이인철
(Department of Architectural Engineering, Chungnam University)
,
김홍섭
(Department of Architectural Engineering, Chungnam University)
,
남정수
(Graduate School of Engineering, Muroran Institute of Technology)
,
김석봉
(Division of Civil and Environmental Engineering, Korea Military Academy)
,
김규용
(Department of Architectural Engineering, Chungnam University)
콘크리트는 충격 및 폭발에 대한 저항능력이 우수한 재료이지만, 국부적인 파괴가 발생하는 한계가 있다. 콘크리트의 방호성능 향상기법은 기존에는 부재의 두께를 증가시키는 것이었으나, 이는 공간의 활용에 있어 비효율 적이다. 최근에는 섬유보강 콘크리트는 콘크리트 자체의 휨인성을 증가시켜, 충격 및 폭발에 대한 저항능력을 향상시킨 방호재료의 개발 및 적용이 고려되고 있다. 본 연구에서는 섬유보강 콘크리트 및 모르타르에 대하여 고속 비상체의 충돌에 의한 내충격 성능을 평가하였으며, 그 결과를 바탕으로 방호벽으로 활용할 수 있는 콘크리트 T-wall을 제작하여 155 mm 포탄의 파편에 대한 방호성능을 검토하였다. 그 결과, 섬유보강으로 인한 휨 인성의 향상은 고속 비상체의 충돌에 의한 배면박리를 억제하는 것으로 나타났으며 155 mm 포탄의 파편 충돌에 있어 배면균열 및 표면의 콘크리트의 박락 등이 억제되어 섬유보강으로 인하여 방호벽의 성능 향상 및 부재두께를 감소할 수 있을 것으로 판단된다.
콘크리트는 충격 및 폭발에 대한 저항능력이 우수한 재료이지만, 국부적인 파괴가 발생하는 한계가 있다. 콘크리트의 방호성능 향상기법은 기존에는 부재의 두께를 증가시키는 것이었으나, 이는 공간의 활용에 있어 비효율 적이다. 최근에는 섬유보강 콘크리트는 콘크리트 자체의 휨인성을 증가시켜, 충격 및 폭발에 대한 저항능력을 향상시킨 방호재료의 개발 및 적용이 고려되고 있다. 본 연구에서는 섬유보강 콘크리트 및 모르타르에 대하여 고속 비상체의 충돌에 의한 내충격 성능을 평가하였으며, 그 결과를 바탕으로 방호벽으로 활용할 수 있는 콘크리트 T-wall을 제작하여 155 mm 포탄의 파편에 대한 방호성능을 검토하였다. 그 결과, 섬유보강으로 인한 휨 인성의 향상은 고속 비상체의 충돌에 의한 배면박리를 억제하는 것으로 나타났으며 155 mm 포탄의 파편 충돌에 있어 배면균열 및 표면의 콘크리트의 박락 등이 억제되어 섬유보강으로 인하여 방호벽의 성능 향상 및 부재두께를 감소할 수 있을 것으로 판단된다.
Concrete is an outstanding material in terms of its impact and blast resistance performance. However, there a limitation of concrete is its risk of collapse due to the brittle failure and spalling. Increasing the thickness of members was used as a method to enhance the protective performance of conc...
Concrete is an outstanding material in terms of its impact and blast resistance performance. However, there a limitation of concrete is its risk of collapse due to the brittle failure and spalling. Increasing the thickness of members was used as a method to enhance the protective performance of concrete, despite the resulting inefficient space. To solve this problem, different types of fiber reinforced concrete were developed. Recently, another type of fiber reinforced concrete is also being developed and applied as a material that offers protection against impacts and blasts by increasing the flexural toughness of concrete. In this study, the test was conducted to evaluate the impact resistance performance of fiber reinforced concrete and mortar according to impact of high-velocity projectile. A concrete T-wall was also tested to evaluate its protective performance from fragment by 155mm-thick artillery shell. The test results revealed that improving flexural strength through fiber reinforcement inhibited cracks and spalling of rear, and spalling of front by high-velocity impact. As such, it is expected to improve the protective performance of the T-wall and reduce the thickness of the member.
Concrete is an outstanding material in terms of its impact and blast resistance performance. However, there a limitation of concrete is its risk of collapse due to the brittle failure and spalling. Increasing the thickness of members was used as a method to enhance the protective performance of concrete, despite the resulting inefficient space. To solve this problem, different types of fiber reinforced concrete were developed. Recently, another type of fiber reinforced concrete is also being developed and applied as a material that offers protection against impacts and blasts by increasing the flexural toughness of concrete. In this study, the test was conducted to evaluate the impact resistance performance of fiber reinforced concrete and mortar according to impact of high-velocity projectile. A concrete T-wall was also tested to evaluate its protective performance from fragment by 155mm-thick artillery shell. The test results revealed that improving flexural strength through fiber reinforcement inhibited cracks and spalling of rear, and spalling of front by high-velocity impact. As such, it is expected to improve the protective performance of the T-wall and reduce the thickness of the member.
