In this dissertation, it was intended to understand the effect of the fiber orientation distribution on the tensile behavior of UHPCC and to estimate flow-dependent fiber orientation distribution and the corresponding tensile behavior of UHPCC.
First, as a preceding research in order to predict the effect of the fiber orientation distribution on the tensile behavior of UHPCC, the pullout behavior of fiber in UHPCC was investigated. The fiber inclination angles considered in the pullout tests were $0\deg$, $15\deg$, $30\deg$, $45\deg$, and $60\deg$. From the pullout tests, it was observed that the largest peak load was obtained at an angle of $30\deg$ or $45\deg$, and the peak slip increased as the fibers were oriented at more inclined angles. The relation between fiber inclination to tensile load axis in pullout test and bond resistance was quantified, and a pullout behavior model of steel fiber in UHPCC was proposed considering fiber inclined angle.
Then, the effect of the fiber orientation distribution on pre-cracking and post-cracking tensile behavior of UHPCC was investigated. Pre-cracking tensile behavior is expressed using the mechanism of elastic shear transfer between the matrix and the fiber in the composites. Meanwhile, in order to predict post-cracking behavior, a probability density function for the fiber orientation distribution across crack surface and a pullout model of steel fiber are considered. The effect of the fiber orientation distribution was found to be very small on pre-cracking behavior, but to be significant on post-cracking behavior of UHPCC. The predicted results were compared with the experimental results, and the comparison presented good agreement.
The variation of the fiber orientation distribution along the flow of fluid was studied. In order to describe the rotational motion of a single fiber, Jeffery’s equation was adopted, in which the interaction among fibers is neglected. Two cases of flow patterns were considered; these are shear flow and radial flow. The fiber orientation distribution along the flow distance was estimated with the assumption of a 2-dimensional as well as 3-dimensional random distribution at the beginning of the flow. Analytical results revealed that the fibers have a tendency to be arranged such that they gradually become more parallel (in the case of shear flow) and to perpendicular (in the case of radial flow) to the flow direction as the flow distance increased.
In the end, the variation of fiber orientation distribution according to the flow and the consequent variation of tensile behavior were validated through experiments. Flow-dependent fiber orientation analysis, estimation of the fiber bridging behavior, prediction of the tensile behavior in direct tensile as well as flexural tensile tests, and comparisons with experimental results were performed in sequence. Processes of manufacturing a rectangular beam and a thin square-sectioned plate using UHPCC were simulated so as to predict the fiber orientation distribution and tensile behavior according to the flow distance. There was good agreement between experimental and analytical results and the comparison therefore validated the effectiveness of the proposed analytical approach.
이 논문에서는 초고성능 시멘트 복합체의 섬유 방향성 분포특성의 변화가 인장거동에 미치는 영향을 평가하였다. 그리고 유동에 따른 섬유방향성 분포 변화와 이에 따른 인장거동의 변화를 파악하였다.
섬유방향성 분포특성이 초고성능 시멘트 복합체의 인장거동에 미치는 영향을 평가하기 위한 선행연구로서, 강섬유의 인발거동을 우선 파악하였다. 인발실험은 인장력 작용방향에 대한 섬유의 경사각 $0\deg$, $15\deg$, $30\deg$, $45\deg$, 및 $60\deg$에 대해 각각 수행하였으며, 실험결과에 따르면 $30\deg$와 $45\deg$일 때 최대 인발하중이 가장 크게 나타났고, 최대 인발하중에서의 슬립변위는 경사각이 클수록 증가하는 것으로 나타났다. 실험결과로부터 초고성능 시멘트 복합체에 대해 강섬유의 경사각과 최대 인발하중과의 관계를 정량화하였으며, 섬유의 경사각을 고려한 강섬유의 인발거동 모델을 제시하였다.
다음으로 초고성능 시멘트 복합체의 균열이전과 균열이후의 인장거동에 대해 섬유방향성 분포의 영향을 평가하였다. 균열이전의 인장거동은 매트릭스와 섬유의 계면에 작용하는, 탄성범위 내에서의 전단 전달 메커니즘을 이용하여 표현하였으며, 균열이후 인장거동은 균열면에 놓여진 섬유들의 방향성 분포에 대한 확률분포와 각각의 섬유의 인발거동 모델을 고려하여 나타내었다. 해석결과에 따르면, 섬유방향성 분포의 변화가 균열이전 거동에 미치는 영향은 아주 적은 반면, 균열이후 거동에 크게 작용하는 것으로 나타났다. 이와 같은 예측결과는 실험결과와 비교하였을 때 잘 일치하는 것으로 나타났다.
또한 초고성능 시멘트 복합체의 굳지 않은 상태에서의 유동에 따른 섬유방향성 분포변화에 대한 연구를 수행하였다. 섬유의 회전운동을 나타내기 위해 Jeffery의 방정식을 사용하였으며, 이 때 섬유 상호간의 간섭효과는 무시하였다. 초기 섬유분포가 2차원 및 3차원으로 임의적으로 분포된 경우에 대해, 유체의 전단흐름 및 방사흐름의 두 가지 유동흐름에 따른 섬유방향성 분포변화를 유동거리에 따라 파악하였다. 해석결과에 따르면, 전단흐름의 경우, 유동거리가 증가함에 따라 섬유들이 점점 유동방향에 나란하게 배열되려는 경향을 보였으며, 방사흐름의 경우에는 유동방향에 수직하게 배열되려는 경향이 있음을 확인하였다.
마지막으로, 유동에 따른 섬유방향성 분포변화를 고려한 초고성능 시멘트 복합체의 인장거동의 변화를 실험적으로 검증하였다. 유동에 따른 섬유방향성 분포 예측, 섬유 가교 거동 예측, 직접인장 및 휨인장 실험에서의 인장거동 예측, 실험결과와의 비교를 순서대로 수행하였다. 초고성능 시멘트 복합체를 사용하여 직사각형 보를 제작하는 경우와 얇은 정방형 평판을 제작하는 경우에 대해 시뮬레이션을 수행하였으며, 비교결과에 따르면 해석결과가 실험결과와 잘 일치함을 확인할 수 있었다. 따라서 이 논문에서 제안한 해석적인 접근법이 유효함을 입증하였다.
