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문제 정의
- 따라서, 본 연구에서는 순환 골재 사용으로 인한 문제점을 보완하기 위한 방법으로 강섬유(Steel Fiber)재료의 사용을 검토하고자 한다.
- 본 연구에서는 순환 골재를 사용한 콘크리트에 강섬유를 혼입하여 재료실험과 철근콘크리트 보 휨 실험을 통하여 강섬유혼입효과 및 보 부재의 구조적 휨 거동 특성을 규명하고 강섬유 혼입 순환 골재 콘크리트의 효율적인 이용에 대한 가능성을제시하고자 한다.
제안 방법
- 가력은 초기에는 IkN 단위의 하중 제어 방식으로, 항복 이후에는 변위 2倾마다 데이터를 측정하는 변위 제어방식으로재하하였다. 가력판 상부에 Load Cell을 설치하여 가력단계에따른 하중을 측정하였다.
- 최대 내력을 결정하였다. 균열의 진행 상황은 하중을 가력하면서 발생되는 균열을 유성펜을 사용하여 위치와 하중을 표시하면서 파악하였다.
- 본 실험에서 고려되는 변수는 보통 굵은 골재에 대한 순환골재의 치환율과 강섬유 혼입 유무에 따라 원주형 공시체와 보시험체를 제작하였으며 실험 변수는 표 1과 같다.
- 본 연구는 순환 골재를 콘크리트용 대체 굵은골재로 사용하기 위해 순환 골재 치환율(0%, 30%, 60%), 강섬유 혼입 유무에 따라 시험체를 제작하여 순환 골재 및 강섬유가 철근콘크리트에 미치는 재료 및 구조적 특성을 파악하여 다음과 같은결론을 얻었다.
- 본 연구에서 엄밀해석에 의하여 인장철근이 항복할때의 강도를 항복강도로 간주하고 압축 콘크리트의 연단부의 변형률이파단 변형률에 도달했을 때의 강도를 최대강도로 간주하였다.
- 부재 시험체는 강도설계법으로 설계하였으며, 시험체의 크기는 그림 1과 같이 제작하였다. 철근은 SD300을 사용하여상부에는 D10, 하부에 D13을 배근하고, 스
- 실험은 그림 2 및 사진 1과 같이 만능구조실험기가 설치된 실험실에서 행하였으며 단순 지지 상태로 실험체를 설치하고 2 개의 집중하중을 작용하여 실험체가 완전파괴 될 때까지 가력후 최대 내력을 결정하였다. 균열의 진행 상황은 하중을 가력하면서 발생되는 균열을 유성펜을 사용하여 위치와 하중을 표시하면서 파악하였다.
- 실험은 표 1과 같이 강섬유 혼입 유무와 순환골재 치환율을 0%, 30%, 60%로 원주형 공 시체(0100x200m)와 부재 시험체(150(b) x250(h) x2, 100(L)mm)를 제작하여 시험체별로 파괴 압축강도, 쪼갬 인장강도, 내화도(耐火度), 철근콘크리트 보의 휨 실험을 실시하였다.
- 재료실험용 공시 체는 변수 및 재령별로 6개씩 제작하여 신험을 실시하였다.
대상 데이터
- 본 연구에 사용된 잔골재와 굵은 골재는 KS F 2502(골재의 체가름 실험 방법)의 규격에 적합한 골재를 사용하였으며, 잔골재는 강모래를 굵은 골재는 부순 굵은 골재를 사용하였다.
- 시험체에 사용된 K사의 강섬유를 사용하였으며 강섬유의물리적 특성은 표 3과 같다.
- 시험체에 사용된 콘크리트는 설계 기준강도 24MPa, 콘크리의 배합순서는 잔골재, 시멘트, 혼화재, 굵은 골재와 같은 순서로 투입하였으며 비빔을 한 후 KS F 2402(포틀랜드 시멘트콘크리트의 슬럼프 시험 방법)의 규격에 의하여 슬럼프를 확인한 후 부어 넣기 하였다. 콘크리트 배합표는 표 4와 같다.
