This study aimed to investigate the engineering characteristics of PVA fiber-cement-soil mixture used to prevent or reduce brittle failure of cement-soil mixtures due to the tensile strength increase from the addition of a synthetic fiber. The engineering characteristics of PVA fiber-cement-soil mix...
This study aimed to investigate the engineering characteristics of PVA fiber-cement-soil mixture used to prevent or reduce brittle failure of cement-soil mixtures due to the tensile strength increase from the addition of a synthetic fiber. The engineering characteristics of PVA fiber-cement-soil mixtures composed of PVA fiber, soil, and a small amount of cement was analysed on the basis of the compaction test, the unconfined compression test, the tensile strength test, the freezing and thawing test, and the wetting and drying test. The specimens were manufactured with soil, cement and PVA fiber. The cement contents was 2, 4, 6, 8, and 10%, and the fiber contents was 0.4, 0.6, 0.8, and 1.0% by the weight of total dry soil. To investigate the strength characteristics depending on age, each specimen was manufactured after curing at constant temperature and humidity room for 3, 7 and 28 days, after which the engineering characteristics of PVA fiber-cement-soil mixtures were investigated using the unconfined compression test, the tensile strength test, the freezing and thawing test, and the wetting and drying test. The basic data were presented for the application of PVA fiber-cement-soil mixtures as construction materials.
This study aimed to investigate the engineering characteristics of PVA fiber-cement-soil mixture used to prevent or reduce brittle failure of cement-soil mixtures due to the tensile strength increase from the addition of a synthetic fiber. The engineering characteristics of PVA fiber-cement-soil mixtures composed of PVA fiber, soil, and a small amount of cement was analysed on the basis of the compaction test, the unconfined compression test, the tensile strength test, the freezing and thawing test, and the wetting and drying test. The specimens were manufactured with soil, cement and PVA fiber. The cement contents was 2, 4, 6, 8, and 10%, and the fiber contents was 0.4, 0.6, 0.8, and 1.0% by the weight of total dry soil. To investigate the strength characteristics depending on age, each specimen was manufactured after curing at constant temperature and humidity room for 3, 7 and 28 days, after which the engineering characteristics of PVA fiber-cement-soil mixtures were investigated using the unconfined compression test, the tensile strength test, the freezing and thawing test, and the wetting and drying test. The basic data were presented for the application of PVA fiber-cement-soil mixtures as construction materials.
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문제 정의
본 연구에서는 PVA 섬유 혼입율에 따른 혼합토의 다짐 특성, 압축강도, 인장강도, 동결융해, 건습 특성 등의 분석을 통해 PVA-시멘트 혼합토의 강도 및 내구 특성을 구명하고자 하였으며, 본 연구를 통해 얻어진 결론은 다음과 같다.
본 연구에서는 PVA 섬유 혼입율에 따른 혼합토의 다짐 특성, 압축강도, 인장강도, 동결융해, 건습 특성 등의 분석을 통해 PVA-시멘트 혼합토의 강도 및 내구 특성을 구명하고자 하였으며, 이를 통해 현장에서 PVA-시멘트 혼합토를 건설재료로서 활용하는데 필요한 기초 자료를 제공하고자 한다.
본 연구에서는 Sα-Speak를 0.1 %를 적용하였는데 이는 최대치를 기록한 직후의 후 응력의 경향에 주목하고자 하였다.
섬유의 보강 정도 즉 섬유비에 따른 일축압축강도 및 인장강도의 영향을 분석하기 위하여 본 실험에서는 시멘트비를 일정하게 고정시킨 다음 섬유비를 달리하여 공시체를 만든 후 일축압축 및 인장강도시험을 실시하였다.
제안 방법
각 시료의 최적함수비 및 최대건조밀도 산출을 위한 다짐은 A 다짐에 준하여 실시하였으며, 강도 측정을 위한 공시체 제작시에도 A다짐 방법에 의하여 다짐에너지를 계산하여 3층 25회 다짐으로 다짐에너지가 일정하도록 조정하였다.
건습시험은 KS F 2330 (다져진 흙 시멘트 혼합물의 습윤 및 건조 시험 방법)에 준하여 공시체를 성형한 후에 습윤 양생실에서 7일간 양생한 후 5시간의 수침과 42시간동안 71 ℃의 건조로에서 건조하기를 12주기 반복하여 동결융해시험과 동일한 방법으로 흙-시멘트 손실량을 측정하였다.
다짐시험에서 산출된 최적함수비와 최대건조단위중량을 기준으로 하여 수량 및 물량을 산정한 후 다짐 시험과 동일한 수준의 다짐에너지를 나타낼 수 있도록 ø100×200 mm 몰드에 재료를 투입하고 재료분리가 발생하지 않도록 각층의 재료를 따로 배합하여 3층으로 나누어 다짐을 실시하였다.
