2.1.1 콘크리트 배합

노치보를 제작하기 위한 콘크리트는 설계기준강도 $f_{ck}$를 30MPa로 설정하여 배합설계를 하였으며, 배합표는 다음 Table 1과 같다. 6개의 표준공시체의 압축강도실험을 수행하였으며, 평균압축강도는 47MPa±4.9MPa로 설계강도 대비 충분한 압축강도가 발현됨을 확인하였다.

2.1.2 강섬유

강섬유는 일반 후크타입의 강섬유로서 제원은 Table 2와 같다. 본 실험에서는 3개의 형상비를 사용하였다. 강섬유의 인장강도는 제작자로부터 제공 받은 자료를 제시하였다.

Table 2 Steel fibers used

ID	Dia. (mm)	Length (mm)	Aspect Ratio	Tensile Strength (MPa)
60	0.5	30	60	1,100
65	0.55	35	65
80	0.75	60	80

2.2.1 솔레노이드 전자기장 해석

전자기장을 도입하기 위한 장치의 제작을 위하여 우선 전자기장 해석을 ADINA Electro-Magnetics를 사용하여 해석을 수행하였다. Fig. 1과 같이 100mm×100mm 단면의 휨공시체를 감쌀 수 있는 크기, 순직경 200mm, 높이 200mm의 플라스틱 몰드를 모델링하였으며, 통과전류 5A의 전류를 기준으로 예상되는 전자기장을 계산하였다.

Fig. 2는 코일의 방향과 전자기장의 방향을 나타내며, 단면 중심의 상단(Top-center)과 단면 중심의 중앙(Middle-Center)의 해석결과를 도표로 나타내고 있다. 단면중심 중앙부(Middle-Center)에서 0.5T의 전자기력을 획득하기 위해서는 22,500 횟수의 코일회전수가 필요하며, 단면중심 상단(Top-center)에서는 거의 30000 회전수가 필요한 것으로 나타났다. 코일의 회전수가 지나치게 크게 되면 장비의 제작이 어렵고, 무게가 증가하므로 코일의 회전수를 늘리기 보다는 인가전류를 높이는 것이 효과적이다. 이를 위하여 콘크리트에서 강섬유를 회전정렬 시키는데 요구되는 전자기력에 대한 해석적 고찰을 다음장에 제시하였다.

Fig. 1 Electromagnetic field analysis modeling

Fig. 2 Electro-Magnetics analysis results

2.2.2 강섬유 방향조정을 위해 필요한 전자기력 결정

콘크리트 내부에 보강된 강섬유에 전자기장이 작용할 때 작용하는 힘들이 Fig. 3에 제시되어 있다. 강섬유의 수직방향으로 중력 G가 작용하며, 부력 F가 작용한다. 이 두 힘은 균형을 이루며, 전자기력에 의한 힘 $f_{m}$, 또한 전자기력에 의한 움직임을 저항하려는 drag force인 $f_{r}$가 작용한다.

$f_{m}$에 의한 회전력은 Eq. (3), 이에 저항하는 저항모멘트 $M_{r}$은 Eq. (4)와 같다.

상기 Eq. (1)~(4)에서 $B$는 전자기력(Tesla), $s$는 강섬유의 단면적(m2), $\mu_{0}$는 진공투자율($N/A^{2}$), $l$는 강섬유의 길이(m), $\theta$는 강섬유의 시간 t에서의 회전각(deg), $\eta$는 콘크리트의 점성($Pa\bullet s$), $\omega$는 강섬유의 각속도($\theta /t$), $t$는 전자기장 노출시간(sec), $d$는 강섬유의 직경($m$), $x$는 강섬유의 중심에서 거리($m$)을 의미한다.

각 변수에 대한 입력치는 Table 3과 같다. 이때 콘크리트의 점성은 ^{Banfill(2005)}의 연구에 근거하였다. $M_{m}$>$M_{r}$인 전자기력 $B$를 구하면 약 0.05T 정도의 전자기력에 5분간의 노출이면 충분히 강섬유를 코일의 직각 방향으로 회전 정렬시키는 것이 가능한 것으로 분석되었다. 그러므로 2.2.1장의 해석에서 요구되는 코일회전수의 1/10로도 충분한 것으로 계산된다. 솔레노이드에 인가하여할 전류는 Eq. (5)로부터 구할 수 있다. 계산 결과 약 3.1A의 인가전류가 필요한 것으로 계산되었다.

