폴리프로필렌섬유를 혼입한 콘크리트와 화강토콘크리트의 역학적 특성^†

배합은 편의성과 다짐을 위해 잔골재, 굵은 골재와 화강토는 표면건조 포화상태로 하여 사용하였다. Table 7에 사용되는 화강토(Granite Soil)는 Table 6의 잔골재 대체용으로 시험하는 화강토의 양과 잔골재의 양은 같도록 하였다. 잔골재, 굵은 골재, 화강토, 시멘트의 양은 고정이며, PP 섬유의 양을 변화시킨 배합설계를 하였다. 배합의 양은 1m³에 각 재료의 중량을 대비하여 정하였다. 배합순서는 화강토 또는 잔골재, 굵은 골재, 시멘트, PP 섬유로 혼입하고 비빈 후 정해진 양의 물을 첨가하였다. 배합에 필요한 물의 혼입 순서가 마지막인 이유는 물의 혼입이 처음 또는 중간에 이루어지면 각 재료가 골고루 섞이지 않고 편중되게 섞일 수 있기 때문이다. 폴리프로필렌의 양과 잔골재의 종류를 변화시켜 혼입한 콘크리트의 역학적 특성을 알아보기 위해 폴리프로필렌섬유를 콘크리트에 혼입한 배합설계는 Table 6과 같고, 폴리프로필렌섬유를 화강토 콘크리트에 혼입한 배합설계는 Table 7과 같다.

시험은 KS에 규정에 따라 실시하였으며, 실험의 결과는 3회 반복한 시험의 평균값으로 하였다.

3) 인장강도시험

인장강도시험의 시험편 제작은 압축강도시험에 사용한 시편과 동일하게 제작하였으며, 공시체는 수중에서 재령28일 양생한 공시체로 시험하기 직전에 물에서 꺼내 습윤 상태로 압축시험기 KS B 5533의 6 (시험기의 등급) 에 규정하는 1등급 이상의 것으로 수행하였다. 하중은 공시체의 중심과 가압면의 중심이 일치하여 편심이 생기지 않아야 한다. 재하속도는 공시체가 파괴될 때까지 계속적으로 충격 없이 하중을 가하되 인장강도가 0.7~1.4MPa의 일정한 비율로 증가하도록 하여야 한다. 응력의 증가분은 매 분 0.49~0.98MPa 정도가 되도록 일정한 속도로 하중을 가하여 공시체가 파괴점에 도달할 때까지 가압하였다. 공시체의 지름은 중앙부 3곳과 양단부 근처의 지름을 정밀도 0.2mm까지 측정하였고, 공시체 길이는 2개소 이상 정밀도 2mm까지 측정하여 평균하여 산출하였다. Figure 5는 인장강도 시험광경이다.

Figure 5. Toughness test apparatus

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콘크리트와 화강토 콘크리트에 PP 섬유를 혼입하여 반죽질기와 관련된 슬럼프 시험을 수행하였다. 결과는 Table 8과 Figure 6에서 보는 것과 같이 섬유 혼입량에 따른 콘크리트의 슬럼프 결과는 0.9~3.5cm의 범위로 나타났으며, 화강토를 혼입한 콘크리트의 슬럼프 결과는 0.5∼2.9cm의 범위로 나타났다. 섬유보강 콘크리트에서의 슬럼프 시험은 섬유투입방법, 섬유모양 및 골재의 크기에 의한 영향도 있지만, 섬유 체적비와 형상비에 의해서도 중요한 영향을 받는다(Hannat, 1978)는 결과를 알 수 있었다. 콘크리트와 화강토 콘크리트에서 PP섬유의 혼입량이 증가할수록 슬럼프가 감소하는 경향을 보였다. 특히, 화강토 콘크리트는 콘크리트보다 슬럼프의 감소량이 높게 나타났으며, 이는 화강토에 미립분이 많이 포함되어 있어 수분을 흡수하여 슬럼프가 감소한 것으로 판단되었다. 그리고 콘크리트 구조물에 주어지는 응집력의 정도에 PP 섬유가 결정적으로 영향을 미치며, 섬유의 길이가 증가할수록 총 응집력도 증가하게 되나, 혼합 시 슬럼프가 줄어든다(Ha and Yang, 2004)는 기존의 연구결과와 유사한 결과를 나타냈었다.

