[논문]고성능 하이브리드 섬유보강 콘크리트의 압축 및 인장 거동

권순오; 배수호; 이현진

doi:10.14190/jrcr.2020.8.4.458

고성능 하이브리드 섬유보강 콘크리트의 압축 및 인장 거동
Compressive and Tensile Behaviors of High Performance Hybrid Fiber Reinforced Concrete 원문보기

Journal of the Korean Recycled Construction Resources Institute = 한국건설순환자원학회 논문집, v.8 no.4, 2020년, pp.458 - 466

권순오 (삼표피엔씨(주)) , 배수호 (안동대학교 토목공학과) , 이현진 (안동대학교 토목공학과)

초록
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이 연구의 목적은 비정질 강섬유와 폴리아미드 섬유를 이용한 고성능 하이브리드 섬유보강 콘크리트의 압축 및 인장 거동을 평가하는 것이다. 이를 위하여 목표 압축강도 40MPa 및 60MPa 각각에 대해서 비정질 강섬유와 폴리아미드 섬유를 총 부피비로 1.0% 혼입한 고성능 하이브리드 섬유보강 콘크리트를 제작한 후 압축강도, 압축인성, 직접인장강도 및 응력-변형률 특징 등의 압축 및 인장 거동을 평가하였다. 그 결과, 고성능 하이브리드 섬유보강 콘크리트의 압축강도는 플레인 콘크리크보다 다소 감소하였으나, 압축인성, 압축인성 비, 직접인장강도는 크게 증가하는 것으로 나타났다. 또한 압축 및 인장 시험시 플레인 콘크리트는 최대응력 이후 취성파괴를 나타냈으나, HPHFRC는 변형연화 현상을 나타내어, 압축 및 인장 거동이 크게 개선되는 것으로 나타났다.

Abstract ▼ AI-Helper

The purpose of this experimental research is to evaluate the compressive and tensile behaviors of high performance hybrid fiber reinforced concrete(HPHFRC) using amorphous steel fiber(ASF) and polyamide fiber(PAF). For this purpose, the HPHFRCs using ASF and PAF were made according to their total volume fraction of 1.0% for target compressive strength of 40MPa and 60MPa, respectively. And then the compressive and tensile behaviors such as the compressive strength, compressive toughness, direct tensile strength, and stress-strain characteristics under compressive and tensile tests were estimated. It was observed from the test results that the compressive strength of HPHFRC was slightly decreased than that of plain concrete, but the compressive toughness, compressive toughness ratio, and direct tensile strength of HPHFRC increased significantly. Also, it was revealed that the plain concrete showed brittle fracture after the maximum stress from the stress-strain curves, but HPHFRC showed strain softening.

주제어

표/그림 (19)

표 Table 1. Physical properties of cement
표 Table 2. Physical properties of aggregates
표 Table 3. Properties of chemical admixtures
그림 Fig. 1. Detail of specimen for direct tensile test
표 Table 4. Properties of fibers
표 Table 5. Mix proportions of HPHFRC
그림 Fig. 2. Compressive toughness test
그림 Fig. 3. Definition of compressive toughness
표 Table 6. Mix proportions of HPHFRM
그림 Fig. 4. Test of direct tensile strength
그림 Fig. 5. Compressive strength of HPHFRC
그림 Fig. 6. Stress-strain curves of HPHFRC under compressive test(40MPa)
그림 Fig. 8. Compressive toughness of HPHFRC
그림 Fig. 7. Stress-strain curves of HPHFRC under compressive test(60MPa)
그림 Fig. 9. Compressive toughness ratio of HPHFRC
그림 Fig. 10. Direct tensile strength of HPHFRM
그림 Fig. 12. Stress-strain curves of HPHFRM under direct tensile test (40MPa)
그림 Fig. 11. Maximum strain of HPHFRM
그림 Fig. 13. Stress-strain curves of HPHFRM under direct tensile test (60MPa)

