KR101253249B1

KR101253249B1 - 물결형 강섬유와 직선형 강섬유를 혼입한 초고성능 강섬유 보강 시멘트 복합체의 제조방법

Info

Publication number: KR101253249B1
Application number: KR1020090108733A
Authority: KR
Inventors: 류금성; 고경택; 강수태; 박정준; 김성욱; 강현진
Original assignee: 한국건설기술연구원
Priority date: 2009-11-11
Filing date: 2009-11-11
Publication date: 2013-04-16
Also published as: KR20110051914A

Abstract

본 발명은 기계적으로 강섬유와 시멘트 복합체의 부착성능을 증진시킨 물결형 강섬유와 직선형 강섬유를 혼입한 강섬유를 사용한 초고성능 섬유보강 시멘트 복합체에 관한 것으로, 그 목적하는 바는, 물결형 감섬유와 직선형 강섬유를 혼입하여 높은 역학적 성능을 나타나게 할 수 있는 섬유보강 시멘트 복합체를 제공하고자 하는데 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은 압축강도 180MPa 이상을 확보할 수 있도록 함과 더불어 물결형 강섬유에 의한 강섬유의 가교(Bridging) 작용이 크게 작용하였다 하더라도 강섬유 주위의 시멘트 메트릭스 부분이 박리가 발생하지 않도록, 상기 강섬유는 원형단면의 직선형 강섬유와 물결형 강섬유를 콘크리트 100vol%에 대하여 1.5~2vol% 포함되도록 하며, 상기 직선형 강섬유와 물결형 강섬유는 0.5:1.0 ~ 1.0:0.5 내지 0.5:1.5 ~ 1.5:0.5 vol% 비율로 혼입되도록 하였다.

강섬유, 섬유보강, 콘크리트, 물결형, 직선형, 물결형태

Description

물결형 강섬유와 직선형 강섬유를 혼입한 초고성능 강섬유 보강 시멘트 복합체의 제조방법{MANUFACTURING METHODS OF ULTRA-HIGH PERFORMANCE FIBER REINFORECD CONCRETE MIXING THE STEEL FIBER OF WAVE AND STRAIGHT TYPE}

본 발명은 초고성능 강섬유 보강 시멘트 복합체의 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 물결형태의 강섬유와 직선형 강섬유를 혼입하여 기계적으로 강섬유와 시멘트 복합체의 부착성능을 보다 증진시키고 연성거동을 향상시키는 강섬유와 이를 사용한 초고성능 강섬유 보강 시멘트 복합체의 제조방법에 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 강섬유 보강 콘크리트(Fiber Reinforced Concrete)가 일부 콘크리트 구조물에 사용되고 있다.

이러한 강섬유는 원형단면을 가진 직선형 강섬유와 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 강섬유 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 원형단면을 가진 직선형 강섬유를 사용하는 경우(특허 제10-0620866호 ; 강섬유 보강 시멘트 복합체 및 그 제조 방법)에는 강섬유의 인장강도 부족으로 콘크리트가 파단되기 전에 섬유가 항복강도에 도달하여 휨 또는 인장강도 개선에 도움을 주지 못하는 문제점이 있다.

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

또한 도 1c에 나타난 바와 같이 물결형 강섬유만을 사용한 경우에는 직선형 강섬유를 사용한 경우보다는 최대휨강도는 증진되나 최대휨강도 이후 시멘트 메트릭스 부분이 박리가 발생하여 마찰부착에 대한 저항을 하지 못하기 때문에 직선형 강섬유보다 더 급격히 파괴되는 형상이 나타난다는 문제점을 가지고 있었다.

이에 앞서 언급한 기존의 일반 콘크리트, 강섬유 보강 콘크리트 및 초고강도 강섬유 보강 콘크리트가 안고 있는 문제점을 극복하고자 연구와 실험을 거듭한 결과, 직선형 강섬유와 물결형 강섬유를 혼입하여 사용할 경우

물결형 강섬유는 최대휨강도 이전의 메트릭스와의 부착성능을 증진시켜 최대휨강도를 향상 시켜 우수한 인장강도를 확보할 수 있고,

직선형 강섬유는 물결형 강섬유의 단점인 최대휨강도 이후의 시멘트 메트릭스 부분의 박리가 발생하여 급격히 파괴되는 현상을 방지하여 우수한 연성거동을 확보할 수 있는 것을 본 발명에서 제안하게 된 것으로,