Figure 6. Comparison of test for slump of concrete by type Legend: BCP GP

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콘크리트와 화강토 콘크리트에 PP 섬유를 혼입하여 PP 섬유 혼입량의 변화에 따른 압축강도와의 관계를 분석해 보았다. 압축강도의 결과는 Table 8과 Figure 7에서 보는 것과 같이 압축강도의 결과는 콘크리트는 19.49∼26.32MPa이고, 화강토 콘크리트에서는 13. 72∼18.35MPa로 나타났다. 화강토콘크리트는 콘크리트와 비교하면 압축강도가 고로슬래그를 혼입한 콘크리트의 59∼71% 정도로 측정되었다. 화강토콘크리트에 사용되는 화강토는 공극률이 크므로 콘크리트보다 압축강도에서 낮은 결과를 나타냈다.

Figure 7. Comparison of compressive strength by type Legend: BCP GP

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Table 8과 Figure 4에서는 섬유의 혼입량이 증가할 경우, 압축강도는 감소하는 경향으로 나타났다. 이러한 결과는 PP 섬유 혼입량 증가함에 따라 콘크리트에 포함되어진 섬유의 체적의 증가로 인하여 PP 섬유와 모르타르와의 공극의 발생과 접착력 저하로 인한 균열의 발생으로 강도가 저하된 것으로 나타났다. 또한, 섬유 혼입량의 변화에 따른 미세공극의 증가와 부착강도의 감소로 압축강도가 감소한 것으로 판단되며, 압축강도는 섬유의 강도, 섬유의 혼입량, 섬유의 분포성, 섬유의 길이, 섬유의 선형성 및 섬유의 부착특성에 의해 중요한 영향을 받는다는 발표가 있었고(Beaudoin, 1990), 섬유의 혼입이 압축강도 증가에 미치는 영향은 크지 않다는 기존의 연구결과(Gopalaratnam and Shah, 1987) 와도 유사한 결과를 나타냈다.

PP 섬유 혼입이 인장강도에 미치는 영향은 Table 8과 Figure 8에서 보는 바와 같이 콘크리트의 시험결과는 2.10∼2.44MPa의 범위로 나타났고, 화강토콘크리트에서 나타난 시험결과 범위는 1.43∼1.64MPa이다. PP 섬유의 혼입량을 콘크리트나 화강토콘크리트에서 증가시킬수록 압축강도가 동일하게 감소하는 것으로 나타났다. 그리고 콘크리트와 화강토콘크리트의 인장강도의 차이는 화강토콘크리트가 콘크리트에 비하여 평균 67.81%정도 작은 것으로 연구결과가 나타났으나, 섬유의 혼입 율이 압축강도에 주는 영향은 크나, 인장강도에는 큰 영향을 미치지 않는다는 연구 결과(Beaudoin, 1990) 와는 다르게 인장강도가 증가하는 것으로 나타났다. 그리고 공시체가 균열 발생 후 바로 파괴되지 않으며, 어느 정도 하중에 저항하고 있다는 것은 파괴된 콘크리트에 존재하는 섬유가 파괴면을 따라 하중에 대하여 계속적으로 저항하고 있는 것으로 판단되었다. 섬유를 혼입한 시험체가 최대하중에 도달했을 때 균열이 발생하였으나, 섬유가 혼입되어 있지 않은 시험 체의 경우처럼 급속한 파괴가 일어나지는 않았다. 섬유를 혼입한 시험체는 균열이 상당히 진행된 후에도 섬유의 Bridging 작용으로 인하여 급격한 파괴가 일어나지 않고 천천히 파괴되는 경향을 나타내었으며, 섬유가 혼입되어 있지 않은 시험 체의 경우에는, 최대하중에 도달한 후 급속한 파괴가 일어났다(Mindness, 1987). 이런 현상은 기존의 연구와 유사한 경향을 나타내었으며, 적정량의 섬유를 콘크리트에 혼입함으로써 인장강도의 성능이 개선되는데 상당한 효과가 있을 것으로 예상된다.

Figure 8. Comparison of tensile strength by type Legend: BCP GP

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