ISSN 1229-2427 (Print) ISSN 2288-646X (Online) http://dx.doi.org/10.7843/kgs.2015.31.3.5 한국지반공학회논문집 제31권 3호 2015년 3월 pp. 5 ～ 16
JOURNAL OF THE KOREAN GEOTECHNICAL SOCIETY Vol.31, No.3, March 2015 pp. 5 ～ 16
섬유가 혼합된 시멘트 페이스트의 인장강도 특성에 관한 연구
Tensile Strength Characteristics of Cement Paste Mixed with Fibers
박 성 식1 Park, Sung-Sik 호우 야오롱2 Hou, Yaolong
Abstract
The characteristics of tensile strength of fiber-reinforced grouting (cement paste) injected into rocks or soils were studied. A tensile strength of such materials utilized in civil engineering has been commonly tested by an indirect splitting tensile test (Brazilian test). In this study, a direct tensile testing method was developed with built-in cylinder inside a cylindrical specimen with 15 cm in diameter and 30 cm in height. The testing specimen was prepared with 0%, 0.5%, or 1% (by weight) of a PVA or steel fiber reinforced mortar. A specimen with 5 cm in diameter and 10 cm in height was also prepared and tested for the splitting tensile test. Each specimen was air cured for 7 days or 28 days before testing. The tensile strength of built-in cylinder test showed 96%-290% higher than that of splitting tensile test. The 3D finite element analyses on these tensile tests showed that the tensile strength from built-in cylinder test had was 3 times higher than that of splitting tensile test. It is similar to experimental result. As an amount of fiber increased from 0% to 1%, its tensile strength increased by 119%-190% or 23%-131% for 7 days or 28 days-cured specimens, respectively. As a curing period increased from 7 days to 28 days, its strength decreased. Most specimens reinforced with PVA fiber showed tensile strength 14%-38% higher than that of steel fiber reinforced specimens.
요 지
본 연구에서는 토사 또는 암반 틈새에 주입하는 그라우팅(시멘트 페이스트)에 섬유를 혼합할 경우 발생하는 인장강 도의 특성을 연구하였다. 이와 같이 시멘트로 고결된 토목재료의 인장강도 평가에는 간접적인 방법으로 인장강도를 평가하는 쪼갬인장시험을 주로 사용하고 있다. 하지만, 본 연구에서는 강섬유 또는 PVA 섬유를 중량비로 0%, 0.5%, 또는 1% 혼합한 시멘트 페이스트 내에 유압 실린더를 내장한 직경 15cm, 높이 30cm의 공시체를 제작한 다음 공시체 내부에서 직접 인장력을 가하는 직접인장시험법을 개발하였다. 또한 동일한 재료로 직경 5cm, 높이 10cm 공시체를 만들어 쪼갬인장시험을 실시하여 인장강도 시험방법에 따른 시멘트 페이스트의 인장강도를 비교, 평가하였다. 각각의 공시체는 대기 중에서 7일 또는 28일 양생한 다음 인장시험을 실시하였다. 시험방법에 따른 인장강도는 내장형 실린더 를 이용한 직접인장시험법이 쪼갬인장시험법 보다 96%-290% 정도 높은 값을 보였다. 한편 두 종류의 인장시험법에 대한 3차원 유한요소해석을 실시하였으며, 실험 결과와 유사하게 내장형 실린더 인장시험법이 3배 정도 높은 인장강 도를 보였다. 섬유 혼합량이 1%까지 증가함에 따라 인장강도는 시험방법에 관계없이 7일 양생한 공시체는 119%-190%, 28일 양생한 공시체는 23%-131%까지 증가하였으며, 양생일수가 7일에서 28일로 증가함에 따라 인장강도는 대부분
1 정회원, 경북대학교 공과대학 토목공학과 부교수 (Member, Associate Prof., Dept. of Civil Engrg., Kyungpook National Univ., Tel: +82-53-950-7544, Fax: +82-53-950-6564, [email protected], Corresponding author, 교신저자)
2 비회원, 경북대학교 공과대학 건축토목공학부 토목공학전공 석사과정 (Graduate Student, Dept. of Civil Engrg., Kyungpook National Univ.)
