[논문]폴리프로필렌섬유보강 콘크리트의 성능평가 연구

이수열; 박연준; 김수만; 유광호; 장성일; 서영호

문제 정의

본 연구에서는 PP섬유보강 숏크리트의 휨인성 특성 평가를 위해 RTA에서 제안한 원형패널시험(TEST METHOD T373)과 국내규정인 KS F 2566(2005)에 의한 3등분점 재하시험을 수행하였다. 연구의 목적상 숏크리트 시료를 사용하여야 하나, 현장의 온도 및 습도 조건에 따른 양생 환경의 변화가 시험결과에 미치는 영향이 크므로 이를 배제하고자 부득이 실험실에서 콘크리트시료를 제작하여 시험에 사용하였다.
본 연구에서는 강섬유 및 PP섬유로 보강된 콘크리트 복합체의 거동 특성을 원형패널시험과 휨인성시험을 통해 지보재로서의 성능을 평가하고 그 결과를 비교분석해 보았다.
본 연구에서는 해저에 시공되는 터널에서 해수의 침투에 따른 염해 가능성을 우려하여 최근 내부식성 섬유로 그 활용빈도가 증가하고 있는 폴리프로필렌섬유를 대상으로 강섬유와의 성능 비교를 통하여 적정 배합비를 결정하고, 숏크리트 복합체의 거동 특성을 파악하여 지보재로서의 성능을 평가하고자 한다.

가설 설정

h : 파괴단면 높이(mm) 이다.

제안 방법

또한 배합설계의 품질을 확인하기 위해 종류별 각각 3개의 실린더형 시편을 제작하여 일축압축강도 시험을 수행하였다. 재하속도는 시편에 충격을 주지 않는 등속 변위 재하방식을 적용하였다.
본 연구를 위하여 무보강 콘크리트와 강섬유보강 콘크리트 그리고 PP섬유보강 콘크리트를 포함하여 총 6종류의 배합으로 콘크리트 시편을 제작하였다. 이때 PP섬유보강 콘크리트는 PP섬유의 혼입량을 6, 8, 10, 12 kg/m³로 하였다.
본 연구에서는 Yoke 방법에서의 처짐 측정장치를 응용하여 그림 4(b)와 같은 3등분점 하중재하 시험의 중앙점 처짐 측정장치를 적용하였다.
섬유보강 콘크리트의 역학적 성능을 평가하는 방법으로 재료 자체의 압축강도 및 휨강도 특성을 평가하는 방법과 콘크리트 부재가 받는 하중과 재료의 항복 이후에도 어느 정도의 지보력을 발휘할 수 있는지를 함께 고려한 휨인성 특성을 평가하는 방법의 2가지를 사용하였다.
시험 종류는 일축압축강도, 원형패널을 이용한 에너지 흡수율 시험, 휨강도 및 휨인성 시험을 하였으며, 제작된 시편의 종류 및 개수는 표 5와 같이 재령 28일 강도시험을 위해 종류별로 각각 3개씩 총 18개를 제작하였다.
본 연구에서는 PP섬유보강 숏크리트의 휨인성 특성 평가를 위해 RTA에서 제안한 원형패널시험(TEST METHOD T373)과 국내규정인 KS F 2566(2005)에 의한 3등분점 재하시험을 수행하였다. 연구의 목적상 숏크리트 시료를 사용하여야 하나, 현장의 온도 및 습도 조건에 따른 양생 환경의 변화가 시험결과에 미치는 영향이 크므로 이를 배제하고자 부득이 실험실에서 콘크리트시료를 제작하여 시험에 사용하였다.
원형 패널에서는 앞서 기술한 바와 같이 지름 800 mm에 두께 75 mm의 원형패널 시편을 40 mm의 처짐 변위까지 하중을 재하하여 측정된 하중과 중앙점의 처짐에 대한 관계를 이용하여 콘크리트의 에너지 흡수율을 측정하여 휨인성을 평가하였다. 보강재 및 섬유 투입량에 따라 원형패널의 최대하중과 에너지 흡수율을 계산하고 이들의 평균값을 구하여 표 7에 나타내고, 이를 그래프로 비교하여 그림 7에 도시하였다.
본 연구를 위하여 무보강 콘크리트와 강섬유보강 콘크리트 그리고 PP섬유보강 콘크리트를 포함하여 총 6종류의 배합으로 콘크리트 시편을 제작하였다. 이때 PP섬유보강 콘크리트는 PP섬유의 혼입량을 6, 8, 10, 12 kg/m³로 하였다. 콘크리트 배합표는 표 4에 나타내었다.
또한 배합설계의 품질을 확인하기 위해 종류별 각각 3개의 실린더형 시편을 제작하여 일축압축강도 시험을 수행하였다. 재하속도는 시편에 충격을 주지 않는 등속 변위 재하방식을 적용하였다. 표 6에 정리된 바와 같이 평균 일축압축강도는 50 MPa 이상으로 매우 높게 나타났으며, 변동계수는 10% 이하로 콘크리트 시편에 대한 품질관리가 매우 양호한 수준으로 나타났다.
콘크리트의 강도 증진을 위하여 시멘트 중량의 5%를 고성능 분체 혼화재(High Performance Admixture; 이하 HPA로 표기함)로 치환한 콘크리트를 기준콘크리트로 설정하였으며, 단위수량을 일정하게 하고 슬럼프 값을 동일하게 하기 위하여 폴리카르복실산계 고성능 감수제를 시멘트 대비 0.75～1.00% 첨가하여 그림 1과 같이 시편을 제작하였다.
휨인성 시험은 강섬유보강콘크리트의 휨인성 시험방법(KS F 2566)의 시험 규정에 따라 150×150×550 mm 규격의 휨강도시험용 몰드에 콘크리트를 타설한 후 습윤양생하여 시편을 제작하였다.

