[국내논문]이종 섬유 혼입비에 따른 섬유보강 콘크리트의 휨 인성 및 휨 인장강도에 관한 연구 Study on flexural toughness and flexural tensile strength of fiber reinforced concrete by mixture ratio of different fibers원문보기
최근 새로운 형태의 폴리올레핀 섬유에 대하여 성능향상 개발이 이루어지고 있으며, 기존 섬유와 혼입하여 사용하거나 폴리올레핀 섬유만을 사용한 콘크리트 특성에 대하여 연구와 검증이 필요하다. 본 연구의 목적은 강섬유와 폴리올레핀 섬유를 사용한 콘크리트의 휨 인성 및 휨 인장강도에 대한 성능을 확인하기 위하여 324개의 보 시편을 제작하고, KS F2566과 ASTM C 1399-02규격에서 제시한 4점 휨 실험을 수행하여 휨 인성지수, 등가 휨 인장강도, 평균잔류강도를 분석하였다. 실험결과, 섬유 혼입률, 섬유 형상비에 대한 휨 인성 및 인장강도에 대한 효과가 확인되었으며, 강섬유와 폴리올레핀의 최적의 혼입비율을 제시하였다.
최근 새로운 형태의 폴리올레핀 섬유에 대하여 성능향상 개발이 이루어지고 있으며, 기존 섬유와 혼입하여 사용하거나 폴리올레핀 섬유만을 사용한 콘크리트 특성에 대하여 연구와 검증이 필요하다. 본 연구의 목적은 강섬유와 폴리올레핀 섬유를 사용한 콘크리트의 휨 인성 및 휨 인장강도에 대한 성능을 확인하기 위하여 324개의 보 시편을 제작하고, KS F2566과 ASTM C 1399-02규격에서 제시한 4점 휨 실험을 수행하여 휨 인성지수, 등가 휨 인장강도, 평균잔류강도를 분석하였다. 실험결과, 섬유 혼입률, 섬유 형상비에 대한 휨 인성 및 인장강도에 대한 효과가 확인되었으며, 강섬유와 폴리올레핀의 최적의 혼입비율을 제시하였다.
Recently, a new type of polyolefin fiber having a good mechanical properties is being developed, and it is necessary to examine a possibility for the new fiber together to be used as a reinforcing fiber with other types of fiber or by itself. The objective of this study is to find flexural toughness...
Recently, a new type of polyolefin fiber having a good mechanical properties is being developed, and it is necessary to examine a possibility for the new fiber together to be used as a reinforcing fiber with other types of fiber or by itself. The objective of this study is to find flexural toughness and tensile strength of concrete reinforced with steel and polyolefin fibers. Four point beam tests were performed with 324 specimens following two standard tests methods: KS F 2566 and ASTM C 1399-02. From the test results, the effects of volume fraction of fibers, and aspect ratio of steel fiber on the toughness and tensile strength were investigated, and the optimal ratio of steel fiber to polyolefin fiber was suggested.
Recently, a new type of polyolefin fiber having a good mechanical properties is being developed, and it is necessary to examine a possibility for the new fiber together to be used as a reinforcing fiber with other types of fiber or by itself. The objective of this study is to find flexural toughness and tensile strength of concrete reinforced with steel and polyolefin fibers. Four point beam tests were performed with 324 specimens following two standard tests methods: KS F 2566 and ASTM C 1399-02. From the test results, the effects of volume fraction of fibers, and aspect ratio of steel fiber on the toughness and tensile strength were investigated, and the optimal ratio of steel fiber to polyolefin fiber was suggested.
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문제 정의
특히 균열 발생 후 기술적으로 이용할 수 있는 내하력의 입증은 섬유보강 콘크리트의 고유특성으로 의미를 가질 수 있다. 따라서 본연구에서는 콘크리트 보강용 섬유 중 강섬유와 합성 플라스틱 섬유를 혼입함에 따른 섬유 보강 콘크리트 평가실험 방법에 따른 품질평가를 실시하고, 이를 이용하여 섬유보강 콘크리트를 이용한 구조물의 설계에 반영할 수 있는 방안을 알아보았다.
