남정 수
(Jeong-Soo Nam)
1)
유재 철
(Jae-Chul Yoo)
2)*
김규 용
(Gyu-Yong Kim)
3)
김홍 섭
(Hong-Seop Kim)
4)
전중 규
(Joong-Kyu Jeon)
5)
© Korea Institute for Structural Maintenance Inspection All rights reserved
키워드
아라미드섬유, 표면개질, 강동특성, 고속 비상체, 내충격성능
Key words
Aramid fiber, Surface modification, Strength properties, High velocity projectile, Impact resistance
1. 서 론
근년, 국내·외의 많은 연구기관에서는 섬유보강 시멘트 복합재료 (Fiber Reinforced Cement Composites, FRCC)의 건축
및 토목분야의 적용을 위한 연구가 활발하게 이루어지 고 있다. 섬유보강 시멘트 복합재료는 압축, 인장, 휨특성 및 변 형경화 특성 등에 따라 섬유보강
콘크리트 (Fiber Reinforced Concrete, FRC), 고인성 시멘트 복합재료 (Ductile Fiber Reinforced Cementitious
Composites, DFRCC) 및 고성능 시멘트 복합 재료 (High Performance Fiber Reinforced Cement Composites,
HPFRCC) 등으로 분류할 수 있다.
섬유보강 시멘트 복합재료는 휨인장성능, 전단성능, 균열 제어성능, 내충격성능 등의 요구성능에 따라 적용범위를 설 정하고, 구조물의 신축, 보수보강을
목적으로 활용되고 있다. 섬유보강 시멘트 복합재료는 보강섬유에 의해 시멘트 복합 재료의 성능을 개선시키는 원리이기 때문에 사용되는 혼입 섬유 자체의
인장강도 및 탄성계수 등의 향상과 섬유의 혼입 율에 따라 균열분산능력 및 변형특성의 향상에 미치는 정도 가 매우 다양하게 나타나고 있다 (Maalej et al., 2004).
일반적으로 국내에서는 폴리비닐알코올 (Polyvinyl alcohol, 이하 PVA)섬유, 폴리에틸렌 (Polyethylene, 이하 PE)섬유,
및 강섬유가 주로 사용되고 있다. 특히, 고인성 또는 고성능 섬유보강 시멘트 복합재료의 경우, PVA섬유 및 PE섬유를 주로 사용하고 있으며, 이는
섬유의 특성을 고려한 것으로, 섬유와 시멘트 복합재료간의 계면가교작용에 의한 변형경화 특성을 보이기 때문이다 (Li V. C., 1993). 이러한 섬유보강 시멘트 복합재료는 철골 구조물의 내진보강을 위해 프리캐 스트 HPFRCC벽판 (Kesner et al.), PVA섬유로 보강된 ECC 의 골조 적용 (Fischer et al.), HPFRCC를 이용하여 제작된 내진부재를 피로티 건축물의 내진보강에 적용하는 (Fukuyama et al., 2000) 등 섬유보강 시멘트 복합체의 적용공법에 대한 다양한 연구가 진행되고 있으나, HPFRCC에서 주로 사용되 고 있는 PVA섬유 및 PE섬유의 경우,
주로 국외의 제품을 사용한 연구사례가 대부분이다.
특히, 내충격 성능평가에 대한 일례로 국내의 경우 PVA섬 유 및 PE섬유를 단섬유 형태로 다량 혼입한 시멘트 복합재 료의 내충격성능에 대하여 고속비상체의
충돌에 의한 충격 시험으로 섬유보강에 의한 효과를 검토한 사례가 보고되고 있으며 (Kim et al., 2011), PVA와 강섬유를 하이브리드한 HPFRCC에 대하여 휨 및 충격성능에 대하여 평가하였으며, 단섬유와 장섬유의 복합혼입으로 인하여 휨인성 및 충격
성 능의 향상효과에 대하여 검토한 연구도 보고되고 있다 (Kim et al., 2009). 또한, 강섬유 및 FRP Sheet 보강 슬래브에 대 하여 저속 및 고속충격에 대한 실험과 해석적 연구를 통해 보강섬유의 가교작용에 의한 균열
저항성능의 향상으로 인 해 충격 에너지가 소산되는 것으로 보고되고 있다 (Lee et al., 2011(a); Lee et al., 2013(b)).
