[논문]유기질 섬유 종류가 콘크리트의 공학적 특성에 미치는 영향

신현섭; 김광련; 이건철; 김병기; 한천구

문제 정의

따라서, 본 연구에서는 유기질 섬유 중 전술한 바와 같은 단점에 효과가 있는 것으로 알려진 나일론 섬유(Nylon Fiber : 이하 NY 섬유)에 대하여 섬유의 길이 및 특성을 달리하는 종류 변화에 따라 그 콘크리트의 공학적 특성을 검토하고, 아울러 최근 많이 보급되고 있는 셀룰로오스 섬유(Cellulose Fiber : 이하 CEL 섬유)와도 비교 분석하고자 한다.
본 연구는 섬유보강 콘크리트에 영향을 주는 유기질 섬유 중 NY 섬유 및 CEL 섬유의 길이 및 혼입량 변화에 따라 콘크리트의 공학적 특성에 미치는 영향을 분석한 것으로, 그 결과를 요약하면 다음과 같다.

제안 방법

즉, 배합사항으로 Plain 배합은 W/C 52%, 목표 슬럼프 및 목표 공기량을 각각 180+15mm, 4.5±1.5%로 하고, 여기에 각각의 섬유를 혼입하는 것으로 하였는데, 나일론 섬유는 길이와 직경이 다른 2종류의 섬유를 혼입하는 것으로 혼입량은 0.3, 0.6, 0.9, 1.2kg/mW 4수준으로 하였다. 또한, 셀룰로오스 섬유는 1종류 섬유에 대하여 혼입량을 0.
2kg/mW 4수준으로 하였다. 또한, 셀룰로오스 섬유는 1종류 섬유에 대하여 혼입량을 0.6, 0.9, 1.2kg/rri의 3수준으로 하여 비교하는 것으로 총 12 배치를 실험계획 하였다.

대상 데이터

본 실험에 사용한 재료의 물리적 성질은 표 2~5와 같다. 즉, 시멘트는 국내산 보통 포틀랜드시멘트를 사용하였고, 골재로써 잔골재는 충북 옥산산 강모래, 굵은 골재는 충북 옥산산 25mm 쇄석을, 혼화제로써 고성능 감수제는 국내산 K사의 나프탈렌계, AE제는 국내 K사의 SLES 음이온계를 사용하였으며, NY 섬유는 국내에서 판매되고 있는 K사의 제품을, CEL 섬유는 국내산 S사 제품을 사용하였다.
본 연구의 실험 방법으로 콘크리트의 혼합은 강제식 팬 타입 믹서를 사용하였다.

이론/모형

굳지 않은 콘크리트의 실험으로 슬럼프는 KS F 2402, 공기량 시험은 KS F 2421, 블리딩은 KS F 2414의 규정에 의거 블 리딩 수를 측정한 후 블리딩량으로 평가하였고, 응결 시간은 KS F 2436의 규정에 의거 프록터 관입저항 시험방법으로 측정하였다.
경화 콘크리트의 실험으로 압축강도는 KS F 2403, 인장강도는 KS F 2423에 의거 각각 계획된 소정의 재령에서 측정하였다.

