콘크리트 공학. 특수콘크리트. 섬유보강콘크리트

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FRC는 장기재령에서도 강도저하는 거의 일어나지 않고 성능저하현상도 거의 나타내지 않으며 화학적 저항성이 우수하여 가혹한 환경 하에서도 구조물의 건전성이 유지된다. FRC의 주된 목적의 하나로 균열의 분산효과인데, RC의 경우 균열이 하나로 집중되면 균열폭이 크게 되고 미관상으로도 보기 좋지 않으며 내부로 물이 침투하여 철근을 부식시킬 우려가 있으나 AF를 혼입함에 의하여 다수의 미세균열로 분산시킬 수 있다. 용도로는 탄소섬유 및 알라미드 섬유와 같이 고강도고탄성의 소재를 장섬유로 사용하는 경우 철근의 대체재로서 그 사용이 기대된다.
비닐론 섬유보강 시멘트 복합체(VFRC)
비닐론은 다른 합성수지에 비해 고강도, 저신도, 고탄성이고, 내후성, 친수성 및 내산내알칼리성이 우수하며 또한 섬유표면의 복잡한 주름에 의해 우수한 접착성을 나타낸다. 최근에 개발된 FRC용 비닐론은 월등한 고강도고탄성계수를 가지고 있어 비교적 작은 섬유혼입에 의해서도 우수한 보강효과를 기대할 수 있고, 비중이 작기 때문에 시멘트 매트릭스 보강은 섬유혼입률에 의한 영향이 내알칼리 GF, SF 등의 무기계섬유보다 크게 나타난다.
비닐론 보강 초조슬레이트는 종래의 석면슬레이트에 비해 VFRC의 경우 Vf = 2% 정도로서 석면 15%제품과 동등한 휨강도를 얻을 수 있으며, 석면제품에 비해 파단시의 처짐이 크게 되는 특성이 있다. 또 FRC용 비닐론 보강 슬레이트는 종래의 비닐론 슬레이트에 비해 휨강도가 대단히 크고 섬유직경이 가늘어짐에 따라 비표면적 증가로 매트릭스에 대한 계면 접착력이 향상되고 파단시의 처짐이 석면제품과 비슷해 1년 후에도 성능저하는 보이지 않는다.
비닐론은 SF에 비하여 파단시 뽑힘이 많은데 비해 후미강도에 대한 보강성은 크고 보통콘크리트에 비하여 파단까지의 처짐이 대단히 크며, 섬유혼입률 증가에 따라 파괴응력은 현저히 향상된다. 또한 휨파괴단계에서는 보통제품이 하나의 균열발생으로부터 한꺼번에 파단에 이르는데 비해 VFRC는 섬유보강 특유의 미세균열이 무수하게 발생하여 균열이 분산된다.
FRC용 비닐론을 일축방향으로 배치했을 때 균열강도는 보통모르타르의 2배로 되고, 평판의 파단강도는 4배 이상이며, 인성도 현저히 향상된다. 기본적으로 비닐론의 종류에 관계없이 보강효과를 얻을 수 있으나 시공 상의 관점에서 선택할 필요가 있다.
단섬유 무정형, 일축방향 복아 및 부직포 상의 무정형 배열 필라멘트 등의 비닐론을 보강한 시멘트 평판에서의 일출방향 보강은 섬유와 직각방향의 휨에는 큰 보강성을 나타내지만 이것과 직각방향에서의 보강은 기대할 수 없다.
용도로는 석면대체의 고급슬레이트, 균열방지를 위한 모르타르 보강, 경량 VFRC패널 및 몰드성형물, 법면보강, 석면대체 압출성형품 및 측도블록의 콘크리트제품, 콘크리트보강용 옥외계단 등에 이용되고 있으며 앞으로도 많은 적용이 기대된다.