한편, 시멘트 복합재료의 보강용 소재산업에 있어서 단섬 유 형태가 아닌, 시트형태로 구조물의 내진보강, 방호방폭용 도 등에 적용 (Fariborz Vossoughi et al., 2007)하고 있는 아 라미드섬유는 국내기술에 의한 생산이 가능하고, 그 특성으 로서 인장강도가 약 2,920 MPa로 PVA섬유 및 PE섬유에 비하여 우수하며,
단섬유로 제조시 섬유의 직경과 길이는 PE 섬유와 매우 유사한 수준이다. 또한, 아라미드섬유는 방탄복, 방탄모 등의 소재로 활용되고 있으며, 기타
내열성과 내구성, 내충격성을 요구하는 산업분야에 적용되고 있다. 특히, 방호 방폭소재로서의 가능성을 검토하기 위한 연구활동이 일부 이루어지고 있다.
최근, 전세계적으로 폭탄테러 및 플랜트시설의 폭발사고에 의한 인명피해가 계속적으로 보고되고 있는 가운데, 건설구 조물의 안전성을 확보하기 위하여 건설재료의
내충격성능의 향상에 대한 관심이 높아지고 있으며, 여러 연구자에 의해 다양한 실험방법으로 연구개발이 이루어지고 있다. 건설구조 재료분야의 연구사례로서
아라미드섬유시트를 보강한 콘크 리트패널의 방폭성능은 탄소섬유시트보강과 비교하여 콘크 리트패널의 배면박리를 억제에 효과적인 것으로 보고되고 있다 (Beppu et al., 2008).
이러한 배경에서, 다양한 범위로 활용성을 확대시키기 위 해서는 단섬유형태로 시멘트 복합재료에 보강하는 방법에 대해서도 검토가 필요하다. 섬유의 기본물성이
기타 보강용 섬유에 비하여 우수하기 때문에 아라미드섬유보강 시멘트 복합재료의 재료특성을 파악하고 성능향상을 위한 검토가 이루어진다면, 향후, 섬유보강
시멘트 복합재료의 고성능화 에 기여할 수 있을 것으로 판단된다. 그러나, 아라미드섬유 는 단섬유로 형태로 시멘트 복합재료에 혼입할 경우, 친수성 의
성질 때문에 유동성이 크게 저하되고, 시멘트 매트릭스와 의 부착이 강하고 섬유자체의 인장강도가 크기 때문에 시멘 트 복합재료의 변형경화능력에는 기여하기
어려운 특성이 있다.
이에 본 연구에서는 산업기반소재로서 방탄소재로 사용되 고 있는 아라미드섬유를 단섬유의 형태로 보강한 시멘트 복 합재료의 강도특성 및 내충격성능을 평가하기
위하여 아라 미드섬유의 길이 및 혼입율, 표면유제처리에 의한 섬유표면 의 개질 (소수성)의 정도를 달리하여 그 영향성을 검토하였 으며, 또한, 아라미드섬유의
활용성을 폭 넓게 검토하기 위 하여 콘크리트 보강용으로 널리 사용되고 있는 후크형 강섬 유 (Hooked steel fiber)와 하이브리드화한 시멘트
복합재료 에 대해서도 강도특성 및 내충격성능을 평가하였다.
2. 실험계획 및 방법
2.1. 사용재료 및 배합
2.1.1. 사용재료의 물리적 성질
Table 1에 섬유보강 시멘트 복합재료의 제작에 사용된 재 료의 물리적 성질을 나타내었다. 결합재는 1종 보통 포틀랜 드 시멘트, 분말도 3,228 cm2/g의 2종 플라이애쉬를 사용하 였으며, 잔골재는 섬유보강 시멘트 복합재료에 주로 사용되 는 7호 규사를 사용하였다. 또한, 보강섬유의 경우, 인장강도
2,920 MPa, 직경 11 μm의 아라미드섬유를 6, 12 mm로 길 이가 다른 2종류를 사용하였다.
