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문제 정의
- 특히 최근에는 농업용 수로관, 암거 등은 장비를 이용하여 운반차량에서 하차하고 운반 및 이동하여 설치하게 되는데 이 때 부주의로 충격에 의한 파괴 등이 발생할 가능성이 높다. 이와 같은 문제점을 해결하기 위하여 본 연구에서는 프리캐스트 콘크리트 구조물의 운반, 설치시 부주위로 인한 파괴와 내구성을 향상시키기 위하여 재료적 접근방법으로 내구성이 우수한 콘크리트 배합을 결정하고자 하였다. 충격 및 내구성을 향상시키기 위한 방법으로는 섬유보강재를 적용하였다.
- 섬유보강재의 효과를 향상키기 위하여 하이브리드섬유를 적용하였으며 섬유보강재를 제외하고는 배합에서 모든 조건을 동일하게 적용하여 다른 재료가 콘크리트에 미치는 영향을 제외하였다. 본 연구에서는 프리캐스트 콘크리트에 적용하기 위하여 3가지 종류의 하이브리드섬유가 콘크리트의 역학적 특성 및 충격저항성에 미치는 효과를 평가하였다.
- )를 적용하였다. 섬유보강재이외의 다른 재료가 HFRC에 미치는 영향을 배제하기 위하여 본 연구에서는 섬유보강재를 제외한 다른 배합조건은 동일하게 적용하였다. 하이브리드섬유 종류에 따른 HFRC 배합비는 Table 2와 같다.
- 본 연구는 프리캐스트 콘크리트 구조물에 적용하기 위한 HFRC의 성능에 미치는 하이브리드섬유 종류의 영향을 평가하였다. 섬유종류에 따른 영향을 평가하기 위하여 보강섬유종류이외의 모든 배합조건은 동일하게 적용하였다.
제안 방법
- 이와 같은 문제점을 해결하기 위하여 본 연구에서는 프리캐스트 콘크리트 구조물의 운반, 설치시 부주위로 인한 파괴와 내구성을 향상시키기 위하여 재료적 접근방법으로 내구성이 우수한 콘크리트 배합을 결정하고자 하였다. 충격 및 내구성을 향상시키기 위한 방법으로는 섬유보강재를 적용하였다. 섬유보강재의 효과를 향상키기 위하여 하이브리드섬유를 적용하였으며 섬유보강재를 제외하고는 배합에서 모든 조건을 동일하게 적용하여 다른 재료가 콘크리트에 미치는 영향을 제외하였다.
- ∅100×200 mm의 실린더 공시체를 6개 제작하여 재령 28일에 압축강도를 측정하였다.
- 충격저항성 실험은 ACI Committee 544의 실험방법에 의해 6개의 Φ150×50 mm의 공시체에 중량 4.54 kg의 강체를 45 cm 높이에서 자유 낙하시켜 충격저항성 실험을 실시하였으며 실험은 재령 28일에 초기균열 및 완전파괴 되었을 때의 타격횟수를 측정하였다.
- 10×10×40 mm의 각주형 공시체를 6개 제작하여 재령 28일에 휨강도를 측정하였다.
- 공시체는 20±2 ℃, 상대습도 50 %에서 1일 초기양생 후 20±2 ℃의 항온조건으로 수중양생을 실시하였다.
- 프리캐스트 콘크리트 구조물에 적용하기 위한 HFRC의 하이브리드섬유 종류에 따른 역학적 특성 및 충격저항성을 평가하기 위하여 본 연구에서는 절곡형 매크로 합성섬유 (0.5 %, Vol.)＋PVA섬유 (0.2 %, Vol.)와 절곡형 매크로 합성섬유 (0.5 %, Vol.)＋PP 섬유 (0.2 %, Vol.) 및 절곡형 매크로 합성섬유 (0.5 %, Vol.)＋천연마섬유 (0.2 %, Vol.)를 적용하였다. 섬유보강재이외의 다른 재료가 HFRC에 미치는 영향을 배제하기 위하여 본 연구에서는 섬유보강재를 제외한 다른 배합조건은 동일하게 적용하였다.
- 섬유종류에 따른 영향을 평가하기 위하여 보강섬유종류이외의 모든 배합조건은 동일하게 적용하였다. HFRC에서 하이브리드섬유는 PVA/MSF, JUTE/MSF 및 PP/MSF 3가지 종류를 적용하였다. 시험은 슬럼프, 압축강도, 휨강도 및 충격시험을 실시하였으며, 시험결과를 요약하면 다음과 같다.
