KR101210694B1 - 콘크리트 보강섬유의 부착강도 실험장치 및 실험체 - Google Patents

Abstract

본 발명은 콘크리트의 인성 및 강도를 보강하기 위해 배합되는 보강섬유의 부착강도를 정확히 평가할 수 있는 실험장치 및 이를 이용한 실험체에 관한 것이다.
본 발명의 적절한 실시형태에 따르면, 다수 개의 구멍이 가로 및 세로방향으로 서로 대칭되게 같은 수로 형성되거나 가장자리를 따라 일정 간격을 두고 형성된 유공 실험 강판; 유공 실험 강판의 각 구멍에 설치된 고무 링; 및 유공 실험 강판의 각 구멍에 설치된 고무 링을 관통하여 하중 작용시 슬립이 발생하도록 유공 실험 강판을 기준으로 상하로 동일한 길이로 돌출되게 배치된 다수 개의 섬유를 포함하는 것을 특징으로 하는 콘크리트 보강섬유의 부착강도 실험장치가 제공된다.

Description

콘크리트 보강섬유의 부착강도 실험장치 및 실험체{Experimental device for measuring bond strenth of single fiber and specimen using the same}

본 발명은 콘크리트의 인성 및 강도를 보강하기 위해 배합되는 보강섬유의 부착강도를 정확히 평가할 수 있는 실험장치 및 이를 이용한 실험체에 관한 것이다.

콘크리트와 숏크리트 등 시멘트 복합재료의 성능을 향상시키기 위하여 보강섬유가 시멘트 매트릭스의 배합에 도입되었다. 보강섬유에 의해 증가되는 시멘트 매트릭스의 성능은 보강섬유와 시멘트 매트릭스와의 부착성능에 영향을 받는 것으로 알려져 있다.

콘크리트와 숏크리트의 에너지 흡수능력 즉 휨인성은 휨하중-처짐 곡선 아래의 면적으로 정의되며 첫 번째 균열 발생까지의 거동은 섬유의 역할보다는 콘크리트의 역학적 특성에 의존하는 것이 대부분이다. 따라서 보강섬유는 첫 번째 균열 발생 후 거동에 영향을 미치게 되며 휨인성은 균열 발생 후 거동에 의하여 결정된다.

섬유보강 시멘트 복합재료에서 균열 발생 후 거동은 섬유와 시멘트 매트릭스와 부착거동에 영향을 받는다. 즉 시멘트 매트릭스에서 섬유의 분리, 인발 및 파괴 등의 과정을 통하여 균열의 성장을 억제함으로써 휨인성을 증가시킨다.

그런데 철근과 달리 매우 작은 직경인 섬유의 경우 부착강도 실험에 큰 어려움이 있다. 매우 미세한 하중조절이 어려운 기존의 실험장치는 부착강도실험이 어렵다. 이러한 어려움으로 인하여 섬유의 정확한 부착강도 평가가 어렵다.

또한 기존의 부착강도 실험장치는 콘크리트의 균열이 계획된 실험위치를 벗어나 발생하는 경우가 많으며 실험 여건에 따라서 약간의 편심이 발생하는 경우에도 실험결과의 오차가 크게 나타날 수 있다. 그러므로 기존 실험장치를 사용할 경우 시험편의 단순 인장강도는 얻을 수 있지만 섬유와 콘크리트 사이의 묻힘길이와 부착응력 성능을 평가하기는 어렵다.

본 발명은 보강섬유의 정확한 부착강도 실험이 어려운 기존의 실험장치의 문제점을 극복할 수 있는 새로운 콘크리트 보강섬유의 부착강도 실험장치 및 실험체를 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명의 적절한 실시형태에 따르면, 다수 개의 구멍이 가로 및 세로방향으로 서로 대칭되게 같은 수로 형성되거나 가장자리를 따라 일정 간격을 두고 형성된 유공 실험 강판; 유공 실험 강판의 각 구멍에 설치된 고무 링; 및 유공 실험 강판의 각 구멍에 설치된 고무 링을 관통하여 하중 작용시 슬립이 발생하도록 유공 실험 강판을 기준으로 상하로 동일한 길이로 돌출되게 배치된 다수 개의 섬유를 포함하며, 유공 실험 강판은 직사각형 형상 또는 원형 형상을 갖는 한 쌍의 판재로 구성되는 것을 특징으로 하는 콘크리트 보강섬유의 부착강도 실험장치가 제공된다.