이와 같은 개념의 균열 후 등가 휨 인장강도를 산출하는 방법 중에서 본 장에서는 독일 콘크리트 위원회에서 제시한 DBV식과 일본 토목학회에서 제시한 JSCE식에 대하여 설명하고자 한다.
독일 콘크리트 위원회(이하 DBV)에서 제안한 균열 후 등가 훰 인장강도 결정 방법에 대해 소개하고자 한다. DBV에서 제시하고 있는 방법을 그림 3에 나타내었다 (박홍용, 2000b).
가설 설정
이러한 NATM의 설계 개념에 의하면 라이닝 콘크리트는 원칙적으로 외력을 분담치 않는 무응력 부재이며, 단지 원지반의 풍화방지와 단면형상 유지용 외장재의 역할만 한다고 가정하고 있다. 그러나, 최근 라이닝 콘크리트에 발생하고 있는 균열에 대한 문제점이 큰 현안으로 대두되고 있다.
제안 방법
본 연구에서 사용된 콘크리트 배합설계는 표 1과 같이 라이닝 콘크리트 설계기준강도인 24 MPa이 되도록 하였다
강섬유 형상비(λ)는 A=W (l: 강섬유 길이, D: 강섬유 직경)로 나타내며, 본 연구에서는 형상비 70 (ℓD= 54/0.77)과 80(ℓD=60/0.75)에 대하여 고려하였다.
본 연구의 실험은 크게 강섬유 형상비와 전체 섬유 혼입량, 강섬유와 플라스틱 섬유의 혼입비율을 변수로 활용하였다. 변수에 대한 실험체 분류는 표 2와 같다
콘크리트의 기본 물성을 파악하기 위하여 압축강도 실험을 수행하였다. 압축강도는 원주형 실험체(Φ100 mm x200 mm)를 제작하여 습윤 양생 후 측정되었다.
6 mm가 될 때까지 측정하였다. 이 실험은 ASTM C 1018 실험방법과 KS F 2566 실험방법이 유사하지만, 측정된 하중변위 데이터의 분석방법이 다르기 때문에 동일한 실험에서 다른 방법을 이용하여 분석하였다..
75 mm까지 재하한 후 강판을 제거, 두 번째 재하를 시작한다. 중앙 처짐 측정 장치에 설치된 2개의 LVDT를 사용하여 처짐량이 3 mm가 될 때까지 실험체의 처짐을 측정하였다. 그림 10은 ASTM 1399- 02에 명시된 평균 잔류강도 재하도를 나타낸 것이다.
처짐은 중앙지점에 설치된 2개의 LVDT를 사용하여 처짐량이 6 mm가 될 때까지 측정하였다. 이 실험은 ASTM C 1018 실험방법과 KS F 2566 실험방법이 유사하지만, 측정된 하중변위 데이터의 분석방법이 다르기 때문에 동일한 실험에서 다른 방법을 이용하여 분석하였다.
대상 데이터
본 실험에서 사용한 강섬유는 기존의 hooked type 보다 콘크리트 내부에 정착력이 증진되는 형태의 양단 후크형 (Double Hook Type)을 사용하였으며, 강섬유의 기본 물성인 인장강도(fu)는 920 MPa이고, 탄성계수(Es)는 200 GPa이다 그림 8은 실험에 사용한 Twin-Hook Fiber의 형상을 나타낸 것이다.
실험에 사용된 플라스틱 섬유는 폴리 올레핀계 고분자 플라스틱 섬유로서, 콘크리트 휨 인성 보강용으로 제조된 것이다. 실험에 사용한 플라스틱 섬유의 형상비는 65 이고 플라스틱 섬유의 인장 강도는 최소 300 MPa이다.
것이다. 실험에 사용한 플라스틱 섬유의 형상비는 65 이고 플라스틱 섬유의 인장 강도는 최소 300 MPa이다. 그림 9는 실험에 사용한 플라스틱섬유 사진이다.
이론/모형
본 연구에서는 KS F 2566 방법을 이용하였으며, 이 실험법은 ASTM C 1018을 인용하였는데, ASTM에서는 그림 5와 같이 ACI 544 위원회 방법과 Johnston(II) 방법을 조합하여 채택하였다 초기 하중처짐 곡선을 직선화한 뒤 초기 균열하중(A점)의 접선이 X축과 만나는 0'점을 처짐 원점으로 잡아 O'AB 에 의한 삼각형 면적을 초기 균열 처짐 hop의 면적으로 간주하였다. 이 때 O, B를 3로 하여 38, 5.
