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콘크리트는 현대 건축의 기초 역할을 하며, 성능의 지속적인 개선이 엔지니어링의 주요 초점입니다. 섬유보강콘크리트(FRC)의 등장은 이 필수 소재에 새로운 활력을 불어넣었습니다. 그러나 이는 또한 수많은 질문을 제기합니다. 섬유란 정확히 무엇입니까? 매크로섬유와 마이크로섬유의 차이점은 무엇입니까? 적절한 섬유 유형과 복용량을 어떻게 선택해야 합니까? 이 기사에서는 섬유 강화 콘크리트에 대한 심층적인 탐구를 제공하고 실제 적용 문제를 해결하며 보다 견고하고 내구성이 뛰어난 건물을 건설하기 위한 지침을 제공합니다.
섬유는 단순한 첨가제가 아닌 보강재로 기능하여 콘크리트에서 중요한 역할을 합니다. ACI CT-18(콘크리트 용어)에 정의된 대로 섬유는 균열을 연결하고 콘크리트를 서로 결합하여 전반적인 성능을 크게 향상시킵니다.
매크로섬유와 마이크로섬유의 주요 차이점은 일반적으로 등가 직경 또는 선형 밀도로 측정되는 크기에 있습니다. FRC 산업에서 선형 밀도는 종종 데니어로 표현되며, 이는 섬유 9,000m의 질량(그램)을 나타냅니다.
마이크로파이버와 매크로파이버의 주요 차이점은 다음과 같습니다.
다양한 합성 매크로섬유 유형이 존재하며 각각 고유한 장점이 있습니다. 인장 강도, 탄성 계수, 재료 구성 또는 모양과 같은 물리적 특성 외에도 혼합 성능, 볼링 경향, 표면 마감 품질 및 콘크리트와의 접착 특성 등 덜 분명한 차이점이 있습니다.
성공적인 합성 매크로섬유 사용의 핵심은 성능 요구 사항과 작업성/마무리 요구 사항을 모두 충족하는 적절한 복용량을 선택하는 데 있습니다. 더 강한 섬유나 더 나은 접착 특성을 가진 섬유는 약한 섬유보다 재료가 덜 필요할 수 있습니다. 제조업체는 불확실성이 존재할 경우 권장되는 시험 혼합과 함께 복용량 권장 사항을 뒷받침하는 테스트 데이터를 제공해야 합니다.
극세사는 주로 플라스틱 수축 균열을 제어합니다. 연구에 따르면 일반적인 복용량에서는 경화 콘크리트에서 무시할 수 있는 하중 지지력을 제공합니다. 극세사 사용량이 높을수록 섬유 수와 표면적이 증가하여 혼합이 복잡해지고 잠재적으로 작업성 문제와 심각한 슬럼프 손실이 발생할 수 있습니다.
동일한 유형의 짧은 섬유에 비해 긴 섬유는 더 넓은 표면적을 갖고 있어 경화된 콘크리트의 고정력을 개선하고 동일한 용량에서 균열 후 성능을 향상시킵니다. 그러나 특정 모양, 강성 특성 및 콘크리트 압축 강도에 따라 각 섬유 유형에 대한 최적의 길이가 존재합니다.
배치 방법 및 마감 요구 사항을 고려한 사전 프로젝트 시험 혼합은 이상적인 섬유 길이를 결정하는 데 도움이 되며 볼링 또는 표면 섬유 돌출과 같은 문제를 방지합니다.
합성 매크로섬유(특히 크고 거친 모노필라멘트)는 사용량에 따라 강철 섬유와 비슷한 잔류 강도를 제공할 수 있습니다. 예상되는 변형 및 환경 조건과 같은 다른 요인도 섬유 선택에 영향을 미칩니다. 강철 섬유가 필요한 일부 구조 응용 분야의 경우 합성 대체재가 검증되지 않았습니다.
합성 매크로섬유는 일반적으로 강철 섬유보다 인장 강도와 탄성 계수가 낮지만 잠재적인 균열을 메우기 위해 훨씬 더 많은 섬유를 제공합니다. 적절하게 투여되면 균열 전체에 걸친 총 응력 전달 용량은 동일해야 합니다. 효과적인 단면 강도는 섬유 매트릭스 결합 품질에 따라 달라집니다. 결합이 불충분한 고강도 섬유는 강화 효과가 떨어집니다. FRC 성능은 개별 섬유 특성이 아닌 복합재 거동을 반영합니다.
