KR20090010734A - 섬유보강콘크리트용 강섬유 - Google Patents

Abstract

본 발명은 기하하적으로 외부둘레가 최대화되도록 단면형태를 형성시킨 상태에서 양 단부면을 고정시켜 서로 반대방향으로 단부를 회전시키는 방식으로 꼬아진 섬유보강콘크리트용 강섬유에 대한 것으로서, 그 형상에 의하여 모체인 시멘트 경화체와의 기계적 부착력이 증가되도록 함으로서 섬유보강콘크리트의 휨, 인장강도 등의 물리적 성능이 증진되게 된다.

섬유보강콘크리트, 강섬유, 부착력

Description

섬유보강콘크리트용 강섬유{STEEL FIBER FOR FIBER REINFORCING CONCRETE}

본 발명은 섬유보강콘크리트용 강섬유에 대한 것이다, 더욱 구체적으로 섬유보강콘크리트에 혼입되는 강섬유의 형태 또는 형상을 개선하여 콘크리트 모체와의 부착성능을 증진시킴으로서 섬유보강콘크리트에 있어 인장강도, 휨강도 등과 같은 굳은 콘크리트의 성질이 개선되도록 한 섬유보강콘크리트(FIBER REINFORCING CONCRETE)용 강섬유에 대한 것이다.

종래 시멘트(Cement) 또는 콘크리트(Concrete)는 인장강도에 취약할 뿐만 아니라 작용하중에 대한 취성적 파괴현상을 가지게 된다.

이에 상기 콘크리트의 취성파괴 등을 방지하기 위해 강섬유(STEEL FIBER)를 콘크리트에 균일하게 혼입시켜 인장, 휨강도, 전단강도 등 역학적 성능과 균열저항 성능이 향상된 섬유보강 콘크리트(Fiber Reinforced Concrete)가 활용되고 있다.

특히 직선형 강섬유 보강 콘크리트(Straight steel Fiber Reinforced Concrete)는 단면이 작고 길이가 짧은 강섬유를 수화성의 시멘트와 세골재의 배합이나 수화성의 시멘트, 세골재, 조골재의 배합에 임의로 투입, 분산시켜 시멘트 경화체의 인장강도, 휨강도, 균열에 대한 저항성, 연성, 전단강도, 내충격성 등의 개 선을 목적으로 만든 합성재료를 일컫는다.

이때 상기 직선형 강섬유는 모체 시멘트 경화체의 부착성과 배합 시 분산성능이 향상될 수 있도록 여러 형상으로 제작되고 있다.

도 1a 및 도 1b는 특히 원형단면을 가지면서 소정의 길이로 제조된 직선형 강섬유(10)를 도면화한 것과 그 실제 사진을 보인 것이다.

상기 강섬유의 형상비(Aspect Ratio, 단면수치에 대한 길이의 비)는 30~100 정도의 것이 사용되고 있으며,

일반적으로 강섬유의 콘크리트 내에 혼입되는 혼입율은 콘크리트 1㎥에 있어 0.05% ~ 2.0용적%(약. 20~157 ㎏/㎥)이며,

일반적으로 강섬유는 길이 0.5 in (12.7mm) ~ 2.5in(63.5mm), 직경 0.017 in(0.45mm) ~ 0.04 in(1.0mm)의 범위 등에서 사용되고 있다.

하지만 상기 원형단면을 가진 직선형 강섬유는 모체인 시멘트 경화체와의 기계적 부착력이 충분하지 못하다는 문제점이 지적되었는바,

최근 직선형 강섬유는 제조과정 또는 원자재에 따라 원형뿐만 아니라 타원형, 각형. 그리고 초생달 형 단면의 형태로 된 것이 소개되고 있다.

또한 도 1c의 상부에 도시된 것 같이 모체 콘크리트의 부착성을 특히 크게 확보할 수 있도록 돌기부가 형성된 직선형 강섬유(20)도 이용되고 있으며,

도 1c의 하부에 도시된 것과 같이 끝단을 구부린 후크형 강섬유(30)도 이용되고 있다.

