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문제 정의
- 따라서 본 연구에서는 FRC의 성능향상과 소성수축으로 인하여 발생하는 균열을 저감할 목적으로 NY 섬유를 사용한 콘크리트의 제반공학적 특성을 실무 현장에서 많이 보급되어 사용되고 있는 셀룰로오스 섬유(Cellulose fiber : 이하 CEL) 콘크리트와 상호 비교하여 그 특성에 대하여 분석하고자 한다.
- 본 연구에서는 NY 섬유 및 CEL 섬유가 콘크리트의 특성에 미치는 영향을 분석하기 위한 연구로서, 그 결과를 요약하면 다음과 같다.
가설 설정
- 것이다. 그래프 중 실선으로 표시한 것은 실측압축강도를나타낸 것이고, 점선으로 표시한 것은 공기량의 영향을 없애고비교하기 위하여 공기량 1% 증가에 대한 압축강도 감소를 5% 로 가정하여 보정한 값을 나타낸 것이다.
제안 방법
- 본 연구의 실험계획은 표 1과 같다. 먼저, 플레인 배합은 설계 기준강도 24MPa인 국내 모레미콘사의 배합자료를 참조하여 W/C 52%로 계획하였고, 목표 슬럼프 및 목표 공기량을 각각 180± 15mm, 4.5 ±1.5%가 되도록 배합설계 하였다. 섬유의 경우는 NY 섬유 및 CEL 섬유의 혼입량을 각각 0, 0.
- 본 연구의 실험방법으로, 콘크리트의 흔합은 강제식 팬타입믹서를 사용하여 혼합하였다. 이때, NY 섬유 및 CEL 섬유는섬유날림 현상을 방지하기 위해서 물을 넣고 비빈 콘크리트에첨가하는 것으로 하였다.
- 5%가 되도록 배합설계 하였다. 섬유의 경우는 NY 섬유 및 CEL 섬유의 혼입량을 각각 0, 0.6, 0.9, 1.2kg/irf의 4수준으로 결정하여 총 7배치를 실험 계획하였다.
- 소성수축균열에 대한 실험 조건은 3O±3℃의 온도와 40±3%의 상대습도에서 콘크리트표면에 4~4.5m/sec의 바람을 24시간 작용시켜 소성수축 균열을 유발하고, 균열폭과 길이를 측정하여 균열면적을 산출하였다.
- 사용하여 혼합하였다. 이때, NY 섬유 및 CEL 섬유는섬유날림 현상을 방지하기 위해서 물을 넣고 비빈 콘크리트에첨가하는 것으로 하였다.
- 이때, 균열은 실을 사용하여 균열 성상대로 가지런히 늘어뜨린 후에 균열길이를 측정하였으며, 균열폭은 균열 게이지를 사용하여 측정한 후 균열길이와 균열폭을 곱하여 균열면적을 구하였다.
- 한편, 내충격성 시험은 KS F 2221에 의거 낙하높이 300mm 의 시험 장치를 제작한 후 전자석을 설치하여 1000g의 쇠 구슬을 500X400X30mm의 콘크리트 시편(기건상태)에 자유 낙하 시켜 낙하에 의해 첫 번째 균열이 나타난 횟수와 시편이 파괴되기까지의 횟수를 측정하도록 하였다.
- 한편, 소성수죽 균열 실험은 그림 2와 같이 500X500X 50mm의 실험 시편을 제작하여, 시편의 중앙에 콘크리트를 구속하기 위해서 0200mm PVC링을 설치하였으며, 바닥으로부터의 구속을 최소화하기 위해서 비닐막을 설치하였다. 소성수축균열에 대한 실험 조건은 3O±3℃의 온도와 40±3%의 상대습도에서 콘크리트표면에 4~4.
대상 데이터
- 골재로서 잔골재는 충북 청원군산 강모래를 사용하였고, 굵은골재는 경남 진해시 용원산 25mm 부순 굵은골재를 사용하였는데, 골재의 물리적 성질은 표 4와 같다.
- 본 실험에서 사용한 시멘트는 국내 H사산 보통 포틀랜드 시멘트를 사용하였는데, 그 물리적 성질은 표 3과 같다.
