KR101073393B1

KR101073393B1 - 초고성능 섬유보강 콘크리트용 강섬유

Info

Publication number: KR101073393B1
Application number: KR1020080128427A
Authority: KR
Inventors: 고경택; 류금성; 김성욱; 박정준; 강수태
Original assignee: 한국건설기술연구원
Priority date: 2008-12-17
Filing date: 2008-12-17
Publication date: 2011-10-17
Also published as: KR20100069881A

Abstract

본 발명은 기계적으로 섬유와 시멘트 복합체의 부착성능을 증진시킨 물결형 강섬유와 이 강섬유를 사용한 초고성능 섬유보강 시멘트 복합체에 관한 것으로, 그 목적하는 바는, 형상을 물결모양으로 하여 높은 역학적 성능을 나타나게 할 수 있는 초고성능 섬유보강 콘크리트용 강섬유를 제공하고자 하는데 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은 섬유보강 콘크리트용 강섬유가 물결개수 6개, 물결깊이 0.24mm, 물결길이 2.78mm인 물결형태인 것을 특징으로 한다.

강섬유, 섬유보강, 콘크리트, 물결형, 물결형태

Description

초고성능 섬유보강 콘크리트용 강섬유{WAVE TYPE STEEL FIBER FOR ULTRA―HIGH PERFORMANCE FIBER REINFORCED CONCRETE}

본 발명은 초고성능 섬유보강 콘크리트용 강섬유에 관한 것으로, 보다 상세하게는 물결형태로 가공하여 기계적으로 섬유와 시멘트 복합체(콘크리트)의 부착성능을 보다 증진시키는 초고성능 섬유보강 콘크리트용 강섬유에 관한 것이다.

콘크리트는 경제성 및 내구성이 우수한 건설재료로서 강재와 더불어 콘크리트 구조물의 건설에 널리 사용되고 있다. 그러나 콘크리트는 인장강도와 휨강도가 작고, 균열이 발생하기 쉬운 본질적인 결합을 가지고 있으며, 또한 최근 고강도 콘크리트의 실용화에 따른 압축강도의 증가로 인해 콘크리트의 취성파괴(Brittle Failure)가 문제시되고 있다.

한편, 콘크리트의 취성파괴 등을 방지하기 위해 일반 콘크리트의 배합에 강섬유(Steel Fiber)를 체적으로 1%(75kg/㎥) 이하로 혼입하여 제조하는 섬유보강 콘크리트(Fiber Reinforced Concrete)가 일부 콘크리트 구조물에 사용되고 있다. 이 러한 강섬유는 원형단면을 가진 직선형강섬유와 끝단을 구부린 후크형 강섬유를 사용하는 것이 대부분이다. 상기의 강섬유는 일반적으로 인장강도 1,500MPa 이하인 것을 사용하고, 길이는 10mm~30mm 정도, 직경은 0.45mm~1.0mm 정도의 범위인 것을 사용한다.

하지만 1% 정도의 섬유 혼입으로는 고강도 콘크리트의 취성파괴를 충분히 방지하지 못하여, 지진 또는 차량의 반복 및 충격하중, 화재 및 자연 열화현상 등이 발생하였을 때 곧바로 구조물이 파괴되는 취약점을 안고 있다.

또한, 종래에 180MPa 이상인 초고강도콘크리트에 기존의 원형섬유를 사용하는 경우(특허 제10-0620866호 ; 강섬유 보강 시멘트 복합체 및 그 제조방법)에는 섬유의 인장강도 부족으로 시멘트 복합체가 파단되기 전에 섬유가 항복강도에 도달하여 휨 또는 인장강도 개선에 도움을 주지 못하는 문제점이 있다.

그리고 도 1에 나타난 바와 같이 섬유의 인장강도를 2,000MPa 이상인 강섬유를 사용하더라도 원형섬유를 사용한 경우에는 휨 또는 인장파괴 시 강섬유가 항복강도에 도달되어 파단되기 전에 강섬유 먼저 콘크리트로부터 뽑혀져 나오는 현상(Debonding)으로 강섬유 보강효과가 떨어져 인성(Toughness)향상에 크게 기여하지 못하는 문제점이 있었다.

