강섬유 혼입율이 강섬유보강 고강도 콘크리트의 작업성과 강도특성에 미치는 영향 Influence of Steel Fiber Volume Ratios on Workability and Strength Characteristics of Steel Fiber Reinforced High-Strength Concrete원문보기
In this paper, concrete material tests were carried out to investigate influence of steel fiber volumn ratios on variations of workability and strength characteristics of steel fiber reinforced high-strength concrete, $50MPa{\sim}90MPa$ of compressive strength, according to increase of fi...
In this paper, concrete material tests were carried out to investigate influence of steel fiber volumn ratios on variations of workability and strength characteristics of steel fiber reinforced high-strength concrete, $50MPa{\sim}90MPa$ of compressive strength, according to increase of fiber volume. Test specimens were arranged with six levels of concrete compressive strength and fiber volumn ratios, 0.0%, 0.5%, 1.0%, 1.5%, 2.0%. The test results showed that steel fiber reinforced high-strength concrete($70MPa{\sim}90MPa$, 1.5% fiber volumn ratio) with good workability of slump 20cm could be used practically and effects of steel fiber reinforcement in improvement of concrete strength and toughness characteristics such as splitting tensile strength, flexural strength, and diagonal tensioned shear strength, were more distinguished in high-strength concrete than general strength concrete. And the test results indicated that splitting tensile strength of fiber reinforced concrete was proportioned to the product of steel fiber volumn ratios, $V_f(%)$ and sqare root of compressive strength, $\sqrt{f_{ck}}$, and the increasing rate was in contrast with that of flexural strength, and increase of diagonal tensioned shear strength was remarkable at steel fiber volumn ratio, 0.5%.
In this paper, concrete material tests were carried out to investigate influence of steel fiber volumn ratios on variations of workability and strength characteristics of steel fiber reinforced high-strength concrete, $50MPa{\sim}90MPa$ of compressive strength, according to increase of fiber volume. Test specimens were arranged with six levels of concrete compressive strength and fiber volumn ratios, 0.0%, 0.5%, 1.0%, 1.5%, 2.0%. The test results showed that steel fiber reinforced high-strength concrete($70MPa{\sim}90MPa$, 1.5% fiber volumn ratio) with good workability of slump 20cm could be used practically and effects of steel fiber reinforcement in improvement of concrete strength and toughness characteristics such as splitting tensile strength, flexural strength, and diagonal tensioned shear strength, were more distinguished in high-strength concrete than general strength concrete. And the test results indicated that splitting tensile strength of fiber reinforced concrete was proportioned to the product of steel fiber volumn ratios, $V_f(%)$ and sqare root of compressive strength, $\sqrt{f_{ck}}$, and the increasing rate was in contrast with that of flexural strength, and increase of diagonal tensioned shear strength was remarkable at steel fiber volumn ratio, 0.5%.
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문제 정의
강섬유보강 고강도 콘크리트에서 강섬유 혼입량을 증가 시킬 때 작업성과 강도특성이 어떻게 변화되는지를 재료시험을 통하여 조사한 결과, 다음과 같은 결론을 얻었다.
본 연구는 강섬유보강 고강도 콘크리트에 대한 기초 연구로서, 강섬유 혼입량을 체적비로 0.5%~2.0%까지 증가시킬 때 콘크리트의 압축강도 수준에 따라 콘크리트의 작업성과 강도 특성이 어떻게 변화되는 지를 밝히기 위한 실험을 내용으로 한다.
이에 본 연구에서는 강섬유 혼입율의 변화가 강섬유보강 고강도 콘크리트의 강도특성에 어떻게 영향을 주는지 보다 상세한 실험적 자료를 제공하고자 한다.
제안 방법
강섬유보강 고강도 콘크리트에서 강섬유 혼입율에 따라 전단 강도와 전단보강 효과가 어떻게 변화되는가를 조사하기 위하여 그림 13과 같이 전단 스팬과 보춤의 비, a/d가 1.45로서 길이에 비하여 춤이 높아 전단력이 지배적인 보 시험체를 제작하였다. 시험은 시험체의 3등분점과 양 지지점에서 4점 가력으로 실시하였다.
또한 전단스팬(a)과 보 춤(d)의 비율이 1.45인 전단력이 지배적인 짧은 보를 제작하여서 가력되는 두 힘의 대각 선상에 나타나는 사인장 전단균열 파괴를 통하여 전단강도 시험을 실시하였다.
45로서 길이에 비하여 춤이 높아 전단력이 지배적인 보 시험체를 제작하였다. 시험은 시험체의 3등분점과 양 지지점에서 4점 가력으로 실시하였다.
종류로 만들어진 시험체 시리즈로 계획하였다. 이들 각각을 강섬유 혼입량에 따라 5개의 콘크리트로 다시 나누어 총 30 종류의 콘크리트를 제작하였고, 슬럼프 시험과 흐름시험, 압축강도 시험 , 쪼갬 인장강도시험 , 휨강도시험을 실시하였다.
