2.1 실험계획

2.1.1 변위제어속도에 따른 SFRC의 압축거동 평가

현행 ^{KS F 2405(2010)}에서는 콘크리트의 압축강도를 평가 하기 위하여 매초 0.6±0.4 MPa의 증가속도의 하중제어 방식 을 사용하도록 규정하고 있다. 하지만 본 연구에서는 SFRC의 최대하중 이후 거동을 효과적으로 평가하기 위해 변위제어 방식을 적용하였다. 기존문헌의 실험결과에 따르면, 변위제 어 방식의 적용은 SFRC의 후반부 압축거동 평가에 효과적인 것으로 보고되었다. 하지만 연구자들 마다 분당 0.05∼1.2 mm 사이의 상이한 변위제어 속도를 적용하고 있어 변위제어 속도에 따른 SFRC의 압축특성 평가가 요구된다(^{Barros and Figueiras, 1999; Bencardino et al., 2008; Chen et al., 2014; Ou et al., 2012; Carneiro et al., 2014; Ahn et al., 2015; Lee et al., 2015}). 이에 본 연구에서는 만능재료실험기 변위제어 속도를 분당 0.05, 0.1, 0.3, 0.5, 1.0 mm로 적용하여 일축압축 실험을 실시하여, 변위제어 속도에 따른 SFRC의 압축특성을 평가하 였다. 본 실험을 위해 Table 1에 나타낸 설계기준 압축강도 35 MPa인 SFRC를 사용하였으며, Table 2의 형상비 64 및 인장 강도 1,200 MPa의 후크형 강섬유를 사용하였다.

Table 1

Mixture proportions of SFRC

Table 2

Mechanical properties of steel fiber

2.2 실험방법

Fig. 1(a)는 압축거동 평가방법을 나타낸 것으로, 2,000 kN 용량의 만능재료시험기를 사용하여 실험을 실시하였다. ^{KS F 2403(2014)}에 준하여 압축공시체를 제작하였으며, 최대길이 60 mm의 강섬유의 분산성 확보를 위하여 지름 150 mm, 높이 300 mm의 원주형 공시체를 사용하였다. 압축변형측정을 위해 중앙부 100 mm 구간에 컴프레소미터(compressormeter)를 설치 하였으며, 2개의 선형변위계를 사용하여 변형을 측정하였다.

Fig. 1

Test set-up for mechanical properties

휨 거동 평가방법은 Fig. 1(b)에 나타낸 바와 같이, ^{ASTM C1609(2012)}에 준하여 200 kN의 만능재료시험기를 사용하 여 경간 450 mm의 3등분점 가력방식으로 실험을 진행하였다. 휨 공시체의 단면은 섬유의 분산성을 고려하여 150×150 mm 로 계획하였으며, 초기균열 이후 강섬유 보강효과를 평가하 기 위하여 경간의 1/150 및 1/300 처짐까지의 휨 인성 및 휨 인 성지수를 평가하였다. 하중-처짐 관계 측정을 위해 실험체에 요크(Yoke)를 설치하였으며, 2개의 선형변위계를 설치하여 중앙부의 상대처짐을 측정하였다.

3.1 가력속도에 따른 SFRC의 압축거동

Fig. 2는 가력속도에 따른 SFRC의 압축거동을 나타낸 것으 로, 35-NS64 배합을 대상으로 가력속도별 각 1개의 공시체를 제작하여 실험을 실시하였다. Table 3은 변위제어속도에 따 른 SFRC의 실험결과를 정리하여 나타낸 것으로, 변위제어속 도가 감소함에 따라 압축강도가 미소하게 감소하는 양상을 나타내었다. 또한 변위제어 속도 1.0 mm에서 하중제어 방식 과 유사한 압축강도가 나타났다. 탄성계수의 경우 변위제어 속도 0.05 mm 실험체에서 다소 낮게 평가되었으나, 다른 실 험체에서는 유사하게 평가되었다.