이에 본 발명자들은 앞서 언급한 기존의 일반 콘크리트, 섬유보강 콘크리트 및 초고강도 섬유보강 콘크리트가 안고 있는 문제점을 극복하고자 연구와 실험을 거듭한 결과, 강섬유의 모양을 직선형 강섬유 대신에 시멘트 복합체와의 부착성능을 증진시킬 수 있는 형상을 가지도록 하면 보다 우수한 인장강도를 보이는 시멘트 복합체를 얻을 수 있음을 알아내고 본 발명을 제안하게 된 것으로, 본 발명은 그 형상을 물결모양으로 하여 높은 역학적 성능을 나타나게 할 수 있는 초고성능 섬유보강 콘크리트용 강섬유를 제공하고자 하는데, 그 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 강섬유는 시멘트 복합체에 혼입시켜 복합체의 인장강도를 높이는 강섬유에 있어서, 상기 강섬유의 형상이 물결형태(물결형, Wave Type)를 갖는 것을 특징으로 한다.

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이하, 본 발명을 보다 구체적으로 설명한다.

본 발명은 시멘트 복합체에 혼입시켜 복합체의 인장강도를 높이는 강섬유에 대한 것으로, 그 강섬유의 형상이 물결형태을 갖는 것이다. 즉, 본 발명의 콘크리트용 강섬유는 물결형으로 성형하는 것이 특징이 있으며, 이러한 물결형태는 이 분야에서의 통상의 지식을 가진 자는 다양한 형태로 개량 변경하는 것이 가능할 것이다. 따라서 이러한 개량 및 변경은 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 것은 본 발명의 보호범위에 속하게 되는 것이다.

상기 강섬유의 물결형태는 그 강섬유의 파 개수, 길이 및 깊이와 강섬유의 인장강도 등에 따라 여러 가지로 변형할 수 있는데, 그 중에서 본 발명자들은 실험을 통하여 보다 최적의 형태를 알아내었는데, 다음에서 설명한다. 단, 이는 최적의 형태일 뿐 본 발명의 보호범위가 여기에 한정되지는 않는다.

도 2a는 종래 사용되던 강섬유의 길이방향 단면도이고, 도 2b는 본 발명에 의한 물결형 강섬유의 길이방향 단면도이다. 이와 같은 형상의 강섬유는 탄소강 등을 얇게 절삭가공, 주조 등의 방법으로 제조될 수 있으며, 형상비(Aspect Ratio, 단면치수에 대한 길이의 비)는 30~100 정도의 것이 사용될 수 있으나 용도 및 목적에 따라 적절히 변경하여 사용할 수 있으며, 그 길이 또한 다양한 길이에 의하여 제조될 수 있을 것이다.

바람직하게는 본 발명에 의한 강섬유는 직경 0.2mm, 그리고 길이가 13mm되도록 하는 것이 좋은데, 이는 강섬유의 물결 작업의 수월성 및 모체인 시멘트 경화체와의 부착력의 최적화를 위해서이다. 이러한 직경, 길이 및 물결 형태로 제조될 때, 강섬유의 인장강도가 2800MPa로 정해지도록 할 수 있어 초고성능 섬유보강 시멘트 복합체에 있어서 그 효과가 충분히 발휘할 수 있도록 함이 바람직하다.

도 2a 및 도 2b에서 알 수 있는 바와 같이, 본 발명의 물결형 강섬유는 기존의 원형단면의 강섬유에 비해 기하학적 형상을 가지고 있으므로 기계적 부착력이 증가하여 강섬유와 시멘트 경화체의 부착성능이 향상됨으로써 초고성능 섬유보강 시멘트 복합체의 선능이 향상될 수 있도록 하게 된다. 즉, 강섬유의 길이, 직경 및 형상비는 변경하지 않고 단지 형상을 물결형태로 제조하여 시멘트 경화체와의 부착성능을 높이는 기술적 특징이 도입된 것이다.

