KR20140003439A - 적어도 두 개의 절곡 섹션을 갖는 정착 단부를 가지는 콘크리트 또는 모르타르 보강용 강섬유 - Google Patents

적어도 두 개의 절곡 섹션을 갖는 정착 단부를 가지는 콘크리트 또는 모르타르 보강용 강섬유 Download PDF

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엔브이 베카에르트 에스에이
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Abstract

본 발명은 콘크리트 또는 모르타르 보강용 강섬유에 관한 것이다. 강섬유는 중간부와, 중간부의 일측 또는 양측 단부에 마련되는 정착 단부를 포함한다. 중간부는 주축을 가진다. 정착 단부는 편향 섹션에서 중간부의 주축으로부터 편향된다. 정착 단부는 n 개의 절곡 섹션을 갖되, 여기서 n은 2 이상이다. 수평면 상에서 안정적인 위치에 있는 본 발명에 따른 강섬유를 해당 수평면에 수직으로 투영하면, 정착 단부의 n 개의 절곡 섹션 모두의 해당 수평면 상에 있는 수직 투영면은 중간부의 주축의 해당 수평면 상에 있는 수직 투영면의 일 측면에 위치한다. 본 발명은 또한 본 발명에 따른 강섬유로 보강된 콘크리트 구조물 및 콘크리트의 내하중 구조물용으로 강섬유의 사용에 관한 것이다.

Description

적어도 두 개의 절곡 섹션을 갖는 정착 단부를 가지는 콘크리트 또는 모르타르 보강용 강섬유{STEEL FIBRE FOR REINFORCING CONCRETE OR MORTAR HAVING AN ANCHORAGE END WITH AT LEAST TWO BENT SECTIONS}
본 발명은 콘크리트 또는 모르타르에 매립시 우수한 정착력을 획득할 수 있도록 하는 정착 단부를 구비한 콘크리트 또는 모르타르 보강용 강섬유에 관한 것이다. 강섬유는 적어도 두 개의 절곡 섹션을 갖는 정착 단부를 가진다. 본 발명에 따른 강섬유는 콘크리트나 모르타르에 매립시 사용 한계 상태(SLS)와 종국 한계 상태(ULS)에서 우수한 성능을 나타낸다. 본 발명은 또한 이런 강섬유를 포함하는 콘크리트 또는 모르타르 구조물에 관한 것이다.
콘크리트는 낮은 인장 강도와 낮은 변형 성능을 갖는 취성 재료이다. 인장 강도 및 변형 성능과 같은 콘크리트의 물성을 개선하기 위해 섬유 보강 콘크리트, 보다 자세하게는 금속성 섬유 보강 콘크리트가 개발되었다. 섬유 농도, 섬유 기하구조 및 섬유 종횡비와 같은 섬유의 물성이 보강 콘크리트의 성능에 크게 영향을 미친다는 것이 기술분야에 공지되어 있다.
섬유 기하구조에 대해서는, 직선 형상과 다른 형상을 갖는 섬유가 보다 우수한 콘크리트 또는 모르타르 내 섬유 정착을 제공한다는 것이 공지되어 있다. 또한, 콘크리트나 모르타르에 첨가되거나 혼합될 때, 볼을 형성하는 경향을 보이지 않는 섬유가 바람직하다는 것이 공지되어 있다. 상이한 섬유 기하구조의 다양한 예가 기술분야에 공지되어 있다. 예컨대 전체 길이나 일부 길이에 걸쳐 파형을 이루는 섬유가 있다. 전체 길이에 걸쳐 파형을 이루는 강섬유의 예는 WO84/02732에 설명되어 있다. 또한 후크 형상 단부를 갖는 섬유가 기술분야에 공지되어 있다. 이런 섬유는 예컨대 US 3,942,955에 설명되어 있다. 마찬가지로, 예컨대 두께 확장 섹션 및/또는 평탄화 섹션이 마련된 섬유와 같이 단면 프로필이 길이에 걸쳐 변화하는 섬유가 있다. 두께 확장 섹션이 마련된 강섬유의 예는 US 4,883,713에 설명된 바와 같이 각 말단에 네일 헤드(nail head) 형상의 두께 확장부를 갖는 강섬유이다. 일본 특허 6-294017는 전체 길이에 걸쳐 강섬유를 평탄화하는 것을 설명한다. 독일 실용신안 G9207598은 후크 형상 단부를 갖는 강섬유의 중간부만을 평탄화하는 것을 설명한다. US 4,233,364는 평탄화된 단부가 제공되고 해당 평탄화 단부에 실질적으로 수직한 평면에 플랜지가 마련되는 단부를 구비하는 직선형 강섬유를 설명한다. 평탄화된 후크 형상 단부를 갖는 강섬유는 EP 851957과 EP 1282751을 통해 공지되어 있다.
현재 공지된 종래 기술의 콘크리트 보강용 섬유는 산업용 바닥재, 분사식 콘크리트, 포장재(pavement) 등과 같은 공지된 적용 분야에서는 매우 우수한 기능을 발휘한다. 그러나, 현재 공지된 종래 기술의 섬유의 단점은 섬유가 소량 또는 중간 정도의 투여량으로 사용될 때 종국 한계 상태(ULS)에서의 성능이 비교적 낮다는 것이다. 빔과 고가 슬래브처럼 보다 과중한 구조적 적용례의 경우에는, 필수적인 ULS에서의 성능을 제공하기 위해 통상 0.5 vol%(40 kg/㎥)부터 보통 1.5 vol%(120 kg/㎥)에 이르는 다량의 투여량이 사용된다. 투여량이 많아지면 강섬유 보강 콘크리트의 혼합 및 타설이 용이하게 이루어지지 않는다. 몇몇 종래 기술의 섬유는 ULS에 요구되는 것보다 낮은 크랙 개구 변위(CMOD)시에 파단되기 때문에 ULS에서는 기능을 발휘하지 못한다. 후크 형상 단부를 갖는 섬유와 같은 다른 섬유는 인발되도록 구성되기 때문에 ULS에서 제대로 기능을 발휘하지 못한다.
본 발명의 목적은 종래 기술의 단점을 방지하는 콘크리트 또는 모르타르 보강용 강섬유를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 유럽 규격 EN 14651(2005년 6월)에 따른 3점 굽힘 시험(three point bending test) 중에 0.5 mm보다 크거나, 1 mm보다 크거나, 1.5 mm보다 크거나, 2 mm보다 크거나, 2.5 mm보다 크거나 심지어는 3 mm보다 큰 크랙 개구 변위를 브리징할 수 있는 강섬유를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 우수한 콘크리트 또는 모르타르 내 정착력을 나타내는 강섬유를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 콘크리트 또는 모르타르에 혼합될 때 볼을 형성하는 경향을 나타내지 않는 강섬유를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 구조적 적용례에 유리하게 사용될 수 있되, 강섬유가 소량 또는 중간 정도의 투여량, 통상적으로 1 vol% 또는 0.5 vol%의 투여량으로 사용되는 강섬유를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 인장 영역에서 이들 섬유로 보강된 크랙 발생 콘크리트의 크리프 거동을 저감하거나 방지할 수 있도록 하는 강섬유를 제공하는 것이다.
본 발명의 제1 양태에 따르면, 콘크리트 또는 모르타르 보강용 강섬유가 제공된다. 강섬유는 직선형 중간부와, 중간부의 일측 또는 양측 단부에 마련되는 정착 단부를 포함한다. 중간부는 주축을 가진다. 정착 단부는 편향 섹션에서 중간부의 주축으로부터 편향된다. 정착 단부는 편향 섹션에 의해 중간부에 연결된다. 정착 단부는 n 개의 절곡 섹션을 가지는데, 여기서 n은 2 이상이다. 수평면 상에서 안정적인 위치에 있는 본 발명에 따른 강섬유를 해당 수평면에 수직으로 투영하면, 정착 단부의 n 개의 절곡 섹션 모두의 해당 수평면 상에 있는 수직 투영면은 중간부 주축의 해당 수평면 상에 있는 수직 투영면의 일 측면에 위치한다.
편향 섹션은 곡률 반경을 가진다. 또한 각각의 절곡 섹션은 소정의 곡률 반경을 가진다. 즉, 제1 절곡 섹션은 제1 곡률 반경을 가지고, 제2 절곡 섹션은 제2 곡률 반경을 가지고, 제3 절곡 섹션은 (존재하는 경우) 제3 곡률 반경을 가지며, n번째 절곡 섹션은 (존재하는 경우) n번째 곡률 반경을 가진다.