폴리프로필렌 섬유보강콘크리트(PFRC)
폴리프로필렌 섬유는 필름상 섬유와 mono-filament의 두 종류로 분류된다. 필름상 섬유는 다시 가는 소섬유의 속상으로 된 것과 net상으로 된 것이 있고, 현재의 섬유제조기술을 이용해 비교적 간단하고 저렴하게 제조되며, mono-filament 섬유는 직경이 1mm 전후의 단단한 1본의 섬유로 된 것과 압출테이프를 두께 0.02∼0.04mm, 폭 0.1∼1.0mm로 한 것을 연신 및 열처리를 거쳐 일정한길이로 자른 단섬유가 있다. 일반적으로 폴리프로필렌 소재의 고유의 특성은 다음과 같다. 첫째 고도의 결정성과 탄소고리의 입체 규칙적 배열을 하고 있어 인장강도가 크다. 고융점을 가지고 단시간에 100도 이상의 온도에도 사용할 수 있다. 마지막으로 여러 화학약품에 대해 불활성을 나타내어 산 및 알칼리에 대한 저항성이 크다.
PFRC의 압축강도는 1f = 20mm에서는 전체적으로 보통모르타르에 비해 증가하지만 1f = 25∼30mm의 경우는 섬유혼입률이 증가하면 감소하는 경향이 있으며 또 1f = 40mm에서는 Vf = 3%까지는 거의 일정하지만 그 이후에는 감소한다.
인장강도는 섬유혼입량이 증가하면 증가하고 1f = 25mm 이하의 단섬유의 경우 Vf가 증가하면 단섬유의 배향의 영향으로 강도가 크게 변동한다. PFRC는 Vf = 2%까지는 균열발생하중이 크지만 균열발생하중 이후는 하중이 그다지 증가하지 않고 섬유의 인발로 변형만이 증가되며 Vf = 3% 이상에서는 균열발생하중은 작지만 균열구속효과가 크게 나타나 하중과 변형이 현저히 증가한다. 이는 Vf = 2%의 경우 섬유가 시멘트 매트릭스에 양호하게 부착하여 미세균열의 진전을 억제하는 효과가 크기 때문에 미세균열의 발생하중을 향상시키기 때문이다.
내알칼리성 및 내산성이 우수하여 PFRC에서의 섬유표면은 성능저하현상은 거의 보이지 않고 건조수축에 의해 섬유가 약간 가늘어지는 경향이 있으나 우수한 내구성을 나타낸다. 또한 PFRC는 내화성에 다소 문제가 있으나 고온에서는 폴리머의 효과가 발휘되어 다수의 가는 골과 구멍이 형성되며 패널자체는 완전히 유지되는 것으로 보고되고 있다.
PFRC의 적용 예로는 net상 필름섬유에 의한 NETCEM은 벽, 펜스의 파판, 평판기와 지붕, 수조, 외장패널 및 배수관, 장식기둥 그리고 영구형틀, 창고부재, 방음벽, 내벽 및 물이 새는 곳의 시트패널, 해중파이프라인의 외측 등에 사용되고 있으며, 지진 및 우발적 충격에도 충분히 저항해 FRP판 및 CFRC판과 비교해 보다 안정되고 강해 지금까지 사용되지 않은 구조분야에서의 사용도 가능할 것으로 기대된다. 한편 길이 40mm 정도의 단섬유는 기둥 및 벽, 지붕상판, 내외장의 각종 모르타르, 원통형 말뚝 부유 unit, 호안보수 등에 이용되며 mono-filament 섬유의 경우도 장식외장패널, 목재대체재료, 맨홀 및 석면 대체제품, housing unit 등의 2차 제품에도 이용되고 있다.
참조 문헌
최신콘크리트공학 (이용구 이수철 등, 구미서관, 2010)
기술보고서 섬유보강콘크리트 (철근콘크리트 분과 위원회, 대한건축학회, 1997)
최신 콘크리트공학, 한국콘크리트학회, 1992, 2005
콘크리트 재료공학, 정재동, 보성각, 1998

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