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문제 정의
- 따라서 해양환경에 노출되는 콘크리트 구조물에 적합한 내구성 재료를 도출하는 선행연구⑺의 후속 단계로써, 본 연구에서는 성능이 확인된 광물질 혼화재, 에폭시 코팅철근 및 부식억제제의 고내구성 재료배합을 사용한 부재의 휨 특성을 비교 분석하여 고내구성 재료가 부재 거동에 미치는 영향을 실험적, 해석적으로 검증하고자 하였다. 이를 위해 내구성 확보를 위해 사용한 광물질 혼화재, 에폭시 코팅철근, 부식억제제를 실험 변수로 선정하였고, 각 재료를 사용한 RC부재를 제작하여 휨 거동 실험을 실시하였다.
- 본 연구에서는 해양환경에서 건설되는 구조물에 적용할 수 있는 고내구성 재료를 사용한 부재의 휨 특성을 평가하여 다음과 같은 결론을 도출할 수 있었다.
제안 방법
- 고내구성 재료를 적용한 휨부재의 매립된 인장 철근 응력 변화를 확인하기 위해 동일 모멘트 발생 구간에서 부재의 중앙 단면부를 중심으로 하여 변형율 게이지를 100mm 간격으로 설치하였으며, 하중에 따른 철근의 변형률을 측정하였다. 또한 측정된 변형률을 이용하여 인장 철근의 응력 분포를 산출하였다.
- 실제 실험에 앞서 시험용 부재를 제작하여 휨 시험을 실시한 결과, 철근 항복에 대한 중앙변위가 8mm(6)로 측정되었다. 따라서 하중재하는 4, 8, 16, 24, 32, 40mm(0.55, 1.05, 2.0 5, 3.05, 4.05, 5.05)의 6 단계에 대하여 각 단계에 도달하기까지 10 단계를 설정하고, 각 단계에 대한구조물의 거동을 측정하였다. 각 단계의 변위에 도달한 후에는 재하 하중을 완전히 제거한 후 새로이 다음 단계 변위에 도달하도록 재하하였다.
- 이러한 혼화제의 대체는 부식 방지를 위해 실시되었던 선행연구⑺에서의 결과에 의한 것으로써, 연구 결과에서 BFS와 SF의 대체가 OPC 에 비해 염화물 확산계수를 각각 75%, 30%정도 감소시키는 것으로 나타났다. 또한 부식억제제의 선행된 실험⑺에 근거하여 질산칼슘의 경우 시멘트 량에 대해 2%를 혼입하였으며, 아질산 계열 방청제의 경우 콘크리트 1m3당 3L를 혼입하여 제작하였다.
- 측정하였다. 또한 측정된 변형률을 이용하여 인장 철근의 응력 분포를 산출하였다.
- 또한, 내구성 재료를 적용한 휨 시험 부재의 역학적 특성을 알아보기 위하여 4점 휨 시험을 실시하였으며, 하중 재하는 변위 제어로 실시하였고, 재하 속도는 1mm/min.으로 하였다.
- 각 단계의 변위에 도달한 후에는 재하 하중을 완전히 제거한 후 새로이 다음 단계 변위에 도달하도록 재하하였다. 또한, 시험체 중앙부에는 LVDT를 설치하여 각 변위 단계에 따른 처짐을 측정하였다.
- 이를 위해 내구성 확보를 위해 사용한 광물질 혼화재, 에폭시 코팅철근, 부식억제제를 실험 변수로 선정하였고, 각 재료를 사용한 RC부재를 제작하여 휨 거동 실험을 실시하였다. 또한, 해석 프로그램을 이용하여 휨 부재의 균열발생 특성을 비교하였다.
- 먼저, 철근의 종류에 따른 휨부재의 역학적 특성을 평가하기 위해 변수가 되는 일반 철근 및 코팅 철근의 하중 재하별 응력상태를 평가하기 위해 철근 인발 실험이 선행되었다. 이때 변형율 게이지는 철근 중앙부에 부착하여 하중에 따른 변형률을 측정하였다.
