선택한 단어 수는 입니다.
최소 단어 이상 선택하여야 합니다.
최소 단어 이상 선택하여야 합니다.
선택한 단어 수는 30입니다.
최대 10 단어까지만 선택 가능합니다.
최대 10 단어까지만 선택 가능합니다.
문제 정의
- 10) 더불어 ECC 재료와 같이 섬유를 포함하고 있는 시멘트계 재료는 현장타설에 비해 프리캐스트화 할 경우 품질확보에서 유리하고, 압출성형 기법을 적용할 경우 보다 높은 성능의 제품을 얻을 수 있다. 이런 측면에서 이 연구에서는 국내에서 최초로 ECC 재료에 대한 압출성형 기술을 적용한 복합바닥구조시스템 공법 기술을 제시하였다. 이 공법은 거푸집 및 가설공비에 따른 공사비, 노무비 및 공기를 줄일 수 있는 무거푸집 바닥구조시스템으로서 ECC의 장점을 활용하여 균열제어 등 고품질의 바닥구조를 얻을 수 있는 압출성형 ECC 압출성형 패널을 이용한 복합바닥구조시스템을 개발하고 그 성능을 검증하여 실용화를 위한 기초 자료를 확보하고자 한다.
- 이런 측면에서 이 연구에서는 국내에서 최초로 ECC 재료에 대한 압출성형 기술을 적용한 복합바닥구조시스템 공법 기술을 제시하였다. 이 공법은 거푸집 및 가설공비에 따른 공사비, 노무비 및 공기를 줄일 수 있는 무거푸집 바닥구조시스템으로서 ECC의 장점을 활용하여 균열제어 등 고품질의 바닥구조를 얻을 수 있는 압출성형 ECC 압출성형 패널을 이용한 복합바닥구조시스템을 개발하고 그 성능을 검증하여 실용화를 위한 기초 자료를 확보하고자 한다.
제안 방법
- 배합 조건을 결정하기 위하여 물/결합재비(W/B), 플라이애쉬/결합재비(FA/B), 규사/결합재비(S/B) 등을 각각 8~12%, 35%, 50%로 설정하여 예비실험을 수행하였다.
- 이 연구에서 개발된 복합바닥구조시스템에 적용될 압출성형된 ECC 패널은 균열상태에서 유사 변형경화 특성을 발현토록 하기 위해 안정상태 균열 발생의 필요조건을 만족시키도록 함으로써 인장 상태에서 다중미세균열을 발생시키도록 배합 및 제조하였다. 이를 위해 미세 역학이론으로부터 ECC의 균열면 응력과 균열 개구변위 관계로부터 계산되는 보상에너지가 시멘트 매트릭스 균열선단의 파괴에너지보다 크다는 조건에서 다음과 같은 최적의 배합을 제시하였고, 제작된 패널의 한계 직접인 장변형률은 약 1%인 것으로 평가되었다.
- 1과 같다. 제작과정은, 분체 재료를 옴니믹서를 이용 건비빔하고, 섬유의 고른 분산을 위하여 배합수의 1/2을 첨가하여 섬유를 투입 분산시킨다. 다음으로 니더믹서에서 혼합된 분 체계에 이를 투입한다.
- 5%만 혼입하여도 비빔 성능을 확보할 수 없었다. 비빔 성능을 확보하기 위하여 W/B를 증가시키면 강도특성 및 압출성형 성능을 발현할 수 없기 때문에 섬유를 건비빔 과정에서 미리 분산시키는 대안을 고려하였다. 또한 증점제(메틸셀룰로스계)의 양을 조절하면서 섬유의 분산성을 높이는 방안을 검토하여, 압출성형 제품의 경우 증점 성분이 다량 필요하다는 특성을 발견하였으며, 실험 결과 PVA섬유를 4%까지 혼입할 수 있음을 확인하였다.
- 배합조건과 선행 연구에서의 압출성형 ECC 패널에 대한 휨 성능 시험을 통해 Table 3과 같은 최적의 배합조건을 얻었으며, 이 배합을 이용하여 복합바닥구조시스템의 압출성형 ECC 패널을 제작하였다.
