1. 서 론
2. 공시체 제작 및 인장시험 방법
2.1 섬유 및 공시체 제작방법
2.2 쪼갬인장시험(Splitting tensile test)
2.3 내장형 실린더 인장시험(Built-in cylinder tensile test)
3. 인장시험 결과
3.1 내장형 실린더 인장시험 결과
3.2 쪼갬인장시험 결과
4. 인장시험법에 따른 인장강도 및 수치해석 결과 비교
4.1 인장시험법에 따른 인장강도 비교
4.2 인장시험법에 따른 수치해석 결과 비교
5. 결 론
1. 서 론
고결제로 시멘트를 사용하는 콘크리트, 모르타르, 페이스트는 높은 압축강도를 나타내지만 상대적으로 낮은 인장강도를 가지고 있어, 철근 또는 각종 섬유를 사용하여 인장하중에 대한 보강을 실시한다. 관련 연구로, 콘크리트 내에 강섬유(steel fiber), PVA(Polyvinyl alcohol) 섬유와 같은 다양한 섬유를 혼합하여 인장력을 증진시킨 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 구속시키고 암반과의 일체화를 통해 터널의 안정성을 확보하기 위해 통상 5cm-20cm 두께의 숏크리트를 시공하며, 이러한 숏크리트에는 일반적으로 강섬유를 혼합하여 천공된 벽면에 뿜어 붙이게 된다. Park and Kim(2013)은 숏크리트 내에 포함된 강섬유의 분산도가 휨강도에 미치는 영향을 실험적으로 연구하여 현장 타설 숏크리트의 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 이와 같이 시멘트 혼합토 내에 포함된 섬유의 분산 정도에 따른 강도의 불확실성에 대하여 연구한 바 있다.
암석이나 콘크리트와 같은 재료의 인장강도를 평가하기 위해 지금까지 대부분 쪼갬인장시험과 같은 간접적인 방법을 사용하였으며, 직접적인 방법으로 인장강도를 평가한 연구 사례는 많지 않다. 또한 모래와 같은 잔골재를 포함한 콘크리트나 숏크리트가 아닌 시멘트 페이스트 내에 포함된 섬유 종류 및 인장시험법이 인장강도에 미치는 영향에 대한 연구 사례는 특히 부족한 실정이다. 따라서, 본 연구에서는 Park and Lee(2014)가 개발한 내장형 실린더 인장시험법을 개선한 직접인장시험법과 기존 간접인장시험법인 쪼갬인장시험을 사용하여 시멘트 페이스트의 인장강도 특성에 대하여 연구하였다. 또한 섬유 종류와 함유량이 인장강도에 미치는 영향을 분석하기 위해 PVA 섬유와 강섬유를 0%, 0.5%, 또는 1% 혼합한 공시체를 제작하여 인장강도시험을 실시하였다.
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 형상으로 규격은 직경 0.5mm, 길이 30mm의 형상을 하고 있으며, 본 연구에서는 공시체의 직경(5cm 또는 15cm)을 고려하여 이를 반으로 절단하여 사용하였다. 최근 시멘트 보강재로 가장 많이 사용되고 있는 PVA 섬유(Fig. 1(b))는 여러 합성섬유 중에서도 고강도, 고탄성률의 우수한 물리적 특성을 가지며, 이외에도 열안정성, 내약품성, 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 안정하다. 특히 시멘트와의 접착성 그리고 내알칼리성이 높기 때문에 콘크리트 및 시멘트 보강재로 아주 적합하다(Choi, 2002).
시멘트 페이스트 공시체 제작에는 보통포틀랜드 시멘트와 증류수를 사용하였으며, 물시멘트비는 50%로 하여 교반하였다. 쪼갬인장시험은 직경 5cm, 높이 10cm의 원형 공시체로 제작하였으며, 내장형 실린더 인장시험은 직경 15cm, 높이 30cm의 원형 공시체로 제작하였다. 섬유를 일정하게 혼합하기 위해 공시체를 4층으로 나누어 각 층마다 동일한 양의 섬유를 혼합하였다. 제작이 완료된 공시체는 3일 후 몰드를 분리한 다음 대기 중에서 총 7일 또는 28일 양생시킨 후에 강도시험을 실시하였다. 비탈면 보강을 위한 그라우팅에 섬유를 혼합할 경우에 인장강도 증진을 평가하기 위해 대기 중에서 양생하였다.
