2.1 사용재료 및 배합특성

본 연구에서는 OPC (Ordinary Portland Cement)가 사용 되었으며, IS 383-1970에 맞는 잔골재 및 굵은 골재가 사용 되었다. 배합수로는 적정 pH (7~8.5)를 가진 일반배합수가 사용되었으며, 열처리된 직경 12mm, 길이 70mm의 철근 (TMT: Thermo Mechanically Treated)이 부착성능평가를 위해 사용 되었다. Table 1에서는 잔골재 및 굵은골재 특성을 나타내었 으며, Table 2에서는 OPC 및 RHA의 화학적 성분을 나타내 었다.

RHA는 인도산으로 650°C에서 소성된 일반 RHA를 사용 하였다. Table 3에서는 코코넛 섬유의 물리적　특성을 나타내 었으며, Table 4에서는 본 실험을 위한 배합을 나타내고 있다.

W/C를 0.55로 고정하고 물: 잔골재: 굵은 골재의 비를 1: 1.8: 3.69로 혼입한 콘크리트를 제조하였다. RHA의 중량 치 환률을 0%, 10%, 20%로 변화시켰으며, 코코넛 섬유의 체적 비를 0.125%, 0.250%, 0.375%로 변화시켰다. 코코넛 섬유 는 일반 공학용으로 사용되는 섬유 (PE, PP)보다 엉김이 심 하여 작업성에 큰 영향을 미칠 수 있으므로 20mm, 40mm로 분류하여 실험을 수행하였다. 코코넛 섬유는 24시간동안 수 중 침지하였고, pH 8 이상을 만족하도록 NaOH 3% 처리를 하였으며 변색이 있는 섬유재의 경우는 실험에서 제외하였 다. Fig. 1에서는 사용된 코코넛 섬유 및 동종 섬유의 SEM 사진을 나타내었다.

Fig. 1.

Photo and SEM of coconut fiber (^{Abdullah et al., 2011})

배합순서는 시멘트, 코코넛 섬유, RHA를 투입하고 이후 골재를 투입하여 건비빔을 수행하고 이후 정해진 배합수가 투입된 후 본 비빔을 수행하였다. 봉다짐 및 태핑을 하여 시 편을 제조하였으며, 24시간 기건 양생 후 몰드를 해체하였다. 본 연구에서는 각 시편제조 후 28일 수중양생을 거친 뒤 시험 을 수행하였다. 일반적으로 섬유재 혼입은 슬럼프를 저하시키 는 데, 강섬유와 비슷한 수준의 저하로 알려져 있다 (^{Sivaraja, 2010}).

2.2 실험항목 및 개요

압축강도시험의 경우, 100mm×100mm×100mm의 육면체 몰드가 사용되었으며, 각 경우에 대해 세 개의 시편을 제조하 여 평균값을 사용하였다. 하중인가속도는 140kN/m를 준수하 였다. 쪼갬인장강도 시험을 위해 지름 60mm, 높이 100mm가 제조되었고, 휨강도 평가를 위해서는 500mm×100mm×100mm 의 보 몰드를 제조 후 휨시험을 수행하였다. 최종 파괴후의 하중 및 변위를 측정하였으며, 파괴된 시편에 대하여 균열폭 이 측정되었다. 내충격성 시험 (Drop weight impact 시험)에 대해서는 높이를 500mm에서 시작하여 100mm씩 증가시키 면서 560g의 무게추를 시편 (300mm×230mm×10mm)의 중 앙에 낙하하여 균열 및 파괴양상을 평가하였다. 또한 Pull out test을 위해 100mm×100mm×100mm 시편이 준비되었으 며 몰드 바닥면으로부터 10mm의 거리를 두어 중앙에 철근 을 매립하였다. 시험을 위하여 60톤급의 UTM이 사용되었는 데 최종 인발길이가 0.25mm일 때의 하중을 부착응력으로 평가하였다.

모든 시편은 전술한대로 제조 후 1일 기건 양생 후 몰드를 해체하였으며 4주간의 수중양생을 거친 뒤, 시험을 수행하였 다. Table 5에서는 본 연구에서 수행한 시험과 시험에 관련 된 따른 규격을 나타내었다.

Fig. 2에서는 pull out 시편의 제조를 나타내고 있는데, IS 2700에서는 부착력 시편 제조시 국부파괴방지를 위해 내부 에 코일을 설치하도록 권고하고 있다.

Fig. 2.

Specimens for pull-out test

3.1 압축강도 평가

Fig. 3에서는 압축강도 시험 사진을 나타내고 있으며, Fig. 4에서는 RHA 첨가에 따른 압축강도의 변화를 나타내고 있 다. RHA를 많이 혼입한 배합은 포졸란 반응에 의해 수화가 지연되므로 장기강도는 우수하지만 초기재령에서는 낮게 평 가될 수 있으므로 적절한 RHA의 혼입비가 필요하다.

