KR102390964B1

KR102390964B1 - 강섬유

Info

Publication number: KR102390964B1
Application number: KR1020210012283A
Authority: KR
Inventors: 신승철; 차경진
Original assignee: (주)코스틸
Priority date: 2021-01-28
Filing date: 2021-01-28
Publication date: 2022-04-27

Abstract

본 발명에 따른 고성능 강섬유는: 제1 방향을 향하여 볼록한 형상을 가지며, 제1 곡률반경을 갖는 제1 아치부; 상기 제1 방향과 반대되는 제2 방향을 향하여 볼록한 형상을 가지며, 제2 곡률반경을 갖는 제2 아치부; 상기 제1 아치부의 일 단과 상기 제2 아치부의 일 단을 연결하는 연결부; 상기 제1 아치부의 타 단에 연결된 제1 단부; 및 상기 제2 아치부의 타 단에 연결된 제2 단부; 를 포함하고, 상기 제1 단부 및 제2 단부는 각각 제1 연결부재, 제2 연결부재 및 상기 제1 및 제2 연결부재들을 연결하는 결합부를 포함하고, 상기 제1 연결부재와 제2 연결부재는 서로 단차를 가지고 다른 높이에서 형성되는 것을 특징으로 한다.

Description

강섬유 {Steel fiber}

본 발명은 건축재료 및/또는 토목재료 보강용 강섬유에 관한 것으로서, 구체적으로는 강섬유에 아치 형상을 포함시켜 시멘트계 조성물에 작용하는 휨 및/또는 인장력에 대한 에너지 흡수 효율을 높이는 구조에 관한 발명이다.

일반적으로 콘크리트 부재는, 압축강도, 내구성 및 강성이 우수하지만 인장강도, 휨 강도, 충격강도 및 에너지 흡수 능력이 낮다. 이 같은 특징에 따라 콘크리트 부재는 인장이나 동적 하중이 작용하는 경우 파괴될 가능성이 높다는 한계를 가지게 된다.

상기 문제점을 해결하기 위하여, 콘크리트 부재 내에 콘크리트 보강용 강섬유를 혼합시켜 인장력, 내충격성, 내박리성 등의 물성을 향상시키는 방법이 널리 사용되고 있다.

일반적으로, 콘크리트 보강용의 강섬유는 섬유 형태로 가공된 강의 재질을 가진다. 상대적으로 짧은 길이를 갖는 강섬유를 콘크리트 부재 내에 균등하게 분산시키는 경우, 큰크리트의 인장강도, 휨강도 및 전단강도 등의 물성이 향상될 수 있다. 또한 충격에 강한 특징을 가지게 되어 균열에 대한 저항력을 높이는 수단이 될 수 있다.

강섬유가 콘크리트에 결합하여 상기와 같은 물성을 나타내기 위하여는 강섬유가 콘크리트 내에 골고루 분산되어야 하고, 콘크리트와의 부착성이 높아 콘크리트 조성물 내에 잘 부착되어야 한다. 또한, 강섬유는 외부 응력에 대하여 높은 인장강도를 갖는 재질을 가져야 한다.

종래의 강섬유 기술에 대해 살펴보면, 대한민국 공개특허공보 제2013-0129385호에서 개시한 원형단면을 가진 직선형 강섬유에 양끝단을 구부린 후크-엔드 타입(hooked ends type) 강섬유가 존재한다. 또한 대한민국 등록특허공보 제1,403,659호는 양 단을 이격시킨 링 형상의 강섬유를 사용하였다.

상기 실시예 이외에도 숏크리트에 혼입 후 타설시 리바운드율을 감소시키고, 타설 후 뽑힘 현상을 방지하여 휨인성을 향상시키기 위한 강섬유의 실시예들이 다수 존재한다.

이와 같은 종래 콘크리트 보강용 강섬유는 터널 굴착시 2차 지보재인 숏크리트에 가장 많이 적용되어 왔다. 또한, 단면이 작아 철근보강이 어렵고 균열제어가 필요한 바닥 슬래브와 같은 곳에서도 흔히 사용된다.

숏크리트에 적용되는 강섬유의 경우, 지름 0.5~0.55mm, 길이 30~35mm 정도의 크기인데 비해, 바닥 슬래브에 보강되는 강섬유는 지름 0.75~0.90mm, 길이 50~60mm 정도의 크기를 주로 많이 사용한다.

종래의 엔드-후크 타입의 강섬유는 직선형태의 본체 양 끝단을 소정의 각도로 굽혀 후크 형태로 형성하는 것이 일반적이다. 이 같은 형상을 사용하는 경우, 균열발생 이후 작용하는 인장력에 의해 강섬유가 콘크리트로부터 인발될 때 후크부 이외의 직선부에서는 부착성능이 떨어져 인발저항강도가 급격하게 감소한다. 이와 같은 이유로 엔드-후크 타입의 강섬유를 사용하는 경우 콘크리트 부재의 역학적 성능을 향상시키는데 치명적인 한계가 있었다.

이러한 한계점을 해결하기 위한 것으로, 대한민국 등록특허공보 제1,073,393호나 대한민국 등록실용신안공보 제361,900호 및 제406,191호에서부터 미국 등록특허 제6,060,163호에 이르기까지 나름의 특징들을 구현한 기술들이 개시되어 있다.

하지만, 상기의 특허들과 같이 부착성능을 향상시키기 위해 고안해 낸 강섬유들은 목적달성을 위한 성능을 발휘하기 위하여 상대적으로 짧은 길이를 갖거나 높은 인장강도를 가져야 하는 문제점이 있다.

특히, 대한민국 등록특허공보 제1,403,659호와 같이 이격된 링 형상의 강섬유의 경우, 이격된 링 형상의 양단은 중심부보다 상부에 위치하고, 상기 양단 내측 하방으로 경사지게 돌출되는 밀착부를 구비하고 있으나, 원형의 경우 양단이 겹이음 용접처리가 필요하므로, 용접불량으로 인한 품질저하의 문제점 또는 생산성이 저하되는 문제점을 안고 있다.

대한민국 등록특허 제 10-1596246과 같이 아치형의 형상을 갖는 강섬유의 경우, 부재의 성능 향상 정도와 대비하여 강섬유의 혼입량을 감소시키는 특징을 개시하고 있다. 그러나 이는 콘크리트에 작용하는 인장력에 대하여 에너지 흡수량이 충분하지 못하다는 문제점을 가지고 있다.

실시예들은 위와 같은 종래기술의 문제점으로부터 착안된 것으로, 강섬유 본체의 형상에 아치 구조를 포함시키는 것을 특징으로 한다. 상기 형상을 가지는 강섬유를 시멘트계 재료 내부에 분포시키는 것을 통하여, 강섬유가 포함된 시멘트계 부재의 역학적 성능을 향상시킬 수 있다.

실시예들을 이용하면, 상대적으로 적은 재료를 활용하여 시멘트계 부재가 원하는 물성치 값을 가질 수 있게 하는 이점이 존재할 수 있다.

또한 기존에 존재하는 강섬유들은 시멘트 내부에 혼입되어 굳어지는 경우, 부재 전체에 균일하게 분산되지 않는 문제가 존재한다. 본 발명에 따른 강섬유를 사용하는 경우 같은 투입량 대비 콘크리트 부재의 역학적 성능이 더 우수한 효과를 가질 수 있다.

실시예들에 따른 강섬유는, 건축 및/또는 토목 공사에서 이용되는 부재를 보강하는 데 사용될 수 있다. 또한, 건축용 내외장재의 보강에 사용될 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 강섬유는, 제1 방향을 향하여 볼록한 형상을 가지며, 제1 곡률반경을 갖는 제1 아치부; 상기 제1 방향과 반대되는 제2 방향을 향하여 볼록한 형상을 가지며, 제2 곡률반경을 갖는 제2 아치부; 상기 제1 아치부의 일 단과 상기 제2 아치부의 일 단을 연결하는 연결부; 상기 제1 아치부의 타 단에 연결된 제1 부재; 및 상기 제2 아치부의 타 단에 연결된 제2 부재; 를 포함하는 고성능 강섬유로서, 상기 제1 부재 및 제2 부재는 각각 제1 연결부재, 제2 연결부재 및 상기 제1 및 제2 연결부재들을 연결하는 결합부를 포함하고, 상기 제1 연결부재와 제2 연결부재는 서로 단차를 가지고 다른 높이에서 형성된다.

