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문제 정의
- 는 처짐 L/150 값이다. JSCE의 잔류강도는 균열강도 이전구간의 휨 성능도 포함하고 있기 때문에, 본 연구에서는 균열강도 이전구간의 휨 성능을 제외한 특정 처짐 구간의 평균응력을 평가할 수 있는 잔류강도 측정방법을 다음과 같이 제안하였다.
제안 방법
- (2) 섬유 보강보의 deflection-softening 거동과 deflection-hardening 거동을 비교 평가하였다. 길이 35mm (형상비 65) 강섬유가 1.
- ASTM C-1609 (2007)와 KS F 2403 (2010) 규정을 준수하여 300 kN 용량의 재료시험기를 사용하여 섬유 보강 콘크리트 보의 휨 실험을 실시하였다. 실험보를 지지하기 위해 재료시험기의 하부에 강재 하중지지대를 설치하였다.
- (2) 섬유 보강보의 deflection-softening 거동과 deflection-hardening 거동을 비교 평가하였다. 길이 35mm (형상비 65) 강섬유가 1.0% 혼입된 보강보와 길이 60mm (형상비 80) 강섬유가 0.75% 이상 혼입된 보강보는 deflection-hardening 거동을 하였다. 폴리프로필렌 섬유가 혼입된 보강보는 deflectionsoftening 거동을 하였지만, 강섬유에 비해 균열 이후 응력감소 현상을 지연시키는 성향이 뛰어난 것으로 판단된다.
- 0% 혼입된 보강보는 균열 발생 후에도 최대강도에 도달할 때까지 강도가 지속적으로 증가하였다. 따라서 형상비 80 혼입률 0.75% 이상의 강섬유 보강보는 균열강도 도달 후 응력이 증가하는 deflection-hardening 거동을 하였다. 섬유혼입률이 높을수록 최대강도 도달 처짐도 증가하여, 혼입률 0.
- (1991)은 보의 중앙 하부에서 측정된 균열강도 도달 처짐은 실제 처짐보다 약 2배에 가깝다고 보고하였다. 따라서, 본 논문에서는 ASTM C 1609 (2007)의 제안에 따라 특수 제작된 처짐 측정장치를 사용하여 부가적인 처짐을 제외한 실험보의 실제 처짐을 측정하였다. 또한 보의 중앙부 앞면과 뒷면에는 변위계를 각각 설치하여 편심을 제어하였다.
- 특히, 섬유의 길이가 증가할수록 동일한 시공성과 품질성을 유지하기 위해 혼입률을 감소시키는 것이 필요하다. 따라서, 본 연구에서는 섬유 혼입률 1%이하에서의 혼입률 변화에 따른 35mm와 60mm 길이의 강섬유에 대한 휨 강도와 균열강도 그리고, 균열 이후의 잔류강도, 에너지 흡수 성능 등을 평가하였다. 또한, 화학적인 안정성과 우수한 내구성, 경제성 등으로 우수한 보강 재료로 평가되어지고 있는 폴리필렌섬유 보강 콘크리트에 대해서도 동일한 섬유혼입률에 따른 균열 전 ․ 후의 휨 성능을 평가함으로써 deflection-hardening 거동으로 향상시킬 수 있는 섬유혼입률을 규명하였다.
- 따라서, 본 논문에서는 ASTM C 1609 (2007)의 제안에 따라 특수 제작된 처짐 측정장치를 사용하여 부가적인 처짐을 제외한 실험보의 실제 처짐을 측정하였다. 또한 보의 중앙부 앞면과 뒷면에는 변위계를 각각 설치하여 편심을 제어하였다. 하중은 재료시험기에 부착된 변위계를 0.
- 이후 섬유를 투입하여 섬유가 골고루 분산될 때까지 비빔을 실시하였다. 본 연구에서 사용된 콘크리트 배합비는 물-시멘트비 40%에 대하여 현재 콘크리트 공사에서 일반적으로 사용되고 있는 슬럼프값 15cn 이상의 배합을 설정하여 시멘트량, 골재량, 고성능 감수재량을 결정하였다. Table 1이 본 연구에서 사용된 콘크리트의 배합비이다.
