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문제 정의
- 따라서, 본 연구에서는 하중 작용 시 강섬유의 혼입율 및 형상비 변화에 따라 설계기준강도 120MPa의 초고강도 콘크리트의 역학적 성질에 미치는 영향에 대해 검토하였다. 향후 시공성을 만족하며 역학적 성능을 개선시키는 초고강도 섬유 보강 콘크리트 개발에 활용하고자 한다.
- 본 연구는 강섬유 보강 콘크리트의 역학적 성능을 개선시켜 강섬유 보강 초고강도 콘크리트 개발을 위한 연구로서 설계기준강도 120MPa의 초고강도 강섬유 보강콘크리트의 직선형 강섬유 혼입율 및 형상비 변화에 따른 역학적 특성을 규명하고자 굳지 않은 상태 및 경화상태의 성질에 대하여 분석하였으며, 본 연구를 통하여 얻은 결과를 요약하면 다음과 같다.
제안 방법
- 본 연구의 실험계획은 Table 1과 같으며, 배합사항은 Table 2와 같다. 배합사항으로는 설계기준강도는 120MPa의 초고강도 콘크리트로 설정하였고, 목표 슬럼프 플로는 사전연구를 통하여 강섬유혼입율이 1.5%일 때를 기준으로 650±50mm의 고유동 범위로 설정하였으며, 목표 공기량은 4.5±1.5%를 만족하도록 배합을 하였다.
- 본 연구의 시험방법으로 시험체 양생은 2∼3일 동안 습윤 양생을 실시한 후 탈형을 실시하였다. 탈형 된 시험체는 48시간 동안 90±2℃의 고온에서 증기양생을 실시한 후 소정의 재령 일까지 20±2℃의 기건 상태에서 양생 후 시험을 실시하였다.
- 0%를 혼입하여 5수준으로 실시하였다. 시리즈Ⅱ에서는 직경이 0.2mm이고, 강섬유의 길이가 16mm로 형상비 80인 직선형 강섬유에 대하여, 콘크리트의 체적비 대비 0, 1.0, 1.5%를 혼입하여 3수준으로 실시하였다.
- 실험 변수로서 강섬유 혼입율 변화 조건인 시리즈 I과 강섬유형상비 변화 조건인 시리즈 II로 구분하여 검토하였다. 즉, 시리즈I에서는 강섬유의 직경이 0.
- 실험사항으로 굳지 않는 상태로는 슬럼프 플로, 공기량 실험을 측정하고, 경화 상태로는 압축거동, 휨인장거동, 직접인장거동을 평가하였다.
- 실험 변수로서 강섬유 혼입율 변화 조건인 시리즈 I과 강섬유형상비 변화 조건인 시리즈 II로 구분하여 검토하였다. 즉, 시리즈I에서는 강섬유의 직경이 0.2mm이고, 강섬유의 길이가 20mm로 형상비가 100인 직선형 강섬유에 대하여, 콘크리트의 체적비 대비 0, 1.0, 1.3, 1.5, 2.0%를 혼입하여 5수준으로 실시하였다. 시리즈Ⅱ에서는 직경이 0.
- 휨인장거동 평가로 휨인장강도시험은 KS F 2566에 의거하여 실시하였고, 휨인성 평가로는 ASTMC 1018 및 ASTM C 1609에 의거하여 실시하였다. 직접인장거동 평가는 한국건설기술연구원에서 제안하는 강섬유 보강 콘크리트 시험방법에 의거하여 덤벨형 시험체를 제작 후 300kN 용량의 만능재료 시험기를 사용하여 0.4mm/min의 하중 재하속도로 측정하였다.
대상 데이터
- 본 연구에 사용된 프리믹싱 결합재는 주 성분이 보통포틀랜드 시멘트, 고로슬래그미분말, 지크로늄미분말으로 구성되어 있고, 각각의 물리적·화학적 성질은 Table 3 및 4와 같다. 또한, 국내 D사에서 제조된 충전재, 팽창재, 수축저감제를 첨가하여 프리믹싱 결합재로 사용하였다.
