第27卷 第5A號 · 2007年 9月 − 735 −

콘크리트工學大 韓 土 木 學 會 論 文 集

第27卷 第5A號·2007年 9月

pp. 735 ~ 743

잔골재의 배합비에 따른 고성능 섬유 보강 시멘트

복합체의 휨 거동 및 균열 특성

Flexural Behavior and Cracking Characteristics of High Performance Fiber Reinforced Cementitious Composites according to Fine Aggregate Contents

신경준*·장규현**

Shin, Kyung-Joon·Jang, Kyu-Hyoun

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Abstract

Various methods have been used to reinforce the cementitious material such as mortar and concrete that have weak tensile

strength. Major reinforcing method is to mix matrix with fibers which have strong tensile strength. Recently, High Perfor-

mance Fiber Reinforced Cementitious Composites (HPFRCC) has been developed which shows multiple cracking behavior,

that is different from conventional FRC. Related studies mainly have focusing on the mechanical behaviors according to fiber

types and mixture proportions such as W/C and binder contents. However, study related to fine aggregate type and contents are

insufficient. Therefore, this paper examines the fracture characteristics related to fine aggregate and contents, and reports the

cracking behavior as well as mechanical behavior for various mixtures which have different fiber type and mixture propor-

tions. From the results, it was useful to use silica sand as a fine aggregate for reducing fracture toughness as maintaining com-

pressive strength and elastic modulus. It is showed that optimal silica-cement ratio was 0.8~1.0 to maximize flexural toughness

and number of crack.

Keywords : HPFRCC, fiber reinforced mortar, cracking characteristic, flexural behavior

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요 지

인장에 취약한 단점을 가지고 있는 시멘트계 혼합재료인 모르타르와 콘크리트의 인장성능을 보강하기 위한 다양한 방법이

사용되고 있으며, 주요한 한가지 방법으로 인장에 강한 섬유를 콘크리트에 혼입하여 주는 섬유보강 콘크리트가 꾸준히 연구

사용되어 왔다. 최근에는 부족한 인장강도를 보완하여 준다는 개념에서 한 단계 발전하여 여러 개의 균열을 동시에 발생시

켜 각각의 균열폭을 최소화시키면서 극한변형율을 증가시키는 고성능 섬유보강시멘트복합체(HPFRCC)에 대한 연구가 활발

히 진행되고 있다. 이러한 연구들은 주로 섬유의 배합특성과 물-시멘트비와 결합제에 대한 연구에 초점을 맞추어 수행되었으

며, 잔골재의 배합 특성에 대한 연구는 부족한 실정이다. 따라서, 본 연구에서는 고인성 HPFRCC 배합의 기본이 되는 잔골

재에 따른 역학적 특성 연구를 수행하였고, 이에 대한 결과를 바탕으로 잔골재 비에 따른 HPFRCC의 거동 및 균열 특성

에 대한 연구를 수행하였다. 실험결과, 잔골재로써 규사를 사용한 경우 압축강도와 탄성계수를 유지하며 파괴인성이 낮아지

는 경향을 보였으며, 휨인성의 증가와 효과적인 균열분산을 위한 최적 배합은 잔골재(규사)-시멘트비가 0.8~1.0인 것으로 나

타났다.

핵심용어 : 고성능섬유보강시멘트복합체, 섬유보강모르타르, 균열특성, 휨거동

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1. 서 론

시멘트의 수경성을 이용한 건설재료인 모르타르와 콘크리

트는 오랜 기간 주요건설 재료로써 널리 사용되어 왔지만,

인장강도가 낮기 때문에 균열이 발생하기 쉬운 특성이 있다.

인장응력에 의한 콘크리트의 균열은 구조물의 내구성능을 결

정하는 가장 중요한 요인 중의 한가지이기 때문에 균열을

억제제어하기 위하여 다양한 방법이 사용되고 있다. 이의 주

요한 방법으로 인장에 강한 섬유를 콘크리트에 혼입하여 주

는 섬유보강 콘크리트(FRC, Fiber Reinforced Concrete)가

꾸준히 연구사용되어 왔다(Balaguru et al. 1992; Bentur et

al. 1990).

이러한 섬유보강콘크리트(FRC)는 균열 후의 성능 향상에

는 큰 효과를 얻을 수 있으나, 균열 자체를 억제하는 것은

기대하기 힘든 실정이다. 한편, FRC의 이러한 제약을 극복

하기 위한 방법으로 고성능 섬유보강 시멘트복합체(이하

*정회원ㆍ교신저자ㆍ서울대학교 건설환경공학부 박사후연구원 (E-mail : kj12@snu.ac.kr)

**동부건설(주) 사원 (E-mail : addio0024@hanmail.net)

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HPFRCC, High Performance Fiber Reinforced Cementitious

Composites)에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다(Fischer

et al. 2006; Naaman et al. 1995, 2003). HPFRCC는 사

용 목적에 따라 고강도(박정준 외 2005) 또는 고인성(김윤용

외 2005)을 추구하며, 최근에는 고인성을 목표로 하는 연구

(Fischer et al. 2006)가 많이 행해지고 있다.

