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문제 정의
- 따라서, 본 연구는 교량, 도로포장, 터널 및 농업수리구조 물과 같은 휨적 특성이 고려되는 구조물에 적용하기 위해 설계 압축강도 21 MPa에 해당되는 EVA와 폴리프로필렌 섬유를 혼입한 폴리프로필렌 섬유보강 EVA 콘크리트를 개발하였으며, 압축강도, 휨강도를 고찰하여 적정성여부를 평가한한 후, 휨 특성을 ASTM C 1609에 준하여 구해진 휨 하중-처짐곡선을 통해 휨 성능을 평가함으로써, EVA와 폴리프로필렌 섬유 혼입이 콘크리트의 휨 특성에 미치는 영향을 실험적으로 고찰하였다.
- 본 연구는 레미콘 배합을 근거로 재령 28일 압축강도 21 MPa이상, Slump 12±2.5 cm, 공기량 4.5±1.5 %에 적합한 배합을 설정하였고, 현장 사용성을 위해, 이에 적합한 EVA 혼입유무에 따른 PP 섬유 혼입률을 변화시켜 휨 성능을 ASTM C 1609로 평가하였으며, 얻어진 결과를 요약하면 다음과 같다.
제안 방법
- 공시체 제작 후 시험실내에서 양생포로 덮은 다음 24시간 이후 탈형하였으며, 양생방법으로는 초기 3일까지 수중양생을 하고, 3일 이후 소정의 재령까지 20±3 °C, 습도 60 %에서 기건양생을 실시하였다.
- 5 %, 재령 28일의 설계기준강도 21 MPa 이상이 되도록 예비실험을 통해 기준배합 (E0P0)을 결정하였다. 기준배합의 조건을 만족하는 범위 에서 EVA와 PP섬유를 콘크리트에 혼입함으로서 발생하는 역학적 특성 효과를 알아보기 위해, EVA 혼입률을 결합재 중량의 0 % (series 1)와 5.0 % (series 2)으로 하였고, EVA 혼입률에 따른 PP섬유 혼입률은 각각 0 %, 0.1 %, 0.2 %, 0.3 %, 0.4 %, 0.5 %로 하였다. 한편, 유동성 향상 및 W/B감소를 위하여 고성능 AE 감수제를 결합재 중량의 0.
- 배합설계는 플라이 애시 10 %를 혼입한 레미콘 배합을 기준으로 슬럼프 12±2.5 cm, 공기량 4.5±1.5 %, 재령 28일의 설계기준강도 21 MPa 이상이 되도록 예비실험을 통해 기준배합 (E0P0)을 결정하였다.
- 압축강도시험은 현장 적용성을 위해 재령 28일 설계기준 강도 이상의 강도가 발현되는지 여부를 확인하기 위해 Φ 100 × 200 mm인 공시체를 KS F 2405 (콘크리트의 압축강도 시험 방법)에 준하여 재령 7일, 28일에 측정하였다.
- 휨 성능 시험은 ASTM C 1609 (standard test method for flexural performance of fiber-reinforced concrete using beam with third-point loading)에 준하여 재령 28일에 시행하였으며, 100×100×400 mm 공시체의 하중과 중앙점 처짐량을 측정하기 위해 만능시험기 (UTM) 및 일본 S사 제품의 용량 25 ton의 B-Type, Auto-Gragh를 이용하였다. 하중-처짐 곡선을측정하기 위하여 공시체 중앙부에 변위계(LVDT)가 정착된 측정 프레임을 설치하여 변위를 측정하였고, 실제 변위를 정확하게 구하기 위해 공시체 좌우에 2개의 LVDT로 상대 변위를 측정하였으며, 이들 변위를 통하여 하중-처짐 곡선을 구하였다.
- , 2014). 한편, 본 연구에서는 최대휨강도와 휨 인성지수를 구하여 휨 성능을 평가하였다.
- 5 %로 하였다. 한편, 유동성 향상 및 W/B감소를 위하여 고성능 AE 감수제를 결합재 중량의 0.8 %를 사용하였고, EVA 사용에 따른 불필요한 공기의 발생을 방지하기 위해 분말소포제를 EVA량의 0.5 %를 사용하였으며, 이에 대한 배합설계는 Table 7과 같다.
- 휨강도시험은 휨성능 시험 및 평가 전에 휨강도 발현에 대한 특성을 확인하기 위해 60×60×240 mm인 공시체를 KS F 2408 (콘크리트의 휨강도 시험방법)에 준하여 재령 7일, 28 일에 측정하였다.
대상 데이터
- 굵은골재는 대전지역의 석산에서 파쇄된 쇄석을, 잔골재는 금강유역에서 채취한 천연모래를 사용하였으며, 이에 따른 물리적 성질은 Table 2와 같다.
- 시멘트는 국내 S사 제품인 보통 포틀랜드 시멘트를 사용하였으며, 그 물리적 성질과 화학성분은 Table 1과 같다.
