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문제 정의
- 시멘트 복합재료와 보강섬유의 부착성능 향상은 이와 같은 균열제어 효과를 극대화할 수 있다. 따라서 본 연구에서는 메타카올린 및 실리카퓸을 적용한 시멘트 복합재료에서 보강섬유의 효과를 최적화할 수 있는 기초연구로 보강섬유와 시멘트 복합재료의 부착성능을 평가하였다. 보강섬유로는 친수성 재료이며 비부식성 재료로 최근 들어 숏크리트, 콘크리트 포장, 보수 재료 등 다양한 콘크리트 구조물에 강섬유를 대체하여 적용이 증가하고 있는 구조용 PVA 섬유를 사용하였다 (Lee and Park, 2011a, Kuraray PVA Fiber Division).
- 구조용 PVA 섬유와 시멘트 복합재료의 부착특성 평가는 Dog-bone 공시체를 제작하여 실시하였으며, 부착시험 후 섬유 표면의 미세구조 분석을 통하여 메타카올린 및 실리카퓸의 치환율에 따른 부착 특성을 분석하였다. 이와 같은 결과의 분석을 통하여 섬유보강 시멘트 복합재료의 취성적 성질 개선과 균열억제 성능에 가장 큰 영향을 미치는 부착성능을 최적화할 수 있는 메타카올린 및 실리카퓸의 사용량 효과를 제시하였다.
- 본 연구에서는 부착시험 후 섬유 표면을 관찰하여 섬유와 시멘트 복합재료의 마찰력에 따른 긁힘 현상을 관찰하였다. Fig.
- 본 연구에서는 메타카올린 및 실리카퓸을 적용한 시멘트 복합재료의 취성적 성질과 균열발생가능성에 대한 문제점을 해결할 수 있는 구조용 PVA 섬유보강 시멘트 복합재료에 대한 기초연구를 실시하였다. 특히 구조용 PVA 섬유보강 시멘트 복합재료의 성능에 가장 큰 영향을 미치는 구조용 PVA 섬유와 시멘트 복합재료의 부착성능을 평가하였다.
제안 방법
- 메타카올린 및 실리카퓸의 치환율에 따른 시멘트 복합재료의 휨강도 특성을 평가하기 위하여 KSL ISO R 679에 따른 40 mm ×40 mm×160 mm의 각주형 공시체를 제작하여 재령 28일 후 휨강도 시험을 실시하였다.
- 보강섬유로는 친수성 재료이며 비부식성 재료로 최근 들어 숏크리트, 콘크리트 포장, 보수 재료 등 다양한 콘크리트 구조물에 강섬유를 대체하여 적용이 증가하고 있는 구조용 PVA 섬유를 사용하였다 (Lee and Park, 2011a, Kuraray PVA Fiber Division). 구조용 PVA 섬유와 시멘트 복합재료의 부착특성 평가는 Dog-bone 공시체를 제작하여 실시하였으며, 부착시험 후 섬유 표면의 미세구조 분석을 통하여 메타카올린 및 실리카퓸의 치환율에 따른 부착 특성을 분석하였다. 이와 같은 결과의 분석을 통하여 섬유보강 시멘트 복합재료의 취성적 성질 개선과 균열억제 성능에 가장 큰 영향을 미치는 부착성능을 최적화할 수 있는 메타카올린 및 실리카퓸의 사용량 효과를 제시하였다.
- 본 연구는 Table 4와 같은 시멘트 복합재료 배합을 이용하여 구조용 PVA 섬유와 시멘트 복합재료의 부착특성을 평가하였다. 메타카올린과 실리카퓸은 시멘트 중량에 0, 5, 10 및 15 %를 치환하여 구조용 PVA 섬유와 시멘트 복합재료의 부착특성에 미치는 영향을 평가하였다.
- 본 연구는 Table 4와 같은 시멘트 복합재료 배합을 이용하여 구조용 PVA 섬유와 시멘트 복합재료의 부착특성을 평가하였다. 메타카올린과 실리카퓸은 시멘트 중량에 0, 5, 10 및 15 %를 치환하여 구조용 PVA 섬유와 시멘트 복합재료의 부착특성에 미치는 영향을 평가하였다.
