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문제 정의
- 따라서 본 연구에서는 150MPa 범위의 초고강도 콘크리트에 대한 재료역학실험과 기존에 수행된 국내·외의 실험 자료를 비교분석하여 초고강도 콘크리트의 응력-변형률 관계 및 압축강도에 따른 탄성계수와 인장강도를 평가하고 재령별 강도 발현율 등의 기본적인 재료의 역학적 특성을 평가하고자 한다.
- 본 연구에서는 실내배합 실험을 통하여 재령 56일에서의 목표 배합강도 150MPa를 가지는 초고강도 콘크리트의 제반 물성을 평가한 후 150MPa 초고강도 콘크리트의 최적배합조건을 제시하고자 하며, 압축강도, 응력-변형률 관계, 탄성계수와 인장강도, 휨강도 등과 같은 기본적인 재료역학 특성을 평가하고자 한다.
- 따라서 본 연구에서는 150MPa 범위의 초고강도 콘크리트에 대한 재료역학실험과 기존에 수행된 국내·외의 실험 자료를 비교분석하여 초고강도 콘크리트의 응력-변형률 관계 및 압축강도에 따른 탄성계수와 인장강도를 평가하고 재령별 강도 발현율 등의 기본적인 재료의 역학적 특성을 평가하고자 한다. 이와 같은 연구를 통해 초고강도 콘크리트의 설계 및 해석 시스템 개발에 도움이 되고자 한다.
제안 방법
- 각 배합별 소요배합시간은 약 5∼7분정도가 소요되어, 이는 일반적인 고강도 콘크리트 보다 2∼3분정도 배합시간이 더 요구되는 것으로 나타났다. 믹서에서 콘크리트를 토출한 후 즉시 슬럼프플로 값을 측정하였다. 압축강도 및 쪼갬 인장강도 측정을 위해 φ100×200mm 공시체를 제작하였으며,양생조건별 압축강도 발현을 측정하기 위한 공시체는 공시체 탈형 후 편심을 최대한 고려하여 공시체의 양면을 연마작업을 통해 평활하게 하고 20±3℃로 수중양생을 실시하였다 .
- 압축강도 및 쪼갬 인장강도 측정을 위해 φ100×200mm 공시체를 제작하였으며,양생조건별 압축강도 발현을 측정하기 위한 공시체는 공시체 탈형 후 편심을 최대한 고려하여 공시체의 양면을 연마작업을 통해 평활하게 하고 20±3℃로 수중양생을 실시하였다 .
- 초고강도 콘크리트의 목표 물성으로 재령 56일에서의 실험실 배합강도 150MPa(레미콘 배치플랜트에서는 130MPa), 슬럼프플로는 700±50mm를 목표로 정하여 각각의 배합조건에 따른 물성 및 역학특성을 검토하였다.
- 초고강도 콘크리트의 실내 배합시험은 2축 강제식 믹서를 사용하였으며, 잔골재와 굵은골재를 동시 투여한 후 30초간 건비빔한 후 프리믹스 시멘트를 투여하고 다시 30초간 건비빔 후 사용수와 고성능 감수제를 동시 투여하여 각 재료가 완전히 활성화되어 초고강도 콘크리트로서 요구되는 물성을 가지게 될 때까지 믹서내에서 배합하였다. 각 배합별 소요배합시간은 약 5∼7분정도가 소요되어, 이는 일반적인 고강도 콘크리트 보다 2∼3분정도 배합시간이 더 요구되는 것으로 나타났다.
- 초고강도 콘크리트의 압축강도를 측정하기 위해 시험에 앞서 공시체 탈형 후 편심을 최대한 고려하여 공시체의 양면을 연마 작업을 통해 평활하게 하고 탄성계수와 포아송비 산출을 위해 스트레인 게이지를 부착하였다.
- 초고강도 콘크리트의 인장강도를 측정하기 위하여 ∅100×200m의 원통형 공시체를 이용하여 사진 3과 같이 쪼갬 인장강도시험을 실시하였으며, 쪼갬 인장강도의 측정은 공시체의 상하면에 재하판을 설치하여 하중이 균등하게 전달되도록 하였으며, 공시체가 파괴될 때까지 가력하였다.
- 콘크리트 공시체는 제작 후 3일 뒤에 탈영하여 상부면을 연마한 후 수중양생을 실시하면서 소요 재령인 7일, 14일, 28일, 56일에 압축강도시험을 실시하였다.[그림 4]
대상 데이터
- 본 배합에 사용된 골재는 콘크리트의 강도 및 유동성을 고려하여 잔골재의 경우 조립률 2.8 내외를 가지도록 인천산 세척사와 경기도 광주산 부순 잔골재를 혼합 사용하였으며, 굵은골재는 최대치수를 13mm의 경기도 광주산 부순 굵은골재를 사용하였다. 각 골재의 물리적 성질은 표 5에 나타난 바와 같다.