* 본 논문에 대한 토의를 원하는 회원은 2015년 9월 30일까지 그 내용을 학회로 보내주시기 바랍니다. 저자의 검토 내용과 함께 논문집에 게재하여 드립니다.
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(a) (b) Fig. 1. Steel fiber and PVA fiber
감소하는 경향을 보였다. 대부분의 경우 강섬유가 포함된 경우보다 PVA 섬유가 포함된 경우에 약 14%-38% 정도 높은 인장강도를 보였다.
Keywords : Tensile strength, Built-in cylinder, Split tensile test, Grouting, Fiber
1. 서 론
고결제로 시멘트를 사용하는 콘크리트, 모르타르, 페 이스트는 높은 압축강도를 나타내지만 상대적으로 낮 은 인장강도를 가지고 있어, 철근 또는 각종 섬유를 사 용하여 인장하중에 대한 보강을 실시한다. 관련 연구로, 콘크리트 내에 강섬유(steel fiber), PVA(Polyvinyl alcohol) 섬유와 같은 다양한 섬유를 혼합하여 인장력을 증진시 킨 사례(Ravindrarajah and Tam, 1984; Kim and Kim, 2000; Song et al. 2005; Altun et al., 2007; Dawood and Ramli, 2010)가 있으며, Kang et al.(2008)과 Akkaya et al.(2000)은 숏크리트 내에 포함된 섬유의 방향성이나 분포성이 숏크리트의 휨강도에 미치는 영향에 대하여 연구하였다. 또한 터널 시공 초기에 원지반을 구속시키 고 암반과의 일체화를 통해 터널의 안정성을 확보하기 위해 통상 5cm-20cm 두께의 숏크리트를 시공하며, 이 러한 숏크리트에는 일반적으로 강섬유를 혼합하여 천 공된 벽면에 뿜어 붙이게 된다. Park and Kim(2013)은 숏크리트 내에 포함된 강섬유의 분산도가 휨강도에 미 치는 영향을 실험적으로 연구하여 현장 타설 숏크리트 의 강도 평가 시 섬유 분산도의 중요성을 강조하였다. 한편 시멘트 혼합토 또는 점토의 경우 인장균열 방지를 위해 PE(Polyethylene) 섬유, PVA 섬유와 같은 다양한 섬유를 혼합하는 경우가 있으며, Park et al.(2007)은 이 와 같이 시멘트 혼합토 내에 포함된 섬유의 분산 정도에 따른 강도의 불확실성에 대하여 연구한 바 있다.
암석이나 콘크리트와 같은 재료의 인장강도를 평가 하기 위해 지금까지 대부분 쪼갬인장시험과 같은 간접 적인 방법을 사용하였으며, 직접적인 방법으로 인장강 도를 평가한 연구 사례는 많지 않다. 또한 모래와 같은 잔골재를 포함한 콘크리트나 숏크리트가 아닌 시멘트 페이스트 내에 포함된 섬유 종류 및 인장시험법이 인장 강도에 미치는 영향에 대한 연구 사례는 특히 부족한 실정이다. 따라서, 본 연구에서는 Park and Lee(2014)가 개발한 내장형 실린더 인장시험법을 개선한 직접인장 시험법과 기존 간접인장시험법인 쪼갬인장시험을 사용 하여 시멘트 페이스트의 인장강도 특성에 대하여 연구 하였다. 또한 섬유 종류와 함유량이 인장강도에 미치는 영향을 분석하기 위해 PVA 섬유와 강섬유를 0%, 0.5%, 또는 1% 혼합한 공시체를 제작하여 인장강도시험을 실 시하였다.
