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문제 정의
- 본 연구에서는 순환골재 콘크리트 부재의 구조설계기준 작성을 위한 기초 자료를 확보하고자 본 연구의 실험 결과 및 윤승조8), Jianzhuang Xiao9), Andrzej Ajdukiewicz10) 등 기존의 연구자에 의해 실시된 실험 결과를 상호 비교하였다. 각 실험자에 의해 실시된 순환골재 콘크리트와 철근과의 부착강도를 콘크리트 압축강도에 대하여 나타내면 Fig.
- 본 연구에서는 순환굵은골재의 치환율 및 철근 배근 방향/위치에 따른 부착 거동 특성을 평가하기 위하여 Table 2에 나타난 바와 같이 각 변수별로 3개씩 총 36개의 시험 체를 계획 및 제작하였다. 시험체는 순환굵은골재 치환율(0, 30, 60, 100%) 및 철근 배근 방향 (vertical/ horizontal position)을 변수로 하였으며, 모든 시험체는 KS F 2441, ASTM 234와 CSA S802-02규격을 참고하여 Fig.
- 이러한 실험 결과를 바탕으로 현행 천연골재 콘크리트에 대한 규준식 및 기존 연구와 비교·분석함으로써 순환골재 콘크리트 부재의 구조적 적용 가능성을 검토하고자 한다.
- 이에 따라 본 연구에서는 순환골재 콘크리트의 구조기준 작성을 위한 연구의 일환으로 레미콘 배합에 의하여 생산된 콘크리트에서 순환굵은골재 치환율이 철근과의 부착 거동에 미치는 영향을 실험적으로 파악함으로써 순환골재 콘크리트의 구조 부재로의 적용 가능성을 검증하고자 하였다. 실험 계획시에는 실제 철근콘크리트 부재에서 철근의 배근 방향과 위치에 따른 영향을 평가하기 위하여 콘크리트와 철근의 부착 거동을 3가지 조건 (수직 배근, 수평 상단근, 수평 하단근)에서 평가하도록 계획하였다.
제안 방법
- 부착시험용 철근의 길이는 콘크리트 입방체에서 그립까지의 길이를 인장 시험의 시편 길이인 40db를 적용하고 그립 (grip) 길이는 152 mm로 하여, 철근의 전체 길이를 810 (150 + 40db + 152) mm로 하였다. Fig. 3과 같이 부착 시험체를 제작하였으며 콘크리트는 4번에 나누어 같은 두께로 타설 후 각각의 콘크리트 층에 대하여 다짐봉으로 25회 다짐을 실시하였다. 거푸집은 콘크리트 타설 후 24시간 경과 후에 제거하였다.
- H type의 경우 철근 배근 방향을 콘크리트 타설 방향에 수직으로 하여 상·하부 두개의 시험체 (HU, HL)를 동시에 타설 한 후 각각 분리하여 철근의 위치에 따른 영향을 검토하기 위한 실험을 실시하였다.
- 현재까지 순환골재 콘크리트 특성에 관한 연구는 대부분 소규모 실험실 배합 및 비빔을 통하여 이루어졌으며, 이러한 소규모 실험실에서 얻어진 결과를 실제 현장에 적용할 경우, 비빔 방법 및 계량오차 등으로 인하여 실험 결과의 오차가 발생할 수 있다. 따라서 본 연구에서는 현장여건을 충분히 반영할 수 있도록 레미콘 배합으로 콘크리트를 제조하였으며 콘크리트의 설계기준강도는 현행 순환골재의 품질기준에서 규정하고 있는 구조용 콘크리트의 적용 한계치인 27 MPa로 계획하였다. 콘크리트 배합에 사용된 골재의 물리적 성질과 골재의 입형 및 형상은 Table 3 및 Fig.