상기 제1 부재에 있어서: 상기 제1 연결부재는 제1 아치부의 일단에 연결되고, 상기 결합부는 제1 연결부재의 일단과 제2 연결부재의 사이에서 상기 제1 및 제2 연결부재를 연결하고, 상기 제2 연결부재는 상기 결합부의 일단에 연결되며, 상기 결합부는 경사를 갖고 형성될 수 있다.

상기 제2 부재에 있어서: 상기 제1 연결부재는 제2 아치부의 일단에 연결되고, 상기 결합부는 제1 연결부재의 일단과 제2 연결부재의 사이에서 상기 제1 및 제2 연결부재를 연결하고, 상기 제2 연결부재는 상기 결합부의 일단에 연결되며, 상기 결합부는 경사를 갖고 형성될 수 있다.

상기 제1 부재의 결합부는 하방으로 경사를 갖고 형성되고, 상기 제2 부재의 결합부는 상방으로 경사를 갖고 형성될 수 있다.

상기 결합부는 상기 제1 연결부재에 대해 0°이상 90°이하의 경사를 갖도록 형성될 수 있다.

상기 강섬유는 상기 연결부의 중심이 되는 점을 기준으로 대칭적인 형상을 가질 수 있다.

상기 강섬유는: 상기 제1 아치부, 상기 제1 부재의 상기 제1 및 제2 연결부재, 상기 제2 아치부, 및 상기 제2 부재의 상기 제1 및 제2 연결부재의 각각의 중심점의 레벨이 모두 다를 수 있다.

상기 제1 아치부와 상기 연결부가 연결되는 부분에, 상기 제2 방향을 향하여 볼록한 형상을 갖는 제1 연결아치부; 및 상기 제2 아치부와 상기 연결부가 연결되는 부분에, 상기 제1 방향을 향하여 볼록한 형상을 갖는 제2 연결아치부; 를 더 포함할 수 있다.

상기 제1 아치부와 상기 제1 부재가 연결되는 부분에, 상기 제2 방향을 향하여 볼록한 형상을 갖는 제3 연결아치부; 및 상기 제2 아치부와 상기 제2 부재가 연결되는 부분에, 상기 제1 방향을 향하여 볼록한 형상을 갖는 제4 연결아치부; 를 더 포함할 수 있다.

상기 제1 곡률반경 및 상기 제2 곡률반경 중 적어도 하나는 상기 제1 내지 제4 연결아치부의 각각의 곡률반경 중 적어도 하나보다 큰 값을 가질 수 있다.

상기 제1 연결부재와 결합부 사이에 형성되는 제5 연결아치부; 및 상기 결합부와 제2 연결부재 사이에 형성되는 제6 연결아치부; 를 더 포함할 수 있다.

실시예들에 따른 건축재료 및/또는 토목재료 보강용 강섬유에 의하면, 서로 대칭적인 아치 구조를 이루는 형상을 포함시킴으로써 종래보다 더 높은 인발저항강도를 가지게 할 수 있으며, 실시예들에 따른 강섬유가 포함된 시멘트 복합체의 인장강도, 휨 강도 및/또는 에너지 흡수능력 같은 역학적 성능을 향상시키는 기술효과를 얻을 수 있다.

후크부 이후 직선단에서 인발저항강도가 급격히 감소하는 것이 종래의 후크형 강섬유의 특징이다. 이와 달리, 실시예들에 따른 강섬유는 섬유의 전체 길이가 인발에 저항함으로써 인발저항강도를 유지하는 특징이 존재한다. 또한 종래 반원형 강섬유의 경우, 시멘트 복합체 내부에 배합될 때 섬유의 뭉침현상으로 작업성의 문제가 발생하고, 시멘트계 복합체 내에서 인발시 시멘트 매트릭스 내에 급한(steep) 마찰가를 가지게 한다. 따라서 인발성능 향상을 위한 종래 강섬유의 재질은 일반적으로 사용되는 강선의 인장강도보다 높은 수준의 것이 요구된다.

실시예들에 따른 건축재료 및/또는 토목재료 보강용 강섬유는, 본체의 길이방향으로 두 쌍 및/또는 한 쌍의 대칭적인 아치 형상을 가질 수 있다. 강섬유에 포함된 아치 형상은 적절한 곡률 반경을 가질 수 있으며, 시멘트 매트릭스 내에서 수월하게 인발되어 별도로 높은 수준의 인장강도가 요구되지 않을 수 있고, 작업성이 우수한 강점을 가질 수 있다. 또한 실시예들에 따라, 대칭적인 아치 모양을 한 쌍 및/또는 두 쌍 배치하여 하나의 아치 형상을 가지는 강섬유 부재보다 에너지 흡수율을 증가시키는 것이 가능하다.

또한, 실시예들에 따른 건축재료 및/또는 토목재료 보강용 강섬유는 양단부가 각각 제1 단부 및 제2 단부로 구성되고, 각각의 단부를 구성하는 제1 연결부재, 결합부 및 제2 연결부재는 단차를 가져 계단 형상을 이루도록 구성하는 것에 특징이 있다. 이렇게 양단부를 구성하는 제1 연결부재, 결합부 및 제2 연결부재가 단차를 가지고 계단식으로 형성되기 때문에, 강섬유의 끝단에 당기는 힘이 작용할 때 기존 강섬유의 형상보다 상술한 부착력 및 인장력에 대한 에너지 흡수 면에 있어 더 좋은 효율 및 효과를 나타낼 수 있다.

보다 구체적으로, 본 발명의 강섬유는 제1 아치부, 제2 아치부, 제1 단부, 제2 단부 각각의 중심점의 레벨이 모두 다르게 형성되어 있고, 또한 제1 단부를 구성하는 제1 및 제2 연결부재도 서로 다른 높이로 형성되며, 제2 단부를 구성하는 제1 및 제2 연결부재도 서로 다른 높이로 형성되어 있다. 이렇게, 강섬유를 구성하는 모든 구성요소들이 동일한 높이 레벨을 갖지 않고 모두 다른 높이 레벨을 가지도록 구성하면, 콘크리트와 작용하는 결합력, 저항력, 에너지 흡수력이 모두 다른 높이 레벨에서 이루어지므로, 콘크리트와의 결합력, 변형에 대한 저항력, 그에 따른 콘크리트에 작용하는 인장력에 의한 에너지 흡수력을 극대화할 수 있다는 특유의 효과를 가진다.

실시예들에 따른 건축재료 및/또는 토목재료 보강용 아치형 강섬유에 의하면, 종래의 건축재료 보강용 강섬유와 비교하여 성능 대비 강섬유의 혼입량을 획기적으로 줄이는 효과가 존재할 수 있다. 또한, 소모자재 양과 비용을 절감시켜 경제적인 이점을 얻는 효과가 존재할 수 있다.

실시예들에 따른 건축재료 및/또는 토목재료 재료 보강용 아치형 강섬유에 의하면, 아치형 본체의 탄력으로부터 시멘트 복합체 건축물의 수명 연장을 위한 내구성을 확보할 수 있으며, 간소한 기술구성으로 인하여 제조 및 생산성의 향상이 도모될 수 있다.

실시예들에 따른 건축 및/또는 토목 재료 보강용 아치형 강섬유를 사용하는 경우, 콘크리크의 초기 양생 균열저항력이 높아지기 때문에 균열로 인한 건축물의 하자보수 비용을 줄이는 효과가 존재할 수 있다.

