2.1 사용 재료

본 연구에서 사용한 주요 재료인 섬유의 종류 및 물성은 Table 1에 나타냈는데 사용한 섬유는 강섬유, 합성섬유 및 기 타섬유 등의 3 타입으로, 강섬유는 일반 강섬유(SFN), 고강도 강섬유(SFH), 마이크로 강섬유(SFM)의 3종류로 부착 효과를 위하여 양단에 후크가 가공되어 있는 제품을 사용하였다. 한 편, 합성섬유는 여러 종류가 있지만 현재 대표적으로 이용되 는 폴리프로피렌 섬유(PP) 및 폴리비닐알콜 섬유(PVA)의 2 종류를 사용하였으며, 기타 섬유로는 목재 상분의 셀룰로오 스 섬유(CEL) 등 총 6 종류의 섬유를 이용하였다.

한편 본 연구에서는 또한 섬유의 혼입률을 달리하여 사용 하였는데 현장에서 이용되는 일반적인 사용 범위 및 기존 연 구에서의 적정 사용량 등을 고려하여 0.5%, 1.0%를 사용하였 으며, PP섬유의 경우는 현재 현장 적용 시 적정 사용량이 0.9% 이므로 이를 이용하였다(^{Kim, 2009}).

2.2 콘크리트 배합

본 연구에서 콘크리트 제작에 이용된 섬유 이외의 각 종 재 료 및 시험체의 설명을 Table 2 및 3에 나타냈다. 배합은 설계 기준강도 40 MPa 정도 콘크리트 제작을 목표로 물시멘트비 는 40%, 목표 슬럼프는 80±20 mm, 목표 공기량은 4.5±1.0% 이며 고성능AE감수제를 사용하여 조정하였다.

2.3 시험방법

시험으로는 재령 1일에서 탈형한 후 소정의 양생을 실시한 다음 압축강도시험, 할렬인장강도시험 및 휨강도시험을 실시 하였다. 압축강도시험, 할렬인장강도시험은 ϕ100×200 mm 의 원주형 시험체를, 휨강도시험은 100×100×400 mm의 각 주형 시험체를 이용하였다.

일반적으로 콘크리트의 강도를 평가하는 경우에는 표준수 중양생을 실시한 시험체에 의해 측정되어지나 실제의 구조물 에서는 재령 28일까지 이러한 조건에서 양생이 이루어지는 경우가 드문 실정이다. 즉, 콘크리트 부재의 표층부분은 소정 의 양생종료 후 바로 건조 환경에 접한다. 따라서 양생방법으 로서 일반적인 평가에 이용되어지는 표준수중양생 이외에 기 중양생에 의한 건조의 영향을 확인하는 과정이 필요하다. 따 라서 본 연구에서는 시험체 제작 후 표준수중양생과 기중양 생을 실시하였는데 기중양생은 재령7일까지는 표준수중양생 을 실시한 후 실온 20±3°C, 습도 60±5%의 항온항습조에 거 치시켜 실시하였으며 각각의 양생을 실시한 후 시험은 재령 28일에 실시하였다. 한편, FRC의 경우 인성(Toughness)의 평 가가 중요하므로 휨강도 시험체를 이용하여 이를 평가하였다.

Photo 1에 기중양생, Photo 2에 휨강도시험 및 Photo 3에 할 렬인장시험 전경을 나타냈다.

Photo 1

View of air curing condition

Photo 2

View of flexural test

Photo 3

View of split tensile test

3.1 압축강도

본 연구에서 실시한 표준수중양생 및 기건양생에 의한 압축 강도 시험 결과의 비교를 Fig. 1에 나타내었다. 결과로부터, 섬 유의 혼입여부, 종류 및 혼입률에 관계없이 기중양생의 압축강 도는 표준수중양생보다 증가한 결과를 나타내고 있으며 강도 비는 대략 7%~13% 정도로 평균 10% 정도 기중양생에서 증가 하는 결과를 나타내고 있다. 이와 같은 기중양생, 즉 건조의 영 향 에 의해 압축강도가 증가하는 현상은 기존의 연구와 같은 경 향이며 수분의 발산에 의하여 표면에너지가 증가하기 때문으 로 설명된다(^{Li, 1997}). 한편, 섬유보강은 압축강도의 증진에는 기존의 경향과 유사하게 큰 효과는 없는 것으로 나타났다.