- 또한 Fig. 4에 나타난 바와 같이 철근 배근 방향을 변수로 하여 실제 시공 시 수직철근을 묘사한 V type과 수평철근의 하부 콘크리트에서 굵은골재의 분포 영향 (하부콘크리트 피복두께)을 고려하기 위하여 H type을 각각 제작하였다. H type의 경우 철근 배근 방향을 콘크리트 타설 방향에 수직으로 하여 상·하부 두개의 시험체 (HU, HL)를 동시에 타설 한 후 각각 분리하여 철근의 위치에 따른 영향을 검토하기 위한 실험을 실시하였다.
- 시험체는 순환굵은골재 치환율(0, 30, 60, 100%) 및 철근 배근 방향 (vertical/ horizontal position)을 변수로 하였으며, 모든 시험체는 KS F 2441, ASTM 234와 CSA S802-02규격을 참고하여 Fig. 2에 나타난 바와 같이 150 × 150 × 150 mm인 콘크리트 입방체로 동일하게 하였고 1개의 철근을 수직으로 입방체의 중심축에 설치하였다.
- 이에 따라 본 연구에서는 순환골재 콘크리트의 구조기준 작성을 위한 연구의 일환으로 레미콘 배합에 의하여 생산된 콘크리트에서 순환굵은골재 치환율이 철근과의 부착 거동에 미치는 영향을 실험적으로 파악함으로써 순환골재 콘크리트의 구조 부재로의 적용 가능성을 검증하고자 하였다. 실험 계획시에는 실제 철근콘크리트 부재에서 철근의 배근 방향과 위치에 따른 영향을 평가하기 위하여 콘크리트와 철근의 부착 거동을 3가지 조건 (수직 배근, 수평 상단근, 수평 하단근)에서 평가하도록 계획하였다. 이러한 실험 결과를 바탕으로 현행 천연골재 콘크리트에 대한 규준식 및 기존 연구와 비교·분석함으로써 순환골재 콘크리트 부재의 구조적 적용 가능성을 검토하고자 한다.
- 26 mm/min)로 가력 하였다. 철근과 콘크리트 사이의 슬립량은 하중점에서 측정되는 하중단 슬립과 철근의 매립 단부에서 측정되는 자유단 슬립으로 구분하여 측정하였다. 철근의 슬립량은 Fig.
- 2에 나타난 바와 같이 150 × 150 × 150 mm인 콘크리트 입방체로 동일하게 하였고 1개의 철근을 수직으로 입방체의 중심축에 설치하였다. 철근의 부착 길이는 사용된 D13철근공칭직경의 4배 (4db = 50.8 mm)로 하였으며, 부착 면이 형성되는 50.8 mm 이외의 부분에는 고무호스를 사용하여 콘크리트와 철근이 비부착 되도록 하였다. 부착시험용 철근의 길이는 콘크리트 입방체에서 그립까지의 길이를 인장 시험의 시편 길이인 40db를 적용하고 그립 (grip) 길이는 152 mm로 하여, 철근의 전체 길이를 810 (150 + 40db + 152) mm로 하였다.
- 철근과 콘크리트 사이의 슬립량은 하중점에서 측정되는 하중단 슬립과 철근의 매립 단부에서 측정되는 자유단 슬립으로 구분하여 측정하였다. 철근의 슬립량은 Fig. 5에 나타난 바와 같이 하 중단 및 자유단으로부터 3개의 변위측정장치 (linear variable displacement transducer, LVDT)를 이용하여 측정하였다. 하중단 슬립은 철근을 중심으로 양축에 설치된 2개의 LVDT를 사용하여 측정하였고, 자유단 슬립은 하중단 반대편에서 시험체의 돌출 부분에 1개의 LVDT를 설치하여 각각 측정하였으며, 철근의 인발 실험 시, 매립된 철근에 편심인발하중이 작용되는 것을 방지하기 위하여 인발하중 가력점에 특수하게 제작된 원형 구좌를 설치하였다.
