KR20160061433A - 양호한 고정성을 갖는 고 신장성 파이버 - Google Patents

양호한 고정성을 갖는 고 신장성 파이버 Download PDF

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Abstract

본 발명은 콘크리트 또는 모르타르를 보강하기 위한 강철 파이버에 관한 것이다. 파이버는 중간 부분과 고정 단부를 갖는다. 중간 부분은 최대 하중 용량(Fm)과 최대 하중에서의 신장성(Ag +e)을 갖는다. 최대 하중에서의 신장성(Ag +e)은 적어도 2.5%이다. 강철 파이버는 최대 하중 용량(Fm)의 적어도 90%의 상기 콘크리트 또는 상기 모르타르 내에서의 고정력을 갖는다. 고정력은 고정 단부들 중 하나가 콘크리트 또는 모르타르 내에 매설되어 있는 강철 파이버의 견인-인출 테스트 동안 얻어진 최대 하중이다. 강철 파이버는 하중 지지 콘크리트 구조체에서 일반적 투여량으로 사용될 수 있다는 장점을 갖는다.

Description

양호한 고정성을 갖는 고 신장성 파이버 {HIGH ELONGATION FIBRE WITH GOOD ANCHORAGE}
본 발명은 콘트리트나 모르타르 보강을 위한 새로운 유형의 강철 파이버에 관한 것이다. 강철 파이버는 높은 신장성을 가지며, 콘크리트나 모르타르 내에 매설될 때 양호한 고정성을 달성할 수 있게 하는 고정 단부를 구비한다.
또한, 본 발명은 이런 강철 파이버를 갖는 콘크리트나 모르타르 구조체에 관한 것이다.
콘크리트 재료의 품질을 향상시키기 위해 강철 파이버로 콘크리트나 모르타르를 보강하는 것이 잘 알려져 있다.
EP-B1-851957(NV Bekaert SA)은 평탄한 후크형 단부를 구비하는 강철 파이버를 교시하고 있으며, 이러한 강철 파이버에 의해 보강된 콘크리트는 균열후 굴곡 강도가 크게 향상된다.
US-A-4883713(Eurosteel)은 강철 파이버 보강 콘크리트 내로의 강철 파이버의 고정 특성을 개선시키기 위해 원추형 단부를 구비하는 원통형 강철체를 포함하는 강철 파이버를 교시하고 있다.
이들 두 개의 인용 문헌 및 다른 문헌들은 강철 파이버 콘크리트 내로의 강철 파이버의 고정 특징부를 개선시킴으로써 종래의 강철 파이버 콘크리트의 특성이 크게 개선될 수 있다는 것을 교시한다.
콘크리트 보강을 위한 현재 알려진 종래 기술 강철 파이버는 콘크리트 구조체의 서비스-기능 한계 상태(service-ability limit state; SLS)를 개선시키기 위해 매우 양호하게 기능하며, 다시 말하면, 이들은 일반적 3개 지점 굴곡 테스트[이 테스트에 대해서는 유럽 표준 EN 14651(좌굴 인장 강도를 측정하는 금속 파이버함입 콘크리트용 테스트 방법)을 참조] 동안 통상적으로 요구되는 0.5 mm까지의 균열 또는 균열 입구 개구 변위(crack mouth opening displacement; CMOD), 예를 들어, 0.1 mm과 0.3 mm 사이의 범위의 CMOD를 매우 양호하게 가교한다.
달리 말해서, 후크형 단부를 갖는 강철 파이버와 원추형 단부를 갖는 파이버 같은 공지된 강철 파이버는 약 0.5 mm(SLS)까지의 균열의 폭 또는 균열의 성장을 제한하는 데 양호하게 기능한다.
오늘날, 이들 파이버의 단점은 극한 한계 상태(ultimate limit state; ULS)에서의 비교적 낮은 성능이다. 특히, 극한 한계 상태(ULS)와 서비스-기능 한계 상태(SLS) 균열후 강도 사이의 비율이 비교적 낮다. 이 비율은 하중값 FR ,1(CMOD = 0.5 mm)과 FR ,4(CMOD = 3.5 mm)에 의해 결정된다.
일부 종래 기술 파이버는 ULS에 요구되는 바보다 낮은 CMOD에서 끊어지기 때문에 ULS에서는 기능을 수행하지 못한다. 후크형 단부 파이버 같은 다른 파이버는 견인-인출(pull-out)되도록 설계되어 있다. 견인-인출에 의해, 이들 파이버는 작은 변위에 대해서도 이미 변위 연화 거동을 나타내게 된다.
ULS에서의 이러한 낮은 성능에도 불구하고, 현재 알려진 강철 파이버는 또한 극한 한계 상태(ULS)를 개선시키기 위해 소위 건설 분야(structural application)들에 사용될 수 있다. 이러한 분야에서, 공지된 강철 파이버는 철근(rebar), 메시, 예비 응력 및 사후 긴장 같은 고전적 보강법 대신에, 또는 고전적 보강법에 추가로, 하중을 지탱 또는 지지하는 것으로 기대된다. 그러나, 이런 하중 지지 기능의 효과를 얻기 위해, 이들 현용의 강철 파이버는 20 kg/m3 내지 40 kg/m3의 일반적 투여량을 상당히 초과하는 방대한 투여량으로 사용되어야 한다. 이러한 방대한 투여량은 혼합 같은 작업성 문제와 공간 문제를 유발할 수 있다.
본 발명의 목적은 콘크리트나 모르타르 내에 매설되면 새로운 기능을 충족시킬 수 있는 새로운 유형의 강철 파이버를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 유럽 표준 EN 14651(2005년 6월)에 따른 3개 지점 굴곡 테스트 동안 0.5 mm보다 큰 균열 입구 개구 변위를 영구적으로 가교할 수 있는 강철 파이버를 제공하는 것이다.
본 발명의 목적은 건설 분야를 위해 일반적 투여량으로 유리하게 사용될 수 있는 강철 파이버를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 인장 영역에서 이들 파이버로 보강된 콘크리트 구조체의 크립 거동을 피하거나 감소시킬 수 있는 강철 파이버를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 SLS 뿐만 아니라 ULS에서도, 변형(또는 CMOD)으로부터 파이버 내의 응력을 계산할 수 있는 강철 파이버를 제공하는 것이다. 종래의 강철 파이버는 기본적으로 두 가지 작동 메커니즘을 나타낸다.