- HFRC에서 하이브리드섬유는 PVA/MSF, JUTE/MSF 및 PP/MSF 3가지 종류를 적용하였다. 시험은 슬럼프, 압축강도, 휨강도 및 충격시험을 실시하였으며, 시험결과를 요약하면 다음과 같다.
대상 데이터
- 시멘트는 1종 보통포틀랜드시멘트를 사용하였고, 굵은골재는 최대크기 25 mm의 부순돌을 사용하였으며, 잔골재는 밀도 2.62 g/cm3을 적용하였다. 보강섬유로는 길이 30 mm, 직경 1 mm의 절곡형 매크로 합성섬유, 길이 6 mm, 직경 0.
- 62 g/cm3을 적용하였다. 보강섬유로는 길이 30 mm, 직경 1 mm의 절곡형 매크로 합성섬유, 길이 6 mm, 직경 0.1 mm의 PP섬유, 길이 6 mm, 직경 0.015 mm의 PVA 섬유, 길이 3 mm, 직경 0.015 mm의 천연마섬유를 적용하였다. 섬유의 형상비 (fiber length/fiber diameter)는 섬유보강 콘크리트의 성능에 주요 영향을 미친다.
- 따라서 보강섬유의 형상비는 한계형상비를 적용하여야 한다. 본 연구에서는 형상비가 각각 30, 60 및 400인 절곡형 매크로 합성섬유, PVA섬유 및 PP섬유를 사용하였다. 보강섬유의 형상과 특성은 Fig.
이론/모형
- 프리캐스트 콘크리트에 적용하기 위한 HFRC의 작업성을 평가하기 위하여 KS F 2402에 따른 슬럼프 실험을 실시하였다.
- 프리캐스트 콘크리트에 적용하기 위한 HFRC의 압축강도 특성을 알아보기 위하여 KS F 2405에 준하여 시험을 실시하였다. ∅100×200 mm의 실린더 공시체를 6개 제작하여 재령 28일에 압축강도를 측정하였다.
- 프리캐스트 콘크리트에 적용하기 위한 HFRC의 휨강도 특성을 알아보기 위하여 KS F 2408에 준하여 시험을 실시하였다. 10×10×40 mm의 각주형 공시체를 6개 제작하여 재령 28일에 휨강도를 측정하였다.
성능/효과
- 섬유보강재를 적용하면 슬럼프 값이 감소하는 것으로 알려져 있다 (Noh and Sung, 2004). 하이브리드 PP/MSF (65 mm)를 적용한 HFRC의 슬럼프 값이 하이브리드 PVA/MSF (45 mm) 및 JUTE/MSF (40 mm)의 슬럼프 값보다 크게 나타났다. 이와 같은 결과는 친수성 섬유인 PVA 및 천연마섬유는 배합수를 흡수하는 특성을 가지고 있다.
- 3과 같다. 압축강도시험결과 섬유를 혼입한 배합의 압축강도가 섬유를 혼합하지 않은 배합과 비교하여 약간 크거나 작은 결과를 나타냈다. 그러나 매크로 합성섬유를 적용하면 압축강도가 증가한다는 결과가 있는데, 압축강도는 보강섬유의 분산성과 콘크리트의 부착특성에 영향을 받는다 (Kim et al.
- 본 연구에서도 매크로 섬유에 특히 친수성섬유를 혼입하면 상대적으로 콘크리트내에서 분산성이 우수하다. 따라서 친수성섬유인 PVA 및 천연마섬유를 적용한 HFRC가 비친수성섬유인 PP섬유를 적용한 HFRC보다 압축강도가 약간 크게 나타났다. 친수성섬유를 적용한 PVA/MSF와 JUTE/MSF의 압축강도를 비교해 보면 압축강도가 PVA/MSF가 약간 크게 나타났다.
- 따라서 친수성섬유인 PVA 및 천연마섬유를 적용한 HFRC가 비친수성섬유인 PP섬유를 적용한 HFRC보다 압축강도가 약간 크게 나타났다. 친수성섬유를 적용한 PVA/MSF와 JUTE/MSF의 압축강도를 비교해 보면 압축강도가 PVA/MSF가 약간 크게 나타났다. 이와 같은 결과는 유동성이 PVA/MSF가 JUTE/MSF보다 약간 우수하여 섬유의 분산성이 향상되었고 섬유보강 콘크리트 내에서 섬유의 성능에 중요한 영향을 미치는 형상비 (aspect ratio)가 PVA섬유는 4,000이고, 천연마섬유는 2,000으로 PVA섬유가 크기 때문에 나타난 결과이다.