- 섬유 보강재로써 NY 섬유는 K사의 제품을 사용하였고, CEL 섬유는 S사의 제품을 사용하였는데, 각 섬유의 형태는 그림 1과 같고, 물리적 성질은 표 5와 같다. 혼화제로써 고성능 감수제는 국내산 K사의 나프탈렌계를 사용하였고, AE제는 국내산 K사의 음이온계를 사용하였는데, 그 물리적 성질은 표 6과 같다.
- 1과 같고, 물리적 성질은 표 5와 같다. 혼화제로써 고성능 감수제는 국내산 K사의 나프탈렌계를 사용하였고, AE제는 국내산 K사의 음이온계를 사용하였는데, 그 물리적 성질은 표 6과 같다.
이론/모형
- 건조수축 길이변화율은 KS F 2424 규정에 의거 다이 얼 게 이지법으로 측정하였다.
- 경화 콘크리트의 실험으로 압축강도 시험은 9 100X200mm 공시체를 KS F 2403 규정에 따라 제작하고, 계획된 재령에서 KS F 2405에 의거하여 측정하였으며, 인장강도는 KS F 2423, 휨강도는 KS F 2408의 규정에 의거하여 측정하였다.
- 굳지않은 콘크리트의 실험으로 슬럼프는 KS F 2402, 슬럼프 플로우는 KS F 2594, 공기량은 KS F 2421 규정의 공기실 압력 법에 의거 측정하였다. 블리딩 시험은 KS F 2414에 따라 블리딩수를 측정한 후 블리딩량으로 평가하였고, 응결시간은 KS F 2436의 프록터 관입침 저항시험방법에 의거 실시하여 시간 경과에 따른 관입하중을 산정하고, 초결과 종결시간을 측정하였다.
- 의거 측정하였다. 블리딩 시험은 KS F 2414에 따라 블리딩수를 측정한 후 블리딩량으로 평가하였고, 응결시간은 KS F 2436의 프록터 관입침 저항시험방법에 의거 실시하여 시간 경과에 따른 관입하중을 산정하고, 초결과 종결시간을 측정하였다.
성능/효과
- 1) 유동성은 섬유 혼입량이 증가함에 따라 NY 섬유 및 CEL 섬유 공히 감소하였는데, NY 섬유의 친수성에 기인하여 CEL 섬유보다 적게 감소되었다. 공기량은 섬유 혼입량이증가함에 따라 섬유 상호간의 미세공극이 증가하여 다소증가하였으며, 단위용적질량은 공기량 증가로 인해 감소하였다.
- 2) 공기량은 플레 인과 비교하여 ±1.5%이 내 인 경우 양호, ±1.5~2.5%일 때 보통, 그 이 상은 불량으로 평 가함.
- 2) 최종 블리딩량은 섬유의 혼입량이 증가함에 따라 잉여수의 상승을 억제하여 감소하였으며, 응결시간 또한 섬유에의한 잉여수의 구속으로 플레인에 비해 지연되었다.
- 3) 블리딩은 플레인과 비교하여 ±25%이내인 경우 보통, 그 이하는 양호, 그 이상은 불량으로 평가함.
- 3) 소성수축 균열의 경우 전반적으로 섬유혼입률이 증가할수록 감소하는 경향을 보였는데, 특히 NY 섬유 혼입시 현저하게 감소하였는데, 이는 섬유길이가 상대적으로 길어 콘크리트 매트릭스내 섬유의 네트워크 형성에 보다 양호하게 기여하기 때문으로 분석된다.
- 4) 강도특성으로 섬유 종류 및 혼입량별로는 CEL 섬유보다 NY 섬유가 전반적으로 우수한 강도특성을 보였으며, 0.9kg/rf 혼입까지는 압축강도가 증가한 후 감소하였다. 인장강도 및 휨강도는 압축강도와 비슷한 경향을 보였으며, 충격저항성은 NY 섬유 0.
- 4) 소성수축균열은 플레인과 비교하여 ±25%이내인 경우 보통, 그 이하는 양호, 그 이상은 불량으로 평가함.
- 5) 응결시간은 플레인과 비교하여 ±1시간 이내인 경우 양호, ±1~2시간인 경우는 보통, 그 이상은 불량으로 평가함.
- 6) 압축강도, 인장강도 및 휨강도는 플레인과 비교하여 ±5%이내인 경우 보통, 그 이상은 양호, 그 이하는 불량으로 평가함.
