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문제 정의
- 실험체는 KS F 2441(철근의 부착에 의한 콘크리트 비교시험 방법)에 따라 150 × 150 × 150 mm인 콘크리트 입방체를 제작하였고, 콘크리트와 철근의 부착 응력을 측정하기 위하여 실험체 중심에 철근을 넣고, 콘크리트 양생 후 철근의 인발 실험(pullout test)을 하였다. KS F 2441 실험에 의해 측정된 부착 강도는 실제 구조 설계에서 정착 및 이음 길이 산정 시에는 사용될 수 없으나, 동일한 실험 조건하에서 황토 콘크리트와 일반 콘크리트의 부착 응력을 비교, 평가하기 위한 목적으로 사용되었다. 추후, 황토 콘크리트의 정착 및 이음 길이 산정을 위한 추가 실험이 필요하다.
- 최근에 구조 부재로서 활성 황토 콘크리트의 휨 성능에 대한 국내 연구 보고5,6)와 전단 및 부착 성능에 관한 연구7)가 있으나, 현행 설계 기준 적용에 대한 구체적인 적합성 여부는 검증되지 않았다. 따라서 본 연구는 활성 황토 콘크리트의 보 실험과 부착 실험을 통하여 전단강도와 부착강도를 일반 콘크리트와 비교하고, 현행 설계기준의 적용가능성을 알아보고자 한다.
- 수직철근 실험체는 철근과 20% 활성 황토, 100% 활성 황토 콘크리트의 일반적인 부착력을 알아보기 위한 것이고, 수평철근 실험체는 두 개의 철근을 상·하부에 배근하여 철근 하부의 콘크리트 타설 깊이에 따른 부착력의 차이를 알아보기 위한 것이다.
가설 설정
- 부착 응력은 일반적으로 철근에 균등하게 분포되지 않지만, 이 실험에서는 하중 재하에 따라 부착된 철근의전 길이에 걸쳐 응력이 일정하다는 가정하에 부착강도를 산정하였다.
제안 방법
- 2(a)의 수직철근 방식과 Fig. 2(b)의 수평철근 방식 2가지로 나누어 제작하였으며, 각 실험체 마다 3개씩 제작하여 실험의 정확성을 높였다. 수직철근 실험체는 철근과 20% 활성 황토, 100% 활성 황토 콘크리트의 일반적인 부착력을 알아보기 위한 것이고, 수평철근 실험체는 두 개의 철근을 상·하부에 배근하여 철근 하부의 콘크리트 타설 깊이에 따른 부착력의 차이를 알아보기 위한 것이다.
- 20% 활성 황토, 100% 활성 황토 콘크리트와 일반 콘크리트의 압축강도가 다르게 측정되었으므로, 전단강도의 비교를 위하여 실험에 의해 측정된 하중 Vtest를 콘크리트구조설계기준8)에 의해 계산된 하중 VKCI로 나누어서 황토 콘크리트와 일반 콘크리트의 전단강도를 비교하였다. 콘크리트구조설계기준에서는 전단강도를 다음과 같이 정의한다.
- 91%의 동일한 철근비를 갖도록 하였다. 20% 활성 황토, 100% 활성 황토 콘크리트의 최대 전단내력을 알기 위하여 전단파괴 발생을 유도하도록 보 전체에 걸쳐 전단 철근은 배근하지 않았으나, 지점 부분의 국부파괴 방지를 위하여 D10 전단철근을 단부에 50 mm 간격으로 배근하였다. 주인장철근의 부착성능을 위해 철근 단부에 90° 표준 갈고리를 사용하였다.
- 하중은 1,000 kN 용량의 가력기를 사용하여 1 mm/min 변위제어로 가력 하였다. Fig. 3과 같이 철근과 콘크리트 사이의 미끄러짐은 철근의 매립단부에서 측정 가능하도록 실험체 자유단 끝에 LVDT(linear variable displacement transducer)를 설치하여 측정하였다. 또한 하중 가력시 매립된 철근에 편심하중이 작용하는 것을 방지하기 위하여 실험체 하부에 원형구좌(hinge)를 설치하였다.
- 단면 크기는 가로, 세로 200 × 350 mm이고, D22를 주인장철근으로 배근하여 모든 실험체에서 1.91%의 동일한 철근비를 갖도록 하였다.
- 부착 응력은 콘크리트의 피복두께 및 압축강도와 밀접한 관련이 있다. 따라서 이 실험에서는 변수를 콘크리트 설계 강도 24 MPa와 35 MPa 두 가지로 하였으나, 재료별 강도가 각각 다르게 측정되었으므로, 실험에서 측정된 부착 응력을 압축강도의 제곱근(#)으로 나누어 100% 활성 황토와 20% 활성 황토 콘크리트의 부착 성능을 일반 콘크리트와 비교하였다.
