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ISSN : 2234-6937(Print)
ISSN : 2287-6979(Online)
Journal of Korea institue for Structural Maintenance Inspection Vol.23 No.2 pp.92-98
DOI : https://doi.org/10.11112/jksmi.2019.23.2.92

High Ductile Fiber Reinforced Concrete with Micro Fibers

Kyung-Joon Shin1, Seong-Cheol Lee2, Yun-Yong Kim3*

본 논문에 대한 토의를 2019년 3월 1일까지 학회로 보내주시면 2019년 5월호에 토론결과를 게재하겠습니다.


Corresponding author:yunkim@cnu.ac.kr Department of Civil Engineering, Chungnam National University, Daejeon, 34134, Korea)
26/11/2018 28/12/2018 03/01/2019

Abstract


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.



마이크로 섬유를 혼입한 고인성 섬유 보강 콘크리트

신 경준1, 이 성철2, 김 윤용3*
1정회원, 충남대학교 토목공학과 부교수
2정회원, 경북대학교 토목공학과 부교수
3정회원, 충남대학교 토목공학과 정교수

초록


일반적인 고인성·고성능 시멘트 복합재료의 경우 균질한 재료분포를 위하여 기본적으로 굵은 골재를 배재하는 경향이 있다. 그러 나, 굵은 골재를 배재한 섬유 복합 시멘트 모르타르의 경우 재료의 탄성계수가 낮으며 단위시멘트량이 높아 경제성과 효율이 낮은 배합이기 때 문에 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 좋 은 휨인성 그리고 균열분산 특성을 나타내었다. PVA섬유는 균열분산과 연성 증진에 효과적이었고, 강섬유 섬유의 경우 균열분산보다는 강도 증진에 효과적이었다.



    1. 서 론

    시멘트의 수경성을 이용한 건설재료인 모르타르와 콘크리 트는 오랜 기간 주요건설 재료로서 사용되어 왔다. 그러나, 시 멘트계 재료는 압축강도가 높은 장점을 가지고 있는 반면 인 장강도는 낮기 때문에 균열이 발생하기 쉬운 특성이 있다. 콘 크리트에 발생하는 균열은 구조물의 내구성능을 결정하는 가 장 중요한 요인 중의 한가지이기 때문에 균열을 억제하거나 제어하기 위한 다양한 방법이 사용되고 있다. 이의 주요한 방 법으로 인장에 강한 섬유를 콘크리트에 혼입하는 섬유보강 콘크리트 (FRC, Fiber Reinforced Concrete)가 꾸준히 연구․사 용되어 왔다(Balaguru et al. 1992;Bentur et al. 1990).

    일반적으로 섬유보강콘크리트 (FRC)는 균열 후의 성능 향 상에는 큰 효과를 얻을 수 있으나, 균열 자체를 억제하는 성능 은 기대하기 힘들다. FRC의 이러한 제약을 극복하기 위한 방 법으로 고성능 섬유보강 시멘트복합체(이하 HPFRCC, High Performance Fiber Reinforced Cementitious Composites)에 대 한 연구가 활발히 진행되어 왔다(Fischer et al. 2006;Naaman et al. 1995, 2003). 그러나 고성능 또는 고인성 섬유 시멘트 복 합체는 균질한 재료분포를 확보하기 위하여 기본적으로 굵은 골재를 배재하는 경향이 있다 (Li et al 1995, 1997;Lin et al 1999;Park et al 2005a;Park et al 2005b). 그러나, 굵은 골재를 배재한 모르타르의 경우 재료의 탄성계수가 낮으며, 같은 시 멘트 물량을 사용한 콘크리트에 비하여 강도 또한 낮아지는 단점이 있다. 또한, 단위부피 당 재료의 가격이 높기 때문에 대규모로 활용하기는 비경제적인 배합이라 할 수 있다.

    고성능 섬유보강 재료를 보수재료나 특수 부위 등에 한정적 으로 사용한다면, 효율적으로 사용할 수 있을 것이다 (Naaman 1995, 2003). 그러나, 대규모로 고인성 콘크리트 재료를 사용 하기 위해서는 재료의 목표 성능을 다소 낮추더라도 적절한 수준의 굵은 골재를 포함하여 경제성에 고려를 하는 것이 유 리할 것이다. 따라서, 기존의 마이크로섬유를 혼입한 섬유 보 강 모르타르의 개발 결과를 바탕 (Kim et al 2003, 2005;Shin et al 2008) 으로 굵은 골재를 혼합한 경우에도 다수의 균열이 발생하며, 휨인성과 휨강도 등의 성능이 보강되는 고인성 섬 유보강콘크리트의 개발에 대한 연구를 진행하였다.