위에 명시된 바와 같이, 본 발명에 따른 강섬유의 정착 단부는 적어도 n 개의 절곡 섹션을 가지는데, 여기서 n은 2 이상이다. 특정 실시예에서, 본 발명에 따른 강섬유의 정착 단부는 2개 초과의 절곡 섹션을 포함할 수 있다. 원칙적으로, 본 발명에 따른 강섬유의 정착 단부에 마련되는 절곡 섹션의 개수에는 제한이 없다. 그러나, 가장 바람직한 실시예는 두 개의 절곡 섹션, 세 개의 절곡 섹션 또는 네 개의 절곡 섹션을 가진다. 편향 섹션도 절곡 섹션으로 간주할 수 있기 때문에, 본 발명에 따른 강섬유는 각 정착 단부당 n+1 개의 절곡 섹션, 즉 하나의 편향 섹션과 n 개의 절곡 섹션을 가진다. 두 개의 정착 단부를 갖는 강섬유는 2×(n+1) 개의 절곡 섹션을 가진다.
편향 섹션은 강섬유의 중간부에 정착 단부를 연결하고, 정착 단부가 강섬유의 중간부의 주축으로부터 편향되도록 한다. "편향"은 직선에서 벗어나는 것, 즉 강섬유의 중간부의 주축으로부터 벗어나는 것을 의미한다.
수평면 상에서 안정적인 위치에 있는 본 발명에 따른 강섬유를 해당 수평면에 수직으로 투영하면, 정착 단부의 n 개의 절곡 섹션 모두의 해당 수평면 상에 있는 수직 투영면은 중간부 주축의 해당 수평면 상에 있는 수직 투영면의 일 측면에 위치한다. 즉, 정착 단부의 n 개의 절곡 섹션 모두는 중간부의 해당 수평면 상에 있는 수직 투영면의 일 측면 또는 강섬유의 중간부의 주축으로부터 연장되는 선의 해당 수평면 상에 있는 수직 투영면의 일 측면에 위치한다.
바람직하게는, 본 발명에 따른 강섬유가 수평면 상에서 안정적인 위치에 있을 때, 정착 단부의 n 개의 절곡 섹션의 해당 수평면 상에 있는 수직 투영면 중 어느 것도 주축의 수직 투영면 또는 상기 주축으로부터 연장되는 선의 수직 투영면에 위치하지 않는다. 이는 오직 편향 섹션의 해당 수평면 상에 있는 수직 투영면만이 주축의 해당 수평면 상에 있는 수직 투영면에 적어도 부분적으로 위치한다는 것을 의미한다.
"안정적인 위치"는 강섬유가 수평면 상에 놓일 때 강섬유가 고수하는 위치를 의미한다.
편향 섹션과 절곡 섹션의 곡률 반경은 바람직하게는 0.1 mm와 5 mm 사이, 예컨대 0.5 mm와 3 mm 사이, 예컨대 1 mm, 1.2 mm 또는 2 mm이다. 편향 섹션의 곡률 반경과 강섬유의 정착 단부의 다른 절곡 섹션의 곡률 반경은 서로 독립적으로 선택될 수 있다. 이는 편향 섹션의 반경, 제1 절곡 섹션의 반경, 제2 절곡 섹션의 반경 및 임의의 추가 절곡 섹션(존재할 경우)의 반경이 동일하거나 상이할 수 있다는 것을 의미한다.
본 발명에 따른 강섬유의 예는 정착 단부가 중간부의 주축으로부터 편향되도록 하는 편향 섹션과, 두 개의 절곡 섹션, 즉 제1 절곡 섹션 및 제2 절곡 섹션을 갖는 정착 단부를 가지는 강섬유를 포함한다. 정착 단부는 편향 섹션에서 중간부의 일측 단부에 연결된다. 제1 절곡 섹션은 편향 섹션에 연결되고 제2 절곡 섹션은 제1 절곡 섹션에 연결된다. 제1 예에서, 제1 절곡 섹션은 편향 섹션에 직접 연결되고 제2 절곡 섹션은 제1 절곡 섹션에 직접 연결된다. 본 발명에 따른 강섬유의 대안 예는 정착 단부가 중간부의 주축으로부터 편향되도록 하는 편향 섹션과, 제1 절곡 섹션 및 제2 절곡 섹션을 갖는 정착 단부를 가지는 강섬유를 포함한다. 정착 단부는 편향 섹션에서 중간부의 일측 단부에 연결된다. 제1 절곡 섹션은 제1 직선 섹션에 의해 편향 절곡 섹션에 연결되고 제2 절곡 섹션은 제2 직선 섹션에 의해 제1 절곡 섹션에 연결된다.
연속하는 두 절곡 섹션 사이에 위치하는 직선 섹션의 길이는 바람직하게는 0.1 mm와 5 mm 사이, 예컨대 0.5 mm 또는 2 mm이다. "연속하는 절곡 섹션"은 서로 번갈아 이어지는 절곡 섹션을 의미한다.
연속하는 두 절곡 섹션 사이에 위치하는 상이한 직선 섹션의 길이는 서로 독립적으로 선택될 수 있다. 이는 상이한 직선 섹션이 동일한 길이나 상이한 길이를 가질 수 있다는 것을 의미한다. 일례는 직선 섹션을 갖되, 모든 직선 섹션이 2 mm의 길이를 가지는 강섬유를 포함한다. 대안 예는 0.5 mm의 길이를 갖는 제1 직선 섹션(즉, 편향 섹션과 제1 절곡 섹션 사이의 직선 섹션)과 2 mm의 길이를 갖는 제2 직선 섹션(즉, 제1 절곡 섹션과 제2 절곡 섹션 사이의 직선 섹션)을 가지는 강섬유를 포함한다.
본 발명에 따른 강섬유는 중간부의 일측 단부에 하나의 정착 단부를 구비할 수 있다. 바람직하게는, 강섬유는 강섬유의 양측 단부에 정착 단부를 구비한다. 강섬유가 중간부의 양측 단부에 정착 단부를 구비하는 경우, 두 정착 단부는 동일하거나 상이할 수 있다.
중간부의 양측 단부에 정착 단부를 가지는 강섬유의 경우, 양측 정착 단부는 강섬유의 중간부의 주축으로부터 동일한 방향으로 절곡(편향)될 수 있다(대칭 섬유). 대안으로서, 일측 정착 단부는 강섬유의 중간부의 주축으로부터 일 방향으로 절곡(편향)되는 반면, 타측 정착 단부는 강섬유의 중간부의 주축으로부터 반대 방향으로 절곡(편향)될 수 있다(비대칭 섬유).
본 발명에 따른 강섬유에 있어, 중간부와 정착 단부는 바람직하게는 일 평면상에 위치하거나 실질적으로 일 평면상에 위치한다. 다른 정착 단부는, 만약 존재한다면, 일 평면상에 위치하거나 다른 평면상에 위치할 수 있다.
본 발명에 따른 강섬유의 장점은 콘크리트 또는 모르타르와 혼합될 때 응집하지 않는다는 것이다. 이로 인해 강섬유는 콘트리트 또는 모르타르 전체에 균질하게 분포할 수 있다. 이에 반해 중간부의 주축의 대향하는 양 측면에 연속하는 절곡부를 가지거나 연속하는 절곡부를 갖되 한 절곡부는 중간부의 주축상에 위치하는 강섬유는 혼합 중에 응집하는 경향이 있다. 강섬유가 응집하게 되면 강섬유는 콘크리트 전체에 불균질하게 분포된다.
본 발명에 따른 강섬유는 중간 또는 소량의 투여량, 즉 1 vol% 미만이나 0.5 vol% 미만, 예컨대 0.25 vol%의 투여량으로 사용될 때 콘크리트나 모르타르 구조물의 사용 한계 상태(SLS)와 종국 한계 상태(ULS) 양쪽 모두에서 특히 잘 기능한다.
