콘크리트는 인장거동에 취약하므로 적절한 보강재를 필요로 한다. 또한 시멘트 클링커 생산시 발생하는 $CO_2$로 인해 시멘트 사용량을 줄이려는 연구가 시도되고 있다. 본 연구에서는 폴리프로필렌 섬유와 왕겨재를 혼입한 콘크리트의 공학적 성능을 평가하였다. 섬유재는 0.125~0.375%의 수준을, 왕겨재는 0~20% 치환률을 고려하여 콘크리트 배합을 준비하였으며, 압축강도, 쪼갬인장강도, 휨강도와 균열폭, 내충격성, 인발특성을 평가하였다. 또한 섬유재 혼입률, 섬유재 길이, 왕겨재의 혼입률을 고려하여 실험결과를 분석하였다. 인장특성에 대해서는 섬유재의 혼입량이, 강도특성에서는 왕겨재의 혼입률이 지배적이었으며, 0.125%의 섬유재 혼입과 10% 왕겨재 치환인 배합에서 가장 효과적인 공학적 특성이 발현되었다. 적절한 왕겨재 및 섬유재의 혼입은 다양한 공학적 특성을 강화시킬 뿐 아니라 친환경적인 측면에서도 유리하다고 판단된다.
콘크리트는 인장거동에 취약하므로 적절한 보강재를 필요로 한다. 또한 시멘트 클링커 생산시 발생하는 $CO_2$로 인해 시멘트 사용량을 줄이려는 연구가 시도되고 있다. 본 연구에서는 폴리프로필렌 섬유와 왕겨재를 혼입한 콘크리트의 공학적 성능을 평가하였다. 섬유재는 0.125~0.375%의 수준을, 왕겨재는 0~20% 치환률을 고려하여 콘크리트 배합을 준비하였으며, 압축강도, 쪼갬인장강도, 휨강도와 균열폭, 내충격성, 인발특성을 평가하였다. 또한 섬유재 혼입률, 섬유재 길이, 왕겨재의 혼입률을 고려하여 실험결과를 분석하였다. 인장특성에 대해서는 섬유재의 혼입량이, 강도특성에서는 왕겨재의 혼입률이 지배적이었으며, 0.125%의 섬유재 혼입과 10% 왕겨재 치환인 배합에서 가장 효과적인 공학적 특성이 발현되었다. 적절한 왕겨재 및 섬유재의 혼입은 다양한 공학적 특성을 강화시킬 뿐 아니라 친환경적인 측면에서도 유리하다고 판단된다.
Concrete, as a construction material, needs suitable reinforcement for tensile region due to weak tensile strength. Many researches on cement reduction have been attempted for $CO_2$ emissions during cement clinker production. In this paper engineering properties of concrete enhanced with...
Concrete, as a construction material, needs suitable reinforcement for tensile region due to weak tensile strength. Many researches on cement reduction have been attempted for $CO_2$ emissions during cement clinker production. In this paper engineering properties of concrete enhanced with polypropylene fiber (PPF) and rice husk ash (RHA) are evaluated. Fiber volume ratios of 0.125~0.375 and RHA replacement ratio of 0~20% are considered for concrete mixture. Lots of test including compressive, split, flexural and the related crack width, impact energy, and pull out test are performed and the results are evaluated considering the fiber ratios, fiber length and RHA replacement. Fiber and RHA ratios have dominant effects on tensile and compressive characteristics respectively, and the concrete with 0.125% of PPF and 10% of RHA shows the most effective enhancement for engineering properties. Appropriate addition of RHA and PPF are very effective both for engineering property enhancement and clean technology.
Concrete, as a construction material, needs suitable reinforcement for tensile region due to weak tensile strength. Many researches on cement reduction have been attempted for $CO_2$ emissions during cement clinker production. In this paper engineering properties of concrete enhanced with polypropylene fiber (PPF) and rice husk ash (RHA) are evaluated. Fiber volume ratios of 0.125~0.375 and RHA replacement ratio of 0~20% are considered for concrete mixture. Lots of test including compressive, split, flexural and the related crack width, impact energy, and pull out test are performed and the results are evaluated considering the fiber ratios, fiber length and RHA replacement. Fiber and RHA ratios have dominant effects on tensile and compressive characteristics respectively, and the concrete with 0.125% of PPF and 10% of RHA shows the most effective enhancement for engineering properties. Appropriate addition of RHA and PPF are very effective both for engineering property enhancement and clean technology.