- 부착실험 공시체는 제작 후 24시간 동안 23±2 ℃ 및 상대습도 50±2 %의 범위에 초기 양생을 실시한 후 탈형하여 23±2 ℃의 물속에서 실험 전까지 습윤양생을 실시하였다.
- 부착실험 공시체는 제작 후 24시간 동안 23±2 ℃ 및 상대습도 50±2 %의 범위에 초기 양생을 실시한 후 탈형하여 23±2 ℃의 물속에서 실험 전까지 습윤양생을 실시하였다. 실험은 재령 28일간의 양생 후에 변위 제어방식의 UTM에 설치한 후 0.5 mm/min의 하중재하속도로 부착성능을 평가하였다.
- 본 연구에서는 식(1)을 부착강도를 계산하였으며, 배합마다 공시체 6개씩의 공시체를 제작하여 시험을 실시하였다.
- , 2006). 본 연구에서는 JCI SF-8에 따라 인발하중-변위곡선에서 변위 2.5 mm까지의 면적으로 적용하여 계면인성을 계산하였다.
- 본 연구에서는 메타카올린 및 실리카퓸을 적용한 시멘트 복합재료의 취성적 성질과 균열발생가능성에 대한 문제점을 해결할 수 있는 구조용 PVA 섬유보강 시멘트 복합재료에 대한 기초연구를 실시하였다. 특히 구조용 PVA 섬유보강 시멘트 복합재료의 성능에 가장 큰 영향을 미치는 구조용 PVA 섬유와 시멘트 복합재료의 부착성능을 평가하였다. 시험결과를 통한 결론은 다음과 같다.
대상 데이터
- 본 연구에서는 국내 S사의 비중 3.14의 보통 포틀랜드 시멘트, 비중 2.61의 잔골재 및 메타카올린과 실리카퓸을 사용하였으며, 물리 ·화학적 특성은 Table 1 및 2와 같다.
- 따라서 본 연구에서는 메타카올린 및 실리카퓸을 적용한 시멘트 복합재료에서 보강섬유의 효과를 최적화할 수 있는 기초연구로 보강섬유와 시멘트 복합재료의 부착성능을 평가하였다. 보강섬유로는 친수성 재료이며 비부식성 재료로 최근 들어 숏크리트, 콘크리트 포장, 보수 재료 등 다양한 콘크리트 구조물에 강섬유를 대체하여 적용이 증가하고 있는 구조용 PVA 섬유를 사용하였다 (Lee and Park, 2011a, Kuraray PVA Fiber Division). 구조용 PVA 섬유와 시멘트 복합재료의 부착특성 평가는 Dog-bone 공시체를 제작하여 실시하였으며, 부착시험 후 섬유 표면의 미세구조 분석을 통하여 메타카올린 및 실리카퓸의 치환율에 따른 부착 특성을 분석하였다.
이론/모형
- 메타카올린과 실리카퓸의 치환율에 따른 시멘트 복합재료와 친수성 구조용 PVA 섬유의 부착거동을 평가하기 위하여 JCI SF-8에 시험규정을 이용하였다. Fig.
성능/효과
- 2와 같다. 메타카올린 및 실리카퓸의 치환율이 증가할수록 휨강도가 증가하고 치환율 15 %에서 휨강도의 감소가 나타나기 시작하였다. 메타카올린 치환율이 0, 5, 10 및 15 %로 증가함에 따라 휨강도는 5.
- 메타카올린 및 실리카퓸의 치환율이 증가할수록 휨강도가 증가하고 치환율 15 %에서 휨강도의 감소가 나타나기 시작하였다. 메타카올린 치환율이 0, 5, 10 및 15 %로 증가함에 따라 휨강도는 5.9, 6.7, 8.0 및 7.1 MPa를 나타내었으며, 실리카퓸의 치환율이 0, 5, 10 및 15 %로 증가함에 따라 휨강도는 5.9, 7.9, 8.5, 및 8.2 MPa를 나타내었다. 또한, 메타카올린 치환율 10 %에서 실리카퓸 치환율 5 %와 거의 유사한 휨강도를 나타냈다.
