1. 서론
최근, 초고층 건물 및 장경간 교량 등 고강도 콘크리트를 요구하는 구조물이 증가 추세에 있다. 고강도 콘크리트는 필연적으로 초기균열 및 파괴 시 높은 에너지를 방출하며, 취성적 양상을 나타낸다. 고강도 콘크리트는 강도발현, 수화열 저감, 고유동, 고 내구성을 위해 시멘트의 일부를 실리카퓸 및 플라이애쉬 등의 혼화재로 대체하여 사용한다. Pala et al. (2007)의 연구에서는 플라이애쉬와 실리카퓸이 콘크리트의 장기거동에 미치는 영향을 평가하였다. 연구결과 시멘트를 실리카퓸으로 대체한 경우 초기 압축강도가 향상되는 것으로 나타났으며, 플라이애쉬를 함께 대체할 경우에는 초기 압축강도가 감소하고 장기강도가 향상되는 것으로 나타났다. 동일한 실험결과는 Hassan et al. (2000)의 연구에서도 보고되었으며, 이는 플라이애쉬를 사용할 경우 광물성 혼화재료의 포졸란 반응에 의해 콘크리트의 장기 압축강도가 향상되기 때문으로 판단된다.
강섬유의 혼입은 섬유의 가교작용을 통해 콘크리트의 초기균열 발생 및 성장을 억제하고, 연성능력을 증진시키는 것으로 보고되고 있다(Shah and Ribakov, 2011). Jang et al. (2015)의 연구에서는 압축강도 수준에 따른 60 및 100 MPa급 강섬유보강 콘크리트 (Steel fiber-reinforcd concrete, SFRC)의 휨 인성을 평가하였으며, 실험결과 동일한 혼입률에서 압축강도가 증가함에 따라 휨 인성이 감소하는 것으로 평가되었다. Köksal et al. (2008)은 실리카퓸과 강섬유를 사용한 고강도 SFRC의 역학적특성에 대한 연구를 진행하였다. 연구결과 실리카퓸 대체율이 증가함에 따라 섬유혼입률 0.5 및 1%에서 파괴계수가 증진되는 것으로 나타났다. 반면 휨 인성은 감소하는 결과를 나타내었고, 이는 압축강도 및 초기균열 시 발생하는 파괴에너지의 증가와 밀접한 연관을 갖는 것으로 보고되었다. 따라서 보통 포틀랜드 시멘트, 실리카퓸, 플라이애쉬를 사용한 3성분계 고강도 SFRC의 경우 28일 이후에도 재령에 따른 강도발현 추이에 따라 휨 거동 변화가 발생할 것으로 판단된다.
Yun et al. (2014)의 연구에서 보고된 바와 같이 SFRC 역학적 특성 중 휨 인성은 SFRC의 구조성능을 결정하는 중요한 요인으로 평가되고 있다. ACI 318-14(2014)에서도 최소전단보강근을 대체할 수 있는 SFRC의 성능을 ASTM C1609(2012)에 따른 평가법에 근거하여 규정하고 있다. 상기의 규정은 SFRC의 초기균열 이후 거동을 통해 평가되며, 휨 인성과 밀접한 관련을 갖고 있다.
기존의 연구에서는 주로 압축강도 수준에 따른 SFRC의 휨 인성의 변화를 평가하고 있으며, 설계기준 압축강도가 동일한 복합체에서 재령에 따른 압축강도의 변화추이와 휨 인성의 상관성에 대한 연구는 미비한 실정이다. 따라서 본 연구에서는 3성분계 고강도 SFRC의 양생재령 및 섬유혼입률에 따른 휨 거동을 평가하고자 하며, 압축강도의 발현과 휨 특성의 상관성을 분석하고자 한다.
2. 실험계획
2.1 실험변수 및 사용재료
본 연구에서 설계기준 압축강도를 80MPa의 설정하였으며, 사용된 배합을 Table 1에 나타내었다. 물-바인더 비는 25%로 설정하였으며, 시멘트 중량의 20 및 10%를 각각 플라이애쉬 및 실리카퓸으로 대체하였다. 섬유혼입률은 복합체 체적비로 0.5, 1, 1.5%로 설정하였다. 강섬유는 국내에서 생산되는 양단후크형 강섬유를 사용하였으며, 형상은 Fig. 1에 나타내었다. 형상비 60, 인장강도 1,100 MPa의 강섬유를 사용하였으며, 강섬유의 역학적특성을 Table 2에 나타내었다. SFRC의 제조는 100l 용량의 이축믹서를 사용하여 실시하였으며, 섬유혼입률에 따른 영향을 명확하게 평가하기 위하여 동일한 혼화제량 및 배합시간을 적용하였다. 콘크리트의 제조 후 강섬유를 혼입하였으며, 섬유분산을 위해 섬유투입 후 2분간의 추가배합을 실시하였다.
