 복합체 개발을 목적으로 매트릭스의 구성요소가 압축강도에 미치는 영향을 검토하였다. 실험변수는 물-결합재비의 변화, 실리카퓸의 혼입률, 골재의 입경조절 및 투입비, 충전재의 사용유무, 종류 및 투입비, 강섬유의 사용유무로 하였다. 실험결과, 물-결합재비 0.20에서 실리카퓸, 0.5mm 이하의 석영질 모래, 충전재 및 강섬유를 적절히 사용함으로써 압축강도 180MPa를 확보할 수 있는 초고강도 강섬유 보강 시멘트 복합체를 제조할 수 있음을 보여주었다.
Recently, various fiber reinforced cementitious composites are used in order to solve problems of concrete as the brittleness breaking. Especially, in U.S.A., Europe, and Japan, ultra-high strength steel fiber reinforced cementitious composites(ultra-high strength SFRCC) with compressive strength in...
Recently, various fiber reinforced cementitious composites are used in order to solve problems of concrete as the brittleness breaking. Especially, in U.S.A., Europe, and Japan, ultra-high strength steel fiber reinforced cementitious composites(ultra-high strength SFRCC) with compressive strength in excess of 100 MPa were developed. However few studies have been investigated on the high-strength SFRCC in Korea. Therefore, in this paper, to make ultra-high strength SFRCC with the range of compressive strength 180MPa, it was investigated the constitute factors of ultra-high strength SFRCC influenced on the compressive strength. The experimental variables were water-binder ratio, replacement of silica fume, size and proportion of sand, type and replacement of filling powder, and using of steel fiber in ultra-high strength SFRCC. As a result, in water-binder ratio 0.20, we could make ultra-high strength SFRCC with compressive strength of 180MPa through using of silica fume, quartz sand with below 0.5mm filling powder and steel fiber.
Recently, various fiber reinforced cementitious composites are used in order to solve problems of concrete as the brittleness breaking. Especially, in U.S.A., Europe, and Japan, ultra-high strength steel fiber reinforced cementitious composites(ultra-high strength SFRCC) with compressive strength in excess of 100 MPa were developed. However few studies have been investigated on the high-strength SFRCC in Korea. Therefore, in this paper, to make ultra-high strength SFRCC with the range of compressive strength 180MPa, it was investigated the constitute factors of ultra-high strength SFRCC influenced on the compressive strength. The experimental variables were water-binder ratio, replacement of silica fume, size and proportion of sand, type and replacement of filling powder, and using of steel fiber in ultra-high strength SFRCC. As a result, in water-binder ratio 0.20, we could make ultra-high strength SFRCC with compressive strength of 180MPa through using of silica fume, quartz sand with below 0.5mm filling powder and steel fiber.
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문제 정의
따라서 본 연구에서는 매트릭스의 구성요소가 초고강도 강섬유 보강 시멘트 복합체(이하, 초고강도 SFRCC (Steel Fiber Reinforced Cementitious Con坦osites))의 압축강도에 미치는 영향만을 검토하여, 향후 초고강도 SFRCC 개발에 있어서 기초 데이터로 활용하고자 한다.
본 연구에서 목표로 하는 초고강도 SFRCC의 압축강도 는 180MPa로 이를 위해 Table 1과 같은 실험변수를 통하여 매트릭스 강도에 미치는 영향을 검토하였다
본 연구에서 초고강도 SFRCC를 개발하기 위해 가능한 굵은 골재를 사용하지 않고 0.5 mm 이하의 잔골재 또는 석 영질 모래를 사용함으로써 콘크리트의 균질성을 확보하고, 강도를 향상시키고자 하였다. 일반적으로 굵은 골재를 사용하면 굵은 골재와 모르타르 사이의 계면이 고강도 영역에서 파괴가 발생하여 고강도 콘크리트를 제조하는데 한계 가 있을 것으로 사료된다.
본 연구에서는 실리카 퓸의 첨가비에 따른 초고강도 SFRCC의 압축강도 시험을 하여 최적의 첨가비를 구하고 자 하였다. Fig.
