KR101207038B1 - 유리미분말이 혼입된 초고성능 섬유보강 시멘트 복합체 및 그 제조방법 - Google Patents

유리미분말이 혼입된 초고성능 섬유보강 시멘트 복합체 및 그 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 유리미분말을 혼입하여 섬유와 시멘트 복합체의 마찰력을 증진시켜 부착성능을 증진시킨 유리미분말이 혼입된 초고성능 섬유보강 시멘트 복합체 및 그 제조방법에 관한 것이다. 본 발명의 일 실시예에 따른 유리미분말이 혼입된 초고성능 섬유보강 시멘트 복합체 제조방법은, 시멘트 100 중량부에 대해 모래 100 내지 130 중량부, 반응성 분체 10 내지 30 중량부, 증점제 0.05 내지 1중량부 및 유리미분말 15 내지 90 중량부를 포함하는 모르타르를 제조하는 단계; 물 90중량% 내지 99.5중량%와 감수제 0.5중량% 내지 10중량%를 포함하는 배합수를 제조하는 단계; 상기 모르타르에 대한 상기 배합수의 중량비가 0.25이하인 혼합물을 제조하는 단계; 및 상기 혼합물 100체적%에 대해 1체적% 내지 5체적%의 강섬유를 상기 혼합물과 혼입한 후 양생를 포함하되, 상기 유리미분말의 크기는 5.0~100㎛으로 한다.

Description

유리미분말이 혼입된 초고성능 섬유보강 시멘트 복합체 및 그 제조방법{ULTRA HIGH PERFORMANCE CEMENTITIOUS COMPOSITES CONTAINING GLASS POWDER AND MANUFACTURING METHOD THEREOF}
본 발명은 유리미분말이 혼입된 초고성능 섬유보강 시멘트 복합체 및 그 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 초고성능 섬유보강 시멘트 복합체에 유리미분말을 혼입함으로써 시멘트 복합체 파괴시 메트릭스와 섬유의 계면 마찰력을 증진시켜 상호 부착력을 향상시킬 수 있는 초고성능 섬유보강 시멘트 복합체 및 그 제조방법에 관한 것이다.
콘크리트는 경제성 및 내구성이 우수한 건설재료로서 강재와 더불어 콘크리트 구조물의 건설에 널리 사용되고 있다. 그러나 콘크리트는 인장강도와 휨강도가 작고, 균열이 발생하기 쉬운 본질적인 결합을 가지고 있으며, 또한 최근 고강도 콘크리트의 실용화에 따른 압축강도의 증가로 인해 콘크리트의 취성파괴(Brittle Failure)가 문제시되고 있다.
한편, 콘크리트의 취성파괴 등을 방지하기 위해 일반 콘크리트의 배합에 강섬유(Steel Fiber)를 체적으로 1%(75kg/㎥) 이하로 혼입하여 제조하는 섬유보강 콘크리트(Fiber Reinforced Concrete)가 일부 콘크리트 구조물에 사용되고 있다.
이러한 강섬유는 원형단면을 가진 직선형강섬유와 끝단을 구부린 후크형 강섬유를 사용하는 것이 대부분이다. 상기의 강섬유는 일반적으로 인장강도 1,500MPa 이하인 것을 사용하고, 길이는 10mm~30mm 정도, 직경은 0.45mm~1.0mm 정도의 범위인 것을 사용한다.
그러나, 섬유보강 콘크리트는 일반 콘크리트의 배합에 섬유를 투입하므로 콘크리트의 점성 부족으로 섬유를 다량으로 투입하지 못하여 만족할 만할 인성을 확보하지도 못할 뿐더러, 섬유 뭉침(Fiber Ball) 현상이 발생하여 오히려 콘크리트의 성능을 저하시키는 경우도 발생하고 있다.
또한, 1% 정도의 섬유 혼입으로는 고강도 콘크리트의 취성파괴를 완전히 방지하지 못하여, 지진 또는 차량의 반복 및 충격하중, 화재 및 자연 열화현상 등이 발생하였을 때 곧바로 구조물이 파괴되는 취약점을 안고 있다.