AI 본문요약
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문제 정의

2014). 따라서 본 연구에서는 비정질 강섬유와 폴리아미드 섬유를 이용한 고성능 하이브리드 섬유보강 콘크리트(high performance hybrid fiber reinforced concrete, HPHFRC)와 고성능 하이브리드 섬유보강 모르타르(high performance hybrid fiber reinforced mortar, HPHFRM)의 압축 및 인장 거동을 평가하기 위하여 목표 압축강도 및 섬유 조합에 따라고성능 하이브리드 섬유보강 콘크리트를 제조한 후 압축강도 및 압축인성, 직접인장강도, 압축 및 인장 시험시의 응력-변형률 특성 등을 평가하고자 한다.

제안 방법

0%로 설정한 후, 비정질 강섬유와 폴리아미드 섬유를 Table 5와 같이 조합⋅사용하였다. HPHFRC의 압축강도 및 압축 인성을 평가하기 위하여 KS F 2403(2014)에 따라 원주형 공시체(Ø100×200mm)를 제작하였고, 직접인장강도를 평가하기 위하여 HPHFRC를 제작하여야 하나, 몰드 규격 및 시험 장치의 제한으로 덤벨 형태의 고성능 하이브리드 섬유보강 모르타르(high performance hybrid fiber reinforced mortar, HPHFRM) 시편을 HPHFRC와 동일한 배합으로 Fig. 1과 같이 제작하였다. 즉, 모르타르의 물-시멘트비는 각각 45%, 33%로 설정하였으며, 목표 플로값은 210±20mm, 시멘트-잔골재비는 질량비로 1:1.
목표 압축강도 40MPa 및 60MPa급의 HPHFRC를 제조하기 위하여 전술한 섬유보강 콘크리트 제조 방법 중 두 번째 방법인 강성의 섬유와 연성의 섬유 등 재료 특성이 다른 섬유를 사용하여 강도와 연성을 증가시키는 방법을 채택하였다. 즉, 물-시멘트비는 45% 및 33%로 설정하였고, 목표 슬럼프 및 목표 공기량은 각각 150±25mm, 3.
1과 같이 전체 길이가 350mm의 시편을 지그에 고정시킨후 변위가 측정되는 유효길이는 150mm로 하여, 시험체와 재하장치가 수평이 되도록 설치하였다. 이때 시편의 중앙부에 설치된 변위계를 이용하여 시편이 완전히 파괴될 때까지 좌, 우측의 변위를 측정한 후 이들의 평균치를 사용하였다.
1과 같이 제작하였다. 즉, 모르타르의 물-시멘트비는 각각 45%, 33%로 설정하였으며, 목표 플로값은 210±20mm, 시멘트-잔골재비는 질량비로 1:1.5, 하이브리드섬유의 혼입률은 전체 체적비의 1.0%로 설정하였다(Table 6). 제작된 공시체는 성형 후 24시간 경과하여 몰드를 제거한 후 시험전까지 20±3℃의 온도로 습윤양생하였다.
연성을 증가시키는 방법을 채택하였다. 즉, 물-시멘트비는 45% 및 33%로 설정하였고, 목표 슬럼프 및 목표 공기량은 각각 150±25mm, 3.5±1.5%로 설정하였으며, 하이브리드 섬유의 혼입율은 전체 체적비의 1.0%로 설정한 후, 비정질 강섬유와 폴리아미드 섬유를 Table 5와 같이 조합⋅사용하였다. HPHFRC의 압축강도 및 압축 인성을 평가하기 위하여 KS F 2403(2014)에 따라 원주형 공시체(Ø100×200mm)를 제작하였고, 직접인장강도를 평가하기 위하여 HPHFRC를 제작하여야 하나, 몰드 규격 및 시험 장치의 제한으로 덤벨 형태의 고성능 하이브리드 섬유보강 모르타르(high performance hybrid fiber reinforced mortar, HPHFRM) 시편을 HPHFRC와 동일한 배합으로 Fig.
직접인장 시험시 HPHFRM의 응력-변형률 특성을 평가하기 위하여 Fig. 1과 같이 전체 길이가 350mm의 시편을 지그에 고정시킨후 변위가 측정되는 유효길이는 150mm로 하여, 시험체와 재하장치가 수평이 되도록 설치하였다. 이때 시편의 중앙부에 설치된 변위계를 이용하여 시편이 완전히 파괴될 때까지 좌, 우측의 변위를 측정한 후 이들의 평균치를 사용하였다.
직접인장에 대한 표준시험은 국⋅내외적으로 아직 제정되지 않아서, 자체적인 인장강도 평가방법에 의해 수행되고 있으며, HPHFRC와 동일 배합의 고성능 하이브리드 섬유보강 모르타르 (HPHFRM)의 직접인장강도 특성을 평가하기 위하여 Fig. 4와 같은시험장치를 이용하여 직접인장 시험을 수행하였다.

