[논문]슬러리 충전 강섬유 보강 콘크리트의 압축 및 인장강도 특성

김석기; 최진호

doi:10.4334/jkci.2006.18.5.703

슬러리 충전 강섬유 보강 콘크리트의 압축 및 인장강도 특성
Compressive and Tensile Strength Properties of Slurry Infiltrated Fiber Concrete 원문보기

콘크리트학회논문집 = Journal of the Korea Concrete Institute, v.18 no.5, 2006년, pp.703 - 708

김석기 (단국대학교 토목환경공학과) , 최진호 (단국대학교 토목환경공학과)

초록
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역학적 특성이 개선되고 고성능 건설 재료로 가장 주목받고 있는 슬러리 충전 섬유 콘크리트(SIFCON)의 역학적 특성을 분석하기 위해서 양단 훅크형의 강섬유를 $4{\sim}10%$의 체적비로 혼입하여 시험체를 제작한 후, 압축강도시험과 직접인장시험을 실시하였다. 물-시멘트 비는 0.4, 슬러리의 워커빌리티를 향상시키기 위해 실리카 흄과 유동화제를 각각 시멘트 중량의 10%, 0.5%를 혼입하였다. SIFCON의 강섬유 혼입률별 시험에서 나타난 압축강도는 강섬유가 혼입되지 않은 시멘트 페이스트와 비교 하였을 때 약 $1.59{\sim}2.68$배 증가하였으며, 인장강도는 약 $2.51{\sim}8.77$ 증가하였다. 또한 강섬유의 혼입률이 증가함에 따라 인성과 연성도 크게 향상되는 것을 확인할 수 있었다.

Abstract ▼ AI-Helper

The slurry infiltrated fiber concrete(SIFCON) is recognized as one of the most promising new construction materials. Compressive and direct tensile tests are performed to investigate the mechanical property of SIFCON. Hooked-end steel fibers are used in the mix with fiber volume fraction varied from 4% to 10%. The water/cement ratio is kept constant at 0.4. The amount of silica fume added is 10% by weight of cement and 0.5% of water reducing agent is added to improve the workability of the slurry. The test results in this study show that the compressive strength of SIFCON is about 1.59 to 2.68 times in comparison with the cement paste. Tensile strength is showed the enhancement of about 2.51 to 8.77 times. It is also observed that the toughness and ductility of SIFCON are increased significantly with the increasing in fiber volume fraction.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 압축강도시험과 직접인장강도시험을 통해 강섬유 혼입률에 따른 SIFCON의 역학적 특성을 분석함으로써 이의 활용을 위한 참고자료를 제시하고자 한다.

가설 설정

인장강도 후 영역은 연성파괴를 하며 균열은시험체 파괴단면 전반에 걸쳐 동시에 발생하고 그 후 강섬유의 인발거동에 의해 지배하는 것으로 가정한다. 또한, 균열을 가로지르는 강섬유의 브릿징 효과는 인발변위가 섬유의 절반 길이와 같아질 때 완전히 감소한다고가정한다. 따라서, 응력은 합성체의 인장강도에 의해, 최대하중 이후의 변위는 강섬유의 0.
인장강도 후 영역은 연성파괴를 하며 균열은시험체 파괴단면 전반에 걸쳐 동시에 발생하고 그 후 강섬유의 인발거동에 의해 지배하는 것으로 가정한다. 또한, 균열을 가로지르는 강섬유의 브릿징 효과는 인발변위가 섬유의 절반 길이와 같아질 때 완전히 감소한다고가정한다.