Fig. 1

Results of compressive strength according to curing method

3.2 응력-변형곡선

Fig. 2에 대표적인 할렬인장강도시험에 의한 응력-변형률 곡선을 나타내었다. 시험체는 SFH10이며 결과로부터 알 수 있듯이, 응력-변형곡선은 재하초기에는 직선관계를 나타내 고 있으나 균열의 발생 이후에는 시험체의 강성이 저하하므 로 기울기가 크게 나타났다. 양생방법의 차이를 검토하면 표준 수중양생에 비하여 기중양생을 실시한 시험체에서는 강성의 변화가 생겨 완만히 진행되는 경향이 나타났다(^{Banthia, 1995}). Fig. 3은 휨강도시험에 의한 응력-변형곡선이며 시험체는 PVA10 이다. 전체적으로 Fig. 2의 할렬인장강도시험 경향과 유사하 나 표준수중양생과 기중양생의 차는 좀 더 발생하였다.

Fig. 2

Results of stress-strain curve according to split tensile test

Fig. 3

Results of stress-strain curve according to flexural test

표준수중양생의 경우와 비교하여 기중양생에서는 강성이 저하하는 응력이 작고 균열 발생 이전부터 강성의 차이가 생 기는 것으로 보였다. 이러한 현상의 원인으로서 시험체 표면 에 건조수축에 의한 인장응력이 발생한 것으로 판단된다.

따라서 휨강도시험에서는 건조면이 재하 시 인장연단이 되 어 외력에 의한 휨인장응력에 가산되어지기 때문에 보다 현 저한 영향이 나타난 것으로 판단된다. 더욱이 기중양생이 실 시된 경우는 응력-변형곡선의 기울기의 변화가 보다 완만해 진 결과로 건조의 영향이 수축에 의한 인장응력 뿐만 아니라 수화반응이 방해되어진 것에 의해 시험체 표면의 매트릭스 조직이 거칠게 되는 것이나 건조에 의해 미세한 균열이 발생 되고 있는 것으로 판단되며 이러한 결과로부터 강성의 저하 가 발생된 것으로 판단된다(^{Li, 1997}).

3.3 휨인성 평가

FRC의 경우 인성(Toughness)의 평가가 중요하므로 휨강도 시험체를 이용하여 이를 평가하였다. 인성의 평가는 일반적 으로 인공균열 즉, 노치가 있는 보의 휨시험에서 얻어진 하중- CMOD(Crack mouth opening displacement : CMOD, 균열개 구변위) 결과를 이용하며 균열개구에 따르지 않고 소비되어 진 파괴에너지를 측정하기 위하여 행해지는 시험으로 얻어진 결과를 Fig. 4에 나타냈다. 한편, Fig. 5에 섬유의 혼입률(V_f)과 파괴에너지(G_F) 또는 CMOD = 2 mm까지의 인성(T_CMOD2) 의 관계를 나타냈다. 인성의 산출을 CMOD = 2 mm까지 측 정 데이터로 한 이유는 ASCE 기준에 따른 정의이며, 원래 파 괴에너지의 측정은 시험체가 완전히 파단 될 때 까지 시험을 실시하는데, 섬유의 종류 및 혼입률에 따라서는 시험체가 파 단 되지는 않았지만 하중에 대한 저항성이 없이 변위만 커지 는 경우를 고려하여 2 mm까지 변위로 제한하고 있다. 또한 본 연구에서는 섬유를 사용하지 않은 NFC 시험체는 G_F로, 섬유 보강 시험체에서는 T_CMOD2로 나타냈다. G_F 및 T_CMOD2는 Fig. 4에 나타낸 하중-CMOD곡선으로부터 시험체가 파단 할 때 까지 곡선 아래의 면적으로부터 구해지나 섬유를 이용하는 경우에는 전술한 바와 같이 2 mm까지의 CMOD의 면적을 이 용하였다. Fig. 5에 나타낸 것과 같이 NFC 시험체의 G_F는 0.35 N/mm 정도 인데 비하여 섬유를 혼입한 경우에는 최소치 의 경우에도 1 N/mm를 초과하고 있으며 섬유 혼입률의 증가 에 따라 인성도 크게 증가하였다.