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문제 정의
본 절에서는 RHA 혼입률 및 PPF 치환률에 따른 인발강도 결과를 정리하였다. [그림 17]에서는 인발강도용 시편 제조에 대해 나타내고 있으며, 그 결과를 [그림 18]에 나타내었다.
제안 방법
시멘트, 섬유, RHA를 투입하고 이후 골재를 투입하여 건비빔을 90초동안 수행하고 정해진 배합수가 투입된 후 콘크리트 믹싱을 수행하였다. 24시간 기건 양생 후 몰드를 해체하였으며 28일 수중양생을 거친 뒤 관련 시험을 수행하였다. [표 4]에서는 본 연구를 위한 배합을 나타내고 있다.
500×100×100 mm의 보 몰드가 휨 시험을 위해 제조되었으며, 최종 파괴후의 하중 및 변위를 측정하였다.
375 %로 각각 고려하였다. 또한 OPC 콘크리트 이외에 RHA 치환률에 대해 0 %, 10 %, 20 %의 세 가지 수준을 고려하였다. w/c를 0.
본 연구에서는 OPC (Ordinary Porlant Cement) 및 RHA를 혼입한 콘크리트를 제조하고 폴리프로필렌 섬유 (PPF: Polypropylene fiber)를 0.125∼0.375% 체적비로 혼입하여 다양한 역학적 특성을 시험하였다.
본 절에서는 자유낙하에 따른 내충격성 평가를 정리하였는데, l=20 mm 인 결과가 전반적으로 양호하게 평가되었으므로 이 조건에서 시험을 수행하였다. [그림 14]에서는 배합조건에 따른 충격에너지 (Impact energy)를 나타내었으며, [그림 15]에서는 RHA 혼입률에 따른 충격에너지를 도시하였다.
본 절에서는 휨시험을 통하여 PPF 섬유보강 RHA 및 OPC 콘크리트의 거동을 분석하였으며, 균열폭의 변화도 함께 평가하였다. [그림 10]에서는 휨강도 시험사진을 나타내고 있으며, [그림 11]에서는 배합에 따른 따른 최대하중을 나타내었다.
본 연구에서 사용된 RHA는 인도산으로 650℃에서 소성된 일반 RHA를 사용하였다. 섬유재의 길이는 20mm, 40 mm를 각각 고려하였으며, 섬유재의 혼입비는 0.125 %, 0.250 %, 0.375 %로 각각 고려하였다. 또한 OPC 콘크리트 이외에 RHA 치환률에 대해 0 %, 10 %, 20 %의 세 가지 수준을 고려하였다.
시멘트, 섬유, RHA를 투입하고 이후 골재를 투입하여 건비빔을 90초동안 수행하고 정해진 배합수가 투입된 후 콘크리트 믹싱을 수행하였다. 24시간 기건 양생 후 몰드를 해체하였으며 28일 수중양생을 거친 뒤 관련 시험을 수행하였다.
Pull out test을 위해 100×100×100 mm 시편이 준비되었으며 몰드 바닥면으로부터 10 mm의 거리를 두어 중앙에 철근을 매립하였다. 시험을 위하여 60 톤급의 UTM이 사용되었는데 최종 인발길이가 0.25 mm일 때의 하중을 부착응력으로 평가하였다. 열처리된 직경12 mm, 길이 70 mm의 철근 (TMTS: Thermo mechanically treated steel)이 부착성능평가를 위해 사용되었으며, IS 2770-67에 따라 시험이 수행되었다.
FA (Fly Ash)와 PPF를 동시에 사용한 연구는 상당수 있으나, RHA와 같이 비교적 최근에 시도되는 혼화재료에 PPF를 적용한 연구는 매우 제한적이다. 이를 위해 압축강도, 휨강도, 쪼갬 인장강도, 내충격성, 부착성이 평가되었으며, 섬유재의 길이를 20mm 및 40mm로 구분하여 섬유길이에 대한 효과를 추가적으로 분석하였다.
정해진 높이에서 560 g의 무게추를 300×230×10 mm의 크기를 가진 시편 중앙에 떨어뜨려 균열 및 파괴양상을 평가하였다.
지름 60mm, 높이 100mm 실린더 시편을 사용하여 쪼갬 인장강도 시험을 수행하였다. 시편은 세 개를 제조 하여 평균값을 사용하였으며, ASTM C 496에 따라 시험을 수행하였다.
