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문제 정의
- 이 연구에서는 강섬유와 PVA섬유를 하이브리드 혼입한 콘크리트의 초기 슬럼프 및 역학적특성을 평가하기 위하여 17배합을 실험하였다. 콘크리트의 압축강도, 할렬인장강도, 파괴계수, 탄성계수, 응력-변형률 관계 및 휨 하중-변위 관계 등을 측정하였으며, 하중-변위관계로부터 인성지수를 평가하였다.
제안 방법
- PVA섬유와 강섬유(steel fiber, ST)의 길이 및 체적비가 콘크리트의 유동성 및 역학적 특성에 미치는 영향을 파악하기 위하여 섬유보강 콘크리트 16배합과 섬유가 없는 기준 시험체 1배합을 실험하였다.
- 섬유는 콘크리트의 습비빔 후 첨가하였다. 강섬유가 혼입된 콘크리트의 경우 유동성이 현저히 떨어져 섬유분산이 원활하게 되지 않아 폴리카르본산계 고성능 감수제를 시멘트 양 대비 0.33% 투입하였다.
- 콘크리트의 압축강도, 할렬인장강도, 파괴계수, 탄성계수, 응력-변형률 관계 및 휨 하중-변위 관계 등을 측정하였으며, 하중-변위관계로부터 인성지수를 평가하였다. 측정된 역학적 특성들은 섬유보강지수를 사용하여 단일섬유를 사용한 콘크리트와 비교하였다.
- 콘크리트 초기슬럼프는 비빔직후 측정하였다. 굳은 콘크리트의 압축강도, 할렬인장강도 및 파괴계수 등은 재령 28일에서 KS 기준16)의 절차에 따라 측정하였다.
- 이 연구에서는 강섬유와 PVA섬유를 하이브리드 혼입한 콘크리트의 초기 슬럼프 및 역학적특성을 평가하기 위하여 17배합을 실험하였다. 콘크리트의 압축강도, 할렬인장강도, 파괴계수, 탄성계수, 응력-변형률 관계 및 휨 하중-변위 관계 등을 측정하였으며, 하중-변위관계로부터 인성지수를 평가하였다. 측정된 역학적 특성들은 섬유보강지수를 사용하여 단일섬유를 사용한 콘크리트와 비교하였다.
대상 데이터
- Table 1에 나타낸 각 시험체 상세에서 윗행과 아래행은 각각 PVA섬유와 강섬유의 상세를 의미한다. PVA섬유의 직경은 길이에 관계없이 0.015 mm이며 길이는 이전 연구 결과15)를 바탕으로 12 mm와 15 mm를 사용하였다. 강섬유의 직경은 길이가 30 mm와 60 mm일 때 각각 0.
- 모든 실험체에서 콘크리트의 목표강도는 21 MPa로서 물시멘트비와 잔골재율은 각각 55%와 45%이다. 결합재로서 혼화재가 없이 보통 포틀랜드 시멘트가 사용되었으며 단위 시멘트량은 318 kg/m3이다.
- 25%이다. 따라서 이 연구에 실험된 콘크리트는 고인성 시멘트 복합재료가 아닌 섬유체적비가 0.65% 이하인 보통 섬유보강 콘크리트이다.
- 사용된 모래의 밀도는 2.54 g/cm3이며 조립률은 2.97이다. 굵은골재로 이용된 최대직경 25 mm 이하 부순자갈의 밀도와 조립률은 각각 2.
- 콘크리트는 용량 0.3 m3의 강제식 팬 믹서기를 이용하여 비볐다. 섬유는 콘크리트의 습비빔 후 첨가하였다.
데이터처리
- 일반적으로 콘크리트의 할렬인장강도, 탄성계수 및 파괴계수는 콘크리트 압축강도의 함수로 표현되므로1,5,18) 이 분석에서도 압축강도 거듭제곱근으로 무차원 한 역학적 특성들을 비교하였다. 또한 하이브리드 섬유콘크리트의 특성을 평가하기 위하여 이 실험 결과들은 단일 PVA섬유 또는 강섬유 혼입 콘크리트에 대한 이전 연구 결과15)와 비교하였다.