- 보 실험체는 단순지지 되었고, 하중 재하시 발생하는 편심을 방지하기 위하여 보 중앙으로부터 양쪽으로 각각 250 mm 떨어진 곳에 2점 재하 하였다.
- Table 4는 20% 활성 황토와 100% 활성 황토 콘크리트의 부착 성능을 알아보기 위한 실험체 변수를 나타내고 있다. 실험 변수는 콘크리트 강도, 철근의 배근 방향(수직, 수평)으로 하였다.
- 실험체는 KS F 2441(철근의 부착에 의한 콘크리트 비교시험 방법)에 따라 150 × 150 × 150 mm인 콘크리트 입방체를 제작하였고, 콘크리트와 철근의 부착 응력을 측정하기 위하여 실험체 중심에 철근을 넣고, 콘크리트 양생 후 철근의 인발 실험(pullout test)을 하였다.
- 이 연구에서는 활성 황토 콘크리트의 전단 및 부착 성능을 알아보기 위하여 최대 전단 강도 및 전단파괴 형태, 전단 균열 분포, 최대 부착 강도, 부착 파괴 형태 등을 기존 기준식 및 비교 실험체인 일반 콘크리트와 비교하였으며, 다음과 같은 결론을 얻었다.
- CEB-FIP에서는 부착 응력과 콘크리트 피복두께에 따라 부착 조건을 Table 7과 같이 정의하고 있는데, 피복 두께가 철근 직경의 5배 이상인 구속된 콘크리트(confined concrete)에서 양호한 부착 조건(good bond conditions)은 최대 부착응력이 #이상일 때로 규정하고 있다. 이에 따라 Fig. 12에서 이 기준과 100% 활성 황토, 20% 활성 황토 콘크리트의 최대 부착 응력을 비교하였다.
- 철근은 D19를 사용하였으며, 콘크리트에 묻히는 부착 길이는 사용된 D19 공칭직경의 4배(4db= 76 mm)로 하였다. 콘크리트에 묻히는 비부착 부분에는 PVC관으로 감싸도록 하여 부착 부분이외에서 부착력이 발생하지 않도록 하였다. 부착 실험 방법은 KS F 2441 기준에 준하여 실시하였다.
- 하중 재하는 1,000 kN 용량의 가력기를 사용하여 1mm/min로 변위 제어하였으며, 하중의 증가에 따른 보의 처짐을 측정하기 위하여 LVDT(linear variable differential transformer) 설치하였으며, 그 위치는 전단 경간비 4.1인 실험체는 보의 중앙부와 중앙에서 양쪽으로 250 mm, 640 mm 떨어진 곳에 설치하였고, 전단 경간비 2.5인 실험체는 중앙부와 양쪽으로 250 mm, 500 mm 떨어진 곳에 대칭으로 각각 총 5곳에 걸쳐 설치하였다.
대상 데이터
- 1과 Table 3은 전단 실험체 단면 형상 및 실험체 변수를 나타내고 있다. 그룹(group)에 따라 총 12개의 실험체를 제작하였다. 전단 실험 변수는 콘크리트 압축강도와 전단 경간비이며, 압축강도는 사용된 콘크리트의 배합에 따라 결정되었다.
- 이 실험에서는 황토의 함유량에 따라서 3가지의 재료를 사용하였다. OPC(Ordinary Portland Cement)는 황토가 들어가지 않은 일반 콘크리트이며, AHT(Activated Hwangtoh)는 총 시멘트량 중 활성 황토 시멘트가 20% 대체 되어 포함되었고, NC(Non Cement)는 시멘트 대신 무기물이 첨가된 활성 황토 결합재 시멘트가 100% 대체되어 사용되었다.
- 주인장철근의 부착성능을 위해 철근 단부에 90° 표준 갈고리를 사용하였다.
- 수직철근 실험체는 철근과 20% 활성 황토, 100% 활성 황토 콘크리트의 일반적인 부착력을 알아보기 위한 것이고, 수평철근 실험체는 두 개의 철근을 상·하부에 배근하여 철근 하부의 콘크리트 타설 깊이에 따른 부착력의 차이를 알아보기 위한 것이다. 철근은 D19를 사용하였으며, 콘크리트에 묻히는 부착 길이는 사용된 D19 공칭직경의 4배(4db= 76 mm)로 하였다. 콘크리트에 묻히는 비부착 부분에는 PVC관으로 감싸도록 하여 부착 부분이외에서 부착력이 발생하지 않도록 하였다.
