강섬유 보강 콘크리트(SFRC)는 일반 콘크리트에 적절한 양의 단섬유 강섬유를 첨가하여 타설 및 분사 시공이 가능한 새로운 복합재료입니다. 최근 국내외에서 빠르게 개발되고 있으며, 기존 콘크리트의 낮은 인장강도, 작은 극한신율, 취성 등의 단점을 극복합니다. SFRC는 인장강도, 굽힘강도, 전단강도, 균열강도, 피로강도, 높은 인성 등 우수한 물성을 지니고 있어 수리공학, 도로교량, 건설 등 다양한 공학 분야에 적용되고 있습니다.
1. 강섬유 보강 콘크리트의 개발
섬유강화콘크리트(FRC)는 섬유강화콘크리트의 약자입니다. 일반적으로 시멘트 페이스트, 모르타르 또는 콘크리트와 금속 섬유, 무기 섬유 또는 유기 섬유 보강재로 구성된 시멘트 기반 복합재료입니다. FRC는 높은 인장 강도, 높은 극한 신장률 및 높은 알칼리 저항성을 가진 짧고 가는 섬유를 콘크리트 매트릭스에 균일하게 분산시켜 만든 새로운 건축 자재입니다. 콘크리트에 섬유를 첨가하면 콘크리트의 초기 균열 발생 및 외부 하중에 의한 균열 확장을 억제하고, 낮은 인장 강도, 균열 발생 용이성, 열악한 피로 저항성과 같은 콘크리트의 고유한 결함을 효과적으로 극복하며, 콘크리트의 불투수성, 방수성, 내한성 및 철근 보호 성능을 크게 향상시킬 수 있습니다. 섬유강화콘크리트, 특히 강섬유강화콘크리트는 우수한 성능으로 인해 학계와 엔지니어링 분야에서 점점 더 많은 관심을 받고 있습니다. 1907년 소련의 전문가 B. P. Hekpocab은 금속섬유강화콘크리트를 사용하기 시작했습니다. 1910년, HF 포터는 단섬유 보강 콘크리트에 관한 연구 보고서를 발표하여, 콘크리트 매트릭스 재료를 강화하기 위해 단섬유 강섬유를 콘크리트에 고르게 분산시켜야 한다고 제안했습니다. 1911년, 미국의 그레이엄은 일반 콘크리트에 강섬유를 첨가하여 콘크리트의 강도와 안정성을 향상시켰습니다. 1940년대에 이르러 미국, 영국, 프랑스, 독일, 일본 등 여러 나라에서 강섬유를 사용하여 콘크리트의 내마모성 및 내균열성을 향상시키는 연구, 강섬유 콘크리트 제조 기술, 그리고 강섬유와 콘크리트 매트릭스 간의 결합 강도를 향상시키기 위한 강섬유 형상 개선에 대한 연구가 활발히 진행되었습니다. 1963년, JP 로무알디와 GB 뱃슨은 강섬유 보강 콘크리트의 균열 발생 메커니즘에 관한 논문을 발표하고, 강섬유 보강 콘크리트의 균열 강도는 인장 응력에 효과적인 역할을 하는 강섬유의 평균 간격(섬유 간격 이론)에 의해 결정된다는 결론을 제시함으로써 이 새로운 복합 재료의 실용화 단계가 시작되었습니다. 지금까지 강섬유 보강 콘크리트의 보급 및 적용이 확대됨에 따라 콘크리트 내 섬유 분포 방식에 따라 주로 강섬유 보강 콘크리트, 혼합 섬유 보강 콘크리트, 적층형 강섬유 보강 콘크리트, 적층형 혼합 섬유 보강 콘크리트의 네 가지 유형으로 분류되어 왔다.
2. 강섬유 보강 콘크리트의 강화 메커니즘
(1) 복합 역학 이론. 복합 역학 이론은 연속 섬유 복합재 이론을 기반으로 하고 콘크리트 내 강섬유의 분포 특성을 결합한 것이다. 이 이론에서 복합재는 섬유를 한 상으로, 매트릭스를 다른 상으로 하는 2상 복합재로 간주된다.
(2) 섬유간 간격 이론. 균열 저항 이론이라고도 하는 섬유간 간격 이론은 선형 탄성 파괴 역학을 기반으로 제안되었습니다. 이 이론은 섬유의 보강 효과가 균일하게 분포된 섬유간 간격(최소 간격)에만 관련되어 있다고 주장합니다.
