KR101596246B1 - 시멘트계 재료 보강용 아치형 강섬유 - Google Patents

시멘트계 재료 보강용 아치형 강섬유 Download PDF

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Abstract

본 발명은 시멘트계 재료 보강용 아치형 강섬유 본체에 대하여 길이방향으로 아치형을 가지고 양끝단부를 굴곡 처리함으로써, 종래보다 높은 인발저항강도를 가지게 되므로 궁극적으로 시멘트 복합체의 인장강도, 휨강도 및 에너지 흡수능력과 같은 역학적 성능을 향상시키는 것이 가능하다. 또한, 종래기술과 비교하여 성능 대비 강섬유의 혼입량을 줄일 수 있으므로 소모자재 비용 면에서 경제적 부가가치를 창출하는 등의 기술효과까지 얻는다.

Description

시멘트계 재료 보강용 아치형 강섬유{Arched steel fiber for cement reinforcement material}
본 발명은 시멘트계 재료 보강용 아치형 강섬유에 관한 것으로, 더 상세하게는 전반적인 형태가 하나의 곡률반경으로 형성된 아치형의 강섬유로서 양끝단 부위가 하나의 굴곡단과 연속된 하나의 직선단으로 이루어져 시멘트계 조성물과의 혼합시 부착력을 높임으로써 균열제어, 내충격성, 휨인성과 같은 역학적 특성을 향상시킬 수 있도록 하며, 성능 대비 감성유의 혼입량 감소, 생산성과 함께 자재의 소모량을 줄일 수 있는 시멘트계 재료 보강용 아치형 강섬유에 관한 것이다.
일반적으로 콘크리트는 압축강도, 내구성 및 강성 등이 우수하나 인장강도, 휨강도, 충격강도 및 에너지 흡수능력이 낮아 인장이나 동적 하중하에서 취약한 한계를 가지고 있다.
이를 개선하기 위해 소정의 강섬유를 이용하여 보강하는 방법 등이 널리 적용되고 있고, 적용대상에 따라 강섬유의 크기나 혼입량 등의 차이가 있다.
지금까지 개시된 강섬유 관련 기술 형태를 살펴보면, 대한민국 공개특허공보 제2013-0129385호에서 개시한 원형단면을 가진 직선형 강섬유에 양끝단을 구부린 후크형(hooked ends type) 강섬유나, 대한민국 등록특허공보 제1,403,659호와 같이 숏크리트에 혼입 후 타설시 리바운드율을 감소시키고 타설 후 뽑힘 현상을 방지함으로써, 휨인성을 향상시킬 요량으로 양단이 이격된 링 형상 등 다양한 형태가 개시되어 있다.
이와 같은 종래 콘크리트 보강용 강섬유는 터널 굴착시 2차 지보재인 숏크리트에 가장 많이 적용되어 왔고, 단면이 작아 철근보강이 어렵고 균열제어가 필요한 바닥 슬래브와 같은 곳에서도 흔히 적용된다.
숏크리트에 적용되는 강섬유의 경우, 지름 0.5~0.55mm, 길이 30~35mm 정도의 크기인데 비해, 바닥 슬래브에 보강되는 강섬유는 지름 0.75~0.90mm, 길이 50~60mm 정도의 크기를 주로 많이 사용한다.
도 7에서와 같은 종래의 후크형 강섬유는 직선형태의 본체 양끝단을 소정의 각도로 굽혀 후크형태로 형성하는 것이 일반적이다. 이는 균열발생 이후 작용하는 인장력에 의해 강섬유가 콘크리트로부터 인발되는 경우, 후크부 이외의 직선부에서는 부착성능이 떨어져 인발저항강도가 급격하게 감소할 수밖에 없으므로 역학적 성능을 향상시키는데 치명적인 한계가 있었다.
이러한 한계점을 해결하기 위한 것으로, 대한민국 등록특허공보 제1,073,393호나 대한민국 등록실용신안공보 제361,900호 및 제406,191호에서부터 미국 등록특허 제6,060,163호에 이르기까지 나름의 특징들을 구현한 기술들이 개시되어 있다.
하지만, 상기의 특허들과 같이 종래의 콘크리트 보강용 강섬유 즉, 부착성능을 향상시키기 위해 고안해 낸 강섬유들은 모두 목적달성을 위한 성능을 발휘하기 위해서는 상대적으로 짧은 길이를 갖거나 높은 인장강도를 가져야 하는 문제점이 있다.