- 철근은 SD400을 사용하였으며, D10, D19, D22의 항복 강도는 각각 524, 530, 510 MPa이 측정되었다. 공시체 압축강도 실험 방법은 KS F 2453 콘크리트 압축강도 시험방법에 준하여 실험하였다.
이론/모형
- 철근은 SD400을 사용하였으며, D10, D19, D22의 항복 강도는 각각 524, 530, 510 MPa이 측정되었다. 공시체 압축강도 실험 방법은 KS F 2453 콘크리트 압축강도 시험방법에 준하여 실험하였다. Table 2에 콘크리트의 압축강도(fck)가 나타나있다.
- 콘크리트에 묻히는 비부착 부분에는 PVC관으로 감싸도록 하여 부착 부분이외에서 부착력이 발생하지 않도록 하였다. 부착 실험 방법은 KS F 2441 기준에 준하여 실시하였다. 하중은 1,000 kN 용량의 가력기를 사용하여 1 mm/min 변위제어로 가력 하였다.
- 황토 콘크리트의 부착 성능을 CEB-FIP13)에 따라서 평가하였다. CEB-FIP에서는 부착 응력과 콘크리트 피복두께에 따라 부착 조건을 Table 7과 같이 정의하고 있는데, 피복 두께가 철근 직경의 5배 이상인 구속된 콘크리트(confined concrete)에서 양호한 부착 조건(good bond conditions)은 최대 부착응력이 #이상일 때로 규정하고 있다.
성능/효과
- 1) 전단 실험에서 100% 활성 황토, 20% 활성 황토 콘크리트는 일반 콘크리트의 전단파괴와 동일한 사인장 균열 발생에 의한 취성 파괴를 나타내었다.
- 2) 전단 실험에 의해 측정된 활성 황토 콘크리트 보의 최대 전단 강도는 콘크리트구조설계기준에 의하여 계산된 전단 강도보다 최소 약 10% 이상 큰 값을 나타내었다. 이 결과는 콘크리트구조설계기준 전단 강도식을 사용하여 황토 콘크리트 보의 전단 강도를 안전측으로 예측할 수 있음을 나타낸다.
- 3) 활성 황토 콘크리트의, 비활성 황토 콘크리트의 부착 실험에 의한 실험체의 파괴 형태는 대부분의 실험체에서 뽑힘에 의한 파괴(pullout failure)를 나타내었다.
- 7은 콘크리트의 부착실험에 의하여 정의되는 일반적인 응력-미끄러짐(stress-slip) 관계이다.9) 부착 실험체의 일반적인 거동은 초기에 미소슬립 발생단계에서 콘크리트의 화학적 부착(chemical adhesion)에 의해 미끄러짐 없이 철근의 인장력에 저항한다. 화학적 부착이 상실된 후에는 철근의 마디와 콘크리트 맞물림에 의한 지압력 (bearing)으로 저항한다.
- Table 2에 콘크리트의 압축강도(fck)가 나타나있다. OPC(일반 콘크리트) 실험체는 설계 강도를 초과하여 측정되었으며, AHT(20% 활성 황토 콘크리트), NC(100% 활성 황토 콘크리트)는 설계 강도보다 작게 측정되었다. 이는 타설 당일 섭씨 5℃의 낮은 온도와 14일 동안 20℃에서 보온 습윤양생을 하였고, 그 후에는 실온양생을 하였기 때문인 것으로 판단된다.
- 0mm의 미끄러짐에서 최대 하중이 발생하였다. 상대적으로 압축 강도가 크게 측정되었던 AHO(일반 콘크리트)가 AHA (20% 활성 황토), AHN(100% 활성 황토)실험체 보다 큰 최대 부착 응력을 나타냈다.
- 최대 부착응력은 상대적으로 압축강도가 크게 측정된 AVO(일반 콘크리트) 실험체가 가장 컸으며, AVA(20% 활성 황토), AVN (100% 활성 황토) 순이었다. 압축강도의 영향을 무시하기 위하여 압축강도의 제곱근으로 나누어 비교한 상대적 부착응력(#) 결과에서 평균적으로 AVO(일반 콘크리트) 실험체는 4.11, 3.89이었고, AVA(20%활성 황토)는 3.18, 3.36이었으며, AVN(100% 활성 황토) 2.80과 2.36으로서 가장 작은 값을 나타냈다.
