KR101751479B1

KR101751479B1 - 초고성능 섬유보강 콘크리트 및 그 제조방법

Info

Publication number: KR101751479B1
Application number: KR1020160100930A
Authority: KR
Inventors: 고경택; 류금성; 안기홍; 김병석; 이남곤; 박승훈
Original assignee: 한국건설기술연구원
Priority date: 2016-08-08
Filing date: 2016-08-08
Publication date: 2017-06-27
Also published as: WO2018030728A1

Abstract

본 발명은 초고성능 섬유보강 콘크리트 및 그 제조방법에 대한 것으로서, 시멘트, 지르코늄 함유 실리카질 미분말, 잔골재, 충전재, 수축저감제, 고성능 감수제, 배합수, 매크로 강섬유, 마이크로 강섬유, 및 소포제를 혼합하여 형성된 시멘트 복합체에서 실리카질 미분말의 비표면적의 범위는 80,000cm²/g 이상 150,000cm²/g 이하이고, 상기 강섬유의 형상계수는 60 이상 100 이하가 되도록 혼합하고, 미세균열을 유도하기 위한 균열유도체를 전체 체적의 0.5 ~ 2%의 비율로 혼합하여 제조된다.

Description

초고성능 섬유보강 콘크리트 및 그 제조방법{ULTRA HIGH PERFORMANCE FIBER REINFORCED CONCRETE AND MANUFACTURING METHOD OF THE SAME}

본 발명은 초고성능 섬유보강 콘크리트 및 그 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 강섬유의 형상계수를 한정하여 압축강도는 저하되지 않고 유동성을 높이도록 하고 균열 유도체에 의해 인공적으로 미세균열을 유도하여 직접 인장 거동에서 변형률 경화 현상과 다수 미세 균열분포를 가지도록 함으로써 인장특성을 증가시키기 위한 초고성능 섬유보강 콘크리트 및 그 제조방법에 관한 것이다.

구조물의 재료로서 경제성과 내구성이 우수한 콘크리트가 많이 사용되고 있지만, 자체 인장강도 및 휨강도가 작고, 균열이 발생하기 쉬운 결함을 가지고 있다.

따라서, 이러한 콘크리트의 문제점을 해결하기 위하여 시멘트 복합체에 강섬유 또는 유기섬유와 같은 다양한 섬유를 혼합한 섬유보강 콘크리트가 개발되고 있는데, 그 중에서도 압축강도가 120MPa 이상이고 인장강도가 5MPa 이상이며, 휨인장강도가 30MPa 이상인 초고성능 섬유 보강 콘크리트(UHPFRC: Ultra-High Performance Fiber Reinforced Concrete)에 대한 요구가 증가하고 있다.

초고성능 섬유보강 콘크리트는 매우 낮은 물/결합재비를 가지고, 최밀 충전 이론에 근거한 배합설계, 고성능 감수제를 이용한 우수한 유변학적 특성, 굵은 골재를 사용하지 않고 잔골재만을 사용하여 형성되는 균질한 특성과 수화생성을 위한 고온양생 조건을 기본적으로 요구한다.

그러나, 이러한 섬유보강 콘크리트는 일반 콘크리트의 배합에 섬유를 투입하기 때문에 콘크리트의 점성 부족으로 인해 섬유를 다량 투입하지 못하고 이로 인해 충분한 인성을 확보하지 못한다.

일반적으로 섬유보강 콘크리트에 배합되는 실리카질 미분말의 입자(비표면적 2000,000 cm²/g)는 시멘트 입자(비표면적 35,000 cm²/g)보다 매우 작아 시멘트의 입자 사이를 충전하는 마이크로 필러 효과와 주성분이 비결정의 SiO₂ 성분을 가지고 있어 시멘트 수화반응에 의해 생성되는 수산화 칼슘(Ca(OH)₂)과 포졸란 반응으로 인해 칼슘실리케이트(C-S-H) 수화물을 생성함으로써 콘크리트 조직이 치밀화된다.

그러나, 섬유보강 콘크리트는 초고강도를 구현하기 위해 실리카질 미분말을 시멘트 중량의 20~30% 정도로 많은 비율을 사용하기 때문에 콘크리트의 점성이 증가되어 소정의 유동성을 확보하기 위해 콘크리트의 제조시간이 길어지거나 고속 믹서 또는 전단믹서와 같은 특수한 믹서를 사용해야 하고, 고가의 고성능 감수제를 다량으로 사용해야 함에도 불구하고 유동성이 부족하여 섬유가 골고루 분산되지 않는 경우가 발생한다.

이로 인하여 응결경화 시간이 길어져서 겨울철 공사에 불리하고, 수화반응의 활성화로 인해 자기수축이 증대되고, 섬유의 분산성이 나빠져서 섬유보강콘크리트의 우수한 고인성 특성을 확보하지 못할 뿐만 아니라 현장에서 섬유보강콘크리트의 다량 생산이 어렵고 제조비용이 증가하게 된다.

한편 콘크리트 구조체의 인성측면에 있어서는, 도 1에 도시된 바와 같이 초고성능 섬유보강 시멘트 복합체의 휨 파괴시에 강섬유의 항복강도에 도달되어 파단되기 전에 강섬유가 먼저 콘크리트로부터 인발되어 뽑히기 때문에 시멘트 복합체는 인성 효과를 볼 수 있다.

이는 시멘트 복합체에서 섬유의 거동은 계면성상에 크게 의존하고, 이 거동을 지배하는 것은 섬유와 시멘트 매트릭스 사이의 부착성능 및 섬유의 파단 때문인 것을 알 수 있다.

그리고, 콘크리트의 내구성은 균열폭과 매우 밀접하게 연관되어 있음을 알 수 있다. 콘크리트의 자체 균열 치유 성능(self-healing performance)은 균열폭에 좌우되는데, 낮은 물결합재비를 가지는 초고성능 섬유보강 콘크리트에서 균열폭을 제어하는 것은 내구성 향상 및 자체 연화 성능에 매우 밀접한 영향을 미친다.

결국, 초고성능 섬유보강 콘크리트에서 섬유와 시멘트 매트릭스 사이의 계면 특성 및 부착성능과 콘크리트 자체의 균열폭을 제어함으로써 초고성능 섬유보강 콘크리트가 본질적으로 가지는 인장성능에 대한 개선이 필요한 시점이다.

한국등록특허 제10-1207038호 한국등록특허 제10-1230256호

본 발명은 이와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은 기존의 섬유보강 콘크리트의 분산성을 확보하기 위하여 강섬유의 형상계수를 특정함으로써 섬유의 분산성을 확보함과 동시에 인장강도 및 인성을 향상시키는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 기존의 섬유보강 콘크리트에서 발생하는 강섬유와 시멘트 매트릭스간의 계면특성 및 부착력 저하 현상을 개선하고, 매크로 크랙 발생으로 인한 급격한 인장성능 저하를 방지하기 위한 것이다.