고인성 HPFRCC는 콘크리트의 부족한 인장강도를 보완하

여 주는 기존FRC의 개념에서 한 단계 발전하여 여러개의

균열을 동시에 발생시켜 각각의 균열폭을 최소화시키면서 극

한변형율을 증가시켜서, 결과적으로 재료의 인성을 최대화 시

키는 다중균열분산(Smeard multiple cracking)의 개념을 가지

고 있다(Li et al. 1995). 이러한 고인성 HPFRCC배합들은

균질한 성능을 얻고 파괴인성을 낮추기 위하여 모래에 비해

입경이 작은 규사를 잔골재로 사용하고 마이크로 섬유를 다

량 혼합하는 특징을 가지고 있다(김무한 외 2005; 김윤용

외 2005; 박춘근 외 2004).

마이크로 섬유 보강 모르타르, 특히 HPFRCC는 섬유의

부착특성 뿐만 아니라 매트릭스의 파괴특성에 의하여 시편

의 균열거동이 결정되기 때문에 효율적인 배합설계를 위해

서는 잔골재의 종류 및 배합비에 대한 연구가 필수적이다.

그러나, 배합되는 섬유의 특성 및 혼입량에 대한 연구(김무

한 외 2005)와 물-시멘트비나 결합제에 대한 연구(김윤용 외

2005; Song et al. 2004)는 많이 수행되어 왔으나, 잔골재

의 특성에 따른 연구는 부족한 실정이며, 한정된 결과

(Guerrero 1999; Wu 2001)들이 보고되고 있다. Li 등은(Li

et al. 1995) 잔골재로 규사를 사용한 경우의 매트릭스 특성

에 대한 연구결과를 발표하였으나, 잔골재의 종류에 따른 물

성변화에 대한 명확한 비교결과는 미흡한 실정이다.

이와 관련하여 본 연구에서는 고인성 HPFRCC 배합의 기

본이 되는 잔골재의 종류 및 배합비에 따른 역학적 특성에

대한 비교 연구를 수행하였고, 이에 대한 결과를 바탕으로

잔골재 혼입비에 따른 HPFRCC의 휨 거동 및 균열 특성에

대한 연구를 수행하였다. 본 연구에 사용된 섬유는 길이 12

mm 직경 0.2 mm이하의 섬유로써, 굵은 골재를 포함하는

콘크리트 또는 숏크리트에 사용되는 섬유에 대비되는 개념

으로 마이크로 섬유로 표기하였다.

2. 실험 연구

2.1 실험 계획 및 배합설계

고인성 섬유보강 시멘트복합체는 섬유에 의해 균열이 가교

(Crack Bridging)되는 성능이 높아 더욱 높은 하중에 견디므

로 초기균열이 파괴로 이어지지 않고, 하중이 증가함에 따라

다음의 균열이 발생하며, 하중이 증가함에 따라 새로운 미세

균열이 다수 발생하여 매우 큰 인장변형을 견디어 낼 수 있

다. 이러한 다중균열분산은 모르타르 매트릭스(Matrix)의 파

괴인성과 섬유부착면의 특성에 의하여 결정되게 되며, 본 연

구에서는 모르타르 매트릭스의 파괴인성에 영향을 주는 잔

골재의 종류 및 배합비를 주요 변수로 실험을 수행하였다.

파괴인성은 잔골재의 종류와 혼합비에 영향을 받으며 입경

이 작은 규사를 사용하면 일반모래를 사용한 경우보다 모르

타르 매트릭스의 파괴인성이 감소하는 것으로 알려져 있으

나(Li et al. 1995) 명확한 비교결과는 부족한 실정이다. 따

라서, 고인성 HPFRCC의 배합설계를 위한 매트릭스의 배합

결정을 위하여 잔골재로 규사 또는 일반모래를 사용한 경우

를 실험변수로 설계하여 역학적 특성과 파괴인성에 대한 비

교실험을 수행하였다. 본 연구에서 매트릭스는 섬유를 제외

한 시멘트와 잔골재로 이루어진 매질을 뜻한다.

사전 문헌조사와 매트릭스 종류에 대한 실험결과 분석을 통

하여 HPFRCC의 배합을 위한 잔골재의 종류를 결정하고, 그

에 따라 잔골재-시멘트의 무게비(S/C)를 실험변수로 하여

HPFRCC의 역학적 특성과 균열 특성에 대한 실험을 수행하

였다.