1 절에서 물-결합재비에 따른 영향을 검토한 결과, 물- 결합재비를 낮추는 방법만으로는 시멘트 페이스트와 골재 사이의 계면파괴의 영향으로 RPC가 발휘하는 보편적인 압축강도를 달성하는데 한계가 있는 것으로 분석하였다. 본 연구에서는 이러한 초고강도 SFRCC의 계면파괴를 방지하고 강도 향상을 목적으로 시멘트 페이스트와 골재 사이의 계면 영역에 충전되어 필러 작용을 할 수 있는 충전 재사용을 검토하였다. 충전재 재료로는 충전재 A(입자크기 100/小, 충전재 B(입자크기 10㎛)에 대해 검토하였다.
본 연구에서는 초고강도 강섬유 보강 시멘트 복합체의 적정 매트릭스 구성인자를 도출하기 위해 물-결합재비의 변화 실리카퓸의 혼입률 골재의 입경 조절 및 투입비, 충 전재의 사용 유무 및 종류, 강섬유의 사용 유무에 따른 압축 강도 특성을 분석한 결과, 다음과 같은 결론을 얻었다. 1) 실리카퓸이 강도에 미치는 영향을 검토한 결과, 실리카 흄/시멘트비 0.
본 연구에서는 이러한 초고강도 SFRCC의 계면파괴를 방지하고 강도 향상을 목적으로 시멘트 페이스트와 골재 사이의 계면 영역에 충전되어 필러 작용을 할 수 있는 충전 재사용을 검토하였다. 충전재 재료로는 충전재 A(입자크기 100/小, 충전재 B(입자크기 10㎛)에 대해 검토하였다. Fig.
제안 방법
한편 초고강도 SFRCC의 비빔은 50/용량의 강제식 믹서기(약 40rpm)에 시멘트, 실리카퓸, 충전재 그리고 골재를 넣고 10분간 건비빔을 한 다음, 배합 수에 고성능 감수제를 혼합하여 넣고 10분간 비빔을 실시하였다. 강섬유 혼 입시는 앞선 믹싱 과정을 거친 후 페이스트의 분산 상태를 확인하고 수작업으로 혼입하여 5분간 비빔을 실시하였다.
본 연구에 사용된 초고강도 SFRCC 배합설계는 보통 콘크리트와 같이 단위 체적당의 배합으로 구성하지 않고, 시멘트량을 기준으로 다른 구성재료의 상대적인 비로 설정하였다. Table 4는 실험에 적용된 구성재료의 상대적 배합표이다.
본 연구에서 석영 질 모래의 적정 투입비와 입경을 파악하기 위해 석영 질 모래의 투입비를 시멘트에 대해 1, 1.1, 1.2, 1.3으로 변화시킨 시험과 석영 질 모래 크기 0.3~0.5 mm(A) 와 0.17-0.3 mm(BX 일정한 비율로 변화시킨 시험을 실시하였다.
본 연구에서 초고강도 SFRCC 제조에 사용된 강섬유랑은 콘크리트 체적의 2%를 혼입하였으며, 물-결합재비에 따른 압축강도를 측정하였다
온도 20 ℃, 상대습도 65%가 되는 조건에서 젖은 양생 포를 이용한 습윤양생을 1일간 실시한 후 시험체를 탈형하고, 그 후 온도 90 ±2 ℃에서 고온 수중 양생을 4일 동안 실시하여 20℃에서 상대습도 65% 유지된 상태에서 2일간 양생 후 압축강도를 측정하였다. 이와 같이 온도 90 ±2 ℃에서 고온 양생한 것은 RPCeJi)와 같이 시멘트 복합체의 반응성을 활성화시키기 위해서이다.
20에서 압축 강도가 180 MPa 정도인 초고강도 SFRCC 제조가 가능하였다. 이상과 같이 본 연구에서는 물-결합 재비의 조절실리 카퓸, 0.5 mm 이하 의 석영질모래, 충전재 및 강섬유 등을 적절히 조합하여 사용함으로써 압축 강도 180 MPa를 확보할 수 있는 초고강도 강섬유 보강시멘트 복합체의 적정배합을 제시하였다.
한편 초고강도 SFRCC의 비빔은 50/용량의 강제식 믹서기(약 40rpm)에 시멘트, 실리카퓸, 충전재 그리고 골재를 넣고 10분간 건비빔을 한 다음, 배합 수에 고성능 감수제를 혼합하여 넣고 10분간 비빔을 실시하였다. 강섬유 혼 입시는 앞선 믹싱 과정을 거친 후 페이스트의 분산 상태를 확인하고 수작업으로 혼입하여 5분간 비빔을 실시하였다.
