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ISSN : 2093-5145(Print)
ISSN : 2288-0232(Online)
Journal of the Korean Society for Advanced Composite Structures Vol.9 No.4 pp.33-39
DOI : https://doi.org/10.11004/kosacs.2018.9.4.033

Experimental Evaluation on Flexural Performance of 3D Textile Reinforced Mortar

Changmin Lee1, Sanghwa Park1, Jun-Mo Yang2, Sung Jig Kim3, Chunho Chang4
1Graduate Student, Department of Architectural Engineering, Keimyung University, Daegu, Korea
2Assistant Professor, Department of Civil Engineering, Keimyung University, Daegu, Korea
3Associate Professor, Department of Architectural Engineering, Keimyung University, Daegu, Korea
4Professor, Department of Civil Engineering, Keimyung University, Daegu, Korea

본 논문에 대한 토의를 2019년 2월 28일까지 학회로 보내주시면 2019년 3월호에 토론결과를 게재하겠습니다.


Corresponding author: Yang, Jun-Mo Department of Civil Engineering, Keimyung University, 1095 Dalgubeol-daero, Dalseo-gu, Daegu 42601, Korea Tel: +82-53-580-5297, Fax: 82-53-586-1313, E-mail: jm.yang@kmu.ac.kr
October 22, 2018 October 31, 2018 November 6, 2018

Abstract


The development of modern textile technology has made it possible to make three dimensional (3D) fabrics, which can both reduce the chances of composite failure by delamination and also enhance composite shear strength. In this study, 3D fabric reinforced mortar beam specimens were fabricated and flexural tests were carried out to investigate the applicability of 3D fabric fibers to cement - based composites. As a result of the bending test, the 3D fabric reinforced mortar beams showed similar results to the flexural behavior of typical textile reinforced concrete beams. The flexural stiffness and flexural toughness of the beam members were improved through the 3D fabric reinforcement, and the specimens reinforced with the 6mm spacer fabric showed higher flexural strength and flexural toughness than the those with the 4mm spacer fabric. In order to further improve the flexural strength and flexural toughness of the 3D fabric reinforced mortar, applying fibers having higher tensile strength and elastic modulus, increasing the amount of fabrics, and arranging the fabrics close to the edge of tension zone are required.



3차원 직물섬유 보강 모르타르의 휨성능 평가

이 창민1, 박 상화1, 양 준모2, 김 승직3, 장 준호4
1계명대학교 건축공학과 석사과정
2계명대학교 토목공학과 조교수
3계명대학교 건축공학과 부교수
4계명대학교 토목공학과 교수

초록


현대 섬유 기술의 발전으로 박리에 의한 복합체 파괴 가능성을 줄일 수 있고, 복합체의 전단강도를 향상시킬 수 있 는 있는 3차원 직물섬유를 제작할 수 있게 되었다. 본 연구에서는 3D 직물섬유의 시멘트 기반 복합체 적용 가능성을 살펴보기 위해 3D 직물섬유의 종류, 매트릭스의 종류, 보 부재 높이를 변수로 한 3D 직물섬유 보강 모르타르 보 시험체를 제작하고 휨실 험을 수행하였다. 휨실험 결과, 3D 직물섬유 보강 모르타르 부재는 전형적인 직물섬유 보강 콘크리트의 휨거동과 유사한 결과 를 나타내었다. 3D 직물섬유 보강을 통해 보 부재의 휨강성 및 휨인성이 향상되었고, 6mm 스페이서를 가진 직물섬유 보강 시 험체가 4mm 스페이서를 가진 직물섬유 보강 시험체 보다 더 높은 휨강도 및 휨인성을 보였다. 3D 직물섬유 보강 모르타르의 휨강도 및 휨인성을 보다 향상시키기 위해서는 높은 인장강도와 탄성계수를 가지는 섬유의 적용, 섬유량의 증가, 인장단에 가까 운 섬유의 배치가 필요하다.



