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J. Korean Soc. Hazard Mitig. > Volume 24(6); 2024 > Article
다양한 섬유 종류가 적용된 뿜칠용 보강재료와 이를 활용한 콘크리트 보의 휨 보강 성능 평가

Abstract

This study examined the compressive and tensile strengths of spray-applied strengthening materials and the flexural performance of concrete beams reinforced using these materials to assess the effectiveness of spray-based reinforcement techniques. The findings revealed substantial variations in performance influenced by fiber type, dosage, and casting method. Key factors affecting performance included fiber dispersion and bond strength within the spray-applied layer. The PE (polyethylene) fibers exhibited stable performance, while PVA (polyvinyl alcohol) fibers experienced significant degradation due to moisture absorption. These results offer valuable insights for optimizing the design and application of fiber-reinforced concrete, advancing repair and reinforcement methods in the construction sector.

요지

본 연구는 강섬유, 폴리에틸렌 섬유, 폴리비닐알코올 섬유를 혼입한 콘크리트의 압축강도, 인장강도 및 휨 강도를 비교 분석하여 뿜칠 시공법의 보강 효과를 검토하였다. 실험 결과, 섬유의 종류와 혼입량, 그리고 제작 방식에 따라 성능 차이가 크게 나타났으며, 특히 뿜칠 방식에서는 섬유 분산성과 결합력 저하가 주요 성능 저감 요인으로 확인되었다. PE 섬유는 비교적 안정적인 성능을 발휘한 반면, PVA 섬유는 수분 흡수로 인해 성능 저하가 두드러졌다. 가장 우수한 휨 보강 성능을 나타낸 것은 강섬유로 최대 45.0%의 휨 강도 향상 효과가 있었으며, PVA 섬유는 최대 40.2% 휨 강도가 저하되었다.