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본 발명의 또 다른 적절한 실시형태에 따르면, 콘크리트로 이루어지고 양쪽의 플랜지와 이들 플랜지를 연결하는 웨브를 가지는 전체적으로 I자 형상으로 되며, I자 형상을 상하 대칭이 되게 T자 형상으로 분할하는 부분에 청구항 1에 기재된 콘크리트 보강섬유의 부착강도 실험장치가 설치되며, 이때, 부착강도 실험장치를 구성하는 섬유는 웨브에 정착되고, 유공 실험 강판은 인장시 I자 형상의 콘크리트가 상하 대칭이 되게 T자 형상으로 분리하도록 설치되며, 인장 후에는 양쪽의 T자 형상의 실험체가 섬유에 의해서만 서로 연결된 구조가 되는 것을 특징으로 하는 콘크리트 보강섬유의 부착강도 실험체가 제공된다.

본 발명의 또 다른 실시형태에 따르면, 웨브는 유공 실험 강판의 형상에 대응하여 사각기둥 또는 원기둥 형상이 된다.

본 발명에 따른 실험장치는 섬유의 일정 길이를 묻힘길이로 지정할 수 있으며 실험결과가 작용편심의 영향을 크게 받지 않기 때문에 정확한 부착강도의 평가가 가능하다.

본 명세서에서 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시 예를 예시하는 것이며, 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 첨부한 도면에 기재된 사항에만 한정되어서 해석되어서는 아니 된다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 콘크리트 보강섬유의 부착강도 실험장치를 나타낸 사시도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 실험장치가 설치된 콘크리트 보강섬유의 부착강도 실험체의 사시도이다.
도 3은 도 2에 제시된 실험체를 이용해 보강섬유의 부착강도를 평가하기 위해 인발실험을 실시한 후의 실험체 모습을 나타낸 사시도이다.
도 4a는 본 발명의 다른 실시예에 따른 콘크리트 보강섬유의 부착강도 실험장치를 나타낸 사시도이고, 도 4b는 도 4a에 도시된 실험장치가 적용된 실험체에 대해 인발실험을 실시한 후의 모습을 나타낸 사시도이다.
도 5a는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 콘크리트 보강섬유의 부착강도 실험장치를 나타낸 사시도이고, 도 5b는 도 5a에 도시된 실험장치가 적용된 실험체에 대해 인발실험을 실시한 후의 모습을 나타낸 사시도이다.
도 6a, 도 6b는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 콘크리트 보강섬유의 부착강도 실험장치를 나타낸 사시도이다.

아래에서 본 발명은 첨부된 도면에 제시된 실시 예를 참조하여 상세하게 설명이 되지만 제시된 실시 예는 본 발명의 명확한 이해를 위한 예시적인 것으로 본 발명은 이에 제한되지 않는다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 콘크리트 보강섬유의 부착강도 실험장치를 나타낸 사시도이다.

본 발명에 따른 부착강도 실험장치는 다수 개의 구멍(11)이 형성된 유공 실험 강판(10), 유공 실험 강판(10)의 각 구멍(11)에 설치된 고무 링(20), 및 유공 실험 강판(10)의 각 구멍(11)에 설치된 고무 링(20)을 관통하도록 배치된 다수 개의 섬유(30)로 구성된다.