Fig. 3.

Photo for compressive strength test

Fig. 4.

Compressive strength with varying RHA addition

또한 Fig. 5 및 Fig. 6에서는 길이 20mm 및 40mm를 가 지는 RHA 콘크리트의 압축강도 평가결과를 나타내었다. Fig. 5에서 볼 수 있듯이 섬유재의 혼입률에 대한 영향은 OPC인 경우 0.125% 혼입할 경우 최대값을 보였으나 큰 영향은 없 었으며, RHA 10% 및 RHA 20%를 혼입한 경우 강도가 크 게 증가함을 알 수 있다. 섬유재의 길이가 40mm인 Fig. 6의 결과도 Fig. 5와 매우 흡사하다. 섬유재의 영향보다는 RHA의 첨가량이 지배적인 역할을 하였으며, 10% 혼입에서 40.0MPa 을 나타내었다. 이는 OPC만을 사용한 콘크리트보다 강도보 다 1.7배 가량 증가하였는데, 포졸란 반응에 따른 강도개선 효과 및 높은 분말도에 따른 Packing 효과라고 할 수 있다 (^{Ramznianpour et al., 2009}). 일반적으로 섬유재의 혼입은 압축강도 개선효과는 크지 않으며, 인장강도 증진에 효과적 으로 알려져 있다. 본 연구에서도 같은 경향을 나타내었다 (^{Choi et al., 2004a},^b; ^{Cho et al., 2012}). Fig. 5~Fig. 6의 결 과에서 10%의 RHA 혼입은 강도 개선에 큰 효과를 나타내 고 있으며, 20mm 섬유혼입이 40mm 섬유 혼입보다 강도개 선효과가 우수하게 평가되었다. 이는 섬유재가 긴 경우 엉김 현상이 크므로 콘크리트 믹싱에 나쁜 영향을 주기 때문이며 특히 코코넛 섬유인 경우 흡수율이 매우 높으므로 짧은 섬유 가 유리하다고 판단된다. 기존의 연구에서는 코코넛 섬유 혼 입에 따라 1.5% 혼입까지 약간의 선형적인 증가를 보이고 있으나 큰 수준은 아니었다 (^{Sivaraja, 2010}).

Fig. 5.

Compressive strength of OPC and RHA concrete with fiber of 20mm length

Fig. 6.

Compressive strength of OPC and RHA concrete with fiber of 40mm length

3.2 쪼갬인장강도 평가

Fig. 7 및 Fig. 8에서는 20mm 및 40mm 코코넛 섬유를 혼입한 OPC 및 RHA 콘크리트의 쪼갬 인장강도 결과를 나 타내었다. Fig. 7에서 알 수 있듯이 쪼갬 인장강도는 RHA 치환률에 의한 영향보다 섬유재의 혼입에 따른 영향이 지배적 임을 알 수 있다. 섬유재가 20mm의 경우 0.125%와 0.250% 의 혼입은 큰 차이를 나타내지 않았으나 0.375%인 경우는 편차가 증가하였다. 40mm의 경우 0.125%에서 최대값이 평 가되었으며, 4.28MPa의 인장강도를 나타내었다. 40mm 섬 유재의 경우 0.125% 혼입시 평균 3.64MPa을 나타내었는데, 이는 20mm 섬유재인 2.28MPa보다 우수하게 평가되었다. 0.250% 이상의 섬유재를 혼입할 경우 큰 인장강도 개선은 확인할 수 없었다. 인장강도의 개선은 초기균열제어에 효과 적인 섬유재의 브리징 효과 (Bridging effect)로 알려져 있다.

Fig. 7.

Tensile strength of OPC and RHA concrete with fiber of 20mm length

Fig. 8.

Tensile strength of OPC and RHA concrete with fiber of 40mm length

인장강도 역시 코코넛 혼입률에 따라 선형적으로 증가하는 데 (^{Sivaraja, 2010}), 기존의 식과의 비교를 Fig. 7 및 Fig. 8 에 나타내었다.

Fig. 7에서는 비교적 기존의 연구와 비슷한 값의 변화를 보이고 있지만 Fig. 8에서는 차이가 크게 발생하였다. 이는 기존의 연구에서는 비교적 형상비 (l/d)가 작은 코코넛 섬유 를 사용했기 때문이다.

