[논문]강섬유 보강 초고강도 콘크리트의 인장 특성 실험 연구

양인환; 박지훈; 이재호

doi:10.14190/jrcr.2019.7.3.279

강섬유 보강 초고강도 콘크리트의 인장 특성 실험 연구
An Experimental Study on Tensile Properties of Steel Fiber-Reinforced Ultra High Strength Concrete 원문보기

Journal of the Korean Recycled Construction Resources Institute = 한국건설순환자원학회 논문집, v.7 no.3, 2019년, pp.279 - 286

양인환 (군산대학교 토목공학과) , 박지훈 (군산대학교 토목공학과) , 이재호 (군산대학교 토목공학과)

초록
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본 연구에서는 기준압축강도 180MPa의 강섬유 보강 초고강도 콘크리트(UHSC)의 인장 특성에 관한 실험 연구를 수행하였다. 부피비 1%의 강섬유를 혼입하여 직접인장강도 시편과 3점 하중재하 휨 실험을 위한 프리즘 시편을 제작하였다. 제작된 시편은 균열 유도를 위하여 시편 중앙에 노치를 설정하였으며, 각 평가방법에 따라 실험을 수행하였다. 우선, 콘크리트의 균열 후 거동 특성을 파악하기 위하여 직접인장강도 실험을 수행하여 응력-변형률 곡선을 분석하였으며, 3점 하중재하 휨 실험을 통하여 하중-CMOD 곡선을 얻고, 역해석을 수행하여 응력-변형률 곡선을 분석하였다. 직접인장강도 실험과 3점 하중재하 휨 실험의 인장거동 특성은 유사하게 나타났다. 또한, SC 구조설계지침에서 제시하고 있는 인장응력-변형률 곡선 모델링을 수행하고, 측정값과 예측값의 비교분석을 수행하였다. 재료감소계수가 1.0일 때, 변형률이 0.02일 때까지 예측값은 측정값과 유사하게 나타나지만, 재료감소계수가 0.8일 때, 예측값은 측정값의 최소값에 근접한다. 또한, 변형률이 0.02를 초과하는 구간에서는 SC 구조설계지침에 의한 예측값이 측정값을 과소평가한다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this study, an experimental study on the tensile properties of steel fiber-reinforced ultra high strength concrete(UHSC) with a standard compressive strength of 180MPa was performed. Steel fibers with a volume ratio of 1% were mixed to prepare direct tensile strength specimens and prism specimens for the three-point bending test. The fabricated specimens were set up in the middle section of the specimen to induce cracks, and the test was carried out according to each evaluation method. First, the stress-strain curves were analyzed by performing direct tensile strength tests to investigate the behavior characteristics of concrete after cracking. In addition, the load-CMOD curve was obtained through the three-point bending test, and the inverse analysis was performed to evaluate the stress-strain curve. Tensile behavior characteristics of the direct tensile test and the three-point bending test of the indirect test were similar. In addition, the tensile stress-strain curve modeling presented in the SC structural design guidelines was performed, and the comparative analysis of the measured and predicted values was performed. When the material reduction factor of 1.0 was applied, the predicted value was similar to the measured value up to the strain of 0.02, but when the material reduction factor of 0.8 was applied, the predicted value was close to the lower limit of the measured value. In addition, when the strain was greater than 0.02, the predicted value by SC structural design guideline to underestimated the measured value.

주제어

표/그림 (14)

그림 Fig. 1. Shape of steel fiber
표 Table 1. Mix proportion
그림 Fig. 2. Direct tensile strength test
그림 Fig. 3. Direct tensile stress-CMOD curve
그림 Fig. 4. Direct tensile stress-strain curve
표 Table 2. Test result of compressive strength
그림 Fig. 5. Three-point bending test
그림 Fig. 6. Load-CMOD curve
표 Table 3. Test result of direct tensile strength
그림 Fig. 7. Tensile stress-CMOD curve
그림 Fig. 8. Tensile stress-strain modeling curve (SUPER Concrete structural design guidelines)
표 Table 4. Tensile strength inverse analysis results
그림 Fig. 9. Comparison of tensile stress-strain modeling curves for concrete
그림 Fig. 10. Comparison of tensile stress-strain and modeling

AI 본문요약
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문제 정의

따라서, 본 연구에서는 직접인장강도 실험과 3점 하중재하 휨 실험을 통하여 압축강도 180MPa 이상을 갖는 강섬유 보강 UHSC의 인장강도 특성을 파악하고 비교하였다. 먼저, 노치가 있는 박판 시편을 이용하여 직접인장강도 실험을 수행한 후 UHSC의 인장거동특성을 파악하였다.

