[논문]강섬유의 혼입이 고강도 강섬유 보강 시멘트 복합체의 압축강도에 미치는 영향

강수태; 김성욱; 박정준; 고경택

강섬유의 혼입이 고강도 강섬유 보강 시멘트 복합체의 압축강도에 미치는 영향
The Effect of Steel Fiber on the Compressive Strength of the High Strength Steel Fiber Reinforced Cementitious Composites 원문보기

구조물진단학회지 = Journal of the Korea Institute for Structural Maintenance Inspection, v.12 no.3 = no.49, 2008년, pp.101 - 109

강수태 (한국건설기술연구원) , 김성욱 (한국건설기술연구원) , 박정준 (한국건설기술연구원) , 고경택 (한국건설기술연구원)

초록
AI-Helper

본 연구에서는 마이크로 입자들로 구성된 매트릭스의 강섬유 보강 시멘트 복합체에서 강섬유가 압축강도에 미치는 영향을 규명하고자 하였으며, 강섬유의 섬유혼입률과 섬유형상비에 따른 영향을 파악하고 혼입률과 형상비를 동시에 고려한 변수인 섬유보강지수(RI)에 따른 압축강도의 변화를 살펴보았다. 실험결과에 따르면 마이크로 입자로 구성된 매트릭스의 강섬유보강 복합체에서는 섬유보강지수가 증가에 따라 압축강도가 선형적으로 증가하였다. 이와 같은 결과로부터 섬유보강지수와 압축강도와의 관계를 나타내는 모델식을 제안하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

Many researchers have reported that adding steel fiber to concrete improved its tensile and flexural strength significantly, but relatively few studies have been made on the compressive behavior of steel fiber-reinforced concrete. It is still less in case of high strength steel fiber-reinforced cementitious composites(SFRC). The main objective of this research is to examine the effect of adding steel fiber on the compressive strength of high strength SFRC using fiber reinforcing index(RI, $V_f(I_f/d_f)$). It was found from the study that compressive strength was noticeably increased in proportion to RI. In conclusion, the relationship between Reinforcing Index(RI) and compressive strength in case of high strength steel fiber-reinforced cementitious composites was suggested.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

고성능. 다기능 콘크리트의 개발 및 활용기술」지원으로 수행되었으며, 이에 감사한다.
본 연구에서는 강도증진의 방안으로 많은 양의 물을 감소시키고 혼화제 및 실리카퓸을 포함하는 초 세립미립자들로 구성된 고농축밀도 시멘트 복합체에 인성을 향상시키고 더불어 여러가지 역학적 성능을 향상시키도록 강섬유를 혼합한 고강도 강섬유 보강 시멘트 복합체 (Steel Fiber Reinforced Cementitious Composites, SFRC)에서 섬유의 혼입이 압축 강도에 미치는 영향을 규명하고자 하였다.
균열의 진전을 제어하는 역할을 한다. 본 연구에서는 두 종류의 섬유를 동시에 사용하여 균열저항성을향상시키고자 하였으며, 따라서 강섬유의 형상비는 섬유 형태는 같으나 길이와 직경이 상이한 두 가지의 강섬유를 혼합 사용한 경우에 대한 영향을 형상비의 함수로 파악하고자 하였다.
본 연구에서는 압축강도 70-120MPa 범위에 있는 고강도 섬유보강 시멘트 복합체에 섬유의 혼입률, 형상비, 물결합재비가 압축강도에 미치는 영향을 검토하였다. 그 결과, 고강도 SFRC에서 섬유의 영향은물결합재비에 관계없이 섬유로 인한 압축강도의 증가량이 거의 일정하게 나타났으며, 섬유혼입률이 증가할수록 압축강도의 증진효과가 크게 나타났다.
이 관계식을 근거로 하여 섬유의 혼입에 따라 압축강도가 어떻게 변화하는지 파악하였다.

