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문제 정의
- 따라서 본 연구에서는 재생 PET 섬유를 콘크리트 RC 슬래브 구조체에 적용하여 재생 PET 섬유가 RC 슬래브 구조체에 미치는 영향을 비교⋅분석하고자 한다.
- 본 연구에서는 재생 PET 섬유를 구조재료로 사용하기 위한 성능 검증 연구로써 철근 콘크리트 슬래브에 재생 PET 섬유를 혼입하여 휨 실험을 수행한 결과 다음과 같은 결론을 도출하였다.
- 본 연구에서는 재생 PET 섬유의 특성을 확인하기 위해 기존 구조용 섬유로 사용되는 PP 섬유와 비교하였다. 실험에 사용된 합성섬유의 기본물성은 Table 2에 나타내었으며, Fig.
제안 방법
- RC 슬래브 시험체의 변형률을 측정하기 위하여 보 중앙 최대 모멘트 지점인 중앙부 상부 표면과 하부 인장철근에 변형률 게이지를 부착하였고, 슬래브 중앙 하부면에는 변위를 측정하기 위하여 LVDT를 설치하였으며 변형률 게이지와 LVDT로부터 측정되는 모든 실험 데이터는 자동변형 측정기(data logger : TDS-303)를 통해 전자식으로 획득하였다. 또한 균열의 발생 및 진전 상황은 육안으로 확인 기록하였다.
- RC 슬래브 시험체의 변형률을 측정하기 위하여 보 중앙 최대 모멘트 지점인 중앙부 상부 표면과 하부 인장철근에 변형률 게이지를 부착하였고, 슬래브 중앙 하부면에는 변위를 측정하기 위하여 LVDT를 설치하였으며 변형률 게이지와 LVDT로부터 측정되는 모든 실험 데이터는 자동변형 측정기(data logger : TDS-303)를 통해 전자식으로 획득하였다. 또한 균열의 발생 및 진전 상황은 육안으로 확인 기록하였다. 실험전경은 Fig.
- 표면형상을 결정한 재생 PET 섬유는 절단장비를 통하여 적당한 길이로 자른다. 마지막으로 재생 PET 섬유는 분산성 및 부착성능을 향상시키기 위하여 무수말레인산이 그라프트된 폴리프로필렌(maleic anhydride grafted polypropylene, mPP)을 이용하여 섬유의 표면에 친수성 처리 기술을 도입하여 제조하였다.
- 본 연구에서 검증하고자는 재생 PET 섬유는 버려지는 폐 PET병을 수집하여 건조/습윤법을 이용 불순물을 제거한 뒤 압쇄 분쇄한 다음 융해하여 재생 PET 롤을 생산한다. 생산된 재생 PET 롤은 슬릿팅 장비를 이용하여 가늘게 잘라 직선형태(straight type)의 섬유로 만든다.
- 변형률 게이지는 단순하중하에 있는 슬래브의 초기균열과 균열진전을 나타내는데 이전부터 사용되어 왔다(Falkner and Teutsch, 1993; Roesler and Barenberg, 1999). 본 연구에서 측정된 변형률은 주로 콘크리트 슬래브의 인장과 휨 균열 하중을 측정하는데 사용되었으며, 더 나아가 무보강된 콘크리트 슬래브(Plain 시편)와 섬유 보강된 콘크리트 슬래브 사이의 파괴 거동 차이를 설명하는데 사용되었다.
- 8% 그리고 슬럼프 150±25mm를 갖고 있으며, 합성섬유가 보강섬유로 사용되었다. 본 연구에서는 콘크리트에 사용되는 단위수량을 줄이기 위해 AE 감수제를 사용하였다. 주요 변수로는 합성섬유의 종류와 혼입량이다.
- 휨 실험을 위한 시험체는 충청대학 구조 실험동 소재 최대용량 2,000 kN의 만능시험기 (UTM)를 사용하여 휨 실험을 하였다. 시험체의 가력은 중앙에 선하중을 재하하였으며 초기 균열 발생 전까지는 하중제어법을 사용하여 20 kN/min의 속력으로 가력하였으며, 초기 균열 발생 후에는 변위제어법을 사용하여 0.05 mm/min의 속력으로 가력하였다.
- 철근 콘크리트 슬래브 시험체는 양생포로 덮어 양생 후 재령 28일에 거푸집을 탈형하였으며, 균열의 진전 및 파괴양상을 자세히 관찰 할 수 있도록 흰색 페인트로 도색 후 눈금을 표시하였다. 휨 실험을 위한 시험체는 충청대학 구조 실험동 소재 최대용량 2,000 kN의 만능시험기 (UTM)를 사용하여 휨 실험을 하였다.