배합에는 A사의 1종 보통 포틀랜드 시멘트와 폴리카본산

계의 액상 고성능감수제가 사용되었으며, 2종류의 PVA 섬유

와 1종류의 강섬유가 사용되었다. 강섬유는 직경 0.2 mm

길이 12 mm의 고강도 강섬유가 사용되었으며, PVA섬유는

길이 12 mm이고 직경 0.04 mm와 0.1 mm인 섬유가 사용되

었다. 각 섬유의 물리적 특성을 표 1에 나타내었다. 잔골재

는 콘크리트 배합에 사용되는 조립율(F.M.) 2.5이며 평균직

경 0.43 mm이고 비중 2.65의 일반적인 모래(이하 모래)와

조립율(F.M.) 0.3이고 평균직경 0.125 mm이며 비중 2.65의

규사(이하 규사)가 사용되었으며 각 잔골재의 입도분포를

그림 1에 나타내었다.

2.2 매트릭스의 역학적 특성 실험

2.2.1 파괴인성(Matrix fracture toughness)에 대한 실험

표 1. 사용된 섬유의 종류 및 물성치 특성

Fiber ID Diameter Length Tensile Strength Elastic Modulus Remark

PVA04 0.04 mm 12 mm 1.6 GPa 40 GPa Resin-bundled type

PVA10 0.10 mm 12 mm 1.1 Gpa 25 GPa Resin-bundled type

mSteel 0.20 mm 12 mm 2.0 Gpa 200 GPa Straight, Brass Coating

그림 1. 입도분포 시험결과

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실험에서 사용될 배합에 대한 모르타르 매트릭스

(Matrix)의 파괴특성을 평가하기 위하여 모르타르 매트릭

스의 파괴인성에 주된 영향을 주는 인자인 잔골재의 종류

및 배합비에 대한 파괴인성 실험을 수행하였다. 물-시멘트

비(W/C) 0.46에 대하여 잔골재-시멘트비(S/C)를 0.5,

1.0, 1.5로 변화시켜 일반모래 또는 규사를 사용한 시편을

제작하였으며 표 2에 실험변수에 따른 배합을 나타내었다.

시편은 그림 2와 같이 ASTM E 399 규격을 참고하여

CT(Compact Tension) 실험을 위한 형태로 제작하여 실

험을 수행하였다.

LEFM(Linear Elastic Fracture Mechanics; 선형탄성 파괴

역학)방법에 의하여 측정된 파괴인성이 유효하기 위해서는

파괴진행영역(fracture process zone)의 크기가 시편의 크기

에 비하여 작아야만 하며, 콘크리트와 FRC의 경우 실험실에

서 사용되는 작은 규모의 시편은 LEFM방법이 적절하지 못

하며, 또한 size effect에 의하여 시편의 크기에 따라 측정되

는 파괴인성의 값이 영향을 받는다고 알려져 있다(Bazant

and Planas 1998).

그러나, 최대직경 1 mm 이하의 골재를 사용한 모르타르

또는 시멘트풀의 경우 LEFM 방법이 유효하다(Li et al.

1995)고 보고되어 있으며, 본 실험은 절대적인 파괴인성이

아닌 두 재료간의 상대적인 파괴인성의 비교에 중점을 두고

있다. 따라서, 굵은 골재를 포함하지 않고 모래 또는 규사만

을 사용하는 본 실험의 경우 LEFM 방법에 의한 파괴인성

의 계산이 유효할 것으로 사료된다.

Closed Loop System이 적용되어 변위제어가 가능한

MTS 810기기를 사용하여 실험을 수행하였다. 하중재하속도

는 0.1 mm/min를 적용하였으며, 다음의 식에 의하여 파괴인

성(KQ)을 계산하였다(Sanford 2003).

(1)

(2)

여기서, a=노치의 길이, PQ= 측정된 하중, B=시편 폭, W=

시편의 깊이

2.2.2 압축강도 및 탄성계수에 대한 실험

압축강도와 탄성계수를 측정하기 위하여 지름 100 mm이

고 높이 200 mm인 원통형 공시체를 제작하였으며, KS F

2405와 KS F 2438의 방법에 의하여 역학적 물성을 산정하

였다.

2.3 HPFRCC 휨부재에 대한 실험

파괴인성에 대한 실험결과 분석을 통하여 HPFRCC배합을

위하여 파괴인성을 최소화 시킬 수 있는 배합의 조건을 선

정하였으며, 그에 따라 섬유의 종류 및 배합비에 따른 마이

크로 섬유보강시멘트복합체의 휨시편에 대한 실험을 수행하

였다. 실험을 위하여 두께 25 mm, 폭 60 mm, 길이 250

mm의 얇은 보 시편을 제작하였다.

물-시멘트비(W/C) 0.46과 섬유 혼입량 2%를 일정하게 고

정하였으며, 매트릭스 특성 실험결과에 대한 분석을 통하여

잔골재-시멘트비(S/C)를 0.4~1.0으로 변화시켜 시편을 제작하

였으며 표 2에 실험변수에 따른 배합표를 나타내었다.