도 1은 실시예들에 따른 강섬유의 외형 및 기하학적 요소 값을 나타낸 도면이다.
도 2는 실시예들에 따른 강섬유의 외형 및 기하학적 요소 값을 나타낸 도면이다.
도 3은 실시예들에 따른 강섬유의 외형 및 기하학적 요소 값을 나타낸 도면이다.
도 4은 실시예들에 따른 강섬유에 힘이 작용할 때, 강섬유의 부착력 및 변형에 대한 저항력을 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 강섬유가 시편의 인장성능에 미치는 영향을 실험하기 위한 풀아웃 테스트 시편을 나타낸 것이다.
도 6은 실시예들에 따른 강섬유의 풀아웃 테스트 실험 결과이다.
도 7은 강섬유가 시편의 휨 성능에 미치는 영향을 실험하기 위한 휨 성능 테스트의 방법을 설명하기 위한 것이다.
도 8 및 도 9는 실시예들에 따른 강섬유 대한 휨 성능 테스트의 실험 결과이다.

이하 상기 발명의 목적을 구체적으로 이해 및 실현할 수 있도록, 첨부한 도면을 참조하여 바람직한 실시예들을 설명한다.

이 과정에서 도면에 도시된 구성요소의 크기나 형상 등은 설명의 명료성과 편의성을 위하여 과장되게 도시될 수 있다. 또한 실시예들의 구성 및 작용을 고려하여 특별히 정의된 용어들은 사용자 및 운용자의 의도 또는 관례에 따라 달라질 수 있다.

한편 실시예들에서 '제1' '및/또는' '제2' 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 한정되지 않는다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소들과 구별하는 목적으로만 사용될 뿐이다. 예컨대 실시예들의 개념에 따른 권리범위로부터 벗어나지 않는 범위 내에서, 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있으며, 유사하게 제2 구성요소는 제1 구성요소로도 명명될 수 있다.

이러한 용어들은 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 정의 및 이해되어야 한다.

이하 실시예들에 따른 아치형 강섬유(1)를 콘크리트에 포함시켜, 시멘트계 부재의 물성치를 향상시키는 방법에 대하여 알아본다.

콘크리트 등의 시멘트계 부재는 크기나 모양에 제한을 받지 않고 구조물을 만들 수 있으며, 재료의 확보와 운반이 용이한 특징을 가진다. 콘크리트는 압축강도가 다른 재료에 비해 크고, 필요로 하는 임의의 강도를 자유롭게 얻을 수 있는 장점이 있어 건축물 시공에 널리 사용되는 재료이다.

그러나, 콘크리트는 취성재료의 성질을 가지며, 압축강도에 비하여 인장강도 및 휨 강도가 작다는 단점이 존재한다. 부재의 운반 과정에서 또는 콘크리트의 자중에 의하여 부재 양 단에 인장력 등이 발생할 수 있다. 상기와 같은 이유로 부재가 파괴되는 것을 막기 위하여, 콘크리트 부재 내부에 강재를 포함시켜 물성을 보완할 수 있다.

콘크리트와 달리 강(steel)은 연성재료의 성질을 가지며 인장력에 강한 특징을 가진다. 섬유와 같이 가는 모양을 갖는 강을 강섬유(1)라고 한다. 콘크리트 부재를 사용한 시공과정에서 강섬유(1)를 콘크리트 내에 균일하게 분포시킬 수 있다. 이는 압축력에 강한 콘크리트의 성질에, 인장력 및 휨에 강한 강(steel)의 성질을 더하는 역할을 할 수 있다. 결과적으로 콘크리트의 장점 및 강(steel)의 장점 모두를 갖는 이상적인 부재를 얻을 수 있다.

실시예들에 따른 강섬유(1)는 건축재료 및/또는 토목재료를 보강하기 위해서 사용될 수 있으며, 특히 시멘트계 재료를 보강하기 위하여 사용될 수 있다. 또한, 실시예들에 따른 강섬유(1)는 건축용 내외장재를 보강하기 위해서 사용될 수 있다. 강(steel) 재질을 가지는 섬유를 콘크리트 중에 균일하게 분산시킴에 따라, 인장강도, 휨 강도, 균열에 대한 저항성, 인성, 전단강도 및 내충격성 등의 개선을 도모할 수 있다. 또한, 와이어 메쉬 혹은 철근의 설치 작업이 필요 없게 되는 효과를 가져 경제성, 시공성 및 안전성의 향상을 도모할 수 있다.

강섬유(1)를 통한 부재의 성능 향상을 위해서는, 강섬유(1) 하나하나가 부재 내부에서 콘크리트에 잘 부착되어야 하고, 결과적으로 두 물질로 이루어진 부재가 일체적인 거동을 하게끔 만들어야 한다. 강섬유(1)가 콘크리트에 붙는 성질을 부착이라고 하며, 부착이 얼마나 잘 되었는지는 부착강도라는 척도를 통하여 나타낼 수 있다. 강섬유(1)가 콘크리트에 더 강하게 부착될수록, 강섬유(1)와 혼합된 철근 콘크리트 부재의 특성 또한 개선될 수 있다.

직선길이(L)는, 강섬유(1)가 길이방향으로 갖는 거리의 최대값을 의미할 수 있다. 즉 강섬유(1)의 직선길이(L)는, 제1 부재(21)가 제1 아치부(11)와 연결되어있지 않은 쪽인 제1 부재(21)의 타 단과, 제2 부재(22)가 제2 아치부(12)와 연결되어있지 않은 쪽인 제2 부재(22)의 타 단 간의 직선거리일 수 있다.

강섬유(1)의 평균저항길이(Lt)는, 강섬유(1)를 직선으로 펼쳤을 때 강섬유(1)가 갖는 길이를 의미할 수 있다. 즉 평균저항길이(Lt)는, 강섬유(1)의 부피를 강섬유(1)의 단면적으로 나눈 값일 수 있다.

이하, 실시예들에 따라 한 쌍의 아치 형상을 가지는 시멘트계 재료 보강을 위한 강섬유(1)의 형상을 살펴본다.

도 1은 실시예들에 따른 강섬유의 외형 및 기하학적 요소 값을 나타낸 도면이다.

도 1의 (a)는 실시예들에 따라 한 쌍의 대칭되는 아치 형상을 가지는 강섬유(1)의 구조를 나타낸 것이다. 도 1의 (b)는 실시예들에 따른 강섬유(1)의 직선길이(L) 및 평균저항길이(Lt)를 나타낸 것이다.

실시예들에 따른 강섬유(1)는, 제1 방향(B1)을 향하여 볼록한 형상을 가지며 제1 곡률반경(R1)을 가지는 제1 아치부(11) 및 제1 방향(B1)과 반대되는 제2 방향(B2)을 향하여 볼록한 형상을 가지며 제2 곡률반경(R2)을 갖는 제2 아치부(12)를 포함할 수 있다. 또한 강섬유는, 제1 아치부(11)의 일 단 및 제2 아치부(12)의 일 단을 서로 연결하는 연결부(20)를 포함할 수 있다.

실시예들에 따른 강섬유(1)는 제1 아치부(11)의 타 단에 연결된 제1 부재(21) 및 제2 아치부(12)의 타 단에 연결된 제2 부재(22)를 포함할 수 있다.

실시예들에 따른 강섬유(1)는, 제1 아치부(11)와 연결부(20)가 연결되는 부분에, 제2 방향(B2)을 향하여 볼록한 형상을 갖는 제1 연결아치부(31)를 포함할 수 있고, 제2 아치부(12)와 연결부(20)가 연결되는 부분에, 제1 방향(B1)을 향하여 볼록한 형상을 갖는 제2 연결아치부(32)를 포함할 수 있다.

실시예들에 따른 강섬유(1)는, 제1 아치부(11)와 제1 부재(21)가 연결되는 부분에 제2 방향(B2)을 향하여 볼록한 형상을 갖는 제3 연결아치부(33)를 포함할 수 있고, 제2 아치부(12)와 제2 부재(22)가 연결되는 부분에 제1 방향(B1)을 향하여 볼록한 형상을 갖는 제4 연결아치부(34)를 포함할 수 있다.

구체적으로, 제1 연결아치부(31)의 곡률반경은 제1 길이(D1)이고, 제2 연결아치부(32)의 곡률반경은 제2 길이(D2)이고, 제3 연결아치부(33)의 곡률반경은 제3 길이(D3)이고, 제4 연결아치부(34)의 곡률반경은 제4 길이(D4)일 수 있다.

