강섬유·현무암섬유·탄소섬유가 콘크리트의 균열을 막고 강도와 내구성을 높이는 원리
야금(Metallurgy)과도 매우 관련 있는 건설업계의 초고성능 콘크리트(UHPC, Ultra High Performance Concrete)의 성능을 극대화하기 위해 사용되는 금속 섬유(Metal Fiber)와 무기질 섬유(Inorganic Fiber)
UHPC란 무엇인가?
UHPC는 일반 콘크리트보다 훨씬 높은 성능을 갖는 콘크리트입니다.
일반 콘크리트와 비교하면
| 구분 | 일반 콘크리트 | UHPC |
|---|---|---|
| 압축강도 | 24~40 MPa | 150~200 MPa 이상 |
| 휨강도 | 4~6 MPa | 30~50 MPa |
| 수명 | 50~70년 | 100~200년 |
| 균열 | 비교적 큼 | 매우 적음 |
이러한 성능 향상을 위해 섬유 보강재를 넣습니다.
① 강섬유(Steel Fiber)
가장 많이 사용되는 소재입니다.
재질 : 탄소강, 스테인리스강, 저탄소강, 황동도금 강섬유
형상 : 직선형, 후크(Hook)형, 파형, 꼬임형
길이는 보통 : 6 mm, 13 mm, 20 mm, 30 mm
직경은 0.15~0.30 mm 정도입니다.
사용하는 이유
콘크리트는 압축에는 강하지만 인장에는 매우 약합니다.
강섬유가 균열을 연결하는 역할을 합니다.
즉, 균열이 생겨도 강섬유가 잡아주므로 갑자기 깨지지 않습니다.
② 현무암 섬유(Basalt Fiber)
최근 가장 주목받는 소재입니다.
현무암을 약 1500℃에서 용융하여 섬유로 만듭니다.
장점 : 녹슬지 않음, 내열성, 내산성, 내알칼리성, 가벼움
교량, 터널, 해안 구조물에 많이 사용됩니다.
③ 유리섬유(AR Glass Fiber)
일반 유리섬유는 알칼리에 약합니다. 그래서 AR(Alkali Resistant) 유리섬유를 사용합니다.
장점 : 가격 저렴, 균열 감소, 시공 용이
④ 탄소섬유(Carbon Fiber)
탄소섬유는 가격이 매우 비싸지만 성능은 최고입니다.
특징 : 강도 매우 큼, 무게 매우 가벼움, 부식 없음, 피로수명 우수
고급 교량, 원전, 특수건물, 등에서 사용됩니다.
⑤ PVA 섬유
PVA(Polyvinyl Alcohol) 섬유는 콘크리트와의 접착력이 매우 우수합니다.
ECC(Engineered Cementitious Composite)에 많이 사용됩니다.
균열 폭을 0.1 mm 이하로 억제합니다.
⑥ 폴리프로필렌(PP) 섬유
비교적 저렴한 섬유입니다.
주로 초기 균열 방지, 폭열 방지 용도로 사용됩니다.
섬유별 특징 비교
| 종류 | 강도 | 가격 | 내식성 | 사용 빈도 |
|---|---|---|---|---|
| 강섬유 | ★★★★★ | 중 | 보통 | ★★★★★ |
| 스테인리스 섬유 | ★★★★★ | 높음 | 매우 우수 | ★★★ |
| 현무암 섬유 | ★★★★☆ | 중 | 우수 | ★★★★ |
| 유리섬유 | ★★★ | 낮음 | 보통 | ★★★ |
| 탄소섬유 | ★★★★★ | 매우 높음 | 최고 | ★★ |
| PP 섬유 | ★★ | 매우 낮음 | 우수 | ★★★★ |
최근 가장 각광받는 소재
현재 세계적으로는 ① 강섬유 + ② 현무암 섬유를 함께 사용하는 사례가 증가하고 있습니다.
그 이유는
강섬유 → 높은 인장강도와 균열 제어
현무암 섬유 → 부식 방지와 내구성 향상
이라는 장점을 동시에 얻을 수 있기 때문입니다.
야금기술사의 관점에서 본 연구 가능성
폐철강 부산물을 활용한 UHPC용 금속섬유 제조
스테인리스·고망간강 섬유의 내식성 향상 연구
제련 슬래그를 활용한 UHPC용 미분말 혼화재 개발
도시광산에서 회수한 금속을 활용한 고기능 건축 소재 개발
플라즈마 공정으로 제조한 금속 미세섬유의 UHPC 적용성 평가
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