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비정질 강섬유보강콘크리트의 휨성능 특성
Flexural Performance Characteristics of Amorphous Steel Fiber-Reinforced Concrete 원문보기 논문타임라인

콘크리트학회논문집 = Journal of the Korea Concrete Institute, v.26 no.4, 2014년, pp.483 - 489  

구동오 (숭실대학교 건축학부) ,  김선두 (숭실대학교 건축학부) ,  김희승 (숭실대학교 건축학부) ,  최경규 (숭실대학교 건축학부)

초록
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이 연구에서는 ASTM C 1609을 따라서 비정질 강섬유보강콘크리트의 휨실험을 수행하였고, 이를 바탕으로 휨성능을 평가하였다. 비정질 강섬유는 기존의 일반 강섬유와 달리 얇은 두께, 거친 표면의 특성을 가지고 있다. 주요한 실험변수는 섬유 종류(비정질 강섬유, 일반 강섬유), 섬유 혼입률(0.25, 0.50, 0.75%) 그리고 콘크리트 압축강도(27, 50 MPa)이다. 실험 결과에 근거하여 비정질 강섬유와 일반 강섬유보강콘크리트의 휨강도와 휨인성을 분석하였고, 그 결과 일반 강섬유보강콘크리트의 경우 주로 휨인성이 증가하였으나 비정질 강섬유보강콘크리트의 경우 휨강도와 인성을 모두 증가하는 것으로 나타났다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

In this study, the flexural test of amorphous steel fiber-reinforced concrete was performed according to ASTM C 1609 to investigate its flexural performances. The amorphous steel fibers have different configurations from conventional steel fibers : thinner sections and coarser surfaces. Primary test...

주제어

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문제 정의

  • 이 연구에서는 비정질 강섬유 콘크리트의 휨거동 특성을 규명하기 위하여 ASTM 표준을 따라서 휨실험을 수행하였다. 일반 강섬유에 대하여 비교실험을 수행하였으며, 섬유 혼입률 및 콘크리트 압축강도에 따라서 휨거동 특성을 비교하였다.
  • 이 연구에서는 비정질 강섬유보강콘크리트의 휨 성능을 평가하기 위하여, ASTM C 1609 표준에 따라서 100 ×100 × 400 mm의 직육면체 형태의 실험체를 제작하여 휨 실험을 수행하였다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
비정질 강섬유의 장점은 무엇인가? 이들 섬유는 기존의 강섬유에 비하여 섬유의 두께가 매우 가늘며 콘크리트 균열단면에서 가교작용을 통하여 콘크리트 균열 진전을 억제하고 균열폭을 감소시키는 것으로 알려져 있다.21,22) 또한 최근에 개발된 비정질 강섬유는 콘크리트와의 부착력이 우수하여 균열 제어에 효율적이며, 일반 강섬유와 혼합하여 사용하였을 경우 강도와 인성을 동시에 향상시킬 수 있음이 밝혀졌다.23)
섬유보강콘크리트가 사용되는 이유는 무엇인가? 콘크리트 재료의 취성적 인장 거동을 개선하고 에너지 소산능력을 향상시키기 위하여 섬유보강콘크리트가 사용 되고 있다.1-8) 1960년대부터 강섬유가 개발되어 1971년 미국 Ohio주의 트럭터미널에 최초로 시공되었고, 그 이후에 계속해서 공항도로 포장공사,9) 공업 바닥공사,10) 교면 포장공사11) 등 건축·토목 분야에서 널리 사용되고 있다.
섬유보강콘크리트는 어디에 사용되고 있는가? 콘크리트 재료의 취성적 인장 거동을 개선하고 에너지 소산능력을 향상시키기 위하여 섬유보강콘크리트가 사용 되고 있다.1-8) 1960년대부터 강섬유가 개발되어 1971년 미국 Ohio주의 트럭터미널에 최초로 시공되었고, 그 이후에 계속해서 공항도로 포장공사,9) 공업 바닥공사,10) 교면 포장공사11) 등 건축·토목 분야에서 널리 사용되고 있다.
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참고문헌 (30)

  1. Mehta, P. K. and Monteiro, P. J., "Concrete: Microstructure, Properties and Materials," Third Edition, Mc Graw-Hill, Inc., New York, 2006, pp. 502-522. 