Table 1
Mix proportions of concrete and SFRC
| W/B (%) | S/a (%) | Vf (%) | Unit weight(kgf/m3) | |||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| W | C | SF | FA | S | G | |||
| 25 | 44 | - | 165 | 462 | 66 | 132 | 643 | 813 |
| 0.5 | ||||||||
| 1.0 | ||||||||
| 1.5 | ||||||||
Table 2
Mechanical properties of steel fiber
| Type | Specific gravity | Diameter (mm) | Length (mm) | Aspct ratio (l/d) | Tensile strength (MPa) | Elastic modulus (GPa) |
|---|---|---|---|---|---|---|
| Hooked | 7.85 | 0.5 | 30 | 60 | 1,100 | 205 |
양생은 표준양생방법에 따라 20±2°C 조건의 수중양생을 실시하였으며, 재령에 따른 휨 거동의 변화를 평가하기 위하여 28, 56, 91일에 휨 실험을 실시하였다. 압축강도 평가의 경우 재령 3, 7, 28, 56, 91일에 실험을 실시하여 재령에 따른 변화를 평가하였다.
2.2 실험방법
압축강도 평가를 위하여 Fig. 2(a)과 같이 KS F 2403(2014)에 준하여 φ100×200 mm의 원주형 공시체를 각 3개씩 제작 하였다. 또한 KS F2405(2010)에 준하여 3,000 kN 용량의 만능재료시험기를 사용하였으며, 하중제어 방식으로 0.05 MPa/s 속도로 가력하였다. 휨 실험의 경우 Fig. 2(b)에 나타낸 바와 같이 ASTM C1609(2012)에 준하여 100×100×400 mm의 각주형 공시체를 각 3개씩 제작하였으며, 200 kN 용량의 만능재료시험기를 이용하여 실험을 실시하였다. 실험은 0.75 mm/min의 속도로 변위제어 방식으로 진행하였으며, 중앙부 처짐을 측정하기 위하여 요크(yoke)형태의 철물과 선형변위계를 사용하였다.
SFRC의 휨 인성평가 방법은 1990년대부터 활발하게 연구가 진행되고 있으며, SFRC의 역학적특성을 평가하는 중요지표이다. 본 연구에서는 ASTM C1609(2012)에 따라 휨 인성을 평가하였으며, 평가방법을 Fig. 3에 나타내었다. 상기의 방법은 초기 최대강도와 특정 처짐까지의 평균 잔여강도의 비율로 평가된다. 본 연구에서는 초기 최대강도 시점을 하중-변위 곡선의 기울기가 수평이 되는 시점으로 산정하였다. 특히 ACI 318-14(2014)에서는 최소전단보강근을 대체할 수 있는 SFRC의 성능을 상기 평가방법에 따라 산정하도록 규정하고 있다. 구체적으로는 휨 인성평가를 통해 지간의 1/300 처짐까지의 평가에서는 초기 최대강도의 90%, 지간의 1/150 처짐까지의 평가에서는 75% 이상이 되도록 규정하고 있다.
3. 실험결과 및 분석
3.1 재령에 따른 압축강도
Fig. 4는 재령에 따른 압축강도의 변화를 나타낸 것이다. 섬유를 혼입함에 따라 압축강도가 다소 증가하는 경향을 나타내었다. 재령 28일에서 일반 콘크리트의 압축강도는 76.3 MPa로 나타났으며, 섬유혼입률 0.5, 1.0 및 1.5% SFRC의 압축강도는 78.8, 76.7 및 80.6 MPa의 압축강도를 나타내었다. 재령 56일에서 SFRC의 압축강도는 90 MPa를 상회하여 목표 압축강도에 도달하는 것으로 나탔으며, 28일 압축강도에 비해 약15%의 증가를 나타냈다. Table 3에 나타낸 바와 같이 일반콘크리트의 재령 56일 압축강도는 76.6 MPa로 나타났으나, 이는 실험에 따른 오차로 판단되며 다른 재령을 고려하였을 때 SFRC와 유사한 압축강도를 나타낼 것으로 판단된다. 재령 91일에서 압축강도는 96.1~101.7 MPa를 나타내었으며, 포졸란 반응에 의해장기강도 증가하는 특성을 나타내었다.
