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ISSN : 2093-5145(Print)
ISSN : 2288-0232(Online)
Journal of the Korean Society for Advanced Composite Structures Vol.11 No.4 pp.8-16
DOI : https://doi.org/10.11004/kosacs.2020.11.4.008

A Study on the Flexural Strength Properties of Composite Concrete with the Morphological Properties of Super Fiber

Seung-Han Lee1, Seung-Ki Kim2, Woo-Suk Kim3, Sang-Mook Han4, Byung-Gil Min5
1Ph.D. Student, Department of Materials Design Engineering, Kumoh National Institute of Technology, Gumi, Korea
2Researcher, ICT Convergence Research Center, Kumoh National Institute of Technology, Gumi, Korea
3Associate Professor, Department of Architecture Engineering, Kumoh National Institute of Technology, Gumi, Korea
4Professor, Department of Civil Engineering, Kumoh National Institute of Technology, Gumi, Korea
5Professor, Department of Materials Design Engineering, Kumoh National Institute of Technology, Gumi, Korea

본 논문에 대한 토의를 2020년 09월 30일까지 학회로 보내주시면 2020년 10월호에 토론결과를 게재하겠습니다.


Corresponding author:Kim, Woo-Suk School of Architecture, Kumoh National Institute of Technology 61 Daehak-ro, Gumi, Gyungbuk 39177, Korea Tel: +82-54-478-7591, Fax: +82-54-478-7609 E-mail: kimw@kumoh.ac.kr
July 25, 2020 August 11, 2020 August 14, 2020

Abstract


Numerous studies are being conducted to improve structural strength that is a core performance parameter of concrete, which is a representative material of architectural and civil structures. In addition, the requirements of highly functional concrete having high-strength are increasing as structures become larger, higher, and more specialized, in particular further development of concrete materials with good durability and weather resistance are required. In this study, the structural performance of hybrid composite embedded in super concrete was evaluated. The effects of the variation of the hybrid composite material and material shape were evaluated by differentiated yarn processing for covering, twisting, and varying the denier of the yarn, and varying the fiber length of para-aramid yarn and/or steel fiber. The optimized fiber complex super concrete is expected to be a promising technology area for growth that will be applied to repair and reinforcement of existing SOCs such as roads, bridges, water supply, and sewerage.



슈퍼섬유 형태적 특성 연계 복합소재 콘크리트의 휨강도 특성 연구

이 승한1, 김 승기2, 김 우석3, 한 상묵4, 민 병길5
1금오공과대학교 소재디자인공학과 박사과정
2금오공과대학교 ICT융합특성화연구센터 연구원
3금오공과대학교 건축학부 부교수
4금오공과대학교 토목공학과 교수
5금오공과대학교 소재디자인공학과 교수

초록


건축 및 토목 구조물의 대표 재료인 콘크리트의 핵심지표인 구조 성능을 개선하기 위해 많은 연구가 진행되고 있다. 아울러 구조물의 크기가 커질수록 강도가 높은 고기능 콘크리트의 필요성이 높아지고 있으며, 특히 내구성과 내후성이 우수한 콘크리트 재료의 개발이 필요한 실정이다. 따라서, 본 연구에서는 강섬유와 함께 파라-아라미드 원사를 이용하여 피복 및 꼬임, 원사 데니어 및 섬유 길이에 대한 차별화된 원사가공을 적용한 복합재료인 슈퍼섬유를 콘크리트에 혼입하여 구조적인 성능을 평가하고자 하였다. 본 연구를 통해 최적화된 슈퍼 섬유로 보강된 슈퍼 콘크리트는 도로, 교량, 상수도 및 하수도 등 기존 SOC 의 수리 및 보강에 적용될 유망한 성장 기술 분야가 될 것으로 예상된다.



