[논문]강섬유의 특성이 강섬유보강 콘크리트의 압축 및 휨 인성에 미치는 영향

임동균; 장석준; 정권영; 윤다애; 윤현도

doi:10.11112/jksmi.2019.23.3.43

강섬유의 특성이 강섬유보강 콘크리트의 압축 및 휨 인성에 미치는 영향
Effects of Steel Fiber Properties on Compressive and Flexural Toughness of Steel Fiber-Reinforced Concrete 원문보기

한국구조물진단유지관리공학회 논문집 = Journal of the Korea Institute for Structural Maintenance and Inspection, v.23 no.3, 2019년, pp.43 - 50

임동균 (충남대학교 건축공학과) , 장석준 (한국시설안전공단 시설성능연구소) , 정권영 (충남대학교 건축공학과) , 윤다애 (충남대학교 건축공학과) , 윤현도 (충남대학교 건축공학과)

초록
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본 연구는 강섬유의 인장강도 및 형상비가 고강도 및 보통강도 강섬유보강 콘크리트(Steel fiber-reinforced concrete, SFRC)의 압축 및 휨 거동에 미치는 영향을 평가하기 위하여 실시되었다. 또한 본 연구에서는 가력속도에 따른 SFRC의 압축거동을 평가하였다. 이를 위해 총 4종류의 강섬유가 설계기준 압축강도 35 및 60 MPa급 SFRC에 각각 사용되었다. 압축거동 평가를 위해 지름 150 mm 및 높이 300 mm의 원주형 공시체를 사용하였으며, 단면 $150{\times}150mm$ 및 지간 450 mm의 각주형 공시체를 사용하여 휨 거동 평가를 실시하였다. 실험결과 강섬유의 혼입은 콘크리트의 인성을 크게 향상시키는 것으로 나타났으며, 고강도 강섬유의 사용은 고강도 SFRC의 성능개선에 효과적인 것으로 나타났다. 아울러 본 연구에서는 SFRC의 휨 인성지수에 근거한 압축인성지수 산정기법을 제안하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

Effects of tensile strength and aspect ratio of steel fiber on compressive and flexural behavior of steel fiber-reinforced concrete (SFRC) with high- and normal-strength were investigated. Also, this study explores compressive behavior of SFRC with different loading rate. For this purpose, four types of steel fiber were used for SFRC with specified compressive strength of 35 and 60 MPa, respectively. Cylindrical specimens with a diameter of 150 mm and height of 300 mm were made for compression test, and prismatic specimens with a $150{\times}150mm$ cross-section and 450 mm span length were made for flexural test. Test results from compression and flexural tests indicated that the toughness of concrete significant increased with steel fibers. Especially, using steel fiber with high tensile strength and aspect ratio can be lead to performance improvement of high-strength SFRC. In this study, equations are suggested to predict compressive toughness ratio of SFRC from flexural toughness ratio.

주제어

표/그림 (14)

그림 Fig. 1 Test set-up for mechanical properties
표 Table 1 Mixture proportions of SFRC
표 Table 2 Mechanical properties of steel fiber
그림 Fig. 2 Effects of loading rate on compressive behavior
그림 Fig. 3 Compressive toughness of SFRC
표 Table 3 Effect of loading rate on compressive properties of SFRC
그림 Fig. 4 Failure mode of SFRC under compressive loading
그림 Fig. 5 Compressive behavior of SFRC
표 Table 4 Effect of steel fiber properties on compressive behavior of SFRC
그림 Fig. 6 Flexural toughness of SFRC
그림 Fig. 7 Flexural behavior of SFRC
표 Table 5 Effect of steel fiber properties on flexural behavior of SFRC
그림 Fig. 8 Failure mode of steel fibers
그림 Fig. 9 Correlations of compressive and flexural ratio

