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표제지
논문요약
목차
I. 서론 13
1.1. 연구의 배경 및 목적 13
1.2. 연구의 범위 및 방법 16
1.3. 연구의 구성 17
II. 이론적 고찰 20
2.1. 염화물이온의 침투에 의한 철근부식 20
2.2. 섬유의 역사와 발전 24
2.3. 섬유보강의 개념과 응력-변형 관계 25
2.4. 섬유보강 콘크리트의 물성 및 활용 26
2.4.1. 섬유보강 콘크리트의 물성 26
2.4.2. 섬유보강 콘크리트의 활용 28
III. PP·PVA 섬유보강콘크리트의 역학적 특성 37
3.1. 사용재료 및 배합 37
3.1.1. 시멘트 37
3.1.2. 골재 38
3.1.3. 혼화제 39
3.1.4. 혼합방법 39
3.2. 섬유 40
3.3. 시험방법 42
3.3.1. 공시체 규격 및 배합, 양생 42
3.3.2. 경화 전후의 콘크리트 시험방법 43
3.4. 결과 및 분석 45
3.4.1. PP 섬유보강 콘크리트의 역학적 특성 45
3.4.2. PVA 섬유보강 콘크리트의 역학적 특성 48
3.5. 소결 50
IV. 하중이 작용하지 않는 환경에서의염분침투저항성 51
4.1. PP 섬유보강 콘크리트의 염분침투저항성 52
4.1.1. 시험재료 52
4.1.2. 염분침투시험방법 53
4.1.3. 본 연구에서의 염분침투시험방법 60
4.1.4. 결과 및 분석 64
4.2. PVA 섬유보강 콘크리트의 염분침투저항성 67
4.2.1. 시험재료 67
4.2.2. 콘크리트의 염분침투시험방법 68
4.2.3. 결과 및 분석 68
4.3. 역학적 특성과 확산계수의 관계 73
4.3.1. 압축강도와 확산계수의 관계 73
4.3.2. 인장강도와 확산계수의 관계 74
4.4. 소결 76
V. 축하중 환경에서의 염분침투저항성 77
5.1. 압축하중 환경에서의 염분침투저항성 77
5.1.1. 압축하중의 재하방법 77
5.1.2. 시험재료 80
5.1.3. 시험방법 및 배합 81
5.1.4. 확산계수에 미치는 압축하중의 영향 82
5.2. 인장하중 환경에서의 염분침투저항성 91
5.2.1. 인장하중의 재하방법 92
5.2.2. 시험재료 94
5.2.3. 시험방법 및 배합 94
5.2.4. 확산계수에 미치는 인장하중의 영향 96
5.3. 염분침투성상에 미치는 하중의 영향 104
5.3.1. 염분침투성상에 미치는 압축하중의 영향 104
5.3.2. 염분침투성상에 미치는 인장하중의 영향 106
5.4. 소결 112
VI. 결론 114
참고문헌 117
ABSTRACT 121
표 2.1. 각종 섬유의 물리적 특성 27
표 2.2. FRC의 배합 및 휨강도 특성 27
표 2.3. 강섬유보강 콘크리트의 적용사례 29
표 2.4. PP 섬유보강재의 품질(물리적 성질)기준 32
표 2.5. PVA 섬유보강재의 품질기준 36
표 3.1. 시멘트의 화학성분 및 물리적 성능 37
표 3.2. 시멘트의 품질 및 물성시험 결과 38
표 3.3. 골재의 물리적 성능 및 시험성적표 39
표 3.4. 고성능 감수제의 물리적 성능 39
표 3.5. PP 섬유보강재의 성능분석 시험표 41
표 3.6. PVA 섬유보강재의 성능분석 시험표 41
표 3.7. PP및 PVA 섬유보강 콘크리트의 배합표 43
표 3.8. PP 및 PVA 섬유보강 콘크리트의 강도시험 결과 46
표 4.1. PP섬유보강 콘크리트의 실험인자 및 조건 53
표 4.2. 통과 전류치에 의한 염분침투성의 평가 57
표 4.3. OPC 및 PP 섬유보강 콘크리트의 확산계수 65
