KR100945204B1 - 복합섬유를 이용한 초고인성 방폭 시멘트 복합체 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 복합섬유를 이용한 초고인성 방폭 시멘트 복합체에 관한 것으로서, 기존 모르타르 배합에 고인성의 유기섬유와 강섬유를 복합적으로 혼입시킴으로써 건축재료의 내충격 성능을 향상시켜, 종국적으로는 건축물의 내화성능, 방폭성능 및 내진성능을 향상시킬 수 있는 기술에 관한 것이다.
본 발명은 일반 시멘트 모르타르에, 강섬유와 유기섬유가 혼합된 복합섬유가 1.05~2.0vol% 혼입되되, 상기 강섬유와 유기섬유는 각각 0.05~1.0vol% 혼입된 것을 특징으로 하는 복합섬유를 이용한 초고인성 방폭 시멘트 복합체를 제공하며, 상기 유기섬유로는 PVA섬유 또는 PE섬유를 적용할 수 있다.
초고인성, 내충격, 섬유보강콘크리트, 강섬유, PVA, PE
Description
본 발명은 복합섬유를 이용한 초고인성 방폭 시멘트 복합체에 관한 것으로서, 기존 모르타르 배합에 고인성의 유기섬유와 강섬유를 복합적으로 혼입시킴으로써 건축재료의 내충격 성능을 향상시켜, 종국적으로는 건축물의 내충격성능, 내화성능, 방폭성능 및 내진성능을 향상시킬 수 있는 기술에 관한 것이다.
최근, 테러, 폭발사고, 지진, 화재 등에 의한 인적, 물적 피해의 규모가 대형화되는 경우가 증가하고 있어, 건축구조물의 내충격 성능 향상이 필요하게 되었다.
현재 건축물의 내충격 성능 향상을 위해서는 철근배근에 콘크리트를 두껍게 부어 제조하거나, 철근 콘크리트 외부에 흙을 덮는 등의 조치를 취할 뿐, 콘크리트 성능 개선 방안에 대해서는 특별한 대책이 없는 상태이다. 또한, 지진에 견디는 건축물을 위한 내진구조설계나 경량화 시공 방안 등은 여러 각도로 연구되고 있으나, 건축물 구조체의 기본 요소인 콘크리트 자체의 내진 성능은 크게 고려되지 않고 있는 상황이다.
본 발명은 기존의 모르타르 배합에 고인성의 유기섬유와 강섬유를 복합적으로 혼입하여 내충격 성능을 향상시킬 수 있는 초고인성 방폭 시멘트 복합체의 배합기술을 제공함에 그 목적이 있다.
철근콘크리트 구조물에서 압축응력은 콘크리트에 의해 발현되고, 인장응력은 철근에 의해 발현되는데, 콘크리트의 파괴 및 박리 방지에 필요한 콘크리트 자체의 인성 개선을 위해 시멘트 모르타르에 강섬유를 혼입하는 기술이 잘 알려져 있다. 그러나, 강섬유는 시멘트와 믹싱하기 어려워 전체의 2vol% 이상의 비율로 혼입시킬 수 없다는 문제점이 있다.
본 발명에서는 시멘트와의 믹싱에 지장을 주지 않는 범위 내에서 섬유를 혼입하되, 강섬유와 유기섬유(PVA섬유 또는 PE섬유)로 이루어진 복합섬유를 1.05~2.0vol%로 혼입시킨 시멘트 복합체를 통해, 콘크리트의 인성을 향상시키고자 한다.
본 발명이 제공하는 초고인성 방폭 시멘트 복합체를 건축소재로 활용하면, 콘크리트의 인성이 개선되고, 결과적으로 건축구조물의 내충격성능, 내화성능, 방 폭성능 및 내진성능이 향상된다.
본 발명은 일반 시멘트 모르타르에, 강섬유와 유기섬유가 혼합된 복합섬유가 1.05~2.0vol% 혼입되되, 상기 강섬유와 유기섬유는 각각 0.05~1.0vol% 혼입된 것을 특징으로 하는 복합섬유를 이용한 초고인성 방폭 시멘트 복합체를 제공한다.