Table 3
Test results on mechanical properties of concrete and SFRC Curing age (days)
3.2 재령에 따른 휨 거동의 변화
3.2.1 휨응력-처짐 관계
Fig. 5는 각 재령에서 섬유혼입률에 따른 휨 거동의 변화를 나타낸 것으로, 각 그래프는 실험체의 평균그래프로 나타낸 것이다. 전반적으로 SFRC 복합체의 초기 휨 거동은 섬유가 혼입되지 않은 일반콘크리트와 유사한 양상을 나타내었다. 재령 28일에서의 휨 거동은 Fig. 5(a)에 나타난 바와 같이 섬유가 혼입됨에 따라 초기균열이후 취성적인 파괴를 나타내는 콘크리트에 비해 SFRC의 경우 초기균열 이후 연성적인 거동을 나타내었다. 섬유혼입률 0.5%의 경우 하중이 서서히 감소하는 처짐-연화 특성을 나타내었으며, 섬유혼입률 1% 이상의 배합에서는 처짐-경화 특성이 관찰되었다. Fig. 5(b) 및 Table 3에 나타난 바와 같이 압축강도가 증가함에 따라 재령 56일의 초기균열 강도 및 파괴계수가 재령 28일에 비해 증가하는 특성을 나타내었으며, 초기균열 이후 거동은 재령 28일과 유사하게 나타났다. 재령 91에서의 휨 거동은 Fig. 5(c)와 같이 높은 초기균열 강도를 나타내며, 초기균열 이후 다소 급격하게 응력이 감소하는 거동을 나타내었다. SFRC의 연성적 거동은 강섬유의 뽑힘에 의한 부착파괴와 관계가 깊은 것으로 보고되어왔으며, 재령이 증가함에 따라 초기균열 시 발생하는 파괴에너지가 증가하고, 이에 따른 강섬유의 부착 손실이 크기때문에 다소 취성적 거동을 나타낸 것으로 판단된다.
3.2.2 초기균열 및 파괴계수
섬유혼입률이 증가함에 따른 초기균열 강도 및 초기균열 시 처짐의 변화는 Table 3에 나타난 바와 같이 큰 차이를 나타내지 않았으며, 섬유의 혼입은 파괴계수에 큰 영향을 미치는 것으로 나타났다. Fig. 6은 초기균열 강도를 압축강도에 따라 나타낸 것으로, 예상된 바와 같이 압축강도가 증가함에 따른 초기균열 강도의 증가가 관찰되었다. 측정된 강도는 ACI 318-14(2014)에서 제시하고 있는 일반 콘크리트의 파괴계수를 크게 상회하는 것으로 나타났으며, Wafa와 Ashour(1989)에 의해 제시된 고강도 콘크리트의 파괴계수 산정식의 안전측으로 나타났다. Fig. 7은 재령 및 섬유혼입률에 따른 파괴계수의 변화를 나타낸 것으로, 재령이 증가함에 따라 압축강도가 증가하면서 파괴계수가 증가하는 경향을 나타내었다. 동일한 재령에서는 0.5% 이상의 섬유혼입률에서 혼입률이 증가함에 따라 파괴계수가 크게 증가하였으며, 특히 섬유혼입률 1.5%에서의 파괴계수가의 크게 증가하는 것으로 나타났다. 이는 섬유혼입률 1.5%에서의 처짐-경화 특성 때문으로 판단되며, 이에 따라 파괴계수 시 처짐량이 증가하는 것으로 판단된다.
3.3 SFRC의 휨 인성특성
3.3.1 재령 및 섬유혼입률에 따른 휨 인성의 변화
Fig. 8은 재령 및 섬유혼입률에 따른 SFRC의 휨 인성의 변화를 나타낸 것으로, Fig. 8(a) 및 (b)는 각각 지간의 1/300 및 1/150 처짐까지의 하중-처짐 관계를 통해 평가한 것이다. SFRC의 휨 인성은 ASTM C1609(2012)에 따라 산정하였으며, ACI 318-14(2014)에서 제시하고 있는 SFRC의 휨 인성 하한치와 비교하여 나타내었다. 예상된 바와 같이 섬유혼입률이 증가함에 따라 휨 인성이 증가하는 양상을 나타내었으며, 섬유혼입률 1.5%에서 ACI의 하한치를 상회하는 것으로 나타났다. 동일한 혼입률에서 재령에 따라 휨 인성이 감소하는 양생을 나타내었으며, 이는 Jang et al. (2015)의 연구에서 보고된 바와 같이 압축강도의 증가에 따른 영향을 판단된다.