- 4에 나타내었다. 보통철근과 에폭시 코팅 철근을 각각 2개씩 인장 시험을 실시하였다. 실험에 사용된 코팅 철근은 국내 HK사의 D16철근에 에폭시를 코팅하여 판매하는 제품을 사용하였다.
- 본 절에서는 고내구성 재료로서 SF와 BFS를 혼입한 휨부재, 부식억제제를 사용한 경우, 그리고 코팅 철근을 인장철근으로 사용한 부재에 대하여 휨 시험을 실시하고, 하중-처짐에 대한 관계를 Fig. 5~ Fig. 7에 나타내었다. 또한 Fig.
- 부재의 4점 휨 시험은 재령 28일에 실시하였으며, 동일한 재령 28일에서 각 변수당 3개의 콘크리트 시험체에 대하여 압축강도를 측정하였다. Fig.
- 선행되었다. 이때 변형율 게이지는 철근 중앙부에 부착하여 하중에 따른 변형률을 측정하였다.
- 하였다. 이를 위해 내구성 확보를 위해 사용한 광물질 혼화재, 에폭시 코팅철근, 부식억제제를 실험 변수로 선정하였고, 각 재료를 사용한 RC부재를 제작하여 휨 거동 실험을 실시하였다. 또한, 해석 프로그램을 이용하여 휨 부재의 균열발생 특성을 비교하였다.
- 또한 전단 보강근은 D10을 사용하였으며 130 mm 간격으로 배치하였고, 콘크리트의 피복두께는 40mm로 하였다. 인장 철근의 변형률 측정을 위하여 시험체 중앙을 기준으로 변형율 게이지(Strain gauge) 를 100mm 간격으로 설치하였다.
- ATENA는 비선형 거동을 해석하는 프로그램으로써, 시험체의 제원을 입력할 경우, 자동으로 요소가 생성된다. 철근과 콘크리트의 경계조건은 완전부착으로 설정하였으며, 실험을 통하여 얻어진 콘크리트의 압축강도 및 탄성계수, 철근의 항복강도 및 탄성계수가 입력값으로 사용되었다. 이때, 철근은 완전탄소성 재료로서 모델링 하였다.
대상 데이터
- 시험체의 단면과 형상은 Fig. 1과 같이 200x300 x2200mm로 하였으며, 인장철근은 2-D16을 사용하였다. 또한 전단 보강근은 D10을 사용하였으며 130 mm 간격으로 배치하였고, 콘크리트의 피복두께는 40mm로 하였다.
- 보통철근과 에폭시 코팅 철근을 각각 2개씩 인장 시험을 실시하였다. 실험에 사용된 코팅 철근은 국내 HK사의 D16철근에 에폭시를 코팅하여 판매하는 제품을 사용하였다. Fig.
- 철근과 콘크리트의 경계조건은 완전부착으로 설정하였으며, 실험을 통하여 얻어진 콘크리트의 압축강도 및 탄성계수, 철근의 항복강도 및 탄성계수가 입력값으로 사용되었다. 이때, 철근은 완전탄소성 재료로서 모델링 하였다.
- 혼화재 및 부식억제제, 코팅철근과 같은 고내구성재료를 적용한 부재의 휨 특성을 비교하기 위하여 Table 2의 배합표를 사용하여 부재를 제작하였다. 이때 혼화재 혼입의 경우 시멘트량에 대하여 내할로 고로슬래그 미분말(BFS)은 30%, 실리카퓸(SF)은 10% 를 각각 대체하였다.
- 부재 실험을 수행하고자 하였다. 휨 부재를 제작하는데 사용된 시멘트는 1종 보통포틀랜드시멘트(OPC) 이며, 잔골재는 하천모래를, 굵은 골재는 최대치수 25 mm의 쇄석 골재를 사용하였다.