콘트리트 내의 섬유의 양을 증가시키면 섬유 보강 콘크리트의 성능에 긍정적인 영향을 미친다는 것이 기술분야에 공지되어 있다. 본 발명의 큰 장점은 중간 또는 소량의 강섬유 투여량으로 SLS와 ULS에서 우수한 성능을 얻는다는 것이다. 본 발명에서, 강섬유 보강 콘크리트의 ULS 및 SLS에서의 성능을 평가하기 위해 사용되는 재료 물성은 잔류 굽힘 인장 강도(fR ,i)이다. 잔류 굽힘 인장 강도는 소정의 크랙 개구 변위(CMOD) 또는 미드스팬 처짐(deflection)(δR)에서의 하중으로부터 도출된다. 잔류 굽힘 인장 강도는 (본 출원에서 후술되는) 유럽 표준 EN 14651에 따른 3점 굽힘 테스트에 의해 판정된다. 잔류 굽힘 인장 강도(fR ,1)는 CMOD1=0.5 mm(δR,1=0.46 mm)에서 판정되고, 잔류 굽힘 인장 강도(fR ,2)는 CMOD2=1.5 mm(δR,2=1.32 mm)에서 판정되고, 잔류 굽힘 인장 강도(fR ,3)는 CMOD3=2.5 mm(δR,3=2.17 mm)에서 판정되고, 잔류 굽힘 인장 강도(fR ,4)는 CMOD4=3.5 mm(δR,1=3.02 mm)에서 판정된다. 잔류 굽힘 인장 강도(fR ,1)는 SLS 구성의 핵심 요건이다. 잔류 굽힘 인장 강도(fR ,3)는 ULS 구성의 핵심 요건이다.
기술분야에 공지된 강섬유와 달리 본 발명에 따른 강섬유에 있어서는, 1 vol% 미만의 투여량이나 0.5 vol% 미만의 투여량, 예컨대 0.25 vol%와 같은 소량 또는 중간 정도의 강섬유 투여량이 사용될 때에도, 잔류 굽힘 인장 강도(fR ,3)와 잔류 굽힘 인장 강도(fR ,1) 간의 비율(fR ,3/fR ,1)이 높다. 본 발명에 따른 섬유에 있어, 1 vol% 미만의 투여량이나 0.5 vol% 미만의 투여량, 예컨대 0.25 vol%의 투여량이 사용될 때, 비율(fR ,3/fR ,1)은 바람직하게는 1보다 크고, 보다 바람직하게는 1.05보다 크거나 예컨대 1.2 또는 1.3처럼 1.15보다 크다.
0.5 vol%의 투여량을 사용하여 본 발명에 따른 강섬유로 보강된 콘크리트에 있어, C35/45를 사용하는 잔류 굽힘 인장 강도(fR ,3)는 3.5 MPa보다 높고, 바람직하게는 5 MPa보다 높고, 보다 바람직하게는 6 MPa보다 높게, 예컨데 7 MPa이다.
예컨대 저탄소강 와이어로 제조되는 원추 형상 단부(네일 헤드)를 갖는 강섬유와 같은 기술분야에 공지된 섬유는 폭 또는 성장이 약 0.5 mm까지로 제한되는 경우(SLS)에는 제대로 기능한다. 그러나 이들 섬유는 ULS에서는 성능이 떨어진다. 이 유형의 강섬유는 ULS에 요구되는 것보다 낮은 크랙 마우스 개구 변위에서 파단된다. 보통 강도 콘크리트, 예컨대 C35/45 콘크리트에 중간 정도의 투여량으로 사용될 때, 비율(fR ,3/fR ,1)은 1보다 낮다. 기술 분야에 공지된 다른 섬유는 예컨대 EP 851957을 통해 공지된 것과 같은 후크 형상 단부를 갖는 섬유로서, 이 섬유는 인발되도록 구성된다. 이 유형의 섬유에 있어서도 보통 강도의 콘크리트에 중간 투여량으로 투여하는 경우에 비율(fR ,3/fR ,1)은 1보다 낮다.
최대 하중 용량( F m )-인장 강도( R m )
본 발명에 따른 강섬유, 즉 본 발명에 따른 강섬유의 중간부의 중앙 섹션은 바람직하게는 높은 최대 하중 용량(Fm)을 가진다. 최대 하중 용량(Fm)은 인장 시험 중에 강섬유가 견디는 최대 하중이다. 인장 강도(Rm)는 최대 하중 용량(Fm)을 강섬유의 원래 단면적으로 나눈 것이기 때문에, 중간부의 최대 하중 용량(Fm)은 중간부의 인장 강도(Rm)와 직접적인 관련이 있다. 본 발명에 따른 강섬유에 있어, 강섬유의 중간부의 인장 강도는 바람직하게는 1000 MPa를 초과하고, 보다 바람직하게는 예컨대 1500 MPa 초과, 예컨대 1750 MPa 초과, 예컨대 2000 MPa 초과, 예컨대 2500 MPa 초과와 같이 1400 MPa를 초과한다. 본 발명에 따른 강섬유의 높은 인장 강도로 인해 강섬유는 고하중을 견딜 수 있다. 따라서 보다 높은 인장 강도는 보다 적은 섬유 투여량으로 직접 반영된다. 그러나 높은 인장 강도를 갖는 강섬유를 사용하는 것은 강섬유가 콘트리트 내 우수한 정착력을 나타내는 경우에만 의미가 있다.
최대 하중 신장도
바람직한 실시예에 따르면, 본 발명에 따른 강섬유, 보다 자세하게는 본 발명에 따른 강섬유의 중간부는 적어도 2.5%의 최대 하중 신장도(Ag +e)를 가진다. 본 발명의 특정 실시예에 따르면, 강섬유의 중간부는 2.75%보다 높거나, 3.0%보다 높거나, 3.25%보다 높거나, 3.5%보다 높거나, 3.75%보다 높거나, 4.0%보다 높거나, 4.25%보다 높거나, 4.5%보다 높거나, 4.75%보다 높거나, 5.0%보다 높거나, 5.25%보다 높거나, 5.5%보다 높거나, 5.75%보다 높거나, 심지어 6.0%보다 높은 최대 하중 신장도(Ag+e)를 가진다.
본 발명의 맥락에서는, 강섬유, 보다 자세하게는 강섬유의 중간부의 신장도를 특징짓기 위해 파단시 신장도(At)가 아니라 최대 하중 신장도(Ag+e)가 사용된다. 그 이유는 일단 최대 하중에 도달하고 나면 강섬유의 가용 표면의 수축이 시작되어 보다 높은 하중이 흡수되지 않기 때문이다. 최대 하중 신장도(Ag+e)는 최대 하중시 소성 신장도(Ag)와 탄성 신장도의 합이다. 최대 하중 신장도는 강섬유의 중간부의 파형 특성(존재하는 경우)에 기인할 수 있는 구조적 신장도(As)를 포함하지 않는다. 파형 강섬유의 경우에는 Ag +e를 측정하기 전에 먼저 강섬유를 곧게 편다.
고도의 최대 하중 신장도(Ag+e)는 강섬유의 재료가 되는 강 와이어에 대해 열처리와 같은 특정 응력 완화 처리를 가함으로써 얻을 수 있다. 이 경우, 강섬유의 적어도 중간부는 응력 완화 상태에 있다.
높은 연성(ductility) 또는 높은 최대 하중 신장도(Ag+e)를 가지는 강섬유가 바람직하며, 이런 섬유는 EN 14651에 따른 3점 굽힘 시험시 0.5 mm를 초과하거나, 1.5 mm를 초과하거나, 2.5 mm를 초과하거나, 3.5 mm를 초과하는 CMOD에서 파단되지 않는다.
정착력
바람직하게는, 본 발명에 따른 강섬유는 콘크리트 또는 모르타르 내 고도의 정착력을 가진다. 강섬유의 중간부에 본 발명에 따른 정착 단부를 마련함으로써 콘크리트 또는 모르타르 내 강섬유의 정착력이 현저히 향상된다. 고도의 정착력은 섬유의 인발을 방지한다. 높은 최대 하중 신장도와 조합된 고도의 정착력은 섬유의 인발을 방지하고, 섬유 파괴를 방지하며, 인장시 콘크리트의 취성 파괴를 방지한다. 높은 인장 강도와 조합된 고도의 정착력은 크랙의 발생 후에 인장 강도가 보다 잘 활용될 수 있도록 한다.
본 발명에 따른 강섬유는 예컨대 1000 MPa보다 높은 인장 강도(Rm)와 적어도 1.5%의 최대 하중 신장도(Ag +e), 적어도 1000 MPa의 인장 강도(Rm)와 적어도 2.5%의 최대 하중 신장도(Ag +e) 또는 적어도 1000 MPa의 인장 강도(Rm)와 적어도 4%의 최대 하중 신장도(Ag +e)를 가진다. 바람직한 실시예에서, 강섬유는 예컨대 적어도 1500 MPa의 인장 강도(Rm)와 적어도 1.5%의 최대 하중 신장도(Ag +e), 적어도 1500 MPa의 인장 강도(Rm)와 적어도 2.5%의 최대 하중 신장도(Ag +e) 또는 적어도 1500 MPa의 인장 강도(Rm)와 적어도 4%의 최대 하중 신장도(Ag+e)를 가진다. 보다 바람직한 실시예에서, 강섬유는 예컨대 적어도 2000 MPa의 인장 강도(Rm)와 적어도 1.5%의 최대 하중 신장도(Ag +e), 적어도 2000 MPa의 인장 강도(Rm)와 적어도 2.5%의 최대 하중 신장도(Ag +e) 또는 적어도 2000 MPa의 인장 강도(Rm)와 적어도 4%의 최대 하중 신장도(Ag +e)를 가진다. 높은 인장 강도(Rm)를 갖는 섬유는 고하중을 견딜 수 있다. 높은 최대 하중 신장도(Ag+e)를 특징으로 하는 섬유는 EN 14651에 따른 3점 굽힘 시험시 0.5 mm를 초과하거나, 1.5 mm를 초과하거나, 2.5 mm를 초과하거나, 3 mm를 초과하는 CMOD에서 파단되지 않는다.