이론/모형
- 콘크리트 초기슬럼프는 비빔직후 측정하였다. 굳은 콘크리트의 압축강도, 할렬인장강도 및 파괴계수 등은 재령 28일에서 KS 기준16)의 절차에 따라 측정하였다. 파괴계수 측정 시 ASTM C108017)에서 제시하는 인성평가를 위해 Fig.
- 10에는 하이브리드 섬유보강 콘크리트의 응력-변형률 관계를 나타내었다. 비교를 위해 섬유없는 콘크리트 및 단일 PVA 또는 강섬유로 보강된 콘크리트의 응력-변형률 관계20)를 함께 나타내었다. 강섬유 체적비가 0.
- 섬유보강 콘크리트의 휨 연성을 평가하기 위하여 Fig. 12에 나타낸 ASTM C101817)의 인성지수를 이용하였다.
성능/효과
- 1) 하이브리드 섬유보강 콘크리트의 상대슬럼프는 섬유체적비와 형상비의 곱인 등가 섬유비가 증가할수록 감소였다. 동일 등가 섬유비의 경우 하이브리드 섬유보강 콘크리트의 슬럼프는 단일 섬유보강 콘크리트에 비해 높았다.
- 한편 강섬유는 건설산업에서 가장 일반적으로 사용되는 섬유로서 비록 콘크리트 유동성을 저하시키지만 강도와 연성향상에 매우 효과적이다.11,12) 폴리비닐 알코올(polybinyl alcohol, PVA) 섬유는 친수성 재료로서 강섬유에 비해 콘크리트 유동성 저하가 심하지 않으며 강성이 낮아 콘크리트 배합 시 분산성이 좋고 미세균열 제어에 효과적이다.13) 강섬유와 PVA섬유의 하이브리드는 콘크리트 유동성 확보 및 강도와 연성증가 측면에서 효과적이지만14) 이들 섬유들의 적절한 배합조건을 평가하기 위해서는 다양한 실험자료의 확보가 필요하다.
- 2) 하이브리드 섬유보강 콘크리트의 상대압축강도는 섬유체적비가 증가할수록 그리고 섬유길이가 짧을수록 높았다. 하이브리드 섬유보강 콘크리트의 압축강도 증가기울기는 강섬유로 단일 보강된 콘크리트에 비해 컸는데, 하이브리드 섬유보강 콘크리트의 압축강도는 무보강 콘크리트에 비해 6~31% 증가하였다.
- 섬유보강 콘크리트의 압축강도는 섬유 혼입량, 섬유강도, 섬유의 선형성, 섬유의 부착특성, 섬유의 분포성 및 섬유길이에 의해 중요한 영향을 받는다.20) 섬유체적비 및 부착강도의 증가는 횡인장 변형률에 대한 저항성을 증가시켜 콘크리트 압축강도 증가에 기여한다. 반면 콘크리트 최대 압축응력 시 하중 방향을 따라 발생하는 미세균열들은 긴섬유보다는 짧은 섬유에 의해 효과적으로 제어되므로 섬유길이가 짧을수록 압축강도 증가에 유리하다.
- 3) 섬유보강 콘크리트의 압축강도 거듭제곱근에 대한 할렬인장강도 비(#)는 섬유보강지수의 증가와 함께 증가하였는데, 섬유보강지수가 2.5 이상일 때 하이브리드 섬유보강 콘크리트의 #는 섬유체적비가 낮더라도 단일 강섬유보강 콘크리트와 비슷한 수준이었다.
- 4) 섬유보강 콘크리트의 압축강도 거듭제곱근에 대한 파괴계수 비( fr / )는 섬유보강지수가 1.5 이상일 때 섬유보강지수의 증가와 함께 증가하였다. 특히 전체 섬유체적비가 0.