본 발명은 그 물결형 강섬유와 직선형 강섬유를 혼입하여 우수한 역학적 성능을 나타나게 할 수 있는 물결형 강섬유와 직선형 강섬유를 혼입한 초고성능 강섬유 보강 시멘트 복합체 제조방법 제공을 그 해결하고자 하는 과제로 한다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 강섬유는 시멘트 복합체(콘크리트)에 혼입시켜 상기 복합체의 인장강도를 높이는 강섬유에 있어서, 상기 강섬유의 형상이 물결형태(물결형, Wave Type)와 직선형태(직선형, Straight Type)를 갖는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 콘크리트 제조방법은 압축강도 180MPa 이상을 확보할 수 있도록 함과 더불어 물결형 강섬유에 의한 강섬유의 가교(Bridging) 작용이 크게 작용하였다 하더라도 강섬유 주위의 시멘트 메트릭스 부분이 박리가 발생하지 않도록, 상기 강섬유는 원형단면의 직선형 강섬유와 물결형 강섬유를 콘크리트 100vol%에 대하여 1.5~2vol% 포함되도록 하며, 상기 직선형 강섬유와 물결형 강섬유는 0.5:1.5 ~ 1.5:0.5 vol% 비율로 혼입되도록 하고, 상기 물결형 강섬유는 직경 0.15~0.35mm, 길이가 10~30mm를 가지는 직선형 강섬유에 있어 물결개수 4~8개, 물결깊이(w) 0.12~0.35mm, 물결길이(λ) 1.86~3.82mm이며, 상기 강섬유들은 그 인장강도가 2000~2800MPa이 되도록 하게 된다.

본 발명은 경화된 강섬유 보강 시멘트 복합체의 기계적 부착성능을 향상시키기 위해 물결형 강섬유를 사용하고, 그 우수한 연성거동을 확보하기 위해 직선형 강섬유를 사용하는 것으로, 그 물결형 강섬유는 파 개수, 길이 및 깊이와 그 인장강도의 범위와 직선형 강섬유는 직경, 길이, 및 형상비를 실험을 통하여 구체적으로 그 제조방법을 제시함으로써 종국적으로 초고성능 강섬유 보강 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, 본 발명을 보다 구체적으로 설명한다.

본 발명에 의한 초고성능 강섬유 보강 시멘트 복합체에 사용되는 강섬유는 직선형과 물결형을 혼입한 것을 특징으로 하고 있다.

이때 상기 직선형 강섬유는 도 2와 같이 원형단면으로서 길이방향으로 연장되며 일정한 직경과 길이를 가진 강섬유를 의미하며,

상기 물결형 강섬유는 도 2와 같이 직선형 강섬유를 길이방향으로 상하 파동이 형성되도록 하는 것과 같은 물결형 강섬유(웨이브가 형성된 강섬유)를 의미하는 것으로 한다.

특히, 상기 물결형 강섬유의 물결형태는 강섬유의 파 개수, 길이 및 깊이와 그 인장강도 등에 따라 여러 가지로 변형될 수 있는데, 그 중에서 본 발명은 실험을 통하여 보다 최적의 형태를 아래와 같이 제시하게 된다.

이와 같이 본 발명에 사용되는 강섬유(직선형 강섬유 및 물결형 강섬유)는 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 상기 강섬유는 직경 0.15~0.35mm, 그리고 길이가 10~30mm되도록 하는 것이 좋은데, 이는 강섬유의 물결 작업의 수월성 및 모체인 시멘트 경화체와의 부착력의 최적화를 위해서이다.

이러한 직경, 길이를 가진 강섬유를 그대로 직선형으로 사용하거나 이러한 직선형 강섬유를 물결형으로 제조할 때, 강섬유의 인장강도가 2,000~4,000MPa로 정해지도록 할 수 있어 초고성능 강섬유 보강 시멘트 복합체에 있어서 그 효과가 충분히 발휘할 수 있게 된다.

도 2에서 알 수 있는 바와 같이, 본 발명의 물결형 강섬유는 기존의 원형단면의 직선형 강섬유에 비해 물형형태와 같은 기하학적 형상을 가지고 있으므로 기계적 부착력이 증가하여 강섬유와 시멘트 경화체의 부착성능이 향상됨으로써 초고성능 강섬유 보강 시멘트 복합체의 성능이 향상될 수 있도록 하게 된다.

즉, 강섬유의 길이, 직경 및 형상비는 변경하지 않고 단지 형상을 물결형태 로 제조하여 강섬유 보강 시멘트 경화체와의 부착성능을 높이는 기술적 특징이 도입된 것이다.

이러한 물결형 강섬유는 물결(웨이브 또는 파) 형성 개수, 깊이(파고) 및 길이에 따라 초고성능 강섬유 보강 시멘트 복합체의 성능에 미치는 영향이 다르게 나타난다.