이러한 물결형 강섬유는 물결 개수, 깊이 및 길이에 따라 초고성능 섬유보강 시멘트 복합체의 성능에 미치는 영향이 다르게 나타난다. 따라서 상기의 물결형 강섬유는 초고성능 섬유보강 시멘트 복합체의 배합 및 사용재료 등에 따라 물결 개수, 깊이 및 길이를 적절히 정하여 결정할 수 있다.

바람직하게는 본 발명에 의한 물결형 강섬유는 기계적 부착성능, 강섬유의 충전율, 강섬유의 파단성 등을 고려하면 물결개수 6개, 물결깊이 0.24mm, 물결길이 2.78mm인 것이 바람직하다.

상기와 같은 물결형 강섬유의 제작방법은 신선-절단작업의 과정을 걸치는 원형섬유와 달리 신선-형상-절단작업의 과정을 걸치게 된다. 여기서 형상작업은 신선된 강섬유 원선이 물결 형틀 안에 들어가면서 소요의 물결 개수, 깊이 및 길이가 되도록 강섬유를 만드는 작업이고, 이 작업이 끝나면 일정한 크기로 절단하여 물결형 강섬유를 제조한다. 제조된 물결형 강섬유는 도 3과 같이 각각 하나씩 낱개 타입과, 시멘트 복합체에 투입의 용이성과 섬유의 분산성 향상을 도모할 수 있는 번들(Buddle) 타입으로 제조할 수 있다.

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본 발명은 강섬유의 형상에 의해 초고성능 시멘트 경화체와의 기계적으로 부착성능을 향상시키기 위해 물결형 강섬유를 사용하는 것으로, 그 강섬유의 파 개수, 길이 및 깊이와 강섬유의 인장강도의 범위를, 실험을 통하여 구체적으로 제시함으로써 종국적으로 초고성능 강섬유보강 시멘트 복합체의 휨강도 및 인장강도 등의 역학적 성능이 증진되도록 하였다. 즉, 시멘트 복합체와의 부착성능이 향상됨으로써 압축강도 180MPa 이상의 휨강도 및 인장강도 등 역학적 성능이 크게 향상시킬 수 있게 된다.

이하, 실시예를 통하여 본 발명을 보다 상세히 설명한다.

<실시예 1>

본 실시예는 본 발명에 따른 물결형 강섬유의 형상이 180MPa 이상을 가진 초고성능 시멘트 경화체와의 부착성능에 미치는 영향을 분석하기 위한 것이다.

먼저, 도 4와 같은 시편을 준비하였는데, 이때 사용된 강섬유는 섬유직경이 0.2mm이고, 섬유인장강도가 2800MPa인 것을 이용하여, 각각 도 5a 내지 도 5c와 같은 제원(물결깊이, 물결길이, 물결개수)으로 성형한 것을 사용하였다.

이때, 사용된 시편의 시멘트 복합체는 특허 제10-0620866호(강섬유 보강 시멘트 복합체 및 그 제조방법)에서 제시된 배합중에서 압축강도 180MPa 이상을 확보할 수 있는 배합을 선정하여 제조하였는데, 사용된 배합은 물-결합재비 20%, 실리카퓸(SiO₂ 96%, 밀도 2.10g/㎤, 비표면적 200,000㎠/g)은 시멘트 질량에 대해 30%, 모래(밀도 2.62g/㎤, 평균입경 0.5mm 이하)는 시멘트 질량에 대해 110%, 충전재(SiO₂ 99.3, 평균입경 10㎛ 이하)는 시멘트 질량에 대해 30%를 사용하였으며, 유동성 확보를 위해 폴리칼본산계 고성능감수제(고형성분 35%)는 시멘트 질량에 대해 1.8%를 사용하였다.

믹싱작업은 상기 시멘트 복합체를 구성하는 시멘트, 실리카퓸, 모래, 충전재를 믹서에 투입하여 30rpm의 속도로 10분 정도 혼합한 다음 물과 고성능감수제를 투입하여 100rpm의 속도로 10분 동안 혼합한 후 다시 40rpm의 속도로 5분 동안 혼합하는 단계를 걸친다. 또한, 양생작업은 시편을 제작한 다음 2일 동안 습윤양생을 실시한 후, 90^oC 온도에서 2일 동안 증기양생을 실시하여 재령 28일까지 기건상태에서 노출시킨 다음 시험을 실시하였다.