대상 데이터

고성능 하이브리드 섬유보강 콘크리트(high performance hybrid fiber reinforced concrete, HPHFRC)의 유동성 조절을 위한 화학혼화제는 고강도 및 유동화 콘크리트용으로 사용되고 있는 S사의 폴리카르본산계의 고성능 감수제(superplasticizer, SP) 와섬유의 분산과 콘크리트의 점성을 조절하기 위하여 D사의 액상 타입 저점도 증점제(viscosity agent, VA)를 사용하였다. 공기량 조절을 위한 화학혼화제는 H사의 공기연행제(air entraining agent, AE)를 사용하였으며, 이들의 품질 특성은 Table 3과 같다.
시멘트는 H사 제품의 보통 포틀랜드 시멘트를 사용하였으며, 물리적 성질은 Table 1과 같다. 잔골재는 경북 안동에서 생산된 낙동강산 하천사를, 굵은 골재는 최대치수가 25mm인 안동산 부순돌을 이용하였으며, 이들의 물리적 성질은 Table 2와같다.
물리적 성질은 Table 1과 같다. 잔골재는 경북 안동에서 생산된 낙동강산 하천사를, 굵은 골재는 최대치수가 25mm인 안동산 부순돌을 이용하였으며, 이들의 물리적 성질은 Table 2와같다.
하이브리드 섬유를 구성하기 위하여 무기질 섬유로서 비정질 강섬유(ASF)와 유기섬유로서 K사의 폴리아미드 섬유(PAF)를 혼합⋅사용하였으며, 이들의 물리적 성질 및 형상은 Table 4와 같다.

이론/모형

HPHFRC의 압축강도 특성을 평가하기 위하여 KS F 2405 (2010)에 따라 재령 7일 및 28일 압축강도 시험을 수행하였으며, 압축인성 비를 평가하기 위하여 JSCE-SF5(1984)에 따라 하중 단계별 변위값을 Fig. 2와 같이 측정하였다.