AI 본문요약
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문제 정의

3) 본 연구에서는 상대적으로 평가가 어려운 SFRC의 압축 인성지수를 예측하기 위하여 SFRC의 압축 및 휨 인성지수의 상관성을 분석하였으며, 이를 통해 제안식을 도출하였다. 제안식은 향후 기둥 및 커플링 보 부재에서 SFRC의 구속효과 검증을 위해 유용하게 사용될 수 있을 것으로 판단된다.
, 1999). 따라서 본 연구에서는 다양한 강섬유가 사용된 SFRC의 압축 및 휨 인성지수를 평가하고, 두 특성의 관계를 연구하고자 한다.
, 2018).따라서 본 연구에서는 인장강도 1,600 MPa급 고강도 강섬유를 사용한 실험을 계획하였다.
본 연구에는 강섬유의 형상비 및 인장강도에 따른 SFRC의 역학적특성을 평가하기 위하여 실시되었으며, 압축 및 휨 거동과 인성지수에 대한 평가를 실시하였다. 본 연구의 실험결과 및 분석을 통해 얻은 결론을 요약하면 다음과 같다.
본 연구에서는 SFRC 압축강도 및 강섬유의 종류에 따른 역학적특성을 평가하기 위하여 Table 1과 같이 설계기준 압축강도 35 및 60 MPa의 배합을 계획하였다. 사용된 강섬유의 특성을 Table 2에 나타내었으며, 본 연구에서는 형상비 및 인장강도를 변수로 국내에서 생산된 총 4종류의 후크형 강섬유를 사용하였다.
본 연구에서는 강섬유의 형상비 및 인장강도가 보통강도 및 고강도 SFRC의 역학적특성에 미치는 영향을 평가하고자 하며, 이를 위해 국내에서 생산된 총 4종류의 강섬유를 사용한 설계기준 압축강도 35 및 60 MPa급 SFRC의 압축 및 휨 거동을 평가하였다.

제안 방법

배합별 각 3개의 공시체에 대한 실험을 실시하였으며, 편차가 큰 실험체를 제외한 실험체의 압축특성을 정리하여 Table 4에 나타내었다. Fig. 5는 사용된 강섬유의 인장강도 및 형상비에 따른 SFRC의 대표적인 압축응력-변형 곡선을 나타낸 것으로, 본 연구에서는 60 MPa급 고강도 SFRC를 고려하여 사전연구 중 가장 낮은 속도인 0.05 mm/min을 적용하여 실험을 실시하였다. 하지만 Fig.
배합별 각 3개의 공시체를 제작하여 휨 성능을 평가하였으며, 초기균열 이후 급격한 파괴가 발생한 일부 실험체를 제외한 초기균열강도, 최대 휨 강도, 휨 인성, 휨 인성지수의 평균 및 표준편차를 정리하여 Table 5에 나타내었다. Fig.
예상된 바와 같이 휨 인성지수가 증가함에 따라 압축인성지수가 향상 되는 것으로 나타났다. 본 연구에서는 회귀분석을 통해 기존연구 제안식의 계수를 수정하여, 식 (5) 및 (6)을 제안하였다.
KS F 2403(2014)에 준하여 압축공시체를 제작하였으며, 최대길이 60 mm의 강섬유의 분산성 확보를 위하여 지름 150 mm, 높이 300 mm의 원주형 공시체를 사용하였다. 압축변형측정을 위해 중앙부 100 mm 구간에 컴프레소미터(compressormeter)를 설치하였으며, 2개의 선형변위계를 사용하여 변형을 측정하였다.
, 2015). 이에 본 연구에서는 만능재료실험기 변위제어 속도를 분당 0.05, 0.1, 0.3, 0.5, 1.0 mm로 적용하여 일축압축 실험을 실시하여, 변위제어 속도에 따른 SFRC의 압축특성을 평가하 였다. 본 실험을 위해 Table 1에 나타낸 설계기준 압축강도 35 MPa인 SFRC를 사용하였으며, Table 2의 형상비 64 및 인장 강도 1,200 MPa의 후크형 강섬유를 사용하였다.
휨 공시체의 단면은 섬유의 분산성을 고려하여 150×150 mm 로 계획하였으며, 초기균열 이후 강섬유 보강효과를 평가하기 위하여 경간의 1/150 및 1/300 처짐까지의 휨 인성 및 휨 인성지수를 평가하였다. 하중-처짐 관계 측정을 위해 실험체에 요크(Yoke)를 설치하였으며, 2개의 선형변위계를 설치하여 중앙부의 상대처짐을 측정하였다.
4 MPa의 증가속도의 하중제어 방식을 사용하도록 규정하고 있다. 하지만 본 연구에서는 SFRC의 최대하중 이후 거동을 효과적으로 평가하기 위해 변위제어 방식을 적용하였다. 기존문헌의 실험결과에 따르면, 변위제어 방식의 적용은 SFRC의 후반부 압축거동 평가에 효과적인 것으로 보고되었다.
휨 거동 평가방법은 Fig. 1(b)에 나타낸 바와 같이, ASTM C1609(2012)에 준하여 200 kN의 만능재료시험기를 사용하여 경간 450 mm의 3등분점 가력방식으로 실험을 진행하였다. 휨 공시체의 단면은 섬유의 분산성을 고려하여 150×150 mm 로 계획하였으며, 초기균열 이후 강섬유 보강효과를 평가하기 위하여 경간의 1/150 및 1/300 처짐까지의 휨 인성 및 휨 인성지수를 평가하였다.
휨 공시체의 단면은 섬유의 분산성을 고려하여 150×150 mm 로 계획하였으며, 초기균열 이후 강섬유 보강효과를 평가하기 위하여 경간의 1/150 및 1/300 처짐까지의 휨 인성 및 휨 인성지수를 평가하였다.

