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문제 정의
- 따라서 본 연구에서는 새롭게 개발한 강섬유가 숏크리트 강도특성에 어떠한 영향을 미치는지 알아보기 위하여 다양한 조건의 숏크리트에 대한 실내실험을 실시하였다. 본 연구에서 수행한 실내시험은 압축강도 및 휨인 성 실험이며, 그 시험결과를 토대로 각 공시체의 파괴 형태 및 강도특성에 대해 비교 분석하였다.
- 본 연구는 강섬유를 혼입하지 않은 무보강 숏크리트와 기존 강섬유보강 숏크리트 및 새로운 형태인 형상을 변화한 강섬유보강 숏크리트와 비교 분석하기 위하여 압축강도 실험 및 휨인성 실험을 실시하였다.
- 본 연구에서는 형상을 개선한 강섬유를 개발하였으며, 개발한 강섬유를 혼입한 숏크리트의 강도특성에 대해 알아보기 위하여 실내실험을 실시하였다. 본 연구에서 사용한 시료는 무보강 숏크리트 기존 후크형 강섬유보강 숏크리트와 형상을 변화한 강섬유보강 숏크리트이며, 이들 시료를 이용해서 강도특성을 분석하기 위해 수행한 실험은 압축강도 및 휨강도시험이다.
제안 방법
- 선행연구로 김상환 등(2010)은 그림 1(a)와 같이 기존의 후크형 강섬유와 후크의 각과 강섬유 Body의 길이를 변형시킨 새로운 형상의 강섬유를 인발실험을 통하여 비교 분석하였다. 분석결과 그림 1(b)와 같이 후크를 이루는 각이 75。와 강섬유 Body의 길이가 12mm일 때 인발력이 가장 큰 것으로 나타났다.
- 각 실험조건별 공시체로 3일, 7일의 재령일 일 때 강섬유를 혼입하지 않은 무보강 숏크리트, 기존의 강섬유보강 숏크리트 및 형상을 변화한 강섬유보강 숏크리트에 대하여 6개씩 총 36개의 공시체를 파괴한 후 공시체 6개의 평균을 하나의 결과값으로 휨인성 실험을 실시하였으며 공시체의 파괴 형태는 그림 6과 같이 나타냈다.
- 본 실험에서는 국내 현장에서 일반적으로 사용되어지는 무보강 숏크리트와 기존 강섬유보강 숏크리트 및 형상을 변화한 강섬유보강 숏크리트를 제작하여 강섬유 형태에 따른 압축강도 실험 및 휨인성 실험을 실시하였으며, 그 실험결과를 비교 분석하였다.
- 본 연구에서 수행한 실내시험은 압축강도 및 휨인 성 실험이며, 그 시험결과를 토대로 각 공시체의 파괴 형태 및 강도특성에 대해 비교 분석하였다.
- 선행된 인발실험을 통해 최적의 강섬유 형상비를 도출하였으며 이를 검증하기 위해 콘크리트에 형상을 변화한 강섬유를 배합하여 휨인성 실험과 일축 압축강도 실험을 실시하기 위한 공시체를 제작하였다. 실험에 사용한 강섬유는 그림 2와 같이 기존 강섬유와 인발실험을 통해 개발한 형상을 변화한 강섬유를 가지고 숏크리트에 사용하였다.
- 압축강도 실험은 KS F 2405(콘크리트 압축강도 실험방법)에 의거하여 수행하였다. 시험체의 재하는 5ton 용량의 압축강도 시험기를 사용하였으며, 하중의 재하속도는 Imm/min 로 일정한 속도를 유지하여 강도를 측정하였다.
- 실험체의 강도발현을 위해 표준수중양생(KS F 2403)에 의거하여 20±3℃ 로 일정하게 온도를 유지하여 수중 양생을 실시하였다. 훰인성 시험방법은 KS F 2408(콘크리트의 휨강도 시험방법)에 따라 수행하여 무보강 숏크리트와 기존 후크형 강섬유보강 숏크리트 및 형상을 변화 한강 섬유보강 숏크리트의 재령일을 3일과 7일로 하여 공시 체를 각각 6개씩, 총 36개를 제작한 후 휨강도 시험을 수행하였으며, 시험체의 재하는 10k)n 용량의 휨강도 시험기를 사용하여 3등분점재하를 실시하였다.