강섬유의 중간부는 직선 또는 일직선형일 수 있거나, 파상 또는 파형일 수 있다. 바람직하게는, 강섬유의 중간부는 직선 또는 일직선형이다. 중간부가 파상 또는 파형인 경우, 중간부의 주축은 선 위의 상부 파상 또는 파형부의 총 면적이 선 아래의 파상 또는 파형부의 총 면적과 동일하도록 파상 또는 파형 중간부를 가로지르는 선으로 정의된다.
강섬유, 보다 자세하게는 중간부는 원형 단면, 실질적으로 원형 단면, 직사각형 단면, 실질적으로 직사각형 단면, 타원형 단면, 실질적으로 타원형 단면 등과 같은 임의의 단면을 가질 수 있다.
강섬유, 보다 자세하게는 강섬유의 중간부는 통상적으로는 0.10 mm와 1.20 mm 사이, 예컨대 0.5 mm와 1 mm 사이, 보다 자세하게는 0.7 mm 또는 0.9 mm의 직경(D)을 가진다. 강섬유, 보다 자세하게는 강섬유의 중간부의 단면이 라운드형이 아닌 경우, 직경은 강섬유의 중간부의 단면과 동일한 표면적을 갖는 원의 직경과 동일하다. 강섬유, 보다 자세하게는 강섬유의 중간부는 통상적으로 40 내지 100 범위의 길이 대 직경비(L/D)를 가진다. 강섬유의 길이는 예컨대 50 mm, 55 mm, 60 mm 또는 65 mm이다. 강섬유의 길이는 강섬유의 총 길이, 즉 중앙부의 길이와 정착 단부 또는 정착 단부들의 길이의 합을 의미한다. 중간부는 바람직하게는 25 mm보다 긴 길이, 예컨대 30 mm보다 길거나, 40 mm보다 길거나 또는 45 mm보다 긴 길이를 가진다.
강섬유 또는 강섬유의 일부는 평탄화되거나 하나 이상의 평탄화 섹션을 구비할 수 있다. 예컨대 중간부, 중간부의 일부, 정착 단부 또는 정착 단부의 일부는 평탄화되거나 하나 이상의 평탄화 섹션을 구비할 수 있다. 중간부에 하나 이상의 평탄화 섹션이 마련되는 경우, 평탄화 섹션 또는 섹션들은 바람직하게는 정착 단부 또는 정착 단부들에 가깝지만 바로 인접하지 않게 위치한다.
제2 양태에 따르면, 본 발명에 따른 강섬유로 보강된 콘크리트 구조물을 포함하는 보강 콘크리트 구조물이 제공된다. 보강 콘크리트 구조물은 본 발명에 따른 강섬유에 추가하여 전통적인 보강재(예컨대 전응력(pre-stressed) 보강재 또는 후인장(post-tensioned) 보강재)로 보강되거나 보강되지 않을 수 있다.
본 발명에 따른 강섬유로 보강된 보강 콘크리트 구조물에 있어, 잔류 굽힘 인장 강도(fR ,3)/잔류 굽힘 인장 강도(fR ,1) 비율(fR ,3/fR ,1)은 바람직하게는 1보다 높고, 보다 바람직하게는 1,05보다 높거나, 1.15보다 높거나, 1.2보다 높은, 예컨대 1.3이다. 소량의 강섬유 투여량, 예컨대 1 vol% 미만의 투여량, 0.5 vol% 미만의 투여량 또는 심지어 0.25 vol%의 투여량으로 강섬유가 사용될 때에도 이 비율에 도달하게 된다.
본 발명에 따른 강섬유를 사용하는 보강 콘크리트 구조물의 잔류 굽힘 인장 강도(fR ,3)는 바람직하게는 3.5 MPa보다 높고, 보다 바람직하게는 잔류 굽힘 인장 강도(fR ,3)는 4.5 MPa보다 높거나, 5 MPa보다 높거나, 심지어는 6 MPa보다 높다.
본 발명에 따른 섬유로 보강된 콘크리트 구조물은 3 MPa를 초과하는, 예컨대 4 MPa를 초과하거나, 예컨대 5 MPa를 초과하거나, 6 MPa를 초과하거나, 7 MPa를 초과하거나, 7.5 MPa를 초과하는 ULS에서의 평균 크랙 후 잔류 강도를 가진다. 본 발명에 따른 강섬유를 사용함으로써, 3 MPa를 초과하거나 4 MPa를 초과하는 ULS에서의 평균 크랙 후 잔류 강도를 갖는 콘크리트 구조물이 C35/45 콘크리트를 사용하고 1 vol% 미만이나 심지어는 0.5 vol% 미만의 투여량을 사용하여 획득될 수 있다. 본 발명에 따르면 바람직한 보강 콘크리트 구조물은 C35/45 콘크리트를 사용하고 1 vol% 미만이나 심지어는 0.5 vol% 미만의 투여량을 사용하여 5 MPa를 초과하는 ULS에서의 평균 크랙 후 잔류 강도를 가진다.
3 MPa 또는 5 MPa를 초과하는 ULS에서의 평균 크랙 후 잔류 강도를 가지는 보강 콘크리트 구조물은 현재 존재하고 있다는 것에 주의해야 한다. 그러나 기술분야에 공지된 이들 보강 콘크리트 구조물은 보통 강도 콘크리트 또는 고강도 콘트리트에서 다량의 투여량(0.5 vol% 초과 또는 1 vol% 초과)의 강섬유를 사용하거나, 고강도 콘크리트에서 중간 투여량의 고강도 섬유를 사용한다.
제3 양태에 따르면, 콘크리트의 내하중(load carrying) 구조물용으로 본 발명에 따른 강섬유를 사용하는 것이 제시된다.
이하, 첨부도면을 참조하여 본 발명을 보다 상세히 설명한다.
도 1은 강섬유의 인장 시험(하중-변형 시험)을 도시한다.
도 2는 3점 굽힘 시험(하중-크랙 개구 변위 곡선 또는 하중-처짐 곡선)을 도시한다.
도 3은 하중-크랙 마우스 개구 변위 곡선을 도시한다.
도 4, 도 5, 도 6 및 도 7은 본 발명에 따른 다수의 상이한 강섬유를 도시한다.
도 8과 도 9는 본 발명의 요건을 충족하지 못하는 정착 단부를 구비한 다수의 상이한 강섬유를 도시한다.
도 10a, 도 10b, 도 10c, 도 10d 및 도 10e는 본 발명에 따른 강섬유의 몇몇 추가 실시예와 몇몇 종래 기술의 강섬유를 도시한다.
특정 도면을 참조하고 특정 실시예와 관련하여 본 발명을 설명하지만 본 발명은 이에 한정되지 않으며 오직 특허청구범위에 의해서만 한정된다. 설명되는 도면은 단지 개략적인 것일 뿐 제한적인 것은 아니다. 도면에서 몇몇 요소의 크기는 예시의 목적상 과장될 수 있으며 일정 비례로 작도되지 않을 수 있다. 치수 및 상대 치수는 본 발명의 사실상의 실체화에 대응하지 않는다.
다음의 용어는 단지 본 발명의 이해를 돕기 위해서만 제시된다.