가설 설정

(13)섬유와 매트릭스 사이의 부착강도 t는 하중 방향에 대한 섬유의 경사각 a와 균열폭 0의 함수로 나타낼 수 있다. 불연속적인 임의의 섬유 혼입에 대해서 방향각 a가 정규분포의 확률밀도함수를 갖는다고 가정할 수 있고, 또 최고하중 상태에서 섬유에 발생하는 부착강도가 부착길이에 걸쳐 균일하게 완전히 발현된다고 생각한다면 부착강도는 일정한 값을 갖는다고 가정할 수 있다.
매트릭스의 강도는 물결합재비의함수로 나타낼 수 있으며 섬유의 혼입으로 인한 강도의 변화는 섬유와 관련한 변수들을 고려한 함수 형태로 나타낼 수 있다. 일반적으로 섬유혼입률 Vf와 섬유의형상비 lf/df, 그리고 섬유와 매트릭스 사이의 부착 강도 τ가 강도와 관련 있는 변수들이며, 본 연구에서는 동일한 물결합재비에 대한 동일형태를 가진 섬유는 매트릭스와의 부착강도가 동일하다고 가정하고, 섬유 혼입률, 형상비 및 섬유보강지수가 섬유가 강도에 미치는 영향을 분석하였다.

제안 방법

KS L 5105 및 KS F 2421에 의하여 굳지 않은 콘크리트의 플로우 및 공기량을 측정하였으며, 목표 플로우 및 공기량을 18±1cm와 5% 이내로 하였다.
강섬유 보강 시멘트 복합체의 압축거동을 물결합재비와 섬유혼입률, 그리고 강섬유의 형상비 등 3개의 실험변수에 따른 영향으로 나누어 파악하였다. 물결합재비를 각각 0.
3m3 용량의 강제식 회전 믹서기를 사용하였으며, 진동을 이용한 섬유 투입기를 제작하여 일정한 비율로 균일하게 섬유를 투입하였다. 또한 20'C 수중에서 28일 동안 양생을 실시하였다.
이것은 섬유보강지수가 증가함에 따라 매트릭스 파괴 면에 작용하는 섬유밀도의 증가와 함께 파괴면을 따라 작용하는 부착력의 증가에 기인하는 것으로 판단된다. 마지막으로 섬유보강지수와 압축강도의 관계를 나타낸 모델 식을 제안하였다.
물결합재비 0.3에 대해 섬유혼입률 0, 1, 2, 3, 5% 로 2회에 나누어 실험한 결과를 통해 섬유혼입률이 압축강도에 미치는 영향을 파악하였다. Fig.
물결합재비 0.3에 대해 섬유혼입률 3%로 일정한 값을 가지고 강섬유의 형상비를 55에서 65까지 변화시킨 경우에 대한 실험결과를 통해 압축강도에 미치는 영향을 파악하였다.
물결합재비를 각각 0.2, 0.3, 0.4로 선정하였고, 부피비 0, 1, 2, 3, 5%의 섬유혼입률에 대해 파악하였으며, 강섬유의 형상비는 섬유형태는 같으나 길이와 직경이 상이한 두 가지의 강섬유를 혼합 사용한 경우에 대한 영향 파악을 목적으로 55에서 65까지에 대해 알아보았다. Table 3은 실험 변수값이 다른 각각의 시험체에 대해 고려한 변수들의 값을 나타낸 것이다.
섬유혼입에 따른 압축강도의 변화는 섬유혼입률(Vƒ), 섬유형상비(lƒ/dƒ), 그리고 두 변수를 결합한 Vƒ(lƒ/dƒ) 로 표현되는 섬유보강지수(Reinforcing Index, RI)를 통해 강섬유 보강 시멘트 복합체를 분석하는데 이용하였다. 앞서 서론에서 언급한 바와 같이 섬유보강 콘크리트의 압축강도에 대한 기존의 연구결과들에 따르면 압축강도와 섬유의 혼입 사이에는 명확한 상관관계를 규정하기가 어렵다.

