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문제 정의
- 따라서 본 연구에서는 인성개량을 위해 섬유를 활용하는 HPFRCC의 인성개량과 같은 제반 공학적 성능을 향상시킬 뿐 아니라 시공성에 악영향을 가장 적게 줄 수 있는 방법으로 유·무기 섬유를 여러 조합으로 사용하는 방법을 바탕으로 이들 섬유조합변화에 따른 HPFRCC의 유동 특성 및 역학적 특성 등을 분석하여 최적의 섬유조합을 제안하고자 한다.
- 본 연구에서는 섬유보강 시멘트 복합재료의 공학적 성능을 향상시키기 위한 목적으로 유·무기의 장·단섬유 조합 변화에 따른 HPFRCC의 유동성 및 역학적 특성을 분석하고자 하였는데 그 결과를 요약하면 다음과 같다.
- 따라서 본 연구에서는 인장 및 휨 강도 성능 향상을 확보를 위해 섬유를 활용한 섬유보강 HPFRCC의 시멘트 복합재료에 시공성능을 향상시키기 위한 목적으로 유·무기 섬유 조합변화에 따른 HPFRCC의 유동 특성 및 역학적 특성 등을 분석하므로서 최적의 섬유조합을 제안하고자 한다.
제안 방법
- 이러한 Plain 배합에 대해 목표플로 150 ± 100 mm, 목표 공기량은 2.0 ± 1.0 %의 범위를 만족하도록 배합 설계하였다.
- 본 연구의 실험계획은 Table 1과 같다. W/B 25 %의 1수준에 대하여 결합재 구성을 시멘트에 대한 질량비로 플라이애시와 실리카퓸을 각각 20, 10 % 치환하고, 이 배합을 Plain으로 정의하였다. 이러한 Plain 배합에 대해 목표플로 150 ± 100 mm, 목표 공기량은 2.
- 실험변수로는 섬유를 혼입하지 않은 Plain 배합에 강섬의 장섬유(이하, Steel Long fiber : SL), 단섬유(이하, Steel Short fiber : SS) 유기섬유의 장섬유(이하, Organic Long fiber : OL), 단섬유(이하, Organic Short fiber : OS)를 단독으로 사용하는 경우와 각각의 섬유들을 2 종, 3종, 4종으로 혼합한 총 16수준으로 계획하였다. 본 연구에서는 모르타르 상태에서 모든 실험을 실시하였다.
- 실험변수로는 섬유를 혼입하지 않은 Plain 배합에 강섬의 장섬유(이하, Steel Long fiber : SL), 단섬유(이하, Steel Short fiber : SS) 유기섬유의 장섬유(이하, Organic Long fiber : OL), 단섬유(이하, Organic Short fiber : OS)를 단독으로 사용하는 경우와 각각의 섬유들을 2 종, 3종, 4종으로 혼합한 총 16수준으로 계획하였다. 본 연구에서는 모르타르 상태에서 모든 실험을 실시하였다. 실험사항으로 굳지 않은 모르타르에서 섬유 종류 및 조합에 따른 영향을 평가하기 위해 플로 및 공기량을 측정하는 것으로 계획하였고, 경화 모르타르에서는 압축강도, 인장강도 및 휨 강도를 측정하여 섬유 종류 및 조합에 따른 영향을 평가하는 것으로 계획하였다.
- 본 연구에서는 모르타르 상태에서 모든 실험을 실시하였다. 실험사항으로 굳지 않은 모르타르에서 섬유 종류 및 조합에 따른 영향을 평가하기 위해 플로 및 공기량을 측정하는 것으로 계획하였고, 경화 모르타르에서는 압축강도, 인장강도 및 휨 강도를 측정하여 섬유 종류 및 조합에 따른 영향을 평가하는 것으로 계획하였다.
대상 데이터
- 사용재료로 시멘트는 국내산 1종 보통 포틀랜드 시멘트를 사용하였고, 플라이애시, 실리카퓸은 국내에서 제조 판매되는 재료를 사용하였는데, 각각의 물리·화학적 특성은 Table 2∼4와 같다.
- 사용재료로 시멘트는 국내산 1종 보통 포틀랜드 시멘트를 사용하였고, 플라이애시, 실리카퓸은 국내에서 제조 판매되는 재료를 사용하였는데, 각각의 물리·화학적 특성은 Table 2∼4와 같다. 섬유는 강섬유와 유기섬유의 두 가지 섬유에 대해 길이가 긴 장섬유와 길이가 짧은 단섬유를 사용하였는데, 각각의 물리적 성질은 Table 6 및 7과 같고, 그 모습은 Figure 1과 같다.