쪼갬인장강도 시험은 KS F 2423에 따라 수중양생 후 시험할 때까지 젖은 모포로 덮어 습윤 상태를 유지하였고, 재하속도는 매분 L0~L5 MPa의 일정한 비율로 계속적으로 충격 없이 하중을 가하여 시험하였다.
혼화제로는 강섬유보강 콘크리트의 유동성 증진을 위해 국내 J사의 나프탈린계 고성능 감수제와 K사의 폴리카본산계 고성능 감수제를 사용하였다. 표 1에서 보는 바와 같이 시험체의 배합강도(fcr)를 30MPa, 50MPa, 60MPa, 70MPa, 80MPa, 90MPa로 하고, 강섬유 양은 체적비율로 각각 0.5%, 1.0%, 1.5%, 2.0%를 혼입 하였으며, 콘크리트 배합은 표 1과 같다
휨강도 시험과 전단강도 시험은 3등분점의 2점가력으로 시험하였고, 시험체 중앙의 변위를 측정하기 위해 LVDT를 양쪽에 설치하였다.
대상 데이터
fcr 30 시리즈, fcr 50 시리즈, fcr 60 시리즈 시험체들은 나프탈린계 고성능감수제를 사용하였다. 그림 1과 표 3에서 보는 바와 같이 일반강도인 fcr 30 시리즈 시험체는 강섬유 혼입량이 2.
강섬유는 국내 C사의 갈고리형 (hooked end) 강섬유로서 표 2에서 보는 바와 같은 형상비가 60인 것을 사용하였다.
사용된 시멘트는 국내산 보통포틀랜드 시멘트를 사용하였으며, 굵은골재 최대치수는 13mm이다. 혼화제로는 강섬유보강 콘크리트의 유동성 증진을 위해 국내 J사의 나프탈린계 고성능 감수제와 K사의 폴리카본산계 고성능 감수제를 사용하였다.
시험체는 배합강도가 대략 30MPa인 일반강도 콘크리트와 배합 강도가 대략 50MPa에서 90MPa 사이의 고강도 콘크리트 5 종류로 만들어진 시험체 시리즈로 계획하였다. 이들 각각을 강섬유 혼입량에 따라 5개의 콘크리트로 다시 나누어 총 30 종류의 콘크리트를 제작하였고, 슬럼프 시험과 흐름시험, 압축강도 시험 , 쪼갬 인장강도시험 , 휨강도시험을 실시하였다.
압축강도와 쪼갬인장강도 시험을 위해 지름 lOOinm, 높이 200並의 원통형 공시체를 사용하였고, 휨강도 시험용 보의 치수는 150X150X600MD, 전단강도 '시험용의 보의 치수는 120X200X950^^ 시험체를 제작하였으며, 모든 공시체와보 시험체는 수중양생 또는 습윤양생을 하였다.
콘크리트는 실험실에서 강제식 믹서기를 사용하여 제조하였다. 압축강도와 쪼갬인장강도 시험을 위해 지름 lOOinm, 높이 200並의 원통형 공시체를 사용하였고, 휨강도 시험용 보의 치수는 150X150X600MD, 전단강도 '시험용의 보의 치수는 120X200X950^^ 시험체를 제작하였으며, 모든 공시체와보 시험체는 수중양생 또는 습윤양생을 하였다.
굵은골재 최대치수는 13mm이다. 혼화제로는 강섬유보강 콘크리트의 유동성 증진을 위해 국내 J사의 나프탈린계 고성능 감수제와 K사의 폴리카본산계 고성능 감수제를 사용하였다. 표 1에서 보는 바와 같이 시험체의 배합강도(fcr)를 30MPa, 50MPa, 60MPa, 70MPa, 80MPa, 90MPa로 하고, 강섬유 양은 체적비율로 각각 0.
데이터처리
이를 그림 4의 쪼갬 인장강도와 V7압축강토의 관계 그래프와 비교하고, 이들을 회귀분석식 (R-扁 상관식)으로 나타낸 증가 추세선의 기울기들의 변화를 그림 7과 같이 비교하였다. 여기서 보면 휨강도 증가 추세선의 기울기는 강섬유혼입량이 0.
성능/효과
1) 압축강도가 50MPa~90MPa의 고강도 콘크리트에서 1.5% 이상으로 강섬유를 혼입하였을 때에도 적합한 고성능 감수제를 선택하고 사용량을 적절히 조절함으로써 슬럼프 값 20cm 정도의 작업성이 좋은 강섬유보강 고강도 콘크리트를 실용할 수 있을 것으로 사료된다.