제안 방법

하중재하 전 공시체 원주방향으로 3개의 LVDT를 120° 간격으로 설치하였다. LVDT는 공시체 중앙 100mm구간에 설치하여 하중재하 시 변위를 측정하였다.
UHSC의 균열 후 인장거동 특성을 파악하기 위하여 노치가 있는 프리즘 시편을 제작하여 3점 하중재하 휨실험을 수행하였다. 프리즘 시편의 단면은 사각 단면 형상이고, 시편의 크기는 100mm(가로)×100mm(세로)×400mm(길이)이다.
아울러, 노치가 있는 프리즘 시편을 이용하여 3점 하중재하 휨 실험을 수행한 후 역해석을 통한 결과값을 도출하여 UHSC의 인장거동을 분석하였다. 또한 SC 구조설계지침에서 제시하고 있는 인장응력-변형률 관계 곡선을 기준으로 모델링하여 직접 시험방법 및 간접 시험방법과의 비교분석을 수행하였다.
특성을 파악하고 비교하였다. 먼저, 노치가 있는 박판 시편을 이용하여 직접인장강도 실험을 수행한 후 UHSC의 인장거동특성을 파악하였다. 아울러, 노치가 있는 프리즘 시편을 이용하여 3점 하중재하 휨 실험을 수행한 후 역해석을 통한 결과값을 도출하여 UHSC의 인장거동을 분석하였다.
본 연구에서는 압축강도 180MPa 수준의 강섬유를 혼입한 초고강도 콘크리트의 인장강도실험을 통해 거동 특성을 분석하였으며, 주요 결론은 다음과 같다.
인장실험은 30ton 용량의 만능재료시험기(universal testing machine, UTM) 로 진행하였다. 시편에 인장력을 가하는 동안 인장균열은 노치에 집중되어 발생하였으며, 클립게이지(clip gauge)를 이용하여 노치에서의 인장균열 즉 균열개구변위(crack mouth opening displacement, CMOD)를 측정하였다. 이후 균열개구변위를 사용하여 인장변형률을 산정하였다.
프리즘 시편의 단면은 사각 단면 형상이고, 시편의 크기는 100mm(가로)×100mm(세로)×400mm(길이)이다. 시편은 콘크리트 타설 후 1일 동안 습윤양생을 하였으며, 72시간 동안 90±5℃ 조건에서 증기양생을 실시하였다. 노치는 시편의 타설면을 기준으로 90° 회전하여 제작하였으며, 시편 중앙단면에 위치한 노치의 깊이는 10mm이고 폭은 3.
실험결과의 신뢰도를 향상하기 위하여 시편은 2회의 배치(batch)로 나뉘어 제작하였다. 시편은 타설 완료 후 초기 1일 동안 습윤양생을 하였으며, 72시간 동안 90±5℃ 조건에서 증기양생을 실시하였다.
시편의 중앙단면에 노치를 갖는 시편을 사용하여 UHSC의 직접인 장강도 실험을 수행하였다. 직접인장강도 시편은 콘크리트 타설 후 1일 동안 습윤양생을 하였으며, 이후 72시간 동안 90±5℃ 조건에서 증기양생을 실시하였다.
갖는 원주형 공시체를 제작하였다. 실험결과의 신뢰도를 향상하기 위하여 시편은 2회의 배치(batch)로 나뉘어 제작하였다. 시편은 타설 완료 후 초기 1일 동안 습윤양생을 하였으며, 72시간 동안 90±5℃ 조건에서 증기양생을 실시하였다.
직접인장강도 시편은 콘크리트 타설 후 1일 동안 습윤양생을 하였으며, 이후 72시간 동안 90±5℃ 조건에서 증기양생을 실시하였다. 실험결과의 오차를 최소화하기 위하여 2회의 배치로 콘크리트 배합을 수행하고 배치 별로 3개의 시편을 제작하여 직접인장강도 실험을 수행하였다.
먼저, 노치가 있는 박판 시편을 이용하여 직접인장강도 실험을 수행한 후 UHSC의 인장거동특성을 파악하였다. 아울러, 노치가 있는 프리즘 시편을 이용하여 3점 하중재하 휨 실험을 수행한 후 역해석을 통한 결과값을 도출하여 UHSC의 인장거동을 분석하였다. 또한 SC 구조설계지침에서 제시하고 있는 인장응력-변형률 관계 곡선을 기준으로 모델링하여 직접 시험방법 및 간접 시험방법과의 비교분석을 수행하였다.
양생 완료된 시편에 대해서 압축강도와 탄성계수를 측정하기 위하여 2,000kN 용량의 콘크리트 압축강도 강도 시험기를 사용하였다. 하중재하 전 공시체 원주방향으로 3개의 LVDT를 120° 간격으로 설치하였다.
시편에 인장력을 가하는 동안 인장균열은 노치에 집중되어 발생하였으며, 클립게이지(clip gauge)를 이용하여 노치에서의 인장균열 즉 균열개구변위(crack mouth opening displacement, CMOD)를 측정하였다. 이후 균열개구변위를 사용하여 인장변형률을 산정하였다.
2의 (b)와 같이 시편의 양단을 핀 지점(pin support) 으로 하여 하중의 편심 재하를 방지하고자 하였다. 인장실험은 30ton 용량의 만능재료시험기(universal testing machine, UTM) 로 진행하였다. 시편에 인장력을 가하는 동안 인장균열은 노치에 집중되어 발생하였으며, 클립게이지(clip gauge)를 이용하여 노치에서의 인장균열 즉 균열개구변위(crack mouth opening displacement, CMOD)를 측정하였다.
실험을 수행하였다. 직접인장강도 시편은 콘크리트 타설 후 1일 동안 습윤양생을 하였으며, 이후 72시간 동안 90±5℃ 조건에서 증기양생을 실시하였다. 실험결과의 오차를 최소화하기 위하여 2회의 배치로 콘크리트 배합을 수행하고 배치 별로 3개의 시편을 제작하여 직접인장강도 실험을 수행하였다.
3mm/min 속도로 재하하였다. 프리즘 시편 하면의 노치 양쪽 끝에 5mm 용량의 균열 게이지를 설치하여 Fig. 5에 나타낸 바와 같이 노치의 균열개구변위를 측정하였다. 또한 시편의 처짐을 측정하기 위해 용량 10mm의 LVDT 3개를 설치하였다.
하중재하 전 공시체 원주방향으로 3개의 LVDT를 120° 간격으로 설치하였다. LVDT는 공시체 중앙 100mm구간에 설치하여 하중재하 시 변위를 측정하였다.

