KR20210047372A - 보강 바 및 그의 제조방법 - Google Patents

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KR20210047372A
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Abstract

본 발명은 바람직하기로는 양생된 매트릭스 내에 내장된 현무암, 탄소, 유리 섬유, 등으로 형성되는 다수의 연속적이며 평행한 섬유로 이루어지고, 바람직하기로는 20 mm 내지 200 mm의 평균 길이 및 2 mm 내지 10 mm의 평균 직경을 가지며, 다수의 평행하며 바람직하기로는 원통형인 단면을 갖는 직선형 섬유로 이루어지는 하나 이상의 섬유 다발로 그 각각이 형성되고, 상기 콘크리트와의 양호한 접합에 기여하는 표면 형상 및/또는 질감이 제공되는, 콘크리트 구조물용 보강 바에 관한 것이다.
상기 매트릭스의 양생 단계 이전에 또는 양생 단계 동안에 변형되는 각각의 바의 표면의 일부는:
a) 상기 매트릭스의 양생 이전에 상기 매트릭스에 내장된 평행하며 직선형인 섬유의 하나 이상의 다발 주위에 나선형으로 권선되고, 양생 동안 평행한 상태로 상기 섬유를 유지하며, 상기 보강 바의 길이방향으로 불균일한 외표면을 제공하는, 하나 이상의 탄성 또는 비-탄성이나 인장된 물질로 되는 스트링, 및/또는
b) 각각이 보강 바의 하나 이상의 변형된 단면 및/또는 하나 이상의 단부;에 의하여 변형됨으로써, 거칠게 된 표면을 제공한다.
본 발명은 또한 보강 바의 제조 방법 및 이러한 단섬유의 용도에 관한 것이다.

Description

보강 바 및 그의 제조방법{REINFORCEMENT BAR AND METHOD FOR MANUFACTURING SAME}
본 발명은 예를 들면 콘크리트 구조물과 같은 타설될 구조물에 관련한 보강 요소에 관한 것이다.
더욱 구체적으로, 본 발명은 콘크리트 구조물을 위한 보강 바 및 이러한 바를 제조하기 위한 방법에 관한 것으로, 상기 보강 바는 함께 작업하기 위하여 다소 인장된 다수의 연속적이며 평행한 섬유로서, 바람직하기로는 양생된 매트릭스 내에 내장된 현무암, 탄소, 유리 섬유, 등으로 형성되는 섬유로 이루어지고, 상기 바는 바람직하기로는 20 mm 내지 200 mm의 평균 길이 및 0.3 mm 내지 3 mm의 평균 직경을 가지며, 각각의 바는 다수의 평행하며 바람직하기로는 원통형 또는 타원형 단면을 갖는 직선형 섬유로 이루어지는 하나 이상의 섬유 다발로 형성되고, 상기 바는 접합 특성을 위한 표면 형상 및/또는 질감이 제공된다.
무근 콘크리트는 압축에 강하지만 장력에 매우 약하여, 낮은 인장 변형 파괴(tension strain failure)를 초래한다. 그러므로, 콘크리트의 재료를 혼합할 때 콘크리트에 작은 길이의 섬유를 첨가하는 것이 관례이다. 혼합 중에 콘크리트에 혼합된 섬유는 무작위로 모든 방향으로 분산되어 양생 및 경화된 콘크리트 내에서 모든 방향으로 보강 효과를 제공하게 된다. 섬유의 추가는 균열 양상을 거시 균열로부터 미소 균열로 변화시키게 된다. 균열 메카니즘을 수정함으로써, 거시 균열은 미소 균열이 된다. 균열 폭은 감소되고 콘크리트의 궁극적인 인장 균열 변형이 증가된다. 내장된 섬유와 바인더 매트릭스 사이의 기계적인 결합은 이러한 응력의 재분배를 제공한다. 더욱이, 균열 양상을 수정하는 능력은 수량화 가능한 혜택을 유발하여, 투과성의 감소 및 표면 내마모성, 내충격성 및 피로 강도의 증가를 초래하는 미소 균열을 감소시킨다. 이러한 유형의 콘크리트는 섬유 강화 콘크리트로서 주지되어 있다.
내부식성 섬유 강화 폴리머(FRP) 보강재의 사용은 앞서 운송 구조물, 특히 제빙염에 노출되고 및/또는 높은 부식성 환경에 위치되는 구조물들을 위하여 제안된 바 있다. 이러한 콘크리트 적용을 위한 보강 바의 제조에는 유리, 탄소 및 아라미드 섬유가 일반적으로 사용된다.
섬유 생산 기술에 있어서의 최근의 발전은 현무암 바위로부터 형성되는 현무암 섬유로 제작되는 현무암 섬유 보강재 폴리머 바(BFRP)의 제작을 가능하게 한다. 현무암 섬유는 양호한 범위의 단열 성능, 높은 인장 강도, 산에 대한 저항력, 양호한 전자기적 특성, 불활성, 내부식성, 방사선 및 UV 광, 진동 및 충격 하중에 대한 저항력을 갖는다. BFRP 제품은 직선형 봉, 루프, 2차원 메쉬, 및 나선형과 같은 다양한 형태로 가용하다.
구조물을 보강하기 위한 섬유의 기타 사용 영역에는 터널 벽에 사용되어 바위의 낙하를 방지하거나 또는 화재 방지 수단이 되는 콘크리트 층 또는 라이닝이 있다. 이러한 콘크리트는 표면 상에 쇼트(shot)되고, 일반적으로 거나이트(gunite) 또는 숏크리트(shotcrete) 뿐만 아니라 프리캐스트 콘크리트 슬라브 또는 조립식 콘크리트 요소로 지칭된다.
양생 단계 동안 크리프(creep)의 결과로 초래되는 효과를 방지하기 위하여, 즉, 양생 단계 동안 크고 작은 균열이 형성되는 것을 방지하기 위하여, 섬유가 사용되어 왔다. 사용되는 섬유 중 한 가지는 2-5 cm 범위의 길이 및 대략 1 mm의 직경을 갖는 강철 섬유이다. 콘크리트와의 충분한 접합을 제공하기 위하여, 이러한 섬유의 단부는 편평하게 형성되어, 확장된 머리부를 제공하게 된다. 상기 강철 섬유 보강재의 목적은 그린 콘크리트의 양생 단계 동안 균열을 방지하는 것이다.
앞서, 매트릭스 내에 내장된 다수의 평행한 유리, 아라미드 또는 탄소 섬유로 형성되어 양생된 섬유 보강재 역시 강철 섬유를 대신하여 또는 강철 섬유에 더하여 사용되도록 제안된 바 있다.
GB 2 175 364 A는 길고 직선형이며 길게 늘어난 연속적인 보강재 로드 또는 바의 형태로 되며, 섬유-보강된 합성 코어의 원주 표면 상에 코드형 물질을 포장함으로써 형성되는 하나 이상의 돌출부를 그의 표면 상에 갖는 보강부재에 관한 것이다. 상기 코드-형 물질은 10 cm 당 3회에서 10 cm 당 15회의 범위로 되는 피치로 연속적인 섬유 다발을 트위스트함으로써 형성된다. 상기 섬유 다발은 유리, 또는 탄소, 또는 보론, 또는 금속, 또는 천연 또는 합성 섬유로 이루어진다.
US 5,182,064에는 연속적인 긴 섬유 다발을 갖는 보강 물질에 양생되지 않은 액체 수지를 스며들게 함으로써 표면에 리브를 갖는 길이가 긴 연장형 섬유 강화 플라스틱 로드를 제조하기 위한 방법이 기재된다. 리브 형성 부재는 섬유 다발 보강 물질에 양생되지 않은 액체 수지를 스며들게 함으로써 분리 형성된다. 섬유 강화 플라스틱 로드는 상기 리브 형성 부재를 나선형으로 적용하고 상기 두 부재를 일체로 되는 몸체로 함께 양생함으로써 형성된다.
JP 4224154에는 보강 섬유 및 열경화성 수지로 이루어지는 코어 물질 주위에 두꺼운 실(threads) 및 가느다란 실을 권선함으로써 높은 저항 접착 강도 및 인장 강도를 가지며 또한 열경화로 거친 코팅층을 형성하는 동안 경화 및 양생되는 콘크리트용 보강부재가 기재된다.
JP는 매우 끈적거리는 물질 내에 내장된 연장형 섬유 다발 상에 외측으로 돌출되는 링 형상의 돌출부 또는 편평화된 단부를 형성하고, 이들을 일 방향으로 배열되고 수지 매트릭스 내에 내장되는 단섬유 다발로 절단함으로써 시멘트의 보강 강도를 개선하는 방법을 개시한다.