    2. 실험개요

    2.1 실험 계획

    고인성 섬유복합 콘크리트의 개발을 위하여 3종류의 섬유 를 사용한 배합에 대한 실험 연구를 진행하였다. 각 섬유별로 미세균열 제어를 위한 적절한 섬유 보강 콘크리트의 배합을 도출하기 위하여 실험을 수행하였다. 우선 미세균열 분산이 가능한 고인성 섬유 보강 모르타르 배합을 기본으로 사용하 였고, 이 배합에 추가로 굵은 골재를 혼입하여 균열 거동과 휨 거동에 대한 분석을 수행하였다. 주요 배합변수는 잔골재의 중량 대비 굵은 골재 혼입량 (G/S)로 설정하였다.

    2.2 사용 재료

    배합에는 A사의 1종 보통 포틀랜드 시멘트와 폴리카본산 계의 액상 고성능감수제가 사용되었으며, 2종류의 PVA섬유 와 1종류의 강섬유가 사용되었다. 강섬유는 직경 0.2mm이고 길이 12mm의 강섬유가 사용되었으며, PVA섬유는 길이 12mm이고 직경 0.04mm와 0.1mm의 섬유가 사용되었고, 각 섬유의 물리적 특성을 Table 1에 나타내었다. 사용된 강섬유 는 일반적인 강섬유의 두 배에 가까운 2.0 GPa의 인장강도를 가지는 고강도 강섬유가 사용되었다. 잔골재는 평균직경 0.125mm이고 비중 2.65의 규사가 사용되었다. 굵은 골재는 최대치수 13mm의 쇄석 골재가 사용되었다.

    2.3 굵은 골재 혼입량에 대한 실험

    섬유혼입 콘크리트의 휨 인장거동을 알아보기 위하여 PVA04, PVA10, mSteel 세 종류의 섬유에 대하여, 물-시멘트 비를 46%로 고정하고 시멘트와 잔골재의 비율을 1:1 로 설정 한 후에, 굵은 골재와 잔골재의 무게비를 25%, 50%, 75%로 변화시켜 실험을 수행하였으며, Table 2에 배합표를 나타내 었다. 섬유의 혼입량은 모르타르의 부피의 2%를 사용하였다. 시편은 탈형 후 수중 양생 하였으며 28일이 지난 후 실험을 수 행하였다.

    2.4 실험 방법

    2.4.1 휨 실험

    섬유보강 콘크리트의 휨인장 및 균열 거동을 평가하기 위하 여 휨실험을 실시하였다. 하중-처짐 특성을 측정하여 휨 거동 을 평가하였고, 실험이 끝난 시편에 대하여 균열 특성(모양 , 개수)을 측정하였다. 제작된 보 부재의 크기는 두께 75mm, 폭 150mm, 길이 550mm 이다. 여러 개의 균열이 발생하는 다중 균열을 발생시키기 위하여 순수휨 구간이 유도되는 3등분점 재하에 의한 휨실험이 수행되었다. 실험은 Closed Loop System 이 적용되어 변위제어가 가능한 최대용량 250KN의 MTS 815 시험기를 이용하여 수행하였다.

    중앙부 처짐 측정을 위하여 Fig. 1과 같이 JCI SF4에 따른 악세사리를 제작하여 사용하였다. 실험 중에는 처짐 – 하중 관 계를 측정하였다.

    실험이 끝난 시편을 대상으로 균열 모양을 기록하고, 균열 개수를 측정하였다. 균열은 단면에서 불균일하게 분포하므로 Fig. 2와 같이 다수의 측정 기준선을 정하고, 기준선을 통과하 는 균열의 개수를 평균으로 계산하였다.

    3. 실험 결과 및 고찰

    3.1 굳지 않은 콘크리트 특성

    시멘트와 물과 규사를 먼저 배합하여 시멘트 페이스트 상 태를 만들고 난 후, 굵은 골재를 혼입하였으며, 마지막으로 섬 유를 추가하는 순서로 배합을 수행하였다. 배합에는 강제식 믹서를 사용하였으며, 섬유혼입량은 2%로 비교적 많은 편이 지만 적절한 양의 고성능유동화제의 첨가로 양호한 유동성을 확보할 수 있었다.

    PVA04 섬유를 사용한 배합은 굵은골재 혼입양이 25%에 서 75%로 증가함에 따라 슬럼프 값이 16cm, 14cm, 11cm 로 감소하는 특성을 보여주었다. 반면 PVA10 섬유를 사용한 배 합은 고유동성을 보였다. mSteel 섬유를 사용한 배합은 굵은 골재 혼입양이 증가함에 따라 23cm, 20cm, 14cm 의 슬럼프 값을 나타내었다. Fig. 3에 슬럼프 측정 사진을 나타내었다.

