최근 내진부재 및 기존 구조물의 내진보강요소의 손상제어(Damage tolerance)성능을 충족할 수 있는 변형경화형 시멘트 복합체(Strain-hardening cement composites, SHCC)의 개발 및 활용 연구가 진행 중이며, 하이브리드화에 따른 경제성 및 성능향상 가능성도 보고되고 있다. 그러나 이러한 우수한 성능을 갖는 SHCC 재료가 실구조물의 보수/보강재 및 내진보강부재에 적용되기 위해서는 우수한 인장성능 발현뿐만 아니라, 보강섬유의 단가를 고려한 경제적 효과(Economical efficiency) 및 시공성 (Workability)이 요구된다. 따라서 본 연구에서는 SHCC를 내진부재 및 보강재료로써 적용하기 위한 연구의 일환으로 합성섬유를 하이브리드하여 혼입시 휨 및 인장강도, 변형능력 등 거동특성을 분석함으로써 각 보강섬유의 인장강도 탄성계수 등 기계적 특성과 혼입율에 따른 재료성능과의 상관관계를 비교 분석하여 평가하고자 한다. 또한 물시멘트비를 변수로 하여 시멘트 복합체의 강도특성과 보강섬유의 부착특성 및 균열제어성능을 규명하고자 한다. 이러한 결과를 근거로 향후 SHCC 재료의 실구조물 적용시 요구성능 및 경제성을 고려한 재료배합에 관한 기초자료를 제시하고자 한다.
최근 내진부재 및 기존 구조물의 내진보강요소의 손상제어(Damage tolerance)성능을 충족할 수 있는 변형경화형 시멘트 복합체(Strain-hardening cement composites, SHCC)의 개발 및 활용 연구가 진행 중이며, 하이브리드화에 따른 경제성 및 성능향상 가능성도 보고되고 있다. 그러나 이러한 우수한 성능을 갖는 SHCC 재료가 실구조물의 보수/보강재 및 내진보강부재에 적용되기 위해서는 우수한 인장성능 발현뿐만 아니라, 보강섬유의 단가를 고려한 경제적 효과(Economical efficiency) 및 시공성 (Workability)이 요구된다. 따라서 본 연구에서는 SHCC를 내진부재 및 보강재료로써 적용하기 위한 연구의 일환으로 합성섬유를 하이브리드하여 혼입시 휨 및 인장강도, 변형능력 등 거동특성을 분석함으로써 각 보강섬유의 인장강도 탄성계수 등 기계적 특성과 혼입율에 따른 재료성능과의 상관관계를 비교 분석하여 평가하고자 한다. 또한 물시멘트비를 변수로 하여 시멘트 복합체의 강도특성과 보강섬유의 부착특성 및 균열제어성능을 규명하고자 한다. 이러한 결과를 근거로 향후 SHCC 재료의 실구조물 적용시 요구성능 및 경제성을 고려한 재료배합에 관한 기초자료를 제시하고자 한다.
Fiber is an important ingredient in strain-hardening cementitious composite (SHCC), which can control fracture of cementitious composite by bridging action. The properties of reinforcing fiber, as tensile strength, aspect ratio and elastic modulus, have great effect on the fracture behavior of SHCC....
Fiber is an important ingredient in strain-hardening cementitious composite (SHCC), which can control fracture of cementitious composite by bridging action. The properties of reinforcing fiber, as tensile strength, aspect ratio and elastic modulus, have great effect on the fracture behavior of SHCC. To apply SHCC to structural member, SHCC must have economical efficiency and workability as well as own excellent tensile performance. For these purposes, four-point bending and direct tensile tests on SHCC with only hybrid synthetic fibers, total fiber volume fraction, $V_f$, is 1.5%, are carried out. The research emphasis is on the mechanical properties of SHCC made in Polyvinyl alcohol (PVA) and Polyethylene (PE) fibers, and how this affects the composite property, and ultimately its strain-hardening performance. Also, effect of hybrid type and water-cement ratio on the behavior of SHCC was evaluated in this paper.