JP 1207552는 일 방향으로 배향된 보강 섬유 다발로 열가소성 수지를 보강하고, 이에 벤딩 공정을 가하는 해결책을 개시한다. 벤딩 공정이 적용되는 경우, 상기 콘크리트에 대한 보강 부재의 부착 강도를 증가시키기 위하여, 위에 언급한 보강 섬유와 동일하게 구성되는 실(yarn)이 권선되고, 탄화 규소, 산화 알루미늄, 스테인레스 스틸, 등으로 이루어져 콘크리트에 대한 풍부한 접착 특성을 갖는 분말이 로드 주위에 부착된다.
CN 2740607은 콘크리트용으로 보강된 섬유 구조물을 개시한다. 상기 섬유는 거친 표면에 제공되는 고분자 섬유이다. 상기 보강된 섬유 구조물의 단면 형상은 6-리프(leaf) 형상 또는 5-리프 형상으로 될 수 있다. 프로파일 형상은 웨이브 형상 또는 톱니 형상으로 될 수 있다. 상기 섬유의 직경은 0.5 mm 내지 1.0mm 사이 이다. 상기 섬유의 길이는 40 mm 내지 75 mm 사이이다. 상기 섬유 구조물은 높은 인장 강도, 낮은 탄성 계수, 강한 산성도 및 알칼리도 저항, 및 가벼운 비중을 갖는다. 상기 섬유는 양생 단계 동안 콘크리트의 균열을 제어하는 데에 사용된다.
CN 201236420은 보강 강철 바 대신으로 건축에 사용가능한 리브 물질을 개시한다. 섬유 복합 리브 물질은 다수의 현무암 섬유 코어 다발 및 상기 현무암 섬유 코어 다발을 코팅하는 수지 기판을 접착 및 화합시킴으로써 형성되는 벤딩가능한 원통형 단면 바이다. 상기 바는 종래의 강철 보강 바와 유사한 크기로 되는 길다란 유니트이다.
EP 2087987은 콘크리트 노즐 상에 또는 이에 밀접하게 장착되는 장치를 사용하여 콘크리트 내에 보다 긴 강철 섬유를 도입하기 위한 방법 및 장치를 개시하며, 여기에서 상기 섬유는 절단되고 파이프를 통하여 콘크리트 내에 쇼트(shot)되어 바로 콘크리트 믹서에 쇼트된다.
JP2007070204 및 JP 2008037680은 2개 이상의 탄소 섬유 다발로 되는 파일 실(piled yarn)의 형태로 되는 탄소 섬유 다발을 개시한다. 상기 탄소 섬유 다발은 미터당 50-120회 트위스트되고 대략 5-50mm의 길이를 갖는다. 상기 탄소 섬유 다발의 표면은 3-25 mm의 주름진 간격을 갖는다. 20 이상의 폭/두께율을 갖는 상기 편평한 탄소 섬유 다발은 트위스트 및 가공된다. 상기 와이어의 단면적은 0,15-3 mm이다.
WO 98/10159는 연속적인 또는 비연속적인 섬유 및 시멘트 보강재에 사용하기 위한 최적의 기하학 구조를 갖는 바를 개시하며, 그의 단면은 다각형으로 된다. 상기 기하학적 구조는 섬유의 단면적에 대하여 상기 섬유와 매트릭스의 접합 가용 표면적의 비율을 증가시키도록 설계된다.
US 2001/0051266 및 US 2004/0018358은 섬유가 기계적으로-미소하게-변형되어 상기 섬유가 편평화되고 상기 매트릭스 물질에 대하여 개선된 접촉을 갖기 위한 표면 변형을 가지게 되는 섬유를 개시하며, 그 중에서도 상기 매트릭스 물질은 콘크리트로 될 수 있다. 상기 섬유는 바람직하기로는 5-100 mm 범위의 길이 및 0,5-8 mm의 평균 폭을 가지며, 상기 섬유는 하나 이상의 합성 폴리머 또는 강철과 같은 금속으로 된다.
WO 02/06607은 콘크리트 혼합물에 사용되는 섬유를 개시하며, 상기 섬유는 편평하거나 또는 편평화되고, 제 1 및 제 2의 대향되는 편평한 또는 편평화된 단부를 가지며, 이들은 상이한 위상으로 트위스트되고 이들 사이에는 중간의 연장형의 나선형 섬유 몸체를 구획한다. 상기 섬유는 약 5-100mm의 평균 길이 및 0,.25-8.0 mm의 평균 폭 및 o.00-3.0 mm의 평균 두께를 갖는다. 상기 섬유는 폴리프로필렌 또는 폴리에틸렌으로 형성된다.
또한, 본 출원인의 WO 20093/025305 공보는 연장형 복합 보강 바의 제조 방법 및 그 구성 및 조립 모두에 관한 참증으로서 포함된다.
간단한 방식으로 종래의 균열 콘크리트 구조물을 수리하기에 적합하며, 종래의 강철 보강재로 보강되어 노출된 강철 보강재를 밀봉할 수 있고 더욱이 복원할 수 있으며 상기 균열 콘크리트 구조물에 추가로 구조성 짜임새를 제공하는 것이 가능한 개선된 유형의 보강재에 대한 수요가 있다.
또한, 현장에서 복잡한 또는 종래의 보강재가 필요 없고, 그린 콘크리트 내에 무작위로 대략 위치된 보강재에 상기 보강재를 바이어싱하고, 종래의 보강재 또는 그의 일부에 대한 필요성을 감소시키는, 콘크리트 구조물용 보강재를 제공하는 것에 대한 수요가 있다.
더욱이, 단섬유 바를 제공하고, 주위의 콘크리트 및 상기 짧은 바 사이의 접합 효과를 개선하는 데에 효과적이며 개선된 방법에 대한 수요가 있다.
또한, 콘크리트의 양생 완료에 이어지는 단계에서 또한 상기 콘크리트 강도에 기여하는 짧은 바에 대한 수요가 있다.
바 보강재의 설치를 위한 접근이 제한되는 경우, 또는 자동화 기기가 슬라브, 파이프, 배수암거, 포장지역, 씨앵커(sea anchors), 등과 같은 구조물을 포함하여, 직선형 바 보강재 또는 조립식 또는 현장에 위치된 보강재 케이지(cages)를 사용할 기회를 제한하여 공정 중 사용이 제한되는 경우, 신뢰성있고 유지관리가 자유로운 보강재에 대한 요구가 있음 또한 주지해야 한다.
이상에서 언급한 대부분의 문헌에 있어서, 사용되는 플라스틱 섬유는 상기 섬유의 전체 비중량(specific weight)에 기여하는 비중량을 갖는 군, 즉, 비중량이 1 미만이어서 짧은 바가 타설 공정 중 상부 표면을 향하여 떠오르는 경향을 갖도록 하는 섬유 및 매트릭스로부터 선택된다. 더욱이, 종래 기술의 플라스틱 섬유는 또한 물을 흡수하는 경향을 가지므로, 캐스팅 단계(casting phase)에서 탈수를 유발하기 때문에, 콘크리트의 적절한 양생을 달성하기 위해서는 물을 보충할 필요가 있다.
콘크리트 타설 시, 종래 기술의 플라스틱 섬유는 슈트(chute)를 떠날 때 표면을 향하여 떠오르는 경향을 갖는다. 더욱이, 종래의 강철 섬유는 혼합 및 타성 동안에 엉망이 되는 경향이 있어서 막혀버리게 되고, 또한 물 흡수 경향으로 인하여 혼합이 어려워, 타설된 콘크리트의 탈수 및 양생 공정에 부정적인 영향을 끼친다. 이러한 부정적인 효과는 강철 및 플라스틱 섬유가 전반적으로 사용가능한 부피율 범위를 감소시킨다. 본 발명에 의한 현무암 MiniBars™의 장점은, 밀도 및 물의 비-흡수이며, 이는 10% 부피율(VF)의 범위까지 혼합을 허용하는데, 종래의 섬유로는 이러한 부피율을 달성하는 것이 불가능하다.
본 발명의 주요 목적은 ASTM 테스트 방법을 이용한 휨 인장 강도에서 15 MPa까지 섬유 강화 콘크리트의 인장 강도를 증가시키고, 잔류 강도 또한 증가시키며, 압축 파괴 양상을 취성에 비해 가소성으로 변형시키고, 부피율을 바람직하기로는 10 미만으로 감소시킴으로써, 매우 효율적인 보강재를 달성하는 것이다.
