[논문]슬러리 충전 고성능 섬유 보강 시멘트 복합체의 역학적 성능

김현욱; 이창준

doi:10.5345/jkibc.2017.17.2.167

초록
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고비율의 고로슬래그를 사용한 슬러리 충전 고성능 섬유보강 시멘트 복합체(SI-HPFRCC)의 역학적 성능을 평가하였다. SI-HPFRCC 실험체 제작을 위해 hooked-end 형의 강섬유를 6.4% 사용하였다. 재령에 따른 압축강도 및 압축인성과 휨강도 및 휨인성 실험을 통해 SI-HPFRCC의 역학적 성능을 평가하였다. 또한 섬유보강 효과를 평가하기 위해 SI-HPFRCC 실험체 제작에 사용된 슬러리 매트릭스의 압축강도 및 휨강도를 측정하였다. 실험결과 SI-HPFRCC의 휨거동이 재령에 따라 취성이 증가함을 확인하였다. 압축거동의 경우에도 재령에 따른 취성 증가를 볼 수 있었으나 그 정도는 미미하였다. 강도측면에서 볼 때 SI-HPFRCC는 슬러리 매트릭스에 비해 약 140~190%의 압축강도 증가와 440~500%의 휨강도 증가를 보였다.

Abstract ▼ AI-Helper

This research investigated the mechanical performance of slurry infiltrated high performance fiber reinforced cementitious composite (SI-HPFRCC) with high volume blast furnace slag powder. Hooked-end steel fibers (volume fraction of 6.4%) were used for the fabrication of SI-HPFRCC. A series of mecha...

This research investigated the mechanical performance of slurry infiltrated high performance fiber reinforced cementitious composite (SI-HPFRCC) with high volume blast furnace slag powder. Hooked-end steel fibers (volume fraction of 6.4%) were used for the fabrication of SI-HPFRCC. A series of mechanical performance test was conducted including strength and toughness of SI-HPFRCC in compressive and flexural mode at four different ages. Compressive and flexural strength tests of the slurry matrix at the same ages were also conducted in order to evaluate fiber reinforcing effect on the mechanical performance. The flexural response of SI-HPFRCC shows an increasing brittleness with age. The compressive response also shows an increasing brittleness with age but the degree of brittleness is much lower than the flexural case. In terms of strength, SI-HPFRCC shows about 140~190% of compressive strength improvement and 440~500% flexural strength improvement comparing to the slurry matrix.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

문제 정의

특히 고비율의 고로슬래그 혼입으로 인한 재령에 따른 SI-HPFRCC의 특성발현 정도와 섬유보강 효과를 파악하기 위해 재령에 따른 역학적인 특성 변화를 평가하였다. 이를 바탕으로 개발된 SI-HPFRCC가 방호, 방폭용 콘크리트 구조 재료로서의 사용 가능성 확인을 위한 기초자료를 제공 하고자 한다.

제안 방법

이를 이용하여 압축강도 50MPa, 인장강도 25MPa 이상을 가지는 고강도, 고인성 SI-HPFRCC를 개발하고 그 역학적 특성을 파악 하였다. 특히 고비율의 고로슬래그 혼입으로 인한 재령에 따른 SI-HPFRCC의 특성발현 정도와 섬유보강 효과를 파악하기 위해 재령에 따른 역학적인 특성 변화를 평가하였다. 이를 바탕으로 개발된 SI-HPFRCC가 방호, 방폭용 콘크리트 구조 재료로서의 사용 가능성 확인을 위한 기초자료를 제공 하고자 한다.

대상 데이터

연구에 사용된 배합은 물-결합재비 50%로 고로슬래그와 시멘트를 1:1 비율을 사용하였다. 시멘트는 S사의 1종 보통 포틀랜트 시멘트를 사용하였으며, 고로슬래그는 S사에서 제공한 분말도 4500cm²/g의 제품을 사용하였다. Table 2에 사용된 시멘트와 고로슬래그의 화학 구성비를 보인다.
실험체 제작에 사용된 강섬유로 국내 K사의 hooked-end 형태의 길이 60mm 직경 0.75mm를 가지는 원형단면의 제품을 사용하였다. (Table 3 참조).

성능/효과

1) SI-HPFRCC의 재령에 따른 휨거동은 재령이 증가함에 따라 강도는 증가하였으며 동시에 최대 하중 이후의 취성적인 성질도 함께 증가한다.
2) SI-HPFRCC의 재령에 따른 압축거동은 조기재령에서 응력-변형률 관계의 초기 선형구간 이후 약간의 변형경화 현상을 보이는 반면 후기재령에서는 초기 선형구간 이후 약간의 변형연화 현상을 보인다.
4) SI-HPFRCC의 강섬유에 의한 휨강도 증진은 약 440 ∼500% 정도로 재령에 따라 그 효과가 더 커지는 경향을 보인다. 반면 압축강도 증진은 약 140∼190% 정도로 재령에 따른 경향은 볼 수 없다.
3) SI-HPFRCC의 재령에 따른 휨강도와 휨인성 변화는 슬러리 매트릭스 강도의 증가 경향과 유사하다. 반면 압축강도와 압축인성의 변화는 슬리리 매트릭스 강도의 증가 경향과 전체적으로는 유사하나, 특정 재령구간(7일∼14일) 에서 슬러리 매트릭스 강도증가 정도보다 뛰어난 성능향상을 보인다.