- 본 배합에 사용된 시멘트는 H사의 보통포틀랜드 시멘트 1종과 고로슬래그 미분말, 실리카흄, 무수석고를 혼합한 4성분계 프리믹스 시멘트를 사용하였으며, 그 재료의 물리-화학적 성질 및 조성비율표는 표 3과 4에 나타난 바와 같다.
- 본 배합에 사용한 고성능 감수제는 높은 감수효과 및 분산효과와 유지성능을 가지는 E사의 폴리카르본산계 고성능 감수제를 사용하였으며 그 물리적 성질은 표 6에 나타난 바와 같다.
이론/모형
- 압축강도 측정을 위해서 KS F 2405에 의거하여 사진 2와 같이 시험하였고 재령별 압축강도 시험결과는 표 8과 같이 측정되었다.
성능/효과
- 1) 150MPa 초고강도 콘크리트의 배합에 소요되는 시간은 재료계량에서부터 믹싱한 후 배출까지 약 5∼7분이 소요되어 일반적인 고강도 콘크리트 보다 2∼3분정도 배합시간이 더 요구되는 것으로 나타났다.
- 2) 초고강도 콘크리트는 보통 고강도 콘크리트보다 매우 큰 점성을 가지므로 이러한 점성과 콘크리트 타설 및 작업성의 상관성을 고려하여 700∼800mm 정도의 플로값을 확보하여야 할 것으로 판단된다.
- 3) 150MPa 정도의 초고강도 콘크리트 제조를 위한 단위시멘트량은 대략 1,030∼1,150㎏/㎥ 정도이며, 물-결합재비는 12∼14%의 범위 내에서 적당하며, 잔골재율은 점성 및 작업성을 고려하여 30∼35% 범위 내에서 결정될 수 있음을 확인하였다.
- 4) 재령 56일 압축강도를 100%로 할 때 3일은 64%, 7일은 70%, 28일은 약 95% 발현하였다. 양생조건에 따른 압축강도는 배합별로 다소 편차가 있지만 수중양생이 기중양생보다 약간 높은 압축강도를 나타내었고, 공시체 크기에 따른 차이는 크지 않았다.
- 5) 초고강도 콘크리트의 응력-변형율 곡선은 최대응력까지 직선적인 분포를 보이다 최대하중 이후 급격한 취성파괴함으로 하강곡선을 정확하게 얻을 수는 없었으며 압축변형률이 약 0.0032인 점에서 최대 응력이 발생하였다.
- 6) 압축강도에 대한 쪼갬 인장강도의 비율은 약 5.2%로써 보통강도 콘크리트보다 다소 작은 값을 보이고 압축강도의 제곱근에 비례하는 것으로 나타났으며, ACI 318-02와 KCI에서 예측하는 값보다 다소 높은 경향을 나타내었다.
- 7) 압축강도에 대한 휨강도의 비율은 재령이 증가할수록, 압축강도가 높아질수록 상대적으로 휨강도의 비는 낮아지는 추세이다.
- 각 배합별 소요배합시간은 약 5∼7분정도가 소요되어, 이는 일반적인 고강도 콘크리트 보다 2∼3분정도 배합시간이 더 요구되는 것으로 나타났다.
- 그림 1에 나타나 있는 것처럼 각 배합의 배합직후 플로값은 대부분의 배합에서 목표값인 650∼750mm를 만족하는 것으로 측정되었다. 그러나 150MPa 초고강도콘크리트의 점성이 너무 크게 나타나 콘크리트 타설 및 작업에 많은 어려움이 있을 것으로 예상되므로 재료분리가 되지 않는 전제 아래, 초고강도 콘크리트의 플로값은 700mm 정도를 확보해야하며, 800mm 이상이 되더라도 콘크리트의 성능에는 이상이 없음을 확인하였다.
- 프리믹스시멘트 종류에 따른 압축강도 발현특성이 그림 8에 나타나 있다. 그림에서 알 수 있는 것처럼 150MPa 정도의 초고강도 콘크리트 제조를 위한 프리믹스시멘트에 혼입되는 각 재료의 적절한 혼입비율은 OPC는 50~55%내외, 슬래그미분말은 30~35%, 실리카흄은 10~15%, 무수석고는 3~6%정도의 범위에서 프리믹스시멘트를 제조하여 콘크리트 배합에 적용할 수 있을 것으로 판단된다.
- 그림에서 알 수 있는 것처럼 단위시멘트량이 증가함에 따라 플로값은 감소하는 것으로 나타났으며, 본 실험결과에 따르면 150MPa 초고강도 콘크리트 배합시 적절한 플로값인 700mm 이상을 확보하기 위한 단위시멘트량은 대략 1,000 ∼ 1,070 ㎏/㎥ 정도인 것으로 나타났다.