Table 1
Mechanical properties of the used materials
|
Materials
|
Mechanical properties
|
|
Cement
|
Ordinary Portland cement, Density : 3.15g/cm3 Fineness : 3,770cm2/g
|
|
Fly-ash
|
Density : 2.30g/cm3, Fineness : 3,228cm2/g
|
|
Silica sand
|
Density : 2.64kg/m3, Absorption ratio : 0.38 %
|
|
Fiber
|
Aramid
|
Density : 1.44g/cm3, Tensile strength : 2,920MPa, Length : 6, 12mm, Diameter : 11μm, Oiling agent ratio
: 0.7, 1.2 %
|
|
Hooked steel
|
Density : 7.85g/cm3, Tensile strength : 1,140MPa, Length : 35mm, Diameter : 500μm,
|
|
Super plasticizer
|
Polycarboxylic acid type
|
아라미드 섬유의 경우 유기섬유로서 친수성의 성질을 가 지고 있어 시멘트 복합재료의 보강재료로 사용될 경우 유동 성의 저하 및 섬유의 분산성에 문제가
있다. 본 연구에서는 이를 개선하기 위하여 섬유표면에 유제처리를 실시하였으며, 유제처리량에 따른 유동성 및 섬유의 분산성에 대한 검토를 하고자 유제처리량에
따라 다음과 같이 실험 수준을 설정하 였다. 6 mm 길이의 아라미드섬유는 표면유제처리비율 (Oiling agent ratio)을 0.7, 1.2
%로 구분하여 섬유의 표면특성을 개 선하였으며, 12 mm 길이의 아라미드섬유는 표면유제처리비 율 (Oiling agent ratio)을 0.7 %로
하였다.
아라미드섬유와의 하이브리드화를 검토하기 위한 후크형 강섬유는 강섬유보강 콘크리트에 널리 사용되는 인장강도 1,140 MPa, 직경 500 μm, 길이 35 mm의 섬유를 사용하였다.
Fig. 1은 아라미드섬유의 표면유제처리공정에 대하여 나타 낸 것으로 아라미드섬유는 친수성으로서 비빔시 배합수를 흡수하는 성질이 크기 때문에 유동성 및 시멘트
매트릭스 내 부에서의 섬유분산효율이 저하한다. 이에 본 연구에서는 아 라미드섬유의 표면유제처리 (Oiling agent)를 통하여 소수성 으로 개질하여
유동성 및 분산효율을 개선하고자 하였다.
Fig. 1.
Surface modification of aramid fiber
2.1.2. 시멘트 복합재료의 배합
시멘트 복합재료의 배합은 Table 2에 나타낸 바와 같이, 섬유를 혼입하지 않은 Plain시험체의 배합을 기준으로 섬유 혼입율, 섬유길이, 아라미드섬유의 표면유제처리율, 아라미 드섬유와
강섬유의 하이브리드에 의해 구분하여 시험체 수 준을 설정하였다. 또한, 시멘트 복합재료의 설계압축강도는 약 50 MPa로 설정하고 물결합재비를 0.4로
하였다. 목표플 로우 150±20 mm를 만족하는 범위에서, 아라미드섬유 길이 6 mm의 경우 표면유제처리율 0.7 %는 1.0, 1.5 및 1.2
(Vf %) 의 표면유제처리율에서는 1.0, 1.5 및 2.0 (Vf %)의 섬유혼입 율로 시험체를 제작하였다. 또한, 아라미드섬유 길이 12 mm 의 경우 표면유제처리율 0.7 %, 섬유 혼입율 1.0, 1.5 (Vf %) 로 설정하였다. 한편, 아라미드섬유와 강섬유를 하이브리드 한 시험체는 아라미드섬유 1.0 (Vf %), 강섬유 0.5 (Vf %)의 섬유혼입율의 범위에서 시험체를 제작하였다. 아라미드섬유 와 강섬유를 하이브리드한 시험체의 경우, 아라미드섬유길이 6, 12 mm에 대하여의
표면유제처리율을 0.7 %로 동일하게 설정하였다.