1. 서 론

우리나라 사회기반시설에 대한 투자는 감소하고 있지만, 시설물의 유지관리 및 보수⋅보강 기술에 대한 수요는 꾸준히 증가하고 있다. 특히 교량과 같은 주요 인프라는 시간이 지남에 따라 노후화되며, 그 수명과 안전성을 확보하기 위해 체계적이고 효율적인 유지보수 기술 개발이 시급한 실정이다. 국토교통부 자료(Park, 2022)에 따르면 유지보수 시장은 연평균 6.7%의 성장률을 보이고 있으며, 2060년까지 매년 10% 이상의 성장률이 예측된다. 하지만 국내 교량의 평균 수명은 약 30년으로, 해외 주요국가의 평균 수명(70년)에 비해 상대적으로 낮아, 예산의 효율적 활용을 통한 선진 보수⋅보강 기술 확보가 요구된다. 우리나라는 기후적 특성 및 교량 노후화 문제가 복합적으로 얽혀 있어, 적합한 맞춤형 보수 재료의 개발이 필요하다.
국내외 연구자들은 시멘트 기반 보수 재료를 개발하려고 노력해 왔다(Kim et al., 2004; Zhu et al., 2021; Kamal et al., 2008; Yun, 2013; Kojima et al., 2004). Kamal et al. (2008)의 연구에 따르면, 변형 경화형 시멘트 복합재(SHCC)는 구조 부재의 잔류 균열을 효과적으로 보강하는 것으로 나타났다. 인장 및 휨 테스트를 통해 SHCC를 이용한 보수 방법은 기존 균열에 인접한 영역에 한하여 보수되며, 균열 폭 또한 제한적인 것으로 나타났다. 이와 유사하게 Yun (2013)은 폴리비닐알코올(PVA)과 폴리에틸렌(PE) 섬유를 1.5% 혼입한 SHCC 층으로 보수된 콘크리트 보에서 균열 손상 감소 및 하중 저항 성능이 2.5–3.5배 증가한 것을 보고하였다. 또한 SHCC 보강재료의 두께가 증가할수록 보수된 콘크리트 보의 강도와 연성이 개선되었다. Kim et al. (2004)은 엔지니어드 시멘트 복합재(ECC)와 일반 모르타르를 사용한 보강 방법을 비교하여, ECC를 사용하여 습식 뿜칠 공법으로 보수한 경우 일반 모르타르에 비해 콘크리트 보의 휨 성능이 100% 이상 향상된다고 보고했으며 ECC 보수된 콘크리트 보는 모체와 보강재료 간의 계면에서의 결함에도 불구하고 우수한 에너지 흡수 능력을 보였다. 또한 Kojima et al. (2004)은 일본 Mitaka 댐에서는 열화된 콘크리트 표면의 방수 저항성을 개선하기 위해 2003년에 30 m3의 SHCC를 분사하여 댐 표면 500 m2에 두께 30 mm의 층을 형성한 바 있다.
한편, 기존 모체 콘크리트와 보수재료의 계면에 대한 연구도 진행 중이다. Zhang et al. (2020)은 초고강도 콘크리트의 부착 강도가 일반강도 콘크리트 계면의 부착 강도보다 우수하다고 보고했으며, 이는 초미세 골재와 낮은 물-결합재 비율 덕분이라고 설명했다. Feng et al. (2020)은 보강재료에 팽창제를 사용하면 수축이 감소하고 접착 강도가 증가하며, 모체와 보강재료의 강도가 유사할 때 보강 효과가 더욱 향상된다고 밝혔다. 일부 연구들(Momayez et al., 2005; Ju et al., 2020; Santos and Julio, 2007; Julio et al., 2004)에서는 표면 개질을 통해 부착 강도를 개선하려는 시도를 하였으며, 특히 샌드 블라스팅을 통한 표면 거칠기 개선이 다른 치핑 방법보다 효과적이고 선호되는 파괴 모드를 유도할 수 있다고 보고하였다.
최근에는 시공성을 고려하여 초속경 SHCC가 일부 연구자들에 의해 개발되고 있다(Zhu et al., 2021; Yoo et al., 2021; Li and Li, 2011; Yu et al., 2020). Zhu et al. (2021)은 팽창제가 혼입된 시멘트의 수축 지연 및 급경화 현상이 ECC 재료 뿜칠 시공 시 유리하다고 밝혔다. Li and Li (2011)는 4시간 내에 압축강도 23.6 MPa, 인장강도 3.46 MPa, 인장 변형률 5.97%를 달성할 수 있는 초속경 고강도 ECC를 제작하는데 성공했다. Yoo et al. (2021)은 플라즈마 처리된 PE 섬유를 포함한 초속경 SHCC를 개발하였으며, 이는 4시간 기건 양생 후 압축강도 37.9 MPa, 인장강도 5.1 MPa, 인장 변형률 2.9%, 에너지 흡수 용량 124.8 kJ/m3를 달성했다.
본 연구는 강섬유, 폴리에틸렌 섬유, 폴리비닐알코올 섬유를 혼입한 콘크리트의 압축강도, 인장강도 및 휨 강도를 비교 분석하여 뿜칠 시공법의 보강 효과를 검토하였다. 각 실험에서는 섬유의 종류와 혼입량, 그리고 제작 방식에 따른 성능을 비교하였으며 시공성 및 성능 등을 고려하여 최적화된 뿜칠용 보수 재료를 파악하고자 하였다.

2. 실험방법

2.1 사용 배합표

실험에 사용된 배합표는 Table 1과 같다. 선행 연구(Chun et al., 2022)에서 개발된 배합과 동일한 재료가 사용되었으며, 1종 포틀랜드 시멘트와 더불어 3종 고로슬래그 미분말, 석회석 미분말, 시멘트 킬른 더스트와 실리카 퓸이 결합재로 사용되었다. 골재의 경우 재료의 충진 밀도(Packing density)를 향상시키기 위해 굵은 골재는 생략하였으며 잔골재에는 5호사 규사가 사용되었다. 이 외에 혼화제로써 폴리카르복시산 계열의 고성능 감수제가 사용되었으며 섬유의 점도 및 뿜칠 시공 시 부착력을 향상시키기 위해 폴리머 에폭시가 함께 배합되었다. 결합재로 사용된 각 재료의 화학적 특성은 Table 2에 나타나있다.
Table 1
Mixture Properties
Unit weight (kg/m3)
Binder Fine aggregate Water Super plasticizer Polymeric epoxy
Cement GGBFS CKD SF
750 225 300 113 525 255 12 (14) 0.5

