설계 시멘트 복합체
Engineered cementitious composite변형 경화 시멘트 기반 복합체(SHCC) 또는 보다 일반적으로 벤딩 가능한 콘크리트라고도 불리는 공학적 시멘트 복합체(ECC)는 특별히 선택한 짧은 무작위 섬유, 보통 폴리머 섬유로 보강된 쉽게 성형된 모르타르 기반 복합체다.[1]일반 포틀랜드 시멘트(OPC) 페이스트, 모르타르 또는 콘크리트의 경우 0.01%에 비해 ECC는 3~7%[1]의 범위에서 인장 변형능력을 가진다.따라서 ECC는 (OPC 콘크리트가 그러하듯이) 깨지기 쉬운 유리 재료라기 보다는 연성 금속 재료와 더 비슷한 작용을 하여 광범위한 용도를 이끌어 낸다.
개발
ECC는 일반 섬유강화콘크리트와는 달리 마이크로메카닉으로 설계한 소재 제품군이다.[2][3]시멘트 재료가 마이크로메카닉과 파단 역학 이론을 바탕으로 큰 인장 연성을 특징으로 하여 설계/개발되는 한 ECC라고 할 수 있다.따라서 ECC는 고정된 재료 설계가 아니라 연구, 개발, 구현의 다른 단계에 따른 광범위한 주제다.ECC 소재 제품군이 확대되고 있다.ECC의 개별 혼합 설계를 개발하기 위해서는 나노, 마이크로, 매크로 및 복합 눈금에서 체계적으로 재료를 엔지니어링하는 특별한 노력이 필요하다.
ECC는 압력을 받으면 변형(또는 구부러질 수 있다는 점을 제외하면 일반 포틀랜드 시멘트 기반 콘크리트와 비슷하게 보인다.[1]미시간대, 캘리포니아대, 어빈대, 델프트공대, 도쿄대, 체코공대, 브리티시컬럼비아대, 스탠퍼드대 등 다수의 연구단체가 ECC과학을 개발하고 있다.기존 콘크리트의 내구성 부족과 긴장된 고장 모두 깨지기 쉬운 거동에 기인하는 것이 ECC 개발에 추진 요인이 되어 왔다.
특성.
ECC는 다른 섬유보강 복합재에 비해 우수한 인장 특성, 기존 시멘트와 동등한 공정 용이성, 소량의 섬유 분율 사용(~2%)만 사용(~2%) 엄격한 균열폭, 비등분성 약면 부족 등 다양한 고유 특성을 가지고 있다.[4]이러한 성질은 주로 섬유와 시멘트 매트릭스 사이의 상호작용에 기인하는데, 이것은 마이크로메카닉 설계를 통해 맞춤형으로 만들 수 있다.본질적으로 이 섬유들은 (기존 콘크리트와 같이) 아주 큰 몇 개의 균열보다는 매우 특정한 폭을 가진 많은 미세 크랙을 만들어낸다.이를 통해 ECC가 치명적인 고장 없이 변형될 수 있다.
이러한 미세균열 작용은 내식성(균열이 너무 작고 많아 공격적인 매체가 철근에 침투하여 공격하기 어렵다)이 우수할 뿐만 아니라 자가 치유까지 이어진다.[5][6][7]물이 있는 곳(예를 들어, 폭풍우 때)에서는 최근 균열 수화물로 인해 노출된 미처리 시멘트 입자가 균열을 확장하고 채우는 다수의 제품(Calcium Silicate Hydrate, Calcite 등)을 형성한다.이 제품들은 균열을 채우는 흰색 '스카르' 자재로 보인다.이러한 자가 치유 행동은 유체의 이동을 막기 위해 균열을 봉인할 뿐만 아니라 기계적 성질을 되찾는다.이러한 자가 치유는 다양한 재래식 시멘트 및 콘크리트에서 관찰되었지만, 일정한 균열폭 이상의 자가 치유는 효과가 떨어진다.자연 환경에 노출되었을 때 모든 균열이 완전히 치유되도록 하는 것은 ECC에서 볼 수 있는 엄격하게 통제된 균열 폭이다.
보다 전도성 재료와 결합하면 모든 시멘트 재료가 증가하여 손상 감지에 사용할 수 있다.이것은 본질적으로 전도성이 손상됨에 따라 변화한다는 사실에 근거한다; 전도성 물질의 첨가는 전도성을 쉽게 식별할 수 있는 수준으로 끌어올리기 위한 것이다.ECC 자체의 물질적 특성은 아니지만, 손상 감지를 위한 반전도적 ECC가 개발되고 있다.
종류들
ECC에는 다음과 같은 다양한 종류가 있다.
- 경량(즉, 저밀도) ECC는 공기 공극, 유리 기포, 폴리머 구체 및/또는 경량 골재를 추가하여 개발되었다.다른 경량 콘크리트에 비해 경량 ECC는 연성이 우수하다.신청서에는 부유층 주택, 바지선, 카누 등이 포함된다.
- '셀프 압축 콘크리트'는 자체 무게로 흐를 수 있는 콘크리트를 말한다.예를 들어, 자체 압축 재료는 균일한 분배를 보장하기 위해 진동이나 흔들림 없이 정교한 사전 배치의 강철 보강재를 포함하는 금형을 채울 수 있을 것이다.자가 압축 ECC는 점도를 감소시키기 위해 화학 혼합물을 사용하고 혼합비례로 입자 상호작용을 제어하여 개발되었다.
