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ISSN : 2093-5145(Print)
ISSN : 2288-0232(Online)
Journal of the Korean Society for Advanced Composite Structures Vol.10 No.1 pp.26-33
DOI : https://doi.org/10.11004/kosacs.2019.10.1.026

The Study about Strength Characteristic of Ultra-High Performance Fiber Reinforced Concrete (UHPFRC) with Fiber Combination

Seung-Ki Kim1, Tsas-Orgilmaa Makhbal2, Kim Woo-Suk3, Sang-Mook Han4
1Ph.D. Candidate, Department of Architectural Engineering, Kumoh National Institute of Technology, Gumi, Korea
2Ph.D. Candidate, Department of Civil Engineering, Kumoh National Institute of Technology, Gumi, Korea
3Professor, School of Architecture, Kumoh National Institute of Technology, Gumi, Korea
4Professor, Department of Civil Engineering, Kumoh National Institute of Technology, Gumi, Korea
·

본 논문에 대한 토의를 2019년 03월 31일까지 학회로 보내주시면 2019년 04월호에 토론결과를 게재하겠습니다.


Corresponding author: Kim, Woo-Suk School of Architecture, Kumoh National Institute of Technology, 61 Daehak-ro, Gumi, Gyeongbuk 39177, South Korea. Tel: +82-54-478-7591, Fax: +82-54-478-7609, E-mail: kimw@kumoh.ac.kr
November 26, 2018 December 13, 2018 December 19, 2018

Abstract


The ultra-high performance concrete (UHPC) has compressive strength over 100 MPa. The latest study about UHPC is reaching higher bending strength as well as higher compressive strength than conventional concrete. The typical method is the fiber reinforced concrete. The purpose of this study evaluated the fiber reinforced UHPC (UHPFRC) with single fibers and composite fibers which mixed with p-A (para-Aramid) fibers and other fibers. In the result of the slump flow test, the flow-ability with single fibers is more superior than the composite fibers. In the result of the compressive and bending strength, the specimens with the composite fibers that mixed the steel fibers and the p-A fibers are the highest strength. The authors were confirmed that the composite fibers had competitiveness compared with the single fibers through the flow-ability evaluation and the strength test.



섬유조합에 따른 섬유보강 초고성능 콘크리트의 강도 특성에 관한 연구

김 승기1, Tsas-Orgilmaa Makhbal2, 김 우석3, 한 상묵4
1금오공과대학교 건축공학과 박사과정수료
2금오공과대학교 토목공학과 박사과정수료
3금오공과대학교 건축학부 교수
4금오공과대학교 토목공학과 교수

초록


본 연구는 초고성능 콘크리트의 성능을 보다 향상시키기 위해 현재 콘크리트 보강에 사용하는 섬유들을 조합한 복합 섬유를 제작하여 복합섬유 혼입 초고성능 콘크리트의 강도 특성을 분석하였다. 복합섬유 4종과 단일섬유 3종을 각각 혼입하여 유동성과 압축, 휨강도 실험을 진행하였다. 복합섬유와 단일섬유 혼입 시험체 모두 유동성 평가를 만족하였으며, 단일섬유가 조 금 더 우수한 성능을 나타내었다. 강도 평가결과 파라아라미드 섬유와 강섬유를 조합한 복합섬유 2종이 가장 우수한 결과를 나 타내었으며, 복합섬유 직경 차이에 따라 압축 및 휨강도 보강효과가 다르게 나타난 것을 확인할 수 있었다. 압축강도 감소를 최 소화하며 휨강도를 증가시킨 결과를 통해, 복합섬유는 단일섬유 간의 단점을 서로 보완할 수 있을 것으로 판단되며, 본 연구를 통해 차후 콘크리트의 다양한 재료적 특성을 보강하는 복합섬유도 충분히 제작 가능할 것으로 판단된다.



    Ministry of Trade, Industry and Energy
    10062951

    1. 서 론

    1.1 연구의 배경 및 목적

    콘크리트 재료는 과거부터 현재까지 건축산업에서 가장 중요한 재료 중 하나로 사용되어왔다. 다양한 연구를 통해 압축에 강하고 인장에 취약한 콘크리트 의 특성을 보완하며 성능을 개선해왔다. 현재는 콘 크리트의 압축강도는 100 MPa이상, 휨인장강도는 압 축강도 대비 10% 이상 수준의 초고성능 콘크리트가 개발되었다. 다양한 혼화재 사용을 통해 압축강도를 증가시켰으며, 섬유혼입을 통해 휨인장강도를 보완 하고 있다. 대표적인 섬유는 강섬유로, 초고성능 콘 크리트에는 기존에 사용하던 일반강섬유보다 물성이 뛰어난 고성능 강섬유를 사용하여 보강하고 있으며, 현재 가장 우수한 콘크리트 보강용 섬유이다.