이와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 특징에 의하면, 본 발명의 초고성능 섬유보강 콘크리트는 시멘트, 지르코늄 함유 실리카질 미분말, 잔골재, 충전재, 수축저감제, 고성능 감수제, 배합수, 매크로 강섬유, 마이크로 강섬유, 및 소포제 중 적어도 하나 이상을 혼합하여 형성된 시멘트 복합체에 있어서, 상기 실리카질 미분말의 비표면적의 범위는 80,000cm²/g 이상 150,000cm²/g 이하이고, 상기 강섬유의 형상계수는 60 이상 100 이하인 것이 바람직하다.

본 발명의 강섬유는 형상계수가 동일한 경우, 상대적으로 직경이 작은 강섬유를 포함하는 것이 바람직하다.

본 발명의 강섬유는 상기 마이크로 강섬유를 25% ~ 35%로 혼합하고, 상기 매크로 강섬유를 65% ~ 75%로 혼합하는 것이 바람직하다.

본 발명의 강섬유는 형상계수 80(d0.2mm × L16mm) 0.5%와 형상계수 100(d0.2mm × L20mm) 1.5%를 서로 혼합하는 것이 바람직하다.

본 발명의 초고성능 섬유보강 콘크리트에는 시멘트 복합체 내에 미세균열을 유도하기 위한 균열유도체가 더 포함되는 것이 바람직하다.

본 발명의 균열유도체는 폴리스티렌 비드로 구성되는 것이 바람직하다.

본 발명의 균열유도체는 전체 체적의 0.5 ~ 2%로 혼합되는 것이 바람직하다.

본 발명의 균열유도체는 표면에 도포되어 미세균열을 촉진하는 균열촉진제를 포함하는 제1 표면층을 포함하는 것이 바람직하다.

본 발명의 균열유도체는 상기 제1 표면층의 표면에 도포되어 습기에 의해 일정시간 동안 용해되는 제2 표면층을 포함하는

본 발명의 초고성능 섬유보강 콘크리트의 제조방법은 시멘트, 실리카질 미분말, 잔골재, 충전재, 수축저감제, 고성능 감수제, 배합수, 매크로 강섬유, 마이크로 강섬유, 및 소포제 중 적어도 하나 이상을 혼합하여 시멘트 복합체를 형성하는 초고성능 섬유보강 콘크리트의 제조방법에 있어서, 시멘트 100 중량부를 기준으로 비표면적이 80,000cm²/g 이상 150,000cm²/g 이하인 실리카질 미분말을 25 중량부, 충전재 20 중량부, 석영질 모래 110 중량부가 되도록 혼합하고, 배합수-결합재의 비가 0.20이 되도록 하고, 형상계수가 60 이상 100 이하인 강섬유를 혼합시켜 제조하는 것이 바람직하다.

본 발명의 초고성능 섬유보강 콘크리트의 제조방법은 실리카질 미분말, 석영질 분말, 석영질 모래를 10 ~ 20rpm의 속도로 20초 ~ 30초 동안 골고루 혼합하는 모르타르 제조단계; 상기 모르타르에 배합수-결합재의 비가 0.20이 되도록 하고, 결합재의 1.9 중량부로 한 고성능 감수제, 소포제, 및 수축저감제를 믹서기에서 20 ~ 50rpm의 속도로 2분 ~ 5분 동안 혼합하는 제1 혼합단계;및 상기 강섬유를 투입하여 20 ~ 50 rpm의 속도로 1분 ~ 3분 동안 혼합하는 제2 혼합단계를 포함하는 것이 바람직하다.

본 발명의 제2 혼합단계는 상기 시멘트 복합체 내에 미세균열을 유도하기 위한 균열유도체를 혼합하는 단계를 더 포함하는 것이 바람직하다.

본 발명의 제2 혼합단계는 상기 균열유도체를 전체 체적의 2 내지 3%의 비율로 혼합하는 것이 바람직하다.

이와 같은 본 발명에 의한 초고성능 섬유보강 콘크리트 및 그 제조방법에 의하면, 시멘트 복합체의 유동성을 제어하는 실리카질 미분말의 비표면적과, 섬유의 분산성과 압축강도에 영향을 미치는 강섬유의 형상계수의 범위를 복합적으로 한정하여 강섬유의 분산성 및 시멘트 복합체의 유동성을 확보함과 동시에 인장강도 및 인성을 향상시킬 수 있는 이점이 있다.

그리고, 기존의 고성능 섬유보강 콘크리트에 비해 점도가 저하되어 유동성이 향상되기 때문에 동일한 시공성을 확보하는데 필요한 고가의 고성능 감수제의 사용량을 줄일 수 있기 때문에 UHPC의 제조비용을 저감시킬 수 있는 이점이 있다.

그리고, 균열유도체와 시멘트 매트릭스 사이에 인공적으로 형성된 미세균열에 의해 대균열의 진전을 미세균열 진전으로 유도하고 균열유도체 둘레에서 마이크로 섬유의 인장력에 의해 균열 진행이 저지됨으로써 콘크리트 구조체 전체의 인장성능 및 인성을 향상시킬 수 있는 이점이 있다.

또한, 균열유도체 둘레에서 마이크로 섬유의 일단이 불연속계면 특성의 영향을 받기 때문에 마이크로 섬유와 시멘트 매트릭스 사이에 부착력을 향상시킴으로써 균열폭을 제어하고 섬유의 인발 에너지를 증가시켜 인장강도 및 인성이 대폭 향상되는 이점이 있다.

그리고, 기존 기술보다 인장강도를 향상시키기 때문에 동일한 성능을 확보하는데 필요한 강섬유의 혼입률(체적)을 0.5% 정도 저감시킬 수 있기 때문에 제조비용이 저감되고 시공성이 향상되는 이점이 있다.