- 또한, 메타카올린 치환율 10 %에서 실리카퓸 치환율 5 %와 거의 유사한 휨강도를 나타냈다. 따라서 메타카올린의 10 % 치환했을 때 실리카퓸 5 %와 유사한 휨강도 효과를 얻을 수 있을 것으로 판단된다.
- 균열발생 전 거동은 섬유와 매트릭스의 계면 부착력에 의하여 균열의 발생을 억제하는 구간이며, 균열발생 후 거동은 균열이 발생 후 섬유의 인발거동을 섬유와 매트릭스의 계면에서 마찰력에 의하여 억제하는 구간이다. 메타카올린 및 실리카퓸의 치환율 10 %까지는 구조용 PVA 섬유와 시멘트 모트타르의 균열 전 거동이 향상되는 결과를 나타냈다. 이와 같은 결과는 메타카올린 및 실리카퓸은 미분말로 구조용 PVA 섬유와 시멘트 복합재료의 계면에 발생하는 공극을 채워 밀실하게 하기 때문이다.
- 또한, 시멘트 복합재료의 강도를 증가시켜 균열발생 강도를 향상시키기 때문이다. 그러나 치환율 15 %가 되면 점성이 크게 증가하고 유동성이 감소하기 때문에 구조용 PVA 섬유와 시멘트 복합재료의 계면에 시멘트 복합재료가 잘 채워지지 않아 공극 발생으로 인한 계면약화가 발생하여 균열 발생 전 거동이 감소하는 결과를 보여주었다. 최고 인발하중 후에 구조용 섬유의 인발 거동이 발생하는데 하중의 급격한 감소 후에 일정한 하중을 유지하다가 최종적으로 인발되는 거동은 모든 메타카올린 및 실리카퓸 치환율에서 나타냈다.
- 4와 같다. 메타카올린 치환율이 0, 5, 10 및 15 %로 증가하면서 부착강도는 각각 1.93, 2.42, 3.34 및 3.04 MPa을 나타냈다. 실리카퓸 치환율에 따른 부착강도는 치환율이 0, 5, 10 및 15 %로 증가함에 따라 각각 1.
- 04 MPa을 나타냈다. 실리카퓸 치환율에 따른 부착강도는 치환율이 0, 5, 10 및 15 %로 증가함에 따라 각각 1.93, 3.28, 4.26 및 3.68 MPa를 보여주었다. 메타카올린 및 실리카퓸의 치환율에 따른 부착강도의 경향은 치환율 10 %까지는 증가하고 15 %에서는 감소하는 결과를 나타냈다.
- 68 MPa를 보여주었다. 메타카올린 및 실리카퓸의 치환율에 따른 부착강도의 경향은 치환율 10 %까지는 증가하고 15 %에서는 감소하는 결과를 나타냈다. 부착강도는 첫 번째 매크로 균열이 발생하는 강도로 시멘트 복합재료의 휨강도와 관계가 있다.
- 따라서 치환율 10 %까지는 균열 발생강도 및 휨강도를 향상시킬 수 있다고 판단된다. 또한, 메타카올린을 치환한 배합보다는 실리카퓸을 치환한 배합이 부착강도가 우수하게 나타났다. 또한, 메타카올린 치환율 10 %에서 실리카퓸 치환율 5 %와 유사한 부착강도를 나타냈다.
- 5와 같다. 메타카올린 치환율이 0, 5, 10 및 15 %로 증가함에 따라 계면인성 값은 각각 18.19, 23.08, 27.80 및 25.31 N-mm를 나타내었으며, 실리카퓸 치환율이 0, 5, 10 및 15 %로 증가함에 따라 계면인성은 각각 18.19, 31.18, 35.12 및 33.34 N-mm를 나타냈다. 계면인성은 분리존에서의 거동을 나타내는 특성으로 첫 번째 매크로균열 발생 후 거동에 크게 영향을 받는다.