*Note. GGBFS: Ground granulated blast furnace slag; CKD: Cement kiln dust; SF: Silica fume; ( ): Polymeric fiber

Table 2
Chemical Compositions
Composition Concentration (%)
Cement GGBFS CKD SF
SiO2 21.01 33.00 10.92 92.60
Al2O3 6.40 14.00 2.73 0.07
Fe2O3 3.12 0.50 - 0.49
CaO 61.33 42.00 65.30 0.67
MgO 3.02 6.31 0.58 1.80
SO3 2.30 2.01 - 0.12
Na2O - - 0.19 0.02
K2O - - 0.39 1.13
동일한 배합을 기준으로 뿜칠 공정에 적합한 섬유를 선정하기 위해 세 종류의 섬유가 사용되었다. 섬유는 선행 연구를 기반으로 현재까지 사용 및 우수성이 검증된 강섬유, 고밀도 폴리에틸렌(PE) 섬유와 폴리비닐알코올(PVA) 섬유가 사용되었다. 원활한 뿜칠 시공을 위하여 섬유의 길이는 8 mm 이하의 길이가 사용되었으며, 사용된 섬유의 형상 및 역학적 특성은 Table 3Fig. 1에 나타나있다. 강섬유의 경우 폴리에틸렌 섬유 및 폴리비닐알코올 섬유와 달리 형상비가 작은 편이나, 이는 뿜칠 장비의 부하를 방지하기 위해 채택되었다. 강섬유의 경우 강성이 다른 두 종류의 섬유보다 크며 형상비가 낮음에도 불구하고 엉킴 현상이 발생하고, 이는 뿜칠 장비의 분사구를 막아 압력을 높이기 때문에 해당 길이가 채택되었다.
Table 3
Physical Properties of Fibers
Fiber Type Steel PE PVA
df (μm) 200 30-32 38
lf (mm) 6 6 8
Aspect ratio 30 200 210
ρ (g/cm3) 7.9 0.97 1.3
fft (MPa) 2,580 3,000 1,560
Ef (GPa) 200 100 24
Fig. 1
Reinforcing Fiber Types
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섬유 혼입량은 마찬가지로 분산성 및 인장 성능 향상을 고려하여 0.75%와 1.50%의 혼입률이 사용되었고, 용적비로 적용하기 위해 Table 3의 밀도를 이용해 혼입량이 계산되었다.

2.2 시험체 제작

압축, 직접 인장, 휨 실험을 위해 각각 큐브 시험체, Dog-bone 형태의 시험체와 콘크리트 휨 시험체가 제작되었다. 큐브 시험체는 압축 강도 측정을 위해 50 × 50 × 50 mm3 크기의 시험체가 변수별 3개씩 제작되었고, Dog-bone 형태의 시험체는 일본 토목학회에서 제시하는 형태에 따라 변수별 5개씩 제작되었다. 인장 시험체의 표점 구간의 크기는 13 × 30 × 80 mm3으로 연신 길이를 표점 길이인 80 mm로 나눠 변형률 값으로 사용하였다. 변수별 비교에는 각 시험체로부터 획득한 데이터의 평균값이 사용됐다.
휨 시험체의 경우 100 × 100 × 400 mm3 크기의 몰드를 기반으로 일반 콘크리트를 70 mm 깊이까지 채워 타설한 뒤 표면 거칠기를 향상시킨 뒤 보강 재료를 타설했다(Chun et al., 2022). 휨 시험은 변수별 2개의 시험체가 제작되었다. 표면 거칠기를 향상시키기 위해서 일반 콘크리트 면에 샌드 블라스팅 및 사포날을 끼운 그라인더를 활용한 샌드 그라인딩을 통해 거칠기를 향상시켰으며, 보강 재료 타설 전 물을 충분히 뭍혀 잘 부착할 수 있도록 했다. 휨 시험체의 거칠기가 향상된 표면은 Fig. 2에 나타나 있다. 이 후, 보강 재료를 뿜칠 타설하거나 기존 방법대로 타설하는 방법의 차이에 따른 휨 시험체의 성능을 평가하기 위해 두 가지 방법이 사용되었는데 이는 Chun et al. (2022)이 사용한 방법과 동일하게 적용하였으며 타설 과정에 따른 도식은 Fig. 3에 나타나 있다. 시험체 제작이 완료된 이후에는 보강된 면이 인장 응력을 받을 수 있도록 뒤집힌 채로 시험이 진행되었다. 모든 시험체는 제작 후 상온 외기에서 14일간 기건 양생 후 시험에 사용되었다. Figs. 45는 각각 압축, 직접인장, 휨 시험체 및 설치 사진을 보여준다.
Fig. 2
Roughened Surface
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Fig. 3
Specimen Fabrication Process
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Fig. 4
Compressive and Tensile Test Setup
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Fig. 5
Flexural Test Setup
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3. 실험결과