이론/모형
- 굳지 않은 상태로 슬럼프 플로 시험은 KS F 2594에 의거하여 실시하였고, 공기량 시험은 KS F 2421의 시험방법에 의거하여 측정하였다. 경화 상태의 압축거동 평가로 압축강도시험은 KS F 2405에 의거하여 실시하였고, 탄성계수 시험은 KS F 2438에 의거하여 실시하였다. 휨인장거동 평가로 휨인장강도시험은 KS F 2566에 의거하여 실시하였고, 휨인성 평가로는 ASTMC 1018 및 ASTM C 1609에 의거하여 실시하였다.
- 3은 경화 상태의 시험방법을 나타낸 것이다. 굳지 않은 상태로 슬럼프 플로 시험은 KS F 2594에 의거하여 실시하였고, 공기량 시험은 KS F 2421의 시험방법에 의거하여 측정하였다. 경화 상태의 압축거동 평가로 압축강도시험은 KS F 2405에 의거하여 실시하였고, 탄성계수 시험은 KS F 2438에 의거하여 실시하였다.
- 경화 상태의 압축거동 평가로 압축강도시험은 KS F 2405에 의거하여 실시하였고, 탄성계수 시험은 KS F 2438에 의거하여 실시하였다. 휨인장거동 평가로 휨인장강도시험은 KS F 2566에 의거하여 실시하였고, 휨인성 평가로는 ASTMC 1018 및 ASTM C 1609에 의거하여 실시하였다. 직접인장거동 평가는 한국건설기술연구원에서 제안하는 강섬유 보강 콘크리트 시험방법에 의거하여 덤벨형 시험체를 제작 후 300kN 용량의 만능재료 시험기를 사용하여 0.
성능/효과
- 2. 압축거동 시험 결과 Plain 배합과 비교하였을 때 강섬유 혼입율 및 형상비가 압축강도 및 탄성계수에 미치는 영향은 적은 것으로 나타났다.
- 3. 휨인장강도 및 등가 휨인장강도 시험결과 강섬유 혼입율 및 형상비가 증가할수록 휨성능이 향상되는 것으로 나타났으며 휨인장거동 시험 결과 강섬유 혼입율 및 형상비 증가에 따라 초기균열 발생 시 처짐 능력의 차이는 미미하나, 초기균열강도 발생 후 최대강도 지점까지 변형률 경화거동에 의해 잔류강도, 처짐 능력 및 에너지 흡수 능력이 향상되는 것으로 나타났다.
- 본 그래프는 하중-처짐 곡선을 기초로 하여 실선은 초기균열하중 및 최대하중에 대한 영향을 나타내고, 점선은 각각의 처짐에 대한 영향을 나타낸 것이다. 강섬유의 혼입율 증가에 따른 초기균열강도 및 이때의 처짐 능력차이는 거의 없는 것으로 나타났다. 한편, 초기 균열강도 이후 처짐 0.
- 4는 강섬유 혼입률 및 형상비에 따른 슬럼프 플로 및 공기량 결과를 나타낸 것이다. 먼저, 슬럼프 플로 시험 결과 강섬유가 혼입되지 않은 Plain 배합의 경우 740mm의 높은 유동성을 나타낸 반면, 강섬유가 혼입된 배합은 강섬유 혼입율이 증가할수록 슬럼프 플로 값이 반비례적으로 감소하는 경향을 나타내었다. 이는 강섬유 혼입율이 증가할수록 시멘트 페이스트와 섬유간의 접촉 면적이 증가하게 되어, 굳지 않은 콘크리트의 점도가 향상되어 슬럼프 플로가 저하된 것으로 판단된다.