단섬유를 무작위로 혼합한 섬유 혼합토에 대한 기존 연구는 주로 사질토에 자연섬유 또는 폴리프로필렌과 같은 알칼리성에 약한 인공섬유를 이용한 연구가 주를 이루었으나 본 연구에서는 시멘트와 친화성이 좋은 폴리비닐알코올(polyvinyl alcohol, PVA)섬유를 사용하였으며, PVA-시멘트 혼합토의 일축압축강도 특성과 더불어 지금까지 연구가 미진했던 섬유 및 시멘트 혼합토의 동결융해 및 건습 특성 등에 주목 하였다.
동결융해 시험은 KS F 2332 (다져진 흙 시멘트 혼합물의 동결 융해 시험 방법)에 준하여 공시체를 성형한 후에 습윤 양생실에서 7일간 양생한 후 －23 ℃보다 높아지지 않는 동결 캐비닛에 24시간의 동결과 온도 21 ℃, 상대습도 100 %인 습윤 양생실에서 24시간동안 융해하기를 12주기 반복하여 다음의 (1)식에 의해 흙-시멘트 손실량을 측정하였다.
섬유를 혼입하지 않은 시멘트 혼합토에 대하여 단위시멘트량에 따른 최적함수비 및 최대건조밀도를 측정하여 최적함수비에서 목표 강도를 발현할 수 있도록 예비실험을 통하여 최적배합을 결정하였다. 혼합토의 전체 중량에 대한 중량비로 시멘트는 2, 4, 6, 8, 10 %, PVA 섬유는 기존의 연구결과 (Cho and Kim, 1995; Kim et al.
인장강도시험은 KS F 2423 (콘크리트의 쪼갬 인장 강도 시험 방법)에 준하여 재령 3, 7일 및 28일에 ø100×200 mm인 공시체를 Instron사의 만능시험기를 사용하여 1 mm/min의 속도로 하중을 재하하여 측정하였다.
일축압축강도시험은 KS F 2405 (콘크리트의 압축 강도 시험 방법)에 준하여 재령 3, 7일 및 28일에 ø100×200 mm인 공시체를 Instron사의 만능시험기를 사용하여 1 mm/min의 속도로 하중을 재하하였다.
다짐시험에서 산출된 최적함수비와 최대건조단위중량을 기준으로 하여 수량 및 물량을 산정한 후 다짐 시험과 동일한 수준의 다짐에너지를 나타낼 수 있도록 ø100×200 mm 몰드에 재료를 투입하고 재료분리가 발생하지 않도록 각층의 재료를 따로 배합하여 3층으로 나누어 다짐을 실시하였다. 재령에 따른 강도 특성을 구명하기 위하여 재령 3, 7일 및 28일 동안 양생을 실시하였다.
혼합토의 수화특성을 분석하기 위하여 재령 7일 및 28일된 공시체에서 샘플을 채취하여 주사전자현미경 (scanning electronic microscope, SEM)을 이용하여 수화생성물의 형태 및 분포를 비교하였다.
대상 데이터
본 연구에 사용된 혼합토는 강원대학교 인근 현장의 터파기시 발생된 굴착토를 사용하였으며, Table 1 및 Fig. 1은 본 연구에 사용된 혼합토의 기본 물성 및 입도분포곡선을 나타낸다.
시멘트는 국내 H사의 보통 포틀랜드 시멘트를 사용하였으며, Table 2∼3은 각각 사용된 골재 및 시멘트의 역학적 특성과 화학적 성분을 나타낸다.
성능/효과
1. PVA-시멘트 혼합토는 섬유 혼합비 및 시멘트 혼합비율이 증가함에 따라 압축강도 및 인장강도는 증가하는 경향을 나타냈으며, 섬유비 0.4 %∼1.0 %일 때 토목섬유 혼합에 따른 강도 증진 효과는 시멘트비 4 %에서 1.4∼1.6배, 시멘트비 6 %에서 1.3∼1.8배, 시멘트비 8 %에서 1.3∼1.6배, 시멘트비 10 %에서 1.4∼2배 등으로 나타나 그 효과는 큰 것으로 나타났다.
2. PVA-시멘트 혼합토의 압축강도 시험 결과, 3일 강도는 28일 강도의 60∼90 %, 7일 강도는 70∼100 % 정도이며, 인장강도는 압축강도의 1/8∼1/6 수준인 것으로 나타났다.
3. PVA-시멘트 혼합토의 건조 습윤시험 결과 시멘트비가 6 % 이상인 경우 섬유비 증가에 따라 건조 습윤 저항성도 높아져 토목섬유의 혼합이 건조 습윤에 대한 저항력 증진에 일정 정도 역할을 담당하는 것으로 나타났다.
4. 현장에서 활용 가능한 PVA-시멘트 혼합토의 최적 배합비는 강도 및 동결 융해 등 내구적 안전성을 고려하여 PVA 0.8 %와 시멘트 0.6∼1.0 %를 혼합 사용한다면 강도 증진 및 연성파괴를 유도하는데 적절할 것으로 판단되나, 현장 여건 및 활용 목적에 따라 달라질 수 있을 것으로 사료된다.