    3.2 휨 거동

    3.2.1. PVA04 시험체

    PVA04 휨 시험체에 대한 역학적 거동 평가를 수행한 결과 를 Fig. 4에 나타내었다. 그림에서 보는 바와 같이 PVA04 섬 유로 배합한 섬유보강 콘크리트는 굵은 골재의 혼입양이 증 가함에 따라 휨강도와 휨인성 모두 감소하는 경향을 보여주 었다.

    25% 혼입량 시편은 2.4 mm까지 휨강성의 저하없이 초기 균열 이후에도 하중에 지속적으로 저항하고 있었다. 50% 혼 입량 시편은 1.2mm까지 지속적으로 휨하중에 저항하였다. 굵은 골재 혼입량이 75%인 경우는 실험 결과의 분산성이 상 대적으로 큰 것으로 나타났다.

    3.2.2. PVA10 시험체

    PVA10 휨 시험체에 대한 역학적 거동 평가를 수행한 결과 를 Fig. 5에 나타내었다. 실험결과에 따르면 PVA10 섬유로 배합한 섬유보강 콘크리트는 굵은 골재의 혼입양이 증가함에 따라 휨강도와 휨인성 모두 감소하는 경향을 보여주었다. 그 러나, PVA04 섬유를 사용한 결과와 비교하여 볼 때, 최대 휨 강도 및 휨인성은 유사한 경향을 나타내었다.

    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 휨강도 와 휨인성은 Table 5에 정리하여 비교하였다.

    3.2.3. mSteel 시험체

    강섬유인 mSteel 섬유를 혼입한 휨시험체에 대한 역학적 거동을 Fig. 6에 나타내었다. mSteel 섬유보강 콘크리트는 굵 은 골재 혼입량이 증가함에 따라 휨강도와 휨인성이 낮아지 는 일반적인 경향을 보였다. 반면, PVA섬유들과는 다르게, 최 대 휨강도 도달 이후 파단시까지의 급격한 강성저하는 나타 나지 않는 특징을 나타내었다. 또한, 파단에 해당하는 최대변 형량은 굵은 골재의 혼입량에 상관없이 유사한 경향을 나타 내었다.

    3.3 균열 거동 분석

    고인성 섬유보강 콘크리트의 개발을 위하여 고인성 섬유보 강 모르타르에 굵은 골재를 추가한 경우에 대한 실험 연구를 수행하였다. 굵은 골재 함량에 따른 균열 분산성을 평가하기 위하여 시험체의 균열 패턴을 분석하여 평균 균열개수를 계 산하였다. Table 3에 시편의 휨인장 부분에 대한 균열 형상을 나타내었고, Table 4에 평균균열개수를 정리하였다.

    시험결과, 굵은 골재의 함량이 낮을수록 균열 분산성이 좋 아지는 결과를 얻을 수 있었으며, 섬유의 종류에 관계 없이 G/S = 0.25, 즉 굵은 골재의 중량비가 잔골재의 25%인 경우에 서 가장 좋은 균열분산 특성을 나타내었다.

    본 연구에서 설정한 배합비에 대한 실험 결과에 따르면 PVA04 > PVA10 > mSteel 의 순서로 균열분산능력이 뛰어난 것으로 나타났으며, 섬유의 직경이 가장 작은 섬유가 균열 분 산 능력이 좋았다. 그렇지만, PVA 섬유와 강섬유를 비교한다 면, 동일한 직경의 섬유가 아니기 때문에 PVA섬유가 강섬유 보다 균열분산 능력이 뛰어나다고 단정할 수 는 없을 것이다.

    PVA04섬유의 경우 균열분산능력에서는 유리하지만, 물리 적 배합특성이나 워커빌러티가 낮아지는 단점도 있는 것으로 나타났다. PVA10섬유는 PVA04섬유보다 균열분산성과 휨 인성이 다소 낮아지지만, 배합특성과 워커빌러티 확보측면에 서는 훨씬 우수한 것으로 나타났다.

    3.4 휨강도 및 휨인성 분석

    동일한 섬유 혼입량에 대한 배합임에도 불구하고 굵은골재 /잔골재 비율에 따라 휨강도의 변화가 크게 나타났다. 굵은 골 재가 25% 혼입된 배합이 가장 큰 휨강도를 보였으며, 굵은골 재 혼입량이 증가할수록 휨강도는 낮아지는 경향이 나타났 다. Table 5에 휨실험중에 측정된 최대하중 값인 휨강도를 나 타내었다.