    Kumoh National Institute of Technology
    2019- 104-007

    1. 서 론

    최근 건축, 토목 구조물이 대형화, 고층화 및 특수화 됨에 따라 이를 구성하는 대표적 소재인 콘크리트를 복합재료 관점에서 고성능 소재의 활용 및 응용을 통한 안전성 개선에 대한 요구가 증가하고 있으며, 콘크리트 구조물의 취성적인 파괴특성, 강도 및 내 후성 등의 핵심 성능 개선에 대한 다양한 연구가 이 루어지고 있다. 건축 및 토목 구조물의 대표 소재인 콘크리트는 압축력에 비교적 강한 특성을 보이지만, 인장력에 취약하여 취성파괴 되는 경향이 크다. 이 러한 단점을 보완하기 위하여 강섬유가 일반적으로 사용되나, 강섬유의 경우 콘크리트와의 부착성능 저 하, 비중 편차 과다로 인한 부분 집적화 등의 문제 가 있으며, 범용성 유기섬유인 폴리아미드섬유, PET 섬유를 사용 시에는 인장강도 개선이 가능하나 섬유 자체의 인장강도가 낮아 콘크리트의 인장력 향상에 한계가 있다(Jeon et al., 2015).

    콘크리트는 분체 및 골재 등의 매트릭스 경계면 등에 다양한 크기와 형태의 공극이 분포하고 있음으 로 단일 섬유의 형태로는 보강 효과에 한계가 있고, 이의 개선을 위하여 다른 종류의 섬유를 단순 혼입 한 하이브리드형 콘크리트의 제조도 시행되었다. 보 강 특성에 따라 혼입 효과가 관찰되기도 했다. 그러 나, 각 섬유의 비중 편차로 인한 편중 현상 및 섬유 종류별 성능 편차에 의하여 강도가 높은 섬유의 영 향이 커지며, 일정 수준 이상의 개선 효과를 기대하 기 어려울 것으로 추정된다(Qian and Stroeven, 2000; Sun et al., 2001; Yang, 2010; Kwon et al., 2015).

    현재까지 콘크리트 강도증진을 위한 다양한 섬유 가 연구되었으나, 강섬유가 가장 우수한 섬유 중 하 나로 꼽힌다(Choe et al., 2019). 이를 대체하기 위해 다양한 섬유를 적용하고 있다. 보강효과에 영향을 미치는 중요한 요인이 섬유 자체의 물성이다. 따라 서, 기존의 섬유보다 고강도, 고탄성, 고내열성 등 물성이 우수하여 우주, 항공, 의학 등 첨단분야에 적 용되고 있는 슈퍼섬유가 대체제로 기능할 수 있을 것으로 판단된다. 슈퍼섬유 중 대표적인 고강도 섬 유는 파라아라미드 섬유, PBO 섬유, 고강도 PVA 등 이 있다(Nuruddin et al., 2014).

    앞선 연구에서, 섬유의 일부 물리적 특성에 따라 섬유를 혼입한 UHPC(Ultra-High Performance Concrete) 의 역학적 특성에 대한 연구를 진행하고 보고한 바 있다. 강섬유와 혼용 적용된 파라아라미드 섬유는 섬도가 낮고, 길이가 긴 것이 압축강도가 우수하게 나타나는 결과를 확인할 수 있었지만, 콘크리트 공 극구조 및 경계면과 섬유 가연도에 기인한 형태적 변화 의한 성능 개선 비교 측면에서 부족함이 있었 다(Kim et al., 2018; Kim et al., 2019;Dwarakanath and Nagaraj, 1992; Lee et al., 2013).

    본 연구에서는 UHPFRC(Ultra-High Performance Fiber Reinforced Concrete, 이하 UHPFRC)의 성능 향 상을 위하여 파라아라미드 소재를 중심으로 섬도와 가연도에 따른 섬유 형태적 특성 변화와 연계한 콘 크리트 성능 변화에 관한 연구를 진행함으로 복합재 료 시너지 효과에 기인하여 콘크리트의 취성파괴를 인성파괴로 유도함으로 초고강도 콘크리트 구조물의 내구성과 안전성 향상에 대하여 고찰하고자 하였다.