    현재까지 강섬유를 대체할 수 있는 콘크리트 보 강용 섬유에 대한 다양한 연구가 진행되고 있으며, 최근에는 다양한 산업에서 주목받고 있는 슈퍼섬유 를 적용하는 연구도 증가하고 있다. 슈퍼섬유는 고 강도, 고탄성 등으로 기존 섬유보다 물성이 우수한 섬유로 주로 우주, 항공, 의학 분야에 많이 적용되고 있다.

    국내의 경우 2010년까지는 아라미드 섬유를 콘크 리트에 적용하는 연구가 활발히 진행되었다. Kim (2010)은 고강도 콘크리트에 아라미드 섬유를 혼입하 여 강도특성을 분석하였으며, Hyun-Ho Lee et al. (2012)은 아라미드 시트와 스트립을 통해 콘크리트 구조물의 보강효과를 분석하였다. 국외의 경우 아라 미드 섬유를 콘크리트에 적용하는 연구가 현재까지 도 많이 진행되고 있다. Talikoti and Kandekar (2018) 은 아라미드 시트와 폴리머를 통해 보강한 콘크리트 의 강도특성과 내화특성을 분석하였다. 국내외 모두 파라계 아라미드 섬유(para-Aramid (p-A) fibers)를 적 용한 연구는 매우 적으며, 초고강도 콘크리트에 적 용한 연구는 거의 전무한 수준이다. 초고성능 콘크 리트의 성능을 보다 향상시키기 위해서 우수한 물성 의 섬유를 통한 보강성능에 대한 연구가 필요하다고 판단하였다.

    본 연구에서는 초고성능 콘크리트의 성능을 보다 향상시키기 위해 기존 고성능 강섬유와 슈퍼섬유 중 하나인 파라계 아라미드섬유를 조합한 복합섬유를 혼 입하여 초고성능 콘크리트의 보강성능을 분석하였다.

    2. 실험개요

    2.1 실험계획 및 방법

    본 연구는 복합섬유와 단일섬유를 초고성능 콘크리 트에 혼입하여 섬유보강 초고성능 콘크리트의 역학 적 특성을 분석하였다. 실험에 사용한 배합은 Table 1과 같으며, 설계강도 100 MPa 배합으로 이는 섬유 를 혼입하지 않을 경우이다. W/B비는 19.5%, 바인더 는 실리카퓸과 지르코늄을 사용하여 시멘트 중량 대 비 23%, 잔골재는 강모래와 규사를 사용하여 시멘트 중량 대비 130% 사용하였다. 높은 강도를 위해 충전 제로 사용하였으며 시멘트 중량 대비 20% 사용하였 다. 또한 파라계 아라미드섬유를 혼입할 경우 유동성 이 감소할 것을 예상하여 고성능AE감수제를 사용하 였으며, 선행연구를 참고하여 혼입량을 결정하였다.

    실험은 굳지 않은 콘크리트에 대해서는 슬럼프 플로 시험을, 경화된 콘크리트는 압축강도와 휨강도 실험을 진행하였다. 각 실험에 사용한 장치 및 실험 Set-up은 아래 Figs. 13에 나타내었으며, 실험사항 은 아래 Table 2에 정리하여 나타내었다.

    2.2 사용재료

    실험에 사용한 각 재료의 특성은 Tables 38에 나타 내었다. 초고성능 콘크리트의 미세구조를 보다 밀실 하게 하기 위해 실리카퓸, 지르코늄, 실리카플라워 모두 미세한 입자를 사용하였다. 잔골재는 강모래와 백규사를 사용하였다. 마지막으로 유동성 확보를 위 해 폴리카본산계의 고성능 AE감수제를 사용하였다. Tables 4, 5, 6, 7

    2.3 섬유특성

    섬유 조합에 따른 보강성능을 평가하기 위해 4종의 복합섬유와 3종의 단일섬유를 보강섬유로 선택하였 다. Seung-Ki Kim et al.(2018)에서 얻은 결과를 토대 로 섬유의 조합비율을 달리하여 복합섬유를 제작하 였다. 복합섬유의 경우 콘크리트의 일반적인 비중 약 2.3과 유사한 비중의 섬유를 제작하기 위해 파라아라 미드섬유(이하 p-A 섬유)와 강섬유를 조합하였으며, 나머지 2종은 PVA 섬유와 폭열방지에 사용하 는 나 일론(N66) 섬유를 p-A 섬유와 조합하여 복합섬유를 제조하였다.

