섬유 강화 콘크리트(FRC)-는 시멘트 페이스트, 모르타르 또는 콘크리트를 매트릭스로 하고 섬유를 보강재로 구성한 시멘트-기반 복합 재료를 의미합니다. 섬유 콘크리트라고도 알려진 섬유{3}}보강 콘크리트는 일반적으로 시멘트 페이스트, 모르타르 또는 콘크리트를 매트릭스로 하고 불연속 단섬유 또는 연속 장섬유를 보강재로 구성하는 시멘트{4}} 기반 복합 재료를 의미합니다. 섬유는 매트릭스 콘크리트의 균열 발생을 제어하여 균열 저항성을 향상시킬 수 있습니다. 섬유의 높은 인장 강도와 신장률은 콘크리트의 인장 강도, 굴곡 강도, 충격 강도, 신장률 및 인성을 향상시킵니다. 섬유콘크리트의 주요 종류로는 석면시멘트, 강섬유콘크리트, 유리섬유콘크리트, 폴리프로필렌섬유콘크리트, 탄소섬유콘크리트, 식물섬유콘크리트, 고탄성계수 합성섬유콘크리트 등이 있다. 섬유와 시멘트- 기반 재료(시멘트 페이스트, 모르타르 또는 콘크리트)로 구성된 복합 재료의 일반적인 용어입니다. 시멘트 페이스트, 모르타르 및 콘크리트의 주요 단점은 낮은 인장 강도, 낮은 최종 신율 및 취성입니다. 이러한 단점은 높은 인장 강도, 높은 최종 신장률, 우수한 내알칼리성을 지닌 섬유를 추가함으로써 극복할 수 있습니다.
콘크리트에서 섬유의 역할:
일반 콘크리트는 부서지기 쉬운 재료로, 하중을 가하기 전에 이미 수많은 미세 균열이 발생합니다. 외부 힘이 증가하면 이러한 미세 균열은 점차 확장되어 결국 거대 균열을 형성하여 재료 파손을 초래합니다. 적절한 양의 섬유를 첨가하면 미세균열의 성장을 방지 및 억제하여 비보강 시멘트 매트릭스에 비해 복합재료의 인장강도 및 굴곡강도는 물론 파괴에너지도 크게 향상됩니다. 다양한 유형의 섬유는 콘크리트의 불투수성, 동결{3}}융해 저항성, 염화물 이온 침투 저항성 및 탄산화 저항성을 다양한 정도로 향상시킵니다. 섬유{5}}보강 콘크리트는 주로 특정 종횡비(섬유 길이 대 직경의 비율)를 갖는 단섬유를 사용합니다. 그러나 장섬유(예: 유리섬유 로빙, 폴리프로필렌 섬유화 필름)나 섬유 제품(예: 유리섬유 메쉬, 유리섬유 매트)이 사용되는 경우도 있습니다. 최대 인장 강도는 30{10}}50% 증가할 수 있습니다. 섬유{12}}강화 콘크리트에서 섬유의 주요 기능은 외부 힘에 의해 시멘트 매트릭스의 균열 성장을 제한하는 것입니다. 로딩(인장 및 굽힘)의 초기 단계에서 재료가 적절하고 적절한 고효율-감수제를 첨가하면 시멘트 베이스와 섬유가 함께 외력을 견디며 전자가 외력의 주요 베어링이 됩니다. 베이스가 균열되면 균열을 가로지르는 섬유가 외력의 주요 전달자가 됩니다. 섬유의 부피 함량이 특정 임계값을 초과한다고 가정합니다. 이 경우 전체 복합 재료는 계속해서 더 높은 하중을 견딜 수 있으며 섬유가 파손되거나 기본 재료에서 당겨져 복합 재료가 파괴될 때까지 더 큰 변형을 생성할 수 있습니다. 일반 콘크리트에 비해 섬유보강 콘크리트는 인장강도와 굴곡강도가 더 높고, 특히 인성이 향상됩니다.
섬유의 일반적인 분류
섬유는 재료 특성에 따라 분류할 수 있습니다.
① 강섬유(강섬유 강화 콘크리트), 스테인리스강 섬유(내열성 콘크리트에 적합-) 등의 금속섬유.
