Corrosion effect on interfacial bond and tensile properties of ultra-high-performance concrete containing surface modified steel fibers

Abstract

The strong interfacial bond between the fiber and the matrix improves ductility, toughness, and energy absorption capacity for the Fiber-reinforced concrete (FRC). There have been lots of interests in increasing the strength of concrete. Especially, ultra-high-performance concrete (UHPC) has superior mechanical performance, including compressive strength and durability, owing to the densely compacted structure and low water binder ratio. With steel fiber reinforcement, the tensile performance also significantly increases by fiber bridging effect, and it is called by ultra-high-performance fiber-reinforced concrete (UHPFRC). The tensile behavior of UHPFRC is related to the interfacial bond property between the fiber and concrete, and there have been lots of research of fiber pullout test and composite tensile test to investigate the bond property. Especially, the surface roughness of steel fiber effectively improves bond properties between the matrix and fiber. One of the surface modification treatments for surface roughness is using an EDTA-electrolyte solution. With this treatment, the micro-fibrils are peeled off of a surface of steel fiber with increasing the surface roughness. On the other hand, the surface modification with nanosilica coating on the fiber was also improved the bond properties between the matrix and fiber. With this treatment, the interfacial zone between the fiber and matrix was filled by the hydration products. Furthermore, these methods have an advantage for massive production for reinforcement of composite. Due to the surface modification via chemical treatment, however, the consideration of corrosion for steel fiber might be followed despite excellent corrosion resistance of UHPC. In addition, the corrosion resistance of UHPC can have an adverse effect after crack occurs under corrosive environment. On the other hand, the moderate corrosion leads to positive enhancement in tensile behavior of UHPFRC. In this study, the corrosion effect on the interfacial bond property and tensile behavior of modified steel fiber were evaluated. The roughness of steel fiber surface increased due to the EDTA electrolyte solution, enhancing the pullout and tensile performances. The nano particles of SiO2 were covered uniformly on the surface of fiber. The pullout resistance of steel fiber from UHPC increased after EDTA treatment for up to 9 h, while the tensile performance was increased up to 6 h. The nanosilica coating effectively improved the pullout resistance and tensile performance of UHPFRC. With corrosion value of 5 %, the pullout performance of fiber was deteriorated by premature ruptures. Under corrosive environment, the best tensile performance was observed for nanosilica coating fiber. It led to strain hardening behavior of UHPFRC with multiple microcracks. The surface modification with an EDTA electrolyte solution led to deterioration of tensile performance with corrosion. By considering corrosive environments, the surface modification with EDTA electrolyte solution is prohibited for more than 3 h for reinforcement for UHPC.