하지만 1% 정도의 섬유 혼입으로는 고강도 콘크리트의 취성파괴를 충분히 방지하지 못하여, 지진 또는 차량의 반복 및 충격하중, 화재 및 자연 열화현상 등이 발생하였을 때 곧바로 구조물이 파괴되는 취약점을 안고 있다.
또한, 180MPa 이상인 초고강도콘크리트에 기존의 원형섬유를 사용할 경우 섬유의 인장강도 부족으로 시멘트 복합체가 파단되기 전에 섬유가 항복강도에 도달하여 휨 또는 인장강도 개선에 도움을 주지 못하는 문제점이 있다.
나아가, 도 1(초고성능 섬유보강 시멘트 복합체의 휨 파괴 시 강섬유의 인발상황의 실제사진)에 도시된 바와 같이, 시멘트 복합체 제조시 섬유의 인장강도가 2,000MPa 이상인 강섬유를 사용하더라도 원형섬유를 사용한 경우에는 휨 또는 인장에 의한 파괴시 강섬유가 항복강도에 도달되어 파단되기 전에 강섬유가 먼저 콘크리트로부터 뽑혀져 나오게 된다.
따라서, 강섬유 보강효과가 떨어져 인성(Toughness)향상에 크게 기여하지 못하는 문제점이 있다.
따라서, 본 발명은 기존의 일반 콘크리트, 섬유보강 콘크리트 및 초고강도 섬유보강 콘크리트가 안고 있는 문제점을 극복하기 위하여 시멘트페이스트와 골재 또는 시멘트페이스트와 섬유 사이의 계면영역에 충전되어 필러작용으로 상기 계면영역의 파괴를 방지하기 위하여 첨가된 석영질 분말과 같은 충전재 대신 유리미분말을 강섬유 보강 시멘트 복합체에 혼입함으로써 메트릭스와 섬유와의 계면에서의 마찰력을 증진시켜 부착성능을 향상시킨 섬유보강 시멘트 복합체 제조 방법 및 그 방법으로 제조된 시멘트 복합체를 제공하는 데 목적이 있다.
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 실시예인 유리미분말이 혼입된 강섬유 보강 시멘트 복합체의 제조 방법은,
시멘트 100 중량부에 대해 모래 100 내지 130 중량부, 반응성 분체 10 내지 30 중량부, 증점제 0.05 내지 1중량부 및 유리미분말 15 내지 90 중량부를 포함하는 모르타르를 제조하는 단계;
물 90중량% 내지 99.5중량%와 감수제 0.5중량% 내지 10중량%를 포함하는 배합수를 제조하는 단계;
상기 모르타르에 대한 상기 배합수의 중량비가 0.25이하인 혼합물을 제조하는 단계; 및
상기 혼합물 100체적%에 대해 1체적% 내지 5체적%의 강섬유를 상기 혼합물과 혼입한 후 양생하는 단계를 포함한다.
바람직하게는, 상기 모르타르 제조 단계는 상기 모르타르를 구성하는 혼합물을 20rpm 내지 40rpm의 속도로 7분 내지 15분 동안 혼합하는 단계를 포함하고,
상기 혼합물 제조단계는 80rpm 내지 120rpm의 속도로 7분 내지 20분 동안 혼합한 후 다시 40rpm 내지 60rpm의 속도로 2분 내지 5분 동안 혼합하는 단계를 포함하고,
상기 강섬유 혼합 단계는 30rpm 내지 50rpm의 속도로 3분 내지 10분 동안 혼합하는 단계를 포함한다.
또한, 바람직하게는, 상기 양생 단계는 1일 내지 3일 동안 습윤양생을 실시한 후 60oC 내지 110oC의 온도에서 2일 내지 4일 동안 증기양생을 실시하는 단계를 포함한다.
이때, 상기 유리미분말의 크기는 5.0~100㎛인 것이 바람직하며, 상기 모래는 5mm 이하의 입자 크기를 갖는 석영질 모래인 것이 바람직하다.
바람직하게는, 상기 반응성 분체는 실리카퓸, 플라이애쉬 및 고로슬래그 중 적어도 하나 이상을 포함하며, 상기 증점제는 셀로룰오스 증점제 또는 아크릴 증점제이다.
또한, 상기 감수제는 고형분이 30% 내지 40%인 폴리칼본산계 감수제 또는 나프탈렌계 감수제인 것이 바람직하다.