유공 실험 강판(10)은 부착강도를 평가하고자 하는 섬유(30)를 배치하기 위한 판으로서 사각형 형상을 가지며 다수 개의 구멍(11)이 천공되어 있다. 구멍(11)은 부착강도를 평가하기 위해 실험시 가해지는 하중에 의해 섬유(30)에 발생할 수 있는 편심의 영향을 최소화 또는 가능한 없애기 위해 가로 및 세로방향으로 같은 수의 구멍(11)이 규칙적인 패턴으로 천공되어야 한다. 예를 들어 가로방향으로 4개의 구멍이 4열로 형성될 경우 세로방향으로도 4개의 구멍은 4열이 되어야 한다. 즉, 유공 실험 강판(10)에 형성되는 구멍(11)은 행렬식으로 (n x n)(여기서, n은 양의 정수)의 개수를 가져야 하며 가로 및 세로방향 그리고 각 열을 따라 각 구멍은 동일한 간격을 가져야 한다.

유공 실험 강판(10)의 각 구멍(11)에는 고무 링(20)이 설치된다. 고무 링(20)은 유공 실험 강판(10)과 섬유(30) 사이의 접촉을 방지하여 실험시 섬유(30)가 유공 실험 강판(10)과 접촉하면서 끊어지는 것을 방지한다. 섬유(30)의 정확한 부착강도를 평가하기 위해서는 실험시 섬유(30)가 콘크리트 이외에 다른 부재와 부착되지 않고 자유롭게 미끄러짐이 발생하면서 이동할 수 있어야 하는데 고무 링(20)은 이러한 기능을 하며 부가적으로 발생할 수 있는 강재로 된 유공 실험 강판(10)과 섬유(30)의 마찰로 인한 섬유(30)의 파단을 방지한다.

섬유(30)는 콘크리트의 인성 및 강도 등을 보강하기 위해 사용되는 것으로 부착강도의 실험 대상이 되는 것이다. 콘크리트의 인성 및 강도 등을 보강하기 위한 섬유로는 강섬유, 유기합성섬유 및 천연섬유가 될 수 있다. 바람직하게는 강섬유 또는 폴리프로필렌으로 대표되는 폴리올레핀계 합성섬유가 될 수 있다. 섬유(30)는 유공 실험 강판(10)의 구멍(11)에 설치된 고무 링(20)을 관통하여 유공 실험 강판(10)을 기준으로 상하로 대칭되는 길이로 돌출되도록 설치된다.

이상에서와 같이 본 발명에 따르면 부착강도의 평가대상이 되는 섬유(30)가 종횡으로 서로 동일한 개수로 등간격으로 배치되므로 실험시 발생할 수 있는 편심의 영향을 받지 않도록 할 수 있고, 유공 실험 강판(10)을 기준으로 상하 대칭적인 길이를 갖고 실험 변수 이외에 유공 실험 강판(10)의 접촉에 의한 파단이 고무 링(20)에 의해 방지되므로 정확한 섬유의 부착강도를 얻을 수 있게 된다. 또한 콘크리트 내 섬유(30)의 묻힘길이를 자유롭게 지정할 수 있다.

아래에서는 위에서 설명한 콘크리트 보강섬유의 부착강도 실험장치가 적용된 실험체와 이 실험체를 이용한 보강섬유의 부착강도 실험방법을 설명한다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 실험장치가 설치된 콘크리트 보강섬유의 부착강도 실험체의 사시도이다.

실험체(40)는 콘크리트로 이루어지고 양쪽의 플랜지(41,41)와 이들 플랜지를 연결하는 웨브(42)를 가지는 전체적으로 I자 형상으로 되고 웨브(42)의 가운데 즉, I자 형상을 대칭적으로 T자 형상으로 분할하는 부분에 도 1에 제시된 실험장치가 설치된다. 따라서 실험체(40)는 유공 실험 강판(10)에 의해 서로 분리되고 분리된 양쪽의 T자 형상의 실험체(40a,40b)는 섬유(30)에 의해서만 서로 연결된 구조가 된다. 실험체 양쪽의 플랜지(41)는 섬유(30)의 부착강도를 실험하기 위해 실험체(40)에 축방향으로 인장력을 가할 때 클램핑하기 위한 것이다. 웨브(42)는 도 2에서와 같이 사각기둥 형상이 되거나 또는 아래에서 설명하는 것처럼 원기둥 형상이 될 수 있다.