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    콘크리트 재료의 취성적 인장 거동을 개선하고 에너지 소산능력을 향상시키기 위하여 섬유보강콘크리트가 사용되고 있다.1-8)

  2. Benter, A. and Mindess, S., "Fiber-Reinforced Cementitious Composites," Elsevier Science, London, 1990, pp. 1-4. 

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    콘크리트 재료의 취성적 인장 거동을 개선하고 에너지 소산능력을 향상시키기 위하여 섬유보강콘크리트가 사용되고 있다.1-8)

  3. Balaguru, P. N. and Shah, S. P., "Fiber-Reinforced Cement Composites," McGraw-Hill, Inc., New York, 1992, pp. 1-5. 

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    콘크리트 재료의 취성적 인장 거동을 개선하고 에너지 소산능력을 향상시키기 위하여 섬유보강콘크리트가 사용되고 있다.1-8)

  4. Banthia, N. and Sappakittipakorn, M., "Toughness Enhancement in the Steel Fiber Reinforced Concrete through Fibers Hybridization," Cementand Concrete Research, Vol. 37, 2007, pp. 1366-1372. 

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    콘크리트 재료의 취성적 인장 거동을 개선하고 에너지 소산능력을 향상시키기 위하여 섬유보강콘크리트가 사용되고 있다.1-8)

  5. Ellouze, A., Ouezdou, M. B., and Karray, M. A., "Experimental Study of Steel Fiber Concrete Slabs Part I: Behavior under Uniformly Distributed Loads," International Journal of Concrete Structures and Materials, Vol. 4, No. 2, 2010, pp. 113-118. 

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    콘크리트 재료의 취성적 인장 거동을 개선하고 에너지 소산능력을 향상시키기 위하여 섬유보강콘크리트가 사용되고 있다.1-8)

  6. Higashiyama, H., Ota, A., and Mizukoshi, M., "Design Equation for Uunching Shear Capacity of SFRC Slabs," International Journal of Concrete Structures and Materials, Vol. 5, No. 1, 2011, pp. 35-42. 

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    콘크리트 재료의 취성적 인장 거동을 개선하고 에너지 소산능력을 향상시키기 위하여 섬유보강콘크리트가 사용되고 있다.1-8)

  7. Won, J. P., Hong, B. T., Choi, T. J., Lee, S. J., and Kang, J. W., "Flexural Behaviour of Amorphous Micro- Steel Fibre-Reinforced Cement Composites," Composite Structures, Vol. 94, 2012, pp. 1443-1449. 

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    콘크리트 재료의 취성적 인장 거동을 개선하고 에너지 소산능력을 향상시키기 위하여 섬유보강콘크리트가 사용되고 있다.1-8)

  8. Balaguru, P. N., Ouyang, C., and Shah, S. P., "Fiber Matrix Interaction in Microfiber-Reinforced Mortar," Adv Cem Based Mater, Vol. 2, No. 2, 1995, pp. 53-61. 

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    콘크리트 재료의 취성적 인장 거동을 개선하고 에너지 소산능력을 향상시키기 위하여 섬유보강콘크리트가 사용되고 있다.1-8)

  9. Lankard, D. R. and Schrader, E. K., "Inspection and Analysis of Curl in Steel Fiber-Reinforced Concrete Airfield Pavements," Bekaert Corp., Marietta, GA, 1983, pp. 230. 

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    1960년대부터 강섬유가 개발되어 1971년 미국 Ohio주의 트럭터미널에 최초로 시공되었고, 그 이후에 계속해서 공항도로 포장공사,9) 공업 바닥공사,10) 교면 포장공사11) 등 건축·토목 분야에서 널리 사용되고 있다.

  10. Robinson, C., Colasanti, A., and Boyd, G., "Steel Fiber-Reinforced Auto Assembly Plant Floor," Concrete International, Vol. 13, No. 4, Apr. 1991, pp. 30-35. 

