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문제 정의
- 본 연구는 CSA (Calcium Sulfo Aluminate) 팽창재와 강섬유를 혼입한 시멘트 모르타르 부재에 대하여 기본적인 역학적 성능을 분석하고 노치를 가진 보 부재를 제작하여 균열 저항성 및 파괴에너지 평가를 수행하였다.
제안 방법
- (1) 체적비 1%의 강섬유와 시멘트 바인더의 10% 중량을 CSA 팽창재로 치환하여 기존의 시멘트 모르타르와 균열저항성을 비교하였다. 압축강도 측정결과 NSF (강섬유 모르타르)에서는 보통 모르타르에 비하여 104.
- 4가지 종류의 모르타르에 대한 역학적 성능을 평가하기 위해, 압축강도, 탄성계수, 포아송비가 측정되었다. KS F 2562 기준에 따라 압축강도 시험을 수행하였으며, KS F 2738에 따라 탄성계수와 포아송비가 측정되었다.
- CSA 팽창재와 강섬유를 혼입한 시멘트 모르타르의 제조를 위하여 w/c (water to cement) 비는 0.4로 하였으며, CSA 팽창재 혼입은 시멘트 중량의 10%로 치환하였다. 강섬유는 전체 체적에 1.
- 06mm/min가 되도록 제어하였으며, 하중-균열폭 (Load-CMOD) 관계를 통해 인장특성 및 파괴에너지를 도출하였다. JCI 규준에서는 0.075~0.15mm/min을 제안하고 있으나 본 실험에서는 약간 낮은 재하속도로 평가하였다.
- 노치를 준 보부재에 대해서 3점 휨 시험을 수행하였으며 하중 재하 단계에 따라 클립게이지를 이용하여 균열개구변위 (CMOD: Crack mouth opening displacement)를 측정하였다. 강섬유 보강이 이루어진 경우에는 변형량이 클 수 있으므로 LVDT를 통한 처짐도 같이 측정하였다. 재하 속도는 안정적인 파괴를 유도하기 위해 하중점의 처짐 속도가 0.
- 균열제어용으로 팽창재를 사용하는 경우는 큰 문제가 되지 않지만, 화학적 프리스트레싱을 위해 팽창재를 사용할 경우는 비교적 많은 양이 투입되므로 과팽창에 의한 균열발생의 우려가 있다. 기존의 연구를 참조하여 10%의 시멘트 바인더량을 CSA 팽창재로 치환하여 배합을 조정하였다 (Park et al., 2001).
- 강섬유 보강 CSA 모르타르의 파괴특성을 평가하기 위해 TC-992 방법에 따라 파괴실험을 수행하였다. 노치를 준 보부재에 대해서 3점 휨 시험을 수행하였으며 하중 재하 단계에 따라 클립게이지를 이용하여 균열개구변위 (CMOD: Crack mouth opening displacement)를 측정하였다. 강섬유 보강이 이루어진 경우에는 변형량이 클 수 있으므로 LVDT를 통한 처짐도 같이 측정하였다.
- 5% 사이에서 최적의 강섬유 체적비가 결정된다고 알려져 있다 (Ahn, 2003; ACI 544, 1999). 또한 강섬유의 뭉침현상을 방지하기 위하여 멜라닌계 유동화제를 시멘트 중량 0.15% 첨가하였다.
- 재령 2일에 탈형하여 20±2℃를 유지하면서 습윤양생을 실시하였으며 실험은 28일 양생후 수행하였다.
- 강섬유 보강이 이루어진 경우에는 변형량이 클 수 있으므로 LVDT를 통한 처짐도 같이 측정하였다. 재하 속도는 안정적인 파괴를 유도하기 위해 하중점의 처짐 속도가 0.06mm/min가 되도록 제어하였으며, 하중-균열폭 (Load-CMOD) 관계를 통해 인장특성 및 파괴에너지를 도출하였다. JCI 규준에서는 0.
- 균열 발생 및 진전에는 파괴에너지가 소비되고 있으므로 파괴에너지의 비교를 통해 강섬유와 CSA 팽창재 사용 유무에 따른 균열저항성능의 평가가 가능하다. 전술한대로 일본 콘크리트협회의 TC -992 기준에 의거하여 실험을 수행하였으며, 부재 높이를 D라고 할 때 CMOD가 0.02D (3mm), 0.04D (6mm), 그리고 파단시의 파괴에너지를 산출하였다. Table 7에서는 강섬유 보강 모르타르 (NSF)와 강섬유보강 CSA 모르타르 (SSF) 휨부재의 파괴에너지를 나타내었으며 그 결과를 Fig.
대상 데이터
- 시편의 제원은 150×150×550mm이며 지간 길이를 450mm로 설정하였다. 노치 길이는 시편 높이의 1/2인 75mm로 하였으며 강섬유는 Table 2에서 언급한 indent shape 강섬유를 전체 제적비 1%로 혼입하였다. 재령 2일에 탈형하여 20±2℃를 유지하면서 습윤양생을 실시하였으며 실험은 28일 양생후 수행하였다.
- Table 1에서는 CSA 팽창재의 화학성분을, Table 2에서는 강섬유의 물리적 성능 및 사진을 수록하였으며, 시편제조를 위한 시멘트 모르타르 배합은 Table 3에 나타내었다. 본 연구에서는 가장 일반적인 K형 CSA 팽창재가 사용되었다. Table 3에서 N은 보통 시멘트 모르타르를, S는 CSA 모르타르를, NSF는 보통모르타르와 강섬유를, SSF는 CSA 모르타르에 강섬유를 혼입한 배합을 나타낸다.