- 제작된 압출성형 ECC 패널의 양생은 일반적인 압출성형 제품이 치수 안정성 및 빠른 생산라인 순환을 위하여 출하 이후 150oC이상의 고온 고압에서 오토클레이브시키는 과정을 거치는 방안을 고려하였다. 그러나 이 연구에는 180~200oC에서 용융하는 PVA 섬유를 포함(2% 혼입율 이상)하고 있어, 오토클레이브 이후 섬유 용융으로 인하여 휨 강도를 발현하지 못하므로, 압출성형 후 이송하여 4~5시간 전치양생을 거친 후 60oC에서 고온 양생하였다.
- 개발된 ECCXP 복합슬래브의 성능 검증을 위하여 Table 4와 같이 3개의 1방향 슬래브 실험체를 제작하여 단순지간의 4점 휨 재하실험을 수행하였다. 1방향 슬래브 형식으로서 ECCXP 복합슬래브와 재래식 철근콘크리트(RC) 슬래브를 비교하였고, ECC 패널의 유, 무를 변수로 설정하였다.
- 실험체 제작을 위하여 내면 치수가 600 × 180 × 4,000 mm인 거푸집에 공장 제작된 압출성형 ECC 패널을 하부에 설치한 후, 조립된 철근을 그 상부에 배근하였다.
- 이 때에 철근의 위치를 확보하기 위하여 조립된 철근의 하부에 스페이서를 배치하였다. 그 이후에 휨인장철근의 변형률을 측정하기 위하여 2개의 주철근 중앙부에 변형률 게이지를 부착하였고, 설계기준압축강도 24 MPa의 일반 콘크리트를 현장에서 타설하여 실험체를 제작하였다. 콘크리트 경화된 다음에는 양생포를 씌우고 물을 뿌려 습윤양생을 시작하였다.
- 콘크리트 경화된 다음에는 양생포를 씌우고 물을 뿌려 습윤양생을 시작하였다. 거푸집은 양생시작 후 3일 뒤에 탈형하였고, 총 4주간의 습윤양생을 실시하였다. Fig.
- 5와 같이 4점 재하방식으로 재하 실험이 수행되었다. 실험체의 양 단부로부터 300 mm 위치에 회전단을 설치하여 순지간이 3,400 mm가 되도록 단순지지하였다. 2점 하중 가력점 사이의 거리는 700 mm로서, 이 영역에서 순수 휨이 작용하도록 하였다.
- 하중은 변위제어 방식으로 압축부 콘크리트가 파쇄될 때까지 가력하였다. 또한 보다 정확한 하중값을 얻기 위하여 UTM에 부착된 로드셀 이외에도 보다 정밀한 200 kN 용량의 로드셀을 추가 설치하여 하중을 측정하였다. 실험체의 처짐 및 변형, 변형률 측정을 위하여 Fig.
- 또한 보다 정확한 하중값을 얻기 위하여 UTM에 부착된 로드셀 이외에도 보다 정밀한 200 kN 용량의 로드셀을 추가 설치하여 하중을 측정하였다. 실험체의 처짐 및 변형, 변형률 측정을 위하여 Fig. 6과 같이 각각의 위치에 변위계(LVDT), 콘크리트 변형률 게이지를 설치하고 철근 변형률 게이지는 미리 주철근 길이에 대하여 중간 지점에 부착하여 실험체를 제작, 데이터를 수집하였다.
- 이 연구에서는 처짐은 변위계를 이용, 곡률은 압축부에 위치한 콘크리트 변형률 게이지와 변위계 그리고 인장부에 주철근 변형률 게이지와 변위계의 측정값을 이용하였다. 균열폭은 인장부에 설치된 변위계를 통하여 계측구간의 총 변위를 측정한 후, 균열 개수로 나누어 평균값을 취하였다.
- 이 연구에서는 처짐은 변위계를 이용, 곡률은 압축부에 위치한 콘크리트 변형률 게이지와 변위계 그리고 인장부에 주철근 변형률 게이지와 변위계의 측정값을 이용하였다. 균열폭은 인장부에 설치된 변위계를 통하여 계측구간의 총 변위를 측정한 후, 균열 개수로 나누어 평균값을 취하였다.
- 초기균열이후 균열단면에서의 강성을 평가하기 위하여 등가 강성 개념을 도입하였으며, 실험체에서 측정된 값을 이용하여 다음 식에 의해 산정하였다.
- 압출성형된 ECC 패널을 이용한 복합바닥슬래브를 개발하여 그 성능을 휨 재하실험을 통해 평가한 결과 다음과 같은 결론을 얻었다.
