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문제 정의
- 본 연구에서는 단면의 인장철근이 항복할 때의 변위 (∆y)와 최대하중시의 변위 (∆u)의 비로 표현되는 연성지수를 사용하여 부재의 안전성을 평가하였다. 실험 결과 황토가 치환된 시험체는 상대연성지수가 1.
- 본 연구에서는 실험을 통해 친환경 혼화재료로서 활성황토가 콘크리트의 압축강도와 철근콘크리트 보의 휨강도에 미치는 영향을 분석하고, 활성황토가 혼화재료로 사용된 콘크리트에서 재생 PET섬유가 철근콘크리트 보의 휨강도에 미치는 영향을 검토하였다.
- 재생 PET섬유가 혼입된 철근 황토 콘크리트 보의 휨 거동 특성을 확인하기 위하여 슬래그 시멘트 콘크리트 (SC), 황토 콘크리트 (HTC), 재생 PET섬유를 혼입한 황토 콘크리트 (HTPC)를 대상으로 실험을 수행하였다. 본 연구에서는 활성황토를 혼화재로 사용했을 경우 발생하는 유동성 저하와 건조수축의 증가를 개선하기 위하여 일반 포틀랜드시멘트를 사용하지 않고 시멘트와 고로슬래그가 7:3으로 혼합되어 있는 고로슬래그 시멘트를 사용하여 활성황토의 적정 치환율 결정을 위한 예비 실험을 실시하였다. 실험 결과를 통하여 물-시멘트 비는 43%, 활성황토의 적정 치환율은 25%로 결정하였고 이를 통하여 콘크리트 배합표를 도출하였다.
- 본 연구에서는 활성황토와 재생 PET섬유를 혼입한 철근콘크리트 보의 휨 성능을 구명하기 위해 실험을 수행하였으며, 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
- 본 연구에서는 활성황토와 재생 PET섬유의 혼입에 따른 파괴형태를 파악하기 위해서 파괴 시 까지 가력 하여 각 하중단계에 따른 균열 진전 상황을 고찰하였으며, Fig. 10에 그 결과를 나타내었다. SC 시험체는 Fig.
제안 방법
- 압축강도 시험은 Φ100 mm × 200 mm의 원형공시체를 제작 후 온도 22℃, 습도 60%의 항온·항습실에서 습윤 양생을 하였다. 공시체는 배합별로 3개씩 제작하였으며, KS F 2405에 따라 재령 7일, 14일, 28일, 56일의 압축강도를 측정하였다.
- 변형률게이지와 LVDT로부터 측정되는 모든 실험 데이터는 자동변형 측정기 (data logger: TDS-303)를 통해 전자식으로 획득하였다. 또한 균열의 발생 및 진전 상황은 육안으로 확인 기록하였다. 실험 전경은 Fig.
- 실험 결과를 통하여 물-시멘트 비는 43%, 활성황토의 적정 치환율은 25%로 결정하였고 이를 통하여 콘크리트 배합표를 도출하였다. 또한 재생 PET섬유가 철근 황토 콘크리트 보의 휨강도에 미치는 영향을 평가하기 위하여 부피의 1%에 해당하는 재생 PET섬유를 혼입하였다. 시험체에 사용된 강도, 슬럼프 및 공기량 등의 다른 배합조건과 철근비, 피복두께 등의 설계조건은 모두 동일하게 적용하였다.
- 33 m2/g인 활성황토를 사용하였고 황토의 화학조성은 Table 1과 같다. 또한 재생 PET섬유가 철근콘크리트 보의 휨 거동에 미치는 영향을 살펴보기 위하여 폐 PET병을 재활용하여 만든 재생 PET섬유를 혼입하였다. 기존 연구 결과에 의하면 부피의 1%를 혼입하였을 때 균열제어 성능이 가장 우수한 것으로 나타났다.