2. 공시체 제작 및 인장시험 방법
2.1 섬유 및 공시체 제작방법
본 연구에 사용한 섬유는 Fig. 1과 같은 강섬유와 PVA 섬유이다. 강섬유는 Fig. 1(a)와 같이 Ends Hook Type 형 상으로 규격은 직경 0.5mm, 길이 30mm의 형상을 하고 있으며, 본 연구에서는 공시체의 직경(5cm 또는 15cm) 을 고려하여 이를 반으로 절단하여 사용하였다. 최근 시 멘트 보강재로 가장 많이 사용되고 있는 PVA 섬유(Fig.
Fig. 2. Photo of built-in cylinder and fixing
1(b))는 여러 합성섬유 중에서도 고강도, 고탄성률의 우 수한 물리적 특성을 가지며, 이외에도 열안정성, 내약품 성, 내후성 등이 우수하기 때문에 산업용 섬유로서 널리 사용되고 있다. PVA 섬유는 나일론, 폴리에스터에 비해 건열수축률이 낮아서 우수한 형태 안정성을 나타내며, 열안정성이 좋은 것으로 잘 알려진 레이온보다 더욱 안 정하다. 특히 시멘트와의 접착성 그리고 내알칼리성이 높기 때문에 콘크리트 및 시멘트 보강재로 아주 적합하 다(Choi, 2002).
시멘트 페이스트 공시체 제작에는 보통포틀랜드 시 멘트와 증류수를 사용하였으며, 물시멘트비는 50%로 하여 교반하였다. 쪼갬인장시험은 직경 5cm, 높이 10cm 의 원형 공시체로 제작하였으며, 내장형 실린더 인장시 험은 직경 15cm, 높이 30cm의 원형 공시체로 제작하였 다. 섬유를 일정하게 혼합하기 위해 공시체를 4층으로 나누어 각 층마다 동일한 양의 섬유를 혼합하였다. 제작 이 완료된 공시체는 3일 후 몰드를 분리한 다음 대기 중에서 총 7일 또는 28일 양생시킨 후에 강도시험을 실 시하였다. 비탈면 보강을 위한 그라우팅에 섬유를 혼합 할 경우에 인장강도 증진을 평가하기 위해 대기 중에서 양생하였다.
2.2 쪼갬인장시험(Splitting tensile test)
쪼갬인장시험(KS F 2423)은 원기둥꼴 공시체를 가로 로 눕혀 직경방향으로 하중 P를 가한 다음 식 (1)을 이 용하여 간접적으로 인장강도를 구하며, 콘크리트나 암 석 등의 인장강도 평가에 주로 사용된다.
DL P T0 2
= π (1)
여기서 T0는 인장강도이고 P는 파괴시의 하중이며, D는 공시체의 직경 그리고 L은 공시체의 길이이다.
2.3 내장형 실린더 인장시험(Built-in cylinder tensile test)
본 연구에서는 공시체 내에 내장된 실린더를 이용하 여 공시체 내부에서 직접 인장력을 가하여 파괴시키는 인장시험법인 특허(Patent No. 10-1327018, 2013)를 이 용하였다. 인장력을 가하는데 사용된 유압 실린더는 Fig.
2와 같이 가로 4cm, 세로 4cm, 높이 5cm로 국내 M사에 서 합성강을 소재로 제작되었으며, 최대압력 128kgf/cm2 까지 가할 수 있다. 실린더 하부에는 Fig. 2와 같이 직경 9cm의 반력판을 설치하여 인장시험을 실시할 때 공시 체 내부에서 인장력을 발생시키는 역할을 하였다. 기존 실험 결과(Park and Lee, 2014)에서는 내장형 실린더를 정확히 공시체 단면 중앙에 위치시키는 것이 가장 어려 웠으며, 동일한 경우에도 공시체 단면 내 반력판의 위치 에 따라 강도 차이가 발생하였다. 따라서 본 연구에서는 Fig. 2와 같이 내부 실린더를 공시체 단면 중앙에 고정 시키는 장치를 개발하였다. 즉, 본 연구에서는 Park and Lee(2014)의 기존 연구와 달리 유압 실린더를 공시체 단 면 중앙에 고정시키는 Fig. 3과 같은 고정장치(fixing device)를 이용하여 공시체를 제작하였다.