이론/모형
- 이때의 하중 조건은 두 하중 재하점에 대하여 각각 10kN으로 8 단계(20X 8= 160kN) 재하하였다. 또한 해석 반복 횟수 제한 (Iteration number limit)은 40으로 고정하였으며, 해석에서는 표준 Newton-Raphson 방법을 이용하였다.
- 해석 기법을 이용하여 내구성 재료를 적용한 부재의 특성을 비교하기 위하여 구조물 거동 시뮬레이션 프로그램인 ATENA를 이용하였다. ATENA는 비선형 거동을 해석하는 프로그램으로써, 시험체의 제원을 입력할 경우, 자동으로 요소가 생성된다.
성능/효과
- 1) 시멘트 일부를 광물질 혼화재로 대체하거나, 부식억제제를 혼입한 경우 휨부재에 있어서 동등 이상의 역학적 거동을 기대할 수 있으며, 초기 균열 발생 저항성은 큰 것으로 나타났다.
- 3) 내구성 재료를 적용한 휨 부재의 경우, 균열 발생에 따라 주철근의 응력이 크게 변동하지 않았으며, 실험적/해석적으로 균열간격이 크지 않게 평가되었다. 즉, 압축강도가 증가되는 고내구성 재료를 적용하여도 구조물은 안정된 휨 거동을 보인다.
- 8은 각각 혼화재, 부식억제제 및 코팅 철근을 적용한 부재의 내부 철근 응력 상태를 표현한 것이다. Fig. 8의 결과에서 초기 균열 발생 상태에서의 최 대응력과 최소 응력의 응력 차이를 비교하여 보면, Normal 부재의 경우 139MPa의 응력 차이를 보인 것에 비해, SF부재의 경우는 Normal 부재의 81%, BFS 부재의 경우는 48%, 아질산 계열 방청제(NR 1900) 및 질산칼슘 부식억제제를 적용한 경우는 각각 64%, 50%로 나타났으며, 코팅철근을 인장철근으로 사용한 경우에는 89%이었다. 즉, 하중재하 시 응력분포에 대해 Normal 부재보다 내구성 재료를 사용한 경우가 인장철근응력 값의 적은 차이를 보였으며, 따라서 모멘트가 동일한 구간에 있어서 고내구성 재료를 대체하여도 주철근의 응력이 크게 변동하지 않고 안정된 거동을 하는 것으로 판단된다.
- 13에 정리하였다. 결과에 따르면, 대부분 초기 균열이 발생하였을 때의 평균균열간격이 인장철근이 항복(1.06)한 이후 안정화 되는 경향을 보였으며, 인장철근의 항복 이후에는 균열간격에는 변화가 없이 균열폭이 확대되는 것으로 나타났다.
- 14에 나타내었다. 결과에 따르면, 선행되어진 실험적 결과와 유사하게 일반 부재보다 내구성 재료를 적용한 부재의 경우가 균열 간격이 더 작게 나타났다.
- 3은 재령 28일의 시험체 종류별 압축강도를 나타낸 것이다. 결과에 따르면, 혼화재를 대체한 경우 기준 콘크리트에 비해 SF 및 BFS가 각각 18.5%, 14.6%의 강도증가를 보였는데, 이러한 강도의 증가는 혼화재를 대체함으로써 내부의 공극을 채워 콘크리트 내부구조를 밀실하게 함에 따른 것이다. 또한, 부식억제제를 혼입한 경우 아질산 계열 방청제 및 질산칼슘 부식억제제가 각각 23%, 16%의 강도증가를 보였다.
- 따라서 시멘트 일부를 광물질 혼화재로 대체한 경우, 부식억제제를 첨가한 경우, 그리고 코팅철근을 사용한 경우에는, 휨 부재에 대해 동등 이상의 역학적 거동을 기대할 수 있으며, 초기 균열 발생에 대해 저항성이 증가할 수 있을 것으로 판단된다.