- 5에 나타난 바와 같이 하 중단 및 자유단으로부터 3개의 변위측정장치 (linear variable displacement transducer, LVDT)를 이용하여 측정하였다. 하중단 슬립은 철근을 중심으로 양축에 설치된 2개의 LVDT를 사용하여 측정하였고, 자유단 슬립은 하중단 반대편에서 시험체의 돌출 부분에 1개의 LVDT를 설치하여 각각 측정하였으며, 철근의 인발 실험 시, 매립된 철근에 편심인발하중이 작용되는 것을 방지하기 위하여 인발하중 가력점에 특수하게 제작된 원형 구좌를 설치하였다.
대상 데이터
- 본 연구에서는 국내 순환골재의 품질 기준에서 구조 부재에 적용 가능한 순환굵은골재 품질 성능의 하한치를 만족하도록 제조된 흡수율 2.99% 및 절건밀도 2.49 g/cm3인 순환굵은골재 (I사)를 제조하여 사용하였다. 현재까지 순환골재 콘크리트 특성에 관한 연구는 대부분 소규모 실험실 배합 및 비빔을 통하여 이루어졌으며, 이러한 소규모 실험실에서 얻어진 결과를 실제 현장에 적용할 경우, 비빔 방법 및 계량오차 등으로 인하여 실험 결과의 오차가 발생할 수 있다.
- 8 mm 이외의 부분에는 고무호스를 사용하여 콘크리트와 철근이 비부착 되도록 하였다. 부착시험용 철근의 길이는 콘크리트 입방체에서 그립까지의 길이를 인장 시험의 시편 길이인 40db를 적용하고 그립 (grip) 길이는 152 mm로 하여, 철근의 전체 길이를 810 (150 + 40db + 152) mm로 하였다. Fig.
- 6에 각각 나타내었고, 콘크리트의 배합조건은 Table 4에 나타내었다. 사용된 인장철근은 SD400급의 D13철근을 사용하였으며, KS B 0802에 준하여 실시된 철근의 인장강도 실험 결과는 Table 5에 나타낸 바와 같다. 또한 KS F 2405에 의하여 측정된 압축강도는 Table 6에서 보는 바와 같이 순환굵은골재 치환율에 따라서 설계기준강도보다 8~37% 정도 높은 범위를 보였다.
이론/모형
- 부착 시험은 CSA S806-02 규준6)에 준하여 실시하였다. 하중은 200 kN 용량의 만능재료시험기를 이용하여 변위 제어 (1.
성능/효과
- 특히 Fig. 9(b)에 나타난 바와 같이 H type 시험체 중 상부철근 시험체인 HU type 시험체가 하부철근 시험체인 HL type에 비하여 낮은 부착응력을 보였으며, 순환굵은골재 치환율이 증가함에 따라 부착강도가 다소 증가하다가 굵은골재를 100% 순환굵은골재로 치환한 A100HU 시험체에서 다른 시험체에서와 상이한 낮은 부착강도를 보였다. 또한 Fig.
- 또한 Fig. 9 (c)에서와 같이 HL type 시험체의 경우에는 V type 시험체와 비교한 결과, 순환 굵은골재를 사용한 A30HL, A60HL 및 A100HL 시험체가 약 20%의 부착응력 저하를 보인 반면, 천연골재를 사용한 A0HL 시험체에서는 약 40%의 부착응력 저하를 보였으며, 최대부착강도시 변형률은 A100HL 시험체 (슬립량 1 mm 이내)를 제외하고 V type 시험체보다 2배가량 높게 측정된 것으로 파악되었다.
- 1) 순환골재를 사용한 콘크리트에서 철근과 콘크리트의 부착응력-슬립 관계는 철근의 배근 방향/위치 및 순환굵은골재의 치환율에 따라서 영향을 받는 것으로 나타났다. 즉, 수직철근 시험체는 순환굵은골재의 치환율에 관계없이 상호 유사한 경향을 나타내고 있으나, 수평철근 시험체 중 상부철근 시험체와 하부철근 시험체는 수직철근 시험체에 비하여 각각 약 58% 및 약 20% 정도 부착응력이 저하된 것으로 나타나 철근의 위치 (상·하부)별로 부착응력의 분포에 차이가 있는 것으로 파악되었다.