    각 섬유의 모습과 직경을 측정한 사진을 Figs. 410에 나타내었다. 이는 최종섬유의 모습과 수지처리 전후의 사진을 나타낸 것이다. 단일섬유는 복합섬유 제작에 사용한 p-A 섬유와 동일한 직경의 고탄성 p-A 섬유 그리고 PVA 섬유, 총 3종을 사용하였다. 각 섬유의 물리적 특성은 Table 9와 같다. Fig. 5, Fig. 6, Fig. 7, Fig. 8

    3. 실험결과 및 고찰

    3.1 슬럼프 플로 시험

    섬유보강 초고성능 콘크리트 타설 후 충분한 유동성 을 평가하기 위해 슬럼프 플로 시험을 진행하였으 며, 각 실험의 사진은 아래 Fig. 11에 나타내었다. 실 험은 총 25회의 타격을 가하였으며, 만약 25회 타격 이전에 플로 테이블이 가득 찰 경우(25cm 도달) 타 격 횟수를 기록하고 실험을 종료하였다. #15, #16, #18 섬유를 혼입한 시험체를 제외하고는 모두 25회 타격시 25cm에 도달하였으며, #15 섬유 시험체는 10 회, #16 섬유 시험체는 15회, #18 섬유 시험체는 10 회 타격하였을 때 25cm에 도달하였다.

    이를 통해, 복합섬유와 단일섬유 모두 충분한 유 동성을 확보한 것을 확인하였으며, 25회보다 작은 타격횟수로 유동성을 만족한 #15, #16, #18 섬유는 혼입률을 증가시켜 보강성능을 보다 향상시킬 수 있 을 것으로 기대된다.

    3.2 압축강도 시험

    섬유보강 초고성능 콘크리트의 압축강도 특성을 분 석하였다. 각 시험체의 결과를 Figs. 1218과 Table 10에 나타내었다. 압축강도 실험결과 #13 섬유를 혼 입한 시험체가 133.5MPa로 가장 높은 압축강도 결과 를 나타냈다. 그 다음은 #12 섬유로 강섬유와 조합 한 복합섬유가 111MPa로 높은 압축강도 값을 나타 낸 것으로 나타났다. 그러나, PVA와 N66과 조합할 경우 각각 108, 103MPa로 단일과 유사하거나 오히려 강도가 감소하는 결과를 나타냈다. 단일섬유의 경우 압축강도 결과는 유사하게 나타났으나, #13 시험체 의 결과와는 큰 차이를 나타냈다. #16 시험체는 108.5MPa, #17 시험체는 108.7MPa, #18 시험체는 109.9MPa가 나타났다. 이를 통해, 섬유 혼입을 통한 압축강도 감소는 강섬유가 가장 낮게 나타나며, 이 는 강섬유와 함께 복합섬유를 제조하여 사용할 경우 에도 비슷한 효과가 나타나는 것이 확인되었다. Fig. 13, 14, 15, 16, 17

    3.3 휨강도 시험

    섬유보강 초고성능 콘크리트의 휨강도 특성을 분석 하였다. 각 시험체의 결과를 Figs. 1925와 Table 11 에 나타내었다. 휨강도는 #12 시험체가 17MPa로 가 장 높은 휨강도 결과를 나타냈으며, 그 다음으로 #13 시험체가 15MPa로 두 번째로 높은 값을 보였으 며, #14 시험체는 11.2MPa로 나타났다. 다음으로 단 일섬유 중에는 p-A 섬유가 가장 우수한 결과를 나타 냈다. #16 시험체가 12MPa, #17 시험차가 11MPa, #18 시험차가 9MPa로 나타났다. Figs. 20, 21, 22, 23, 24

    파괴 시 변위 결과도 휨강도 실험결과와 유사한 양상을 나타냈다. 휨강도가 가장 높은 #12 시험체가 파괴변위 6.87mm로 가장 높게 나타났으며, #13 시험 체가 6.17mm, #14 시험체가 5.23mm, #15 시험체가 4.52mm 순으로 나타났다. 단일섬유는 #16 시험체가 4.9mm, #17 시험체가 4.11mm로 나타났다. 다음로 단 일섬유를 사용한 #16 시험체는 4.95mm, #17 시험체 는 4.11mm, #18 시험체는 3.58mm로 나타났다.

    4. 결 론

    섬유조합에 따른 섬유보강 초고성능 콘크리트의 강 도특성을 분석하였다. 실험의 결론을 정리하면 아래 와 같다.