시편은 탈형후 수중 양생 하였으며 28일이 지난 후 실험

을 수행하였다. 시편의 두께가 얇기 때문에 JCI-SF4(1983)

에서 제안하고 있는 바와 같이 시편 내에 측정의 기준점을

설정하기가 어렵기 때문에 그림 3과 같이 시편 외부에 측정

기준점을 두고 전기저항식 변위계를 이용하여 중앙부 처짐

KQ

PQ

BW1 2⁄

---------------f a

W-----

⎝ ⎠⎛ ⎞=

f a

W-----

⎝ ⎠⎛ ⎞

2a

W-----+⎝ ⎠

⎛ ⎞0.886 4.64

a

W----- 13.32

a

W-----

⎝ ⎠⎛ ⎞

2

– 14.72a

W-----

⎝ ⎠⎛ ⎞

3

5.6a

W-----

⎝ ⎠⎛ ⎞

4

–+ +⎝ ⎠⎛ ⎞

1a

W-----–⎝ ⎠

⎛ ⎞3 2⁄

------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------=

표 2. 사용된 섬유의 종류 및 물성치

실험명 W/C실험변수

S/C C (kg/m3) W (kg/m3) S (kg/m3) sp (kg/m3)

매트릭스 실험

0.46 0.5 1036 477 518 5.18

0.46 1.0 866 398 866 4.33

0.46 1.5 745 343 1117 3.72

HPFRCC 휨실험

0.46 0.4 1077 495 431 5.30

0.46 0.6 996 458 598 4.98

0.46 0.8 926 426 741 4.63

0.46 1.0 866 398 866 4.33

그림 2. CT(Compact Tension)형태의 파괴인성실험 시편

그림 3. 4점 재하에 의한 모르타르 보의 휨실험

− 738 − 大韓土木學會論文集

을 측정하였다.

여러개의 균열이 발생하는 다중균열을 발생시키기 위하여

순수휨 구간이 유도되는 4점 재하에 의한 휨실험이 수행되

었다. 실험은 Closed Loop System이 적용되어 변위제어가

가능한 MTS 810 기기를 사용하여 이루어졌으며, 하중재하

는 0.002 mm/sec의 속도로 재하되었다.

3. 실험 결과 및 분석

3.1 매트릭스 특성에 대한 실험 결과

3.1.1 압축강도 실험 결과

그림 4와 표 3에 잔골재의 종류와 배합 비에 따른 압축

강도를 나타내었다. 잔골재로 규사를 사용할 경우 잔골재의

비율이 높아질수록 압축강도가 증가하는 경향을 보였으나,

모래를 잔골재로 사용한 경우 S/C가 1.5인 경우 오히려 약

간 감소하였다.

S/C가 0.5인 경우 모래를 사용한 시편의 압축강도가 규사

를 사용한 시편보다 15%크게 나타났으나, S/C가 1.0과 1.5

인 경우는 규사를 사용한 시편의 압축강도가 5%와 20% 크

게 나타났다. 이는 Guerrero(1999)의 W/C는 0.5이고 S/C는

1.0인 배합 연구에서 규사(silica sand)를 사용한 경우의 압

축강도가 일반모래를 사용한 경우보다 8~47% 크게 보고된

것과 일치하는 경향을 보이고 있다.

3.1.2 탄성계수 실험 결과

그림 5와 표 3에 잔골재의 종류와 배합 비에 따른 탄성

계수를 나타내었다. 탄성계수는 잔골재비(S/C)가 증가할수록

커졌으며, S/C가 0.5인 경우에는 일반모래의 탄성계수가 다

소 크게 나타났으나 S/C가 1.0 이상인 경우에는 차이가 감

소하였다.

3.1.3 파괴인성 실험 결과

잔골재의 종류와 S/C를 변수로 파괴인성(fracture toughness)

실험을 실시한 결과를 그림 6과 표 3에 나타내었다. 규사를

잔골재로 사용한 경우에는 S/C에 따라 파괴인성(K)이

0.167~0.284 MPa·m1/2의 값을 보였으며, 모래를 잔골재로

사용한 경우에는 0.428~0.724 MPa·m1/2의 결과를 보였다.

실험결과에 따르면 S/C의 증가에 따라 파괴인성이 커지는

것으로 나타났으며, 모래를 사용한 시편은 규사를 사용한 시

편보다 2.55~3.45배 높은 파괴인성을 보이는 것을 확인할

수 있었다. 또한, 일반모래를 사용한 시편의 가장 낮은 파괴

인성도 규사를 사용한 시편의 가장 높은 파괴인성보다 높게

나타났다.

3.1.4 실험 결과 분석

잔골재의 종류에 따른 역학적 특성변화를 비교하기 위하여그림 4. 잔골재의 종류 및 배합비에 따른 압축강도

표 3. 골재의 종류와 배합비에 따른 매트릭스의 역학적 특성

S/C ratioElastic modulus(GPa) Compressive strength(MPa) Fracture toughness(MPam1/2)

SilicaSand PlainSand Eplain/Esilica SilicaSand PlainSand fck,plain/fck,silica SilicaSand PlainSand KPlain /KSilica

