숏크리트 모사 콘크리트 공시체에 혼합된 강섬유의 분산도가 휨강도 및 인성에 미치는 영향 Effect of Steel-fiber Distribution on Flexural Strength and Toughness of Shotcrete-mimicked Concrete Specimen원문보기
NATM공법을 이용한 터널 시공에서 초기에 원지반을 구속시키고 암반과의 일체화를 통해 터널의 안정성을 확보하기 위해 통상 5-20cm 두께의 숏크리트를 시공하며 여기에는 강섬유가 $40kg/m^3$ 정도 포함되도록 설계하고 있다. 숏크리트 내에 혼합된 강섬유는 숏크리트를 뿜어 내는 장비 특성, 혼합비 그리고 현장 암반 상태에 따라 숏크리트 내 강섬유가 골고루 분산될 수도 있고 그렇지 않을 수도 있다. 본 연구에서는 단면이 $15cm{\times}15cm$이고 길이 55cm인 사각기둥 모양의 시멘트 혼합비가 5% 또는 20%인 공시체를 3cm씩 다섯 층으로 나누어 강섬유를 혼합하지 않거나, 중간층만 혼합하거나, 1, 3, 5층만 혼합하거나, 전층을 혼합한 네 종류의 숏크리트를 모사한 콘크리트 공시체를 제작하였다. 7일 동안 공시체를 대기중 양생한 다음 휨강도시험을 실시하여 층별로 강섬유가 분산되거나 집중될 경우 휨강도와 인성에 미치는 영향에 대하여 연구하였다. 시멘트 혼합비가 20%인 경우 강섬유 혼합층이 증가할수록 휨강도는 증가하였으며, 동일한 양의 강섬유가 골고루 분산되지 않고 한 곳으로 집중될 경우 휨강도가 20% 정도 감소하였다. 한편 시멘트 혼합비가 5%로 낮은 경우에는 강섬유 혼합층이 증가할수록 오히려 휨강도는 감소하였다. 시멘트 혼합비에 관계없이 강섬유 혼합층이 증가할수록 인성지수는 점점 증가하는 경향을 보였으며, 강섬유가 중간층으로 집중된 경우보다 골고루 분산된 경우 인성지수는 2-3배 정도 증가하였다.
NATM공법을 이용한 터널 시공에서 초기에 원지반을 구속시키고 암반과의 일체화를 통해 터널의 안정성을 확보하기 위해 통상 5-20cm 두께의 숏크리트를 시공하며 여기에는 강섬유가 $40kg/m^3$ 정도 포함되도록 설계하고 있다. 숏크리트 내에 혼합된 강섬유는 숏크리트를 뿜어 내는 장비 특성, 혼합비 그리고 현장 암반 상태에 따라 숏크리트 내 강섬유가 골고루 분산될 수도 있고 그렇지 않을 수도 있다. 본 연구에서는 단면이 $15cm{\times}15cm$이고 길이 55cm인 사각기둥 모양의 시멘트 혼합비가 5% 또는 20%인 공시체를 3cm씩 다섯 층으로 나누어 강섬유를 혼합하지 않거나, 중간층만 혼합하거나, 1, 3, 5층만 혼합하거나, 전층을 혼합한 네 종류의 숏크리트를 모사한 콘크리트 공시체를 제작하였다. 7일 동안 공시체를 대기중 양생한 다음 휨강도시험을 실시하여 층별로 강섬유가 분산되거나 집중될 경우 휨강도와 인성에 미치는 영향에 대하여 연구하였다. 시멘트 혼합비가 20%인 경우 강섬유 혼합층이 증가할수록 휨강도는 증가하였으며, 동일한 양의 강섬유가 골고루 분산되지 않고 한 곳으로 집중될 경우 휨강도가 20% 정도 감소하였다. 한편 시멘트 혼합비가 5%로 낮은 경우에는 강섬유 혼합층이 증가할수록 오히려 휨강도는 감소하였다. 시멘트 혼합비에 관계없이 강섬유 혼합층이 증가할수록 인성지수는 점점 증가하는 경향을 보였으며, 강섬유가 중간층으로 집중된 경우보다 골고루 분산된 경우 인성지수는 2-3배 정도 증가하였다.