특히, 대한민국 등록특허공보 제1,403,659호와 같이 이격된 링 형상의 강섬유의 경우, 이격된 링 형상의 양단은 중심부보다 상부에 위치하고, 상기 양단 내측 하방으로 경사지게 돌출되는 밀착부를 구비하고 있으나, 원형의 경우 양단이 겹이음 용접처리가 필요하므로 용접불량으로 인한 품질저하나 생산성이 저하되는 문제점을 안고 있다.
본 발명은 위와 같은 종래기술의 문제점으로부터 착안 된 것으로, 전반적인 형태가 하나의 곡률반경으로 형성된 아치형의 강섬유로서 양끝단 부위가 하나의 굴곡단과 연속된 하나의 직선단으로 이루어져 시멘트계 조성물과의 혼합시 부착력을 높임으로써 균열제어, 내충격성, 휨인성과 같은 역학적 특성을 향상시킬 수 있도록 하며, 성능 대비 감성유의 혼입량 감소, 생산성과 함께 자재의 소모량을 줄일 수 있는 시멘트계 재료 보강용 아치형 강섬유를 제공하기 위한 것이다.
뿐만 아니라, 본 발명은 아치형 본체의 탄력으로부터 시멘트 복합체 건축물의 수명 연장을 위한 내구성을 확보하는 것과 더불어 간소한 기술구성으로 인해 제조 및 생산성의 향상을 도모하는 것 또한 가능하며, 성능 대비 강섬유의 혼입량을 줄임으로써, 소모자재 비용 면에서 경제적 부가가치를 창출할 수 있도록 하는 시멘트계 재료 보강용 아치형 강섬유를 제공하기 위한 것이기도 하다.
본 발명이 제안하는 시멘트계 재료 보강용 아치형 강섬유는 하나의 곡률 반경(R)을 갖는 아치형의 본체와, 상기 본체의 양끝단에 각각 일체로 형성되는 하나의 굴곡단과, 상기 굴곡단으로부터 연장된 하나의 직선단을 포함하며, 상기 굴곡단이 상기 본체의 아치형에 대해 상반된 방향으로 구부러지고, 상기 직선단은 상기 굴곡단에 연이어진 형태로 이루어지며, 상기 본체의 곡률 반경(R)은 5~80mm, 상기 본체, 상기 굴곡단, 및 상기 직선단의 전체 길이는 10~90mm이고, 상기 직선단의 길이는 0.5~10mm이고, 상기 굴곡단의 각도(α)는 30~160°인 것을 특징으로 한다.
특히, 본 발명이 제안하는 시멘트계 재료 보강용 아치형 강섬유는 인장강도는 500~2800MPa, 인장 탄성계수는 200GPa 이상인 것을 특징으로 한다.
본 발명의 실시 예에 따른 시멘트계 재료 보강용 아치형 강섬유에 의하면, 양끝단 부위를 각각 굴곡 처리함은 물론, 본체에 대하여 길이방향으로 아치형을 가미함으로써, 종래보다 더 높은 인발저항강도를 발휘하며, 궁극적으로는 시멘트 복합체의 인장강도나 휨강도 및 에너지 흡수능력과 같은 역학적 성능을 향상시키는 기술효과를 얻는다.
특히, 시멘트계 재료 보강용 아치형 강섬유는 후크부 이후 직선단에서 인발저항강도가 급격히 감소하는 종래의 후크형 강섬유와 달리 섬유 전체길이가 인발에 저항함으로써 인발저항강도를 유지하는 특징이 있다.
또한 종래 반원형 강섬유의 경우 시멘트 복합체내 배합시 섬유의 뭉침현상(balling)으로 작업성의 문제가 발생하고 시멘트계 복합체내에서 인발시 시멘트 매트릭스내에 급한(steep) 마찰값을 가짐으로써 인발성능향상을 위해서는 일반적으로 사용되는 강선의 인장강도보다 높은 수준의 것이 요구된다.
반면, 본 발명의 실시 예에 따른 시멘트계 재료 보강용 아치형 강섬유는 적절한 곡률반경을 가짐으로써 시멘트 매트릭스내에서 수월하게 인발되어 별도로 높은 수준의 인장강도가 요구되지 않으며 작업성도 우수하다.
따라서 본 발명의 실시 예에 따른 시멘트계 재료 보강용 아치형 강섬유는 종래의 후크형, 원형 및 반원형 강섬유의 단점을 보완하고 장점을 부각시킨 것이라 할 수 있다.