- 훰인성 시험방법은 KS F 2408(콘크리트의 휨강도 시험방법)에 따라 수행하여 무보강 숏크리트와 기존 후크형 강섬유보강 숏크리트 및 형상을 변화 한강 섬유보강 숏크리트의 재령일을 3일과 7일로 하여 공시 체를 각각 6개씩, 총 36개를 제작한 후 휨강도 시험을 수행하였으며, 시험체의 재하는 10k)n 용량의 휨강도 시험기를 사용하여 3등분점재하를 실시하였다. 하중의 재하속도는 0.24mm/min로 일정하게 속도를 유지하여 휨강도 시험을 실시하였으며, 휨강도 데이터를 얻기 위하여 상부에 로드셀과 하부에 와이어 LVDT를 설치하였다. 휨강도(政)는 아래 식을 이용하여 경간(span)방향 중심선의 3등분점 사이에서 파괴되었을 때에 최대하중을 이용하여 산출하였다(안민호, 2009).
- 실험체의 강도발현을 위해 표준수중양생(KS F 2403)에 의거하여 20±3℃ 로 일정하게 온도를 유지하여 수중 양생을 실시하였다. 훰인성 시험방법은 KS F 2408(콘크리트의 휨강도 시험방법)에 따라 수행하여 무보강 숏크리트와 기존 후크형 강섬유보강 숏크리트 및 형상을 변화 한강 섬유보강 숏크리트의 재령일을 3일과 7일로 하여 공시 체를 각각 6개씩, 총 36개를 제작한 후 휨강도 시험을 수행하였으며, 시험체의 재하는 10k)n 용량의 휨강도 시험기를 사용하여 3등분점재하를 실시하였다. 하중의 재하속도는 0.
대상 데이터
- 알아보기 위하여 실내실험을 실시하였다. 본 연구에서 사용한 시료는 무보강 숏크리트 기존 후크형 강섬유보강 숏크리트와 형상을 변화한 강섬유보강 숏크리트이며, 이들 시료를 이용해서 강도특성을 분석하기 위해 수행한 실험은 압축강도 및 휨강도시험이다. 본 연구를 통해 얻은 결론은 다음과 같다.
- 실험에 사용한 강섬유는 그림 2와 같이 기존 강섬유와 인발실험을 통해 개발한 형상을 변화한 강섬유를 가지고 숏크리트에 사용하였다. 실험 조건은 무보강 숏크리트 시료, 기존 강섬유보강 숏크리트 시료 그리고 형상을 변화 한강 섬유보강 숏크리트 시료를 선정하였다.
- 실시하기 위한 공시체를 제작하였다. 실험에 사용한 강섬유는 그림 2와 같이 기존 강섬유와 인발실험을 통해 개발한 형상을 변화한 강섬유를 가지고 숏크리트에 사용하였다. 실험 조건은 무보강 숏크리트 시료, 기존 강섬유보강 숏크리트 시료 그리고 형상을 변화 한강 섬유보강 숏크리트 시료를 선정하였다.
- 압축강도 실험용 공시체는 직경(0)5Omm X 높이(H) 100mm의 원주형 공시체를 이용하여 무보강 숏크리트,기존 강섬유 숏크리트 형상을 변화한 강섬유 숏크리트를 재령일을 3일과 7일로 하여 공시체를 각각 6개씩, 총 36개를 제작하여 압축강도 실험을 실시하였다. 압축강도 실험은 KS F 2405(콘크리트 압축강도 실험방법)에 의거하여 수행하였다.
- 형상을 변화한 강섬유 혼입 숏크리트와 기존 강섬유혼입 숏크리트에 대한 강도특성을 비교 분석하기 위하여, 본 연구에서는 기존 강섬유로는 국내에서 일반적으로 사용되고 있는 후크형 강섬유(유효지름 0.5mm, 길이 30mm)를 사용하였다 강섬유보강 숏크리트의 인성을 확보하기 위한 최소 혼입량 기준인 Im, 당 30kg로 제시하고 있는 자료(이승호 등, 2006)를 토대로 본 연구에서는 강섬유 혼입량을 가로(350mm) x 세로(100mm) x 높이(100mm)당 105g로 선정하였으며, 국내 숏크리트 배합은 한국도로공사의 강섬유 혼입 습식 숏크리트 배합 (한국도로공사, 2003)을 기준배합으로 선정하여 다음표 1과 같이 시방배합표를 나타냈다.
