[논문]마이크로 섬유를 혼입한 고인성 섬유 보강 콘크리트

신경준; 이성철; 김윤용

doi:10.11112/jksmi.2019.23.2.92

마이크로 섬유를 혼입한 고인성 섬유 보강 콘크리트
High Ductile Fiber Reinforced Concrete with Micro Fibers 원문보기

한국구조물진단유지관리공학회 논문집 = Journal of the Korea Institute for Structural Maintenance and Inspection, v.23 no.2, 2019년, pp.92 - 98

신경준 (충남대학교 토목공학과) , 이성철 (경북대학교 토목공학과) , 김윤용 (충남대학교 토목공학과)

초록
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일반적인 고인성 고성능 시멘트 복합재료의 경우 균질한 재료분포를 위하여 기본적으로 굵은 골재를 배재하는 경향이 있다. 그러나, 굵은 골재를 배재한 섬유 복합 시멘트 모르타르의 경우 재료의 탄성계수가 낮으며 단위시멘트량이 높아 경제성과 효율이 낮은 배합이기 때문에 대량으로 신규 구조물에 적용하기 힘들다. 따라서, 본 연구에서는 적절한 수준의 굵은 골재를 혼입하였지만 여전히 휨인성과 휨강도는 확보하고 있는 동시에, 균열 분산성능도 보유하고 있는 고인성 섬유보강 콘크리트에 대한 개발 연구를 수행하였다. 굵은 골재의 혼입량을 실험 변수로 실험 연구를 수행하였고, 결과에 따르면 고인성 모르타르의 기본 배합에 굵은골재를 잔골재의 25%중량비로 추가한 경우에서 가장 좋은 휨인성 그리고 균열분산 특성을 나타내었다. PVA섬유는 균열분산과 연성 증진에 효과적이었고, 강섬유 섬유의 경우 균열분산보다는 강도증진에 효과적이었다.

Abstract ▼ AI-Helper

In general, high strength and high performance fiber reinforced cement composites exclude coarse aggregates basically in order to have homogeneous distributions of material properties. However, these fiber-reinforced cement mortar without coarse aggregate have a tenancy that the modulus of elasticity is low and the unit weight of cement is high, resulting in low economic efficiency. Therefore, in this study, the development of high ductile fiber - reinforced concrete was conducted, which has the adequate level of coarse aggregate but still retains the high flexural toughness and strength and also has the crack - distributing performance. Experimental study was carried out by using the amount of coarse aggregate as an experimental parameter. The results showed that the best flexural toughness and crack dispersion characteristics was obtained when the coarse aggregate was added at 25% by weight of the fine aggregate to the typical mixtures of high ductile cement mortar. PVA fiber was effective in crack distribution and ductility enhancement, and steel fiber was effective in strengthening flexural strength rather than crack distribution.

주제어

표/그림 (11)

그림 Fig. 1 Setup for flexural test of fiber reinforced concrete
그림 Fig. 2 Measuring method for the number of cracks
표 Table 1 Properties of fibers used in the experiment
표 Table 2 Mixture proportions of tested mortar
그림 Fig. 3 Slump test results
그림 Fig. 4 Load-deflection relationship for PVA04 series
그림 Fig. 5 Load-deflection relationship for PVA10 series
그림 Fig. 6 Load-deflection relationship for mSteel series
표 Table 3 observed crack patterns for PVA04 specimens
표 Table 4 Average number of cracks
표 Table 5 Flexural strength and toughness