표 4.4. PVA6 섬유보강 콘크리트의 실험인자 및 조건 67
표 4.5. PVA12 섬유보강 콘크리트의 실험인자 및 조건 68
표 4.6. PVA6 섬유보강 콘크리트의 확산계수 69
표 4.7. PVA12 섬유보강 콘크리트의 확산계수 71
표 5.1. 콘크리트표준시방서 및 구조설계기준 강도저감계수 78
표 5.2. PP 섬유보강콘크리트의 실험인자 및 조건 82
표 5.3. PVA 섬유보강콘크리트의 실험인자 및 조건 82
표 5.4. PP 섬유보강 콘크리트의 응력도입별 확산계수 83
표 5.5. PVA6 섬유보강 콘크리트의 응력도입별 확산계수 87
표 5.6. PVA12 섬유보강 콘크리트의 응력도입별 확산계수 87
표 5.7. 인장하중에서의 PP 섬유보강 콘크리트의 실험인자 및 조건 95
표 5.8. 인장하중에서의 PVA 섬유보강 콘크리트의 실험인자 및 조건 96
표 5.9. PP 섬유보강 콘크리트의 응력도입별 확산계수 97
표 5.10. PVA6 섬유보강 콘크리트의 응력도입별 확산계수 100
표 5.11. PVA12 섬유보강 콘크리트의 응력도입별 확산계수 100
그림 1.1. 본 논문의 구성 및 흐름 19
그림 2.1. 염화물이온 존재 하에서의 전기화학적 부식개념도 22
그림 2.2. 염해에 의한 철근콘크리트구조물의 피해사례 23
그림 2.3. 응력 - 변형도 관계 26
그림 2.4. 강섬유보강재 (망사형 : Fibrillated Bundle) 29
그림 2.5. 망사형 PP섬유보강재 (Fibrillated Bundle) 31
그림 2.6. 단사형 PP섬유보강재 (Mono Fillament) 31
그림 2.7. 19mm 망사형 PP섬유보강재의 분산형태 33
그림 2.8. PP 섬유보강재의 콘크리트 파괴단면 33
그림 2.9. PVA섬유보강재 (표준길이 12mm) 35
그림 2.10. PVA섬유보강재의 콘크리트 파괴단면 35
그림 3.1. PP 및 PVA 섬유의 종류와 길이 41
그림 3.2. 원주공시체 및 각주공시체 42
그림 3.3. 습식 콘크리트 절단기 42
그림 3.4. 콘크리트의 슬럼프 및 공기량시험 44
그림 3.5. 콘크리트의 압축 및 인장 (할렬) 강도시험 45
그림 3.6. PP 섬유보강 콘크리트의 압축강도 47
그림 3.7. PP 섬유보강 콘크리트의 인장강도 47
그림 3.8. PVA 섬유보강 콘크리트의 압축강도 49
그림 3.9. PVA 섬유보강 콘크리트의 인장강도 49
그림 4.1. ASTM C 1202염분침투시험 개요도 56
그림 4.2. JSCE-G 571 (正常狀態) 염분침투시험 개요도 58
그림 4.3. NTBUILD 492전기영동시험 개요도 59
그림 4.4. 공시체의 표면처리방법 60
그림 4.5. AASHTO T227의 진공처리방법 62
그림 4.6. 염분침투깊이의 측정영역 및 측정방법 63
그림 4.7. PP 섬유보강 콘크리트의 확산계수 66
그림 4.8. PVA 6 섬유보강 콘크리트의 확산계수 70
그림 4.9. PVA 12 섬유보강 콘크리트의 확산계수 72
그림 4.10. 역학적 특성과 확산계수와의 관계(압축강도) 73
그림 4.11. 역학적 특성과 확산계수와의 관계(인장강도) 75
그림 5.1. 압축응력도입용 스틸 프레임 및 공시체 개요 79
그림 5.2. 건조 및 염수 환경에서의 압축응력의 경시변화 80
그림 5.3. 확산계수에 미치는 압축하중의 영향 (PP) 84
그림 5.4. PP 섬유보강 콘크리트의 상대확산계수 84
그림 5.5. 확산계수에 미치는 압축하중의 영향(PVA 6) 88
