합성섬유 보강된 고성능 시멘트복합체를 사용한 구조부재의 성능평가

Abstract

Construction structures have begun to become large, high-rise, and different buildings with the development of architectural technology. As the construction technology was developed and the building structure was larger and long span, concrete which was used construction material is required to have high performance of structural material. In addition, high performance and high strength of concrete is required to overcome disadvantages. Concrete has several disadvantages which are brittleness, thermal expansion and shrinkage of itself and it is known brittle material because of low ductility and absorption ability due to low tensile strength and flexural strength compared to compressive strength. This research aims to study the high ductility and high strength concrete using fiber as a method to improve the disadvantages such as brittle fracture of original concrete. High ductility cementitious composites and ultra high strength fiber cementitious composites were developed using synthetic fibers. This researcher is conducted experiments to verify the structural performance using by developed concrete. Strain Hardening Cementitious Composites (SHCC) using PVA fiber is applied to the slab since slab is required to have high ductility. There are characteristics of SHCC with PVA fiber. When the initial cracks occur in the cementitious composites, the short fiber in the cementitious composites has a bridge reaction at the cracking surface and bear stress and fracture energy. Therefore, even after the initial cracking, it is not immediately destroyed over time, and secondary cracks can be induced. In addition, it has a large ductility due to multiple micro-cracks induced in uniaxial tensile. In this study, it is applied to the bottom part tensile side of slabs for 10mm, 20mm, 40mm and 60mm thickness, and structural performance of the slabs is tested to confirm and evaluate the excellent performance of the members.

There are two types of reinforced concrete composite floor structure using SHCC. SHCC and RC composite specimens and half-precast SHCC-RC composite floor specimens for the study about long span of slab are manufactured. This is carried out and analyzed for structural performance. In the results of the structural performance test, it is possible to control the initial crack by multi-micro crack behavior, and local crack control, deflection improvement and deflection control are effective. And the bending strength is improved much, and the high performance is confirmed. The bending strength of the specimens is improved much and high ductility performance is confirmed. The second study is the development of ultra high strength fiber cementitious composite using Vectran fiber. The ultra-high strength fiber cementitious composites have been studied for application to structural members requiring high strength. Vectran fiber cementitious composites showed more than 120% flexural strength when the fiber content ratio was 1.0%. As a result of the performance test of structural member with 1.0% Vectran fiber, the structural member using Vectran fiber cementitious composite improves the bending strength more than 120% than ordinary RC member. In shear test results, critical section is set up to induce shear cracking. The Vectran fiber cementitious composites is more than 230% improvement in strength compared with ordinary RC members. The reason It is considered that this contributes to improvement of shear strength is that the ultra-high strength Vectran fiber cementitious composites have the characteristics of flexible Vectran fibers that prevents the increase of crack width due to the dispersion and adhesion of fibers in the cementitious matrix. In addition, it has similar shear and restraint forces of the shear stirrup and it is considered that the bending section is dominated by the shear section. It will have effect on shear stirrup strength when the shear stirrup is minimized and It will be effective to reduce the rebar amount when it is applied to structural members in the construction site.|국내외의 건축기술의 발전과 함께 건설 구조물의 대형화, 고층화, 다양화되기 시작했다. 건축기술이 발전함에 따라 건축 구조물은 대형화 및 장지간화 되면서 보편적으로 사용되는 건설재료인 콘크리트 구조재료의 요구 성능이 높아지고 있다. 특히 콘크리트의 단점을 보완하고 재료의 고성능, 고강도화가 더욱 요구되고 있는 실정이다.

콘크리트는 재료 자체의 취성, 폭열, 건조수축 등의 문제점을 해결해야 하며, 압축강도에 비하여 낮은 인장강도와 휨 강도에 기인하는 낮은 연성과 흡수능력 때문에 콘크리트가 취성적인 재료라는 인식을 갖고 있다.

본 연구에서는 이러한 콘크리트의 취성 및 단점, 재료 특성을 개선하는 방법으로 섬유를 이용한 고연성, 고강도 콘크리트에 대한 연구를 하고자 한다. 이에 구조부재별로 나누워 각각에 맞는 합성섬유를 적용하고 이에 대한 고연성 시멘트복합체와 초고강도 섬유시멘트복합체를 배합하였다.

고연성을 요구하는 바닥구조의 경우 PVA섬유를 활용하여 고연성시멘트복합체(Strain Hardening Cementitious Composites; SHCC)를 배합하였다. PVA 섬유가 혼입된 SHCC는 시멘트 복합체 내에서 최초 균열이 발생될시 혼입된 단섬유가 균열면에서 가교 작용을 통하여 응력과 파괴에너지를 부담하여 최초균열 발생 후에도 시간이 지남에 따라 즉시 파괴하지 않고, 2차 균열의 유도가 가능하도록 설계한 재료이다. 이로 인해 섬유시멘트복합체는 1축 인장 하에서 다중미세균열이 유발에 따라 큰 연성을 갖는 변형경화형 시멘트복합체이다. 이를 바닥구조의 하단부 인장측에 일부의 두께별로 적용하고 성능평가를 통해 우수한 성능을 확인 및 평가하고자 한다.

SHCC를 활용한 철근콘크리트 복합바닥구조는 두가지 타입으로 구분하였으며, 실험실내 SHCC 및 RC 복합바닥구조 실험체와 장지간화 연구를 위한 하프프리캐스트 SHCC-RC 복합바닥구조 실험체를 제작하여 구조성능 평가를 실시하고 분석하였다. 구조성능 평가 결과 다중미세균열 거동에 의한 초기균열 제어, 국부균열 제어, 처짐개선, 처짐 제어 효과를 확보하였으며, 휨 내력 또한 크게 개선되어 고연성적인 성능을 확인하였다.

두 번째는 Vectran 섬유를 활용한 초고강도 섬유시멘트복합체 개발이다. 초고강도 섬유시멘트복합체는 고강도를 필요로하는 구조 부재에 적용하기 위하여 실험실내 연구 진행을 하였다.

Vectran 섬유시멘트복합체의 구조 성능 평가 결과 섬유 혼입율 1.0% 적용시 120% 이상 휨 내력이 향상되었다. 전단평가에서는 전단균열을 유도하기 위하여 전단 위험단면을 설정하여 실험하였음에도 Vectran 섬유시멘트복합체에서 230% 이상 내력이 향상되었다. 이는 초고강도 Vectran 섬유시멘트복합체가 신축성과 유연한 Vectran 섬유의 특성으로 인해 시멘트 매트릭스 내 뭉치는 효과 없이 분산 및 부착 성능이 뛰어나 균열폭 증가를 억제함으로 인해 전단 강도 향상에 기여하는 것으로 사료된다. 또한 전단보강근인 스터럽과 유사하게 전단보강 및 구속력이 발현됨으로 인해 휨 단면이 전단 단면을 지배하는 것으로 보이며, 전단보강 철근을 최소화해도 전단 보강 및 강도에 우수한 효과를 보이는 것으로 실제 현장 보 구조부재에 활용할 시 전단 철근량 저감 효과를 보일 것으로 판단된다.