인장시험법은 내장형 실린더에 가한 압력 P를 이용하 여 Fig. 3(c)와 같이 인장파괴를 유도한 다음, 아래 식
(a) Cross section (b) Before applying pressure (c) After applying pressure Fig. 3. Concept of built-in cylinder tensile test
(a) (b)
Fig. 4. (a) Built-in cylinder tensile test and (b) Brazilian test specimens
(2)와 같이 인장강도를 계산하였다.
( )
t Cylinder 0A A S P
= −
(2)
여기서 P는 파괴 시 실린더 하중, A는 공시체의 단면적 이고 A0는 실린더의 단면적이다.
3. 인장시험 결과
7일 및 28일 양생한 공시체의 함수비는 각각 16%-18%,
15%-17% 사이였다. 대부분의 공시체의 건조단위중량 은 섬유가 소량으로 포함되어 섬유 종류 또는 함유량에 관계없이 17-18.5kN/m3 사이 값을 보였다.
3.1 내장형 실린더 인장시험 결과
Fig. 4(a)와 같이 7일 또는 28일 대기 중에서 양생한 공시체를 자립시킨 다음 유압 잭(jack)을 이용하여 내부 실린더의 유압을 증가시켜 공시체 내부에서 인장력을 가하여 공시체를 파괴시켰다. 섬유 종류에 따른 인장시 험 결과는 각각 Table 1(PVA 섬유 사용) 및 Table 2(강
Table 1. Summary of tensile tests on PVA fiber reinforced cement paste
Test ID Fiber ratio, FR
(%) Testing method Curing period
(days)
Tensile strength (kPa)
Average tensile strength (kPa) P0-C7a
0.0
Built-in Cylinder
7 3,937
3,796
P0-C7b 3,654
P0-C28a
28 3,545
3,678
P0-C28b 3,811
P0-B7a
Brazilian
7 1,226
1,134
P0-B7b 1,041
P0-B28a
28 1,872
1,872
P0-B28b 1,872
P0.5-C7a
0.5
Built-in Cylinder
7 7,621
7,819
P0.5-C7b 8,016
P0.5-C28a
28 6,777
6,610
P0.5-C28b 6,444
P0.5-B7a
Brazilian
7 2,004
2,004
P0.5-B7b 2,003
P0.5-B28a
28 2,743
2,201
P0.5-B28b 1,659
P1.0-C7a
1.0
Built-in Cylinder
7 8,650
8,303
P1.0-C7b 7,956
P1.0-C28a
28 8,860
8,489
P1.0-C28b 8,117
P1.0-B7a
Brazilian
7 3,604
3,293
P1.0-B7b 2,982
P1.0-B28a
28 3,295
3,202
P1.0-B28b 3,108
Table 2. Summary of tensile tests on Steel fiber reinforced cement paste
Test ID Fiber ratio, FR
(%) Testing method Curing period
(days)
Tensile strength (kPa)
Average tensile strength (kPa) S0-C7a
0.0
Built-in Cylinder
7 3,937
3,796
S0-C7b 3,654
S0-C28a
28 3,545
3,678
S0-C28b 3,811
S0-B7a
Brazilian
7 1,226
1,134
S0-B7b 1,041
S0-B28a
28 1,872
1,872
S0-B28b 1,872
S0.5-C7a
0.5
Built-in Cylinder
7 7,898
7,894
S0.5-C7b 7,890
S0.5-C28a
28 5,841
5,744
S0.5-C28b 5,647
S0.5-B7a
Brazilian
7 1,743
2,083
S0.5-B7b 2,423
S0.5-B28a
28 1,732
1,936
S0.5-B28b 2,139
S1.0-C7a
1.0
Built-in Cylinder
7 8,540
8,452
S1.0-C7b 8,363
S1.0-C28a
28 6,202
6,470
S1.0-C28b 6,777
S1.0-B7a
Brazilian
7 2,451
2,703
S1.0-B7b 2,954
S1.0-B28a
28 2,382
2,308
S1.0-B28b 2,234
Fig. 5. Results of Built-in cylinder tensile tests on 7 days cured specimens
Fig. 6. Results of Built-in cylinder tensile tests on 28 days cured specimens
섬유 사용)와 같다. 동일한 경우에 대하여 2개의 공시체 를 실험하였으며, 평균값을 서로 비교하였다.
