2.1 사용 재료

하이브리드 섬유보강 콘크리트(Hybrid fiber reinforced concrete, HFRC)를 제작하기 위하여 시멘트는 시중에서 구입 한 1종 보통 포틀랜드 시멘트(H사 제품)를 사용하였고, 그 물 리적 성질은 Table 1과 같다. 잔골재와 굵은 골재는 각각 경북 안동에서 생산된 낙동강산 하천사와 부순돌을 이용하였으며, 이들의 물리적 성질은 Table 2와 같다. HFRC에 사용된 화학 적 혼화제는 유동화 및 고강도 콘크리트용으로 사용되고 있 는 S사의 폴리카르본산계의 고성능 감수제(Superplasticizer, SP)와 콘크리트의 점성을 증진시키는 증점제(Viscosity agent, VA) 및 내동해성 개선을 위한 공기연행제(Air entraining agent, AE)이며, 이들의 품질특성은 Table.3과 같다. HFRC를 제작하기 위하여 재료 특성이 다른 2종류의 섬유인 비정질 강 섬유(Amorphous steel fiber, ASF)와 유기섬유로서 폴리아미 드 섬유(Polyamide fiber, PAF)를 이용하였으며, 이들의 형상 및 물리적 특성은 Figs.1~2 및 Table 4와 같다.

Fig. 1

ASF

Fig. 2

PAF

Table 1

Physical properties of cement

Table 2

Physical properties of aggregates

Table 3

Properties of chemical admixtures

Table 4

Properties of ASF and PAF

2.2 실험 방법

2.2.1 공시체 제작

HFRC의 강도 수준별 압축강도, 장기 건조수축 특성 및 내 동해성을 평가하기 위하여 Table 5와 같이 콘크리트 배합실험 을 수행하였다. 목표 압축강도는 일반적으로 많이 사용되는 강도와 특수 목적으로 사용되는 강도를 각각 고려하여 40 및 60 MPa, 목표 슬럼프 및 공기량은 각각 150±25mm, 4.5±1.5% 로 설정하였다. 목표 압축강도 40 및 60 MPa 각각에 대해서 하이브리드 섬유의 전체 체적비는 현장 적용성을 고려하여 1.0%로 설정하였으며, 이 경우 기존의 연구결과로부터 ASF0.4%+PAF0.6% 및 ASF0.6%+PAF0.4% 섬유조합의 휨 성능이 가장 우수한 것으로 나타나, 본 연구에서도 이 배합을 채택하였다(^{Jun, 2018}). 압축강도, 길이변화 및 동결융해 시험 을 위하여 각각 KS F 2403 (²⁰¹⁴), KS F 2424 (2017), KS F 2456 (²⁰¹³)에 따라 원주형 공시체(Ø100×200mm), 각주형 공 시체(100×100×400mm), 각주형 공시체(76×101×412mm)를 제작하였다. 제작된 공시체는 성형 후 24시간 경과하여 몰드 를 제거한 후 시험 전까지 20±3℃의 온도로 습윤양생 또는 항 온항습실에 정치하였다.

Table 5

Mix proportions of HFRC

2.2.3 장기 건조수축 시험

HFRC의 장기 건조수축 특성을 평가하기 위하여 KS F 2424 (²⁰¹⁵)에 따라 배합비별 3개씩 제작된 각주형 공시체를 탈형 후 즉시 다이얼 게이지 방법에 의해 길이변화 초기값을 측정한 다음, 20±3℃의 수중에서 양생을 실시하였으며, 재령 7일이 되었을 때 제2회째의 길이변화 측정을 하고 이 시점을 기준으로 하였다. 그 후 20±3℃, 60±5% RH의 항온항습실에 정치하여, 보존 기간별(7, 28, 56, 91, 182, 273, 365, 546 및 730 일)로 길이변화를 측정하였고, 길이변화율은 식 (1)에 의해 구 하였다(Fig. 3).

(1)

길이변화율 ( % ) = ( X 01 − X 02 ) − ( X i 1 − X i 2 ) L 0 × 100

Fig. 3

Length change test

여기서, Lo는 기준 길이이며, X01, X02는 각각 기준으로 한 시점에서의 측정치(초기값)이고, Xi1, Xi2는 각각 시점 i에서 의 측정치이다.

2.2.4 동결융해 시험

HFRC의 내동해성을 평가하기 위한 동결융해 저항성 시험 은 배합비별 2개씩 제작하여 재령 14일간 표준양생한 각주형 콘크리트 공시체에 대해서 KS F 2456 (²⁰¹³)의 시험 방법 B 인 기중동결, 수중융해 방법에 따라 수행하였다. 동결융해 사 이클은 공시체의 온도를 약 3시간에서 교대로 4℃에서 –18℃ 까지 떨어뜨리고, 다음에 –18℃에서 4℃로 상승시키는 것을 1 사이클로 하여 300 사이클까지 실시하였다. HFRC의 내동해 성은 동결융해 300 사이클까지 가로 1차 진동 주파수를 측정 한 후 식 (2) 및 식 (3)과 같은 상대동탄성 계수 및 내구성 지수 로 평가하였다(Fig. 4).