Fig. 4

Results of Load-CMOD curves

Fig. 5

Results of GF and TCMOD2 according to fiber contents

파괴인성은 FRC에서 가장 중요한 인자 중 하나이며 인성 의 크기는 결국 측정된 곡선의 면적이므로 최대하중의 크기 보다는 최대하중 이후의 거동이 더욱 중요하다. 일반적으로 섬유 무보강의 플레인 콘크리트에 비해 섬유보강콘크리트의 경우 섬유의 가교응력 등에 의해 주균열 이후, 즉 포스트 크랙 (post crack)이후의 저항 능력이 뛰어나 인성적인 재료로 인식 되고 있다.

결과로부터, 기존의 일반적인 경향과 유사하게 섬유의 보 강을 통하여 파괴인성의 대폭적인 증진이 이루어 졌으며 섬 유의 종류로는 강섬유가 합성섬유나 천연섬유에 비해서 높아 역학적 측면에서의 효과를 알 수 있었다.

3.4 균열발생강도

ACI에서는 시험체 선단에 변형 게이지를 붙여 계측되어진 변형의 변화가 불연속이 된 점을 균열발생강도로 평가하도록 제시하고 있으며 본 연구에서도 이러한 내용에 준하여 ACI에 서 제시하고 있는 균열발생강도 판정방법을 이용하고자 하였 다(^{ACI, 1992}).

따라서 본 연구에서는 이러한 내용을 참고로 하여 응력-변 형 곡선에 나타난 변곡점에 대한 응력을 균열발생강도로 하 였다. 따라서 이런 과정을 통하여 균열 발생으로 판정한 점을 도시한 응력-변형 곡선의 대표적인 결과를 Fig. 6에, 구해진 균열발생강도를 Fig. 7 및 Fig. 8에 나타냈다. 시험 결과, 할렬 균열발생강도 및 휨 균열발생강도는 압축강도의 결과와는 달 리 기중양생방법이 표준수중양생보다 저하되었는데 할렬 균 열발생강도에서의 차이는 대략 10% 정도이며 휨균열발생강 도의 경우는 대략 30% 전후의 저하가 나타났다. 이러한 결과 는 전술한 바와 같이 시험체 표면의 건조수축에 의한 인장응 력의 영향에 의해 발생한 것으로 판단된다.

Fig. 6

Crack initiation of stress-strain curve

Fig. 7

Results of tensile crack strength according to curing method

Fig. 8

Results of flexural crack strength according to curing method

할렬인장강도시험에서는 시험체 단면에 일률적으로 응력 이 발생하기 때문에 시험체 표면의 영향이 작지만 휨시험에 서는 인장연단인 시험체 표면에 최대의 휨인장응력이 발생한 다. 이로부터 양생방법의 영향은 할렬 균열발생강도에 비하 여 휨 균열발생강도에서 더 크게 작용하는 것으로 판단된다.

3.5 섬유의 영향

Fig. 9 및 Fig. 10에 FRC에 대한 섬유 혼입률 및 균열발생강 도의 관계를 나타냈다. 균열발생강도는 표준수중양생에서의 균열발생강도를 1로 하여 기중양생을 수행한 경우의 균열발 생강도의 비율로 나타냈다.

Fig. 9

Ratio of flexural crack strength according to curing method

Fig. 10

Ratio of flexural crack strength according to curing method

양생방법에 의한 균열발생강도는 섬유의 종류에 따라 달라 져 강섬유보강이 합성섬유나 기타 섬유보강보다 효과적 이었 으며 섬유 혼입률의 증가에 따라 증가하는 것으로 나타났다. 한편, 균열발생강도에 가장 효과적인 강섬유는 마이크로 강 섬유를 사용한 경우로 나타났는데 다른 강섬유에 비해 미세 한 섬유의 특성이 콘크리트의 미세 균열 등을 효과적으로 제 어하여 강도에 증진에 기여한 것으로 판단된다.

한편, 휨 균열발생강도는 전반적으로 기건양생의 영향에 의해 저하하는 경향이 더 크며 특히 섬유를 보강하지 않은 NFC의 경우보다 섬유를 보강한 경우에서 그 차이가 더욱 두 드러진 것을 알 수 있었다. 따라서 섬유보강의 경우 플레인 콘 크리트에 비해 양생방법에 의한 영향을 더욱 받을 수 있기 때 문에 실구조물의 적용 시 이를 고려한 적용이 필요할 것으로 판단된다.