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    1960년대부터 강섬유가 개발되어 1971년 미국 Ohio주의 트럭터미널에 최초로 시공되었고, 그 이후에 계속해서 공항도로 포장공사,9) 공업 바닥공사,10) 교면 포장공사11) 등 건축·토목 분야에서 널리 사용되고 있다.

  11. Scharader, E. K., "Fiber-Reinforced Concrete Pavements and Slabs -a State-of-the-Art Report," in Steel Fiber Concrete, Elsevier, NewYork, 1986, pp. 109-131. 

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    1960년대부터 강섬유가 개발되어 1971년 미국 Ohio주의 트럭터미널에 최초로 시공되었고, 그 이후에 계속해서 공항도로 포장공사,9) 공업 바닥공사,10) 교면 포장공사11) 등 건축·토목 분야에서 널리 사용되고 있다.

  12. Naaman, A. E., "Toughness, Ductility, Surface Energy and Deflection-Hardening FRC Composites," in Proceedings of the JCI International Workshop on Ductile Fiber- Reinforced Cementitious Composites (DRFCC)-Application and Evaluation (DFRCC-2002)," Journal of JCI, Oct. 2002, pp. 33-57. 

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    Naaman12)의 연구에 의하면 강섬유보강콘크리트는 무근 콘크리트에 비하여 인장강도 및 휨강도, 휨인성, 내충격성, 파괴에너지가 우수하며, 이러한 인장성능의 개선 정도는 섬유의 직경(df)과 길이(Lf)의 비율인 형상비(Lf/df) 와 섬유 혼입률(Vf), 섬유의 부착력(τ)에 큰 영향을 받는 것으로 밝혀졌다. 따라서 이러한 재료변수 설계를 통하여 휨강도 및 휨인성, 에너지 흡수능력을 크게 향상시킬수 있으며,13-16) 또한 구조물에 발생하는 균열을 제어할수 있다.17,18)

  13. Bencardino, F., Rizzuti, L., Spadea, G., and Swamy, R. N., "Implications of Test Methodology on Post-Cracking and Fracture Behaviour of Steel Fibre Reinfored Concrete," Composites: Part B, Vol. 46, 2013, pp. 31- 38. (doi: http://dx.doi.org/10.1016j.compositesb.2012.10.016) 

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    따라서 이러한 재료변수 설계를 통하여 휨강도 및 휨인성, 에너지 흡수능력을 크게 향상시킬수 있으며,13-16) 또한 구조물에 발생하는 균열을 제어할수 있다.17,18)

  14. Yao, W., Li, J., and Wu, K., "Mechanical Properties of Hybrid Fiber-Reinforced Concrete at Low Volume Fraction," Cement and Concrete Research, Vol. 33, No. 1, 2003, pp. 27-30. 

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    따라서 이러한 재료변수 설계를 통하여 휨강도 및 휨인성, 에너지 흡수능력을 크게 향상시킬수 있으며,13-16) 또한 구조물에 발생하는 균열을 제어할수 있다.17,18)

  15. Grzybowski, M. and Shah, S. P., "Shrinkage Cracking of Fiber Reinforced Concrete," ACI Materials Journal, Vol. 87, No. 2, 1990, pp. 138-148. 

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    따라서 이러한 재료변수 설계를 통하여 휨강도 및 휨인성, 에너지 흡수능력을 크게 향상시킬수 있으며,13-16) 또한 구조물에 발생하는 균열을 제어할수 있다.17,18)

  16. Balaguru, P., Narahari, R., and Patel, M., "Flexural Toughness of Steel Fiber Reinforced Concrete," ACI Materials Journal, Vol. 89, No. 6, 1992, pp. 541-546. 

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    따라서 이러한 재료변수 설계를 통하여 휨강도 및 휨인성, 에너지 흡수능력을 크게 향상시킬수 있으며,13-16) 또한 구조물에 발생하는 균열을 제어할수 있다.17,18)

  17. Ahmed, S. F. U. and Maalej, M., "Tensile Strain Hardening Behaviour of Hybrid Steel-Polyethylene Fiber Reinforced Cementitious Composites," Construction and Building Materials, Vol. 23, No. 1, 2009, pp. 96-106. 