그림 5.6. 확산계수에 미치는 압축하중의 영향(PVA 12) 88
그림 5.7. PVA 6섬유보강 콘크리트의 상대확산계수 89
그림 5.8. PVA 12섬유보강 콘크리트의 상대확산계수 89
그림 5.9. 인장응력 도입용 스틸 프레임 93
그림 5.10. 건조 및 염수 환경에서의 지속하중 경시변화 94
그림 5.11. 확산계수에 미치는 인장하중의 영향 (PP섬유) 98
그림 5.12. PP섬유보강 콘크리트의 상대확산계수 98
그림 5.13. 확산계수에 미치는 인장응력의 영향 (PVA 6) 102
그림 5.14. 확산계수에 미치는 인장응력의 영향 (PVA 12) 102
그림 5.15. PVA섬유보강 콘크리트의 상대확산계수 (PVA 6) 103
그림 5.16. PVA 섬유보강 콘크리트의 상대확산계수 (PVA 12) 103
그림 5.17. 압축하중에서의 PP·PVA 섬유보강 콘크리트의 염분침투성상 105
그림 5.18. 인장하중에서의 PP·PVA 섬유보강 콘크리트의 염분침투성상 107
그림 5.19. 확산계수의 평균치와 최대치 (OPC) 109
그림 5.20. 확산계수의 평균치와 최대치 (PP12) 109
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최근 콘크리트구조물이 대형화·거대화·초고층화 되면서 사회적인 요청과 함께 콘크리트에 관한 고도기술의 난제에 대응할 수 있는 노력들이 시도되고 있다. 예를 들어, 댐, 교량, 터널, 항만, 원자력발전소시설, 대형지하구조물, 초고층건축구조물 등의 구축에 있어 앞으로 콘크리트구조물의 내구성의 향상 요구는 더욱더 높아질 것은 물론, 중요 콘크리트구조물의 장수명화에 대한 기술개발이 아주 중요히 다루어질 것은 분명하다.
이처럼 국내외적으로 콘크리트의 내구성 및 장수명화에 관한 기술개발의 중요성이 재인식 되면서 이에 대한 새로운 해석 및 평가가 이루어지고 있다. 이러한 현상은 크게 두 가지의 형태로 나누어 생각해 볼 수 있다. 첫째는 경제적인 측면에서의 내구성에 관한 중요성으로서 콘크리트구조물의 내구연수 및 유지보수 측면에서 중요하다는 것은 이미 잘 알려져 있다. 다른 하나는 열화요인의 복잡성에 대응한 내구성의 해석이라고 할 수 있다. 최근 콘크리트의 내구성을 저하시키는 알카리 골재반응, 중성화, 염해, 탄산화, 동결융해, 건조수축, 화학물질 등으로 인한 조기열화 현상이 커다란 사회문제로 부각되면서 이들 열화요인들의 복잡성에 대응한 내구성 해명이 중요 과제로 떠오르고 있다. 이 중에서도 특히, 가장 심각한 형태의 열화요인으로 염화물 이온의 침투에 기인하는 철근콘크리트구조물의 부식현상이 지목되고 있다.
콘크리트 중에 존재하는 염화물이온은 해양환경 하에서 철근콘크리트구조물의 내구성 및 내구연수의 저하를 초래하는 중요한 원인으로 인식되고 있다. 최근 염화물이온의 침투 및 확산에 기인(起因)하는 콘크리트구조물의 내구성 저하대책으로 콘크리트구조물의 장기내구성을 목적으로 한 플라이애쉬(Fly Ash), 고로슬래그미분말(Blast Furnace Slag), 섬유(Fiber) 등을 혼입한 콘크리트의 적극적인 적용이 검토되면서 이들 재료를 혼입한 콘크리트의 역학적 특성 및 높은 염분침투저항성이 주목을 받고 있다. 특히, 콘크리트의 인장저항 능력증대, 국부적 균열의 생성 및 성장을 억제하는 등 콘크리트의 역학적 성능을 개선·보강하기 위해 불연속적이며, 단상인 형태의 섬유질 재료를 콘크리트에 분산시켜 혼입한 섬유보강콘크리트(Fiber Reinforced Concrete, FRC)에 관한 연구가 많은 주목을 받고 있다.