이 때 제1 곡률반경(R1) 및 제2 곡률반경(R2)은 제1 연결아치부(31), 제2 연결아치부(32), 제3 연결아치부(33) 및 제4 연결아치부(34) 각각의 곡률반경 중 적어도 하나보다 큰 값을 가질 수 있다.

실시예들에 따른 강섬유(1)는, 강섬유(1)의 일 끝에서 타 끝 간의 거리를 나타내는 직선길이(L) 및/또는 강섬유(1) 바디 전체의 길이인 평균저항길이(Lt)를 달리함에 따라, 콘크리트 물성 향상의 정도가 달라질 수 있다.

이하, 다른 실시예들에 따라 두 쌍의 아치 형상을 가지는 시멘트계 재료 보강을 위한 강섬유(1)의 형상을 살펴본다.

도 2는 실시예들에 따른 강섬유의 외형 및 기하학적 요소 값을 나타낸 도면이다.

도 2의 (a)는 실시예들에 따라 두 쌍의 대칭되는 아치 형상을 가지는 강섬유(1)의 구조를 나타낸 것이다. 도 2의 (b)는 실시예들에 따른 강섬유(1)의 직선길이(L) 및 평균저항길이(Lt)를 나타낸 것이다.

실시예들에 따른 강섬유(1)는, 제1 방향(B1)을 향하여 볼록한 형상을 가지며, 제1 곡률반경(R1)을 갖는 제1 아치부(11), 제2 방향(B2)을 향하여 볼록한 형상을 가지며 제2 곡률반경(R2)을 갖는 제2 아치부(12)를 포함할 수 있다. 또한 제1 아치부(11)의 일 단과 제2 아치부(12)의 일 단을 연결하는 연결부(20)를 포함할 수 있다.

또한 실시예들에 따른 강섬유(1)는, 제1 아치부(11)의 타 단에 연결된 제1 부재(21) 및 제2 아치부(12)의 타 단에 연결된 제2 부재(22)를 포함할 수 있다.

실시예들에 따른 연결부(20)는, 제3 곡률반경(R3)을 갖고 제1 아치부(11)와 연결되는 제3 아치부(13) 및 제4 곡률반경(R4)을 갖고 제2 아치부(12)와 연결되는 제4 아치부(14)를 포함할 수 있다.

실시예들에 따른 강섬유(1)는, 제3 아치부(13)가 제1 방향(B1)을 향하여 볼록한 형상을 갖고, 제4 아치부(14)가 제2 방향(B2)을 향하여 볼록한 형상을 갖는 강섬유(1)일 수 있다. 또한 강섬유(1)는, 제1 아치부(11)와 제3 아치부(13)가 연결되는 부분에 제2 방향(B2)을 향하여 볼록한 형상을 갖는 제1 연결아치부(31)를 포함할 수 있고, 제2 아치부(12)와 제4 아치부(14)가 연결되는 부분에 제1 방향(B1)을 향하여 볼록한 형상을 갖는 제2 연결아치부(32)를 포함할 수 있다.

또한, 제1 연결아치부(31)와 제3 아치부(13)는 제3 부재(23)에 의하여 연결되며, 제2 연결아치부(32)와 제4 아치부(14)는 제4 부재(24)에 의하여 연결될 수 있다.

다른 실시예들에 따른 강섬유(1)는 제3 아치부(13)가 제2 방향(B2)을 향하여 볼록한 형상을 갖고, 제4 아치부(14)가 제1 방향(B1)을 향하여 볼록한 형상을 가질 수 있다.

실시예들에 따른 강섬유(1)는, 제1 곡률반경(R1) 및 제2 곡률반경(R2) 중 적어도 하나가 제3 곡률반경(R3) 및 제4 곡률반경(R4) 중 적어도 하나보다 큰 값일 수 있다.

실시예들에 따른 강섬유(1)는, 제3 곡률반경(R3) 및 제4 곡률반경(R4) 중 적어도 하나가 제1 연결아치부(31), 제2 연결아치부(32), 제3 연결아치부(33) 및 제4 연결아치부(34) 각각의 곡률반경 중 적어도 하나보다 큰 값을 가질 수 있다.

실시예들에 따른 강섬유(1)는, 연결부(20)의 중심이 되는 점을 기준으로 대칭적인 형상을 가질 수 있다.

또 다른 실시예들에 따른 강섬유(1)는, 제3 아치부(13)가 제2 방향(B2)을 향하여 볼록한 형상을 갖고, 제4 아치부(14)가 제1 방향(B1)을 향하여 볼록한 형상을 갖는 강섬유(1)일 수 있다.

실시예들에 따른 강섬유(1)는, 서로다른 직선길이(L) 및 평균저항길이(Lt) 값을 가질 수 있다.

도 3은 실시예들에 따른 강섬유의 외형 및 기하학적 요소 값을 나타낸 도면이다.

도 3의 (a)는 실시예들에 따라 두 쌍의 대칭되는 아치 형상을 가지는 강섬유(1)(예를 들면, 도 1 내지 도 2에서 설명한 강섬유)의 구조를 나타낸 것이다.

실시예들에 따른 강섬유(1)는, 제1 방향(B1)을 향하여 볼록한 형상을 갖는 제1 아치부(11)(예를 들면, 도 1 내지 도 2에서 설명한 제1 아치부), 제2 방향(B2)을 향하여 볼록한 형상을 갖는 제2 아치부(12)(예를 들면, 도 1 내지 도 2에서 설명한 제2 아치부)를 포함할 수 있다. 또한 제1 아치부(11)의 일 단과 제2 아치부(12)의 일 단을 연결하는 연결부(20)(예를 들면, 도 1 내지 도 2에서 설명한 연결부)를 포함할 수 있다. 또한, 실시예들에 따른 강섬유(1)는, 제1 아치부(11)의 타 단에 연결된 제1 단부(41) 및 제2 아치부(12)의 타 단에 연결된 제2 단부(42)를 포함할 수 있다.

실시예들에 따른 연결부(20)는 도 3에서는 단면에서 볼 때 직선 형상을 갖도록 도시하고 있으나, 이에 한정되는 것은 아니며, 예를 들면, 도 1 내지 도 2에서 도시한 형상을 가질 수 있다. 또한, 실시예들에 따른 연결부(20)는 제1 아치부(11) 및 제2 아치부(12)와 연결되는 양 끝단에, 도 1 내지 도 2에서 설명한 제1 연결아치부 및 제2 연결아치부를 더 포함할 수 있다. 즉, 실시예들에 따른 연결부(20)는 제1 아치부(11)와 연결되는 일단에 제1 연결아치부를 포함하고, 제2 아치부(12)와 연결되는 타단에 제2 연결아치부를 포함할 수 있다.

또한 실시예들에 따른 강섬유(1)는, 제1 아치부(11)의 타 단에 연결된 제1 단부(41) 및 제2 아치부(12)의 타 단에 연결된 제2 단부(42)를 포함할 수 있다. 실시예들에 따른 강섬유(1)는 제1 단부(41) 및 제1 아치부(11)와 제2 단부(42) 및 제2 아치부(12)가 연결부(20)를 중심으로 점대칭 형상을 가지도록 형성될 수 있다. 따라서, 이하에서는 제2 단부(42)에 대하여만 상술하나, 이와 같은 구조는 제2 단부(42)와 점대칭을 이루는 제1 단부(41)에도 마찬가지로 적용될 수 있다.

실시예들에 따른 제2 단부(42)는 각각 제1 연결부재(예를 들면, 421), 제2 연결부재(예를 들면, 423) 및 제1 연결부재(421)와 제2 연결부재(423)를 연결하는 결합부(예를 들면, 422)를 포함할 수 있다.

실시예들에 따른 제1 연결부재(421)는 제2 아치부(12)의 일단에 연결될 수 있다. 일 예로, 제1 연결부재(421)는 직선 형상을 가질 수 있다. 즉, 제1 연결부재(421)는 제2 아치부(12)의 일단의 높이와 실질적으로 동일한 레벨에서 평평한 형상을 가지도록 형성될 수 있다. 한편, 제2 아치부(12)는 제2 방향(B2)으로 볼록한 형상을 가지므로, 제2 아치부(12)의 일단에 연결되는 제1 연결부재(421)는 제2 아치부(12)의 중심부와는 서로 다른 레벨에 형성되며, 이 예에서는 제2 아치부(12)의 중심부보다 높은 레벨에 형성된다.