② 무기섬유, 주로 천연 광물섬유(크리소타일, 크로시돌라이트, 암모사이트 등) 및 인조-광물섬유(내알칼리-내성 유리섬유, 내알칼리-내성 미네랄울과 같은 탄소섬유).
③ 유기섬유, 주로 합성섬유(폴리에틸렌, 폴리비닐알코올, 나일론, 방향족 폴리이미드 등)와 식물섬유(사이잘, 아가베 등). 합성섬유 강화 콘크리트는 온도가 60도를 초과하는 환경에서 사용해서는 안 됩니다.
탄성률에 따라 섬유는 두 가지 주요 범주로 나눌 수 있습니다.
폴리프로필렌 섬유, 나일론 섬유, 셀룰로오스 섬유 등 시멘트 매트릭스보다 탄성률이 작은 섬유를 유연섬유라고 합니다.
매트릭스의 탄성률보다 큰 탄성률을 갖는 섬유를 강섬유, 유리섬유, 탄소섬유 등 경질섬유라고 합니다.
일반적인 콘크리트 섬유와 그 특성
강철 섬유
일반 콘크리트에 강섬유를 적당량 배합하여 만든 콘크리트를 강섬유콘크리트 또는 강섬유보강콘크리트라고 합니다. 일반 콘크리트에 비해 인장강도, 굴곡강도, 내마모성, 내충격성, 피로저항성, 인성, 내균열성, 내폭발성이 크게 향상됩니다. 고강도-강도 강철 와이어 컷-엔드 후크-형 섬유, 잉곳 밀링형-엔드 후크-형 섬유, 전단 특수-형상 섬유 및 저-합금강 용융-인발 섬유는 콘크리트 매트릭스와의 결합력이 향상되어 균열을 크게 방지하고 콘크리트를 강화하며 엔지니어링 프로젝트에서 널리 응용되고 있습니다.
장점과 단점
강섬유의 기술적 장점은 콘크리트의 인성과 인장 강도를 높이는 능력입니다. 그러나 강섬유는 혼합시 뭉쳐지는 경향이 있어 작업성이 좋지 않고, 펌핑이 어렵고, 시공이 어렵고, 녹이 발생하기 쉽다. 더욱이, 강섬유 콘크리트는 무겁고 상당한 철강 생산이 필요하므로 철강 소비와 비용이 증가합니다. 사용 중 강섬유 파손의 주요 형태는 부러지기보다는 뽑히는 현상으로 이는 강섬유와 콘크리트의 접착력이 부족하여 콘크리트의 인장강도 향상에 영향을 미치게 됩니다. 강인화 및 강화의 원리는 균열이 발생할 때 강철의 높은 모듈러스와 단일 섬유의 높은 인장 강도로 인해 균열이 더 이상 발생하는 것을 방지한다는 것입니다. 그러나 그 수가 제한되어 미세균열 억제효과가 크지 않고, 누수방지, 동결{5}}해동 등의 개선효과도 뚜렷하지 않다. 또한, 강섬유는 시공 시 밀도가 너무 높아 진동 및 타설 시 콘크리트 바닥으로 가라앉는 경우가 많아 고르게 분포되지 못하는 경우가 많다. 이것이 이론적 연구 결론이 좋은 주된 이유이지만 실제 적용 효과는 크게 다릅니다.
탄소섬유
탄소섬유콘크리트의 물리적, 기계적 특성을 향상시키기 위해 시멘트 매트릭스 내에 탄소섬유를 균일하게 분산시킨 복합재료입니다. 탄소섬유 콘크리트의 주요 특징은 기존 철근 콘크리트에서는 볼 수 없는 우수한 기계적 성질, 방수성, 자연 온도 변동에 대한 저항성 등입니다. 또한 안정적인 화학적 특성, -오래 지속되는 기계적 강도, 고알칼리성 환경에서 치수 안정성을 나타냅니다.
강철을 탄소섬유로 대체하면 염수로 인한 철근콘크리트의 열화 및 열화를 방지하고, 건물 구성요소의 무게를 줄이고, 설치 및 시공이 용이하며, 공사기간을 단축할 수 있습니다. 탄소 섬유는 또한 진동- 감쇠 특성을 갖고 있어 충격파를 흡수하고 내진성과 굽힘 강도를 10배 이상 증가시킵니다. 탄소섬유 콘크리트는 높은 인장강도, 굴곡강도, 내파괴성, 내식성을 나타냅니다. 탄소섬유 콘크리트는 낮은 팽창계수로 인해 내열성이 우수하고 열변형이 최소화됩니다.