- 7) 충격강도는 플레인과 비교하여 ±5%이내인 경우 보통, 그 이상은 양호, 그 이하는 불량으로 평가함.
- 8) 길이변화율은 플레인과 비교하여 ±5%이내인 경우 보통, 그 이하는 양호, 그 이상은 불량으로 평가함.
- 낙하횟수를 나타낸 것이다. CEL 섬유는 섬유혼입량 증가에 따라 플레 인에 비해 낙하횟수는 증진되지만, 첫 균열발생에서 최종파괴까지의 낙하횟수는 5회 미만으로써 CEL 섬유가시험체 내에서 연성 이 거의 작용하지 않는 것으로 분석된다.
- NY 섬유 및 CEL 섬유의 혼입량이 증가함에 따라 소성수축균열은 플레인보다 감소하였는데, 이는 콘크리트 매트릭스 내에 섬유가 네트워크를 형성하여 빠른 건조에 의해 표면이 수축할 때 섬유의 인장응력이 작용하여 균열을 저감시키는 것으로 사료되며, 섬유길이가 짧은 CEL 섬유보다 상대적으로 섬유길 이가 긴 NY 섬유 혼입시 소성수축 균열 제어에 더욱 효과적인 것으로 분석된다.
- 경화 콘크리트의 특성에서 강도는 공기량을 보정한 강도를 사용하였는데, 압축강도는 NY 섬유 0.6kg/ni~0.9 kg/rf, CEL 섬유 0.9kg/rf 혼입시 우수한 강도특성을 보였다. 인장강도는 CEL 섬유보다 NY 섬유 혼입시 증가하였고, 휨강도 역시 NY 섬유를 혼입한 수준에서 양호하였다.
- 나타낸 것이다. 공기 량은 섬 유 혼입 량이 증가함에 따라 NY 섬유 및 CEL 섬유 공히 다소 증가하는 경향이었는데, 이는 기존의 연구결과®에서 보듯이 섬유의 혼입량이 증가할수록 섬유와 시멘트 매트릭스사이의 미세공극이 증가하기 때문인 것으로 사료되며, 분산성 이 양호한 NY 섬유가 CEL 섬유에 비해 공기량이 증가되었다.
- 섬유보다 적게 감소되었다. 공기량은 섬유 혼입량이증가함에 따라 섬유 상호간의 미세공극이 증가하여 다소증가하였으며, 단위용적질량은 공기량 증가로 인해 감소하였다.
- 6kg/irf 혼입시의 경우 처음 균열 발생 후 최종파괴까지의 낙하횟수차가 23회로써, 처음 균열이 발생한 후에 섬유의 연성이 시편에 작용하여 낙하횟수가 증가되었다. 또한, 플레인보다 첫 균열발생의 낙하횟수는 2배정도 증진되는 것으로 나타나 섬유가 매트릭스 내에 네트워크를 형성, 가교(Bridging)작용을 하여 충격 강도가 시편에 전체적으로 분산되어 첫 균열발생 시기가 늦춰진 것으로 분석된다.8關
- 것이다. 섬유가 혼입됨에 따라 모든 섬유에서 응결시간은지연되었는데, 이는 섬유가 떠오르려는 잉여수를 잡아주는 역할을 하여 매트릭스 내에 많은 잉여수가 존재하기 때문에 프록터 관입저항침의 저항이 작아져 플레인보다 응결이 지연된 것으로, 혼입량 증가에 따라서는 큰 차이를 보이지 않았으며 , 섬유종류별에 따라서도 큰 차이는 없는 것으로 분석되었다.
- 경향이었다. 섬유종류별에 따른 압축강도의 차이는 큰 차이를 보이지 않았으며, 섬유 혼입량에 따라서 0.9kg/rf 혼입까지는 증가한 후 1.2kg/rf 혼입시 다소 감소하였는데, 이는 섬유 과다 첨가에 의한 섬유 뭉침 현상과 단위체적당 섬유의 수가 적정치보다 많아져 콘크리트 계면과의 접착력 불량에 따른 것으로 분석된다.