도 1은 종래기술에 의한 초고성능 섬유보강 콘크리트의 파단 상태를 나타낸 사진.
도 2는 본 발명에 의한 초고성능 섬유보강 콘크리트의 실리카질 미분말 비표면적과 수분 흡착량 관계를 실험한 그래프.
도 3은 본 발명에 의한 초고성능 섬유보강 콘크리트의 실리카질 미분말의 비표면적과 유동성 또는 점도의 관계를 실험한 그래프.
도 4는 본 발명에 의한 초고성능 섬유보강 콘크리트의 실리카질 미분말의 비표면적과 압축강도의 관계를 실험한 그래프.
도 5는 본 발명에 의한 초고성능 섬유보강 콘크리트의 비표면적과 고성능감수제 사용량의 관계를 실험한 그래프
도 6은 본 발명에 의한 초고성능 섬유보강 콘크리트의 플로우 시험(KS L 5105)에서 육안관찰에 의해 재료분리 상태를 평가한 사진.
도 7은 본 발명에 의한 초고성능 섬유보강 콘크리트의 강섬유의 형상계수, 실리카질 미분말의 비표면적과 압축강도의 상관관계를 실험한 그래프.
도 8은 본 발명에 의한 초고성능 섬유보강 콘크리트의 직접인장 시험체와 인장시험장치를 보인 사진.
도 9는 본 발명에 의한 초고성능 섬유보강 콘크리트의 강섬유의 형상계수와 인장강도의 관계를 실험한 그래프.
도 10a는 일반적인 초고성능 섬유보강 콘크리트의 균열 진전 상태를 보인 도식도.
도 10b는 일반적인 초고성능 섬유보강 콘크리트의 인장거동을 보인 그래프.
도 11a는 본 발명에 의한 초고성능 섬유보강 콘크리트의 강섬유의 형상계수 60에서 형상계수별로 하이브리드된 시멘트복합체의 압축강도 및 인장강도 관계를 실험한 그래프.
도 11b는 본 발명에 의한 초고성능 섬유보강 콘크리트의 강섬유의 형상계수 80에서 형상계수별로 하이브리드된 시멘트복합체의 압축강도 및 인장강도 관계를 실험한 그래프.
도 12는 본 발명에 의한 초고성능 섬유보강 콘크리트의 균열유도체의 일실시예를 보인 사진.
도 13은 본 발명에 의한 초고성능 섬유보강 콘크리트의 휨인장강도 및 등가 휨인장강도(V_f = 2%)를 보인 그래프.
도 14는 본 발명에 의한 초고성능 섬유보강 콘크리트의 휨응력-변형률(V_f = 2%) 상태를 보인 그래프.
도 15a 및 15b는 균열유도체를 포함하지 않은 상태와 균열유도체를 2% 포함한 상태에 대한 초고성능 섬유보강 콘크리트의 인장거동을 각각 보인 그래프.
도 16a 및 16b는 균열유도체를 포함하지 않은 상태와 균열유도체를 2% 포함한 상태에 대한 초고성능 섬유보강 콘크리트의 단면 상태를 각각 보인 사진.
도 17은 본 발명에 의한 초고성능 섬유보강 콘크리트의 균열유도체의 미세균열 진전 상태를 보인 도식도.
도 18은 도 17의 일부분을 확대하여 보인 확대도.
도 19는 본 발명에 의한 초고성능 섬유보강 콘크리트의 다른 실시예를 보인 균열유도체의 단면도.

본 발명에 관한 설명은 구조적 내지 기능적 설명을 위한 실시예에 불과하므로, 본 발명의 권리범위는 본문에 설명된 실시예에 의하여 제한되는 것으로 해석되어서는 아니 된다. 즉, 실시예는 다양한 변경이 가능하고 여러 가지 형태를 가질 수 있으므로 본 발명의 권리범위는 기술적 사상을 실현할 수 있는 균등물들을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 또한, 본 발명에서 제시된 목적 또는 효과는 특정 실시예가 이를 전부 포함하여야 한다거나 그러한 효과만을 포함하여야 한다는 의미는 아니므로, 본 발명의 권리범위는 이에 의하여 제한되는 것으로 이해되어서는 아니 될 것이다.

한편, 본 출원에서 서술되는 용어의 의미는 다음과 같이 이해되어야 할 것이다.

"제1", "제2" 등의 용어는 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하기 위한 것으로, 이들 용어들에 의해 권리범위가 한정되어서는 아니 된다. 예를 들어, 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다.

어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어"있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결될 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어"있다고 언급된 때에는 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다. 한편, 구성요소들 간의 관계를 설명하는 다른 표현들, 즉 "~사이에"와 "바로 ~사이에" 또는 "~에 이웃하는"과 "~에 직접 이웃하는" 등도 마찬가지로 해석되어야 한다.

단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한 복수의 표현을 포함하는 것으로 이해되어야 하고, "포함하다"또는 "가지다" 등의 용어는 실시된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이며, 하나 또는 그 이상의 다른 특징이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

각 단계들에 있어 식별부호(예를 들어, a, b, c 등)는 설명의 편의를 위하여 사용되는 것으로 식별부호는 각 단계들의 순서를 설명하는 것이 아니며, 각 단계들은 문맥상 명백하게 특정 순서를 기재하지 않는 이상 명기된 순서와 다르게 일어날 수 있다. 즉, 각 단계들은 명기된 순서와 동일하게 일어날 수도 있고 실질적으로 동시에 수행될 수도 있으며 반대의 순서대로 수행될 수도 있다.

여기서 사용되는 모든 용어들은 다르게 정의되지 않는 한, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가진다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미를 지니는 것으로 해석될 수 없다.

본 발명은 초고성능 섬유보강콘크리트(이하, “UHPC”라 함)의 과도한 점성을 저하시키면서 적절한 유동성을 높이기 위한 재료 설계법에 대한 것으로서, 압축강도는 저하되지 않고 점성을 낮추면서 유동성을 높일 수 있는 재료 및 배합설계에 대한 것이다.

일반적으로 섬유보강 콘크리트에서 섬유의 분산성만 확보되면 강섬유의 형상계수(섬유의 길이/직경)가 클수록 인장강도 및 인성이 향상된다. 그러나, 실제 UHPC 제조시에 강섬유의 형상계수가 클수록 섬유의 분산성이 나빠져서 인장강도 및 인성이 저하된다. 따라서, UHPC 제조시 강섬유의 형상계수의 선정이 매우 중요하다.

기존의 UHPC는 형상계수 60(길이 12mm, 직경 0.2mm)인 강섬유를 많이 사용하고 있지만, 기존 UHPC에는 실리카질 미분말을 사용하기 때문에 형상계수가 60 이상의 강섬유를 사용할 경우에는 섬유의 분산성이 나빠져서 인장강도 및 인성이 오히려 저하된다.

실리카질 미분말이 과도한 점성을 가지는 이유는 비표면적이 200,000cm²/g으로 매우 높고 수분 흡착량이 50 ~ 70 cm³/g으로 매우 높아 배합수와 고성능 감수제를 흡수하기 때문이다.

따라서, 수분 흡착량이 작은 결합재 사용으로 배합수와 고성능 감수제의 흡수되는 양을 줄여서 UHPC의 점성을 낮추고 적절한 유동성을 확보할 필요가 있다.

(1) 실리카질 미분말의 비표면적 범위

먼저, 실리카질 미분말의 비표면적이 UHPC의 유동성 또는 점도와 압축강도에 미치는 영향을 살펴보기 위하여 아래와 같은 방법에 의해 시멘트 복합체를 제조하고 압축강도 및 점도를 측정하였다.