제1 메커니즘은 예로서 EP-B1-851957로부터 알려진 바와 같은 후크형 단부를 갖는 강철 파이버 및 일부 물결형(ondulated) 파이버를 위한 것 같은 파이버가 끊어지지 않은 상태에서의 파이버 견인-인출이다. 이 경우에, CMOD와 파이버 내의 변형 사이에는 어떠한 직접적 관계도 존재하지 않는다.
두 번째 메커니즘은 파이버 파괴이다. 이 경우, 파이버는 잘 고정되어 단지 제한된 파이버 견인-인출만이 발생하지만, 파이버를 구성하는 와이어의 낮은 변형능(strain capacity)에 기인하여, 파이버가 ULS에 요구되는 것보다 낮은 CMOD에서 파괴된다. 특히, ULS와 SLS 균열후 강도 사이의 비율이 비교적 낮다. 파이버 파괴가 발생할 때, 파이버 내의 변형과 CMOD 사이에는 어떠한 직접적 관계도 존재하지 않는다.
본 발명에 따른 파이버는 콘크리트나 모르타르 내에 완전히 또는 거의 완전히 고정되지만, 파이버가 높은 파괴 변형량을 갖는 강철 와이어로 이루어지기 때문에, 이들은 ULS에 도달하기 전에 끊어지지 않는다. ULS/SLS 비율은 하나의 파이버에 대하여 1과 같거나 그 보다 크다. 본 발명에 따른 파이버에 대하여, 파이버 변형(CMOD로부터 유도됨)은 파이버를 구성하는 와이어의 변형과 거의 같고, 그래서, 종래의 파이버와는 달리 변형으로부터 하나의 파이버 내의 응력이 계산될 수 있다.
본 발명의 제1 양태에 따라서, 콘크리트 또는 모르타르를 보강하기 위한 강철 파이버가 제공된다. 강철 파이버는 중간 부분과, 중간 부분의 일 단부 또는 양 단부에 고정 단부를 갖는다. 강철 파이버의 중간 부분은 길이(L), 최대 하중 용량[Fm(N 단위)] 및 최대 하중에서의 신장성(Ag +e)을 갖는다. 본 발명에 따른 강철 파이버, 특히, 본 발명에 따른 강철 파이버의 중간 부분은 적어도 2.5%의, 최대 하중에서의 신장성을 갖는다.
본 발명에 따른 강철 파이버는 모르타르 또는 콘크리트 내에서의 고정력이 최대 하중 용량(Fm)의 적어도 90%이다.
고정력은 견인-인출 테스트 동안 달성되는 최대 하중에 의해 결정된다. 이 견인-인출 테스트를 위해, 강철 파이버는 콘크리트 또는 모르타르 내에 일 단부가 매설된다. 이 테스트를 추가로 더 상세히 설명한다.
최대 하중에서의 신장성
본 발명에 관하여, 강철 파이버, 특히, 강철 파이버의 중간 부분의 신장성을 특성화하기 위해 파괴시 신장성(At)이 아니라 최대 하중에서의 신장성(Ag +e)이 사용된다.
이유는 최대 하중이 도달되고 나면, 강철 파이버의 가용 표면의 긴축이 시작되고, 더 높은 하중이 달성되지 않기 때문이다.
최대 하중에서의 신장성(Ag +e)은 최대 하중에서의 소성 신장성(Ag)과 탄성 신장성의 합이다.
최대 하중에서의 신장성은 강철 파이버의 중간 부분의 구불구불한 특성(wavy character)(존재한다면)에 기인할 수 있는 구조적 신장성(As)을 포함하지 않는다. 구불구불한 강철 파이버의 경우에, 강철 파이버는 Ag +e가 측정되기 이전에 먼저 직선화된다.
본 발명에 따른 강철 파이버의 중간 부분의 최대 하중에서의 신장성(Ag +e)은 적어도 2.5%이다.
본 발명의 특정 실시예에 따라서, 강철 파이버의 중간 부분은 최대 하중에서의 신장성(Ag +e)이 2.75% 보다 크거나, 3.0% 보다 크거나, 3.25% 보다 크거나, 3.5% 보다 크거나, 3.75% 보다 크거나, 4.0% 보다 크거나, 4.25% 보다 크거나, 4.5% 보다 크거나, 4.75% 보다 크거나, 5.0% 보다 크거나, 5.25% 보다 크거나, 5.5% 보다 크거나, 5.75% 보다 크거나 또는 심지어 6.0% 보다 크다.
고도의 최대 하중에서의 신장성(Ag +e)은 강철 파이버를 구성하는 강철 와이어에 열처리 같은 특정 응력-경감 처리를 적용함으로써 달성될 수 있다.
최대 하중 용량(F m )-인장 강도( R m )
본 발명에 따른 강철 파이버, 즉, 본 발명에 따른 강철 파이버의 중간 부분은 높은 최대 하중 용량(Fm)을 갖는 것이 바람직하다. 최대 하중 용량(Fm)은 인장 테스트 동안 강철 파이버가 견디는 가장 큰 하중이다. 중간 부분의 최대 하중 용량(Fm)은 중간 부분의 인장 강도(Rm)에 직접적으로 관련되어 있으며, 그 이유는 인장 강도(Rm)는 최대 하중 용량(Fm)을 강철 파이버의 원래 단면적으로 나눈 값이기 때문이다.
본 발명에 따른 강철 파이버에 대하여, 강철 파이버의 중간 부분의 인장 강도는 바람직하게는 1000 MPa를 초과하고, 특히, 1400 MPa를 초과하며, 예를 들어, 1500 MPa를 초과, 예를 들어, 1750 MPa를 초과, 예를 들어, 2000 MPa를 초과, 예를 들어, 2500 MPa를 초과한다.
본 발명에 따른 강철 파이버의 높은 인장 강도는 강철 파이버가 높은 하중을 견딜 수 있게 한다.
따라서, 더 높은 인장 강도는 더 낮은 파이버 투여량으로 직접적으로 반영된다.