도 3은 도 2에 제시된 실험체를 이용해 보강섬유의 부착강도를 평가하기 위해 인발실험을 실시한 후의 실험체 모습을 나타낸 사시도이다.

위에서 설명한 것과 같이 구성된 실험체(40)의 양쪽 플랜지(41,41)를 클램핑하고 축방향으로 인장력을 가하게 되면(즉, 인발하게 되면) 유공 실험 강판(10)에 의해 분리된 양쪽의 T자형 실험체(40a,40b)는 인장력에 대해 섬유(30)와 콘크리트의 부착으로 저항하게 되며 결국에는 섬유의 분리, 인발 및 파괴 등의 과정을 거쳐 서로 분리되게 된다. 따라서 부착파괴시 가해진 하중이 측정될 수 있으며 이를 통해 1개의 섬유(30)에 대한 부착강도를 산정할 수 있다.

즉, 아래의 식으로 부착강도를 계산할 수 있다.

여기서, τ_max는 최대 부착강도이고, P_max는 최대부착하중, n은 정착된 섬유의 수, b는 섬유의 폭, h는 섬유의 두께, l은 섬유의 정착길이이다.

기존의 부착강도 실험장치는 콘크리트의 균열이 계획된 실험위치를 벗어나 발생하는 경우가 많으며 실험 여건에 따라서 약간의 편심이 발생하는 경우에도 실험결과의 오차가 크게 나타날 수 있는데, 본 발명에 따르면 콘크리트의 균열이 계획된 실험위치에서 발생하도록 유공 실험 강판(10)을 통해 유도할 수 있고 편심의 발생 우려가 없으므로 정확한 실험결과를 얻을 수 있다.

도 4a는 본 발명의 다른 실시예에 따른 콘크리트 보강섬유의 부착강도 실험장치를 나타낸 사시도이고, 도 4b는 도 4a에 도시된 실험장치가 적용된 실험체에 대해 인발실험을 실시한 후의 모습을 나타낸 사시도이다.

도 1에 제시된 실시예에서 유공 실험 강판(10)은 하나의 사각형 형상을 가지는 판재로 구성된다. 이에 비해 도 4a에 제시된 실시예에서 유공 실험 강판은 서로 같은 크기와 두께를 가지는 한 쌍의 사각형 판재(10a,10b)로 구성되는 점에 차이가 있다. 그리고 이러한 구성을 가지는 유공 실험 강판이 적용된 실험장치가 적용된 실험체에 대해 도 3을 참조하여 설명한 것과 같이 인발실험을 실시하게 되면 도 4b에 도시된 것처럼 한 쌍의 유공 실험 강판(10a,10b)에 의해 분리된 양쪽의 T자형 실험체(40a,40b)는 인장력에 대해 섬유(30)와 콘크리트의 부착으로 저항하게 되며 결국에는 섬유의 분리, 인발 및 파괴 등의 과정을 거쳐 서로 분리되게 된다. 즉, 본 실시예에 따르면 한 쌍의 유공 실험 강판(10a,10b)은 서로 접촉하고 있을 뿐 결합되어 있지 않으므로 인발실험시 실험체(40)는 한 쌍의 유공 실험 강판(10a,10b)을 기준으로 양쪽의 T자형 실험체(40a,40b)로 분할되므로 도 2에 제시된 실험체보다 보다 정밀하게 보강섬유의 부착강도를 측정할 수 있다.

도 5a는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 콘크리트 보강섬유의 부착강도 실험장치를 나타낸 사시도이고, 도 5b는 도 5a에 도시된 실험장치가 적용된 실험체에 대해 인발실험을 실시한 후의 모습을 나타낸 사시도이다.