본 발명의 목적은 또한 균열 후 매우 양호한 휨 인성(flexure toughness) 및 에너지 흡수 능력을 갖는 MiniBar™ 보강된 콘크리트를 제공하는 것이다. 상기 MiniBar™의 정의는 짧은 현무암, 탄소 또는 유리 섬유 보강 바로 이루어지며, 적합한 매트릭스 내에 내장된 다수의 또는 실질적으로 평행한 섬유로 형성되고, 상기 내장된 섬유 주위에 권선된 나선을 포함하여 바를 따라 연속적인 방식으로 원주방향으로 연장되고 나선형으로 배열되는 만입부를 형성하며, 상기 바는 20 내지 200 mm 범위의 길이 및 0,3 mm 내지 3 mm 범위의 직경으로 되고, 아래에 더욱 설명되는 바와 같이 거칠게 된 표면을 갖는 것이 가능한 것으로, 이하 MiniBar™으로 칭한다.
본 발명의 다른 목적은 양생 단계 동안 그리고 콘크리트 구조물의 수명주기 동안 모두 고유의 균열 제어로서 효과적이며, 양생 완료에 이어서도 부하의 지지 및 분산 특성을 가짐으로써, 이러한 콘크리트 구조물의 구조성 짜임새를 개선하는 보강재를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 이러한 구조물 상의 손상을 보수하기 위하여 손상된 콘크리트 구조물 상의 준비 작업 범위를 감소시키는 보강 요소를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 콘크리트에 사용될 때 강화된 접합 품질 및 특성을 갖는 이러한 바 보강재를 제조하기 위한 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 또한 방조벽과 같은 콘크리트 구조물에 사용될 수 있어서 장력이 개선된 콘크리트 강도로 경량의 또는 보통의 강철 또는 기타 유형의 보강재에 대한 필요성을 없앨 수 있는 보강재 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 콘크리트의 양생 공정에 부정적으로 작용하지 않으면서 동시에 주위의 콘크리트와의 접합 효과 및 접합 메카니즘을 개선시키는 짧은 바로 이루어지는 FRP 보강재를 제공하는 것이다.
강철 섬유는 그의 부식 저항의 결핍으로 인하여 점진적으로 그의 보강 강도를 상실하게 됨을 주지해야 한다. 그러므로, 본 발명의 또 다른 목적은 알칼리 저항력이 있는 보강재 섬유를 제공하는 것이다.
또 다른 목적은 혼합물에서 무작위로 위치됨을 허용하며 그린 콘크리트를 진동시키기 위한 진동자의 사용으로 인하여 영향을 받지 않는 MiniBar™ 보강재를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 굴착, 기초 말뚝 또는 지하 연속벽에서 깊은 토대와 같은 보강 구조물에 대하여 적합한 보강재를 제공하는 것으로, 적합하지 않으면 이에 대한 접근이 곤란하게 된다.
본 발명의 다른 목적은 밀도로 인하여 그린 콘크리트가 진동될 때 위치에 영향을 받지 않는 MiniBar™ 보강재를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 상기 섬유 및 보강 바 또는 루프의 형태로 된 종래의 보강재의 보강 효과가 콘크리트 구조물의 전체 단면적에 걸쳐 함께 작용하고, 콘크리트의 양생 완료에 이어서 콘크리트의 균열 및/또는 표면 스폴이 형성되는 것을 방지하는 보강재 시스템을 제공하는 것이다. 이러한 경우, 상기 섬유 보강재 및 바, 루프 또는 프리-스트레싱 보강재 형태의 상기 보강재는 일체로 된 보강재로서 작용한다.
본 발명의 다른 목적은 필요한 인건비를 감소시키고 그린 콘크리트의 작업성의 실현가능한 정도를 유지하는 보강재 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 이러한 방식으로 구성되어, 본 발명에 의한 보강 요소로 보강된 콘크리트 구조물에 부하 및 힘이 가해질 때, 파괴는 보강 요소와의 접합이 손실됨으로 인한 것이고 상기 MiniBar™의 파손으로 인한 것이 아니어서, 콘크리트는 파괴 또는 균열될 수 있으나 상기 MiniBar™ 자체는 파괴 또는 균열되지 않으므로, 상기 콘크리트 구조물에 양호한 접합 강도에 관련하여 후-균열 강도(post cracking strength)를 부여할 수 있는 보강 요소를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 그린 콘크리트와의 혼합 도중 막히게 되지 않고 혼합 또는 타설 중 혼합된 그린 콘크리트 배치에서 가라앉거나 또는 떠오르지 않는 개선된 짧은 바를 제공하는 것이다.
상기 목적들은 독립 청구항에 의하여 더욱 정의되는 바의 짧은 MiniBar™ 보강재를 사용함으로써 달성된다. 가능한 실시예들은 종속 청구항에 의하여 정의된다. 본 발명의 또 다른 목적은 상기 강도를 얻기 위한 임계 치수인 직경 및 접합 강도가 요구되는 휨 및 잔류 인장 강도가 15 MPa를 초과하도록 조합되는 MiniBbar™ 보강재를 제공하는 것이다.
본 발명에 의하면, 상기 MiniBars™는 또한 전단 보강재와 같은 일부 응용에 있어서 강철 또는 현무암 섬유 보강재 폴리머의 필요성을 제거하도록 의도된다.
위의 목적은 독립항에 더욱 정의되는 바와 같은 보강 바 및 이러한 바를 사용 및 제조하기 위한 방법에 의하여 달성된다. 본 발명의 선택적인 실시예는 종속 청구항에 의하여 정의된다.
본 발명에 의하면, 콘크리트 구조물용 보강 바는 다수의 연속적이며 평행한 섬유로서, 바람직하기로는 양생된 매트릭스 내에 내장된 현무암, 탄소, 유리 섬유, 등으로 형성되는 섬유로 이루어진다. 상기 바는 바람직하기로는 20 mm 내지 200 mm 범위의 평균 길이 및 0.3 mm 내지 3 mm 범위의 평균 직경을 가질 수 있고, 각각의 바는 원통형인 단면, 바람직하기로는, 상기 단면이 대략 원형 또는 타원형을 갖게 되는 단면을 갖는 다수의 평행하며 바람직하기로는 직선형인 섬유로 이루어지는 하나 이상의 섬유 다발로 형성될 수 있다.
매트릭스의 양생 단계 이전에 또는 양생 단계 동안에 변형될 수 있는 각각의 바의 표면의 일부는:
a) 상기 섬유가 내장된 상기 매트릭스의 양생 이전에 평행하며 직선형인 섬유의 하나 이상의 다발 주위에 나선형으로 권선되고, 양생 동안 평행한 상태로 상기 섬유를 유지하며, 상기 보강 바의 매트릭스 섬유 다발(들)의 표면 상에 길이방향으로 배열되는 나선형 만입부를 길이방향으로 갖는 불균일한 외표면을 제공하는, 하나 이상의 탄성 또는 비-탄성이지만 인장된 물질로 되는 스트링, 및/또는
b) 상기 콘크리트에 우수한 접합을 제공하는 표면 형상 및/또는 질감이 제공된 상기 바에 의하여 변형되어;
거칠게 된 표면을 제공하게 된다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 2개 이상의 스트링은 상기 매트릭스 내장된 섬유 다발(들) 주위에 대향 방향으로 나선형으로 권선될 수 있다.
더욱이, 상기 미니 바는 바람직하기로는 현무암 섬유, 탄소, 유리 등으로 형성될 수 있다.
상기 나선의 피치 길이는 콘크리트 등급 및 골재 크기에 맞게 10 mm 내지 22 mm의 범위 및 바람직하기로는 17 mm로 될 수 있고, 상기 미니 바 섬유의 중심선에 대한 상기 나선의 각도는 바람직하기로는 4 내지 8도의 범위로 될 수 있으며, 상기 미니 바 섬유의 중심선에 대하여 상기 평행한 섬유의 각도는 2 내지 5도 사이로 되어야 하는 것으로 이해되어야 한다.
본 발명은 또한 보강 바를 제조하기 위한 방법을 포함한다. 각각의 바는 다수의 연속적이며 평행한 섬유로서, 바람직하기로는 양생된 매트릭스 내에 내장된 현무암, 탄소, 유리 섬유, 등으로 형성되는 섬유로 이루어지고, 상기 바는 바람직하기로는 20 mm 내지 200 mm 범위의 길이 및 0.3 mm 내지 3 mm 범위의 직경을 갖는다. 상기 바는, 양생 공정 이전에 또는 양생 공정 동안에 콘크리트와의 양호한 접합을 도모하기 위한 표면 질감이 제공되는 하나 이상의 섬유 다발로 형성될 수 있고, 상기 표면 질감은 하나 이상의 평행한 섬유 다발 주위에 탄성 물질로 된 하나 이상의 스트링을 나선형으로 권선함으로써 얻어지며, 상기 섬유 또한 직선형이다.
