천연모래 치환율과 경량 굵은 골재 최대 크기에 따른 경량 골재 콘크리트의 역학적 특성 Mechanical Properties of Lightweight Aggregate Concrete according to the Substitution Rate of Natural Sand and Maximum Aggregate Size원문보기
경량 골재 콘크리트의 역학적 특성에 대한 천연모래 치환율과 경량 굵은 골재 최대 크기의 영향을 평가하기위해 15배합의 실험이 진행되었다. 경화된 경량 골재 콘크리트의 공극률 및 기건 단위 질량, 재령에 따른 압축강도 발현, 인장저항성능, 탄성계수, 파괴계수 및 응력-변형률 관계를 측정하였다. 측정된 역학적 특성들은 ACI 318-08, EC2 및 CEB-FIP 기준 또는 Slate 등, Yang 등 및 Wang 등의 제안모델들과 비교하였다. 실험 결과 경량 골재 콘크리트의 압축강도는 굵은 골재 최대 크기가 클수록 그리고 경량 잔골재 양이 증가할수록 감소하였다. 경량 골재 콘크리트의 압축강도 발현에 대한 상수는 굵은 골재의 비중과 천연모래 치환율의 함수로서 제시될 수 있었다. 한편, 측정된 경량 콘크리트의 파괴계수 및 인장강도는 설계기준 및 제안모델들에 비해 일반적으로 낮았는데, 이는 경량 콘크리트의 인장저항성은 압축강도뿐만 아니라 기건 단위 질량에 의해서도 영향을 받기 때문이다.
경량 골재 콘크리트의 역학적 특성에 대한 천연모래 치환율과 경량 굵은 골재 최대 크기의 영향을 평가하기위해 15배합의 실험이 진행되었다. 경화된 경량 골재 콘크리트의 공극률 및 기건 단위 질량, 재령에 따른 압축강도 발현, 인장저항성능, 탄성계수, 파괴계수 및 응력-변형률 관계를 측정하였다. 측정된 역학적 특성들은 ACI 318-08, EC2 및 CEB-FIP 기준 또는 Slate 등, Yang 등 및 Wang 등의 제안모델들과 비교하였다. 실험 결과 경량 골재 콘크리트의 압축강도는 굵은 골재 최대 크기가 클수록 그리고 경량 잔골재 양이 증가할수록 감소하였다. 경량 골재 콘크리트의 압축강도 발현에 대한 상수는 굵은 골재의 비중과 천연모래 치환율의 함수로서 제시될 수 있었다. 한편, 측정된 경량 콘크리트의 파괴계수 및 인장강도는 설계기준 및 제안모델들에 비해 일반적으로 낮았는데, 이는 경량 콘크리트의 인장저항성은 압축강도뿐만 아니라 기건 단위 질량에 의해서도 영향을 받기 때문이다.
The effect of the maximum aggregate size and substitution rate of natural sand on the mechanical properties of concrete is evaluated using 15 lightweight aggregate concrete mixes. For mechanical properties of concrete, compressive strength increase with respect to age, tensile resistance, elastic mo...
The effect of the maximum aggregate size and substitution rate of natural sand on the mechanical properties of concrete is evaluated using 15 lightweight aggregate concrete mixes. For mechanical properties of concrete, compressive strength increase with respect to age, tensile resistance, elastic modulus, rupture modulus, and stress-strain relationship were measured. The experimental data were compared with the design equations specified in ACI 318-08, EC2, and/or CEB-FIP code provisions and empirical equations proposed by Slate et al., Yang et al., and Wang et al. The test results showed that compressive strength of lightweight concrete decreased with increase in maximum aggregate size and amount of lightweight fine aggregates. The parameters to predict the compressive strength development could be empirically formulated as a function of specific gravity of coarse aggregates and substitution rate of natural sand. The measured rupture modulus and tensile strength of concrete were commonly less than the prediction values obtained from code provisions or empirical equations, which can be attributed to the tensile resistance of lightweight aggregate concrete being significantly affected by its density as well as compressive strength.
The effect of the maximum aggregate size and substitution rate of natural sand on the mechanical properties of concrete is evaluated using 15 lightweight aggregate concrete mixes. For mechanical properties of concrete, compressive strength increase with respect to age, tensile resistance, elastic modulus, rupture modulus, and stress-strain relationship were measured. The experimental data were compared with the design equations specified in ACI 318-08, EC2, and/or CEB-FIP code provisions and empirical equations proposed by Slate et al., Yang et al., and Wang et al. The test results showed that compressive strength of lightweight concrete decreased with increase in maximum aggregate size and amount of lightweight fine aggregates. The parameters to predict the compressive strength development could be empirically formulated as a function of specific gravity of coarse aggregates and substitution rate of natural sand. The measured rupture modulus and tensile strength of concrete were commonly less than the prediction values obtained from code provisions or empirical equations, which can be attributed to the tensile resistance of lightweight aggregate concrete being significantly affected by its density as well as compressive strength.