하지만 상기 여러 형태의 직선형 강섬유의 경우에도 콘크리트 배합 시, 콘크 리트 내부에 고르게 분산되지 않는 뭉침(Fiber Ball)현상이 발생하여 콘크리트 강도 증진효과 효율성이 떨어질 뿐 만 아니라,

특히 콘크리트 파괴 거동에 있어 강섬유가 항복강도에 도달되어 파단되기 전에 강섬유가 먼저 콘크리트로부터 뽑혀져 나오는 등(Debonding) 강섬유 보강효과가 떨어진다는 문제점이 있었으며,

추가적인 증점제 등 혼화재가 투입되지 않을 경우 콘크리트 시공에 있어 워커빌리티가 떨어질 뿐만 아니라 진동다짐 시 강섬유가 한쪽 방향으로 배열되어 종국적으로 강섬유 보강 콘크리트의 효과가 충분히 발휘되지 않는다는 문제점이 있었다.

이러한 현상을 방지하기 위하여 도 1d와 같이 폐쇄된 링형 강섬유(40) 및 스파이럴 형태의 강섬유(50)도 개발되어, 강섬유의 뽑힘 현상에는 효과적이나 콘크리트 내부에 고르게 분산시키는 것이 용이하지 않다는 문제가 지적되었다.

본 발명은 특히 직선형 강섬유에 있어서 일정한 단면적을 기준으로 시멘트 경화체와의 접하는 둘레길이가 커지도록 함과 더불어 기계적 부착력이 충분히 확보될 수 있도록 함으로서 인장, 휨강도, 전단강도 등 역학적 성능과 균열저항 성능이 향상된 섬유보강 콘크리트(Fiber Reinforced Concrete)가 제공되도록 함을 그 기술적 과제로 한다.

상기 기술적 과제를 달성하기 위하여 본 발명은 섬유보강콘크리트용 강섬유에 있어서,

강섬유의 표면적을 증가시켜 시멘트 경화체와의 부착성능을 최적화시키기 위하여 클로버형 단면과 같이 둘레길이를 최대화시킨 강섬유를 꼬아 제작하되 그 꼬아짐의 횟수의 범위를 실험을 통하여 구체적으로 제시함으로서 종국적으로 섬유보강콘크리트의 물리적 성능이 증진되도록 하였다.

본 발명에 의한 강섬유에 의하면 시멘트 경화체와의 부착되는 접촉면적이 크기 때문에 섬유와 시멘트 경화체의 부착성능이 향상됨으로써 섬유보강 콘크리트의 압축, 인장, 휨강도 및 인성 등 그 성능이 크게 향상시킬 수 있게 된다.

앞에서 설명되고, 도면에 도시된 본 발명의 일 실시예는 본 발명의 기술적사상을 한정하는 것으로 해석되어서는 안 된다. 본 발명의 보호범위는 청구범위에 기 재된 사항에 의하여만 제한되고, 본 발명의 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상을 다양한 형태로 개량 변경하는 것이 가능하다. 따라서 이러한 개량 및 변경은 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 것인 한 본 발명의 보호범위에 속하게 된다.

본 발명을 보다 명확하고 용이하게 설명하기 위해서 이하 본 발명의 최선의 실시예를 첨부도면에 의하여 상세하게 설명하며, 본 발명에 따른 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으므로, 본 발명의 범위가 아래에서 설명되는 실시예에 한정되지 않는다.

도 2a 및 도 2b에 의하면 종래 원형단면의 강섬유(10)와 본 발명에 의한 클로버형 단면의 강섬유(100)의 단면도를 보인 것이다.

상기 강섬유는 탄소강 등을 얇게 절삭가공, 주조 등의 방법으로 제조될 수 있으며, 형상비(Aspect Ratio, 단면수치에 대한 길이의 비)는 30~100 정도의 것이 사용될 수 있으나 용도 및 목적에 따라 적의 변경하여 사용할 수 있으며, 그 길이 또한 다양한 길이에 의하여 제조될 수 있을 것이다.