상기 강섬유는, 직경이 650~750㎛이고, 길이가 40~60㎜이고, 비중이 7.8~7.9이고, 인장강도가 1,100~1,150MPa인 것을 적용하는 것이 바람직하다.
상기 유기섬유로는 PVA(polyvinyl acetate)섬유를 적용할 수 있으며, 상기 PVA섬유는, 직경이 35~45㎛이고, 길이가 10~15㎜이고, 비중이 1.2~1.4이고, 인장강도가 1,250~1,350MPa인 것을 적용하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 유기섬유로는 PE(polyethylene)섬유를 적용할 수 있으며, 상기 PE섬유는, 직경이 10~15㎛이고, 길이가 13~18㎜이고, 비중이 0.9~1.0이고, 인장강도가 2,650~2,750MPa인 것을 적용하는 것이 바람직하다.
이하에서는 초고인성 방폭 시멘트 복합체의 여러 가지 성능을 타 시험체와 비교하여 평가한 결과를 설명하기로 한다.
1.
내충격성능
[표 1]은 초고인성 방폭 시멘트 복합체의 내충격 성능평가를 위한 시험체의 배합정보 및 성능평가 항목을 나타낸 표이다. [표 2]는 플로우 170±20mm를 목표로 한 초고인성 방폭 시멘트 복합체의 배합표이다. [표 3]은 본 실험에 사용된 섬유의 물성을 나타낸 표이다.
내충격 성능평가를 위한 시험체는 섬유무혼입 시험체를 기준으로 단일섬유혼입 시험체와 복합섬유혼입 시험체를 구성하여, 각 시험체에 비상체가 충돌한 후의 충격파괴 성상을 시험체 외관, 충격파괴 깊이(mm), 충격파괴 면적(㎟), 중량감소율(%), 충격파괴 등급 등의 항목으로 나누어 관찰하였다.
[표 1] 초고인성 방폭 시멘트 복합체의 내충격 성능평가 항목
| 시험체 종류 | W/B (wt) | 섬유혼입율 (vol%) | W/C (wt) | 단위수량 (kg/㎥) | 측정항목 |
| Plain | 0.40 | 0.0 | 0.47 | 452 | - 충격파괴 성상 · 시험체 외관관찰 · 충격파괴 등급 · 충격파괴 깊이(㎜) · 충격파괴 면적(㎟) · 중량감소율(%) |
| PVA | 0.40 | 2.0 | 0.47 | 452 | |
| PE | 0.40 | 2.0 | 0.47 | 452 | |
| STF | 0.40 | 2.0 | 0.47 | 452 | |
| PVA+STF | 0.40 | 각 1.0 | 0.47 | 452 | |
| PE+STF | 0.40 | 각 1.0 | 0.47 | 452 |
- Plain : 섬유가 혼입되지 않은 시험체
- PVA : PVA섬유가 2vol% 혼입된 시험체
- PE : PE섬유가 2vol% 혼입된 시험체
- STF : 강섬유가 2vol% 혼입된 시험체
- PVA+STF : PVA섬유와 강섬유가 각각 1vol% 혼입된 시험체
- PE+STF : PE섬유와 강섬유가 각각 1vol% 혼입된 시험체
[표 2] 초고인성 방폭 시멘트 복합체의 배합
| 시험체 종류 | W/C (wt) | W/B (wt) | W/M (wt) | Vf (vol) | W (㎏/㎥) | Unit volume (ℓ/㎥) | Unit weight (kg/㎥) | ||||||
| C | S | FA | F | C | S | FA | F | ||||||
| Plain | 0.47 | 0.40 | 0.30 | 0.00 | 452 | 305 | 150 | 74 | 0.0 | 960 | 395 | 169 | 0.0 |
| PVA | 0.02 | 305 | 150 | 74 | 20 | 960 | 395 | 169 | 25.5 | ||||
| PE | 305 | 150 | 74 | 20 | 960 | 395 | 169 | 18.6 | |||||
