1. 머리말
대규모 지진발생 빈도 증가와 이에 따른 엄청난 인명⋅
재산피해의 급증하고 있으며, 아이티(2010), 칠레 (2010), 중국(2008), 일본동북부(2011), 터키(2011) 등 전세계적으로 대규모 지진발생으로 인한 인명 및 재산 피해가 급격히 증가하고 있다. 한편, 우리나라도 과학적 지지관측을 시작한 1978년 이후 지진발생이 증가하고 있는 추세(80년대-16회, 90년대-26회, 2000년대 44회) 이며, 역사지진 기록 및 전문가에 의하면 우리나라도 더 이상 지진 안전지대가 아니라는 견해가 지배적이다. 우 리나라의 내진설계는 1962년 건축법 제10조에 “건축물 은 …… 지진 등에 안전한 구조를 가져야 한다”고만 규 정하다가 1988년에 비로소 지진하중 및 지진구역을 명 시하고 내진설계 대상을 명시하였으며, 현재에는 2009 년 개정된 내진설계기준(건축법 제38조, 건축법시행령 제32조 : 3층 이상이거나 연면적 1,000m2 이상의 건축 물 등은 지진에 대한 안전여부 확인)을 따르고 있다.
2010년 기준 전체 내진설계대상 시설물 31종 123,201
개소 중 45,905개소(37%)는 내진성능이 확보(내진설계 적용 29,104개, 내진양호 15,385개, 내진보강완료 1,416 개)되었으나, 나머지 77,296개소(63%)는 내진보강이 필 요한 실정이다. 특히, 내진보강이 가장 많이 필요한 시 설물은 공공건축물(43,437개), 학교시설물(15,851개), 도로시설물(13,353개)의 순이며, 수문 및 수도시설은 내 진성능 확보가 전혀 안된 것으로 조사되었다.
기존 건축구조물의 내진보강공법은 a) 제진댐퍼(이 력⋅오일⋅마찰식)공법, b) 철골브레이스공법, c) 섬유 시트⋅패널부착공법, d) RC전단벽증설공법 등이 대표 적이다. 제진댐퍼공법은 지진발생 시 지진에너지를 흡 수하여 구조부재의 손상을 억제할 수 있는 효과적 공법 이나, 매우 고가이어서 적용에 제약을 받으며, 건물외 관의 훼손문제, 설치공정의 복잡성, 저층건물에서의 효 율성, 유지관리비용의 증대 등이 문제로 지적되고 있다.
또한, 철골브레이스공법은 비교적 저가이면서 우수한 보강성능을 발현하는 장점이 있으나, 건물외관훼손, 대 단면에 따른 실내환경의 변화, 중량에 따른 자중증대, 유지관리비용 증대 등이 문제로 지적되고 있다. 한편,
다수균열과 변형경화 거동을 갖는 고인성시멘트복합체의 역학 및 수축 성능
Mechanical & Shrinkage Performance of
Ductile Fiber Reinforced Cementitious Composites with Multiple crack and Strain-Hardening Behavior
양일승 (Il-seung Yang)
｜동신대학교 조교수｜[email protected]
김재환 (Jae-hwan Kim)｜(주)AMS엔지니어링 대표이사
｜[email protected]
김준석 (Jun-seok Kim)
｜㈜함주건설 대표이사
｜[email protected]
는 압축강도 50MPa 이상, 직접인장변형율 3.5% 이상 을 발현하며, 휨 및 인장하중 작용 하에서 초기균열이 발생된 후에도 응력의 저하없이 변형이 지속적으로 증 대되는 변형경화거동(Strain-hardening behavior)을 보 여 에너지흡수능력 및 변형성능이 매우 풍부한 시멘트 베이스의 특수 무기계 재료이다[그림 1]. 더욱이, 상기 의 변형경화 과정에서 100㎛ 이하의 미세균열이 무수 히 발생되는 멀티플 크랙(Multiple-cracking) 특성을 보 이고 균열폭이 매우 미세하여 균열발생 후에도 열화인 자의 침투를 억제하여 내구성능을 유지하며, 화재 시에 는 급격한 온도상승에도 폭열(Explosive spalling)현상 을 방지하고 차열성능이 우수하여 내부 보강재의 손상
DFRCC와 기존 섬유보강모르터 (2종류)를 대상으로 콘크리트용 보수재료로 활용하기 위한 성능을 검증하 기 위해 재료 자체의 압축성능, 휨성능, 직접인장성능 을 평가하고자 하였으며, 이를 위한 실험계획 및 방법 은 표 1과 사진 1∼사진 3에 나타내고 있다. 특히, 휨이 나 직접인장하중 작용 하에서 균열제어성능 및 변형성 능을 검증하기 위해 휨시험시 최대처짐량 및 균열패턴 과 1축 직접인장시험 시 최대변형량 및 균열패턴을 각 각 측정하였다.