고정력
콘크리트 또는 모르타르 내에 매설된 고정 단부에 의해 제공되는 강철 파이버의 고정력은 견인-인출 테스트에 의해 결정된다. 특히, 고정력은 견인-인출 테스트 동안 도달되는 최대 하중에 대응한다. 견인-인출 테스트를 추가로 더 상세히 설명한다.
본 발명에 따른 강철 파이버는 콘크리트 또는 모르타르 내에서 매우 양호한(거의 완벽한) 고정을 제공한다. 본 발명에 따라서, 콘크리트 또는 모르타르 내의 강철 파이버의 고정력은 강철 파이버의 중간 부분의 최대 하중 용량(Fm)의 적어도 90%이다.
일부 실시예들에서, 고정력은 강철 파이버의 중간 부분의 최대 하중 용량(Fm)의 92%, 95%, 98% 또는 심지어 99%보다 높다.
콘크리트 내에서의 고도의 고정은 보강된 콘크리트 구조에 더 많은 잔류 강도(residual strength)를 제공하며, 이는 강철 와이어의 전체 강도의 90% 이상이 활용될 수 있기 때문이다. 실제로, 강철 파이버가 콘크리트 밖으로 미끄러져 나오는 것이 방지된다.
콘크리트 내에서의 고도의 고정은 예로서, 단부를 두껍게하거나 확장함으로서, 냉간 헤드형성(cold heading)에 의해, 강철 파이버를 평탄화함으로써, 강철 파이버의 단부에 돌출된 후크를 형성함으로써, 단부를 물결화함으로써 또는 이들의 조합에 의해, 다양한 방식으로 달성될 수 있다. 고정 단부는 예로서, 두껍게 형성된 고정 단부, 확장된 고정 단부, 냉간 헤드형성된 고정 단부, 평탄화된 고정 단부, 굴곡된 고정 단부, 물결형 고정 단부 또는 그 임의의 조합일 수 있다.
일부 고정 단부가 다른 고정 단부보다 양호하게 기능하는 이유에 관한 메커니즘은 완전히 이해되지 않으며, 고정 정도는 예로서, 수학적 모델링에 의해 예측될 수 없다. 따라서, 본 발명에 따라, 강철 파이버를 콘크리트 또는 모르타르 내부에 고정 단부가 위치되도록 매설하고, 강철 파이버에 견인-인출 테스트(하중 변위 테스트)를 수행함으로서 강철 파이버의 고정력을 결정하는 것이 제안된다. 고정력이 최대 하중 용량(Fm)의 90% 이상인 경우, 강철 파이버는 고정에 관한 본 발명의 요건들을 충족한다.
견인-인출 테스트는 이하의 단계들을 포함한다.
- 상기 콘크리트 또는 모르타르 내에, 바람직하게는, 콘트리트 또는 모르타르의 블록 내에 본 발명에 따른 강철 파이버의 고정 단부들 중 하나를 매설하는 단계. 이에 의해, 강철 파이버의 중간 부분의 일부가 콘크리트 또는 모르타르 내에 매설되고(=강철 파이버의 중간 부분의 매설된 부분), 강철 파이버의 중간 부분은 콘크리트 또는 모르타르 외부로 돌출된다(=강철 파이버의 중간 부분의 돌출 부분).
- 상기 강철 파이버의 상기 중간 부분의 상기 돌출 부분 상에 클램프를 고정하는 단계.
- 상기 클램프 상에서 변위를 이행하는 단계.
이 테스트에 의해, 하중 신장성 곡선이 기록된다.
견인-인출 테스트에서, 강철 파이버의 고정 단부 중 하나는 콘트리트 또는 모르타르 내에 완전히 매설된다.
강철 파이버의 중간 부분의 매설된 부분은 길이(L매설된 중간 부분 또는 LMP emb)를 갖는다.
클램프까지의 중간 부분의 돌출 부분은 길이(L클램프까지의 돌출 중간 부분 또는 LMP pr clamps)를 갖는다.
길이 LMP emb와 LMP pr clamps의 합은 클램프까지의 중간 부분의 길이(L클램프까지의 중간 부분 또는 LMP clamps)로서 규정된다.
바람직하게는, 강철 파이버는 50 x 50 x 50 mm, 60 x 60 x 50 mm 또는 80 x 80 x 60 mm의 콘크리트 또는 모르타르의 블록 내에 매설된다.
L매설된 중간 부분은 바람직하게는 적어도 15 mm이다.
본 발명에 따른 강철 파이버는 견인-인출 테스트에서 이러한 견인-인출 테스트 동안 얻어질 수 있는 최대 하중에서, x*L클램프까지의 중간 부분/100의 절대 변위(absolute displacement)를 가능하게 하며, 여기서, x는 적어도 2.5이다. 바람직하게는 x는 적어도 최대 하중에서의 신장성(Ag +e)과 같다.
바람직한 실시예에서, 본 발명에 따른 강철 파이버는 견인-인출 테스트에서 최대 하중에서 적어도 4*L클램프까지의 중간 부분/100, 적어도 5*L클램프까지의 중간 부분/100 또는 적어도 6*L클램프까지의 중간 부분/100의 절대 변위를 가능하게 한다.
본 발명에 따른 강철 파이버의 높은 연성 또는 높은 신장성으로 인해, 파이버는 EN 14651에 따른 3개 지점 굴곡 테스트에서 1.5 mm을 초과하는, 2.5 mm을 초과하는, 또는 3.5 mm을 초과하는 CMOD에서 끊어지지 않는다.
높은 최대 하중에서의 신장성(Ag +e) 다음으로, 본 발명에 따른 강철 파이버는 또한 고도의 고정성을 특징으로 한다. 상술한 바와 같이, 고도의 고정은 파이버의 견인-인출을 피할 수 있게 한다. 높은 최대 하중에서의 신장성과 조합된 고도의 고정성은 파이버의 견인-인출을 피할 수 있게 하며, 파이버 파괴를 피할 수 있게 한다.
본 발명에 따른 강철 파이버의 높은 인장 강도(Rm)는 강철 파이버가 높은 하중을 견딜 수 있게 한다. 높은 인장 강도와 조합된 고도의 고정성은 균열의 발생 이후 인장 강도의 더 양호한 활용이 이루어질 수 있게 한다.