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문제 정의
본 연구에서는 섬유보강 콘크리트 및 모르타르 소형 시험체에 대하여 고속 비상체의 충돌 시험을 실시하여 내충격 성능을 평가하였으며, 내충격 성능이 우수하게 평가된 섬유보강 콘크리트 및 모르타르를 선정하여 방호벽으로 사용되고 있는 콘크리트 T-wall을 제작하여 155 mm 포탄의 파편에 의한 방호성능을 평가하였다.
최근에는 섬유보강 콘크리트는 콘크리트 자체의 휨인성을 증가시켜, 충격 및 폭발에 대한 저항능력을 향상시킨 방호재료의 개발 및 적용이 고려되고 있다. 본 연구에서는 섬유보강 콘크리트 및 모르타르에 대하여 고속 비상체의 충돌에 의한 내충격 성능을 평가하였으며, 그 결과를 바탕으로 방호벽으로 활용할 수 있는 콘크리트 T-wall을 제작하여 155 mm 포탄의 파편에 대한 방호성능을 검토하였다. 그 결과, 섬유보강으로 인한 휨 인성의 향상은 고속 비상체의 충돌에 의한 배면박리를 억제하는 것으로 나타났으며 155 mm 포탄의 파편 충돌에 있어 배면균열 및 표면의 콘크리트의 박락 등이 억제되어 섬유보강으로 인하여 방호벽의 성능 향상 및 부재 두께를 감소할 수 있을 것으로 판단된다.
제안 방법
고속 충격 시험용 시험체의 크기는 100×100×30mm(가로×세로×두께)로 하였으며, 충격조건으로 10mm의 강구를 350 m/s의 속도로 충격시켰다.
평가항목으로 역학적 특성은 슬럼프, 압축강도, 휨강도를 측정하였으며, 내충격 성능은 충격시험 후 시험체의 파괴성상, 표면관입깊이, 배면박리두께, 파괴면적손실률을 평가하였다.
본 연구에 사용된 재료의 물리적 성질은 Table 2와 같으며, 콘크리트 및 모르타르의 배합은 Table 3에 나타내었다. 유기섬유의 경우 STF와 달리 콘크리트에 혼입시 슬럼프의 저하가 크게 발생하기 때문에 배합의 수정을 통하여 목표 슬럼프를 만족하도록 하였다.
휨강도 시험은 □100×100×400 mm의 각형 시험체를 제작하여, KS F 2408 『콘크리트 휨강도 시험 방법』에 준하여 4점 재하 실험을 실시하였다.
Figure 1은 고속 비상체의 충돌에 의한 방호재료의 내충격 성능평가 시험장치로써 압축가스를 사용하여 비상체를 고속으로 발사시켜 시험체에 충격을 가하는 장치이다. 본 연구에서는 질소가스를 사용하여 350 m/s의 속도를 구현하였으며, 충격에 의한 시험체의 파괴성상 관찰 후 Figure 2와 같이 파괴깊이 및 파괴면적손실률을 평가하였다.
Table 6은 155 mm 포탄의 폭파에 의해 발생하는 파편에 대한 방호벽의 방호성능 평가를 위한 실험계획을 나타낸 것으로 섬유무보강 콘크리트의 경우 기존의 군사 방호시설용 방호벽으로 사용되고 있는 T형태의 일반철근 콘크리트(RC) 벽체(T-wall, H3200×L1000×W1600(T300))를 제작하였다. 또한, 산업 부산물인 슬래그를 사용하여 일반 콘크리트 시험체에 비하여 시공단가를 저감시키고 친환경 재료를 사용한 슬래그 결합재 콘크리트(BRC)를 제작하였다.
% 혼입한 시험체를 제작하였다. PA섬유는 마이크로 NY섬유를 공기압출성형을 통해 부착 비표면적을 크게 한 복합다발형 단일개체로 콘크리트의 시공성능, 역학적 특성 및 내충격 성능의 향상을 고려한 것으로 NY섬유를 대체하여 사용하였다[4]. 섬유보강 모르타르의 경우 마이크로 NY섬유를 1.
폭파시험은 155 mm 포탄을 중심으로 시험체를 원형으로 7.5 m 이격시켜 배치하여 파편의 영향이 시험체에 동일하게 적용되도록 하였다.
평가항목으로 역학적 특성은 압축강도, 휨강도를 평가하였으며, 방호성능은 포탄 파편의 충돌에 의한 최대관입깊이, 파괴발생개소 및 배면파괴정도를 측정하였다.