일 실시예에 의하면, 하나 이상의 나선형 스트링은 매트릭스의 양생 이전에 권선되며, 양생 동안 상기 섬유를 평행하게 유지하고, 상기 보강 바의 길이방향으로 불균일한 외표면을 제공한다. 2개 이상의 이러한 스트링은, 예를 들면, 대향 방향으로 나선형으로 권선되어 사용될 수 있다.
상기 나선형 권선은 연장형 미니 바의 중심선에 대하여, 4 내지 8도 범위의 각도로 권선 가능하다.
*이러한 섬유는 그린 콘크리트와 무작위로 혼합될 수 있고, 균열 콘크리트의 보수 작업 및 양생된 콘크리트 구조물 내의 평균 잔류 강도 및 휨 강도 제공을 위하여 사용될 수 있으므로, 콘크리트 구조물의 구조성 짜임새를 복원 또는 개선하게 된다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 보강 바는 다수의 연속적이며 평행한 섬유로서, 바람직하기로는 양생된 매트릭스 내에 내장된 현무암으로 형성되는 섬유로 이루어지고, 상기 바는 바람직하기로는 20 mm 내지 200 mm 범위의 평균 길이 및 0.3 mm 내지 3 mm 범위의 평균 직경을 갖는다. 각각의 바는, 대략 원통형 또는 타원형 단면을 가지며 콘크리트에 양호한 접합을 도모하는 표면 형상 및/또는 질감이 제공된, 다수의 평행하며 바람직하기로는 직선형인 섬유로 이루어지는 하나 이상의 섬유 다발로 형성될 수 있다.
각각의 바의 표면의 일부는 매트릭스의 양생 단계 이전에 또는 양생 단계 동안에:
a) 상기 섬유가 내장된 상기 매트릭스의 양생 이전에 평행하며 직선형인 섬유의 하나 이상의 다발 주위에 나선형으로 권선되고, 양생 동안 평행한 상태로 상기 섬유를 유지하며, 상기 보강 바의 길이방향으로 불균일한 외표면을 제공하는, 스트링 물질로 되는 하나 이상의 스트링, 및/또는
b) 각각의 보강 바의 하나 이상의 변형된 단면 및/또는 가능한 하나 이상의 단부에 의하여 변형되어; 거칠게 된 표면을 제공하게 된다, 그리고/또는 이러한 변형은 임의의 변형 또는 만입 또는 인발(pull out)을 방지 또는 제한하는 형상으로 될 수 있다.
주요 현무암 섬유 바 주위의 나선으로 사용되는 더욱 박형인 현무암 섬유는 상기 MiniBar™의 강도를 증가시킨다는 것 또한 이해되어야 한다.
다른 일 실시예에 의하면, 1개 또는 2개 또는 그 이상의 스트링은 대향 방향으로 나선형으로 권선되며, 상기 하나 이상의 스트링은 본 발명에 의하여 요구되는 만입부를 형성한다. 본 발명에 의하면, 나선형으로 배열된 상기 만입부는 담지된 그리고 대략 양생되지 않은 섬유 다발 주위에 실 또는 섬유 유니트를 나선형으로 트위스트하고 상기 다발에서보다 높은 장력을 상기 실에 가함으로써 제공되며, 따라서 상기 다발 및/또는 경우에 따라 짧게 절단된 바의 전체 길이에 걸쳐 이어지는 상기 다발 및/또는 나선형으로 배열된 만입부에 트위스트를 제공하게 된다.
양자택일적으로 또는 추가로, 상기 바의 외부 표면은 하나 이상의 확대된 또는 편평화된 부분이 제공되거나 또는 가변적인 직경을 갖게 되는데, 이러한 표면은 양생 단계 이전에 제공됨으로써, 콘크리트와의 보다 나은 접합을 제공하게 된다.
각각의 바는 또한 변형된 중간부 또는 단부를 가질 수 있으므로, 바의 접촉 표면적을 증가시키게 된다.
위에 정의된 바와 같은 보강 바를 제공하기 위한 바람직한 방법에 있어서, 표면 질감은 평행한 섬유로서 역시 직선형인 섬유의 하나 이상의 다발 주위에 탄성 또는 비-탄성 물질로 된 하나 이상의 스트링을 나선형으로 권선함으로써 얻어진다. 하나 이상의 나선형 스트링은 매트릭스의 양생 이전에 상기 섬유 및 매트릭스 주위에 바람직하게 권선될 수 있고, 양생 동안 평행한 상태로 상기 섬유를 유지하며 상기 보강 바의 길이방향에서 나선형으로 이어지는 만입부의 형태로 불균일한 외표면을 제공한다. 양자택일적으로, 2개 이상의 스트링은 상기 섬유 및 매트릭스 주위에 대향 방향으로 나선형으로 권선될 수 있고, 이러한 스트링(들)에서의 장력은 양생 및 경화 단계를 위한 제조 라인을 따라 상기 다발을 끌어당기는 데에 사용되는 장력보다 높다.
상기 바의 외표면은 추가로 또는 대신으로 하나 이상의 확대된 또는 편평화된 부분이 제공되거나 또는 가변적인 직경을 가질 수 있고, 이러한 확대된 또는 편형화된 부분은 양생 단계 이전에 형성되어, 콘크리트와의 보다 나은 접합을 제공한다.
본 발명에 의한 상기 바는 그린 콘크리트와 혼합될 수 있고 균열 콘크리트의 보수작업에 사용될 수 있으며, 또한 양생된 콘크리트 구조물에서의 평균 잔류 강도 및 휨 강도를 제공하기 위하여 사용될 수 있으므로, 상기 콘크리트 구조물의 구조성 짜임새를 복원 또는 개선하게 된다.
기타 가능한 사용 영역에는 조립식으로 또는 현장에서 콘크리트화되는, 빌딩에서의 콘크리트 바닥; 상기 현무암 MiniBars™의 보강 효과로 인하여 보다 박형으로 그리고 보다 경량으로 제작될 수 있는 콘크리트 포장석, 등이 있다. 또 다른 사용 영역에는 해저에 클램프 또는 중량 지지 해저 파이프라인을 제공하기 위한 콘크리트가 있다.
본 발명에 의한 MiniBars™의 기타 사용 유형으로는, 예를 들면, 액체 및 특히 7 미만의 ph를 갖는 물 또는 소금을 함유하는 물에 노출되는 구조물 상의 사용에 매우 적합할 수 있으나, 이에만 한정되는 것은 아니다. 이러한 구조물은, 예를 들면, 흘수선, 교량용 기둥, 콘크리트 바지선(barges) 등의 아래 또는 이에 노출되는 제티(jetties)/안벽 부분들 및 해상방위용 구조물로 될 수 있다. 상기 보강재는 또한 종래 보강재를 설치하기 위한 접근이 곤란한 지상의 구조물에 사용될 수 있다. 이러한 적용은, 예를 들면, 기초 말뚝 또는 지하 연속벽, 파일, 등 내부의 깊은 토대로 될 수 있다.
상기 현무암 MiniBar™ 보강재는 혼합 동안, 트럭에 의하여 운반되어, 그린 콘크리트에 첨가될 수 있음을 주지해야 한다. 양자택일적으로 상기 MiniBar™ 보강재 포장석 및 배수암거, 등을 위한 건식 콘크리트에 전달될 수 있다.
상기 바의 나선형 패턴을 형성하는 데에 사용되는 물질은 예를 들면 탄성 또는 비-탄성 실일 수 있다. 이러한 나선은 또한 상기 MiniBars™의 강도 및 강성 모두에 기여할 수 있으므로, 양자택일적으로, 현무암 섬유 실 또한 사용될 수 있다.
더욱이, 상기 MiniBars™은 추가로 모래, 유리 또는 유사한 유형의 단단한 물질과 같이 무작위로 배열된 입자성 물질의 층으로 코팅될 수 있음 또한 이해될 것이다.
본 발명에 의하면 상기 MiniBars™는 무작위로 배향된 그린 콘크리트에 균일하게 혼합된다. 상기 MiniBars™는 정확히 동일하지는 않지만 상기 콘크리트와 유사한 밀도를 갖는다. 결과적으로, 상기 MiniBars™는 상기 그린 콘크리트 내에서 떠오르거나 가라앉지 않으며, 상기 콘크리트의 진동에 영향을 받지 않고, 즉, 상기 콘크리트가 진동될 때 상기 그린 콘크리트의 상부로 또는 그 바닥으로 이전되지 않는다.