실시예들에 따른 제2 연결부재(423)는 제1 연결부재(421)의 일단에 연결될 수 있다. 보다 구체적으로, 제1 연결부재(421)와 제2 연결부재(423) 사이에 결합부(422)가 형성되어, 제1 연결부재(421)의 일단에 결합부(422)가 형성되고, 결합부(422)의 일단에 제2 연결부재(423)가 연결될 수 있다. 제2 연결부재(422)는 평평한 형상을 가질 수 있다. 즉, 제2 연결부재(422)는 결합부(422)의 일단의 높이와 동일한 레벨을 갖도록 평평한 형상을 가질 수 있다. 한편, 도시된 예에서 결합부(422)는 상방으로 경사진 형상으로 형성되므로, 제2 연결부재(423)는 제1 연결부재(421)와 단차를 가지도록 형성될 수 있다. 즉, 제1 연결부재(421)와 제2 연결부재(423)는 서로 단차를 가지며, 일 예에서는 실질적으로 평행하게 형성될 수 있다.

실시예들에 따른 결합부(422)는 제2 아치부(12)와 연결되지 않은 제1 연결부재(421)의 일단에 연결될 수 있다. 즉, 결합부(422)는 제1 연결부재(421)의 일단과 제2 연결부재(423)의 일단을 연결하도록 위치할 수 있다. 제1 연결부재(421)와 결합부(422)의 사이에는 제5 연결아치부(35)가 위치할 수 있고, 결합부(422)와 제2 연결부재(423) 사이에는 제6 연결아치부(36)가 위치할 수 있다. 이때, 제5 연결아치부(35)와 제6 연결아치부(36)는 도 1 내지 도 2에서 설명한 제1 내지 제4 연결아치부와 동일한 구성 및 역할을 가질 수 있다. 즉, 제5 연결아치부(35) 및 제6 연결아치부(36)는 제1 연결부재(421), 결합부(422) 및 제2 연결부재(423)가 모나지 않고 부드럽게 연결될 수 있도록 구성된다.

결합부(422)는 제1 연결부재(421)에 대하여 경사를 가지면서 형성될 수 있다. 도시된 예에서 결합부(422)는 상방으로 경사를 갖고 형성될 수 있다. 한편, 맞은편에 배치되는 제1 아치부(11)의 단부에 형성되는 제1 연결부재, 결합부 및 제2 연결부재는 점대칭으로 방향이 서로 반대이므로, 이 때의 결합부(422)는 도면에서 하방으로 경사를 갖고 형성될 수 있다. 결합부(422)는 제1 연결부재(421)에 대해 0°이상 90°이하의 경사를 가질 수 있다. 제1 연결부재(421)와 제2 연결부재(423) 사이의 단차는 결합부(422)가 갖는 경사 정도에 따라 결정될 수 있다.

이로써, 제1 연결부재(421), 결합부(422) 및 제2 연결부재(423)는 단차를 가져 계단 형상을 이룰 수 있다. 본 발명에 따른 강섬유는 양단부를 형성하는 제1 연결부재(421), 결합부(422) 및 제2 연결부재(423)가 단차를 가짐으로써, 강섬유(1)의 끝단에 당기는 힘이 작용할 때, 본 발명의 특유의 형상이 시멘트계 재료에 미치는 영향이 달라지는 것을 이용하는 것이다. 즉, 강섬유는 타설 후 콘크리트 내부에 부착되어 굳어 있으므로, 콘크리트 및/또는 강섬유에 힘이 작용할 때 강섬유의 표면과 콘크리트 간에는 응력이 발생할 수 있다. 따라서 강섬유의 표면적이 넓다면, 동일한 응력에 대하여 더 큰 부착력이 발생할 수 있다. 동일한 직선길이(L)를 가지는 강섬유라도, 더 긴 평균저항길이(Lt)를 갖는 강섬유는 더 넓은 표면적을 가질 수 있고, 더 넓은 표면적을 가지는 강섬유는 콘크리트와의 부착력이 더 강할 수 있다. 또한, 강섬유가 양 방향으로 당겨질 때 강섬유는 직선으로 곧게 펴지게 되는 힘을 받게 된다. 강섬유가 곡선의 모양을 갖는다면, 직선으로 강을 피려는 인장력에 대하여 강 자체가 가진 저항력이 발생한다. 변형에 대한 저항력은, 콘크리트에 작용하는 인장력에 의한 에너지를 흡수할 수 있다.

이에 더하여, 본 발명에 따른 강섬유는 양단부의 제1 연결부재(421) 및 제2 연결부재(423)가 단차를 가지고 계단식으로 형성되기 때문에, 기존 강섬유의 형상보다 상술한 부착력 및 인장력에 대한 에너지 흡수 면에 있어 더 좋은 효율 및 효과를 나타낼 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 강섬유는 강섬유의 중심점, 즉 상기 연결부의 중심이 되는 점을 기준으로 대칭적인 형상을 가질 수 있다. 이 경우, 상기 강섬유는 상기 제1 아치부와 제2 아치부가 서로 점대칭을 이루고, 상기 제1 단부의 상기 제1 및 제2 연결부재와 상기 제2 단부의 상기 제1 및 제2 연결부재가 또한 서로 점대칭을 이룬다. 즉, 본 발명의 강섬유는 제1 아치부, 제2 아치부, 제1 단부, 제2 단부가 각각 모두 다른 높이에서 형성된다는 점에 특징이 있다.

보다 구체적으로, 본 발명의 강섬유는 제1 아치부, 제2 아치부, 제1 단부, 제2 단부 각각의 중심점의 레벨이 모두 다르게 형성되어 있다. 또한, 제1 단부를 구성하는 제1 및 제2 연결부재도 서로 다른 높이로 형성되며, 제2 단부를 구성하는 제1 및 제2 연결부재도 서로 다른 높이로 형성된다. 이렇게, 강섬유를 구성하는 모든 구성요소들이 동일한 높이 레벨을 갖지 않고 모두 다른 높이 레벨을 가지도록 구성하면, 콘크리트와의 결합력, 변형에 대한 저항력, 그에 따른 콘크리트에 작용하는 인장력에 의한 에너지 흡수력을 극대화할 수 있다는 특유의 효과를 가지며, 이를 아래에서 보다 상세히 설명한다.

한편, 실시예들에 따른 강섬유(1)는, 서로 다른 직선길이(L) 및 평균저항길이(Lt) 값을 가질 수 있다.

도 3의 (b)는 실시예들에 따른 강섬유(1)의 직선길이(L) 및 평균저항길이(Lt)를 나타낸 것이다.

도 3의 (b)에 도시한 것처럼, 제1 아치부(11)는 제1 곡률반경(R1)을 가질 수 있고, 제2 아치부(12)는 제2 곡률반경(R2)을 가질 수 있다. 제1 곡률반경(R1)과 제2 곡률반경(R2)은 서로 같거나 다를 수 있다.

도 3의 (b)에서 a는 실시예들에 따른 강섬유(1)의 직경, b는 제1 아치부(11)의 볼록한 부분과 제1 단부(41) 사이의 높이 차이, c는 제1 아치부(11)의 볼록한 부분과 제2 아치부(12)의 볼록한 부분 사이의 높이 차이를 나타내고 있다. 예를 들어, 강섬유(1)는 a가 0.75mm, b가 4.4mm, c가 5.05mm인 강섬유일 수 있다.

이하 도 4를 참조하여 강섬유(1)의 끝단에 당기는 힘이 작용할 때, 실시예들에 따른 강섬유(1)의 형상이 시멘트계 재료에 미치는 영향을 살펴본다.

도 4는 실시예들에 따른 강섬유에 힘이 작용할 때, 강섬유의 부착력 및 변형에 대한 저항력을 설명하기 위한 도면이다.

도 4의 (a)는 실시예들에 따른 강섬유의 개략도이다.

A 영역은 실시예들에 따른 강섬유(예를 들면, 도 1 내지 도 3에서 설명한 강섬유)에서 제1 아치부(예를 들면, 도 1 내지 도 3에서 설명한 제1 아치부)의 일부 및 연결부(예를 들면, 도 1 내지 도 3에서 설명한 연결부)의 일부를 포함하고 있다.