- 복합슬래브의 성능 검증을 위하여 Table 4와 같이 3개의 1방향 슬래브 실험체를 제작하여 단순지간의 4점 휨 재하실험을 수행하였다. 1방향 슬래브 형식으로서 ECCXP 복합슬래브와 재래식 철근콘크리트(RC) 슬래브를 비교하였고, ECC 패널의 유, 무를 변수로 설정하였다. 실험체의 형상 및 크기는 Figs.
대상 데이터
- 섬유는 고장력 직경 39 µm, 길이 6~8 mm인 PVA 섬유를 사용하였으며, 역학적·화학적 특성은 Table 2와 같다.
- 압출성형된 ECC 패널 제조에 사용된 재료의 물리적/ 화학적 특성은 Table 1과 같다. 밀도 3.15 g/cm3의 보통 포틀랜드 시멘트와 ECC 파우더를 결합재로 사용하였으며, 밀도 2.66 g/cm3, 비표면적 3,793 cm2/g인 규사미분(silica powder)과 밀도 2.64 g/cm3, 평균입경 0.2 mm인 규사(silica sand)를 골재로 사용하였다. 섬유는 고장력 직경 39 µm, 길이 6~8 mm인 PVA 섬유를 사용하였으며, 역학적·화학적 특성은 Table 2와 같다.
- 2 및 3과 같이, 폭 및 두께 600 × 180 mm 단면에 길이 4,000 mm로 순경간은 3,400 mm로 하였다.
- 실험체 ECC-P1은 기준실험체 RC-0와 동일한 휨인장 철근비를 가지며, 피복부분을 ECC 패널로 치환한 실험체로서, 재하 하중 11.94 kN일 때 초기균열이 중앙부 인장 연단의 ECC 패널에 발생하였다.
- 부재 처짐 60 mm 부근에서 ECC 패널의 1개 균열의 폭이 증가하면서 콘크리트에서 발생한 균열과 연결되었으며, 균열 폭은 증가하여도 하중의 저하는 나타나지 않고, 처짐 110 mm까지 안정적인 연성 거동을 보였다. 최종파괴는 기준실험체와 마찬가지로 가력점 중앙부의 콘크리트가 압축 파괴되는 휨 압축 파괴의 형태를 나타냈다.
이론/모형
- 이 연구의 ECCXP 복합바닥구조 실험체의 연성도는 곡률 연성도로 평가하였으며, 다음 식과 같이 정의할 수있다.
성능/효과
- 10) 더불어 ECC 재료와 같이 섬유를 포함하고 있는 시멘트계 재료는 현장타설에 비해 프리캐스트화 할 경우 품질확보에서 유리하고, 압출성형 기법을 적용할 경우 보다 높은 성능의 제품을 얻을 수 있다. 이런 측면에서 이 연구에서는 국내에서 최초로 ECC 재료에 대한 압출성형 기술을 적용한 복합바닥구조시스템 공법 기술을 제시하였다.
- 이 연구에서 개발된 복합바닥구조시스템에 적용될 압출성형된 ECC 패널은 균열상태에서 유사 변형경화 특성을 발현토록 하기 위해 안정상태 균열 발생의 필요조건을 만족시키도록 함으로써 인장 상태에서 다중미세균열을 발생시키도록 배합 및 제조하였다. 이를 위해 미세 역학이론으로부터 ECC의 균열면 응력과 균열 개구변위 관계로부터 계산되는 보상에너지가 시멘트 매트릭스 균열선단의 파괴에너지보다 크다는 조건에서 다음과 같은 최적의 배합을 제시하였고, 제작된 패널의 한계 직접인 장변형률은 약 1%인 것으로 평가되었다.8,9)
- 비빔 성능을 확보하기 위하여 W/B를 증가시키면 강도특성 및 압출성형 성능을 발현할 수 없기 때문에 섬유를 건비빔 과정에서 미리 분산시키는 대안을 고려하였다. 또한 증점제(메틸셀룰로스계)의 양을 조절하면서 섬유의 분산성을 높이는 방안을 검토하여, 압출성형 제품의 경우 증점 성분이 다량 필요하다는 특성을 발견하였으며, 실험 결과 PVA섬유를 4%까지 혼입할 수 있음을 확인하였다. 배합조건과 선행 연구에서의 압출성형 ECC 패널에 대한 휨 성능 시험을 통해 Table 3과 같은 최적의 배합조건을 얻었으며, 이 배합을 이용하여 복합바닥구조시스템의 압출성형 ECC 패널을 제작하였다.
