KR100842823B1 - 자기충전형 고유동 섬유 보강 콘크리트의 배합설계 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 자기충전형 고유동 섬유보강 콘크리트의 배합설계 방법에 관한 것으로, 종래의 고유동 섬유보강 콘크리트의 배합방법에 있어서 골재량 비율만을 간단하게 조절하여, 상기 섬유보강 콘크리트에 혼입되는 섬유의 뭉침 현상과 콘크리트 다짐 시 섬유의 배향 문제 등을 해결할 수 있도록 한 고유동 섬유보강 콘크리트의 배합설계 방법에 관한 것이다.

자기충전형 고 유동 콘크리트, 섬유보강 콘크리트, 배합설계

Description

자기충전형 고유동 섬유 보강 콘크리트의 배합설계 방법{A METHOD OF MIXING DESIGN FOR SELF-COMPACTING FIBER REINFORCED CONCRETE}

본 발명은 자기충전형 고유동 섬유 보강 콘크리트의 배합설계 방법에 대한 것이다. 더욱 구체적으로 종래의 고유동 섬유보강 콘크리트의 배합설계에 있어서 콘크리트 다짐 시 발생할 수 있는 문제점을 미연에 방지하고, 섬유 보강 효과를 위하여 혼입되는 섬유의 분산성을 향상시키기 위하여 고가의 재료인 증점제 또는 고성능 감수제를 추가하거나 콘크리트의 품질에 불리한 영향을 주는 배합수 또는 시멘트 양을 조절하지 않고서도 간단하게 골재량 만을 조절하는 것만으로도 상기 문제점을 해결할 수 있도록 한 새로운 자기충전형 고유동 섬유보강 콘크리트의 배합설계 방법에 관한 것이다.

삭제

근래에 콘크리트의 취성파괴 등을 방지하기 위해 강섬유 또는 유기섬유 등과 같은 콘크리트 보강용 섬유를 콘크리트에 균일하게 혼입시켜 인장강도, 휨강도 및 전단강도 등 역학적 성능과 균열저항 성능이 향상된 섬유보강 콘크리트가 활용되고 있다.

이때 상기 섬유보강 콘크리트는 그 성능을 높이기 위해 강섬유 등을 다량으 로 사용하더라도 콘크리트 내부에 이들을 균등하게 분산시키는 것이 무엇보다 중요하다.

이에 강섬유 보강 콘크리트의 경우에는 두께 0.1~0.8mm, 길이 10~50mm 정도의 강섬유를 콘크리트 용적 대비 약 1~5% 혼입하여 이용되고 있으며, 섬유의 분산성 및 섬유보강 효과를 위하여 길이 20~30mm의 강섬유를 콘크리트 용적 대비 약 2%~5%혼입한 강섬유 보강 콘크리트가 주로 이용되고 있다.

그러나 강섬유와 같은 보강 콘크리트용 섬유를 다량으로 사용할 경우 믹싱 중에 섬유 뭉침(Fiber ball) 현상이 발생하여 시공성이 저하되어 경우에 따라서 섬유보강 콘크리트 본래의 성능을 발휘하지 못하는 경우가 종종 발생한다.

이에 대해 증점제 또는 고성능 감수제의 양을 조절하거나 봉 진동기 등의 내부 진동기를 사용하여 섬유보강 콘크리트를 다짐함으로써 혼입된 섬유의 분산성을 향상시키려는 연구가 계속되고 있는 실정이다.

그러나 섬유보강 콘크리트에서 봉 진동기 등의 내부 진동기를 사용하여 타설 작업을 실시할 경우에는 한 방향으로만 다짐이 되므로 그 방향으로 섬유가 회전되어 수평방향으로 섬유가 배치되기 때문에 섬유를 혼입한 효과가 저하되는 경우가 발생하거나 다짐이 과도할 경우에는 비중이 큰 강섬유의 경우 침하되고, 비중이 작은 유기섬유는 콘크리트의 표면으로 떠오르는 등의 현상이 발생하여 섬유를 혼입한 효과가 저하되는 경우가 발생할 수 있다.

