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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 Specimen 원문보기

韓國地盤工學會論文集 = Journal of the Korean geotechnical society, v.29 no.6, 2013년, pp.53 - 62  

박성식 (경북대학교 공과대학 건축토목공학부 토목공학전공) ,  김상중 (경북대학교 공과대학 건축토목공학부)

초록
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NATM공법을 이용한 터널 시공에서 초기에 원지반을 구속시키고 암반과의 일체화를 통해 터널의 안정성을 확보하기 위해 통상 5-20cm 두께의 숏크리트를 시공하며 여기에는 강섬유$40kg/m^3$ 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.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

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...

주제어

AI 본문요약
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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.
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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.
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참고문헌 (12)

  1. 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. 

  2. 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. 

  3. 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. 

  4. Dawood, E. T. and Ramli, M. (2010), "Development of high strength flowable mortar with hybrid fiber", Construction and Building Materials, 24, pp.1043-1050. 

  5. 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. 

  6. 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. 

  7. Korean Expressway Corporation (2012), Highway Construction Guide Specification. 

  8. Korean Tunnelling and Underground Space Association (2009), Scope of Standard Specification for Tunnel Work. 

  9. KS F 2408 (2000), Method of test for flexural strength of concrete. 

  10. 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. 

  11. 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. 

  12. Song, P. S., Hwang, S., and Sheu, B.C. (2005), "Strength properties of nylon-and polypropylene-fiber-reinforced concretes", Cement and Concrete Research, 35, pp.1546-1550. 

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