- Figure 7은 섬유 조합변화에 따른 인장강도를 압축강도로 나눈 인성계수를 나타낸 그래프이다. 일반적으로 인성계수는 0.1 (인장강도가 압축강도의 1/10) 이라고 알려져 있는 것에 반해, 본 연구에 사용된 모르타르는 고강도 모르타르로 매우 낮은 인성계수의 취성재료임을 나타내었다. 전반적으로 섬유를 포함한 경우에 Plain배합보다 인성계수가 증가하는 경향을 나타내었다.
이론/모형
- 실험방법으로는 굳지 않은 모르타르에서 플로와 공기량은 KS L 5111과 KS F 2421, 경화 모르타르에서 압축강도와 휨 강도는 KS F 2405와 KS F 2408의 의거하여 진행을 하였고, 인장강도는 일본토목학회 규정인 JSCE-E-53에 의거하여 실험을 진행하였다.
성능/효과
- 전반적으로 유·무기 및 장·단섬유를 조합하여 혼입하였을 때에는 섬유가 혼입되지 않은 Plain보다 초기치 플로치가 감소하는 경향을 나타내었다.
- 전반적으로 유·무기 및 장·단섬유를 조합하여 혼입하였을 때에는 섬유가 혼입되지 않은 Plain보다 초기치 플로치가 감소하는 경향을 나타내었다. 세부적으로 단독섬유인 1종의 경우는 강섬유가 유기섬유보다 다소 높은 표준 플로치를 나타내었는데, 특히, 강섬유의 길이가 짧은 SS섬유는 가장 높은 초기 플로치 및 표준 플로치를 나타내었다. 이는 섬유가 모르타르의 시스템 속에서 강섬유의 경우가 유기섬유보다 큰 밀도에 의해 마찰작용이 감소하여 모르타르 유동에 영향을 적게 주어 높은 플로치를 나타낸 것으로 사료된다[8].
- 공기량의 경우는 전반적으로 Plain배합보다 섬유혼입시 증가하는 하는 경향을 나타내었다. 먼저 1종 섬유에서는 OS 섬유 혼입시에 Plain과 유사한 정도의 공기량을 나타 내었고 다른 경우에 모두 공기량이 증가하는 결과를 보였다. 이를 통해 짧은 유기섬유가 공기량 변화에 미치는 영향이 가장 적음을 알 수 있었다.
- 먼저 1종 섬유에서는 OS 섬유 혼입시에 Plain과 유사한 정도의 공기량을 나타 내었고 다른 경우에 모두 공기량이 증가하는 결과를 보였다. 이를 통해 짧은 유기섬유가 공기량 변화에 미치는 영향이 가장 적음을 알 수 있었다. 또한 복합 섬유들의 경우는 특정한 경향성을 찾기는 어려웠으나, 특히 SL 섬유를 포함한 경우에는 대체로 공기량이 증가한 결과를 나타내었다.
- 이를 통해 짧은 유기섬유가 공기량 변화에 미치는 영향이 가장 적음을 알 수 있었다. 또한 복합 섬유들의 경우는 특정한 경향성을 찾기는 어려웠으나, 특히 SL 섬유를 포함한 경우에는 대체로 공기량이 증가한 결과를 나타내었다. 이는 짧은 유기섬유와 반대로 긴 강섬유가 추가적인 공기 연행 작용을 하는 것으로 생각되어 길고 강성이 높은 섬유가 모르타르 내에서 비빔과정 동안 상대적으로 불리한 유동성능으로 많은 공극을 유발하는 것으로 생각된다.
- 이는 짧은 유기섬유와 반대로 긴 강섬유가 추가적인 공기 연행 작용을 하는 것으로 생각되어 길고 강성이 높은 섬유가 모르타르 내에서 비빔과정 동안 상대적으로 불리한 유동성능으로 많은 공극을 유발하는 것으로 생각된다. 즉, 유기섬유가 강섬유와 비교하여 움직임 및 형태변화가 자유롭고, 짧은 섬유가 긴 섬유에 비해 움직임이 자유로워 모르타르 매트릭스 내에서 공극 및 공기량 연행에 미치는 영향이 적은 것으로 판단된다.