- 휨 실험은 2,000 kN 용량의 만능시험기 (UTM)를 사용하여 3점 휨 실험을 하였다. 시험체의 가력은 초기균열발생 전까지는 하중 제어법을 사용하여 20 kN/min의 속력으로 가력 하였으며, 초기균열발생 후에는 변위 제어법을 사용하여 0.05 mm/min의 재하속도로 가력 하였다.
- 압축강도 시험은 Φ100 mm × 200 mm의 원형공시체를 제작 후 온도 22℃, 습도 60%의 항온·항습실에서 습윤 양생을 하였다.
- 주철근의 변형률 측정을 위하여 최대 모멘트 지점인 보 중앙부 철근 하부에 변형률게이지를 부착하였으며, 콘크리트의 변형률 측정을 위해 콘크리트 상부에 변형률게이지를 부착하여 각각의 변형률을 측정하였다. 시험체의 처짐을 측정하기 위하여 철근콘크리트 보 시험체 중앙부 하부에 전기식 변위계 (이하 LVDT: linear variational deformation transducer)를 3점에 설치하였다.
- 콘크리트의 설계기준강도 fck는 28 MPa, 철근의 항복강도 fy는 300 MPa, 단면형상은 직사각형 단면으로 폭 b는 200 mm, 높이 h는 300 mm, 길이 l은 2,000 mm로 제작하였다. 주철근의 변형률을 측정하기 위하여 보 중앙 최대 모멘트 지점인 중앙부 하부에 철근용 변형률 게이지를 부착하였고, 콘크리트의 응력을 측정하기 위하여 콘크리트 상부에 콘크리트용 변형률게이지를 부착하였다. 철근콘크리트 보 시험체의 단면형상 및 배근 형태는 Fig.
- 철근콘크리트 보 시험체는 슬래그 시멘트 콘크리트, 황토콘크리트, PET섬유를 혼입한 황토 콘크리트의 각 배합에 따라 각각 3개씩 제작하였다. 철근콘크리트 보를 제작함에 있어 시험기의 용량, 시험체의 관리 및 제어를 고려하여 시험체의 제원을 결정하였다. 콘크리트의 설계기준강도 fck는 28 MPa, 철근의 항복강도 fy는 300 MPa, 단면형상은 직사각형 단면으로 폭 b는 200 mm, 높이 h는 300 mm, 길이 l은 2,000 mm로 제작하였다.
대상 데이터
- 시험체의 처짐을 측정하기 위하여 철근콘크리트 보 시험체 중앙부 하부에 전기식 변위계 (이하 LVDT: linear variational deformation transducer)를 3점에 설치하였다. 변형률게이지와 LVDT로부터 측정되는 모든 실험 데이터는 자동변형 측정기 (data logger: TDS-303)를 통해 전자식으로 획득하였다. 또한 균열의 발생 및 진전 상황은 육안으로 확인 기록하였다.
- 본 실험에서 사용한 황토는 전남 고창군에서 생산된 것으로, 천연황토를 850℃로 소성시킨 비중이 2.72이고 분말도가 0.33 m2/g인 활성황토를 사용하였고 황토의 화학조성은 Table 1과 같다. 또한 재생 PET섬유가 철근콘크리트 보의 휨 거동에 미치는 영향을 살펴보기 위하여 폐 PET병을 재활용하여 만든 재생 PET섬유를 혼입하였다.
- HTPC 시험체는 SC 시험체와 HTC 시험체와는 다른 거동을 보이고 있다. 본 연구에 사용된 재생 PET섬유는 embossed type으로 straight type이나 crimped type에 보다 섬유와 매트릭스의 부착성능이 우수한 것으로 알려져 있다.18) 따라서 섬유와 매트릭스와의 부착력의 증가로 재생 PET섬유가 인발되지 않고 파단 되면서 균열이 발생하였을 때 하중에 저항하면서 지속적으로 인장응력을 전달하기 때문에 균열의 성장을 억제하였다.