- 이상을 종합해 볼 때 강섬유의 혼입율 및 형상비가 설계기준강도 120MPa 강섬유 보강 콘크리트의 압축거동에 미치는 영향은 거의 미비하나, 혼입율 및 형상비가 증가할수록 휨성능 및 인장성능 향상에 있어 효과적인 것으로 나타내었다. 이 중 혼입율이 2%이고, 형상비가 100일 때 가장 우수한 효과를 나타내었다. 하지만 강섬유 보강 콘크리트 개발에 있어 시공성, 경제성 및 역학적 성능을 고려해볼 때 일부 연구내용의 보완이 필요하지만 형상비가 100이고, 혼입율이 1.
- 이상을 종합해 볼 때 강섬유의 혼입율 및 형상비가 설계기준강도 120MPa 강섬유 보강 콘크리트의 압축거동에 미치는 영향은 거의 미비하나, 혼입율 및 형상비가 증가할수록 휨성능 및 인장성능 향상에 있어 효과적인 것으로 나타내었다. 이 중 혼입율이 2%이고, 형상비가 100일 때 가장 우수한 효과를 나타내었다.
- 4. 직접인장강도 및 신장량의 시험 결과 강섬유 혼입율 및 형상비가 증가할수록 직접인장강도가 향상되는 것으로 나타났다. 직접인장거동 시험 결과 휨인장거동과 유사하게 혼입율 및 형상비가 증가할수록 내부의 구속력이 증가하여 초기균열 발생 후 변형률 경화거동에 의해 최대 인장강도 및 그 때의 변형 능력이 향상되는 것으로 나타났고, 최대 인장강도 이후 변형연화거동에 의해 취성 파괴 대신 연성파괴를 나타내었다.
- 직접인장강도 및 신장량의 시험 결과 강섬유 혼입율 및 형상비가 증가할수록 직접인장강도가 향상되는 것으로 나타났다. 직접인장거동 시험 결과 휨인장거동과 유사하게 혼입율 및 형상비가 증가할수록 내부의 구속력이 증가하여 초기균열 발생 후 변형률 경화거동에 의해 최대 인장강도 및 그 때의 변형 능력이 향상되는 것으로 나타났고, 최대 인장강도 이후 변형연화거동에 의해 취성 파괴 대신 연성파괴를 나타내었다.
- 형상비에 따른 차이로는 형상비가 증가할수록 초기균열강도는 다소 증가하나 그 때의 변형 능력차이는 거의 없으나, 초기균열 발생 후 최대 인장강도에서의 신장량이 크게 증가하여 변형능력 모두 증가하는 것으로 나타났다. 이처럼 형상비가 클수록 인장강도 및 변형 능력이 향상되는 것은 길이가 긴 강섬유가 균열 발생 후 매트릭스 내부에서 섬유의 가교 작용이 오랫동안 지속되어 균열 폭의 증가를 억제하며 매트릭스 내에 미세균열을 재분배하기 때문으로 판단된다.
- 형상비에 따른 차이로는 형상비가 클수록 휨인장강도, 처짐 능력 및 에너지 흡수 능력이 향상되는 것으로 나타났으며, 최대강도 이후 변형률 연화거동에서의 에너지 흡수능력 또한 증가하는 것으로 나타났다. 이에 따라 강섬유의 혼입율 및 형상비가 증가할수록 내하력 증진효과에 의하여 휨인장강도, 처짐 능력 및 에너지 흡수능력이 향상되어 취성적 거동 대신 우수한 연성적 거동을 하는 것으로 나타내었다.
후속연구
- 따라서, 본 연구에서는 하중 작용 시 강섬유의 혼입율 및 형상비 변화에 따라 설계기준강도 120MPa의 초고강도 콘크리트의 역학적 성질에 미치는 영향에 대해 검토하였다. 향후 시공성을 만족하며 역학적 성능을 개선시키는 초고강도 섬유 보강 콘크리트 개발에 활용하고자 한다.
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