따라서, 더 높은 인장 강도는 종래의 콘크리트에서는 필수적인, 파이버의 더 낮은 투여량으로 직접적으로 반영된다.
강철 파이버의 낮은 최대 변형능으로 인한 파이버 파괴 또는 견인-인출은 시간 의존적 현상이며, 인장 상태의 구조체의 크립 거동을 좌우한다. 이들 강철 파이버가 견인-인출되지 않으며 조기에 끊어지지 않기 때문에 본 발명에 따른 강철 파이버로 보강된 콘크리트의 더 낮은 크립 거동이 예상된다.
강철 파이버, 특히, 강철 파이버의 중간 부분은 통상적으로 0.10 mm 내지 1.20 mm의 범위의 직경(D)을 갖는다. 강철 파이버, 특히, 강철 파이버 중간 부분의 단면이 둥글지 않은 경우에, 이 직경은 강철 파이버의 중간 부분의 단면과 동일한 표면적을 갖는 원의 직경과 같다.
강철 파이버, 특히, 강철 파이버의 중간 부분은 통상적으로 40 내지 100의 범위의 길이 대 직경 비율(L/D)을 갖는다.
강철 파이버의 중간 부분은 직선형 또는 직선으로 둘러싸인 형상일 수 있거나, 구불구불하거나 물결형일 수 있다.
본 발명의 제2 양태에 따라서, 본 발명에 따른 강철 파이버를 포함하는 콘트리트 구조체가 제공된다.
이 콘크리트 구조체는 3 MPa를 초과하는, 예를 들어, 4 MPa를 초과하는, 예를 들어, 5 MPa, 6 MPa, 7 MPa, 7.5 MPa를 초과하는 ULS에서의 평균 균열후 잔류 강도를 갖는다.
콘크리트 구조체 내의 강철 파이버의 투여량은 반드시 그러한 것은 아니지만 바람직하게는 80 kg/m3 미만, 바람직하게는 60 kg/m3 미만이다. 콘크리트 내의 강철 파이버의 투여량은 통상적으로 20 kg/m3 내지 50 kg/m3의 범위이고, 예를 들어, 30 kg/m3 내지 40 kg/m3의 범위일 수 있다.
양호한 콘크리트 구조체들은 40 kg/m3 미만의 상기 강철 파이버의 투여량에서 5 MPa를 초과하는 ULS에서의 평균 균열후 잔류 강도를 갖는다.
본 발명의 제3 양태에 따라서, 하중 지지 콘크리트 구조체를 위한, 상술한 바와 같은 강철 파이버의 용도가 제공된다.
본 발명에 따르면, 콘크리트나 모르타르 내에 매설되면 새로운 기능을 충족시킬 수 있는 새로운 유형의 강철 파이버를 제공하는 것이 가능하다.
이제, 첨부 도면을 참조로 본 발명을 더 상세히 설명한다.
도 1은 강철 파이버의 인장 테스트(하중-변형 테스트)를 예시한다.
도 2는 콘크리트 또는 모르타르 내에 매설된 강철 파이버의 견인-인출 테스트(하중-변위 테스트)를 예시한다.
도 3의 (a) 및 도 4의 (a)는 본 발명에 따른 하나의 강철 파이버와 두 개의 종래 기술 강철 파이버의 하중-변형 곡선을 도시한다.
도 3의 (b) 및 도 4의 (b)는 본 발명에 따른 하나의 강철 파이버와 두 개의 종래 기술 강철 파이버의 하중-변위 곡선을 도시한다.
도 5a, 도 5b 및 도 5c는 본 발명에 따른 고정 단부를 구비한 강철 파이버의 예시도이다.
특정 도면을 참조로, 특정 실시예에 관련하여 본 발명을 설명하지만, 본 발명은 이에 한정되지 않으며, 단지 청구범위에 의해서만 한정된다. 설명된 도면은 단지 개략적이며, 비제한적이다. 도면에서, 일부 요소들의 크기는 과장되어 있고, 예시의 목적을 위해 축척대로 그려져 있지 않다. 이러한 치수들 및 상대적 치수들은 본 발명의 실시예에 대한 실제 감축에 대응하지 않는다.
단지 본 발명의 이해를 돕기 위해 이하의 용어들이 제공된다.
- 최대 하중 용량(Fm): 인장 테스트 동안 강철 파이버가 견디는 가장 큰 하중.
- 최대 하중에서의 신장성(%): 원래 표점 거리(gauge length)의 백분율로서 표현된 최대 힘에서의 강철 파이버의 표점 거리의 증가.
- 파괴시의 신장성(%): 원래 표점 거리의 백분율로서 표현된 파괴 순간의 표점 거리의 증가.
- 인장 강도(Rm): 최대 하중(Fm)에 대응하는 응력.
- 응력: 강철 파이버의 원래 단면적으로 나누어진 힘.
- 투여량: 소정 콘크리트 체적에 추가된 파이버의 양(kg/m3으로 표현됨).
본 발명을 예시하기 위해, 다수의 다양한 강철 파이버, 종래 기술 강철 파이버, 및 본 발명에 따른 강철 파이버가 다수의 다양한 테스트들을 받게 된다.
- 인장 테스트(하중-변형 테스트) 및
- 견인-인출 테스트(하중-변위 테스트).
인장 테스트는 강철 파이버, 특히, 강철 파이버의 중간 부분 상에 적용된다. 대안적으로, 인장 테스트는 강철 파이버를 형성하기 위해 사용되는 와이어에 적용된다.
인장 테스트는 최대 하중에서의 신장성(Ag +e)을 결정하기 위해, 그리고, 강철 파이버의 최대 하중 용량(Fm)을 결정하기 위해 사용된다.
견인-인출 테스트는 콘크리트 또는 모르타르 내에 하나의 고정 단부가 매설되어 있는 강철 파이버 상에 적용된다. 견인-인출 테스트는 콘크리트와 모르타르 내에서의 강철 파이버의 고정력을 측정하기 위해, 그리고, 콘크리트 또는 모르타르 내에 매설된 강철 파이버의 절대 변위를 결정하기 위해 사용된다.
테스트는 각각 도 1 및 도 2에 예시되어 있다.