3.1 유동성 및 압축 강도

실험 결과를 통해 슬럼프 플로우와 압축강도에서 섬유의 종류 및 혼입량에 따른 유동성과 강도의 변화가 관찰되었으며 결과는 Fig. 6에 요약되었다. 모든 배합은 동일하게 유지되었으며, 섬유 종류와 혼입량만이 변수로 설정되었다. 강섬유의 경우 물을 흡수하지 않아 유동성에 큰 영향을 미치지 않았다. 강섬유를 0.75% 혼입한 경우 슬럼프 플로우는 169 mm, 압축강도는 45.4 MPa로 나타났으며, 강섬유 혼입량을 1.5%로 증가시켰을 때 플로우는 오히려 증가하여 174 mm를 기록하고, 압축강도는 47.0 MPa로 상승하였다. 이는 강섬유가 유동성 저하를 초래하지 않으면서 강도 발현에 긍정적인 영향을 미친 결과로 해석된다. 강섬유는 수분 흡수가 없기 때문에 시멘트 입자의 수화반응에 영향을 미치지 않으며, 높은 강도를 유지하고 균열 저항성을 증가시킨 것으로 보인다.
Fig. 6
Compressive and Flow Test Results
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반면, PE 섬유와 PVA 섬유는 물을 흡수하는 특성을 가지고 있어 플로우와 강도에 다른 양상의 영향을 미쳤다. PE 섬유를 0.75% 혼입한 경우 슬럼프 플로우는 184 mm, 압축강도는 44.1 MPa로 나타났다. 섬유의 흡수 특성으로 인해 시멘트 입자의 수화에 필요한 물의 양이 상대적으로 줄어들어 유동성에 약간의 감소 경향을 나타냈으나, 이를 감수제를 사용해 보완하여 플로우가 유지되었다. 섬유 혼입량을 1.5%로 증가시키자 플로우는 178 mm로 감소하였고, 압축강도는 44.7 MPa로 소폭 상승하였다. 이는 섬유 혼입으로 인해 콘크리트 매트릭스 내의 미세 균열 저항이 증가하여 강도가 보강된 결과로 보인다.
PVA 섬유의 경우, 물 흡수율이 상대적으로 높아 유동성이 더 많이 감소하는 경향이 나타났다. 0.75% 혼입 시 슬럼프 플로우는 158 mm, 압축강도는 43.9 MPa로 기록되었으며, 1.5% 혼입 시 플로우는 152 mm로 더욱 감소하였다. 그러나 강도는 45.1 MPa로 상승하는 경향을 보였다. 이는 높은 혼입량에서 섬유가 균열 저항을 효과적으로 발휘하며, 콘크리트의 구조적 응집력을 강화했기 때문으로 판단된다.
전체적으로 강섬유는 물 흡수가 없어 슬럼프 플로우의 유지와 강도 발현에 유리한 특성을 보였으며, PE 및 PVA 섬유는 물 흡수로 인한 유동성 저하를 감수제 사용으로 보완하였음에도 다소 감소하는 경향을 보였다. 그러나 이들 섬유는 혼입량 증가에 따라 압축 강도를 개선하는 효과를 나타내었다. 이는 섬유 혼입이 콘크리트 매트릭스 내부의 미세 균열을 효과적으로 제어하고, 재료의 내구성을 증진시킨 결과로 해석된다(Yoo et al., 2017).