- 친수성섬유를 적용한 PVA/MSF와 JUTE/MSF의 압축강도를 비교해 보면 압축강도가 PVA/MSF가 약간 크게 나타났다. 이와 같은 결과는 유동성이 PVA/MSF가 JUTE/MSF보다 약간 우수하여 섬유의 분산성이 향상되었고 섬유보강 콘크리트 내에서 섬유의 성능에 중요한 영향을 미치는 형상비 (aspect ratio)가 PVA섬유는 4,000이고, 천연마섬유는 2,000으로 PVA섬유가 크기 때문에 나타난 결과이다.
- 4와 같다. 실험결과 하이브리드섬유를 혼입한 콘크리트가 혼입하지 않은 콘크리트 (5.2 MPa)와 비교하여 휨강도는 유사하거나 약간 증가한 결과를 보여주고 있다. 또한 비친수성 섬유인 PP섬유를 혼입한 PP/MSF (5.
- 2 MPa)와 비교하여 휨강도는 유사하거나 약간 증가한 결과를 보여주고 있다. 또한 비친수성 섬유인 PP섬유를 혼입한 PP/MSF (5.4 MPa)보다 친수성섬유인 천연마섬유 및 PVA섬유를 JUTE/MSF (5.5 MPa) 및 PVA/MSF (5.6 MPa)를 적용한 경우보다 거의 유사하지만 휨강도가 약간 크게 나타났다. 이와 같은 결과는 친수성섬유는 콘크리트 매트릭스와 부착성능이 비친수성 섬유보다 우수하기 때문이다.
- 또한 매크로섬유를 적용한 경우 휨강도의 증가도 기대된다 (Park and Won, 2008). 그러나 본 연구에서는 매크로섬유의 첨가율이 크지 않고 0.5 %이고 콘크리트 배합시 유동성이 크게 감소하여 분산성을 악화시켜 휨강도의 증가가 거의 나타나지 않았다.
- 5와 같다. 초기균열 발생 타격 회수 및 파괴 타격 회수는 하이브리드섬유를 혼입한 배합이 증가하는 결과를 보였다. 일반적으로 보강섬유는 콘크리트의 강도 증가보다는 인성 즉 파괴인성을 증가시켜 에너지 흡수능력을 증가시키데 보다 효과가 있다 (Song et al.
- 초기 균열 발생 타격 회수 및 최종 파괴 타격회수는 하이브리드섬유의 물리, 역학적 성능에 영향을 받으며, 동일한 종류의 섬유에서는 섬유의 분산성이 HFRC의 충격저항성에 영향을 미친다. 분석결과 친수성섬유인 PVA/MSF가 초기균열 및 파괴균열 타격회수가 각각 22회 및 63회로 가장 우수한 결과를 나타냈으며, 그 다음으로 JUTE/MSF가 초기균열 및 파괴균열 타격회수가 각각 15회 및 57회를 보여주었다. 비친수성섬유인 PP섬유를 혼합한 PP/MSF를 적용한 경우는 초기균열 및 파괴균열 타격회수가 각각 9회 및 25회를 나타냈다.
- 비친수성섬유인 PP섬유를 혼합한 PP/MSF를 적용한 경우는 초기균열 및 파괴균열 타격회수가 각각 9회 및 25회를 나타냈다. 또한 형상비가 우수한 PVA/MSF를 적용한 배합이 JUTE/MSF를 적용한 배합보다 우수하였다. 따라서 친수성섬유를 사용한 배합을 적용하는 경우 프리캐스트 콘크리트 구조물의 운반 및 설치시 발생할 수 있는 충격균열의 발생 및 성장을 억제하는데 보다 효과적이다.
- 따라서 친수성섬유를 사용한 배합을 적용하는 경우 프리캐스트 콘크리트 구조물의 운반 및 설치시 발생할 수 있는 충격균열의 발생 및 성장을 억제하는데 보다 효과적이다. 또한 친수성섬유를 적용한 경우에도 형상비가 큰 섬유를 적용하는 것이 보다 효과적이라는 것을 알 수 있다.
