[논문]단섬유를 사용한 시멘트 혼합토의 일축압축강도 특성

박성식; 김영수; 최선규; 신시언

doi:10.12652/ksce.2008.28.4c.213

단섬유를 사용한 시멘트 혼합토의 일축압축강도 특성
Unconfined Compressive Strength of Cemented Sand Reinforced with Short Fibers 원문보기

大韓土木學會論文集, Journal of the Korean Society of Civil Engineers, C. 지반공학, 터널공학, v.28 no.4C, 2008년, pp.213 - 220

박성식 (원광대학교 공과대학 토목환경도시공학부) , 김영수 (경북대학교 공과대학 건설공학부 토목공학전공) , 최선규 (경북대학교 공과대학 건설공학부 토목공학전공) , 신시언 (경북대학교 공과대학 건설공학부 토목공학전공)

초록
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시멘트로 고결된 사질토의 일축압축강도와 취성적인 거동을 개선하기 위하여 단섬유를 사용한 혼합토에 관한 연구를 수행하였다. 낙동강 모래에 포틀랜드시멘트와 콘크리트 보강재로 많이 사용되고 있는 폴리비닐알코올 섬유를 무작위로 보강하였다. 낙동강 모래에 시멘트와 섬유를 최적함수비로 잘 섞은 다음 5층 다짐으로 공시체를 만든 후 7일간 양생시켰다. 적은 양의 시멘트를 혼합하여 시멘트의 고결효과보다는 섬유의 인장력으로 인한 보강효과에 중점을 두었다. 8% 이하의 시멘트비를 가진 약하게 고결된 혼합토에 섬유비를 다르게 공시체를 제작하여 일축압축시험을 실시하였다. 섬유비와 시멘트비에 따른 일축압축강도의 특성을 비교하였으며, 일축압축강도는 시멘트비가 2%인 경우 섬유비의 증가에 따라 최대 6배까지 증가하였다. 섬유의 인장력으로 공시체의 연성이 증가하여 최대응력 시의 축변형률이 시멘트비가 2%인 경우 섬유비에 따라 최대 7% 정도 증가하였다. 시멘트비가 2%인 혼합토에 1%의 섬유 보강으로 인한 효과를 마찰각의 증가와 점착력의 증가로 분리하여 해석하였으며, 마찰각의 증가로 해석한 경우 섬유로 전달되는 응력은 수직응력의 8% 정도로 계산되었다.

Abstract ▼ AI-Helper

A study on cemented sand reinforced with short fibers was carried out to improve its unconfined compressive strength and brittle behavior. Nak-dong River sand was mixed with Portland cement and polyvinyl alcohol (PVA) fibers. A PVA fiber widely used for concrete reinforcement is randomly distributed into cemented sand. Nak-dong River sand, cement and fibers with optimum water content were compacted in 5 layers and then cured for 7 days. The effect of fiber reinforcement rather than cementation was emphasized by using a small amount of cement. Weakly cemented sand with a cement/sand ratio less than 8% was fiber-reinforced with different fiber ratios and tested for unconfined compression tests. The effect of fiber ratio and cement ratio on unconfined compressive strength was investigated. Fiber-reinforced cemented sand with 2% cement ratio showed up to six times strength to non-reinforced cemented sand. Because of ductile behavior of fiber-reinforced specimens, an axial strain at peak stress of specimens with 2% cement ratio increases up to 7% as a fiber ratio increases. The effect of 1% fiber addition into 2% cemented sand on friction angle and cohesion was analyzed separately. When the fiber reinforcement is related to friction angle increase, the 8% of applied stress transferred to 1% fibers within specimens.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 시멘트 혼합토에 섬유비를 달리하여 공시체 전체에 무작위로 섬유를 분산 보강한 다음, 일축압축시험을 실시하여 섬유비에 따른 강도의 변화를 연구하였다. 낙동강 모래에 네 종류(2, 4, 6, 8%)의 시멘트비와 다섯 종류(0, 0.
흙 속에 단섬유와 같은 보강재를 혼합할 경우 단섬유가 발휘하는 인장력으로 강도가 증가한다. 본 연구에서는 약하게 고결된 시멘트 혼합토에 단섬유를 보강한 공시체의 일축압축시험을 실시하여 섬유비와 시멘트비가 일축압축강도에 미치는 영향을 분석하였으며, 다음과 같은 결론을 얻었다.

가설 설정

그림 17은 그림 16을 Mohr-Coulomb의 파괴기준인 τ = c + σtanφ의 형태로 변형한 다음 두 공시체가 수직응력이 1994kPa일 때 동시에 파괴에 도달했다고 가정하여 응력원을 그렸다.
수직응력이 일정할 때 수평응력의 감소로 파괴되는 상태인 Rankine의 주동토압 이론을 이용하여 섬유 보강 전후에 마찰각은 41°로 변하지 않는다고 가정하고 보강 후의 강도 증가를 점착력만의 증가로 그림 18(b)의 Line A와 Line B''와 같이 해석하였다.

