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섬유가 혼합된 시멘트 페이스트의 인장강도 특성에 관한 연구
Tensile Strength Characteristics of Cement Paste Mixed with Fibers 원문보기

韓國地盤工學會論文集 = Journal of the Korean geotechnical society, v.31 no.3, 2015년, pp.5 - 16  

박성식 (경북대학교 공과대학 토목공학과) ,  호우 야오롱 (경북대학교 공과대학 건축토목공학부 토목공학전공)

초록
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본 연구에서는 토사 또는 암반 틈새에 주입하는 그라우팅(시멘트 페이스트)에 섬유를 혼합할 경우 발생하는 인장강도의 특성을 연구하였다. 이와 같이 시멘트로 고결된 토목재료의 인장강도 평가에는 간접적인 방법으로 인장강도를 평가하는 쪼갬인장시험을 주로 사용하고 있다. 하지만, 본 연구에서는 강섬유 또는 PVA 섬유를 중량비로 0%, 0.5%, 또는 1% 혼합한 시멘트 페이스트 내에 유압 실린더를 내장한 직경 15cm, 높이 30cm의 공시체를 제작한 다음 공시체 내부에서 직접 인장력을 가하는 직접인장시험법을 개발하였다. 또한 동일한 재료로 직경 5cm, 높이 10cm 공시체를 만들어 쪼갬인장시험을 실시하여 인장강도 시험방법에 따른 시멘트 페이스트의 인장강도를 비교, 평가하였다. 각각의 공시체는 대기 중에서 7일 또는 28일 양생한 다음 인장시험을 실시하였다. 시험방법에 따른 인장강도는 내장형 실린더를 이용한 직접인장시험법이 쪼갬인장시험법 보다 96%-290% 정도 높은 값을 보였다. 한편 두 종류의 인장시험법에 대한 3차원 유한요소해석을 실시하였으며, 실험 결과와 유사하게 내장형 실린더 인장시험법이 3배 정도 높은 인장강도를 보였다. 섬유 혼합량이 1%까지 증가함에 따라 인장강도는 시험방법에 관계없이 7일 양생한 공시체는 119%-190%, 28일 양생한 공시체는 23%-131%까지 증가하였으며, 양생일수가 7일에서 28일로 증가함에 따라 인장강도는 대부분 감소하는 경향을 보였다. 대부분의 경우 강섬유가 포함된 경우보다 PVA 섬유가 포함된 경우에 약 14%-38% 정도 높은 인장강도를 보였다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

The characteristics of tensile strength of fiber-reinforced grouting (cement paste) injected into rocks or soils were studied. A tensile strength of such materials utilized in civil engineering has been commonly tested by an indirect splitting tensile test (Brazilian test). In this study, a direct t...

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

  • 기존 실험 결과(Park and Lee, 2014)에서는 내장형 실린더를 정확히 공시체 단면 중앙에 위치시키는 것이 가장 어려웠으며, 동일한 경우에도 공시체 단면 내 반력판의 위치에 따라 강도 차이가 발생하였다. 따라서 본 연구에서는 Fig. 2와 같이 내부 실린더를 공시체 단면 중앙에 고정시키는 장치를 개발하였다. 즉, 본 연구에서는 Park and Lee(2014)의 기존 연구와 달리 유압 실린더를 공시체 단면 중앙에 고정시키는 Fig.
  • 또한 모래와 같은 잔골재를 포함한 콘크리트나 숏크리트가 아닌 시멘트 페이스트 내에 포함된 섬유 종류 및 인장시험법이 인장 강도에 미치는 영향에 대한 연구 사례는 특히 부족한 실정이다. 따라서, 본 연구에서는 Park and Lee(2014)가 개발한 내장형 실린더 인장시험법을 개선한 직접인장시험법과 기존 간접인장시험법인 쪼갬인장시험을 사용하여 시멘트 페이스트의 인장강도 특성에 대하여 연구하였다. 또한 섬유 종류와 함유량이 인장강도에 미치는 영향을 분석하기 위해 PVA 섬유와 강섬유를 0%, 0.
  • 본 연구에서는 시멘트로 고결된 재료의 인장강도를 직접 평가할 수 있는 내장형 실린더 인장시험법을 개발 및 개선하였다. 이를 이용하여 시멘트 페이스트 내에 포함된 섬유의 종류와 함유량이 인장강도에 미치는 영향을 실험적으로 분석하였으며, 기존 인장시험법인 쪼갬인장시험도 실시하여 시험방법에 따른 인장강도의 차이를 연구하였다.