- 실측강도의 경우 전반적으로 섬유 혼입량 변화에 따른 압축강도는 재령 3일 및 7일에서는 플레인과 비교하여 거의 차이가 없었으나, 재령 28일의 경우 혼입량이 증가함에 따라 다소 증가하는 경향이었다. 섬유종류별에 따른 압축강도의 차이는 큰 차이를 보이지 않았으며, 섬유 혼입량에 따라서 0.
- 이상을 종합하여 분석하면, 보통콘크리트에 NY 섬유를 0.6kg/m 전후를 사용할 경우, 친수성 이면서 시멘트 입자 크기에 비해 유효직경이 작아 콘크리트를 밀실하게 만들며, 표면적이 크면서 단위면적당 차지하는 수가 많아 콘크리트 내에 발생하는 미세균열을 억제하고 안정화하는 등 콘크리트의 제반 품질을 향상시키는 것으로 분석되었다.
- 9kg/rf 혼입까지는 압축강도가 증가한 후 감소하였다. 인장강도 및 휨강도는 압축강도와 비슷한 경향을 보였으며, 충격저항성은 NY 섬유 0.6 kg/m 혼입시 섬유의 연성으로 인해 가장 우수한 내충격성 보였다.
- 전반적으로 건조수축길이변화율은 초기재령에서 급격한 수축을 보였으며, 재령이 경과함에 따라 완만한 경향이었다. 섬유 종류별로는 크고 작음이 교차하는데, 이는 오차 요인으로 플레인과 비슷한 결과를 보이며 건조수축량에는 거의 효과가 없는 것으로 판단된다.
- 즉, 굳지않은 콘크리 트에서 유동성 은 NY 섬 유 0.6 kg/rf 혼입을 제외하면 모든 수준에서 유동성을 고려하여야 하고, 공기량은 섬유가 혼입됨에 따라 다소 증가하는 경향이 있지만, 모두 목표 공기량을 만족하였고, 블리딩의 경우는 섬유 혼입량이증가됨에 따라 급격히 감소하여 NY 섬유 1.2kg/rf 흔입시 블리딩 제어에 우수한 것으로 나타났다.
- 단, 본 사진은 균열을 좀 더 명확히 하기 위하여 균열 부분을 따라 선을 삽입하였다. 플레인의 경우 균열폭이 섬유를 혼입한 시편보다 상당히 크게 나타났으며, 섬유 혼입량이 증가할수록 균열폭과 균열 깊이는 현저하게 감소하였는데, NY 섬유를 사용한 경우가 CEL 섬유를 사용한 경우보다 균열 발생이 적음을 알 수 있었다.
- 인장강도는 CEL 섬유보다 NY 섬유 혼입시 증가하였고, 휨강도 역시 NY 섬유를 혼입한 수준에서 양호하였다. 한편, 내충격성으로 균열이 최초로 발생하는 낙하횟수와 최종파괴를 일으킬 때까지의 낙하 횟수를 고려하면 NY 섬유 0.6kg/ni 혼입시 가장 우수한 내충격성을 보였다. 건조수축 길이변화율은 섬유가 혼입됨에 따라 큰 영향이 없는 것으로 나타났다.
- 한편, 단위용적질량의 경우는 섬유 혼입량이 증가함에 따라공기량의 증가와 반대 경향으로 감소하였는데, 당연한 결과로 CEL 섬유보다 NY 섬유가 공기량 증가로 단위용적질량이 더욱감소하였다.
- 한편, 보정강도의 경우 동일한 섬유 혼입량일 경우 CEL 섬유보다 NY 섬유에서 더 큰 것으로 나타났는데, 이는 섬유의물리적 성질에 기인하여 콘크리트 계면과의 부착력이 뛰어나고 파괴시 섬유의 인장응력이 작용하여 압축강도 증진에 보다효과적 인 것으로 분석된다.
후속연구
- 그런데, 이러한 섬유 중 나일론 섬유(Nylon fiber : 이하 NY) 의 경우는 비교적 탄성계수가 크고, 시멘트 페 이스트와의 높은부착력을 가지며, 시멘트 입자 크기에 비해 유효직경이 작아콘크리트를 밀실하게 만들고, 표면적이 크면서 단위 면적 당 차지하는 수가 많아 콘크리트 내에 발생하는 미세균열을 억제하고 안정화하여 콘크리트의 역학적 성질을 증대시키는 것으로알려져 있어 향후 폭넓은 활용이 기대된다.
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