일반적으로 골재와 시멘트를 믹싱한 후 섬유재를 넣고 다시 비비고 배합수를 넣는 것이 엉김을 최대한 방지할 수 있다. 최근 들어서는 섬유간의 반발력을 유도하여 에스테르를 모재로 한 분산제 섬유 코팅 기술도 적용되고 있으나 본 연구에서는 분산제를 혼입하지 않고 일반적인 비빔을 수행하였다.
대상 데이터
100×100×100mm 정육면체 몰드가 압축강도 시험을 위해 사용되었으며, 세 개의 시편을 제조하여 평균값을 사용하였다.
[그림 17]에서처럼 IS 2700 code 에서는 국부파괴 방지를 위해 시편 내부에 코일을 설치하도록 되어 있다. 내충격성 시험과 마찬가지로 l=20mm 인 섬유재만 사용하여 시험을 수행하였다.
본 연구에서 사용된 RHA는 인도산으로 650℃에서 소성된 일반 RHA를 사용하였다. 섬유재의 길이는 20mm, 40 mm를 각각 고려하였으며, 섬유재의 혼입비는 0.
실험을 위해 결합재로 OPC 및 RHA가 준비되었으며, 0.125∼0.375% 체적비로 PPF가 준비되었다.
25 mm일 때의 하중을 부착응력으로 평가하였다. 열처리된 직경12 mm, 길이 70 mm의 철근 (TMTS: Thermo mechanically treated steel)이 부착성능평가를 위해 사용되었으며, IS 2770-67에 따라 시험이 수행되었다.
이론/모형
500×100×100 mm의 보 몰드가 휨 시험을 위해 제조되었으며, 최종 파괴후의 하중 및 변위를 측정하였다. 또한 파괴된 시편에 대하여 균열 폭이 측정되었는데, ASTM C 78-09에 따라 시험이 수행되었다.
지름 60mm, 높이 100mm 실린더 시편을 사용하여 쪼갬 인장강도 시험을 수행하였다. 시편은 세 개를 제조 하여 평균값을 사용하였으며, ASTM C 496에 따라 시험을 수행하였다.
성능/효과
1) RHA의 혼입을 통해 압축강도 개선은 크게 향상 되었는데, RHA 10 % 수준일 경우 161 %의 강도증가를 나타내었다. RHA가 20 % 이상 혼입될 경우 시멘트량이 줄어들어 충분한 알칼리가 공급되지 않으므로 10 % 전후의 치환률이 적정하다고 판단된다.
2) 쪼갬인장강도 평가에서는 PPF의 섬유길이에 대한 영향은 크지 않았다. 최대값은 40 mm 섬유재를 0.
3) 내충격성 평가에서는 섬유재 혼입량이 주된 영향인자로 평가되었는데, 이는 방향성이 없는 균열의 진전에 섬유 혼입량이 지배적인 영향을 미치기 때문이다. 인발시험에서는 인발시의 극한강도만이 평가되므로 섬유재의 영향과 RHA 혼입률이 동시에 지배적으로 작용하였다.
4) RHA는 10 %정도의 치환률과 20 mm 섬유재 0.125 % 첨가하였을 때, 가장 효과적인 공학적 거동을 나타내었다. 10 % 이상 RHA를 혼입시 포졸란 반응을 극대화시킬 수 있는 단위 시멘트량이 초기재령에서 부족할 수 있으며, 섬유 혼입재가 길이 40 mm 섬유재가 0.
RHA 치환률에 따른 휨강도의 변화는 [그림 13]에 나타내었는데, 압축강도와 비슷한 경향을 가지고 있다. l=40mm 보다 l=20mm 우수하게 평가되었으며, 20% 치환률에서는 약간 감소함을 알 수 있다.
250 % 수준까지 균열폭이 꾸준히 증가하였다. 또한 RHA 10 % 혼입한 경우에 휨강도 개선 및 균열폭 증가를 가장 효과적으로 유도할 수 있었다.
그러나 [그림 12]에서처럼 균열폭은 크게 증가하였는데, 이는 섬유재 혼입에 따라 취성파괴가 연성파괴로 바뀌면서 안정적인 파괴로 유도된 것이다. 섬유재 길이 20 mm, 40 mm 모두 0.250 % 이상 혼입률에서는 큰 영향이 없었으나 혼입률에 따라 최대 균열폭이 꾸준히 증가하였다. 균열폭은 40 mm 보다 20 mm에서 더 크게 진행되었는데, 이는 휨저항 능력이 유지되고 균열이 증가하면서 안정적인 파괴가 발생한 것이다.