A 5-20 cm thick shocrete has been routinely constructed for NATM tunneling method to stabilize and confine the excavated rock of tunnel construction site. A $40kg/m^3$ of steel fibers are usually mixed into such shotcrete but these steel fibers may not be evenly distributed depending on s...
A 5-20 cm thick shocrete has been routinely constructed for NATM tunneling method to stabilize and confine the excavated rock of tunnel construction site. A $40kg/m^3$ of steel fibers are usually mixed into such shotcrete but these steel fibers may not be evenly distributed depending on shotcrete machines, mixing ratios and excavated rock conditions. In this study, square column shotcrete-mimicked concrete specimens of $15cm{\times}15cm{\times}55cm$ were prepared with 5 equal layers and 5 or 20% cement ratio. The specimens were prepared with different reinforced-patterns: non-reinforced, middle layer-reinforced, 1, 3, and 5 layers-reinforced, or all layers reinforced. The specimens were air-cured for 7 days and tested for flexural strength. The influence of steel-fiber distribution on flexural strength and toughness of shotcrete-mimicked concrete specimens was investigated. In the case of a specimen with cement ratio of 20%, a flexural strength increased as a number of fiber-reinforced layer increased. The flexural strength of one-layer reinforced specimen showed 20% less than that of evenly fiber-distributed specimen. On the other hand, a specimen with cement ratio of 5% decreased as the number of fiber-reinforced layers increased. A toughness index increased as the number of fiber-reinforced layers increased, regardless of cement ratios. The toughness index of evenly fiber-distributed specimen showed 2-3 times as large as that of one-layer reinforced specimen.
A 5-20 cm thick shocrete has been routinely constructed for NATM tunneling method to stabilize and confine the excavated rock of tunnel construction site. A $40kg/m^3$ of steel fibers are usually mixed into such shotcrete but these steel fibers may not be evenly distributed depending on shotcrete machines, mixing ratios and excavated rock conditions. In this study, square column shotcrete-mimicked concrete specimens of $15cm{\times}15cm{\times}55cm$ were prepared with 5 equal layers and 5 or 20% cement ratio. The specimens were prepared with different reinforced-patterns: non-reinforced, middle layer-reinforced, 1, 3, and 5 layers-reinforced, or all layers reinforced. The specimens were air-cured for 7 days and tested for flexural strength. The influence of steel-fiber distribution on flexural strength and toughness of shotcrete-mimicked concrete specimens was investigated. In the case of a specimen with cement ratio of 20%, a flexural strength increased as a number of fiber-reinforced layer increased. The flexural strength of one-layer reinforced specimen showed 20% less than that of evenly fiber-distributed specimen. On the other hand, a specimen with cement ratio of 5% decreased as the number of fiber-reinforced layers increased. A toughness index increased as the number of fiber-reinforced layers increased, regardless of cement ratios. The toughness index of evenly fiber-distributed specimen showed 2-3 times as large as that of one-layer reinforced specimen.
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문제 정의
(1992)은 숏크리트의 공학적 특성과 관련하여 지반의 변위가 크게 발생할 우려가 있을 경우에는 숏크리트의 휨강도(flexural strength)와 인성지수(toughness index)가 중요한 요소로 고려되며, 지반의 변위가 작은 경우에는 숏크리트의 압축강도가 가장 중요한 요소가 된다고 하였다. 따라서 본 연구에서는 터널굴착 후 지반의 변위가 크게 발생할 수 있는 굴착 표면에 뿜어 붙이는 숏크리트에 포함된 강섬유의 분산이나 집중 정도가 강섬유 혼합 숏크리트의 휨강도와 인성에 미치는 영향을 사각기둥 모양의 숏크리트를 모사한 콘크리트 공시체를 이용한 휨강도시험을 실시하여 연구하였다.