콘크리트 내에서 상기 MiniBars™의 거동은 콘크리트의 특성 및 콘크리트 내 상기 MiniBars™의 분포 모두에 의존하는 것으로 여겨진다. 상기 콘크리트 특성은 상기 바가 그의 직경에 비해 길이가 짧기 때문에 중요하게 될 수 있고, 그러므로 상기 콘크리트 내에서 완전한 앵커링(full anchoring)을 발전시킬 수 없다. 그러므로, 상기 바 내에서 동원될 수 있는 힘은 콘크리트의 강도 및 콘크리트와 상기 바 사이에서 발전되는 결과적인 접합 응력에 따라 매우 좌우된다. 종래의 섬유에 비하여 비교적 적은 수의 바가 혼합물에 사용되기 때문에 콘크리트 내 상기 MiniBar™의 분포는 중요하다. 이러한 비교적 적은 수의 바는 혼합물에서 분포의 작은 변화만으로도 강도에 중요한 효과를 가질 수 있다는 것을 의미한다.
더욱이, 상기 콘크리트 혼합물에 사용되는 골재의 크기는 양생된 콘크리트 구조물의 강도에 영향을 끼칠 수 있다. 본 발명에 의한 MiniBars™와 혼합된 보다 작은 크기의 골재는 상기 바 분포의 품질 및 결과적으로 개선된 콘크리트 강도에 영향을 미친다.
본 발명에 의하면, 상기 직선형 섬유 다발 주위의 나선은 유익할 수 있다. 대략 무작위로 위치된 본 발명에 의한 MiniBars™는 상기 콘크리트 구조물에서 전단 링크처럼 작용하게 되고, 상기 콘크리트의 전단 강도를 연계 및 개선한다. 본 발명에 의한 상기 MiniBars™는 또한 종래의 보강재, 종래의 길이방향으로 휘는 강철 또는 현무암 또는 탄소 섬유 보강 바 또는 케이지의 보강재가 될 수 있고, 상기 MiniBars™는, 예를 들면, 보강재 픽서(fixers)에 의하여 요구되는 고정 시간을 감소시키기 위한 전단 보강재로 작용한다.
본 발명에 의한 상기 MiniBars™를 사용함으로써 얻어지는 독특한 장점은, 본 발명에 의한 상기 MiniBars™를 보강된 콘크리트 슬라브 및 빔에 전단 보강재로서 사용하기 위한 적절한 잔류 강도 요건이 ASTM C1609 테스트(강철 섬유 강화 콘크리트용 ACI 318-08에 구체화된 바와 같음)에 기초하여 테스트로 입증되었다는 것이다. 이러한 유형의 섬유는 부식되지 않으며 알칼리 저항성이 있는 구조용 섬유 유형이다.
본 발명에 의한 상기 현무암 섬유 보강 바는 다음의 접합 메카니즘을 갖는다:
- 대규모에서, 상기 현무암 섬유 및 상기 나선 실 트위스트의 제어 피치는 10 내지 22 mm의 범위이다. 접합은 콘크리트의 골재 사이에서 수행되며, 상기 미니 바 표면의 만입부 및 상기 콘크리트 내 나머지 주위 골재에 후크역할을 하거나 또는 이에 마찰 및/또는 기계적인 접합을 일으키는 불규칙한 형상을 가지므로, 적적한 접합 효과를 확보한다. 더욱이, 보다 큰 골재 사이에 놓이는 미세한 모래 입자 및 시멘트 입자 또한 이러한 접합 효과에 기여한다. 본 발명에 의한 미니 바의 피치 길이, 즉, 박형 나선형 스트링의 1회전의 거리 또는 길이가 너무 크고 및/또는 직선형이면, 즉, 매우 큰 피치이면, 상기 MiniBars™가 옆으로 빠져나오게 되고, 반면에 상기 거리 또는 길이가 너무 작으면, 본 발명에 의한 미니 바가 시멘트 주위의 인접한 미세 입자로 부수고 및/또는 파쇄시키게 되며, 이러한 입자는 주로 상기 바의 길이 당 만입부의 부피 감소로 인한 미세 입자이다.
-미소 규모에 있어서, 개별 현무암 섬유의 표면은 상기 다발에서 평행한 섬유 사이에 형성되는 아주 작은 길이방향 만입부로 인하여 거칠게 되고, 콘크리트 내의 미소 입자들 사이에 접합 효과를 형성하며, 작은 골재와 콘크리트 내 미세분 및 상기 MiniBar™ 사이에 강한 연동 미세 접합 효과를 허용 및 제공한다.
상기 RFT 공정의 일 특징은 가장 큰 골재 크기에 맞도록 나선 피치 길이를 맞출 수 있어서(도 3 참조), 상기 MiniBar™ 및 골재가 가장 효율적인 방식으로 연동가능하게, 즉, 보다 작은 골재 혼합물에 맞도록 보다 작은 피치 길이로 된다.
매트릭스의 박형 층을 갖는 콘크리트 및 상기 현무암 섬유의 최외곽 가닥 사이의 화학적 접합 또한 상기 섬유와 주위의 콘크리트 사이의 접합 효과에 기여한다.
위의 접합은 매트릭스에 의하여 감싸이고 결합되는 작은 트위스트로 직선형 현무암 섬유와 직접적으로 연관된다. 상기 접합은 비닐 에스테르 코팅된 바를 전단시키는 모래 입자의 추가를 필요로 하지 않는다. 더욱이, 상기 접합은 종래 기술에서 제안된 바와 같이 제 2 물질로 된 링을 외부적으로 추가하고 "붙임"한(glued-on) 접합에 의존하지 않는다. 상기 MiniBar™ 접합은 섬유의 방향으로 이루어지며, 상기 섬유 및 나선형으로 트위스트된 박형 실에 의하여 형성되는 상기 만입부는 모두 상기 MiniBar™의 전체 길이에 걸쳐 상기 보강 바와 주위의 콘크리트 사이에 양호한 기계적 연결을 허용한다.
본 발명에 의한 상기 MiniBars™의 거칠게 된 표면을 제공하기 위해서는, 상기 매트릭스의 가중치에 대하여 섬유의 가중치가 바람직하기로는 65 내지 85의 범위, 더욱 바람직하기로는 대략 70 내지 77, 그리고 가장 바람직하기로는 75로 되어야 한다. 사용된 매트릭스의 가중치가 너무 높으면, 상기 Minibar™의 표면에서 섬유 사이의 미세 만입부가 매트릭스로 채워지게 되어, 미소 규모 접합에 있어서 골재/미세분의 기여도가 감소되며 매트릭스가 "호스(hose)"로서 쉽게 빠지게 된다. 매트릭스의 부피가 너무 작으면, 상기 표면에서의 섬유와 콘크리트 내의 골재 및/또는 미세분 사이의 접합에 의하여 제공되는 전단 기여도가 감소된다.
더욱이, 본 발명에 의한 MiniBar™의 중심선에 대하여 상기 나선의 가장 바람직한 각도(α)는 바람직하기로는 4 내지 8도의 범위로 되어야 하며, 상기 MiniBar™의 중심선에 대하여 상기 평행한 섬유의 각도(x)는 바람직하기로는 대략 2 내지 5도로 되어야 한다. 상기 Minibar™는 바람직하기로는 US 7,396,496의 내용에 따라 제조될 수 있으며, 그 내용은 이에 참증으로서 결부된다.
본 발명에 의한 섬유는 잘 혼합되며 콘크리트 혼합 운송 트럭에서 회전 드럼의 회전 속도와는 상관없이 상기 혼합물 내에서 무작위로 유지된다는 것이 테스트로 입증되었다. 더욱이, 상기 섬유는 무작위로 분산되어 유지되며 타설 동안에도 혼합 체적에 걸쳐 고르게 분포되어 유지된다.
직경 및 접합 강도는 모두 미니 섬유 보강재에 요구되는 강도를 보장하는 데에 중요하다는 것 또한 주지해야 한다.
종래 기술의 해결책은 매트릭스로 사용되는 에폭시의 전단 강도에 의존하지만, 본 발명에 의한 상기 섬유 바는 한 편으로는 모래 및 콘크리트 내 골재 사이의 전단 강도에 그리고 상기 미니바 표면에 얻어지는 표면 접합에 의존한다.