또한, 이러한 다짐작업은 인력에 의한 공사비 상승, 작업자의 숙련도에 따른 콘크리트 품질 차이, 공사기간 지연, 도심지 공사에서 소음 등에 의한 민원 발생 등 부작용이 뒤따르게 된다.

이에 근래에 다짐이 필요 없거나 다짐을 거의 하지 않아도 철근 등이 배근된 거푸집 내에 치밀하게 충전되도록 높은 유동성과 간극투과성을 갖고, 또한 유동 중에 재료의 분리가 발생하지 않고 필요한 균질성이 확보되는 고유동 콘크리트가 개발되어 이용되고 있다.

고유동 콘크리트란 자기충전형 고유동 콘크리트라고도 하며, 대단히 높은 유동성을 가진 콘크리트를 의미하는 것으로 통상 슬럼프 플로우 600mm 내외를 기준으로 그 이상의 슬럼프 플로우를 갖는 콘크리트를 고유동 콘크리트라고 한다.

이러한 고유동 콘크리트는 상기와 같은 특징 외에 일반적으로 블리딩 및 건조수축이 감소하는 것으로 알려지고 있다.

이에 이러한 고유동 콘크리트를 이용하여 다짐작업이 필요 없으면서도 섬유보강 콘크리트의 장점을 갖는 고유동 섬유보강 콘크리트가 개발되기에 이르렀다.

그러나 고유동 콘크리트에 단순히 섬유를 혼입하는 경우에는 콘크리트의 유동성에 기여할 모르타르가 섬유에 부착되기 때문에 소정의 컨시스턴시 확보가 곤란하여 유동성이 떨어지게 되고 섬유의 뭉침 현상이 발생하게 되어 섬유보강으로 인한 효과가 떨어지는 문제점이 있었다.

이에 증점제, 고성능 감수제, 배합수-시멘트 비를 조절하여 상기 문제점을 해결하는 방법 등이 제시되고 있으나, 증점제 또는 고성능 감수제를 추가하는 방법은 재료가 고가이며 종래의 고유동 콘크리트의 배합설계를 이용할 수 없어 그 적용이 매우 제한적이며, 배합수 또는 시멘트의 양을 조절하는 것은 콘크리트에 불리한 영향을 줄 수 있게 된다.

나아가, 콘크리트 제조 시 각각의 재료들을 계량하여 사용하게 되면 번잡하고 정밀도도 문제시되며 실무 활용시 문제가 발생할 수 있다는 점을 함께 고려하여, 시멘트, 광물질혼화재, 수축저감재, 모래로 구성된 자기충전형 결합재, 증점제, 고성능감수제, 증류수로 구성된 고성능 배합수를 사전에 제조하고, 상기 고성능 배합수와 자기충전형 결합재를 일정한 비율로 혼합한 자기충전형 시멘트 복합체에 요구 성능에 따라 필요한 강섬유 등을 일정한 비율로 투입함으로써 최종적으로 효과적인 자기 충전형 섬유보강 시멘트 복합체를 제조방법도 개발된 바 있으나, 위에서 살펴본 방법들은 섬유보강 콘크리트를 제조하기 위한 조성물에 대한 발명으로서 순수하게 그 배합방법에 의한 접근방법은 아니라는 점에서 그 제조에 있어 고비용의 구조를 가질 수밖에 없다는 문제점이 지적된 바 있다.

이에 상기 종래 고유동 콘크리트 및 섬유보강 콘크리트의 제조상 문제점을 해결하기 위하여 본 발명은 종래의 고유동 콘크리트의 배합 비율만을 간단하게 조절하여 이에 혼입되는 섬유의 뭉침 현상과 다짐 시 섬유의 배향 문제 등을 해결할 수 있도록 할 수 있는 자기 충전형 고유동 섬유보강 콘크리트의 배합설계 방법을 제공함을 그 기술적 과제로 한다.