숏크리트 배합 시 강섬유 함유량에 대한 기준이 정해져 있으나 터널 벽면에 타설한 후에 함유량 확인은 어려운 상황이다. 본 연구에서는 이와 같이 숏크리트 내강섬유가 골고루 분산되지 않은 경우 강섬유의 분산 정도가 숏크리트 휨강도와 인성에 어떤 영향을 미치는지 연구하였다. 15cm 높이의 직사각형 모양의 휨강도 공시체를 5층으로 나눈 다음 강섬유의 혼합층을 달리하여 숏크리트 모사 콘크리트 공시체를 제작한 다음 휨강도시험을 실시하였으며, 다음과 같은 결론을 얻었다.
제안 방법
본 연구에서는 이와 같이 숏크리트 내강섬유가 골고루 분산되지 않은 경우 강섬유의 분산 정도가 숏크리트 휨강도와 인성에 어떤 영향을 미치는지 연구하였다. 15cm 높이의 직사각형 모양의 휨강도 공시체를 5층으로 나눈 다음 강섬유의 혼합층을 달리하여 숏크리트 모사 콘크리트 공시체를 제작한 다음 휨강도시험을 실시하였으며, 다음과 같은 결론을 얻었다.
Table 2와 3에 정리한 시멘트 혼합비 5%와 20%인 7일 양생한 공시체를 휨강도와 인성지수를 측정할 수 있는 휨인성시험기를 사용하여 1mm/min의 속도로 휨강도를 시험하였으며, 그 결과는 다음과 같다.
한편 시멘트 혼합비는 손비빔 시에 발생하는 시멘트 뭉침과 분리현상을 최소화하기 위하여 Table 1에서 제시한 30%보다 낮은 5%와 20%를 사용하였다. 먼저 물과 시멘트를 혼합한 후 모래를 투입할 경우 재료 뭉침현상이 발생되므로, 건조한 모래와 시멘트를 손비빔으로 골고루 혼합하였다. 건조 모래 14% 중량에 해당하는 물에 강섬유를 넣어서 강섬유를 결합하고 있는 풀을 녹여 분산시킨다.
터널표준시방서(Korean Tunnelling and Underground Space Association, 2009)에는 숏크리트 1m3당 40kg의 강섬유를 혼입하도록 돼 있으며, 터널 공사 현장에서 사용되고 있는 숏크리트 배합비는 Table 1과 같다. 본 연구에서는 숏크리트에 포함되는 강섬유의 분산 정도가 휨강도에 미치는 영향에 대하여 연구하기 위해 Table 1과 같은 현장 숏크리트 배합비를 참조한 다음 모래, 시멘트, 물 및 강섬유를 혼합하여 숏크리트를 모사한 공시체를 제작하였다. 한편 시멘트 혼합비는 손비빔 시에 발생하는 시멘트 뭉침과 분리현상을 최소화하기 위하여 Table 1에서 제시한 30%보다 낮은 5%와 20%를 사용하였다.
시멘트 혼합비가 20%인 공시체의 경우도 동일한 공시체를 3개씩 제작하여 실험하였으며, 그 중 차이가 큰 경우를 제외하고 두 경우에 대한 평균값을 본 휨강도 분석에 사용하였다. Fig.
일반적으로 고압으로 분사되는 공기를 이용하여 숏크리트를 타설하지만, 본 연구에서는 실험상 편의를 위해 다짐방법으로 공시체를 제작하였다. 즉, 배합한 시료를 Fig.
건조 모래 14% 중량에 해당하는 물에 강섬유를 넣어서 강섬유를 결합하고 있는 풀을 녹여 분산시킨다. 최종적으로 강섬유가 혼합된 물을 건조한 모래와 시멘트를 혼합한 재료에 넣고 손비빔하여 재료 뭉침과 분리현상을 최소화하였다.