Fig. 3 Forces acting on a steel fiber mixed in concrete

2.2.3 솔레노이드 제작

순직경 200mm의 원통의 아크릴 보빈을 제작하였다. 원형 보빈의 길이는 200mm이며, 아크릴판의 두께는 2mm이다. 아크릴 보빈에 코일을 감는 것은 보빈의 고정을 위한 장치를 제작(Fig. 4(a))하여 기계에 고정하고, 회전력을 이용하여 코일을 표면에 감았다(Fig. 4(b)). 코일 회전수는 2500회로 하였으며, 코일의 직경은 1mm이다.

Fig. 4 Fabrication of a solenoid

2.3.1 노치보 제작

노치보 제작을 위한 몰드는 전자기력의 손실과 전자기장의 교란을 막기 위하여 플라스틱 몰드를 사용하였다. 노치보의 높이와 폭은 100mm이며, 전체 길이는 400mm, 실험시 지점간의 길이는 300mm이다. 콘크리트 배합은 잔골재와 강섬유를 먼저 투입 후 1분 이상 믹서를 회전하여 교반한 후 시멘트를 투입하고, 이후 곧바로 굵은 골재와 물을 서서히 투입하면서 배합하였다. 몰드에 타설할 때는 3층으로 나누어 타설하였으며, 매층 마다 다짐봉을 이용하여 10회 이상 다짐을 실시하였다. 타설 이후 1일간 기건 양생하였으며, 2일째부터 수조에 7일 이상 수침시킨 후 일주일 후 탈형하였다. 동일한 변수에 대하여 3개의 시험체를 제작하였으며, 총 18개의 노치보를 제작하고 실험하였다.

2.3.2 전자기장 노출

전자기장 노출을 위하여 제작한 솔레노이드 장치의 코일 저항을 테스트 미터를 이용하여 10회 측정하였으며, 평균 저항값은 134$ohm$로 매우 높은 저항치를 나타내었다. 전자기장 노출은 700volt 용량의 DC 파워서플라이를 이용하였다. 전자기장에 감긴 코일의 양단에 +극과 –극을 연결한 뒤 전압을 인가하였다. 전압을 100volt에서 서서히 올려 500volt에 도달하여 유지하였으며, 타설 이후 5분이 지나지 않은 상태에서 몰드를 원형코일의 중앙에 관통시켜 지지하였다(Fig. 5(a) 참고). 이후 5분간 500volt를 유지하였다. 전자기장의 노출 중에는 통과 전류를 관측하였으며, 3A를 상회하는 전류가 인가되는 것을 확인하였다. 노출중에는 코일의 온도를 측정하였으며, 코일의 온도가 지속적으로 상승할 때 인가전류의 양이 다소 감소하는 것을 확인하였으나, 3A 이하로 감소하지는 않았다.

솔레노이드에 발생되는 전자기력은 F.W. Bell사의 Model 8010 가우스미터를 사용하여 측정하였다. 전류 3A에서 측정된 전자기력은 0.0527T~0.0565T의 범위로 측정되었다(Fig. 5(c) 참고). 또한 이때 굳지 않은 콘크리트에 혼입된 강섬유는 노치보의 종방향으로 정렬되는 것을 표면에 있는 강섬유로부터 육안으로 확인하였다(Fig. 5(b) 참고).

Fig. 5 Work for exposure to electromagnetic field

2.4.1 실험변수

실험변수는 Table 4에 정리하였다. 강섬유의 형상비는 60, 65 및 80이며, 강섬유의 혼입량은 0.3%Vol., 0.4%Vol., 0.5%Vol.로 하였다. 0.5%Vol. 실험의 결과를 통하여 전자기장에 노출된 경우(with MF)와 그렇지 않은 경우(No_MF)에 대한 강섬유 형상비의 영향을 비교하였으며, 형상비 60의 강섬유의 실험결과를 통하여 전자기장 노출과 그렇지 않은 경우의 강섬유 혼입량의 영향을 비교하였다.

2.4.2 실험방법

실험방법은 ASTM C 1609/C 1609M의 “Standard test method for flexural performance of fiber-reinforced concrete (using beam with third-point loading)”에 따라 수행되었다. 시험규정에 따라 3점 재하 시험을 실시하였다. 시험체의 중앙에는 노치가 있으며, 노치는 폭 2mm, 깊이 25mm로 제작하였다. 시험중 노치의 CMOD(Crack Mouth Open Displacement)를 크랙게이지를 이용하여 측정하였으며, 보의 수직변위를 LVDT를 이용하여 측정하였다(Fig. 6 참고). 하중가력장치는 2000kN의 UTM을 사용하였으며, 측정치는 TDS301 장비로 취득하여 정리하였다.

Fig. 6 Set-up for beam test