- 휨인성 실험은 가로 350mm, 세로 100mm, 높이 100mm 의 콘크리트 공시체를 제작하였으며, 혼합믹서기를 이용하여 2분 동안 혼합하여 실험체를 제작하였다. 실험체의 강도발현을 위해 표준수중양생(KS F 2403)에 의거하여 20±3℃ 로 일정하게 온도를 유지하여 수중 양생을 실시하였다.
이론/모형
- 압축강도 실험은 KS F 2405(콘크리트 압축강도 실험방법)에 의거하여 수행하였다. 시험체의 재하는 5ton 용량의 압축강도 시험기를 사용하였으며, 하중의 재하속도는 Imm/min 로 일정한 속도를 유지하여 강도를 측정하였다.
성능/효과
- (1) 압축강도 파괴형태에서는 형상을 변화한 강섬유 보강 숏크리트의 경우 기존 강섬유 보강 숏크리트와 유사한 거동으로 나타났지만, 기존 강섬유를 보강한 것보다 형상을 개선한 강섬유를 보강하였을 때 인장 측에 미세균열이 적게 발생하는 것으로 나타났다. 또한 휨강도 파괴형태는 기존 강섬유를 보강한 것 보다 형상을 변화한 강섬유를 보강하였을 때 공 시체 내부에 강섬유가 균일하게 분포하는 것을 확인할 수 있었다.
- (2) 재령 3일, 7일의 공시체에 대한 압축강도 실험 결과 강섬유를 혼입한 경우 압축강도가 증가하는 경향이 나타났으며, 형상을 개선한 강섬유보강 숏크리트 재령 3일 일 때의 평균 압축강도가 13.39MPa로 기존 강섬유보강 숏크리트 보다 약 19.08% 증가하였으며, 재령 7일일때의 평균 압축강도가 20.90MPa 로 기존 강섬유보강 숏크리트 보다 약 12.34% 증가하는 것으로 나타났다. 또한 재령 3일, 7일에 따른 표준편차는 각각 7.
- (3) 재령 3일, 7일의 공시체에 대한 휨강도 실험결과 강섬유를 혼입한 경우 휨강도가 증가하는 경향이 나타났으며, 형상을 변화한 강섬유보강 숏크리트 재령 3일일 때의 평균 휨강도가 1552kPa로 약 10.04% 증가하였으며, 재령 7일 일 때의 평균 휨강도가 1925kPa로 약 10.37% 증가하는 것으로 나타났다. 또한 재령 3 일, 7일에 따른 표준편차는 각각 5.
- 보여주고 있다. 그림 6(b)와 같이 기존의 강섬유를 보강한 숏크리트는 초기 휨균열의 발생위치와 균열진전 상황은 무보강 숏크리트와 유사하게 나타났지만, 시험체 내부에 불규칙적으로 분포되어 있는 강섬유 가인 장력을 전달하는 역할을 하면서 최대하중 이후에도 인장 측에서 균열폭이 커지기는 하지만 반으로 절단되는 파괴로 이어지지는 않았다. 그림 6(c)와 같이 형상을 변화한 강섬유 보강 숏크리트의 경우 기존 강섬유 보강 숏크리트와 유사한 거동으로 나타났지만, 강섬유의 분포는 기존 강섬유 보다 형상을 변화한 강섬유를 혼입한 숏크리트에서 균일하게 분포하는 것을 확인할 수 있었다.
- 그림 6(b)와 같이 기존의 강섬유를 보강한 숏크리트는 초기 휨균열의 발생위치와 균열진전 상황은 무보강 숏크리트와 유사하게 나타났지만, 시험체 내부에 불규칙적으로 분포되어 있는 강섬유 가인 장력을 전달하는 역할을 하면서 최대하중 이후에도 인장 측에서 균열폭이 커지기는 하지만 반으로 절단되는 파괴로 이어지지는 않았다. 그림 6(c)와 같이 형상을 변화한 강섬유 보강 숏크리트의 경우 기존 강섬유 보강 숏크리트와 유사한 거동으로 나타났지만, 강섬유의 분포는 기존 강섬유 보다 형상을 변화한 강섬유를 혼입한 숏크리트에서 균일하게 분포하는 것을 확인할 수 있었다. 그림 7은 각 강섬유 형태에 따른 숏크리트 재령 3일에서의 휨강도를 나타낸 그래프이다.