- 폐콘크리트는 KS F 2573(콘크리트용 순환 골재)의 1종 굵은 골재의 품질기준을 만족하는 것을 사용하였으며 골재의 물리적 성질은 표 2와 같다.
이론/모형
- 본 연구에서는 구조물이 견딜 수 있는 최대하중을 더 이상지지할 수 없을 때 파괴된다고 하는 파괴의 개념에 따라 ACI Committee 363의 연성계수를 정의하는 다음 식을 적용한다.
성능/효과
- 1) 재령별 압축강도 실험 결과, 순환 골재의 치환율이 증가할수록 재령별로 강섬유 무 혼입 시험체는 3.8-17.2%, 강섬유 혼입한 시험체는 4, 3-18.2% 정도 저하되는 경향을 보였다.
- 2) 재령별 쪼갬 인장강도 실험결괴-, 순순활 골재의치환율이 증가할수록 재령별로 강섬유 무 혼입 시험체는 5.0-18.4%, 강섬유 혼입 시험체는 0.4-21.8% 정도 낮은 경향을 보였다.
- 4) 부재 휨 실험 결과, 순환 골재 치환율이 증가할수록 항복강도 및 극한 훰강도는 다소 저하되었으나 거의 유사한 거동을 하는 것으로 나타났다.
- 5) 각종 재료실험과 부재실험 결과를 종합한바, 순환골재콘크리트에 강섬유를 혼입함으로써 순환 골재를 일반 쇄석에 대하여 강섬유를 혼입하여 치환율 30% 정도 까지치환하여 사용하여도 일반 쇄석을 사용한 콘크리트와거의 유사한 압축강도, 인장강도, 휨 내력, 연성능력을갖는 것으로 나타나 강섬유 혼입 및 순환골재를 사용한철근 콘크리트 보의 실제 구조물에 대한 적용이 가능할것으로 판단된다.
- 12MPa로 극한 휨강도가 가장 높게 나왔다. WC30-N 시험체가 2.01MPa로 4.5%정도, WC60-N 시험체가 1.95MPa로 8.0% 정도 극한 휨강도가 낮게 나타났다.
- 16MPa 로 극한 휨강도가 가장 높게 나왔다. WC30-S 시험체가 2.08MPa 로 4.0% 정도, WC60-S 시험체가 2.05MPa로 5.4% 정도 극한 훰강도가 낮게 나타났다.
- 강섬유 보강 유무와 상관없이 순환 골재의 치환율이 증가할수록, 가열온도가 높을수록 압축강도가 저하하는 것으로 나타났으며, 특히 순환 골재 60% 시험체는 다른 시험체에 비해 가장 큰 압축강도 감소율을 보였다.
- 강섬유 혼입 순환 골재 콘크리트 시험체는 5.5-35.2% 정도, 순환골재 30% 치환한 시험체가 2.4-36.3% 정도, 60% 치환한 시험체가 3.9~39.5%로 압축강도가 감소하여 순환 골재의 치환율이 증가할수록, 가열온도가 높을수록 압축강도가 저하하는 것으로 나타났다.
- 강섬유 혼입 유무에 따라 순환 골재 시험체의 휨 실험결과를비교했을 경우, WCO-S 시험체가 WC0-N 시험체 보다 2.0% 정도, WC30-S 시험체가 WC30-N 시험체보다 3.5% 정도, WC60-S 시험체가 WC60-N 시험체보다 5.0% 정도극한 휨강도가 증가하였다.
- 강섬유 혼입 유무에 따른 순환 골재 휨 시험체의 연성계수를비교했을 경우, 강섬유 무 혼입 시험체에 비해 강섬유 혼입 순환골재 0% 시험체는 15.0%, 순환 골재 30% 시험체는 14.0%, 순환골재 60% 시험체는 9.2% 정도 연성계수가 증가하는 것으로 나타났다.