제조방법 1은 시멘트 100 중량부를 기준으로 비표면적이 다른 실리카질 미분말을 25 중량부, 석영질 분말(SiO₂ 99%, 평균입경 4μm)인 충전재를 20 중량부, 입자크기 5mm 이하인 석영질 모래를 110 중량부로 구성하여 15rpm 속도로 30초 동안 골고루 혼합하여 모르타르를 제조하고, 배합수-결합재의 비는 0.20, 결합재의 1.9 중량부로 한 고성능 감수제, 소포제, 수축저감제를 믹서기에서 30rpm 속도로 3분 동안 혼합한 후, 형상계수 60(직경 0.2mm, 길이 12mm)인 강섬유를 시멘트 복합체에 대해 2%를 투입하여 20rpm 속도로 2분 동안 혼합하여 강섬유 보강 시멘트 복합체를 제조하여 이하에서 설명하는 시험방법에 따라 점도, 슬럼프 플로우 시험을 실시하였다.

그리고, 상기 시멘트 복합체에 대해 2일 동안 습윤양생을 하고, 90℃에서 증기양생을 3일 동안 실시한 다음 후술하는 시험방법에 따라 압축강도를 측정하였다.

시험방법은 점도시험의 경우 섬유보강 시멘트 복합체가 제조된 직후에 린더형 스핀들을 사용한 Brookfield 점도계를 이용하여 소성점도를 측정하였다. 그리고, 슬럼프 플로 시험은 KS F 2594에 의해 원형으로 넓게 퍼진 콘크리트의 지름을 측정하였다. 압축강도 시험은 Φ100 * 200mm 원주 콘크리트 시편을 이용하여 KS F 2405에 준하여 실시하였다.

상기와 같은 실험결과에 따라 도 2에 도시된 실리카질 미분말 비표면적과 수분 흡착량 관계 그래프에 의하면, 비표면적이 150,000cm²/g 이하부터 수분 흡착량이 급격히 저하된 것을 확인할 수 있다.

그리고, 도 3에 도시된 실리카질 미분말의 비표면적과 유동성 또는 점도의 관계 그래프에 의하면, 비표면적이 클수록 슬럼프 플로는 작아지고 점도는 증가하는 경향이 있으며, 비표면적이 150,000cm²/g 이하부터 슬럼프 플로는 급격히 증가하고 점도가 저하된 것을 확인할 수 있다.

이는 수분 흡착량의 결과와 유사한데, 수분 흡착량이 작을 경우에는 배합수와 고성능 감수제의 흡착이 작아짐으로써 UHPC의 점도가 저하되어 슬럼프 플로가 증가하는 것으로 볼 수 있다.

그리고, 도 4에 도시된 실리카질 미분말의 비표면적과 압축강도의 관계 그래프에 의하면, 실리카질 미분말의 비표면적 100,000cm²/g 까지는 압축강도의 감소가 거의 없고, 비표면적 80,000 cm²/g의 실리카질 미분말을 사용한 UHPC는 압축강도가 186MPa로 비표면적 200,000 cm²/g를 사용한 경우에 비해 약 8% 정도, 비표면적 50,000 cm²/g의 실리카질 미분말을 사용한 UHPC의 압축강도가 156MPa로 약 33% 정도의 강도 저하가 발생되는 것을 확인할 수 있다.

따라서, 상기 결과로부터 비표면적 80,000 cm²/g의 실리카질 미분말을 사용할 경우 압축강도 180MPa 이상의 UHPC 제조가 가능하다는 것을 알 수 있다.

상기와 같은 결과에 따라 UHPC 제조시 압축강도와 섬유의 분산성에 문제가 없는 실리카질 미분말의 비표면적의 범위는 80,000cm²/g에서 150,000cm²/g까지임을 확인할 수 있다.

(2) 실리카질 미분말의 비표면적에 따른 고성능 감수제 사용량

실리카질 미분말의 비표면적과 UHPC의 고성능 감수제 사용량의 관계를 살펴보기 위하여 아래와 같은 방법에 의해 시멘트 복합체를 제조하고 압축강도 및 점도를 측정하였다.

시멘트 100 중량부를 기준으로 비표면적이 다른 실리카질 미분말을 25 중량부, 석영질 분말(SiO2 99%, 평균입경 4μm)인 충전재를 20 중량부, 입자크기 5mm 이하인 석영질 모래를 110 중량부로 구성하였고, 배합수-결합재의 비는 0.20이다. 이 배합 조건에서 실리카지질 미분말의 비표면적에 따라 슬럼프 플로 650mm를 확보하는 데 필요한 고성능 감수제 사용량을 검토하였다. 고성능 감수제는 고형성분 30%의 폴리칼본산계를 사용하였다.

이에 따른 실험결과가 도 5에 도시되어 있다. 도시된 바와 같이, 실리카질 미분말의 비표면적이 커질수록 일정 유동성을 확보하는 데 요구되는 고성능 감수제 사용량도 증가하는 것으로 나타났다. 특히 비표면적 180,000 cm²/g부터 고성능 감수제의 사용량이 급격히 증가하고 있다. 예를 들어 비표면적 230,000 cm²/g의 실리카질 미분말을 사용한 UHPC은 비표면적 80,000 cm²/g의 실리카질 미분말을 사용하는 UHPC보다 동일한 시공성을 확보하는 데 고성능 감수제 사용량이 2.09 배 더 필요한 것으로 나타났다.

따라서, 고가의 고성능 감수제의 사용량을 최적화하기 위한 조건은 실리카질 미분말의 비표면적인 150,000 cm²/g 이하인 것이 바람직하다.

이처럼 적절한 비표면적을 가진 실리카질 미분말을 사용할 경우에는 시멘트 복합체의 점도가 낮아져 유동성이 향상되어 그 만큼 고가의 고성능 감수제의 사용량을 줄임으로써 UHPC의 제조비용이 저감될 것이다.

(3) 강섬유의 형상계수 범위

강섬유의 형상계수가 섬유의 분산성 및 압축강도에 미치는 영향을 살펴보기 위해 아래와 같은 방법에 의해 시멘트 복합체를 제조하고 섬유의 분산성, 압축강도, 및 인장강도를 측정하였다.

제조방법 2는 상기에서 설명한 제조방법 1에서 직경을 0.2mm로 고정시키고 형상계수 50(길이 10mm), 70(길이 14mm), 80(길이 16mm), 90(길이 18mm), 100(길이 20mm), 110(길이 22mm), 120(길이 24mm)인 강섬유를 투입하여 UHPC를 제조한 다음 아래의 시험방법에 따라 섬유의 분산성 및 압축강도를 평가하였다.

UHPC의 섬유 분산성은 플로우 시험(KS L 5105)에서 육안관찰에 의해 재료분리 상태를 평가하였다. 육안관찰에 의해 시멘트 복합체 중의 섬유 뭉침 상태에 따라 등급 1(우수), 2(보통), 3(불량)으로 구분하여 평가하였다(도 6 참조).

여기서 등급 1은 UHPC 제조시 섬유가 균질하게 분산되어 있는 상태이고, 등급 2는 섬유 뭉침(fiber ball)과 재료 분리 현상이 약간 있는 상태, 등급 3은 섬유 뭉침으로 인해 섬유의 분산 상태가 아주 나쁜 상태로 구분하였다.