직경의 범위는 콘크리트 내 수축에 중요하며 또한 작은 직경 보다 큰 직경에 대하여 더욱 강한 클램핑 메카니즘으로서 작용한다. 직경이 감소될수록 클램핑 효율이 감소되며 휨 인장 테스트에서 측정되는 접합이 증가되고, 반면에 평균 잔류 강도에 의하여 측정되는 접합이 감소된다는 것이 테스트로 밝혀졌다. 그 결과, 콘크리트 구조물의 공학 중에 요구되는 상이한 강도 레벨에 대하여 바람직하거나 또는 요구되는 강도 레벨을 제공하기 위해서는 상이한 직경이 구체화될 수 있다.
상기 MiniBars™의 치수에 비하여, 골재는 콘크리트 내에서 일반적인 임의의 일반 크기를 가질 수 있다.
본 발명의 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 더욱 상세히 설명한다, 도면 중:
도 1은 본 발명에 의한 MiniBar™의 제 1 실시예를 개략적으로 나타낸 도면으로서 단단한 권선을 나타낸다;
도 2는 본 발명에 의한 MiniBar™의 제 2 실시예를 개략적으로 나타내는 도면으로서, 보다 긴 피치 길이를 갖는 권선을 나타낸다;
도 3 본 발명에 의한 MiniBar™의 일 실시예의 일 부분을 확대하여 개략적으로 나타낸 것으로서, 중요성을 갖는 다양한 각도를 나타낸다;
도 4는 본 발명에 의한 MiniBar™의 일 실시예의 축방향 수직 단면을 확대하여 개략적으로 나타낸 것으로서, 실질적으로 평행한 많은 섬유의 방향을 나타내며, 한 편으로는 콘크리트의 골재와 미세분 사이의 상호작용 그리고 다른 한 편으로는 상기 MiniBar™ 섬유 표면의 표면과 만입부 사이의 상호작용을 나타낸다;
도 5는 본 발명에 의한 MiniBar™의 단면을 확대하여 개략적으로 나타낸 것으로서, 역시 만입부 및 거칠게 된 표면을 나타낸다;
도 6은 다양한 섬유 함유량(dosage) 부피%에 대하여 MPa로 측정된 건식 혼합 콘크리트의 휨 인장 강도를 나타내는 그래프이다;
도 7은 다양한 섬유 함유량 부피%에 대하여 MPa로 측정된 평균 잔류 강도를 나타낸다; 그리고
도 8은 상이한 섬유 함유량 부피%에 대하여 MPa로 측정된, 20 mm의 최대 골재 크기를 갖는, 일반 콘크리트의 휨 인장 강도를 나타낸다;
도 9는 상이한 섬유 함유량 부피%에 대한, 20 mm의 최대 골재 크기를 갖는, 고강도 콘크리트의 휨 인장 강도를 나타낸다;
도 10은 20 mm의 최대 크기 골재를 갖는 콘크리트의 평균 잔류 강도를 나타낸다; 그리고
시트는 표 1, 표 2 및 표 3은 테스트 결과를 나타내는 것으로서, 여기에서 표 1은 건식 혼합 콘크리트의 생산물 1 및 2의 테스트 결과를 나타내며; 표 2는 최대 20 mm의 골재를 갖는 일반 콘크리트에 대한 테스트 결과를 나타내고, 함유량%는 가변적이며; 그리고 표 3은 3가지 상이한 섬유 함유량%에 대하여 최대 20 mm의 골재를 갖는 고강도 콘크리트에 대한 테스트 결과를 나타낸다.
도 1은 본 발명에 의한 MiniBar™(10)의 제 1 실시예에 대한 도면을 개략적으로 나타낸다. 상기 MiniBar™(10)는 종래 유형의 알칼리 저항성의 양생된 매트릭스에 내장된 현무암, 유리 섬유 또는 탄소로 형성된 다수의 평행한 섬유(17)로 이루어진 섬유 다발(11)로 구성된다. 이러한 매트릭스는 예를 들면 열가소성 수지, 비닐 에스테르(VE) 또는 에폭시로 될 수 있다. 탄성 또는 스트링 비-탄성 스트링(12)은 상기 스트링(12)에 일정한 장력을 가함으로써 내장된 연장형 섬유의 주위에 연속적으로 권선되어, 상기 바(10)의 원주 표면을 부분적으로 변형시키게 됨으로써, 연장형의 나선형으로 배열된 만입부(14)를 제공하게 된다. 이러한 권선 작업은 바람직하기로는 상기 매트릭스 내에 상기 연장형 섬유 다발(11)을 매설하는 공정과 동시에 또는 그 공정의 다소간 이후에 그러나, 양생의 최종 단계 이전에 수행됨으로써, 상기 바(10)의 원주 표면에 요구되는 변형을 보장하게 된다. 더욱이, 상기 MiniBar™(10)는 연장형 스트링 또는 바로서 연속적인 공정으로 형성가능함에 따라, 상기 연속적인 바는 바람직하기로는 20 mm 내지 200 mm의 범위로 되는 길이로 절단되고, 반면에 상기 바의 직경 또는 두께는 바람직하기로는 0.3 mm 내지 3 mm의 범위로 될 수 있다. 상기 나선형은 탄성 또는 예를 들면 현무암으로 되는 비-탄성 스트링으로 형성될 수 있고 이는, 제어된 방식으로 인장될 때, 만입부의 형태로 반복가능하며 바람직한 표면 변형을 발생시킬 수 있다. 더욱이, 상기 MiniBar™의 외표면은 상기 MiniBar™로부터 무작위 방향으로 이어지는 다수의 미세한 섬유 또는 섬유 단부로 이루어지는 바람직하기로는 직물같은 털을 가질 수 있다. 이는 양생되지 않은 매트릭스 내에 내장된 다수의 평행한 현무암 섬유를, 바람직하기로는 단일의 다발로서, 미세 나선형 주위에 트위스트함으로써 달성될 수 있으므로, 직선형의 미세한 실을 상기 섬유 다발 주위에 나선형으로 변형시키게 된다. 상기 나선형 형성 공정 동안에, 보다 박형의 미세한 나선형 내의 장력은 상기 현무암 섬유 다발 내의 장력에 대하여 제어된다. 도 1에 나타낸 실시예에서 주위 콘크리트와의 접합을 강화하기 위한 제 1 수단은 인장된 나선형에 의하여 형성되는 상기 MiniBar™의 불균일한 형상이다. 장력에 있어서의 차이는 상기 매트릭스가 충분히 양생 및 경화될 때까지 상기 바 내에 유지된다. 제 2 수단은 상기 매트릭스로부터 부분적으로 돌출되는 섬유에 의하여 발생되는 거친 표면을 이용한 콘크리트에 대한 미시적인 레벨의 접합이다.
도 2는 본 발명에 의한 MiniBar™(10)의 제 2 실시예의 도면을 개략적으로 나타낸다. 이 실시예에 의하면, 상기 MiniBar™(10)에는 도 1에 나타낸 나선형이 제공된다. 추가로, 2개 단부(13)가 변형/편평화되어 단부 접촉 면적을 증가시킴으로써, 주위의 콘크리트에 대한 상기 MiniBar™(10)의 접합 특성 및 전단 저항성을 강화시킨다. 비록 하나의 나선형이 도시되었으나, 상기 MiniBar™(10)는 이러한 나선형이 없이도 형성될 수 있음을 주지해야 하며, 상기 변형된 또는 편평화된 단부는 요구되는 접합 및 전단 저항성을 확보하며, 본 발명에 의한 MiniBar™(10)의 제 3 실시예를 개략적으로 나타내는 도 3을 참조하면, 각각의 단부는 변형되고 나선형이 없다.
도 3은 본 발명에 의한 MiniBar™의 일 실시예의 일 부분을 확대하여 개략적으로 나타낸 것으로서, 중요성을 갖는 다양한 각도를 나타낸다. 도시된 바와 같이, 상기 바(10)는 적합한 매트릭스 내에 내장된 다수의 실질적으로 평행한 섬유(17)로 이루어지며, 상기 바(10)는 나선형으로 권선된 스트링(12)이 제공되고, 인장되어 상기 나선형 스트링(12)이 상기 바(10)의 길이를 따라 나선형으로 이어지는 연장형의 만입부(14)를 형성하게 된다. 상기 도면에 나타낸 바와 같이, 각도(α)는 지면에서 상기 바(10)의 중심선(CL)과 상기 나선의 돌출 각도 사이의 각도를 정의하는 데에 사용된다. 이러한 각도(α)는 바람직하기로는 4 내지 8도 사이의 범위로 되어야 한다. 더욱이, 상기 도면은 또한 로드의 중심선(CL)과 상기 섬유(17)의 길이방향 방향 사이의 각도(β)를 나타낸다. 위에 명시된 바와 같이, 상기 각도(β)는 2 내지 5도 사이의 범위로 되어야 한다. 두 섬유의 중심선에 대하여 4 내지 5도의 공통 각도와 두 섬유 사이의 장력이 균형을 이루는 것이 최적이다. 도 3은 인장된 나선으로부터 발생되는 다양한 형태를 나타내기 위하여 과장되고 변형된 것임을 주지해야 한다. 나선형 사이의 표면은 나선형으로 배열된 다소간의 외향 볼록 표면을 부여함을 주지해야 한다. 상기 바의 축방향으로 2개의 연속적인 만입점 사이의 길이(L)는 상기 나선의 피치 길이를 정의한다.