대상 데이터

Fig. 2는 가력속도에 따른 SFRC의 압축거동을 나타낸 것으로, 35-NS64 배합을 대상으로 가력속도별 각 1개의 공시체를 제작하여 실험을 실시하였다. Table 3은 변위제어속도에 따른 SFRC의 실험결과를 정리하여 나타낸 것으로, 변위제어속도가 감소함에 따라 압축강도가 미소하게 감소하는 양상을 나타내었다.
1(a)는 압축거동 평가방법을 나타낸 것으로, 2,000 kN 용량의 만능재료시험기를 사용하여 실험을 실시하였다. KS F 2403(2014)에 준하여 압축공시체를 제작하였으며, 최대길이 60 mm의 강섬유의 분산성 확보를 위하여 지름 150 mm, 높이 300 mm의 원주형 공시체를 사용하였다. 압축변형측정을 위해 중앙부 100 mm 구간에 컴프레소미터(compressormeter)를 설치하였으며, 2개의 선형변위계를 사용하여 변형을 측정하였다.
0 mm로 적용하여 일축압축 실험을 실시하여, 변위제어 속도에 따른 SFRC의 압축특성을 평가하 였다. 본 실험을 위해 Table 1에 나타낸 설계기준 압축강도 35 MPa인 SFRC를 사용하였으며, Table 2의 형상비 64 및 인장 강도 1,200 MPa의 후크형 강섬유를 사용하였다.
본 연구에서는 SFRC 압축강도 및 강섬유의 종류에 따른 역학적특성을 평가하기 위하여 Table 1과 같이 설계기준 압축강도 35 및 60 MPa의 배합을 계획하였다. 사용된 강섬유의 특성을 Table 2에 나타내었으며, 본 연구에서는 형상비 및 인장강도를 변수로 국내에서 생산된 총 4종류의 후크형 강섬유를 사용하였다. 강섬유의 혼입률은 미국 콘크리트 구조설계기준(ACI318-14, 2014)에서 제시된 전단보강근 대체를 위한 SFRC의 최소 혼입률인 0.

이론/모형

JSCE-SF5 (1984) 및 Nataraja et al.(1999)의 연구에서 제시된 기법을 근거로 산정하였으며, 변형 0.009 및 0.015까지의 인성 및 인성지수를 산정하였다. 이는 콘크리트의 극한변형률로 알려진 0.
사용된 강섬유의 특성을 Table 2에 나타내었으며, 본 연구에서는 형상비 및 인장강도를 변수로 국내에서 생산된 총 4종류의 후크형 강섬유를 사용하였다. 강섬유의 혼입률은 미국 콘크리트 구조설계기준(ACI318-14, 2014)에서 제시된 전단보강근 대체를 위한 SFRC의 최소 혼입률인 0.75%로 설정하였다. SFRC의 배합명은 35-NS64와 같은 형태로 설정하였으며 앞부분 숫자는 SFRC의 설계기준 압축강도를 의미하고, 중앙에 NS 및 HS는 각각 보통강도 및 고강도 강섬유를 나타낸다.
상기의 휨 인성지수는 3등분점 휨 실험을 통해 얻은 하중-처짐 곡선의 면적에 근거 한 휨인성을 초기균열강도로 무차원화 하는 방법으로 산정된다. 본 연구에서도 ASTM C1609(2012)에서 제시된 방법에 따라 SFRC의 휨 인성지수를 평가하였으며, 초기균열강도의 경우 선행연구(Jang et al., 2015)를 통해 검증된 방식으로 산정하였다. SFRC의 압축인성 평가는 휨 인성에 비해 연구사례가 적으나, SFRC의 구속력을 나타내는 유용한 지표로 활용될 수 있으며, 압축응력-변형 곡선 예측을 위한 활용성이 높다.