도 1은 콘크리트 보강을 위해 구성되는 강철 파이버의 신장성을 측정하기 위한 테스트 설정(60)을 도시한다. 테스트 대상 강철 파이버의 고정 단부(예로서, 확장형 또는 후크형 단부)가 먼저 절단된다. 강철 파이버의 잔여 중간 부분(14)이 두 쌍의 클램프들(62, 63) 사이에 고정된다. 클램프들(62, 63)을 통해, 증가하는 인장력(F)이 강철 파이버의 중간 부분(14)에 작용된다. 이 증가하는 인장력(F)의 결과로서의 변위 또는 신장성은 신장계의 파지부들(64, 65)의 변위(displacement)를 측정함으로써 측정된다. L1은 강철 파이버의 중간 부분의 길이이고, 예를 들어, 50 mm, 60 mm 또는 70 mm이다. L2는 클램프들 사이의 거리이고, 예를 들어, 20 mm 또는 25 mm이다. L3은 신장계 표점 거리이고, 최소 10 mm, 예를 들어, 12 mm, 예를 들어, 15 mm이다. 강철 파이버의 중간 부분(14)에 대한 신장계의 파지를 개선시키기 위해, 강철 파이버의 중간 부분은 강철 파이버 위에서의 신장계의 미끄러짐을 피하도록 얇은 테이프로 덮여지거나 코팅될 수 있다. 이 테스트에 의해, 하중-신장성 곡선이 기록된다.
최대 하중에서의 총 신장성의 백분율은 이하의 공식에 의해 계산된다.
Figure pat00001
테스트 설정(60)의 도움으로, 다수의 다양한 와이어들이 최대 하중 용량(Fm)(파괴 하중), 인장 강도(Rm) 및 최대 하중에서의 총 신장성(Ag +e)에 대해 테스트된다. 총 10개 와이어가 테스트되었으며, 이는 9개 종래 기술 와이어들 및 1개 본 발명의 와이어이다. 표본 당 5회 테스트들이 이루어졌다. 표 1은 결과를 요약한다.
파이버 유형 직경(mm) Fm(N) Rm(MPa) Ag +e(%)
종래 기술 1 0.90 879
±8		 1382
±12		 1.37
±0.07
종래 기술 2 1.0 911
±14		 1160
±18		 1.86
±0.24
종래 기술 3 1.0 1509
±12		 1922
±15		 2.36
±0.19
종래 기술 4 1.0 873
±10		 1111
±13		 1.95
±0.21
종래 기술 5 1.0 1548
±15		 1972
±19		 1.99
±0.27
종래 기술 6 1.0 1548
±45		 1971
±58		 2.33
±0.29
종래 기술 7 0.75 533
±19		 1206
±43		 2.20
±0.24
종래 기술 8 0.9 751
±29		 1181
±46		 2.16
±0.13
종래 기술 9 0.77 1051
±20		 2562
±44		 1.88
±0.15
본 발명 와이어 0.89 1442
±3		 2318
±4		 5.06
±0.32
단지 본 발명의 와이어만이 2.5%를 초과하는 최대 하중에서의 신장성을 갖는다.
도 2는 콘크리트 내의 강철 파이버(202)의 고정성을 측정하기 위한 테스트 설정(200)를 예시한다. 강철 파이버(202)는 중간 부분(204)과 고정 단부(206)를 갖는다. 강철 파이버(202)는 콘크리트 큐브(208) 내에 그 고정 단부(206) 중 하나가 고정되어 있다. 콘크리트 큐브(208)는 예로서, 50 x 50 x 50 mm 큐브이다. 대안적으로, 큐브(208)는 60 x 60 x 50 mm 큐브 또는 80 x 80 x 60 mm 큐브이다. 큐브(208)는 예로서, 종래의 콘크리트로 이루어진다.
강철 파이버(202)는 큐브(208)의 일 표면(210)의 중심에서 그 표면(210)에 수직으로 매설된다. 이에 의해, 고정 단부(206)는 콘크리트 큐브 내에 완전히 매설된다.
콘크리트 또는 모르타르 내에 매설된 강철 파이버의 중간 부분의 길이는 L매설된 중간 부분 또는 LMP emb로서 규정되며, 222로 표시되어 있다.
클램프까지의 모르타르 또는 콘크리트 내에 매설되지 않은 강철 파이버의 중간 부분의 길이는 L클램프까지의 돌출 중간 부분 또는 LMP pr clamps로서 규정되고, 224로서 표시된다.
길이 LMP emb와 LMP pr clamps의 합은 클램프까지의 중간 부분의 길이(L클램프까지의 중간 부분 또는 LMP clamps)로서 규정되며, 226으로 표시된다.
L매설된 중간 부분은 바람직하게는 적어도 15 mm이다.
큐브(208)는 강철 파이버(202)가 관통 연장하는 중앙 개구(216)를 갖는 플랫폼(214) 상에 배치된다.
플랫폼(214)은 큐브(208) 둘레에 케이지를 구축하는 바아들(218)에 의해 보유된다. 강철 파이버(202)의 다른 단부는 절단되고, 클램프들(220)에 고정된다. 강철 파이버(202)가 끊어지거나 큐브(208)로부터 견인-인출될 때까지 강철 파이버(202) 상에 변위가 이행된다. 힘 변위 또는 하중 변위 다이어그램이 기록된다.
도 3의 (a)는 0.90 mm의 직경을 갖는 세 개의 서로 다른 강철 파이버들의 하중-변형 곡선을 도시한다.
- 하중-변형 곡선(32)은 종래 기술 와이어, 특히, 표 1의 종래 기술 와이어 1의 하중-변형 곡선이다.
- 하중-변형 곡선(33)은 제2 종래 기술 와이어, 특히, 표 1의 종래 기술 와이어 8의 하중-변형 곡선이다.
- 하중-변형 곡선(34)은 본 발명에 따른 강철 파이버를 위해 사용되는 와이어, 특히, 표 1의 본 발명 와이어의 하중-변형 곡선이다.
하중-변형 곡선은 도 1에서 설명된 바와 같은 테스트를 강철 파이버에 수행함으로써 얻어진다.
하중-변형 곡선(32) 및 하중-변형 곡선(33)은 유사하다.