2) 50MPa 이상의 고강도 콘크리트에서는 보통강도의 콘크리트에 비하여 강섬유 혼입량을 증가시킬수록 쪼갬인 장강 도가 크게 증가하는 것으로 나타났다.
3) 강섬유 혼입량이 0.0%~0.5%일 때 쪼갬인장강도의 증가율이 가장 크게 나타났다. 그러나 이와는 대조적으로 훰강도에서는 강섬유 혼입량이 0.
4) 60MPa~90MPa의 고강도 콘크리트에서 강섬유 혼입율 *가 0.5% 정도로 소량의 강섬유를 혼입하여도 사인장전단강도는 매우 크게(약 50% 정도) 향상되며, 강섬유를 1-0% 또는 L5% 이상 혼입하였을 때에는 전단강도 증가율이 둔화되고 그 효과가 상대적으로 낮다고 판단된다.
5) 강섬유보강 고강도 콘크리트의 압축강도는 강섬유 혼입량을 증가하였을 지라도 거의 변화되지 않으며, 강섬유 보강과의 상관관계가 미약하다는 기존의 연구결과를 확인 하였다.
이는 강섬유를 전혀 혼입하지 않은 무보강 콘크리트가 특별히 잘 제작된 것에 기인하는 것으로 사료된다. for 80 시리즈 시험체에서는 강섬유 혼입량이 2%일 때에도 11%의 압축강도 증가를 보일 뿐 이었고, for 60 시리즈, for 70 시리즈, fcr 90 시리즈 시험체들에서는 강섬유의 혼입량을 증가시켰어도 압축강도는 거의 변화되지 않았다.
5% 혼입하였을 때와 유사하게 나타났다. 강섬유 혼입율 2.0%에서는 휨파괴로 정확한 값은 알 수 없으나 적어도 전단강도가 68.8% 이상 향상된 것으로 나타났다.
강섬유보강 콘크리트의 쪼갬인장강도는 J압축강토 값이 커질수록 비례적으로 증가하는 것으로 나타났다. 뿐만 아니라 이러한 증가율은 강섬유 혼입량의 증가 비율에 따라 비례적으로 더 커지는 것으로 나타났다.
또한 압축강도가 90MPa 수준인 fcr 90 시리즈 시험체에서는 강섬유 혼입율 0.5%에서 전단강도가 42% 향상되었고, 1.0%에서는 0.5% 혼입했을 때에 비하여 15%정도 증가된 57.4% 향상된 것으로 나타났다. 여기서 주목할 만한 것은 강섬유를 0.
3SL4, ⑺ 이들 하중-변위 곡선과 휨인성 지수를 보면 강섬유의 혼입량이 증가될수록 휨인성이 크게 증가되고 있음을 알 수 있다. 또한 일반강도 콘크리트 보다는 고강도 콘크리트에서 휨인 성의 증가율이 더 큰 것으로 나타났다.
이상의 시험결과에서 보면 압축강도는 강섬유 혼입량의 증가와 일정한 상관관계로 변화되지 않으며, 강섬유 보강이 압축강도를 증진 시킨다고 볼 수 없음을 확인할 수 있었다.
이상의 측정결과로 보면, 압축강도가 70MPa~90MPa 이고 강 섬유 혼입량이 L5%~2.0%일 때에도 작업성이 좋은 강섬유보강 고강도 콘크리트를 제조할 수 있음을 확인하였다. 따라서 배합설계에서 시멘트양이나 잔골재율, 굵은골재 최대칫수를 적절히 결정하고, 고성능 감수제의 선택과 양의 조절을 보다 정교하고 기술적으로 한다면 작업성이 좋은 양질의 강섬유보강 고강도 콘크리트를 대량으로 생산할 수 있을 것으로 판단된다.
이에 비하여 고강도인 for 50 시리즈 시험체는 그림 5에 표시한 회귀분석식(R— *상관식)의 증가 추세선의 기울기가 24이고, fcr 70 시리즈 시험체에서는 28로 나타나 고강도 콘크리트로 갈수록 휨강도 증가율이 커지는 것으로 나타났다. 그림 3과 그림 5를 비교하여 보면 강섬유 혼입량이 0.
후속연구
강섬유보강 콘크리트에 대한 지금까지의 연구 성과로 볼 때 이러한 강도특성의 상세한 변화는 아직 이론화 되지 못하는 것으로 사료되며 이는 추후 연구과제로 생각한다.
0%일 때에도 작업성이 좋은 강섬유보강 고강도 콘크리트를 제조할 수 있음을 확인하였다. 따라서 배합설계에서 시멘트양이나 잔골재율, 굵은골재 최대칫수를 적절히 결정하고, 고성능 감수제의 선택과 양의 조절을 보다 정교하고 기술적으로 한다면 작업성이 좋은 양질의 강섬유보강 고강도 콘크리트를 대량으로 생산할 수 있을 것으로 판단된다.
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