Table 2
|
Mix ID1)
|
W/B
|
Fiber (Vf %)
|
Fiber length (mm)
|
Oiling agent ratio (%)
|
Unit weight (kg/m3)2)
|
|
W
|
C
|
FA
|
S
|
SP.
|
|
Plain
|
0.4
|
-
|
-
|
-
|
452
|
960
|
169
|
395
|
-
|
|
A1.0-6-0.7
|
1.0
|
6
|
0.7
|
0.016
|
|
A1.5-6-0.7
|
1.5
|
0.023
|
|
A1.0-6-1.2
|
1.0
|
6
|
1.2
|
0.012
|
|
A1.5-6-1.2
|
1.5
|
0.015
|
|
A2.0-6-1.2
|
2.0
|
0.024
|
|
A1.0-12-0.7
|
1.0
|
12
|
0.7
|
0.018
|
|
A1.5-12-0.7
|
1.5
|
0.026
|
|
A6+S
|
1.5
|
6
|
0.7
|
0.018
|
|
A12+S
|
12
|
0.7
|
0.019
|
공기량의 경우, Plain배합은 1 %로 나타났으며, 섬유보강 시멘트 복합재료에 대한 공기량의 범위는 8±2 %로 다량의 섬유혼입으로 공기량이 증가하였다.
2.2. 시험방법
2.2.1. 굳지않은성상
모르타르의 플로우 측정은 KS L 5111 시멘트 시험용 플 로 테이블에 규정된 플로우 측정용 형틀 (윗쪽 안지름 70±0.5 mm, 아래쪽 안지름
100±0.5 mm, 높이 50±0.5 mm)과 플로 우 테이블을 이용하는 KS L 5105에 규정된 방법에 준하여 실시하였다. 플로우의 측정은 형틀을
제거한 후 모르타르의 퍼짐이 정지된 시점에서 직교하는 두 방향의 지름을 mm단 위까지 측정하고 그 평균을 플로우로 하였다.
2.2.2. 강도특성
압축강도 시험과 쪼갬 인장강도 시험은 ø100 × 200 mm 의 원주형공시체를 각각 3개씩 제작하여 압축강도 시험은 KS F 2405 ⌈콘크리트의
압축강도 시험방법⌋에 준하여 실시 하였으며, 쪼갬 인장강도 시험은 KS F 2423 ⌈콘크리트의 쪼갬 인장강도 시험방법⌋에 준하여 실시하였다. 또한,
휨강 도시험은 KS F 2408 ⌈콘크리트의 휨 강도 시험방법⌋에 준 하여 실시하였으며, 시험체 치수는 □100×100×400 mm로 시험체 종류별로
3개씩 측정하였다. 강도특성시험에 사용한 타설 후 재령 1일에서 탈형한 후 측정재령 28일까지 온도 23±2 ℃, 상대습도 60±5 %의 항온항습챔버에서
양생을 실 시한 후에 평가하였다.
2.2.3. 내충격성능 시험
본 연구의 주요평가항목인 내충격성능을 평가하기 위한 시험체 치수는 □100×100 mm로 두께 15 mm로 하였다. Fig. 2는 고속비상체의 충돌에 의한 내충격성능 시험장치를 나타 낸 것으로 고압가스를 사용하여 비상체가 시험체에 고속으 로 충돌할 수 있도록 제작되었다. 시험체는
챔버내에서 고정 배치하였으며, 비상체의 충돌속도는 약 350 m/s이다. 충격시 험에 사용된 비상체는 구형으로 5 mm의 직경, 0.52 g의 강
재를 사용하였으며, 이 비상체는 시험체 충돌 전까지 설정된 가스압력에 의해 발사될 수 있도록 폴리카르보네이트계의 서 브캐리어와 함께 이동 후 캐리어는
챔버내의 캐리어분리대에 서 분리되는 시스템이다. 한편, 시험체의 평가항목에 있어서 파괴모드는 Fig. 3에 나타낸 바와 같이 표면관입 (Cratering), 배면박리 (Scabbing) 및 관통파괴 (Perforation)로 구분하였 으며, 시험체의
손상율은 Fig. 4와 같이 시험체의 표면과 배 면의 손상정도를 시험체 전체 면적에 대한 비율로 평가하였 다. 또한, 고속비상체의 충돌에 의해 발생한 시험체의 표면 및
배면손상깊이에 대해서는 최대손상부분의 깊이를 측정하 였다.
Fig. 3.
Failure modes of local damage
Fig. 4.
Damage mapping on specimen
3. 실험결과 및 고찰
3.1. 굳지않은 성상
Fig. 5는 섬유길이 및 표면유제처리율에 따른 테이블 플로 우 측정 결과를 나타낸 것이다. 섬유길이 및 표면유제처리율 에 관계없이 섬유혼입율이 증가할수록 유동성이
크게 저하 하는 것으로 나타났다. 섬유의 표면유제처리율 0.7 %의 경 우, 6 mm길이의 섬유를 혼입한 시멘트 복합재료의 플로우 값이 작게 나타났으며,
이는 섬유길이가 짧을수록 동일 체적 혼입율에서의 섬유개체수가 증가하여 유동성을 저해한 것으 로 판단된다.