도 4는 본 발명에 의한 MiniBar™(10)의 일 실시예의 축방향 수직 단면을 확대하여 개략적으로 나타낸 것으로서, 다수의 실질적으로 평행한 섬유(17)의 방향 및 통로를 나타내며, 또한 한 편으로는 상기 콘크리트(15)의 골재(15)와 미세분 사이의 상호작용을 그리고 다른 한 편으로는 상기 MiniBar™ 섬유 표면의 표면과 만입부(14) 사이의 상호작용을 나타낸다. 명확성을 위하여 주위의 콘크리트(15)의 일 부분만을 도시하였으나, 상기 섬유(10)는 상기 콘크리트 내에 무작위로 배열됨을 주지해야 한다.
도 5는 본 출원에 의한 MiniBar™(10)의 일 단면을 확대하여 개략적으로 나타낸 것으로서, 또한 상기 바(10)의 만입부(14), 나선 및 거칠게 된 표면을 나타낸다. 상기 거칠게 된 표면은 상기 평행한 섬유(17) 및 인접한 섬유(17)의 연장형 작은 만입부에 의하여 형성됨을 주지해야 한다.
일반적으로 균열 제어품의 추가 범위는 2% 미만이지만, 본 발명에 의하면 추가되는 MiniBars™의 함유량 범위는 0.5% 내지 10%의 범위로 된다. 테스트는 위에 명시된 MiniBars™ 추가 범위로 MiniBar™를 사용하여 보강된 콘크리트가 콘크리트 혼합에 아무런 어려움이 없었음이 입증되었음을 보여준다. 상기 콘크리트 내에 아무런 블리딩(bleeding), 볼링(balling) 또는 분리( segregation)가 없었으며, 아무런 어려움 없이 콘크리트 내에 MiniBars™를 혼합할 수 있다는 것이 입증되었다. 이러한 콘크리트는 추가로 아무런 주의를 기울일 필요없이 통상적으로 취급, 배치, 통합 및 마감되었음이 테스트로 입증되어, MiniBars™의 밀도로 인하여 양호한 작업성이 달성될 수 있음이 입증되었다.
콘크리트에 대한 개선을 입증 및 증명하기 위하여 테스트를 수행하였다. 상기 테스트는 본 발명에 의한 MiniBar™로 보강된 실린더의 ASTM C39ASTM C39에 의한 압축 강도를 보여주는데, 일반 비-보강된 실린더는 취성 파괴로 인하여 산산히 부서지는 반면 파괴 후 상기 실린더들은 여전히 그대로여서 연성 파괴를 입증하였다. 도 6은 다양한 섬유 함유량 부피%에 대하여 MPa로 측정된 건식 혼합 콘크리트의 휨 인장 강도를 나타내는 그래프를 도시한다. 상기 그래프는 건식 혼합에서 2개의 생성 섬유에 대한 테스트를 나타낸다. 상기 2개 생성 섬유 사이의 주된 차이는 상기 섬유의 직경 및 상기 나선의 피치 길이이다. 제 1 생산물에서의 섬유 함유량 부피는 일정하여, 즉, 1.89 부피%이었던 반면, 제 2 생산물에서는 섬유 함유량이 각각 0.75 및 1.5이었다. 도시된 바와 같이, 물질의 효과적인 사용 및 현무암의 높은 인장 강도로 인하여 섬유 함유량이 감소되었음에 불구하고, 상기 2개의 제 2 생산물 모두에 대한 잔류 강도는 생산물 1에 대한 해당 결과보다 높았다.
도 7은 다양한 섬유 함유량 부피%를 이용하여 건식 혼합 콘크리트에 대하여 MPa로 측정한 평균 잔류 강도를 나타낸다. 소정의 균열 표면에 대하여 MiniBars™가 더 적었던 결과, 평균 잔류 강도가 낮다.
도 8은 2 내지 10 부피%로 변화를 주어 상이한 섬유 함유량 부피%에 대하여 MPa로 측정된, 20 mm의 최대 골재 크기를 갖는 일반 콘크리트의 휨 인장 강도를 나타내는 것으로, 증가되는 부피백분율에 대하여 휨 인장 강도가 대략 선형으로 증가됨을 나타낸다.
도 9는 0.5 내지 10.0으로 부피%로 변화를 주어 상이한 섬유 함유량 부피%에 대하여 측정된, 20 mm의 최대 골재 크기를 갖는 고강도 콘크리트의 휨 인장 강도를 나타내는 것으로, 17.04 MPa 휨 강도는 10 부피%의 함유량을 사용할 때 달성되는 것이다. 마찬가지로, 도 10은 20 mm의 최대 골재 크기를 갖는 콘크리트의 평균 잔류 강도를 나타내는 것으로, 15.24의 평균 잔류 강도는 10.0 부피%의 섬유 함유량을 사용할 때 달성되는 것이다.
상기 도면에는 또한 표 1, 표 2 및 표 3으로 나타낸 테스트 결과를 개시하는 하나의 시트가 포함된다. 표 1은 건식 혼합 콘크리트의 생산물 1 및 2에 대한 테스트 결과를 나타내며; 표 2는 최대 20 mm의 골재를 갖는 일반 콘크리트에 대한 테스트 결과를 나타내는 것으로, 상기 함유량%은 가변적이며; 그리고 표 3은 3가지 상이한 섬유 함유량%에 대하여 최대 20 mm의 골재를 갖는 고강도 콘크리트에 대한 테스트 결과를 나타낸다.
상기 휨 인장 강도(파단계수)는 0.75%에서 10%까지의 부피 백분율의 본 발명에 의한 MiniBars™에 대하여 ASTM C78-07 당 테스트하였고, 그 결과 휨 인장 강도는 제로(0) MiniBar™의 결과 5.2 MPa에 비하여 사용된 부피율에 따라 6 MPa로부터 17.05 MPa까지 증가하였다.
상기 평균 잔류 강도는 일반 비-보강된 콘크리트에 대하여 0으로부터 5.8 내지 15.24 MPa까지 사용된 MiniBars™의 부피율에 따라 증가하였다(474 psi 내지 1,355 psi). 이들 값은 유사한 압축 강도의 무근 콘크리트에 대하여 예상되는 값보다 상당히 더 크다. 휨 인장 강도(f r ), MiniBar™의 부피 함유량(Vf) 및(f'c) 사이의 다음의 상관관계는 콘크리트의 압축 강도로서, 이는 표준 실린더 테스트를 이용하여 결정된다(모든 단위는 MPa 단위임):
f r =(0.62 + 0.076 Vf)
Figure pat00001
본 발명에 의한 MiniBar™로 보강된 콘크리트에 대하여 얻어지는 평균 잔류 강도(ARS)는 기대보다 훨씬 더 큰 것으로서, 본 테스트 프로그램의 콘크리트 균열-후 성능에서 상기 MiniBar™가 상당한 도움을 준다는 것을 제시한다.
평균 잔류 강도(ARS) = 1.95 Vf, 여기에서(Vf)는 부피 백분율의 MiniBar™ 함유량이고(f'f)는 콘크리트 압축 강도이다.
상기 MiniBars™와 상기 MiniBars™가 내장된 콘크리트 사이의 접합을 개선하기 위하여, 상기 MiniBars™의 표면에는 예를 들면 모래와 같이 무작위로 배열된 입자성 물질이 제공될 수 있다.
상기 MiniBar™는 상기 MiniBar™를 관통하여 축방향으로 이어지는 길이방향 개구부가 제공될 수 있으므로 접착 면적을 증가시키기 위한 튜브형 MiniBars™를 확보할 수 있음 또한 주지해야 한다. 또한, 상기 MiniBar™는 종래 사용된 강철 또는 플라스틱 물질 섬유보다 더욱 두껍게 됨 그리고 보다 큰 직경에 대한 콘크리트 수축으로 인하여 보다 높은 압축력을 겪어내는 데에 적당하다는 것을 주지해야 한다.