2.2 압축강도
압축강도는 그림 2, 3에 나타낸 것과 같이 모든 재령 에 있어서 개발기술인 DFRCC가 가장 높은 압축강도 를 발현하였으며, 더욱이 장기재령에서의 강도증진 비 율도 기존 보수모르터에 비해 높게 나타났다. 또한, 모 든 대상 제품이 보수재료의 품질기준인 KS F 4042 [콘 크리트구조물 보수용 폴리머시멘트모르타르]의 압축강 도 20.0 MPa를 만족하고 있으나, 개발기술인 DFRCC 가 가장 우수하며, 더욱이 탄성계수도 압축강도와 유사 한 경향을 나타내고 있었다[표 2].
구분 (기호) 평 가 항 목 상 세 항 목 시험체 크기 시 험 방 법
◦개발기술 (DFRCC)
◦기존제품-A (RM-A)
◦기존제품-B (RM-B)
◦압축성능 ◦압축강도/탄성계수 φ100 × 200mm KS F 2405
◦휨성능 ◦휨강도/최대처짐량/균열패턴 100×100×400mm KS F 2566
◦직접인장성능 ◦인장강도/최대변형량/균열패턴 [사진 3] 참조 JSCE-DFRCC (일본토목학회)
표 1. 재료 자체의 역학성능 검증을 위한 실험계획 및 방법 그림 1. 고인성시멘트복합체(DFRCCs)의 성능
그림 2. 재령별 압축강도 그림 3. 압축강도 및 탄성계수 (28일)
구 분 DFRCC RM-A RM-B 비 고
압축강도 (MPa) 45.3 41.5 40.3 28일
탄성계수 (GPa) 17.4 14.1 13.5 28일
표 2. 재령 28일에서의 압축강도 및 탄성계수
사진 1. 압축시험 사진 2. 휨시험
사진 3. 직접인장 시험장치 및 개요
2.3 휨강도
DFRCC는 그림 4와 같이 휨하중하에서 초기균열이 발생된 후에도 응력의 저하 없이 변위의 증가와 함께 응력이 다시 증대되는 변형경화거동을 안정적으로 발 휘하였으며, 그림 5과 같이 모든 재령에서 기존 보수모 르터에 비해 휨강도가 매우 높게 나타났다. 또한, 표 3 에는 재령 28일에서의 휨성능을 나타낸 것으 로, DFRCC는 기존 섬유보강모르터에 비해 휨강도가 약 1.7∼2.4 배, 최대휨응력시 처짐량은 약 12∼71 배 높
게 나타났고, 시험체의 측면 및 밑면에서 복수의 미세 균열인 멀티플크랙이 뚜렷하게 나타내었다[사진 4].
2.4 직접인장강도
DFRCC는 그림 6, 7에 나타낸 것과 같이 직접인장하 중 하에서 초기균열이 발생된 후에도 응력의 저하 없이 변위의 증가와 함께 응력이 다시 증대되는 변형경화거 동을 안정적으로 발휘하였으며, 모든 재령에서 기존 섬 유보강모르터에 비해 인장강도가 매우 높게 나타났다.