- 많은 미세균열이 발생하였다. 그림 3(c)와 같이 형상을 변화한 강섬유를 숏크리트에 혼입하였을 경우 기존 강섬유보강 숏크리트 보다 인장측에 미세균열이 적게 발생하는 것으로 나타났다.
- 53MPa로 측정되었다. 그림 4(c)와 같이 형상을 변화한 강섬유를 혼입한 숏크리트의 변형률이 2.2%일 때 최대응력이 17.21MPa 로 가장 크게 측정되었다. 그림 4(d)와 같이 각 실험조건별 재령 3일 일 때의 평균강도를 나타낸 그래프로써, 무보강 숏크리트의 평균 압축강도는 lO.
- 59MPa로 측정되었다. 그림 5(c)와 같이 형상을 변화한 강섬유를 혼입한 숏크리트의 변형률이 3.1%일 때 최대응력이 24.66MPa로 가장 크게 측정되었다. 그림 5(d)와 같이 각 실험조건별 재령 7 일 일 때의 평균강도를 나타낸 그래프로써, 무보강 숏크리트의 평균 압축강도는 13.
- 21MPa 로 가장 크게 측정되었다. 그림 4(d)와 같이 각 실험조건별 재령 3일 일 때의 평균강도를 나타낸 그래프로써, 무보강 숏크리트의 평균 압축강도는 lO.OIMPa(표준편차 2.68MPa)인데 반해 기존의 강섬유를 혼입한 숏크리트의 평균 압축강도는 10.84MPa(표준편차 3.30MPa)로 약 7.59% 증가하는 것으로 나타났으며, 기존 강섬유를 혼입한 숏크리트와 비교했을 때 형상을 변화한 강섬유를 혼입한 숏크리트의 평균 압축강도는 13.39M 仲 a(표준편차 3.03MPa)로 약 19.08% 증가하는 것으로 나타났다. 또한 기존 강섬유를 혼입한 숏크리트보다 형상을 변화한 강섬유를 숏크리트에 혼입했을 때 표준편차가 8.
- 66MPa로 가장 크게 측정되었다. 그림 5(d)와 같이 각 실험조건별 재령 7 일 일 때의 평균강도를 나타낸 그래프로써, 무보강 숏크리트의 평균 압축강도는 13.27MPa(표준편차 3.06MPa) 인데 반해 기존의 강섬유를 혼입한 숏크리트의 평균 압축강도는 18.32MPa(표준편차 3.83MPa)로 약 27.6% 증가하는 것으로 나타났으며, 기존 강섬유를 혼입한 숏크리트와 비교했을 때 형상을 변화한 강섬유를 혼입한 숏크리트의 평균 압축강도는 20.90MPa(표준편차 3.54MPa)로 약 7.38% 감소하는 것으로 나타났다. 또한 기존 강섬유를 혼입한 숏크리트보다 형상을 변화한 강섬유를 숏크리트에 혼입했을 때 표준편차가 7.
- 4mm일 때 최대휨강도가 1698Pa로 가장 크게 측정되었다. 그림 7(d)와 같이각 실험조건별 재령 3일 일 때의 평균 휨강도를 나타낸 그래프로써, 무보강 숏크리트의 평균 휨강도는 1218kPa (표준편차 143kPa)인데 반해 기존의 강섬유를 혼입 한 숏크리트의 평균 휨강도는 1396kPa(표준편차 194kPa) 로 약 1275% 증가하는 것으로 나타났으며, 기존 강섬유를 혼입한 숏크리트와 비교했을 때 형상을 변화한 강섬유를 혼입한 숏크리트의 평균 휨강도는 1552kPa(표준편차 107kPa)로 약 10.04% 증가하는 것으로 나타났다. 또한 기존 강섬유를 혼입한 숏크리트보다 형상을 변화한 강섬유를 숏크리트에 혼입했을 때 표준편차가 44% 감소하는 것으로 나타났다.
- 45mm일 때 최대휨강도가 2510kPa로 가장 크게 측정 되었다. 그림 8(d)와 같이각 실험조건별 재령 7일 일 때의 평균 휨강도를 나타낸 그래프로써, 무보강 숏크리트의 평균 휨강도는 1557kPa (표준편차 194kPa)인데 반해 기존의 강섬유를 혼입 한 숏크리트의 평균 휨강도는 1725kPa(표준편차 351kPa) 로 약 9.79% 증가하는 것으로 나타났으며, 기존 강섬유를 혼입한 숏크리트와 비교했을 때 형상을 변화한 강섬유를 혼입한 숏크리트의 평균 휨강도는 1925kP(표준편차 332kPa)로 약 12.86% 증가하는 것으로 나타났다. 기존 강섬유를 혼입한 숏크리트보다 형상을 변화한 강섬유를 숏크리트에 혼입했을 때 표준편차가 5.