나아가, 상기 강섬유는 직경이 0.2mm 내지 0.5mm, 길이가 12mm 내지 30mm인 것이 바람직하다.
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 또 다른 실시예는 상기 제조방법에 의해 제조된 유리미분말이 혼입된 강섬유 보강 시멘트 복합체를 포함한다.
본 발명에 따르면, 초고성능 섬유보강 시멘트 복합체의 파괴시 섬유가 뽑히는 과정에서 메트릭스와 섬유와의 계면에서의 긁힘에 의한 마찰력 증진으로 부착력을 향상시킬 수 있으므로, 초고성능 강섬유보강 시멘트 복합체의 휨강도 및 인장강도 등의 역학적 성능을 증진시킬 수 있다.
도 1은 초고성능 섬유보강 시멘트 복합체의 휨 파괴 시 강섬유의 인발상황의 사진이다.
도 2는 본 발명에 따른 시멘트 복합체 제조시 혼입되는 유리미분말의 혼입률에 따른 슬럼프플로 및 압축강도를 나타낸 그래프,
도 3은 본 발명에 따른 시멘트 복합체 제조시 혼입되는 유리미분말의 혼입률에 따른 최대휨강도 및 등가휨강도를 나타낸 그래프,
도 4는 본 발명에 따른 시멘트 복합체 제조시 혼입되는 유리미분말의 크기에 따른 슬럼프플로 및 압축강도를 나타낸 그래프,
도 5는 본 발명에 따른 시멘트 복합체 제조시 혼입되는 유리미분말의 크기에 따른 최대휨강도 및 등가휨강도를 나타낸 그래프,
도 6은 배합수와 결합재인 모르타르의 중량비에 따른 압축강도를 나타낸 그래프,
도 7은 강섬유 보강 시멘트 복합체의 강섬유 혼입률에 따른 휨강도 시험결과를 나타낸 그래프,
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 강섬유 보강 시멘트 복합체의 강섬유 사용방법에 따른 압축강도 시험결과를 나타낸 그래프,
도 9는 본 발명의 실시예에 따른 강섬유 보강 시멘트 복합체의 강섬유 사용방법에 따른 휨강도 시험결과를 나타낸 그래프이다.
이하, 본 발명에 대해 구체적으로 설명한다.
우선 개략적으로 본 발명에 따른 초고강도, 고인성 및 고내구성을 지닌 섬유 보강 시멘트 복합체는 시멘트, 모래, 반응성 분체, 유리미분말 및 증점제를 미리 골고루 혼합한 프리믹싱형 모르타르 재료에 물과 고성능 감수제로 구성된 배합수를 투입하여 고속믹서기로 혼합한 후, 모르타르와 배합수의 혼합물에 크기가 서로 다른 강섬유를 단독 또는 하이브리드 형태로 투입하여 다시 혼합한 후 일정 기간의 양생 과정을 거쳐 제조된다.
구체적으로 프리믹싱형 모르타르 재료는 건설 현장에서 구성하는 재료의 저장고를 설치하기 위한 장소, 비용의 절감과 계량 오차의 최소화 및 믹싱 시간을 단축시키기 위한 것으로서, 이는 시멘트 100중량부에 대해 모래 100 ~ 130중량부, 반응성 분체 10 ~ 30중량부, 증점제 0.05 ~ 1중량부 및 유리미분말 15 내지 90 중량부을 20~40rpm 속도로 7~15분 동안 골고루 혼합하여 제조된다.
이렇게 제조된 프리믹싱(Premixing)형 모르타르 재료의 유동성 및 시공성을 확보하기 위해 배합수를 혼합하는데, 이때 혼합되는 배합수는 물(일반적으로 증류수가 바람직함)과 고형분 30~40%인 폴리칼본산계(Polycarboxylic) 고성능 감수제 또는 나프탈렌계(Naphthalene) 고성능 감수제를 각각 90~99.5중량%와 0.5~10중량%의 비율로 배합하여 제조된다. 이와 같이 제조된 배합수를 상기 모르타르에 대한 상기 배합수의 중량비를 0.25이하로 유지하는 모르타르와 고속 믹서기에서 80~120rpm 속도로 7~20분 동안 혼합한 후, 다시 40~60rpm의 속도로 2~5분 동안 혼합한다.