한편, 섬유길이 6 mm의 경우, 섬유표면의 유제처리율이 1.2 %로 증가하는 것에 의해 유동성이 개선되는 것을 명확 히 확인할 수 있었다. 섬유표면의
유제처리를 통하여 섬유의 친수성을 소수성으로 개선하였으며, 이는 시멘트 복합체에서 의 섬유의 분산 및 유동성 증진에 효과가 있는 것으로 나타났 다.
A2.0-6-0.7, A2.0-12-0.7의 경우 유동성이 저하가 크고, 비 빔성상이 불량해 타설이 어려워 경화성상 평가에서 제외하 였다.
3.2. 강도특성
Table 3은 섬유의 혼입유무, 혼입섬유의 종류, 섬유의 표 면개질특성 등에 따른 시멘트 복합재료의 역학특성에 대한 결과를 종합적으로 나타낸 것이다. 압축강도의
경우, 섬유를 혼입한 시험체는 공기량의 증가로 Plain시험체에 비해 최대 11.5 MPa저하하였으며, 또한, 섬유혼입에 의한 비빔효율의 저하에 따른
분산능력, 조직의 치밀도의 영향으로 아라미드 섬유보강 시멘트 복합재료의 압축강도의 차이가 발생한 것 으로 판단된다.
Table 3
Strength properties of specimens
|
Specimen ID
|
Ave. compressive strength (MPa)
|
Ave. split tensile strength (MPa)
|
Ave. flexural strength (MPa)
|
|
Plain
|
55.0
|
1.49
|
2.37
|
|
A1.0-6-0.7
|
40.0
|
3.01
|
7.48
|
|
A1.5-6-0.7
|
44.7
|
3.92
|
10.83
|
|
A1.0-6-1.2
|
37.4
|
3.08
|
8.36
|
|
A1.5-6-1.2
|
37.4
|
3.96
|
13.32
|
|
A2.0-6-1.2
|
33.5
|
4.38
|
14.91
|
|
A1.0-12-0.7
|
39.1
|
3.43
|
8.29
|
|
A1.5-12-0.7
|
43.6
|
4.17
|
12.63
|
|
A6+S
|
47.8
|
5.01
|
7.23
|
|
A12+S
|
43.1
|
3.89
|
9.46
|
Plain 시험체의 인장강도 및 휨강도는 각각 1.49 MPa 및 2.37 MPa로 측정되었다. 일반적으로 콘크리트의 휨강도는 압축강도의 1/5 ~
1/7, 인장강도는 1/9 ~ 1/13로 알려져 있 지만, 본 연구에서 검토한 Plain 시험체의 휨강도와 인장강 도는 매우 낮은 범위로 나타났다.
이는 사용배합에 있어서 굵은골재를 사용하지 않은 모르타르 배합이며, 입경이 작은 7호 규사를 사용한 점에서 일반의 콘크리트와 다르게 평가 된 것으로
판단된다.
한편, 섬유보강 모르타르의 경우 섬유 혼입율이 증가할수 록 휨강도 및 인장강도가 향상되는 것으로 나타났으며, 아라 미드섬유보강 시험체의 경우, 혼입섬유의
표면유제처리율이 동일한 수준에서는 섬유의 길이가 길수록 인장강도 및 휨강 도가 향상되었다. 섬유의 길이가 동일한 수준에서는 섬유의 표면유제처리율이
높을수록 인장강도 및 휨강도가 향상하는 경향을 확인하였다. 섬유의 표면유제처리율의 증가에 의해 섬유의 분산능력이 향상되고, 이는 시멘트 복합재료 매트릭
스 내부에서 섬유의 가교작용에 의한 응력분산 및 균열제어 에 큰 영향을 미친 것으로 판단된다. 또한, 섬유길이의 영향 에 비하여 표면유제처리율의 영향에
의한 강도증가율을 명 확히 확인할 수 있었다. 한편, 하이브리드 시험체의 경우 후 크형 강섬유의 혼입에 의해 동일 혼입율의 아라미드섬유 단 독 혼입
시험체에 비하여 인장강도 및 휨강도가 다소 증가하 였으며, 특히 연성적 변형특성을 보였다.