- 최대 하중 용량(Fm): 강섬유가 인장 시험 중에 견디는 최대 하중,
- 최대 하중 신장도(%): 원래 게이지 길이의 백분율로 표시되는 것으로, 최대 힘에서의 강섬유의 게이지 길이의 증가도,
- 파단시 신장도(%): 원래 게이지 길이의 백분율로 표시되는 것으로, 파단 순간에서의 게이지 길이의 증가도,
- 인장 강도(Rm): 최대 하중(Fm)에 대응하는 응력,
- 응력: 강섬유의 원래 단면적으로 나뉘어진 힘
- 투여량: 콘크리트의 체적에 첨가되는 섬유의 양((kg/㎥ 또는 vol%로 표시((1 vol%는 78.5 kg/㎥에 대응하고, 0.5 vol%는 40 kg/㎥에 대응한다),
- 보통강도 콘크리트: EN206에 규정된 C50/60 강도 등급의 콘크리트의 강도 이하의 강도를 갖는 콘트리트,
- 고강도 콘크리트: EN206에 규정된 C50/60 강도 등급의 콘크리트의 강도보다 높은 강도를 갖는 콘트리트.
본 발명을 실증하기 위해 다수의 상이한 강섬유, 종래 기술의 강섬유와 본 발명에 따른 강섬유 양자를 대상으로 다음과 같은 두 가지의 상이한 시험을 실시한다.
- 인장 시험(하중-변형 시험)
- 3점 굽힘 시험(하중-크랙 마우스 개구 변위 곡선 또는 하중-처짐 곡선)
인장 시험은 강섬유, 보다 자세하게는 강섬유의 중간부를 대상으로 실시된다. 대안으로서 인장 시험은 강섬유를 제조하기 위해 사용되는 와이어를 대상으로 실시된다. 인장 시험은 강섬유의 최대 하중 용량(Fm)을 판정하고 최대 하중 신장도(Ag+e)를 판정하기 위해 사용된다. 3점 굽힙 시험은 EN 14651에 명시된 노치 보강빔을 대상으로 실시된다. 이 시험은 잔류 인장 강도를 판정하기 위해 사용된다. 이들 시험은 도 1과 도 2에 각각 예시되어 있다.
도 1은 강섬유의 인장 시험(하중-변형 시험)의 시험 배치(60)를 도시한다. 시험 배치(60)의 도움을 받아, 강섬유를 대상으로 최대 하중 용량(Fm)(파단 하중), 인장 강도(Rm) 및 최대 하중시 총 신장도(Ag+e)에 관한 시험을 실시한다. 먼저 테스트되어질 대상 강섬유의 정착 단부(예컨대 확장 단부 또는 후크 형상 단부)를 절단한다. 강섬유의 잔여 중간부(14)를 두 쌍의 클램프(62, 63) 사이에 고정한다. 증가한 인장력(F)을 클램프(62, 63)를 통해 강섬유의 중간부(14)에 인가한다. 이 증가한 인장력(F)으로 인한 변위 또는 신장을 신장계의 그립(64, 65)의 변위를 측정함으로써 측정한다. L1은 강섬유의 중간부(14)의 길이이고 예컨대 50 mm, 60 mm 또는 70 mm이다. L2는 클램프 사이의 거리이고 예컨대 20 mm 또는 25 mm이다. L3은 신장계의 게이지 길이이고 최소 10 mm, 예컨대 12 mm, 예컨대 15 mm이다. 신장계의 강섬유의 중간부(14)에 대한 파지를 향상시키기 위해, 강섬유의 중간부는 신장계가 강섬유 상에서 미끄러지는 것을 방지하도록 얇은 테이프로 코팅되거나 피복될 수 있다. 이 시험에 의해 하중-신장 곡선이 기록된다. 최대 하중시 총 신장율은 다음 공식에 의해 계산된다.
Figure pct00001
도 1의 배치(60)의 도움을 받아, 다수의 상이한 와이어를 대상으로 최대 하중 용량(Fm)(파단 하중), 인장 강도(Rm) 및 최대 하중시 총 신장도(Ag+e)에 관한 시험을 실시한다. 시료당 5회의 시험을 실시한다. 표 1은 시험 대상 와이어의 개관을 제시한다.
외이어 유형 탄소 함량 직경(mm) Fm(N) Rm(MPa) Ag +e(%)
1 저 1.0 911 1160 1.86
2 저 0.9 751 1181 2.16
3 고 0.89 1442 2318 5.06
4 중 0.75 533 1206 2.20
5 중 0.90 944 1423 1.84
저탄소강은 최대 0.15%, 예컨대 0.12%의 탄소 함량을 갖는 강으로 정의되고, 중탄소강은 0.15%와 0.44% 사이, 예컨대 0.18%의 탄소 함량을 갖는 강으로 정의되며, 고탄소강은 0.44%보다 높은 탄소 함량, 예컨대 0.5% 또는 0.6%의 탄소 함량을 갖는 강으로 정의된다.
도 2는 3점 굽힘 시험의 실험 배치(200)를 도시한다. 150×150×600 mm의 분광 시료(210)를 사용하여 유럽 표준 EN 14651에 따라 28일 동안 3점 굽힘 시험을 실시하였다. 시료(210)의 미드스팬에는, 크랙을 국지화하기 위해 다이아몬드 블레이드를 사용하여 25 mm의 깊이를 갖는 단일 노치(212)를 새겼다. 배치는 두 개의 지지 롤러(214, 216)와 하나의 로딩 롤러(218)를 포함한다. 본 배치는 제어된 방식으로 작동할 수 있다. 즉, 일정 비율의 변위(CMOD 또는 처짐)를 일으킬 수 있다. 본 시험은 EN 14651에 명시된 변위 비율로 실시되었다. 하중-크랙 개구 변위 곡선 또는 하중-처짐 곡선을 기록하였다. 하중-크랙 개구 변위 곡선(302)의 예는 도 3에 제시되어 있다.
잔류 굽힘 강도(fR ,i)(i=1, 2, 3, 4)는 EN 14651에 따라 평가되고 다음 수식에 의해 계산될 수 있다.
Figure pct00002
여기서, FR ,i는 CMOD=CMODi 또는 δ=δR,i(i=1, 2, 3, 4)에 대응하는 하중이고,
b는 시료의 폭(mm)이고,
hsp는 노치의 선단부와 시료의 상면 사이의 거리(mm)이고,
L은 시료의 경간 거리(mm)이다.
이하, 본 발명에 따른 강섬유의 몇몇 실시예를 설명한다.
도 4에는 제1 강섬유(400)가 도시되어 있다. 강섬유(400)는 주축(404)을 가지는 중간부(402)를 포함한다. 강섬유(400)는 중간부(402)의 각 단부에 하나씩 두 개의 정착 단부(406, 408)를 구비한다. 정착 단부(406, 408)는 편향 섹션(410)에서 중간부(402)의 주축(404)으로부터 편향된다. 정착 단부(406, 408)는 제1 절곡 섹션(410)에서 주축(404)으로부터 편향된다. 도 4에 도시된 실시예에서, 양측 정착 단부는 중간부(402)의 주축(404)으로부터 동일한 방향으로 편향된다. 그러나 기술분야의 기술자라면 각각 다른 방향으로 편향되는 정착 단부를 가지는 실시예도 고려할 수 있다는 것을 분명히 알 것이다. 양측 정착 단부(406, 408)는 두 개의 절곡 섹션, 즉 제1 절곡 섹션(420)과 제2 절곡 섹션(422)을 가진다. 제1 절곡 섹션(420)은 제1 직선 섹션(412)에 의해 편향 섹션(410)에 연결되고, 제2 절곡 섹션(422)은 제2 직선 섹션(414)에 의해 제1 절곡 섹션(422)에 연결된다. 정착 단부(406, 408)는 제2 절곡 섹션(422)에 연결되는 제3 직선 섹션(416)을 추가로 포함한다. 제2 직선 섹션(414)은 절곡 섹션(420)에서 중간부(402)의 주축(404)을 향해 절곡되고, 제3 직선 섹션(416)은 절곡 섹션(422)에서 중간부(402)의 주축(404)으로부터 멀리 절곡된다. 수평면 상에서 안정적인 위치에 있는 강섬유(400)를 해당 수평면에 수직으로 투영하면, 제1 절곡 섹션(420)과 제2 절곡 섹션(422)의 수직 투영면은 강섬유(400)의 중간부(402)의 주축(404)의 해당 수평면 상에 있는 수직 투영면의 일 측면에 위치한다. 제1 절곡 섹션(420)이나 제2 절곡 섹션(422)의 수직 투영면 중 어느 것도 강섬유(400)의 중간부(402)의 주축(404)의 수직 투영면 상에 위치하지 않는다.