바람직하게는 본 발명에 의한 강섬유는 직경 0.5~0.7mm 그리고 길이가 30~70mm되도록 함으로서 후술되는 바와 같이 강섬유의 꼬는 작업의 수월성 및 모체인 시멘트 경화체와의 부착력의 최적화를 위하여 바람직하며,

이러한 직경, 길이 및 꼬인 상태로 제조될 때, 강섬유의 인장강도가 1300 ~ 3800 MPa로 정해지도록 할 수 있어 섬유보강콘크리트에 있어 그 효과가 충분히 발 휘할 수 있도록 함이 바람직하다.

상기 도 2a를 기준으로 기존 원형단면의 강섬유(10)가 시멘트 경화체와의 부착하는 둘레길이가 1이라고 가정했을 때,

본 발명에 의한 클로버형 단면의 강섬유(100)는 둘레길이가 2.17배 정도로 증가되도록 제조됨으로서 그 증가된 둘레길이 만큼 강섬유와 시멘트 경화체의 부착성능이 향상됨으로써 강섬유 보강 콘크리트의 성능이 향상될 수 있도록 하게 된다.

즉 강섬유에 있어 형상비에는 영향이 없도록 하면서 시멘트 경화체와의 부착성능을 높이는 기술적 특징이 도입된 것이다.

이때 클로버형단면의 강섬유(100)는 이해를 돕기 위하여 지칭된 것일 뿐, 동일한 단면적을 가지면서 둘레길이가 커지도록 그 단면형태가 변화된다면 본 발명의 기술적 범위에 속한다고 볼 수 있다.

이에 상기 클로버형단면의 강섬유(100)가 꼬여지기 전의 상태를 도시한 것이 도 3a이다.

상기 도 3a에 의하면 클로버형단면 형태가 강섬유 길이방향으로 연장되면서 단면변화가 없음을 알 수 있다.

본 발명은 상기 소정의 길이를 가진 클로버형단면의 강섬유(100)를 예컨대 양 단부를 고정시킨 채 서로 반대방향으로 회전시키는 방식으로 강섬유가 꼬게 된다.

도 3b는 실제 클로버형단면의 강섬유(100)가 꼬아진 상태의 강섬유 실제 사진을 도시한 것인데,

상단의 클로버형단면의 강섬유에 의하면 일정한 길이(35mm)에 있어 4회 꼬아진 상태( 4 PITCH 상태라 한다.)를 보인 것이고,

하단의 클로버형단면의 강섬유에 의하면 일정한 길이(35mm)에 있어 6회 꼬아진 상태( 6 PITCH 상태라 한다.)를 보인 것이다.

물론, 2회 이상 원하는 횟수만큼 용도 등에 따라 클로버형단면의 강섬유(100)를 꼬는 것이 가능할 것이다.

이렇게 다수 회 클로버형단면의 강섬유(100)를 꼬게 되면 그 둘레면적은 자연스럽게 더 증가될 수 있도록 하면서 굳지 않은 시멘트 복합체에 있어 균열일 발생할 경우 균열면에 있어 서로 접하는 시멘트 복합체의 가교효과를 통해 종국적으로 섬유보강 콘크리트의 보강효과를 증진시킬 수 있게 된다.

이에 본 발명에 의한 강섬유는 주어진 단면을 기준으로 외부둘레가 최대한 증가되도록 단면형태를 변경시키는 과정을 거치게 된다.

물론 이러한 과정은 주어진 단면을 기준으로 외부둘레가 기하학적으로 최대화되도록 하는 과정이 될 것이며 이는 기하학적인 방법에 따라 구체적인 단면형태로 발현될 수 있을 것이며 달리 한정된 방법이 제시될 이유는 없다고 할 것이다.

다음으로는 변경된 단면형태의 강섬유의 양 단부를 서로 반대로 회전시키는 방법과 같이 강섬유를 꼬는 과정을 거치게 됨으로서 균열 등에 있어 저항성능이 크게 향상되어 섬유보강 콘크리트로서 보다 효과적인 품질확보가 가능하게 된다.

결국 본 발명에 의한 강섬유는 주어진 단면에 있어 외부둘레가 기하학적으로 최대화되도록 한 상태에서 양 단부가 고정되어 회전되도록 하는 방법을 통하여 외 부둘레가 길이방향으로 연속하여 꼬아진 형태로 제작됨을 알 수 있다.