- 따라서 실리카퓸 및 메타카올린 치환율 15 %이상에서는 유동화제 등을 적용하여 시멘트 복합재료의 유동성을 향상시킬 필요가 있다. 또한, 메타카올린을 치환한 경우보다 실리카퓸의 치환한 경우 계면인성이 상대적으로 증가하였는데 이와 같은 결과는 메타카올린보다 실리카퓸이 미분말로 계면의 공극을 채우는 효과와 강도발현을 증가시켜 상대적으로 계면강화효과가 우수하여 계면인성이 증가하였다. 계면인성의 증가는 시멘트 복합재료의 연성을 증가시키는 효과가 있다.
- 따라서 실리카퓸 및 메타카올린의 10 % 치환은 시멘트 복합재료의 취성적 성질을 개선하고 연성을 향상시키는 가장 큰 효과가 있을 것으로 판단된다. 또한, 계면인성시험결과 휨강도와 부착강도는 메타카올린 치환율 10 %일 때 실리카퓸 5 %와 유사한 값을 보여주었으나 계면인성에는 실리카퓸을 치환하였을 때가 메타카올린을 치환하였을 때와 비교하여 매우 우수한 값을 나타내어 모든 치환율에서 메타카올린의 최대 계면인성보다 큰 값을 보여주었다.
- 6및 7은 메타카올린 및 실리카퓸의 치환율에 따른 부착시험 후 섬유표면의 SEM 사진을 보여준다. 메타카올린 및 실리카퓸의 치환율이 증가할수록 섬유표면의 긁힘현상과 섬유의 찢겨짐, 섬유표면의 시멘트 복합재료 분말이 남아있는 것을 관찰할 수 있다. 이와 같은 현상은 메타카올린 및 실리카퓸의 치환율 10 %까지 증가하다가 15 %에서는 약간 감소하는 경향을 나타냈다.
- 마찰력저항력이 증가할수록 섬유의 표면에 긁힘현상과 섬유 찢겨짐, 섬유표면에 남아있는 시멘트 복합재료 분말이 많이 남아있게 된다. 구조용 PVA 섬유의 표면분석결과 메타카올린 및 실리카퓸의 첨가는 부착거동 향상에 효과가 있으며, 메타카올린 및 실리카퓸 치환율 10 %까지 그 효과는 증대되며, 15 %에서는 감소하기 시작하는 것을 알 수 있었다. 이와 같은 결과는 메타카올린 및 실리카퓸은 미분말로서 섬유와 시멘트 복합재료의 계면의 강화를 통하여 부착거동을 향상시키는 것으로 판단된다.
- 1. 메타카올린 및 실리카퓸 치환율 10 %까지는 휨강도 및 부착강도가 증가하였다. 그러나 15 % 치환율에서는 시멘트 복합재료의 점성 증가와 유동성 감소로 휨강도 및 부착강도가 감소하는 결과를 나타냈다.
- 메타카올린 및 실리카퓸 치환율 10 %까지는 휨강도 및 부착강도가 증가하였다. 그러나 15 % 치환율에서는 시멘트 복합재료의 점성 증가와 유동성 감소로 휨강도 및 부착강도가 감소하는 결과를 나타냈다. 또한, 메타카올린 10 % 치환율의 휨강도와 부착강도는 실리카퓸 치환율 5 %와 유사한 결과를 나타냈다.
- 또한, 메타카올린 10 % 치환율의 휨강도와 부착강도는 실리카퓸 치환율 5 %와 유사한 결과를 나타냈다. 따라서 부착강도 및 휨강도 측면에서는 메타카올린 10 % 치환은 실리카퓸 5 % 치환하였을 때의 성능을 확보 가능성이 있을 것으로 판단된다.