따라서 상기의 물결형 강섬유는 초고성능 강섬유 보강 시멘트 복합체의 배합 및 사용재료 등에 따라 물결 개수, 깊이 및 길이를 적절히 정하여 결정하게 된다.

바람직하게는 본 발명에 의한 물결형 강섬유는 기계적 부착성능, 강섬유의 충전율, 강섬유의 파단성 등을 고려하면 도 2에 있어 직경 0.15~0.35mm, 그리고 길이가 10~30mm를 가지는 직선형 강섬유에 있어 물결개수 4~8개, 물결깊이(w) 0.12~0.35mm, 물결길이(λ) 1.86~3.82mm인 것이 바람직하다.

상기와 같은 물결형 강섬유의 제작방법은 강섬유용 선재의 신선-절단작업의 과정을 걸치는 원형섬유와 달리 신선-형상-절단작업의 과정을 걸치게 된다.

여기서 신선작업은 강섬유를 제조하기 위하여 소요의 직경을 가진 강섬유로 인발하는 과정을 지칭하며,

형상작업은 신선된 강섬유 원선이 물결 형틀 안에 들어가면서 소요의 물결 개수, 깊이 및 길이가 되도록 강섬유를 만드는 작업을 지칭한다.

이 작업이 끝나면 일정한 크기로 절단하여 물결형 강섬유를 제조한다.

제조된 물결형 강섬유는 도 3과 같이 각각 하나씩 낱개 타입과, 콘크리트에 투입의 용이성과 섬유의 분산성 향상을 도모할 수 있는 번들(Bunddle, 묶음 형태) 타입으로 제조할 수 있다.

상기한 바와 같은 직선형 및 물결형 강섬유는 초고성능 강섬유 보강 시멘트 복합체 배합 시, 시멘트 복합체 100vol%에 대하여 1~5vol% 포함시킨다.

상기 직선형 및 물결형 강섬유의 함량이 시멘트 복합체에 대하여 1vol%미만이면 배합효과가 미미하고, 5vol%를 초과하면 섬유의 뭉침 현상 등으로 오히려 강도가 저하되기 때문이다.

위에서 살펴본 강섬유를 이용하여 강섬유 보강 시멘트 복합체를 제조하는 예를 살펴보면 이는(특허 제10-0620866호 ; 강섬유 보강 시멘트 복합체 및 그 제조 방법에 의한다.)시멘트, 반응성 분체, 모래, 충전재, 증점제, 감수제 및 강섬유로 구성된 강섬유 보강 시멘트 복합체로서 제조된다.

즉, 예컨대 시멘트, 모래, 반응성 분체, 충전재 및 증점제를 미리 골고루 혼합한 프리믹싱(premixing)형 모르타르 재료에 물과 고성능 감수제로 구성된 배합수를 투입하여 고속믹서기로 혼합한 후, 모르타르와 배합수의 혼합물에 크기가 서로 다른 강섬유를 단독 또는 하이브리드 형태로 투입하여 다시 혼합한 후 일정 기간의 양생 과정을 거쳐 제조된다.

구체적으로 프리믹싱형 모르타르 재료는 건설 현장에서 구성하는 재료의 저장고를 설치하기 위한 장소, 비용의 절감과 계량 오차의 최소화 및 믹싱 시간을 단축시키기 위한 것이다.

예컨대, 시멘트 100중량부를 기준으로 모래 100 ~ 130중량부, 반응성 분체 10 ~ 30중량부, 충전재 10 ~ 30중량부 및 증점제 0.05 ~ 1중량부로 구성되며, 이렇 게 구성된 재료를 20~40rpm 속도로 7~15분 동안 골고루 혼합하여 제조된다.

이렇게 제조된 프리믹싱형 모르타르 재료의 유동성 및 시공성을 확보하기 위해 물(일반적으로 증류수가 바람직함)과 고형분 30~40중량%인 폴리칼본산계(Polycarboxylic) 고성능 감수제 또는 나프탈렌계(Naphthalene) 고성능 감수제를 각각 90 ~ 99.5중량%와 0.5 ~ 10중량% 비를 이루도록 배합수를 제조하여, 배합수-결합재(시멘트와 반응성 분체의 합)의 비가 0.25 이하가 되도록 프리믹식형 모르타르와 배합수를 고속 믹서기에서 20~40rpm 속도로 7~15분 동안 혼합한다.

이렇게 혼합된 모르타르와 배합수의 혼합물에 강섬유를 단독 또는 다양한 직경과 길이를 갖는 강섬유를 하이브리드(Hybrid) 형태로 상기 혼합물에 1 ~ 5체적%를 투입하여 30~50rpm의 속도로 3~10분 동안 혼합한다.