Fig. 6에 섬유혼입율 1.5 (Vf %)에 대한 시험체 종류별 휨 강도와 변형관계를 나타내었다. 아라미드섬유를 혼입한 시험 체의 경우 최대휨응력 이후 변형연화 거동이 나타나지 않았
으나, 섬유의 표면유제처리율을 증가시킨 A1.5-6-1.2시험체 의 변형능력이 다소 향상되는 것을 확인할 수 있었다. 섬유 보강 시멘트 복합체의 변형연화거동은
균열 발생 이후 섬유 와 매트릭스의 인발특성에 의해 발생하지만, 아라미드섬유의 경우 섬유와 매트릭스간의 부착성능이 크고, 섬유자체의 연 신율이 낮아
균열발생 이후 섬유가 끊어져, 취성적인 파괴 특성을 나타내는 것으로 판단된다.
Fig. 6.
Flexural strength-disp. curve for 1.5 fiber(Vf %)
한편, 아라미드섬유와 강섬유를 하이브리드한 시험체는 휨 강도는 향상되지 않았지만, 변형연화 거동이 확인되었는데, 후크형 강섬유의 경우 균열 발생이후
섬유 끝단의 후크형에 의해 섬유가 매트릭스로부터 인발되는 거동을 나타내며, 이 로인해 변형연화 현상이 나타난 것으로 판단된다.
시멘트 복합재료의 정적역학특성에 미치는 아라미드섬유 보강의 효과는 섬유길이, 인장강도의 영향에 비해 시멘트 복 합재료와 섬유간의 계면특성에 의해 큰
영향을 받는 것으로 판단된다.
3.3. 내충격성능
3.3.1. 파괴모드 및 외관손상평가
Table 4는 고속비상체의 충돌에 의한 시험체 종류별 파괴 모드 및 외관손상정도를 나타낸 것으로 모든 시험체의 충돌 속도 범위는 약 350±15 m/s로 하였다.
Plain시험체의 경우, 파괴모드는 관통파괴 (Perforation)로 나타났으며, 배면박리 가 크게 발생하였다. 한편, 섬유보강 시멘트 복합재료의
경 우는 전체적으로 Plain시험체에 비해 고속비상체의 충돌에 의한 손상정도가 낮게 나타났다. 아라미드섬유의 표면유제처 리율 0.7 % 시험체의 섬유혼입율
1.0 (Vf %)의 범위에서는 관통파괴 (Perforation)의 파괴모드를 보였으며, 배면박리도 크게 발생하였으나, 섬유혼입율이 증가할수록 파괴모드는 배 면박리
(Scabbing)로 향상되었다. 또한, 아라미드섬유의 표 면유제처리율 1.2 %의 시험체의 경우, 1.0 (Vf %)의 범위에 서 관통파괴 (Perforation)가 발생하였지만, 배면박리정도는 동일섬유혼입율의 섬유표면유제처리율 0.7 %의 시험체에 비 해
매우 저감되었다. 또한, 섬유혼입율 1.5 (Vf %) 및 2.0 (Vf %)의 시험체는 배면박리 없이 표면파괴 (Cratering)의 파괴모드가 관찰되었다. 고속 비상체의 충돌에 의한 국부파 괴에 있어서 배면파괴의 경우
표면 충격에 의해 발생하는 충 격파가 배면으로 전달되어 발생하는 변형 및 응력에 의한 것 으로 기존 연구자들에 의해 보고되고 있다. 아라미드섬유는
섬유와 시멘트 복합재료간의 계면특성에 의한 분산성와 부 착효율에 의한 결과로 판단되며, 정적역학특성에서 나타난 휨강도 및 변형능력의 향상과도 상관성이
있는 것으로 사료 된다.