    Ministry of Land, Infrastructure and Transport
    18RDRP-B076268-05

    1. 서 론

    최근, 직물섬유 보강 콘크리트 (TRC, Textile reinforced concrete)를 이용한 구조부재 제작 및 노후 구조물의 보수보강에 대한 관심이 크게 증가하고 있다 (Brameshuber, 2006;Mechtcherine et al., 2016). 직물섬 유 보강 콘크리트는 일반적으로 작은 골재 최대 크 기를 가지는 고성능의 시멘트 기반 매트릭스와 알칼 리 저항성 (AR) 유리, 탄소, 폴리머 또는 기타 재료 로 만들어진 고인성 연속 멀티 필라멘트 다발로 구 성된 복합 재료이다 (Brameshuber, 2006). 직물섬유 보강 콘크리트의 주된 장점은 일반 콘크리트 대비 높은 인장 강도를 가지고, 큰 변형과 다수의 균열을 동반하는 유사연성 (pseudoductile) 거동을 보이며, 부 식에 대한 높은 내구성을 가진다는 점이다. 이러한 우수한 역학적 특성과 내구성능을 통해 직물섬유 보 강 콘크리트는 신규로 건설되는 다양한 구조물에 경 량으로 적용이 가능하고, 또한 전통 재료 및 철근 콘크리트로 건설된 노후 구조 부재의 보수보강에도 그 적용이 가능하다 (Brameshuber, 2006;Lieboldt et al., 2008;Mechtcherine, 2013;Raoof et al., 2017;Weiland et al., 2008).

    직물섬유 보강 콘크리트에 일반적으로 사용되는 직물섬유는 2차원 재료로서 직물섬유 평면과 평행한 방향으로 보강되고 직각 방향으로는 보강되지 않는 다. 이러한 2D 직물섬유를 콘크리트 보강을 위해 사 용하는 경우 여러 직물섬유 층을 통해 적층된 콘크 리트 복합체를 구성하여야 한다. 그러나 이러한 적 층 콘크리트 복합체는 박리 파괴에 민감하며 정적, 동적 또는 충격 하중 하에서 전단 및 쪼개짐 복원력 이 낮게 나타나는 특성을 보인다. 최근에는 현대 섬 유 기술의 발전으로 다양한 종류의 직물 구조 생산 이 가능해졌고, 직물섬유 수직 평면에 보강된 3차원 (3D) 직물섬유를 제작할 수 있게 되었다. 세 가지 직 교 방향으로 강화된 3D 직물섬유는 박리에 의한 복 합체 파괴 가능성을 줄일 수 있고, 복합체의 전단강 도를 향상시킬 수 있으므로 시멘트 기반 복합체의 역학적 특성을 현저하게 향상시킬 것으로 기대하고 있다 (Haik et al., 2017;Sasi and Peled, 2015).

    본 연구에서는 최근 새롭게 제작된 3D 직물섬유 의 시멘트 기반 복합체 적용 가능성을 살펴보기 위 해 3차원 직물섬유 보강 모르타르 보 부재를 제작하 고 휨실험을 수행하였다. 2종류의 3D 직물섬유, 2종 류 모르타르의 콘크리트 매트릭스를 사용하였고, 보 부재의 높이를 2종류로 하여 시험체를 제작하여 실 험하였고, 기본적인 휨성능을 비교 평가하였다.

    2. 재료 특성

    2.1 3D 직물섬유

    본 연구에서는 Fig. 1(b)-(c)와 같이 홀 길이 x 홀 폭 x 스페이서 깊이가 15x8x4mm (이하 4F 직물섬유), 22x9x6mm (이하 6F 직물섬유) 인 두 종류의 3D 직 물 섬유를 사용하였다. 3D 직물섬유는 Fig. 1(a)와 같 이 아라미드 원사를 육각형 형태로 연결하여 두 층 의 섬유층을 만들고 폴리아릴레이트 원사로 두 섬유 층을 연결하여 3D 형태를 구성하였다. 섬유층을 구 성한 아라미드 원사 및 두 섬유층의 스페이서 역할 을 하는 폴리아릴레이트 원사의 역학적 특성은 Table 1과 같다.

    제작된 3D 직물섬유의 마모강도 및 인장강도를 측정하였고, 그 결과는 Table 2에 제시하였다. 마모 강도 실험은 KS K 0540 (KS K 0540, 2017)에 준 하여 실험하였고, 인장강도 실험은 폭 50mm에 대 해 KS K 0521 (KS K 0521, 2017)에 준하여 실험 하였다.