즉, 본 발명은 고유동 콘크리트를 이용함으로서 콘크리트 다짐 시 발생할 수 있는 문제점을 미연에 방지하고 섬유 보강 효과를 위하여 혼입되는 섬유의 분산성을 향상시키는 방법으로 고가의 재료인 증점제 또는 고성능 감수제를 추가하거나 콘크리트의 품질에 불리한 영향을 주는 배합수 또는 시멘트 양을 조절하는 대신 배합되는 골재량을 조절하는 새로운 배합설계 방법을 제공함으로서 새로운 자기충전형 고유동 섬유보강 콘크리트의 배합설계 방법을 제공하고자 한다.

삭제

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은

배합수, 시멘트, 잔골재, 굵은 골재를 포함하여 구성되는 고유동 콘크리트 배합설계에 있어서, 섬유를 소정량 혼입하되, 상기 혼입되는 섬유의 중량만큼 굵은 골재의 양을 줄이고, 상기 섬유의 혼입과 상기 굵은 골재 양의 감소에 의한 단위 콘크리트 용적의 감소만큼 잔골재의 양을 증가시키는 자기충전형 고유동 섬유보강 콘크리트의 배합설계 방법을 제안하였다.

여기에서 종래의 고유동 콘크리트의 배합설계를 조절하는 방법에는 배합수, 시멘트, 잔골재 또는 굵은 골재의 양을 조절하는 방법이 있겠으나, 배합수 또는 시멘트의 양을 조절하는 방법은 후술되는 바와 같이 콘크리트에 불리한 영향을 줄 수 있게 된다.

예를 들어 배합수량을 증가시킬 경우에는 블리딩, 건조수축이 증가하고, 염해, 탄산화 및 동결융해 등 내구성도 저하되는 원인이 된다. 그리고 시멘트의 양이 증가되면 강도는 증가될 수 있으나, 수화열이 증가하여 균열발생 원인이 되어 최종적으로 구조물의 안전성을 저하시키게 된다.

따라서 본 발명에서는 배합수와 시멘트의 양은 고정되도록 하였다.

또한 고유동 콘크리트 보강을 위하여 혼입되는 섬유 중 강섬유의 경우 통상 20~30mm 길이를 갖게 되므로, 골재의 규격이 이와 유사한 굵은 골재를 강섬유의 치환 대상으로 선택하였다.

즉, 종래의 고유동 콘크리트에서 굵은 골재의 양을 유지한 채 강섬유를 포함한 섬유를 혼입한다면 결국 콘크리트의 구성에서 큰 입자의 구성비가 증가하게 되어, 이러한 경우에는 콘크리트의 유동성을 떨어뜨리게 되고 강섬유의 분산성도 떨어지게 된다.

또한, 콘크리트의 배합설계 시에는 각 구성 요소의 용적의 합은 단위 콘크리트의 용적(일반적으로 1㎥(1000L))을 기준으로 하되, 각 구성 요소의 배합 설계량은 중량 단위로 정해지게 되므로, 굵은 골재의 일부를 강섬유로 치환할 경우에는 굵은 골재의 치환용적이 투입하는 강섬유의 용적에 비해 크기 때문에 치환한 후 콘 크리트의 용적은 1㎥이 되지 않게 된다.

그래서 콘크리트의 용적을 1㎥로 보정하기 위해서는 나머지 구성 요소의 배합 설계량을 조절할 필요가 있게 된다. 배합 설계량을 조절하는 방법으로는 나머지 구성 요소들을 균등한 비율로 증가시키거나 어느 일 구성 요소의 배합 설계량을 증가시키는 방법이 있다.