AI 본문요약
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문제 정의

고인성 섬유복합 콘크리트의 개발을 위하여 3종류의 섬유를 사용한 배합에 대한 실험 연구를 진행하였다. 각 섬유별로미세균열 제어를 위한 적절한 섬유 보강 콘크리트의 배합을 도출하기 위하여 실험을 수행하였다. 우선 미세균열 분산이 가능한 고인성 섬유 보강 모르타르 배합을 기본으로 사용하였고, 이 배합에 추가로 굵은 골재를 혼입하여 균열 거동과 휨거동에 대한 분석을 수행하였다.
고인성 섬유보강 콘크리트의 개발을 위하여 고인성 섬유보강 모르타르에 굵은 골재를 추가한 경우에 대한 실험 연구를 수행하였다. 굵은 골재 함량에 따른 균열 분산성을 평가하기 위하여 시험체의 균열 패턴을 분석하여 평균 균열개수를 계산하였다.
고인성 섬유복합 콘크리트의 개발을 위하여 3종류의 섬유를 사용한 배합에 대한 실험 연구를 진행하였다. 각 섬유별로미세균열 제어를 위한 적절한 섬유 보강 콘크리트의 배합을 도출하기 위하여 실험을 수행하였다.
그러나, 대규모로 고인성 콘크리트 재료를 사용하기 위해서는 재료의 목표 성능을 다소 낮추더라도 적절한수준의 굵은 골재를 포함하여 경제성에 고려를 하는 것이 유리할 것이다. 따라서, 기존의 마이크로섬유를 혼입한 섬유 보강 모르타르의 개발 결과를 바탕 (Kim et al 2003, 2005; Shinet al 2008) 으로 굵은 골재를 혼합한 경우에도 다수의 균열이 발생하며, 휨인성과 휨강도 등의 성능이 보강되는 고인성 섬유보강콘크리트의 개발에 대한 연구를 진행하였다.
섬유보강 콘크리트의 휨인장 및 균열 거동을 평가하기 위하여 휨실험을 실시하였다. 하중-처짐 특성을 측정하여 휨 거동을 평가하였고, 실험이 끝난 시편에 대하여 균열 특성(모양 ,개수)을 측정하였다.

