3.1 외관파괴성상 및 파괴등급
Table 4에 비상체의 충돌시험에 의한 표면 및 배면의 파괴 성상을 대표적인 파괴모드가 관찰된 시험체를 일례로 나타 내었다. 실험계획에서의 상정속도에 따라 실시한
비상체의 충돌시험에 대한 결과로 시험체 종류에 따른 실제 충돌속도 와 비상체의 운동에너지, 시험체의 파괴등급을 나타내었다. 비상체의 직경 9.54mm의
조건에서 충돌속도가 약 920 ~ 960 m/s인 Plain 2, PVA 1, S 1시험체에 대한 파괴등급은 각각 배면박리, 표면관입, 표면관입으로
평가되었다. Plain시 험체는 PVA시험체 비하여 압축강도가 약 10MPa 이상 크 지만, 그 결과가 비상체의 고속충돌에 대한 파괴억제효과로 작용하지는
않았다. 반면, PVA 1 및 S 1시험체는 배면에 미 세한 균열도 관찰되지 않았으며, Plain 2시험체와 달리 비상 체의 충돌에 의해 발생한 시험체
표면의 표면관입 직경이 증 가되는 것이 억제되었다. 또한, 비상체의 직경 19.05 mm의 조건에서 실시한 충돌시험 결과, Plain시험체는 충돌속도
345 m/s, 비상체의 운동에너지 1,674 J의 조건에서 배면박리 의 파괴등급으로 평가되었으며, 시험체가 크게 4등분되는 파 괴특성이 나타났다.
충돌속도 462 m/s, 비상체의 운동에너지 3,002 J의 조건에서는 관통의 파괴등급으로 평가되었으며, 특 히, 배면이 크게 박리되었다.
Table 4
Typical fracture mode after impact tests
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Plain
|
|
|
|
|
Impact conditions
|
Plain 2, 962 m/s, 1,627 J (Projectile diameter of 9.54mm)
|
Plain 4, 345 m/s, 1,674 J (Projectile diameter of 19.05mm)
|
Plain 5, 462 m/s, 3,002 J (Projectile diameter of 19.05mm)
|
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Fracture mode
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Scabbing
|
Scabbing
|
Perforation
|
|
PVA
|
|
|
|
|
Impact conditions
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PVA 1, 919 m/s, 1,485 J (Projectile diameter of 9.54mm)
|
PVA 4, 667 m/s, 6,257 J (Projectile diameter of 19.05mm)
|
PVA 5, 725m/s, 7,536 J (Projectile diameter of 19.05mm)
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|
Fracture mode
|
Penetration
|
Penetration
|
Perforation
|
|
S
|
|
|
|
|
Impact conditions
|
S 1, 926 m/s, 1507 J (Projectile diameter of 9.54mm)
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S 4, 678m/s, 6,466 J (Projectile diameter of 19.05mm)
|
S 5, 746 m/s, 7702 J (Projectile diameter of 19.05mm)
|
|
Fracture mode
|
Penetration
|
Scabbing
|
Perforation
|
한편, 고인성 섬유보강 시멘트복합체를 사용한 충돌시험에 서는 Plain시험체에 비해 비상체의 충돌속도 및 운동에너지 가 증가한 상황에서도 내충격성능이
크게 향상되는 것을 확 인할 수 있었다. PVA 시험체는 충돌속도 667 m/s, 비상체의 운동에너지 6,257 J의 조건에서 배면에 다수의 균열이
발생 하였지만, 파괴등급은 표면관입으로 평가되었으며, 충돌속도 725 m/s, 비상체의 운동에너지 7,536 J의 조건에서는 관통의 파괴등급으로 평가되었다.
또한, S 시험체의 파괴성상에 대 하여 검토한 결과, 충돌속도 678 m/s, 비상체의 운동에너지 6,466 J의 조건에서 시험체의 배면이 들뜨는
현상이 발생하 였으며, 그 과정에서 시멘트 복합체의 매트릭스가 박리되는 것이 관찰되어 배면박리의 파괴등급으로 평가되었다. 충돌속 도 746 m/s,
비상체의 운동에너지 7,702 J의 조건에서는 관 통의 파괴등급으로 평가되었다.