- 주요 변수로는 합성섬유의 종류와 혼입량이다. 합성섬유는 일반적으로 가장 널리 사용되고 있는 PP 섬유와 본 연구에서 검토하고자 하는 재생 PET 섬유가 사용되었으며, 섬유의 혼입량은 콘크리트 체적의 0%, 0.5%, 1.0%로 변화시키며 수행하였다. 시험에 사용된 배합표는 Table 3에 나타내었다.
대상 데이터
- 15이고 분말도는 3,450cm2/g이다. 굵은 골재는 최대 입경 25mm인 부순 골재를 사용하였으며, 잔골재는 청주 인근의 강모래를 사용하였다. 시멘트와 플라이 애쉬의 화학적 조성 및 물리적 특성은 Table 1과 같다.
- 본 연구에서는 재생 PET 섬유의 특성을 확인하기 위해 기존 구조용 섬유로 사용되는 PP 섬유와 비교하였다. 실험에 사용된 합성섬유의 기본물성은 Table 2에 나타내었으며, Fig. 1에는 보강섬유로 사용된 재생 PET 섬유와 PP 섬유의 형상을 나타내었다.
- 콘크리트의 배합에 사용된 시멘트는 1종 보통 포틀랜드시멘트로 비중 3.15이고 분말도는 3,450cm2/g이다. 굵은 골재는 최대 입경 25mm인 부순 골재를 사용하였으며, 잔골재는 청주 인근의 강모래를 사용하였다.
- 콘크리트의 배합은 w/c=0.43과 공기량 4.5±1.5%, S/a=43.8% 그리고 슬럼프 150±25mm를 갖고 있으며, 합성섬유가 보강섬유로 사용되었다.
- 콘크리트의 설계기준강도 fck는 24MPa, 철근의 항복강도 fy는 400MPa로 상⋅하부에 양단 배근하였으며, 단면형상은 직사각형 단면으로 폭 b는 1200mm, 길이 l 은 2000mm, 높이 h는 180mm로 제작하였다.
- 철근 콘크리트 슬래브 시험체는 양생포로 덮어 양생 후 재령 28일에 거푸집을 탈형하였으며, 균열의 진전 및 파괴양상을 자세히 관찰 할 수 있도록 흰색 페인트로 도색 후 눈금을 표시하였다. 휨 실험을 위한 시험체는 충청대학 구조 실험동 소재 최대용량 2,000 kN의 만능시험기 (UTM)를 사용하여 휨 실험을 하였다. 시험체의 가력은 중앙에 선하중을 재하하였으며 초기 균열 발생 전까지는 하중제어법을 사용하여 20 kN/min의 속력으로 가력하였으며, 초기 균열 발생 후에는 변위제어법을 사용하여 0.
이론/모형
- 연성(ductility)은 철근콘크리트 부재의 에너지 흡수능력을 평가하는데 사용되며, 강도와 함께 구조물의 안전도를 평가함에 있어 중요한 요소 중 하나이다. 본 연구에서는 식 (2)와 같이 Naaman and Jeong(1995)의 에너지에 근거한 연성모델을 이용하여 에너지 흡수능력과 연성비를 평가하였으며, 결과는 Table 5에 나타내었다.
- 재생 PET 섬유의 혼입률에 따른 콘크리트의 물성변화를 확인하기 위하여 압축강도와 콘크리트의 응력-변형률 관계를 측정하였으며, 압축강도시험은 KS F 2405에 따라 수행되었으며, 식 (1)에 의해 계산되었다.
성능/효과
- (1) 압축강도 실험결과로부터 보강섬유를 혼입한 재생 PET 시편과 PP 시편은 섬유가 혼입되지 않은 Plain 시편에 약 2～7% 가량의 압축강도 감소율을 보여 상대적으로 낮은 압축강도를 나타내었으며, 보강섬유의 혼입량이 증가할수록 압축강도는 낮아졌다. 그러나, 재생 PET 섬유와 기존 PP 섬유를 비교했을 때 재생 PET 섬유의 압축강도 감소 경향은 크지 않음을 알 수 있어 시공 시 적정량을 고려하여 혼입하고 혼입량이 많아질 경우에는 강도저하를 고려하여 배합강도를 상향조정하여 설계하는 방법을 통해 해결할 수 있어 콘크리트의 압축강도는 큰 문제가 되지 않을 것으로 판단된다.