제안 방법

공시체 제작 후 양생에 따른 건조수축 및 균열은 섬유의 인장효과로 억제됨으로 몰드를 바로 분리하였으며, 7일 동안 약 25°C 정도로 항온 습윤조건에서 양생하였다.
본 연구에서는 시멘트 혼합토에 섬유비를 달리하여 공시체 전체에 무작위로 섬유를 분산 보강한 다음, 일축압축시험을 실시하여 섬유비에 따른 강도의 변화를 연구하였다. 낙동강 모래에 네 종류(2, 4, 6, 8%)의 시멘트비와 다섯 종류(0, 0.3, 0.6, 1, 1.5%)의 섬유비를 이용하여 시멘트비와 섬유비가 일축압축강도 및 강성에 미치는 영향을 연구하였다.
하지만 시멘트를 혼합한 모래를 사용한 본 연구는 점착력이 없는 사질토와 다르며 더욱이 무작위로 단섬유를 사용하였으므로 앞서 언급한 이론을 직접 적용하기 어렵다. 따라서 본 연구에서는 앞서 언급한 이론에서 도출한 식을 이용하여 섬유의 보강효과를 계산하기보다는 수평응력이 감소하여 마찰각과 점착력이 증가한다는 기본 개념을 이용하여 증가한 마찰각과 점착력을 계산하였다.
섬유의 보강 정도 즉 섬유비에 따른 일축압축강도의 영향을 분석하기 위하여 본 실험에서는 시멘트비를 일정하게 고정시킨 다음 섬유비를 달리하여 공시체를 만든 후 일축 압축시험을 실시하였다. 섬유의 보강여부에 따른 강도의 영향을 비교하기 위하여 섬유가 전혀 포함되지 않은 공시체도 제작하였다.
섬유의 보강 정도 즉 섬유비에 따른 일축압축강도의 영향을 분석하기 위하여 본 실험에서는 시멘트비를 일정하게 고정시킨 다음 섬유비를 달리하여 공시체를 만든 후 일축 압축시험을 실시하였다. 섬유의 보강여부에 따른 강도의 영향을 비교하기 위하여 섬유가 전혀 포함되지 않은 공시체도 제작하였다. 그림 3~그림 6에 시멘트비가 각각 2, 4, 6, 8%인 A, B, C, D시리즈의 결과를 정리하였다.
시멘트 혼합토에 섬유를 무작위로 보강했을 때 보강된 섬유가 마찰에 의하여 흡수한 수평력이 얼마인지 즉 섬유가 얼마 정도의 응력을 분담하는지를 먼저 계산하였다. 그림 17은 그림 16을 Mohr-Coulomb의 파괴기준인 τ = c + σtanφ의 형태로 변형한 다음 두 공시체가 수직응력이 1994kPa일 때 동시에 파괴에 도달했다고 가정하여 응력원을 그렸다.
실험은 먼저 네 종류의 시멘트비(2, 4, 6, 8%)로 나누며, 각각의 시멘트비에 대하여 다섯 종류의 섬유비(0, 0.3, 0.6, 1, 1.5%)로 구성되었다. 일축압축시험 재하속도는 1%/min로 분당 1.
일축압축시험을 위한 공시체 제작은 표준다짐방법을 이용하였으며, 직경 70mm, 높이 140mm의 시료를 5층으로 나누어 각 층 사이의 분리가 생기지 않고 충분한 다짐이 되도록 제작하였다. 양쪽으로 분리할 수 있는 몰드, 표준다짐방법과 동일한 다짐에너지를 가하기 위한 낙하추 및 낙하 시 안내역할을 하는 높이 300mm의 몰드 연결기를 이용하였다. 제작에 사용한 몰드와 햄머 사진을 비롯한 자세한 시료 제작방법은 박성식 등(2007)을 참조하기 바란다.
일축압축 시험은 표 1과 같이 시멘트비 ρc에 따라 A(2%), B(4%), C(6%), D(8%)시리즈 네 종류로 구분하였다.
일축압축시험을 위한 공시체 제작은 표준다짐방법을 이용하였으며, 직경 70mm, 높이 140mm의 시료를 5층으로 나누어 각 층 사이의 분리가 생기지 않고 충분한 다짐이 되도록 제작하였다. 양쪽으로 분리할 수 있는 몰드, 표준다짐방법과 동일한 다짐에너지를 가하기 위한 낙하추 및 낙하 시 안내역할을 하는 높이 300mm의 몰드 연결기를 이용하였다.