- 그러나 이 연구에는 180~200oC에서 용융하는 PVA 섬유를 포함(2% 혼입율 이상)하고 있어, 오토클레이브 이후 섬유 용융으로 인하여 휨 강도를 발현하지 못하므로, 압출성형 후 이송하여 4~5시간 전치양생을 거친 후 60oC에서 고온 양생하였다. 초기 제품 야적 단계에서 3일 이상 양생을 하지 못하므로 초기 재령 강도를 검토한 결과 초기 재령 3일에 압축강도는 30% 이상 발현하고 있어, 야적 및 양생 중 파손이나 변형이 발생하지 않는다는 것을 알 수 있었다.5) 따라서 오토클레이브 양생을 실시하지 않고도 3일 내에 제품 생산을 완료할 수 있었으며, 오트클레이브 양생을 생략함으로써 보다 경제적인 제품을 생산할 수 있었다.
- 초기 제품 야적 단계에서 3일 이상 양생을 하지 못하므로 초기 재령 강도를 검토한 결과 초기 재령 3일에 압축강도는 30% 이상 발현하고 있어, 야적 및 양생 중 파손이나 변형이 발생하지 않는다는 것을 알 수 있었다.5) 따라서 오토클레이브 양생을 실시하지 않고도 3일 내에 제품 생산을 완료할 수 있었으며, 오트클레이브 양생을 생략함으로써 보다 경제적인 제품을 생산할 수 있었다. Fig.
- 하중이 점차 증가함에 따라 기존에 발생한 균열이 상부로 진전하는 동시에 균열폭도 점차 증가하였다. 또한 부재 항복 이후에 급격한 균열폭 증가가 있었으나, 하중은 저하되지 않았으며, 처짐 90 mm까지 안정적인 거동을 보였다. 최종 파괴는 가력점 중앙부의 콘크리트가 압축 파괴되는 휨압축 파괴의 형태를 나타냈다.
- 균열 폭의 증가는 육안으로 관찰되지 않을 만큼 작게 나타났다. 부재 항복 이후에도 하중은 안정적으로 증가하였으며, 부재 처짐 30 mm 부근에서 ECC 패널의 1개 균열 주위로 미세균열이 다수 집중되기 시작하였다(Fig. 7 (c)와 (d)).
- 001로 측정되었다. 부재 처짐 60 mm 부근에서 ECC 패널의 1개 균열의 폭이 증가하면서 콘크리트에서 발생한 균열과 연결되었으며, 균열 폭은 증가하여도 하중의 저하는 나타나지 않고, 처짐 110 mm까지 안정적인 연성 거동을 보였다. 최종파괴는 기준실험체와 마찬가지로 가력점 중앙부의 콘크리트가 압축 파괴되는 휨 압축 파괴의 형태를 나타냈다.
- 71kN에서 중앙부 인장 연단의 ECC 패널에 초기균열이 발생하였다. ECC-P 2개의 실험체 모두 RC-0 실험체에 비하여 초기균열 강도가 약 55~65% 증가하였다. ECC-P2 실험체는 초기균열 이후의 거동도 ECC-P1 실험체와 유사하였으며, 다수의 균열이 분산 분포된 후에 ECC 패널의 1개의 균열 부근으로 미세균열의 분포가 집중되기 시작하였다.
- 압출성형 ECC 패널을 이용한 실험체 ECC-P1 및 ECC-P2는 초기 균열하중이 각각 8.06 kN·m 및 8.58 kN·m로 동일조건의 기준실험체 5.17 kN·m보다 각각 1.56, 1.66배 증가하였다.
- 등가강성을 비교해 보면, ECCXP 바닥구조인 실험체 ECCP1 및 ECC-P2의 등가강성은 각각 2,103 kN·m2, 1,786 kN·m2으로 동일조건의 기준 실험체인 907 kN·m2 보다 각각 2.32배 및 1.97배 증가한 것을 알 수 있다.
- 이는 ECC 패널의 고인성 인장거동으로 인해 국부 휨균열폭의 증가를 억제하여 휨성능이 개선된 것으로 판단된다. 이를 통해 ECC 패널의 강도 기여 효과는 큰 것을 알 수 있었다.