대상 데이터
공시체 몰드의 규격은 15cm × 15cm × 55cm의 각주체를 사용하였다.
50mm 사이이다. 본 연구에서 사용한 강섬유는 Fig. 2와 같이 Ends Hook Type 형상으로 규격은 직경 0.5mm, 길이 30mm의 형상을 하고 있다. 터널표준시방서(Korean Tunnelling and Underground Space Association, 2009)에는 숏크리트 1m3당 40kg의 강섬유를 혼입하도록 돼 있으며, 터널 공사 현장에서 사용되고 있는 숏크리트 배합비는 Table 1과 같다.
숏크리트를 모사한 콘크리트 공시체 제작에 사용한 모래는 대구 낙동강지역에서 채취한 모래로 비중이 2.6이며 입도분포는 0.15mm에서 2.50mm 사이이다. 본 연구에서 사용한 강섬유는 Fig.
숏크리트 모사 콘크리트 공시체의 종류는 층별로 동일한 양의 강섬유를 혼합한 경우인 L(Layer) 시리즈와 공시체 전체에 동일한 양의 강섬유를 혼합한 T(Total) 시리즈로 구분된다. 시멘트 혼합비가 5%인 경우에는 L 시리즈만 제작하여 실험하였으며, 시멘트 혼합비가 20%인 경우에는 L 시리즈와 T 시리즈 모두 제작하여 실험하였다. 공시체 내 강섬유의 분산도는 Fig.
데이터처리
동일한 공시체를 3개씩 제작하여 실험하였으며, 그중 차이가 큰 경우를 제외한 두 경우에 대한 평균값을 본 결과 분석에 사용하였다.
이론/모형
콘크리트보에 휨모멘트를 가하여 파괴시켜 인장 측에 생기는 휨강도를 구하는 휨강도시험법(KS F 2408, 2000)에 따라 실험을 실시하였다. Fig.
성능/효과
(1) 시멘트 혼합비가 5%로 낮을 경우에는 강섬유의 혼합이 오히려 공시체의 휨강도를 저하시킬 수 있으나, 인성은 강섬유의 혼합층이 증가할수록 증가하였다. 강섬유가 중간층에 집중된 경우보다 골고루 분산될 경우 인성은 3배 정도 증가하였다.
(2) 일반 숏크리트와 유사하게 시멘트 혼합비가 20%일 경우 강섬유 혼합층이 증가할수록 휨강도는 증가하였으며, 동일한 양의 강섬유가 골고루 분산되지 않고 한 곳으로 집중될 경우 휨강도가 20% 정도 감소하였다. 혼합형태(보강층)가 동일한 경우에는 혼합층에 보강된 강섬유의 양이 많을수록 휨강도가 높았다.
(3) 일반 숏크리트와 유사하게 시멘트 혼합비가 20%일 경우 공시체의 인성은 혼합층이 증가할수록 증가하였으며, 강섬유가 한곳으로 집중된 경우보다 골고루 분산될 경우 인성이 2배 정도 증가하였다.
L 시리즈와 T 시리즈를 비교한 결과 강섬유의 혼입량이 높을수록 높은 값의 인성을 나타내었으며, 강섬유가 모든 층에 골고루 분산된 경우에는 중간층에 집중된 경우 보다 약 2배 정도의 인성이 증가하였다. 이는 시멘트 혼합비가 높은 경우에는 수화반응으로 생성되는 수화물 증가로 강섬유와의 결합력이 증가되어 휨강도 증가와 함께 인성 또한 증가하는 경향을 보인 것으로 판단된다.
T 시리즈에서는 공시체 전체에 동일한 양의 강섬유가 사용되었지만 강섬유가 골고루 분산된 경우(T-5)보다 중간층에만 집중된 경우(T-1)에 약 20% 정도의 강도 감소가 발생하였다. L 시리즈와 T 시리즈를 비교할 경우에 혼합형태(보강층)가 동일한 경우에는 강섬유의 혼합량이 높은 T시리즈의 휨강도가 높았다.