3.2 직접 인장 강도

보강 재료는 섬유가 혼입되어 인장 성능이 뛰어나며, 이에 따라 결과적으로 휨 부재에 사용되는 것을 목표로 한다. 따라서 인장 성능을 검증하여, 재료 자체의 성능이 보강 효과로 이어지는 것을 검증하기 위해 직접 인장 시험을 수행하였으며 그 결과는 Fig. 7에 나타나 있다.
Fig. 7
Tensile Test Results
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실험에서 각 섬유를 각각 0.75% 및 1.5% 혼입한 경우를 비교한 결과, 인장 강도와 인장 변형률 모두 섬유 종류와 혼입량에 따라 상이한 경향을 보였다. 그러나 전반적으로 인장 변형률은 일반적인 섬유보강 재료와 비교했을 때 낮은 수준으로 나타났다. 이러한 결과는 본 실험에서 사용된 배합 및 양생 조건의 특성과 관련이 있다.
먼저, 강섬유의 경우 0.75% 혼입 시 인장강도는 3.42 MPa, 인장변형률은 0.013%로 나타났으며, 혼입량을 증가시키자 인장 강도는 3.76 MPa로 증가하고, 인장 변형률 역시 0.028%로 상승하였다. 이는 강섬유가 물리적 강도를 효과적으로 보강함과 동시에 섬유 혼입량 증가로 인해 재료가 인장 하중을 더 잘 견딜 수 있도록 돕는 역할을 했기 때문이다. 그러나 인장변형률이 낮게 나타난 점은 양생 조건 및 섬유 분산성의 한계에서 기인한 것으로 판단된다.
PE 섬유의 경우, 0.75% 혼입 시 인장 강도는 2.47 MPa, 인장변형률은 0.011%로 다른 섬유에 비해 상대적으로 낮은 결과를 보였다. 1.5% 혼입 시 인장강도는 4.68 MPa로 크게 증가하였으나, 인장변형률은 다소 제한적인 수준에 머물렀다. PE 섬유는 인장 성능이 뛰어나지만 분산성이 충분히 확보되지 않을 경우 변형을 효과적으로 견디지 못할 가능성이 있다. 이는 실험에서 뿜칠 시공을 고려하여 상대적으로 낮은 혼입량을 적용한 것이 영향을 미친 것으로 보인다.
PVA 섬유의 경우, 0.75% 혼입 시 인장 강도는 3.74 MPa, 인장 변형률은 0.025%로 측정되었으며, 1.5% 혼입 시 인장 강도는 3.04 MPa, 인장변형률은 0.021%로 혼입량 증가에도 불구하고 인장 강도가 감소하는 경향을 나타냈다. 이는 PVA 섬유의 높은 수분 흡수율로 인해 양생 과정에서의 수화반응에 영향을 미쳤거나, 섬유가 타설 과정에서 충분히 분산되지 못했기 때문이다.
특히, 본 실험에서는 고온 또는 습윤 환경에서의 양생이 이루어지지 않았으며, 이는 섬유보강 콘크리트의 전형적인 인장 변형률 및 강도 발현에 영향을 미쳤을 가능성이 크다. 일반적으로 고온 양생은 시멘트의 수화반응을 촉진하여 섬유와 매트릭스 간 결합을 강화하고, 습윤 양생은 섬유가 수분 손실로 인한 부착력 약화를 방지하는 데 기여한다. 그러나 이번 실험에서는 이러한 조건이 적용되지 않아 결과적으로 인장 변형률이 전반적으로 낮게 나타난 것으로 해석된다.
또한, 뿜칠 시공에서의 작업성을 고려해 섬유 혼입량이 상대적으로 낮게 설정되었는데, 이로 인해 충분한 보강 효과를 얻지 못한 점도 영향을 미쳤다. 섬유 혼입량이 증가하면 매트릭스의 균열 저항성과 인장 성능이 향상되는 경향을 보이나, 뿜칠 공법에서는 높은 혼입량이 작업성에 제약을 주기 때문에 적정 혼입량 설정이 중요한 과제로 남아 있다.