Fiber is an important ingredient in strain-hardening cementitious composite (SHCC), which can control fracture of cementitious composite by bridging action. The properties of reinforcing fiber, as tensile strength, aspect ratio and elastic modulus, have great effect on the fracture behavior of SHCC. To apply SHCC to structural member, SHCC must have economical efficiency and workability as well as own excellent tensile performance. For these purposes, four-point bending and direct tensile tests on SHCC with only hybrid synthetic fibers, total fiber volume fraction, $V_f$, is 1.5%, are carried out. The research emphasis is on the mechanical properties of SHCC made in Polyvinyl alcohol (PVA) and Polyethylene (PE) fibers, and how this affects the composite property, and ultimately its strain-hardening performance. Also, effect of hybrid type and water-cement ratio on the behavior of SHCC was evaluated in this paper.
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문제 정의
따라서 본 연구에서는 SHCC를 내진부재 및 보강재료로써 적용하기 위한 연구의 일환으로 합성섬유를 하이브리드하여 혼입시 휨 및 인장강도, 변형능력 등 거동특성을 분석함으로써 각 보강섬유의 인장강도․탄성계수 등 기계적 특성과 혼입율에 따른 재료성능과의 상관관계를 비교․분석하여 평가하고자 한다. 또한 물시멘트비를 변수로 하여 시멘트 복합체의 강도특성과 보강섬유의 부착특성 및 균열 제어성능을 규명하고자 한다.
본 연구에서는 시멘트 복합체에 변형경화특성을 부여하기 위한 보강섬유 중 마이크로 합성섬유 중 인장 강도 및 탄성계수 등 기계적 특성이 매우 우수한 PE 섬유를 사용하였다. 또한 PE 섬유에 비해 기계적 특성은 다소 저하되나 시공성능 및 섬유의 단가를 고려한 경제성이 우수한 PVA 섬유를 사용함으로써 보강 섬유 사용시 소요성능 및 경제성을 모두 고려하고자 하였다. 사용된 보강섬유의 형상 및 기계적 특성은 그림 2 및 표 2와 같다.
따라서 본 연구에서는 SHCC를 내진부재 및 보강재료로써 적용하기 위한 연구의 일환으로 합성섬유를 하이브리드하여 혼입시 휨 및 인장강도, 변형능력 등 거동특성을 분석함으로써 각 보강섬유의 인장강도․탄성계수 등 기계적 특성과 혼입율에 따른 재료성능과의 상관관계를 비교․분석하여 평가하고자 한다. 또한 물시멘트비를 변수로 하여 시멘트 복합체의 강도특성과 보강섬유의 부착특성 및 균열 제어성능을 규명하고자 한다. 이러한 결과를 근거로 향후 SHCC 재료의 실구조물 적용시 요구성능 및 경제성을 고려한 재료배합에 관한 기초자료를 제시하고자 한다.
본 연구에서는 물시멘트비 및 보강섬유의 종류 및 혼입율이 SHCC 재료특성에 미치는 영향을 실험적으로 평가하고자 하며, 이를 휨 및 직접인장성능을 실시하였다. 휨성능 평가를 위하여 KS F 2408에 준한 100mm×100mm×400mm의 휨몰드, 직접인장성능 평가를 위한 덤벨형(Dumbbell shape) 시험체를 제작하였다.
45로 배합계획하였다. 이 때 PVA1.3+PE0.2 시험체에 대해서는 물시멘트비 0.40인 경우를 고려함으로써 시멘트 복합체의 강도 증가 및 공기량 감소가 보강섬유의 부착성능 및 SHCC의 휨 및 인장성능과의 상관관계를 평가하고자 하였다.
또한 물시멘트비를 변수로 하여 시멘트 복합체의 강도특성과 보강섬유의 부착특성 및 균열 제어성능을 규명하고자 한다. 이러한 결과를 근거로 향후 SHCC 재료의 실구조물 적용시 요구성능 및 경제성을 고려한 재료배합에 관한 기초자료를 제시하고자 한다.
제안 방법
본 연구에서는 시멘트 복합체에 마이크로 섬유만을 전체 체적비 1.5%로 하이브리드하여 혼입시 각 보강섬유의 기계적 특성 및 하이브리드 조건이 SHCC의 휨 및 인장거동 및 균열발생 특성에 미치는 영향을 평가하기 위하여 표 1과 같이 물시멘트비 0.45로 배합계획하였다. 이 때 PVA1.
제작된 각각의 SHCC 시험편은 타설 2일 경과후 탈형하여 28일 수중양생(20±2℃) 및 7일 고온수중양생(40±5℃)하였으며 다시 1일 동안 기건양생 후 재료시험을 실시하였다.