0.5 15.6 21.1 1.35 48.1 55.3 1.15 0.167 0.428 2.56

1.0 21.1 22.2 1.05 61.4 58.5 0.95 0.192 0.660 3.45

1.5 28.5 28.1 0.99 64.5 53.8 0.83 0.284 0.724 2.55

그림 5. 잔골재의 종류 및 배합비에 따른 탄성계수

그림 6. 잔골재의 종류 및 배합비에 따른 파괴인성

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규사를 사용한 경우에 대한 물성치를 모래를 사용한 경우에

대한 물성치의 비율로 환산하여 그림 7에 나타내었다. 실험

결과에 따르면 규사를 잔골재로 사용한 경우는 모래를 사용

한 경우에 비하여 40% 이하의 파괴인성을 보였으나, 그에

비하여 탄성계수나 압축강도는 74% 이상의 값을 보였다. 즉,

골재의 종류에 따른 파괴인성의 변화가 압축강도나 탄성계

수의 변화보다 크게 나타났으며, 잔골재로 규사를 사용할 경

우 압축강도와 탄성계수는 유지하면서 파괴인성은 크게 감

소시킬 수 있는 것으로 나타났다.

고인성 섬유보강 시멘트복합체로 불리는 균열분산 특성을

가지는 마이크로 섬유보강 모르타르는 초기균열이후 균열폭

이 증가하여 균열면의 최대가교응력에 도달하기 전에 다른 위

치에서 여러개의 새로운 미세균열이 발생하여 변형량이 분산

되는 특징이 있으며, 이러한 거동이 나타나기 위해서는 다음

의 조건들이 만족되어야 한다. ① 섬유에 의한 최대 가교응력

이 초기균열 강도보다 높아서 초기균열이후 하중의 저하 없

이 추가변형에 저항하여야 한다. 즉, 초기균열강도는 낮고 최

대가교응력은 높을수록 유리하다. 또한, ② 초기균열이후 최

대응력에 도달하기 전에 다른 위치에서 다수의 새로운 균열

이 발생해야하며 이를 위해서는 매트릭스의 파괴인성이 충분

히 작아야 하며, ③ 최대가교응력에 도달하기까지의 섬유가

가교할 수 있는 균열의 폭, 즉 최대가교응력에 해당하는 균열

면 개구변위는 새로운 균열이 발생하는 에너지 이상의 에너

지를 흡수할 수 있을 만큼 충분히 여유가 있어야 한다.

마이크로역학에 의한 접근(김윤용 2005; Li et al. 1995)

에 따르면 첫 번째 조건은 균열면의 최대가교응력이 일축인

장강도보다 크다고 정의되며, 나머지 조건은 안정상태의 균

열을 발생시키기 위한 조건에 해당하는 것으로 균열면 응력

과 균열개구변위 관계에서 계산되는 보상에너지(Complementary

energy, Jb)가 매트릭스의 균열선단 파괴인성(Jtip)보다 커야한

다고 정의되고 있다.

첫 번째의 높은 최대가교응력을 만족시키기 위한 방법으로

섬유의 혼입량을 증가시키는 방법과 혼입된 섬유의 성능을

최대한 이끌어 내기 위해서 섬유부착면의 부착강도를 조절

하는 방법이 있고, 두 번째의 조건을 만족시키기 위해서는

매트릭스의 파괴인성이 낮을수록 유리하며, 세 번째의 에너

지 조건을 만족시키기 위해서는 최대가교응력에서 균열폭이

커야 한다.

본 연구에서는 잔골재 배합비에 따른 고인성 HPFRCC의

균열거동에 대한 연구를 목표로 하고 있으므로, 균열분산을

유도하기 위하여 전술한 세가지 조건 중에 파괴인성을 낮추

는 방법을 사용하였다. 매트릭스의 파괴인성을 0.3 MPa·m1/2

이하로 낮추기 위하여 잔골재로 규사를 선택하고 그 혼입량

을 배합 변수로 설정하였다. 규사의 잔골재-시멘트 비

그림 7. 규사를 사용한 경우를 기준으로 한 역학적 물성치의 비

그림 8. 섬유의 종류와 잔골재 혼합비에 따른 휨실험에 대한 평균

하중-변위 곡선

− 740 − 大韓土木學會論文集

(S/C)가 1.5인 경우에는 배합의 유동성이 부족하여, 비빔에

어려움이 있었고 다량의 유동화제가 필요하였기 때문에, S/

C=0.4~1.0의 범위에 대하여 휨 실험을 실시하여 S/C에 따

른 HPFRCC의 휨거동 및 균열특성을 비교하였다. 참고로

이러한 범위의 잔골재량은 시멘트량이 많은 부배합으로 고

인성 섬유보강복합체에는 사용되는 배합이지만, 일반적인 모

르타르 배합에는 적합하지 않은 배합조건이다.

3.2 HPFRCC 휨부재에 대한 실험 결과

3.2.1 휨거동

매트릭스의 특성에 대한 실험결과를 분석하여 규사를 사용

한 잔골재-시멘트비(S/C) 0.4, 0.6, 0.8, 1.0에 대하여

PVA04, PVA10, mSteel의 3종류 섬유를 혼입하여 휨실험을

수행하였고, 그 결과를 그림 8에 나타내었다. 실험 변수별로

3개의 시편을 실험하여 그 평균값을 표기하였다.