이렇게 혼합된 모르타르와 배합수의 혼합물에, 직경이 0.2 ~ 0.5mm이고 길이가 12 ~ 30mm 중 특정 직경과 길이를 갖는 강섬유를 단독 또는 다양한 직경과 길이를 갖는 강섬유를 하이브리드(Hybrid) 형태로 상기 혼합물 100체적%에 대해 1체적% 내지 5체적%의 강섬유를 상기 혼합물과 혼입하여 30~50rpm의 속도로 3~10분 동안 혼합한다.
그리고, 상기 최종 혼합물을 1~3일 동안의 습윤양생을 실시한 다음, 시멘트의 수화반응과 반응성 분체의 포졸란 반응(Pozzolanic reaction)을 활성화시키기 위해 60~110℃의 고온하에서 증기양생을 2~4일 동안 실시함으로써 본 발명에 따른 강섬유 보강 시멘트 복합체가 제조된다.
본 발명에 사용되는 모래는 5mm 이하의 크기를 가진 석영질 모래(SiO2 90% 이상)이며, 시멘트 100중량부를 기준으로 약 100~130중량부가 사용된다.
크기가 5mm 이하의 모래를 사용한 이유는 시멘트 복합체의 균질성을 확보하여 그 강도를 향상시키기 위한 것이다. 실험 결과, 크기가 5mm이하인 석영질 모래를 시멘트 100중량부에 대해 110중량부까지는 유동성 및 압축강도가 증가하는 반면, 그 이상의 중량의 모래를 혼입하면 플로우 압축강도가 약간 저하될 수 있기 때문이다.
본 발명에 사용되는 반응성 분체는 실리카퓸, 고로슬래그, 플라이애쉬 등과 같은 광물질 혼화재이다.
반응성 분체는 구형 입자들로 이루어져 있으므로 본 발명에 따른 강섬유 보강 시멘트 복합체의 마찰을 감소시켜 시공성을 향상시키고, 페이스트(paste)의 점성을 증가시키므로 섬유 분산성을 증가시키고, 또한 포졸란 반응에 의해 강도를 향상시키는 역할을 한다.
일반적으로 반응성 분체는 시멘트의 수화반응 생성물인 수산화칼슘(Ca(OH)2)과 반응하여 규산칼슘염(3CaO2SiO23H2O)과 알루미산칼슘염(3CaOAl2O3)을 생성하는 포졸란 반응에 의해 장기 강도를 증가시키는 장점이 있으나, 재령 초기에는 반응성 분체를 사용한 만큼 시멘트 사용량이 감소하므로 콘크리트의 초기 강도가 저하되어 시공 기간이 길어지고, 수축이 많이 발생하는 단점이 있다.
이러한 반응성 분체에 의한 초기 강도 저하 등의 문제점은 시멘트의 수화반응과 반응성 분체의 포졸란 반응이 활성화되도록 앞서 설명한 바와 같이 재령 초기에 60~120℃의 고온하에서 증기양생을 실시함으로써 해결될 수 있다.
이와 같은 기술적 구성에 의하여 시멘트의 수화반응이 빨리 진행될 뿐만 아니라 포졸란 반응에 의해 수산화칼슘이 거의 소비되어 본 발명에 따른 시멘트 복합체의 초기 강도 저하를 극복하는 동시에 초강도화된 시멘트 복합체를 제조할 수 있다.
본 발명에서 반응성 분체는 시멘트 복합체의 플로우 및 압축강도 등을 고려해볼 때 시멘트 100중량부에 대해 약 10~30중량부 사용하는 것이 바람직하다.
그 이유는 실험 결과, 상기 반응성 분체는 시멘트 100중량부에 대해 30중량부까지는 플로우가 증가하는 반면 30중량부를 초과하면 플로우가 감소됨이 확인되었기 때문이다. 즉, 상기 반응성 분체를 30% 이하로 사용시 구형인 반응성 분체와 시멘트와의 마찰력 감소로 시멘트 분산효과가 발생하는 반면, 30중량부를 초과하면 반응성 분체가 배합수를 흡착하여 시멘트 페이스트의 점성을 증가시키는 효과가 더 크기 때문이다.