대상 데이터

국내에서는 일축 및 삼축시험을 이용하여 조삼덕과 김진만(1995), 송창섭과 임성윤(2002) 그리고 목영진 등(2005)이 합성섬유를 보강한 섬유 혼합토에 관한 연구를 수행하였다. 단섬유를 무작위로 혼합한 섬유 혼합토에 대한 기존 연구는 주로 사질토에 자연섬유 혹은 폴리프로필렌과 같은 알카리성에 약한 인공섬유를 이용한 연구가 주를 이루었으나, 본 연구에서는 시멘트와 친화성이 좋은 폴리비닐알코올(polyvinyl alcohol, PVA)섬유를 사용하였다. 박성식 등(2007)은 시멘트비가 4%인 사질토에 PVA섬유를 혼합하여 섬유의 혼합 또는 보강위치에 따른 일축압축강도 특성에 관한 연구를 수행하였다.
본 연구에서 사용한 모래는 낙동강 지류인 성주지역의 강바닥에서 채취하였다. 현장에서 채취한 모래를 건조시킨 뒤 체가름 시험으로 200번체와 10번체 사이의 시료를 선택하였다.
섬유 혼합토 연구에 가장 많이 사용된 섬유는 폴리프로필렌 섬유이지만, 이 섬유는 물보다 가벼워 물에 뜨는 단점이 있다. 본 연구에서는 최근 시멘트 보강재로 가장 많이 사용되고 있는 PVA 섬유를 사용하였다. PVA 섬유는 고강도, 고탄성률의 우수한 물리적 특성을 가지며 이외에도 열안정성, 내약품성, 내후성 등이 우수하기 때문에 산업용 섬유로서 널리 사용되고 있다.
PVA 섬유의 특징 및 제조방법 등에 관한 더 자세한 사항은 최수명(2002)을 참조하기 바란다. 시멘트 보강재로 사용되고 있는 몇몇 PVA 섬유 중에서 본 연구에 사용한 RECS100L(그림 2)은 공시체 내에서 고르게 잘 분산되며(박성식 등, 2007), 이 섬유의 직경은 0.1mm, 길이는 12mm, 인장강도는 110kg/mm², 그리고 탄성률은 2,500kg/mm²이다.
낙동강(또는 성주) 모래는 실리카질 모래로 입도분포곡선은 그림 1과 같으며, 모래의 성분과 전자현미경사진은 박성식 등(2007)을 참조하기 바란다. 시멘트는 비중 3.14인 국내 S사의 보통포틀랜드시멘트를 사용하였다. 섬유 혼합토 연구에 가장 많이 사용된 섬유는 폴리프로필렌 섬유이지만, 이 섬유는 물보다 가벼워 물에 뜨는 단점이 있다.
본 연구에서 사용한 모래는 낙동강 지류인 성주지역의 강바닥에서 채취하였다. 현장에서 채취한 모래를 건조시킨 뒤 체가름 시험으로 200번체와 10번체 사이의 시료를 선택하였다. 낙동강(또는 성주) 모래는 실리카질 모래로 입도분포곡선은 그림 1과 같으며, 모래의 성분과 전자현미경사진은 박성식 등(2007)을 참조하기 바란다.

데이터처리

표 1에 시리즈별로 실험 결과를 요약하였으며, 실험에서 얻은 최대응력과 그 시점에서의 축변형률을 비교하였다. 최대응력에 도달했을 때의 축변형률은 섬유를 무보강(섬유비ρ_f=0%)한 경우 1% 정도이지만, 섬유비가 증가함에 따라 점차 증가하여 섬유비가 1.