이렇게 제작된 시멘트 복합체의 압축강도는 203MPa 정도로 초고강도를 나타내었다.

상기한 방법으로 제조된 시편을 이용하여 도 4와 같은 방법으로 섬유의 인발 시험을 실시하여, 그 결과를 물결형 강섬유의 물결개수, 물결깊이, 물결길이에 따라 각각의 5a, 5b, 5c에 나타내었다. 상기 인발시험은 먼저 목이 길이 저부가 확장된 형태의 시편에 있어 상기 목상부면으로부터 상방으로 도출되도록 본 발명에 의한 강섬유가 매립되도록 하게 된다.

이러한 시편은 시편 그립시스템에 의하여 하부가 고정되도록 한 상태에서, 강섬유는 강섬유 그립시스템에 의하여 고정된다. 이때 상기 강섬유 그립시스템에는 변형율을 측정할 수 있는 변형률 게이지가 부착되며, 하중계에 접하는 강섬유 그립시스템은 시편의 강섬유에 인장력이 발생되도록 하게 된다.

이때, 사용된 시험장치는 하중과 변위조절이 가능한 1tonf 용량의 UTM을 사용하였으며, 하중계 재하속도는 0.35mm/분, 슬림 양은 15mm에 도달할 때까지 하중-슬림 곡선을 계측하게 된다.

시험결과인 도 5a, 5b, 5c에서 알 수 있는 바와 같이, 기존의 원형단면의 강섬유에 비해 최대하중이 높은 것으로 나타난 본 발명에 의한 물결형 강섬유는 모체인 시멘트 경화체와의 부착성능이 뛰어나 그 휨, 인장강도를 향상시킬 수 있음을 확인할 수 있었다.

그리고 본 발명에 의한 강섬유 중에서 물결 개수가 6개까지는 물결 개수가 많을수록, 물결깊이 0.24mm까지는 깊을수록, 물결길이 1.86mm까지 길수록 부착성능이 뛰어나고, 그 후부터는 부착성능이 다소 저하되는 것으로 나타남을 확인할 수 있는데, 이것은 물결형태가 기계적 부착성능은 어느 정도까지 향상시키나, 필요이상으로 물결을 만들 경우에는 시멘트 경화체가 섬유의 구석구석까지 충전되기 어렵 고, 또한 시멘트 경화체가 파괴되기 전에 섬유가 파단되기 쉽기 때문이다.

이에, 본 발명에 있어 물결형 강섬유는 물결개수는 6개 정도, 물결 깊이는 0.24~0.3mm, 물결 길이는 1.86~2.78mm 정도가 보다 바람직함을 알 수 있다.

< 실시예 2>

본 실시예는 본 발명에 따른 물결형 강섬유가 초고성능 섬유보강 시멘트 복합체의 성능에 미치는 영향을 분석하기 위한 것으로, 초고성능 섬유보강 시멘트 복합체의 슬럼프플로, 섬유의 분산성, 압축강도, 휨강도 시험을 실시하였다.

사용된 초고성능 섬유보강 시멘트 복합체는 상기 실시예 1과 같이 특허 제10-0620866호(강섬유 보강 시멘트 복합체 및 그 제조방법)에서 제시된 배합중에서 압축강도 180MPa 이상을 확보할 수 있는 배합을 선정하여 제조하였으며, 사용된 재료 및 양생절차도 동일하다. 다만 강섬유는 형상에 관계없이 직경 0.2mm× 길이 13mm, 인장강도 2,800MPa인 것을 사용하였으며, 물결개수를 각각 4, 6, 8개로 하였고, 물결깊이를 각각 0.12, 0.24, 0.30, 0.35mm로 하였고, 물결길이를 각각 0.93, 1.86, 2.78, 3.72mm로 하였다.

