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문제 정의
- 봉함양생 조건에서의 자기수축 결과를 효과적으로 예측하기 위해 기존 EC2 모델을 수정·보완하여 제안하고자 하였다.
제안 방법
- 자기수축의 실험 결과와 EC2모델 결과를 비교하여 살펴보면 강도발현 속도 및 강도에 따라 크게 차이가 나타나는 것을 확인할 수 있다. 기존 EC2 모델에서는 이에 대한 고려사항이 포함되지 않아 이 연구에서는 4가지 강도와 2종류의 강도발현 속도에 따라 재료상수와 강도발현 속도에 대한 상수를 제안하였다. 보다 상세히 살펴보면 εca(∞ )(최종자기수축)과 βas(t)(재령)에 따른 함수의 곱으로 나타난다.
- 따라서 이 논문에서는 4가지의 콘크리트 강도수준과 2가지 강도발현속도에 대하여 자기수축을 측정하고 다양한 양생조건9)을 적용하여 자기변형에 미치는 영향을 비교·검토 하였다.
- 또한 자기수축을 예측하는 기존 모델식과 비교하였으며, 실험 결과를 회귀·분석하여 EC2 모델의 재료상수를 새롭게 제안하고자 하였다.
- 또한 최종 자기수축도 예측값이 작게 나타나므로 εca(∞)함수의 상수 값도 재료 및 강도발현 속도에 관계없이 2.5였던 것을 OPC 콘크리트일 경우에는 5, BFS 콘크리트는 6.5로 각각 우리나라 재료상태에 맞게 상수를 제안하였다.
- 자기수축 측정을 위해 사용된 매립게이지는 양단 플랜지형 게이지이며, 100 × 100 × 400 mm의 각주형 아크릴 몰드 중앙에 매립게이지를 고정시켜놓고 온도보정을 위하여 매립게이지 중앙에 Thermocouple을 부착하였다. 몰드와 시험체간의 마찰을 최소화하기 위해 몰드의 옆면, 밑면에 테프론시트(1 mm)를 넣었고 옆면 밑면 측면에 폴리에스테르 필름(0.1 mm)을 넣어 시험체와 몰드가 접촉하지 않도록 하였다. 실험은 시편 탈형 후 Fig.
- 실험은 시편 탈형 후 Fig. 1과 같은 양생조건으로 20 ± 1oC, 60 ± 3%의 항온·항습실에서 수행하였다.
- 이 연구는 콘크리트의 자기수축 특성을 알아보기 위하여 4가지의 강도(24 MPa, 30 MPa, 40 MPa, 60 MPa)를 발현하는 콘크리트 배합(이하 OPC 콘크리트)과 시멘트양의 50%를 고로슬래그로 대체한 배합(이하 BFS 콘크리트)을 대상으로 실시하였으며 Fig. 1과 같은 다양한 양생조건을 적용하여 수행하였다.
- 2) CEB-FIP(Adv)와 EC2 모델의 예측값은 실측값에 비해 작게 나타나고 이에 비해 JCI 모델식은 복잡하고 과다하게 예측하고 재령에 따라 계속 증가하는 것으로 나타난다. 이 연구에서는 EC2 모델에 재료 상수 γ와 강도발현속도에 따른 상수 α를 각각 새롭게 제안하였다.
- 이 연구에서는 강도발현 속도 및 압축강도에 따라서 자기수축을 측정하고 다양한 양생조건을 적용하였으며 예측모델과 비교·검토 하였다.
- 이 연구에서는 공시체 타설 후부터 매립게이지를 이용하여 콘크리트의 자기수축을 측정하였으며, 온도가 20oC 인 외기조건에서도 탈형 전까지 내부온도 상승에 따른 콘크리트의 체적변화가 발생하는 것으로 측정되었다.
- 이 연구에서는 대표적인 콘크리트 수축 예측 모델 중 자기수축 부분만 봉함양생의 실험 결과와 비교하였다. 비교 대상은 CEB-FIP(Adv) 모델,4) 콘크리트 구조설계기준에서 채택할 예정인 EC2 모델5) 및 일본콘크리트공학협회(JCI) 모델이다.