- 시편의 제원은 150×150×550mm이며 지간 길이를 450mm로 설정하였다.
- 파괴특성 시험용 시편은 Table 3에서 제시한 4가지 배합 중 강섬유를 혼입한 배합 (NSF, SSF)에 대하여 5개의 시편을 제작하였다. 시편의 제원은 150×150×550mm이며 지간 길이를 450mm로 설정하였다.
이론/모형
- 4가지 종류의 모르타르에 대한 역학적 성능을 평가하기 위해, 압축강도, 탄성계수, 포아송비가 측정되었다. KS F 2562 기준에 따라 압축강도 시험을 수행하였으며, KS F 2738에 따라 탄성계수와 포아송비가 측정되었다. 시험에 사용된 모든 원주형 공시체는 시험 수행 직전까지 양생온도를 20±2℃로 유지하였으며 양생포를 덮어 수분을 공급하였다.
- 강섬유 보강 CSA 모르타르의 파괴특성을 평가하기 위해 TC-992 방법에 따라 파괴실험을 수행하였다. 노치를 준 보부재에 대해서 3점 휨 시험을 수행하였으며 하중 재하 단계에 따라 클립게이지를 이용하여 균열개구변위 (CMOD: Crack mouth opening displacement)를 측정하였다.
- 4에서는 시험 상태 및 파괴후의 시편형태를 같이 도시하였다. 또한 TC-992 (Yoshinori and Yuichi, 2002) 기준을 참고하여 파괴에너지 (Gf)를 도출하였다. 파괴에너지 도출은 식 (4a, 4b)와 같으며 유효숫자 3자리까지 구한다.
성능/효과
- (2) 강섬유를 혼입한 보통 모르타르보다 강섬유 혼입 CSA 콘크리트에서 1.75배의 초기 균열하중의 증가가 평가되었는데, 이는 화학적 프리스트레싱에 의한 강섬유의 브릿징효과가 크게 발현된 것으로 평가된다.
- (3) 파괴에너지 평가에서는 강섬유보강 CSA 모르타르에서는 강섬유보강 모르타르에 비해 CMOD가 3mm일 때에는 약 153%, 6mm일 때에는 약 141% 정도 크게 증가하였으며, 최종 파단시에는 124% 크게 평가되었다. 강섬유와 CSA 팽창재를 사용하는 것은 최대하중의 증가 뿐 아니라 초기 균열을 가진 콘크리트의 인성 증가에 매우 효과적임을 알 수 있다.
- 시험에 사용된 모든 원주형 공시체는 시험 수행 직전까지 양생온도를 20±2℃로 유지하였으며 양생포를 덮어 수분을 공급하였다. CSA 모르타르의 자유 및 구속 팽창률은 이미 기존의 시험결과 (Ahn et al., 2013)에서 알 수 있듯이 우수한 팽창특성을 가지고 있음을 확인하였다.
- CSA 팽창재와 강섬유를 혼입한 경우에서 팽창재를 혼입하지 않는 경우보다 1.75배의 초기균열하중 증가를 확인할 수 있었는데, 이는 팽창재 혼입에 따라 내부 강섬유의 화학적인 구속이 발생하여 휨인성이 증가한 것으로 판단된다. 직접적인 비교는 어렵지만, 기존의 연구에서는 (Kim, 2003) CSA 팽창재와 강섬유 혼입 콘크리트에 대해서 초기균열하중을 비교하였다.
- SSF 모르타르에서는 NSF 모르타르에 비해 CMOD가 3mm일 때에는 153%, 6mm일 때에는 141% 정도 크게 증가하였으며, 최종 파단시에는 124.4% 크게 평가되었다. 최종 파단 시의 파괴에너지는 CMOD 3mm, 6mm에 비해서 약간 작게 평가되었는데, 좀 더 엄밀한 실험을 통하여 개선되리라 예상된다.
- (1) 체적비 1%의 강섬유와 시멘트 바인더의 10% 중량을 CSA 팽창재로 치환하여 기존의 시멘트 모르타르와 균열저항성을 비교하였다. 압축강도 측정결과 NSF (강섬유 모르타르)에서는 보통 모르타르에 비하여 104.2%의 강도증가가 발생하였으나 SSF (강섬유+CSA)에서는 112.3%의 높은 압축강도가 평가되었다. SSF에서의 강도증가는 NSF와 비교시 큰 압축강도 증가는 없는 것으로 판단된다.
- 탄성계수는 NSF에서, 포아송비는 SSF에서 가장 크게 증가하였으나 10% 수준으로 역학적 성능의 큰 차이는 발견되지 않았다. 팽창재를 사용한 배합에서는 에트린자이트가 생성되므로 시멘트 수화에 의한 CSH 보다 강도가 낮게 되며, 이에 따라 약간 낮은 탄성계수가 평가되었다.
후속연구
- 4% 크게 평가되었다. 최종 파단 시의 파괴에너지는 CMOD 3mm, 6mm에 비해서 약간 작게 평가되었는데, 좀 더 엄밀한 실험을 통하여 개선되리라 예상된다. SSF 모르타르의 경우 화학적 프리스트레스의 작용으로 균열저항성이 뚜렷하게 향상되었는데, 이러한 chemical prestressing으로 인한 휨인성증가는 기존의 연구 (Ahn, 2003; Kim, 2003)에도 같은 경향을 보이고 있다.
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