- 호스에서 공압적으로 분사할 수 있는 분무형 ECC는 다양한 초플라스틱화제와 점성 저감 혼합물을 이용해 개발됐다.다른 분무식 섬유보강 복합재에 비해 분무식 ECC는 독특한 기계적 특성에 더해 펌핑성이 향상됐다.스프레이식 ECC는 개조/수리 작업 및 터널/세어 라이닝에 사용되어 왔다.
- 파이프 압출에 사용하기 위한 돌출형 ECC는 1998년에 처음 개발되었다.압출 ECC 파이프는 다른 압출 섬유 보강 복합 파이프보다 하중 용량과 변형성이 모두 높다.
필드 응용 프로그램
ECC는 일본, 한국, 스위스, 호주, 미국[3]에서 다수의 대규모 어플리케이션에서 활용되고 있다.여기에는 다음이 포함된다.
- 히로시마 인근 미타카 댐은 2003년 ECC를 이용해 보수했다.[10]당시 60년 된 댐의 표면은 균열과 폭렬, 누수 등의 흔적이 보이는 등 심하게 훼손됐다.600m2 표면에 분사하여 20mm 두께의 ECC 층을 적용했다.
- 또한 2003년에는 일본 기후의 흙막이 옹벽이 ECC를 이용해 보수되었다.[11]일반 포틀랜드 시멘트는 원래 구조물의 균열의 심각성 때문에 사용할 수 없었으며, 이는 반사적 균열을 야기했을 것이다.ECC는 이러한 위험을 최소화하기 위한 것이었다. 1년 후에는 허용 가능한 폭의 마이크로 크랙만 관찰되었다.
- 95m(312ft)도쿄의 미시오 롯폰기 고층 아파트에는 지진 피해를 완화하기 위한 총 54개의 ECC 커플링빔(층당 2개)이 들어 있다.[12]ECC의 특성(고손상 내성, 고에너지 흡수 및 전단변형 능력)은 일반 포틀랜드 시멘트와 비교할 때 내진성 용도에서 우수한 특성을 제공한다.41층 나베우레 요코하마 타워(층당 4개의 커플링 빔)도 비슷한 구조다.
- 일본 홋카이도의 1km(0.62mi) 길이의 미하라 대교는 2005년 개통됐다.[13]강철로 보강된 로드베드에는 ECC 재료가 800m3 가까이 들어 있다.ECC의 인장 연성과 엄격한 균열 제어 거동은 시공 시 사용되는 재료의 40% 감소로 이어졌다.
- 이와 유사하게, 미시간주 94번 주간고속도로의 225mm 두께의 ECC 교량 데크는 2005년에 완공되었으며,[14][15] 30m의3 재료가 사용되었고, 표준 혼합 트럭에 현장 납품되었다.ECC의 독특한 기계적 특성 때문에, 이 데크는 또한 일반 포틀랜드 시멘트로 만들어진 제안 데크보다 재료가 덜 사용되었다.미시간 대학과 미시간 교통부는 이론적으로 우수한 ECC 내구성을 검증하기 위해 이 다리를 감시하고 있다. 4년 동안 모니터링을 한 결과 성능이 저하되지 않았다.
- 2006년 11월 미국-23 상공의 엘즈워스 로드 브릿지에 최초로 자체 통합 및 고강도 ECC 패치 수리가 실시되었다.[16][17]고강도의 ECC는 23.59 ± 1.40 MPa(3422.16 ± 203)의 압축 강도를 달성할 수 있다.4시간 이내에 33psi) 및 55.59±2.17MPa(8062.90±315).03 psi) 28일 만에 빠른 수리를 허용하고 세션을 다시 트래픽에 개방.고강도 ECC 수리는 일반 콘크리트 수선재에 비해 현장 조건에서 장기 내구성이 우수했다.
기타 복합재료와의 비교
특성. | FRC | 공통 HPFRCC | ECC |
---|---|---|---|
설계 방법론 | N.A. | 높은 VF 사용 | 마이크로메카닉 기반, 비용 및 공정성을 위해 Vf 최소화 |
섬유 | 모든 유형, Vf는 보통 2% 미만, 강철의 경우 df ~ 500마이크로미터 | 대부분 강철, Vf는 보통 5% 이상; df ~ 150마이크로미터 | 맞춤형 폴리머 섬유, Vf는 보통 2% 미만, df < 50마이크로미터 |
매트릭스 | 굵은 골재 | 미세 골재 | 매트릭스 강성, 결함 크기, 미세 모래에 대해 제어 |
인터페이스 | 제어되지 않음 | 제어되지 않음 | 브리징 특성 제어 화학적 및 마찰적 결합 |
기계적 특성 | 변형 연화: | 변형 경화: | 변형 경화: |
인장 변형률 | 0.1% | <1.5% | >3%(최소값), 8% 최대값 |
균열폭 | 무제한 | 일반적으로 수백 마이크로미터, 1.5% 이상의 변형률로 제한 없음 | 변형[1] 경화 시 일반적으로 < 100마이크로미터 |
참고: FRC=섬유 보강 시멘트HPFRC=고성능 섬유강화 시멘트 복합체
참고 항목
참조
- ^ a b c d "A brief introduction to ECC and ECC technology network". www.engineeredcomposites.com/. Archived from the original on 2007-12-13. Retrieved 2007-11-03.
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