- (2) 콘크리트의 응력-변형률 곡선으로 부터, Plain 시편의 곡선기울기가 가장 급한 것으로 나타나 강성이 가장 큰 것을 알 수 있다. 반면 재생 PET 섬유가 혼입된 시편은 섬유의 혼입량이 증가할수록 변형률 곡선의 기울기가 완만하게 감소하였다.
- (3) 휨 결과로부터 Plain 시편의 극한하중은 182 kN 으로 가장 높은 하중저항력을 갖는 것으로 나타났으며 변위는 51.9 mm로 가장 적은 변형을 보였다. 반면에 재생 PET 섬유를 0.
- (4) 에너지 흡수능력을 평가한 결과 탄성에너지 흡수 능력은 Plain과 PP 0.5% 시편이 0.27 kN⋅m로 가장 높게 나타났다.
- (5) 에너지 흡수 능력을 바탕으로 계산된 상대연성지수는 Plain 시편과 비교하여 재생 PET 섬유를 0.5%, 1.0% 혼입한 시편이 각각 2.19, 2.11로 높은 에너지 흡수 능력을 보이는 것으로 나타났으며, 에너지 흡수 능력과 연성지수가 가장 우수한 시편은 재생 PET 섬유를 0.5% 혼입한 것으로 나타났다. 이러한 결과로부터 재생 PET 섬유를 혼입한 슬래브 시편은 에너지 흡수능력과 연성능력이 뛰어나 급작스런 취성파괴를 방지하고 연성파괴를 유도하는데 효과적일 것으로 기대된다.
- 이러한 결과로부터 재생 섬유를 혼입하면 항복하중 이후 구조물의 강성은 저하되나 연성이 증가 되어 안전성이 증대되는 것을 확인할 수 있어 구조물의 안전성 측면에서 유용하게 활용될 수 있을 것으로 기대된다. 그러나 보 시편에 적용한 경우에는 Plain 시편에 비해 연성능력 뿐 아니라 극한성능도 증가되는 것으로 나타났으나 슬래브 시편의 경우 연성능력은 증가되나 극한성능이 감소하는 것을 확인 할 수 있어 보 시편에 비해 상대적으로 보강효과가 적게 나타나고 있어 슬래브에 적용할 경우에는 배합과 혼입량을 적절히 사용해야 할 것으로 사료 된다.
- 이러한 결과로부터 재생 섬유를 혼입하면 항복하중 이후 구조물의 강성은 저하되나 연성이 증가 되어 안전성이 증대되는 것을 확인할 수 있어 구조물의 안전성 측면에서 유용하게 활용될 수 있을 것으로 기대된다. 그러나 보 시편에 적용한 경우에는 Plain 시편에 비해 연성능력 뿐 아니라 극한성능도 증가되는 것으로 나타났으나 슬래브 시편의 경우 연성능력은 증가되나 극한성능이 감소하는 것을 확인 할 수 있어 보 시편에 비해 상대적으로 보강효과가 적게 나타나고 있어 슬래브에 적용할 경우에는 배합과 혼입량을 적절히 사용해야 할 것으로 사료 된다.
- 그러나 전체 에너지 흡수능력은 Plain 시편이 8.32 kN⋅m로 가장 낮은 것으로 나타났으며, 재생 PET 섬유를 0.5% 혼입한 시편이 17.17 kN⋅m로 가장 우수한 에너지 흡수능력을 보이는 것으로 나타났다.
- 그러나 전체적으로 모든 시편은 약 60 kN 근처에서 초기균열이 발생하였으며 항복하중은 약 120 kN으로 철근의 항복강도인 400 MPa (εy=2,000)에서 슬래브가 항복하며 비선형 거동을 보이는 것으로 나타났다.
- 41 mm에 비해 적게 측정된 것으로 나타났다. 또한 Plain 시편은 항복하중도 약 124.6 kN으로 측정되어 가장 높은 값을 보이는 것으로 나타났으며, 이때의 변위도 4.35 mm로 섬유를 혼입한 시편에 비해 상대적으로 적은 변형을 보였다. 이러한 결과는 섬유의 혼입에 따라 콘크리트의 유효단면적이 줄어들어 강성이 적어진 것으로 판단된다.
- Plain 시편은 섬유를 보강한 시편보다 근소하게 균열발생 하중이 높은 것으로 나타났다. 또한 Plain 시편의 강성이 가장 큰 것으로 나타나 균열발생이전에는 섬유보강에 의한 효과가 거의 없으며 오히려 휨 균열발생을 가속화 시키는 결과를 보이고 있다. 이러한 결과는 섬유의 가교작용(bridging effect)이 충분한 역할을 하지 못하기 때문이다.