여기에서 콘크리트의 구성 요소 중에서 배합수와 시멘트의 양을 증가시키는 것은 상기 설명한 바와 같이 콘크리트에 불리한 영향을 줄 수 있으므로 본 발명에서는 자기충전형 고유동 섬유보강 콘크리트 제조 시 강섬유를 포함하는 섬유와 치환된 굵은 골재의 감량에 따른 콘크리트 전체 용적이 1㎥이 되지 않은 것에 대해 사용된 구성 요소 중에서 배합수량과 시멘트 양을 고정시키고 잔골재의 양만을 증가시키는 자기충전형 고유동 강섬유보강 콘크리트의 배합설계 방법을 제시하였다.

삭제

이때, 강섬유의 용적은 단위 콘크리트 용적의 2% 이내가 바람직하나 5% 정도까지는 사용가능하며, 5%가 초과 되면 콘크리트의 워커빌리티가 저하될 수 있다.

이상 언급한 바와 같이, 자기 충전형 고유동 섬유보강 콘크리트의 배합 설계 시 본 발명의 배합설계 방법에 따른다면, 종래의 일반적인 자기충전형 고유동 콘크리트의 배합설계를 이용하여 비교적 간단하게 자기충전형 고유동 섬유보강 콘크리트의 배합설계를 도출할 수 있게 되며,

구체적으로 종래 자기충전형 고유동 콘크리트 배합에서 굵은 골재의 일부를 강섬유와 치환하여 배합수와 시멘트의 양을 고정시키고 잔골재 양만을 증가시키는 비교적 간단한 자기충전형 고유동 강섬유보강 콘크리트 배합설계 방법을 통하여 형성되는 콘크리트는 종래의 고유동 콘크리트의 성질을 그대로 갖으면서도 강섬유의 분산성이 양호하고 압축강도, 휨강도 등이 증가하는 등 강섬유보강의 효과도 아울러 갖게 된다.

즉, 본 발명에 따른 콘크리트는 혼입된 강섬유의 뭉침 현상이 발생하지 않고 콘크리트의 다짐이 필요하지 않은 슬럼프플로우를 달성할 수 있으며, 블리딩 및 건조수축이 감소하고 압축강도와 휨강도가 크게 증가하여 콘크리트의 구조물의 성능을 향상시키는 데 효과가 있게 된다.

또한 다짐작업을 실시하지 않기 때문에 작업시간 및 작업량을 줄일 수 있어 생산효율이 향상되고 소음을 저감시킬 수 있기 때문에 도심지에도 적용이 가능하다.

앞에서 설명되고, 도면에 도시된 본 발명의 일 실시예는 본 발명의 기술적사상을 한정하는 것으로 해석되어서는 안 된다. 본 발명의 보호범위는 청구범위에 기재된 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.

이하, 본 발명의 실시 예를 들어 자기충전형 고유동 섬유보강 콘크리트의 배합설계 방법을 보다 상세하게 설명한다.

도 1은 본 발명에서 제시한 강섬유를 이용한 자기충전형 고유동 섬유보강 콘크리트의 배합설계 방법의 개념도를 나타낸 것이다.

도 2는 본 발명을 포함하여 각종 자기충전형 고유동 섬유보강 콘크리트의 배합설계를 나타낸 것이다.

도 3은 본 발명을 포함하여 각종 자기충전형 고유동 섬유보강 콘크리트의 배합설계에 따른 실험 결과를 나타낸 것이다.