전체적으로 압축강도에 비하여 높은 증가가 발생하였는데, 이는 섬유재의 브리징 효과가 주된 원인이다[2][3]. 섬유재를 혼입하지 않은 경우에서는 RHA 10 % 혼입시 가장 높은 강도(2.15 MPa)가 평가되었다. 압축강도 평가와는 다르게 섬유재 길이 효과는 뚜렷하지 않았으며, 혼입량이 증가할수록 인장강도가 크게 발현되었다.
[그림 14]에서는 배합조건에 따른 충격에너지 (Impact energy)를 나타내었으며, [그림 15]에서는 RHA 혼입률에 따른 충격에너지를 도시하였다. 실험결과 내충격성에서는 RHA의 치환률 보다는 섬유재의 혼입이 지배적으로 나타났다. 이는 충격에서 대해 방향이 일정하지 않는 균열이 발생하므로 섬유재가 많을수록 무방향성 균열에 대해 내충격성이 증가하는 것으로 판단된다.
15 MPa)가 평가되었다. 압축강도 평가와는 다르게 섬유재 길이 효과는 뚜렷하지 않았으며, 혼입량이 증가할수록 인장강도가 크게 발현되었다. 또한 이런 효과는 섬유재가 긴 경우(l=40mm)에서 안정적인 결과를 보이고 있다.
인발강도 평가에서 OPC 에서는 6.91 MPa이 평가되었으나, OPC+0.125 %의 경우에는 최대 11.54 MPa이 평가되었고 167 %의 강도 개선효과를 나타내고 있다. [그림 19]에서는 PPF 혼입률의 영향을 나타내었는데, 0.
375 % 혼입한 경우로 196 %의 증가비를 나타내었다. 휨강도 평가에서는 내력개선효과는 크지 않았으나 섬유재를 혼입한 콘크리트의 경우 균열폭이 증가하여 취성파괴를 방지할 수 있었으며, 섬유재가 0.250 % 수준까지 균열폭이 꾸준히 증가하였다. 또한 RHA 10 % 혼입한 경우에 휨강도 개선 및 균열폭 증가를 가장 효과적으로 유도할 수 있었다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
섬유보강 콘크리트의 취성파괴를 보완하는 것은?
가장 일반적인 RC (Reinforced Concrete)는 인장부에 철근을 사용하여 인장부의 역학적 특성을 개선한 것이며, 최근 들어 섬유재 (Fiber)를 혼입하여 다양한 성능개선이 시도되고 있다. 일반적으로 섬유보강 콘크리트는 취성파괴의 단점을 개선하는데, 초기 균열유발 하중을 증가시키고 균열이 발생하더라도 미세균열을 넓게 분포시키는 브리징 효과 (Bridging effect)를 가지고 있다 [1-3]. 섬유보강 콘크리트의 균열저항성은 하중에 대한 저항성 이외에 수화 열, 건조/소성 수축균열과 같은 재료적인 균열저항성에 더욱 효과적으로 알려져 있다[4][5].
콘크리트에 폴리프로필렌 섬유와 왕겨재를 혼입한 경우 어떤 배합에서 가장 효과적인 공학적 특성이 발현되었는가?
또한 섬유재 혼입률, 섬유재 길이, 왕겨재의 혼입률을 고려하여 실험결과를 분석하였다. 인장특성에 대해서는 섬유재의 혼입량이, 강도특성에서는 왕겨재의 혼입률이 지배적이었으며, 0.125%의 섬유재 혼입과 10% 왕겨재 치환인 배합에서 가장 효과적인 공학적 특성이 발현되었다. 적절한 왕겨재 및 섬유재의 혼입은 다양한 공학적 특성을 강화시킬 뿐 아니라 친환경적인 측면에서도 유리하다고 판단된다.
콘크리트의 한계점은?
콘크리트는 재료의 수급성, 경제성, 내구성 등 오랫동안 공학적인 장점이 인정되어 온 건설재료지만, 클링커 생산이 발생하는 이산화탄소는 친환경성에 큰 문제가 되고 있다[8][9]. 시멘트 사용량을 줄이면서 기존의 성능을 개선하려는 연구는 오랫동안 시도되었는데, 대표적인 것 으로 슬래그 및 플라이 애쉬 (FA: Fly Ash)가 있다.
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