섬유 강화 콘크리트(FRC)는 수경 시멘트 콘크리트에 개별 섬유(일반적으로 최대 2.5인치 또는 64mm)를 통합합니다. 섬유 강화 폴리머(FRP)는 시멘트나 골재 없이 폴리머 매트릭스에 내장된 상당히 긴 섬유를 사용합니다.
필요한 섬유량은 지정된 FRC 성능 기준에 따라 다릅니다. 플라스틱 수축을 제어하는 마이크로섬유의 경우 ASTM C1579에 따라 CRR(균열 감소율)이 투여량 결정을 안내합니다. 경화 콘크리트의 매크로섬유의 경우, 투입량은 요소 유형/두께, 콘크리트 강도, 보강 사양 및 하중 요구 사항을 고려하여 지정된 잔류 강도(ASTM C1399), 균열 후 등가 굴곡 강도(ASTM C1609) 또는 에너지 흡수 용량(ASTM C1550)을 충족해야 합니다.
많은 공급업체는 적절한 복용량을 계산하기 위해 설계 도구(특히 슬래브용)를 제공합니다.
슬래브의 경우 일반적으로 제조업체가 요구 사항이나 산업 표준을 충족하기 위해 표준화된 제품 테스트를 기반으로 최소 용량을 설정합니다.
복합 금속 데크에 대한 ANSI/SDI C-2017은 온도/수축 제어에 사용될 때 합성 섬유의 경우 최소 매크로섬유 투입량을 4.0lb/yd³(2.4kg/m³), 강철 섬유의 경우 25.0lb/yd³(14.8kg/m³)로 지정합니다. UL 요구 사항에 따른 상한은 합성 섬유의 경우 5.0lb/yd³(3.0kg/m³)이고 강철 섬유의 경우 66.0lb/yd³(39.2kg/m³)입니다. 섬유 보강재는 현재 복합 데크 조립품의 네거티브 모멘트 강철을 대체하지 않습니다.
제조업체 권장 사항 또는 규정 요구 사항보다 낮은 복용량은 권장되지 않습니다. 엔지니어는 용도나 복용량이 확실하지 않은 경우 섬유 제조업체에 문의해야 합니다.
여러 출처에서 다양한 구조 응용 분야의 매크로섬유 강화 콘크리트에 대한 설계 지침을 제공합니다.
섬유 제조업체는 추가 제품별 지침을 제공할 수 있습니다.
매크로파이버 FRC 사양은 ACI 544.4R에서 승인된 방법을 사용하여 다음과 같은 특성 매개변수를 계산하는 성능 기반 및 애플리케이션별 사양이어야 합니다.
샘플 사양: "섬유량은 4,000psi(28MPa) 콘크리트에서 최소 200psi(1.4MPa) 잔류 강도를 제공해야 합니다." 규정 준수 여부는 관련 ASTM 표준에 따라 제조업체 테스트 데이터를 통해 확인해야 합니다.
숏크리트의 경우 섬유강화 숏크리트(FRS) 성능은 에너지 흡수 능력(ASTM C1550 또는 EN 14488-5)에 따라 결정됩니다. 샘플 사양: "섬유 투여량은 4,000psi(28MPa) 숏크리트에서 7일 동안 최소 280J의 에너지 흡수를 제공해야 합니다."
FRC의 균열 후 성능은 ASTM C1609, C1399 또는 C1550(에너지 흡수)을 통해 평가할 수 있습니다. 엔지니어는 ACI 544.4R 지침을 참조하여 설계 의도와 필요한 성능 수준을 기반으로 적절한 값을 결정해야 합니다.
노출된 환경에서 콘크리트 표면 근처의 특정 섬유(예: 강철)는 부식될 수 있습니다. 이러한 국부적인 부식이 구조적 완전성을 손상시키지는 않지만 미학적 영향을 미리 평가해야 합니다. 합성 및 천연 섬유는 부식성이 없고 화학적으로 불활성이며 환경 조건에 영향을 받지 않습니다.
섬유는 일반적으로 콘크리트의 1차 균열 굴곡 강도(파단 계수, ASTM C78)를 증가시키지 않지만 슬래브 굴곡 능력과 피로 강도를 향상시킵니다. 적절한 섬유별 인성 값을 사용하면 더 얇은 콘크리트 단면이 설계 하중을 지탱할 수 있습니다.
ANSI/SDI C-2017은 구조적 응력 저항이 아닌 균열 제어를 위해 WWR(용접 와이어 보강재)을 대체하기 위해 강철 또는 합성 매크로섬유(최소 요구 사항을 충족하는 제조업체가 결정한 용량)를 허용합니다.
UL 및 ICC-ES 평가에 따라 일부 극세사는 특정 방화 바닥/천장 조립품에서 WWR 대안으로 인정됩니다.
