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문제 정의
- 그러나, 국내의 경우 강섬유를 혼입한 일반 콘크리트에 대한 연구는 많이 보고 되고 있지만 강섬유를 혼입한 고유동 자기충전 콘크리트에 대한 연구는 찾아보기 어려운 실정이다. 따라서, 본 연구에서는 강섬유보강 콘크리트의 시공성 및 품질향상 방안의 일환으로 고유동 자기충전콘크리트(High flowing Self-Compacting Concrete 이하 HSCC)에 형상 변화를 달리한 강섬유로 혼입한 콘크리트를 제조하여 일반 강섬유보강 콘크리트 (Conventional Concrete 이하 CC)와 유동특성 및강도 특성을 비교 검토하였다.
제안 방법
- 또한 골재의 표면수율에 대하여 민감도를 작게 하기 위하여 증점제 및 소포제를 사용하였다. 증점제 및 소포제의 물리·화학적 특성은 Table 3과 4과 같다.
- Table 6 기준에 만족시키는 기준배합을 선정한 후 HSCC 배합은 Nan-Su 의 배합설계법⑸, ⑹을 수정 . 보완하여 골재의 느슨한 상태에 대한 밀실한 상태의 단위용적질량의 비에 잔골재율에 따라 가중치를 적용하여 얻어지는 골재채움률 (이하 PF로 약함)값을 적용하여 실시하였다.⑺
- CC 배합은 예비시험을 통하여 W/C 46% 및 S/a 44%로 고정한 후 SF 혼입량을 국내 기관별 시방서기준에서 권장하고 있는 40kg/m'으로 정하여 콘크리트를 제조하였다. 또한 HSCC 배합의 경우 PF 1.
- 제조하였다. 또한 HSCC 배합의 경우 PF 1.12, 물-분체비(이하 W/P로 약함) 39% 및 S/a 48%로 고정한 후 전체 분체(P)에 대하여 LSP를 15%로 고정한 후 나머지 분체에 대하여 FA를 30%로 용적 치환시킨 콘크리트를 제조 하였다. 콘크리트에 사용된 배합표는 Table 8과 같다.
- 충전성능을 측정하였다. U형 박스에 시료를채운 후 가운데 칸막이를 들어올려 콘크리트가 철근사이를 통과하여 상승된 높이와 단차를 측정하였다.
- J-ring 중앙의 Slump-cone을 들어올려 J-ring이 있는 Slump flow 값과 J-ring이 없는 Slump flow 값을 비교하였다.
대상 데이터
- 시멘트는 밀도 3.15g/cm3 및 비표면적 3, 540cm2/g 의 보통포틀랜드시멘트(이하 OPC로 약함)를 사용하였으며, OPC에 대체한 분체는 국내에서 생산 중인 S 사의 석회석 미분말(이하 LSP로 약함) 및 플라이 애시(이하 FA로 약함)를 혼화재로 사용하였다. 사용분체의 화학성분 및 물리적 특성은 Table 1과 같다.
- 잔골재는 낙동강산 강모래(이하 S로 약함)를 사용하였으며, 굵은 골재는 최대치수 20mm인 부순골재 (이하 G로 약함)를 사용하였다. 굵은골재 및 잔골재의 물리특성은 Table 2와 같다.
- 본 연구에서 사용된 혼화제는 국내 H 사의 폴리 카르본산계 고성능 감수제(이하 SP라 약함) 및 공기량 조절을 위해 공기 연행제(이하 AE라 약함)를 사용하였다.
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1.4 강섬유
강섬유(이하 SF라 약함)는 국내에서 생산중인 S사제품의 양단 후크형 강섬유(번들형)를 사용하였으며, 물리적 성질은 Table 5와 같다
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이론/모형
- 강섬유가 혼입된 고유동 자기충전 콘크리트의 성능평가(병용계) 기준은 국내에서 아직 정립되어 있지 않기 때문에 Table 6과 같은 일본토목학회(JSCE) "자기충전형 콘크리트의 시험 방법” 병용계 2등급 성능 기준과(3) Table 7과 같은 미국재료시험학회(ASTM C 1621) 성능기준을(4) 선정하였다. Table 6 기준에 만족시키는 기준배합을 선정한 후 HSCC 배합은 Nan-Su 의 배합설계법⑸, ⑹을 수정 .
