Evaluation of Fracture Toughness for Steel Fiber Reinforced High Strength Concrete by Non-linear Fracture Mechanics Parameter(J-integral)

비선형 파괴역학 파라메터(J-적분)에 의한 강섬유보강 고강도콘크리트의 파괴인성 평가

This paper describes the use of the J-integral, a one parameter of the non-linear fracture mechanics(NLFM), as a means to measure toughness of steel fiber reinforced concrete. This parameter can be conveniently evaluated from experimentally determined load-deflection curves from flexural tests when a maximum-load failure criterion is employed. And, for high strength concrete which was reinforced steel fiber, with two different fiber length in the form of notched beams, were tested under 3-point bending, and $J_{IC}$, as well as the linear elastic fracture mechanics(LEFM) parameters $K_{IC}$ and $G_{IC}$ were evaluated. The results suggest that $J_{IC}$ is a promising fracture criterion for all of these. while $K_{IC}$(or $G_{IC}$) almost certainly are not. Also it was found that a fiber addition of less than 0.5% did not improve the fracture toughness of the high strength concrete. However, at more than 1.0% in fiber contents, $J_{IC}$ showed significant increases. reflecting the changed character of the concrete; $K_{IC}$ and $G_{IC}$ did not.

본 논문은 강섬유보강 콘크리트의 인성을 평가하기 위하여 비선형 파괴역학 파라메터의 하나인 J적분이 최대하중점 파괴기준이 적용될 때 휨시험으로부터 하중-처짐곡선으로부터 간편하게 사용될 수 있음을 설명하고, 강섬유로 보강된 고강도콘크리트를 대상으로 노치를 가진 휨시험편을 제작하여 3점 재하실험을 실시하고, 그것으로부터 $J_{IC}$와 선형파괴역학 파라메터인 $K_{IC}$와 $G_{IC}$를 얻고 각각을 비교 고찰하였다. 그 결과, 강섬유보강 콘크리트의 파괴인성을 평가하기 위해서는 $J_{IC}$가 $K_{IC}$나 $G_{IC}$보다 더 효과적임을 알 수 있었다. 또한 강섬유 혼입률 0.5% 이하에서는 고강도콘크리트의 인성의 증진효과가 거의 없었으나, 섬유혼입률 1.0% 이상에서는 $J_{IC}$가 뚜렸한 증가를 보이고 있어 콘크리트의 개선된 인성특성을 잘 나타내고 있었으며. $K_{IC}$나 $G_{IC}$는 그렇지 못하였다. 그러나, $J_{IC}$의 정량화에 이용하는 공시체의 크기는 $J_{IC}$의 계산에 필요한 최대강도점에서 포텐셜에너지의 변동이 적고 시험편의 취급도 간편한 공시체의 선택이 필요하며, $J_{IC}$ 의 실험적 평가에 의해서 얻어지는 결과는 최대하중점에서 얻어짐으로 인하여 최대하중점의 선정에 아주 크게 좌우되는 문제점을 가지고 있다. 따라서, 강섬유 보강 콘크리트와 같은 비균질(非均質) 재료(材料)의 경우에는 균열의 진전과정(進展過程)이 불규칙적이므로 균열 발생점을 바르게 찾아내는 측정기술(測定技術)과 정도상(程度上)외 문제점을 포함하여, 파괴인성에 대한 좀 더 바람직한 평가방법 등이 이루어져야 할 것으로 판단된다.