- 압축강도 공시체는 KS F 2405에 준하여 Φ 100 × 200 mm 인 공시체를 제작하였고, 휨강도 공시체는 KS F 2408에 준하여 60×60×240 mm인 공시체를 제작하였으며, 휨 성능 공시체는 ASTM C 1609에 준하여 100×100×400 mm 공시체를 제작하였다.
- 입경이 0.15 mm이하인 플라이 애시 (KS L 5405)를 사용 하였으며, 그 물리적 성질과 화학성분은 Table 4와 같다.
- 혼화제는 고성능 AE 감수제와 분말소포제를 사용하였으며, 그 일반적 성질은 Table 5, 6과 같다.
이론/모형
- 휨 성능 시험은 ASTM C 1609 (standard test method for flexural performance of fiber-reinforced concrete using beam with third-point loading)에 준하여 재령 28일에 시행하였으며, 100×100×400 mm 공시체의 하중과 중앙점 처짐량을 측정하기 위해 만능시험기 (UTM) 및 일본 S사 제품의 용량 25 ton의 B-Type, Auto-Gragh를 이용하였다.
성능/효과
- 1. 압축강도는 모든 배합에서 재령 28일에 21 MPa 이상을 만 족하였고, 동일한 PP섬유 혼입률에서 EVA를 혼입한 series 2가 EVA를 혼입하지 않은 series 1에 비해 상대적으로 크게 나타났으며, EVA를 혼입한 PP섬유 혼입률 0.1 % 인 E5P1 에서 최대값을 나타내었다.
- 2. 휨강도는 series 1과 series 2에서 PP섬유 혼입률 0.2 %에서 각각 최대로 나타났고, 동일한 PP섬유 혼입률에서는 series 2가 series 1에 비해 상대적으로 크게 나타났으며, EVA를 혼입한 PP섬유 혼입률 0.2 %인 E5P2에서 최대값을 나타내었다.
- 3. 휨 하중-처짐 곡선에서 균열 시 발생하는 하중은 휨강도의 경향과 비슷하게 나타났으며, PP섬유 혼입하지 않은 배합을 제외한 모든 배합에서 균열 후 잔류하중이 최대하중에 비해 작은 deflection-softening 거동을 하였다. 또한, PP 섬유 혼입률 0.
- 4. ASTM C 1609에서 평가한 휨강도는 KS F 2408에 준하여 구한 휨강도 경향과 유사한 경향을 보였으며, 휨 인성지수는 EVA 혼입률과 상관없이 PP섬유 혼입률 0.2 %에서 나타나기 시작하여, PP섬유 혼입률 0.4 %에서 최대로 나타났다. 또한, 동일한 PP섬유 혼입률에서는 series 2가 series 1 에 비해 상대적으로 크게 나타났다.
- 5. 압축강도 및 휨강도 발현 상태와 휨성능 등 전반적인 시험 결과를 고려할 경우, EVA 5.0 % 혼입한 PP섬유 0.4 %인 E5P4가 가장 실용성이 있는 배합이라 판단된다.
- Fig. 2에서 보는 바와 같이, 재령 7일 및 28일 압축강도는 series 1의 경우 각각 17.5~19.1 MPa 및 21.1~23.5 MPa, series 2의 경우 각각 18.8~20.7 MPa 및 22.5~25.3 MPa로 나타나, 모든 배합이 재령 28일 설계기준강도 21 MPa 이상을 만족하였으며, EVA 혼입률에 상관없이 PP섬유 혼입률 0.1%에서 압축강도가 가장 큰 값을 나타내는 경향을 보였다. 또한, 같은 양의 PP섬유 혼입률일 경우, series 2가 series 1에 비해 상대적으로 압축강도가 크게 나타나는 경향을 보였다.
- PP섬유 혼입률 0.2 % 이상에서의 휨 인성지수는 series 1은 10.63~22.43 KN·mm, series 2는 18.16~26.17 KN·mm로 나타났으며, PP섬유 0.4 %에서 최대치가 나타난 후 감소하였다.
- 0 mm이상에서 파괴되는 경향을 보였다. PP섬유 혼입률 0.4 % 이상인 E0P4, E0P5, E5P4, E5P5는 처짐이 증가할수록 잔류하중이 감소하다가 증가한 후 다시 감소하는 곡선의 형태를 보였으며, 처짐 3.0 mm 이상 에서 파괴되는 경향을 보였다. 한편, 같은 PP섬유 혼입에 대한 균열발생구간부터 최종파괴 이전까지의 잔류하중 및 처짐은 series 2가 series 1에 비해 다소 높은 값을 나타내는 경향을 보였다.