Fig. 5와 6은 7일 또는 28일 양생한 시멘트 페이스트 의 섬유 함유량에 따른 인장강도를 비교하고 있다. Fig.
5와 6에서 (a) 그림은 PVA 섬유, (b) 그림은 강섬유를 혼합한 공시체의 실험 결과이다. 인장강도 비교에서는 동일한 조건을 가진 2개의 공시체를 평균한 값을 사용 하였으며, 내장형 실린더 인장시험의 경우 2개 공시체 의 값 차이는 8-743kPa 사이였다. 2개 공시체 강도 차이 는 PVA 섬유가 1% 포함된 경우에 가장 높게 발생하였 으나, 그 차이가 10% 이내로 크지 않았다. 7일 양생한 공시체의 인장강도는 3,796-8,452kPa 사이 값을 나타냈 으며, 28일 양생한 공시체는 3,678-8,489kPa 사이 값을 보였다. PVA 섬유가 1% 함유된 공시체를 제외하면 7일 양생한 공시체보다 28일 양생한 공시체가 전반적으로
3%-37% 정도 낮은 값을 보였다. 이것은 대기 중에서 양 생할 경우 양생기간이 길어짐에 따라 외부에서 지속적 인 수분 공급이 이루어지지 않으면서 오히려 강도 증가 가 부진하게 된 것으로 판단된다. 대기 중에서 양생된 시멘트 고결토의 경우도 양생기간이 28일로 증가함에 따라 강도가 오히려 감소하는 경향을 보인 바 있다(Park et al., 2009).
7일 또는 28일 양생한 공시체의 경우 섬유 함유량이 0.5%와 1%로 증가함에 따라 PVA 섬유를 사용한 경우 각각 106%(80%) 및 119%(131%) 정도 인장강도가 증가 하였으며, 강섬유를 사용한 경우에는 108%(56%) 및 123%
(76%) 정도 증가하였다. 괄호 안의 값은 28일 양생한 공 시체의 인장강도 증가량에 해당하는 값으로 섬유 종류 에 따른 인장강도 증가 경향은 크게 차이 나지 않았으 나, 양생일에 따른 인장강도 증가는 7일 양생한 공시체
Fig. 7. Cross section of built-in cylinder tensile test specimen
(a) FR = 0% (b) FR = 0.5% (c) FR = 1%
Fig. 8. Failed built-in cylinder tensile test specimens
의 경우가 섬유 함유량의 효과가 다소 높게 나타났다. 공시체에 포함된 섬유의 종류, 즉, PVA 섬유 또는 강 섬유에 따른 강도 차이는 크지 않았으나, 7일 양생한 섬 유 0.5%와 1% 함유된 내장형 실린더 공시체를 제외하 면 전반적으로 PVA 섬유를 혼합된 공시체의 인장강도 가 866-2,019kPa 정도 높은 값을 보였다. 이는 공시체 내에 포함된 섬유의 체적비가 PVA 섬유(비중 1.3)의 경 우가 강섬유(비중 7.86) 보다 6배 정도 더 높아 높은 강 도를 보인 것으로 판단되며, 또한 일부는 강섬유보다 PVA 섬유가 시멘트와 결합력이 더 우수하기 때문으로 판단 된다(Choi, 2002).
Fig. 7은 내부에서 작용된 인장력으로 내장형 실린더 인장시험 공시체가 파괴된 모습으로 공시체 내에 실린 더가 중앙에 위치해 있는 것을 확인할 수 있었다. 파괴 면은 공시체 아래에서 약 10-11cm 높이에서 형성되었
으며, 섬유 함유량이 증가함에 따라 파괴면에 더 많은 섬유가 존재하는 것을 Fig. 8과 같이 확인할 수 있었다.