UHPC의 섬유 분산성과 관련하여 아래의 표 1에 나타낸 바와 같이, 강섬유의 형상계수가 증가하고 실리카질 미분말의 비표면적이 커질수록 섬유 분산성이 저하되는 것으로 평가되었다.

이것은 실리카질 미분말의 비표면적이 커질수록 고성능 감수제와 배합수를 흡착하는 양이 많아져 UHPC에 과도한 점성이 부여됨으로써 유동성이 저하되기 때문으로 분석된다. 예를 들어, 강섬유의 형상계수 60 이하의 경우, 실리카질 미분말의 비표면적에 상관없이 강섬유의 분산성에 문제가 없으나, 형상계수 70부터 비표면적 180,000 cm²/g 이상의 실리카질 미분말을 사용한 UHPC에서 강섬유의 분산성에 문제가 발생하는 것으로 나타나고 있다. 강섬유의 형상계수 110이상에서 실리카질 미분말의 비표면적에 상관없이 UHPC의 섬유 분산성에 저하되는 것으로 나타났다. 상기와 같은 결과에 의하면, 실리카질 미분말의 비표면적과 강섬유의 형상계수는 서로 독립적으로 특정되는 것이 아니라 종속적으로 특정되야 한다는 것을 알 수 있다.

그리고, 도 7에 도시된 바와 같이, 강섬유의 형상계수가 50에서 100 범위에서 실리카질 미분말의 비표면적에 상관없이 압축강도의 변화가 거의 없었으나, 강섬유의 형상계수 110을 사용한 경우에는 실리카질 미분말의 비표면적에 상관없이 압축강도가 저하됨을 알 수 있다. 이는 강섬유의 형상계수가 일정이상 커지면 UHPC의 제조시 섬유의 분산이 잘 안되어서 섬유의 뭉침현상이 발생하였기 때문이다.

따라서, 압축강도에 영향을 미치지 않는 강섬유의 형상계수는 100 이하인 것이 바람직하다.

그리고, 강섬유의 형상계수가 UHPC의 직접 인장강도에 미치는 영향을 확인하기 위하여 제조방법 2에 의해 제조된 시멘트 복합체에 대해 직접 인장 시험을 실시하였다.

직접 인장 시험은 도 8에 도시된 직접인장시험체와 인장시험장치를 사용하였다. 직접인장시험 장치는 시험 중 발생하는 2차 휨응력의 영향과 초기 시험체 거치 시의 정확성 등을 고려하여 일단 힌지와 지지조건을 가진 형태로 제작되었다. UHPC의 직접 인장 시험은 300kN 용량의 만능 재료 시험기를 사용하였으며, 0.4mm/min의 재하속도로 재하하였고, 시험체에서 좁은 단면에서의 변위를 측정하기 위해 175mm의 범위에서 2개의 LVDT를 설치하였다.

상기 시험결과에 따른 도 9에 도시된 바와 같이, 강섬유의 형상계수가 50과 100 범위에서 형상계수가 커질수록 직접 인장강도가 증가하고 있음을 알 수 있다. 이것은 형상계수가 증가할수록 강섬유의 가교작용이 크기 때문인 것으로 분석된다.

특히 형상계수 50과 60 사이에서 직접인장강도의 변화가 크며, UHPC의 직접인장강도 거동에서 강섬유의 가교작용에 충분히 발휘되기 위해서는 최소 강섬유의 형상계수가 60 이상이어야 한 것으로 분석된다. 그리고, 형상계수가 110인 강섬유를 사용한 UHPC의 직접 인장강도는 크게 저하되었음을 알 수 있다.

강섬유의 형상계수 50과 60에서 실리카질 미분말의 비표면적에 관계없이 인장강도는 거의 유사하나, 형상계수 70 이상인 강섬유를 사용한 경우, 실리카질 미분말의 비표면적 180,000cm²/g 이상부터 인장강도가 크게 저하되는 경향을 가지고 있다.

이는 실리카질 미분말의 비표면적이 큰 180,000cm²/g 이상부터 수분흡착량이 47cm²/g 이상으로 매우 커서 UHPC 제조과정에서 고성능 감수제와 배합수를 흡착하는 양이 증가하여 UHPC의 점도는 증가하고 유동성이 감소하기 때문에 섬유의 분산성이 불규칙한 UHPC가 제조되었기 때문이고, 강섬유의 형상계수가 일정이상부터 이런 현상이 더욱 크게 발생하기 때문이다.

따라서, UHPC 배합은 실리카질 미분말의 비표면적이 80,000cm²/g에서 150,000cm²/g의 범위에서 강섬유의 형상계수는 60에서 100의 범위인 것이 바람직하다. 그리고, 실리카질 미분말의 비표면적과 강섬유의 형상계수는 서로 독립적으로 특정되는 것이 아니라 종속적으로 특정되는 것이 바람직하다.

실리카질 미분말의 비표면적 (cm²/g)	강섬유의 형상계수(L/d)
실리카질 미분말의 비표면적 (cm²/g)	60	70	80	90	100	110	120
50,000	1	1	1	1	1	2	2
80,000	1	1	1	1	1	2	2
100,000	1	1	1	1	1	2	2
130,000	1	1	1	1	1	2	3
150,000	1	1	1	1	1	2	3
180,000	1	2	2	2	2	3	3
200,000	1	2	2	2	3	3	3
230,000	1	2	2	3	3	3	3

(4) 동일 형상계수에서의 직경 변화에 따른 인장강도 특성변화

형상계수가 동일한 강섬유의 직경에 따른 인장강도 특성을 살펴보기 위해 아래와 같은 제조방법에 의해 시멘트 복합체를 제조하여 압축강도 및 직접인장강도를 측정하였다.

제조방법 3은 강섬유의 형상계수를 100으로 고정하고, 강섬유의 직경 0.16mm × 길이 16mm, 직경 0.18mm × 길이 18mm, 직경 0.20mm × 길이 20mm, 직경 0.22mm × 길이 22mm, 직경 0.25mm × 길이 25mm로 설정한다.

그리고, 시멘트 100중량부를 기준으로 비표면적이 150,000㎠/g 실리카질 미분말을 25 중량부, 석영질 분말(SiO₂ 99%, 평균입경 4㎛)인 충전재를 20중량부, 입자크기 5mm 이하인 석영질 모래를 110중량부로 구성하여 구성하여 15rpm 속도로 30초 동안 골고루 혼합하여 모르타르를 제조하고, 배합수-결합재의 비는 0.20, 결합재의 1.9 중량부로 한 고성능 감수제, 소포제, 수축저감제를 믹서기에 투입하여 30rpm 속도로 3분 동안 혼합한 다음 상기의 강섬유를 시멘트 복합체에 대해 2%를 투입하여 20rpm 속도로 2분 동안 혼합하여 강섬유 보강 시멘트 복합체를 제조한 다음 슬럼프 플로우 시험을 실시하였다. 그리고, 상기 시멘트 복합체에 대해 2일 동안 습윤양생을 하고, 90℃에서 증기양생을 3일 동안 실시한 압축강도, 직접인장강도를 측정하였다.