성능/효과

1) 가력속도가 감소함에 따라 압축강도 및 압축인성이 감소하는 경향을 나타내었으나, 압축인성지수의 경우 가력속도에 따른 영향이 미소한 것으로 나타났다. 35 MPa급 SFRC의 경우 혼입률 0.
2) 강섬유의 혼입여부와 역학적특성이 탄성계수 및 압축강도에 미치는 영향은 미소한 것으로 나타났으나, 형상비 및 인장강도가 높은 강섬유를 사용할 경우 압축인성 및 압축인성 지수가 높아지는 것으로 나타났다. 휨 거동평가 결과 고강도 강섬유의 효율성은 고강도 SFRC에서 높게 나타났으며, 이는 강섬유의 파괴양상과 밀접한 관련을 갖는 것으로 판단된다.
1) 가력속도가 감소함에 따라 압축강도 및 압축인성이 감소하는 경향을 나타내었으나, 압축인성지수의 경우 가력속도에 따른 영향이 미소한 것으로 나타났다. 35 MPa급 SFRC의 경우 혼입률 0.75%에서 후반부 거동이 명확하게 평가되었나, 60 MPa SFRC의 경우 최대하중이후 취성적 파괴가 나타나면서 후반부 거동 평가가 어려운 것으로 나타났다. 따라서 고강도 SFRC의 압축평가 기법에 대한 추가적인 연구가 요구된다.
강섬유의 보강여부 및 섬유종류에 따른 SFRC의 탄성계수 및 압축강도의 변화는 미소한 것으로 판단되며, 예상된 바와 같이 압축강도가 증가함에 따라 SFRC의 탄성계수가 증가하는 양상을 나타내었다. 반면 최대하중 이후 후반부 거동에서 강섬유효과가 높게 나타났으며, 압축인성지수의 경우 강섬유를 보강함에 따라 크게 증가하는 것으로 나타났다.
7은 강섬유의 종류에 따른 대표적인 SFRC의 휨 거동을 압축강도 수준에 따라 나타낸 것이다. 그림에 나타난 바와 같이 설계기준 압축강도 35 MPa의 SFRC의 경우 강섬유를 보강함에 따라 초기 균열강도 및 휨 강도가 향상되는 것으로 나타났으며, 강섬유의 형상비 및 인장강도에 따른 초기균열의 변화는 미소한 것으로 나타났다. 설계기준 압축강도 60 MPa의 SFRC의 경우 강섬유의 형상비가 증가함에 따라 초기균열강도가 증가하는 것으로 나타났으며, 고인장강도 강섬유를 사용할 경우 휨 강도가 크게 향상되는 것으로 나타났다.
반면 최대하중 이후 후반부 거동에서 강섬유효과가 높게 나타났으며, 압축인성지수의 경우 강섬유를 보강함에 따라 크게 증가하는 것으로 나타났다. 또한 인장 강도가 높은 강섬유를 사용할 경우 높은 압축인성지수를 나타내었으며, 보통강도 강섬유를 사용한 경우에서는 형상비가 증가함에 따라 압축인성지수가 증가하는 것으로 나타났다.
강섬유의 보강여부 및 섬유종류에 따른 SFRC의 탄성계수 및 압축강도의 변화는 미소한 것으로 판단되며, 예상된 바와 같이 압축강도가 증가함에 따라 SFRC의 탄성계수가 증가하는 양상을 나타내었다. 반면 최대하중 이후 후반부 거동에서 강섬유효과가 높게 나타났으며, 압축인성지수의 경우 강섬유를 보강함에 따라 크게 증가하는 것으로 나타났다. 또한 인장 강도가 높은 강섬유를 사용할 경우 높은 압축인성지수를 나타내었으며, 보통강도 강섬유를 사용한 경우에서는 형상비가 증가함에 따라 압축인성지수가 증가하는 것으로 나타났다.
그림에 나타난 바와 같이 설계기준 압축강도 35 MPa의 SFRC의 경우 강섬유를 보강함에 따라 초기 균열강도 및 휨 강도가 향상되는 것으로 나타났으며, 강섬유의 형상비 및 인장강도에 따른 초기균열의 변화는 미소한 것으로 나타났다. 설계기준 압축강도 60 MPa의 SFRC의 경우 강섬유의 형상비가 증가함에 따라 초기균열강도가 증가하는 것으로 나타났으며, 고인장강도 강섬유를 사용할 경우 휨 강도가 크게 향상되는 것으로 나타났다.
9는 본 연구의 실험결과와 Jang and Yun(2018)의 실험결과를 근거로 압축인성지수와 휨 인성지수의 관계를 나타낸 것이다. 예상된 바와 같이 휨 인성지수가 증가함에 따라 압축인성지수가 향상 되는 것으로 나타났다. 본 연구에서는 회귀분석을 통해 기존연구 제안식의 계수를 수정하여, 식 (5) 및 (6)을 제안하였다.
2) 강섬유의 혼입여부와 역학적특성이 탄성계수 및 압축강도에 미치는 영향은 미소한 것으로 나타났으나, 형상비 및 인장강도가 높은 강섬유를 사용할 경우 압축인성 및 압축인성 지수가 높아지는 것으로 나타났다. 휨 거동평가 결과 고강도 강섬유의 효율성은 고강도 SFRC에서 높게 나타났으며, 이는 강섬유의 파괴양상과 밀접한 관련을 갖는 것으로 판단된다.
휨 인성지수 평가결과 보통강도 영역에서는 강섬유의 형상비가 증가함에 따라 휨 인성지수가 증가하는 것으로 나타났으며, 인장강도에 따른 영향은 미소한 것으로 나타났다. 반면 고강도 SFRC의 경우 높은 인장강도의 강섬유를 사용할 경우 휨 인성지수가 증가하는 것으로 나타났다.