대상 데이터

UHSC의 압축강도를 측정하기 위하여 직경 100mm, 높이 200mm를 갖는 원주형 공시체를 제작하였다. 실험결과의 신뢰도를 향상하기 위하여 시편은 2회의 배치(batch)로 나뉘어 제작하였다.
시편은 콘크리트 타설 후 1일 동안 습윤양생을 하였으며, 72시간 동안 90±5℃ 조건에서 증기양생을 실시하였다. 노치는 시편의 타설면을 기준으로 90° 회전하여 제작하였으며, 시편 중앙단면에 위치한 노치의 깊이는 10mm이고 폭은 3.44mm이다.
5에 나타낸 바와 같이 노치의 균열개구변위를 측정하였다. 또한 시편의 처짐을 측정하기 위해 용량 10mm의 LVDT 3개를 설치하였다. LVDT는 Fig.
01g/cm³ 의 폴리카르본산계 고성능 감수제를 사용하였다. 또한, 초고성능 콘크리트에서 사용되는 충전재(filler)는 구성 입자들의 평균 크기가 약 4 μm이며, SiO₂ 96% 이상, 밀도 2.60g/cm³의 재료를 사용하였다.
배합에 사용된 강섬유는 밀도 7, 500kg/cm³이고, 인장강도는 2, 500MPa이다. 사용된 강섬유의 종류는 직경 0.
0%의 강섬유로 혼입한 초고강도 콘크리트를 제작하였다. 배합에 사용된 시멘트는 보통 포틀랜드 시멘트이며, 반응성 분체로 지르코늄을 사용하였다. 또한 사용된 잔골재 입도 0.
본 연구에서는 콘크리트 부피비 1.0%의 강섬유로 혼입한 초고강도 콘크리트를 제작하였다. 배합에 사용된 시멘트는 보통 포틀랜드 시멘트이며, 반응성 분체로 지르코늄을 사용하였다.
500MPa이다. 사용된 강섬유의 종류는 직경 0.2mm이며, 길이는 19.5mm의 직선 형상을 갖는 강섬유를 적용하였다. 다음 Fig.
수행하였다. 프리즘 시편의 단면은 사각 단면 형상이고, 시편의 크기는 100mm(가로)×100mm(세로)×400mm(길이)이다. 시편은 콘크리트 타설 후 1일 동안 습윤양생을 하였으며, 72시간 동안 90±5℃ 조건에서 증기양생을 실시하였다.