뿐만 아니라, 본 발명의 실시 예에 따른 시멘트계 재료 보강용 아치형 강섬유에 의하면, 종래의 시멘트계 재료 보강용 강섬유와 비교하여 성능 대비 강섬유의 혼입량을 획기적으로 줄이는 것이 가능하므로 소모자재 비용 면에서 경제적 부가가치를 창출하는 등의 기술효과까지 얻는다.
나아가, 본 발명의 실시 예에 따른 시멘트계 재료 보강용 아치형 강섬유에 의하면, 아치형 본체의 탄력으로부터 시멘트 복합체 건축물의 수명 연장을 위한 내구성을 확보하는 것과 더불어 간소한 기술구성으로 인해 제조 및 생산성의 향상을 도모하는 것 또한 가능하게 된다.
도 1은 본 발명의 제1 실시 예에 따른 시멘트계 재료 보강용 아치형 강섬유를 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 제2 실시 예에 따른 시멘트계 재료 보강용 아치형 강섬유를 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 제3 실시 예에 따른 시멘트계 재료 보강용 아치형 강섬유를 도시한 도면이다.
도 4 및 도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 시멘트계 재료 보강용 아치형 강섬유를 적용한 인발시험결과를 나타내는 그래프이다.
도 6은 본 발명의 실시 예에 따른 시멘트계 재료 보강용 아치형 강섬유를 적용한 휨시험 결과를 나타내는 그래프이다.
도 7은 종래기술에 따른 시멘트계 재료 보강용 강섬유를 도시한 도면이다.
이하에서는 본 발명의 실시 예에 따른 시멘트계 재료 보강용 아치형 강섬유의 기술구성을 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
먼저, 본 발명의 실시 예에 따른 시멘트계 재료 보강용 아치형 강섬유는 도 1 내지 도 3에서 도시한 바와 같이, 하나의 곡률반경(R)을 갖는 아치형의 본체(10) 양끝단 부위에 각각 하나의 굴곡단(11)(11a)과 하나의 직선단(12)(12a)을 포함하는 형태로 구비된다.
여기서, 상기 굴곡단(11)(11a) 및 직선단(12)(12a)은 상기 본체(10)의 양끝단 부위에 각각 일체로 구비된다. 즉, 상기 본체(10)의 양끝단 부위는 소정의 굴곡 각도(α)에 따른 상기 굴곡단(11)(11a)과, 상기 굴곡단(11)(11a)에서 소정의 길이(le)로 연장된 상기 직선단(12)(12a)으로 이루어진다.
아치형의 상기 본체(10)는 종래기술의 형태에 비해 더 높은 인발저항강도를 발휘하는 요체로써, 궁극적으로는 시멘트 복합체의 인장강도나 휨강도 및 에너지 흡수능력과 같은 역학적 성능을 향상시키는 기술효과를 발휘하게 된다.
특히, 본 발명의 실시 예에 따른 시멘트계 재료 보강용 아치형 강섬유는 상기 굴곡단(11)(11a)이 상기 본체(10)의 아치형에 대해 상반된 방향으로 구부러진 형태로 구비된다.
이때, 상기 직선단(12)(12a)은 상기 굴곡단(11)(11a)에 연이어진 형태로 이루어지는 것을 구성상의 특징으로 한다.
아치형의 상기 본체(10)는 하나의 곡률 반경(R)을 갖도록 실시될 수 있다. 예를 들어, 상기 본체(10)의 곡률 반경(R)은 5mm부터 80mm 범위 내에서 다양하게 실시할 수 있다. 여기서, 상기 본체(10)의 아치 곡률 반경(R)에 따라 상기 강섬유의 직선길이는 달라진다.
다만, 상기 본체(10)의 양끝단 사이의 거리는 전체적인 형상이 반원에 가깝게 멀리 떨어져 있다.
상기 강섬유의 총 길이 즉, 상기 본체(10)와 상기 굴곡단(11)(11a)과 상기 직선단(12)(12a) 전체 길이는 10~90mm 범위 내로 실시하되, 인장강도는 500~2800MPa, 인장 탄성계수는 200GPa 이상의 성능을 얻을 수 있도록 실시하는 것이 좋다.