대상 데이터
강섬유는 인성 향상을 목적으로 사용되는 고탄성용 강 섬유(밀도 7.5以冲3, 길이 13mm, 직경 0.2mm, 인장강도 2, 500MPa)를 콘크리트 체적비로 2 %를 혼입하였다.
고성능 감수제는 폴리 칼본산계로 밀도 1.01 g/cm3, 고형 성분 30%의 암갈색 액상 형태를 사용하였다.
본 실험에 사용한 시멘트는 보통 포틀랜드 시멘트이며 혼화재는 실리카퓸을 사용하였다. 이들의 물리·화학적 성질은 Table 2와 같다.
잔골재는 0.5mm 이하의 국내산 모래를 사용하였고, 굵은 골재는 사용하지 않았다 잔골재는 A(밀도 2.62 以cm: 평균입경 0.3Si以 93%)와, B(밀도 2.62g/cm3, 평균 입경 0.17 ~0.3 mm, SiQ> 93%)를 사용하였다.
중전 재는 입자들의 평균 크기가 약 100㈣ 10㎛이고 SiOz 성분이 99% 이상인 재료를 사용하였으며 물리. 화학적 성질은 Table 3과 같다.
이론/모형
초고강도 SFRCC의 압축강도는 50x50x50nm 크기의 시험체를 만들어 KS L 5105에 준하여 측정하였으며, 압축강도 값은 시험체 6개의 평균값이다
성능/효과
본 연구에서는 초고강도 강섬유 보강 시멘트 복합체의 적정 매트릭스 구성인자를 도출하기 위해 물-결합재비의 변화 실리카퓸의 혼입률 골재의 입경 조절 및 투입비, 충 전재의 사용 유무 및 종류, 강섬유의 사용 유무에 따른 압축 강도 특성을 분석한 결과, 다음과 같은 결론을 얻었다. 1) 실리카퓸이 강도에 미치는 영향을 검토한 결과, 실리카 흄/시멘트비 0.2~0.3이 실리카 퓸 적정 첨가비로 나타났다.
2) 0.5 mm 이하 의 석영질모래/시멘트비는 1.1이 압축강도 가 가장 높게 나타났고, 석영질 모래 크기 0.3 ~0.5 mm 와 0.17~0.3mm를 70:30의 비율로 조합하여 사용한 경우가 압축 강도 증진에 가장 유효한 것으로 나타났다.
3) 입자 크기 10㎛ 정도인 충전재를 사용하면, 시멘트 페이스트와 골재계면파괴를 방지하여 초고강도 SFRCC 의 강도를 증진시키며, 충전재/시멘트 비 0.3에서 압축 강도가 가장 크게 나타났다.
3.1 절에서 물-결합재비에 따른 영향을 검토한 결과, 물- 결합재비를 낮추는 방법만으로는 시멘트 페이스트와 골재 사이의 계면파괴의 영향으로 RPC가 발휘하는 보편적인 압축강도를 달성하는데 한계가 있는 것으로 분석하였다. 본 연구에서는 이러한 초고강도 SFRCC의 계면파괴를 방지하고 강도 향상을 목적으로 시멘트 페이스트와 골재 사이의 계면 영역에 충전되어 필러 작용을 할 수 있는 충전 재사용을 검토하였다.
4) 강섬유를 혼입함으로써 압축 강도 증진 효과가 있는 것으로 나타났으며, 물-결합 재비 0.20에서 압축 강도가 180 MPa 정도인 초고강도 SFRCC 제조가 가능하였다. 이상과 같이 본 연구에서는 물-결합 재비의 조절실리 카퓸, 0.
4는 골재 입경 변화에 따른 압축강도 변화이다. 동일한 크기의 골재를 사용한 경우보다는 입경이 다른 골재를 조합하여 사용하는 것이 강도 증진에 유리한 것을 알 수 있었으며, 그 가운데에서도 골재 A 70%와 골재 8 30%를 조합하여 사용할 경우 압축강도가 가장 크게 나타났다.
실험 결과, 물-결합재비가 감소할수록 압축강도가 증진되는 효과가 있으나, RPC가 발휘하는 보편적인 압축강도인 160~200 MPa%!〕상당히 부족한 것으로 나타났다 콘크리트 파괴는 시멘트 페이스트(또는 모르타르) 파괴, 골재 파괴, 시멘트 페이스트와 골재의 계면파괴로 구분된다. 본 연구의 물-결합재비에 따른 강도 결과에 의하면, 현재의 시멘트 복합체는 시멘트 페이스트 파괴에 의해 강도가 좌우된 것이 아니라, 골재 파괴 또는 계면파괴에 의해 강도가 좌우된 가능성이 높다. 여기서 시멘트 페이스트와 골재의 계면파괴는 중 전재를 사용함으로써 방지할 수 있을 것으로 판단된다.