Fig. 2

Effects of loading rate on compressive behavior

Table 3

Effect of loading rate on compressive properties of SFRC

Fig. 3은 본 연구의 최대강도 이후 압축거동 평가방법을 나 타낸 것으로, 압축인성과 압축인성지수 산정기법을 나타낸 다. ^{JSCE-SF5 (1984)} 및 ^{Nataraja et al.(1999)}의 연구에서 제시 된 기법을 근거로 산정하였으며, 변형 0.009 및 0.015까지의 인성 및 인성지수를 산정하였다. 이는 콘크리트의 극한변형 률로 알려진 0.003의 각각 3 및 5배까지의 변형을 나타낸다. 압축인성지수는 압축인성을 압축강도로 무차원화 하여 산정 하였으며, 산정식을 각각 식 (1) 및 (2)와 같이 나타낼 수 있다.

Fig. 3

Compressive toughness of SFRC

여기서, TR_c,3 및 TR_c,5는 각각 변형 0.009 및 0.015까지의 압 축인성지수, T_c,3 및 T_c,5는 각각 압축하중-변위 곡선에서 변형 0.009 및 0.015까지의 압축인성 (N․mm), π는 원주율, r은 실험 체의 반지름 (mm), f_cu는 압축강도 (MPa)를 나타낸다. 압축인 성 및 인성지수 평가결과는 Table 3에 나타난 바와 같이, 가력 속도가 증가함에 따라 압축인성이 높게 평가되었다. 이는 Fig. 3에 나타난 바와 같이 가력속도에 따라 초기선형구간 이후 동 일한 변형에서 응력이 증가하기 때문으로 판단된다. 반면 압 축인성지수의 경우 무차원화로 인해 가력속도에 따른 차이가 미소하게 나타났다.

3.2 강섬유 특성에 따른 SFRC의 압축거동

Fig. 4는 콘크리트 및 SFRC 압축 공시체의 대표적인 파괴 양상을 비교하여 나타낸 것으로, 일반 콘크리트에서는 균열 이후 취성적인 파괴 및 박리현상이 발생한 반면 강섬유를 보 강한 경우에는 섬유 가교작용으로 인해 균열진전 및 콘크리 트 박리가 완화되는 것으로 나타났다. 배합별 각 3개의 공시 체에 대한 실험을 실시하였으며, 편차가 큰 실험체를 제외한 실험체의 압축특성을 정리하여 Table 4에 나타내었다. Fig. 5 는 사용된 강섬유의 인장강도 및 형상비에 따른 SFRC의 대표 적인 압축응력-변형 곡선을 나타낸 것으로, 본 연구에서는 60 MPa급 고강도 SFRC를 고려하여 사전연구 중 가장 낮은 속도 인 0.05 mm/min을 적용하여 실험을 실시하였다. 하지만 Fig. 5(a)에 나타난 바와 같이 설계기준 압축강도 35 MPa급 SFRC 의 후반부 거동은 비교적 잘 평가되었으나, Fig. 5(b)와 같이 60 MPa급 SFRC의 경우 최대강도 이후 취성적인 파괴양상을 나타내며 후반부 거동 평가가 어려운 것으로 판단된다. 이는 압축강도 시 만능재료시험기의 최대하중과 밀접한 관련이 있 는 것으로 판단되며, 강섬유의 길이로 인해 공시체의 지름을 작게 할 수 없는 경우 스프링 등의 추가적인 보강요소를 활용 하여 고강도 SFRC의 압축인성 평가를 실시해야할 것으로 사 료된다.

Fig. 4

Failure mode of SFRC under compressive loading

Fig. 5

Compressive behavior of SFRC

Table 4

Effect of steel fiber properties on compressive behavior of SFRC

강섬유의 보강여부 및 섬유종류에 따른 SFRC의 탄성계수 및 압축강도의 변화는 미소한 것으로 판단되며, 예상된 바와 같이 압축강도가 증가함에 따라 SFRC의 탄성계수가 증가하 는 양상을 나타내었다. 반면 최대하중 이후 후반부 거동에서 강섬유효과가 높게 나타났으며, 압축인성지수의 경우 강섬유 를 보강함에 따라 크게 증가하는 것으로 나타났다. 또한 인장 강도가 높은 강섬유를 사용할 경우 높은 압축인성지수를 나 타내었으며, 보통강도 강섬유를 사용한 경우에서는 형상비가 증가함에 따라 압축인성지수가 증가하는 것으로 나타났다.