이론/모형

제안하고 있다. 노치를 갖는 프리즘 시편의 하중-CMOD 측정값을 이용하여 역해석(inverse analysis)을 수행한 후 인장응력-CMOD 곡선을 산정할 수 있다. 따라서 Fig.

성능/효과

1. 강섬유 보강 초고강도 콘크리트의 인장응력은 균열인장강도 도달 후에 최대인장강도까지 증가하는 현상을 나타낸다. 즉, 강섬유가 초기균열과 인장강도 사이 구간의 균열 후 거동과 더불어 변형률 경화 현상을 나타내는 것을 의미하며, 균열후 거동 단계에서 균열 사이의 강섬유가 효과적으로 균열 진전을 제어하고 있는 것을 나타낸다.
2. 최대인장강도 이후에 인장응력은 점진적으로 감소한다. 인장응력의 점진적인 감소는 일반 콘크리트에 비해 강섬유 보강의 인성효과가 우수함을 나타낸다.
3. 직접인장강도 실험에 의한 인장강도는 9.1MPa 인 반면에, 3점 하중재하 실험결과에 의한 인장강도는 8.3MPa를 나타낸다. 따라서, 본 연구에서의 직접인장강도 실험에 의한 인장강도와 3점 하중재하 실험에 의한 인장강도는 거의 유사한 결과를 나타낸다.
4. 재료감소계수가 1.0일 때, 변형률이 약 0.02일 때까지 모델링 곡선은 측정 인장응력-변형률 곡선과 거의 유사하게 나타난다. 하지만 변형률이 0.
9에 프리즘 시편 휨 실험결과의 역해석 결고를 식 (1)~(4) 를 사용하여 산정한 인장응력-변형률 모델링 곡선과 직접인장강도 실험결고를 식 (1)~(4)를 사용하여 산정한 인장응력-변형률 모델링 곡선을 나타내었다. 두 시험 방법에 의한 인장응력-변형률 모델링 곡선은 유사하게 나타났으며, 이 결고를 토대로 간접시험 방법의 결과값이 신뢰성 있는 자료로 사용되기에 적합하다고 판단된다.
003을 상회하고 있다. 또한, 각 배합의 압축강도는 203.3 및 198.5MPa 이상을 나타내었으며, 이는 설계 압축강도를 상회하는 것으로 나타났다.
강섬유 보강 초고강도 콘크리트의 인장응력은 균열인장강도 도달 후에 최대인장강도까지 증가하는 현상을 나타낸다. 즉, 강섬유가 초기균열과 인장강도 사이 구간의 균열 후 거동과 더불어 변형률 경화 현상을 나타내는 것을 의미하며, 균열후 거동 단계에서 균열 사이의 강섬유가 효과적으로 균열 진전을 제어하고 있는 것을 나타낸다.
UHSC의 인장응력은 균열 인장강도(cracking tensile strength) 도달 후에 최대인장강도까지 증가하는 현상을 나타낸다. 즉, 실험결과는 강섬유가 초기균열과 인장강도 사이 구간의 균열 후 거동과 더불어 변형률경화(strain hardening) 현상을 나타내는 것을 의미한다. 이러한 변형률경화 현상은 일반 콘크리트에서는 나타나지 않으며, 균열 후 거동 단계에서 균열 사이의 강섬유가 효과적으로 균열 진전을 제어하고 있는 것을 나타낸다.

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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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