이러한 역사적 문제는 주로 부적절한 마감 기술을 사용했을 때 합성 마이크로섬유에서 발생했습니다. 최신 모노필라멘트 마이크로섬유(일반적으로 1.0~1.5lb/yd³ 또는 0.6~0.9kg/m³로 제한)와 매크로섬유는 이러한 효과를 최소화합니다. 적절한 혼합, 배치 및 마감 처리를 통해 우수한 표면이 생성됩니다. 표면 섬유 돌출은 슬래브 무결성을 손상시키지 않습니다. 미적 문제가 발생할 경우 로즈버드 토치는 노출된 섬유를 녹일 수 있습니다.
일부 합성 섬유(예: 나일론)는 소량의 배치 물을 흡수하지만 일반적인 폴리프로필렌/폴리에틸렌 섬유는 소수성입니다. 고용량에서 명백한 슬럼프 감소는 섬유가 수분 흡수보다는 응집제로 작용하기 때문에 발생합니다.
물을 첨가하면 콘크리트 강도가 감소합니다. 높은 섬유 함량이 작업성에 영향을 미치는 경우 추가 물이 아닌 화학 혼합물을 사용해야 합니다.
이상적인 추가 지점은 섬유 모양, 강성 및 복용량에 따라 다릅니다. 일부는 첫 번째 재료로 가장 잘 작동하고 다른 일부는 모든 재료를 넣은 후에 성능이 좋습니다. 제조업체는 최적의 첨가 시기와 혼합 기간을 결정하기 위해 권장되는 사전 프로젝트 시험을 통해 지침을 제공할 수 있습니다.
일반 콘크리트의 경우 레디믹스 작업에서는 일반적으로 모든 재료를 첨가한 후 4~5분 동안 혼합하는 것이 좋습니다.
모든 섬유 유형은 불충분한 혼합, 부적절한 순서 지정 또는 섬유 코팅에 충분한 미세한 입자가 부족한 지나치게 건조한 혼합물의 첨가로 인해 볼링될 수 있습니다. 사전 프로젝트 시험은 의도한 섬유 유형 및 용량과의 혼합 호환성을 확인하는 데 도움이 됩니다.
슬럼프 효과는 다음에 따라 달라집니다.
슬럼프 콘 측정은 배치 일관성을 나타내지 반드시 실제 작업성을 나타내는 것은 아닙니다. 시각적인 슬럼프가 줄어든 것처럼 보이지만 실제 작업성은 덜 영향을 받을 수 있습니다. 프로젝트 전 시험을 통해 작업성 조정이 필요한지 여부를 결정합니다.
마이크로섬유는 동일한 길이 대 직경 비율 및 복용량에서 파운드당 섬유 수가 더 많기 때문에 매크로섬유보다 슬럼프에 더 큰 영향을 미칠 수 있습니다. 일반적으로:
가소제(중급 또는 고급 감수제)는 슬럼프 손실을 상쇄해야 합니다. 적절한 페이스트 함량을 보장하기 위해 고용량에서는 혼합물 조정이 필요할 수 있습니다. 강도 감소 및 분리를 방지하기 위해 과도한 물을 피하십시오.
매크로섬유는 일반적으로 공기 함량이나 압축 강도에 부정적인 영향을 미치지 않습니다. 인지된 변화는 종종 과도한 혼합, 물 추가, 온도 변화 또는 집합체의 잘못된 수분 측정으로 인해 발생합니다. 공기 변동은 실제 슬럼프 변화와 관련될 수도 있습니다. 특정 역사적 섬유 표면 처리로 인해 원치 않는 공기가 유입될 수 있었지만 이제는 이러한 현상이 거의 발생하지 않습니다.
단위중량 변화는 섬유종류 및 배합설계 조정에 따라 달라집니다. 합성 섬유는 일반적으로 공기 함량이 일정하게 유지되면 단위 중량을 변경하지 않습니다. 밀도가 높은 강철 섬유는 부피 비율 및 혼합 조정에 따라 단위 중량이 증가할 수 있습니다.
보통 중량 콘크리트에서는 재료 비중과 혼합 콘크리트 점도로 인해 적절하게 비율이 혼합된 섬유가 뜨거나 가라앉지 않습니다. 섬유는 실제로 더 큰 집합체를 정지시키고 분리를 방지하는 데 도움이 됩니다.
일반적으로 호환 가능하지만 일부 섬유 가공 보조제 또는 방사 마감재는 다른 콘크리트 화학 물질에 영향을 미칠 수 있습니다. 항상 섬유 제조업체에 확인하십시오.