| STF | 305 | 150 | 74 | 20 | 960 | 395 | 169 | 153.9 | |||||
| PVA+STF | 각 0.01 | 305 | 150 | 74 | 20 | 960 | 395 | 169 | 12.9+77.7 | ||||
| PE+STF | 305 | 150 | 74 | 20 | 960 | 395 | 169 | 9.3+77.7 | |||||
* 목표 플로우 : 170±20mm
- W/C : 물/시멘트비
- W/B : 물/바인더(결합재)비
- W/M : 물/모르타르비
- Vf : 함유되는 섬유의 부피비
- C : 시멘트
- S : 규사(잔골재)
- FA : 플라이애쉬
- F : 섬유
[표 3] 사용된 섬유의 물리적 성질
| 구분 | PVA섬유 | PE섬유 | 강섬유 |
| 섬유직경(㎛) | 40 | 12 | 700 |
| 섬유길이(mm) | 12 | 15 | 50.9 |
| 인장강도(MPa) | 1,300 | 2,700 | 1,140 |
| 비중 | 1.30 | 0.95 | 7.85 |
본 실험은 아래 [사진 1]과 [참고도 1]에 보이는 바와 같은 시험장치를 사용하여, [표 4]에 나타난 제원의 비상체를 발사하여 시험체에 충돌시킨 후 그 성상을 평가하였다.
[사진 1]
[참고도 1]
[표 4] 시험체 충돌에 사용되는 비상체의 제원
| 비상체의 형상 | 직경(mm) | 질량(g) | 재질 |
 |
4 | 약 0.261 | 강재 |
아래 [표 5]는 내충격 시험 후의 파괴등급을 평가하기 위해 설정한 단계를 나타낸 것이다.
[표 5] 시험체 종류에 따른 충격파괴 깊이와 면적 및 중량감소량
| 구분 | 무파괴 | 표면파괴 | 배면파괴 | 관통 | 완전관통 |
| 파괴형상 |
 |
 |
 |
 |
 |
| 평가 | 타격면의 손상없이 비상체가 바운드된 상태 | 충격면에 균열 및 탄흔이 발생한 상태 | 충격력에 의해 배면이 파괴된 상태 | 큰 파괴와 함께 완전히 관통된 상태 | 작은 파괴와 함께 완전히 관통된 상태 |
첨부된 [도 1] 내지 [도 6]은 각각 1) Plain 시험체, 2) PVA 시험체, 3) PE 시험체, 4) STF 시험체, 5) PVA+STF 시험체, 6) PE+STF 시험체에 대해 비상체를 고속 충돌시킨 후의 외관 및 파괴정도를 나타낸 것으로서, 이에 대한 실험 결과는 아래 [표 6]과 같이 정리된다.
[표 6] 시험체 종류에 따른 충격파괴 깊이와 파괴면적 및 중량감소량
| 시험체 종류 | 최대파괴깊이(㎜) | 파괴면적(㎟) | 중량감소율 (%) | ||
| 표면 | 배면 | 표면 | 배면 | ||
| Plain | 3.2 | 6.0 | 325.3 | 834.5 | 1.8 |
| PVA | 4.7 | 0.0 | 30.2 | 34.4 | 0.3 |
| PE | 관통 | 관통 | 4.2 | 68.5 | 1.2 |
| STF | 2.1 | 1.2 | 218.9 | 190.7 | 0.6 |
| PVA+STF | 5.2 | 0.0 | 72.5 | 0.0 | 0.4 |
| PE+STF | 6.0 | 0.0 | 49.6 | 0.0 | 0.3 |
전술한 내용과 첨부된 [도 1] 내지 [도 6]에 따르면, 고속 비상체의 속도 350~365m/s 범위에서 섬유혼입율 2%의 혼입으로 섬유종류에 관계없이 섬유무혼입 콘크리트에 비해 내충격 성능이 향상되었음을 알 수 있다. 그러나, 강섬유와 유기 섬유(PVA섬유, PE섬유)가 복합 혼입된 시험체의 내충격 성능이 가장 우수함을 알 수 있다. 또한, 강섬유와 PVA섬유가 혼입된 시멘트 복합체 및 강섬유와 PE섬유가 혼입된 시멘트 복합체의 압축강도는 Plain 콘크리트에 비하여 약 10MPa 정도 저하되지만, 시험체의 배면의 파괴는 전혀 발생하지 않음을 알 수 있다.
