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문제 정의
- 따라서 본 연구에서는 대형 . 대단면 지하공간에 적용하기 위한 고강도 콘크리트의 개발 및 적용을 위한 연구의 일환으로 50MPa급의 고강도 콘크리트의 제조를 위해 플라이애쉬와 고로슬래그미분말의 치환에 따른 최적 배합을 선정하고, 비구속 수축 실험과 수축균열 실험을 통해 정량적으로 평가하고자 한다.
제안 방법
- 이때 온도는 20±3C, 습도는 60±5%로 하는 것을 원칙으로 하나 본 연구에서는 비구속 수축실험과 동일하게 습도를 50±3%로 하였다. 건조수축에 의한 균열 발생 시점은 구속 몰드에 스틸게이지를 부착하여 데이터로거로변형률을 측정하여, 변형률이 급변하는 시점으로 정하였다.
- 대단면 적용 50MPa급 고성능 콘크리트의 압축강도와 쪼갬인장강도는 각각 KS F 2405와 KS F 2423에 따라 실험을 실시하였다. 공시체는 제작 1 일 후 탈형하고 20±3℃ 의 항온 수조에서 수중 양생하였고, 압축강도와 쪼갬인장강도는 7, 28, 56일 재령에 각각 측정하였다.
- 대형 . 대단면 구조물 적용 고강도 콘크리트의 배합은 설계기준강도 50MPa을 안정적으로 획득하면서, 워커빌리티와 내구성을 고려해 물-시멘트 비 36%, 단위수량 170kg/m3, 잔골재율 50%, 슬럼프플로우 500±50mm, 공기량 5.0±1.5%로 결정하였다. 이를 토대로 Table 1과 같은 화학성분을 가진 결합재에 대해 결합재의 구성을 달리하여 Table 2와 같은 8종의 배합을 선정하였다.
- 본 연구는 대형 . 대단면 지하 공간에 적용하기 위한 고강도 콘크리트의 재료 개발과 적용성 향상에 관한 연구의 일환으로, 고강도 콘크리트의 수축 거동에 관한 일련의 실험을 통하여 수축 특성을 평가하였다. 본연구의 결과를 요약하면 다음과 같다.
- 5~6과 같다. 링 테스트 실험에 부착된 스트레인게이지의 변형률은 모든 실험체에서 균열이 발생하도록 35일까지 측정하였다. 그러나 측정값의 노이즈가 심하여, 배합의 특성을 완전히 반영한다고 보기에는 다소 무리가 있으나 혼 화재의 치환에 따른 경향이 비교적 잘 나타난 것으로 판단된다.
- 비구속 건조수축 및 자기수축 실험은 81일 재령까지 측정하였고, Fig. 1~4에서 보듯이 측정 기간 내에 자기수축량은 수렴을 한 반면 건조수축은 계속 진행이 되었다. 혼화재의 사용은 2성분계와 3성분계 배합 모두에서 건조수축을 다소 감소시켜 주는 것으로 나타났다.
- 비구속 건조수축과 자기수축 실험은 ASTM 과 JCI 에서 제안하는 방법을 따랐으며, 100x100x400mm 의 각주형 공시체를 제작하고, 콘크리트용 게이 지와 열전자 쌍(Thermocouple)을 매입을 하여 측정하였다. Photo 1과 같이 콘크리트 타설 전에 철제 빔 몰드 내부에 테프론 시트를 깔아 공시체와 몰드 사이의 마찰을 방지하였고, 자기수축 실험 공시체는 수분 증발 및 흡수를 막기 위해 즉시 비닐로 표면을 덮고 밀봉하였다.
- 7~8과 같다. 스틸 게이지의 변형률은 모든 시험체에서 균열이 발생하도록 41일까지 측정하였다. 앞서 언급한 바와 같이 직접 인장 상태에서 콘크리트의 변형은 매우 취성적이고, 실험 자체에서 불확실성을 가질 수밖에 없다.
- Photo 3과 같이 콘크리트를 구속 몰드에 넣은 후 7일 동안 습윤 양생을 한 후 탈형을 하고 건조를 시작하였다. 이때 온도는 20±3C, 습도는 60±5%로 하는 것을 원칙으로 하나 본 연구에서는 비구속 수축실험과 동일하게 습도를 50±3%로 하였다. 건조수축에 의한 균열 발생 시점은 구속 몰드에 스틸게이지를 부착하여 데이터로거로변형률을 측정하여, 변형률이 급변하는 시점으로 정하였다.