성능/효과

1. 섬유비가 0, 0.3, 0.6, 1, 1.5%로 높아질수록 일축압축강도가 최대 6배까지 증가하였으며, 섬유비의 증가에 따라 최대응력이 발휘되는 축변형률도 증가하였다.
2. 섬유를 보강하지 않은 경우의 일축압축강도에 대한 보강한 경우의 일축압축강도의 비 즉 일축압축강도비의 최대값은 시멘트비가 2, 4, 6, 8%로 증가할수록 각각 약 600, 400, 400, 300%로 감소하였다. 따라서 과도한 시멘트의 혼합은 섬유 보강효과인 일축압축강도의 증가를 저하시킬 수 있다.
3. 시멘트비가 2, 4, 6, 8%로 높아질수록 일축압축강도는 증가하지만 최대응력에 도달하는 축변형률의 범위는 크게 변하지 않았다.
4. 탄성계수는 시멘트비가 동일한 경우 섬유비에 따라 크게 차이가 없었으나, 섬유비가 동일한 경우 시멘트비가 증가하면 탄성계수도 증가하였다.
5. 시멘트비가 2%인 혼합토에 섬유비 1%로 보강한 공시체의 섬유 보강효과를 점착력을 영으로 가정하고 수평응력의 감소로 인한 마찰각의 증가로 해석할 때 마찰각은 보강 전보다 11o 증가하였다(혼합토와 섬유의 마찰계수로 표현하면 0.08에 해당한다). 섬유 보강으로 인한 마찰각의 변화를 무시했을 때 1%의 섬유 보강으로 발생하는 점착력은 보강 전보다 약 4배 정도 증가하였다.
R_max값에서 나타난 것처럼 시멘트비가 2%로 상대적으로 낮은 경우 섬유 보강으로 인한 강도 증가효과가 가장 높았다. 하지만 구속압이 영인 일축압축 상태에서 시멘트비가 8%로 높은 경우 시멘트의 고결력이 상대적으로 강하기 때문에 섬유 보강으로 인한 강도 증가효과가 감소하였다.
섬유가 보강되지 않은 경우의 파괴형태는 상단에서 하단까지 거의 일직선에 가까운 파괴면이 발생하였으나, 섬유비가 1%로 보강된 경우는 수평방향에서 반시계 방향으로 65o에서 70o 정도의 사이에서 파괴면이 형성되었다. 각 시리즈 내에서 섬유비의 증가에 따른 연성파괴로의 전환은 시멘트비가 낮은 2%에서 가장 뚜렷하였다. 하지만 시멘트비가 8%인 경우에는 섬유비의 증가에 따른 파괴모드의 변화가 나타나지 않았으며, 섬유비와 관계없이 취성파괴(brittle failure)를 보였다.
시멘트비가 4%와 6%인 경우 R_max값은 2%와 8% 중간 정도의 고결력으로 R_max값은 뚜렷한 차이를 보이지 않았다. 결과적으로 과도한 시멘트의 혼합은 섬유 보강으로 인한 일축압축강도 증가에 도움이 되지 않으며 섬유 보강효과를 저하시킬 수 있다.
08에 해당한다). 섬유 보강으로 인한 마찰각의 변화를 무시했을 때 1%의 섬유 보강으로 발생하는 점착력은 보강 전보다 약 4배 정도 증가하였다.
섬유비의 증가에 따라 일축압축강도비가 선형으로 증가하는 경향을 보였다. 이와 같은 경향은 네 종류의 시멘트비에 유사하게 나타났다.
시멘트비가 2, 4, 6, 8%로 증가할 때 R_max는 각각 600, 400, 400, 300%로 감소하였다. 즉 시멘트비가 증가할수록 일축압축강도비의 최대값인 R_max는 감소하였다.
최대응력에 도달했을 때의 축변형률은 섬유를 무보강(섬유비ρf=0%)한 경우 1% 정도이지만, 섬유비가 증가함에 따라 점차 증가하여 섬유비가 1.5%일 경우 7~9%까지 증가하였다.
섬유를 보강하지 않은 경우 축변형률 1% 정도에서 최대응력에 도달한 후에 축변형률 2% 정도에서 영에 가까운 급작스런 응력저하현상이 나타나 취성적인 거동을 보였다. 하지만 각 시리즈 내에서 섬유비가 증가할수록 최대응력에 도달한 후에 응력-변형률 곡선이 감소하는 경향이 상대적으로 완만하게 변하는 연성파괴(ductile failure)가 나타났다. 그림 8은 섬유비가 0%인 경우와 1%일 때의 파괴 모습을 보이고 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	본 연구에서 섬유비의 증가에 따라 어떤 경향을 보였는가?	섬유비의 증가에 따라 일축압축강도비가 선형으로 증가하는 경향을 보였다. 이와 같은 경향은 네 종류의 시멘트비에 유사하게 나타났다.
	시멘트로 고결된 사질토의 특징은?	시멘트로 고결된 사질토는 시멘트 함유량에 따라 흙의 압축강도를 상당히 증가시킬 수 있으나, 철근콘크리트에서 철근과 같이 인장력을 발휘하는 물질이 없기 때문에 급작스런 파괴가 발생할 수 있다. 철근콘크리트에서 철근과 같은 원리를 이용한 보강토에 관한 초기 연구는 흙에 metal strips을 수평방향으로 일정 간격을 두고 층층이 매설하여 이것이 인장력을 받도록 하였다(Schlosser와 Long, 1974).

참고문헌 (22)

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박성식, 김영수, 이종천(2007) 섬유의 보강 형태에 따른 섬유-시멘트 혼합토의 일축압축강도특성. 한국지반공학회 논문집, 한국지반공학회, 제23권 제8호, pp. 159-169

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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].

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