- 53배 증가한 것을 알 수 있다. 한편 최대 휨곡률에 대한 연성도는 RC-0인 경우 4.95에 비해 실험체 ECC-P1, ECC-P2이 각각 13.37, 8.97으로서 기존 RC 슬래브에 비해 ECC를 적용한 슬래브의 경우 최대 휨곡률에 대한 연성도가 상대적으로 개선된 것으로 나타났다. 한편, 세 시험체의 최대처짐에 대한 처짐 연성도는 각각 3.
- 97으로서 기존 RC 슬래브에 비해 ECC를 적용한 슬래브의 경우 최대 휨곡률에 대한 연성도가 상대적으로 개선된 것으로 나타났다. 한편, 세 시험체의 최대처짐에 대한 처짐 연성도는 각각 3.28, 5.14 및 4.18로 기존 RC 슬래브에 비해 ECC를 적용한 슬래브에서의 최대 처짐에 대한 연성도 역시 상대적으로 개선되었다.
- 재하 초기에는 패널 상부 콘크리트에는 균열이 발생하지 않고, 인장연단의 ECC 패널에서 다수의 미세균열이 분산되어 발생하였으며, 하중이 증가함에 따라 ECC 패널의 균열 개수가 점차로 증가되는 경향을 나타내었다. 한편, 균열의 폭은 일정한 값을 유지하다가 ECC 패널의 1개 균열이 콘크리트 균열과 연결되면서 집중하는 경향을 보였다. 이 균열의 폭이 점차 증가하고 콘크리트의 균열이 압축 연단으로 진행하였으며, 종국에는 휨압축 파괴까지 균열의 폭이 증가하였다.
- 기준 실험체인 RC-0의 경우 측정된 균열게이지 길이 내의 균열 개수는 2개로 평균 균열폭은 0.248 mm로 평가 되었으며, 사용하중 상태에서 부재 항복 시까지 균열개수는 증가하지 않고 균열의 폭만 증가하였다(Fig. 10 (a)).
- 544 mm보다 적게 나타났다. 또한 균열개수로 나눈 평균 균열폭은 0.046 mm 및 0.049 mm로 모든 균열이 0.1 mm 이하의 균열로 제어됨을 알 수 있었다. 부재 항복상태에서도 RC-0 실험체가 균열개수가 증가되지 않은 상태에서 균열폭만 증가하여 평균 균열폭 0.
- 1 mm 이하의 균열로 제어됨을 알 수 있었다. 부재 항복상태에서도 RC-0 실험체가 균열개수가 증가되지 않은 상태에서 균열폭만 증가하여 평균 균열폭 0.422 mm를 보인 것에 비하여 ECC-P 실험체들은 균열 개수도 함께 증가하였으며, 평균균열폭도 모든 실험체에서 0.1 mm 이하로 제어되었다(Fig. 10 (b), (c)).
- 1) 개발된 프리캐스트 복합바닥구조 공법은 압출성형 공정에 의해 제조된 ECC 패널을 활용한 것으로서 기존 콘크리트 바닥구조에 비해 균열제어에 우수할 뿐만 아니라 현장 후타설 콘크리트와 함께 무거푸집 또는 하프프리캐스트 공법 실현이 가능하여 슬래브 공사의 시공효율성 개선에도 장점이 있다.
- 2) 개발된 압출성형 복합바닥구조시스템의 4점 휨 실험에 의한 성능평가에서 기존 철근콘크리트 슬래브 구조에 비해 다중미세균열 유발에 의한 국부균열 및 휨 균열 제어 효과로 인해 높은 휨 내력을 발휘하였다.
- 이 연구에서 ECCXP 복합슬래브는 이질재료의 접합부가 있으며 이에 따른 전단파괴에 대한 검토가 필요하나 실험에서 사용한 실험체는 전단경간비(a/d)가 최소 7이상으로 전단에 의한 파괴보다는 휨에 따른 파괴가 발생할 것으로 판단하였으며, 실제 실험에서도 휨파괴가 발생하였고 전단에 의한 이질재료간의 박락은 없었다.
후속연구
- 3) 시공공정 및 구조상세 개발에 관한 구체적인 추가 연구를 통해서 실용화공법으로의 적용이 가능할 것으로 판단된다.
※ AI-Helper는 부적절한 답변을 할 수 있습니다.