    2.2 모르타르

    본 연구에서는 시멘트계 자기 수평 모르타르인 유니 플로 R (이하, S 모르타르)과 일반 조강 시멘트 모르 타르 (이하, M 모르타르)두 종류의 시멘트 모르타르 를 배합하여 사용하였다. S 모르타르는 골재, 결합재 (Binder) 첨가제가 혼합되어 있는 바닥용 마감재로 물과 혼합시 자체 유동성이 뛰어나고 마감 흙손 작 업을 하지 않고도 표면평활성이 발현되는 제품으로 3D 직물섬유의 작은 공극을 잘 통과하면서 시험체 의 다짐성을 확보할 수 있을 것으로 판단된다. S 모 르타르는 (자기 수평 모르타르 시료 : 물) 의 중량비 를 100 : 23으로 하여 배합하였고, M 모르타르는 물 -시멘트 비 50%, (시멘트 : 모래 : 물) 의 중량비를 15.2 : 45.6 : 7.6으로 하여 배합하였다. KS F 2405 (KS F 2405, 2010) 기준에 따라 압축강도 공시체를 제작하고 28일 재령에 측정한 S 모르타르와 M 모르 타르의 압축강도는 각각 43.1MPa, 51.8MPa 이었다.

    3. 실 험

    3.1 실험 변수 및 상세

    본 연구에서는 3D 직물섬유 유무 및 종류, 콘크리트 매트릭스의 종류, 보 부재 높이 변수가 휨성능에 미 치는 영향을 살펴보았다. Table 3에 시험체의 종류 및 변수에 대해 나타내었다. 11종류의 시험체 각각 에 대해 3개의 시험체를 제작하여 총 33개 시험체를 시험하였다. 시험체 명의 첫 두 문자는 3D 직물섬유 의 유무 및 종류를 의미한다. ‘NF’는 직물섬유가 보 강되지 않은 시험체를 뜻하고, ‘4F’, ‘6F’는 스페이서 깊이가 각각 4mm, 6m인 3D 직물섬유로 보강된 시 험체를 뜻한다. 시험체 명의 세번째 문자는 콘크리 트 메트릭스의 종류가 시멘트계 자기 수평 모르타르 (S)인지, 일반 조강 시멘트 모르타르 (M)인지를 의미 한다. 시험체 명의 마지막 숫자는 보 시험체의 높이 를 의미한다.

    3.2 시험체 제작

    Fig. 2와 같이 휨실험에 사용된 시험체는 (가로 x 세 로)가 100mm x 400mm의 크기를 가지고 있고 실험 변수에 따라 그 높이는 15mm와 30mm 이다. 3D 섬 유가 보강된 시험체의 경우 3D 직물섬유를 시험체 높이의 가운데에 설치하였다.

    Fig. 3에 휨 시험체 제작 과정을 보여주고 있다. 먼저 시험체 크기에 맞게 3D 직물섬유를 재단하였 다 (Fig. 3(a)). 재단된 3D 직물섬유의 직선성 유지해 주기 위해 3D 직물섬유에 일정한 긴장력을 도입한 후 미리 제작한 나무 합판 몰드 사이에 설치하고 고 정하였다 (Fig. 3(b)). 그 후 시멘트 모르타르를 타설 하고 (Fig. 3(c)) 탈형 후 28일간 수중양생하였다 (Fig. 3(d). 시멘트 모르타르 타설 시에는 충분한 충 진을 위해 섬유 하/상단으로 2단계로 나누어 타설하 였다.