- 이는 섬유가 보강됨에 따른 구속작용에 의한 결과로 생각된다. 대체적으로 공기량 측정에서 보인 SL 섬유에 의한 공극의 발생으로 SL섬유를 포함한 모르타르의 압축강도가 감소하는 경향을 보였 다. 다만, 짧은 강섬유인 SS섬유를 함유한 경우는 역으로 압축강도가 증가하는 경향을 보였다.
- 특히, 1종에서는 강섬유의 SS섬유가 가장 높은 인장강도를 나타내었고, 2종에서는 SL+SS섬유와 3종에서는 SL+SS+OS섬유, 4종인 SL+SS+OL+OS섬유 조합에서 다른 조합변화보다 높은 인장강도를 나타내었다. 즉, 대체적으로 강섬유를 포함한 모르타르에서 높은 인장강도를 보였다. 이는 강섬유의 인장강도가 모르타르 매트릭스의 인장강도에 기여한 결과라고 생각된다.
- 이는 섬유의 가교작용으로 인해 인성계수가 증가한 것으로 판단된다. 특히, 1종에서는 강섬유의 혼입으로 인성계수가 81 % 정도 증가 하였고, 2종의 경우는 강섬유와 유기섬유의 조합별로 최대 42 % 정도 증가 하였고, 짧은 섬유조합인 SS+OS 섬유는 가장 작은 3 %정도로 미소하게 증가 하였다. 3종의 경우에는 SL+SS+OS섬유 조합에서 44 % 정도 증가하였고 4종에서는 68 %의 증가를 나타내었다.
- 특히, 1종에서는 강섬유의 혼입으로 인성계수가 81 % 정도 증가 하였고, 2종의 경우는 강섬유와 유기섬유의 조합별로 최대 42 % 정도 증가 하였고, 짧은 섬유조합인 SS+OS 섬유는 가장 작은 3 %정도로 미소하게 증가 하였다. 3종의 경우에는 SL+SS+OS섬유 조합에서 44 % 정도 증가하였고 4종에서는 68 %의 증가를 나타내었다. 인성계수는 단일 종류의 강섬유를 포함한 경우에 가장 높았고, 복합적인 섬유들을 포함한 경우에는 오히려 인성계수가 낮아지는 결과를 보였다.
- 3종의 경우에는 SL+SS+OS섬유 조합에서 44 % 정도 증가하였고 4종에서는 68 %의 증가를 나타내었다. 인성계수는 단일 종류의 강섬유를 포함한 경우에 가장 높았고, 복합적인 섬유들을 포함한 경우에는 오히려 인성계수가 낮아지는 결과를 보였다. 이는 섬유조합과정의 강섬유양의 감소에 따라 인성계수 증진효과가 저하된 것으로 판단된다.
- Figure 8은 섬유 조합변화에 따른 휨강도를 나타낸 그래프이다. 전반적으로 모든 경우에 Plain 배합보다 섬유의 가교작용에 기인하여 휨강도가 증가하는 경향을 나타내었 는데, 1종의 경우 강섬유의 경우에 높은 휨강도를 나타내었다. 2종에서는 강섬유의 조합인 SL+SS섬유가 높은 휨강도를 나타내었으며 3종의 조합에서는 SL+SS+OS섬유에서 가장 높은 휨강도를 나타내었다.
- 전반적으로 모든 경우에 Plain 배합보다 섬유의 가교작용에 기인하여 휨강도가 증가하는 경향을 나타내었 는데, 1종의 경우 강섬유의 경우에 높은 휨강도를 나타내었다. 2종에서는 강섬유의 조합인 SL+SS섬유가 높은 휨강도를 나타내었으며 3종의 조합에서는 SL+SS+OS섬유에서 가장 높은 휨강도를 나타내었다. 또한 4종 조합에서도 3종 조합과 유사한 휨강도값을 나타내었는데, 이는 섬유가 인발되는 면적이 커짐에 따라 휨강도가 증가된 것으로 판단된다.
- 2종에서는 강섬유의 조합인 SL+SS섬유가 높은 휨강도를 나타내었으며 3종의 조합에서는 SL+SS+OS섬유에서 가장 높은 휨강도를 나타내었다. 또한 4종 조합에서도 3종 조합과 유사한 휨강도값을 나타내었는데, 이는 섬유가 인발되는 면적이 커짐에 따라 휨강도가 증가된 것으로 판단된다. 단, 유기섬유 중 OS섬유가 포함된 배합의 경우 휨강도가 낮아지는 것으로 나타났다.