실험 결과, 압축강도는 실리카 퓸 첨가비 0.25에서 가장 높고, 그 이상의 첨가비부터는 강도가 저하되었다.
5는 충전재의 입경 크기에 따라 압축강도를 실험한 결과이다. 실험 결과, 입자 크기 100㎛인 충전재 A는 강 도증진 효과가 거의 없으나, 입자 크기 10网1인 충전재 B 는 충전재를 사용하지 않은 Non 시험체에 비해 55MPa (31%) 정도 강도가 증진되는 것으로 나타났다.
이 결과에 의하면, 충전재는 시멘트와 골재 사이의 계면에 충전되어 필러 역할을 통해 강도가 증진되는데 이를 위해 충전재 입자는 10/® 정도가 강도 증진에 효과적인 것으로 분석되었다.
이상과 같이 본 연구에서는 실리카퓸과 강섬유를 제외한 국내산 재료를 적극적으로 활용하여 제조한 초고강도 SFRCC에 있어서 적정의 매트릭스 구성인자를 검토한 결과, 압축강도 180MPa를 상회하는 초고강도 SFRCC 배합이 도출되었다.
이상과 같이 실리카 퓸이 강도에 미치는 영향을 검토한 결과, 0.2~0.3 정도가 적정의 실리카 퓸 첨가비로 판단되었다. 향후 보다 경제적인 초고강도 SFRCC를 제조하고자 실리카퓸 이외에 플라이애쉬, 고로슬래그 미분말 등의 사용을 검토할 예정이다.
후속연구
이상과 같이 물-결합재비에 따른 강도에 미치는 영향을 검토한 결과, 물-결합재비를 낮추는 방법만으로는 초고강 도 SFRCC를 제조하는데 한계가 있으므로 충전재 사용 방법 등을 함께 검토할 필요가 있다.
향후 초고강도 SFROC의 휨. 인장강도 등의 역학적 특성, 내구적 특성, 양생 방법, 시공 방법 및 실제 구조물 적 용성 평가 등 보다 구체적인 연구를 진행할 예정이다.
3 정도가 적정의 실리카 퓸 첨가비로 판단되었다. 향후 보다 경제적인 초고강도 SFRCC를 제조하고자 실리카퓸 이외에 플라이애쉬, 고로슬래그 미분말 등의 사용을 검토할 예정이다.
10과 같이 정리할 수 있다. 향후 실리카 퓸을 대체할 수 있는 재료의 개발과 강섬유의 국내생산 문제가 해결된다면 기존의 RPC나 CRC와 같은 초고강도 SFRCC를 외국의 값비싼 재료를 사용하지 않고 보다 경제적으로 제조할 수 있을 것으로 판단된다.
향후 초고강도 SFROC의 휨. 인장강도 등의 역학적 특성, 내구적 특성, 양생 방법, 시공 방법 및 실제 구조물 적 용성 평가 등 보다 구체적인 연구를 진행할 예정이다.
참고문헌 (13)
Naaman, A. E., Reinhardt, H. W., 'High Perjonrance Fiber Reinforced Cement Composites 2 (HPFRCC2),' E&FN SPON, Jun. 1905
Pierre, R., 'Ultra-High Performance Fiber Rein forced Concretes,' Concrete International, ACI, Vol.23, No.12, Dec. 2001, pp.46-52
Richard, P., Cheyrezy, M. H., 'Reactive Powder Concretes with High Ductility and 200-800 MPa Compressive Strength,' ACI Spring Convention, SanFrandsco, ACI SP 144-24, 1994, pp.507-518
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Lankard, D. R., 'Slurry Infiltrated Fiber Concrete (SIFCON),' Concrete International, Vol.6, No.12, The. 1984, pp.44-47
Sung-Wook Kim, Kyung-Taek Koh, Jung-un Park, Su-Tae Kang and Nadarajah Gowripalan, 'A Study of Mechanical Characteristics of the Modified Ultra High Performance Concrete with varied Components,' Proceedings of the First International Caference of Asian Concrete Federation, 2004, pp.534-543
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