3.3 강섬유 특성에 따른 SFRC의 휨 거동

^{ASTM C1609(2012)}에 따른 SFRC의 휨 인성 산정기법을 Fig. 6에 나타냈으며, 실험체 지간의 1/300 및 1/150 처짐까지 의 인성지수를 각각 식 (3) 및 (4)에 근거하여 산정하였다.

Fig. 6

Flexural toughness of SFRC

여기서, TR_f,300 및 TR_f,150은 각각 경간의 1/300 및 1/150 처짐 까지의 휨 인성지수, T_f,300 및 T_f,150은 휨 하중-처짐 곡선에서 경간의 1/300 및 1/150 처짐까지의 휨 인성 (N․mm), f₁은 초기 균열 휨 강도 (MPa), b는 실험체의 너비 (mm), h는 실험체의 높이 (mm)를 나타낸다.

배합별 각 3개의 공시체를 제작하여 휨 성능을 평가하였으 며, 초기균열 이후 급격한 파괴가 발생한 일부 실험체를 제외 한 초기균열강도, 최대 휨 강도, 휨 인성, 휨 인성지수의 평균 및 표준편차를 정리하여 Table 5에 나타내었다. Fig. 7은 강섬 유의 종류에 따른 대표적인 SFRC의 휨 거동을 압축강도 수준 에 따라 나타낸 것이다. 그림에 나타난 바와 같이 설계기준 압 축강도 35 MPa의 SFRC의 경우 강섬유를 보강함에 따라 초기 균열강도 및 휨 강도가 향상되는 것으로 나타났으며, 강섬유 의 형상비 및 인장강도에 따른 초기균열의 변화는 미소한 것 으로 나타났다. 설계기준 압축강도 60 MPa의 SFRC의 경우 강섬유의 형상비가 증가함에 따라 초기균열강도가 증가하는 것으로 나타났으며, 고인장강도 강섬유를 사용할 경우 휨 강 도가 크게 향상되는 것으로 나타났다.

Table 5

Effect of steel fiber properties on flexural behavior of SFRC

Fig. 7

Flexural behavior of SFRC

휨 인성지수 평가결과 보통강도 영역에서는 강섬유의 형상 비가 증가함에 따라 휨 인성지수가 증가하는 것으로 나타났 으며, 인장강도에 따른 영향은 미소한 것으로 나타났다. 반면 고강도 SFRC의 경우 높은 인장강도의 강섬유를 사용할 경우 휨 인성지수가 증가하는 것으로 나타났다. 이러한 경향은 강 섬유의 파괴양상과 밀접한 관련을 갖는 것으로 판단된다.

Fig.8에 나타난 바와 같이 보통강도 SFRC의 경우에는 모든 강섬유에서 부착파괴가 발생하지만 고강도 SFRC에서 보통 강도 강섬유를 사용할 경우 콘크리트와 강섬유의 부착력 증 진으로 인해 강섬유의 부착파괴와 파단이 함께 발생하였으 며, 이로 인해 휨 인성지수가 감소한 것으로 판단된다.

Fig. 8

Failure mode of steel fibers

3.4 압축인성과 휨 인성의 상관성

^{Jang and Yun(2018)}의 연구에서는 휨 인성지수에 비해 상 대적으로 평가가 어려운 SFRC의 압축인성지수 예측을 위해 휨 인성지수에 근거한 예측방식을 제안하였다. Fig. 9는 본 연 구의 실험결과와 ^{Jang and Yun(2018)}의 실험결과를 근거로 압축인성지수와 휨 인성지수의 관계를 나타낸 것이다. 예상된 바와 같이 휨 인성지수가 증가함에 따라 압축인성지수가 향상 되는 것으로 나타났다. 본 연구에서는 회귀분석을 통해 기존연 구 제안식의 계수를 수정하여, 식 (5) 및 (6)을 제안하였다.

Fig. 9

Correlations of compressive and flexural ratio

Fig. 9에 나타낸 바와 같이 본 연구의 제안식은 지간의 1/300 처짐까지의 휨 인성지수를 근거로 극한변형률의 3배까 지의 압축인성지수를 예측할 수 있으며, 지간의 1/150 처짐까 지의 휨 인성지수를 근거로 극한변형률의 5배까지의 압축인 성지수를 예측할 수 있다. 또한 제한된 식은 전반적으로 본 연 구 및 기존연구의 실험결과를 잘 예측하는 것으로 판단된다.