가설 설정

  • 수치해석에는 Mohr-Coulomb 탄소성모델을 사용하였으며, 탄성해석에 필요한 입력변수는 ν = 0.2, E = 1 × 107kPa를 사용하였으며, 소성해석에 필요한 c = 13kPa, ∅ = 35°, 그리고 팽창각은 ψ = 0°로 가정하였다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
PVA 섬유가 콘크리트 및 시멘트 보강재로 적합한 이유는? PVA 섬유는 나일론, 폴리에스터에 비해 건열수축률이 낮아서 우수한 형태 안정성을 나타내며, 열안정성이 좋은 것으로 잘 알려진 레이온보다 더욱 안정하다. 특히 시멘트와의 접착성 그리고 내알칼리성이 높기 때문에 콘크리트 및 시멘트 보강재로 아주 적합하다(Choi, 2002).
콘크리트, 모르타르, 페이스트의 장단점은? 고결제로 시멘트를 사용하는 콘크리트, 모르타르, 페이스트는 높은 압축강도를 나타내지만 상대적으로 낮은 인장강도를 가지고 있어, 철근 또는 각종 섬유를 사용하여 인장하중에 대한 보강을 실시한다. 관련 연구로, 콘크리트 내에 강섬유(steel fiber), PVA(Polyvinyl alcohol) 섬유와 같은 다양한 섬유를 혼합하여 인장력을 증진시킨 사례(Ravindrarajah and Tam, 1984; Kim and Kim, 2000; Song et al.
PVA 섬유가 레이온보다 안정한 이유는 어떠한 장점 때문인가? 1(b))는 여러 합성섬유 중에서도 고강도, 고탄성률의 우수한 물리적 특성을 가지며, 이외에도 열안정성, 내약품성, 내후성 등이 우수하기 때문에 산업용 섬유로서 널리 사용되고 있다. PVA 섬유는 나일론, 폴리에스터에 비해 건열수축률이 낮아서 우수한 형태 안정성을 나타내며, 열안정성이 좋은 것으로 잘 알려진 레이온보다 더욱 안정하다. 특히 시멘트와의 접착성 그리고 내알칼리성이 높기 때문에 콘크리트 및 시멘트 보강재로 아주 적합하다(Choi, 2002).
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참고문헌 (20)

  1. Akkaya, Y., Picka, J., and Shah, S. P. (2000), "Spatial Distribution of Aligned Short Fibers in Cement Composites", Journal of Materials in Civil Engineering, Vol.12(3), pp.272-279. 

  2. Altun, F., Haktanir, T., and Ari, K. (2007), "Effects of Steel Fiber Addition on Mechanical Properties of Concrete and RC Beams", Construction and Building Materials, 21, pp.654-661. 

  3. Choi, S.-M. (2002), "Polyvinyl Alcohol Fibers: Introduction and Manufacturing Technology", Fiber technology and industry, Vol.6, No.1/2, pp.83-95. 

  4. Dawood, E. T. and Ramli, M. (2010), "Development of High Strength Flowable Mortar with Hybrid Fiber", Construction and Building Materials, 24, pp.1043-1050. 

  5. Itasca Consulting Group (2013), PLAXIS $^{3D}$ . 

  6. Johnson, H. D. (1981), "Diametric Disc and Standard Tensile Test Correlation Study", Amarillo: Mason and Hanger-Silas Mason Co, Inc., Amarillo, TX (USA), MHSMP-81-22[R]. 

  7. Kang, S. T., Kim, Y. Y., Lee, B. Y., and Kim, J. K. (2008), "Fiber Orientation Impacts on the Flexural Behavior of Steel Fiber Reinforced High Strength Concrete", Journal of the Korea Concrete Institute, Vol.20(6), pp.731-739. 

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  9. Krishna Rao, M. V., Rathish Kumar, P., and Srinivas, B. (2011), "Effect of Size and Shape on Specimen on Compressive Strength of Glass Fiber Reinforced Concrete (GFRC)", Facta Universitatis, Vol.9, No.1, pp.1-9. 

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  11. Ma, Li-lian (1993), "Measurement of Tensile Strain-stress Curve of High Energetic Explosive", Chinese Journal of Energetic Materials, 1(3), pp.28-35. 

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  13. Park, S.-S., Kim, K.-Y., Kim, C.-W., and Choi, H.-S. (2009), "Strength Variation of Cemented Sand due to Wetting", Journal of the Korean Society of Civil Engineers, Vol.29, No.6C, pp.303-311. 

  14. Park, S.-S., Kim, Y.-S., and Lee, J.-C. (2007), "Unconfined Compressive Strength of Fiber-reinforced Cemented Sands by Fiber Reinforcement Form", Journal of the Korean Geotechnical Society, Vol.23, No.8, pp.159-169. 

  15. Park, S.-S. and Lee, J.-W. (2014), "Study on the Direct Tensile Test for Cemented Soils Using a Built-in Cylinder", Journal of the Korean Society of Civil Engineers, Vol.34, No.5, pp.1505-1516. 

  16. Patent No. 10-1327018 (2013), "Tension Test Apparatus Having Tension Test Device and Method for Tension Test". (in Korean) 

  17. Plowman, J., Smith, W., and Sheriff, T. (1974), "Cores, Cubes and the Specific Strength of Concrete", The Structural Engineer, 421-426. 

  18. Ravindrarajah, R. S. and Tam, C. T. (1984), "Flexural Strength of Steel Fibre Reinforced Concrete Beams", The International Journal of Cement Composites and Lightweight Concrete, Vol.6(4), pp. 273-278. 

  19. Song, P. S., Hwang, S., and Sheu, B. C. (2005), "Strength Properties of Nylon-and Polypropylene-fiber-reinforced Concretes", Cement and Concrete Research, 35, pp.1546-1550. 

  20. Zabihi, N. (2012), Effect of specimen size and shape on strength of concrete, Master of Science Thesis, Eastern Mediterranean University. 

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