3.3 휨강도 평가

3.3.1 휨강도 및 변위

본 절에서는 휨하중 재하에 따라 최대하중과 파괴시의 최 대 변위를 분석하였다. Fig. 9에서는 휨파괴 시험시의 사진 을 나타내고 있으며, 그 결과를 섬유재 길이 20mm 인 경우 는 Fig. 10에, 40mm인 경우는 Fig. 11에 나타내었다. 처짐 의 측정은 UTM의 재하지점에서 자동적으로 측정되는 값을 평균하여 사용하였다.

Fig. 9.

Photo for compressive and tensile test

Fig. 10.

Load and displacement with varying fiber reinforcement (l=20mm)

Fig. 11.

Load and displacement with varying fiber reinforcement (l=40mm)

Fiber 길이가 20mm일 경우에는 코코넛 섬유의 첨가량에 따라 휨강도는 크게 달라지지 않았으나, 0.125%~0.250% 수 준에서 처짐이 크게 증가하여 연성을 크게 확보하고 있음을 알 수 있다. OPC 및 10 RHA에서는 0.125%에서 최대 처짐 이, 20RHA에서는 0.250%에서 최대 처짐이 발생하였다. 그 러나 첨가량이 0.375%에서는 모두 처짐의 감소가 발생하였 다. 코코넛 섬유의 길이가 40 mm인 경우는 0.375%에서 10 RHA에서 강도 저하가 발생하였으며, 처짐에서는 비슷한 양 상을 보이고 있다. 섬유재의 품질변동에 따라 성능변화가 발 생하기도 하지만, 0.125~0.250% 첨가에 따라서 콘크리트의 취성파괴를 개선할 수 있다고 판단된다.

3.3.2 섬유재 길이에 따른 효과

섬유 길이에 따른 하중비 및 처짐비를 분석하면 Fig. 12와 같이 나타낼 수 있다. Fig. 12에서는 OPC에 대한 최대 하중 비 및 변위비를 섬유재의 길이에 따라 비교한 것이다. 하중 비에서는 큰 차이는 없으나 40 mm의 경우 0.375% 첨가시 강도저하가 상당히 발생하였으며, 전체적으로 20 mm의 경 우 안정적인 보이고 있다. 변위의 경우 20 RHA의 경우 40 mm에서 큰 변위가 발생하였으나, 20 mm 경우 OPC와 10 RHA에서 안정적인 변위 증가를 보이고 있다.

Fig. 12.

Comparison of load and displacement ratio

실험후 휨 구간 저면에서의 균열폭 측정결과는 Fig. 13(a) 에 길이 20 mm를, Fig. 13(b)에 길이 40 mm의 결과를 나타 내었다. 본 실험에서 코코넛 섬유를 넣지 않은 경우는 지나 친 취성파괴이므로 휨 균열폭을 측정하지 못하였다.

Fig. 13.

Crack width after flexural test

최소 균열폭은 섬유재 첨가량이 많은 0.375% 그룹과 길이 40 mm에서 평가되었는데, 0.075 mm (20 RHA)와 0.082 mm (10 RHA) 수준이었다. 최대 균열폭은 섬유재 첨가량이 적은 길이 20 mm, 0.125% 그룹에서 평가되었고 20 RHA에 서 1.802 mm가 측정되었다. 균열폭 특성만 보면 섬유재 첨 가량이 많고 (V_f=0.375%), 길이가 긴 섬유재 (40 mm)가 효 과적임을 알 수 있다.

3.4 내충격성 평가

Fig. 14에서는 20 mm 섬유를 혼입한 시편의 내충격성 결 과를 나타내고 있다. OPC + 0.250% 경우가 0.03 Nm로 가 장 큰 에너지를 저항력을 가지고 있었으며, 10 RHA 및 20 RHA에서는 0.250% 이상의 섬유혼입비가 우수한 특성을 나 타내었다. 충격에너지는 RHA 혼입 유무보다 섬유재의 혼입 이 더욱 지배적인데, 이는 충격에 의한 초기 균열억제 효과 에 기인한다고 할 수 있다. 섬유 혼입비 0.250%에서 모든 배합이 최대값을 나타내었다.

Fig. 14.

Impact energy in OPC and RHA concrete with fiber

3.5 부착력 평가

섬유재 혼입이 0.125%일 모든 배합에서 부착력이 최대로 평가되었으며, 10 RHA 일 경우, 평균 부착력이 9.615 MPa 로 OPC (8.890 MPa) 및 20 RHA (8.118 MPa)보다 큰 수 준으로 평가되었다. 이는 10%의 RHA 첨가인 경우 가장 큰 압축강도를 가지고 있기 때문이다. Fig. 15에서는 부착력실 험 결과를 나타내고 있다.

Fig. 15.

Pull-out strength in OPC and RHA concrete with fibers