|섬유 보강 콘크리트는 섬유들이 콘크리트에 부착되면서 강한 부착력이 발생하여 연성, 파괴인성, 에너지 흡수 능력이 향상되어 깨지기 쉬운 콘크리트의 특성을 보완할 수 있다. 특히, 초고성능 콘크리트(UHPC)는 미세한 골재만을 사용하여 높은 밀도로 인해 기존 콘크리트보다 압축강도와 내구성 측면에서 뛰어나며 강섬유를 혼입하여 인장 성능을 보강할 수 있다. 이러한 콘크리트 복합체를 초고성능 섬유보강 콘크리트(UHPFRC)라 부른다. 초고성능 섬유보강 콘크리트의 인장 거동은 강섬유와 매트릭스 사이의 계면 결합 특성과 관련이 있기 때문에 단일 섬유 인발 실험과 복합체 인장 실험 등 다양한 관련 연구가 진행되었다. 특히, 강섬유의 표면 처리를 통한 섬유와 매트릭스 사이의 부착 성능을 증가시키는 연구는 섬유 표면의 화학적 방법을 통해 부착 성능을 향상시켰다. EDTA 전해질 수용액을 이용한 표면 처리 방법은 섬유 길이 방향으로 섬유 표면의 거칠기를 증가시킴에 따라 효율적으로 부착 성능 향상을 보였다. 한편, 나노 실리카 코팅은 섬유 표면에 섬유 표면의 수화물 생성을 유도함으로써 섬유와 매트릭스의 부착력을 증가시켰다. UHPC는 내식성이 뛰어난 재료이기에 강섬유의 부식에 대해 고려하지 않아도 되지만 균열이 발생함에 따라 외부물질이 침투하여 강섬유의 부식이 발생할 수 있다. 한 편, 섬유의 부식에 따라 이와 유사한 성능 향상의 경향을 나타낸 연구도 진행되었다. 이에 본 연구에서는 강섬유의 표면 처리 방법 중 EDTA 전해질 수용액과 나노실리카 코팅의 성능 평가를 수행하였다. 더불어, NaCl 수용액을 이용하여 섬유의 부식을 진행하였고 전해질 수용액을 이용한 표면처리 방법과의 영향 평가를 수행하였다. 표면처리 및 부식에 대한 섬유 표면의 상태를 확인하기 위해 주사 전자 현미경 SEM (Scanning Electron Microscope)을 사용하여 이미지 분석 및 EDS (Energy Dispersive X-ray spectroscopy)를 활용하여 분석하였다. 이후 매립된 섬유의 인발 실험을 통해 초고성능 콘크리트 내에서 섬유의 표면 처리 및 부식에 대한 영향을 확인하였고, 직접 인장 시험을 통해 초고성능 섬유보강 콘크리트 복합체의 인장 거동을 평가하였다. 본 연구에서는 나노실리카 코팅과 EDTA 전해질 수용액에 0, 3, 6, 9시간의 처리시간을 통한 표면 처리를 각각 진행하였고 이후 각각 0%, 2%, 5%의 무게 손실 비율에 따른 부식을 진행하였습니다. 섬유 인발 실험은 45º 경사각 조건에 대하여 평가를 진행하였으며 직접 인장 시험에서는 콘크리트 부피비 기준 2% 강섬유가 혼입되었다. 실험결과, 섬유의 EDTA 표면 처리 시간 증가에 따라 섬유 길이 방향으로 강섬유가 미세하게 벗겨지며 표면 거칠기가 증가하는 것을 확인할 수 있었다. 또한 EDTA 전해질 수용액의 킬레이트 효과에 따라 섬유 표면의 금속 산화물이 발생하지 않았다. 이와 유사하게 부식된 강섬유도 표면의 거칠기가 증가하였으며 녹과 같은 금속 산화물이 표면 위에 생성되었다. 나노실리카 코팅의 경우, 표면에 SiO2가 표면을 균일하게 덮었고 부식에 따라 코팅이 벗겨지는 것을 확인하였다. 인발 실험 결과, EDTA 전해질 수용액의 표면처리 시간의 증가와 나노실리카 코팅 유무에 따라 부착 강도 및 인발 저항성이 증가하였다. 특히, 표면 처리 및 부식이 함께 진행됨에 따라 성능 향상이 크게 나타났다. 그러나 과도한 부착 성능 향상은 섬유 파단 현상을 일으켰다. 인장 실험 결과 또한 나노실리카 코팅과 EDTA 전해질 수용액의 표면처리 시간 증가에 따라 성능 향상이 증가하였지만 9시간 이상 섬유 표면 처리 시 과도한 부착성능 향상에 따라 매트릭스가 파괴됨에 따라 인장 성능이 오히려 감소하였다. 부식된 강섬유의 경우, 변형 경화 거동을 뚜렷하게 나타나며 성능 향상을 보였다. 또한 3시간동안 EDTA 수용액을 이용한 표면처리가 진행된 강섬유의 부식에 따른 인장 거동은 증가하는 경향을 나타냈다. 그러나, 6시간 이상의 표면 처리 시간에서 강섬유는 부식에 따라 성능이 감소하는 경향을 나타냈다. 3시간 처리된 강섬유를 2% 부식을 진행하였을 때, 섬유의 인발 저항성 및 인장 성능이 증가하였다. 부식된 나노실리카 코팅 강섬유의 경우 부식의 정도의 증가에 따라 변형 경화거동과 함께 뚜렷한 성능 향상을 보였다. 따라서, 부식이 진행함에 따라 복합체의 성능은 부식 초기에 향상하였고 나노실리카 코팅을 통해 성능 향상은 더 증가하였다. 더불어, 전해질 수용액을 이용한 표면처리 시 이러한 경향은 보다 빠르게 나타난다. 부식에 취약한 환경에서는, 나노실리카 코팅이 EDTA 전해질 수용액을 이용한 표면 처리 방법보다 부식 저항성 측면에서 콘크리트 복합체에 유리할 것으로 판단된다. EDTA 전해질 수용액을 이용한 표면처리 방법은 초고성능 섬유보강 콘크리트 복합체에 사용 시 6시간을 초과하지 말아야 하며 부식에 취약한 환경 속에서 사용 시 3시간을 초과하지 말아야 한다.