PVA04, PVA10 시편의 균열전 초기 거동은 실험변수인

규사의 혼입량과 상관없이 거의 유사하게 나타났으며, 균열

발생 이후의 거동 역시 초기균열이후 휨강성이 증가하는 처

짐-경화(displacement hardening effect) 현상을 보였다. 그러

나 균열이후 최대강도의 증가량은 PVA04 섬유가 더 큰 것

으로 나타났다.

mSteel 시편은 PVA 시편에 비하여 1.2~2.7배의 휨 강도

를 보였으며 이것은 강섬유의 탄성계수와 인장강도가 PVA

에 비하여 크기 때문일 것이다. 또한 강섬유는 균열 폭이

증가하여 섬유가 뽑히는 과정에서 파단 되는 현상이 발생하

지 않기 때문에 최대강도 도달이후 급격한 하중 감소 없이

하중이 서서히 감소함을 알 수 있다.

섬유보강 시멘트복합체는 균열이 발생하기 전에는 섬유와

매트릭스가 일체화된 완전부착(또는 탄성부착) 상태이므로,

시편의 균열전 거동은 탄성계수의 영향이 지배적이다. 그러

나, 균열이 발생한 후에는 균열면에 의한 거동이 부재의 거

동을 지배하게 되므로 섬유가 뽑히는 과정에 영향을 주는

매트릭스와 섬유의 부착강도 그리고 섬유의 인장강도가 균

열 후 거동을 지배하게 되며, 이러한 거동은 섬유의 뽑힘과

부착력에 의한 저항관계를 역학적으로 모델링한 균열가교관

계(crack bridging relation)로 나타내어 진다(Lin et al.

1999).

화학적 부착력이 없는 강섬유의 마찰 부착력이 일정하다고

가정하면, 한 개의 섬유가 가장 큰 하중을 받기 위한 조건

은 전체길이의 절반이 묻혀있는 상태이므로, 섬유가 뽑히는

과정에서 항복하기위한 부착강도의 크기를 다음의 식에 의

하여 계산할 수 있다.

(3)

여기서, τ와 σ는 섬유의 부착강도와 항복강도이고, L과 d

는 섬유의 직경과 길이, A와 S는 섬유의 단면적과 표면적으

로 πd2/4와 πd L/2로 표현 된다.

기존의 연구결과(Li and Stang 1997)에 의하면 직선강섬

유의 부착강도는 2.35~7.0MPa의 범위에 있으므로 실험에

사용된 강섬유가 항복하기 위한 부착강도인 τ=(σd)/

(2L)=15.38 MPa의 1/2 미만이다. 따라서, 본 연구에 사용된

강섬유는 뽑히는 과정에서 대부분 항복하지 않을 것이며, 뽐

힘 각도에 의한 굽힘효과(Snubbing effect)에 의하여 인장강

도가 감소하여 항복하는 경우가 발생하더라도 강섬유는 연

성이 크기 때문에 급작스럽게 파단 되지는 않는다.

본 연구에서 사용된 강섬유의 균열가교관계를 그림 9(a) 에

나타내었다. 그림에 따르면 주어진 부착응력의 범위에서 강섬

유는 파단되지 않기 때문에 섬유의 부착응력이 증가함에 따라

균열면이 저항할 수 있는 힘의 크기도 커지는 것을 알 수 있

다. 그림 8의 실험결과에 따르면 강섬유 시편은 잔골재비가

증가할수록 최대강도가 증가하는 경향을 나타내었다.

초기균열 이후의 최대강도는 섬유의 가교응력에 의하여 결

정이 된다. mSteel 시편은 잔골재의 비율이 높아질수록 섬유

와 매트릭스의 부착강도가 증가하고, 그에 따라 균열면의 가

교응력(Crack Bridging-Stress)이 증가하며, 섬유의 파단은

발생하지 않기 때문에 시편의 최대휨강도가 커지는 것으로

추정된다.

그림 9(b)에 PVA섬유를 사용한 시편의 균열가교관계를 나

타내었다. 그림에 따르면 PVA섬유의 경우 강섬유와는 다르

게 부착강도가 증가하더라도 최대가교응력의 증가량은 상대

적으로 작은 것을 알 수 있다. 기존의 연구결과(Redon et

al. 2001)에 따르면 PVA 섬유는 인장강도가 상대적으로 낮

고 화학적 부착력이 크며 뽑히면서 부착력이 증가하는 변형

-경화(slip-hardening)현상을 보이기 때문에 뽑히는 도중에 파

단되기 쉬운 특성이 있는 것으로 알려져 있다. 그러므로 섬

유의 마찰부착강도가 증가하면 개별 섬유가 받는 힘은 커지

지만, 오히려 파단 되는 섬유의 양이 많아지기 때문에 부착

강도가 최대가교응력에 주는 영향이 상대적으로 작게 나타

P σA τS= =

그림 9. PVA섬유와 강섬유에 대한 균열 가교 관계(Crack

bridging relation) 곡선

第27卷 第5A號 · 2007年 9月 − 741 −

나는 것을 알 수 있다.