상기 실험결과에 의하면, 강섬유의 형상계수가 동일하더라도 직경이 작은 강섬유를 사용하는 경우가 직접 인장강도 향상에 영향을 미치고, 특히 아래의 표 2에 기재된 바와 같이 직경 0.16mm와 길이 16mm의 강섬유를 사용한 UHPC의 직접 인장강도가 20.1MPa로 크게 증가하고 있다. 이에 반해, 직경 0.25mm와 길이 25mm의 강섬유를 사용한 경우에는 압축강도와 직접 인장강도가 다소 감소하는 것으로 나타났다.

강섬유 종류	슬럼프 플로(mm)	압축강도(MPa)	직접인장강도(MPa)
d0.16×L16	620	196	20.1
d0.18×L18	635	196	19.7
d0.20×L20	650	196	18.7
d0.22×L22	660	189	18.1
d0.25×L25	660	179	16.7

동일한 형상계수의 강섬유라도 직경이 작을수록 UHPC의 인장강도가 증가하는 것은 섬유의 직경이 작아짐에 따라 강섬유와 시멘트 복합체에 혼입되는 섬유의 비표면적의 증가에 따른 부착면적이 증가되어 매크로 균열 폭의 증가를 억제하고 균열발생 이후에 섬유의 가교작용으로 인해 시멘트 복합체 내에서 응력재분배를 유발하기 때문이다.

(5) 하이브리드 강섬유에 의한 직접인장강도 변화

도 10a 및 도 10b에 도시된 바와 같이, 직접 인장 파괴 거동 시 균열 초기에는 마이크로 섬유가 미세균열(micro-cracking)을 구속하는 효과가 발휘되고, 미세균열이 진전되면서 일정 크기를 가진 대균열(macro-cracking)로 발생하는 경우에는 매크로 섬유의 가교작용에 의해 섬유의 인발 에너지가 증가됨으로써 인장강도 및 인성이 대폭 향상된다.

따라서, 하이브리드 강섬유에 의해 직접 인장강도가 향상됨을 확인하기 위해 형상계수 60(d0.2mm × L13mm)과 형상계수 80(d0.2mm × L16mm)의 강섬유가 하이브리드된 시멘트 복합체와, 형상계수 80(d0.2mm × L16mm)와 형상계수 100(d0.2mm × L20mm)의 강섬유가 하이브리드된 시멘트 복합체의 압축강도 및 직접인장강도에 대한 실험결과가 도 11a 및 11b에 각각 도시되어 있다.

상기 실험결과에 의하면, 섬유의 형상계수가 압축강도에 미치는 영향은 거의 없음을 알 수 있고, 마이크로 섬유와 매크로 섬유를 하이브리드시킨 UHPC는 기존 UHPC에 많이 사용되는 형상계수 60(d0.2mm × L13mm) 섬유를 사용한 경우보다 직접인장강도가 증가된 것을 알 수 있다.

그리고, 마이크로 강섬유와 매크로 강섬유를 혼합하는 경우, 마이크로 강섬유는 25%에서 35%의 범위, 매크로 강섬유는 65%에서 75%의 범위의 비율로 혼합하는 것이 직접인장강도 향상에 유리하다는 것을 알 수 있다.

또한, 형상계수 60(d0.2mm × L13mm)과 형상계수 80(d0.2mm × L16mm)의 강섬유를 하이브리드 시키는 UHPC보다 형상계수 80(d0.2mm × L16mm)과 형상계수 100(d0.2mm×L20mm)의 강섬유를 하이브리드시키는 경우가 인장강소 성능면에서 유리하고, 매크로 강섬유를 많은 비율로 혼입하는 것이 UHPC의 직접인장강도를 증가시키는데 더 효율적임을 알 수 있다.

상기 결과로 인해 하이브리드 강섬유는 가능한 형상계수가 높은 강섬유를 조합시키는 것이 유리함을 알 수 있고, 특히 형상계수 80(d0.2mm × L16mm) 0,5%와 형상계수 100(d0.2mm × L20mm) 1.5%의 강섬유를 하이브리드시킨 UHPC의 직접인장강도는 19.2MPa으로 매우 높고, 이것은 기존의 UHPC 인장강도보다 143% 증가된 값임을 알 수 있다.

그리고, 형상계수 80(d0.2mm × L16mm)와 형상계수 100(d0.2mm × L20mm) 의 강섬유를 하이브리드시킨 UHPC는 1.5%(Vf) 사용한 경우가 강섬유 2.0%(Vf)를 사용한 기존 UHPC보다도 인장강도가 높은 결과를 보이는바, 강섬유의 혼입률이 0.5 %(39kg/m³) 감소하더라도 동일한 성능을 확보할 수 있기 때문에 UHPC의 제조가격을 크게 감소시킬 수 있다. 즉, 제조원가를 고려할 경우에는 형상계수 80 0.5%와 형상계수 100 1.0%를 서로 혼합하는 것이 바람직하다.

Micro fiber (A)	Macro fiber (B)	강섬유의 혼입률(Vf)			직접인장강도 (MPa)
Micro fiber (A)	Macro fiber (B)	A	B	A+B	직접인장강도 (MPa)
d0.2*L16	d0.2*L20	0.25	0.75	1	11.3
		0.3	1.0	1.3	12.7
		0.5	1.0	1.5	15.6
		0.75	0.75	1.5	14.9
		0.5	1.5	2.0	19.2
		1.0	1.0	2.0	18.4
d0.2*L13	-	1	-	1	6.2
		1.3	-	1.3	7.8
		1.5	-	1.5	10.9
		2.0	-	2.0	13.4
d0.2*L20	-	1	-	1	11.1
		1.3	-	1.3	12.8
		1.5	-	1.5	15.1
		2.0	-	2.0	18.7

(6) 인공 미세균열 분포가 유도에 의한 인장성능의 향상 평가

도 10a 및 도 10b에 도시된 바와 같이, 직접 인장 파괴 거동시 UHPC 내의 균열 초기에는 미세균열(micro-cracking)이 발생하고, 이후 미세균열이 대균열(macro-cracking)로 진전되면서 파괴가 시작된다.

균열초기의 미세균열 단계에서는 마이크로 섬유가 균열을 구속하고 대균열 진전시에는 매크로 섬유의 가교작용에 의해 섬유의 인발 에너지가 증가됨으로써 인장강도 및 인성이 대폭 향상된다.

따라서, 마이크로 섬유와 매크로 섬유를 적정 비율로 혼합하여 콘크리트를 제조하되, 미세균열의 진전을 유도할 수 있는 별도의 균열유도체를 삽입하여 인공적으로 미세 균열을 유도함으로써 주변 시멘트 매트릭스와의 접착력을 향상시키고, 제1 균열로부터 미세균열을 더욱 유도하여 균열폭을 제어하여 인장성능을 향상시킬 수 있다.