강 섬유를 혼입하는 방법에 따른 영향을 분석하기 위해 물-시멘트비(W/C) 35%, 단위배합수량 175kg/㎥, 고성능 감수제는 시멘트량의 1.4%, AE제는 시멘트량의 0.008%인 일반적인 자기충전형 고유동 콘크리트를 기본배합으로 놓고, 종래의 강섬유 보강 콘크리트와 같이 기본배합에 강섬유 2%를 혼입한 배합(종래의 강섬유보강 콘크리트 배합, 비교예 1), 기본배합에서 굵은 골재의 일부를 강섬유 2%와 치환하여 균등하게 재료를 증가시킨 배합(균등하게 재료를 증가시킨 배합, 비교예 2), 그리고 기본배합에서 굵은 골재의 일부를 강섬유 2%와 치환하여 배합수와 시멘트 양은 고정시키고 잔골재 양만을 증가시킨 배합(본 발명배합)을 도 2에 나타낸 바와 같이 배합설계를 하였다.
여기서, Ww, Wc, Ws, Wg, Wf는 각각 배합수, 시멘트, 잔골재, 굵은 골재 및 강섬유의 중량, Vw, Vc, Vs, Vg, Vf, Va는 각각 배합수, 시멘트, 잔골재, 굵은 골재, 강섬유 및 공기의 용적, Dw, Dc, Ds, Dg, Df는 각각 배합수, 시멘트, 잔골재, 강섬유의 비중이라 하고, Ww', Wc', Ws', Wg', Wf'를 각각 배합설계량 조정 후의 배합수, 시멘트, 잔골재, 굵은 골재 및 강섬유의 중량이라고 한다면, 상기 종래의 강섬유보강 콘크리트 배합은 전체 용적1m³(1000L)를 유지하기 위하여 강섬유를 2% 용적비로 혼입에 따라 배합수, 시멘트, 잔골재 및 굵은 골재는 기본 배합에 비하여 98%의 값을 갖게 되고, 상기 균등하게 재료를 증가시킨 배합은 강섬유를 2% 용적비로 혼입함에 대하여 혼입된 강섬유의 중량만큼 굵은 골재를 감량하여 치환하고 이때 감소하는 굵은 골재의 용적은 혼입되는 강섬유의 용적에 비하여 크기 때문에 콘크리트의 전체 용적1m³(1000L)를 유지하기 위하여 배합수, 시멘트, 잔골재 및 굵은 골재를 일정비율로 증가시킨 것이고, 상기 본 발명 배합은 강섬유를 2% 용적비로 혼입함에 대하여 혼입된 강섬유의 중량만큼 굵은 골재를 감량하여 치환하고 이때 감소하는 굵은 골재의 용적은 혼입되는 강섬유의 용적에 비하여 크기 때문에 콘크리트의 전체 용적 1000L를 유지하기 위하여 잔골재의 양을 증가시킨 것이다.

삭제

삭제

삭제

삭제

삭제

삭제

삭제

삭제

삭제

삭제

즉 본 발명에 따른 배합량을 기본배합과 비교하여 수식으로 나타내면,

Ww' = Ww

Wc' = Wc

Wg' = Wg - Wf

Ws' = Ws + (Ds/Dg - Ds/Df)*Wf

Wf', 으로 표현된다.

삭제

상기와 같이 본 발명의 배합설계는 기본배합(일반적인 자기충전형 고유동 콘크리트)에 강섬유를 혼입함과 동시에 잔골재와 굵은 골재의 양만을 간단하게 조절할 수 있으므로 종래의 일반적인 자기충전형 고유동 콘크리트의 배합설계를 이용하여 자기충전형 고유동 강섬유보강 콘크리트의 배합설계를 도출할 수 있으며, 증가되는 잔골재의 중량은 하기 수학식 1로 정의할 수 있다:
△Ws = (Ds/Dg - Ds/Df)*Wf
(여기서, △Ws: 잔골재의 증가량(중량), Ds: 잔골재의 비중, Dg: 굵은 골재의 비중, Df: 강섬유의 비중, 그리고 Wf: 강섬유의 중량을 각각 의미한다.)

다음으로 상기 각종 자기충전형 고유동 콘크리트의 배합설계에 따른 실험 결과를 살펴보기로 한다.