Table 4
Test results on the fracture mode of local damage
|
Specimen ID
|
Fracture mode of local damage
|
|
Plain
|
|
|
|
|
|
Perforation
|
|
|
|
Aramid fiber Length 6mm, Oiling agent ratio 0.7 %
|
|
|
|
|
|
1.0(Vf %) Perforation
|
1.5(Vf %) Scabbing
|
|
|
Aramid fiber Length 6mm, Oiling agent ratio 1.2 %
|
|
|
|
|
|
1.0(Vf %) Perforation
|
1.5(Vf %) Cratering
|
2.0(Vf %) Cratering
|
|
Aramid fiber Length 12mm, Oiling agent ratio 0.7 %
|
|
|
|
|
|
1.0(Vf %) Perforation
|
1.5(Vf %) Scabbing
|
|
|
Aramid fiber + Steel fiber
|
|
|
|
|
|
A6+S 1.5(Vf %) Scabbing
|
A12+S 1.5(Vf %) Cratering
|
|
한편, 아라미드섬유와 후크형 강섬유를 하이브리드한 시험 체의 경우, 배면박리 (Scabbing)와 표면파괴 (Cratering)의 파괴모드가 관찰되었으나
아라미드섬유를 단독으로 사용한 시험체에 비해 손상정도가 저감되었다. 그러나 이는 아라미 드섬유에 비해 강섬유의 보강효과에 기인한 것으로 판단되 며,
본 연구의 범위에서 내충격성능을 향상시키기 위한 아라 미드섬유의 적정혼입율은 1.5 (Vf %) 이상인 것으로 나타났다.
3.3.2. 표면 및 배면손상 평가
Fig. 7은 고속 비상체 충돌에 의한 표면파괴깊이 및 배면 박리두께를 나타낸 것으로 섬유혼입율이 증가할수록 표면 및 배면에 발생된 손상깊이가 저감되었다. Plain
시험체에 비하여 아라미드섬유를 혼입한 시험체의 경우, 표면관입깊이 보다 배면박리두께가 현저히 감소하였으며, 이러한 현상은 고속비상체의 충돌에 의해
전달되는 충격응력의 작용으로 발생되는 배면박리의 시작지점이 섬유보강에 의해 배면측에 가깝게 형성된 것으로 판단된다. 이는 섬유의 표면유제처리 율이
큰 시험체에서 더욱 명확히 확인할 수 있었는데 이는 표면유제처리율의 증가로 인해 섬유가 매트릭스 내부에 고 르게 분산되어 배면으로 전달되는 충격파에
대한 간섭효과 에 기인한 것으로 판단된다. 아라미드섬유와 강섬유를 하이 브리드한 시험체에서는 일부 배면박리가 억제되었지만, 아라 미드섬유에 의한 응력의
분산과 강섬유에 의해 매트릭스의 박리 방지 효과의 복합적인 작용에 의한 것으로 판단된다.
Fig. 7.
Depth of the cratering and scabbing
Fig. 8은 고속비상체의 충돌에 의한 시험체 종류별 표면 및 배면손상면적율을 나타낸 것이다. Plain시험체의 경우, 표 면손상면적율에 비해 배면손상면적율이
12.8 % 크게 나타났 다. 아라미드섬유를 혼입한 시험체의 경우, 섬유혼입율이 증 가할수록 배면손상면적율이 저감되었으며, 동일한 섬유혼입 율의 범위에서는
표면유제처리율이 높은 수준에서 표면에 비해 배면의 손상면적율의 저감효과가 크게 나타났다. 이는 아라미드섬유의 표면유제처리정도에 따라 시멘트 복합재료
와의 분산 및 부착효율이 증가하여 배면박리를 억제시킨 것 으로 판단된다. 아라미드섬유와 강섬유를 하이브리드한 시험 체는 표면유제처리율 1.2 %의
아라미드섬유 단독사용 시험 체에 비해 동일혼입율에서의 배면손상면적율은 증가하였으 나, 표면유제처리율 0.7 %의 아라미드섬유보강 시멘트 복합 재료에
비하여 배면손상면적율은 저감되었다.
Fig. 8.
Superficial damage in the front and back side
Fig. 9에 고속비상체의 충격시험 전후의 시험체 질량손실 율을 나타내었다. Plain 시험체와 비교한 경우, 섬유종류 및 혼입율에 관계없이 최소 2배 이상
질량손실율을 억제할 수 있었다. 또한, 아라미드섬유를 혼입한 시험체의 경우, 동일한 섬유길이 및 혼입율 범위에서는 섬유의 표면유제처리율이 큰 시험체에서
질량손실율이 저감되었으며, 동일한 섬유혼입 율 및 섬유의 표면유제처리율의 범위에서는 섬유길이가 길 수록 질량손실율이 억제되는 것으로 나타났다. 질량손실율의
경우, 표면에 비해 배면에 발생되는 파괴에 의한 질량손실의 영향이 지배적인 것을 알 수 있었다. 이와 같은 결과에 따라, 고속비상체의 충돌에 의한
시험체의 질량손실을 억제하기 위해서는 표면에 비해 배면측의 파괴를 제어하는 것이 효율 적인 것으로 사료된다.