대상 데이터

강섬유는 밀도 7.5kg/cm³, 인장강도 2, 500MPa, 직경 0.2mm, 길이 13mm로 형상비 (aspect ratio) 65의 고탄성용 강섬유를 사용하였으며, 형상비의 영향에 대한 검토에서는 일반적으로 SFRC에 많이 사용되는 ф0.5x30mm 또는 ф0.7x35mm의 강섬유를 혼합하여 사용하였다.
본 실험에 사용한 시멘트는 보통 포틀랜드 시멘트이며, 반응성 분체로 실리카퓸을 사용하였으며 이들의 물리 . 화학적 성질은 Table 1과 같다.
시험체는 0 100x200mm의 크기의 원주형으로 제작하였으며, 0.3m3 용량의 강제식 회전 믹서기를 사용하였으며, 진동을 이용한 섬유 투입기를 제작하여 일정한 비율로 균일하게 섬유를 투입하였다. 또한 20'C 수중에서 28일 동안 양생을 실시하였다.
잔골재로는 원산지 안면도의 0.5mm이하의 모래를 사용하였고, 굵은 골재는 사용하지 않았다. 잔골재는 밀도 2.
1.4 충전재
충전재(filler)는 구성입자 평균입경이 10㎛ 정도이고 SiO₂ 98% 이상, 밀도 2.60g/cm³의 재료를 사용하였다. 물리·화학적 성질은 Table 2와 같다.
혼화제로는 고형성분 30%, 밀도 1.06g/cm³의 폴리 칼본산계의 고성능 감수제를 사용하였다.

데이터처리

두 가지의 강섬유를 혼합하여 사용한 경우, 형상 비는 각각의 섬유부피비를 고려하여 산술 평균한 값을 취한 것으로 다음의 관계식을 이용하였다.

이론/모형

KS F 2405에 준하여 압축강도를 시험하였으며, 재하용량 5,000N의 유압식 만능재료시험기를 사용하여 재하하였고, 가력은 시험체가 완전 파괴될 때까지 변위 제어방법으로 실시하였다.

성능/효과

8에서 보는 바와 같이 본연구에서도 동일하게 나타났다. Fig. 7에서와 같이 섬유보강지수와 압축강도의 관계가 섬유보강지수가 증가함에 따라 선형적으로 압축강도가 증가하는 것으로 나타났으며 물결합재비에 따른 섬유보강효과는 Fig. 1에서와 같이 압축강도 증가량의 크기가 거의 일정하게 나타났다. 이와 같은 분석 결과를 바탕으로 본 연구에서 수행한 강섬유보강 시멘트 복합체의 압축실험 결과에 대해 다음과 같은 섬유보강지수와 압축강도와의 관계식을 얻을 수 있었다.
그 결과, 고강도 SFRC에서 섬유의 영향은물결합재비에 관계없이 섬유로 인한 압축강도의 증가량이 거의 일정하게 나타났으며, 섬유혼입률이 증가할수록 압축강도의 증진효과가 크게 나타났다. 또 상대적으로 적은 값이지만 형상비가 증가함에 따라 압축강도가 다소 증가하는 경향이 나타내었으며, 섬유보강지수와 압축강도와의 관계는 선형적인 관계로 나타났다.
그 결과, 고강도 SFRC에서 섬유의 영향은물결합재비에 관계없이 섬유로 인한 압축강도의 증가량이 거의 일정하게 나타났으며, 섬유혼입률이 증가할수록 압축강도의 증진효과가 크게 나타났다. 또 상대적으로 적은 값이지만 형상비가 증가함에 따라 압축강도가 다소 증가하는 경향이 나타내었으며, 섬유보강지수와 압축강도와의 관계는 선형적인 관계로 나타났다. 이것은 섬유보강지수가 증가함에 따라 매트릭스 파괴 면에 작용하는 섬유밀도의 증가와 함께 파괴면을 따라 작용하는 부착력의 증가에 기인하는 것으로 판단된다.
미세균열의 생성원인이 모두 굵은골재와 시멘트 페이스트 계면특성에 기인하므로 굵은골재를 사용하지 않고 미세입자들로 구성된 복합체의 경우 계면에 내재하는 균열을 줄일 수 있고, 또한 시멘트 페이스트와 미세 구성입자간의 부착이 견고해져서 매트릭스 파괴에 의한 압축강도 특성이 아닌 섬유의 영향을 반영한 결과를 얻을 수 있을 것으로 판단된다.
그러나 이러한 개념은 Shah and Rangan(1971), Chen and Carson(1971), 그리고 Williamson(1974) 의 압축실험 결과와 비교할 때 잘 일치하지 않았다. 이 실험들에서 섬유를 혼입하였을 때 파괴시 압축 변형률은 상당히 증가하였지만 압축강도의 향상은 뚜렷하게 나타나지 않았다. 섬유의 부피비가 증가함에 따라 압축강도가 처음에는 조금씩 증가하는 현상을 보이나 일정 비율 이상의 섬유를 혼입한 경우에는 그 경향에 다소 차이가 있다.

