섬유보강 콘크리트

纖維補强 콘크리트

시멘트 페이스트, 몰탈 또는 콘크리트를 메트릭스(基材)로 하고 그 중에 짧은 섬유질 재료를 일제히 분산시킴으로서 메트릭스가 갖는 脆性재료로서의 약점을 극복하여 휨강도, 剪斷强度, 인장강도, 신축능력 등을 늘리는 한편 인성을 현저희 높인 복합재료를 총칭하여 "섬유보강콘크리트"라 하고 있다.

1. 섬유보강 콘크리트의 分類

섬유보강콘크리트는 상술한 바와같이 총칭하여 쓰고 있으나 때로는 섬유보강시멘트와 대비하여 쓰여지고 있다.

이 경우 섬유보강콘크리트는 "콘크리트 또는 몰탈중에 직경 0.1㎜이상의 단섬유를 분산시키는 것"을 말하고 그 대표적인 예로서는 鋼섬유보강콘크리트 (STEEL FIBER REINFORCED CONCRETE 이하 SFRC라 함)가 있다.

이에 대해 섬유보강시멘트는 "시멘트페이스트 또는 몰탈에 직경 5~15μ정도의 섬유(또는 그것을 몇本씩 묶은 것)을 분산한 것"을 가리키고 그 대표적인 예로서는 유리섬유보강시멘트 (GLASS FIBER REINFORCED CEMENT 이하 GRC라 함)가 있다. 보강용 섬유로서는 상기외에 폴리프로피렌과 탄소섬유 등도 고려되고 있다.

2. 역사적 발생 및 배경

脆性재료에 섬유를 섞어 그 성질을 개선시키려는 시도는 오래전 고대 이집트의 맥고를 넣은 日于벽돌로 시작된다고 한다.

그러나 그 이후 학문으로서 검토가 될 때까지 많은 세월을 요했다.

SFRC의 역사는 금세기에 들면서 행하여진 구미에 있어서 몇가지 연구로 시작되며 그 본격적인 실용화의 길은 1963년에 미국의 ROMUALDI가 발표한 일련의 강섬유 보강콘크리트에 관한 연구에 의해 알려졌다.

이러한 연구성과는 1969년에 미국 특허가 됨으로서 SFRC의 연구개발의 기초가 된 것이다. 한편 GRC에 대해선 1960년대 전반부터 소련의 BIRYUKOVICH에 의해 시멘트 콘크리트용의 보강재로서 유리섬유에 관한 조직적인 연구가 시작되었으나 이러한 연구에는 시멘트에서 遊離하는 강한 알칼리중에 유리가 열화하는 문제를 극복하지 못하고 실용화에 이르지 못했었다.

그러나 1960년대 후반이 되어 영국 건축연구소의 MAJUMDAR가 영국 유리제조업자인 빌킨톤사와 공동으로 공업적으로 제조가능한 耐알칼리 유리섬유를 개발함에 따라 GRC의 실용화가 열렸다.

3. 現狀 및 留意點

(1) SFRC

① SFRC의 제공, 시공

몰탈 또는 콘크리트에 길이 10~50㎜, 두께 0.1~0.5㎜정도의 강섬유를 분산한 것을 SFRC라 하고 있다. 강섬유로서는 冷延薄鋼板을 전단한 전담섬유가 많이 쓰여지고 실용적인 섬유혼입율은 메트릭스에 대한 용적비로 1~2%이다.

SFRC의 제조, 시공은 종래의 콘크리트 제조용 설비를 써서 메트릭스중에 강섬유를 혼입하고 섞은걸 거푸집속에 타설한다는 방법이 일반적이다.

이 과정에서 제일 주의를 요하는 것은 강섬유를 혼입함으로서 생기는 대폭적인 콘시스턴시의 저하와 분리를 막고 섬유의 균일한 분산을 확보하는 것이다.

그러므로 배합면에서는 종래 콘크리트와는 다른 세골재율은 50~70%, 단위 시멘트량은 400㎏/㎡이상으로 하고 조골재로서는 최대치수로 15㎜이하의 것을 쓰는 일이 많다. 비빔시에는 섬유굳힘이 만들어지지 않기 때문에 섬유분류장치로 섬유를 섞으면서 믹서에 투입하고 있다. 또 다짐에 내부진동기를 쓰면 섬유의 균일한 분산을 막으므로 일반적으로는 외부진동기를 쓰고 있다.