상기 본체(10)의 곡률 반경(R)이 5mm 미만으로 실시하는 경우에는 강섬유의 전반적인 크기가 줄어들어 아치형의 탄력성을 기대하는 것이 어려워질 수 있고, 80mm를 초과하는 경우에는 전체 길이에 따른 복수 개의 탄력성 시너지 효과가 떨어지는 문제점을 유발하게 된다.
상기 굴곡단(11)(11a)의 각도(α)는 30°에서부터 160°에 이르는 범위 내에서 다양하게 실시할 수 있다.
또한, 상기 직선단(12)(12a)의 길이(le)는 0.5mm에서부터 10mm에 해당하는 범위 내에서 실시하는 것이 좋다.
여기서, 상기 굴곡단(11)(11a)의 각도(α)나 상기 직선단(12)(12a)의 길이(le)는 해당 시멘트계 재료와의 혼입시 콘크리트 내에서의 기계적인 부착 성능과 밀접한 관계를 가진다.
상기 굴곡단(11)(11a)의 각도(α)가 30°미만이나 160°를 초과하는 경우나, 상기 직선단(12)(12a)의 길이(le)가 0.5mm 미만으로 실시하는 경우에는, 해당 콘크리트 내에서의 기계적 부착 성능이 향상되는 정도가 미미한데 반해, 상기 직선단(12)(12a)의 길이(le)를 10mm 이상으로 실시하는 경우에는 불필요한 자재의 낭비까지 초래하는 등 기술효과상의 문제점이 야기된다.
실시예 1
본 발명의 실시 예에 따른 시멘트계 재료 보강용 아치형 강섬유의 부착성능을 확인하기 위하여 종래의 시멘트계 재료 보강용 후크형 강섬유와 함께 인발시험을 실시하였다.
인발시험은 JCI SF-8 규정에 따라 dog bone shape 모르타르 공시체를 두 부분으로 분할한 후 중앙에 강섬유를 25mm씩 매립시켜 실시하였다.
모르타르의 압축강도는 30MPa이고, 인발시험에 사용된 강섬유들은 인장강도 1300MPa, 지름 0.75mm, 길이 60mm이다.
본 발명의 실시 예에 따른 시멘트계 재료 보강용 아치형 강섬유는 상기 아치의 곡률 반경(R) 35mm, 상기 굴곡단(11)(11a)의 각도(α) 90°, 상기 직선단(12)(12a)의 길이(le) 1.5mm로 제작하였다.
인발시험 결과, 도 4의 그래프를 통해 확인할 수 있는 바와 같이 본 발명의 실시 예에 따른 시멘트계 재료 보강용 아치형 강섬유의 경우 종래의 보강용 강섬유보다 최대 인발하중이 115% 향상되었으며, 최대 인발하중 이후의 인발저항강도는 125% 향상되었다.
또 인발된 본 발명의 실시 예에 따른 시멘트계 재료 보강용 아치형 강섬유의 표면을 관찰한 결과, 매립길이 전체에 시멘트 매트릭스와의 마찰자국이 있는 반면 종래의 보강용 강섬유는 마찰자국이 후크부에 한정되어 있었다. 따라서 본 발명의 실시 예에 따른 시멘트계 재료 보강용 아치형 강섬유는 섬유의 길이 전체가 인발에 저항하고 있음을 확인할 수 있다.
실시예 2
본 발명의 실시 예에 따른 시멘트계 재료 보강용 아치형 강섬유의 상기 직선단(12)(12a)의 길이(le)에 따른 부착성능을 확인하기 위하여 상기 직선단(12)(12a)의 길이(le)를 변수로 두어 인발시험을 실시하였다.
인발시험 방법과 매립길이, 모르타르 압축강도는 상기의 실시예 1과 동일하게 하였으며, 인발시험에 사용된 강섬유들은 인장강도 1300MPa, 지름 0.75mm, 길이 60mm로 실시하였다. 상기 직선단(12)(12a)의 길이(le) 변수는 0, 1.5, 2.5, 3.5mm로 하였다.
인발시험 결과, 도 5의 그래프를 통해 알 수 있는 바와 같이 상기 직선단(12)(12a)의 길이(le) 0mm를 기준으로 최대 인발하중이 각각 상기 직선단(12)(12a)의 길이(le) 1.5, 2.5, 3.5mm에 따라 437%, 450%, 575% 향상되었으며, 최대 인발하중 이후의 인발저항강도는 102%, 110%, 122% 향상되었다.