2.2 쪼갬인장시험(Splitting tensile test)
쪼갬인장시험(KS F 2423)은 원기둥꼴 공시체를 가로로 눕혀 직경방향으로 하중 P를 가한 다음 식 (1)을 이용하여 간접적으로 인장강도를 구하며, 콘크리트나 암석 등의 인장강도 평가에 주로 사용된다.
(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 이용하여 공시체 내부에서 직접 인장력을 가하여 파괴시키는 인장시험법인 특허(Patent No. 10-1327018, 2013)를 이용하였다. 인장력을 가하는데 사용된 유압 실린더는 Fig. 2와 같이 가로 4cm, 세로 4cm, 높이 5cm로 국내 M사에서 합성강을 소재로 제작되었으며, 최대압력 128kgf/cm2까지 가할 수 있다. 실린더 하부에는 Fig. 2와 같이 직경 9cm의 반력판을 설치하여 인장시험을 실시할 때 공시체 내부에서 인장력을 발생시키는 역할을 하였다. 기존 실험 결과(Park and Lee, 2014)에서는 내장형 실린더를 정확히 공시체 단면 중앙에 위치시키는 것이 가장 어려웠으며, 동일한 경우에도 공시체 단면 내 반력판의 위치에 따라 강도 차이가 발생하였다. 따라서 본 연구에서는 Fig. 2와 같이 내부 실린더를 공시체 단면 중앙에 고정시키는 장치를 개발하였다. 즉, 본 연구에서는 Park and Lee(2014)의 기존 연구와 달리 유압 실린더를 공시체 단면 중앙에 고정시키는 Fig. 3과 같은 고정장치(fixing device)를 이용하여 공시체를 제작하였다.
인장시험법은 내장형 실린더에 가한 압력 P를 이용하여 Fig. 3(c)와 같이 인장파괴를 유도한 다음, 아래 식 (2)와 같이 인장강도를 계산하였다.
(2)
여기서 P는 파괴 시 실린더 하중, A는 공시체의 단면적이고 A0는 실린더의 단면적이다.
3. 인장시험 결과
7일 및 28일 양생한 공시체의 함수비는 각각 16%-18%, 15%-17% 사이였다. 대부분의 공시체의 건조단위중량은 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 인장시험 결과는 각각 Table 1(PVA 섬유 사용) 및 Table 2(강섬유 사용)와 같다. 동일한 경우에 대하여 2개의 공시체를 실험하였으며, 평균값을 서로 비교하였다.
Fig. 5와 6은 7일 또는 28일 양생한 시멘트 페이스트의 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 사용하였으며, 내장형 실린더 인장시험의 경우 2개 공시체의 값 차이는 8-743kPa 사이였다. 2개 공시체 강도 차이는 PVA 섬유가 1% 포함된 경우에 가장 높게 발생하였으나, 그 차이가 10% 이내로 크지 않았다. 7일 양생한 공시체의 인장강도는 3,796-8,452kPa 사이 값을 나타냈으며, 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 양생할 경우 양생기간이 길어짐에 따라 외부에서 지속적인 수분 공급이 이루어지지 않으면서 오히려 강도 증가가 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).
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Fig. 5. Results of Built-in cylinder tensile tests on 7 days cured specimens | |
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Fig. 6. Results of Built-in cylinder tensile tests on 28 days cured specimens | |
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 증가하였으며, 강섬유를 사용한 경우에는 108%(56%) 및 123% (76%) 정도 증가하였다. 괄호 안의 값은 28일 양생한 공시체의 인장강도 증가량에 해당하는 값으로 섬유 종류에 따른 인장강도 증가 경향은 크게 차이 나지 않았으나, 양생일에 따른 인장강도 증가는 7일 양생한 공시체의 경우가 섬유 함유량의 효과가 다소 높게 나타났다.