    3.3 시험체 셋팅

    3D 직물섬유 보강 모르타르 부재의 휨성능 평가를 위해 4점재하 휨시험을 수행하였다. Fig. 4와 같이 시험체를 셋팅하고, 1000kN 용량의 UTM (Universial testing machine)으로 0.5mm/min의 속도로 하중을 재 하하였으며 공시체가 파괴될 때까지 실험을 진행하 였다. UTM에서 재하하중 값을 측정하는 동시에 100mm LVDT (Linear variable differential transformer) 를 중앙 경간에 설치하여 수직처짐을 계측하였다. 휨시험 결과 나타난 휨거동은 재하하중-처짐 관계 그래프를 통해 나타내었고, 재하하중에 상응하는 최 대 휨응력은 다음 식 (1)을 통해 산출하였다.

    f = P · l b · h 2
    (1)

    여기서, f는 휨응력 (MPa), P는 하중 (N), l은 경 간 (mm), b는 단면폭 (mm), h는 단면 높이 (mm) 이다.

    4. 실험 결과 및 고찰

    4.1 휨 거동

    전형적인 직물섬유 보강 콘크리트의 휨거동은 다음 4단계를 보인다. ① 균열이 나지 않은 단계, ② 균열 생성 단계, ③ 균열 안정화 단계, ④ 파괴 단계 (Brameshuber, 2006). 본 연구에서 수행한 3D 직물섬 유 보강 모르타르 부재의 휨실험 결과 역시 전형적 인 직물섬유 보강 콘크리트의 휨거동과 유사한 결과 를 보였다. Fig. 5에 모든 변수에 대한 휨응력-수직처 짐 관계 곡선을 도시하였다. 각 변수의 그래프는 변 수당 3개 시험체들의 휨응력-중앙처짐 곡선을 평균 하여 하나의 그래프로 나타낸 것이다. 균열이 나지 않은 단계에서는 첫 휨균열이 발생할 때까지 수직처 짐의 증가에 따라 휨응력이 선형적으로 증가하였다. 부재 하연 매트릭스가 극한 인장변형률에 도달할 때 2점 가력부 사이의 순수 휨응력 구간에서 첫 균열이 발생하였다.

    모든 변수에 대한 첫 균열 휨응력을 Table 3에 나타내었다. 각 변수에 해당하는 값들은 변수당 3개 시험체들의 첫 균열 휨응력들을 평균한 값이다. 모 르타르 매트릭스 종류에 따라 첫 균열 휨응력값은 다르게 나타났고, 시멘트계 조강 모르타르가 자기 수평 모르타르보다 약 3배 정도 높은 첫 균열 휨응 력을 보였다. 이는 자기 수평 모르타르의 낮은 압축 강도의 영향과 다짐이 불충분했던 영향이 복합적으 로 작용하였기 때문인 것으로 판단된다. 같은 매트 릭스 내에서는 3D 직물섬유를 보강한 시험체와 보 강하지 않은 시험체의 첫 균열 휨응력은 거의 유사 하게 나타났고, 직물섬유를 보강하지 않은 시험체가 다소 높은 첫 균열 휨응력을 보였다. 이는 3D 원사 의 낮은 탄성계수 때문에 휨강성이 더 작아졌기 때 문이다.

    3D 직물섬유가 보강되지 않은 NFM15, NFM30, NFS30 시험체의 경우 첫 휨균열의 발생 직후 취성 적으로 파괴되었다. 첫 휨균열 응력에 도달한 후 하중 재하점 부근 인장 구역에 미세 균열이 발생하 였고, 파괴 징후를 보이지 않고 갑작스럽게 파괴되 었다.

    3D 직물섬유가 보강된 4FM15, 6FM15, 4FS15, 6FS15, 4FM30, 6FM30, 4FS30, 6FS30 시험체의 경우 첫 휨균열의 발생 직후 갑작스런 하중의 감소가 나 타났다. 지연 하중분배(delayed load distribution)라고 불리는 이러한 현상은 콘크리트 매트릭스에서 3D 직물섬유로의 취성적인 응력 재분배 때문으로 직물 섬유의 파형, 보강섬유 단면적, 매트릭스와 직물섬유 의 부착 품질에 따라 그 하중 감소의 정도가 달라진 다 (Hartig et al. 2009). 본 연구에서 역시 균열 직후 의 하중감소가 매우 크게 나타났는데, 이는 보강된 3D 직물섬유의 보강비가 낮고, 3D 직물섬유의 파형 이 크며, 또한 길이방향 신장에 따라 수직방향 위치 가 변화하는 3D 직물섬유의 구조상의 특징 등이 복 합적으로 작용했기 때문인 것으로 판단된다.

