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문제 정의
- 본 연구는 CSG 재료에 폴리프로필렌 섬유를 혼입한 섬유 보강 CSG 재료를 개발하기 위한 것으로, 폴리프로필렌 섬유의 형상 및 섬유의 혼입율에 따른 CSG 재료의 다짐을 위한 최적함 수비와 최대건조밀도 및 압축강도, 응력-변형 및 파괴형태 등의 역학적 특성에 대한 기초 자료를 제시하고자 한다. CSG 공법의 최대골재의 치수는 150 mm 또는 80 mm 이하이며, 입도 조정 없이 현장입도를 그대로 사용하지만 실내배합 설계의 경우 실험장비의 제약으로 대형입도를 사용할 수 없기 때문에 통상적으로 최대굵은골재는 40 mm 이하를 사용한다.
- 본 연구는 CSG 재료에 폴리프로필렌 섬유를 혼입한 섬유 보강 CSG 재료를 개발하기 위한 것으로, 폴리프로필렌 섬유의 형상 및 섬유의 혼입율에 따른 CSG 재료의 다짐 및 역학적 특성을 구명하였으며, 본 연구를 통해 얻어진 결론은 다음과 같다.
제안 방법
- 본 연구에서는 섬유를 혼입하지 않은 CSG 재료에 대하여 단위시멘트량에 따른 최적함수비 및 최대건조밀도를 측정하여 최적함수비에서 목표 강도를 발현할 수 있도록 예비실험을 통하여 최적배합을 결정하였으며, 단위시멘트량이 100 kg/m3인 CSG 배합을 기본 배합으로 선정하였다. 한편, 폴리프로필렌 섬유는 CSG 재료의 전체 중량에 대한 중량비로 0, 0.
- Hilti vibrating 다짐에 의한 공시체는 직경 15 cm, 높이 30 cm의 콘크리트 몰드에 CSG재료를 투입하고 3층으로 나누어각 층마다 1분간 Hilti vibrating에 의해 다짐을 실시하여 제작 하였다. 압축강도시험을 위한 공시체는 각 배합당 12개를 1조로 하여 3회 반복하여 제작하였으며, 재령에 따른 강도 특성을 구명하기 위하여 재령 3, 7, 28 및 91일 동안 양생을 실시하였다.
- Hilti vibrating 다짐에 의한 공시체는 직경 15 cm, 높이 30 cm의 콘크리트 몰드에 CSG재료를 투입하고 3층으로 나누어각 층마다 1분간 Hilti vibrating에 의해 다짐을 실시하여 제작 하였다. 압축강도시험을 위한 공시체는 각 배합당 12개를 1조로 하여 3회 반복하여 제작하였으며, 재령에 따른 강도 특성을 구명하기 위하여 재령 3, 7, 28 및 91일 동안 양생을 실시하였다. Fig.
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나. XRD 시험
시멘트 혼입에 의한 CSG 재료의 재령별 수화특성을 분석하기 위하여 재령 7, 28 및 91일된 CSG 공시체의 일부를 채취하여, X선 회절분석을 Cu K-ALPHA1/36KV/20mA의 X-ray 에 의하여 5,000 deg/mim의 속도 및 5 80 deg의 범위로 실시하였다.
- 섬유 형상 및 섬유 혼입율에 따른 CSG 재료의 최적함수비및 최대건조밀도의 변화를 분석하기 위하여 CSG-100 배합에0 0.8 %의 섬유를 혼입하여 수정 E 다짐을 실시하고 각 섬유 혼입율에 따른 최적함수비 및 최대건조밀도를 도출하였다. Fig.
- 13은 응력-변형 곡선으로부터 산정된 섬유 혼입에 따른 CSG 재료의 탄성계수를 보여준다. 탄성계수는 응력-변형 곡선에서 최대강도의 0.5 % 지점과 원점을 이은 접선의 기울기에 의한 할선탄성계수를 의미하지만 본 연구에서는 응력-변형 곡선의 완만한 초기 부분을 제외하고 선형 구간에서의 기울기에 의하여 탄성계수를 계산하였다 (Kim et al., 2005).