그림 8에 따르면 PVA 섬유를 사용한 시편은 잔골재비가

증가할수록 최대강도가 증가하지만, 잔골재비에 따른 최대강

도 증가량 및 휨거동의 변화는 강섬유와 비교하여 크지 않

은 것으로 나타났다. 이는 그림 9(a)의 균열가교관계에서 알

수 있듯이 잔골재비의 변화에 의하여 섬유의 마찰 부착강도

가 증가하면 개별 섬유가 받는 힘은 커지지만, 오히려 파단

되는 섬유의 양이 많아지기 때문에 최대휨강도에 대한 영향

이 상대적으로 작게 나타나는 것으로 추정된다.

기존의 연구결과(Li et al. 1997)에 의하면 배합의 특성(S/

C, 잔골재의 종류, 굵은 골재의 유무, 포졸란재료의 유무)등

에 따라 섬유 부착면의 특성이 다르게 나타난다고 언급하고

있으며, 실험방법(Balaguru et al. 1992)에 따라서 상반된

결과를 보이는 경우도 나타났다. Guerrero(1999)의 잔골재

종류에 따른 직선 강섬유의 뽐힘 실험에 의하면 마이크로샌

드를 사용한 경우가 일반모래를 사용한 경우에 비하여 최대

뽑힘응력은 80%이상 증가한다고 보고하고 있다.

본 연구에서 사용된 배합인 시멘트의 양이 많고 잔골재의

양이 적으며 작은 크기의 규사를 사용한 조건에서는 잔골재

의 함량이 많을수록 골재와 섬유의 접합면의 맞물림

(interlocking)이 증가하여 부착력의 크기가 증가하는 것으로

추정되었으나, 일반화를 위해서는 좀 더 많은 실험자료가 축

적되어야할 것이며, 이를 통해 잔골재비와 부착력에 대한 관

계의 정립이 필요할 것이다.

세 섬유의 직경이 다르기 때문에 직접적인 비교는 힘들겠

지만 강섬유는 인장강도와 탄성계수가 크기 때문에 시편의

최대 강도 증가에 유리한 것으로 판단되며, PVA섬유는 강도

의 증가효과는 다소 작지만 섬유의 뽑힌 과정에서의 변형-경

화(slip-hardening)현상과 균열분산 거동으로 지속적으로 변위

가 증가하며 하중에 저항하는 특성이 있는 것을 알 수 있었

다. mSteel 시편은 처짐 2 mm정도에서 최대하중에 도달하였

고 PVA섬유를 사용한 시편들은 3~4 mm의 범위에서 최대하

중에 도달하였다. 이는 PVA섬유를 사용한 시편들의 균열개

수가 강섬유 시편에 비하여 많기 때문이며, PVA섬유를 사용

한 배합은 소성힌지등의 대변형이 발생하는 부재에 적용될

경우 지속적으로 하중에 저항하여 구조적 안전성을 증가시

킬 수 있을 것으로 판단된다.

3.2.2 휨인성

휨인성(Flexural toughness)은 섬유보강 콘크리트의 인장보

강 특성을 나타내는 대표적인 지수로써 하중-처짐 곡선의 면

적을 나타낸다. 지수 산정을 위한 세부 기준은 실험 규정

(JCI-SF4; ASTM C 1018)에 따라 다르게 제시되고 있으나,

본 연구에서는 JCI-SF4의 방법에 준하여 휨지간의 1/150에

해당하는 처짐까지의 휨인성을 계산하였고, 추가로 휨지간

표 4. 섬유의 종류와 잔골재 혼합비에 따른 최대휨강도 및 휨인성

FiberType

S/CFlexural Strength

(kN)

Flexural Toughness(kN-mm)

1.33 mm (L/150)

2.67 mm (2L/150)

Post-Peak

PVA04

0.4 1.73 1.70 3.89 2.47

0.6 1.99 1.54 3.79 4.94

0.8 2.02 1.50 3.62 5.15

1.0 2.07 1.72 4.15 4.26

PVA10

0.4 1.33 1.30 3.00 2.47

0.6 1.47 1.40 3.06 4.97

0.8 1.56 1.21 2.82 5.01

1.0 1.37 1.30 2.96 3.77

mSteel

0.4 2.88 2.49 6.04 3.76

0.6 3.01 2.88 6.69 2.88

0.8 3.46 3.38 7.77 5.25

1.0 3.59 3.65 8.23 4.71

그림 10. 섬유의 종류와 잔골재 혼합비에 따른 휨인성

− 742 − 大韓土木學會論文集

2/150에 해당하는 처짐에서의 휨인성과 초기균열 후 Post-

Peak에서의 휨인성을 계산하여 비교하였으며, 표 4와 그림

10에 그 결과를 나타내었다.