- 콘크리트 배합직후 측정된 플로치에 따른 압축강도 발현 특성을 비교하여 그림 6에 나타내었다. 그림에서 알 수 있는 것처럼 초기 플로값이 클수록 양호하게 압축강도가 발현됨을 알 수 있으며, 이러한 특성을 고려하면 초기 플로치가 클수록 콘크리트 공시체의 성형과 양생에 효과적임을 알 수 있다.
- 물-결합재비가 증가함에 따라 플로값은 증가하는 경향을 보였으며, 그림에서 알 수 있는 것처럼 물-결합재비가 13.5∼14% 정도일 때가 가장 양호한 플로값을 가지는 것으로 판단된다.
- 6%의 범위로서 이 정도의 범위에서 물-결합재비의 영향을 정량적으로 평가하는 것은 한계가 있으며, 혼화제 사용량의 영향도 포함한 정량적인 평가가 이루어져야 한다. 본 실험에 의하면 14.6%의 물-결합재비에서 가장 양호한 압축강도 발현특성을 나타내었다.
- 실험으로부터 계산한 탄성계수와 여러 규준의 모델식과 비교해보면 고강도부분에서는 CSA A23.3-94와 NZS 3101-95가 다소 정확히 예측하는 것으로 보이나 초고강도부분에서의 탄성계수는 ACI 318-02와 EC2-02에서 예측하는 값들이 다른 규준들에 비해 좀 더 정확히 예측하는 것으로 판단된다.
- 압축강도에 대한 쪼갬 인장강도의 비율은 보통강도 콘크리트가 약 8 %인데 비하여 초고강도 콘크리트에 있어서는 약 5.2 %로써 보통강도 콘크리트보다 다소 작은 값을 보이고 그림 11과 같이 압축강도의 제곱근에 비례하는 것으로 나타났으며, 또한 ACI 318-02와 KCI에서 예측하는 값보다 다소 높은 경향을 나타내었다.
- 4) 재령 56일 압축강도를 100%로 할 때 3일은 64%, 7일은 70%, 28일은 약 95% 발현하였다. 양생조건에 따른 압축강도는 배합별로 다소 편차가 있지만 수중양생이 기중양생보다 약간 높은 압축강도를 나타내었고, 공시체 크기에 따른 차이는 크지 않았다.
- 초고강도 콘크리트에 있어서 압축강도에 대한 휨강도의 비율은 약 8 %정도로 평가되었고 재령이 증가할수록, 그리고 압축강도가 높아질수록 상대적으로 휨강도의 비는 낮아지는 추세이다.
- 초고강도 콘크리트의 압축강도 시험결과 재령에 따라 56일 압축강도를 100% 기준으로 하여 3일 압축강도는 64%, 7일 압축강도는 70%, 28일은 95% 발현하였다. 양생조건에 따른 압축강도의 경우 시험결과에 다소 편차가 있지만 보통강도 콘크리트와 같이 수중양생이 기중양생보다 약간의 높은 압축강도를 나타내는 경향이 있으나 초기 재령에서는 기중양생공시체의 경우 수분증발에 따른 살수양생이 없어 수중양생공시체보다 강도값이 적게 측정되었으나, 콘크리트 내 수분이 별다른 영향을 미치지 않는 7일 재령이후에서는 강도값이 별 차이가 나지 않았다.
후속연구
- 3)~5) 따라서 앞으로 70MPa 이상의 초고강도 콘크리트의 사용이 활발할 것으로 기대되므로 이에 대한 폭넓은 연구가 활발히 이루어져야 할 필요가 있다.
- 그림에서 알 수 있는 것처럼 물-결합재비가 증가함에 따라 압축강도가 다소 증가하는 경향을 보였으나, 본 실험에 적용한 물-결합재비는 12.6∼14.6%의 범위로서 이 정도의 범위에서 물-결합재비의 영향을 정량적으로 평가하는 것은 한계가 있으며, 혼화제 사용량의 영향도 포함한 정량적인 평가가 이루어져야 한다.
- 따라서 60~70층 규모의 초고층 구조물의 건설이 활발하게 추진되고 있고, 향후 5년 이내에 100층 이상의 초고층 구조물이 다수 건설될 것으로 예상되는 상황에서 이러한 구조물에 적용이 요구될 것으로 기대되는 100∼150MPa 수준의 초고강도 콘크리트 설계, 제조, 시공 및 구조성능에 이르기까지의 제반 역학특성에 대한 연구가 요구된다.
- 특히, 구조물이 고강도화 됨에 따라 기존에 사용되었던 응력-변형률 곡선에 대한 재검토가 필요하며, 재료의 역학적인 특성인 상호 응력관계를 명확히 검토할 필요가 있다.
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