Fig. 9.
Ratio of mass loss of the specimens after impact tests
4. 결 론
본 연구에서는 아라미드섬유의 표면개질에 의한 시멘트복 합재료의 역학특성 및 내충격성능의 향상효과에 대하여 평 가하였으며, 본 연구의 범위 내에서는
다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
-
아라미드섬유의 표면유제처리에 의해 섬유의 표면특 성이 어느 정도 소수성으로 개질되었으며, 이를 통하 여 섬유보강 시멘트 복합재료의 유동성을 향상시킬
수 있었다.
-
아라미드섬유의 표면유제처리율을 조절하여 섬유의 분산효율이 개선되었으며, 시멘트 복합재료의 휨성능 향상에 기여하였다. 또한, 섬유길이의 영향에 비하여
섬유의 표면유제처리율의 영향에 의한 강도증가율을 명확히 확인할 수 있었다.
-
아라미드섬유의 보강에 의해 시멘트 복합재료의 배면 파괴를 효과적으로 억제하였으며, 표면유제처리율의 증가에 의해 섬유와 시멘트 복합재료간의 분산 및
부 착효율 등 계면특성의 개선으로 내충격성능이 향상되 는 것을 확인하였다.
-
아라미드섬유와 강섬유를 하이브리드한 시험체의 경 우, 강도특성 및 내충격성능의 평가결과에 있어서 아 라미드섬유에 비해 강섬유가 기여하는 경향이 크게
나 타났으며, 아라미드섬유와 강섬유의 혼입비율 등에 관 한 추가적 검토가 필요할 것으로 판단된다.
-
본 연구의 범위에서 검토한 결과, 고속비상체의 충돌 에 의한 시멘트 복합재료의 질량손실율을 억제하기 위 해서는 시험체의 표면에 비해 배면측의 파괴를
제어하 는 것이 효율적인 것으로 나타났다.
감사의 글
이 연구는 충남대학교 학술연구비에 의해 지원되었음.
REFERENCES
(2013), Damage evaluation of reinforced concrete columns by hypervelocity impact,
Procedia Engineering, 348-354.
(2007), Resistance of concrete protected by fabric to projectile impact, Cement and
Concrete Research, 37, 96-106.
(2006), International RILEM Workshop on High Performance Fiber Reinforced Cementitoius
Composites (HPFRCC) in Structural Applications
(2000), Structural Performance of Engineered Cementitious Composite Elements and
Hybrid Structures, Proceedings of 6th ASCCS Conference. ASCCS-6 Secretarist, 969-976.
(2003), Cyclic Response of Highly Ductile Fiber-Reinforced Cement-Based Composites,
ACI Materials Journal, 90(2), 182-190.
(2011), Evaluation on impact resistance performance of fiber reinforced mortar under
high-velocity impact of projectile, Journal of the Architectural Institute of Korea.
Structure & Construction Section. AIK, 27(9), 101-108.
(2009), Flexural and Impact Resisting Performance of HPFRCCs Using Hybrid PVA Fibers,
Journal of the Korea Concrete Institute. KCI, 21(6), 705-712.
(2011), Analysis of bhaviors of conrete strengthened with FRP sheets and steel fibers
under low-velocity impact loading, Journal of the Korea Institute for Structural Maintenance
and Inspection, 15(4), 155-164.
(2013), Analytical evaluation of high velocity impact resistance of two-way RC slab
reinforced with steel fiber and FRP Sheet, Journal of the Korea Institute for Structural
Maintenance and Inspection, 17(3), 1-9.
(1993), The design of cementitious composites for civil engineering applications,
Japan Society of Civil Engineers, 10(2), 37-48.
(2004), High-velocity impact resistance of hybrid-fiber engineered cementitious composites,
1051-1058.
(2008), Experimental study on the effectiveness of fiber sheet reinforcement on the
explosive-resistant performance of concrete plates, International Journal of Impact
Engineering. ELSEVIER, 35, 1702-1708.