7일 강도는 70∼100%를 나타내며 시멘트비가 낮을수록 3일 강도 및 7일 강도 값이 높게 나타남을 알 수 있다.
Fig. 2 및 Table 6의 각 시멘트비의 실험 결과에서 섬유 보강을 하지 않은 시료와 비교해 보면 섬유 보강 효과는 1.3∼2.0배로 상당히 큼을 알 수 있으며, 섬유비 증가 (0.4 % → 1.0 %)에 따른 탄성계수의 증진효과를 확인할 수 있다.
Fig. 6은 습윤 및 건조 시험 결과를 나타낸 것으로 시멘트비 2 %와 섬유비 0.8 %, 1.0 %의 조합에서 각각 23.82 %, 27.46 %의 손실률을 기록하면서 공시체 파괴가 발생하여 건조 습윤에 매우 취약한 것으로 나타났다. 따라서 섬유 보강 혼합토의 경우 시멘트비 2 %일 경우에는 공학적으로 활용하기에 다소 무리가 따르는 것으로 판단된다.
7은 PVA-시멘트 혼합토에 대한 재령 7일의 주사전자현미경 (SEM, S-4300 Hitachi)에 의해 10,000배로 측정한 재료 내부의 미세 구조를 나타낸 것이다. Fig. 7에서 재령 7일에 채취된 샘플 표면의 형태 분석 결과 시멘트비 10 %의 경우 시멘트 수화에 의하여 수화 생설물이 다소 생성된 것을 볼 수 있으며, 시멘트비 2 %의 경우보다 더 침상의 에트린자이트 생성이 더 확연함을 볼 수 있다.
후속연구
5를 참고할 때 시멘트비가 6% 이상이 되면 섬유비에 관계없이 손실률이 7% 이하가 되어 일정 정도의 동결 융해에 저항력을 갖는 것으로 판단된다. 또한 시멘트비가 4%일 때에도 동결융해에 저항력이 있으나 적정 섬유비를 채택함으로써 보다 큰 저항력을 유도할 수 있을 것으로 사료된다.
이러한 차이는 혼합토의 종류, 공시체 크기, 입경 등에 따른 차이 등 여러 요인이 복합된 것으로 판단되며, 크리프 현상은 시료의 국소적 연약대의 1차 전단, 배합시 섬유의 뭉침 현상존재 등의 여러 원인이 있을 수 있으나 추가 실험을 통해 좀 더 검토해야 명확하게 파악할 수 있을 것으로 사료된다.
이와 같이 시멘트에 의하여 생성된 수화생성물은 흙과의 결합력을 증가시킬 뿐만 아니라 혼입된 PVA 섬유와의 부착력 향상에도 기여하여 섬유 보강 혼합토 재료의 압축 및 인장강도 증진에 효과적일 것으로 판단된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
섬유혼합 보강토의 장점은 무엇인가?
실제로 섬유혼합 보강토는 혼합이 용이하고 강도의 지속성이 우수하며, 토목섬유공법의 단점인 보강재를 따라 진전되는 잠재적인 취약점이 없는 등의 장점을 가지고 있어 최근 선진외국에서는 이에 관한 연구가 활발한 실정이다.
시멘트 혼합토는 어떻게 활용되는가?
흙의 결합력과 강도를 증진시키기 위하여 흙에 시멘트를 혼입한 시멘트 혼합토는 도로, 주차장 및 광장 등의 포장 뿐만 아니라 사면보호공 및 연약지반 개량 등 다양한 분야에 활용 되고 있다 (Sung and Kim, 2003; Sung, 2004). 일반 흙을 주원료로 하여 강도 개선을 목적으로 흙의 일부를 시멘트 또는 시멘트계 고화재 등을 사용하기 때문에 콘크리트에 비하여 경제적인 동시에 환경친화적 건설재료로 인식되고 있다 (Kim and Kim, 2010; Yeon et al.
시멘트 혼합토가 콘크리트에 비해 경제적인 동시에 환경친화적 건설재료로 인식되고 있는 이유는 무엇인가?
흙의 결합력과 강도를 증진시키기 위하여 흙에 시멘트를 혼입한 시멘트 혼합토는 도로, 주차장 및 광장 등의 포장 뿐만 아니라 사면보호공 및 연약지반 개량 등 다양한 분야에 활용 되고 있다 (Sung and Kim, 2003; Sung, 2004). 일반 흙을 주원료로 하여 강도 개선을 목적으로 흙의 일부를 시멘트 또는 시멘트계 고화재 등을 사용하기 때문에 콘크리트에 비하여 경제적인 동시에 환경친화적 건설재료로 인식되고 있다 (Kim and Kim, 2010; Yeon et al., 2010).
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