- 34 m2/g의 S사의 고로슬래그 시멘트를 사용하였다. 잔골재는 KS L5100에서 규정하고 있는 콘크리트 및 모르타르 품질시험용 비중 2.6의 강원도 주문진산 표준사를 사용하였고, 굵은골재는 청주근교 K업체의 최대치수 25 mm 쇄석골재를 사용하였다.
- 재생 PET섬유가 혼입된 철근 황토 콘크리트 보의 휨 거동 특성을 확인하기 위하여 슬래그 시멘트 콘크리트 (SC), 황토 콘크리트 (HTC), 재생 PET섬유를 혼입한 황토 콘크리트 (HTPC)를 대상으로 실험을 수행하였다. 본 연구에서는 활성황토를 혼화재로 사용했을 경우 발생하는 유동성 저하와 건조수축의 증가를 개선하기 위하여 일반 포틀랜드시멘트를 사용하지 않고 시멘트와 고로슬래그가 7:3으로 혼합되어 있는 고로슬래그 시멘트를 사용하여 활성황토의 적정 치환율 결정을 위한 예비 실험을 실시하였다.
- 철근콘크리트 보 시험체는 슬래그 시멘트 콘크리트, 황토콘크리트, PET섬유를 혼입한 황토 콘크리트의 각 배합에 따라 각각 3개씩 제작하였다. 철근콘크리트 보를 제작함에 있어 시험기의 용량, 시험체의 관리 및 제어를 고려하여 시험체의 제원을 결정하였다.
- 철근콘크리트 보를 제작함에 있어 시험기의 용량, 시험체의 관리 및 제어를 고려하여 시험체의 제원을 결정하였다. 콘크리트의 설계기준강도 fck는 28 MPa, 철근의 항복강도 fy는 300 MPa, 단면형상은 직사각형 단면으로 폭 b는 200 mm, 높이 h는 300 mm, 길이 l은 2,000 mm로 제작하였다. 주철근의 변형률을 측정하기 위하여 보 중앙 최대 모멘트 지점인 중앙부 하부에 철근용 변형률 게이지를 부착하였고, 콘크리트의 응력을 측정하기 위하여 콘크리트 상부에 콘크리트용 변형률게이지를 부착하였다.
- 활성황토 및 재생 PET섬유를 혼입한 철근콘크리트 보의 휨 거동 특성 분석을 위한 시험체의 제작에 사용된 시멘트는 KS L5210 고로슬래그 시멘트에 규정된 시멘트와 콘크리트용 고로슬래그미분말이 7:3으로 섞인, 비중 3.05, 분말도 0.34 m2/g의 S사의 고로슬래그 시멘트를 사용하였다. 잔골재는 KS L5100에서 규정하고 있는 콘크리트 및 모르타르 품질시험용 비중 2.
성능/효과
- 1) 철근콘크리트 보 시험체의 휨 실험을 통하여 혼화재로 활성황토를 사용한 철근콘크리트 보 시험체는 극한강도가 10% 증가하였으며, 활성황토와 재생 PET섬유를 혼입한 철근콘크리트 보의 극한강도는 활성황토만을 치환한 콘크리트에 비하여 30%가 증가하였다. 따라서 본 연구에서는 활성황토의 휨 부재에 사용 가능성을 확인하였고, 재생 PET섬유와 함께 사용할 경우 그 성능이 더욱 증가하는 것을 알 수 있었다.
- 2) 철근콘크리트 보의 휨 실험 결과 활성황토로 치환한 철근콘크리트 보와 활성황토와 재생 PET섬유를 함께 사용한 철근콘크리트 보의 상대연성지수가 각각 1.34, 3.30으로 나타나, 활성황토와 재생 PET섬유가 철근콘크리트 보의 연성을 증가시키는 것을 확인하였다. 특히 재생 PET섬유를 혼입한 시험체의 경우 철근콘크리트의 항복이후 휨 거동에 더욱 효과적임을 알 수 있다.