- 본 연구에서는 35mm, 60mm 길이의 강섬유와 화학적인 안정성과 내구성, 경제성 등의 장점으로 우수한 보강 재료로 평가되어지고 있는 폴리프로필렌 섬유에 대해 섬유혼입률 1.0%이하에서의 휨 성능을 실험적으로 비교 평가하였으며, 본 연구에서 얻은 결론은 다음과 같다.
- 섬유 보강 콘크리트 실험체를 제작하기 위해 자갈과 모래, 시멘트의 건비빔을 먼저 실시한 후, 고성능 감수재가 투입된 물을 섞어 비빔을 실시하였다. 이후 섬유를 투입하여 섬유가 골고루 분산될 때까지 비빔을 실시하였다.
- 단순지지 경계조건을 만족시키기 위해 하중지지대에 강재 롤러로 구성된 지지점을 설치하였으며, 지지점과 지지점 사이의 거리는 450mm이다. 실험보는 콘크리트 타설방향을 측면으로하여 지지점 강재 롤러에 올려졌으며, 실험보 하부와 지지점 강재 롤러 사이에는 고무판을 설치하여 지지력을 균등하게 작용시켰다. 실험보에 하중을 가력하기 위해 재료 시험기 상부에 강재 하중가력대와 하중가력장치를 설치하였으며, 하중가력점 사이의 거리는 150mm로 순수 휨응력을 받는 구간이다.
- Table 3은 섬유종류와 섬유혼입률에 따라 구성된 총 12종류의 섬유 보강보와 비교 목적으로 섬유가 혼입되지 않은 무보강보 실험체에 대한 각각의 실험변수를 나타내었다. 실험에 대한 신뢰성 확보를 위해 각 종류당 4개씩, 합계 52개의 보에 대한 체계적인 실험을 실시하였다.
- 섬유 보강 콘크리트 실험체를 제작하기 위해 자갈과 모래, 시멘트의 건비빔을 먼저 실시한 후, 고성능 감수재가 투입된 물을 섞어 비빔을 실시하였다. 이후 섬유를 투입하여 섬유가 골고루 분산될 때까지 비빔을 실시하였다. 본 연구에서 사용된 콘크리트 배합비는 물-시멘트비 40%에 대하여 현재 콘크리트 공사에서 일반적으로 사용되고 있는 슬럼프값 15cn 이상의 배합을 설정하여 시멘트량, 골재량, 고성능 감수재량을 결정하였다.
- 폴리프로필렌 섬유 보강보는 앞서 기술한 바와 같이, 모든 보강보에서 콘크리트 균열 이후 최대응력이 균열강도를 초과하지 않는 deflection-softening 거동을 하였다. 다만 0.
대상 데이터
- 실험보를 지지하기 위해 재료시험기의 하부에 강재 하중지지대를 설치하였다. 단순지지 경계조건을 만족시키기 위해 하중지지대에 강재 롤러로 구성된 지지점을 설치하였으며, 지지점과 지지점 사이의 거리는 450mm이다. 실험보는 콘크리트 타설방향을 측면으로하여 지지점 강재 롤러에 올려졌으며, 실험보 하부와 지지점 강재 롤러 사이에는 고무판을 설치하여 지지력을 균등하게 작용시켰다.
- 1 참조). 또한, 강섬유는 길이 35mm와 60mm인 형상비(섬유 지름에 대한 길이 비)가 각각 65와 80인두 종류의 강섬유를 사용하였다. 섬유혼입률은 부피비 0.
- 00%인 네 종류를 선택하였다. 본 논문에 사용된 형상비 65인 강섬유의 인장강도는 1,100MPa, 형상비 80인 강섬유의 인장강도는 1,200MPa, 폴리프로필렌 섬유의 인장강도는 450MPa이다. 본 연구에서 사용된 강섬유와 폴리프로필렌 섬유의 형상 및 물리적 성질을 Table 2에 나타내었다.
- 섬유 종류가 섬유 보강 콘크리트의 휨 성능에 미치는 영향을 알아보기 위해 강섬유와 폴리프로필렌 섬유 두 종류를 사용하였다. 강섬유는 hooked-end 형태이며, 폴리프로필렌 섬유는 직선에 가로줄눈이 간 형태이다(Fig.