이에 시멘트 100중량부에 대해 반응성 분체의 양이 30중량부까지는 압축강도가 양호하나 그 이상의 혼입률에서는 압축강도가 저하되는 것으로 확인되었다. 이는 반응성 분체가 과도하게 혼입됨으로써 포졸란 반응이 충분히 생성되지 않기 때문이다.
따라서, 시멘트 복합체의 플로우 및 압축강도 등을 고려해볼 때, 반응성 분체는 시멘트 100중량부에 대해 플로우를 확보할 수 있는 10~30중량부 이하로 사용하는 것이 바람직하다.
증점제는 시멘트 매트릭스에 점성을 부여하기 위한 것으로서, 본 발명에서는 셀로룰오스(Cellulose) 증점제 또는 아크릴(Acryl) 증점제를 시멘트 100중량부에 대해 0.05~1중량부 사용한다. 이와 같은 증점제는 본 발명에 따른 강섬유 보강 시멘트 복합체의 섬유 분산성을 향상시키는 역할을 한다.
증점제를 시멘트 100중량부에 대해 1중량부 혼입한 경우에는 시멘트 복합체의 플로우가 증가하였으나, 1중량부를 초과하면 시멘트 복합체의 유동성이 저하됨을 확인하였다. 이는 시멘트 페이스트의 점성이 적절히 증대될 경우에는 섬유의 분산성이 향상되지만, 1중량부를 초과하면 시멘트 페이스트의 점성이 과도하게 증가되기 때문에 오히려 유동성이 저하되는 것이다. 따라서, 증점제는 시멘트 100중량부에 대해 기본 점성확보를 위한 0.05~1 중량부 혼입하는 것이 바람직하다.
다음으로, 프리믹싱형 모르타르 제조시 사용되는 유리미분말은 5.0~100.0㎛의 크기로 시멘트 15~90중량부로 혼합되는 것이 바람직하다. 이러한 유리미분말은 종래 충전재 대신 사용되는 것으로써, 유리미분말을 혼입시킴으로써 강섬유 보강 시멘트 복합체의 휨강도 및 인장강도를 향상시킬 수 있음이 실험에 의해 확인되었다.
상기 유리미분말은 폐유리 또는 새 유리의 파쇄공정을 통해 얻어지는데, 이러한 유리미분말은 이 분야에서의 통상의 지식을 가진 자가 다양한 형태로 개량 변경하는 것이 가능할 것이다. 상기 유리미분말은 입자크기, 혼입율등에 따라 여러 가지 실시예가 가능한데, 본 발명의 발명자는 실험을 통해 보다 최적의 형태를 알아내었다.
도 2는 본 발명에 따른 시멘트 복합체 제조시 혼입되는 유리미분말의 혼입률에 따른 슬럼프플로 및 압축강도를 나타낸 그래프이고, 도 3은 본 발명에 따른 시멘트 복합체 제조시 혼입되는 유리미분말의 혼입률에 따른 최대휨강도 및 등가휨강도를 나타낸 그래프이고, 도 4는 본 발명에 따른 시멘트 복합체 제조시 혼입되는 유리미분말의 크기에 따른 슬럼프플로 및 압축강도를 나타낸 그래프이고, 도 5는 본 발명에 따른 시멘트 복합체 제조시 혼입되는 유리미분말의 크기에 따른 최대휨강도 및 등가휨강도를 나타낸 그래프이다.
아래 표 1은 본 발명에 따른 시멘트 복합체 제조시 혼입되는 유리미분말의 크기 및 혼입률에 따른 슬럼프플로, 압축강도, 최대휨강도 및 등가휨강도를 정리한 것이다.
구분 슬럼프플로
(mm)		 압축강도
(MPa)		 최대 휨강도
(MPa)		 등가 휨강도
(MPa)

입자크기
(㎛)		 5 620 195 42.1 13.1
30 623 184 39.7 10.1
50 617 165 33.4 9.4
80 619 143 26.5 7.2
100 612 122 24.3 6.4

혼입율
(중량비)		 15 604 182 34.5 10.6
30 611 194 36.2 12
60 620 195 42.1 13.1
90 614 188 38.2 12.6
120 601 186 37.9 11.3
도 1 내지 도 4 및 표 1을 참조해보면, 모르타르 제조시 혼입되는 유리미분말의 슬럼프플로, 압축강도, 최대 휨강도 및 등가 휨강도는 입자의 크기가 커짐에 따라 감소하는 것을 알 수 있다.