- 1과 같은 양생조건으로 20 ± 1oC, 60 ± 3%의 항온·항습실에서 수행하였다. 자기수축은 데이터로거를 사용하여 10분 간격으로 자동으로 측정하였다. 측정값은 3개 시험체의 평균값을 사용하였으며, Fig.
대상 데이터
- 공시체는 φ100 × 200 mm 실린더를 사용하였으며, 측정 장비는 만능재료시험기(1,000 kN)를 사용하였다.
- 이 연구에서는 대표적인 콘크리트 수축 예측 모델 중 자기수축 부분만 봉함양생의 실험 결과와 비교하였다. 비교 대상은 CEB-FIP(Adv) 모델,4) 콘크리트 구조설계기준에서 채택할 예정인 EC2 모델5) 및 일본콘크리트공학협회(JCI) 모델이다.6) Figs.
- 이 연구에 사용된 시멘트와 고로슬래그의 물리적, 화학적 성질은 Table 1과 같다. 사용된 잔골재는 하천 모래를 사용하였으며, 굵은 골재는 부순 골재를 사용하였다. 굵은 골재 최대 치수는 25 mm이며 배합에 사용된 골재의 특성은 Table 2와 같다.
- 이 연구에 사용한 배합은 슬럼프 180~210 mm, 공기량 4.5 ± 1.5% 범위에서 사용되었다.
- 자기수축 측정을 위해 사용된 매립게이지는 양단 플랜지형 게이지이며, 100 × 100 × 400 mm의 각주형 아크릴 몰드 중앙에 매립게이지를 고정시켜놓고 온도보정을 위하여 매립게이지 중앙에 Thermocouple을 부착하였다.
이론/모형
- 콘크리트의 압축강도를 측정하기 위해 KS F 2405(콘크리트의 압축 강도 시험 방법)에 따라서 수행하였다. 공시체는 φ100 × 200 mm 실린더를 사용하였으며, 측정 장비는 만능재료시험기(1,000 kN)를 사용하였다.
성능/효과
- 1) 콘크리트 자기수축 변형률은 강도가 증가할수록 자기수축도 같이 증가하며, 동일한 설계기준강도라 하더라도 강도발현 속도에 따라서 자기수축 경향이 상이한 것으로 나타났다. 즉, 강도발현 속도가 빠른 OPC 콘크리트가 자기수축 발현 속도도 빠르지만 최종수축에서는 강도발현속도가 느린 BFS 콘크리트가 더 많이 발생하는 것으로 나타나며 이를 보완할 필요가 있을 것으로 판단된다.
- 2) CEB-FIP(Adv)와 EC2 모델의 예측값은 실측값에 비해 작게 나타나고 이에 비해 JCI 모델식은 복잡하고 과다하게 예측하고 재령에 따라 계속 증가하는 것으로 나타난다. 이 연구에서는 EC2 모델에 재료 상수 γ와 강도발현속도에 따른 상수 α를 각각 새롭게 제안하였다.
- 자기수축은 콘크리트가 수화하면서 일어나는 것으로 공극내의 상대습도가 감소하면서 체적 변화가 발생하는 것이다.2) 일반강도 콘크리트에서의 자기수축은 중요시 되지 않지만 고강도 콘크리트가 되면 자기수축의 영향으로 인해 초기 균열 발생의 가능성이 커진다.3)
- 3) 초기 콘크리트의 수분 공급은 자기변형 저감에 크게 영향을 미치며 특히 24시간 이상 습윤양생을 실시하면 이후 최종 자기변형은 크게 감소하는 것으로 나타났다.
- 측정 결과를 살펴보면 OPC만 사용한 콘크리트의 경우 3일 강도에서 설계 강도의 60%이상이 발 현되었으므로 조강 콘크리트로 판단되고, 고로슬래그를 50% 대체한 콘크리트의 3일강도가 40%이상 발현되었으므로 보통 콘크리트로 분류 된다.8) 설계강도 60 MPa을 제외하고는 모두 목표강도에 도달하였다.