제안 방법

균열은 단면에서 불균일하게 분포하므로Fig. 2와 같이 다수의 측정 기준선을 정하고, 기준선을 통과하는 균열의 개수를 평균으로 계산하였다.
고인성 섬유보강 콘크리트의 개발을 위하여 고인성 섬유보강 모르타르에 굵은 골재를 추가한 경우에 대한 실험 연구를 수행하였다. 굵은 골재 함량에 따른 균열 분산성을 평가하기 위하여 시험체의 균열 패턴을 분석하여 평균 균열개수를 계산하였다. Table 3에 시편의 휨인장 부분에 대한 균열 형상을 나타내었고, Table 4에 평균균열개수를 정리하였다.
굵은 골재가 혼입된 고성능 섬유보강 콘크리트에 대한 개발을 위하여 굵은 골재 혼입율을 실험변수로 연구를 수행하였다.
46으로 고정하고 시멘트와 잔골재의 비율을 1:1 로 설정한 후에 굵은 골재와 잔골재의 무게비를 25%,50%, 75%로 변화시켜 휨부재를 제작하다. 두 종류의 PVA 섬유와 1종류의 강섬유를 사용하였고, 3등분점 방법에 의하여 부재에 대한 휨실험을 수행하였다.
물-시멘트비를 0.46으로 고정하고 시멘트와 잔골재의 비율을 1:1 로 설정한 후에 굵은 골재와 잔골재의 무게비를 25%,50%, 75%로 변화시켜 휨부재를 제작하다. 두 종류의 PVA 섬유와 1종류의 강섬유를 사용하였고, 3등분점 방법에 의하여 부재에 대한 휨실험을 수행하였다.
섬유혼입 콘크리트의 휨 인장거동을 알아보기 위하여 PVA04, PVA10, mSteel 세 종류의 섬유에 대하여, 물-시멘트비를 46%로 고정하고 시멘트와 잔골재의 비율을 1:1 로 설정한 후에, 굵은 골재와 잔골재의 무게비를 25%, 50%, 75%로 변화시켜 실험을 수행하였으며, Table 2에 배합표를 나타내었다. 섬유의 혼입량은 모르타르의 부피의 2%를 사용하였다.
시멘트와 물과 규사를 먼저 배합하여 시멘트 페이스트 상태를 만들고 난 후, 굵은 골재를 혼입하였으며, 마지막으로 섬유를 추가하는 순서로 배합을 수행하였다. 배합에는 강제식믹서를 사용하였으며, 섬유혼입량은 2%로 비교적 많은 편이지만 적절한 양의 고성능 유동화제의 첨가로 양호한 유동성을 확보할 수 있었다.
섬유의 혼입량은 모르타르의 부피의 2%를 사용하였다. 시편은 탈형 후 수중 양생 하였으며 28일이 지난 후 실험을 수행하였다.
실험이 끝난 시편을 대상으로 균열 모양을 기록하고, 균열개수를 측정하였다. 균열은 단면에서 불균일하게 분포하므로Fig.
제작된 보부재의 크기는 두께 75mm, 폭150mm, 길이 550mm 이다. 여러 개의 균열이 발생하는 다중균열을 발생시키기 위하여 순수 휨 구간이 유도되는 3등분점재하에 의한 휨실험이 수행되었다. 실험은 Closed Loop System이 적용되어 변위제어가 가능한 최대용량 250KN의 MTS 815시험기를 이용하여 수행하였다.
각 섬유별로미세균열 제어를 위한 적절한 섬유 보강 콘크리트의 배합을 도출하기 위하여 실험을 수행하였다. 우선 미세균열 분산이 가능한 고인성 섬유 보강 모르타르 배합을 기본으로 사용하였고, 이 배합에 추가로 굵은 골재를 혼입하여 균열 거동과 휨거동에 대한 분석을 수행하였다. 주요 배합변수는 잔골재의 중량 대비 굵은 골재 혼입량 (G/S)로 설정하였다.
우선 미세균열 분산이 가능한 고인성 섬유 보강 모르타르 배합을 기본으로 사용하였고, 이 배합에 추가로 굵은 골재를 혼입하여 균열 거동과 휨거동에 대한 분석을 수행하였다. 주요 배합변수는 잔골재의 중량 대비 굵은 골재 혼입량 (G/S)로 설정하였다.
중앙부 처짐 측정을 위하여 Fig. 1과 같이 JCI SF4에 따른 악세사리를 제작하여 사용하였다. 실험 중에는 처짐 – 하중 관계를 측정하였다.
휨인성(flexural toughness)은 섬유보강 콘크리트의 인장보강 특성을 나타내는 대표적인 지수로서 하중-처짐 곡선의 면적을 나타낸다. 지수 산정을 위한 세부 기준은 실험 규정(JCI-SF4; ASTM C 1018)에 따라 다르게 제시되고 있으나, 본 연구에서는 JCI-SF4의 방법에 준하여 휨지간의 1/150에 해당하는 처짐까지의 휨인성을 계산하였고, 추가로 휨지간 1/300에 해당하는 처짐과 Post-Peak에서의 휨인성을 계산하여 비교하였다.
섬유보강 콘크리트의 휨인장 및 균열 거동을 평가하기 위하여 휨실험을 실시하였다. 하중-처짐 특성을 측정하여 휨 거동을 평가하였고, 실험이 끝난 시편에 대하여 균열 특성(모양 ,개수)을 측정하였다. 제작된 보부재의 크기는 두께 75mm, 폭150mm, 길이 550mm 이다.