이러한 이유는 유리미분말의 입자크기가 작으면 입자사이에 유리미분말이 채워짐으로써 강도가 증가하지만 입자의 크기가 커짐으로써 입자사이의 공극이 생김으로써 압축강도가 감소하는 것으로 판단된다. 따라서, 유리미분말의 크기가 5~ 100㎛인 것이 바람직하다.
또한, 혼입률과 관련하여, 모르타르 제조시 사용되는 시멘트 100중량부에 대해 유리미분말을 15~90중량부를 사용하더라도 슬럼프플로, 압축강도, 최대 휨강도 및 등가 휨강도가 양호함을 알 수 있다. 이러한 이유는 유리미분말의 혼입율이 증가하면 시공성이 저하되어 역학적 특성이 낮아지기 때문이다.
다음으로, 배합수 제조시 사용되는 감수제에 대해 설명하면, 이는 시멘트 매트릭스의 유동성을 확보하기 위해 사용된 것이다. 본 발명에 따른 강섬유 보강 시멘트 복합체에서는 시멘트 100중량부를 기준으로 고형분 30~40%인 폴리칼본산계 고성능 감수제 또는 나프탈렌계 고성능 감수제 0.5~10중량부가 사용된다.
그 이유는 상기 감수제 0.5중량부 보다 감수제량이 적으면 시공성이 저하되고, 상기 감수제 10중량부 보다 감수제량이 많으면 재료분리 현상이 발생되어 섬유가 뭉치는 현상(파이버볼)이 발생되기 때문이다.
이러한 감수제는 본 발명에 따른 강섬유 보강 시멘트 복합체의 시공성 및 섬유 분산성을 향상시키는 역할을 한다.
상기에서 설명한 재료들로 구성된 모르타르와 배합수는 그 배합비가 중요하다. 그 이유는 실험 결과, 모르타르를 배합수와 혼합시 그 중량비가 높을수록 플로우가 증대되는 반면, 중량비가 작을수록 압축 압축강도가 선형적으로 증가하다가 그 중량비가 0.25이하부터는 시멘트 복합체의 압축강도가 180MPa로 초고강도를 나타냄을 확인할 수 있었기 때문이다.
배합수와 결합재인 모르타르의 중량비에 따른 압축강도 실험 결과는 도 6의 그래프에서 확인할 수 있다.
따라서, 플로우 및 압축강도를 고려해볼 때 모르타르의 중량비는 배합수 대비 0.25이하인 것이 바람직하다.
일반적으로 강섬유로 보강한 콘크리트에서는 강섬유의 비중과 형상계수(Aspect Ratio ; 직경과 길이의 비)가 시멘트 매트릭스를 구성하는 재료의 입자와의 차이로 강섬유를 다량으로 사용한 경우에는 섬유 뭉침(Fiber Ball) 현상이 발생하여 강섬유 보강 콘크리트의 본래 성능을 발휘하지 못하거나 오히려 취성파괴 및 내구성 저하를 일으키는 것으로 알려져 있다.
그러나, 본 발명에 따른 강섬유 보강 시멘트 복합체는 위에서 서술한 증점제 및 감수제 등의 사용에 의해 섬유 분산성을 확보하여 섬유 뭉침 현상 없이도 다량의 강섬유를 시멘트 복합체에 첨가하여 고인성을 구현할 수 있다.
섬유는 초고강도 및 고내구성을 지닌 시멘트 복합체에 고인성을 부여하기 위해 사용된다. 강섬유를 혼입함으로써 압축강도가 증가하는데 이는 시멘트 페이스트의 파괴 시 강섬유의 가교작용에 의해 시멘트 복합체가 파괴되는 것을 방지하기 때문이다.
휨강도 측면을 고려해볼 때, 본 발명에 따른 시멘트 복합체에 사용되는 섬유는 직경(D)이 0.2~0.5mm이고 길이(L)가 12~30mm인 강섬유로서 시멘트 복합체에 대해 1~5체적% 사용되는 것이 바람직하다.
도 7 내지 도 9에는 강섬유의 직경 및 혼입률에 따른 실험결과가 도시되어 있다.