PVA섬유를 사용한 PVA04 시편과 PVA10 시편은 그림 8

의 하중-변위 곡선에서 확인할 수 있듯이 2L/150의 처짐까

지 잔골재비에 상관없이 비슷한 거동을 보이며, 2L/150보다

큰 처짐이 발생한 후에 최대 강도에 도달한다. 따라서 처짐

L/150과 2L/150의 휨인성은 실험변수에 관계없이 각각 유사

한 값을 나타내는 것을 확인 할 수 있었다. 반면, mSteel

시편은 잔골재의 배합비에 따른 휨인성의 변화가 명확하게

나타나며, 잔골재비가 증가할수록 처짐 L/150과 2L/150의

휨인성이 증가하는 것을 확인할 수 있었다.

3.2.3 균열특성

마이크로 섬유를 혼입한 섬유보강 시멘트 복합체는 배합의

조건에 따라 하중을 받을 때 여러 개의 미세 균열이 발생하

는 특징을 보이기도 하며, 이러한 재료를 고인성 HPFRCC

로 분류한다. 따라서 본 연구에서는 매트릭스의 배합비에 따

른 균열분산의 효과를 비교하기 위하여, 하중재하가 끝난 시

편에 대하여 균열 개수를 측정하였다. 균열은 단면에서 불균

일하게 분포하므로, 그림 11에 보인바와 같이 다수의 측정

기준선을 정하고, 기준선을 통과하는 균열의 개수를 평균으

로 계산하였다.

PVA04 시편은 모두 5개 이상의 균열이 발생하였으며,

PVA10 시편은 S/C가 0.4인 경우를 제외하면 평균 5개 정

도의 휨 균열이 유도된 것으로 나타났다. mSteel 시편은 S/

C가 0.4인 경우에는 단일균열이 발생하였으며, S/C가 증가할

수록 균열개수가 증가하는 것으로 나타났다.

4. 결 론

본 논문에서는 고성능 섬유보강 시멘트복합체의 휨거동과

균열 특성의 고찰을 위하여 섬유의 종류와 잔골재의 배합비

에 따른 실험 및 결과 분석을 수행하였으며, 그 결과를 요

약하면 다음과 같다.

1. HPFRCC의 배합의 기본이 되는 매트릭스에 대한 실험을

수행하였다. 잔골재로 규사 또는 일반모래를 사용한 경우

에 대한 실험을 통하여 잔골재의 종류에 따른 매트릭스의

역학적 특성을 비교하였다. 실험결과에 따르면 잔골재의

종류는 압축강도와 탄성계수보다는 파괴인성에 큰 영향을

주었으며, 잔골재로 규사를 사용함으로써 압축강도와 탄성

계수는 유지하면서 파괴인성을 낮출 수 있었다. 따라서 매

트릭스의 파괴인성이 낮아야 하는 고인성 HPFRCC의 배

합에는 잔골재로 규사를 사용하는 것이 유리한 것으로 나

타났다.

2. 잔골재 배합비에 따른 고인성 HPFRCC 부재의 휨실험을

수행하였다. PVA섬유에 대한 균열분산 및 인성증가를 위

한 최적 골재비는 규사-시멘트비가 0.8~1.0인 것으로 나타

났다. PVA섬유를 사용한 휨시편은 강섬유 시편에 비하여

균열 후의 강도 증가효과는 다소 작지만 다수의 균열분산

과 처짐-경화 현상에 의해 지속적으로 변위가 증가하며

하중에 저항하는 것으로 나타났다.

3.강섬유를 사용한 시편의 휨실험 결과에 따르면 규사의 혼

합비율이 높을수록 최대휨강도와 휨인성이 증가하였고,

PVA섬유를 사용한 시편보다 최대 2.7배의 휨강도를 보였

다. 이는 섬유의 탄성계수와 인장강도가 균열가교응력(Crack

Bridging Stress)에 직접적인 영향을 주기 때문이다.

4.섬유보강 모르타르의 균열후 거동은 섬유와 매트릭스의 부

착거동에 의하여 결정된다. PVA섬유는 변형-경화현상(slip-

hardening) 특성에 의하여 뽑힘(Pull-out) 도중에 파단되는

특성이 있으므로, 잔골재비의 증가에 따른 부착력 증진이

휨강도의 증가에 상대적으로 적은 영향을 주었으나, 강섬

유는 잔골재의 비율이 높아질수록 섬유와 매트릭스의 부

착강도가 증진되며 인장강도가 상대적으로 높아 항복강도

에 도달하지 않기 때문에 이에 따라 휨강도의 증가량이

클것으로 추정된다.

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그림 11. 평균 균열 수의 측정 방법

표 5. 섬유의 종류와 잔골재 혼합비에 따른 휨인장 구간의 평균

균열 개수

Fiber TypeS/C

PVA04 PVA10 mSteel

0.4 5.7 3.7 1.0

0.6 8.3 5.3 2.0

0.8 7.7 5.7 2.0

1.0 9.3 5.3 4.7

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