앞서 설명한 실시예들에서 유공 실험 강판은 모두 사각형 형상을 가지는 판재로 구성된다. 이에 비해 본 실시예에 따르면 유공 실험 강판은 원판으로 구성되는 점에 차이가 있다. 원판으로 구성되는 유공 실험 강판은 도 1에 제시된 실시예에서와 같이 단일 강판으로 구성되거나 도 4a에 제시된 것처럼 한 쌍의 유공 실험 강판(10c,10d)으로 구성될 수 있다. 그리고 유공 실험 강판이 원판으로 구성되는 경우 보강섬유(30)가 삽입되는 구멍(11)은 가로 및 세로로 서로 대칭되는 위치에 같은 수로 형성되어 인발시 편심이 발생되지 않도록 한다. 또한 도 5a에서와 같이 유공 실험 강판이 원판으로 구성되는 경우 실험체의 웨브(42c)도 그에 대응하여 원기둥 형상이 된다. 따라서 인발실험을 실시하게 되면 실험체(40')는 원기둥 형상의 웨브(42c)를 가지는 2개의 T자형 실험체(40c,40d)로 분할된다.

도 6a, 도 6b는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 콘크리트 보강섬유의 부착강도 실험장치를 나타낸 사시도이다.

도 6a, 도 6b에 나타낸 실험장치는 유공 실험 강판이 한 쌍의 강판으로 구성되는 점에서 도 4a 및 도 5a에 나타낸 실시예와 같다. 그러나 본 실시예에서 보강섬유(30)가 삽입되는 구멍(11)은 가장자리를 따라 일정 간격을 두고 형성된 점에서 차이가 있다. 유공 실험 강판에 형성된 구멍의 개수와 배열 방법에 있어서 차이가 있을 뿐 나머지 구성은 앞서 설명한 실시예들과 동일하므로 반복되는 설명은 생략하기로 하고 실험체의 구성도 앞서 설명한 실시예들과 동일하므로 반복되는 설명은 생략한다.

위에서 본 발명은 제시된 실시 예를 참조하여 상세하게 설명이 되었지만 이 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 제시된 실시 예를 참조하여 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위에서 다양한 변형 및 수정 발명을 만들 수 있을 것이다. 본 발명은 이와 같은 변형 및 수정 발명에 의하여 제한되지 않으며 다만 아래에 첨부된 청구범위에 의하여 제한된다.

10,10a,10b,10c,10d: 유공 실험 강판
11: 구멍
20: 고무 링
30: 섬유
40: 실험체
40a,40b,40c,40d: T자형 실험체
41: 플랜지
42,42c: 웨브

Claims (5)

1. 다수 개의 구멍이 가로 및 세로방향으로 서로 대칭되게 같은 수로 형성되거나 가장자리를 따라 일정 간격을 두고 형성된 유공 실험 강판;
   유공 실험 강판의 각 구멍에 설치된 고무 링; 및
   유공 실험 강판의 각 구멍에 설치된 고무 링을 관통하여 하중 작용시 슬립이 발생하도록 유공 실험 강판을 기준으로 상하로 동일한 길이로 돌출되게 배치된 다수 개의 섬유를 포함하며,
   유공 실험 강판은 직사각형 형상 또는 원형 형상을 갖는 한 쌍의 판재로 구성되는 것을 특징으로 하는 콘크리트 보강섬유의 부착강도 실험장치.
2. 삭제
3. 삭제
4. 콘크리트로 이루어지고 양쪽의 플랜지와 이들 플랜지를 연결하는 웨브를 가지는 전체적으로 I자 형상으로 되며, I자 형상을 상하 대칭이 되게 T자 형상으로 분할하는 부분에 청구항 1에 기재된 콘크리트 보강섬유의 부착강도 실험장치가 설치되며,
   이때, 부착강도 실험장치를 구성하는 섬유는 웨브에 정착되고, 유공 실험 강판은 인장시 I자 형상의 콘크리트가 상하 대칭이 되게 T자 형상으로 분리하도록 설치되며, 인장 후에는 양쪽의 T자 형상의 실험체가 섬유에 의해서만 서로 연결된 구조가 되는 것을 특징으로 하는 콘크리트 보강섬유의 부착강도 실험체.
5. 청구항 4에 있어서,
   웨브는 유공 실험 강판의 형상에 대응하여 사각기둥 또는 원기둥 형상이 되는 것을 특징으로 하는 콘크리트 보강섬유의 부착강도 실험체.

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