- 또한 큰 차이는 아니지만 압축강도의 휨강도의 강도 경향과 충격저항성 결과의 경향도 유사하다는 것을 알 수 있다. 따라서 프리캐스트 콘크리트 구조물의 운반, 하차 및 설치시 발생할 수 있는 충격으로 인한 파괴 억제에는 효과적일 수 있다는 것을 알 수 있다.
- 1. 슬럼프 시험결과 친수성인 PVA/MSF 및 JUTE/MSF가 비친수성인 PP/MSF를 적용한 콘크리트보다 배합수를 흡착하기 때문에 감소하였다. 또한 PVA/MSF 보다는 JUTE/MSF의 슬럼프 값이 수분 흡착량이 크기 때문에 슬럼프 값이 작게 나타났다.
- 2. 하이브리드섬유보강 콘크리트의 압축강도 및 휨강도는 친수성섬유 (PVA/MSF 및 JUTE/MSF)를 혼입한 경우에는 약간 증가하지만 비친수성 섬유(PP/MSF)를 적용한 경우에는 약간 감소하는 결과를 나타냈다.
- 3. 하이브리드섬유의 혼입은 콘크리트의 충격저항성을 향상시켰다. 또한 친수성섬유인 PVA섬유 및 천연마섬유를 혼입한 PVA/MSF, JUTE/MSF HFRC가 비친수성인 PP섬유를 혼입한 PP/MSF 보다 부착강도가 우수하기 때문에 충격저항성이 모두 우수하게 나타났다.
- 하이브리드섬유의 혼입은 콘크리트의 충격저항성을 향상시켰다. 또한 친수성섬유인 PVA섬유 및 천연마섬유를 혼입한 PVA/MSF, JUTE/MSF HFRC가 비친수성인 PP섬유를 혼입한 PP/MSF 보다 부착강도가 우수하기 때문에 충격저항성이 모두 우수하게 나타났다. 또한 형상비가 큰 PVA/MSF를 적용한 경우 우수한 충격저항성을 보여주었다.
- 또한 친수성섬유인 PVA섬유 및 천연마섬유를 혼입한 PVA/MSF, JUTE/MSF HFRC가 비친수성인 PP섬유를 혼입한 PP/MSF 보다 부착강도가 우수하기 때문에 충격저항성이 모두 우수하게 나타났다. 또한 형상비가 큰 PVA/MSF를 적용한 경우 우수한 충격저항성을 보여주었다.
- 4. 하이브리드섬유 종류에 따른 강도 및 충격저항성의 관계는 하이브리드섬유 종류를 제외한 다른 조건이 동일할 때 강도발현 경향과 유사하며, 강도 보다는 파괴인성과 관계가 있는 충격저항성 향상에 보다 효과적으로 나타났다.
- 따라서 배합수를 흡수함으로써 비친수성 재료인 PP섬유 보다 슬럼프가 작은 값을 나타냈다. 또한 PVA/MSF 보다 JUTE/MSF의 슬럼프 값이 작게 나타났는데 이와 같은 결과는 PVA섬유는 표면에 수분을 약 15 % 정도 함유하고 있어 표면에 수분이 전혀 없는 천연마섬유보다 흡수하는 배합수가 적기 때문에 슬럼프 값이 약간 크게 나타났다. 그러나 하이브리드섬유를 적용한 콘크리트 모두 슬럼프 값이 섬유를 적용하지 않은 배합보다 크게 감소하여 프리캐스트 콘크리트 구조물을 제작하기 위해서는 작업성을 확보하기 위해서 유동화제, 광물질 혼화재 및 초기 유동성 확보와 수밀성이 우수한 라텍스와 같은 혼화재를 적용할 필요가 있다.
- 압축강도 및 휨강도는 크게 하이브리드섬유의 종류에 따른 영향은 크지 않았지만 충격저항성에 명확한 경향을 보여주고 있다. 이와 같은 결과로 볼 때 모든 배합조건이 동일할 때 하이브리드보강섬유는 콘크리트의 강도에 큰 영향을 미치지 않을 수 있지만 파괴인성 즉 에너지 흡수능력은 향상시켜 콘크리트의 충격저항성은 크게 향상시킨다는 것을 알 수 있다. 또한 큰 차이는 아니지만 압축강도의 휨강도의 강도 경향과 충격저항성 결과의 경향도 유사하다는 것을 알 수 있다.
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