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    따라서 이러한 재료변수 설계를 통하여 휨강도 및 휨인성, 에너지 흡수능력을 크게 향상시킬수 있으며,13-16) 또한 구조물에 발생하는 균열을 제어할수 있다.17,18)

  18. Quan, C. X. and Stroeven, P., "Fracture Properties Concrete Reinforced with Steel-Polypropylene Hybrid Fibres," Cement Concrete Composites, Vol. 22 No. 4, 2000, pp. 343-353. 

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    따라서 이러한 재료변수 설계를 통하여 휨강도 및 휨인성, 에너지 흡수능력을 크게 향상시킬수 있으며,13-16) 또한 구조물에 발생하는 균열을 제어할수 있다.17,18)

  19. Xu, G., Magnani, S., and Hannant, D. J., "Behavior of Fiber Cement Hybrid Composites Polyvinyl Alcohol Fiber Yarns," ACI Materials Journal, Vol. 95, No. 6, 1998, pp. 667-674. 

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    그러나 섬유 혼입률 0.75% 이상의 다량의 강섬유를 콘크리트에 투입시 강섬유의 높은 강성으로 인해 섬유끼리 뭉치는 섬유볼 현상(fiber balling)이 발생할수 있으며,19) 이러한 현상은 콘크리트의 시공성을 저하시키고 재료의 성능을 예기치 않게 저하시키는 문제점으로 지적되고 있다.20)

  20. Lee, H. H. and Lee, H. J., "Characteristic Strength and Deformation of SFRC Considering Steel Fiber Factor and Volume Fraction," Journal of Korea Concrete Institute, Vol. 16, No. 6, 2004, pp. 759-766. 

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    그러나 섬유 혼입률 0.75% 이상의 다량의 강섬유를 콘크리트에 투입시 강섬유의 높은 강성으로 인해 섬유끼리 뭉치는 섬유볼 현상(fiber balling)이 발생할수 있으며,19) 이러한 현상은 콘크리트의 시공성을 저하시키고 재료의 성능을 예기치 않게 저하시키는 문제점으로 지적되고 있다.20)

  21. Soroushian, P., Mirza, F., and Alhozajiny, A., "Plastic Shrinkage Cracking of Polypropylene Fiber Reinforced Concrete," ACI Materials Journal, Vol. 92, No. 5, 1993, pp. 553-560. (doi: http://dx.doi.org/10.14359/894) 

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    이들 섬유는 기존의 강섬유에 비하여 섬유의 두께가 매우 가늘며 콘크리트 균열단면에서 가교작용을 통하여 콘크리트 균열 진전을 억제하고 균열폭을 감소시키는 것으로 알려져 있다.21,22)

  22. Song, P. S., Hwang, S., and Sheu, B. C., "Strength Properties of Nylon-and Polypropylene-Fiber-Reinorced Concretes," Cement and Concrete Research, Vol. 35, No. 8, 2005, pp. 1546-1550. (doi: http://dx.doi.org/10.1016/ j.cemconres.2004.06.033) 

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    이들 섬유는 기존의 강섬유에 비하여 섬유의 두께가 매우 가늘며 콘크리트 균열단면에서 가교작용을 통하여 콘크리트 균열 진전을 억제하고 균열폭을 감소시키는 것으로 알려져 있다.21,22)

  23. Hameed, R., Turatsinze, A., Duprat, F., and Sellier, A., "Study on the Flexural Properties of Metallic-Hybrid- Fibre-Reinforced Concrete," Maejo Int. J. Sci. Techmol. Vol. 4, No. 2, 2010, pp. 169-184. 

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    또한 최근에 개발된 비정질 강섬유는 콘크리트와의 부착력이 우수하여 균열 제어에 효율적이며, 일반 강섬유와 혼합하여 사용하였을 경우 강도와 인성을 동시에 향상시킬 수 있음이 밝혀졌다.23)

  24. Choi, O. C., Choi, K.-K., Choi, H. J., and Hwang, Y. J., "A Prediction Model of Shrinkage Cracking of Steel Fiber Reinforced Concrete," Journal of Architectural Institute of Korea Structure&Construction, Vol. 29, No. 6, 2012, pp. 59-66. 