- 5) 하이브리드 섬유보강 콘크리트의 응력-변형률 관계는 PVA섬유보다는 강섬유 체적비와 길이에 더 큰 영향을 받았는데, 강섬유 체적비와 길이가 클수록 최대응력 시 변형률이 증가하고 최대응력 이후 하강기울기도 완만하였다.
- 6) 하이브리드 섬유보강 콘크리트의 휨 연성은 섬유보강지수의 증가와 함께 증가하는데, 강섬유의 길이가 길수록 그리고 30 mm와 60 mm 강섬유의 혼용보다는 60 mm 강섬유만을 이용하는 것이 연성향상에 유리하였다.
- 반면 콘크리트 최대 압축응력 시 하중 방향을 따라 발생하는 미세균열들은 긴섬유보다는 짧은 섬유에 의해 효과적으로 제어되므로 섬유길이가 짧을수록 압축강도 증가에 유리하다.8) 한편, 하이브리드 섬유보강 콘크리트의 압축강도는 무보강 콘크리트에 비해 6~26% 증가하였는데, 짧은 섬유들의 하이브리드가 긴 섬유와 짧은 섬유의 하이브리드에 비해 강도증가에 유리하였다.
- 모든 실험체에서 콘크리트의 목표강도는 21 MPa로서 물시멘트비와 잔골재율은 각각 55%와 45%이다. 결합재로서 혼화재가 없이 보통 포틀랜드 시멘트가 사용되었으며 단위 시멘트량은 318 kg/m3이다.
- 5에는 하이브리드 섬유보강 콘크리트의 상대압축강도와 섬유간격의 관계를 나타내었다. 섬유간격이 증가할수록 섬유보강 콘크리트의 압축강도는 거의 선형적으로 증가하는데, 그 증가기울기는 PVA섬유보강 콘크리트가 가장 컸다. 이는 친수성인 PVA섬유가 콘크리트 배합수를 흡수하여 수화반응을 위한 물-결합재 비가 결과적으로 낮아졌기 때문이다.
- 33% 첨가되었음에도 불구하고 섬유 없는 콘크리트에 비해 슬럼프가 낮았다. 섬유보강 콘크리트의 상대슬럼프는 섬유길이 및 체적비가 증가할수록 감소하였다. 섬유 길이 증가에 따른 슬럼프 감소기울기는 일반적으로 섬유 체적비가 증가할수록 컸다.
- 4에는 무보강 콘크리트의 압축강도((fck)N)에 대한 섬유보강 콘크리트의 압축강도 비(fck)인 상대압축강도와 섬유길이 및 체적비의 관계를 나타내었다. 섬유보강 콘크리트의 상대압축강도는 섬유체적비가 증가할수록 그리고 섬유길이가 짧을수록 높았다. 섬유보강 콘크리트의 압축강도는 섬유 혼입량, 섬유강도, 섬유의 선형성, 섬유의 부착특성, 섬유의 분포성 및 섬유길이에 의해 중요한 영향을 받는다.
- 2) 하이브리드 섬유보강 콘크리트의 상대압축강도는 섬유체적비가 증가할수록 그리고 섬유길이가 짧을수록 높았다. 하이브리드 섬유보강 콘크리트의 압축강도 증가기울기는 강섬유로 단일 보강된 콘크리트에 비해 컸는데, 하이브리드 섬유보강 콘크리트의 압축강도는 무보강 콘크리트에 비해 6~31% 증가하였다.
- 하이브리드 섬유보강 콘크리트의 파괴계수(fr)는 할렬인장강도에서와 같이 섬유체적비 및 섬유길이가 증가할수록 증가하였다(Table 1). 섬유보강 콘크리트의 무차원 파괴계수(#)와 섬유보강지수의 관계를 Fig.
- 이는 강섬유의 높은 탄성계수의 영향 때문이라 판단된다. 한편 이 실험에서 측정된 섬유보강 콘크리트의 탄성계수는 ACI 318-08의 제안모델에 의한 예측값보다 컸다.
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