대상 데이터
- CSG 공법의 최대골재의 치수는 150 mm 또는 80 mm 이하이며, 입도 조정 없이 현장입도를 그대로 사용하지만 실내배합 설계의 경우 실험장비의 제약으로 대형입도를 사용할 수 없기 때문에 통상적으로 최대굵은골재는 40 mm 이하를 사용한다. CSG 재료는 터파기시 발생된 굴착토를 선별기를 이용하여 40~25, 20~10, 10~4.76 mm 그리고 4.76 mm 이하로 분리하여 사용하였으며, Fig. 1은 입도분포곡선을 보여준다. 시멘트는 국내 H사의 보통 포틀랜드 시멘트를 사용하였으며, Table 1 및 Table 2는 사용된 시멘트의 역학적 특성 및 화학적 성분을 나타낸다.
- 1은 입도분포곡선을 보여준다. 시멘트는 국내 H사의 보통 포틀랜드 시멘트를 사용하였으며, Table 1 및 Table 2는 사용된 시멘트의 역학적 특성 및 화학적 성분을 나타낸다.
- 한편, CSG 재료의 강도 및 인성 증진을 위하여 사용된 섬유는 국내 S사의 폴리프로필렌섬유이며, 섬유의 형상에 따른 특성을 분석하기 위하여 단사형과 망사형의 섬유를 사용하였다. 사용된 폴리프로필렌 섬유의 제원과 형상은 Table 3 및 Fig.
이론/모형
- 압축강도시험은 KS F 2405 (콘크리트의 압축강도 시험방법)에 준하여 재령 3, 7, 28 및 91일에 ø150×300 mm인 공 시체를 Instron사의 만능시험기를 사용하여 1 mm/min의 속도로 하중을 재하하여 측정하였으며, Fig. 6은 압축강도 측정 모습을 보여준다.
- CSG 재료에 대한 다짐은 일반적으로 수정 E 다짐에 의한 다짐 방법과 본 공법과 유사한 미국의 RCC (Roller compacted concrete) 공법에서 제안하고 있는 Hilti vibrating 방법 (ASTM C 1435) 등이 사용되고 있다. 본 연구에서는 최적함수비 및 최대건조밀도 산출을 위한 다짐은 수정 E 다짐에 준하여 실시하였으며, 강도 측정을 위한 공시체 제작시에는 Hilti vibrating 다짐 방법을 이용하였다.
성능/효과
- Fig. 7(a)에서 보는 바와 같이 단사형 섬유를 사용한 경우 섬유의 혼입율이 증가할수록 최적함수비가 증가하는 경향을 나타내었으며, 섬유를 혼입하지 않은 배합에 비하여 섬유를 0.8 %혼입한 경우 3.8 %의 함수비가 증가하는 것으로 나타났다. 이러한 결과는 다짐을 위한 물의 첨가시 섬유의 표면에 물이 흡착될 뿐만 아니라 섬유와 섬유 사이에 물이 함유됨으로써 흙에 흡착되는 물이 상대적으로 감소하기 때문에 다짐을 위한 소요 수량이 증가하기 때문으로 판단된다.
- 이러한 결과는 다짐을 위한 물의 첨가시 섬유의 표면에 물이 흡착될 뿐만 아니라 섬유와 섬유 사이에 물이 함유됨으로써 흙에 흡착되는 물이 상대적으로 감소하기 때문에 다짐을 위한 소요 수량이 증가하기 때문으로 판단된다. 또한, 최적함수비에 따른 최대건조밀도는 섬유의 혼입율이 증가함에 따라 감소하는 경향을 나타내었으며, 이러한 결과는 섬유가 흙과 혼합되면서 섬유가 흙에 비하여 상대적으로 비중이 작기 때문으로 판단된다. 한편, 이러한 결과는 Kim et al.
- 92 g/cm3 이하로 감소하기 때문에 섬유 혼입율 결정시 이에 대한 고려가 수반되어야 할 것이다. 한편, 단사형 섬유를 혼입한 배합이 망사형 섬유를 혼입한 배합에 비하여 섬유 혼입율에 따른 최적함수비가 보다 증가하는 것으로 나타났다. 이러한 원인은 섬유 형상에 다른 차이로 망사형 섬유는 CSG 재료의 혼합시 하나의 섬유가 그물 모양으로 넓게 펼쳐져 적절하게 분산되는 반면에 단사형 섬유는 혼합시미세한 섬유가 분산되면서 섬유와 섬유의 뭉침 현상이 증가할 뿐만 아니라 섬유 분포가 일부 편중되어 분산이 잘 이루어지지 않았기 때문으로 판단된다.