- 5% 혼입한 것으로 나타났다. 또한 섬유 혼입률에 따른 영향은 Fig. 10에서 보이는 것과 같이 재생 PET 섬유나 PP섬유 모두 0.5%를 혼입하였을 때 에너지 흡수 능력 및 연성지수가 가장 우수한 것으로 나타났다.
- 9에 파괴형상을 나타내었다. 모든 시험체는 슬래브 하부에서 초기균열이 발생하였고, 철근 항복점까지는 하중증가에 따라 탄성 거동을 하면서 균열이 성장하는 것을 확인할 수 있었다. 섬유를 보강하지 않은 Plain 시편은 철근의 항복이후에도 파괴하중까지 약 46%의 강도증가를 보인 이후 급격한 강도감소를 보이면서 파괴되었다.
- (2) 콘크리트의 응력-변형률 곡선으로 부터, Plain 시편의 곡선기울기가 가장 급한 것으로 나타나 강성이 가장 큰 것을 알 수 있다. 반면 재생 PET 섬유가 혼입된 시편은 섬유의 혼입량이 증가할수록 변형률 곡선의 기울기가 완만하게 감소하였다. 이러한 결과는 재생 PET 섬유가 콘크리트에 혼입되면 콘크리트의 마이크로 크랙의 생성과 연성거동을 유도하는데 효과적이라는 것을 확인할 수 있다.
- 반면 전체 에너지 흡수능력은 Plain 시편이 8.32 kN⋅m로 가장 낮은 것으로 나타났으며, 재생 PET 섬유를 0.5% 혼입한 시편이 17.17 kN⋅m로 가장 우수한 에너지 흡수능력을 보이는 것으로 나타났다.
- 9 mm로 가장 적은 변형을 보였다. 반면에 재생 PET 섬유를 0.5% 혼입한 시편의 극한하중은 142 kN으로 가장 낮은 하중저항력을 보였으며 변위는 117.5 mm로 가장 크게 나타났다. 이러한 결과로부터 재생 섬유를 혼입하면 항복하중이후 구조물의 강성은 저하되나 연성이 증가 되어 안전성이 증대되는 것을 확인할 수 있어 구조물의 안전성 측면에서 유용하게 활용될 수 있을 것으로 기대된다.
- 본 연구에서는 재생 PET 섬유의 혼입에 따른 철근콘크리트 슬래브의 파괴거동 평가를 수행한 결과 슬래브 시험체는 모두 휨파괴 현상을 보였으며, Fig. 9에 파괴형상을 나타내었다. 모든 시험체는 슬래브 하부에서 초기균열이 발생하였고, 철근 항복점까지는 하중증가에 따라 탄성 거동을 하면서 균열이 성장하는 것을 확인할 수 있었다.
- 실험 결과로 부터 탄성에너지 흡수능력은 Plain과 PP 0.5% 시편이 0.27 kN⋅m로 가장 높게 나타났으며, 다른 시편은 이보다 다소 낮은 탄성에너지 흡수능력을 갖는 것으로 나타났다.
- 실험결과는 Fig. 6에 보이는 것과 같이, 모든 시편은 균열전 초기 거동에서 섬유의 혼입량과 상관없이 거의 유사 하게 나타났으며 항복하중인 약 120 kN까지도 유사한 거동을 보이는 것으로 나타났다. 그러나, 항복하중 이후에는 뚜렷한 거동의 변화를 보여주고 있다.
- 5는 콘크리트의 응력-변형률 곡선을 나타낸 것이다. 실험결과로부터, Plain 시편의 곡선기울기가 가장 급한 것으로 나타나 강성이 가장 큰 것을 알 수 있다. 보강섬유가 혼입된 시편은 섬유의 혼입량이 증가할수록 변형률 곡선의 기울기가 완만하게 감소하였다.
- 실험전 계산된 슬래브 시편의 균열하중은 약 45 kN으로 계산되었으며, 강도감소계수가 반영된 설계하중은 약 86 kN(공칭하중 101 kN)으로 계산되었다. 실험결과와 비교하였을 때 실험에 의한 Pain 시편의 균열하중은 62.6 kN으로 측정되어 계산값 보다 실험값이 크게 나타났으며, 섬유보강 시편의 경우 섬유의 혼입에 따라 Plain 시편보다는 낮은 균열하중을 나타내었지만 모두 계산된 균열하중 보다는 높은 균열하중을 보이는 것으로 나타나 균열에 대한 설계는 문제가 없는 것으로 나타났다. 또한 설계하중은 86 kN으로 모든 시편은 86 kN이후에 하부 인장철근이 항복하는 것으로 나타나 휨 설계가 제대로 이루어 진 것으로 판단된다.