    사용된 섬유의 종류도 강도에 영향을 많이 주었다, 최대 휨 강도는 강섬유 혼입 시편이 전체적으로 크게 나타났다. 굵은 골재 25% 시편의 경우 mSteel 보강콘크리트의 휨강도가 PVA04 와 PVA10 보강콘크리트에 비교하여 70% 이상 큰 것 으로 나타났다. PVA04 섬유와 PVA10 섬유간의 강도차이는 크지 않았다. PVA섬유의 경우 초기 균열 발생이후에 하중을 저항하는 능력이 오히려 증가하는 변형 경화 현상이 나타났 으나, Post-peak 이후에는 급격히 강성이 낮아지는 경향을 보 였다. 반면, mSteel 섬유는 변형경화현상은 다소 적게 나타났 으며, post-peak 이후의 급격한 강성저하는 없었다.

    휨인성(flexural toughness)은 섬유보강 콘크리트의 인장보 강 특성을 나타내는 대표적인 지수로서 하중-처짐 곡선의 면 적을 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 해당 하는 처짐까지의 휨인성을 계산하였고, 추가로 휨지간 1/300 에 해당하는 처짐과 Post-Peak에서의 휨인성을 계산하여 비 교하였다.

    Table 5에 휨인성 계산 결과를 나타내었다. 결과에 의하면 L/150에 대한 휨인성과 Post-Peak의 휨인성은 굵은 골재 혼입 량이 증가함에 따라 명확하게 감소하는 것을 확인할 수 있다.

    PVA04와 PVA10 시편을 비교하면, 1.5mm에 대한 휨인성 은 PVA04 시편이 크게 나타났지만, 3.0mm와 Post-peak에 대 한 휨인성은 PVA10 시편이 더 높은 것으로 나타났다.

    mSteel시편은 PVA섬유를 사용한 시편과 비교하여 1.5mm 와 3.0mm 처짐에 대해서는 휨인성이 크게 나타난 반면, Post-peak에 대한 휨인성은 낮게 나타났다. 이는 PVA 시편에 비교하여 mSteel시편의 Post-peak에 대한 처짐이 상대적으로 작기 때문이다.

    4. 결 론

    굵은 골재가 혼입된 고성능 섬유보강 콘크리트에 대한 개 발을 위하여 굵은 골재 혼입율을 실험변수로 연구를 수행하 였다.

    물-시멘트비를 0.46으로 고정하고 시멘트와 잔골재의 비율 을 1:1 로 설정한 후에 굵은 골재와 잔골재의 무게비를 25%, 50%, 75%로 변화시켜 휨부재를 제작하다. 두 종류의 PVA 섬 유와 1종류의 강섬유를 사용하였고, 3등분점 방법에 의하여 부재에 대한 휨실험을 수행하였다.

    시험결과, 섬유의 종류에 따라 세부적인 특징은 다르게 나 타났으나, 전체적으로 굵은 골재의 함량이 낮을수록 휨강도 와 휨인성이 증가하는 경향을 나타내는 것을 알 수 있었다. 균 열 분산 특성 역시 굵은 골재의 함량이 적을수록 우수하게 나 타났다. 실험에 사용한 세 종류의 섬유에 대하여, 굵은 골재의 중량비가 잔골재의 25%인 경우에서 가장 좋은 휨인성과 휨강 도, 그리고 균열분산 특성을 나타내었다.

    연구에서 제안된 고인성 섬유보강콘크리트 배합은 일반적 인 고인성섬유복합체와 비교하면 성능은 다소 떨어지지만, 굵은 골재를 혼입한 경우에도 휨강도와 휨인성의 증가와 함 께 균열분산이 발생하는 것을 확인할 수 있었다.

    감사의 글

    이 연구는 충남대학교 학술연구비에 의해 지원되었음.

    Figure

    JKSMI-23-2-92_F1.gif

    Setup for flexural test of fiber reinforced concrete

    JKSMI-23-2-92_F2.gif

    Measuring method for the number of cracks

    JKSMI-23-2-92_F3.gif

    Slump test results

    JKSMI-23-2-92_F4.gif

    Load-deflection relationship for PVA04 series

    JKSMI-23-2-92_F5.gif

    Load-deflection relationship for PVA10 series

    JKSMI-23-2-92_F6.gif

    Load-deflection relationship for mSteel series

    Table

    Properties of fibers used in the experiment

    Mixture proportions of tested mortar

    observed crack patterns for PVA04 specimens

    Average number of cracks

    Flexural strength and toughness

    Reference

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