건축재료의 내충격성은 곧바로 건축물 내부의 인명 및 재산의 안전성과 연결되는 성능항목으로 반드시 갖춰야할 요소 중 하나이다. 특히 충격을 받는 전면충돌부의 파괴에 비해 건축물 내부가 되는 충돌부 배면의 파괴를 방지해야 건축물 내부의 인명 및 재산을 보호할 수 있다. 따라서, 본 발명이 제공하는 초고인성 방폭 시멘트 복합체를 건축재료로 적용함으로써 향후 건축물의 내충격 성능 향상에 기여할 수 있다.
2. 직접인장성능
[도 7]은 여러 시험체에 대한 일축 직접인장시험 과정을 도시한 것이다. [도 7]의 (a)는 시험체 박판을 상부에 고정시킨 상태, (b)는 LVDT 연결장치를 설치한 상태, (c)는 시험체 박판을 시험체 하부에 고정시킨 상태, (d)는 LVDT를 설치한 상태를 촬영한 사진이다.
시험결과 Plain 시험체는 인장성능을 확인할 수 없었으며, 강섬유를 혼입시킨 시험체의 경우는 연성적인 파괴가 발생하였다. 또한 PVA 또는 PE 섬유를 2% 혼 입한 시험체의 경우는 우수한 변형경과성능을 발휘하는 것으로 나타났다.
강섬유와 PE섬유 또는 PVA섬유를 1.0vol%씩 혼입한 시험체인 PVA+STF 시험체와 PE+STF 시험체는 최대인장응력이 월등히 향상되고, 최대인장변형률도 2%를 넘어 고인성이 발현됨을 확인할 수 있다([도 8] 내지 [도 13] 참조).
3.
방폭성능
[도 14]는 시험체에 대한 폭파시험 방법을 모식적으로 도시한 것이다. [도 14]의 (a)는 각각의 시험체에 직접 폭약이 터지도록 한 시험방법이고, [도 14]의 (b)는 모체 콘크리트로부터 일정 간격으로 이격 배치한 패널에 폭약이 터지도록 한 시험방법이다.
도시된 바와 같이 시험체는 지면과 10cm 정도 거리를 두고 설치하였으며, [도 15]의 (a), (b)에 도시된 에멀젼 폭약 및 뇌관을 사용하여 [도 16]에 도시된 폭파 시험체를 [도 17]과 같이 배치한 후 폭파시험을 실시하였다. 폭파 시험체간 이격거리는 예비시험을 통해 시험체간 영향이 없는 거리로 판단된 5m로 설정하였다.
한편, 상기 에멀젼 폭약의 제원은 아래 [표 7]에 나타난 바와 같이 평균폭발속도 5,700m/sec, 폭발열 1,100kcal/kg 이며, 폭파순서는 [도 18]에 도시된 바와 같다.
[표 7] 폭약의 제원
| 종류 | 평균폭발속도 (m/sec) | 폭발열 (kcal/kg) |
| 에멀젼 폭약 | 5,700 | 1,100 |
폭파시험 후 시험체의 방폭성능 평가는 시험체 표면 및 배면의 폭파깊이, 폭파면적 등을 사진촬영하여 정량적으로 시행하였다. [도 19] 내지 [도 32]는 다양한 상황에서 폭파시험을 시행한 후의 외관상태를 도시한 것이다. [도 19] 및 [도 20]에 도시된 바와 같이 Plain 시험체는 폭파시험 후의 면적손실율이 커 방폭성능을 기대하기 어렵다. 섬유를 혼입시킨 경우 폭약량이 100g일 때에는 혼입섬유의 종류에 관계없이 배면파괴가 발생하지 않으나([도 21], [도 23], [도 25] 및 [도 27] 참조), 폭약량이 200g일 때에는 PVA+STF 시험체를 제외하고([도 26] 참조) 모두 배면파괴가 발생하여([도 22], [도 24] 및 [도 28] 참조), 모르타르 배합에 있어서 PVA+STF 시험체의 방폭성능이 가장 우수한 것으로 나타났다.