이때, 본 발명은 상기 강섬유를 원형단면의 직선형 강섬유와 물결형 강섬유를 함께 혼입하게 된다.

그리고, 이와 같이 최종 혼합물을 1~3일 동안의 습윤양생을 실시한 다음, 시멘트의 수화반응과 반응성 분체의 포졸란 반응(Pozzolanic reaction)을 활성화시키기 위해 60~110^oC의 고온하에서 증기양생을 2~4일 동안 실시함으로써 강섬유 보강 콘크리트가 제조된다.

상기 모래는 5mm 이하의 크기를 가진 석영질 모래(SiO₂ 90중량% 이상)이며, 시멘트 100중량부를 기준으로 약 100~130중량부가 사용된다. 5mm 이하의 모래를 사용한 이유는 시멘트 복합체의 균질성을 확보하여 그 강도를 향상시키기 위한 것이 다.

상기 반응성 분체는 실리카퓸, 고로슬래그, 플라이애쉬 등과 같은 광물질 혼화재이다. 이와 같은 반응성 분체는 시멘트 100중량부를 기준으로 약 10~30중량부가 사용된다.

반응성 분체는 구형 입자들로 이루어져 있으므로 강섬유 보강 시멘트 복합체(강섬유 보강 콘크리트)의 마찰을 감소시켜 시공성을 향상시키고, 페이스트(paste)의 점성을 증가시킴으로 섬유 분산성을 증가시키고, 또한 포졸란 반응에 의해 강도를 향상시키는 역할을 한다.

일반적으로 반응성 분체는 시멘트의 수화반응 생성물인 수산화칼슘(Ca(OH)₂)과 반응하여 규산칼슘염(3CaO2SiO₂3H₂O)과 알루미산칼슘염(3CaOAl₂O₃)을 생성하는 포졸란 반응에 의해 장기 강도가 증가시키는 장점이 있으나, 재령 초기에는 반응성 분체를 사용한 만큼 시멘트 사용량이 감소하므로 콘크리트의 초기 강도가 저하되어 시공 기간이 길어지고, 수축이 많이 발생하는 단점이 있다.

이와 같은 반응성 분체의 의한 초기 강도 저하 등의 문제점을 해결하기 위하여, 시멘트의 수화반응과 반응성 분체의 포졸란 반응이 활성화되도록 재령 초기에 60~120^oC의 고온 하에서 증기양생을 실시하게 된다.

이와 같은 기술적 구성에 의하여 시멘트의 수화반응이 빨리 진행될 뿐만 아니라 포졸란 반응에 의해 수산화칼슘이 거의 소비되어 강섬유 보강 시멘트 복합체의 초기 강도 저하를 극복하는 동시에 초강도화를 실현할 수 있게 된다.

충전재는 10㎛ 이하의 입자크기를 가진 석영질 분말(SiO₂ 95% 이상) 또는 석회석 미분말(CaCO₃ 75% 이상)을 시멘트 100중량부를 기준으로 10～30중량부를 사용한다.

이와 같은 충전재를 사용함으로써 시멘트 페이스트와 골재 사이의 계면영역 또는 시멘트 페이스트와 섬유 사이의 계면영역에 충전되는 필러(filler)작용으로 계면영역의 파괴를 방지하여 강섬유 보강 시멘트 복합체의 강도가 향상된다.

증점제는 시멘트 매트릭스에 점성을 부여하기 위한 것으로서, 셀로룰오스(Cellulose) 증점제 또는 아크릴(Acryl) 증점제를 시멘트 100중량부를 기준으로 0.05~1중량부를 사용한다. 이와 같은 증점제는 강섬유 보강 시멘트 복합체의 섬유 분산성을 향상시키는 역할을 한다.

감수제는 시멘트 매트릭스의 유동성을 확보하기 위해 사용된다. 강섬유 보강 시멘트 복합체에서 시멘트 100중량부를 기준으로 고형분 30~40중량%인 폴리칼본산계 고성능 감수제 또는 나프탈렌계 고성능 감수제 0.5~10중량부가 사용된다. 이와 같은 감수제는 강섬유 보강 시멘트 복합체의 시공성 및 섬유 분산성을 향상시키는 역할을 한다.

일반적으로 강섬유 보강 시멘트 복합체에서는 강섬유의 비중과 형상계수(aspect ratio ; 직경와 길이의 비)가 시멘트 매트릭스를 구성하는 재료의 입자와의 차이로 강섬유를 다량으로 사용한 경우에는 섬유 뭉침(fiber ball) 현상이 발생하여 강섬유 보강 시멘트 복합체의 본래 성능을 발휘하지 못하거나 오히려 취성 파괴 및 내구성 저하를 일으키는 것으로 알려져 있다.