- CC의 유동성 평가 시험방법은 KS F 2402에 준하여 Slump 값을 측정하였으며, HSCC의 유동성 평가시험방법은 KS F 2594, 대한토목학회 규격인 KSCE 2003-02 및 ASTM C 1611⑻에 따라 Slump-cone 에 시료를 채운 후 다짐을 하지 않은 상태에서 시료 의자 중만으로 흘러 퍼졌을 때 콘크리트의 Slump-flow (㎛)값을 측정하였다.
- HSCC의 재료분리 저항성 시험은 KSCE 2003-03에 준하여 재료분리 저항성능을 측정하였다. V-funnel 유하시간의 경우 시료를 시험장치에 채운 후 하부의 입구를 개방하여 시료가 완전히 흘러내렸을 때까지의유하시간을 측정하였다.
- HSCC의 충전성 평가 시험은 KSCE 2003-01에준하여 충전성능을 측정하였다. U형 박스에 시료를채운 후 가운데 칸막이를 들어올려 콘크리트가 철근사이를 통과하여 상승된 높이와 단차를 측정하였다.
- HSCC의 충전성 평가 시험방법은 Table 7에 ASTM C 1621(4)에 준하여 통과성능을 측정하였다. J-ring 중앙의 Slump-cone을 들어올려 J-ring이 있는 Slump flow 값과 J-ring이 없는 Slump flow 값을 비교하였다.
- 강섬유 혼입한 콘크리트의 압축강도 시험 방법은 KS F 2405에 준하여 실시하여, 시험용 공시체는 0 100x200m 원주형 몰드에 CC는 2층 8회 다짐을 하고 HSCC는 다짐을 하지 않은 상태에서 제작하였으며 24시간 후 몰드를 탈형하여 소정의 재령까지 20±3笆 의 수조에 침지하여 양생하였다.
- CC 및 HSCC의 쪼갬인장강도 시험은 압축강도 용공시체와 동일한 방법으로 제조한 콘크리트용 공시 체를 이용하여 KS F 2423에 준하여 실시하였다.
- CC 및 HSCC의 휨강도 시험은 압축강도용 공 시체와 동일한 방법으로 제조한 콘크리트용 공시체를 이용하여 KS F 2408에 준하여 실시하였다.
성능/효과
- 이러한 고유동 자기충전 콘크리트에 강섬유를 혼입할 경우 고유동 자기충전 콘크리트의 높은 유동성능에의한 유동성 향상 효과 및 높은 점성에 의한 강섬유의분산성을 확보할 수 있어 시공효율 향상 및 인장강도및 휨강도를 증가시킬 것으로 판단된다. 그러나, 국내의 경우 강섬유를 혼입한 일반 콘크리트에 대한 연구는 많이 보고 되고 있지만 강섬유를 혼입한 고유동 자기충전 콘크리트에 대한 연구는 찾아보기 어려운 실정이다.
- 1은 SF를 혼입한 CC의 유동성능을 평가하기위하여 Slump 값을 정리한 것이다. Fig. 1의 결과 SF 중 형상비가 가장 작은 SF-1을 사용한 SF 1-1 은 SF를 사용하지 않은 기준배합과 동일한 SP제 양을 사용한 결과 Slump값이 약 55% 정도 크게 감소되는 결과가 나타났다. 따라서 기준배합과 동일한 유동 성능을 확보하기 위하여 SP제 양을 3배 증가시킨 SF1, SF2 및 SF3의 경우 기준배합과 유사한 유동 성능을 확보할 수 있었지만 SF의 길이 및 직경이 커짐에 따라 비례적으로 Slump 값이 감소되어 유동성이 저하되는 경향이 나타났다.
- 1의 결과 SF 중 형상비가 가장 작은 SF-1을 사용한 SF 1-1 은 SF를 사용하지 않은 기준배합과 동일한 SP제 양을 사용한 결과 Slump값이 약 55% 정도 크게 감소되는 결과가 나타났다. 따라서 기준배합과 동일한 유동 성능을 확보하기 위하여 SP제 양을 3배 증가시킨 SF1, SF2 및 SF3의 경우 기준배합과 유사한 유동 성능을 확보할 수 있었지만 SF의 길이 및 직경이 커짐에 따라 비례적으로 Slump 값이 감소되어 유동성이 저하되는 경향이 나타났다. 이러한 현상은 CC에 SF 를 혼입할 경우 콘크리트 내부에서 SF가 변형 및 유동성을 구속하기 때문이며, 또한 SF의 길이가 길어짐에 따라 fiber ball 현상이 더욱 현저하게 발생하여 SF의 분산성이 떨어지는 것으로 판단된다.