인공 미세균열 유도가 인장성능에 미치는 영향을 살펴보기 위해 아래와 같은 방법에 의해 시멘트 복합체를 제조하고 시멘트 복합체의 인장강도 및 인장거동을 측정하였다.

제조방법 3은 시멘트, 실리카질 미분말, 잔골재, 충전재를 믹서에 넣고 30초 동안 15rpm 속도로 혼합한다. 그리고, 배합수, 고성능 감수제, 및 소포제, 수축저감제가 포함된 유동성의 혼합물을 믹서에 투입하고, 혼합물이 유동상태로 될 때까지 3분 동안 30rpm 속도로 혼합한다.

그리고, 매크로 강섬유, 마이크로 강섬유, 및 균열유도체를 믹서에 추가한 후, 2분간 20rpm 속도로 혼합한다. 이때, 균열유도체는 전체 체적의 0.5 ~ 2%의 비율로 혼합되는 것이 바람직하다.

믹싱이 완료되면, 거푸집에 혼합물을 타설하고 습윤양생 후, 60℃ ~ 110℃의 온도에서 2일 내지 4일 동안 증기양생을 실시하여 양생을 함으로써 초고성능 섬유보강 콘크리트를 제조할 수 있다.

이와 같이 제조된 시멘트 복합체에 대한 실험예는 다음과 같다.

먼저, 직경 0.2mm 이고 길이가 19.5mm인 매크로 강섬유(형상비 97.5)와 직경 0.2mm이고 길이가 16.3mm인 마이크로 강섬유를 혼합하고, 입경이 2mm인 입체형상을 가지는 폴리스티렌 비드(도 12 참조)를 전체 체적의 2%로 혼합하여 제조한 초고성능 섬유보강 콘크리트에 대한 실험결과이다.

실험예에서 길이가 다른 직선형 강섬유를 혼합 사용하면, 도 13에 도시된 바와 같이 마이크로섬유는 미세균열을 구속하고 대균열은 매크로섬유가 가교작용과 동시에 응력-연하 구간에서도 시멘트 매트릭스와 강섬유와의 계면파괴를 최소화시킴으로써 인장강도 및 인성이 향상된다는 것을 알 수 있다.

도 14에 의하면, 마이크로섬유와 매크로섬유를 혼합 사용한 경우, 단일 길이 강섬유만 사용한 경우에 비해 인장강도가 27% 향상되었고, 응력-연하구간에서도 크게 향상된 것을 확인할 수 있다.

도 15a에는 균열유도체를 포함하지 않은 시멘트 복합체의 인장거동을 나타낸 그래프이고, 도 15b는 균열유도체를 1% 포함한 시멘트 복합체의 인장거동을 나타낸 그래프이다.

그리고, 도 16a는 균열유도체를 포함하지 않은 시멘트 복합체의 단면을 나타낸 사진이고, 도 16b는 균열유도체를 1% 포함한 시멘트 복합체의 단면을 나타낸 사진이다.

도 16a의 경우 균열수가 12개이고 균열폭이 평균 65μm이고, 도 16b의 경우 균열수가 18개이고 균열폭이 평균 40μm인 것으로 확인되었다. 따라서, 균열유도체를 포함한 시멘트 복합체에 미세균열이 더 많이 유도되고, 균열폭이 상대적으로 작은 것을 확인할 수 있다.

상기와 같은 실험결과에 따라 균열유도체에 의해 유도된 인공결함에 의한 인장성능 변화는 다음과 같이 설명된다.

도 17 및 도 18에 도시된 바와 같이, 균열유도체(10)는 시멘트 매트릭스와의 접착력이 낮기 때문에 시멘트 경화체에 균열이 발생되기 전에 미리 미세균열을 유도함으로써 외력에 의해 발생되는 제1 균열의 발생을 균열유도체(10) 주변의 다수의 미세균열로 유도함으로써 변형률 경화와 다수미세 균열 분포가 형성되도록 하여 인장강도 및 인성을 향상시키기 위한 역할을 한다.

일반적으로 직접 인장에 의한 파괴거동시 균열 초기에는 섬유에 의한 영향보다는 시멘트 매트릭스의 특성에 따라 결정되고, 시멘트 매트릭스 내에 존재하고 있는 공극 또는 이질재와의 계면에서 재하초기에 초기균열이 발생된다. 그리고, 초기균열은 점진적으로 인접된 균열들과 연결 또는 통합되어 폭이 좁고 짧은 미세한 마이크로 균열로 진전된다. 이후에 시멘트 복합체에 변형이 증가함에 따라 재하 초기에 발생된 균열이 진전되거나 새로운 균열이 추가로 발생하며 이는 결국 매트로 균열로 발전되어 국부적인 변형이 집중적으로 발생된다. 매크로 균열 발생시, 처음으로 나타나는 제1 균열의 발생은 균열폭을 증가시키고 미세균열에서 대균열로 진행되기 위한 시작점이라고 할 수 있다.

따라서, 도 17에 시멘트 복합체 내에 미리 혼합된 균열유도체(10)는 경화과정에서 시멘트 매트릭스와의 사이에 미세균열을 미리 형성하게 되고, 미리 형성된 인공 미세균열은 외력 발생시 제1 균열을 형성하는 외력을 균열유도체(10) 주변의 미세균열의 진전으로 유도하게 된다.

결과적으로, 외력을 균열유도체(10) 주변의 미세균열의 진전으로 유도함으로써 균열폭이 큰 제1 균열의 발생시점을 늦추게 되고, 이로 인해 대균열의 발생이 저지됨으로써 인장강도 및 인성이 향상되는 것이다.

그리고, 도 18에 도시된 바와 같이 균열유도체(10)는 마이크로 섬유(20)의 부착력을 향상시켜 미세균열의 진전을 저감시키는 기능을 한다. 일반적으로 강섬유와 시멘트 매트릭스와의 부착력은 강섬유와 매트릭스 사이의 계면 특성에 따라 달라진다.

따라서, 강섬유와 시멘트 매트릭스 사이의 계면특성이 연속 계면인지 불연속 계면인지에 따라 부착력에 영향을 받을 수 있는데, 균열유도체(10) 둘레에 형성된 미세균열에 의해 마이크로 섬유(20) 중 일부는 균열유도체(10)와 접하는 지점에서 일단이 노출되는 불연속 계면에 위치할 수 있다.

일반적으로 연속계면은 강섬유와 시멘트 매트릭스 사이의 특성에만 영향을 받지만, 불연속계면은 계면 연결지점의 특성에도 영향을 받기 때문에 부착력이 상대적으로 높다.