3.2 쪼갬인장시험 결과
쪼갬인장시험은 Fig. 4(b)와 같이 일축압축시험기에 직경 5cm 원기둥꼴 공시체를 눕힌 다음 상하부에서 압 축력을 가하여 간접적인 방법으로 인장파괴를 일으켰 다. Fig. 9와 10은 3.1절의 내장형 실린더 인장시험 결과 와 유사하게 7일 및 28일 양생한 시멘트 페이스트의 섬 유 함유량에 따른 인장응력-변위 곡선을 나타내고 있다.
7일 양생한 공시체의 인장강도는 1,134-3,293kPa 사이 값을 나타냈으며, 28일 양생한 공시체는 1,872-3,202kPa 로 7일 양생한 공시체와 유사한 값을 보였다. 이는 내장 형 실린더 인장시험과 유사한 결과로 실험실의 높은 온
Fig. 9. Results of Split tensile tests on 7 days cured specimens
Fig. 10. Results of Split tensile tests on 28 days cured specimens
(a) FR = 0% (b) FR = 0.5% (c) FR = 1%
Fig. 11. Failed split tensile test specimens
도로 인하여 대기 중에서 양생한 소형 공시체의 수분이 빠르게 증발하면서 수화작용에 필요한 수분이 지속적 으로 공급되지 않았을 뿐 아니라 일부는 공시체 외부의 풍화작용으로 인해 양생일에 따른 강도 발현이 낮은 것
으로 판단된다. 7일 또는 28일 양생한 공시체의 경우 섬 유 함유량이 0.5% 및 1%로 증가함에 따라 각각 PVA 섬유는 77%(18%) 및 190%(71%)로 인장강도가 증가하 였으며, 강섬유는 84%(3%) 및 138%(23%)로 증가하였
다. 괄호 안의 값은 28일 인장강도 증가량에 해당하는 값으로 양생일이 증가함에 따라 내장형 실린더 인장시 험과 유사하게 강도가 감소하는 경향을 보였다.
공시체에 포함된 섬유 종류에 따른 강도 차이는 PVA 섬유를 혼합된 공시체의 인장강도가 섬유 함유량이 0.5%
인 7일 양생한 공시체를 제외하면 265-894kPa 정도 높 은 값을 보였다. 이는 내장형 실린더 인장시험 결과와 유사하게 강섬유보다는 PVA 섬유가 시멘트와 결합력 이 더 우수하기 때문으로 판단되며, 특히 공시체가 소형 이어서 내장형 실린더 인장시험으로부터 얻은 값보다 더 큰 영향을 받는 것으로 판단된다.
Fig. 11은 파괴된 쪼갬인장시험 공시체로서 Fig. 8과 유사하게 섬유 함유량이 증가함에 따라 파괴면에 더 많 은 섬유가 존재하는 것을 확인할 수 있었다.