- 2) 수평철근의 배근 위치에 따른 부착강도의 차이는 순환굵은골재의 침하로 인한 굵은골재의 편중 현상과 철근하부 콘크리트 페이스트의 추가적인 침하 및 상부철근을 통과하지 못한 기포의 영향으로 인하여 콘크리트와 철근의 부착면적이 감소된 것에 기인하는 것으로 판단된다.
- 3) V type 및 HL type의 경우 전반적으로 순환굵은골재 치환율과 무관하게 각 시험체의 부착강도는 CEBFIP 규준식 및 제안식보다 상회하는 값을 나타내어 적용이 가능할 것으로 판단된다. 반면 수평방향으로 배근된 상부철근 (철근 하부에 깊이 225 mm 콘크리트가 타설됨)인 HU type의 경우 다른 시험조건에 비하여 부착강도가 작은 것으로 나타나 이에 따른 심도 깊은 검토가 필요할 것으로 사료된다.
- 9(a)에 나타난 바와 같이 수직철근을 묘사한 V type 시험체의 경우 순환굵은골재 치환율에는 크게 관계없이 유사한 부착응력-슬립량 거동 특성을 보이고 있다. 그러나 철근을 수평으로 배치하고 철근과 수직 방향으로 콘크리트를 타설한 H type 시험체들은 전체적으로 V type 시험체에 비해 비교적 낮은 부착강도를 나타냈으며, 최대부착응력시 슬립량 또한 2배 정도 높게 나타났다. 특히 Fig.
- 13과 같다. 그림에서 보는 바와 같이 다른 연구자들에 의한 연구 결과는 모두 수직철근을 묘사한 V type의 형태로 실험을 실시되었으며, 모두 CEB-FIP 규준식 및 島의 제안식의 값을 상회하는 결과를 보였다. 또한 Table 7 및 Fig.
- 또한 HL type 에서는 순환굵은골재 치환율이 증가됨에 따라 τEX/τANA 값도 비례하여 증가하는 것으로 나타났다.
- 사용된 인장철근은 SD400급의 D13철근을 사용하였으며, KS B 0802에 준하여 실시된 철근의 인장강도 실험 결과는 Table 5에 나타낸 바와 같다. 또한 KS F 2405에 의하여 측정된 압축강도는 Table 6에서 보는 바와 같이 순환굵은골재 치환율에 따라서 설계기준강도보다 8~37% 정도 높은 범위를 보였다.
- 본 연구에서의 실험 결과를 종합적으로 분석한 결과, 철근의 부착응력은 순환굵은골재 치환율에는 크게 영향을 받지 않는 것으로 나타났고, 오히려 굵은골재 입형에 기인한 침하량 차이에 의한 골재편중 현상 및 콘크리트의 블리딩에 의한 기포의 영향에 의하여 철근의 위치 (상부 및 하부)에 따른 응력의 차이가 발생하였다. 특히 상부철근을 묘사한 HU type의 경우에 다른 시험체에 비하여 현저한 부착응력의 저하를 나타내었으며 그에 따라 식 (3)과 같은 형태의 기존 규준 및 제안식에 근거하여 이형철근의 부착강도에 철근의 위치에 대한 고려사항을 수정해야 할 필요가 있을 것으로 사료된다.
- 이는 하부철근인 HL type의 가장 작은 실험값의 평균과 α를 1.2로 고려하였을 때 상부철근인 HU type중 가장 작은 실험값의 평균이 각각의 규준값을 5~10% 이상 상회하고 있으므로 적용 가능할 것으로 판단된다.