압축강도는 원주형 실험체(Φ100 mm x200 mm)를 제작하여 습윤 양생 후 측정되었다. 압축강도 실험은 KS F 2405 콘크리트의 압축강도 실험 방법을 따라 실시하였다.
KS F 2566 강섬유 보강 콘크리트의 휨 인성실험 방법에 따라 4 점 휨 실험을 수행하였으며, 휨 인성 실험체의 중앙점 처짐량 및 파괴하중을 측정하였다. 재하속도는 실험체가 파괴될 때까지 0.
ASTM 1399-02 섬유 보강 콘크리트의 평균 잔류강도실험 방법에 따라 4점 휨 실험을 수행하였으며, 실험체의 중앙점 처짐량 및 파괴하중을 측정하였다. 재하속도는 0.
성능/효과
표 3에 나타낸 압축강도 실험결과, 설계 기준강도인 24 MP&을 약 15% 정도 상회하는 약 27.76 MPa을 나타내었다. 일반적으로 콘크리트 배합 시, 타설 시의 오류 등을 감안하여 설계 강도에 약 10-20% 정도 향상된 압축강도 수치를 나타나도록 배합을 설계한다.
L) 사이에 대부분의 압축강도 결과가 포함되어 있다. 이 결과는 실험 시 강도 편차가 작은 것을 의미하며, 섬유혼입이 콘크리트 압축강도에 미치는 영향이 거의 없다는 것을 알 수 있다.
균열 후 등가 휨 인장강도를 DBV와 JSCE 평가 방법을 이용하여 분석한 결과, 강섬유와 플라스틱 섬유 혼입률이 동일한 경우 강섬유와 플라스틱 섬유의 혼합비가 2:1일 경우에 가장 높은 균열 후 휨 인장강도가 측정되었으며, DBV식와 JSCE식 모두 동일한 결과를 나타내었다. 따라서 플라스틱 섬유 혼입으로 인하여 강섬유만 사용한 경우보다는 인장저항능력이 증대됨을 알 수 있다
사용성에 대한 분류에 대한 것이다. 이 표를 근거로 본 실험의 결과를 분석해 보면, 대부분의 실험체가 우수수준이거나, 극히 우수 수준으로 나타나고 있어 실험체의 제작은 우수한 것으로 판단할 수 있다.
또한 섬유혼입량에 대한 평가도 뚜렷이 나타나지 않은 것으로 나타났다. 이는 평가방법이 휨 인성실험 시하중-처짐 그래프를 이용하여 평가하도록 되어 있는데, 최초 균열 후 그래프의 형상이 일정하게 나타나지 않아 평가가 일률적이지 못한 것으로 판단할 수 있다.
강섬유와 플라스틱 섬유의 혼합비와 섬유 혼입률을 기준으로 그림 17의 그래프를 분석해 보면, 강섬유와 플라스틱 섬유의 섬유 혼입률이 0.5%, 0.75%, 1.00% 순으로 증가함에 따라 평균 잔류강도가 증가하며, 형상 비가 커질수록 잔류강도가 높은 것으로 나타났다. 일반적인 섬유보강 콘크리트는 섬유 혼입률과 형상비에 따라그 인성 및 역학적 성능이 개선되는 것으로 나와 있으며, 본 실험에서도 뚜렷한 결과를 나타내고 있다.
평균잔류강도 실험결과에서도 JSCE 평가법 , ASTM 평가법, KS 규격에 따른 평가결과와 마찬가지로 강섬유와 플라스틱 섬유의 2:1일 때의 평균 잔류강도가 가장 높은 것으로 나타났다. 이는 초기 인성은 플라스틱 섬유가 성능을 나타내고, 이후 응력이 커질수록 강섬유가 인성을 나타내게 되는데, 이때 강섬유가 부담해야 하는 응력을 플라스틱 섬유가 일부 부담함으로써, 더 큰 인성을 나타내는 것으로 판단할 수 있다
1. 강섬유와 플라스틱 섬유 혼입 콘크리트의 휨 인장강도 실험결과, 강섬유 혼입 콘크리트가 플라스틱 혼입 콘크리트에 비하여 균열 전 휨 인장강도는 약 50% 정도 높은 것으로 나타났으며 균열 후 인장강도는 독일 DBV 식으로 계산 할 때는 약 40%, JSCE 식에서는 약 25% 정도 높게 나타났다. 이것은 강섬유가 플라스틱 섬유보다는 균열 억제 능력이 우수한 것을 나타내는 것이며, 균열 후에도 균열 저항성이 더 높은 것을 알 수 있다.