탄소섬유 콘크리트에서 탄소섬유의 주요 기능은 콘크리트 내부의 미세균열의 전파를 방지하고 거대균열의 발생 및 발달을 방지하는 것이다. 따라서 주로 주 인장 응력에 의해 제어되는 인장 강도와 전단, 굽힘 및 비틀림 강도가 크게 향상됩니다. 동시에 매트릭스 변형 저항이 높아 인장, 굽힘 및 충격 인성이 향상됩니다. 탄소섬유의 부피분율이 1.18%일 때 시편의 쪼개짐 인장강도는 1.2% 증가한다. 복합 법칙에 따르면, 시멘트의 섬유 함량이 증가함에 따라 탄소 섬유의 강화 효과가 증가해야 합니다. 탄소섬유의 중량%가 5% 미만인 경우 이 관계는 거의 선형입니다. 함량이 더 증가하면 탄소섬유가 매트릭스 내에 고르게 분산되기 어려워 보강효과를 얻을 수 없으며, 탄소섬유 콘크리트의 인장강도마저 감소하게 된다. 또한, 탄소섬유 콘크리트는 내식성, 투수성, 내마모성, 수축성, 내구성도 우수합니다.
유리섬유
유리섬유 강화 콘크리트(GFRC)는 탄성률이 높은 내알칼리{0}}유리섬유를 시멘트 모르타르나 일반 콘크리트 전체에 균일하게 분포시켜 만든 복합재료입니다. 유리섬유의 직경은 시멘트 입자와 거의 동일한 5~20μm에 불과하기 때문에 GFRC에 사용되는 바인더는 시멘트 페이스트 또는 고운 모래이며 굵은 골재가 거의 없습니다. 따라서 이 재료로 만든 복합재료를 강화시멘트라고도 합니다. GFRC는 건설 엔지니어링의 미래 발전 추세입니다. 중량이 무거우며, 인장강도가 낮고, 내충격성이 떨어지는 등 기존 콘크리트 제품의 단점을 극복했을 뿐만 아니라, 기존 콘크리트에서는 볼 수 없는 특성도 갖고 있습니다. GFRC 제품은 더 얇고 가벼워졌습니다. 인장강도가 매우 높은 유리섬유를 보강재로 사용하기 때문에 인장강도가 높습니다. 콘크리트 내 유리섬유의 균일한 분포는 표면 균열을 방지합니다. 손상 시 상당한 에너지를 흡수하기 때문에 뛰어난 내충격성과 높은 굽힘 강도를 나타냅니다. GFRC 제품은 또한 우수한 탈형 특성을 제공하고 가공이 용이하여 다양한 형상에 쉽게 적응할 수 있습니다.
폴리프로필렌 섬유 콘크리트
폴리프로필렌 섬유 콘크리트는 일정 길이로 절단된 폴리프로필렌 섬유를 시멘트 모르타르나 기존의 콘크리트 매트릭스 속에 균일하게 분포시켜 매트릭스의 물리적, 기계적 특성을 향상시킨 복합재료입니다. 이 섬유-보강 콘크리트는 경량, 높은 인장 강도, 충격 및 균열에 대한 저항성과 같은 장점을 제공합니다. 폴리프로필렌 섬유는 강철 보강재를 부분적으로 대체하여 콘크리트 무게를 줄여 구조물의 내진성을 높일 수도 있습니다.
폴리프로필렌 섬유 콘크리트는 가장 널리 연구되고 적용되는 콘크리트입니다. 폴리프로필렌 섬유는 섬유의 형태와 구조에 따라 모노필라멘트, 평행섬유다발, 필름섬유로 분류할 수 있습니다. 모노필라멘트는 종횡비가 높은 반면, 평행한 섬유 다발은 시멘트 매트릭스 내에 쉽게 분산될 수 있습니다. 화학적 결합은 제한적인 반면, 기계적 결합은 강해 스트레스를 받아도 섬유가 빠지는 것을 방지합니다.