공시체에 포함된 섬유의 종류, 즉, PVA 섬유 또는 강섬유에 따른 강도 차이는 크지 않았으나, 7일 양생한 섬유 0.5%와 1% 함유된 내장형 실린더 공시체를 제외하면 전반적으로 PVA 섬유를 혼합된 공시체의 인장강도가 866-2,019kPa 정도 높은 값을 보였다. 이는 공시체 내에 포함된 섬유의 체적비가 PVA 섬유(비중 1.3)의 경우가 강섬유(비중 7.86) 보다 6배 정도 더 높아 높은 강도를 보인 것으로 판단되며, 또한 일부는 강섬유보다 PVA 섬유가 시멘트와 결합력이 더 우수하기 때문으로 판단된다(Choi, 2002).
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Fig. 7. Cross section of built-in cylinder tensile test specimen | |||
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(a) FR = 0% | (b) FR = 0.5% | (c) FR = 1% | |
Fig. 8. Failed built-in cylinder tensile test specimens | |||
Fig. 7은 내부에서 작용된 인장력으로 내장형 실린더 인장시험 공시체가 파괴된 모습으로 공시체 내에 실린더가 중앙에 위치해 있는 것을 확인할 수 있었다. 파괴면은 공시체 아래에서 약 10-11cm 높이에서 형성되었으며, 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 압축력을 가하여 간접적인 방법으로 인장파괴를 일으켰다. Fig. 9와 10은 3.1절의 내장형 실린더 인장시험 결과와 유사하게 7일 및 28일 양생한 시멘트 페이스트의 섬유 함유량에 따른 인장응력-변위 곡선을 나타내고 있다. 7일 양생한 공시체의 인장강도는 1,134-3,293kPa 사이 값을 나타냈으며, 28일 양생한 공시체는 1,872-3,202kPa로 7일 양생한 공시체와 유사한 값을 보였다. 이는 내장형 실린더 인장시험과 유사한 결과로 실험실의 높은 온도로 인하여 대기 중에서 양생한 소형 공시체의 수분이 빠르게 증발하면서 수화작용에 필요한 수분이 지속적으로 공급되지 않았을 뿐 아니라 일부는 공시체 외부의 풍화작용으로 인해 양생일에 따른 강도 발현이 낮은 것으로 판단된다. 7일 또는 28일 양생한 공시체의 경우 섬유 함유량이 0.5% 및 1%로 증가함에 따라 각각 PVA 섬유는 77%(18%) 및 190%(71%)로 인장강도가 증가하였으며, 강섬유는 84%(3%) 및 138%(23%)로 증가하였다. 괄호 안의 값은 28일 인장강도 증가량에 해당하는 값으로 양생일이 증가함에 따라 내장형 실린더 인장시험과 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 높은 값을 보였다. 이는 내장형 실린더 인장시험 결과와 유사하게 강섬유보다는 PVA 섬유가 시멘트와 결합력이 더 우수하기 때문으로 판단되며, 특히 공시체가 소형이어서 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 많은 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 가하는 것이 어렵기 때문에 쪼갬인장시험과 같이 간접적인 방법으로 인장강도를 측정해 왔다. 한편 쪼갬인장시험은 1978년에 ISRM에서 규정된 인장시험법으로 공시체 단면에서 받는 응력이 서로 다르기 때문에 변형률이 다른 문제점을 가지고 있다. 본 연구에서는 내장형 실린더 인장시험으로부터 구한 인장강도가 쪼갬인장시험보다 96%-290% 정도 높은 것으로 나타났다. 이러한 차이의 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 인장강도의 비가 0.879이라는 연구결과를 발표한 바 있다. 또 Ma(1993)는 PBX(Plastic-bonded explosives) 직접인장시험과 쪼갬인장시험으로부터 얻은 인장강도를 비교한 결과 직접인장시험으로부터 구한 인장강도가 간접인장시험으로부터 구한 값보다 2배 정도 높다고 하였다. 일부는 내장형 실린더 인장시험 공시체의 크기가 쪼갬인장시험 공시체 보다 더 크기 때문으로 볼 수도 있다. 하지만, 공시체의 강도(압축강도)는 반드시 크기에 비례하지는 않는 것으로 알려져 있으며, 경우에 따라 강도가 감소하는 경우도 있다(Krishna Rao et al., 2011). 예를 들면, Plowman et al.(1974)도 직경 10cm, 높이 20cm인 공시체보다 직경 15cm, 높이 30cm인 공시체의 압축강도가 86% 정도로 낮았다. 한편 크기에 따른 강도 차이는 본 연구에 사용한 원기둥 모양 공시체보다 정육면체 모양일 경우 더 크게 나타나는 것으로 보고되기도 하였다(Zabihi, N., 2012).