대상 데이터

배합에는 A사의 1종 보통 포틀랜드 시멘트와 폴리카본산계의 액상 고성능감수제가 사용되었으며, 2종류의 PVA섬유와 1종류의 강섬유가 사용되었다. 강섬유는 직경 0.2mm이고길이 12mm의 강섬유가 사용되었으며, PVA섬유는 길이 12mm이고 직경 0.04mm와 0.1mm의 섬유가 사용되었고, 각섬유의 물리적 특성을 Table 1에 나타내었다. 사용된 강섬유는 일반적인 강섬유의 두 배에 가까운 2.
65의 규사가 사용되었다. 굵은 골재는 최대치수 13mm의 쇄석 골재가 사용되었다.
배합에는 A사의 1종 보통 포틀랜드 시멘트와 폴리카본산계의 액상 고성능감수제가 사용되었으며, 2종류의 PVA섬유와 1종류의 강섬유가 사용되었다. 강섬유는 직경 0.
1mm의 섬유가 사용되었고, 각섬유의 물리적 특성을 Table 1에 나타내었다. 사용된 강섬유는 일반적인 강섬유의 두 배에 가까운 2.0 GPa의 인장강도를 가지는 고강도 강섬유가 사용되었다. 잔골재는 평균직경0.
여러 개의 균열이 발생하는 다중균열을 발생시키기 위하여 순수 휨 구간이 유도되는 3등분점재하에 의한 휨실험이 수행되었다. 실험은 Closed Loop System이 적용되어 변위제어가 가능한 최대용량 250KN의 MTS 815시험기를 이용하여 수행하였다.
0 GPa의 인장강도를 가지는 고강도 강섬유가 사용되었다. 잔골재는 평균직경0.125mm이고 비중 2.65의 규사가 사용되었다. 굵은 골재는 최대치수 13mm의 쇄석 골재가 사용되었다.
하중-처짐 특성을 측정하여 휨 거동을 평가하였고, 실험이 끝난 시편에 대하여 균열 특성(모양 ,개수)을 측정하였다. 제작된 보부재의 크기는 두께 75mm, 폭150mm, 길이 550mm 이다. 여러 개의 균열이 발생하는 다중균열을 발생시키기 위하여 순수 휨 구간이 유도되는 3등분점재하에 의한 휨실험이 수행되었다.