- 강섬유 혼입한 순환 골재 시험체의 경우, 보통콘크리트와 순환골재 치환율 30% 시험체가 재령 28일에 설계기준강도 24MPa 이상의 강도 발현을 보였으며, 치환율 60% 시험체가설계기준강도의 97.2%인 23.3MPa의 강도 발현을 보였다.
- 기준시험체와 순환 골재 치환율에 따른 시험체를 비교했을경우, 기준시험체에 비해 순환 골재 치환율 30% 시험체는 93.4~98.3%정도, 순환골재 60% 시험체는 79.9~85.4%정도 재령별로 압축강도를 갖는 것으로 나타났다.
- 따라서 순환 골재의 치환율이 증가할수록 콘크리트 강도 저하에 따라 연성이 저하되는 현상은 강섬유를 혼입함으로써 연성을 향상 시킬수 있을 것으로 사료된다.
- 또한 강섬유 무 혼입 시험체의 연성이 3.45인데 반해 강섬유를 혼입함으로써 4.3 정도로 기준시험체보다 높은 연성을 보여강섬유를 혼입함으로써 연성 증대 효과가 명확한 것으로 사료된다.
- 또한 강섬유를 혼입한 시험체는 무 혼입 시험체보다 온도별로 다소 낮은 압축강도 감소율을 보여 강섬유를 보강함으로써 내화성이 증진되는 경향을 보이지 않았다. 추후 강섬유 보강순환 골재 콘크리트의 내화성에 대한 연구가 필요할 것으로 사료된다.
- 또한 보통콘크리트와 치환율 30% 시험체가 재령 28일에 설계 기준강도 24MPa 이상의 강도 발현을 보였다. 치환율 60% 시험체가 설계 기준강도의 89.
- 또한 순환 골재 치환율이 증가할수록 연성계수는 저하되었으며 강섬유를 혼입한 순환 골재 30% 치환 시험체는 14.5% 정도, 순환 골재 60% 시험체는 25.3% 정도 연성계수가 향상 되는 것으로 나타났다.
- 압축강도 결과와 인장강도 결과를 토대로 순환골재콘크리트에 강섬유를 혼입하면 압축강도 및 인장강도 증대효과가 있는 것으로 사료된다.
- 압축강도 실험 결과, 강섬유를 무 혼입 순환골재 시험체의경우, 보통콘크리트에 비해 순환 골재 30% 시험체는 94.9~96.9%정도, 순환골재 60% 시험체는 81.7-89.1% 정도 낮은 압축강도를 보였다.
- 압축강도 실험 결과는 표 5 및 그림 3과 같으며, WC 60 시험체를 제외한 모든 시험체가 재령 28일에서 설계기준강도 24MPa이상의 강도발현을 보였다.
- 쪼갬 인장강도 실험 결과, 압축강도와 마찬가지로 치환율 30% 시험체는 기준 시험체와 거의 유사한 인장강도발현을 보였으며 강섬유 혼입 유무와 상관없이 순환 골재의 치환율이 증가할수록 인장강도가 저하되는 경향을 보였다.
- 치환율 60% 시험체가 설계 기준강도의 89.7%인 21.5MPa로 설계 기준강도 보다 10.3% 정도 강도 저하가 있었다.
- 표 10 및 그림 12는 강섬유 무 혼입 순환 골재 휨 시험체의 연성계수를 나타낸 것으로 기준 시험체가 3.9, 순환골재 30% 치환한 시험체가 3.7, 순환 골재 60% 치환한 시험체가 3.5로 기준시험체에 비해 순환 골재 30% 시험체는 4.5%, 순환골재 60% 시험체는 6.4% 정도 연성계수가 낮게 나타났다.\
후속연구
- 증진되는 경향을 보이지 않았다. 추후 강섬유 보강순환 골재 콘크리트의 내화성에 대한 연구가 필요할 것으로 사료된다.
- 특히 폐기물에서 상당 부분을 차지하는 폐콘크리트를 순환골재로 재활용하는 방법에 대한 연구를 추진할 필요가 있다.
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