후속연구

9에 나타낸 바와 같이 본 연구의 제안식은 지간의 1/300 처짐까지의 휨 인성지수를 근거로 극한변형률의 3배까지의 압축인성지수를 예측할 수 있으며, 지간의 1/150 처짐까지의 휨 인성지수를 근거로 극한변형률의 5배까지의 압축인 성지수를 예측할 수 있다. 또한 제한된 식은 전반적으로 본 연구 및 기존연구의 실험결과를 잘 예측하는 것으로 판단된다.
5(b)와 같이 60 MPa급 SFRC의 경우 최대강도 이후 취성적인 파괴양상을 나타내며 후반부 거동 평가가 어려운 것으로 판단된다. 이는 압축강도 시 만능재료시험기의 최대하중과 밀접한 관련이 있는 것으로 판단되며, 강섬유의 길이로 인해 공시체의 지름을 작게 할 수 없는 경우 스프링 등의 추가적인 보강요소를 활용하여 고강도 SFRC의 압축인성 평가를 실시해야할 것으로 사료된다.
3) 본 연구에서는 상대적으로 평가가 어려운 SFRC의 압축 인성지수를 예측하기 위하여 SFRC의 압축 및 휨 인성지수의 상관성을 분석하였으며, 이를 통해 제안식을 도출하였다. 제안식은 향후 기둥 및 커플링 보 부재에서 SFRC의 구속효과 검증을 위해 유용하게 사용될 수 있을 것으로 판단된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	강섬유의 혼입을 하는 이유는 무엇인가?	강섬유의 혼입은 일반 콘크리트의 취성적 파괴를 예방하고, 인장강도 및 에너지소산 능력을 증진시킨다. 또한 콘크리트의 전단강도 및 구속력 향상에도 효과적이며, 따라서 철근콘크리트 부재의 전단철근(Aoude et al.
	강섬유의 인장강도 및 형상비가 고강도 및 보통강도 강섬유보강 콘크리트의 압축 및 휨 거동에 미치는 영향을 평가하는 이유는 무엇인가?	, 2015)를 통해 검증된 방식으로 산정하였다. SFRC의 압축인성 평가는 휨 인성에 비해 연구사례가 적으나, SFRC의 구속력을 나타내는 유용한 지표로 활용될 수있으며, 압축응력-변형 곡선 예측을 위한 활용성이 높다. 압축 인성 또한 휨 인성과 유사하게 하중-변위 곡선의 면적으로 통해 산정되며, 압축강도를 통해 무차원화 하는 방식으로 압축 인성지수를 산정한다(Nataraja et al.
	휨 인성지수는 어떻게 산정되는가?	, 2000), ACI318-14(2014)에서는 철근콘크리트 보의 최소 전단보강근 대체를 위한 SFRC의 성능을 강섬유 혼입률과 휨인성지수를 통해 규정하고 있다. 상기의 휨 인성지수는 3등분점 휨 실험을 통해 얻은 하중-처짐 곡선의 면적에 근거 한 휨인성을 초기균열강도로 무차원화하는 방법으로 산정된다. 본연구에서도 ASTM C1609(2012)에서 제시된 방법에 따라 SFRC의 휨 인성지수를 평가하였으며, 초기균열강도의 경우 선행연구(Jang et al.

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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