    균열이 직물섬유의 위치까지 도달하면 3D 직물 섬유와 균열이 나지 않은 매트릭스 부분이 동시에 휨모멘트에 저항한다. 하중의 증가에 따라 균열폭은 점차 증가하고, 2점 재하점 사이에서 새로운 미세 휨균열이 발생하게 되며, 균열 부위 직물섬유의 응 력과 변형률은 따라서 증가하게 된다. 이렇게 점차 적으로 변형률 경화를 보이며 강성을 회복하고 휨강 도가 증가하다가 하나의 균열에 응력이 집중되고 그 균열폭이 갑자기 커지며, 매트릭스와 직물섬유 사이 의 부착력이 상실되면서 또 다시 큰 하중 감소를 나 타내었다. 이와 같이 3D 직물섬유가 보강된 시험체 들은 갑작스런 휨강도의 감소, 휨강성 및 휨강도의 회복을 몇 차례 반복하는 현상을 보였으며 60mm 수 직처짐까지 시험체의 완전한 파괴는 나타나지 않았 고, Fig. 7과 같이 다수의 균열과 큰 균열폭을 나타 낸 상태에서 실험을 종료하였다. 그 이유는 3D 직물 섬유 원사의 인장강도 및 탄성계수가 낮고, 직선으 로 구성되어 있지 않은 3D 직물섬유의 구조로 인해 3D 직물섬유의 길이방향 신장은 원사 자체의 신장 과 직물섬유 구조의 변화가 동반된 결과로 나타나 큰 처짐에서도 3D 직물섬유가 극한 변형률에 도달 하지 않기 때문인 것으로 판단된다. Fig. 6

    4.2 휨강성 및 휨강도

    균열 이후 휨강도의 회복과정에서 나타나는 휨강성 은 균열이 나지 않은 상태에서의 휨강성보다 매우 낮게 감소되었다. 일반 철근콘크리트 보와 같이 균 열이 발생하지 않은 매트릭스 단면과 보강재로 구성 된 유효 매트릭스 단면이 작아졌기 때문이다. Fig. 5 를 살펴보면, 균열 후 휨강성은 3D 직물섬유의 종류 및 시험체 높이에 따라 다르고, 매트릭스 종류의 영 향은 거의 없는 것을 확인할 수 있다. 휨강성은 보 강섬유의 위치, 종류, 보강재 상부 매트릭스 높이에 따라 결정되기 때문이다. 4F 직물섬유 보강 시험체 보다 6F 직물섬유 보강 시험체의 휨강성이 보다 크 게 나타났다.

    Table 3과 Fig. 6에 모든 변수에 대한 휨강도를 나타내었다. 모든 값들은 변수당 3개 시험체들의 휨 강도를 평균한 값이다. NFM15 시험체 대비 4FM15, 6FM15 시험체는 각각 25.5%, 44.5% 휨강도 증가를 보였고, NFS30 시험체 대비 4FS30, 6FS30 시험체는 각각 19.1%, 104.8% 휨강도의 증가를 보였지만, 4FM30, 6FM30 시험체는 NFM30 시험체 대비 각각 8.3%, 1.9% 휨강도의 감소를 보였다. 보강 섬유의 낮 은 보강비, 낮은 인장강도 및 탄성계수, 보강 섬유의 중앙부 배치의 복합적인 원인으로 판단되면, 이를 개선하기 위해서는 높은 인장강도와 탄성계수를 가 지는 섬유의 적용, 섬유량의 증가, 인장단에 가까운 섬유 보강재의 배치가 필요하다.

    3D 직물섬유 구조상 보다 인장단에 가깝게 배치 되는 6F 직물섬유 보강 시험체가 4F 직물섬유 보강 시험체 보다 더 높은 휨강도를 보였다. 6F Series가 4F Series 보다 7.1%∼15.1% 휨강도가 높게 나타났 다. 시험체 부재의 높이가 더 작은 15mm 높이의 시 험체가 30mm 높이의 시험체 보다 더 큰 휨강도를 보였다. 이는 3D 직물섬유의 하단 섬유 위치가 부재 높이가 작을수록 더 인장단에 가까워지기 때문이다.