- 2는 SF를 혼입한 HSCC의 유동성능을 평가하기 위하여 Slump flow 값을 정리한 것이다. Fig. 2의 결과 동일한 SP제 양을 사용한 HSCC의 경우 SF의 길이 및 직경이 커질수록 Slump flow 값이 비례적으로 저하되는 경향을 나타내고 있으나 기준배합에 비하여 최대 6% 정도 감소로 그 영향은 작았으며, 모든 배합에서 JSCE 2등급 병용계 기준(600-700mm)을 만족하였다.
- 5의결과 기준배합에 비하여 SF를 혼합한 배합의 경우 Slump flow와 J-ring flow의 차이 값이 크게 증가하여 통과성능이 크게 저하되는 결과가 나타났다. 또한 형상비와 관계없이 SF의 길이가 커질수록 통과성능이 비례적으로 감소하였으나, ASTM C 1621에서제시한 최소 성능 기준은 만족하였다.
- 6 및 7은 SF를 혼입한 CC 및 HSCC의 재령별 압축강도를 정리한 것이다. Fig. 6 및 7의 결과 재령 3 및 7일의 초기재령에서 HSCC가 CC보다 압축강도 값이 다소 낮은 경향을 나타나고 있지만, 모든 재령에서 SF를 혼입한 CC 및 HSCC의 압축강도는 기존의 연구결과와 마찬가지로 SF의 길이 및 직경의 변화에 영향을 받지 않는 것으로 나타났다.
- 8은 SF를 혼입한 CC 및 HSCC 의 쪼갬 인장강도 및 휨강도를 정리한 것이다. Fig. 8의 결과 SF 를 혼입하지 않은 기준 공시체보다 SF를 혼입한 경우길이 및 직경이 증가할수록 비례적으로 쪼갬인장강도및 휨강도가 증가하는 경향이 나타났다. 이러한 결과는 SF를 콘크리트에 혼입할 경우 콘크리트 하중이 재하됨에 따라 SF에 의해 하중이 재분배됨으로서 콘크리트의 인장력이 증가된 것으로 판단된다.
- 1) 콘크리트에 SF를 혼입할 경우 유동성능 확보를 위하여 CC는 기준배합보다 SP제 양을 3배 증가시켰지만, HSCC는 기준배합과 동일한 SP제 양으로 유동 성능을 확보할 수 있었다.
- 2) V-funnel 유하시간 시험 및 U-box 의 충전 높이시험의 경우 SF의 형상비 보다는 길이가 보다 큰 영향을 미치는 것으로 나타났으며, 철근콘크리트 구조물에 SF를 혼입한 HSCC를 적용할 경우 철근 간격 200mm 이하에서 SF 길이 50mm 이상을 사용하면 충전성이 크게 떨어지므로 충전성을 만족하기 위해서는 SF 길이 30mm 정도가 적당할 것으로 판단된다.
- 3) SF를 혼입한 HSCC 경우 Slump flow와 J-ring flow의 차이 값이 크게 증가하여 통과성능이 저하되는 결과가 나타났지만 형상비와 관계없이 SF 의 길이가 커질수록 통과성능이 비례적으로 감소하였으며, ASTM C 1621에서 제시한 최소 성능 기준은 만족하였다.
- 4) SF를 혼입한 HSCC의 압축강도는 최대하중 도달후에도 SF가 파괴면을 구속함에 따라 파편 탈락이적게 발생하였는데, 동일한 압축강도 범위에서 SF 를 혼입하지 않은 HSCC의 경우보다 쪼갬 및 휨강도는 SF의 형상비와 관계없이 길이가 길어질수록 증가하는 경향이 나타났다.
- 이상의 실험결과를 통하여 강섬유를 혼입한 고 유동 자기충전 콘크리트를 현장 적용할 경우 기존에 사용되고 있는 강섬유보강 일반콘크리트의 경우보다 시공성 및 품질 향상이 가능할 것으로 판단된다.
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