Park and Lee(2014)의 연구 결과에 의하면 시멘트비가 낮은 경우에는 내장형 실린더 인장시험으로부터 구한 인장강도가 높게 나왔으나, 시멘트비가 높은 경우에는 이와 반대되는 경향을 보였다. 이와 같이 내장형 실린더 인장시험 결과의 일관성이 부족한 것은 기존 내장형 실린더 인장시험법은 경우에 따라 내장되는 실린더의 위치가 정확히 단면 중앙에 위치하지 않아 일관성이 부족한 결과를 얻은 것으로 판단된다. 따라서 실린더 위치를 고정시키는 장치를 사용한 본 연구 결과는 Park and Lee(2014)의 결과보다 좀 더 정확하리라 판단된다. 한편 본 연구에서 제안한 내장형 실린더 인장시험 방법은 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 인장시험 결과와 동일한 결과를 얻기 위해 역해석으로 구한 값이다. 동일한 입력변수를 사용하여 두 종류의 인장시험을 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 가한 아래 부분에서 최대 인장변형이 발생함을 알 수 있다. 쪼갬인장시험은 Fig. 13(a)와 같이 위와 아래에 일렬의 점하중을 가하였으며, 최대 인장강도는 σ′zz=1,108kPa로 나타났다. Fig. 13(b)는 상하부에서 압축변형이 크게 발생하는 것을 보여 주고 있다. 본 수치해석 결과는 실험 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 인장강도의 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 인장시험과 쪼갬인장시험을 실시하여 다음과 같은 결론을 얻었다. 한편, 두 가지 인장시험법에 대한 유한요소해석도 수행하여 실험방법에 따른 인장강도의 차이를 비교하였다.
(1)시험방법에 따른 인장강도는 내장형 실린더를 이용한 직접인장시험법이 쪼갬인장시험법 보다 96%-290% 정도 높은 값을 보였으며, 이러한 차이의 일부는 쪼갬인장시험 공시체 내 인장응력 발달로 인하여 균열이 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 증가하였으며, 이는 기존 연구와도 유사하면서 내부에 혼합된 섬유가 인장응력에 저항하기 때문으로 판단된다.
(3)대부분의 경우 강섬유가 포함된 경우보다 PVA 섬유가 포함된 경우에 약 14%-38% 정도 높은 인장강도를 보였으며, 이는 섬유의 중량비는 서로 동일하지만 공시체 내에 포함된 섬유의 체적비는 PVA 섬유가 훨씬 높아서 높은 강도를 보인 것으로 판단된다.
(4)양생일수가 7일에서 28일로 증가함에 따라 인장강도는 대부분 감소하는 경향을 보였다. 이는 일부 풍화작용에 의한 것으로 판단되며 기존 대기 중에서 양생한 시멘트 혼합토에서도 이와 같은 양생일이 증가함에 따라 강도가 감소하는 결과를 얻었다.
(5)PLAXIS 3D 유한요소해석법을 이용하여 두 종류의 인장시험법에 대한 수치해석을 수행하였으며, 동일한 입력변수를 사용한 결과 실험 결과와 유사하게 내장형 실린더 인장시험법이 3배 정도 높은 인장강도를 보여 본 연구에서 수행한 인장시험 결과가 타당한 것으로 판단된다.