성능/효과

1. 목표 압축강도 40MPa인 HPHFRC의 압축강도는 B와 C 배합을 제외하면, 플레인 콘크리트보다 저하되는 것으로 나타났으며, 목표 압축강도 60MPa인 HPHFRC의 압축강도는 전반적으로 플레인 콘크리트보다 저하되며, 비정질 강섬유 혼입량이 증가하고 유기섬유 혼입량이 감소할수록 압축강도 저하 현상이 뚜렷해지는 것으로 나타나, 향후 HPHFRC의 배합 시이를 고려하여야 할 것으로 판단된다.
2.플레인 콘크리트의 압축 거동은 최대응력 이후 취성파괴를 나타내나, HPHFRC는 최대응력 이후 변형 연화 현상을 나타냈고, 압축인성 및 압축인성 비는 모두 플레인 콘크리트보다 크게 개선되는 것으로 나타났으며, 압축인성 비를 기준으로 할 때 목표 압축강도 40MPa의 경우 C 배합이 플레인 콘크리트보다 2.6배, 압축강도 60MPa의 경우 D 배합이 플레인 콘크리트보다 2.9배 큰 것으로 나타났는데, 이는 압축응력 하에서 콘크리트 내의 섬유들이 미세균열을 효과적으로 제어 ⋅구속한 것으로 판단된다.
3. HPHFRM의 직접인장강도는 모두 플레인 모르타르보다 큰것으로 나타났으며, 목표 압축강도 40MPa의 경우 C 배합이플레인 모르타르의 110%, 압축강도 60MPa의 경우 D 배합이플레인 모르타르의 114%로, HPHFRM의 직접인장강도가 플레인 모르타르보다 다소 크게 증가하는 것으로 나타났다. 이는 비정질 강섬유와 유기섬유가 균열 저항성 및 에너지 흡수능력을 높여 직접인장강도가 향상된 것으로 판단된다.
4.플레인 모르타르의 인장 거동은 최대 응력 이후 취성파괴를 나타내나, HPHFRMe 최대응력 이후 변형 연화 현상을 나타냈다. 직접인장 시험시 시편이 완전히 파손될 때까지의 HPHFRM의 최대변형률은 목표 압축강도 40MPa 및 60MPa 인 경우 각각 0.
Fig. 5는 HPHFRC의 재령별 압축강도를 나타낸 것으로, 목표압축강도 40MPa인 경우 플레인 콘크리트에 대한 HPHFRC의 재령 7일 및 28일 압축강도비는 각각 99∼113%, 97∼107%로 나타났으며, 목표 압축강도 60MPa인 경우 각각 85∼96%, 83∼95%로나타나, 고강도 콘크리트일수록 섬유 혼입이 압축강도 저하에 미치는 영향은 더 큰 것으로 나타나, 향후 HPHFRC의 배합 시 이를고려하여야 할 것으로 판단된다. 목표 압축강도 40MPa인 경우재령 28일을 기준으로 할 때, B와 C배합을 제외하면, 플레인 콘크리트에 대한 HPHFRC의 압축강도 증진 효과는 없는 것으로 나타났으며, 압축강도 60MPa인 경우 전반적으로 HPHFRC의 압축강도가 플레인 콘크리트보다 저하되며, 비정질 강섬유 혼입량이 증가하고 유기섬유 혼입량이 감소할수록 압축강도 저하 현상이 뚜렷해지는 것으로 나타났다.
Fig. 8 및 9는 HPHFRC의 압축인성 및 압축인성 비를 나타낸 것으로, HPHFRC의 압축인성 및 압축인성 비는 모두 플레인 콘크리트보다 크게 개선되는 것으로 나타났으며, 압축인성 비를 기준으로 할 때 목표 압축강도 40MPa의 경우 C 배합이 플레인보다 2.6배, 목표 압축강도 60MPa의 경우 D 배합이 플레인보다 2.9배 큰 것으로 나타났다. 이는 기존의 연구결과(Jang et al.
12 및 13은 직접인장 시험시 HPHFRM의응력-변형률 곡선을 나타낸 것이다. HPHFRM의 직접인장강도는 모두 플레인 모르타르보다 큰 것으로 나타났으며, 목표 압축강도 40MPa의 경우 C 배합이 플레인 모르타르의 110%, 목표 압축강도 60MPa의 경우 D 배합이 플레인 모르타르의 114%로, HPHFRM의직접인장강도가 플레인 모르타르보다 다소 크게 증가하는 것으로 나타났다. 이는 비정질 강섬유와 유기섬유가 균열 저항성 및 에너지 흡수능력을 높여 직접인장강도가 향상된 것으로 판단된다.