그림 4. 휨응력-변형곡선 (재령 28일) 그림 5. 재령별 휨강도
구 분 DFRCC RM-A RM-B
휨강도 15.47 MPa 6.37 MPa 9.03 MPa
최대처짐량 4.247 mm 0.059 mm 0.366 mm
균열개수 무수함 (멀티플크랙) 1.0 2.3
대표 사진
측면 사진
밑 면 사진
비고 멀티플크랙의 안정적 발생 1개의 균열이 급격히 개구 1개의 균열이 서서히 개구
표 3. 재령 28일에서의 휨성능 (시험체 크기 : 100×100×400 mm)
구 분 DFRCC RM-A RM-B
인장강도 5.54 MPa 3.60 MPa 4.33 MPa
변형량 3.702 % 0.016 % 0.045 %
균열개수 무수함 (멀티플크랙) 1.0 2.5
대표사진
특기사항 멀티플크랙이 안정적으로 발생
하면서 연성적으로 파괴 초기균열이 급격히 개구하면서
순간적으로 파괴 평균 2.5개의 균열이 발생한 후 국소화되면서 파괴
표 4. 재령 28일에서의 직접인장성능
그림 6. 직접인장응력-변형곡선 (재령 28일) 그림 7. 재령별 직접인장강도 사진 4. DFRCC의 휨변형성능 및 멀티플크랙 (시험체 크기 : 100×15×400 mm)
3. 고인성시멘트복합체의 수축성능
3.1 실험계획 및 방법
일반적으로 시멘트재료의 선정에 있어서 재료의 역 학성능과 더불어 수축특성 (즉, 치수안정성)은 매우 중 요한 평가지표이며, 기존 콘크리트 모체와의 일체성을
축특성을 비교하고자 하였으며, 표 5에는 실험계획 및 방법을 나타내고 있다. 사진 5∼사진 8에는 수축특성을 위한 실험체의 사진을 보여주고 있다.
3.2 소성수축 실험
표 6에는 소성수축 실험결과를 나타낸 것으로, 개발
구 분 시 험 항 목 평 가 항 목 시 험 방 법 시 험 조 건
온도 (℃) RH (%) 풍속 (m/sec)
◦ 개발기술 (DFRCC)
◦ 기존기술-A (RM-A)
◦ 기존기술-B (RM-B)
◦ 소성수축 ◦ 균열패턴 ◦ 링테스트 30±3 40±5 4.0∼4.5
◦ 자기수축 ◦ 자기수축률 ◦ KS F 2586 20±360±10 -
◦ 건조수축 ◦ 길이변화율 ◦ KS F 2424 20±360±10 -
◦ 구속균열시험 ◦ 균열발생시점 ◦ KS F 2595 20±360±10 -
표 5. 수축특성 검증을 위한 시험계획 및 방법
사진 5. 소성수축 몰드 및 시험전경 사진 6. 길이변화율 시험
사진 7. 자기수축 시험체 및 시험전경 사진 8. 구속균열시험
기술인 DFRCC는 소성수축에 의한 균열이 전혀 발생 되지 않았으나, 기존 섬유보강모르터는 모두 소성수축 균열이 발생하였다.
3.3 자기수축 및 건조수축의 실험
그림 8에는 KS F 2586에 준하여 매립형 스트레인게 이지에 의해 측정된 자기수축량을 나타낸 것으로, 개발 기술인 DFRCC는 재령 7일정도까지는 다소 팽창하다 가 이후에는 서서히 수축하는 경향을 보였으며, 재령 28일에서의 수축량은 약 30㎛ 정도로 기존 보수모르터
에 비해 약 5∼7 % 수준으로 저감됨을 확인할 수 있었다.
그림 9에는 KS F 2424에 준하여 다이얼게이지에 의 해 측정된 길이변화율을 나타낸 것으 로, 개발기술인 DFRCC의 재령 28일 길이변화율은 -0.040%로 기존 섬 유보강모르터에 비해 약 25∼40 % 정도 저감되었다.
또한, 이러한 값은 국내 기준인 KS F 4042 (±0.15%) 뿐만 아니라 일본도로공단의 기준 (±0.08%)도 만족시 키는 것으로 개발기술인 DFRCC가 건조수축에 대한 저항성이 우수함을 확인할 수 있었다.