대상 데이터
본 연구에서는 시멘트 복합체에 변형경화특성을 부여하기 위한 보강섬유 중 마이크로 합성섬유 중 인장 강도 및 탄성계수 등 기계적 특성이 매우 우수한 PE 섬유를 사용하였다. 또한 PE 섬유에 비해 기계적 특성은 다소 저하되나 시공성능 및 섬유의 단가를 고려한 경제성이 우수한 PVA 섬유를 사용함으로써 보강 섬유 사용시 소요성능 및 경제성을 모두 고려하고자 하였다.
시멘트는 T사의 조강포틀랜드 시멘트(비중 3.14)를 사용하였고, S사에서 생산된 접착제용 규사 7호(비중 2.61, 직경 105~120μm)를 잔골재로 사용하였다.
휨성능 평가를 위하여 KS F 2408에 준한 100mm×100mm×400mm의 휨몰드, 직접인장성능 평가를 위한 덤벨형(Dumbbell shape) 시험체를 제작하였다.
성능/효과
45로 증가됨에 따라 최대직접인장강도시 변형율이 2배 이상 증가됨을 알 수 있었다. 그러나 PVA1.3+PE0.2 시리즈에서는 최대 직접인장강도시 변형률이 2% 이내로 다소 작은 값을 보인 반면, PVA0.75+PE0.75-0.45 시험체에서는 3.83%의 최대강도시 변형률을 나타내는 등 2% 이후에도 지속적인 변형경화성능을 나타내었다.
그림 3은 SHCC에 도입된 휨하중으로 산정한 파괴계수(Modulus of rupture)-처짐 관계를 각각 비교하여 나타낸 것이다. 그림에 나타난 바와 같이 PVA1.3+PE0.2-0.40 시험체에서 가장 높은 파괴계수 및 2.72mm 이상의 처짐량을 보여 휨성능이 가장 우수한 것으로 나타났으며, 물시멘트비 0.45인 경우 6.51MPa 및 1.11mm를 보여 휨응력 저항시 상부 압축영역에서의 강도가 휨성능에 큰 영향을 미치는 것으로 나타났다. 한편 PVA0.
마이크로 합성섬유만을 하이브리드하여 혼입시 SHCC의 재료특성에 섬유의 종류 및 물시멘트비가 미치는 영향에 관해 실험적으로 평가한 결과, 휨성능과 같이 상부압축/하부인장을 받는 경우에는 물시멘트비 감소에 따른 압축강도 증가로 휨강도 증가를 보였으나, 최대강도 이후 급격한 파괴양상을 보이는 등 파괴지연 효과는 저하되는 것으로 나타났다. 또한 직접인장거동시에도 물시멘트비 0.
11mm를 보여 휨응력 저항시 상부 압축영역에서의 강도가 휨성능에 큰 영향을 미치는 것으로 나타났다. 한편 PVA0.75+PE0.75-0.45 시험체에서는 8.41MPa 및 2.18mm의 휨성능을 보여 동일 물시멘트비인 PVA1.3+PE0.2-0.45 시험체에 비해 강도 및 변형능력이 각각 29.19% 및 96.40% 증가되었다. 그림 4는 SHCC 인장 시험체에 도입된 인장응력과 변형률 관계를 나타낸 것이다.
후속연구
마이크로 합성섬유만을 하이브리드하여 혼입시 SHCC의 재료특성에 섬유의 종류 및 물시멘트비가 미치는 영향에 관해 실험적으로 평가한 결과, 휨성능과 같이 상부압축/하부인장을 받는 경우에는 물시멘트비 감소에 따른 압축강도 증가로 휨강도 증가를 보였으나, 최대강도 이후 급격한 파괴양상을 보이는 등 파괴지연 효과는 저하되는 것으로 나타났다. 또한 직접인장거동시에도 물시멘트비 0.40에서 가장 높은 강도를 보이는 등 물시멘트비만으로도 최대인장강도를 조절할 수 있을 것으로 판단되었으며, PE와 같은 고장력 섬유를 혼입시 2% 이상에서도 변형경화특성을 보이며 균열을 제어할 수 있는 것으로 나타나 실구조부재에 적용시 필요한 적절한 보강섬유의 선정 및 물시멘트비 조정 등 본 연구에서와 같이 성능과 경제성 모두를 고려할 수 있는 다양한 연구자료가 확보되어야 할 것으로 사료된다.
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