- 또한 Fig. 8의 응력발생 분포를 살펴보면, Normal 부재가 균열발생 상태에 의해 상당수준의 하중 단계까지 철근에 발생하는 응력이 급격히 변화하는데 비해, 고내구성 재료를 사용한 경우에는 낮은 하중 상태에서부터 응력분포가 일정하게 분포하는 것으로 나타났다. 이와 같은 거동은 고내구성 재료 사용에 따른 압축강도 증가로 인해 철근과의 부착력이 향상되었기 때문이라고 판단된다.
- 6%의 강도증가를 보였는데, 이러한 강도의 증가는 혼화재를 대체함으로써 내부의 공극을 채워 콘크리트 내부구조를 밀실하게 함에 따른 것이다. 또한, 부식억제제를 혼입한 경우 아질산 계열 방청제 및 질산칼슘 부식억제제가 각각 23%, 16%의 강도증가를 보였다. 이러한 결과는 질산칼슘 및 아질산칼슘이 수화반응을 촉진시켜 콘크리트의 초기강도를 증가시키기 때문이다.
- 10은 Normal부재 및 혼화재를 혼입한 휨부재의 균열 현상 일례를 실험적 및 해석적으로 비교한 것이다. 실험적 결과에 따르면 3가지 경우 모두 부재 중앙부에는 휨균열이 분포하였으며, 양 재하점에 가까워질수록 휨전단균열의 형태를 보이는 일반적인 역학적 거동 특성을 보였다. 한편, ATENA에의한 해석적 결과도 실험적 결과와 유사한 양상을 보였으며, 하중 단계 7 단계(철근항복-140kN) 에서 균열폭 0.
- 이때 혼화재 혼입의 경우 시멘트량에 대하여 내할로 고로슬래그 미분말(BFS)은 30%, 실리카퓸(SF)은 10% 를 각각 대체하였다. 이러한 혼화제의 대체는 부식 방지를 위해 실시되었던 선행연구⑺에서의 결과에 의한 것으로써, 연구 결과에서 BFS와 SF의 대체가 OPC 에 비해 염화물 확산계수를 각각 75%, 30%정도 감소시키는 것으로 나타났다. 또한 부식억제제의 선행된 실험⑺에 근거하여 질산칼슘의 경우 시멘트 량에 대해 2%를 혼입하였으며, 아질산 계열 방청제의 경우 콘크리트 1m3당 3L를 혼입하여 제작하였다.
- 실험적 결과에 따르면 3가지 경우 모두 부재 중앙부에는 휨균열이 분포하였으며, 양 재하점에 가까워질수록 휨전단균열의 형태를 보이는 일반적인 역학적 거동 특성을 보였다. 한편, ATENA에의한 해석적 결과도 실험적 결과와 유사한 양상을 보였으며, 하중 단계 7 단계(철근항복-140kN) 에서 균열폭 0.1mm 이상의 균열에 대하여 일반 부재 및 혼화재를 혼입한 경우 모두 동일한 모멘트 구간 내에서 휨균열이 발생하였으며, 하중 재하점 외부에는 휨전단균열을 보였다.
- 단, 코팅철근을 사용하는 경우에는 사용하는 철근의 항복강도가 일반 철근에 비해 크기 때문에 항복하중과 최대하중이 크게 증가하였다. 한편, 휨 부재 실험을 통해 측정된 최대 재하 하중은 Normal 부재와 비교하여 모든 부재에서 거의 동등한 성능을 나타내었다. 즉, 압축강도가 증가하는 고내구성 재료를 사용하여도 휨 부재의 극한 거동에는 큰 영향을 미치지 않는 것으로 판단된다.
후속연구
- 2) 휨부재에 대해 코팅철근을 인장철근으로 사용할 경우 콘크리트와의 부착이 확보되는 경우에 일반 철근과 유사한 역학적 거동을 기대할 수 있을 것으로 판단된다.
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