    2. 실 험

    2.1 실험계획 및 방법

    본 연구는 섬유의 콘크리트 혼입에 따른 섬유 형태 적 특성 및 이종 섬유의 사가공 혼용섬유를 적용하 여 배합, 경화된 콘크리트의 역학적 성질을 비교 평 가하였다. 섬유 혼입에 따른 유동성을 평가하기 위 해 굳지 않은 콘크리트에 대해 KS F 2594(굳지않는 콘크리트의 슬럼프 플로우 시험방법)에 따라 슬럼프 플로우 시험을 진행하였으며, 경화된 콘크리트는 KS F 2566(섬유보강 콘크리트의 휨성능 시험방법)에 따 라 휨강도 실험을 수행하였다.

    휨성능 평가 시험체가 완전히 파괴된 후 각 시험 체 단면의 섬유분포를 통해 분산성을 평가하고, 단 면에 나타난 섬유의 파괴형태로 보강 매커니즘 분석 을 수행하였다(Park and Paek, 2009;Tan and Mansur, 1990).

    2.2 사용재료

    실험에 사용된 시멘트는 KS L 5201(포틀랜드 시멘 트의 물리성능)을 만족하는 1종 보통 포틀랜드 시멘 트를 사용하였으며 그 특성은 Table 1과 같다. 초고 성능 콘크리트의 미세구조를 밀실하게 하여 강도를 증가시키기 위하여 실리카퓸, 지르코늄, 실리카 플로 어를 사용하였다. 실험에 사용한 잔골재는 강도증진 을 위해 강모래와 백규사를 1:1 비율로 혼합하여 사 용하였으며, 초고성능 콘크리트의 슬럼프 플로우를 만족하기 위해 폴리카본산계의 고성능 AE감수제를 사용하여 유동성을 확보하였다. 각 재료의 특성은 Table 26에 나타내었다.

    실험에 사용된 파라아라미드 원사는 코오롱에서 상 업용으로 공급되고 있는 파라아라미드(400d, 1,000d)을 사용하였다. 휨강도 실험은 총 2회로 나누어진 행하 였다. 1차 휨강도 실험으로 수지선정작업을 진행하 였다. 이를 위해 직경 1,000d, 길이 13mm, 꼬임수 0T 로 고정하고 수지를 변수로 하여 제작한 섬유를 혼 입하여 휨강도를 평가 후 최종 수지를 선정하였다. 이후 섬유는 직경, 꼬임수, 길이 3가지를 변수를 조 합하여 총 10가지의 섬유를 사용하여 2차 휨강도 실 험을 진행하였다. 400d 직경 섬유의 경우 꼬임수는 0T와 150T와 길이 13와 19mm 2가지이며, 1,000d 직 경 섬유의 경우 꼬임수는 0T와 100T 2가지와 길이 13, 19, 25mm 3가지를 변수로 설정하여 콘크리트에 혼입하였다. 실험에 사용한 섬유의 특성은 Table 8과 같다.

    2.3 커버링사 및 가연복합사 제조

    파라아라미드 섬유와 강섬유 등을 싱글커버링하기 위하여 커버링기(일신기계, IS-5)를 사용하고, 심사 및 초사의 사종을 고려하여 연신비, 권취 속도 등을 설정하여 커버링을 진행하였다. 또한 동종 섬유의 가 연가공을 위하여 산업용 저연연사기(Oerlikon Saurer, TC-S Minilab)를 사용하여 사가공을 진행하였다. 산 업용 연사기의 연사 실험조건과 커버링 가공조건은 Table 9에 나타내었다. 콘크리트 성능 개선을 위하여 아라미드섬유를 ATY(Air Textured Yarn) 가공방법에 의해 제작된 단섬유의 경우에는 ATY 가공 후 인장 강도의 손실이 매우 크기 때문에 비효율적이라는 보 고가 확인되어 본 연구에서는 커버링 및 저연연사기 를 사용하여 제조하고 RFL(Resorcinol formaldehyde latex)와 PET(PolyEthylene Terephthalate)를 코팅, 적용 하여 평가하였다(Jeon et al., 2015).