하중-변형 곡선(32)은 879 N의 최대 하중 용량(Fm)을 보여준다. 이 최대 하중 용량(Fm)은 약 1382 MPa의 최대 인장 강도(Rm)에 상당한다. 하중-변형 곡선(32)은 또한 1.37%의 최대 하중에서의 신장성(Ag +e)을 나타낸다.
하중-변형 곡선(33)은 751 N의 최대 하중 용량(Fm)을 보여준다. 이 최대 하중 용량(Fm)은 약 1181 MPa의 최대 인장 강도(Rm)에 상당한다. 하중-변형 곡선(33)은 2.16%의 최대 하중에서의 신장성(Ag +e)을 나타낸다.
본 발명에 따른 강철 파이버의 하중-변형 곡선(34)을 종래 기술 강철 파이버들의 하중-변형 곡선(32, 33)에 비교할 때 두 가지 차이점들을 알 수 있다:
먼저, 최대 하중 용량(Fm)은 1400 뉴톤보다 크며, 즉, 곡선(32) 및 곡선(33)의 종래 기술 파이버의 최대 하중 용량(Fm)보다 매우 크다.
두 번째로, 최대 하중에서의 신장성(Ag +e)도 곡선(32)의 종래 기술 파이버 및 곡선(33)의 종래 기술 파이버의 최대 하중에서의 신장성(Ag +e)보다 매우 크다. 본 발명에 따른 강철 파이버의 최대 하중(Ag +e)에서의 신장성은 2.5%보다 크거나, 심지어 3.0% 또는 4.0%, 특히, 5%보다 크다.
도 3의 (b)는 도 3의 (a)의 하중-변형 테스트에서 테스트된 파이버의 하중-변위 곡선을 보여준다.
- 하중-변위 곡선(42)은 제1 종래 기술 파이버, 특히, 표 1의 종래 기술 와이어 1로 이루어진 강철 파이버의 하중-변위 곡선이며, 이 강철 파이버는 양 단부에 고정 단부로서 못머리(nail head)를 구비하고 있다.
- 하중 변위 곡선(43)은 제2 종래 기술 강철 파이버, 특히, 표 1의 종래 기술 와이어 8로 이루어진 강철 파이버의 하중-변위 곡선이며, 이 강철 파이버는 양 단부에 후크형 단부를 구비한다.
- 하중-변위 곡선(44)은 본 발명에 따른 파이버, 특히, 표 1의 본 발명 와이어로 이루어진 강철 파이버의 하중-변형 곡선에 대응하며, 이 강철 와이버는 양 단부에 고정 단부로서 못머리를 구비한다.
견인-인출 테스트 동안, 제1 종래 기술 강철 파이버(곡선 42)는 도 3의 (a)(곡선 32)에서 결정된 바와 같은 대응 와이어의 최대 하중 용량(Fm)과 대략 동일한 최대 하중(=고정력)를 보여준다. 이는 콘크리트 내에서의 파이버의 양호한 고정의 지표이다. 콘크리트 내의 파이버의 최대 하중 용량(Fm)은 비교적 작은 변위들에서 도달된다. 그러나, 제1 종래 기술 파이버는 파이버의 파괴로 인해 ULS를 위해 요구되는 CMOD보다 매우 낮은, 저 CMOD에서 파괴된다.
제2 종래 기술 파이버(곡선 43)는 완전히 다른 거동을 보여준다. 곡선(43)은 후크형 단부를 갖는 종래 기술 파이버의 견인-인출 거동에 관한 것이다. 후크형 단부는 콘크리트의 외부로 견인-인출되도록 설계되어 있다.
견인-인출 테스트 동안, 제2 종래 기술 강철 파이버(곡선 43)는 도 3의 (a)(곡선 33)에서 결정된 바와 같은 대응 와이어의 최대 하중 용량(Fm)의 매우 아래에 있는 최대 하중을 나타낸다. 강철 파이버가 견인-인출 테스트에서 추가로 하중을 받을 때, 후크는 변형되기 시작하여 콘크리트 외부로 강철 파이버가 미끄러져 나올 수 있게 한다. 이는 더 높은 변위를 초래하지만, 하중을 감소시킨다. 결과적으로, 후크형 단부를 갖는 제2 종래 기술 파이버는 강철의 전체 인장 강도를 활용하지 못한다. 파이버는 파이버의 파괴 없이 견인-인출된다.
곡선(44)을 관찰하면, 견인-인출 테스트 동안 얻어진 최대 하중은 도 3의 (a)(곡선 44)에서 결정된 바와 같은 대응 와이어의 최대 하중 용량(Fm)과 대략 동일하다. 이는 콘크리트 내에서의 본 발명에 따른 강철 파이버의 양호한 고정력의 지표이다.
곡선(44)의 강철 파이버는 견인-인출 테스트에서 이러한 견인-인출 테스트 동안 얻어질 수 있는 최대 하중에서, x*L클램프까지의 중간 부분/100의 절대 변위를 가능하게 하며, 여기서, x는 적어도 2.5이다. 바람직하게는 x는 적어도 최대 하중에서의 신장성(Ag +e)과 같다.
바람직한 실시예에서, 본 발명에 따른 강철 파이버는 견인-인출 테스트에서 최대 하중에서 적어도 4*L클램프까지의 중간 부분/100, 적어도 5*L클램프까지의 중간 부분/100 또는 적어도 6*L클램프까지의 중간 부분/100의 절대 변위를 가능하게 한다.
본 발명에 따른 강철 파이버는 EN 14651에 따른 3개 지점 굴곡 테스트에서 1.5 mm을 초과한, 2.5 mm을 초과한 또는 3.5 mm을 초과한 CMOD에서 끊어지지 않는다.
강철 파이버의 높은 인장 강도, 높은 신장성 및 양호한 고정성으로 인해, 강철 파이버는 하중을 받으면 끊어지거나 견인-인출되지 않고 거의 그 전체 인장 강도를 활용한다. 결과적으로, 더 낮은 투여량이 사용될 수 있다.
또한, 이 유형의 강철 파이버로 보강된 콘크리트는 더 낮은 크립을 보여준다.
도 4의 (a)는 각각 0.75 mm, 0.77 mm 및 0.70 mm의 직경을 갖는 세 개의 서로 다른 강철 파이버의 하중-변형 곡선을 도시한다.