3.3 휨 강도

휨 강도 실험 결과는 실험체의 제작 방식(HA: 전통적 타설 방식, SP: 뿜칠 방식) 및 섬유 종류와 혼입량에 따라 차이를 보였으며, 이는 앞선 인장 실험 결과와도 일부 연관성을 나타낸다. 특히, 제작 방식이 섬유 분산성과 매트릭스 간 결합에 미치는 영향을 분석하였으며 이는 Fig. 8에 요약되어 있다.
Fig. 8
Flexural Test Results
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먼저, 대조군인 비보강 시험체의 경우 휨 강도는 20.9 MPa, 최대 처짐은 0.62 mm로 나타났다. 강섬유를 0.75% 혼입한 경우, HA 방식에서는 휨 강도가 30.2 MPa로 크게 증가하였으나, SP 방식에서는 18.9 MPa로 감소하였다. 이는 SP 방식에서 섬유가 충분히 분산되지 못하거나 매트릭스와의 부착력이 낮아졌기 때문으로 보인다. 최대 처짐에서도 HA 방식은 0.57 mm로 상대적으로 낮은 값을 보였으나, SP 방식은 0.61 mm로 나타났다. 이는 SP 방식에서 섬유가 혼입된 상태에서 변형 성능을 일부 확보했으나, 강도 발현이 제한적이었다는 점을 의미한다. 강섬유를 1.50% 혼입한 경우에도 유사한 경향이 나타났으며, HA 방식에서는 30.3 MPa, SP 방식에서는 24.0 MPa로 측정되었다. 이는 강섬유 혼입량이 높을수록 HA 방식에서 더 안정적으로 작용했음을 보여준다.
PE 섬유의 경우, 0.75% 혼입 시 HA 방식에서 휨 강도는 21.2 MPa, SP 방식에서는 21.7 MPa로 HA와 SP 간 차이가 크지 않았다. 대신 최대 처짐은 HA 방식에서 1.29 mm, SP 방식에서 1.35 mm로 SP 방식이 조금 더 높은 연성을 나타냈다. 이는 PE 섬유가 유연성과 분산성에서 상대적으로 강섬유보다 우수하며, SP 방식에서도 모체와의 부착력이 어느 정도 유지되었기 때문으로 판단된다. PE 섬유를 1.50% 혼입한 경우에도 유사한 경향이 나타났으며, SP 방식에서의 최대 처짐이 1.10 mm로 HA 방식의 1.14 mm 보다 다소 낮게 측정되었다. 이는 PE 섬유의 혼입량 증가로 인해 강도보다는 연성 위주로 작용했음을 의미할 수 있다.
PVA 섬유의 경우, 0.75% 혼입 시 HA 방식에서는 휨 강도가 13.7 MPa로 나타났으며, SP 방식에서는 시험체 손상으로 데이터가 부족하여 비교가 어려웠다. 1.50% 혼입 시 HA 방식의 휨 강도는 15.4 MPa, SP 방식은 12.5 MPa로 감소하였으며, 최대 처짐에서도 HA 방식이 SP 방식보다 높았다. 이는 PVA 섬유가 수분 흡수율이 높아 SP 방식에서의 분산성과 부착력이 약화된 결과로 해석된다.
결론적으로, HA 방식은 일반적으로 섬유의 분산성과 강도 발현에 유리한 조건을 제공하는 반면, SP 방식은 작업성에서 이점이 있지만 섬유와 매트릭스 간 결합력을 저하시킬 가능성이 있다. 특히, PVA 섬유처럼 수분 흡수율이 높은 재료는 SP 방식에서 강도와 연성을 동시에 저하시킬 수 있다. 이와 같은 결과는 인장 실험에서 관찰된 섬유 종류 및 혼입량에 따른 변형률 차이와 동일하며, 뿜칠 시공법의 섬유 분산성과 매트릭스 간 결합력을 개선하기 위한 추가적인 연구가 필요하다.