도 7은 강섬유 보강 시멘트 복합체의 강섬유 혼입률에 따른 휨강도 시험결과를 나타낸 그래프이다. 도 6을 참조해보면, 직경이 0.2mm이고 길이가 12mm인 강섬유는 그 혼입률이 증가할수록 휨강도가 증가함을 알 수 있다. 이는 강섬유를 혼입함으로써 섬유에 의한 가교작용에 의해 발생되는 힘이 시멘트 페이스트의 균열시 발생하는 인장응력을 상회하여 시멘트 복합체의 인성이 향상되었기 때문이다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 강섬유 보강 시멘트 복합체의 강섬유 사용방법에 따른 압축강도 시험결과를 나타낸 그래프이고, 도 9는 본 발명의 실시예에 따른 강섬유 보강 시멘트 복합체의 강섬유 사용방법에 따른 휨강도 시험결과를 나타낸 그래프이다.
도 7을 참조해보면, SF2(직경이 0.2mm이고 길이가 12mm인 강섬유 1%와 직경이 0.35mm이고 길이가 30mm인 강섬유 2%를 혼합한 경우)에서 시멘트 복합체의 압축강도가 가장 높음을 알 수 있다.
도 8을 참조해보면, 직경이 0.2mm이고 길이가 12mm인 강섬유 1%와 직경이 0.35mm이고 길이가 30mm인 강섬유 2%로 혼합한 경우와, 직경이 0.2mm이고 길이가 12mm인 강섬유 1%와 직경이 0.5mm이고 길이가 30mm인 강섬유 2%를 혼합한 경우가 직경이 0.2mm이고 길이가 12mm인 강섬유 3%를 혼합한 경우보다 휨강도가 증가함을 알 수 있다. 이는 단섬유(직경 0.2mm와 길이 12mm인 강섬유)의 사용으로 초기 미세균열을 제어하고, 장섬유(직경 0.35mm와 길이 30mm인 강섬유 또는 직경 5mm와 길이 30mm인 강섬유)는 주 균열 발생 후의 균열 발생을 억제하는 작용을 하기 때문이다.
또한 이렇게 섬유를 하이브리드 형태로 사용한 시멘트 복합체에서 초기균열이 발생한 이후에 응력이 증가하는 변형률 경화(strain hardening) 현상이 발생하였고, 다수의 미세균열이 분산되는 다분산 균열(multiple cracking) 현상이 발생하였다.
직경이 0.2mm이고 길이가 12mm인 강섬유 2%와 직경이 0.35mm이고 길이가 30mm인 강섬유 1%로 혼합한 경우와, 직경이 0.2mm이고 길이가 12mm인 강섬유 2%와 직경이 0.5mm이고 길이가 30mm인 강섬유 1%로 혼합한 경우는 하이브리드 형태로 섬유를 사용하더라도 휨강도가 거의 증가하지 않음을 확인할 수 있다. 이는 장섬유(직경 0.35mm와 길이 30mm인 강섬유 또는 직경 5mm와 길이 30mm인 강섬유)를 적게 사용함으로써 주 균열발생 후의 균열발생을 제어하지 못했기 때문이다.
이상의 실험 결과를 고려해볼 때, 혼입되는 섬유는 그 형태가 한 가지인 것보다는 단섬유와 장섬유를 적절히 혼합하여 하이브리드 형태로 사용하는 것이 강도증진에 보다 효과적임을 알 수 있다.
한편, 강섬유가 포함된 시멘트 복합체의 양생과 관련하여, 습윤양생의 기간은 2일 이상 실시한 경우부터 압축강도가 거의 동일한 것으로 확인되었는바, 증기양생을 실시한 전에 습윤양생을 2일?3일 정도 실시한 것이 바람직하다.
증기양생 기간은 3일이 가장 압축강도가 뛰어나고, 그 이상의 증기양생 기간에서는 점차 압축강도가 저하되었는데 이것은 과도한 고온양생에 의해 증분이 증발이 되면서 미세균열이 발생하였기 때문이다.
증기양생시 온도가 100℃ 정도까지는 온도가 높을수록 압축강도가 향상되었고, 그 이상의 온도부터는 압축강도가 저하되었는데 이것은 시멘트의 수화반응이 완전히 발생하여 시멘트 복합체 내의 수분이 증발되면서 미세균열이 발생하였기 때문이다.