이론/모형
- 에너지 흡수 성능은 ASTM C-1609(2007)기준에 의해 수행된 섬유 보강보 휨 실험의 하중-처짐 선도의 면적에 의해 계산되었다. 섬유의 종류와 섬유의 형태, 혼입률에 따른 에너지 흡수 성능-처짐 선도를 Fig.
- 3(c)는 폴리프로필렌 섬유 보강보의 실험결과를 나타낸다. 처짐은 처짐 측정 장치에 설치된 2개의 변위계에서 측정된 처짐의 평균으로 하였고, 응력은 ASTM C 1609의 응력 산정식인 f = PL/bd2을 사용하여 계산하였다. 여기서, f 는 응력, P는 하중, L은 보의 지간, b는 보의 폭, d는 보의 깊이다.
성능/효과
- (1) 섬유 보강보의 균열이전의 휨 거동은 콘크리트 내에 혼입된 섬유가 콘크리트의 인장균열 성장 억제로 약간의 균열강도 향상은 보였으나, 섬유혼입률에 비례하여 증가하거나 보강 섬유 종류에 따른 차이는 나타나지 않았다. 균열이후구간에서는 콘크리트 인장균열 제어로 하중 저항성능과 처짐 저항성능이 매우 크게 향상되었다.
- (3) 섬유혼입률 증가에 따른 섬유 보강보의 최대강도 증가율은 형상비 80인 강섬유 보강보와 형상비 65인 강섬유 보강보가 거의 동일하게 나타났다. 최대강도값은 무보강보의 최대강도와 비교 시 형상비 80인 강섬유를 1.
- (4) 섬유에 의해 가장 크게 향상된 콘크리트의 휨 성능은 에너지 흡수 성능으로 형상비 80인 강섬유가 가장 효과있게 작용하였으며, 폴리프로필렌 섬유는 강섬유에 비해 다소 작은 것으로 나타났다. 그러나, 에너지 흡수 성능 T150은 폴리프로필렌 섬유 보강보와 형상비 65인 강섬유 보강보와 비슷한 에너지 흡수 성능 증가율을 보였다.
- (5) 폴리프로필렌 보강콘크리트는 강섬유에 비해 강도 및 연성 성능 향상이 다소 감소하였지만, 0.75% 혼입률 이상에서는 충분히 만족할 만한 구조적 휨 성능 향상을 보일 수 있을 것으로 판단된다. 특히, 강섬유의 0.
- 폴리프로필렌 섬유가 혼입된 보강보는 deflectionsoftening 거동을 하였지만, 강섬유에 비해 균열 이후 응력감소 현상을 지연시키는 성향이 뛰어난 것으로 판단된다. 0.5%이상의 폴리프로필렌이 혼입된 보강보는 균열이후 최대강도가 균열강도의 약 60~80%의 강도회복을 보였고, 최대강도 도달처짐은 강섬유 보강보의 약 1.8~3.6배였다.
- 0%까지 에너지 흡수 성능은 섬유 혼입률에 비례하여 증가하는 것으로 평가된다. T600은 섬유혼입률이 증가함에 따라 형상비 80인 강섬유와 형상비 65인 강섬유의 에너지 흡수 성능 증가율이 매우 비슷하게 나타났으며, 폴리프로필렌 섬유의 증가율은 강섬유에 비에 다소 작은 것으로 나타났다. 그러나, 섬유 보강보의 처짐 3.
- 0mm에서 측정된 잔류강도비 R150이다. 각 선들은 세 종류의 섬유를 혼입한 보강보의 잔류강보비를 직선회귀분석한 결과로, 잔류강도비는 섬유혼입률에 비례하여 증가하는 것으로 평가된다. 형상비 80인 강섬유의 R600은 형상비 60인 강섬유 보강보와 매우 비슷하게 나타났으며, 폴리프로필렌 섬유 보강보는 강섬유 보강보의 약 0.
- 균열이후구간에서 섬유 보강보의 응력-처짐 선도는 무보강보와는 확연히 달랐으며, 섬유에 의한 콘크리트 인장균열 제어로 하중 저항성능과 처짐 저항성능이 매우 크게 향상되었다. 특히, 본 연구에서 사용된 최소 섬유혼입률인 0.