후속연구

4%의 고비율 강섬유 부피비에 따른 것이다. 슬러리 매트릭스에 사용된 고비율의 고로슬래그 혼입율과 비교적 높은 물-결합재 비(0.5)에도 불구하고 25MPa 이상의 휨강도와 50MPa 이상의 압축강도를 보여줌으로서 방호, 방폭용 콘크리트 구조재료로서 충분한 역할을 할 것으로 판단된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	슬러리 충전 고성능 섬유보강 시멘트 복합체의 특징은 무엇이며 무엇을 기대할 수 있는 재료인가?	방호, 방폭용 재료에 요구되는 콘크리트의 성질로서 일반 콘크리트에 비해 우수한 강도, 인성, 균열 저항성 등을 들 수 있으며, 이러한 요구 성능을 충분히 만족하는 재료 중의 하나로 슬러리 충전 고성능 섬유보강 시멘트 복합체 (SI-HPFRCC; Slurry Infiltrated High Performance Fiber Reinforced Cementitious Composite)를 들 수 있다. SI-HPFRCC은 일반 강섬유 보강 콘크리트가 가지는 섬유 부피비 한계 2%를 훨씬 초과 하는 5∼20%의 강섬유 사용이 가능하여 보다 향상된 역학적 성능을 기대할 수 있는 재료이다.
	SIFCON은 무엇인가?	슬러리를 충전하는 방식의 섬유 보강 시멘트 복합체는 SIFCON (Slurry Infiltrated Fibrous Concrete) 이라는 명칭으로 Lankard에 의해 개발된 형태가 본격적인 연구의 시작점으로 알려져 있으며, 거푸집이나 몰드에 강섬유를 미리 채우고 점도가 낮은 시멘트 슬러리를 충진 시켜서 제작한다[5]. 본 논문에서는 SIFCON을 최근까지 다양한 방법으로 개발된 고성능 섬유 보강 시멘트 복합체 (HPFRCC; High Performance Fiber Reinforced Cementitious Composite)의 한 종류로서 정의하며 SI-HPFRCC란 용어로 대신한다.
	SI-HPFRCC의 역학적 특성이 의존하는 것은 무엇인가?	SI-HPFRCC의 역학적 특성은 사용된 섬유의 길이, 단면 크기, 형상비, 강도, 탄성계수 등의 섬유자체의 특성에 의존적이며, 동일한 섬유를 사용할 경우 사용된 섬유의 양과 슬러리 매트릭스 성능이 재료의 역학적 특성을 결정한다. 국내 생산되는 강섬유의 형상이 한정적임을 고려할 때 SI-HPFRCC의 성능 결정을 위해서는 슬러리 매트릭스의 배합 선정이 중요하다.

참고문헌 (10)

Park YJ, Kim DG, Mun GS, Han SH, Kim GY, Han CG. Impact resistance characteristics of HPFRCC depending on various fiber replacing ratio. Proceeding of Korea Institute of Building Construction; 2015 May 28-29; Yeosu, Korea. Seoul (Korea): Korea Institute of Building Construction; 2015. p. 209-10.
Kim SW, Lee JY, Bang JW, Kim KY, Park CW. Tensile strength characteristics of slurry infiltrated HPFRCC according to the fiber volume fraction. Proceeding of the Korea Concrete Institute; 2015 Oct 21-23; Gyeongju, Korea. Seoul (Korea): The Korea Concrete Institute; 2015. p. 83-4.
Cheong SH, Kim HW, Lee CJ. Flexural strength properties of slurry infiltrated HPFRCC according to steel fiber change. Proceeding of the Korea Concrete Institute; 2015 May 13-15; Gwangju, Korea. Seoul (Korea): The Korea Concrete Institute; 2015. p. 327-28.
Nam JS, Kim HS, Lee IC. Miyauchi H, Kim GY. Evaluation on the impact resistant performance of fiber reinforced concrete by high-velocity projectile and contacted explosion. Journal of the Korea Concrete Institute. 2013 Feb;25(1):107-14.

원문보기 상세보기
Lankard DR. Properties, application: slurry infiltrated fiber concrete (SIFCON). Concrete International. 1984 Dec;6(12): 44-7.
Naaman AE, Homrich JR. Tensile stress-strain properties of sifcon. ACI Material Journal. 1989 May;86(3):244-51.
Naaman AE, Otter D, Najm H. Elastic modulus of SIFCON in tension and compression. ACI Material Journal. 1992 Nov;88(6):603-31.
Rao HS, Ramana NV. Behaviour of slurry infiltrated fibrous concrete (SIFCON) simply supported two-way slab in flexure. Indian Journal of Engineering & Material Sciences. 2005 Oct;12(5):427-33.
ASTM C1609/C1609M-12. Standard Test Method for Flexural Performance of Fiber-Reinforced Concrete. ASTM International. West Conshohocken, PA. 2012.
JSCE-SF5. Method of Test for Compressive Strength and Compressive Toughness of Steel Fibre-Reinforced Concrete. Japan Society of Civil Engineers. Tokyo. 1984.

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