그러나, 강섬유 보강 시멘트 복합체는 위에서 서술한 증점제 및 감수제 등의 사용에 의해 섬유 분산성을 확보하여 후술하는 바와 같이 섬유 뭉침 현상 없이도 다량의 강섬유를 강섬유 보강 시멘트 복합체에 첨가하여 고인성을 구현할 수 있다.

이하, 실시예를 통하여 본 발명을 보다 상세히 설명한다.

<실시예 1>

본 실시예는 본 발명에 따른 물결형과 직선형 강섬유를 혼입한 강섬유 보강 시멘트 복합체의 성능에 미치는 영향을 분석하기 위한 것으로, 물결형과 직선형 강섬유를 각각 사용한 경우의 강섬유 보강 시멘트 복합체의 슬럼프플로, 섬유의 분산성, 압축강도, 휨강도 시험을 실시하였다.

이때, 사용된 시편의 콘크리트는 압축강도 180MPa 이상을 확보할 수 있는 배합을 선정하여 제조하였다.

즉, 사용된 배합은 시멘트 100 중량부를 기준으로 5mm 이하의 입자 크기를 갖는 모래 100 내지 130 중량부, 실리카퓸과 같은 반응성 분체 10 내지 30 중량부, 충전재 10 내지 30 중량부, 및 섬유뭉침현상을 저감시키기 위한 증점제 0.05 내지 1 중량부를 포함하는 모르타르를 제조하는 단계와, 물 90중량% 내지 99.5중량%와 고성능 감수제 0.5중량% 내지 10중량%로 구성되는 배합수 1에 대하여 상기 모르타르의 결합재(시멘트와 반응성 분체)의 비율이 0.2가 되도록 상기 배합수와 상기 모르타르를 혼합시킴에 있어 특히,

실리카퓸(SiO₂ 96%, 밀도 2.10g/㎤, 비표면적 200,000㎠/g)은 시멘트 100중량부를 기준으로 30중량부, 모래(밀도 2.62g/㎤, 평균입경 0.5mm 이하)는 시멘트 100중량부를 기준으로 110중량부, 충전재(SiO₂ 99.3, 평균입경 10㎛ 이하)는 시멘트 100중량부를 기준으로 30중량부를 사용하였으며, 유동성 확보를 위해 폴리칼본산계 고성능감수제(고형성분 35%)는 시멘트 100중량부를 기준으로 1.8중량부를 사용하였다.

다만 직선형 강섬유는 직경 0.2mm× 길이 13mm, 인장강도 2,800MPa인 것을 사용하였으며, 물결형 강섬유는 0.2mm× 길이 13mm, 인장강도 2,800MPa인 것에 물결개수는 6개, 물결깊이는 0.24mm, 물결길이는 1.86mm로 하였다. 또한 시멘트 복합체 100vol%에 대하여 강섬유의 혼입율은 각각 1~5%로 하여 하였다.

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 198MPa 정도로 초고강도를 나타내었다.

슬럼프플로는 도 4와 같이 KS F 2594, 섬유분산성은 육안관찰에 의해 양호, 보통, 불량으로 구분, 평가하여 그 결과를 하기 표1에 나타내었다.

압축강도와 휨강도는 도 5와 같이 소정의 재령에서 각각 KS F 2405와 KS F 2566에 준하여 측정하여 그 결과를 하기 표 1에 나타내었다.

섬유의 혼입률	혼입율 (Vol. %)	슬럼프플로 (mm)	섬유의 분산성	압축강도 (MPa)	최대 휨강도 (MPa)	등가 휨강도 (MPa)
물결형 강섬유	1	627	양호	189	26.4	8.4
	2	620	양호	201	38.1	9.8
	3	575	불량	194	31.0	14.1
	4	540	불량	191	-	-
	5	521	불량	184	-	-
직선형 강섬유	1	625	양호	188	26.1	8.7
	2	620	양호	199	34.5	10.2
	3	618	양호	204	39.8	15.1
	4	614	양호	206	41.2	18.4
	5	601	양호	209	44.5	20.5

상기 표 1에서 알 수 있는 바와 같이, 슬럼프플로는 도 6a 및 도 6b와 같이 물결형 강섬유를 사용한 경우 혼입율 1~2%에서 슬럼프플로가 600 이상으로 나타났고 혼입율 3%이상에서는 섬유의 뭉침현상 즉 섬유의 분산성이 불량한 것으로 나타났다.