도 5에는 본 발명에 따른 강섬유(500)의 제2 실시예가 도시되어 있다. 강섬유(500)는 주축(504)을 가지는 중간부(502)를 포함한다. 강섬유(500)는 중간부(502)의 각 단부에 하나씩 두 개의 정착 단부(506, 508)를 구비한다. 양측 정착 단부(506, 508)는 편향 섹션(510)에서 주축(504)으로부터 편향된다. 도 5에 도시된 실시예에서, 양측 정착 단부는 중간부(502)의 주축(504)으로부터 대향 방향으로 편향된다. 양측 정착 단부(506, 508)는 세 개의 절곡 섹션, 즉 제1 절곡 섹션(520), 제2 절곡 섹션(522) 및 제3 절곡 섹션(524)을 가진다. 제1 절곡 섹션(520)은 제1 직선 섹션(512)에 의해 편향 섹션(510)에 연결되고, 제2 절곡 섹션(522)은 제2 직선 섹션(514)에 의해 제1 절곡 섹션(520)에 연결되며, 제3 절곡 섹션(524)은 제3 직선 섹션(516)에 의해 제2 절곡 섹션(522)에 연결된다. 정착 단부(506, 506)는 제3 절곡 섹션(524)에 연결되는 제4 직선 섹션(418)을 추가로 포함한다. 제2 직선 섹션(514), 제3 직선 섹션(516) 및 제4 직선 섹션은 각각 제1 절곡 섹션(520), 제2 절곡 섹션(522) 및 제3 절곡 섹션(524)에서 모두 중간부(502)의 주축(504)으로부터 멀리 절곡된다. 수평면 상에서 안정적인 위치에 있는 강섬유(500)를 해당 수평면에 수직으로 투영하면, 제1 절곡 섹션(520), 제2 절곡 섹션(522) 및 제3 절곡 섹션(524)의 수직 투영면은 강섬유(500)의 중간부(502)의 주축(504)의 해당 수평면 상에 있는 수직 투영면의 일 측면에 위치한다. 제1 절곡 섹션(520), 제2 절곡 섹션(522) 또는 제3 절곡 섹션의 수직 투영면 중 어느 것도 강섬유(500)의 중간부(502)의 주축(504)의 수직 투영면 상에 위치하지 않는다.
도 6에는 본 발명에 따른 강섬유(600)의 제3 실시예가 도시되어 있다. 강섬유(600)는 주축(604)을 가지는 중간부(602)를 포함한다. 강섬유(600)는 중간부(602)의 각 단부에 하나씩 두 개의 정착 단부(606, 608)를 구비한다. 양측 정착 단부(606, 608)는 편향 섹션(610)에서 주축(604)으로부터 편향된다. 도 6에 도시된 실시예에서, 양측 정착 단부는 중간부(602)의 주축(604)으로부터 상반된 방향으로 편향된다. 양측 정착 단부(606, 608)는 두 개의 절곡 섹션, 즉 제1 절곡 섹션(620) 및 제2 절곡 섹션(622)을 가진다. 제1 절곡 섹션(620)은 제1 직선 섹션(612)에 의해 편향 섹션(610)에 연결되고, 제2 절곡 섹션(622)은 제2 직선 섹션(614)에 의해 제1 절곡 섹션(620)에 연결된다. 정착 단부(606, 606)는 제2 절곡 섹션(622)에 연결되는 제3 직선 섹션(616)을 추가로 포함한다. 제2 직선 섹션(614)은 중간부(602)의 주축(604)과 평행하게 또는 실질적으로 평행하게 배향된다. 제3 직선 섹션(624)은 절곡 섹션(622)에서 중간부(602)의 주축(604)으로부터 멀리 절곡된다. 수평면 상에서 안정적인 위치에 있는 강섬유(600)를 해당 수평면에 수직으로 투영하면, 제1 절곡 섹션(520)과 제2 절곡 섹션(622)의 수직 투영면은 강섬유(500)의 중간부(502)의 주축(604)의 해당 수평면 상에 있는 수직 투영면의 일 측면에 위치한다. 제1 절곡 섹션(620)이나 제2 절곡 섹션(622)의 수직 투영면 중 어느 것도 강섬유(600)의 중간부(602)의 주축(604)의 수직 투영면상에 위치하지 않는다.
도 7은 본 발명에 따른 강섬유(700)의 추가 실시예를 도시한다. 강섬유(700)는 중간부(702)의 각 단부에 하나씩 두 개의 정착 단부(706, 708)를 구비한다. 양측 정착 단부는 편향 섹션(710)에서 주축(704)으로부터 편향된다. 양측 정착 단부(706, 708)는 두 개의 절곡 섹션, 즉 제1 절곡 섹션(712) 및 제2 절곡 섹션(714)을 가진다. 제1 절곡 섹션(712)은 편향 섹션(710)에 직접 연결되고, 제2 절곡 섹션(714)은 제1 절곡 섹션(712)에 직접 연결된다. 수평면 상에서 안정적인 위치에 있는 강섬유(700)를 해당 수평면에 수직으로 투영하면, 제1 절곡 섹션(712)과 제2 절곡 섹션(714)의 해당 수평면 상에 있는 수직 투영면은 강섬유(700)의 중간부의 주축(704)의 해당 수평면 상에 있는 수직 투영면의 일 측면에 위치한다.
도 8과 도 9는 본 발명의 요건을 충족하지 못하는 강섬유의 두 실시예를 도시한다. 도 8은 주축(804)을 갖는 중간부(802)를 가지는 강섬유(800)를 도시한다. 강섬유(800)는 중간부(802)의 각 단부에 하나씩 두 개의 정착 단부(806, 808)를 구비한다. 양측 정착 단부는 편향 섹션(810)에 의해 중간부(802)에 연결된다. 양측 정착 단부(806, 808)는 세 개의 직선 섹션, 즉 제1 직선 섹션(812), 제2 직선 섹션(814) 및 제3 직선 섹션(816)을 포함한다. 정착 단부(806, 808)는 두 개의 절곡 섹션, 즉 제1 절곡 섹션(820) 및 제2 절곡 섹션(822)을 포함한다. 수평면 상에서 안정적인 위치에 있는 강섬유(800)를 해당 수평면에 수직으로 투영하면, 제1 절곡 섹션(820)과 제2 절곡 섹션(822)의 해당 수평면 상에 있는 수직 투영면은 강섬유(800)의 중간부(802)의 주축(804)의 수직 투영면의 대향하는 양 측면에 위치한다. 이 유형의 강섬유의 단점은 이들 섬유가 혼합 중에 응집하는 경향이 있다는 것이다. 혼합 중에 강섬유가 서로 얽혀 볼이 형성된다. 그 결과, 강섬유는 콘크리트나 모르타르에 균질하게 분포하지 못하게 된다.
도 9는 주축(904)을 갖는 중간부(902)를 가지는 강섬유(900)를 도시한다. 강섬유는 중간부(902)의 각 단부에 하나씩 두 개의 정착 단부(906, 908)를 구비한다. 양측 정착 단부(906, 908)는 편향 섹션(910)에 의해 중간부(902)에 연결된다. 양측 정착 단부(906, 908)는 두 개의 절곡 섹션, 즉 제1 절곡 섹션(912) 및 제2 절곡 섹션(914)을 포함한다. 제1 절곡 섹션(912)은 편향 섹션(910)에 직접 연결되고, 제2 절곡 섹션(914)은 제1 절곡 섹션(912)에 직접 연결된다. 수평면 상에서 안정적인 위치에 있는 강섬유(900)를 해당 수평면에 수직으로 투영하면, 제1 절곡 섹션(912)의 해당 수평면 상에 있는 수직 투영면은 강섬유(900)의 중간부(902)의 주축(904)의 수직 투영면의 일 측면에 위치한다. 제2 절곡 섹션(914)의 해당 수평면 상에 있는 수직 투영면은 강섬유(900)의 중간부(902)의 주축(904)의 수직 투영면 상에 위치한다. 이 유형의 강섬유의 단점은 이들 섬유가 혼합 중에 응집하는 경향이 있다는 것이다. 혼합 중에 강섬유가 서로 얽혀 볼이 형성된다. 그 결과 강섬유는 콘크리트나 모르타르에 균질하게 분포하지 못하게 된다.