방호벽(T-wall)의 제작은 Figure 4에 나타낸 바와 같이 배처플랜트에서 콘크리트 비빔을 실시하여 타설 직전 슬럼프를 측정하였다. 압축강도 및 휨강도 평가용 시험체는 방호벽 타설에 사용한 콘크리트 및 모르타르를 사용하였으며, 대기환경에 노출된 상태에서 28일간 양생을 실시하였다.
Table 10은 섬유보강 콘크리트의 방호콘크리트 적용 방안을 나타낸 것으로 본 연구 범위의 실내 충격 시험과 155 mm 포탄의 파편에 대한 섬유보강 콘크리트의 파괴 저감효과에 대하여 섬유무보강 콘크리트와 비교하여 적용안을 제시하였다. 섬유무보강 콘크리트로써 일반 철근콘크리트와 슬래그 결합재를 활용한 철근콘크리트를 사용한 경우의 배면파괴 한계두께를 t로 하였을 때, 섬유보강 콘크리트의 경우 보강 섬유의 종류 및 콘크리트의 역학적 특성에 대하여 다음과 같은 배면파괴 한계두께를 제시하였다.
Table 10은 섬유보강 콘크리트의 방호콘크리트 적용 방안을 나타낸 것으로 본 연구 범위의 실내 충격 시험과 155 mm 포탄의 파편에 대한 섬유보강 콘크리트의 파괴 저감효과에 대하여 섬유무보강 콘크리트와 비교하여 적용안을 제시하였다. 섬유무보강 콘크리트로써 일반 철근콘크리트와 슬래그 결합재를 활용한 철근콘크리트를 사용한 경우의 배면파괴 한계두께를 t로 하였을 때, 섬유보강 콘크리트의 경우 보강 섬유의 종류 및 콘크리트의 역학적 특성에 대하여 다음과 같은 배면파괴 한계두께를 제시하였다.
대상 데이터
Table 6은 155 mm 포탄의 폭파에 의해 발생하는 파편에 대한 방호벽의 방호성능 평가를 위한 실험계획을 나타낸 것으로 섬유무보강 콘크리트의 경우 기존의 군사 방호시설용 방호벽으로 사용되고 있는 T형태의 일반철근 콘크리트(RC) 벽체(T-wall, H3200×L1000×W1600(T300))를 제작하였다.
시험체의 크기는 기존의 군사 방호시설용 방호벽으로 사용되고 있는 T형태의 벽체(T-wall, H3200×L1000×W1600(T300))를 기준으로 하였으며, 폭압에 의해 시험체가 전도되는 것을 방지하기 위해 시험체 길이를 1,000 mm 증가시켜 지면에 매립하였다.
이론/모형
압축강도 시험은 Ø100×200 mm의 원주형 공시체를 제작하여, KS F 2405『콘크리트의 압축강도 시험방법』에 준하여 재령 28일에서 공시체를 연마한 후 UTM(만능재료시험기)를 사용하여 측정하였다.
성능/효과
Table 4는 역학적 특성 평가 결과를 나타낸 것으로 배합수정 및 감수제 첨가량의 조절을 통하여 모든 시험조건에서 목표 슬럼프를 만족하였다. 압축강도의 경우 유기섬유 보강 콘크리트 및 모르타르는 다소 저하되었으나, STF의 경우 향상되는 경향을 나타내었다. 다량의 섬유혼입은 매트릭스 내부의 공극을 증가시켜 압축강도가 다소 저하시키는 경향을 보였으나, STF의 경우 섬유자체의 강성으로 인하여 압축강도가 향상된 것으로 판단된다.
0 vol.%의 높은 섬유 혼입률에 의해 섬유보강 콘크리트에 비하여 휨강도가 크게 향상되었다.
섬유보강 콘크리트의 경우 STF를 보강한 경우 배면의 일부가 박리되는 파괴가 발생하였으며, PP섬유 및 NY섬유를 혼입한 경우가 배면박리 억제효과가 더 큰 것으로 나타났다. 유기섬유를 혼입한 경우 휨강도의 향상은 STF를 혼입한 경우 보다 다소 낮았으나, 섬유의 혼입개체수가 많아 배면박리 억제효과가 더 큰 것으로 판단된다.
한편, 휨강도의 경우, 실내실험의 결과와 같이 STF보강 콘크리트, NY+AM보강 모르타르, PA섬유보강 콘크리트 순으로 휨강도가 향상되었다.
Figure 7은 매립식 콘크리트 방호벽의 파편효과 평가 결과를 나타낸 것으로 모든 시험체에서 배면에 균열이 발생하는 정도로 큰 파괴는 발생하지 않았다. 그러나, 표면파괴에 있어서 RC 시험체의 경우 충격에 의한 피복콘크리트가 큰 면적으로 박리되었으나, 섬유보강 콘크리트의 경우 섬유보강으로 인하여 표면부 콘크리트가 들뜨거나, 파편이 박리되는 것이 억제되는 것을 확인 할 수 있었다.