(2)

P c = ( n c 2 n 0 2 ) × 100

Fig. 4

Freezing and thawing test

여기서, P_c는 동결융해 C 사이클 후의 상대 동탄성계수(%) 이며, n₀는 동결융해 0 사이클에서의 가로 1차 진동 주파수 (Hz)이고, n_c는 동결융해 C사이클 후의 가로 1차 진동 주파수 (Hz)이다.

(3)

D F = P N M

여기서, DF는 시험용 공시체의 내구성 지수이며, P는 N 사이클에서의 상대 동탄성계수(%)이고, N은 P가 시험을 단 속시킬 수 있는 소정의 최소값이 된 순간의 사이클 수 혹은 동 결융해에의 노출이 끝나게 되는 순간의 사이클 수, M은 동결 융해에 노출이 끝날 때의 사이클 수를 나타낸다.

3.1 압축강도

Fig. 5는 목표 압축강도 40 및 60 MPa에 대한 플레인 콘크 리트(Plain concrete, PC) 및 HFRC의 재령 28일 압축강도를 나타낸 것이다. 목표 압축강도 40 MPa의 경우, HFRC의 압 축강도가 플레인 콘크리트보다 약 7% 증가하였으나, 목표 압축강도 60 MPa인 경우 HFRC가 플레인 콘크리트보다 약 10%정도 감소한 것으로 나타났다. 따라서 섬유 혼입이 콘크 리트의 압축강도에 미치는 영향은 긍정적 효과와 부정적 효 과가 있지만, 혼입된 섬유가 섬유보강 콘크리트의 압축강도 에 미치는 영향은 크지 않은 것으로 보는 이론이 일반적인 기존의 섬유보강 콘크리트의 연구결과와 유사하게 HFRC의 압축강도 증진효과는 거의 없는 것으로 나타났다(^{Choi et al., 2016}).

Fig. 5

Compressive strength of HFRC

3.2 장기 건조수축 특성

Fig. 6은 HFRC의 목표 압축강도별로 재령 7일부터 730일까 지 건조수축에 의한 장기 길이변화율을 나타낸 것으로, 목표 압 축강도 40 MPa의 경우 HFRC의 길이변화율은 전 재령에 걸쳐 플레인 콘크리트보다 크게 감소되는 것으로 나타났고, HFRC 의 재령 1년 및 2년 길이변화율은 각각 플레인 콘크리트보다 37%, 36% 감소하는 것으로 나타났다. 목표 압축강도 60 MPa의 경우 HFRC의 길이변화율은 비교적 초기 재령인 재령 56일까 지 플레인 콘크리트보다 약간 큰 것으로 나타났으나, 재령 91일 부터 플레인 콘크리트보다 감소하기 시작하여 재령 1년 및 2년 의 경우 각각 31%, 25%로 크게 감소하는 것으로 나타났다. 따 라서 HFRC의 길이변화율은 대체적으로 플레인 콘크리트보다 크게 감소하며, 그 차이는 재령이 증가할수록 보다 커지는 것으 로 나타났는데, 이는 콘크리트에 혼입된 각각의 섬유들이 수분 이동에 대한 구속효과를 가짐으로써 수축변형률을 억제시켰 기 때문인 것으로 판단된다(^{Grzybowski, 1990; Oh et al., 1996}).

Fig. 6

Drying shrinkage of HFRC

3.3 내동해성

동해는 콘크리트 내부의 모세관수의 동결에 의한 체적팽창 이 직접적인 원인은 아니며, 이로 인하여 동결되지 않은 물의 압력이 높아져 콘크리트 속의 미세균열이 발생하기 때문이 다. 일반적으로 콘크리트의 내동해성은 상대 동탄성계수 (Relative dynamic modulus of elasticity) 또는 내구성 지수 (Durability factor, DF)로 평가하는데, 내구성 지수가 약 100 이면 내동해성이 우수한 것으로 판정되고, 60 이상이면 내동 해성이 있는 것으로 판정되며, 60 미만이면 내동해성이 없는 것으로 판정되고 있다(^{Neville, 1997}). Figs. 7~8은 HFRC의 목 표 압축강도별로 상대 동탄성계수 및 내구성 지수를 나타낸 것으로, HFRC의 동결융해 사이클에 따른 상대 동탄성계수는 목표 압축강도 40 MPa의 경우 플레인 콘크리트보다 약간 작 은 것으로 나타났으나, 그 차이는 미미하며, 압축강도 60 MPa 의 경우는 HFRC가 플레인 콘크리트보다 다소 큰 것으로 나 타났으며, HFRC 및 플레인 콘크리트 모두 상대 동탄성계수 가 90% 이상으로 나타났다. 또한 HFRC 및 플레인 콘크리트 의 동결융해 300 사이클 후 내구성 지수는 모두 90% 이상으로 내동해성이 있는 것으로 나타나, 소요의 공기량(4.5±1.5%)을 확보하였을 때 콘크리트의 종류가 내동해성에 미치는 영향은 거의 없는 것으로 나타났다.

Fig. 7

Relative dynamic modulus of elasticity of HFRC

Fig. 8

Durability factor of HFRC