    • 1) 섬유조합에 따른 초고성능 콘크리트의 유동성 을 평가하였다. 모든 시험체가 충분한 유동성을 확 보한 것으로 확인하였다. #15, #16, #18 시험체는 실 험의 타격횟수에 도달하기 전에 플로 판을 가득 채 우며 유동성을 만족하였다. 이를 통해, 단일 섬유중 에는 PVA가 가장 유동성이 우수한 것으로 판단된 다. 그러나, 복합섬유로 사용할 경우 단일로 사용할 경우와 다르게 N66과 p-A를 조합한 #15가 우수하게 나타났다. 섬유혼입으로 인한 유동성 변화는 단일섬 유와 복합섬유를 각각 다르게 보고 실험, 분석해야 할 것으로 판단된다.

    • 2) 압축강도 실험결과 압축강도 저하가 가장 적 은 섬유는 강섬유가 포함된 복합섬유를 사용할 경우 이다. 이는 단일섬유로 사용하였을 때와 유사한 결 과로, 압축강도 저하를 최소화하기 위해서는 강섬유 혹은 강섬유와 다른 섬유를 조합한 복합섬유를 사용 하는 것이 가장 우수할 것으로 판단된다.

    • 3) 휨강도 실험결과 역시 압축강도 실험과 유사 하게 나타났으나, 복합섬유에 사용한 강섬유의 직경 이 더 작을수록 강도증진효과가 크게 나타났다. #14 시험체와 #18 시험체를 비교해보면, 단일섬유로 사 용시 높은 휨강도를 나타낸 섬유와 조합할때는 강도 증진 효과가 나타나며, 이는 두 섬유의 중간정도 값 을 나타냈다.

    • 4) 폭렬방지 효과를 주는 PP섬유와 NY섬유는 콘 크리트의 강도를 감소시키는 단점이 있다. PP섬유와 NY섬유의 폭렬방지 매커니즘은 고온에서 섬유가 녹 으며 내부의 수분이 빠져나가는 통로를 만드는 것이 다. 강섬유와 PP 또는 NY섬유를 커버링하여 복합섬 유를 제작할 경우 기존 폭렬방지 매커니즘을 유지하 면서 강도증진 효과를 기대할 수 있을 것으로 예상 된다.

    감사의 글

    본 연구는 산업통상자원부 글로벌전문기술개발사업 (과제번호:10062951)으로 지원된 연구결과의 일부이 며 지원에 감사드립니다.

    Figure

    KOSACS-10-1-26_F1.gif
    Slump Flow Test
    KOSACS-10-1-26_F2.gif
    Compressive Strength Test
    KOSACS-10-1-26_F3.gif
    Flexural Strength Test
    KOSACS-10-1-26_F4.gif
    Shape of #12 Fiber
    KOSACS-10-1-26_F5.gif
    Shape of #13 Fiber
    KOSACS-10-1-26_F6.gif
    Shape of #14 Fiber
    KOSACS-10-1-26_F7.gif
    Shape of #15 Fiber
    KOSACS-10-1-26_F8.gif
    Shape of #16 Fiber
    KOSACS-10-1-26_F9.gif
    Shape of #17 Fiber
    KOSACS-10-1-26_F10.gif
    Shape of #18 Fiber
    KOSACS-10-1-26_F11.gif
    Slump Flow Test
    KOSACS-10-1-26_F12.gif
    Stress-strain Curve of #12
    KOSACS-10-1-26_F13.gif
    Stress-strain Curve of #13
    KOSACS-10-1-26_F14.gif
    Stress-strain Curve of #14
    KOSACS-10-1-26_F15.gif
    Stress-strain Curve of #15
    KOSACS-10-1-26_F16.gif
    Stress-strain Curve of #16
    KOSACS-10-1-26_F17.gif
    Stress-strain Curve of #17
    KOSACS-10-1-26_F18.gif
    Stress-strain Curve of #18
    KOSACS-10-1-26_F19.gif
    Bending Strength-disp. Curve of #12
    KOSACS-10-1-26_F20.gif
    Bending Strength-disp. Curve of #13
    KOSACS-10-1-26_F21.gif
    Bending Strength-disp. Curve of #14
    KOSACS-10-1-26_F22.gif
    Bending Strength-disp. Curve of #15
    KOSACS-10-1-26_F23.gif
    Bending Strength-disp. Curve of #16
    KOSACS-10-1-26_F24.gif
    Bending Strength-disp. Curve of #17
    KOSACS-10-1-26_F25.gif
    Bending Strength-disp. Curve of #18

    Table

    Mix Proportion
    Experiment Composition
    Physical Properties of Cement
    Chemical Composition and Physical Properties of Silica Fume
    Chemical Composition and Physical Properties of Zr Silica Fume
    Physical Properties of Filler
    Physical Properties of Aggregates
    Chemical Properties of Superplasticizer
    List of Composited and Single Fibers
    Result of Compressive Strength Test
    Result of Bending Strength Test

    Reference

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