러한 이유는 강섬유가 직선형이 아닌 물결형태의 형상을 가지고 있어 다량의 강섬유를 사용한 경우 섬유가 서로 엉키는 형상으로 판단된다.

선형 강섬유를 사용한 경우 1~5%에서 슬럼프플로가 600mm 이상으로 강섬유 보강 시멘트 복합체(콘크리트) 공사 시 다짐이 필요하지 않은 고유동 콘크리트의 일반적인 슬럼프 플로 600mm 이상으로 나타났으며, 섬유의 분산성도 대부분 양호한 것으로 나타났다.

한, 압축강도는 강섬유의 혼입량이 증가할수록 증진효과를 나타내고 있으나 휨강도처럼 현격한 차이를 나타내고 있지는 않고 있다.

대 휨강도의 경우 물결형 강섬유를 사용한 경우 혼입률 2%까지는 증가하고 있으나 3%이상에서는 강섬유의 분산성이 불량하여 최대휨강도가 감소하는 현상을 나타내고 있다.

선형 강섬유를 사용한 경우 도 6c 및 도 6d와 같이 강섬유의 혼입량이 증가할수록 점차적으로 휨강도가 향상되고 있다, 따라서 최대휨강도는 물결형 강섬유가 직선형 강섬유보다 더 높게 나타났다.

러한 이유는 물결형 강섬유가 시멘트 경화체의 부착성능이 향상되어 섬유의 가교(Bridging) 작용이 크게 발휘되었기 때문이라 할 수 있다.

그러나 주어진 변위(지간의 l/150)에서의 평균 휨강도인 등가휨강도에서 직선형 강섬유를 사용한 경우가 물결형 강섬유를 사용한 경우보다도 높게 나타났다. 이러한 이유는 최대휨강도 이후의 휨거동이 물결형 강섬유를 사용한 강섬유 보강 시멘트 복합체가 급격히 파괴됨으로써 나타나는 현상으로 판단된다.

이처럼 물결형 강섬유와 강섬유 보강 시멘트 복합체의 시멘트 경화체와의 부착성능이 향상되어 섬유의 가교(Bridging) 작용이 크게 작용하였다 하더라도 강섬유의 인장강도가 커서 주위의 시멘트 메트릭스 부분이 박리가 발생하여 최대 휨강도 이후 마찰부착에 대한 저항을 하지 못하기 때문으로 판단된다.

<실시예 2>

본 실시예는 본 발명에 따른 물결형과 직선형 강섬유를 혼입한 강섬유 보강 시멘트 복합체의 성능에 미치는 영향을 분석하기 위한 것으로, 물결형과 직선형 강섬유를 혼입하여 사용한 경우의 강섬유 보강 시멘트 복합체의 슬럼프플로, 섬유의 분산성, 압축강도, 휨강도 시험을 실시하였다.

사용된 강섬유 보강 시멘트 복합체는 상기 실시예 1과 같이 특허 제10-0620866호 ; 강섬유 보강 시멘트 복합체 및 그 제조 방법에서 제시된 배합중에서 압축강도 180MPa 이상을 확보할 수 있는 배합을 선정하여 제조하였으며, 사용된 재료 및 양생절차도 동일하다.

다만 직선형 강섬유는 직경 0.2mm× 길이 13mm, 인장강도 2,800MPa인 것을 사용하였으며, 물결형 강섬유는 0.2mm× 길이 13mm, 인장강도 2,800MPa인 것에 물결개수는 6개, 물결깊이는 0.24mm, 물결길이는 1.86mm로 하였다.　또한 강섬유의 혼입율은 물결형과 직선형을 1.5~2%로 하였다.

슬럼프플로는 도 7a, 도 7b, 도 8a 및 도 8b와 같이 KS F 2594, 섬유분산성은 육안관찰에 의해 양호, 보통, 불량으로 구분, 평가하여 그 결과를 하기 표 2에 나타내었다.

압축강도와 휨강도는 소정의 재령에서 각각 KS F 2405와 KS F 2566에 준하여 측정하여 그 결과를 하기 표 2에 나타내었다.

	혼입율(%)		슬럼프플로 (mm)	섬유의 분산성	압축강도 (MPa)	최대 휨강도 (MPa)	등가 휨강도 (MPa)
	물결형	직선형	슬럼프플로 (mm)	섬유의 분산성	압축강도 (MPa)	최대 휨강도 (MPa)	등가 휨강도 (MPa)
1.5%	1.5	-	622	양호	192.2	31.4	9.1
	1.0	0.5	618	양호	193.5	35.4	10.7
	0.5	1.0	620	양호	190.8	34.1	10.4
	-	1.5	625	양호	192.2	29.4	9.5
2%	2.0	-	617	양호	197.4	38.5	9.8
	1.5	0.5	620	양호	201.4	41.5	11.8
	1.0	1.0	617	양호	200.0	40.7	12.6
	0.5	1.5	614	양호	204.8	40.1	13.1
	-	2.0	619	양호	197.9	34.5	10.2

상기 표 2에서 알 수 있는 바와 같이, 슬럼프플로는 물결형 및 직선형 강섬유를 단독 사용 및 혼합 사용한 경우 모두 슬럼프플로가 600 이상으로 나타났고 1.5~2%에서도 모두 600 이상으로 시공성에는 문제가 없는 것으로 판단된다.