하지만, FRC 관련 연구는 현재까지 발전도상의 위치에 있어 각종 섬유의 종류와 혼입율의 차이에 따른 FRC의 역학적 특성 및 내구성에 미치는 영향 검토와 함께 수분 및 염분 등의 이온물질이 FRC내에서의 침투성 및 내구성과 관련한 추가적인 연구를 통해 앞으로 광범위한 형태의 FRC 관련 기초적인 자료의 확보가 시급히 요구되는 시점이라 할 수 있다. 더욱이, 실제의 콘크리트구조물에서는 외력 등의 압축 및 인장하중이 항상 존재하는 상태라 할 수 있다. 즉, 하중이 부재에 작용하고 있는 환경 하에서 콘크리트의 염분침투성에 관해 검토한 연구가 필요한 실정이나, 하중을 고려한 상태에서 하중의 작용이 콘크리트의 염분침투성에 미치는 영향에 대한 검토는 현재까지도 많은 부분이 불명확한 상태라 할 수 있다.
이에 본 연구에서는 최근 시멘트계 복합재료로 널리 적용되고 있는 합성섬유 중 동일 계열의 섬유보강재에 비해 탄성계수 및 인장강도 등 물리적 성능이 우수하여 콘크리트의 균열 억제는 물론, 충격, 파손, 마모, 투수, 부식 등의 성능 저하 요인들에 대한 콘크리트의 저항능력을 현저히 증대시키고 또한, 동일 계열의 섬유에 비해 분산성이 우수하여 시멘트 메트릭스와의 부착력 향상에도 효과가 있는 것으로 알려진 폴리프로필렌(Polypropylene, PP) 및 비닐론(Polyvinyl Alcohol, PVA)섬유를 콘크리트에 혼입하여 시험을 실시하였다.
연구결과 최근 시멘트계 복합재료로 널리 이용되고 있는 합성섬유 중 탄성계수와 인장강도가 상이한 2 종류의 PP 및 PVA 섬유에 대해 길이와 혼입율을 달리한 9가지 형태의 섬유를 콘크리트에 혼입하여 섬유의 종류 및 길이, 혼입율의 차이가 PP·PVA 섬유보강 콘크리트의 역학적 특성 및 염분침투저항성에 미치는 영향에 대해 검토하였으며 또한, 하중이 작용하는 환경에서의 염분침투저항성에 대해 검토하여 다음과 같은 결론을 얻었다.
(1) PP 및 PVA 섬유의 콘크리트 혼입에 따른 슬럼프 저하 및 공기량 증가로 인해 콘크리트의 유동성이 저하되는 것으로 나타나, 섬유의 콘크리트 혼입을 위해서는 유동성 저하를 제어하기 위한 AE 및 SP제 등의 혼화제를 병행하여 섬유의 혼입율을 설정하는 방법이 필요한 것으로 확인되었다.
(2) PP 및 PVA 섬유보강콘크리트의 압축강도시험 결과 전체적으로 OPC 대비 낮은 강도를 나타내는 것으로 파악되었다. 하지만, 인장강도는 OPC 대비 동등 이상의 강도를 나타내는 것으로 파악되어 섬유의 콘크리트 혼입에 따른 인장강도의 개선효과가 확인되었다.
(3) PP섬유 대비 PVA 섬유보강콘크리트의 압축 및 인장강도가 상대적으로 높은 것으로 파악되었다. 이러한 경향은 PP섬유 대비 PVA 섬유의 물리적 성능 즉, 탄성계수 및 인장강도가 높고, PVA 섬유의 표면이 수산기(OH) 화학구조로 이루어져 시멘트 메트릭스와의 부착성 향상에 크게 영향을 미친 때문으로 판단된다. 본 연구의 결과에서는 PVA12를 0.1(%.Vol) 혼입한 콘크리트가 압축강도는 42.86MPa, 인장강도는 3.02MPa로 OPC 및 다른 PP·PVA 섬유보강콘크리트 대비 가장 높은 강도를 나타내었다.