성능/효과

그림 1은 섬유종류별 혼입량 변화에 따른 유동성을 나타낸 것이다. 전반적으로 유동성은 NY-1 섬유, NY-2섬유 및 CEL 섬유 공히 혼입량이 증가할수록 감소하는 것으로 나타났다. 이는 섬유 혼입량이 증가함에 따라 매트릭스 상의 네트워크 형상이 치밀해져 있기 때문으로 사료된다.
이는 섬유 혼입량이 증가함에 따라 매트릭스 상의 네트워크 형상이 치밀해져 있기 때문으로 사료된다. 또한, 섬유별에 따라서 는 NY-2의 경우 같은 종류의 섬유인 NY-1 보다 슬럼프가 더욱 감소하는 것으로 나타났는데, 이는 섬유의 길이가 길어짐에 따라 부착력 및 점착력 이 증가하므로 유동성 저하가 큰 것으로 사료되며, CEL 섬유는 NY-1 섬유 및 NY-2 섬유보다 슬럼프가 급격히 감소하는 것으로 나타났는데, 이는 CEL 섬유 제조 시 사용되는 주원료가 목재를 특수 가공한 것이기 때문에 콘크리트 매트릭스 내에서 배합 수를 흡수하여 유동성에 영향을 미치는 것으로 사료된다.
공기량은 모든 섬유의 경우 혼입량이 증가함에 따라 다소 증가하는 것으로 나타났는데, 이에 대하여 기존의 문헌에 서는 시멘트 매트릭스 내의 섬유 상호 간에 미세 공극이 증가하여 발생하는 것으로 보고하고 있는데, 1) 본 연구에서의 결과도 유사한 경향으로 분석된다. 또한, 섬유별에 따라서는 CEL 섬유보다 NY-1 섬유 및 NY-2 섬유가 조금 더 증가하는 것으로 나타났으나 그 차이는 크지 않은 것으로 분석된다.
그림 5는 섬유종류별 혼입량 변화에 따른 압축강도를 나타낸 것이다. 압축강도는 모든 섬유 혼입량이 증가함에 따라 모든 재령에서 0.9kg/m'까지 소폭 증가하는 것으로 나타났으나, 1.2kg/m'에서는 감소하는 것으로 나타났다. 이는 섬유가 혼입됨에 따라 콘크리트 매트릭스를 밀실하게 하여 어느 정도 강도를 증진시키는 효과가 있지만, 단위 체적당 섬유 수가 너무 많아지면서 콘크리트 계면과의 부착력 감소와 섬유 분산의 불량에 기인하여 압축강도는 감소하는 것으로 사료된다.
또한, 모든 섬유 혼입량이 증가됨에 따라 실측 강도와 보정 강도에서 압축강도의 차이를 볼 수 있는데, 이는 굳지 않은 상태에서의 공기량 증가를 보정한 것이다. 즉, 공기량 1%의 증가에 대한 압축강도의 감소를 5%로 가정하여 공기량 보정을 할 경우 압축강도는 다소 증가하는 것으로 분석된다.
그림 6은 섬유종류별 혼입량 변화에 따른 인장강도를 나타낸 것이다. 인장강도는 섬유의 길이가 짧고, 직경이 작을수록 섬유 간 거리가 가까워져 최대 응력이 커진다는 기존의 연 구결 과와는 달리, NY 섬유의 물리적 성질이 우수함에 따라 CEL 섬유보다 미소한 증가의 경향을 나타내었다. 또한, 모든 섬유 혼입량 0.
인장강도는 섬유의 길이가 짧고, 직경이 작을수록 섬유 간 거리가 가까워져 최대 응력이 커진다는 기존의 연 구결 과와는 달리, NY 섬유의 물리적 성질이 우수함에 따라 CEL 섬유보다 미소한 증가의 경향을 나타내었다. 또한, 모든 섬유 혼입량 0.6kg/ni 까지는 같거나 미소한 증가 경향을 나타내고 있으나, 이후엔 약간 감소하는 것으로 나타났다. 이는 섬유 혼입량 증가에 따른 공기량 증가, 콘크리트 계면과의 부착력 감소 및 섬유 분산의 불량에 기인하여 인장강도는 감소하는 것으로 나타났다.
1) 유동성은 모든 섬유의 혼입량이 증가할수록 콘크리트 간의 네트워크가 치밀해지고 섬유의 표면적이 증가하여 부착력 및 점착력이 증가하므로 모두 감소하는 것으로 나타났으며, 섬유 종류별에 따라서는 주원료가 목재인 CEL 섬유의 감소가 큰 것으로 나타났다.
2) 공기량은 모든 섬유의 경우 혼입량이 증가함에 따라 섬유 상호 간에 미세 공극의 증가로 소폭 증가하는 것으로 나타났고, NY 섬유가 CEL 섬유보다 조금 더 증가하는 것으로 나타났으나 모두 목표 공기량은 만족하였다.
3) 블리딩량은 모든 섬유 혼입량이 증가할수록 콘크리트 매트릭스 내의 섬유가 그물망처럼 존재하여 상승하려는 잉 여수를 억제하기 때문에 블리딩량은 감소하였다.
4) 응결 시간은 모든 섬유가 혼입됨에 따라 블리딩의 영향에 기인하여 응결이 지연되는 것으로 나타났으며, 섬유별에 따라서는 큰 차이를 보이지. 않았다.
5) 압축 강도는 모든 섬유의 혼입량이 증가함에 따라 모든 재령에서 0.9kg/n?까지 증가하는 것으로 나타나, 섬유가 혼입됨에 따라 어느 정도 강도는 증가하였다. 또한, 공기량에 따른 압축 강도를 보정할 경우는 다소 증가하는 것으로 분석되었다.
9kg/n?까지 증가하는 것으로 나타나, 섬유가 혼입됨에 따라 어느 정도 강도는 증가하였다. 또한, 공기량에 따른 압축 강도를 보정할 경우는 다소 증가하는 것으로 분석되었다.
6) 인장 강도는 섬유혼입량이 증가함에 따라 모든 경우 0.6kg/n?까지 같거나 미소한 증가를 보인 후 감소하는 것으로 나타났으며, 공기량 보정을 실시하면 NY 섬유 혼입 시 인장강도는 확연히 증가하는 것으로 나타났다.
6) 인장 강도는 섬유혼입량이 증가함에 따라 모든 경우 0.6kg/n?까지 같거나 미소한 증가를 보인 후 감소하는 것으로 나타났으며, 공기량 보정을 실시하면 NY 섬유 혼입 시 인장강도는 확연히 증가하는 것으로 나타났다.

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