성능/효과

PVA04 섬유를 사용한 배합은 굵은 골재 혼입양이 25%에서 75%로 증가함에 따라 슬럼프 값이 16cm, 14cm, 11cm로 감소하는 특성을 보여주었다. 반면 PVA10 섬유를 사용한 배합은 고유동성을 보였다.
PVA04섬유의 경우 균열분산능력에서는 유리하지만, 물리적 배합특성이나 워커빌러티가 낮아지는 단점도 있는 것으로 나타났다. PVA10섬유는 PVA04섬유보다 균열분산성과 휨인성이 다소 낮아지지만, 배합특성과 워커빌러티 확보측면에서는 훨씬 우수한 것으로 나타났다.
PVA04섬유의 경우 균열분산능력에서는 유리하지만, 물리적 배합특성이나 워커빌러티가 낮아지는 단점도 있는 것으로 나타났다. PVA10섬유는 PVA04섬유보다 균열분산성과 휨인성이 다소 낮아지지만, 배합특성과 워커빌러티 확보측면에서는 훨씬 우수한 것으로 나타났다.
Table 5에 휨인성 계산 결과를 나타내었다. 결과에 의하면 L/150에 대한 휨인성과 Post-Peak의 휨인성은 굵은 골재 혼입량이 증가함에 따라 명확하게 감소하는 것을 확인할 수 있다.
동일한 섬유 혼입량에 대한 배합임에도 불구하고 굵은 골재/잔골재 비율에 따라 휨강도의 변화가 크게 나타났다. 굵은 골재가 25% 혼입된 배합이 가장 큰 휨강도를 보였으며, 굵은 골재 혼입량이 증가할수록 휨강도는 낮아지는 경향이 나타났다. Table 5에 휨실험중에 측정된 최대하중 값인 휨강도를 나타내었다.
동일한 섬유 혼입량에 대한 배합임에도 불구하고 굵은 골재/잔골재 비율에 따라 휨강도의 변화가 크게 나타났다. 굵은 골재가 25% 혼입된 배합이 가장 큰 휨강도를 보였으며, 굵은 골재 혼입량이 증가할수록 휨강도는 낮아지는 경향이 나타났다.
시멘트와 물과 규사를 먼저 배합하여 시멘트 페이스트 상태를 만들고 난 후, 굵은 골재를 혼입하였으며, 마지막으로 섬유를 추가하는 순서로 배합을 수행하였다. 배합에는 강제식믹서를 사용하였으며, 섬유혼입량은 2%로 비교적 많은 편이지만 적절한 양의 고성능 유동화제의 첨가로 양호한 유동성을 확보할 수 있었다.
본 연구에서 설정한 배합비에 대한 실험 결과에 따르면 PVA04 > PVA10 > mSteel 의 순서로 균열분산능력이 뛰어난 것으로 나타났으며, 섬유의 직경이 가장 작은 섬유가 균열 분산 능력이 좋았다.
반면 휨강성의 저하 없이 하중을 지지할 수 있는 한계점인 Post-peak에서의 처짐은 PVA10섬유를 사용한 시편들이 더 크게 나타났다. 부재의 연성을 고려할 때는 PVA10섬유가 PVA04섬유보다 더 유리한 것으로 나타났다. 계산된 휨강도와 휨인성은 Table 5에 정리하여 비교하였다.
사용된 섬유의 종류도 강도에 영향을 많이 주었다, 최대 휨강도는 강섬유 혼입 시편이 전체적으로 크게 나타났다. 굵은 골재 25% 시편의 경우 mSteel 보강콘크리트의 휨강도가 PVA04 와 PVA10 보강콘크리트에 비교하여 70% 이상 큰 것으로 나타났다.
시험결과, 굵은 골재의 함량이 낮을수록 균열 분산성이 좋아지는 결과를 얻을 수 있었으며, 섬유의 종류에 관계 없이 G/S = 0.25, 즉 굵은 골재의 중량비가 잔골재의 25%인 경우에서 가장 좋은 균열분산 특성을 나타내었다.
시험결과, 섬유의 종류에 따라 세부적인 특징은 다르게 나타났으나, 전체적으로 굵은 골재의 함량이 낮을수록 휨강도와 휨인성이 증가하는 경향을 나타내는 것을 알 수 있었다. 균열 분산 특성 역시 굵은 골재의 함량이 적을수록 우수하게 나타났다.
5에 나타내었다. 실험결과에 따르면 PVA10 섬유로 배합한 섬유보강 콘크리트는 굵은 골재의 혼입양이 증가함에 따라 휨강도와 휨인성 모두 감소하는 경향을 보여주었다. 그러나, PVA04 섬유를 사용한 결과와 비교하여 볼 때, 최대 휨강도 및 휨인성은 유사한 경향을 나타내었다.
균열 분산 특성 역시 굵은 골재의 함량이 적을수록 우수하게 나타났다. 실험에 사용한 세 종류의 섬유에 대하여, 굵은 골재의중량비가 잔골재의 25%인 경우에서 가장 좋은 휨인성과 휨강도, 그리고 균열분산 특성을 나타내었다.
연구에서 제안된 고인성 섬유보강 콘크리트 배합은 일반적인 고인성섬유복합체와 비교하면 성능은 다소 떨어지지만, 굵은 골재를 혼입한 경우에도 휨강도와 휨인성의 증가와 함께 균열분산이 발생하는 것을 확인할 수 있었다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	모르타르와 콘크리트는 무엇인가?	시멘트의 수경성을 이용한 건설재료인 모르타르와 콘크리트는 오랜 기간 주요건설 재료로서 사용되어 왔다. 그러나, 시멘트계 재료는 압축강도가 높은 장점을 가지고 있는 반면 인장강도는 낮기 때문에 균열이 발생하기 쉬운 특성이 있다.
	시멘트계 재료의 특징은?	시멘트의 수경성을 이용한 건설재료인 모르타르와 콘크리트는 오랜 기간 주요건설 재료로서 사용되어 왔다. 그러나, 시멘트계 재료는 압축강도가 높은 장점을 가지고 있는 반면 인장강도는 낮기 때문에 균열이 발생하기 쉬운 특성이 있다. 콘크리트에 발생하는 균열은 구조물의 내구성능을 결정하는 가장 중요한 요인 중의 한가지이기 때문에 균열을 억제하거나제어하기 위한 다양한 방법이 사용되고 있다.
	고성능 섬유보강 시멘트복합체에 대한 연구가 진행된 이유는?	일반적으로 섬유보강콘크리트 (FRC)는 균열 후의 성능 향상에는 큰 효과를 얻을 수 있으나, 균열 자체를 억제하는 성능은 기대하기 힘들다. FRC의 이러한 제약을 극복하기 위한 방법으로 고성능 섬유보강 시멘트복합체(이하 HPFRCC, HighPerformance Fiber Reinforced Cementitious Composites)에 대한 연구가 활발히 진행되어 왔다(Fischer et al.

저자의 다른 논문 :

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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