이에 PVA+STF 시험체를 두께 40mm의 패널로 만들어 모체콘크리트의 외부에 설치한 상태에서 폭파시험을 실시하였는데([도 29] 내지 [도 32] 참조), 폭약량이 100g인 경우에는 시험체 패널과 모체콘크리트의 이격거리에 관계없이 모체콘크리트의 배면파괴가 발생하지 않았고(시험결과 미도시), 폭약량이 200g인 경우에는 [도 30] 내지 [도 32]에 도시된 바와 같이 모체콘크리트와 시험체 패널을 10mm 이상 이격하여 보강할 경우, 우수한 방폭성능을 기대할 수 있게 된다.
위의 시험 결과를 종합해 보면 다음과 같다.
1) 내충격성능 시험결과 PE+STF 시험체와 PVA+STF 시험체가 공히 배면파괴가 일어나지 않아 양자 모두 내충격 성능이 우수한 것으로 판정된다.
2) 직접인장성능 시험결과 최대인장응력과 최대인장변형률은 PE+STF 시험체가 가장 우수한 것으로 판정된다. 다만, PVA+STF 시험체도 최대인장응력은 6MPa 이상으로 다른 시험체에 비해 월등히 높고, 최대인장변형률도 2% 이상으로서 고인성의 요건은 충족되는 것으로 판정된다.
3) 방폭성능 시험결과 방폭성능은 PVA+STF 시험체가 가장 우수한 것으로 판정된다. 아울러, 건축물의 기본 구조체는 일반 콘크리트로 축조하더라도, PVA섬유와 강섬유가 혼입된 초고인성 방폭 시멘트 복합체를 소재로 형성시킨 보강패널을 설치함으로써 방폭성능을 향상시킬 수 있음이 확인된다.
도 1은 충격시험 후 Plain 시험체의 외관 및 파괴정도를 도시한 것이다.
도 2는 충격시험 후 PVA 시험체의 외관 및 파괴정도를 도시한 것이다.
도 3은 충격시험 후 PE 시험체의 외관 및 파괴정도를 도시한 것이다.
도 4는 충격시험 후 STF 시험체의 외관 및 파괴정도를 도시한 것이다.
도 5는 충격시험 후 PVA+STF 시험체의 외관 및 파괴정도를 도시한 것이다.
도 6은 충격시험 후 PE+STF 시험체의 외관 및 파괴정도를 도시한 것이다.
도 7은 시험체에 대한 일축 직접인장성능 시험 과정을 도시한 것이다.
도 8은 Plain 시험체의 직접인장성능 시험결과를 도시한 것이다.
도 9는 PVA 시험체의 직접인장성능 시험결과를 도시한 것이다.
도 10은 PE 시험체의 직접인장성능 시험결과를 도시한 것이다.
도 11은 STF 시험체의 직접인장성능 시험결과를 도시한 것이다.
도 12는 PVA+STF 시험체의 직접인장성능 시험결과를 도시한 것이다.
도 13은 PE+STF 시험체의 직접인장성능 시험결과를 도시한 것이다.
도 14는 시험체에 대한 폭파시험 방법을 모식적으로 도시한 것이다.
도 15는 폭약 및 뇌관을 도시한 것이다.
도 16은 폭파 시험체의 촬영사진이다.
도 17은 폭파 시험체 배치상태의 촬영사진이다.