155 mm 포탄의 폭파에 의해 발생하는 파편의 크기 및 속도, 시험체에 충돌하는 파편의 개수 등의 차이에 의해 각 시험체별 내충격 성능에 대한 뚜렷한 차이를 확인하기는 어려웠으나, 섬유보강으로 인하여 배면의 균열발생 억제 및 표면부 콘크리트의 박리 등이 억제되는 것으로 나타났다.
1) 섬유보강 콘크리트의 경우 섬유무보강 콘크리트에 비하여 슬럼프는 저하되었으나, 고성능 감수제의 혼입 및 배합 조절을 통하여 목표 유동성을 만족할 수 있었다.
2) 고속비상체의 충격에 있어 섬유보강에 의한 배면박리억제효과를 확인 할 수 있었으며, 155 mm 포탄의 폭발에 의한 파편효과와 비교한 결과 섬유보강으로 인하여 콘크리트 박리가 억제되었으며, 이는 섬유보강에 의한 휨인성의 향상에 의해 방호성능이 향상된 것으로 판단된다.
본 연구에서는 섬유보강 콘크리트 및 모르타르에 대하여 고속 비상체의 충돌에 의한 내충격 성능을 평가하였으며, 그 결과를 바탕으로 방호벽으로 활용할 수 있는 콘크리트 T-wall을 제작하여 155 mm 포탄의 파편에 대한 방호성능을 검토하였다. 그 결과, 섬유보강으로 인한 휨 인성의 향상은 고속 비상체의 충돌에 의한 배면박리를 억제하는 것으로 나타났으며 155 mm 포탄의 파편 충돌에 있어 배면균열 및 표면의 콘크리트의 박락 등이 억제되어 섬유보강으로 인하여 방호벽의 성능 향상 및 부재 두께를 감소할 수 있을 것으로 판단된다.
후속연구
본 연구의 범위에서의 비상체 충격시험과 155 mm 포탄의 파편에 대한 섬유보강 콘크리트의 파괴저감에 대한 결과를 종합하여 배면파괴 한계두께를 40∼50 % 저감할 수 있는 것으로 설정하였으나, 소형시험체의 충격시험 결과와 155 mm 포탄의 파편효과는 1회의 시험 결과치로 각 시험체에 충돌하는 파편의 효과가 동일하지 않은 점에 있어 향후 계속적인 연구가 필요할 것으로 판단된다.
3) 섬유보강으로 인한 배면파괴한계두께를 저감할 수 있었으며, 섬유보강 콘크리트를 활용하여 방호벽 제작시 방호벽의 두께 저감 및 방호성능의 향상을 기대할 수 있을 것으로 판단된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
섬유보강 콘크리트는 무엇이며 어떤 장점이 있는가?
반면, 섬유보강 콘크리트는 콘크리트 비빔시 단섬유를 함께 혼합하여 일반 콘크리트와 같이 타설하여 제작하는 것으로 시공방법이 비교적 쉬우며, 부재 자체의 성능을 향상 시켜 별도의 추가적인 보강을 필요로 하지 않기 때문에 구조적, 공간적 효율을 높이는데 유리한 공법이라 할 수 있다.
콘크리트의 방호성능 향상을 위해 기존에는 어떤 방법을 사용하였는가?
콘크리트의 방호성능을 향상시키기 위한 방법으로 기존에는 콘크리트의 두께를 증가시키거나, 외부를 흙으로 덮는 등의 기초적인 방법이 주로 사용되어 왔으나, 이러한 방법 등은 비용의 증가 및 공간의 활용에 있어 비효율적인 한계점이 있다.
섬유보강에 의한 콘크리트 방호벽의 방호성능 향상에 대하여 평가한 결과, 어떠한 결론을 얻을 수 있는가?
1) 섬유보강 콘크리트의 경우 섬유무보강 콘크리트에 비하여 슬럼프는 저하되었으나, 고성능 감수제의 혼입 및 배합 조절을 통하여 목표 유동성을 만족할 수 있었다.
2) 고속비상체의 충격에 있어 섬유보강에 의한 배면박리억제효과를 확인 할 수 있었으며, 155 mm 포탄의 폭발에 의한 파편효과와 비교한 결과 섬유보강으로 인하여 콘크리트 박리가 억제되었으며, 이는 섬유보강에 의한 휨인성의 향상에 의해 방호성능이 향상된 것으로 판단된다.
3) 섬유보강으로 인한 배면파괴한계두께를 저감할 수 있었으며, 섬유보강 콘크리트를 활용하여 방호벽 제작시 방호벽의 두께 저감 및 방호성능의 향상을 기대할 수 있을 것으로 판단된다.
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