제안 방법

강섬유 혼입률 0%, 4%, 6%, 8%, 10%에 대하여 압축강도 시험체와 직접인장강도 시험체를 제작하였으며, 24 시간 후에 탈형 후, 수중양생을 실시하였다.
강섬유 혼입률의 변화에 따른 SIFCON의 강도 특성을파악하기 위한 일련의 압축파괴 실험과 인장파괴실험에서구한 결과를 분석하여 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
변위측정은 유효측정 범 위 ±5 mm의 PIDT(PI-5-100)를 표점 거리 50 mm 가 되도록 자체 제작한 고정대를 사용하여 시험부재에부착하였다. 또한 piDT의 작동상태의 적정성 여부를 감시 하기 위한 보조 측정 장치 로 유효측정 범 위 10 mm의 LVDT를 시험체 측면에 설치하였다. 인장시험의 실험용장치는 Fig.
05mm/min의 속도로 실시하였다. 변위측정은 유효측정 범 위 ±5 mm의 PIDT(PI-5-100)를 표점 거리 50 mm 가 되도록 자체 제작한 고정대를 사용하여 시험부재에부착하였다. 또한 piDT의 작동상태의 적정성 여부를 감시 하기 위한 보조 측정 장치 로 유효측정 범 위 10 mm의 LVDT를 시험체 측면에 설치하였다.
압축강도시험은 1000kN 용량을 갖는 로드셀을 사용하였으며 재하속도는 0.5 mm/min의 변위제어방식으로 유효 측정범위 30 mm의 LVDT를 설치하여 수직변위를 측정하였다.
원주형 몰드에 강섬유 충전 시, 혼입률 4%, 6%는 진동없이 섬유 뭉침 현상이 생기지 않도록 손으로 골고루뿌려가며 충전이 가능하지만, 혼입률 8%, 10%는 강섬유를 모두 충전할 수 없으므로 판 진동을 주면서 강섬유를 충전하였다. 혼입률 4%의 경우는 슬러리 투입시 판진동을 통해 충전하게 되는데 이때 강섬유가 침하하는현상이 발생하게 된다.
인장강도는 직접인장강도시험으로 100 kN 용량의 로드셀을 사용하여 측정하였으며 재하속도는 변위제어방식으로 0.05mm/min의 속도로 실시하였다. 변위측정은 유효측정 범 위 ±5 mm의 PIDT(PI-5-100)를 표점 거리 50 mm 가 되도록 자체 제작한 고정대를 사용하여 시험부재에부착하였다.

대상 데이터

실리카퓸을 10%이상 사용한 시멘트 페이스트는 그 유동성이 현저히저하되기 때문에 작업성 확보를 위하여 고성능 감수제의사용이 필요하다. 따라서, 본 실험에서는 국내 A사의 멜라민계 고유동화제를 사용 하였으며 제품의 사용법에 따라 시멘트 중량 대비 0.5%를 혼입하였다.
본 실험에서 사용한 강섬유는 국내 I사에서 생산되고있는 ASTM A 820-85 Type I의 강섬유(hooked-type round steel fiber)로 직경 df= 0.5 mm, 길이 If =30 mm이고 형상비가 lf/df=60이다.
슬러리는 국내산 보통포틀랜드시멘트와 노르웨이 E사의 분말형 실리카퓸을 시멘트 중량 대비 10%를 혼입하여 물-시메트비 W/C = 0.40로 제작하였다. 실리카퓸을 10%이상 사용한 시멘트 페이스트는 그 유동성이 현저히저하되기 때문에 작업성 확보를 위하여 고성능 감수제의사용이 필요하다.
시험은 국내 S사의 유압 서보 만능 시험기와 데이터이력기록기를 이용하였다.
압축강도 시험체는 KCI-SF106 “강섬유 보강 콘크리트의 강도 및 인성 시험용 공시체 제작 방법”에 의해 강섬유의 길이가 30 mm이므로 0100x200 mm 의 원주형 공시체를 제작하였다.
직접인장강도시험의 표준 공시체에 대한 규준이 없으므로 본 실험에서는 Fig. 2와 같은 중간 단면 폭 30 mm, 높이는 54 mm의 형상을 사용하였으며, 거푸집은 강섬유충전 상태와 슬러리 침투를 확인하기 위하여 두께 8 mm 의 투명 아크릴 판을 사용하여 제작하였다.

이론/모형

인장강도 이후 SIFCON의 인장 거동을 예측하기 위하여 NavalurkaF)가 제안한 표준화된 응력-변위 개념을 이용하였다. 인장강도 후 영역은 연성파괴를 하며 균열은시험체 파괴단면 전반에 걸쳐 동시에 발생하고 그 후 강섬유의 인발거동에 의해 지배하는 것으로 가정한다.