이하, 먼저 본 발명에 의한 강섬유(100)를 이용하여 시편의 인장강도 시험 및 그 결과를 실험예 1을 통해 살펴본다.

<실험예 1>

강섬유의 형상이 시멘트 경화체와의 부착성능에 미치는 영향을 분석하기 위해 도 4a와 같이 섬유의 인발시험을 실시하였다.

상기 인발시험은 먼저 목이 길고 저부가 확장된 형태의 시편에 있어 상기 목 상부면으로부터 상방으로 돌출되도록 본 발명에 의한 강섬유가 매립되도록 하게 된다.

이러한 시편은 시편그립시스템에 의하여 하부가 고정되도록 한 상태에서, 강섬유는 강섬유 그립시스템에 의하여 고정된다.

이때 상기 강섬유 그립시스템에는 변형율을 측정할 수 있는 변형율 게이지가 장착되며, 하중계에 접하는 강섬유 그립시스템은 시편의 강섬유에 인장력이 발생되도록 하게 된다.

이때 시편의 모르타르 배합은 물-시멘트비 35%, 시멘트-잔골재비를 63%로 하였으며, 하중계 재하속도는 0.35mm/분이고, 슬림양이 15mm에 도달할 때까지 하중-슬림 곡선을 계측 하게 된다.

도 4b는 강섬유의 형상에 따른 하중-슬림 곡선을 도시한 것이다.

본 발명에 의한 강섬유(100)는

기존의 원형단면의 강섬유에 비해 최대하중이 높고, 균열발생 이후의 슬림에 대한 저항성도 훨씬 높은 것으로 나타나 본 발명에 의한 강섬유(100)는 모체인 시멘트 경화체와의 부착성능이 뛰어나 그 휨, 인장강도 및 인성을 향상시킬 수 있음일 확인할 수 있다.

그리고 본 발명에 의한 강섬유 중에서 꼬는 횟수가 8까지는 증가할수록 부착성능이 뛰어나고, 그 후부터는 부착성능이 다소 저하되는 것으로 나타남을 확인할 수 있는데,

이것은 꼬는 횟수가 기계적인 부착성능은 어느 정도까지 향상시키나, 필요이상으로 꼬여 있는 경우에는 시멘트 모르타르가 섬유의 구석구석까지 충전되기 어렵고, 또한 기포가 발생하기 쉽기 때문이다.

이에 본 발명에 있어 강섬유는 그 꼰 횟수가 8회 이하로 꼬아지도록 함이 바람직함을 알 수 있다.

물론 이러한 꼰 횟수는 강섬유의 단면치수 및 길이에 따라 달라질 수 있지만, 강섬유에 있어 제조될 수 있는 단면치수 및 길이는 어느 정도 한계가 있기 때문에,

즉, 형상비가 100 이하로 형성된다고 했을 때 단면치수 및 길이에는 그 최대치가 있으므로 그 최대치(형상비 100)를 기준으로 했을 때 개략 강섬유의 꼰 횟수는 8회 이내가 바람직함을 알 수 있었다.

다음으로 섬유의 형상이 섬유보강 콘크리트의 성능에 미치는 영향을 분석하기 위해 본 발명에 의한 강섬유 보강콘크리트의 슬럼프플로, 섬유의 분산성, 압축강도, 휨강도 시험을 아래 실험예 2에서 실시하였다.

<실험예 2>

본 발명에 의한 강섬유 섬유보강 콘크리트는 도 5a에 도시된 바와 같이, 물-시멘트비(W/C) 35%, 단위수량 175kg/㎥, 강섬유를 2%체적을 혼입한 배합을 사용하였다.

여기서 섬유는 형상에 관계없이 직경0.6mm× 길이35mm, 인장강도 2700 MPa인 것을 사용하였다.

슬럼프플로는 KS F 2594, 육안관찰에 섬유분산성은 육안관찰에 의해 양호, 보통, 불량을 구분하여 평가하였다.

압축강도와 휨강도는 20℃에서 수중양생을 28일까지 실시한 다음 각각 KS F 2405와 KS F 2566에 준하여 측정하였다.