3.3.2 압축강도와 SFRC의 휨 인성 관계
Fig. 9은 압축강도와 휨 인성의 관계를 나타낸 것으로, Jang et al. (2015) 및 Yun(2015)의 연구의 결과와 비교하여 나타낸 것이다. Fig. 9(a)에 나타난 바와 같이 지간의 1/300 처짐까지의 휨 인성 평가에서 압축강도가 증가함에 따라 휨 인성이 감소하는 경향을 나타내었으며, 이는 복합체의 압축강도가 증가함에 따라 초기균열 시 파괴에너지가 증가하면서 강섬유의 부착파괴가 발생하기 때문으로 판단된다. 따라서 압축강도가 증가할수록 ACI에서 제시된 하한선을 만족하기 위해서 SFRC의 혼입률을 증가하여야 할 것으로 판단된다. Fig. 9(b)에 나타난 바와 같이 1/150 처짐에서 동일한 경향이 나타났으며, 100 MPa급 이상의 SFRC의 경우 섬유혼입률 1.5%에서도 규정을 만족하지 못하는 것으로 나타났다. 기존의 연구에서 보고된 바와 같이 2% 이상의 섬유혼입률은 섬유뭉침현상이 발생하여 작업성이 크게 감소하고, 섬유의 효율성이 떨어지는 것으로 알려져있다. 따라서 고강도 SFRC의 휨 인성 확보를 위해 형상비가 큰 섬유 및 인장강도가 높은 섬유를 사용해야 할 것으로 판단되며, 이에 따른 추가적인 연구가 요구된다.(Şahin and Fuat Köksal, 2011)
3.3.3 휨 인성평가 방법의 문제점
ASTM C1609(2012)에 따른 휨 인성평가 방법은 부재의 3등분점을 가력 방법으로 실시되며, 측정된 하중-처짐 관계를 통해 휨 인성을 산정한다. 상기의 방법에서는 중앙부에 전단력이 작용하지 않는 순수 휨 구간을 유도하며, 구간안에 발생하는 모든 균열을 허용균열로 설정하고 있다. 이에 따라 균열에 위치, 섬유의 분포, 섬유의 배열 각도 등 다양한 원인에 의해 휨 인성의 편차가 크게 발생하며, Fig. 8 및 9에서도 이러한 경향을 확인할 수 있다. Fig. 10은 동일한 복합체에서 휨 인성의 편차가 큰 실험체를 대표적으로 나타낸 것이다. 재령 28일에서 섬유혼입률 1.5% 실험체의 휨 응력-처짐 관계곡선으로, 초기균열 이후 거동에 따라 표본 1 및 2로 구별하여 나타내었다. 표본 1의 경우 중앙부의 균열이 발생하고, 가교하는 섬유의 개수가 많은 경우로 초기균열 이후 거동이 표본 2에 비하여 연성적인 거동을 나타내었다. 표본 2의 경우균열이 단부에 발생하며, 일자형태로 균열이 진전되었다. 이 경우 가교작용에 관여하는 섬유개수가 적고 초기균열 상대적으로 급격한 파괴양상을 나타내었다. 우리나라의 경우 아직 SFRC의 성능평가 규정이 마련되어 있지 않지만, 부분적으로 ACI318-14(2014) 및 ASTM C1609(2012)의 규정을 사용하고 있다. 하지만 상기의 규정을 그대로 사용할 경우 실험방법에 의한 편차의 문제점을 고려해야 할 것으로 판단된다.
4. 결론
본 연구는 실리카퓸 및 플라이애쉬를 사용한 3성분계 고강도 SFRC의 양생재령 및 섬유혼입률에 따라 휨 특성을 평가하기 위하여 실시되었다. 초기균열 강도 및 파괴계수, 휨 인성 특성을 평가하였으며, 압축강도의 발현과 휨 특성의 상관성을 규명하였다. 본 연구를 통해 얻은 결론을 요약하면 다음과 같다.
1) 실리카퓸 및 플라이애쉬를 사용한 3성분계 고강도 SFRC 압축강도는 재령 91일까지 꾸준히 증가하는 양상을 나타내었으며, 섬유를 혼입함에 따른 압축강도의 변화는 미소한 것으로 나타났다.
2) 섬유를 혼입함에 따른 초기균열강도의 변화는 미소한 것으로 나타났으며, 양생재령이 증가함에 따라 초기균열강도가 증가하는 양상을 나타내었다. 이는 압축강도 증가에 따른 영향으로 평가되며, 이에 따라 초기균열 시 파괴에너지가 증가하는 것으로 판단된다.
3) 고강도 SFRC의 파괴계수는 섬유의 혼입률 및 초기균열 이후 처짐경화특성과 밀접한 관련을 갖는 것으로 나타났으며, 1% 이상의 섬유를 혼입함에 따라 파괴계수가 증가하는 것으로 나타났다.
4) 고강도 SFRC의 휨 인성을 ASTM C1609(2012)에 따라 평가한 결과 압축강도가 증가함에 따라 휨 인성이 감소하는 경향을 나타내었다. 따라서 ACI 318-14(2014)의 SFRC 기준을 만족하기 위한 혼입률이 증가될 것으로 판단된다. 특히 100 MPa 이상의 SFRC를 사용할 경우에는 섬유혼입률 1.5%에서도 기준을 만족하지 못하는 것으로 나타났다. 따라서 형상비 및 인장강도가 높은 강섬유를 사용해야 할 것으로 판단되며, 이에 따른 추가적인 연구가 요구된다.
PDF Links
PubReader
ePub Link
Full text via DOI
Download Citation
Print