고인성 섬유보강 시멘트복합체의 파괴특성에 대하여 시험 체의 외관 및 파괴등급을 검토한 결과, 동등수준의 비상체 충돌조건에서 PVA 및 S시험체의 파괴성상은
유사하게 평가 되었다. 그러나, 표면의 파괴직경이나 배면의 박리정도는 PVA시험체가 S시험체에 비해 억제되는 것으로 나타났다. 이는 동일 체적혼입율에서
분포하는 PVA섬유의 개체수가 많 고, 그에 따른 균열제어 능력이 유효하게 작용한 것으로 판단된 다. Fig. 4는 PVA 4 및 S 4시험체의 파괴단면을 나타낸 것으 로 PVA 4시험체의 경우, 비상체의 충돌에 의해 발생한 균열의 분산이 효과적으로 이루어지고
있는 것을 확인할 수 있었다.
Fig. 4.
Cross section of PVA 4 and S 4
3.2 국부손상 측정결과
Table 5에 비상체의 충돌시험에 의해 발생한 국부손상의 평가항목별 측정결과를 나타내었다. 시험체 표면의 파괴직경 및 깊이는 섬유보강에 의해 크게 억제되었다.
시험체의 표면 에서 파괴직경을 억제시키는 능력은 비상체의 충돌작용에 의해 발생되는 충격력을 분산시키는 재료성능과 관계된다. 동일혼입율의 경우, S시험체에
비해 PVA시험체에 분포되어 있는 혼입섬유의 개체수가 15배 이상 많기 때문에 섬유와 시 멘트매트릭스가 관계하는 비표면적이 증가하게 되고 이는 비상체가
시험체에 충돌하는 순간 그 충격력이 넓이 방향으 로 진전되는 것을 억제시키는데 영향을 미친 것으로 판단된 다. 한편, 표면관입깊이의 경우, PVA시험체에
비하여 S시험 체의 억제효율이 높은 것으로 측정되었다. 표면관입깊이는 비상체의 운동방향으로 작용하는 충격력을 억제하는 시멘트 매트릭스의 압축 및 인장강도에
영향을 받으며, 이는 혼입섬 유의 물리적 성질과 관계된다. 따라서, 압축강도가 크고 혼 입섬유의 인장강도가 약 2배 이상 큰 강섬유를 혼입한 S시
험체의 표면관입깊이가 모든 충돌조건에서 PVA시험체에 비 해 효율적으로 억제된 것으로 사료된다.
Table 5
The results of local damage
|
Specimen ID
|
Front side
|
Back side
|
Ratio of mass loss (%)
|
|
W |
D |
Superficial damage (%)
|
W |
D |
Superficial damage (%)
|
|
Plain 1
|
71
|
9.8
|
4.3
|
0.0
|
0.0
|
0.0
|
0.40
|
|
Plain 2
|
233
|
47.5
|
46.7
|
153
|
52.0
|
10.3
|
8.87
|
|
Plain 3
|
68
|
11.0
|
3.2
|
0.0
|
0.0
|
0.0
|
0.28
|
|
Plain 5
|
196
|
25.7
|
28.5
|
256
|
74.3
|
55.7
|
24.89
|
|
PVA 1
|
22
|
45.0
|
0.7
|
0.0
|
0.0
|
0.0
|
0.12
|
|
PVA 2
|
62
|
32.8
|
4.3
|
0.0
|
0.0
|
0.0
|
0.55
|
|
PVA 3
|
59
|
48.5
|
3.3
|
0.0
|
0.0
|
0.1
|
0.06
|
|
PVA 4
|
65
|
59.0
|
3.6
|
0.0
|
0.0
|
0.2
|
0.06
|
|
PVA 5
|
56
|
63.5
|
3.1
|
167
|
36.5
|
18.1
|
2.63
|
|
S 1
|
81
|
37.5
|
4.3
|
0.0
|
0.0
|
0.1
|
0.39
|
|
S 2
|
78
|
26.0
|
5.1
|
0.0
|
0.0
|
0.0
|
0.56
|
|
S 3
|
102
|
41.3
|
10.1
|
0.0
|
0.0
|
0.1
|
0.94
|
|
S 4
|
107
|
48.8
|
10.8
|
204
|
42.5
|
21.3
|
0.85
|
|
S 5
|
117
|
52.5
|
13.5
|
265
|
47.5
|
28.4
|
5.26
|
또한, 시험체의 배면에 대한 국부손상의 측정결과에서도 섬유보강에 의한 파괴억제효과가 확인되었다. 고인성 섬유보 강 시멘트복합체의 경우, (Ⅱ) 배면박리
(Scabbing) 및 (Ⅲ) 관통 (Perforation)의 파괴등급으로 평가된 시험체에 대한 배 면박리직경 및 깊이의 억제효율은 S시험체에 비하여
PVA시 험체가 높은 것으로 나타났다. 배면박리직경의 억제는 표면 관입직경의 결과와 밀접한 관계를 보이며, 혼입섬유의 분포 및 그에 따른 비표면적의
영향에 의해 시험체로부터 시멘트 매트 릭스 파편의 박리가 제어되는 것으로 판단된다. 고인성 섬유보 강 시멘트복합체의 표면 및 배면의 국부손상 면적율은
파괴직 경에 대한 측정결과의 영향으로 PVA시험체에 비하여 S시험체 가 큰 것으로 나타났으며, 질량감소율의 경우는 시험체 표면에 비해 배면의 국부손상에
의한 영향이 큰 것으로 평가되었다.