    2.4 UHPFRC 제작방법

    UHPFRC는 일반적인 섬유보강 콘크리트의 제작방법 과 유사하다. 먼저, 시멘트와 분체(실리카퓸, 실리카 플로어, 지르코늄)를 콘크리트 혼합기에 넣고건비빔 을 진행하고 잔골재를 추가하고 건비빔을 계속 진행 한다. 이후, 물을 첨가하여 비빔을 실시하고 고성능 AE감수제를 첨가하여 슬럼프플로우를 측정하여 초 고성능 콘크리트 특성에 만족하지 못할 때는 추가로 고성능AE감수제를 첨가한다. 마지막으로 섬유를 혼 입한 후 섬유가 충분히 풀어질 때까지 비빔을 실시 하였다. 실험에 사용한 초고강도 콘크리트 배합은 Fig. 1, Table 10과 같다.

    2.5 휨강도 평가

    휨강도 평가실험은 KS F 2566에 따라 시험체를 변 수당 3개씩 제작하여 수행하였다. 시험체의 크기는 100x100x400mm이며 3등분점 2점가력으로 실시하고 하중은 변위제어방식으로 0.05mm/s의 속도로 재하하 였다. 섬유혼입을 통한 연성거동을 평가하기 위해, 최대강도 이후 최대강도의 80% 이하로 감소할 때까 지 하중재하를 지속하였다. 실험 모식도 및 장면은 Figs. 23과 같다.

    휨강도는 KS F 2566의 3등분점 하중의 휨강도 계산식 (1)로 계산하여 유효 숫자 3자리까지 구하였 다. 휨인성에너지는 휨강도 실험의 힘-변위 그래프의 면적을 통해 비교, 분석하였다.

    f r = P l b h 2
    (1)

    여기서,

    • P : Flexural Strength (MPa)

    • l : Span Length (mm)

    • b : Width of Section (mm)

    • h : Height of Section (mm)

    3. 실험결과 및 고찰

    3.1 사용한 수지에 따른 휨응력

    사용한 수지에 따른 콘크리트 휨강도 보강성능을 분 석하였다. 휨강도는 변수별 시험체 3개의 평균값으 로 선정하였다. 최대하중 이후 연성거동이 나타나는 지 여부를 판단하기 위해 콘크리트 강도가 80% 이 하로 내려갈 때까지 하중가력을 지속하였다. 2가지 를 종합하여 최종 수지를 선정하였다.

    Figs. 46을 보면, A1∼3이 비슷한 평균 휨강도 값을 나타내었다. 그러나, A1의 경우 가력이 정확히 되지 않은 3번 시험체를 제외한 1번과 2번 시험체에 서 최대하중 이후 취성파괴가 발생하였으며, A3 시 험체 역시 최대하중 이후 취성파괴하는 경향이 나타 났다. A2는 최대하중 이후 연성거동의 양상이 나타 나는 것을 확인하였다. Fig. 8의 A5 시험체도 다소의 연성거동이 확인되었으나, 하중감소폭이 크고 최대 강도가 A1∼3에 비해 다소 떨어지게 나타났다.

    수지종류에 따른 섬유보강 특성을 평가한 결과 Table 11에서 A2가 높은 휨강도 상승과 연성거동 유 도에 효과적인 것으로 나타났으며, 섬유형태에 따른 평가에는 A2와 동일한 RFL+PET 수지를 적용하였다.