실시예 3
본 발명의 실시 예에 따른 시멘트계 재료 보강용 아치형 강섬유로 보강된 콘크리트의 휨성능을 확인하기 위하여 종래의 후크형 강섬유 및 원형 강섬유와 함께 휨시험을 실시하였다.
시험에 사용된 시편은 150mm×150mm×550mm의 각주형 공시체로 제작하였고 JSCE-SF4 규정에 따라 3등분점 재하 시험으로 실시하였다.
아래 [표 1]은 휨성능 확인을 위한 콘크리트의 배합비이고, 적용된 강섬유는 상기의 인발시험 중 실시예 1과 동일한 제원의 아치형 강섬유와 후크형 강섬유이며 원형 강섬유의 경우 인장강도 1300MPa, 지름 0.75mm, 내경 30mm로 하였다. 혼입량은 30㎏/㎥로 실시하였다.
설계기준
압축강도
(MPa)		 굵은골재
최대치수
(mm)		 공기량
(%)		 S/a
(%)		 W/C
(%)		 단위재료량(㎏/㎥)
물
(W)		 시멘트
(C)		 잔골재
(S)		 굵은골재
(G)		 고성능 AE감수제(표준형)
(AD)
24 25 5 47.8 47.1 173 367 846 924 5.32
재령 28일 압축강도 측정결과, 종래의 후크형 강섬유 및 원형 강섬유와 본 발명의 실시 예에 따른 시멘트계 재료 보강용 아치형 강섬유로 보강된 콘크리트 모두 설계기준 압축강도를 만족하는 것으로 나타났다.
휨시험 결과, 도 6의 그래프를 통해 확인할 수 있는 바와 마찬가지로 휨강도는 종래의 후크형 강섬유로 보강된 콘크리트의 경우 4.045MPa, 원형 강섬유로 보강된 콘크리트의 경우 4.178MPa, 본 발명의 아치형 강섬유로 보강된 콘크리트의 경우 4.302MPa로 나타났고, 등가휨강도는 각각 2.751MPa, 1.709MPa, 3.057MPa로 나타났다.
즉, 종래의 후크형 강섬유 및 원형 강섬유에 비해 본 발명의 실시 예에 따른 시멘트계 재료 보강용 아치형 강섬유의 휨강도는 6.35%, 2.97%, 등가휨강도는 11.1%, 78.9% 증가하였다.
이는, 본 발명의 실시 예에 따른 시멘트계 재료 보강용 아치형 강섬유가 원형강섬유에 비하여 본체의 양끝단 사이의 거리가 전체적인 형상이 거희 반원에 가깝게 멀리 떨어지도록 개방되어 있기 때문이다.
본 발명의 실시 예에 따른 시멘트계 재료 보강용 아치형 강섬유와 종래의 후크형 강섬유로 보강된 콘크리트의 경우 첫 균열 이후 시편의 처짐과 함께 하중 저하가 크게 나타나지 않는 반면 원형 강섬유로 보강된 콘크리트의 경우 첫 균열 이후 시편의 처짐과 함께 강섬유의 파단이 일어나면서 하중 저하가 크게 나타났다.
상기에서는 본 발명에 따른 시멘트계 재료 보강용 아치형 강섬유에 대한 이해를 돕기 위해 구체적인 실시 예를 들어 설명하였지만, 이러한 구체적인 실시 예로 본 발명의 기술사상을 한정하는 것은 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명으로부터 통상의 지식을 가진 자가 변경 또는 변형 가능한 정도 또한 본 발명의 범주로 이해하여야 할 것이다.
10 : 본체 11,11a : 굴곡단 12,12a : 직선단

Claims (5)

  1. 하나의 곡률 반경(R)을 갖는 아치형의 본체와, 상기 본체의 양끝단에 각각 일체로 형성되는 하나의 굴곡단과, 상기 굴곡단으로부터 연장된 하나의 직선단을 포함하며,
    상기 굴곡단이 상기 본체의 아치형에 대해 상반된 방향으로 구부러지고, 상기 직선단은 상기 굴곡단에 연이어진 형태로 이루어지며,
    상기 본체의 곡률 반경(R)은 5~80mm, 상기 본체, 상기 굴곡단, 및 상기 직선단의 전체 길이는 10~90mm이고, 상기 직선단의 길이는 0.5~10mm이고, 상기 굴곡단의 각도(α)는 30~160°이며,
    인장강도는 500~2800MPa, 인장 탄성계수는 200GPa 이상인 시멘트계 재료 보강용 아치형 강섬유.
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