- 5에 나타내었고 Table 6은 60일에서의 최종 자기변형을 나타내었다. 결과를 살펴보면 모든 경우에 대하여 습윤양생을 실시함에 따라 자기변형의 저감효과가 있는 것으로 판단된다. 그러나 습윤양생 기간에 비례하여 감소하지는 않았으며, 최소 1일 이상 습윤양생을 실시하면 자기변형이 크게 감소하였다.
- 결과를 살펴보면, 특히 EC2 및 CEB-FIP(Adv) 모델의 경우 물-시멘트 비가 낮을수록 실험 결과와의 차이가 더욱 커져 예측값의 신뢰도가 저하하였으나 3일 이후의 발생 경향은 잘 표현하는 것으로 나타났다. EC2 모델의 경우에는 강도발현의 영향이 배제되어 있으며, CEB-FIP(Adv)는 재료 및 강도발현 속도에 따른 상수(γ)가 주어져 있지만 큰 효과가 없는 것을 확인할 수 있다.
- 변형률을 살펴보면 강도발현 속도에 관계없이 물-시멘트비가 작아질수록 콘크리트의 자기수축은 증가하는 것을 확인할 수 있다. 또한 실험 결과를 상세하게 살펴보면 OPC 콘크리트의 경우 최종 자기수축의 70%가량이 10일 이내에 발생하고 이후의 변화량 곡선의 기울기는 완만한 직선을 보이며 크게 변하지 않는 것으로 나타나는 반면, BFS 콘크리트는 60일까지 OPC 콘크리트보다 완만한 기울기를 보이나 최종 자기수축에서는 OPC 콘크리트보다 많이 수축하는 것으로 나타났다. 즉 동일한 콘크리트의 설계 강도를 나타내더라도 강도발현 속도에 따라 자기수축의 최종값과 발생비율이 변화하므로 이에 대한 고려를 반드시 할 필요가 있을 것으로 판단된다.
- 4에 나타내었다. 변형률을 살펴보면 강도발현 속도에 관계없이 물-시멘트비가 작아질수록 콘크리트의 자기수축은 증가하는 것을 확인할 수 있다. 또한 실험 결과를 상세하게 살펴보면 OPC 콘크리트의 경우 최종 자기수축의 70%가량이 10일 이내에 발생하고 이후의 변화량 곡선의 기울기는 완만한 직선을 보이며 크게 변하지 않는 것으로 나타나는 반면, BFS 콘크리트는 60일까지 OPC 콘크리트보다 완만한 기울기를 보이나 최종 자기수축에서는 OPC 콘크리트보다 많이 수축하는 것으로 나타났다.
- 3은 이러한 자기수축 시작점을 판단하기 위하여 콘크리트 타설 후 초결에서 종결까지 일정한 열팽창 계수 α = 10 µ보정한 매립게이지 변형률을 나타낸 것이다. 변형률을 살펴보면 모든 시험체에서 초결 이후 팽창하는 것으로 나타나 자기수축의 시작점을 JCI에서 제안한 초결로 정하는 것이 적합하지 않은 것으로 판단된다. 즉 원점을 초결로 정하면 팽창하게 되어 자기수축을 과소평가하게 된다.
- 자기수축의 실험 결과와 EC2모델 결과를 비교하여 살펴보면 강도발현 속도 및 강도에 따라 크게 차이가 나타나는 것을 확인할 수 있다. 기존 EC2 모델에서는 이에 대한 고려사항이 포함되지 않아 이 연구에서는 4가지 강도와 2종류의 강도발현 속도에 따라 재료상수와 강도발현 속도에 대한 상수를 제안하였다.