3. 강섬유 보강 콘크리트의 개발 현황 분석
1. 강섬유 보강 콘크리트. 강섬유 보강 콘크리트는 일반 콘크리트에 소량의 저탄소강, 스테인리스강 및 FRP 섬유를 첨가하여 형성된 비교적 균일하고 다방향적인 보강 콘크리트입니다. 강섬유의 혼합량은 일반적으로 부피 기준으로 1%~2%이며, 무게 기준으로 콘크리트 1세제곱미터당 70~100kg의 강섬유를 혼합합니다. 강섬유의 길이는 25~60mm, 직경은 0.25~1.25mm이며, 길이 대 직경의 최적 비율은 50~700입니다. 일반 콘크리트와 비교하여 인장, 전단, 굽힘, 마모 및 균열 저항성을 향상시킬 뿐만 아니라 콘크리트의 파괴 인성 및 충격 저항성을 크게 향상시키고 구조물의 피로 저항성 및 내구성을 현저히 개선할 수 있습니다. 특히 인성은 10~20배까지 증가시킬 수 있습니다. 강섬유 보강 콘크리트와 일반 콘크리트의 기계적 특성을 비교한 연구는 중국에서 발표되었습니다. 강섬유 함량이 15%~20%이고 물-시멘트비가 0.45일 때, 인장강도는 50%~70%,
4. 하이브리드 섬유 콘크리트
관련 연구 자료에 따르면 강섬유는 콘크리트의 압축강도를 크게 향상시키지 못하거나 오히려 감소시키는 것으로 나타났습니다. 일반 콘크리트와 비교했을 때, 강섬유 보강 콘크리트는 불투수성, 내마모성, 내충격성, 조기수축 방지 측면에서 긍정적, 부정적(증가, 감소) 또는 중간적인 효과를 보이는 것으로 보고 있습니다. 또한, 강섬유 보강 콘크리트는 과다한 사용량, 높은 가격, 녹 발생, 화재에 대한 내파열성 부족 등의 문제점을 가지고 있어 적용에 제약이 있습니다. 최근 국내외 학자들은 다양한 특성과 장점을 가진 섬유를 혼합하여 "긍정적인 하이브리드 효과"를 발휘하고, 다양한 수준과 하중 단계에서 콘크리트의 여러 특성을 향상시켜 다양한 프로젝트의 요구 사항을 충족하는 하이브리드 콘크리트(HFRC)에 주목하고 있습니다. 그러나 복합재료의 다양한 기계적 특성, 특히 피로 변형 및 피로 손상, 정적 및 동적 하중, 일정 진폭 또는 가변 진폭 반복 하중 하에서의 변형 발생 법칙 및 손상 특성, 섬유의 최적 혼합량 및 혼합 비율, 복합재료 구성 요소 간의 관계, 강화 효과 및 강화 메커니즘, 내피로 성능, 파손 메커니즘 및 시공 기술과 관련하여 배합 설계 문제는 추가적인 연구가 필요하다.
5. 적층형 강섬유 보강 콘크리트
일체형 강섬유 보강 콘크리트는 균일한 혼합이 어렵고, 섬유가 쉽게 뭉치며, 섬유량이 많고, 비용이 상대적으로 높아 광범위한 적용에 제약이 있습니다. 수많은 현장 시공 경험과 이론 연구를 통해 새로운 유형의 강섬유 구조인 층상 강섬유 보강 콘크리트(LSFRC)가 제안되었습니다. LSFRC는 도로 슬래브의 상하면에 소량의 강섬유를 고르게 분포시키고, 중간층은 일반 콘크리트 층으로 유지합니다. LSFRC의 강섬유는 일반적으로 수작업 또는 기계적으로 배치되며, 긴 섬유를 사용하고 길이 대 직경 비율은 일반적으로 70~120으로 2차원적으로 분포합니다. 이 소재는 기계적 특성에 영향을 미치지 않으면서 강섬유량을 크게 줄일 뿐만 아니라, 일체형 강섬유 보강 콘크리트 혼합 시 발생하는 섬유 뭉침 현상을 방지합니다. 또한, 콘크리트 내 강섬유층의 위치는 콘크리트의 휜강도에 큰 영향을 미치며, 콘크리트 하부에 강섬유층을 배치할 때 보강 효과가 가장 좋습니다. 강섬유층의 위치가 위로 올라갈수록 보강 효과는 크게 감소합니다. LSFRC의 휜강도는 동일 배합비의 일반 콘크리트보다 35% 이상 높지만, 일체형 강섬유 보강 콘크리트보다는 약간 낮습니다. 그러나 LSFRC는 재료비를 크게 절감할 수 있고, 배합 난이도 문제도 없습니다. 따라서 LSFRC는 사회경제적 이점이 크고 적용 전망이 넓은 신소재로서, 도로 포장 건설에 널리 보급하고 적용할 가치가 있습니다.
6. 적층형 하이브리드 섬유 콘크리트
층상 하이브리드 섬유 강화 콘크리트(LHFRC)는 기존 강섬유 강화 콘크리트(LSFRC)에 폴리프로필렌 섬유를 0.1% 첨가하여 제조한 복합재료입니다. 상하부의 강섬유 강화 콘크리트와 중간층의 일반 콘크리트에 고인장 강도와 높은 극한 신장률을 가진 가늘고 짧은 폴리프로필렌 섬유를 고르게 분포시켜 만듭니다. 이는 기존 LSFRC의 중간층 일반 콘크리트의 약점을 극복하고, 표면 강섬유 마모 후 발생할 수 있는 안전 문제를 예방할 수 있습니다. LHFRC는 콘크리트의 휜강도를 크게 향상시킵니다. 일반 콘크리트와 비교했을 때 휜강도는 약 20% 증가하고, LSFRC와 비교했을 때는 2.6% 증가합니다. 하지만 콘크리트의 휜탄성계수에는 큰 영향을 미치지 않습니다. LHFRC의 휜탄성계수는 일반 콘크리트보다 1.3% 높고, LSFRC보다는 0.3% 낮습니다. LHFRC는 콘크리트의 휜 인성을 크게 향상시킬 수 있으며, 휜 인성 지수는 일반 콘크리트의 약 8배, LSFRC의 약 1.3배에 달합니다. 또한, LHFRC에 함유된 두 가지 이상의 섬유는 콘크리트 내에서 각기 다른 성능을 나타내므로, 공학적 요구에 따라 합성 섬유와 강섬유의 복합적인 효과를 활용하여 재료의 연성, 내구성, 인성, 균열 강도, 휜 강도 및 인장 강도를 크게 향상시키고, 재료의 품질을 개선하며 수명을 연장할 수 있습니다.
——초록(산시 건축, Vol. 38, No. 11, Chen Huiqing)
게시 시간: 2022년 8월 24일