슬럼프플로는 KS F 2594, 섬유분산성은 육안관찰에 의해 양호, 보통, 불량으로 구분, 평가하여 그 결과를 하기 표1에 나타내었다. 압축강도와 휨강도는 소정의 재령에서 각각 KS F 2405와 KS F 2566에 준하여 측정하여 그 결과를 하기 표 1에 나타내었다.

섬유의 종류			슬럼프 플로(mm)	섬유의 분산성	압축강도(MPa)	휨강도(Mpa)	휨인성
종래예(원형단면강섬유)			630	양호	203	43	10.2
발 명 예	물결개수(개)	4	627	양호	207	57	15.5
		6	620	양호	211	65	21.6
		8	590	양호	206	59	17.8
	물결깊이(mm)	0.12	625	양호	205	58	15.5
		0.24	620	양호	211	65	21.6
		0.30	618	양호	209	62	19.3
		0.35	595	양호	201	57	15.3
	물결길이(mm)	0.93	632	양호	205	58	16.3
		1.86	628	양호	209	61	19.9
		2.78	620	양호	211	65	21.6
		3.72	585	양호	201	55	15.3

상기표 1에서 알 수 있는 바와 같이, 슬럼프플로는 물결개수 8개, 물결 깊이 0.35mm 및 물결 길이 3.72를 제외하고 슬럼프플로가 600mm 이상으로 콘크리트 공사 시 다짐이 필요하지 않은 고유동 콘크리트의 일반적인 슬럼프 플로 600mm 이상으로 나타났으며, 섬유의 분산성도 대부분 양호한 것으로 나타났다.

또한, 압축강도는 기존의 원형단면 강섬유에 비해 본 발명에 의한 강섬유를 사용한 경우가 최대 8MPa 정도가 향상되는 것으로 나타났다. 그리고 본 발명에 의한 강섬유가 기존의 원형단면의 강섬유에 비해 휨강도는 최대 1.5배, 휨 인성은 최대 2.1배 정도로 휨거동이 크게 향상되는 것으로 나타났다. 이처럼 휨거동이 향상 큰 것은 섬유와 시멘트 경화체의 부착성능이 향상되어 섬유의 가교(Bridging) 작용이 크게 발휘되었기 때문이라 할 수 있다.

본 발명의 결과에 따르면 물결개수 6개, 물결깊이 0.24mm, 물결길이 2.78mm으로 구성된 물결형 강섬유를 사용한 것이 가장 성능이 뛰어난 것으로 분석되었다. 그리고 물결개수 8개, 물결깊이 0.35mm, 물결길이 3.72mm 이상으로 구성된 물결형 강섬유는 시공성 및 강도의 저하가 보이는 것으로 나타났다. 이것은 시멘트 경화체가 섬유의 구석구석까지 충전되기 어렵고, 또한 시멘트 경화체가 파괴되기 전에 섬유가 파단되기 쉽기 때문이다.

< 실시예 3>

본 발명에 의한 강섬유에 사용되는 인장강도, 직경 및 길이가 초고성능 섬유보강 시멘트 복합체의 성능에 미치는 영향을 분석하기 위해 본 발명에 의한 물결형 강섬유가 혼입한 초고성능 섬유보강 시멘트 복합체의 슬럼프플로, 섬유의 분산성, 압축강도 및 휨강도 시험을 실시하였다.

초고성능 섬유보강 시멘트 복합체의 배합과 실험방법은 상기 실시예 1 및 2와 동일하며, 사용된 강섬유는 종래예a의 경우는 하기 표2와 같은 인장강도를 가지며, 섬유 직경 0.2× 13mm인 원형단면 강섬유를 사용하였고, 발명예a의 경우는 하기 표2와 같은 인장강도를 가지며 섬유직경 0.2× 13mm인 것을 사용하였고, 발명예b의 경우는 하기 표2와 같은 섬유직경을 가지며 섬유 인장강도 2800MPa, 섬유길이 13mm인 것을 사용하였고, 발명예c의 경우는 하기 표2와 같은 섬유길이를 가지며, 섬유인장강도 2800MPa, 섬유직경 0.2mm인 것을 사용하였다. 또한, 발명예 a~c은 모두 물결개수 6개, 물결깊이 0.24mm, 물결길이 2.78mm으로 성형된 물결형 강섬유를 사용하였다.