폴리프로필렌 섬유는 기존 콘크리트보다 인장강도가 높지만 탄성률이 상대적으로 낮아 높은 응력 조건에서 극심한 변형이 발생하기 쉽습니다. 그러나 폴리프로필렌 섬유를 적당량 첨가하면 이 복합재료의 내충격성은 일반 콘크리트에 비해 훨씬 뛰어납니다. 이를 통해 하중은 낮지만 내충격성과 인성은 높은 부품을 생산할 수 있는 매우 유망한 방법을 찾았습니다. 또한 폴리프로필렌 섬유는 녹-에 강하고 내산성 및 내알칼리성이 우수합니다.
현무암 섬유
연속 현무암 섬유(CBF)는 순수 천연 화산 압출암으로 만든 무기 섬유 소재입니다. 1450~1500도의 고온에서 녹인 후 빠르게 인발됩니다. 황금빛 갈색 외관, 우수한 종합 성능 및 저렴한 가격을 갖추고 있습니다.
현무암 섬유의 특성:
(1) 원료의 자연성. CBF 생산의 원료는 천연 화산 분출암에 의존하기 때문에 고유의 높은 화학적, 열적 안정성 외에도 인체 건강에 유해한 성분을 포함하지 않습니다.
(2) 종합적인 성능. 현무암 섬유는 진정한 "다-기능성" 섬유입니다. 예를 들어, 내산성-내성, 내알칼리성-내성, 저온-내온도-내성, 고온-내온-내성, 단열-절연, 전기 절연 및 방음-성능을 갖추고 있습니다. 인장 강도는 대형-토우 탄소 섬유의 인장 강도를 초과하고, 파단 연신율은 작은-토우 탄소 섬유보다 우수합니다. CBF는 극성 표면을 가지며 수지와 혼합 시 계면 젖음성이 우수합니다. CBF는 또한 3차원 분자 차원을 갖고 있으며, 이는 1차원 분자 차원을 갖는 선형 고분자 섬유에 비해 더 높은 압축 강도, 전단 강도, 가혹한 환경에 대한 적응성 및 내노화성을 비롯한 우수한 종합 특성을 가지고 있습니다.
(3) 저렴한 비용. 시멘트 콘크리트에 사용되는 현무암 섬유의 가격은 높지 않고, 강철섬유, 탄소섬유 등에 비해 현저히 낮으며, 합성섬유와 대등하다.
(4) 자연스러운 호환성. 현무암 섬유는 전형적인 규산염 섬유입니다. 시멘트, 콘크리트, 모르타르 등과 혼합 시 분산되기 쉽습니다. 갓 혼합된 현무암 섬유 콘크리트는 부피가 안정적이고 작업성이 좋으며 내구성이 좋습니다. 고온-내열성, 누출 방지 및 균열 방지, 내충격성이-우수합니다. 또한 현무암 섬유는 내알칼리-유리보다 내알칼리-내성이 더 뛰어납니다.
섬유{0}}철근 콘크리트의 응용
섬유 강화 콘크리트는 재료의 정적 및 동적 특성을 활용하는 시공자와 건축업자의 능력에 따라 다양한 응용 분야에 사용됩니다. 일부 응용 분야에는 활주로, 주차장, 포장 도로, 터널 라이닝, 경사 안정성, 쉘, 벽, 파이프, 맨홀 뚜껑, 댐, 수력 구조물, 육교, 도로, 교량 및 창고 바닥이 포함됩니다.
섬유는 콘크리트의 성능과 내구성을 향상시키는 데 중요한 역할을 합니다. 강철 섬유, 유리 섬유, 폴리프로필렌 섬유, 천연 섬유 등 각 유형은 고유한 장점을 가지며 다양한 건축 요구 사항에 적합합니다. 엔지니어는 섬유 유형과 사용량을 적절하게 선택함으로써 콘크리트의 균열 저항성, 인성 및 장기-강도를 효과적으로 향상시킬 수 있을 뿐만 아니라 후속 유지 관리 비용도 크게 줄일 수 있습니다. 건설 기술이 계속해서 발전함에 따라 섬유{4}}강화 콘크리트는 더욱 강하고 안전하며 지속 가능한 구조물을 만들기 위한 핵심 솔루션이 되고 있습니다.