성능/효과

S1FCONe 보통 콘크리트에 비해 강섬유가 시험체의횡방향 변형을 구속하는 효과로 인해 최대강도 이후 압축인성을 크게 증대시키고, 연성적인 압축파괴 경향을 보이며 혼입률이 증가할수록 그 효과는 큰 것으로 나타났다. 응력-변형률곡선에서 혼입률 8%와 10%에서의 압축강도는 거의 비슷하지만 압축인성은 10%에서 더 크게나타남을 Fig.
강섬유 혼입률에 따른 직접인장시험 결과, 압축강도와달리 강섬유 혼입률 0%와 10%를 비교했을 때 최대 8.7 배에 이르는 높은 강도 증진 효과를 보였으며 강섬유 혼입률이 증가할수록 인장강도는 크게 증가하였다. 혼입률 0%(slurry)의 경우는 Fig.
인장강도 모두 크게 증가하였다. 그러나 강섬유가 보강되지 않은 시멘트페이스트 슬러리와의 상대강도비는 인장강도가 압축강도에 비해 강섬유 보강으로인한 강도 증진 효과가 더 크다는 것을 알 수 있었다. 특히 압축강도는 강섬유 혼입률이 일정치 이상이 되면강도에 미치는 영향이 적으며 단지 연성을 증가시킨다는것을 알 수 있었다.
7에 혼입률별 압축강도와 강섬유가 혼입되지 않은 슬러리 강도에 대한 상대 강도비를 나타내었다. 본 실험의 경우 섬유 혼입률이 10%까지는 섬유 혼입률에 대한 압축강도비는 거의 직선적으로 증가하나 섬유 혼입률의 증가에 따른 탄성계수의 변화는 크지 않음을 알 수 있다.
이는 하중재하방향과 수직되게 배열된 강섬유가 압축강도를 증대시키고 충전되는 강섬유의 혼입량에 따라 그 효과가 증가됨을 알 수 있다. 본실험의 실험결과를 정리한 Fig. 5의 섬유 혼입률에 따른압축응력-변형률곡선에서 혼입률 8%의 경우와 혼입률 10%의 경우 압축강도 증가량의 차가 적음을 알 수 있다. 압축강도를 증가시키는 강섬유의 구속능력은 혼입률이일정치 이상이 되면 압축강도에 미치는 영향이 적은 것으로 판단되며, 이는 섬유와 섬유사이의 간격이 매우 조밀해짐에 따라 그 사이에 침투된 콘크리트와의 구속능력이 저하되기 때문이라 사료된다.
압축강도는 본 실험의 경우 혼입률이 0%인 시멘트페이스트 슬러리의 압축강도에 비해 혼입률 4%에서 10% 까지 크게 증가하였다. 이는 하중재하방향과 수직되게 배열된 강섬유가 압축강도를 증대시키고 충전되는 강섬유의 혼입량에 따라 그 효과가 증가됨을 알 수 있다.
그러나 강섬유가 보강되지 않은 시멘트페이스트 슬러리와의 상대강도비는 인장강도가 압축강도에 비해 강섬유 보강으로인한 강도 증진 효과가 더 크다는 것을 알 수 있었다. 특히 압축강도는 강섬유 혼입률이 일정치 이상이 되면강도에 미치는 영향이 적으며 단지 연성을 증가시킨다는것을 알 수 있었다.

참고문헌 (8)

한천구, 김성수, 박구병, '섬유혼입율 변화에 따른 고강도 섬유보강 콘크리트의 방폭특성', 한국구조물진단학회논문집, 4권 3호, 2000, pp.129-1136
Lankard, D. R. and Newell, J. K. Preparation of Highly Reinforced Steel Fiber Reinforced Concrete Composites, ACI SP-81, 1984, pp.286-306
Homrich, J. and Naaman, A.E., Stress-Strain Properties of SIFCON in Uniaxial Compression and Tension, Report No. UMCE 87-7, University of Michigan, report submitted to AirForce Weapons Lab, 1987
Reinhardt, H. W., 'Optimization of SIFCON Mix', Proceedings of the International Conference on Recent Development in Fiber Reinforced Cements and Concretes, Cardiff, UK, 18-20 September, 1989, pp.11-20
Shah, S. P., 'Do Fibers Increase the Tensile Strength of Cement-Based Matrix?' Journal of ACI Materials, Vol.88, No.6, 1991, pp.595-602
Zeng, J., Klingenberg, P., and Bayasi, Z., Slurry Infiltrated Mat Concrete(SIMCON) for Rehabilitation of Bridges and Pavements, ACI SP-185, 2000, pp.55-68
Naaman, A. E., HPFRCCs: Properties and Application in Repair and Rehabilitation, ACI SP-185, 2000, pp.1-16
Navalurkar, R. K., Hus, C. T., Kim, S. K., and Wecharatana, M., 'True Fracture Energy of Concrete', Journal of ACI Materials, Vol. 96, No.2, 1999, pp.213-225

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동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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