섬유의 종류			슬럼프 플로(mm)	섬유의 분산성	압축강도(MPa)	휨강도(MPa)	휨인성
종래예 a (원형단면강섬유)	인장강도 (MPa)	1500	630	양호	187	32	7.8
		2000	630	양호	201	42	9.9
		2800	630	양호	203	43	10.2
		3800	630	양호	202	45	10.4
발명예 a	인장강도 (MPa)	1500	623	양호	188	43	11.5
		2000	620	양호	210	61	20.1
		2800	620	양호	211	65	21.6
		4000	620	양호	214	67	21.9
발명예 b	섬유 직경 (mm)	0.15	630	양호	197	58	20.5
		0.20	620	양호	211	65	21.6
		0.30	610	양호	209	62	19.7
		0.35	590	양호	203	53	16.3
발명예 c	섬유 길이 (mm)	10	625	양호	208	62	20.3
		13	620	양호	211	65	21.6
		20	612	양호	208	61	20.7
		30	602	양호	205	58	18.5

상기표 2에서 알 수 있는 바와 같이, 강섬유의 인장강도는 섬유의 형상에 관계없이 초고성능 섬유보강 시멘트 복합체의 시공성에 미치는 영향은 작은 것으로 나타났으나, 강섬유의 직경이 커질수록 강섬유의 길이가 길어질수록 슬럼프플로가 저하되는 것으로 나타났다.

압축강도는 강섬유의 인장강도, 직경 및 길이에 미치는 영향은 작으로 나타났다. 그리고 휨거동은 본 발명에 의한 물결형 강섬유가 인장강도, 섬유의 길이 및 직경에 관계없이 기존 둥근모양의 섬유에 비해 우수한 것으로 나타났다.

본 발명에 의한 강섬유는 인장강도가 2000MPa 이상, 섬유의 직경은 0.2mm, 섬유의 길이는 13mm으로 구성된 것이 휨강도 및 휨인성에 가장 유리한 것으로 나타났다.

도 1은 초고성능 섬유보강 시멘트 복합체의 휨 파괴 시 강섬유의 인발상황의 실제사진이다.

도 2a는 종래에 사용되던 원형 단면의 강섬유에 대한 길이방향 단면도이다.

도 2b는 본 발명에 의한 물결형 강섬유에 대한 길이방향 단면도이다.

도 3은 본 발명에 의한 물결형 강섬유의 실제 사진이다.

도 4는 본 발명에 의한 강섬유에 있어 인발시험 모습을 도시한 모식도이다.

도 5a는 본 발명에 의한 강섬유에 있어 인발시험 결과(물결개수에 따른 인발하중)를 나타낸 그래프이다.

도 5b는 본 발명에 의한 강섬유에 있어 인발시험 결과(물결깊이에 따른 인발하중)를 나타낸 그래프이다.

도 5c는 본 발명에 의한 강섬유에 있어 인발시험 결과(물결길이에 따른 인발하중)를 나타낸 그래프이다.

Claims

시멘트 100 중량부를 기준으로 5mm 이하의 입자 크기를 갖는 모래 110 중량부, 실리카퓸 30 중량부, 충전재 30 중량부, 폴리칼본산계 고성능감수 1.8중량부를 물과 함께 혼합하여 압축강도 180MPa 이상을 확보할 수 있도록 제조된 시멘트 복합체에 혼입시켜 복합체의 인장강도를 높이는 강섬유에 있어서, 상기 강섬유의 형상이 물결형태를 가지도록 하되,

상기 강섬유의 물결형태는 물결개수 6개, 물결깊이 0.24mm, 물결길이 2.78mm이며,

상기 강섬유는 직경이 0.2mm이고, 길이가 13mm이며,

상기 강섬유는 인장강도가 2800MPa이 되도록 하는 것을 특징으로 하는 초고성능 섬유보강 콘크리트용 강섬유.
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