- 또한, EVA 혼입여부와 상관없이 PP섬유를 혼입하지 않은 E0P0와 E5P0는 균열하중이 발생하는 순간 파괴가 되는 경향을 보였으며, PP섬유 혼입률 0.1 % , 0.2 % 및 0.3 %를 혼입한 E0P1, E0P2, E0P3, E5P1, E5P2, E5P3은 초기균열이 발생한후 급격하게 하중감소가 발생하였고, 일정구간 잔류하중을 유지한 후 PP섬유 혼입률 0.1 %는 처짐 1.2 mm 부근에서, 0.2%는 2.2~2.4 mm에서, 0.3 %는 3.0 mm이상에서 파괴되는 경향을 보였다. PP섬유 혼입률 0.
- 휨 하중-처짐 곡선에서 균열 시 발생하는 하중은 휨강도의 경향과 비슷하게 나타났으며, PP섬유 혼입하지 않은 배합을 제외한 모든 배합에서 균열 후 잔류하중이 최대하중에 비해 작은 deflection-softening 거동을 하였다. 또한, PP 섬유 혼입률 0.3 % 이상 시 처짐 3.0 mm이상에서 파괴가 이루어졌으며, 혼입률 0.4 % 이상에서는 잔류하중이 다소 증가한 후 감소하는 경향을 보였다.
- 이와 같이 휨 하중-처짐곡선을 분석한 결과, series 1과 series 2는 전반적으로 PP섬유 혼입률 0.4 %이상 시 휨 거동의 개선효과가 증가 되었으나, series 2가 series 1에 비해 균열 발생 이후 잔류하중 및 처짐이 증가하여 EVA가 휨 성능 개선에 다소 효과적인 것으로 나타났다. 이는 PP섬유의 인장균열 성장을 억제 및 처짐 발생 지연효과와 더불어 EVA에 의해 생성된 폴리머 필름에 의한 탄성적 성질에 의해 휨 성능이 개선된 것으로 판단된다(Cho et al.
- 최대휨강도는 EVA 5.0 %와 PP섬유 혼입률 0.2 %인 E5P2에서 재령 7일 5.6 MPa와 재령 28일 7.1 MPa로 가장 크게 나타났고, control의 재령 7일 4.4 MPa와 재령 28일 6.4 MPa에 비해 각각 27.3 %와 10.9 % 크게 나타났다. 이는 기존의 연구 결과에서 EVA를 일정량 혼입 시, 폴리머 필름 생성에 따른 탄성적 성질 및 시멘트 매트릭스간의 부착력 증대로 휨강도가 증가할 뿐만 아니라 PP섬유의 가교작용에 의해 강도가 증가된 것이며, 기존 강섬유 보강 EVA 콘크리트에 의한 휨강도 증가의 결과와 유사한 것으로 판단된다.
- 2 %에서 최대값이 나타났고, EVA를 혼입한 series 2가 series 1보다 휨강도가 크게 나타났다. 특히, Series 2의 E5P2에서 5.3 MPa로 control의 4.7 MPa에 비해 약 12.8 %가 크게 나타났는데, 이는 KS F 2408에 의해 구한 휨강도의 경향과 유사하였으나, 휨강도 발현은 작게 나타났다.
- 특히, series 2의 EVA 5.0 %와 PP섬유 0.4 %인 E5P4에서 26.17 kN·mm로 휨 인성지수가 가장 크게 나타나 휨성능이 가장 우수하였다.
- 폴리프로필렌 섬유보강 콘크리트의 재령별 휨강도 시험결과는 Fig. 3에서 보는 바와 같이 재령 7일 및 28일의 휨강도는 series 1의 경우 4.4~4.6 MPa와 6.2~6.8 MPa, series 2의 경우 4.7~5.6 MPa와 6.5~7.1 MPa로 나타났으며, EVA 혼입률과 상관없이 PP섬유 혼입률 0.2 %에서 휨강도가 최대값을 나타낸 후, 혼입률 0.3 %이후에는 감소하는 경향을 보였다. 한편, 같은 양의 PP섬유 혼입률일 경우, series 2가 series 1에 비해 상대적으로 휨강도가 크게 나타나는 경향을 보였다.
- 또한, 같은 양의 PP섬유 혼입률일 경우, series 2가 series 1에 비해 상대적으로 압축강도가 크게 나타나는 경향을 보였다. 한편, 재령 7일 및 28일의 최대압축강도는 EVA 5.0 %와 PP섬유 혼입률 0.1 %인 E5P1에서 20.7 MPa 및 25.3 MPa로 가장 크게 나타났으며, E0P0의 재령 7일 및 28일의 압축강도 18.9 MPa 및 23.3 MPa에 비해 각각 9.5 %와 8.6 % 크게 나타났다. 이러한 결과는 EVA의 우수한 분산성과 구형의 입자에 의해 볼베어링 효과로 W/B가 감소하고, 폴리필름 형성으로 콘크리트 내부조직이 치밀해져 압축강도가 증가되나, PP섬유 혼입함으로서 W/B가 상승하고, 콘크리트 내의 공극이 증가하여 폴리머 시멘트 매트릭스와 섬유간의 접착력 저하로 이루어져 압축강도가 감소된다는 기존 연구결과와 유사하였다(Kwon et al.
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