도 4의 (b)는 도 4의 (a)의 A 영역에 힘이 작용할 때, 작용힘에 대한 강섬유(1)의 저항을 설명하기 위하여 A 영역을 따로 나타낸 도면이다. 도 4의 (b)를 이용하여, 실시예들에 따른 강섬유(예를 들면, 도 1 내지 도 3에서 설명한 강섬유)의 일단을 당길 때, 강섬유에 힘이 작용하는 매커니즘을 설명한다.

강섬유를 포함하는 콘크리트에 인장력이 작용하면 상기 인장력에 의하여 강섬유의 변형이 발생할 수 있다. 이때, 강섬유의 최대인발하중 및/또는 에너지 흡수율은 강섬유의 직선길이(L), 강섬유의 평균저항길이(Lt) 및/또는 강섬유의 바디에서 곡선을 이루는 부분의 특징에 따라 달라질 수 있다.

강섬유는 콘크리트 내부에 부착되어 굳어 있으므로, 콘크리트 및/또는 강섬유에 힘이 작용할 때, 강섬유의 표면과 콘크리트간에는 응력이 발생할 수 있다. 따라서 강섬유의 표면적이 넓다면, 동일한 응력에 대하여 더 큰 부착력이 발생할 수 있다. 동일한 직선길이(L)를 가지는 강섬유라도, 더 긴 평균저항길이(Lt)를 갖는 강섬유는 더 넓은 표면적을 가질 수 있다. 더 넓은 표면적을 가지는 강섬유는 콘크리트와의 부착력이 더 강할 수 있다. 이에 더하여, 본 발명에 따른 강섬유는 그 양단부를 구성하는 제1 연결부재(421)와 제2 연결부재(423)가 서로 다른 높이에서 단차를 갖고 형성되므로, 제1 연결부재(421) 부분에 의한 콘크리트와의 부착력과 제2 연결부재(423) 부분에 의한 콘크리트와의 부착력이 서로 다른 높이에서 발생한다. 이렇게 되면, 같은 높이에 제1 연결부재(421)와 제2 연결부재(423)가 형성되어 가질 수 있는 콘크리트와의 부착력보다 더 강한 부착력을 제공할 수 있다.

또한, 강섬유가 양 방향으로 당겨질 때 강섬유는 직선으로 곧게 펴지게 되는 힘을 받게 된다. 강섬유가 곡선의 모양을 갖는다면, 직선으로 강을 피려는 인장력에 대하여 강 자체가 가진 저항력이 발생한다. 변형에 대한 저항력은, 콘크리트에 작용하는 인장력에 의한 에너지를 흡수할 수 있다.

A 영역의 일 단에서 잡아당기는 힘(F) 이 작용하는 경우, 제1 저항부(111), 제2 저항부(201) 및/또는 제3 저항부(202)가 에너지를 흡수할 수 있다. 이 때, 각각의 저항부의 존재로 인하여, A 영역의 직선길이(L_A)에 비하여 A 영역의 평균저항길이(L_tA)가 더 길어지는 효과를 가질 수 있다.

상기와 같은 효과로 인해, 실시예들에 따른 저항부(예를 들면, 제1 저항부, 제2 저항부, 제3 저항부를 포함하는 저항부)를 포함하는 강섬유는 직선길이(L) 대비 평균저항길이(Lt)가 증가할 수 있다. 평균저항길이(Lt)가 증가하면 강섬유의 부착력이 높아져, 강섬유가 에너지를 흡수하는 정도가 커지는 효과를 가질 수 있다.

이에 더하여, 본 발명에 따른 강섬유는 양단부를 구성하는 제1 연결부재(421) 및 제2 연결부재(423)가 서로 다른 레벨에 형성되어, 계단식 단차를 가진다. 그에 따라, 제1 연결부재(421) 부분에 의한 에너지 흡수의 효과와 제2 연결부재(423) 부분에 의한 에너지 흡수의 효과가 서로 다른 높이에서 발현될 수 있어, 기존의 강섬유보다 더 강한 에너지 흡수 능력을 가질 수 있다.

구체적으로, 직선의 바디 양 쪽에 후크를 지닌 타입의 강섬유 및/또는 하나의 아치만을 가진 강섬유와 비교할 때, 두 개의 대칭적인 아치 형상을 가지는 강섬유는 직선길이(L) 대비 평균저항길이(Lt)가 더 길어지는 특징을 가질 수 있다. 이는 강섬유의 표면적을 넓히는 효과를 가지게 할 수 있다. 또한, 강섬유와 콘크리트간에 작용하는 부착력이 증가하는 특징을 가지게 할 수 있다.

도 4(b)를 참조하여, 실시예들에 따른 강섬유의 A 영역에서 변형에 대한 저항력의 작용 태양을 살펴본다.

A 영역의 일 단에 잡아당기는 힘(F) 이 작용하는 경우, 제1 저항부(111), 제2 저항부(201), 제3 저항부(202)는 모두 일직선으로 펴지는 힘을 받게 된다. 이 때, 각각의 저항부는 직선으로 펴지는 것에 대한 저항력을 가질 수 있다.

이 때, 변형에 대한 A 영역의 저항력은 제1 저항부(111)의 곡률반경인 제1 곡률반경(R1), 제2 저항부(201)의 곡률반경 및/또는 제3 저항부(202)의 곡률반경에 따라 달라질 수 있다.

즉, 실시예들에 따른 강섬유에서, 제2 저항부(201) 및/또는 제1 저항부(111)의 곡률반경인 제1 곡률반경(R1)을 적절하게 조정할 수 있다. 이 같은 조정에 따라, 변형을 일으키는 힘에 대한 강섬유의 저항력을 변화시킬 수 있다.

상기와 같은 효과로 인해, 실시예들에 따른 저항부를 포함하는 강섬유는, 직선 형상을 갖는 강섬유에 비하여 에너지를 흡수하는 정도가 커지는 효과를 가질 수 있다.

도 4에서는 A 영역에 대하여만 도시하였으나, 상술한 작용은 강섬유 전체에서 작용할 수 있다. 예를 들어, 강섬유의 일단에서 잡아당기는 힘이 작용하는 경우, 제1 부재(예를 들어, 도 1 내지 도 2에서 설명한 제1 부재), 제2 부재(예를 들어, 도 1 내지 도 2에서 설명한 제2 부재), 제3 부재(예를 들어, 도 2에서 설명한 제3 부재), 제4 부재(예를 들어, 도 2에서 설명한 제4 부재), 제1 단부(예를 들어, 도 3에서 설명한 제1 단부), 제2 단부(예를 들어, 도 3에서 설명한 제2 단부), 연결부(예를 들어, 도 1 내지 도 3에서 설명한 연결부), 및/또는 제2 아치부(예를 들면, 도 1 내지 도 3에서 설명한 제2 아치부)에 포함되는 각각의 저항부가 에너지를 흡수할 수 있다. 이때, 각각의 저항부의 존재로 인하여, 강섬유의 직선길이(L)에 비하여 강섬유의 평균저항길이(Lt)가 더 길어지는 효과를 가질 수 있다. 또한, 변형에 대한 강섬유의 저항력은 곡률 반경(예를 들어, 도 1 내지 도 3에서 설명한 제1 곡률 반경 또는 제2 곡률 반경)을 적절하게 조정함으로써 변화시킬 수 있다.

즉, 직선의 바디 양 쪽에 후크를 지닌 타입의 강섬유 및/또는 하나의 아치만을 가진 강섬유와 비교할 때, 두 개의 대칭적인 아치 형상을 가지는 강섬유는 더 많은 저항부를 가질 수 있다. 이는 강섬유의 저항력을 증가시키는 효과를 가질 수 있다. 또한, 콘크리트에 작용하는 인장력이 강섬유를 변형시키려 할 때 강섬유의 저항력을 높일 수 있다.

이하 도 5 내지 도 6을 참조하여 실시예들에 따른 강섬유들의 최대 인발하중 및 에너지 흡수량의 실험 결과를 살펴본다.