- 8 %에서는 섬유를 혼입하지 않은 배합의 압축강도와 거의 유사하거나 다소 감소하는 경향을 나타내었다. 섬유를 혼입하지 않은 CSG 재료의 재령 28일에서 압축강도가 6.1 MPa인 반면에 단사형 섬유를 0.4 % 혼입한 배합의 압축강도는 8.4 MPa를 나타내어 약 38 %의 강도 증진 효과가 있는 것으로 나타나, 압축강도 측면에서 가장 양호한 섬유 혼입율을나타냈다. 반면에 섬유를 0.
- , 2008). 본 연구에서 사용된 단사형 폴리프로필렌 섬유는 CSG 재료의 혼합시 흙 속에 랜덤 분포되며, Hilti vibrating 다짐에 의하여 섬유와 흙의 부착력이 증가하면서 CSG 재료 내부에 마찰각 및 점착력이 증가하여 강도 증가 효과가 나타난 것으로 판단된다. 반면에 섬유 혼입율 0.
- 한편, 섬유 혼입율에 관계없이 단섬유를 혼입한 배합에 비하여 망사형 섬유를 혼입한 배합의 압축강도가 다소 크게 나타났으며, 0.6 % 이상의 섬유 혼입율에도 강도 감소 현상이 적게 발생하는 것으로 나타났다. 이러한 원인은 망사형 섬유의경우 CSG 재료의 혼합시 하나의 섬유가 그물 모양으로 넓게 펼쳐지는 반면에 단사형 섬유의 경우 미세한 섬유가 분산되면서 섬유와 섬유의 뭉침 현상이 증가할 뿐만 아니라 섬유의 분포가 흙의 일부분에 편중될 가능성이 망사형 섬유에 비하여 높기 때문으로 판단된다.
- 섬유를 혼입하지 않은 CSG-100 배합의 압축강도는 재령이 증가함에 따라 증가하는 경향을 나타내었으며, 재령 28일의 압축강도는 6.1 MPa로 재령 28일에 대한 재령 7일 및 91일의 압축강도비는 56 % 및 115 %로 나타났다.
- (c)에서 보는 바와 같이 재령 28일 및 재령 91일의 XRD 시험에서도 2θ = 30° 부근에서 규산칼슘수화물과 2θ = 40° 부근에서 수산화칼슘 및 2θ = 10° 부근에서 에트린자이트 (ettringite) 등이 일부 생성되는 것을 확인할 수 있으며, 수화반응을 위한 SiO2가 존재하는 것을 알 수 있다.
- 이와 같이 CSG 재료는 혼입되는 시멘트의 수화반응에 의해 수화 생성물의 경화 및 흙과의 접착력 증가로 인하여 CSG 재료의 강도 증진에 영향을 미치는 것으로 판단된다. 반면에 콘크리트와 달리 혼입되는 시멘트의 양이 적기 때문에 재령 초기에 수화반응이 발생하여 초기강도 증진에 영향을 많이 미치는 것으로 나타났으며, 재령이 증가함에 따라 강도의 증가 속도가 감소하는 경향을 나타내었다. 이러한 결과는 Kong et al.
- Fig. 12(b)에서 보는 바와 같이 망사형 섬유를 혼입한 CSG 재료의 응력-변형은 단사형 섬유를 혼입한 경우와 마찬가지로 섬유의 혼입율이 증가할수록 곡선의 기울기가 증가하는 경향을 나타내었으며, 단사형 섬유를 혼입한 배합에 비하여 기울기가 큰 것으로 나타났다. 망사형 섬유를 혼입한 배합에서 최대강도에 대한 변형률은 1.