- 하중-변형 곡선(35)은 표 1의 종래 기술 와이어, 특히, 표 1의 종래 기술 와이어 7의 하중-변형 곡선이다.
- 하중-변형 곡선(36)은 제2 종래 기술 와이어, 특히, 표 1의 종래 기술 와이어 9의 하중-변형 곡선이다.
-하중-변형 곡선(37)은 본 발명에 따른 강철 파이버를 위해 사용되는 와이어의 하중-변형 곡선이다.
하중-변형 곡선은 도 1에서 설명된 바와 같은 테스트를 강철 파이버에 적용함으로써 얻어졌다.
하중-변형 곡선(35)은 533 N의 최대 하중 용량(Fm)을 보여준다. 이 최대 하중(Fm)은 약 1206 MPa의 최대 인장 강도(Rm)에 상당한다. 하중-변형 곡선(35)은 또한 2.20%의 최대 하중에서의 신장성(Ag +e)을 나타낸다.
하중-변형 곡선(36)은 1051 N의 최대 하중 용량(Fm)을 보여준다. 이 최대 하중 용량(Fm)은 약 2562 MPa의 최대 인장 강도(Rm)에 상당한다. 이 와이어는 높은 카본 함량을 갖는 강철로 이루어진다. 이는 높은 최대 하중 용량(Fm)을 설명한다. 하중-변형 곡선(36)은 1.88%의 최대 하중에서의 신장성(Ag +e)을 나타낸다.
하중 변형 곡선(37)은 890 N의 최대 하중 용량(Fm)을 보여준다. 이 최대 하중(Fm)은 약 2313 MPa의 최대 인장 강도(Rm)에 상당한다. 하중-변형 곡선(35)은 또한 4%를 초과한, 예로서, 5%의 최대 하중에서의 신장성(Ag +e)을 나타낸다.
본 발명의 와이어의 하중-변형 곡선(37)을 종래 기술 와이어의 하중-변형 곡선(35, 36)과 비교할 때, 이하의 사항을 관찰할 수 있다.
- 본 발명의 와이어의 최대 하중 용량(Fm)은 두 개의 종래 기술 와이어의 최대 하중 용량(Fm)의 사이다.
- 본 발명의 와이어의 최대 하중에서의 신장성(Ag +e)은 두 개의 종래 기술 와이어의 최대 하중에서의 신장성(Ag +e)보다 매우 크다.
도 4의 (b)는 도 4의 (a)의 하중-변형 테스트에서 테스트된 파이버의 하중-변위 곡선을 보여준다.
- 하중-변위 곡선(45)은 종래 기술 파이버, 특히, 표 1의 종래 기술 와이어 7로 이루어진 강철 파이버의 하중-변위 곡선이며, 이 강철 파이버는 후크형 단부를 구비한다.
- 하중-변위 곡선(46)은 다른 종래 기술 파이버, 특히, 표 1의 종래 기술 와이어 9로 이루어진 강철 파이버의 하중-변위 곡선이며, 이 강철 파이버는 후크형 단부를 구비한다.
- 하중-변위 곡선(44)은 본 발명에 따른 파이버, 특히, 표 1의 본 발명 와이어로 이루어진 강철 파이버의 하중-변형 곡선에 대응하며, 이 파이버는 고정 단부로서 못머리를 구비한다.
견인-인출 테스트 동안, 제1 종래 기술 강철 파이버(곡선 45)는 도 4의 (a)(곡선 35)에서 결정된 바와 같은 대응 와이어의 최대 하중 용량(Fm)보다 현저히 낮은 최대 하중을 보여준다. 곡선(45)은 후크형 단부를 갖는 종래 기술 파이버의 견인-인출 거동을 보여준다. 강철 파이버가 견인-인출 테스트 중에 하중을 받으면, 후크는 변형하기 시작하여 콘크리트 외부로 강철 파이버가 미끄러져 나오게 한다. 이는 감소하는 하중에서 더 높은 변위를 초래한다. 결과적으로, 후크형 단부를 갖는 종래 기술 파이버는 강철의 전체 인장 강도를 활용하지 못한다. 파이버는 파이버의 파괴 없이 견인-인출된다.
곡선(46)은 곡선(44)과 매우 유사하다. 곡선(46)의 견인-인출 테스트에서 얻어진 최대 하중은 곡선(45)의 최대 하중보다 다소 더 높다. 곡선(45)과 유사하게, 곡선(46)의 견인-인출 테스트 중에 얻어진 최대 하중은 도 4의 (a)(곡선 36)에서 결정된 바와 같은 대응 와이어의 최대 하중 용량(Fm)보다 매우 낮다.
강철 파이버가 견인-인출 테스트에서 추가로 하중을 받게 되면, 후크는 변형되기 시작하여 강철 파이버가 콘크리트 외부로 미끄러져 나올 수 있게 한다. 이는 더 높은 변위를 초래하지만, 하중을 감소시킨다. 결과적으로, 후크형 단부를 갖는 종래 기술 강철 파이버는 강철의 전체 인장 강도를 활용하지 못한다. 파이버는 파이버의 파괴 없이 견인-인출된다.
곡선(47)을 관찰하며, 견인-인출 테스트 동안 얻어진 최대 하중은 도 4의 (a)(곡선 37)에서 결정된 바와 같은 대응 와이어의 최대 하중 용량(Fm)과 대략 동일하다. 이는 콘크리트 내에서의 본 발명에 따른 강철 파이버의 양호한 고정력의 지표이다. 비록, 곡선(46)의 강철 파이버의 중간 부분이 곡선(47)의 강철 파이버의 중간 부분보다 더 높은 하중 용량(Fm)을 갖지만, 곡선(47)의 강철 파이버의 견인-인출 테스트 동안 얻어진 최대 하중은 곡선(46)의 강철 파이버의 견인-인출 테스트 동안 얻어진 최대 하중보다 높다.
곡선(47)의 강철 파이버는 끊어지지 않거나 견인-인출되지 않고 거의 그 전체 인장 강도를 활용할 수 있는 반면, 곡선(46)의 강철 파이버는 그 강도를 활용하지 못하고 미끄러져 빠져나온다.