상기에서 플로우 시험은 시멘트 복합체의 시공성을 평가하기 위한 것으로 KS L 5105에 준하여 실시하였으며, 압축강도 시험은 ø100× 200mm 원주 콘크리트 시편을 이용하여 KS F 2405에 준하여 실시하였고, 휨강도 시험은 100× 100× 400mm 각주 시편을 이용하여 KS F 2566에 준하여 실시하였으며, 지간은 300mm로 하고 지간을 3등분으로 하여 중앙 두지점에서 재하하였다. 처짐은 중앙에 LVDT를 설치하여 측정하였으며, 재하 속도는 0.2mm/분으로 하였다.

Claims (10)

  1. 강시멘트 100 중량부에 대해 모래 100 내지 130 중량부, 반응성 분체 10 내지 30 중량부, 증점제 0.05 내지 1중량부 및 유리미분말 15 내지 90 중량부를 포함하는 모르타르를 제조하는 단계;
    물 90중량% 내지 99.5중량%와 감수제 0.5중량% 내지 10중량%를 포함하는 배합수를 제조하는 단계;
    상기 모르타르에 대한 상기 배합수의 중량비가 0.25이하인 혼합물을 제조하는 단계; 및
    상기 혼합물 100체적%에 대해 1체적% 내지 5체적%의 강섬유를 상기 혼합물과 혼입한 후 양생하는 단계를 포함하며,
    상기 유리미분말의 크기는 5.0~100㎛인 것을 특징으로 하는 유리미분말이 혼입된 초고성능 섬유보강 시멘트 복합체 제조방법.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 모르타르 제조 단계는 상기 모르타르를 구성하는 혼합물을 20rpm 내지 40rpm의 속도로 7분 내지 15분 동안 혼합하는 단계를 포함하고,
    상기 혼합물 제조단계는 상기 모르타르를 구성하는 혼합물과 배합수를 80rpm 내지 120rpm의 속도로 7분 내지 20분 동안 혼합한 후 다시 40rpm 내지 60rpm의 속도로 2분 내지 5분 동안 혼합하는 단계를 포함하고,
    상기 강섬유 혼입 단계는 상기 혼합물에 강섬유를 혼입한 후 30rpm 내지 50rpm의 속도로 3분 내지 10분 동안 혼합하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 유리미분말이 혼입된 초고성능 섬유보강 시멘트 복합체 제조방법.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 강섬유 양생 단계는 1일 내지 3일 동안 습윤양생을 실시한 후 60oC 내지 110oC의 온도에서 2일 내지 4일 동안 증기양생을 실시하는 단계를 포함하는 유리미분말이 혼입된 초고성능 섬유보강 시멘트 복합체 제조방법.
  4. 삭제
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 모래는 5mm 이하의 입자 크기를 갖는 석영질 모래인 것을 특징으로 하는 유리미분말이 혼입된 초고성능 섬유보강 시멘트 복합체 제조방법.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 반응성 분체는 실리카퓸, 플라이애쉬 및 고로슬래그 중 적어도 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 유리미분말이 혼입된 초고성능 섬유보강 시멘트 복합체 제조방법.
  7. 제 1항에 있어서,
    상기 증점제는 셀로룰오스 증점제 또는 아크릴 증점제인 것을 특징으로 하는 유리미분말이 혼입된 초고성능 섬유보강 시멘트 복합체 제조방법.
  8. 제 1항에 있어서,
    상기 감수제는 고형분이 30% 내지 40%인 폴리칼본산계 감수제 또는 나프탈렌계 감수제인 것을 특징으로 하는 유리미분말이 혼입된 초고성능 섬유보강 시멘트 복합체 제조방법.
  9. 제 1항에 있어서,
    상기 강섬유는 직경이 0.2mm 내지 0.5mm, 길이가 12mm 내지 30mm인 것을 특징으로 하는 유리미분말이 혼입된 초고성능 섬유보강 시멘트 복합체 제조방법.
  10. 제 1항의 제조방법에 의해 제조된 유리미분말이 혼입된 초고성능 섬유보강 시멘트 복합체.
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