- 3) 파괴 양상 또는 휨 거동을 통하여 재생 PET섬유는 부착특성이 우수하고 섬유의 인장 변형률이 크기 때문에 섬유가 인발되지 않을 때 섬유 자체의 변형률이 증가하면서 콘크리트 모체에 발생하는 균열의 성장에 지속적으로 저항하는 것을 확인하였다. 따라서 재생 PET섬유는 철근콘크리트 부재를 연성파괴로 유도하는데 효과적이며 안전성이 매우 증대될 것으로 판단된다.
- 1-3) 황토는 카올린계로서 우리나라 토양의 10% 이상을 점하고 있어 매장량이 풍부하고 수급이 용이하다.4) 천연상태의 황토는 큰 수축에 의한 균열, 낮은 강도특성으로 인하여 건설재료로서 사용이 어려우나, 고온의 온도에서 활성 시킨 활성황토 (activated Hwangtoh)는 포졸란반응의 활성도가 매우 높아져 친환경 콘크리트를 위한 혼화재로 활용이 가능하다.5-7)
- 3으로 활성황토만으로 치환된 HTC 시험체의 약 2배 이상, SC 시험체에 비해서는 약 3배 이상 높게 나타나 연성에 대한 성능이 가장 우수한 것으로 나타났다. HTPC 시험체는 시멘트에 비해 분말도가 높은 활성황토가 재생 PET섬유와 시멘트 매트릭스 사이의 부착표면 공극을 감소시키는 효과와 재생 PET섬유의 가교작용을 통하여 휨 성능 및 연성이 증가한 것으로 판단된다.22) 또한, 슬래그는 활성황토와의 반응성뿐만 아니라 재생 PET섬유와 함께 사용될 경우 배합 시 유동성을 증가시켜 매트릭스 내에서 섬유가 한 부분에 치우치지 않고 고르게 분포되도록 하는 효과가 있다.
- 1) 철근콘크리트 보 시험체의 휨 실험을 통하여 혼화재로 활성황토를 사용한 철근콘크리트 보 시험체는 극한강도가 10% 증가하였으며, 활성황토와 재생 PET섬유를 혼입한 철근콘크리트 보의 극한강도는 활성황토만을 치환한 콘크리트에 비하여 30%가 증가하였다. 따라서 본 연구에서는 활성황토의 휨 부재에 사용 가능성을 확인하였고, 재생 PET섬유와 함께 사용할 경우 그 성능이 더욱 증가하는 것을 알 수 있었다.
- 3) 파괴 양상 또는 휨 거동을 통하여 재생 PET섬유는 부착특성이 우수하고 섬유의 인장 변형률이 크기 때문에 섬유가 인발되지 않을 때 섬유 자체의 변형률이 증가하면서 콘크리트 모체에 발생하는 균열의 성장에 지속적으로 저항하는 것을 확인하였다. 따라서 재생 PET섬유는 철근콘크리트 부재를 연성파괴로 유도하는데 효과적이며 안전성이 매우 증대될 것으로 판단된다.
- 하지만 SC 시험체, HTC 시험체와 다르게 극한하중 이후에도 연성거동을 보여 안전성이 증가하는 것을 확인하였다. 또한, 초기균열발생 시기는 SC 시험체, HTC 시험체와 거의 비슷하나 초기균열 이후 극한하중 도달까지의 균열진전속도를 늦춰 균열 성장을 억제 것을 알 수 있었다. 이는 콘크리트에 혼입된 재생 PET섬유가 시멘트 매트릭스와의 부착 능력이 우수하여 콘크리트의 균열 성장을 억제하는데 효과적인 것으로 판단된다.
- )의 비로 표현되는 연성지수를 사용하여 부재의 안전성을 평가하였다. 실험 결과 황토가 치환된 시험체는 상대연성지수가 1.34로 SC 시험체에 비해 약 1.3배 정도 연성이 높게 나타나 활성황토가 연성증가에 효과적인 것을 알 수 있다. 이러한 결과는 활성황토와 슬래그의 혼합으로 인하여 매트릭스의 강도가 증진되어 연성이 증가한 것으로 판단된다.