이상의 실험예 2의 결과를 분석한 결과를 정리하면 도 5b와 같다.

상기 도 5b에 의하면,

슬럼프플로는 섬유의 형상에 관계없이 슬럼프플로가 650mm 이상으로 콘크리트 공사 시 다짐이 필요하지 않은 일반적인 슬럼프플로 600mm 이상으로 나타났으며,

섬유의 분산성도 모두 양호한 것으로 평가되었다.

압축강도는 기존의 원형단면 강섬유에 비해 본 발명에 의한 강섬유가 2~ 6 MPa 정도 향상되는 것으로 나타났다.

그리고 본 발명에 의한 강섬유가 기존의 원형단면의 강섬유에 비해 휨강도는 1.53~2.13배, 등가 휨강도는 1.56~2.05배, 휨 인성은 1.87~2.91배 정도로 휨 거동 이 크게 향상되는 것으로 나타났다.

이처럼 휨거동이 향상이 큰 것은 섬유와 시멘트 경화체의 부착성능이 향상되어 섬유의 가교(Bridging) 작용이 크게 발휘되었기 때문이라 할 수 있다.

<실험예 3>

본 발명에 의한 강섬유에 사용되는 인장강도,

강 섬유의 직경 및 길이가 섬유보강 콘크리트의 성능에 미치는 영향을 분석하기 위해 본 발명에 의한 강섬유가 혼입된 보강콘크리트의 슬럼프플로, 섬유의 분산성, 압축강도, 휨강도 시험을 실시하였다. 섬유보강 콘크리트의 배합과 실험방법은 실험예 1과 동일하다.

도 5c에 의하면 강섬유의 종류가 본 발명의 강섬유에 의한 섬유보강 콘크리트의 시공성에 미치는 영향은 작은 것으로 나타났으나,

강섬유의 길이가 길어질수록 슬럼프플로가 다소 저하되는 것으로 나타났다.

압축강도는 60~69MPa로 섬유의 종류에 따라 큰 차이가 없는 것으로 나타났다.

그리고 휨거동은 본 발명에 의한 강섬유가 인장강도, 섬유의 길이 및 직경에 관계없이 기존 둥근모양의 섬유에 비해 우수한 것으로 나타났다.

본 발명에 의한 강섬유는 인장강도가 클수록 섬유의 직경이 작을수록 휨거동이 우수하며, 섬유의 길이는 휨강도는 길수록 유리하나, 인성은 길수록 약간 불리한 것으로 나타남을 알 수 있었다.

도 1a, 도 1b, 도 1c 및 도 1d는 종래의 강섬유예들을 도시한 것이다.

도 2a 및 도 2b는 본 발명에 의한 강섬유에 있어 종래 원형단면의 강섬유와 그 둘레길이의 차이를 도시한 것이다.

도 3a 및 도 3b는 본 발명에 의한 강섬유에 있어 꼬기 전의 강섬유와 꼰 이후의 실제 사진이다.

도 4a 및 도 4b는 본 발명에 의한 강섬유에 있어 인발시험 모습을 도시한 것이다.

도 5a, 도 5b 및 도 5c는 본 발명에 의한 강섬유를 사용한 보강콘크리트의 배합예, 물성 실험결과 및 다른 강섬유와의 물성 실험결과비교예이다.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

100:본 발명에 의한 강섬유

Claims (4)

1. 주어진 단면에 있어 외부둘레가 기하학적으로 최대화되도록 한 상태에서 양 단부가 고정되어 회전되도록 하는 방법을 통하여 외부둘레가 길이방향으로 연속하여 꼬아진 형태로 제작되도록 하는 섬유보강콘크리트용 강섬유.
2. 제 1항에 있어서, 상기 강섬유는 직경 0.5~0.7mm 그리고 길이 30~70mm으로 정해지도록 하는 섬유보강콘크리트용 강섬유.
3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서, 상기 강섬유의 인장강도는 1300 ~ 3800 MPa로 정해지는 섬유보강콘크리트용 강섬유.
4. 제 3항에 있어서, 상기 강섬유는 꼰 횟수가 8회 이내가 되도록 하는 섬유보강콘크리트용 강섬유.

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