- 한편, BFS 콘크리트의 경우는 자기수축 시작점과 습윤양생 시작점의 차이가 적어서 초기에 팽창하는 것으로 나타났으며 이는 고로슬래그 미분말을 중량으로 치환하므로 단위용적당 분체량이 증가함에 따른 보습효과에 의해 내부잉여수가 증가하여 팽창하는 것에 기인하는 것으로 판단된다.
- 한편, 강도가 증가할수록 초기재령의 체적 팽창량이 감소하는 것으로 나타났으며 이것은 초기부터 자기수축이 활발하여 체적 팽창량이 비교적 감쇠되는 것으로 판단된다.
후속연구
- 4) 자기수축 시작점을 초결로 하면 콘크리트의 초기 열팽창 계수가 일정하지 않고 초기열팽창 보정이 어려워 자기수축을 과소평가할 우려가 있으므로 시작점에 대한 다양한 검토가 필요할 것으로 판단된다.
- Figs. 6과 7에 나타난 결과를 살펴보면, 초기재령 및 최종 자기수축을 효과적으로 예측하는 것으로 판단되므로 기존 EC2모델에 재료의 특성을 반영시켜 정도 높은 자기수축 변형률 예측이 가능할 것으로 기대된다.
- 이런 연구들의 성과를 종합적으로 판단하여 볼 때, 자기수축 시작점에 대한 검토가 필요할 것으로 판단되며, 시작점을 단순히 초결로 정하는 근거보다는 합리적인 방법의 제안이 필요하다. 따라서 이 연구에서는 매립게이지의 측정값과 시험체의 수화열 보정을 통하여 최대 팽창점을 자기수축의 시작점으로 사용하였으며 이것은 초기 자기수축의 오차를 간단하면서 효율적으로 감소시킬 수 있는 대안이 될 수 있을 것으로 판단된다.
- 자기수축은 일반적으로 재령 초기에 크게 발생하게 되는데 초기 습윤양생은 콘크리트에 수분을 공급시켜 수축 저감효과가 나타나는 것으로 판단된다. 따라서 콘크리트의 응결 후 가능한 빠른 시기에 습윤양생을 24시간 이상 실시하는 것이 자기변형 저감에 크게 기여할 것으로 기대된다.
- 이런 연구들의 성과를 종합적으로 판단하여 볼 때, 자기수축 시작점에 대한 검토가 필요할 것으로 판단되며, 시작점을 단순히 초결로 정하는 근거보다는 합리적인 방법의 제안이 필요하다. 따라서 이 연구에서는 매립게이지의 측정값과 시험체의 수화열 보정을 통하여 최대 팽창점을 자기수축의 시작점으로 사용하였으며 이것은 초기 자기수축의 오차를 간단하면서 효율적으로 감소시킬 수 있는 대안이 될 수 있을 것으로 판단된다.
- 또한 실험 결과를 상세하게 살펴보면 OPC 콘크리트의 경우 최종 자기수축의 70%가량이 10일 이내에 발생하고 이후의 변화량 곡선의 기울기는 완만한 직선을 보이며 크게 변하지 않는 것으로 나타나는 반면, BFS 콘크리트는 60일까지 OPC 콘크리트보다 완만한 기울기를 보이나 최종 자기수축에서는 OPC 콘크리트보다 많이 수축하는 것으로 나타났다. 즉 동일한 콘크리트의 설계 강도를 나타내더라도 강도발현 속도에 따라 자기수축의 최종값과 발생비율이 변화하므로 이에 대한 고려를 반드시 할 필요가 있을 것으로 판단된다.
- 1) 콘크리트 자기수축 변형률은 강도가 증가할수록 자기수축도 같이 증가하며, 동일한 설계기준강도라 하더라도 강도발현 속도에 따라서 자기수축 경향이 상이한 것으로 나타났다. 즉, 강도발현 속도가 빠른 OPC 콘크리트가 자기수축 발현 속도도 빠르지만 최종수축에서는 강도발현속도가 느린 BFS 콘크리트가 더 많이 발생하는 것으로 나타나며 이를 보완할 필요가 있을 것으로 판단된다.
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