- 각 실험 공시체로 3일, 7일의 재령일 일 때 강섬유를 혼입하지 않은 무보강 숏크리트 기존의 강섬유보강 숏크리트, 형상을 변화한 강섬유보강 숏크리트에 대하여 6개씩 총 36개의 공시체를 파괴한 후 공시체 6개의 평균을 하나의 결과값으로 압축강도 실험을 실시한 결과 그림 3과 같이 파괴가 일어났다.
- 86% 증가하는 것으로 나타났다. 기존 강섬유를 혼입한 숏크리트보다 형상을 변화한 강섬유를 숏크리트에 혼입했을 때 표준편차가 5.3% 감소하는 것으로 나타났다. 재령 7일에 대한 휨강도 실험 결과는 표 5와 같이 나타냈다.
- 04% 증가하는 것으로 나타났다. 또한 기존 강섬유를 혼입한 숏크리트보다 형상을 변화한 강섬유를 숏크리트에 혼입했을 때 표준편차가 44% 감소하는 것으로 나타났다. 재령 3일에 대한 휨강도 실험결과는 표 4와 같이 나타냈다.
- 38% 감소하는 것으로 나타났다. 또한 기존 강섬유를 혼입한 숏크리트보다 형상을 변화한 강섬유를 숏크리트에 혼입했을 때 표준편차가 7.38% 감소하는 것으로 나타났다. 재령 7일에 대한 일축압축강도 실험 결과는 표 3과 같이 나타냈다.
- 08% 증가하는 것으로 나타났다. 또한 기존 강섬유를 혼입한 숏크리트보다 형상을 변화한 강섬유를 숏크리트에 혼입했을 때 표준편차가 8.11% 감소하는 것으로 나타났다. 재령 3일에 대한 일축 압축강도 실험결과는 표 2와 같이 나타냈다.
- 또한 휨강도 파괴형태는 기존 강섬유를 보강한 것 보다 형상을 변화한 강섬유를 보강하였을 때 공 시체 내부에 강섬유가 균일하게 분포하는 것을 확인할 수 있었다.
- 나타낸 그래프이다. 변형률에 따른 응력을 비교해본 결과 강섬유를 혼입한 경우 응력이 증가하는 경향을 나타났다. 그림 4(a)와 같이 무보강 숏크리트의 변형률이 2.
- 본 연구결과 강섬유를 혼입하지 않은 무보강 숏크리트와 기존 강섬유를 숏크리트에 혼입하였을 때 보다는 강섬유 후크의 각도와 Body의 길이를 변화시킨 새로운 형태의 형상을 개선한 강섬유를 사용하여 보강용 숏크리트 타설하였을 때 압축강도 및 휨인성 모두 증가하는 것을 확인할 수 있었다. 새로운 강섬유 개발을 위하여강섬유 재료의 역학적 거동 실험과 배합기법, 실제 시험시공을 통한 리바운드율이나 강섬유혼입의 균일성 등 현장 실험을 통해 현장 적용성을 확보해야 할 것으로 판단된다.
- 실험결과 기존 강섬유 보강 숏크리트 보다 형상을 변화한 강섬유를 숏크리트에 보강하였을 때 일축 압축 강도 및 휨강도 모두 증가하는 것으로 나타났다. 또한 선행연구에서 후크형 강섬유와 후크의 각도와 강섬유 Body의 길이를 변형시켜 각각의 Case에 대한 인발실험을 실시한 결과 콘크리트와 강섬유의 결합시 강섬유 후크 각도와 Body의 길이에 따른 형상비의 변화가 부착력을 강하게 하여 인발력 차이가 발생하는 것으로 나타났습니다.
후속연구
- 확인할 수 있었다. 새로운 강섬유 개발을 위하여강섬유 재료의 역학적 거동 실험과 배합기법, 실제 시험시공을 통한 리바운드율이나 강섬유혼입의 균일성 등 현장 실험을 통해 현장 적용성을 확보해야 할 것으로 판단된다.
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