2. KS F 2566 실험법 및 ASTM C 1018 실험법에 따른 휨 인성 실험결과, 뚜렷한 섬유보강 변수에 따른 결과를 나타나지 않았다. KS 규격과 ASTM 규격은 4 점 재하실험을 통하여 하중-처짐 곡선을 구하여 면적과 최초 처짐을 기준으로 비율을 산정하여 평가하도록 되어 있다.
KS 규격과 ASTM 규격은 4 점 재하실험을 통하여 하중-처짐 곡선을 구하여 면적과 최초 처짐을 기준으로 비율을 산정하여 평가하도록 되어 있다. 그러나 대부분 실험결과 그래프의 형태의 섬유의 분산성 혼입률 형상비, 섬유 특성에 따라 일정하게 나타나지 않으며, 초기 콘크리트의 물성이 인성결과에 미치는 영향이 크게 나타났다.
3. ASTM C 1399 실험법에 따른 균열 후 잔류강도에 실험 결과, 강섬유와 플라스틱 섬유의 섬유 혼입률이 0.5%, 0.75%, 1.00% 순으로 증가함에 따라 평균 잔류강도가 증가하며, 형상비가 커질수록 잔류강도가 높은 것으로 나타났다. 일반적인 섬유보강 콘크리트는 섬유 혼입률과 형상비에 따라 그 인성 및 역학적 성능이 개선되는 것으로 나와 있으며 본 실험에서도 뚜렷한 결과를 나타내고 있다.
4. 섬유보강 콘크리트에 대하여 강섬유와 플라스틱 섬유의 혼입비율별 결과를 살펴보면, 강섬유만 혼입한 경우보다 강섬유와 플라스틱 섬유가 2:1 비율로 혼입된 콘크리트가 균열 전 휨 인장강도는 약 13-33% 증진되었으며, 균열 후 인장강도는 25-40% 증진되었다. 잔류강도 평가결과에서도 약 20 -30% 정도 증진되는 것으로 나타났다.
후속연구
5. 향후 섬유보강 콘크리트 라이닝을 설계 시, KS F 2566 시험법이나 ASTM C 1018 실험법에 따른 평가 결과보다는 ASTM C 1399-02 시험법에서 제시하고 있는 잔류강도를 이용하여 설계할 경우 좀 더 안정한 평가에 대한 설계가 가능할 것으로 보여진다.
6. 향후 강섬유와 플라스틱 섬유에 대하여 경제성 및 시공성을 고려하여 0~50% 내로 최적비율을 결정할 수 있는 연구가 필요할 것이다.
참고문헌 (9)
박홍용, 안영진 (2000), "강섬유 보강 콘크리트의 균열 후 인장강도", 대한 토목학회 2000년도 학술발표회 논문집, pp. 447-450
박홍용, 안영진 (2000), "편심 축하중을 받는 강성유 보강 콘크리트 기둥의 실험적 연구", 한국 콘크리트 학회 가을 학술발표회 논문집, 제12권, 제2호, pp. 857-860.
ASTM C 1018 (1997), "Standard test method for flexural touglmess and first-crack strength of fiber-reinforced concrete (using beam with third-point loading)".
ASTM C 1399(2007), "Standard test method for obtaining average residual-strength of fiber-reinforced concrete".
Bernhard R. Maidl(1995), "Steel fibre reinforced concrete", Ernst & Sohn.
Deutscher Beton Verein e. V (1992), Merkblatt, Bemessungsgrundlager fur Stahlfaserse ton im Tunnelban, Fassung.
JSCE-SF4 (1984), "method of tests for flexural strength and flexural toughness of steel fiber reinforced concrete," Concrete library of JSCE, V3, Japan Society of Civil Engineers, pp. 58-61.
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