먼저 강섬유가 포함되지 않은 경우 휨강도는 약 1MPa 정도로 가장 낮은 값을 보였다. L 시리즈와 T 시리즈모두 강섬유의 혼합층이 증가함에 따라 휨강도는 증가하는 경향을 보였다. L 시리즈의 경우 중간층(Layer 3)만 혼합된 경우에는 1.
Table 2에 비교한 시멘트 혼합비가 5%인 공시체는 강섬유 혼합층이 증가할수록 휨강도는 감소하는 경향을 보였으나, 잘 갈라지거나 깨지지 않는 성질을 나타내는 인성지수는 오히려 증가하는 경향을 보였다. 강섬유가 혼합되지 않은 경우 평균 인성지수는 4.
Table 3에 비교한 시멘트 혼합비가 20%인 공시체는 L 시리즈와 T 시리즈 모두 강섬유가 혼합된 층의 개수가 증가할수록 휨강도가 증가하면서 인성 또한 증가하는 경향을 보였다. 강섬유가 혼합되지 않은 경우 인성은 약 6% 정도이었으며, L 시리즈의 경우 강섬유가 중간층만 혼합된 경우에는 25.
(2007)은 이와 같은 시멘트 혼합토 내에 포함된 섬유의 분산 정도에 따른 일축압축강도의 불확실성에 대한 연구를 수행하였다. 그 결과시멘트 혼합토에 포함된 섬유의 분산 정도에 따라 일축압축강도가 최대 30%까지 저하될 수 있다는 연구 결과를 발표하였다. 한편 콘크리트도 인장력 증진을 위해 콘크리트 내에 강섬유, PVA와 같은 다양한 섬유를 혼합한 연구 사례(Ravindrarajah and Tam, 1984; Kim and Kim, 2000; Song et al.
1MPa로 서로 크게 차이가 나지 않았다. 특히 강섬유가 혼합된 층의 개수가 증가할수록 휨강도가 증가하기 보다는 오히려 조금씩 감소하는 경향을 보였으며, 전층에 강섬유를 혼합한 경우에는 혼합하지 않은 경우보다 오히려 5배 정도 휨강도가 감소하였다. 시멘트 혼합비가 낮을 경우 시멘트 수화반응으로 생성되는 수화물이 충분치 않아 혼합되는 강섬유가 공시체 내 입자들을 분리시켜 결국 시멘트 모르타르의 결합력을 오히려 약화시키므로 이로 인하여 강섬유 혼합층이 증가할수록 휨강도는 감소하는 경향을 나타낸 것으로 판단된다.
이는 시멘트 혼합비가 낮을 경우에는 수화반응으로 생성되는 수화물이 충분하지 않아서 휨강도는 감소하는 경향을 보였으나, 휨파괴가 발생된 이후 공시체가 완전히 절단되어 부러질 때까지 강섬유의 잔류 결합력으로 강섬유의 혼합층이 증가할수록 인성지수는 상대적으로 증가하는 경향을 보인 것으로 판단된다. 한편 강섬유가중간층에만 집중된 경우보다 강섬유가 모든 층에 골고루 분산될 경우 3배 정도의 인성이 증가하였다.
(2) 일반 숏크리트와 유사하게 시멘트 혼합비가 20%일 경우 강섬유 혼합층이 증가할수록 휨강도는 증가하였으며, 동일한 양의 강섬유가 골고루 분산되지 않고 한 곳으로 집중될 경우 휨강도가 20% 정도 감소하였다. 혼합형태(보강층)가 동일한 경우에는 혼합층에 보강된 강섬유의 양이 많을수록 휨강도가 높았다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
모래와 같은 사질토를 시멘트로 고결시킬 경우 PE(폴리에틸렌), PVA(Polyvinyl alcohol)와 같은 다양한 섬유를 혼합하는 이유는?