(4) 무하중 상태에서의 PP 섬유보강콘크리트는 OPC 대비 PP10 및 PP30을 각각 0.5 및 1.0(%.Vol) 혼입한 시험체의 확산계수가 낮은 것으로 파악되어 섬유의 혼입에 따른 염분침투 억제효과가 확인되었다. 한편, PVA 섬유보강 콘크리트 중 PVA 6 시험체에 섬유를 0.05 및 0.1(%.Vol) 혼입한 콘크리트는 OPC 대비 높은 확산 계수를 나타내었으나, 0.3(%.Vol) 혼입한 시험체는 OPC 및 다른 혼입율에 비해 확산계수가 가장 낮은 것으로 확인 되었다. 또한, PVA12 시험체 중 섬유를 0.05(%.Vol) 혼입한 콘크리트는 OPC 대비 높은 확산계수를 나타내었으나, 0.1 및 0.3 (%.Vol) 혼입한 콘크리트는 OPC 대비 낮은 확산계수가 확인되었다.
(5) PP 및 PVA 섬유보강 콘크리트의 역학적 특성과 확산계수와의 관계에서 전체적으로 강도가 증가할수록 확산계수는 감소하는 경향을 나타내었다. 본 연구의 결과 PP 섬유는 1.0(%.Vol), PVA 6 및 PVA 12는 각각 0.3 및 0.1(%.Vol)을 혼입한 콘크리트의 역학적 특성 및 염분침투저항성이 가장 우수한 것으로 확인되었다.
(6) 압축하중 환경에서는 PP·PVA 섬유보강 콘크리트 모두 응력의 증가에 따라 확산계수가 증가하는 경향이 파악되었으나, Rc＝30%의 저단계 응력에서는 확산계수가 조금 감소하는 경향이 나타났다. 한편, 응력레벨이 비교적 높은 단계에서는 OPC 대비 PP 및 PVA 섬유보강 콘크리트가 압축하중의 영향을 강하게 받는 것으로 나타나, 실제 콘크리트구조물에서의 염분침투성 평가에 있어 하중을 고려한 새로운 방식의 염분 침투성 평가를 제안하였다.
(7) 인장하중 환경에서는 응력이 비교적 낮은 단계에서부터 PP 및 PVA 섬유보강 콘크리트 모두 응력의 증가에 따라 확산 계수가 크게 증가하는 것으로 나타났다. 하지만, PP 및 PVA 섬유의 종류 및 길이에 상관없이 혼입율 0.1(%.Vol)에서 확산계수의 증가비율을 어느 정도 감소시킬 수 있는 것으로 확인되었다.
(8) 본 연구에서는 무하중 및 축하중 환경에서의 PP 및 PVA 섬유보강콘크리트의 염분침투성을 종합적으로 분석한 결과, PVA 12를 0.1(%.Vol) 혼입한 콘크리트의 염분침투저항성이 가장 우수한 것으로 확인되었다. 또한, PP 및 PVA 섬유보강콘크리트의 염분침투저항성을 보다 극대화시키기 위해서는 탄성계수 및 인장강도가 높은 섬유의 사용과 적정한 혼입율의 배합이 보다 유효한 것으로 확인되었다.
(9) 무하중 및 압축하중 환경에서의 염분침투성상에서는 거의 일정하게 평행방향으로 염화물 이온이 침투하는 경향이 파악되었으나, 인장하중 환경에서는 단면 일부에 집중적으로 염화물이온이 침투하여 돌출한 형태의 특징적인 염분침투성상이 확인되었다. 이러한 결과로부터, 인장하중이 부재에 작용하는 환경에서는 보다 현실적이고, 안전한 콘크리트의 염분침투 평가방법이 이루어져야 할 것으로 확인되었다.
이에 본 연구에서는 인장하중 환경에서의 염화물 이온의 평균 침투깊이를 이용하여 콘크리트의 염분침투성을 평가한 기존의 평가방법에서 콘크리트의 단면 일부에 집중적으로 침투한 최대 염분침투깊이를 이용하여 평가하는 새로운 방법으로 증감계수를 활용한 평가방법을 최종적으로 제안하였다.
참고문헌 (46건) : 자료제공( 네이버학술정보 )더보기
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