- 종합분석으로 Table 7은 단독섬유 및 섬유 조합별로 각 항목에서 측정된 평균치를 기준으로 평균치와 ± 2 %이내면 보통, 2이상이면 양호, 2이하이면 불량으로 평가 하였 다. 각 항목인 플로, 압축강도, 인장강도 및 휨강도 측면에서는 1종 섬유에서는 SS, 2종의 섬유조합에서 SL+SS, 3종 섬유조합에서는 SL+SS+OS 섬유 조합에서 가장 양호한 것으로 평가되었고, SL+SS+OL+OS인 4종 섬유조합도 양호한 것으로 분석된다.
- 1) 유동성 측면에서 섬유의 혼입은 Plain배합보다 저하하는 경향을 나타내었는데, 각 조합별 1종에서는 SS섬유, 2종은 SL+SS섬유, 3종은 SL+SS+OL섬유가 큰 차이는 아니지만 섬유혼입에 따라 유동성이 향상되었으나 단일섬유배합인 SS섬유가 가장 좋은 유동성을 나타내었다.
- 2) 공기량의 경우는 섬유가 혼입됨에 따라 공기량이 증가 하였지만, 유기섬유가 강섬유보다 공기량에 미치는 영향이 적은 것으로 나타났다. 특히 친수성인 OS섬유일 때 가장 크게 감소하였다.
- 3) 압축강도는 유사 또는 증가하는 경향을 나타내었는데, 초기재령에서는 공기량의 영향으로 강도 발현 작게 나타나지만, 후기재령에서는 증가 하였는데, 그중에서도 OS섬유가 가장 크게 나타났다.
- 4) 인장 및 휨 강도 측면에서는 섬유의 혼입으로 강도 발현이 크게 증가 하였는데, 강섬유의 조합이 유기섬유의 조합보다 높은 강도 발현율을 나타내었고, 유기단섬유인 OS섬유는 섬유의 인발이 용이하여 낮은 강도 발현을 나타내었다.
- 이상을 종합하여 볼 때, 섬유를 활용하는 HPFRCC의 시멘트 복합재료에 시공성과 인성개량 등 제반 공학적 성능을 향상시키기 위해 섬유 조합변화를 주어 1종에서는 SS섬유, 2종은 SL+SS섬유, 3종의 경우 SL+SS+OL섬유, 4종에서는 모든 섬유의 혼입으로 유동성 및 인성개량 등 양호한 성능을 나타내었는데, 특히, 유동성과 인성개량 등의 성능에서 단독으로 사용한 1종의 SS섬유가 가장 양호한 것으로 판단된다.
- 따라서 본 연구에서는 인장 및 휨 강도 성능 향상을 확보를 위해 섬유를 활용한 섬유보강 HPFRCC의 시멘트 복합재료에 시공성능을 향상시키기 위한 목적으로 유·무기 섬유 조합변화에 따른 HPFRCC의 유동 특성 및 역학적 특성 등을 분석하므로서 최적의 섬유조합을 제안하고자 한다. 결과적으로 1 % 소량 혼입시 유동성 측면에서는 섬유 조합변화한 경우보다 단독으로 사용하였을 경우 높은 유동성을 나타내었고 특히, SS섬유의 경우가 가장 높은 유동성을 나타내었다. 또한 공기량이 낮았던 유기섬유의 경우 상대적으로 공기량이 높았던 강섬유의 비해 강도는 높았지만 인장 및 휨 강도는 낮은 것으로 나타났다.
- 결과적으로 1 % 소량 혼입시 유동성 측면에서는 섬유 조합변화한 경우보다 단독으로 사용하였을 경우 높은 유동성을 나타내었고 특히, SS섬유의 경우가 가장 높은 유동성을 나타내었다. 또한 공기량이 낮았던 유기섬유의 경우 상대적으로 공기량이 높았던 강섬유의 비해 강도는 높았지만 인장 및 휨 강도는 낮은 것으로 나타났다.
- 전반적으로 섬유를 혼입한 경우는 Plain배합보다 증가하는 경향을 나타내었다. 특히, 1종에서는 강섬유의 SS섬유가 가장 높은 인장강도를 나타내었고, 2종에서는 SL+SS섬유와 3종에서는 SL+SS+OS섬유, 4종인 SL+SS+OL+OS섬유 조합에서 다른 조합변화보다 높은 인장강도를 나타내었다. 즉, 대체적으로 강섬유를 포함한 모르타르에서 높은 인장강도를 보였다.
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