대상 데이터

시편의 중앙에 지름이 100 mm이고 접촉면의 곡률반경이 100 mm인 원기둥 형태의 재하판을 이용하여 하중을 가한다. 원형패널 중앙부의 최대 처짐을 1초 단위로 측정하여 하중-변위곡선을 얻는다.
시험에 사용된 PP섬유는 폴리프로필렌 호모(polypropylene homo) 재질로 인장강도는 최소 500 MPa, 탄성계수는 5 GPa이며, 길이는 50 mm이다. 본 시험에서 사용되는 강섬유와 PP섬유의 특성을 비교하여 표 1에 정리하였다.
시험장치는 그림 2에 도시한 바와 같이 원형패널을 지지하기 위해 120° 각도로 배열된 세 개의 지지점과 자연스럽게 회전이 가능한 하부 지지대로 구성된다.
원형 패널에 대한 휨인성 평가는 호주 RTA의 TEST METHOD T373(Determination of the toughness of a fiber reinforced shotcrete mix)에 따라 수행하였다. 이 시험에서는 지름 800 mm, 두께 75 mm의 원형패널시편 중앙부의 처짐과 하중을 측정하여, 시험 결과로 얻어지는 하중-변위곡선 하부의 면적으로 표시되는 에너지 흡수능력을 휨인성 평가 자료로 사용하고 있다.

이론/모형

원형 패널에 대한 휨인성 평가는 호주 RTA의 TEST METHOD T373(Determination of the toughness of a fiber reinforced shotcrete mix)에 따라 수행하였다. 이 시험에서는 지름 800 mm, 두께 75 mm의 원형패널시편 중앙부의 처짐과 하중을 측정하여, 시험 결과로 얻어지는 하중-변위곡선 하부의 면적으로 표시되는 에너지 흡수능력을 휨인성 평가 자료로 사용하고 있다.