- 제작 직후 공시체는 온도 20±1℃, 습도 50±3%의 항온항습실로 이동하여 데이터 로거에 연결하여 변형률과 온도를 측정하였다. 자기수축 공시체는 공시체 제작 24시간 후 탈형 하여 알루미늄 테이프로 완전히 밀봉하였고, 건조수축 공시 체는 습도 50±3%의 환경에 노출하고 측정하였다.
- Photo 1과 같이 콘크리트 타설 전에 철제 빔 몰드 내부에 테프론 시트를 깔아 공시체와 몰드 사이의 마찰을 방지하였고, 자기수축 실험 공시체는 수분 증발 및 흡수를 막기 위해 즉시 비닐로 표면을 덮고 밀봉하였다. 제작 직후 공시체는 온도 20±1℃, 습도 50±3%의 항온항습실로 이동하여 데이터 로거에 연결하여 변형률과 온도를 측정하였다. 자기수축 공시체는 공시체 제작 24시간 후 탈형 하여 알루미늄 테이프로 완전히 밀봉하였고, 건조수축 공시 체는 습도 50±3%의 환경에 노출하고 측정하였다.
대상 데이터
- 대형 . 대단면 적용 50MPa급 고성능 콘크리트의 압축강도와 쪼갬인장강도는 각각 KS F 2405와 KS F 2423에 따라 실험을 실시하였다. 공시체는 제작 1 일 후 탈형하고 20±3℃ 의 항온 수조에서 수중 양생하였고, 압축강도와 쪼갬인장강도는 7, 28, 56일 재령에 각각 측정하였다.
- 6의 쇄 석을 사용하였다. 또한 혼화제는 폴리카본산제 고성능 AE감수제와 공기연행제를 사용하였다.
- 실험에 사용된 시멘트는 비중 3.16, 분말도 341 m2/kg의 보통포틀랜드 시멘트를 사용하였다. 추가로 사용된 결합재는 비중 2.
- 91, 분말도 453m2/kg의 제3종 고로슬래그 미분말이다. 잔골재는 조립률 2.6의 세척 사이고, 굵은 골재는 최대치수 20mm, 조립률 6.6의 쇄 석을 사용하였다. 또한 혼화제는 폴리카본산제 고성능 AE감수제와 공기연행제를 사용하였다.
- 16, 분말도 341 m2/kg의 보통포틀랜드 시멘트를 사용하였다. 추가로 사용된 결합재는 비중 2.13, 분말도 348m2/kg의 플라이애쉬와, 비중 2.91, 분말도 453m2/kg의 제3종 고로슬래그 미분말이다. 잔골재는 조립률 2.
이론/모형
- 구속되어 있는 콘크리트의 건조수축에 의한 균열 저항성의 상대적인 비교 평가를 위해 Photo 2와 같이 AASHTO PP34-98에 따라 Ring test를 수행하였다. Ring test는 콘크리트의 수축과 균열 발생을 평가할 수 있는 가장 일반적인 방법으로 내부 강관 링은 콘크리트수축을 제한하여 인장력을 발생시키는 역할을 함과 동시에 균열의 발생과 진전을 모니터링 하는 역할을 한다.
- 외부 구속을 한 콘크리트의 건조수축 거동을 파악하는 다른 시험 방법으로 KS F 2595에 따라서 건조수축 균열 실험을 실시하였다. Photo 3과 같이 콘크리트를 구속 몰드에 넣은 후 7일 동안 습윤 양생을 한 후 탈형을 하고 건조를 시작하였다.
성능/효과
- 1) 콘크리트의 압축강도는 전 배합이 7일 재령에서 30MPa을 넘었고, 28일 재령에서는 설계 강도를 모두 안정적으로 획득하였다.
- 2) 고강도 콘크리트에서 고로슬래그를 사용할 경우 자기수축량이 커지고, 다량 치환할 경우 수축변형 증가 및 강도발현 지연되어 수축에 의한 균열 발생의 우려가 있다.
- 3) 고강도 콘크리트에서 플라이애쉬를 사용하였을 때 건조수축 저감효과가 발생하며, 이로 인해 균열 발생지점의 지연효과가 나타났다.
- 건조수축의 저감효과는 슬래그를 사용한 배합에서 더 크게 나타났고, BS50 배합의 경우 약 50 일 이후부터는 OPC 배합보다 건조수축의 약간 크게 측정되었다. FA 시리즈 배합은 혼화재의 치환량이 BS 시리즈에 비해 작아서 초기에 건조수축 증가 속도가 BS 시리즈보다는 크지만 점차 감소하여 약 20 일 이후부터는 BS 시리즈보다 작게 나타나는 경향을 보였다.