- 에너지 흡수 성능처짐 선도는 섬유의 종류 및 형태, 섬유 혼입률에 큰 영향을 받았다. 그러나 선도의 형태는 섬유의 종류 및 형태, 섬유 혼입률에 거의 영향을 받지 않았으며, 처짐이 증가할수록 에너지 흡수 성능은 거의 선형적으로 증가하였다.
- 25% 폴리프로필렌 섬유 보강보는 강섬유 보강보에 비해 콘크리트 균열 발생 직후 응력의 감소가 크게 나타났다. 그러나, 0.5%이상 혼입된 폴리프로필렌 보강보에서는 균열강도 이후 응력이 서서히 증가하여 파괴거동을 개선하는 효과가 나타났다.
- 46배로 작게 나타났다. 그러나, R150에서는 형상비 80인 강섬유 보강보의 잔류강도비가 증가하여 형상비 65인 강섬유 보강보보다 우수한 것으로 평가되었다. 폴리프로필렌 섬유 보강보도 R600에 비해 R150의 잔류강도비가 증가하였다.
- T600은 섬유혼입률이 증가함에 따라 형상비 80인 강섬유와 형상비 65인 강섬유의 에너지 흡수 성능 증가율이 매우 비슷하게 나타났으며, 폴리프로필렌 섬유의 증가율은 강섬유에 비에 다소 작은 것으로 나타났다. 그러나, 섬유 보강보의 처짐 3.0mm에서 측정한 에너지 흡수 성능 T150은 형상비 80인 강섬유 보강보가 형상비 65인 강섬유에 비해 우수한 에너지 흡수 성능을 보였으며, 폴리프로필렌 섬유 보강보는 형상비 65인 강섬유의 에너지 흡수 성능 증가율과 비슷하였다. 이는 폴리프로필렌 섬유 보강보는 균열 이후 구간에서 응력감소현상을 지연시켜 에너지 흡수 성능이 증가하는 것으로 판단된다.
- 75%가 혼입된 보강 콘크리트의 에너지 흡수 성능은 폴리프로필렌 1% 보강 콘크리트와 거의 비슷한 성능을 발휘하는 것으로 판단된다. 그리고, 강섬유 혼입률이 0.25%이하, 폴리프레필렌 섬유 혼입률이 0.5%이하인 보강콘크리트의 경우 휨 성능의 증가가 크지 않아 적용 시 주의가 필요할 것으로 여겨진다.
- 폴리프로필렌 섬유 보강보는 앞서 기술한 바와 같이, 모든 보강보에서 콘크리트 균열 이후 최대응력이 균열강도를 초과하지 않는 deflection-softening 거동을 하였다. 다만 0.5%이상 혼입된 보강보는 균열 이후 최대강도에 도달할 때까지 응력은 지속적으로 증가하였으며, 균열 이후 최대강도는 균열강도의 약 60~80%의 강도회복을 나타냈다. 섬유혼입률이 1.
- 따라서, 본 연구에서는 섬유 혼입률 1%이하에서의 혼입률 변화에 따른 35mm와 60mm 길이의 강섬유에 대한 휨 강도와 균열강도 그리고, 균열 이후의 잔류강도, 에너지 흡수 성능 등을 평가하였다. 또한, 화학적인 안정성과 우수한 내구성, 경제성 등으로 우수한 보강 재료로 평가되어지고 있는 폴리필렌섬유 보강 콘크리트에 대해서도 동일한 섬유혼입률에 따른 균열 전 ․ 후의 휨 성능을 평가함으로써 deflection-hardening 거동으로 향상시킬 수 있는 섬유혼입률을 규명하였다.
- 그러나, 에너지 흡수 성능 T150은 폴리프로필렌 섬유 보강보와 형상비 65인 강섬유 보강보와 비슷한 에너지 흡수 성능 증가율을 보였다. 무보강보에 비해 형상비 80인 강섬유를 1.0% 혼입한 보강보의 에너지 흡수 성능은 약 173배, 형상비 65인 강섬유를 1.0% 혼입한 보강보는 약 131배, 폴리프로필렌 섬유를 1.0% 혼입한 보강보의 에너지 흡수 성능은 약 95배 증가하였다.