구 분 DFRCC RM-A RM-B
대표사진
균열길이 0.0 mm 186.0 mm 76.0 mm
균열폭 0.0 mm 0.08 mm 0.04 mm
균열면적 0.0 mm2 14.88 mm2 3.04 mm2
특기사항
(2개월후) ◦균열이 전혀 발생되지 않음 ◦균열의 길이 및 폭이 점점 진전되
었으며, 측면에서도 추가균열 발생 ◦균열의 길이 및 폭이 점점 진전되 었으며, 측면에서도 추가균열 발생
표 6. 소성수축 실험결과
그림 8. 자기수축량 측정결과 그림 9. 길이변화율의 측정결과
3.4 구속수축 실험
표 7 및 그림 10에는 KS F 2595에 준하여 측정된 구속수축량을 나타낸 것으로, 균열발생시점은 DFRCC 가 25.6일, RM-A가 22.4일, RM-B가 23.1일로 개발기 술인 DFRCC가 가장 느리게 발생하였으며, 균열발생 시 수축량은 DFRCC가 -139㎛, RM-A가 -104㎛, RM-B가 -129㎛로 DFRCC가 가장 크게 나타났다. 더 욱이, DFRCC는 발생된 균열의 폭이 매우 작았으며, 균열발생 이후에도 균열폭이 확장되지 않고 섬유의 가 교작용에 의해 일정한 크기로 계속 유지함을 알 수 있 었다.
4. 맺음말
연성적(Ductile)이고 변형경화(Strain Hardening) 특 성을 갖는 차세대 콘크리트 재료인 고인성시멘트복합 체를 활용한 내진보강을 통해 구조물의 성능개선뿐만 아니라 고노무비용, 3D업종 기피로 대별되는 건설산업 에 대한 경쟁력을 확보할 수 있을 것으로 판단된다. 향 후, 구조물의 요구성능에 따른 고인성시멘트복합체의 배합설계, 기존 구조물 성능 개선을 위한 보강기법에 있어 구조 요소로써의 고인성시멘트복합체의 활용성 연구 등이 필요하다.
균열 발생
일수 측정개시 후 25.6일 측정개시 후 22.4일 측정개시 후 23.1일
수축량 - 139 ㎛ - 104 ㎛ - 129 ㎛
특기사항 ◦균열이 매우 미세하게 나타났으며,
균열 이후에도 확장되지 않음. ◦관통균열이 발생하였으며, 균열폭도
다른 재료에 비해 매우 크게 나타남. ◦균열이 단면을 관통하지 않았으나, 비교적 선명하게 발생함.
그림 10. 구속수축량 측정결과
참고문헌
1. 전에스더, 양일승, 한병찬, Hiroshi Fukuyama, 윤 현도, 문연준(2004), “복합섬유 보강 고인성 시 멘트 복합체의 특성”, 대한건축학회 춘계학술발 표 논문집, 24(1), pp.27-30
2. 윤현도, 양일승, 한병찬, Hiroshi Fukuyama, 전에 스더, 문연준(2004), “복합섬유 보강 고인성 시 멘트 복합체의 인장거동”, 대한건축학회 춘계학 술발표대회, Vol.24, No. 1, pp.55-58
3. 윤현도, 양일승, 한병찬, 전에스더, 김선우(2005),
“고인성섬유보강시멘트복합체의 인장강성 특성 에 관한 실험적 연구”, 대한건축학회논문집(구조 계), 21(10), pp.27-36
4. Li, V.C., Horikoshi, T., Ogawa, A., Torigoe S, Saito, T.(2003), “Micromechanics-based durability study of polyvinyl alcohol-engineered cementitious composite(PVA-ECC),” ACI Materials Journal
5. H. Fukuyana, H.Suwada, Y. Ilseung(2002), “HPFRCC damper for structural control”, Proceedings of the JCI international Workshop on DFRCC, pp.219- 228
6. Takashima, H., Miyagai, K., Hashida, T., Li, V.
C., “A design approach for the mechanical properties of polypropylene discontinuous fiber reinforced cementitious composites by extrusion molding, engineering fracture mechanics”, Vol.
70, pp.853-870, 2003.
7. Li, V.C, “Structural composites with ECC”, Proceedings of the ASCCS-6, Edited by U.Xiao and S.A. Mahin, USC, pp.1001-1008, 2002.
8. 高島博之, 西松英明, 宮外淸貴, 橋田俊之,(2003)
“ポリビニルアルコール纖維複合セメント系壓出 成形材料のマルチプルクラック發生條件に關す る破壞力學的硏究”, 高靭性セメント複合材料に 關するシンポジウム, 23-30