- 7% 컸다. 위의 결과는 100% 활성 황토, 20% 활성 황토 콘크리트 보의 전단 강도를 콘크리트구조설계기준 전단 강도식을 사용하여 안전측으로 평가할 수 있는 것을 나타낸다.
- 2) 전단 실험에 의해 측정된 활성 황토 콘크리트 보의 최대 전단 강도는 콘크리트구조설계기준에 의하여 계산된 전단 강도보다 최소 약 10% 이상 큰 값을 나타내었다. 이 결과는 콘크리트구조설계기준 전단 강도식을 사용하여 황토 콘크리트 보의 전단 강도를 안전측으로 예측할 수 있음을 나타낸다.
- 반면, 피복두께가 얇고, 상대적으로 압축강도가 크면 쪼개짐 파괴가 발생한다. 이에 근거하여 이 실험에서 일반 콘크리트 실험체(AVO, AHO) 대부분에서 쪼개짐 파괴가 발생한 이유는 일반 콘크리트의 압축강도(41.7, 50 MPa)가 크게 측정되어 철근마디에 대한 콘크리트 지압 강도가 증가하여 뽑힘 파괴의 저항력이 커지는 반면, 상대적으로 콘크리트 피복두께는 충분한 구속효과를 발휘하지 못하여 쪼개짐 파괴가 발생하였다. 한편, 100% 활성 황토, 20% 활성 황토 콘크리트의 실험체(AVA, AVN, AHA, AHN)는 상대적으로 압축강도(31.
- 이와 같은 결과를 통하여 20% 활성 황토 콘크리트는 일반 콘크리트와 비슷한 부착 응력을 나타내는 것을 알 수 있으나, 100% 활성 황토 콘크리트는 상대적으로 부착 응력이 취약하며, CEB-FIP 기준의 양호한 부착 조건을 만족하지 못였다. 따라서 활성 황토 콘크리트의 부착 강도의 검증을 위하여 추가적인 실험 연구가 필요할 것으로 판단된다.
- 평균적으로 1 mm의 미끄러짐에서 최대 부착응력이 발생하였다. 최대 부착응력은 상대적으로 압축강도가 크게 측정된 AVO(일반 콘크리트) 실험체가 가장 컸으며, AVA(20% 활성 황토), AVN (100% 활성 황토) 순이었다. 압축강도의 영향을 무시하기 위하여 압축강도의 제곱근으로 나누어 비교한 상대적 부착응력(#) 결과에서 평균적으로 AVO(일반 콘크리트) 실험체는 4.
- 6에서 실험에 의한 최대 전단력과 현행 설계기준식으로 예측한 최대 전단력을 직접 비교하였다. 평균적으로 100% 활성 황토 콘크리트(BSN) 실험체의 전단강도는 설계기준에 의한 예측값보다 14.9% 컸고, 20% 활성 황토 콘크리트(BSA)실험체는 27.7%, 일반 콘크리트 실험체는 20.7% 컸다. 위의 결과는 100% 활성 황토, 20% 활성 황토 콘크리트 보의 전단 강도를 콘크리트구조설계기준 전단 강도식을 사용하여 안전측으로 평가할 수 있는 것을 나타낸다.
후속연구
- 4) 부착 실험에 의해 측정된 부착 강도를 콘크리트 압축 강도의 제곱근으로 나누어 상대적 부착 강도를 비교한 결과, 일반 콘크리트와 20% 활성 황토 콘크리트는 비슷하였으나, 100% 활성 황토 콘크리트는 다소 떨어지는 결과를 나타내었으며, CEB-FIP의 양호한 부착 조건을 만족하지 못하여 추가적인 연구가 필요하다.
- 이와 같은 결과를 통하여 20% 활성 황토 콘크리트는 일반 콘크리트와 비슷한 부착 응력을 나타내는 것을 알 수 있으나, 100% 활성 황토 콘크리트는 상대적으로 부착 응력이 취약하며, CEB-FIP 기준의 양호한 부착 조건을 만족하지 못였다. 따라서 활성 황토 콘크리트의 부착 강도의 검증을 위하여 추가적인 실험 연구가 필요할 것으로 판단된다.
- KS F 2441 실험에 의해 측정된 부착 강도는 실제 구조 설계에서 정착 및 이음 길이 산정 시에는 사용될 수 없으나, 동일한 실험 조건하에서 황토 콘크리트와 일반 콘크리트의 부착 응력을 비교, 평가하기 위한 목적으로 사용되었다. 추후, 황토 콘크리트의 정착 및 이음 길이 산정을 위한 추가 실험이 필요하다.
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