4. 인장시험법에 따른 인장강도 및 수치해석 결과 비교
4.1 인장시험법에 따른 인장강도 비교
인장강도를 평가할 때 공시체 양 끝단에 인장력을 가 하는 것이 어렵기 때문에 쪼갬인장시험과 같이 간접적 인 방법으로 인장강도를 측정해 왔다. 한편 쪼갬인장시 험은 1978년에 ISRM에서 규정된 인장시험법으로 공시 체 단면에서 받는 응력이 서로 다르기 때문에 변형률이 다른 문제점을 가지고 있다. 본 연구에서는 내장형 실린 더 인장시험으로부터 구한 인장강도가 쪼갬인장시험보 다 96%-290% 정도 높은 것으로 나타났다. 이러한 차이 의 일부로 쪼갬인장시험 시에 발생하는 인장응력으로 인해 직경 방향으로 여러 개의 균열이 동시에 발생한 것도 영향을 미친 것으로 판단된다. 하지만, 일반적으로 직접인장시험이 간접인장시험보다 더 정확한 것으로 알려져 있으며, Johnson(1981)은 직접인장시험으로부터 구한 인장강도와 간접인장시험으로부터 구한 인장강도 의 비가 0.879이라는 연구결과를 발표한 바 있다. 또 Ma(1993)는 PBX(Plastic-bonded explosives) 직접인장시 험과 쪼갬인장시험으로부터 얻은 인장강도를 비교한 결 과 직접인장시험으로부터 구한 인장강도가 간접인장시 험으로부터 구한 값보다 2배 정도 높다고 하였다. 일부 는 내장형 실린더 인장시험 공시체의 크기가 쪼갬인장 시험 공시체 보다 더 크기 때문으로 볼 수도 있다. 하지 만, 공시체의 강도(압축강도)는 반드시 크기에 비례하지
는 않는 것으로 알려져 있으며, 경우에 따라 강도가 감 소하는 경우도 있다(Krishna Rao et al., 2011). 예를 들 면, Plowman et al.(1974)도 직경 10cm, 높이 20cm인 공 시체보다 직경 15cm, 높이 30cm인 공시체의 압축강도 가 86% 정도로 낮았다. 한편 크기에 따른 강도 차이는 본 연구에 사용한 원기둥 모양 공시체보다 정육면체 모 양일 경우 더 크게 나타나는 것으로 보고되기도 하였다 (Zabihi, N., 2012).
Park and Lee(2014)의 연구 결과에 의하면 시멘트비 가 낮은 경우에는 내장형 실린더 인장시험으로부터 구 한 인장강도가 높게 나왔으나, 시멘트비가 높은 경우에 는 이와 반대되는 경향을 보였다. 이와 같이 내장형 실 린더 인장시험 결과의 일관성이 부족한 것은 기존 내장 형 실린더 인장시험법은 경우에 따라 내장되는 실린더 의 위치가 정확히 단면 중앙에 위치하지 않아 일관성이 부족한 결과를 얻은 것으로 판단된다. 따라서 실린더 위 치를 고정시키는 장치를 사용한 본 연구 결과는 Park and Lee(2014)의 결과보다 좀 더 정확하리라 판단된다.
한편 본 연구에서 제안한 내장형 실린더 인장시험 방법 은 암석과 같은 천연 재료에는 사용 불가능한 단점이 있다.
4.2 인장시험법에 따른 수치해석 결과 비교
지반공학 분야 상용 유한요소해석법(Finite Element Method)인 PLAXIS 3D(Itasca Consulting Group, 2013) 를 사용하여 내장형 실린더 인장시험과 쪼갬인장시험을 수치해석으로 재현하여 인장시험법에 따른 강도 차이를 비교하였다. 수치해석에는 Mohr-Coulomb 탄소성모델을 사용하였으며, 탄성해석에 필요한 입력변수는 ν = 0.2, E
= 1 × 107kPa를 사용하였으며, 소성해석에 필요한 c = 13kPa, = 35°, 그리고 팽창각은 ψ = 0°로 가정하였다.
이 입력변수는 섬유가 포함되지 않은 내장형 실린더 인 장시험 결과와 동일한 결과를 얻기 위해 역해석으로 구 한 값이다. 동일한 입력변수를 사용하여 두 종류의 인장 시험을 수치해석으로 시뮬레이션하여 최대 인장응력의 차이를 비교하였다. 내장형 실린더 인장시험은 Fig. 12(a) 와 같이 공시체 높이 중앙에서 15cm에 위치한 입자에 변위를 가하여 공시체 내에 인장파괴를 유도하였으며, 최대 인장강도는 σ′zz= 3,633kPa로 나타났다. Fig. 12(b) 는 축변형률(εzz) 분포를 비교하고 있으며, 인장력을 가 한 아래 부분에서 최대 인장변형이 발생함을 알 수 있
(a) (b)
Fig. 12. Numerical simulation of built-in cylinder testing specimen
(a) (b)
Fig. 13. Numerical simulation of split tensile testing specimen
다. 쪼갬인장시험은 Fig. 13(a)와 같이 위와 아래에 일렬 의 점하중을 가하였으며, 최대 인장강도는 σ′zz= 1,108kPa 로 나타났다. Fig. 13(b)는 상하부에서 압축변형이 크게 발생하는 것을 보여 주고 있다. 본 수치해석 결과는 실 험 결과와 유사하게 내장형 실린더 인장시험으로부터 얻은 인장강도가 약 3배 정도 더 높은 값을 보이므로
실험 결과가 타당한 것으로 판단된다.