6 및 7은 HPHFRC의 압축 시험시 응력-변형률 곡선을 나타낸 것으로, 목표 압축강도 수준에 관계없이 플레인 콘크리트는최대응력 이후 취성적인 파괴를 나타내는 반면, HPHFRC의 경우는 모두 최대응력 이후 변형연화(strain softening) 현상이 나타났다. 또한, 목표 압축강도 40MPa 및 60MPa인 HPHFRC의 최 대응력 점에서의 변형률은 각각 C 배합, D 배합이 가장 큰 것으로 나타났다.
또한, 목표 압축강도 수준에 관계없이 플레인 모르타르는 최대응력 이후 취성파괴를 보이는 반면, HPHFRMe 최대응력 이후 응력 상승구간 없이 변형연화(strain softening) 현상을 나타냈다. 이는 섬유들의 가교역할로 인해 에너지 흡수능력이 향상되어 취성거동이 연성거동으로 바뀐 것으로 판단된다(Fig.
5는 HPHFRC의 재령별 압축강도를 나타낸 것으로, 목표압축강도 40MPa인 경우 플레인 콘크리트에 대한 HPHFRC의 재령 7일 및 28일 압축강도비는 각각 99∼113%, 97∼107%로 나타났으며, 목표 압축강도 60MPa인 경우 각각 85∼96%, 83∼95%로나타나, 고강도 콘크리트일수록 섬유 혼입이 압축강도 저하에 미치는 영향은 더 큰 것으로 나타나, 향후 HPHFRC의 배합 시 이를고려하여야 할 것으로 판단된다. 목표 압축강도 40MPa인 경우재령 28일을 기준으로 할 때, B와 C배합을 제외하면, 플레인 콘크리트에 대한 HPHFRC의 압축강도 증진 효과는 없는 것으로 나타났으며, 압축강도 60MPa인 경우 전반적으로 HPHFRC의 압축강도가 플레인 콘크리트보다 저하되며, 비정질 강섬유 혼입량이 증가하고 유기섬유 혼입량이 감소할수록 압축강도 저하 현상이 뚜렷해지는 것으로 나타났다.
즉, 목표압축강도 40MPa인 경우는 연성의 섬유인 폴리아미드 섬유가, 60MPa인 경우는 강성의 섬유인 비정질 강섬유가 균열 가교에 더욱 지배적인 역할을 하는 것으로 나타났다.
플레인 모르타르의 인장 거동은 최대 응력 이후 취성파괴를 나타내나, HPHFRMe 최대응력 이후 변형 연화 현상을 나타냈다. 직접인장 시험시 시편이 완전히 파손될 때까지의 HPHFRM의 최대변형률은 목표 압축강도 40MPa 및 60MPa 인 경우 각각 0.71∼0.83%, 0.81∼0.96%로 나타났으며, 강도 수준이 높을수록 최대변형률이 큰 것으로 나타났는데, 이는 모르타르 매트릭스와 섬유 사이에 부착특성이 개선되기 때문인 것으로 판단된다.
직접인장 시험시 시편이 완전히 파손될 때까지의 HPHFRM의최대변형률은 목표 압축강도 40MPa 및 60MPa의 경우 각각 0.71 ∼0.83%, 0.81∼0.96%로 나타났는데, 강도수준이 높을수록 최대변형률이 큰 것은 모르타르 매트릭스와 섬유 사이의 부착 특성이 개선되기 때문인 것으로 판단된다(Fig. 11).
한편, 목표 압축강도 40MPa 및 60MPa인 HPHFRM의 직접인 장강 도는 비정질 강섬유 혼입량이 증가하고 유기섬유 혼입량이 감소할수록 증가하다가 각각 C와 D 배합에서 가장 높게 나타났으며, 그 이후로는 감소하는 경향으로 나타났는데, 이는 강도수준에 따라 섬유 조합이 직접인장강도에 미치는 영향이 다르다는 것을 나타낸다. 즉, 목표압축강도 40MPa인 경우는 연성의 섬유인 폴리아미드 섬유가, 60MPa인 경우는 강성의 섬유인 비정질 강섬유가 균열 가교에 더욱 지배적인 역할을 하는 것으로 나타났다.

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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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