참고문헌 (18)

부척량 등, '강섬유보강 콘크리트의 압축응력-변형률 특성에 관한 실험적 연구', 대한건축학회논문집 6권 6호, 통권32호, 1990. 12, pp. 295-307

상세보기
박정준 등, '초고강도 강섬유 보강 시멘트 복합체의 구성인자가 압축강도에 미치는 영향', 한국콘크리트학회논문집, Vol. 6, No. 1, 2005, pp. 35-41
한국건설기술연구원, '초고성능 시멘트 복합재를 활용한 교량 거더 개발 중간보고서', 건설교통부, 2004
V. Ramakrishnan, G. Y. Wu and G. Hosalli, 'Flexural Behavior and Toughness of Fiber Reinforced Concretes', Transportation Research Record 1996, pp. 69- 77
L. J. M. Nelissen, 'Biaxial Testing of Normal Concrete', Heron(Delft), Vol. 18, No. 1, 1972, pp. 90
H. Kupfer, H. K. Hilsdorf, and H. Rusch, 'Behavior of Concrete under Biaxial Stresses', ACI Journal Proceedings, Vol. 66, No. 8, August, 1969, pp. 656-666
S. P. Shah and B. V. Rangan, 'Fiber Reinforced Concrete Properties', ACI Journal Proceedings, Vol. 68, No. 2, February, 1971, pp. 126-135
W. F. Chen and J. L. Carson, 'Stress-Strain Properties for Random Wire Reinforced Concrete', ACI Journal proceedings, Vol. 68, December, 1971, pp. 933-936
G. R. Williamson, 'Effect of Steel Fibers on the Compressive Strength of Concrete', Fiber Reinforced Concrete, SP-44, American Concrete Institute, Detroit, 1974, pp. 195-207
P. Thiptbroto, 'Tensile Strain Hardening of High Performance Fiber Reinforced Cement Based Composites', Ph.D. Thesis, Department of Civil Engineering, University of Michigan, 1991
A. Naaman, D. Otter and H. Najm, 'Elastic Modulus of SIFCON in Tension and Compression', ACI Materials Journal, Vol. 88, No. 6, 1991, pp. 603-612
P. Richard and M. Cheyrezy, 'Composition of Reactive Powder Concretes', Cement and Concrete Research, Vol. 25, No. 7, pp. 1501-1511, 1995

상세보기
Hugo S. Armelin and Nemkumar Banthia, 'Predicting the Flexural Postcracking Performance of Steel Fiber Reinforced Concrete from the Pullout of Single Fibers', ACI Material Journal, V. 94, No. 1, pp. 18-31
P. Rossi, P. Acker and Y. Malier, 'Effect of Steel Fiber at Two Stages: the Material and the Structure', Materials and Structures, Vol. 20, 1987, pp. 436-439

상세보기
D. A. Fanellla and A. E. Naaman, 'Stress- Strain Properties of Fiber Reinforced Mortar in Compression', ACI Journal, Vol. 82, No. 4, 1985, pp. 475-483

상세보기
Yoshio Kosaka et al, 'Experimental Study on Inelastic Stress-Strain Behavior of Steel Fiber Reinforced Concrete under Compression', Trans. of A. I. J., No. 337, March, 1984, pp. 15-24
A. S. Ezeldin and P. N. Balaguru, 'Normal- and High-Strength Fiber Reinforced Concrete under Compression', Journal of Materials in Civil Engineering, Vol. 4, No. 4, November, 1992, pp. 415-429

상세보기
W. Yin and T. T. C. Hsu, 'Fatigue Behavior of Steel Fiber Reinforced Concrete in Uniaxial and Biaxial Compression', ACI Materials Journal, Vol. 92, No. 1, 1995, pp. 71-81

상세보기

저자의 다른 논문 :

LOADING...

표제어: PCR

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].

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format

연합인증