도 18은 시험체에 대한 폭파시험 순서를 도시한 것이다.
도 19는 Plain 시험체에 100g의 폭약을 직접 폭파시킨 후 시험체의 외관을 도시한 것이다.
도 20은 Plain 시험체에 200g의 폭약을 직접 폭파시킨 후 시험체의 외관을 도시한 것이다.
도 21은 PVA 시험체에 100g의 폭약을 직접 폭파시킨 후 시험체의 외관을 도시한 것이다.
도 22는 PVA 시험체에 200g의 폭약을 직접 폭파시킨 상태후 시험체의 외관을를 도시한 것이다.
도 23은 PE 시험체에 100g의 폭약을 직접 폭파시킨 후 시험체의 외관을 도시한 것이다.
도 24는 PE 시험체에 200g의 폭약을 직접 폭파시킨 후 시험체의 외관을 도시한 것이다.
도 25는 PVA+STF 시험체에 100g의 폭약을 직접 폭파시킨 후 시험체의 외관을 도시한 것이다.
도 26은 PVA+STF 시험체에 200g의 폭약을 직접 폭파시킨 후 시험체의 외관을 도시한 것이다.
도 27은 PE+STF 시험체에 100g의 폭약을 직접 폭파시킨 후 시험체의 외관을 도시한 것이다.
도 28은 PE+STF 시험체에 200g의 폭약을 직접 폭파시킨 후 시험체의 외관을 도시한 것이다.
도 29는 모체콘크리트 위에 PVA+STF 시험체 패널(두께 : 40mm)을 간격 없이 설치하고 200g의 폭약을 패널 위에서 폭파시킨 후 모체콘크리트의 외관을 도시한 것이다.
도 30은 모체콘크리트 위에 PVA+STF 시험체 패널(두께 : 40mm)을 10mm 간격으로 설치하고 200g의 폭약을 패널 위에서 폭파시킨 후 모체콘크리트의 외관을 도시한 것이다.
도 31은 모체콘크리트 위에 PVA+STF 시험체 패널(두께 : 40mm)을 30mm 간격으로 설치하고 200g의 폭약을 패널 위에서 폭파시킨 후 모체콘크리트의 외관을 도시한 것이다.
도 32는 모체콘크리트 위에 PVA+STF 시험체 패널(두께 : 40mm)을 50mm 간격으로 설치하고 200g의 폭약을 패널 위에서 폭파시킨 후 모체콘크리트의 외관을 도시한 것이다.
Claims (6)
- 강섬유와 유기섬유가 혼합된 복합섬유가 일반 시멘트 모르타르에 1.05~2.0vol%로 혼입되되,상기 강섬유는 직경이 650~750㎛, 길이가 40~60㎜, 비중이 7.8~7.9, 인장강도가1,100~1,150MPa이고, 상기 시멘트 모르타르에 0.55~1.0vol%로 혼입되며,상기 유기섬유로는 직경이 35~45㎛, 길이가 10~15㎜, 비중이 1.2~1.4, 인장강도가 1,250~1,350MPa인 PVA(polyvinyl acetate)가 사용되고, 상기 시멘트 모르타르에 0.40~1.0vol%로 혼입된 것을 특징으로 하는 초고인성 방폭 시멘트 복합체.
- 강섬유와 유기섬유가 혼합된 복합섬유가 일반 시멘트 모르타르에 1.05~2.0vol%로 혼입되되,상기 강섬유는 직경이 650~750㎛, 길이가 40~60㎜, 비중이 7.8~7.9, 인장강도가1,100~1,150MPa이고, 상기 시멘트 모르타르에 0.55~1.0vol%로 혼입되며,상기 유기섬유로는 직경이 10~15㎛, 길이가 13~18㎜, 비중이 0.9~1.0, 인장강도가 2,650~2,750MPa인 PE(polyethylene)가 사용되고, 상기 시멘트 모르타르에 0.40~1.0vol%로 혼입된 것을 특징으로 하는 초고인성 방폭 시멘트 복합체.
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