- 혼화재의 사용은 2성분계와 3성분계 배합 모두에서 건조수축을 다소 감소시켜 주는 것으로 나타났다. 건조수축의 저감효과는 슬래그를 사용한 배합에서 더 크게 나타났고, BS50 배합의 경우 약 50 일 이후부터는 OPC 배합보다 건조수축의 약간 크게 측정되었다. FA 시리즈 배합은 혼화재의 치환량이 BS 시리즈에 비해 작아서 초기에 건조수축 증가 속도가 BS 시리즈보다는 크지만 점차 감소하여 약 20 일 이후부터는 BS 시리즈보다 작게 나타나는 경향을 보였다.
- 초기 재령과 표준 재령의 강도 증가는 거푸집 제거 시기를 앞당겨 시공 속도를 향상시키고, 구조물의 단면 및 자중의 감소와 이에 따른 유연한 설계 대안 효과 등의 장점이 있다. 결합재 구성에 따른 압축강도의 경향은 플라이애쉬의 경우보다 고로슬래그 미분말로 치환한 경우 강도 발현이 더 우수한 것으로 나타났다. 반면 플라이애쉬로 다량 치환한 경우에는 초기 재령에서 강도 발현이 다소 늦어지는 경향을 보이나, 표준 재령에서는 충분하게 강도발현을 하는 것으로 나타났다.
- 앞서 언급한 바와 같이 직접 인장 상태에서 콘크리트의 변형은 매우 취성적이고, 실험 자체에서 불확실성을 가질 수밖에 없다. 따라서 건조수축 균열 실험은 앞선 링테스트 실험과 완전히 일치한 결과가 나타나지는 않았지만 고로슬래그 미분말의 다량 치환에 따른 수축변형의 증가 및 강도 발현의 지연 효과가 반영되어 나타났다.
- 결합재 구성에 따른 압축강도의 경향은 플라이애쉬의 경우보다 고로슬래그 미분말로 치환한 경우 강도 발현이 더 우수한 것으로 나타났다. 반면 플라이애쉬로 다량 치환한 경우에는 초기 재령에서 강도 발현이 다소 늦어지는 경향을 보이나, 표준 재령에서는 충분하게 강도발현을 하는 것으로 나타났다. 쪼갬인 장강 도는 기존 연구(10)(14)에서와 같이 큰 폭의 변화를 갖지 않았고, 재령에 따라 압축강도가 증가하여도 비례하여 증가하는 경향이 뚜렷하게 나타나지는 않았다.
- 앞서 언급한 바와 같이 플라이애쉬를 사용할 경우 건조수축 저감 효과가 발생하며, 이로 인해 균열 발생 시점의 지연 효과가 나타났다. 반면 고로슬래그 미분말을 다량 치환한 배합(BS50, F10S40)은 OPC보다 이른 시기에 균열이 발생하였다.
- 자기수축은 OPC 배합에 비해 혼화재를 치환한 배합이 다소 크게 나타났고, 혼화재의 치환량 증가에 따라서 자기수축량도 증가하였다. 이는 시멘트보다 높은 비 표면적을 갖는 혼화재로 치환함에 따라서 수축을 발생시키는 페이스트량이 상대적으로 증가했기 때문인것으로 판단된다.
- 1~4에서 보듯이 측정 기간 내에 자기수축량은 수렴을 한 반면 건조수축은 계속 진행이 되었다. 혼화재의 사용은 2성분계와 3성분계 배합 모두에서 건조수축을 다소 감소시켜 주는 것으로 나타났다. 건조수축의 저감효과는 슬래그를 사용한 배합에서 더 크게 나타났고, BS50 배합의 경우 약 50 일 이후부터는 OPC 배합보다 건조수축의 약간 크게 측정되었다.
후속연구
- 4) 대형 . 대단면 지하 공간 적용 고강도 콘크리트의 적용성 향상을 위해 내구성능 및 수화열 특성에 관한 연구가 추가로 필요할 것으로 판단된다.
- 반면 정량적으로 측정된 쪼갬인장강도의 값은 대형 . 대단면 지하공간 적용 콘크리트 구조물의 수화열과 수축 등에 의한 변형에 의해 발생할 수 있는 균열을 저감하는 대안설계에 적용할 수 있을 것이라고 판단된다.
- 다소 차이를 보인다. 따라서 건조수축량이 수렴 정도가 판별이 되는 장기 재령에서의 건조 수축 거동에 대한 추가의 연구가 필요할 것으로 판단된다.
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