또한 섬유의 분산성도 모두 양호한 것으로 나타나 초고성능 강섬유 보강 시멘트 복합체 공사 시 다짐이 필요하지 않은 고유동 콘크리트로서 문제는 없는 것으로 나타났다.

또한, 압축강도는 섬유의 혼입량이 증가할수록 증진효과를 나타내고 있으나 휨강도처럼 현격한 차이를 나타내고 있지는 않고 있고, 물결형 및 직선형 강섬유를 혼합한 경우에도 압축강도에는 큰 차이가 없는 것으로 나타났다.

최대 휨강도의 경우 섬유의 혼입율이 증가할수록 최대휨강도가 증진되는 것으로 나타났고, 동일한 혼입율에서는 단독으로 물결형 및 직선형 강섬유를 사용한 경우보다 혼입하여 사용한 경우가 최대 휨강도가 향상되는 것으로 나타났다.

또한 등가휨강도에서도 강섬유를 단독으로 사용한 경우보다 혼합하여 사용한 경우 증진되는 것으로 나타났다.

즉, 물결형 감섬유의 경우 최대휨강도는 높으나 그 이후의 시멘트 메트릭스 부분이 박리가 발생하여 최대 휨강도 이후 마찰부착에 대한 저항을 하지 못하여 급격히 파괴되는 단점을 가지고 있고, 직선형 강섬유의 경우에는 최대휨강도 이후에 연성거동이 좋은 반면 최대휨강도가 물결형 강섬유를 사용한 경우보다 낮은 단점이 있다. 그러나 이 물결형 및 직선형 강섬유를 혼합하여 사용할 경우 각각의 강섬유의 단점을 보완해주기 때문에 혼합하여 사용한 경우가 최대휨강도 및 등가휨강도에서 단독으로 사용한 경우보다 증진되는 것으로 판단된다.

이러한 이유로 기존의 직선형 강섬유 2%를 사용하여 초고성능 강섬유 보강 시멘트 복합체의 역학 성능이 물결형 및 직선형 강섬유를 각각 0.5%, 1%로 혼합한 경우와 비슷하여 경제적으로 유리할 것으로 판단되며, 동일한 2%의 강섬유를 사용할 경우에는 역학적 성능이 우수한 초고성능 강섬유 보강 시멘트 복합체 개발이 가능하다고 판단된다.

도 1a는 초고성능 섬유보강 콘크리트의 휨 파괴 시 강섬유의 인발상황의 실제사진이며,

도 1b는 종래에 사용되던 원형 단면의 직선형 강섬유에 대한 길이방향 단면도이며,

도 1c는 본 발명에 사용되는 의한 물결형 강섬유에 대한 길이방향 단면도이며,

도 2는 본 발명에 사용되는 직선형 및 물결형 강섬유를 함께 사용하는 모식도이며,

도 3은 본 발명에 사용되는 물결형 강섬유의 실제 사진이며,

도 4는 본 발명에 의한 강섬유보강 콘크리트에 있어 슬럼프플로시험 사진이며,

도 5는 본 발명에 의한 물결형 강섬유 초고성능 콘크리트에 있어 압축강도최대휨강도 및 등가휨강도의 대비사진 및 대비도이며,

도 6a는 본 발명에 의한 물결형 강섬유를 혼입한 강섬유보강 콘크리트의 그 혼입율에 따른 슬럼프플로 및 압축강도를 나타낸 그래프이다.

도 6b는 본 발명에 의한 물결형 강섬유를 혼입한 강섬유보강 콘크리트의 그 혼입율에 따른 최대휨강도 및 등가휨강도를 나타낸 그래프이다.

도 6c는 본 발명에 의한 직선형 강섬유를 혼입한 강섬유보강 콘크리트의 그 혼입율에 따른 슬럼프플로 및 압축강도를 나타낸 그래프이다.

도 6d는 본 발명에 의한 직선형 강섬유를 혼입한 초고성능 콘크리트의 혼입율에 따른 최대휨강도 및 등가휨강도를 나타낸 그래프이다.