즉, 불연속계면에 의해 노출된 마이크로 섬유(20)의 일단은 불연속 계면에서 끝단이 휘어지거나 밀착되어 일종의 고리와 같은 역할을 하기 때문에 연속계면에 비해 부착력이 매우 높아지는 특성을 가진다.

결국, 균열유도체(10)는 주변 시멘트 매트릭스에 미세균열을 형성하여 대균열의 진전을 미세균열 진전으로 유도하고, 균열유도체(10) 둘레에 유도된 미세균열은 마이크로 섬유(20)의 부착력에 의해 진행이 저지됨으로써 콘크리트 구조체 전체의 인장성능 및 인성이 향상될 수 있다.

도 19에는 본 발명의 초고성능 섬유보강 콘크리트의 균열유도체에 대한 다른 실시예가 도시되어 있다. 다른 실시예에 의한 균열유도체(10)는 표면에 제1 표면층(11) 또는 제2 표면층(12)을 포함할 수 있다.

제1 표면층(11)은 제습제와 같은 균열촉진제가 도포되는 층으로써, 콘크리트 양생과정에서 균열유도체(10) 주변의 물-결합재비를 낮춤으로써 균열 발생이 보다 원활해지도록 하기 위한 것이다.

제2 표면층(12)은 제1 표면층(11) 표면에 도포되는 층으로써 습기에 의해 일정시간 동안 용해되는 표면층이다. 제2 표면층(12)은 콘크리트 양생 시간 동안 제1 표면층(11)이 노출되는 시간을 늦춤으로써 함수율이 낮은 양생 상태에서 제1 표면층(11)이 노출되도록 하여 균열이 더욱 원활하게 발생되도록 할 수 있다.

(7) 초고성능 섬유보강콘크리트의 배합설계 및 제조방법

상기와 같은 실험결과를 종합적으로 고려하여 다음과 같은 초고성능 섬유보강콘크리트의 배합설계 및 제조방법을 설명한다.

본 발명의 초고성능 섬유보강콘크리트는 시멘트, 실리카질 미분말, 잔골재, 충전재, 수축저감제, 고성능 감수제, 배합수, 매크로 강섬유, 마이크로 강섬유, 소포재 중 적어도 하나 이상을 혼합하여 제조될 수 있다.

본 발명의 초고성능 섬유보강콘크리트의 실리카질 미분말의 비표면적의 범위는 80,000cm²/g 이상 150,000cm²/g 이하이고, 강섬유의 형상계수는 60 이상 100 이하인 것이 바람직하다. 다만, 실리카질 미분말의 비표면적 범위와 강섬유의 형상계수는 종속적으로 특정되는 것이 바람직하고, 강섬유는 형상계수가 동일할 경우 상대적으로 직경이 작은 것이 바람직하다.

마이크로 강섬유와 매크로 강섬유를 혼합하는 경우, 형상계수가 높은 강섬유를 서로 조합시키는 것이 바람직하고, 특히, 형상계수 80(d0.2mm × L16mm) 0.5%와 형상계수 100(d0.2mm × L20mm) 1.5%의 강섬유를 혼합시키는 것이 바람직하다.

본 발명의 초고성능 섬유보강콘크리트에는 추가로 인공미세균열을 유도하기 위한 균열유도체가 더 포함될 수 있다. 균열유도체는 입경이 2 내지 5mm인 입체 형상을 가지는 것으로서, 구체, 다면체 등 다양한 형상으로 형성될 수 있다.

보다 자세하게는 균열유도체는 폴리스티렌(polystyrene)으로 형성되는 구형체인 것이 바람직하고, 전체 체적의 0.5 ~ 2%의 비율로 혼합되는 것이 바람직하다.

상기 균열유도체의 표면에는 제습기능을 하는 제1 표면층과, 제1 표면층의 표면에 도포되어 습기에 의해 일정시간 동안 용해되는 제2 표면층이 구비될 수 있다.

본 발명의 초고성능 섬유보강콘크리트의 제조방법은 시멘트 100 중량부를 기준으로 비표면적이 80,000cm²/g 이상 150,000cm²/g 이하인 실리카질 미분말을 25 중량부, 석영질 분말(SiO₂ 99%, 평균입경 4μm)인 충전재를 20 중량부, 입자크기 5mm 이하인 석영질 모래를 110 중량부로 구성하여 10 ~ 20 rpm, 바람직하게는 15rpm의 속도로 20초 ~ 30초 동안 골고루 혼합하여 모르타르를 제조한다.

그리고, 제조된 모르타르에 배합수-결합재의 비가 0.20이 되도록 하고, 결합재의 1.9 중량부로 한 고성능 감수제, 소포제, 수축저감제를 믹서기에서 20 ~ 50rpm의 속도로 2분 ~ 3분 동안 혼합한다.

그리고, 형상계수가 60 이상 100 이하인 강섬유를 시멘트 복합체의 전체 체적의 2%를 투입하여 20 ~ 50rpm의 속도로 1분 ~ 3분 동안 혼합한다. 이때, 균열유도체를 전체 체적의 0.5 내지 2%의 비율로 혼합시킬 수 있다.

상기에서는 본 출원의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 출원을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

10: 균열유도체
11: 제1 표면층
12: 제2 표면층

Claims

시멘트, 지르코늄 함유 실리카질 미분말, 잔골재, 충전재, 수축저감제, 고성능 감수제, 배합수, 강섬유, 및 소포제 중 적어도 하나 이상을 혼합하여 형성된 초고성능 섬유보강 콘크리트에 있어서,
상기 실리카질 미분말의 비표면적의 범위는 80,000cm²/g 이상 150,000cm²/g 이하이고,
상기 강섬유의 형상계수는 60 이상 100 이하이고, 형상계수 60 ~ 80인 강섬유를 25% ~ 35% 체적비로 혼합하고, 형상계수 81 ~ 100인 강섬유를 65% ~ 75% 체적비로 혼합하고,
시멘트 복합체 내에 미세균열을 유도하기 위한 균열유도체가 더 포함되고,
상기 균열유도체는
표면에 도포되어 미세균열을 촉진하는 균열촉진제를 포함하는 제1 표면층을 포함하는
초고성능 섬유보강 콘크리트.
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제1항에 있어서,
상기 강섬유는
형상계수 80인 강섬유를 25% ~ 35% 체적비로 혼합하고,
형상계수 100인 강섬유를 65% ~ 75% 체적비로 혼합하는
초고성능 섬유보강 콘크리트.
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제1항에 있어서,
상기 균열유도체는
폴리스티렌 비드로 구성되는
초고성능 섬유보강 콘크리트.
제1항에 있어서,
상기 균열유도체는
전체 체적의 0.5 ~ 2%로 혼합되는
초고성능 섬유보강 콘크리트.
삭제
제1항에 있어서,
상기 균열유도체는
상기 제1 표면층의 표면에 도포되어 습기에 의해 일정시간 동안 용해되는 제2 표면층을 포함하는
초고성능 섬유보강 콘크리트.
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