- 즉, 수직철근 시험체는 순환굵은골재의 치환율에 관계없이 상호 유사한 경향을 나타내고 있으나, 수평철근 시험체 중 상부철근 시험체와 하부철근 시험체는 수직철근 시험체에 비하여 각각 약 58% 및 약 20% 정도 부착응력이 저하된 것으로 나타나 철근의 위치 (상·하부)별로 부착응력의 분포에 차이가 있는 것으로 파악되었다.
- 그림에 나타난 바와 같이 철근과 콘크리트의 점착력만 작용하는 1단계 이후에 수평철근을 묘사한 H type 시험체가 수직철근을 묘사한 V type 시험체에 비하여 더 많은 슬립량의 증가와 낮은 최대부착응력을 보이는 등 상이한 거동을 보이고 있다. 특히 상부철근 시험체인 HU type의 경우 기계적 부착력과 콘크리트와 철근의 맞물림 작용이 발생하는 2단계 및 3단계에서 부착응력의 증가가 작고, 그에 따른 슬립량이 많이 증가하는 것으로 나타났다. 이는 철근의 배근 방향 및 위치에 따라서 나타나는 차이로서, 수직철근을 묘사한 V type 시험체는 굵은골재의 고른 분포를 보이는 반면, 수평철근을 묘사한 H type 시험체의 경우에는 전술한 골재침하 현상으로 인해 굵은골재의 편중 현상이 발생됨에 따라 상부철근에서는 콘크리트의 구속 효과가 감소된 것으로 판단된다.
- 하지만 수평 철근을 묘사한 H type 중 상부철근 시험체인 HU type의 경우에는 순환굵은골재 치환율이 증가됨에 따라 τEX/τANA 비가 점차 높게 나타나고 있으나, 전반적으로 1.0 내외의 값을 보여 상대적으로 다른 조건의 시험체들에 비하여 CEB-FIP 규준식 및 島의 제안식에 의한 계산값 보다 낮게 나타나 규준에서 정하는 부착력을 확보하지 못하고 있는 것으로 평가되었다.
후속연구
- 4) 철근과 콘크리트의 부착강도 평가를 위한 기존의 규준식에서 철근의 위치에 따른 기여도를 재검토할 필요성이 있을 것으로 사료된다. 본 연구범위 내에서는 HU type의 경우에는 α값을 기존의 2.
- 2로 고려하였을 때 상부철근인 HU type중 가장 작은 실험값의 평균이 각각의 규준값을 5~10% 이상 상회하고 있으므로 적용 가능할 것으로 판단된다. 본 연구는 강자갈을 사용한 폐 콘크리트로부터 생산된 순환골재를 사용한 콘크리트의 실험 결과에 근간하고 있지만, 향후 보다 많은 실험을 통하여 데이터를 구축할 필요성이 있을 것으로 사료된다.
- 본 연구범위 내에서는 HU type의 경우에는 α값을 기존의 2.5에서 1.2로 낮추어 적용해야 하며, 보다 다양한 데이터 구축을 통하여 그 적용성을 높여나가야 할 것으로 판단된다.
- 본 연구에서의 실험 결과를 종합적으로 분석한 결과, 철근의 부착응력은 순환굵은골재 치환율에는 크게 영향을 받지 않는 것으로 나타났고, 오히려 굵은골재 입형에 기인한 침하량 차이에 의한 골재편중 현상 및 콘크리트의 블리딩에 의한 기포의 영향에 의하여 철근의 위치 (상부 및 하부)에 따른 응력의 차이가 발생하였다. 특히 상부철근을 묘사한 HU type의 경우에 다른 시험체에 비하여 현저한 부착응력의 저하를 나타내었으며 그에 따라 식 (3)과 같은 형태의 기존 규준 및 제안식에 근거하여 이형철근의 부착강도에 철근의 위치에 대한 고려사항을 수정해야 할 필요가 있을 것으로 사료된다.
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