강철의 비중(ρ)은 대략 8 g/cm3인 반면 콘크리트의 비중(ρ)은 약 2.3이다. 상기 MiniBar™ 보강재의 비중은 약 1.9이다. 결과적으로, 현무암 섬유의 비중이 콘크리트에 사용된 골재에 대략 해당하기 때문에, 상기 MiniBar™는 캐스팅 또는 콘크리트 치기 동안 상기 콘크리트 혼합물의 표면을 향하여 가라앉거나 떠오르지 않는다.
본 발명에 의한 MiniBars™를 제조하기 위한 공정은 다음의 단계로 이루어진다:
- 다수의 연속적인 현무암 섬유는 평행하게 조립되어 비닐 에스테르로 형성된 매트릭스 내에 내장된다. 이 단계에서, 상기 섬유 다발은 전방으로 당겨져서 당김 장력을 거쳐 직선형 몸체를 형성하고, 상기 매트릭스는 아직 양생되지 않은 부드러운 상태이다. 상기 섬유는 릴(reel)로부터 습윤 챔버로 전달된다.
- 하나 이상의 분리된 스트링을 상기 직선형이며 매트릭스에 내장된 다발 주위에 나선형으로 권선한다, 여기에서 상기 다발 및 매트릭스는 아직 비교적 부드러운 상태이며, 상기 하나 이상의 분리된 스트링은 상기 매트릭스화된 섬유 다발의 전방 당김에 의하여 유발되는 장력보다 더욱 높은 장력을 거치게 된다. 상기 보다 높은 장력으로 인하여, 상기 하나 이상의 분리된 스트링은 상기 매트릭스 내장된 섬유 다발의 표면 내에 나선형으로 이어지는 만입부를 형성하게 된다.
- 이에 따라, 상기 매트릭스 내장된 다발 및 상기 하나 이상의 나선형으로 권선되어 다소간 내장된 스트링은 양생 단계에 도입되며, 여기에서 상기 섬유 다발은 나선형 스트링(들)과 함께 양생 및 경화된다.
상기 섬유 다발의 전방 당김 장력에 비하여 더욱 높은 상기 하나 이상의 스트링의 장력으로 인하여 섬유 다발의 직선형 형상 또한 영향을 받게 되어, 양생 단계 이전에 그리고 양생 단계 동안에 대략 나선형인 전반적인 형상을 갖게 된다.
상기 연장형 섬유 다발은 위에 명시된 바의 요구되는 길이를 갖는 유니트로 절단되고, 사용에 적합하게 포장된다.
상기 섬유 다발 및 여기에서 상기 MiniBars™에 부여되는 피치는 권선 중 상기 하나 이상의 박형 스트링 내의 장력과 상기 권선 공정 중 상기 섬유 다발을 전방으로 당김하기 위하여 인가되는 장력 사이의 차이에 따라 좌우됨을 주지해야 한다. 상기 섬유 다발에 비하여 상기 하나 이상의 박형 스트링의 장력이 더욱 높을수록, 피치는 더욱 짧아지고 나선형 만입부는 더욱 깊어진다.
Figure pat00002
Figure pat00003
Figure pat00004
10 MiniBar™
11 섬유 다발
12 스트링
14 만입부
17 섬유

Claims (12)

  1. 현무암, 탄소 또는 유리 섬유로 형성되고, 인장되고, 양생된 매트릭스 내에 내장되고, 연속적이며 평행하며 직선형으로 된, 다수의 섬유(17)로 이루어지는 섬유 다발(11)로 구성되는 콘크리트 구조물용 보강 바(10)로서,
    여기에서 각각의 바는
    20 mm 내지 200 mm 범위의 평균 길이, 및
    0.3 mm 내지 3 mm 범위의 평균 직경을 가짐,
    각각의 바 표면의 적어도 일부는 인장된 물질로 된 하나 이상의 스트링(12)에 의해 변형되며, 스트링은 섬유 다발 주위에 나선형으로 권선되고, 섬유(17)를 평행한 상태로 유지하며, 그리하여 보강 바(10)의 매트릭스화된 섬유 다발(11)의 표면 상에 길이 방향으로 길게 배열되는 나선형의 만입부(14)를 갖는 불균일한 외표면을 제공함을 특징으로 하는 콘크리트 구조물용 보강 바.
  2. 청구항 1에 있어서, 각각의 바(10) 표면의 적어도 일부는 매트릭스 양생 단계 이전에 또는 도중에 변형됨을 특징으로 하는 콘크리트 구조물용 보강 바.
  3. 청구항 1에 있어서, 보강 바(10)는 콘크리트와의 우수한 접합에 기여하여 거칠어진 표면을 제공하는 표면 형상 및 질감의 적어도 하나로 제공됨을 특징으로 하는 콘크리트 구조물용 보강 바.
  4. 청구항 1 내지 3 중 한 항에 있어서, 섬유(17)의 단면은 원형 또는 타원형임을 특징으로 하는 콘크리트 구조물용 보강 바.
  5. 청구항 1 내지 4 중 한 항에 있어서, 나선의 피치 길이는 10 mm 내지 22 mm의 범위로 됨을 특징으로 하는 콘크리트 구조물용 보강 바.
  6. 청구항 1 내지 5 중 한 항에 있어서, 나선의 피치 길이는 17 mm임을 특징으로 하는 콘크리트 구조물용 보강 바.
  7. 청구항 1 내지 6 중 한 항에 있어서,
    바(10)의 중심선에 대하여 나선의 각도(α)는 4 내지 8도의 범위로 되며,
    바(10)의 중심선에 대하여 평행 섬유의 각도(β)는 2 내지 5도 정도임을 특징으로 하는 콘크리트 구조물용 보강 바.
  8. 청구항 1 내지 청구항 7에 의하여 정의되는 보강 바(10)의 제조 방법으로서,
    여기에서, 현무암, 탄소 또는 유리 섬유로 형성되고, 양생된 매트릭스 내에 내장되고, 연속적이며 평행하며 직선형으로 된, 다수의 섬유(17)로 각각의 바(10)는 이루어짐,
    여기에서 각각의 바(10)는
    20 mm 내지 200 mm 범위의 평균 길이, 및
    0.3 mm 내지 3 mm 범위의 평균 직경을 가짐,
    각각의 바(10)는 평행하고 직선형으로 된 다수개의 섬유(17)로 이루어지는 적어도 하나의 섬유 다발(11)로 구성되며, 여기에서 바(10)는 다음의 단계에 의하여 제작됨을 특징으로 하는 보강 바(10)의 제조 방법:
    - 섬유 다발에 장력을 부여하고 매트릭스 내에 내장하는 단계;
    - 인장된 재료로 된 하나 이상의 스트링(12)을 적어도 하나의 섬유 다발 주위로 나선형으로 권선하는 단계, 여기에서 스트링(12)의 장력은 섬유 다발의 장력보다 큼;
    - 매트릭스를 양생시키는 단계,
    그리하여 보강 바(10)의 매트릭스화된 섬유 다발의 표면 상에 길이 방향으로 길게 배열되는 나선형의 만입부를 갖는 불균일한 외표면을 얻음.
  9. 청구항 8에 있어서, 하나 이상의 스트링(12)은 매트릭스의 양생 이전에 권선되며, 양생 동안에 섬유(17)를 평행한 상태로 유지하고, 보강 바(10)의 길이방향으로 불균일한 외표면을 제공함을 특징으로 하는 보강 바의 제조 방법.
  10. 청구항 8에 있어서, 상기 인장된 물질로 된 적어도 하나 이상의 스트링(12)은 섬유(17)가 내장된 매트릭스의 양생 동안 적어도 하나의 섬유 다발 주위에 나선형으로 권선됨을 특징으로 하는 보강 바의 제조 방법.
  11. 청구항 8 내지 10 중 한 항에 있어서, 나선형 권선은 바(10)의 중심선에 대하여 4 내지 8도 사이의 범위의 각도(α)로 권선됨을 특징으로 하는 보강 바의 제조 방법.
  12. 청구항 1-7 중 한 항에 정의된 단섬유 바(10)의 용도로서, 바(10)는 그린 콘크리트와 무작위로 혼합되며, 균열 콘크리트의 보수작업에 사용되고, 양생된 콘크리트 구조물 내에서 평균 잔류 강도 및 휨(flexural) 강도를 제공하기 위하여 사용됨으로써, 상기 콘크리트 구조물의 구조성 짜임새를 복원 또는 개선함을 특징으로 하는, 청구항 1-7 중 한 항에 정의된 단섬유 바(10)의 용도.
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