도 7a는 본 발명에 의한 물결형 및 직선형을 혼합한 강섬유를 체적비 1.5% 혼입한 초고성능 콘크리트의 슬럼프플로 및 압축강도를 나타낸 그래프이다.

도 7b는 본 발명에 의한 물결형 및 직선형을 혼합한 강섬유를 체적비 1.5% 혼입한 초고성능 콘크리트의 최대휨강도 및 등가휨강도를 나타낸 그래프이다.

도 8a는 본 발명에 의한 물결형 및 직선형을 혼합한 강섬유를 체적비 2.0% 혼입한 초고성능 콘크리트의 슬럼프플로 및 압축강도를 나타낸 그래프이다.

도 8b는 본 발명에 의한 물결형 및 직선형을 혼합한 강섬유를 체적비 2.0% 혼입한 초고성능 콘크리트의 최대휨강도 및 등가휨강도를 나타낸 그래프이다.

Claims

초고성능 강섬유 보강 시멘트 복합체의 제조방법에 있어서,

압축강도 180MPa 이상을 확보할 수 있도록 함과 더불어 물결형 강섬유에 의한 강섬유의 가교(Bridging) 작용이 크게 작용하였다 하더라도 강섬유 주위의 시멘트 메트릭스 부분이 박리가 발생하지 않도록,

상기 강섬유는 원형단면의 직선형 강섬유와 물결형 강섬유를 콘크리트 100vol%에 대하여 1.5~2vol% 포함되도록 하며,

상기 직선형 강섬유와 물결형 강섬유는 0.5:1.5 ~ 1.5:0.5 vol% 비율로 혼입되도록 하고,

상기 물결형 강섬유는 직경 0.15~0.35mm, 길이가 10~30mm를 가지는 직선형 강섬유에 있어 물결개수 4~8개, 물결깊이(w) 0.12~0.35mm, 물결길이(λ) 1.86~3.82mm이며,

상기 강섬유들은 그 인장강도가 2000~2800MPa인 것을 특징으로 하는 물결형 강섬유와 직선형 강섬유를 혼입한 초고성능 강섬유 보강 시멘트 복합체의 제조방법.
제 1 항에 있어서,

상기 직선형 강섬유와 물결형 강섬유는 그 직경이 0.15~0.35mm이고, 길이가 10~30mm인 강섬유를 이용하는 것을 특징으로 하는 물결형 강섬유와 직선형 강섬유를 혼입한 초고성능 강섬유 보강 시멘트 복합체의 제조방법.
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제 1항에 있어서,

상기 강섬유 보강 시멘트 복합체는

시멘트 100 중량부를 기준으로 모래 100 내지 130 중량부, 반응성 분체 10 내지 30중량부, 충전재 10 내지 30중량부 및 중점제 0.05 내지 1 중량부를 포함한 모르타르를 제조하는 단계;

물 90중량% 내지 99.5중량%와 감수제 0.5중량% 내지 10중량%로 구성되는 배합수와 상기 모르타르의 결합재(시멘트와 반응성 분체의 합)의 비가 0.2이하가 되도록 하여 상기 배합수와 모르타르를 혼합하는 단계;

상기 배합수와 모르타르의 혼합물에 상기 직선형 강섬유와 물결형 강섬유를 혼합하되, 상기 콘크리트의 1.5~2vol%를 투입하여 혼합하는 강섬유 투입 단계;

상기 강섬유가 투입된 배합수와 모르타르 혼합물에 대해 1일 내지 3일 동안 습윤양생을 실시한 후, 60℃ 내지 110℃의 온도에서 2일 내지 4일 동안 증기양생을 실시하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 물결형 강섬유와 직선형 강섬유를 혼입한 초고성능 강섬유 보강 시멘트 복합체의 제조방법.
제 5항에 있어서, 상기 모르타르 제조단계는

상기 모르타르를 구성하는 혼합물을 20rpm 내지 40rpm의 속도로 7분 내지 15 분 동안 혼합하는 단계를 포함하고;

상기 배합수와 모르타르의 혼합 단계는 80rpm 내지 120rpm의 속도로 7분 내지 20분 동안 혼합한 후 다시 40rpm 내지 60rpm 속도로 2분 내지 5분 동안 혼합하는 단계를 포함하며;

상기 강섬유를 상기 배합수와 모르타르에 혼합하는 단계는 30rpm 내지 50rpm의 속도로 3분 내지 10분 동안 혼합하는 단계;를 포함하는 것임을 특징으로 하는 물결형 강섬유와 직선형 강섬유를 혼입한 초고성능 강섬유 보강 시멘트 복합체의 제조방법.