도 2의 배치(200)의 도움을 받아, 콘크리트 내에 투여된 다수의 상이한 강섬유(FIB1 내지 FIB5)의 성능을 시험한다. 본 시험에서는 C35/45 콘크리트에 강섬유를 매립한다. 경화 시간은 28일이었다. 테스트 대상 강섬유의 개관은 표 2에 제시되어 있다. 선행 기술의 강섬유(FIB1, FIB5)의 시험 결과는 표 3에 제시되어 있다. 본 발명에 따른 강섬유(FIB2, FIB3, FIB4)의 시험 결과는 표 4에 제시되어 있다. 강섬유는 강섬유의 길이, 강섬유 제조에 사용되는 와이어의 유형, 강섬유의 직경(보다 자세하게는 강섬유의 중간부의 직경), 정착 단부의 직선 섹션의 개수, 중간부의 주축과 제1 직선 섹션의 주축 사이의 끼인각, 중간부를 향한 제2 직선 섹션의 배향, 제2 직선 섹션의 주축과 제3 직선 섹션의 주축 사이의 끼인각, 중간부를 향한 제4 직선 섹션의 배향, 제4 직선 섹션의 주축과 제5 직선 섹션의 주축 사이의 끼인각에 의해 특정된다. 상이한 섬유의 기하구조는 도 10a 내지 도 10e에 도시되어 있다. 모든 시험 대상 섬유(1000)는 중간부(1004)의 양측 단부에 정착 단부(1002)를 구비한다. FIB1와 FIB5는 종래 기술의 섬유이다. FIB1는 두 개의 직선 섹션과 하나의 절곡 섹션을 갖는 정착 단부를 가지는 저탄소 섬유이다(도 10a). FIB5는 정착 단부로서 네일 헤드를 양측 단부에 가지는 섬유이다(도 10e). FIB2, FIB3 및 FIB4는 본 발명에 따른 섬유이다. FIB2는 두 개의 절곡 섹션과 세 개의 직선 섹션을 갖는 정착 단부를 가진다(도 10b). FIB3는 세 개의 절곡 섹션과 네 개의 직선 섹션을 갖는 정착 단부를 가진다(도 10c). FIB4는 네 개의 절곡 섹션과 다섯 개의 직선 섹션을 갖는 정착 단부를 가진다(도 10d).
공통 정점을 갖는 두 직선 섹션은 두 개의 각을 한정한다. 이들 두 각의 합은 360°이다. 본 발명의 목적상, 공통 정점을 갖는 두 직선 섹션에 의해 한정되는 두 개의 각 중 최소각은 "끼인각"으로 지칭된다. 이는 중간부의 주축과 제1 직선 섹션의 주축 사이의 끼인각이 중간부의 주축과 제1 직선 섹션의 주축에 의해 형성되는 각으로 정의된다는 것을 의미한다. 마찬가지로, 제2 직선 섹션의 주축과 제3 직선 섹션의 주축 사이의 끼인각은 제2 직선 섹션의 주축과 제3 직선 섹션의 주축에 의해 형성된다.
도 10a에 도시된 강섬유(1000)는 중간부(1004)와, 중간부(1004)의 양측 단부에 마련되는 정착 단부(1002)를 포함한다. 중간부(1004)는 주축(1003)을 가진다. 각각의 정착 단부(1002)는 편향 섹션(1005)에서 중간부(1004)의 주축(1003)으로부터 편향된다. 각각의 정착 단부(1002)는 제1 직선 섹션(1006), 제1 절곡 섹션(1007) 및 제2 직선 섹션(1008)을 포함한다. 중간부(1004)의 주축(1003)과 제1 직선 섹션(1006)의 주축 사이의 끼인각은 α로 표시된다. 제2 직선 섹션(1008)은 중간부(1004)의 주축(1003)과 평행하거나 실질적으로 평행하다.
도 10b에 도시된 강섬유(1000)는 중간부(1004)와, 중간부(1004)의 양측 단부에 마련되는 정착 단부(1002)를 포함한다. 중간부는 주축(1003)을 가진다. 각각의 정착 단부(1002)는 편향 섹션(1005)에서 중간부(1004)의 주축(1003)으로부터 편향된다. 각각의 정착 단부(1002)는 제1 직선 섹션(1006), 제1 절곡 섹션(1007), 제2 직선 섹션(1008), 제2 절곡 섹션(1009) 및 제3 직선 섹션(1010)을 포함한다. 중간부(1004)의 주축(1003)과 제1 직선 섹션(1006)의 주축 사이의 끼인각은 α로 표시된다. 제2 직선 섹션(1008)의 주축과 제3 직선 섹션(1010)의 주축 사이의 끼인각은 β로 표시된다. 제2 직선 섹션(1008)은 중간부(1004)의 주축(1003)과 평행하거나 실질적으로 평행하다.
도 10c에 도시된 강섬유(1000)는 중간부(1004)와, 중간부(1004)의 양측 단부에 마련되는 정착 단부(1002)를 포함한다. 중간부는 주축(1003)을 가진다. 각각의 정착 단부(1002)는 편향 섹션(1005)에서 중간부(1002)의 주축(1003)으로부터 편향된다. 각각의 정착 단부(1002)는 제1 직선 섹션(1006), 제1 절곡 섹션(1007), 제2 직선 섹션(1008), 제2 절곡 섹션(1009), 제3 직선 섹션(1010), 제3 절곡 섹션(1011) 및 제4 직선 섹션(1012)을 포함한다. 중간부(1004)의 주축(1003)과 제1 직선 섹션(1006)의 주축 사이의 끼인각은 α로 표시된다. 제2 직선 섹션(1008)의 주축과 제3 직선 섹션(1010)의 주축 사이의 끼인각은 β로 표시된다. 제2 직선 섹션(1008)과 제4 직선 섹션은 중간부(1004)의 주축(1003)과 평행하거나 실질적으로 평행하다.
도 10d에 도시된 강섬유(1000)는 중간부(1004)와, 중간부(1004)의 양측 단부에 마련되는 정착 단부(1002)를 포함한다. 중간부(1004)는 주축(1003)을 가진다. 각각의 정착 단부(1002)는 편향 섹션(1005)에서 중간부(1004)의 주축(1003)으로부터 편향된다. 각각의 정착 단부(1002)는 제1 직선 섹션(1006), 제1 절곡 섹션(1007), 제2 직선 섹션(1008), 제2 절곡 섹션(1009), 제3 직선 섹션(1010), 제3 절곡 섹션(1011), 제4 직선 섹션(1012), 제4 절곡 섹션(1013) 및 제5 직선 섹션(1014)을 포함한다. 중간부(1004)의 주축(1003)과 제1 직선 섹션(1006)의 주축 사이의 끼인각은 α로 표시된다. 제2 직선 섹션(1008)의 주축과 제3 직선 섹션(1010)의 주축 사이의 끼인각은 β로 표시된다. 제4 직선 섹션(1012)의 주축과 제5 직선 섹션(1014)의 주축 사이의 끼인각은 γ로 표시된다. 제2 직선 섹션(1008)과 제4 직선 섹션(1012)은 중간부(1004)의 주축(1003)과 평행하거나 실질적으로 평행하다.
도 10e에 도시된 섬유는 중간부(1004)와, 중간부(1004)의 양측 단부에 마련되는 정착 단부(1002)를 포함한다. 정착 단부(1002)는 네일 헤드를 포함한다.
섬유 유형 길이
(mm)		 와이어
유형		 직경
(mm)		 직선 섹션의 개수 α
(각도)		 중간부 주축과 평행한 제2 직선섹션(유/무) β
(각도)		 중간부 주축과 평행한 제4 직선섹션(유/무) γ
(각도)		 도면
FIB1 60 2 0.90 2 140 유 / / / 도 10a
FIB2 60 3 0.89 3 140 유 140 / / 도 10b
FIB3 60 3 0.89 4 140 유 140 유 / 도 10c
FIB4 60 3 0.89 5 140 유 140 유 140 도 10d
FIB5 54 1 1.00 / / / / / / 도 10e
α: 중간부의 주축과 제1 직선 섹션의 주축 사이의 끼인각
β: 제2 직선 섹션의 주축과 제3 직선 섹션의 주축 사이의 끼인각
γ: 제4 직선 섹션의 주축과 제5 직선 섹션의 주축 사이의 끼인각
섬유 유형 투여량
(kg/㎥)		 fL fR ,1 fR ,2 fR ,3 fR ,3/fR ,1
FIB1 40 5.48 3.75 3.85 3.68 0.98
FIB5 40 5.80 4.11 4.31 2.83 0.69
섬유 유형 투여량
(kg/㎥)		 fL fR ,1 fR ,2 fR ,3 fR ,3/fR ,1
FIB2 40 5.81 5.02 6.01 5.89 1.17
FIB3 40 5.79 5.76 7.40 7.46 1.30
FIB3 20 5.56 3.06 3.51 3.54 1.16
FIB4 40 5.89 5.23 6.65 6.75 1.29
표 3과 표 4로부터, 종래 기술의 섬유(FIB1, FIB5)의 비율(fR ,3/fR ,1)은 1 미만인 반면, 본 발명에 따른 강섬유(FIB2, FIB3, FIB4)의 비율(fR ,3/fR ,1)은 1보다 높다는 결론을 내릴 수 있다. 종래 기술의 섬유(FIB1, FIB5)의 잔류 굽힘 인장 강도(fR ,1, fR ,2, fR ,3)는 낮다. 즉, 본 발명에 따른 섬유(FIB2, FIB3, FIB4)의 잔류 굽힘 인장 강도(fR ,1, fR ,2, fR ,3)보다 현저히 낮다. 40 kg/㎥의 투여량을 사용하는 본 발명에 따른 강섬유(FIB2, FIB3, FIB4)와 40 kg/㎥의 투여량을 사용하는 종래 기술의 강섬유(FIB1, FIB5)를 비교하면, 본 발명에 따른 강섬유의 잔류 굽힘 인장 강도(fR ,1, fR ,2, fR ,3)가 종래 기술의 강섬유보다 현저히 높다.