- 본 연구에서는 활성황토를 혼화재로 사용했을 경우 발생하는 유동성 저하와 건조수축의 증가를 개선하기 위하여 일반 포틀랜드시멘트를 사용하지 않고 시멘트와 고로슬래그가 7:3으로 혼합되어 있는 고로슬래그 시멘트를 사용하여 활성황토의 적정 치환율 결정을 위한 예비 실험을 실시하였다. 실험 결과를 통하여 물-시멘트 비는 43%, 활성황토의 적정 치환율은 25%로 결정하였고 이를 통하여 콘크리트 배합표를 도출하였다. 또한 재생 PET섬유가 철근 황토 콘크리트 보의 휨강도에 미치는 영향을 평가하기 위하여 부피의 1%에 해당하는 재생 PET섬유를 혼입하였다.
- 재령 초기에는 SC 시험체의 압축강도가 HTC와 HTPC 시험체의 압축강도 보다 높게 나타났으나 시간이 경과하면서 HTC와 HTPC 시험체의 압축강도가 높게 나타났다. 이는 활성황토의 치환에 따른 시멘트량의 감소로 시멘트 수화물의 생성이 감소하고 수화반응도 늦게 일어나기 때문에 초기 강도 발현률은 낮지만 포졸란반응에 의해 장기강도가 증진하는 효과를 보이고 있다.
- 이는 재생 PET섬유의 우수한 부착성능으로 섬유의 인발성능이 개선되어 부재의 취성파괴를 방지하고 연성파괴를 유도하는데 효과적이며 에너지 흡수 능력을 증가시켰기 때문이라 사료된다. 즉, HTPC 시험체는 시멘트에 비해 분말도가 높은 활성황토가 재생 PET섬유와 시멘트 매트릭스 사이의 부착표면 공극을 감소시키는 효과와 재생 PET섬유가 인장저항력을 증가시키는 두 재료간의 상호작용으로 극한하중과 변형 능력이 가장 우수하게 나타난 것으로 판단된다.
- 활성황토와 재생 PET섬유를 혼입한 HTPC 시험체도 역시 휨 파괴가 발생하였다. 하지만 SC 시험체, HTC 시험체와 다르게 극한하중 이후에도 연성거동을 보여 안전성이 증가하는 것을 확인하였다. 또한, 초기균열발생 시기는 SC 시험체, HTC 시험체와 거의 비슷하나 초기균열 이후 극한하중 도달까지의 균열진전속도를 늦춰 균열 성장을 억제 것을 알 수 있었다.
- 활성황토로 치환한 HTC 시험체는 SC 시험체와 유사한 거동을 보였으나, SC 시험체 보다 다소 휨 성능이 높게 나타났다. 그러나 전반적인 휨 거동은 SC 시험체와 유사하며, 극한하중 이후에 급격한 휨 인장파괴가 발생하였다.
후속연구
- 이상과 같은 결론으로부터 활성황토와 재생 PET섬유를 혼입한 철근콘크리트 시험체는 휨 부재로서의 우수한 성능을 가지므로 콘크리트구조물의 성능향상에 많은 기여를 할 것으로 사료된다. 그러나 추후 설계시방서 등에 반영하기 위한 추가 연구가 필요하며, 설계 시 활용을 위한 보다 정확한 매개변수 등에 대한 연구가 수행되어야 할 것이다.
- 이상과 같은 결론으로부터 활성황토와 재생 PET섬유를 혼입한 철근콘크리트 시험체는 휨 부재로서의 우수한 성능을 가지므로 콘크리트구조물의 성능향상에 많은 기여를 할 것으로 사료된다. 그러나 추후 설계시방서 등에 반영하기 위한 추가 연구가 필요하며, 설계 시 활용을 위한 보다 정확한 매개변수 등에 대한 연구가 수행되어야 할 것이다.
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