3.3 고인성 섬유보강 시멘트복합체의 파괴특성
Fig. 5 ~ 7에 충돌시험에 의해 발생된 시험체의 국부손상 측정결과와 비상체의 운동에너지와의 관계를 나타내었다.
Fig. 5(a), (b)는 표면 및 배면으로 구분하여 비상체의 운동 에너지에 따른 국부손상의 직경을 나타낸 것으로, 표면관입 직경의 경우, 비상체의 직경 9.54 mm를
제외하고 섬유를 혼 입하지 않은 Plain시험체는 운동에너지가 커질수록 파괴직경 이 크게 증가되는 것으로 나타났다. 반면, S시험체의 경우, 동일한
비상체를 사용할 경우, 운동에너지가 크게 증가됨에 도 표면관입직경은 소폭 상승하였으며, PVA시험체의 표면 관입직경은 비상체의 운동에너지에 크게 영향을
받지 않은 것으로 나타났다. 한편, 배면박리직경에 대한 분석결과, 본 연구의 충돌시험 범위에서 Plain시험체는 약 1,600 J, S시험 체는 약
6,400 J, PVA시험체는 약 7,500 J 이상의 운동 에너 지가 작용할 경우, 배면박리가 발생하였다. S 및 PVA시험체 는 비상체의 운동에너지가
Plain시험체에 비하여 약 4 ~ 5배 정도의 규모에도 표면관입직경은 저감되는 것으로 나타났다.
Fig. 5.
The diameter of local damage by kinetic energy of steel projectile
Fig. 6(a), (b)는 비상체의 운동에너지에 따른 표면관입깊 이 및 배면박리깊이를 나타낸 것으로 섬유의 혼입유무와 관 계없이 동일한 비상체를 사용할 경우, 표면관입깊이는
비상 체의 운동에너지가 커질수록 증가하는 비례적인 관계로 나 타났다. 또한, 배면박리깊이는 표면관입깊이와 달리 섬유보 강에 의한 효과가 명확히 나타났다.
Plain시험체에 작용한 비상체의 운동에너지의 최대치인 약 3,002 J에서의 PVA 및 S시험체는 배면박리가 발생하지 않았으며, 각각의 비상체의
최대운동에너지 7,536 J 및 7,702 J에서 발생한 배면박리깊 이는 3,002 J의 운동에너지에서 발생한 Plain시험체의 배면 박리깊이에 비해
현저히 작게 평가되었다.
Fig. 6.
The depth of local damage by kinetic energy of steel projectile
한편, Fig. 7(a), (b)는 비상체의 운동에너지에 따른 국부손 상 면적율을 나타낸 것으로, 표면관입직경 및 배면박리직경 의 분석결과와 매우 유사한 경향으로 평가되었다. 특히,
비 상체의 운동에너지가 약 2,500 ~ 3,000 J의 범위에서의 표면 관입깊이는 Plain시험체가 가장 작게 측정되었지만, 표면관 입직경에 의해
산정된 Plain시험체의 국부손상 면적율은 S 및 PVA시험체에 비해 약 6배 이상 증가하는 것으로 나타났 다. 배면의 국부손상 면적율은 시험체 종류별
비상체의 최대 운동에너지에서 Plain시험체의 경우 55.7 %, PVA시험체의 경우 18.1 %, S시험체의 경우에는 28.4 %로 측정되어, Plain
시험체에 작용하는 비상체의 운동에너지에 비해 약 2.5배 이 상의 범위에서도 고인성 섬유보강 시멘트복합체의 배면박리에 의한 국부손상 면적율은 현저히
감소되는 것을 알 수 있었다.