강섬유(FIB3)는 두 가지 다른 투여량, 즉 20 kg/㎥과 40 kg/㎥으로 시험한다. 20 kg/㎥의 섬유 투여량이 사용될 때에도 비율(fR ,3/fR ,1)은 1을 초과한다. 이는 이런 강섬유가 (응력-크랙 개구 계열이 아니라 응력-변형 계열의) 전통적인 보강 철근과 같은 거동을 보인다는 것을 의미한다.
강섬유(FIB2, FIB3, FIB4)를 비교하면, 직선 섹션의 개수를 세 개에서 네 개로 증가시킴으로써 잔류 굽힘 인장 강도(fR ,1, fR ,2, fR ,3)가 증가한다는 결론을 내릴 수 있다. 직선 섹션의 개수를 세 개에서 네 개로 증가시킴으로써 비율(fR ,3/fR ,1)도 또한 증가한다. 직선 섹션의 개수를 네 개에서 다섯 개로 증가시키면 잔류 굽힘 인장 강도(fR ,1, fR ,2, fR ,3)와 비율(fR ,3/fR ,1)은 더 이상 증가하지 않는다. 놀랍게도, 네 개의 직선 섹션을 갖는 정착 단부를 가지는 강섬유가 가장 우수한 성능을 나타낸다.
정착력을 판정하기 위해 표 2의 강섬유를 대상으로 인발 시험을 실시하면, (네 개의 직선 섹션을 갖는) 강섬유(FIB3)가 가장 우수한 콘크리트 내 정착력을 가진다.
예로서, 본 발명에 따른 강섬유는 다음과 같이 제조될 수 있다. 출발 재료는 예컨대 5.5 mm 또는 6.5 mm의 직경을 갖는 와이어 로드와, 0.50 중량%(wt%), 예컨대 0.60 wt% 이상의 최소 탄소 함량, 0.20 wt% 내지 0.80 wt%의 망간 함량, 0.10 wt% 내지 0.40 wt%의 실리콘 함량을 가지는 강 조성물이다. 황 함량은 최대 0.04 wt%이고 인 함량은 최대 0.04 wt%이다. 통상의 강 조성물은 0.725%의 탄소, 0.550%의 망간, 0.250%의 실리콘, 0.015%의 황 및 0.015%의 인을 포함한다. 대안적인 강 조성물은 0.825%의 탄소, 0.520%의 망간, 0.230%의 실리콘, 0.008%의 황 및 0.010%의 인을 포함한다. 와이어 로드는 최종 직경이 0.20 mm 내지 1.20 mm가 될 때까지 다수의 인발 단계에서 냉간 인발된다. 높은 파단시 신장도 및 최대 하중 신장도를 강섬유에 부여하기 위해, 이와 같이 인발된 와이어는 예컨대 와이어의 통과 속도에 적합화된 길이를 갖는 고주파수 또는 중주파수 유도 코일에 와이어를 통과시킴으로써 응력-완화 처리를 받을 수 있다. 소정의 시간 동안 약 300℃의 온도에서 열 처리를 가하면 파단시 신장도와 최대 하중 신장도가 증가하지 않으면서 인장 강도가 약 10% 감소하는 것으로 관찰되었다. 그러나 400℃를 초과하는 온도까지 온도를 약간 높이면 추가적인 인장 강도의 감소가 관찰되고, 동시에 파단시 신장도와 최대 하중 신장도가 증가하는 것으로 관찰된다.
와이어는 아연 또는 아연 합금 코팅, 보다 자세하게는 아연 알루미늄 코팅 또는 아연 알루미늄 마그네슘 코팅과 같은 내식성 코팅으로 코팅되거나 코팅되지 않을 수 있다. 인발 작업을 용이하게 하기 위해, 와이어는 인발 이전이나 인발 중에 구리 또는 구리 합금 코팅으로 코팅될 수도 있다.
이어서 응력 완화된 와이어는 적당한 길이의 강섬유로 절단되고, 강섬유의 단부에는 적절한 정착부 또는 두께 확장부가 마련된다. 절단 및 후크 성형은 적절한 롤을 사용하여 하나의 동일한 작업 단계에서 수행될 수 있다.
이와 같이 획득된 강섬유는 US-A-4284667에 따라 서로 접착되거나 접착되지 않을 수 있다.
이에 추가하여 또는 이를 대신하여, 획득된 강섬유는 연쇄 패키지 또는 벨트형 패키지 내에 배치될 수 있다. 연쇄 패키지는 예컨대 EP-B1-1383634에 개시되어 있고, 벨트형 패키지는 본 출원인의 유럽특허출원 제09150267.4호에 개시되어 있다.

Claims (12)

  1. 직선형 중간부와 상기 중간부의 일측 또는 양측 단부에 마련되는 정착 단부를 포함하되, 상기 중간부는 주축을 가지며, 상기 정착 단부는 편향 섹션에서 상기 중간부의 상기 주축으로부터 편향되며, 상기 정착 단부는 n 개의 절곡 섹션을 갖되 여기서 n은 2 이상이며, 상기 강섬유는 수평면 상에서 안정적인 위치에 있을 때 상기 수평면 상의 수직 투영면을 한정하며, 상기 수평면 상의 상기 수직 투영면에서, 상기 정착 단부의 상기 n 개의 절곡 섹션 모두의 수직 투영면은 상기 주축의 수직 투영면의 일 측면에 위치하는 콘크리트 또는 모르타르 보강용 강섬유.
  2. 제1항에 있어서, 상기 수평면 상에 있는 상기 수직 투영면에서, 상기 n 개의 절곡 섹션의 수직 투영면 중 어느 것도 상기 주축의 수직 투영면 또는 상기 주축으로부터 연장되는 선의 수직 투영면 상에 위치하지 않는 콘크리트 또는 모르타르 보강용 강섬유.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 강섬유의 상기 중간부는 적어도 1000 MPa의 인장 강도(Rm)를 가지는 콘크리트 또는 모르타르 보강용 강섬유.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 중간부는 적어도 2.5%의 최대 하중 신장도(Ag +e)를 가지는 콘크리트 또는 모르타르 보강용 강섬유.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 강섬유는 응력 완화 상태에 있는 콘크리트 또는 모르타르 보강용 강섬유.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 강섬유의 상기 중간부는 적어도 하나의 평탄화 섹션을 구비하는 콘크리트 또는 모르타르 보강용 강섬유.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 강섬유의 상기 중간부는 0.1 mm 내지 1.20 mm의 직경(D)을 가지는 콘크리트 또는 모르타르 보강용 강섬유.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 강섬유는 40 내지 100 범위의 길이 대 직경비(L/D)를 가지는 콘크리트 또는 모르타르 보강용 강섬유.
  9. 제1항 내지 제7항 중 하나 이상의 항에 따른 강섬유로 보강된 콘크리트 구조물.
  10. 제13항에 있어서, 잔류 굽힘 인장 강도(fR ,3)를 잔류 굽힘 인장 강도(fR ,1)로 나눈 비율(fR ,3/fR ,1)이 상기 강섬유의 투여량이 1 vol% 미만일 때 1보다 높은 콘크리트 구조물.
  11. 제13항 또는 제14항에 있어서, 잔류 굽힘 인장 강도(fR ,3)는 상기 강섬유의 투여량이 1 vol% 미만일 때 5 MPa보다 높거나 심지어 6 MPa보다 높은 콘크리트 구조물.
  12. 콘크리트의 내하중 구조물용으로 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 따른 강섬유의 사용.
KR1020137015356A 2010-12-15 2011-12-14 적어도 두 개의 절곡 섹션을 갖는 정착 단부를 가지는 콘크리트 또는 모르타르 보강용 강섬유 KR20140003439A (ko)

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