    3.2 섬유형태 특성에 따른 휨응력

    콘크리트 성능 개선을 위하여 사용된 아라미드 섬유 의 형태적 특성에 따라 휨강도를 평가하였다. Table 12은 휨강도 결과의 평균값을 나타낸 것이다. 400d, 1,000d 모두 무연 상태보다 꼬임 상태에서 휨응력이 개선됨을 확인할 수 있다. 400d의 경우 꼬임상태 (TPM150)에서 섬유장이 긴 것(19mm)이 휨응력이 큰 것으로 확인되었으며, 1,000d의 경우 무연 및 가연 (TPM100) 상태 모두 섬유장과 관련하여서는 획일적 경향은 보이지 않으나, Fig. 20(h), (i), (j)를 보면 1,000d 원사를 TPM100으로 꼬임을 부여한 가연사가 절단면으로부터 도출장이 큰 것으로 확인됨으로 Kelly와 Tyson이 제안한 식 (2)에 부합됨을 알 수 있 었다(Kelly and Tyson, 1965).

    l c = σ f × d 2 τ c
    (2)

    여기서,

    • lc : Critical Fiber Length (mm)

    • σf : Tensile Strength (MPa)

    • d : Diameter of Fiber (mm)

    • τc : Fiber-matrix Bond Strength (MPa)

    Figs. 1618을 보면 꼬임이 있는 1,000d 섬유를 혼입한 시험체(B8, B9, B10)는 최대강도 이후 변위가 증가하면서 서서히 강도가 감소하는 연성거동을 나 타냈으나, 그 외의 Figs. 1015 시험체는 강도에 상 관없이 취성파괴 거동을 나타냈음을 확인할 수 있 다. 이를 통해, 혼입섬유의 직경이 작을수록 휨강도 증진에 효과적이나, 이것이 연성거동을 유도하지 않 음을 알 수 있다.

    Table 10에서는 휨강도 실험의 하중-변위 그래프 의 면적을 계산해 휨인성에너지로 표현하였다. 휨인 성지수는 최대하중까지의 그래프 면적과 최대하중 이후의 면적의 비율로 연성거동의 영향을 고려한 값 이다. B8 시험체의 경우 연성거동이 나타났으나 최 대하중 이후 급격한 강도감소가 나타나 휨인성지수 는 1.20으로 낮게 나타났다. B9 시험체는 연성거동이 나타나며 휨인성지수는 1.74로 가장 높게 나타났다. B10은 휨인성지수가 1.45로 나타났다. 연성거동을 유 도하기에 13mm는 섬유길이가 부족한 것으로 판단되 며, 25mm는 섬유길이 증가로 인한 휨강도 증진에 비해 부착력이 부족하여 19mm보다 휨인성지수가 떨 어지는 것으로 판단된다. Fig. 20은 휨강도 실험을 진행한 시험체의 파괴단면을 촬영한 것이다. 취성파 괴가 나타난 B1∼B7 시험체의 경우 파괴단면에 드 러난 섬유의 길이가 매우 짧게 나타났으며, 끊어진 형태의 섬유가 다수 관찰되었다. 그러나, 연성파괴가 나타난 B8∼B10의 경우 드러난 섬유의 길이가 길게 나타나고 대부분의 섬유가 뽑혀나온 형태의 파괴양 상을 나타냈다.

    섬유의 형태적 특성에 따른 휨성능 평가결과, 섬 도는 작을수록, 섬유장은 길수록, 꼬임이 있을 때 휨 성능이 우수한 것을 확인하였다. 연성능력의 경우 혼입 섬유에 의한 휨강도 상승과 꼬임과 길이에 의 한 섬유의 부착력, 섬유 섬도가 영향을 미치는 것으 로 판단된다. 혼입섬유의 섬도가 작을수록 휨강도가 증가하지만 이에 따른 섬유의 부착력이 충분하지 않 을 경우 연성거동이 나타나지 않으며, 작은 섬도로 인해 휨강도 상승에 효과적이나 최대강도에서 균열 발생 시의 응력을 섬유가 버티지 못해 취성파괴가 나타나는 것으로 판단된다.