- 5% 이하의 강섬유 보강보는 균열 발생 직후 강도감소가 나타나 균열 이후 구간에서 균열강도 이상의 강도를 회복하지 못하였다. 섬유가 0.75% 혼입된 보강보는 균열 발생 직후 응력의 감소는 거의 나타나지 않았으며, 최대응력은 균열강도와 거의 비슷하게 측정되었다. 섬유가 1.
- 5% 이하인 경우 강도 감소가 나타났으며, 이 후의 강도는 균열강도를 회복하지 못하였다. 섬유가 0.75%와 1.0% 혼입된 보강보는 균열 발생 후에도 최대강도에 도달할 때까지 강도가 지속적으로 증가하였다. 따라서 형상비 80 혼입률 0.
- 75% 혼입된 보강보는 균열 발생 직후 응력의 감소는 거의 나타나지 않았으며, 최대응력은 균열강도와 거의 비슷하게 측정되었다. 섬유가 1.0% 혼입된 보강보는 균열 발생 후에도 응력감소현상이 발생하지 않고, 최대강도에도달할 때까지 응력이 지속적으로 증가하였다. 최대강도 도달 시 처짐은 약 0.
- 폴리프로필렌 섬유 보강보도 R600에 비해 R150의 잔류강도비가 증가하였다. 섬유혼입률 1.0%에 대하여 형상비 80인 강섬유 보강보의 R150은 약 1.389, 형상비 65인 강섬유 보강보는 약 1.022, 폴리프로필렌 섬유 보강보는 약 0.664로 평가되었다.
- 5%이상 혼입된 보강보는 균열 이후 최대강도에 도달할 때까지 응력은 지속적으로 증가하였으며, 균열 이후 최대강도는 균열강도의 약 60~80%의 강도회복을 나타냈다. 섬유혼입률이 1.0%인 보강보의 균열 이후 최대강도 도달 처짐은 폴리프로필렌 섬유가 약 1.8mm, 형상비 65인 강섬유가 약 0.5mm, 형상비 80인 강섬유가 1.0mm로 측정되어 폴리프로필렌 섬유가 강섬유에 비해 균열 이후 구간에서 응력감소현상을 지연시키는 성향이 뛰어난 것으로 평가된다.
- 75% 이상의 강섬유 보강보는 균열강도 도달 후 응력이 증가하는 deflection-hardening 거동을 하였다. 섬유혼입률이 높을수록 최대강도 도달 처짐도 증가하여, 혼입률 0.75%와 1.0% 섬유 보강보의 최대강도 도달 처짐은 각각 약 0.7mm, 약 1.0mm로 측정되었다.
- 22MPa로 무보강보에 비해 약 61% 증가하였다. 이는 형상비 65, 섬유혼입률 0.75%의 강섬유 보강보의 최대강도 5.44MPa 보다 약 14% 증가된 값이며, 형상비 80, 섬유혼입률 0.75%의 강섬유 보강보의 최대강도 6.73MPa와 비교 시에도 큰 차이가 나지 않았다. 그리고, 폴리프로필렌 섬유 1.
- 콘크리트의 재료적 종류가 결정되면 섬유의 종류와 섬유혼입률이 섬유 보강 콘크리트의 성능과 경제성 관점에서 가장 큰 영향을 미치는 인자라 할 수 있다. 즉, 모든 조건이 같다면, 섬유혼입률이 낮으면서 성능이 우수한 섬유 보강 콘크리트가 경제성 관점에서 유리하다.
- (3) 섬유혼입률 증가에 따른 섬유 보강보의 최대강도 증가율은 형상비 80인 강섬유 보강보와 형상비 65인 강섬유 보강보가 거의 동일하게 나타났다. 최대강도값은 무보강보의 최대강도와 비교 시 형상비 80인 강섬유를 1.0% 혼입한 보강보는 약 119%, 형상비 65인 강섬유를 1.0% 혼입한 보강보는 약 90% 증가하였다. 폴리프로필렌 섬유 보강보는 섬유 혼입률 0.
- 균열이후구간에서는 콘크리트 인장균열 제어로 하중 저항성능과 처짐 저항성능이 매우 크게 향상되었다. 특히, 강섬유 혼입률인 0.25% 이상, 폴리프로필렌 섬유는 혼입률 0.5% 이상에서 균열강도 도달 후 취성 파괴되는 무보강보의 파괴거동을 개선하는 효과가 나타났다.