- 12(b)에서 보는 바와 같이 망사형 섬유를 혼입한 CSG 재료의 응력-변형은 단사형 섬유를 혼입한 경우와 마찬가지로 섬유의 혼입율이 증가할수록 곡선의 기울기가 증가하는 경향을 나타내었으며, 단사형 섬유를 혼입한 배합에 비하여 기울기가 큰 것으로 나타났다. 망사형 섬유를 혼입한 배합에서 최대강도에 대한 변형률은 1.5 2 % 범위를 나타내 단사형 섬유를 혼입한 배합의 최대강도에 대한 변형률 2 %에 비하여 작은 것을 알 수 있었다.
- 단사형 및 망사형 섬유의 형상에 관계없이 섬유를 혼입한 CSG 재료의 탄성계수는 410 594 MPa의 범위를 나타내었 으며, 섬유를 혼입하지 않은 CSG 재료의 탄성계수 332 MPa 에 비하여 높게 나타났다. 섬유의 형태 및 혼입율에 관계없이 섬유 혼입율 0.
- 단사형 및 망사형 섬유의 형상에 관계없이 섬유를 혼입한 CSG 재료의 탄성계수는 410 594 MPa의 범위를 나타내었 으며, 섬유를 혼입하지 않은 CSG 재료의 탄성계수 332 MPa 에 비하여 높게 나타났다. 섬유의 형태 및 혼입율에 관계없이 섬유 혼입율 0.4 % 이내에서는 탄성계수가 섬유 혼입율이 증가할수록 증가하는 경향을 나타내었으며, 섬유 혼입율 0.4 %이상에서는 섬유 혼입율이 증가할수록 다소 감소하는 경향을 나타내었다. 이러한 원인은 섬유 형태와 관계없이 섬유가 0.
- 1. 섬유로 보강된 CSG 재료의 다짐에 의한 최적함수비는 섬유의 형상에 관계없이 섬유의 혼입율이 증가할수록 증가하는 경향을 나타내었으며, 최대건조밀도는 섬유의 혼입율이 증가할수록 감소하는 경향을 내었다. 섬유 형상에 있어서는 단사형 섬유가 망사형 섬유에 비하여 다짐을 위한 최적함수비가 다소 증가하는 것으로 나타났다.
- 섬유로 보강된 CSG 재료의 다짐에 의한 최적함수비는 섬유의 형상에 관계없이 섬유의 혼입율이 증가할수록 증가하는 경향을 나타내었으며, 최대건조밀도는 섬유의 혼입율이 증가할수록 감소하는 경향을 내었다. 섬유 형상에 있어서는 단사형 섬유가 망사형 섬유에 비하여 다짐을 위한 최적함수비가 다소 증가하는 것으로 나타났다.
- 2. 섬유 혼입율에 따른 CSG 재료의 압축강도는 재령에 관계 없이 섬유 혼입율 0.6 % 이내에서는 섬유를 혼입하지 않은 CSG 재료에 비하여 증가하는 경향을 나타내었으며, 섬유 혼입율 0.8%에서는 거의 유사하거나 감소하는 경향을 나타내었다. 압축강도 측면에서 폴리프로필렌 섬유의 혼입율은 0.
- 3. 섬유 혼입율에 따른 CSG 재료의 응력-변형율 곡선에서 섬유의 형상 및 혼입율에 따른 최대변형률은 1.5 2 % 범위로 나타나 섬유를 혼입하지 않은 CSG 재료와 유사한 변형률을 나타내었으며, 응력-변형률 곡선은 선형적인 관계를 나타내었다.
- 4. 섬유를 혼입한 CSG 재료의 탄성계수는 410 594 MPa의 범위를 나타내어 섬유를 혼입하지 않은 CSG 재료의 탄성 계수 332 MPa에 비하여 높게 나타났으며, 섬유 혼입률 0.4% 이상에서는 섬유의 형태에 관계없이 탄성계수가 감소하는 경향을 나타내었다.
후속연구
- 8(b) 및 8(c)에서 보는 바와 같이 전체 체적의 4 % 이내의 시멘트 혼입에 의하여 일부 수화반응이 진행되어 수화생성물이 형성되는 것을 알 수 있다. 이와 같이 시멘트에 의하여 생성된 수화생성물은 흙과의 결합력을 증가시킬 뿐만 아니라 혼입된 폴리프로필렌섬유와의 부착력 향상에도 기여하여 섬유보강 CSG 재료의 압축강도 증진에 효과적일 것으로 판단된다.
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