우선 배합수, 시멘트, 굵은 골재, 잔골재, 고성능 감수제, AE제를 믹서에 투입한 다음 50rpm의 속도로 5분 동안 혼합한 다음에 강섬유 2% 용적부를 투입하여 다시 25rpm의 속도로 1분 30초 동안 혼합하여 자기충전형 고유동 강섬유보강 콘크리트를 제조한 다음 슬럼프플로우, 섬유분산성, 블리딩, 압축강도, 휨강도, 건조수축을 측정하였다.

슬럼프플로우는 KS F 2594, 섬유분산성은 육안관찰에 의해 양호, 보통, 불량을 구분하여 평가하였으며, 블리딩은 KS F 2414에 준하여 타설 후 10시간까지 측정하였다.

압축강도와 휨강도는 20℃에서 수중양생을 28일까지 실시한 다음 각각 KS F 2405와 KS F 2566에 준하여 측정하였고, 건조수축은 재령 7일까지 20℃에서 수중양생 을 실시한 다음 기건상태(온도 22±2℃, 습도 65±5%)에 노출시킨 다음 KS F 2424에 준하여 재령 91일까지 측정하였다.

이상의 실험에 대한 정리, 분석 결과는 도 3에 나타난 바와 같다.

실험결과를 살펴보면, 기본배합의 슬럼프플로우가 670mm으로 콘크리트 타설시 다짐이 필요하지 않은 일반적인 슬럼프플로우 600mm 이상으로 나타났다.

따라서 기본배합에 따른 콘크리트는 일반적인 고유동 콘크리트임을 알 수 있다.

종래의 강섬유보강 콘크리트 배합과 균등하게 재료를 증가시킨 배합은 슬럼프플로우가 600m 이하이고, 섬유의 분산성도 나쁘며, 블리딩양과 건조수축이 증가하고 압축강도도 저하하고 휨강도도 크게 증가하지 않는 것으로 나타났다. 이에 반해 굵은 골재의 일부를 강섬유로 치환한 다음 배합수와 시멘트의 양을 고정시키고 잔골재 양만 증가시킨 본 발명의 배합설계 방법에 따른 콘크리트는 슬럼프플로우가 680mm으로 기본배합과 비슷하고 섬유의 분산성도 양호하며, 블리딩양과 건조수축 양도 기본배합보다도 감소하고 압축강도와 휨강도도 크게 증가하는 것으로 나타났다.

도 1은 본 발명에 의한 자기충전형 고유동 강섬유보강 콘크리트의 배합설계 방법의 개념도를 나타낸 것이다.

도 2는 본 발명을 포함하여 각종 자기충전형 고유동 콘크리트의 배합설계 방법을 나타낸 것이다.
도 3은 본 발명을 포함하여 각종 자기충전형 고유동 콘크리트의 배합설계에 따른 실험 결과를 나타낸 것이다.

삭제

Claims (3)

1. 배합수, 시멘트, 잔골재, 굵은 골재를 포함하여 구성되는 고유동 콘크리트의 배합설계에 있어서,

   강섬유를 소정량 혼입하고,

   상기 혼입되는 강섬유의 중량만큼 굵은 골재의 양을 줄이고,

   상기 강섬유의 혼입과 상기 굵은 골재 양의 감소에 의한 콘크리트 용적의 감소만큼 잔골재의 양을 증가시키며, 상기 증가된 잔골재의 중량은 하기 수학식에 의해 결정되는 것을 특징으로 하는 자기충전형 고유동 강섬유보강 콘크리트의 배합설계 방법

   [수학식 1]

   △Ws = (Ds/Dg - Ds/Df)*Wf

   (여기서, △Ws: 잔골재의 증가량(중량), Ds: 잔골재의 비중, Dg: 굵은 골재의 비중, Df: 강섬유의 비중, 그리고 Wf: 강섬유의 중량을 각각 의미한다.)
2. 제 1항에 있어서, 상기 혼입되는 강섬유의 용적은 단위 콘크리트 용적의 2%~5%인 것을 특징으로 하는 자기충전형 고유동 강섬유보강 콘크리트의 배합설계 방법.
3. 삭제

Images