단섬유와 긴 섬유를 혼합하여 높은 인장가동 또는 휨 인성을 보유하도록 보강된 콘크리트 또는 시멘트계 복합재료를 초고성능 콘크리트라고 정의합니다. 초고성능 콘크리트 최근 실용화된 재료로서 CRC, RPC, MSFRC 등이 있으며, 하나씩 알아보고자 합니다.
CRC(Compact Reinforced Composites)
CRC(Compact Reinforced Composites)는 철근이 과하게 배근된 부재에 다량의 단섬유보강 콘크리트를 사용하는 것입니다. 철근량은 보통콘크리트를 사용한 경우에 필요한 것보다 5~10배 이상 증가하게 됩니다. 그 이유는 다량(5~ 10%)의 단섬유를 사용함으로써 재료적 측면의 인장강도와 연성은 증가합니다. 하지만 구조부재의 내력과 연성은 크게 증가되지 않으며, 섬유의 길이가 짧은 것은 미세균열의 성장 억제에는 유효합니다. 그 이유는 어느 정도 성장된 균열에 대해서는 효 과가 없어지기 때문이다. 이처럼 철근량이 많아져서 과하게 배근이 되면 철근 주변으로 피복콘크리트의 균열발생이 증가하게 되는데 높은 혼입률의 단섬유보강이 이러한 균열을 억제하는데 효과적으로 작용할 수 있게 됩니다. 역으로 말하면 철근이 과도하게 배근될 필요가 있는 경우에 다량의 단섬유로 보강된 콘크리트의 사용이 효과적이라고 볼 수 있습니다.
CRC는 재료의 비용 증가와 철근을 과밀배근 해야 하는 시공상의 공기증 가 측면에서 볼 때 경제성이 떨어지는 기술이고, 구조 부재의 형상을 자유 로이 할 수 있다는 철근콘크리트 구조의 장점 측면에서 제약이 따르게 되는 단점이 있습니다. 이점을 고려할 때 해양구조물이나 군사시설 같은 특수한 용도에 국한되어 사용가능한 것으로 평가됩니다.
RPC (Reactive Powder Concrete)
고성능 콘크리트 RPC(Reactive Powder Concrete)는 다음과 같이 기존의 고성능 콘크리트와는 근본적으로 다른 접근방법을 통해 콘크리트의 성능혁신을 시도하고 있습니다.
① 굵은 골재를 제거하고 모래만을 골재로 사용(입자의 최대크기는 0.6mm 이내로 제한)
② 매우 높은 수준의 치밀도(compactness)를 얻기 위해 각기 다른 분체들의 입자 크기의 분포를 최적화시킴 ③ 경화 전 또는 경화 중에 압력 (press)의 적용
④ 양생 중의 열처리 (heat treatment: 90℃~400℃) 방법에 따라 200~800 MPa의 압축강도 발현
⑤ 미세 강섬유의 사용으로 높은 수준의 연성(ductility) 발휘
RPC는 콘크리트 중의 페이스트 함량과 실리카퓸의 함량이 매우 높고 물과 시멘트비는 매우 낮은 일종의 모르타르로 간주될 수도 있습니다. 밀도(density)는 매우 높고 매트릭스의 공극률(porosity)은 매우 낮은 성질을 갖는다. 연성측면에서는, RPC(골재 최대치수 0.3mm)에 길이 13mm, 직경 1.15mm의 강섬유를 넣은 효과가 기존의 고성능콘크리트(굵은 골재 최대치수 20mm)에 직경 10mm, 길이 1m의 철근을 넣은 것과 동등한 연성이 얻어집니다. 1994년, 프랑스 Vouygue사의 Richard 등에 의해 개발되었고 Reactive Power Concrete(반응성분체콘크리트)라는 명칭은 개발자에 의해 양생 중 9 O℃ 이상의 열처리과정에서 1차적 수화반응으로 생성된 수화물들이 포졸란 반응이 가속화되어 미세공극을 채우는 특성에 착안하여 명명되었습니다. 그 압 축강도는 200 800 MPa(최고 810 MPa)이고, 파괴에너지가 최고 40,000 J/m²인 고인성(high toughness)을 보유한 것으로 발표되었다. 압축강도 200 MPa급의 RPC 200은 현장조건에서 사용가능한 것으로 프리스트레스트 콘크 리트로 하여 철근배근이 필요 없는 구조로 시공 가능하며, 800 MPa급의 RPC ~ 800은 고온고압 증기양생으로 강도발현되기 때문에 공장설비를 갖춘 프리캐스팅에 적합하고 압축강도 600 800 MPa의 제품생산이 가능하며, 모래대신 강골재(steel aggregate)를 사용하여 최대 810 MPa의 압축강도도 가능합니다.
MSFRC (Multi Scale Fiber Reinforced Concrete)
섬유보강의 효율성은 섬유의 길이와 균열 억제력과의 상관성 측면에서 보면, 길이가 짧은 섬유의 경우 많은 양을 사용하여 초기에 발생하는 미세균열 (microcrack)을 억제하는데 유효합니다. 긴 섬유의 경우 작은 양을 사용하여 어느 정도 성장된 미세균열 또는 구조적 균열을 억제하는데 효과적입니다. MSFRC(Multi Scale Fiber Reinforced Concrete)는 이러한 섬유보 강의 효율성을 혼합하는 원리로써 섬유길이가 짧은 것 (5%)과 긴 것(2%)을 혼입 하여 균열의 성장단계별로 효과를 발휘하게 함으로써 연성과 인성을 모두 키우는 개념입니다.