    4.3 휨인성

    휨인성은 직물섬유 보강 콘크리트의 에너지 흡수능 력을 살펴볼 수 있는 중요한 인자이다 (Lee et al., 2018). ASTM C1609 (ASTM C1609, 2012)에 따르면 휨인성은 하중-처짐 곡선의 아래 면적으로 계산되고, 다음 식 (2)와 같이 정의된다.

    U = P d f = b h 2 l σ d f
    (2)

    여기서, U는 휨인성 (N⋅m), f는 중앙처짐 (mm) 이다.

    Table 3과 Fig. 6에 모든 변수에 대한 휨인성을 나타내었다. 모든 값들은 변수당 3개 시험체들의 응 력-처짐 곡선을 평균하여 도시한 Fig. 5 그래프에서 30mm까지의 그래프 하단 면적으로 계산하였다. 3D 직물섬유의 보강을 통해 휨인성의 큰 향상을 확인할 수 있었다. 또한, 6F 직물섬유 보강 시험체가 4F 직 물섬유 보강 시험체 보다 작게는 8.0% 높게는 92.1% 더 높은 휨인성을 보였다.

    5. 결 론

    본 연구에서는 최근 새롭게 제작된 3D 직물섬유의 시멘트 기반 복합체 적용 가능성을 살펴보기 위해 3D 직물섬유의 종류, 매트릭스의 종류, 보 부재 높 이를 변수로 한 3D 직물섬유 보강 모르타르 보 시 험체를 제작하고 휨실험을 수행하였으며 다음과 같 은 결론을 도출하였다.

    • (1) 3D 직물섬유 보강 모르타르 부재는 전형적인 직물섬유 보강 콘크리트의 휨거동과 유사한 결과를 보였다.

    • (2) 3D 직물섬유의 보강비가 낮고, 3D 직물섬유 의 파형이 크며, 직선으로 연결되어 있지 않은 3D 직물섬유의 구조상의 특징으로 인해 첫 균열 직후 큰 휨응력의 감소를 나타내었다.

    • (3) 6F 직물섬유 보강 시험체가 4F 직물섬유 보 강 시험체 보다 더 높은 휨강도 및 휨인성을 보였 다. 또한, 시험체 부재의 높이가 더 작은 15mm 높이 의 시험체가 30mm 높이의 시험체 보다 더 큰 휨강 도를 보였다.

    • (4) 6F 직물섬유 보강 시험체가 4F 직물섬유 보 강 시험체 보다 최대 92.1% 높은 휨인성을 나타내었 다. 이러한 3D 직물섬유 보강 콘크리트의 높은 휨인 성은 콘크리트 부재 취성을 극복할 수 있는 좋은 대 안이 되며 앞으로 그 용처가 매우 다양할 것으로 생 각된다.

    • (5) 3D 직물섬유 보강 모르타르의 휨강도 및 휨 인성을 보다 향상시키기 위해서는 높은 인장강도와 탄성계수를 가지는 섬유의 적용, 섬유량의 증가, 인 장단에 가까운 섬유의 배치가 필요하다.

    감사의 글

    본 연구는 국토교통부 국토교통기술지역특성화사업 의 연구비지원 (18RDRP-B076268-05)에 의해 수행되 었습니다.

    Figure

    KOSACS-9-33_F1.gif
    Shape of 3D Textile Fabric
    KOSACS-9-33_F2.gif
    Geometry of 3D TRC Beam Specimen (unit: mm)
    KOSACS-9-33_F3.gif
    Manufacturing Procedure of 3D TRC Specimen
    KOSACS-9-33_F4.gif
    Flexural Test Set-up
    KOSACS-9-33_F5.gif
    Flexural Stress versus Deflection Curves of 3D TRC Beam Specimens
    KOSACS-9-33_F6.gif
    Comparison of Flexural Strength and Toughness
    KOSACS-9-33_F7.gif
    End of Flexural Test (6FS15)

    Table

    Mechanical Properties of Yarn
    Mechanical Properties of 3D Textile Fabric
    Test Variables and Summary of Flexural Behavior of 3D TRC Beam Specimens

    Reference

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