모래와 같은 사질토를 시멘트로 고결시킬 경우 시멘트 혼합토의 인장력 부족을 보완하기 위해 PE(폴리에틸렌), PVA(Polyvinyl alcohol)와 같은 다양한 섬유를 혼합하는 경우가 있으며, Park et al.(2007)은 이와 같은 시멘트 혼합토 내에 포함된 섬유의 분산 정도에 따른 일축압축강도의 불확실성에 대한 연구를 수행하였다.
터널 벽면에 뿜어 붙인 숏크리트 내 강섬유가 한 곳으로 집중 될 경우 어떤 영향을 끼치나?
한편 터널 벽면에 뿜어붙인 숏크리트 내에 포함된 강섬유는 기계 자체의 특성이나 암반 벽면, 숏크리트의 배합비 등의 영향으로 숏크리트 내 강섬유가 한 곳으로 집중될 수 있다. 이와 같은현상이 발생할 경우에 숏크리트의 휨강도 또는 인성의 감소나 불균질성으로 구간에 따라 균열이나 누수 등으로 인한 낙석이 발생할 수도 있다.
숏크리트의 역할은?
국내 터널 시공 시에 주로 사용되는 NATM(New Austrian Tunneling Method)공법에서는 터널 굴착 후에 1차 지보재인 숏크리트와 록볼트로 암반의 붕락이나 터널의 초기 안정성을 확보한다. 숏크리트는 터널의 2차 지보라할 수 있는 라이닝을 시공하기 전에 터널의 안정성을 확보하기 위한 수단으로 시공되고 있으며, 암반의 이완에 따른 하중을 지지하는 역할을 하게 된다. 이와 같이터널 천공 초기에 암반의 안정성을 확보하는 수단으로 사용되는 숏크리트는 일반적으로 강섬유를 혼합하여 천공된 벽면에 뿜어 붙이게 된다.
참고문헌 (12)
Akkaya, Y., Picka, J., and Shah, S. P. (2000), "Spatial distribution of aligned short fibers in cement composites", Journal of Materials in Civil Engineering, Vol.12(3), pp.272-279.
Altun, F., Haktanir, T., and Ari, K. (2007), "Effects of steel fiber addition on mechanical properties of concrete and RC beams", Construction and Building Materials, 21, pp.654-661.
Barton, N., Grimstad, E., Aas, G., Opsahl, O.4., Bakken, A., Pedersen, L., and Johansen, E.D. (1992), Norwegian Method of Tunnelling, World Tunnelling, June and August.
Dawood, E. T. and Ramli, M. (2010), "Development of high strength flowable mortar with hybrid fiber", Construction and Building Materials, 24, pp.1043-1050.
Kang, S.T., Kim, Y.Y., Lee, B.Y., and Kim, J.K. (2008), "Fiber orientation impacts on the flexural behavior of steel fiber reinforced high strength concrete", Journal of the Korea Concrete Institute, Vol.20(6), pp.731-739.
Kim, J. and Kim, D. Y. (2000), "A study on the flextural toughness evaluation method of steel fiber reinforced shotcrete", Tunnel & Underground, Vol.10, pp.196-210.
Korean Expressway Corporation (2012), Highway Construction Guide Specification.
Korean Tunnelling and Underground Space Association (2009), Scope of Standard Specification for Tunnel Work.
KS F 2408 (2000), Method of test for flexural strength of concrete.
Park, S.-S., Kim, Y.-S., and Lee, J.-C. (2007), "Unconfined compressive strength of fiber-reinforced cemented sands by fiber reinforcement form", Journal of the Korean Geotechnical Society, Vol.23, No.8, pp.159-169.
Ravindrarajah, R. S. and Tam, C.T. (1984), "Flexural strength of steel fibre reinforced concrete beams", The International Journal of Cement Composites and Lightweight Concrete, Vol.6(4), pp. 273-278.
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