- 2. 계면인성시험결과 메타카올린 및 실리카퓸 치환율 10 %까지는 증가하다가 15 %에서 감소하는 결과를 나타냈다. 이와 같은 결과는 치환율 10 %까지는 섬유와 시멘트 복합재료의 계면강화로 인발 시 마찰력에 의하여 계면인성이 증가하지만 15 %치환율에서는 점성의 증가와 유동성의 감소로 계면을 충분히 채우지 못해 마찰력 저하가 발생하였기 때문이다.
- 부착시험 후 섬유 표면의 관찰결과 부착강도 및 계면인성 시험결과와 유사한 결과를 나타냈다. 따라서 구조용 PVA 섬유의 표면관찰결과 메타카올린 및 실리카퓸 치환은 시멘트 복합재료와 구조용 PVA 섬유의 부착거동에 영향을 미치고 있다는 것을 확인할 수 있었다.
- 4. 구조용 PVA 섬유와 시멘트 복합재료의 부착성능 시험결과 섬유보강 시멘트 복합재료의 성능에 가장 큰 영향을 미치는 부착특성은 실리카퓸 및 메타카올린 치환율 10 %에서 가장 효과적이었다. 따라서 본 연구의 부착시험결과 치환율 10 %에서 시멘트 복합재료와 구조용 PVA 섬유의 부착특성을 가장 크게 향상시켜, 시멘트 복합재료의 취성적 성질의 개선 및 균열저항성 등의 향상이 가장 클 것으로 판단된다.
- 구조용 PVA 섬유와 시멘트 복합재료의 부착성능 시험결과 섬유보강 시멘트 복합재료의 성능에 가장 큰 영향을 미치는 부착특성은 실리카퓸 및 메타카올린 치환율 10 %에서 가장 효과적이었다. 따라서 본 연구의 부착시험결과 치환율 10 %에서 시멘트 복합재료와 구조용 PVA 섬유의 부착특성을 가장 크게 향상시켜, 시멘트 복합재료의 취성적 성질의 개선 및 균열저항성 등의 향상이 가장 클 것으로 판단된다. 또한, 수리구조물의 적용시 연성을 증가시키고 균열의 억제를 통하여 수밀성을 향상시킬 것으로 판단된다.
- 따라서 본 연구의 부착시험결과 치환율 10 %에서 시멘트 복합재료와 구조용 PVA 섬유의 부착특성을 가장 크게 향상시켜, 시멘트 복합재료의 취성적 성질의 개선 및 균열저항성 등의 향상이 가장 클 것으로 판단된다. 또한, 수리구조물의 적용시 연성을 증가시키고 균열의 억제를 통하여 수밀성을 향상시킬 것으로 판단된다.
- 최고 인발하중 후에 구조용 섬유의 인발 거동이 발생하는데 하중의 급격한 감소 후에 일정한 하중을 유지하다가 최종적으로 인발되는 거동은 모든 메타카올린 및 실리카퓸 치환율에서 나타냈다. 균열발생 후 섬유와 시멘트 복합재료가 분리되는 구간의 거동은 거의 유사하나 메타카올린 및 실리카퓸의 치환율 15 %까지는 마찰 저항력이 증가하여 거동이 증가하나 15 %에서는 약간 감소하는 결과를 보여주고 있다. 이와 같은 결과는 치환율 15 % 이상에서는 점성과 유동성이 감소하여 구조용 PVA 섬유와 시멘트 복합재료의 계면에 공극 발생하기 때문이다.
- 계면인성의 증가는 시멘트 복합재료의 연성을 증가시키는 효과가 있다. 따라서 실리카퓸 및 메타카올린의 10 % 치환은 시멘트 복합재료의 취성적 성질을 개선하고 연성을 향상시키는 가장 큰 효과가 있을 것으로 판단된다. 또한, 계면인성시험결과 휨강도와 부착강도는 메타카올린 치환율 10 %일 때 실리카퓸 5 %와 유사한 값을 보여주었으나 계면인성에는 실리카퓸을 치환하였을 때가 메타카올린을 치환하였을 때와 비교하여 매우 우수한 값을 나타내어 모든 치환율에서 메타카올린의 최대 계면인성보다 큰 값을 보여주었다.
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