4. 결 론

본 연구에서는 다양한 섬유를 혼입하여 제작된 보강재료의 콘크리트의 보수⋅보강 효과를 실험적으로 검토하였다. 실험은 압축 강도, 인장 성능과 보강된 콘크리트 보의 휨 성능을 중심으로 진행되었으며, 섬유 혼입량, 섬유 종류, 제작 방식의 영향을 분석하였다. 이를 통해 다음과 같은 주요 결론을 도출할 수 있었다.
첫째, 압축 강도 실험에서는 섬유의 종류와 혼입량에 따라 성능 차이가 나타났다. 강섬유는 높은 혼입량에서 압축 강도가 증가하는 경향을 보였으며, PE 및 PVA 섬유의 경우, 섬유가 수분을 흡수함에 따라 유동성이 약간 감소하였지만 감수제 사용으로 플로우를 보정하여 유사한 수준의 작업성을 유지하였다. 특히, PE와 PVA 섬유는 유동성 감소에도 불구하고 매트릭스 내에서 섬유의 균일한 분산이 성능 발현에 영향을 미쳤다.
둘째, 직접 인장 강도 및 변형률 실험에서는 전반적으로 낮은 변형률이 관찰되었다. 이는 기존 고성능 재료에 적용되는 양생 조건이 적용되지 않았다는 점과, 뿜칠 작업성을 고려하여 섬유 혼입량이 낮았기 때문으로 해석된다. 강섬유는 인장 강도에서 우수한 성능을 보였으나 변형률이 상대적으로 낮았다. 반면, PE 섬유는 상대적으로 높은 인장 변형률을 나타냈지만, PVA 섬유는 흡수된 수분이 매트릭스와의 결합력을 약화시켜 낮은 변형률과 강도를 보였다. 이는 뿜칠 시공법에서 섬유의 효과적인 분산과 결합력 유지가 성능 발현에 중요한 요인임을 시사한다.
셋째, 휨 강도 실험에서는 제작 방식에 따라 큰 차이가 관찰되었다. HA 방식은 섬유의 분산과 모체와의 부착력을 최적화하여 전반적으로 높은 휨 강도를 발휘했으며, 특히 강섬유는 비보강 보 대비 높은 휨 강도를 나타냈다. 강섬유가 혼입된 배합으로 보강된 보는 최대 45.0% 증가하였다. 단, SP 방식은 뿜칠 과정에서 섬유의 분산성이 저하되고, 부착력이 약화되어 성능 감소가 두드러졌다. PE 섬유는 SP 방식에서도 비교적 안정적인 성능을 보였으나, PVA 섬유는 휨 강도가 약 40.2% 감소하며 보강 성능이 현저히 저하되었다. 이러한 결과는 뿜칠 방식에서의 섬유보강 재료 적용 시 섬유 분산성 및 보강하고자 하는 부재와의 부착력을 강화하는 추가적인 연구의 필요함을 강조한다. 또한 분사 방향에 따라 부착 성능이 크게 달라질 것으로 예상되며 이에 대한 후속 연구가 필요하다.
결론적으로, 본 연구는 각 보강재료의 성능이 섬유의 물리적⋅화학적 특성, 혼입량, 그리고 제작 방식에 따라 크게 달라진다는 점을 실험적으로 확인하였다. 특히, 뿜칠 시공법의 경우 섬유의 분산성과 결합력을 유지하는 것이 중요하며, 이를 위해 섬유 혼입량과 분사 공정의 최적화가 필요하다. 이러한 연구 결과는 노후화된 콘크리트 구조물의 특성을 고려한 보수⋅보강 기술 개발에 중요한 기초자료로 활용될 수 있다. 추가적으로 다양한 환경 조건에서의 장기 내구성 평가와 뿜칠 시공법의 개선 방안에 대한 후속 연구가 필요하다.

감사의 글

본 연구는 과학기술정보통신부 한국건설기술연구원 연구운영비지원(주요사업)사업으로 수행되었습니다(과제번호: 20240157-001, 슈퍼콘크리트 활용 혹한기 지역 맞춤형 콘크리트 교량의 보수 재료⋅공법 개발 및 실증).

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