5. 결 론
본 연구에서는 시멘트로 고결된 재료의 인장강도를 직접 평가할 수 있는 내장형 실린더 인장시험법을 개발
및 개선하였다. 이를 이용하여 시멘트 페이스트 내에 포함된 섬유의 종류와 함유량이 인장강도에 미치는 영향을 실험적으로 분석하였으며, 기존 인장시험법인 쪼갬인장시험도 실시하여 시험방법에 따른 인장강도 의 차이를 연구하였다. 시멘트 페이스트 내에 강섬유 또는 PVA섬유를 0%, 0.5%, 또는 1% 혼합한 다음 7일 및 28일 동안 대기 중 양생한 다음 내장형 실린더 인 장시험과 쪼갬인장시험을 실시하여 다음과 같은 결론 을 얻었다. 한편, 두 가지 인장시험법에 대한 유한요소 해석도 수행하여 실험방법에 따른 인장강도의 차이를 비교하였다.
(1) 시험방법에 따른 인장강도는 내장형 실린더를 이용 한 직접인장시험법이 쪼갬인장시험법 보다 96%-290%
정도 높은 값을 보였으며, 이러한 차이의 일부는 쪼 갬인장시험 공시체 내 인장응력 발달로 인하여 균 열이 여러 곳에서 발생하였기 때문으로 판단된다. (2) 섬유 혼합량이 1%까지 증가함에 따라 인장강도는
시험방법에 관계없이 7일 양생한 공시체는 119%-190%, 28일 양생한 공시체는 23%-131%까지 증가하였으 며, 이는 기존 연구와도 유사하면서 내부에 혼합된 섬유가 인장응력에 저항하기 때문으로 판단된다.
(3) 대부분의 경우 강섬유가 포함된 경우보다 PVA 섬 유가 포함된 경우에 약 14%-38% 정도 높은 인장 강도를 보였으며, 이는 섬유의 중량비는 서로 동일 하지만 공시체 내에 포함된 섬유의 체적비는 PVA 섬유가 훨씬 높아서 높은 강도를 보인 것으로 판 단된다.
(4) 양생일수가 7일에서 28일로 증가함에 따라 인장 강도는 대부분 감소하는 경향을 보였다. 이는 일 부 풍화작용에 의한 것으로 판단되며 기존 대기 중에서 양생한 시멘트 혼합토에서도 이와 같은 양 생일이 증가함에 따라 강도가 감소하는 결과를 얻 었다.
(5) PLAXIS 3D 유한요소해석법을 이용하여 두 종류의 인장시험법에 대한 수치해석을 수행하였으며, 동일 한 입력변수를 사용한 결과 실험 결과와 유사하게 내장형 실린더 인장시험법이 3배 정도 높은 인장강 도를 보여 본 연구에서 수행한 인장시험 결과가 타 당한 것으로 판단된다.
감사의 글
본 연구는 국토교통부 건설교통기술 지역특성화사업 연구개발사업의 연구비 지원(과제번호:14RDRP-B076268) 에 의해 수행되었으며, 일부는 2014년도 정부(미래창조과 학부)의 재원으로 한국연구재단-공공복지안전연구사업의 지원을 받아 수행되었습니다(No. 2012M3A2A1050982).
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Received : October 28th, 2014 Revised : January 18th, 2015 Accepted : March 6th, 2015