- 균열이후구간에서 섬유 보강보의 응력-처짐 선도는 무보강보와는 확연히 달랐으며, 섬유에 의한 콘크리트 인장균열 제어로 하중 저항성능과 처짐 저항성능이 매우 크게 향상되었다. 특히, 본 연구에서 사용된 최소 섬유혼입률인 0.25%에서도 균열강도 도달 후 취성 파괴되는 무보강보의 파괴거동을 개선하는 효과가 있었다. 다만, 0.
- 93MPa로 나타났다. 특히, 형상비 80인 1.0% 혼입한 보강보의 잔류강도는 균열강도보다 약 38.9% 높은 것으로 나타났다.
- 34 MPa로 무보강보에 비해 약 90% 증가하였다. 폴리프로필렌 섬유 보강보는 Fig. 4에 보인 바와 같이, 섬유혼입률 0.5%까지는 뚜렷한 강도 증가를 보이지 않다가, 섬유혼입률 0.75%에서 최대강도 6.22MPa로 무보강보에 비해 약 61% 증가하였다. 이는 형상비 65, 섬유혼입률 0.
- 0% 혼입한 보강보는 약 90% 증가하였다. 폴리프로필렌 섬유 보강보는 섬유 혼입률 0.5%까지는 뚜렷한 강도 증가를 보이지 않다가, 섬유 혼입률 0.75%에서 최대강도 6.22MPa로 무보강보에 비해 약 61% 증가하였다. 이는 형상비 65, 섬유혼입률 0.
- 이는 폴리프로필렌 섬유 보강보는 균열 이후 구간에서 응력감소현상을 지연시켜 에너지 흡수 성능이 증가하는 것으로 판단된다. 형상비 80인 강섬유를 1.0% 혼입한 보강보의 에너지 흡수 성능은 무보강 보에 비해 약 173배, 형상비 65인 강섬유를 1.0% 혼입한 보강보의 에너지 흡수 성능은 무보강 보에 비해 약 131배, 폴리프로필렌 섬유를 1.0% 혼입한 보강보의 에너지 흡수 성능은 무보강보에 비해 약 95배 증가하였다.
- 0%까지 혼입률에 비례적으로 증가하는 것으로 평가된다. 형상비 80인 강섬유를 1.0% 혼입한 보강보의 최대강도는 8.47MPa이며 무보강보에 비해 약 119% 증가하였고, 형상비 65인 강섬유를 1.0% 혼입한 보강보의 최대강도는 7.34 MPa로 무보강보에 비해 약 90% 증가하였다. 폴리프로필렌 섬유 보강보는 Fig.
- 각 선들은 세 종류의 섬유를 혼입한 보강보의 에너지 흡수 성능을 직선회귀분석한 결과이다. 회귀분석한 직선은 섬유 보강보 실험결과를 잘 반영하고 있으며, 섬유 혼입률 1.0%까지 에너지 흡수 성능은 섬유 혼입률에 비례하여 증가하는 것으로 평가된다. T600은 섬유혼입률이 증가함에 따라 형상비 80인 강섬유와 형상비 65인 강섬유의 에너지 흡수 성능 증가율이 매우 비슷하게 나타났으며, 폴리프로필렌 섬유의 증가율은 강섬유에 비에 다소 작은 것으로 나타났다.
- 각 선들은 세 종류의 섬유를 혼입한 보강보의 잔류강도를 직선회귀분석한 결과이다. 회귀분석한 직선은 섬유 보강보 실험결과를 잘 반영하고 있으며, 잔류강도는 섬유혼입률에 비례하여 증가하는 것으로 평가된다. 섬유혼입률에 대한 잔류강도는 앞에서 언급한 에너지 흡수 성능과 유사하게 나타났다.
후속연구
- 향후 연구에서는 폴리프로필렌 섬유의 인장강도 증가에 따른 섬유 보강 콘크리트의 휨 실험을 수행하고 본 연구의 폴리프로필렌 섬유 및 강섬유 보강 콘크리트의 강도 및 연성성능 평가 결과와 비교 검토할 필요가 있다.
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