- 6에 보강섬유 별로 나타내었으며, Table 4에 결과를 정리하였다. 실험전 계산된 슬래브 시편의 균열하중은 약 45 kN으로 계산되었으며, 강도감소계수가 반영된 설계하중은 약 86 kN(공칭하중 101 kN)으로 계산되었다. 실험결과와 비교하였을 때 실험에 의한 Pain 시편의 균열하중은 62.
- 4에 나타내었다. 압축강도 실험결과로부터 보강섬유를 혼입한 재생 PET 시편과 PP 시편은 섬유가 혼입되지 않은 Plain 시편에 비해 약 2～7%가량의 압축강도 감소율을 보여 상대적으로 낮은 압축강도를 나타내었으며, 보강섬유의 혼입량이 증가할수록 압축강도는 낮아졌다. 이러한 강도의 저하는 보강섬유가 콘크리트 내부에서 공극으로 작용하여 압축하중에 저항하는 콘크리트의 유효 단면적을 감소시켜 압축강도가 저하된 것으로 판단된다.
- 18로 Plain 시편에 비해 연성비가 증가하는 것으로 나타났다. 에너지 흡수 능력과 연성지수가 가장 우수한 시편은 재생 PET 섬유를 0.5% 혼입한 것으로 나타났다. 또한 섬유 혼입률에 따른 영향은 Fig.
- 에너지 흡수 능력을 바탕으로 계산된 상대연성지수는 Plain 시편과 비교하여 재생 PET 섬유를 0.5%, 1.0% 혼입한 시편이 각각 2.19, 2.11로 높은 상대연성비를 보이는 것으로 나타났으며, PP섬유를 0.5%, 1.0% 혼입한 시편은 각각 1.83, 1.18로 Plain 시편에 비해 연성비가 증가하는 것으로 나타났다. 에너지 흡수 능력과 연성지수가 가장 우수한 시편은 재생 PET 섬유를 0.
- 보강섬유가 혼입된 시편은 섬유의 혼입량이 증가할수록 변형률 곡선의 기울기가 완만하게 감소하였다. 이러한 결과는 재생 PET 섬유가 콘크리트에 혼입되면 콘크리트의 마이크로 크랙의 생성과 연성거동을 유도하는데 효과적이라는 것을 확인할 수 있다.
- 파괴하중의 경우에는 Plain 시편이 182 kN에서 파괴되어 가장 높은 하중저항력을 갖는 것으로 나타났다. 그러나 변위는 재생 PET 섬유를 0.
후속연구
- 5% 혼입한 것으로 나타났다. 이러한 결과로부터 재생 PET 섬유를 혼입한 슬래브 시편은 에너지 흡수능력과 연성능력이 뛰어나 급작스런 취성파괴를 방지하고 연성파괴를 유도하는데 효과적일 것으로 기대된다.
- 5 시편에 비해 약 2배가량 작은 것으로 나타났다. 이러한 결과로부터 재생 섬유를 혼입하면 항복하중 이후 구조물의 강성은 저하되나 연성이 증가 되어 안전성이 증대되는 것을 확인할 수 있어 구조물의 안전성 측면에서 유용하게 활용될 수 있을 것으로 기대된다. 그러나 보 시편에 적용한 경우에는 Plain 시편에 비해 연성능력 뿐 아니라 극한성능도 증가되는 것으로 나타났으나 슬래브 시편의 경우 연성능력은 증가되나 극한성능이 감소하는 것을 확인 할 수 있어 보 시편에 비해 상대적으로 보강효과가 적게 나타나고 있어 슬래브에 적용할 경우에는 배합과 혼입량을 적절히 사용해야 할 것으로 사료 된다.
- 5 시편에 비해 약 2배가량 작은 것으로 나타났다. 이러한 결과로부터 재생 섬유를 혼입하면 항복하중 이후 구조물의 강성은 저하되나 연성이 증가 되어 안전성이 증대되는 것을 확인할 수 있어 구조물의 안전성 측면에서 유용하게 활용될 수 있을 것으로 기대된다. 그러나 보 시편에 적용한 경우에는 Plain 시편에 비해 연성능력 뿐 아니라 극한성능도 증가되는 것으로 나타났으나 슬래브 시편의 경우 연성능력은 증가되나 극한성능이 감소하는 것을 확인 할 수 있어 보 시편에 비해 상대적으로 보강효과가 적게 나타나고 있어 슬래브에 적용할 경우에는 배합과 혼입량을 적절히 사용해야 할 것으로 사료 된다.
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