Fig. 7.
The superficial damage by kinetic energy of steel projectile
Fig. 8은 비상체의 운동에너지에 따른 시험체의 충돌시험 전후의 질량감소율을 나타낸 것으로, 충돌시험에 의해 Plain 시험체는 최대 24.89 %, PVA시험체는
최대 2.63 %, S시험 체는 최대 5.26 %의 질량이 감소되었다. 비상체의 운동에너 지의 증가에 따른 질량감소율의 상관관계에 대하여 검토한 결과,
Plain시험체의 상관계수 R2는 0.92로 비상체의 운동에 너지의 증가경향과 매우 밀접한 관계로 시험체의 질량감소 율이 영향을 받는 것으로 나타났으나, 고인성 섬유보강 시멘 트복합체의
경우, PVA시험체의 상관계수 R2는 0.36, S시험 체의 상관계수 R2는 0.52로 평가되어, 비상체의 운동에너지 의 증가율에 따른 고인성 섬유보강 시멘트복합체의 질량감 소율은 밀접한 상관성을 확인할 수 없었다.
Fig. 8.
The ratio of mass loss by kinetic energy of steel projectile
한편, Fig. 9에 비상체의 충돌시험에 의해 발생한 국부손 상에 대하여 표면관입직경 및 배면박리직경의 관계를 나타 내었다. Plain 2시험체를 제외하고, (Ⅱ)
배면박리 (Scabbing) 및 (Ⅲ) 관통 (Perforation)의 파괴등급으로 평가된 시험체의 경우, 섬유혼입 유무에 관계없이 파괴직경의 비중은
표면에 비하여 배면이 크게 작용하는 것으로 나타났다. 또한, Fig. 10은 국부손상에 대한 표면관입깊이 및 배면박리깊이의 관 계를 나타낸 것으로, Plain시험체의 경우, (Ⅰ) 표면관입 (Penetration)의 등급을
제외하고, (Ⅱ) 배면박리 (Scabbing) 및 (Ⅲ) 관통 (Perforation) 등급에 대하여 시험체의 단면두께 를 기준으로 표면관입깊이에
비해 배면박리깊이가 차지하는 비중이 매우 큰 것을 알 수 있으며, 고인성 섬유보강 시멘트 복합체의 경우는 상대적으로 표면관입깊이에 비해 배면박리 깊이의
비중이 작은 것으로 나타났다.
Fig. 9.
Relationship between front and back of diameter calculated from local damage
Fig. 10.
Relationship between front and back of depth calculated from local damage
국부손상에 의한 표면 및 배면의 파괴특성을 보다 명확히 확인하기 위하여 Fig. 11에 (Ⅲ) 관통 (Perforation)의 파괴등 급으로 평가된 시험체에 대한 단면성상을 나타내었다. Plain 시험체는 배면박리가 시작되는 구간이
시험체의 단면중앙선 을 기준으로 비상체가 직접작용하는 시험체의 표면에 가깝 게 형성되는 것을 알 수 있다. 반면, 고인성 섬유보강 시멘트 복합체의
경우에는 시험체 종류에 의해 다소 차이는 있지만, 배면박리가 시작되는 구간이 시험체의 단면중앙선을 기준으 로 배면에 가깝게 형성되는 것으로 관찰되었다.
고인성 섬유보 강 시멘트복합체는 Plain시험체와 달리 비상체가 시험체의 표면 으로부터 관입되어 관통에 이르는 과정에서 작용하는 충격력에 대하여,
비상체가 시험체로부터 이탈하는 지점까지의 단면손실 이 억제되었다. 이와 같은 경향은 S시험체에 비해 혼입섬유의 개체수가 많은 PVA시험체에서 보다
명확하게 확인되었다.
Fig. 11.
Cross section of the specimens case by perforation grade