도 5는 강섬유가 시편의 인장성능에 미치는 영향을 실험하기 위한 풀아웃 테스트 시편을 나타낸 것이다.

도 5는 실시예들에 따른 강섬유(1)(예를 들면, 도 1 내지 도 4에서 설명한 강섬유)에 적용된 풀아웃 테스트 시편에 관한 도면이다. 시편의 재질은 시멘트 몰탈이며 높이는 76.2mm 이다. 강섬유가 위치한 부분의 시편 단면은, 한 변이 25.4mm의 길이를 가지는 정사각형이다.

실시예들에 따른 실험은 풀아웃 테스트 방식으로 진행되었으며, 시멘트 몰탈 시편 내부에 강섬유(1)를 포함시켜 시멘트 몰탈의 양 방향에 인장력을 작용하는 방식으로 이루어졌다. 이 실험을 통하여 시멘트 몰탈 및/또는 그 내부에 포함된 강섬유(1)에 작용하는 최대 인장하중을 측정할 수 있다. 또한, 이 실험을 통하여 시멘트 몰탈 및/또는 그 내부에 포함된 강섬유(1)에 작용하는 인장력에 의한 부재들의 변위를 측정할 수 있다.

실시예들에 따른 실험에 의하여 하중-변위 그래프를 얻을 수 있다. 세로축은 강섬유(1)에 작용하는 최대 인발하중을 나타내고, 가로축은 강섬유(1)의 변형을 나타낸다. 강섬유(1)가 흡수한 에너지는, 그래프의 면적을 통하여 구할 수 있다.

실시예들에 따른 실험에 의하여 에너지-변위 그래프를 얻을 수 있다. 세로축은 강섬유(1)가 흡수한 에너지를 나타내고, 가로축은 강섬유(1)의 변형을 나타낸다. 에너지-변위 그래프는 하중-변위 그래프의 적분값이다.

도 6은 실시예들에 따른 강섬유의 풀아웃 테스트 실험 결과이다.

도 6의 테스트 실험에 있어서는, 본 출원인이 발명하고 제작한 3 종류의 강섬유의 형상을 이용하여 진행되었다.

제1 강섬유는 본 출원인의 등록 발명(등록번호: 10-159624호)으로, 중심부가 단일의 아치를 가지는 강섬유이다 (도 6에서 “SBA 8060 1500”으로 기재되어 있음). 제2 강섬유는 본 발명에 따른 도 3에 도시된 강섬유로서, 중심부가 두 개의 아치를 가지며, 양단부가 계단식 단차를 가지는 하향절곡형의 더블 아치형 강섬유이다 (도 6에서 “SBDA 하향절곡형 8060 1500”으로 기재되어 있음).

실시예들에 따른 강섬유들은 직경 0.75mm 의 서로 다른 종류의 강섬유를 사용하여 실험을 진행한 것의 결과물이다. 실시예들에서 사용된 강섬유의 인장강도는 1500MPa 이고, 60mm의 직선길이(L)를 가진다.

도 6의 (a)는 제1 및 제2 강섬유의 최대 하중 및 에너지 흡수율을 기록한 시험 결과표이며, 도 6의 (b)는 최대 하중을 비교한 그래프이고, 도 6의 (c)는 에너지 흡수율을 비교한 그래프이다. 실시예들에 따른 실험은, 5개 시험체의 평균에 따라 최대하중 및 평균 흡수 에너지량을 도출하여 나타내었다.

도 6의 결과를 쉽게 알 수 있는 바와 같이, 하나의 중심 아치부를 가지는 제1 강섬유에 비하여, 두 개의 대칭적인 중심 아치부를 가지는 제2 강섬유의 경우가 더 높은 최대 하중과 에너지 흡수율을 가지는 것을 알 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 제2 강섬유는 그 양단부가 계단식 하향절곡형으로 구성되어, 기존의 강섬유보다 더 높은 최대 하중과 에너지 흡수율을 가지는 것으로 판단된다.

이하 도 7 내지 도 8을 참조하여 전술한 실시예들에 따른 휨 성능 실험 결과를 살펴본다.

도 7은 강섬유가 시편의 휨 성능에 미치는 영향을 실험하기 위한 휨 성능 테스트의 방법을 설명하기 위한 것이다.

도 7의 (a)는 휨 성능 테스트를 알아보기 위한 방법으로서, 3등분점 재하시험을 적용하는 방법을 설명을 위한 도면이다. 도 7의 (b)는 휨 성능 실험 결과에 따른 결과값을 나타낸 그래프이다.

이는 본 발명의 실시예에 따른 한 쌍의 대칭적인 아치를 갖는 강섬유(1)에 대하여 휨 성능 실험을 진행하였다.

시편의 재질은 시멘트 콘크리트이며 150mm x 150mm x 500mm의 각주형 공시체로 제작하였고 ASTM C 1609(Standard test method for flexural performance of fiber-reinforced concrete) 시험 방법 규정에 따라 3등분점 재하시험으로 실험하였다.

구체적으로, 실시예들에 따른 실험에 의하여 Deflection - F 그래프를 얻을 수 있다. 세로축은 시편에 작용하는 잔류 휨 인장강도이며, 가로축은 시편의 중앙부에 설치된 LVDT(Linear Variable Differential Transformer; 선형 가변 차동 변압기)에 의해 측정된 처짐량을 나타낸다.

도 8 및 도 9는 실시예들에 따른 강섬유 대한 휨 성능 테스트의 실험 결과이다.

도 8의 휨 성능 테스트에서는, 도 6에서 설명한 단일의 아치부를 가지는 제1 강섬유(SBA 8060 1500)에 대비하여, 제2 강섬유(SBDA 하향절곡형 8060 1500)의 휨 성능을 비교하였다. 제2 강섬유(SBDA 하향절곡형 8060 1500)는 본 발명의 실시예에 따른 두 개의 더블 아치부 및 양단부가 단차를 가지는 하향절곡형의 강섬유이다. 제1 강섬유를 기준(100%)으로, 제2 강섬유의 휨 성능 개선도를 도 9의 그래프로 나타내었다. 실험은 인장강도 1,500MPa, 지름 0.75mm, 길이 60mm의 강섬유를 혼입량 30 kg/m³으로 두어 실시하였다.

표 1은 휨 성능 확인을 위한 콘크리트의 배합비이다.

설계기준압축강도(MPa)	굵은골재 최대치수 (mm)	공기량(%)	S/a(%)	W/C(%)	단위재료량(kg/m³)
설계기준압축강도(MPa)	굵은골재 최대치수 (mm)	공기량(%)	S/a(%)	W/C(%)	물(W)	시멘트( C)	잔골재(S)	굵은골재(G)	고성능AE감수제(AD)
30	25	5	48.3	48.0	171	356	893	959	2.1

휨 성능은, 잔류휨 인장강도를 나타내는 f0.75, F3.0 및 휨 강도인 fL 를 통하여 파악할 수 있다. fL은 초기 균열이 발생할 때 휨 강도이다. f0.75, F3.0 는 잔류휨 인장강도이다. f0.75는 시편 중앙부의 처짐량이 시편지점거리(L=450mm)의 1/600일 때의 잔류휨의 강도이고, f3.0은 시편 중앙부의 처짐량이 시편지점거리(L=450mm)의 1/150일때의 잔류휨의 강도이다.

도 9를 참조하여 상술한 결과로부터 쉽게 알 수 있듯이, 본 발명의 도 3의 실시예에 따른 강섬유, 즉 2개의 중심 더블 아치부를 가지고, 양단부를 구성하는 제1 연결부재(421) 및 제2 연결부재(423)가 단차를 갖고 계단식으로 구성된 하향절곡형 강섬유의 휨 인성 능력이 기존 강섬유들에 비해 현저히 향상된 것을 볼 수 있다. 이는 양단부를 구성하는 제1 연결부재(421) 및 제2 연결부재(423)가 서로 다른 레벨에 형성되어, 계단식 단차를 가지고, 그에 따라 제1 연결부재(421) 부분에 의한 에너지 흡수의 효과와 제2 연결부재(423) 부분에 의한 에너지 흡수의 효과가 서로 다른 높이에서 발현될 수 있어, 기존의 강섬유보다 더 강한 에너지 흡수 능력을 가질 수 있는 것으로 판단된다.