    4. 결론 및 고찰

    본 연구에서는 파라아라미드 단독 및 트위스팅 가공 사로 제조, 적용하여 UHPFRC의 성능 변화 결과를 확인하였다.

    • 1) 콘크리트 성능 개선을 위하여 사용된 아라미 드 단일 섬유의 섬유장, 가연도의 형태적 특 성 연계하여 휨강도는 무연 상태보다 꼬임 상 태에서 우수하였으며, 400d 시험체(B1∼B6)는 경우 꼬임상태에서 섬유장이 긴 것이 우수한 것으로 확인되었으며 1,000d 시험체(B7∼B10) 는 꼬임상태에서 연성거동 유도에 효과적으로 나타났다.

    • 2) 파라아라미드 섬유를 혼입한 초고강도 콘크리 트는 보강섬유의 부착력과 휨강도가 균형을 이룰 때, 콘크리트의 연성거동을 유도할 수 있는 것으로 판단된다. 실제 콘크리트 부재에 섬유혼입 시 철근이 연성거동을 유도하기 충 분하다면, 섬유는 콘크리트 내에서 균열제어 와 인장강도 증진이 가능할 것으로 판단된다.

    • 3) 본 연구에서는 UHPFRC의 성능 향상을 위하 여 파라아라미드 소재를 중심으로 섬유 형태 적 특성 변화에 따른 콘크리트 성능 변화에 관한 연구를 진행하였으나 복합재료 시너지 효과 측면에서 콘크리트 공극구조의 보다 심 도 있는 분석 및 이러한 분석을 토대로 가공 사 형태 구현에 따른 경계접면의 개선에 대한 추가적 연구가 필요할 것으로 사료된다.

    ACKNOWLEDGEMENT

    본 연구는 금오공과대학교학술연구비(과제번호: 2019- 104-007)의 지원에 의하여 수행되었으며 이에 감사드 립니다.

    Figure

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    Schematic Diagram of Mixing Procedure for UHPFRC
    KOSACS-11-4-8_F2.gif
    Image of Modulus of Rupture Test Set-up
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    Photo of Modulus of Rupture Test
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    Load-Displacement Curve of A1 Specimens
    KOSACS-11-4-8_F5.gif
    Load-Displacement Curve of A2 Specimens
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    Load-Displacement Curve of A3 Specimens
    KOSACS-11-4-8_F7.gif
    Load-Displacement Curve of A4 Specimens
    KOSACS-11-4-8_F8.gif
    Load-Displacement Curve of A5 Specimens
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    Load-Displacement Curve o f A 6 S pecimens
    KOSACS-11-4-8_F10.gif
    Load-Displacement Curve of B1 Specimens
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    Load-Displacement Curve of B2 Specimens
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    Load-Displacement Curve of B3 Specimens
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    Load-Displacement Curve of B4 Specimens
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    Load-Displacement Curve of B5 Specimens
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    Load-Displacement Curve of B6 Specimens
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    Load-Displacement Curve of B7 Specimens
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    Load-Displacement Curve of B8 Specimens
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    Load-Displacement Curve of B9 Specimens
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    Load-Displacement Curve o f B 10 Specimens
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    Failure Section Image of Flexural Strength Test Specimens

    Table

    Physical Properties of Cement
    Chemical Composition and Physical Properties of Silica Fume
    Chemical Composition and Physical Properties of Zr Silica Fume
    Chemical Composition and Physical Properties of Silica Flour
    Physical properties of Aggregates
    Chemical properties of superplasticizer
    Sample for Resin Selection of Chopped Fiber
    RFL: Resorcinol Formaldehyde Latex, PET: PolyEthylene Terephthalate
    The Properties of Para-Aramid Fiber
    Process Condition of Twisting
    Preparation Proportion for UHPFRC
    Average Value of Flexural Strength 1st Test Results
    Average Value of Flexural Strength 2nd Test Results

    Reference

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