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    선행연구에24) 의하면, 비정질 강섬유는 일반 강섬유와 달리 분자의 결정 구조에서 방향성에 따른 강도 차이가 거의 없고 인장강도 및 휨강도가 우수하여 콘크리트의 취성적 인장파괴와 건조수축에 의한 미세균열을 효과적으로 방지할 수 있으며, 섬유 혼입율에 따라 콘크리트의 휨거동이 매우 뚜렷하게 향상되는 것을 보여주었다.25)

    이 연구에서 사용한 일반 강섬유는 지름 0.5 mm(d), 길이 30 mm(L)로 형상비(L/d)는 60이며, 비정질 강섬유는 두께가 29 µm (t), 길이 30 mm 이며 등가형상비24)가 123의 특징을 가지고 있다(Table 2).

  25. Hameed, R., Turatsinze, A., Duprat, F., and Sellier, A., "Effect of Fiber Aspect Ratio on the Flexural Properties," Journal of Engineering and Applied Sciences, Vol. 4, No. 5, 2009, pp. 68-72. 

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    선행연구에24) 의하면, 비정질 강섬유는 일반 강섬유와 달리 분자의 결정 구조에서 방향성에 따른 강도 차이가 거의 없고 인장강도 및 휨강도가 우수하여 콘크리트의 취성적 인장파괴와 건조수축에 의한 미세균열을 효과적으로 방지할 수 있으며, 섬유 혼입율에 따라 콘크리트의 휨거동이 매우 뚜렷하게 향상되는 것을 보여주었다.25)

  26. ASTM C 1609, "Standard Test Method for Flexural Performance of Fiber-Reinforced Concrete (Using Beam with Three-Point Loading)," American Society for Testing and Materials (ASTM), 2007. 

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    이 연구에서는 비정질 강섬유의 휨 특성을 파악하기 위하여, ASTM C 160926) 표준실험방법에 따라서 휨실험을 수행하였고 실험 결과에 근거하여 휨강도와 휨인성지 수를 분석하였다.

  27. Lee, J. H., Park, H. S., Cho, H. W., Kang, S. T., Kim, D. J., and Kim, J. J. "Effect of Fine Aggregate Size and Sand Percentage on Flexural Characteristics of SFRC," Proceedings of the Korea Concrete Institute, Vol. 23, No. 2, 2011, pp. 431-432. 

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    굵은 골재 최대크기는 표준 휨실험체의 크기를 고려하여 13 mm 로 결정하였다.27)

  28. Korea Concrete Institute, Concrete Standard Specification, 2009. 

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    콘크리트의 비빔시 강제식 믹서기가 사용되었으며, 비빔방법과 비빔시간은 콘크리트 표준시방서28)와 KS시험법29)에 따라 결정되었다.

  29. KS F 2425, Method of Making Test Sample of Concrete in the Laboratory, Korean Industrial Standards, 2012. 

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    콘크리트의 비빔시 강제식 믹서기가 사용되었으며, 비빔방법과 비빔시간은 콘크리트 표준시방서28)와 KS시험법29)에 따라 결정되었다.

  30. Choi, H., "Shrinkage Cracking Characteristics of Micro Steel Fiber Reinforced Concrete," Soongsil University, Seoul, Korea, 2010, pp. 38-48. 

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    또한 두께가 29 µm로 매우 얇으므로 콘크리트와 배합시 잘 휘고분산력이 우수하여 섬유볼 현상을 개선하는 것으로 나타났다30).

    이는 두 섬유의 파괴 메커니즘의 차이를 나타내는데, 일반 강섬유의 경우 최대부착강도 이후에 개별 섬유가 뽑히면서 에너지를 소산하는 반면, 비정질 강 섬유의 경우 섬유의 개별 부착력이 우수하여 최대부착강도 이전에 섬유뽑힘 대신에 섬유가 파단되는 파괴 양상을 보여준다.30)

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