성능/효과

1) 일축압축시험결과 재령 28일에는 전부 50.0 MPa 이상의 높은 강도를 보였고, 강섬유 사용 시 56.2 MPa로 가장 높은 강도를 보였다.
2) 원형패널에 대한 시험결과 평균 최대하중은 강섬유가 32.77 kN으로 가장 크게 나타났으나, 평균 에너지 흡수율은 강섬유의 경우 268 J, PP섬유의 경우에는 사용량에 따라 249 J(6 kg), 406 J(8 kg), 419 J(10 kg), 471 J(12 kg)으로 PP섬유의 함량 증가에 따라 큰 폭으로 증가하였다.
3) EFNARC 패널시험 결과에 대한 평가 기준을 RTA 원형패널시험 결과에 적용시켜 에너지 흡수능력을 평가한다면, 강섬유는 기준에 못 미치는 반면, PP섬유 8 kg/m³이상 사용 시에는 EFNARC 규정을 환산한 최고등급인 C등급(403 J)을 만족하였다.
4) 고성능 감수제와 고성능 분체혼화재를 사용한 콘크리트 배합설계(표 4)를 적용한 결과, 무보강을 포함하여 모든 시편에서 4.5 MPa 이상을 보여 설계기준 강도를 만족하였으며, 강섬유 보강의 경우 평균 최대휨강도가 5.58 MPa로 가장 크게 나타났다. 그러나 잔류강도비는 24.
6) PP섬유 12 kg의 평균 등가휨강도는 3.5 MPa로 한국도로공사 품질기준인 등가휨강도기준 3.0MPa을 만족하였지만, PP섬유 10 kg 이하의 경우와 강섬유 보강의 경우에는 평균 등가휨강도가 3.0 MPa 이하로 나타나 기준에는 다소 못 미치는 결과를 보였다. 그러나 PP섬유 10 kg/m³의 경우 평균잔류강도는 3.
5 MPa를 초과하여 설계기준강도를 만족하였다. 그러나 성능평가 기준이 되는 휨강도 4.5 MPa 과 등가휨강도 3.0MPa 이상을 모두 만족하는 것은 PP섬유 12 kg 사용한 경우뿐이며, 강섬유와 원형패널시험에서 최고 등급인 C 등급 기준을 만족하는 PP섬유 8 kg 사용한 경우에는 등가휨강도 기준을 만족하지 못하여 에너지 흡수능력에 의한 평가와는 다른 결과를 보였다.
58 MPa로 가장 크게 나타났다. 그러나 잔류강도비는 24.2%로 가장 적은 비율을 보여 균열 발생 후의 전체적인 지지능력은 PP섬유가 강 섬유보다 우수함을 나타내었다.
대체로 잔류강도비와 등가휨강도비는 비슷한 양상을 보이고 있으며, 평균휨강도는 강섬유가 5.58 MPa로 가장 크지만 잔류강도비는 24.2%로 가장 적은 비율을 보여 균열 발생 후의 전체적인 지지능력은 PP섬유가 강섬유보다 우수함을 나타내었다.
무보강의 경우를 포함하여 모든 경우에서 휨강도는 4.5 MPa를 초과하여 설계기준강도를 만족하였다. 그러나 성능평가 기준이 되는 휨강도 4.
그림 9는 빔 시편들의 파괴형태를 보여주는 사진이다. 시편의 균열 발생 형태는 보강 방법과 무관하게 대체로 시편 중앙부에서 수직방향으로 발생하였으나, 균열의 깊이와 벌어짐 정도는 섬유의 종류와 사용량에 따라 다소 다르게 나타났으며, 동일한 보강의 경우에도 시편마다 다소 다르게 나타났다. 이러한 차이는 시험 결과에도 영향을 미쳐 결과의 변동성에 영향을 미치는 요인으로 판단된다.
에너지 흡수율은 무보강의 경우를 제외하면 249∼471 J의 범위를 나타내었는데, 최대하중과 에너지 흡수율은 비례하는 결과를 보이지 않았다.
원형패널의 파괴형태는 그림 6에서 보는 바와 같이 일정한 균열양상과 파괴형상을 보여주었다. 원형패널의 균열은 중앙점을 중심으로 세 지점의 가운데로 세 개의 균열이 일정하게 진전되어 파괴되는 것을 관찰할 수 있었다.
이상의 결과를 살펴보면 PP섬유 10 kg/m³ 이상을 적용할 경우 강섬유 40 kg/m³를 적용한 경우보다 에너지 흡수능력과 휨인성이 더 우수한 것을 알 수 있으며, 호주 등지에서 기준으로 삼고 있는 에너지흡수능력을 감안하면 PP섬유 8 kg/m³ 이상만 적용하여도 강섬유와 대등한 보강능력을 발휘할 수 있을 것으로 판단된다.
최대하중은 약 23∼33 kN의 범위를 보였는데, 평균 최대하중은 강섬유 보강의 경우가 32.77 kN으로 가장 크게 나타났으며 PP섬유 보강의 경우에는 무보강의 경우와 큰 차이를 보이지 않았으며 섬유 투입량에 따른 차이도 보이지 않았다.
에너지 흡수율은 무보강의 경우를 제외하면 249∼471 J의 범위를 나타내었는데, 최대하중과 에너지 흡수율은 비례하는 결과를 보이지 않았다. 평균 최대하중은 강섬유가 32.77 kN으로 가장 크게 나타났으나, 평균 에너지 흡수율은 강섬유의 경우 267 J, PP섬유의 경우에는 사용량에 따라 249 J(6 kg), 406 J(8 kg), 419 J(10 kg), 471 J(12 kg) 등으로 PP섬유의 함량 증가에 따라 큰 폭으로 증가함을 알 수 있다.
재하속도는 시편에 충격을 주지 않는 등속 변위 재하방식을 적용하였다. 표 6에 정리된 바와 같이 평균 일축압축강도는 50 MPa 이상으로 매우 높게 나타났으며, 변동계수는 10% 이하로 콘크리트 시편에 대한 품질관리가 매우 양호한 수준으로 나타났다.

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	폴리프로필렌(polypropylene, PP)섬유의 비중은?	폴리프로필렌(polypropylene, PP)섬유의 비중은 0.91로 비중이 2.6인 유리섬유나 7.
	섬유보강 콘크리트의 역학적 성능을 평가하는 방법으로 사용한 2가지 방법은?	섬유보강 콘크리트의 역학적 성능을 평가하는 방법으로 재료 자체의 압축강도 및 휨강도 특성을 평가하는 방법과 콘크리트 부재가 받는 하중과 재료의 항복 이후에도 어느 정도의 지보력을 발휘할 수 있는지를 함께 고려한 휨인성 특성을 평가하는 방법의 2가지를 사용하였다.

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