곡선(47)의 강철 파이버는 견인-인출 테스트에서 이러한 견인-인출 테스트 동안 얻어질 수 있는 최대 하중에서, x*L클램프까지의 중간 부분/100의 절대 변위를 가능하게 하며, 여기서, x는 적어도 2.5이다. 바람직하게는 x는 적어도 최대 하중에서의 신장성(Ag +e)과 같다.
바람직한 실시예에서, 본 발명에 따른 강철 파이버는 견인-인출 테스트에서 최대 하중에서 적어도 4*L클램프까지의 중간 부분/100, 적어도 5*L클램프까지의 중간 부분/100 또는 적어도 6*L클램프까지의 중간 부분/100의 절대 변위를 가능하게 한다.
도 5a, 도 5b 및 도 5c는 콘크리트 또는 모르타르 내에 강철 파이버가 매설되고 나면 양호한 고정력을 제공하는 본 발명에 다른 강철 파이버의 다양한 실시예들을 도시한다.
어떻게 소정의 고정 단부가 다른 고정 단부보다 양호한 작용을 하는지의 이유는 완전히 이해하지 못하고 있다. 따라서, 본 발명에 따라서, 강철 파이버의 고정 단부를 콘크리트 또는 모르타르 내에 매설하고, 강철 파이버에 견인-인출 테스트(하중 변위 테스트)를 적용함으로써 강철 파이버의 고정력을 결정할 것이 제안된다. 고정력이 최대 하중 용량(Fm)의 적어도 90%라면, 강철 파이버는 본 발명의 요건을 충족한다.
도 5a는 고정 단부(504)를 구비하는 중간 부분(503)을 갖는 강철 파이버(502)를 도시한다. 고정 단부(504)는 중간 부분(503)의 양 측부에 있다. 이들 확장된 단부(504)는 못머리에 비교될 수 있다. 도 5a 에 도시된 실시예에서, 못머리는 둥글다. 그러나, 이는 제한적인 것은 아니다. 정사각형 머리부 또는 직사각형 머리부 같은 다른 형상을 갖는 못머리도 적합하다.
도 5b는 중간 부분(507)의 양 단부에 고정 단부(508)를 구비하는 중간 부분(507)을 갖는 다른 강철 파이버(506)를 도시한다. 고정 단부(508)는 후크이다.
도 5c는 콘크리트 또는 모르타르 내에 매설되고 나면 90%를 초과하는 고정성을 제공하는 본 발명에 따른 강철 파이버(510)의 다른 실시예를 도시한다.
강철 파이버(510)는 중간 부분(511)의 양 단부에 고정 단부(512)를 구비하는 중간 부분(511)을 갖는다.
고정 단부(512)는 폐쇄 또는 실질적으로 폐쇄된 후크의 형상을 갖는다.
예로서, 본 발명에 따른 강철 파이버는 이하와 같이 제조될 수 있다.
개시 재료는 0.50 중량 백분율(wt%)의, 예로서, 0.60 wt% 이하의 최소 탄소 함량, 0.20 wt% 내지 0.80 wt%의 범위의 망간 함량, 0.10 wt% 내지 0.40 wt%의 범위의 실리콘 함량을 갖는 강철 조성과, 예를 들어 5.5 mm 또는 6.5 mm의 직경을 갖는 와이어 로드이다. 황 함량은 최대 0.04 wt%이고, 인 함량은 최대 0.04 wt%이다.
통상적 강철 조성은 0.725% 탄소, 0.550% 망간, 0.250% 실리콘, 0.015% 황 및 0.015% 인을 포함한다.
대안적 강철 조성은 0.825% 탄소, 0.520% 망간, 0.230% 실리콘, 0.008% 황 및 0.010% 인을 포함한다.
와이어 로드는 0.20 mm 내지 1.20 mm의 범위의 그 최종 직경까지 다수의 인발 단계들에서 냉간 인발된다.
최대 하중 및 파괴시의 높은 신장성을 강철 파이버에 제공하기 위해서, 이렇게 인발된 와이어는 예를 들어, 통과하는 와이어의 속도에 적응되는 길이의 고 주파수 또는 중 주파수 유도 코일을 통해 와이어를 통과시킴으로써 응력 경감 처리를 받게될 수 있다. 소정 시간 기간 동안 약 300℃의 온도에서의 열처리는 최대 하중에서의 신장성 및 파괴시 신장성을 증가시키지 않고 약 10%의 인장 강도의 감소를 초래한다는 것이 관찰되었다. 그러나, 온도를 400℃를 초과할 때까지 약간 증가시킴으로써, 인장 강도의 추가적 감소가 관찰되었고, 동시에, 최대 하중에서의 신장성의 증가 및 파괴시 신장성의 증가가 관찰되었다.
와이어는 아연 또는 아연 합금 코팅, 특히, 아연 알루미늄 코팅 또는 아연 알루미늄 마그네슘 코팅 같은 내식성 코팅으로 코팅되거나 그렇지 않을 수 있다. 인발 이전에 또는 인발 동안, 와이어는 또한 인발 작업을 용이하게 하기 위해 구리 또는 구리 합금으로 코팅될 수도 있다.
응력 경감 처리된 와이어는 그후 적당한 길이의 강철 파이버로 절단되고, 강철 파이버의 단부에 적절한 고정부가 제공되거나 두껍게 만들어진다. 또한, 적절한 압연기에 의해 하나의 동일한 작업 단계에서 절단 및 후크 성형이 이루어질수도 있다.
이렇게 얻어진 강철 파이버는 US-A-4284667에 따라 함께 접합되거나 접합되지 않을 수 있다.
추가적으로 또는 대안적으로, 얻어진 강철 파이버는 EP-B1-1383634에 따른 체인 패키지 내에 배치되거나 본 출원인의 출원 번호가 09150267.4인 유럽 특허 출원에 개시된 바와 같은 벨트형 패키지 내에 배치될 수 있다.
202: 강철 파이버
204: 중간 부분
206: 고정 단부
208: 콘크리트 큐브
214: 플랫폼
216: 중앙 개구

Claims (1)

  1. 콘크리트를 보강하기 위한 강철 파이버.
KR1020167012671A 2009-06-12 2010-06-14 양호한 고정성을 갖는 고 신장성 파이버 KR20160061433A (ko)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
EP09162571.5 2009-06-12
EP09162571 2009-06-12
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