② SFRC의 物性

SFRC는 일반콘크리트에 비해 초기균열하중과 종국하중이 크게됨은 물론 타프니스 (TOUGHNESS)가 비약적으로 향상한다.

섬유판을 혼입함에 따라 얻어지는 물성의 향상은 휨강도뿐만 아닌 인장강도와 전단강도, 기타 물성에 대해서 확실하며 이러한 SFRC의 물성을 좌우하는 요인으로서 메트릭스 자체의 물성외에 섬유의 혼입률과 그 형사(특히 길이와 직경의 비인 細長比) 및 섬유의 분산, 配向의 상태 등이다. 섬유혼입률의 영향에 대해서는 다른 조건을 일정하게 한 경우 SFRC의 물성이 혼입률에 거의 비례하여 향상된다.

섬유혼입률은 2%의 SFRC는 콘크리트에 비해 인장강도는 1.3 ~ 1.8배, 휨강도 ·전단강도는 1.5~2.0배, 압축강도는 1.0~1.3배 정도가 된다. 또 타프니스는 그 개선의 효과가 제일 현저하고 2%혼입으로 30~200배가 된다.
이외 초기균열강도는 1.5배,신축능력(초기 균열발생시의 인장왜곡)은 1.8배 정도가 된다. 또한 충격력에 대한 에네지 흡수율도 10배 가까이됨은 물론 내피로성과 동결융해저항성, 내마모성도 향상된다고 한다.

다음에 섬유의 형상, 특히 세장비에 대해서는 이 값이 큰 섬유를 쓰는만큼 메트릭스와 섬유와의 평균부착력이 크게되므로 SFRC의 제물성이 향상한다. 그러나 실제 제조시에는 세장비가 매우 큰 섬유를 쓰면 섬유의 균일한 분산이 어렵게 되므로 일본에는 일반적으로 세장비 50~70으로 길이 20~30㎜정도의 섬유를 쓰고 있다.

섬유를 모든 응력의 방향으로 배향시키면 3차원 랜덤(RANDOM)하게 배향하고 있는 경우에 비해 휨강도는 2배정도라는 보고가 있다. 섬유의 배향을 특정방향으로 정돈하면 SFRC물성을 한층 향상시키므로 흄관의 제조 등의 방면에서 검토가 진행되고 있다.

섬유의 균일한 분산은 복합재료로서 제일 중요한 문제의 하나이고 SFRC의 諸物性에 커다란 영향을 준다고 생각하나 현재에는 그다지 연구가 진행되지 않는다. 今後 발전이 바람직하다.

③ SFRC의 應用

도로와 활주로의 포장, 간막이 벽과 콘크리트 판넬 등의 콘크리트 제품, 爐材 등 최근에는 턴낼라이닝(TUNNEL LINING)과 건축구조체 등 폭넓은 분야에서 응용개발이 적극적으로 이루어짐으로써 今後 점차 그 적용분야가 넓어진다고 생각한다.

(2) GRC

① GRC 제조방법

시멘트페이스트 또는 몰탈중에 耐알칼리유리섬유를 분산한 것을 GRC라 한다.
GRC의 제조방법을 대별하면 몰탈의 스프레이와 유리섬유의 스프레이와의 패턴을 겹쳐 동시에 몰드에 뿜는 스프레이와 유리섬유와 몰탈을 기계적으로 혼합하여 몰탈속에 캐스트하는 프리믹스(PREMIX)법이 있다.
또한 스프레이법은 그대로 경화시키는 디랙트 스프레이법과 스프레이 후 몰드로부터 진공을 작용시켜 탈수하는 스프레이석션(SPRAY-SUCTION)법이 있다.

② GRC의 物性

GRC 는 우수한 강도특성, 높은 내충격성, 내화성, 디자인의 자유성 등 많은 우수한 성능을 갖는다. 특히 역학적 성능은 GRC제조방법에 따라 크게 다르다.

③ GRC응용

GRC는 건축부재로서 커튼과 내, 외장용으로 사용되는 예가 많다. 기타 미니하우스(MINI HOUSE)와 가든퍼니춰(GARDEN FURNITURE)등에 쓰여지나 금후 발전하리라 보는 분야는 건축, 토목용 묻음 거푸집이다.