따라서, 본 발명의 실시예들에 따른 강섬유와 콘크리트간의 부착강도는 종래의 발명된 강섬유보다 우수하며, 이러한 강섬유가 포함된 콘크리트 부재의 휨 성능 또한 우수해짐을 확인할 수 있다.

종래의 강섬유는 공칭지름이 0.30mm 이상 1.00mm 이하의 규격을 가지며 사용되는 것이 일반적이었으므로, 실시예들 또한 0.30mm 이상 1.00mm 이하의 규격을 가질 수 있다.

또한 종래의 강섬유는 직선길이(L) 18mm 이상 80mm 이하의 규격을 가지며 사용되는 것이 일반적이었으므로, 실시예들 또한 18mm 이상 80mm 이하의 규격을 가질 수 있다.

또한 종래의 강섬유는 인장강도 500MPa 이상 2800Mpa 이하 값을 가지는 강을 재료로 하여 사용되는 것이 일반적이었으므로, 실시예들 또한 인장강도 500MPa 이상 2800Mpa 이하의 인장강도 값을 가질 수 있다.

종래의 강섬유는 건축 및/또는 토목 공사에 사용되는 재료 중 특히 시멘트계 재료의 보강을 위해 사용되는 것이 일반적이다. 그러나, 실시예들에 따른 강섬유는 합성수지계 재료의 보강에도 사용될 수 있을 것이다. 또한 실시예들에 따른 강섬유는 건축용 내외장재의 보강에도 사용될 수 있다.

이상 본 발명은 상술한 실시예에 한정되지 않는다. 첨부된 청구범위에서 알 수 있는 바와 같이 본 발명은 본 발명이 속한 분야의 통상의 지식을 가진 기술자에 의해 변형이 가능하고, 이러한 변형은 본 발명의 범위에 속한다.

Claims

제1 방향을 향하여 볼록한 형상을 가지며, 제1 곡률반경을 갖는 제1 아치부;
상기 제1 방향과 반대되는 제2 방향을 향하여 볼록한 형상을 가지며, 제2 곡률반경을 갖는 제2 아치부;
상기 제1 아치부의 일 단과 상기 제2 아치부의 일 단을 연결하는 직선 형상의 연결부;
상기 제1 아치부의 타 단에 연결된 제1 단부; 및
상기 제2 아치부의 타 단에 연결된 제2 단부; 를 포함하는 고성능 강섬유에 있어서,
상기 제1 단부 및 제2 단부는 각각 제1 연결부재, 제2 연결부재 및 상기 제1 및 제2 연결부재들을 연결하는 결합부를 포함하고,
상기 제1 연결부재는 상기 제1 아치부 또는 제2 아치부의 일단의 높이와 동일한 레벨을 갖도록 평평한 형상으로 형성되고,
상기 결합부는 상방 또는 하방으로 경사를 갖고 형성되고,
상기 제2 연결부재는 상기 결합부의 일단의 높이와 동일한 레벨을 갖도록 평평한 형상으로 형성되고,
상기 제1 연결부재와 제2 연결부재는 서로 단차를 가지고 다른 높이에서 형성되고,
상기 제1 연결부재와 상기 결합부의 사이에 제5 연결아치부 및 상기 제2 연결부재와 상기 결합부의 사이에 제6 연결아치부를 더 포함하고,
상기 제1 곡률반경 및 상기 제2 곡률반경 중 적어도 하나는 상기 제5 연결아치부 및 제6 연결아치부의 곡률반경보다 큰 값을 갖는 것을 특징으로 하는 고성능 강섬유.
제 1 항에 있어서,
상기 제1 단부에 있어서:
상기 제1 연결부재는 제1 아치부의 일단에 연결되어, 상기 제1 아치부의 중심부보다 낮은 레벨에 형성되고,
상기 결합부는 제1 연결부재의 일단과 제2 연결부재의 사이에서 상기 제1 및 제2 연결부재를 연결하고,
상기 제2 연결부재는 상기 결합부의 일단에 연결되며,
상기 결합부는 하방으로 경사를 갖고 형성되고,
상기 제1 연결부재와 상기 제2 연결부재는 평행하게 형성되는 것을 특징으로 하는 고성능 강섬유.
제 1 항에 있어서,
상기 제2 단부에 있어서:
상기 제1 연결부재는 제2 아치부의 일단에 연결되어, 상기 제2 아치부의 중심부보다 높은 레벨에 형성되고,
상기 결합부는 제1 연결부재의 일단과 제2 연결부재의 사이에서 상기 제1 및 제2 연결부재를 연결하고,
상기 제2 연결부재는 상기 결합부의 일단에 연결되며,
상기 결합부는 상방으로 경사를 갖고 형성되고,
상기 제1 연결부재와 상기 제2 연결부재는 평행하게 형성되는 것을 특징으로 하는 고성능 강섬유.
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제 1 항에 있어서,
상기 결합부는 상기 제1 연결부재에 대해 0°이상 90°이하의 경사를 갖도록 형성되는 것을 특징으로 하는 고성능 강섬유.
제 1 항에 있어서,
상기 강섬유는 상기 연결부의 중심이 되는 점을 기준으로 대칭적인 형상을 갖는 고성능 강섬유.
제 6 항에 있어서,
상기 강섬유는:
상기 제1 아치부, 상기 제1 단부의 상기 제1 및 제2 연결부재, 상기 제2 아치부, 및 상기 제2 단부의 상기 제1 및 제2 연결부재의 각각의 중심점의 레벨이 모두 다른 것을 특징으로 하는 고성능 강섬유.
제1 방향을 향하여 볼록한 형상을 가지며, 제1 곡률반경을 갖는 제1 아치부;
상기 제1 방향과 반대되는 제2 방향을 향하여 볼록한 형상을 가지며, 제2 곡률반경을 갖는 제2 아치부;
상기 제1 아치부의 일 단과 상기 제2 아치부의 일 단을 연결하는 곡선 형상의 연결부;
상기 제1 아치부의 타 단에 연결된 제1 단부; 및
상기 제2 아치부의 타 단에 연결된 제2 단부; 를 포함하는 고성능 강섬유에 있어서,
상기 제1 단부 및 제2 단부는 각각 제1 연결부재, 제2 연결부재 및 상기 제1 및 제2 연결부재들을 연결하는 결합부를 포함하고,
상기 제1 연결부재와 제2 연결부재는 서로 단차를 가지고 다른 높이에서 형성되고,
상기 연결부는, 제3 곡률반경을 갖고 상기 제1 아치부와 연결되는 제3 아치부 및 제4 곡률반경을 갖고 상기 제2 아치부와 연결되는 제4 아치부를 포함하고,
상기 제1 아치부와 연결부 사이에 제1 연결아치부 및 제2 아치부와 연결부 사이에 제2 연결아치부를 더 포함하고,
상기 제1 연결부재와 상기 결합부의 사이에 제5 연결아치부 및 상기 제2 연결부재와 상기 결합부의 사이에 제6 연결아치부를 더 포함하고,
상기 제1 곡률반경 및 상기 제2 곡률반경 중 적어도 하나는 상기 제3 곡률반경 및 상기 제4 곡률반경 중 적어도 하나보다 큰 값을 갖고,
상기 제1 곡률반경 및 상기 제2 곡률반경 중 적어도 하나는 상기 제1 연결아치부, 제2 연결아치부, 제5 연결아치부 및 제6 연결아치부 각각의 곡률반경 중 적어도 하나보다 큰 값을 갖는 것을 특징으로 하는 고성능 강섬유.
제 8 항에 있어서,
상기 제3 아치부는 상기 제1 방향을 향하여 볼록한 형상을 갖고,
상기 제4 아치부는 상기 제2 방향을 향하여 볼록한 형상을 갖는 고성능 강섬유.
제 8 항에 있어서,
상기 제3 아치부는 상기 제2 방향을 향하여 볼록한 형상을 갖고,
상기 제4 아치부는 상기 제1 방향을 향하여 볼록한 형상을 갖는 고성능 강섬유.
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