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문제 정의
이 연구에서는 천연모래 치환율과 경량 굵은 골재 최대 크기가 콘크리트의 역학적 특성에 미치는 영향을 평가하였으며 다음과 같은 결론을 얻었다.
이 연구의 목적은 경량 골재 콘크리트의 역학적 특성에 대한 천연모래 치환율과 경량 굵은 골재 최대 크기의 영향을 평가하는 것이다. 이를 위해 콘크리트의 재령별 압축강도와 기건 단위 질량, 쪼갬 인장강도, 직접 인장강도, 파괴계수, 탄성계수 및 응력-변형률 관계를 측정 하였다.
제안 방법
측정된 역학적 특성들은 설계기준11-14) 또는 제안 모델들4,5,15)과 비교하였다. 또한 이미지분석기법(image analysis mothed)16)을 이용하여 콘크리트의 내부 공극률 및 공극 분포 특성을 평가하였다.
압축강도 측정시 Φ100 × 200 mm 실린더의 부피와 무게를 측정하여 경화된 경량 골재 콘크리트의 기건 단위 질량을 산정하였다. 또한 재령 28일에 쪼갬 인장강도, 직접 인장강도, 파괴계수 및 응력-변형률의 관계를 측정하였다. 경량 골재 콘크리트의 직접 인장강도는 Fig.
압축강도 측정시 Φ100 × 200 mm 실린더의 부피와 무게를 측정하여 경화된 경량 골재 콘크리트의 기건 단위 질량을 산정하였다.
이 연구의 주요변수는 경량 굵은 골재 최대 크기와 천연모래 치환율이며 주요변수의 역학적 특성을 평가하기 위해 Table 2와 같이 경량 골재 콘크리트 15배합의 실험이 진행되었다. 시험체 명은 두 부분으로 구성되며 첫번째 부분의 문자와 숫자는 굵은 골재 최대 크기를, 두번째 부분의 숫자는 천연모래 치환율을 각각 나타낸다.
이 연구의 목적은 경량 골재 콘크리트의 역학적 특성에 대한 천연모래 치환율과 경량 굵은 골재 최대 크기의 영향을 평가하는 것이다. 이를 위해 콘크리트의 재령별 압축강도와 기건 단위 질량, 쪼갬 인장강도, 직접 인장강도, 파괴계수, 탄성계수 및 응력-변형률 관계를 측정 하였다. 측정된 역학적 특성들은 설계기준11-14) 또는 제안 모델들4,5,15)과 비교하였다.
정확한 분석을 위해서는 이미지를 동일한 상태에서 측정하는 것이 중요하며 이 연구에서는 정확한 이미지분석을 위해 암실에서 동일한 광원으로 이미지를 측정하였으며, Φ100 공시체를 길이 방향으로 3등분하여 각각의 단면에 대한 이미지를 측정하였다.
경량 골재 콘크리트의 배합표는 ACI 21110)에 따라 작성되었다. 천연모래의 치환율은 0~100% 까지 25% 단위로총 5 수준으로 나누었으며, 경량 굵은 골재 최대 크기는 8, 13 및 19 mm의 3 수준으로 설정하였다. 단위수량(W)과 물/시멘트비(W/C)는 각각 200 kg/m3과 40%로 고정되었다.
측정된 이미지는 이미지 분석 프로그램을 통해 내부 구조, 공극률 및 공극의 직경과 형태 등이 분석되었으며, 30 µm이상의 모든 공극의 면적을 측정하여 전단면에서의 비율로 산정하였다.
파괴계수는 KS F 240317)에 만족하는 150 × 150 × 550 mm 크기의 직육면체 시험체를 이용하여 KS F 240817)에 따라 경간을 450 mm로 설치하여 3등분점 휨 실험을 통해 측정하였다.
한편 EC 214)의 예측값은 콘크리트의 단위 기건 질량(ρc)을 이용하여 천연모래 치환율을 고려하였지만 실험 결과를 다소 과대평가하였으며, 모래경량 콘크리트에 기반한 Slate 등4)의 예측값은 천연모래 치환율의 영향을 고려하지 않아 전경량 콘크리트에서 실험 결과를 과대평가하였다.
대상 데이터
15이며 분말도는 3,800 cm2/g이였다. 골재는 혈암과 점토를 팽창시켜 만든 구형의 경량 골재와 천연모래를 이용하였다. 경량 굵은 골재 최대 크기는 8, 13 및 19 mm이며, 경량 잔골재와 천연모래의 최대 크기는 각각 4 mm와 5 mm이다.
시멘트는 국내 S사의 보통 포틀랜드 시멘트(ordinary portland cement)가 이용되었으며, 시멘트의 비중은 3.15이며 분말도는 3,800 cm2/g이였다. 골재는 혈암과 점토를 팽창시켜 만든 구형의 경량 골재와 천연모래를 이용하였다.
데이터처리
이미지 분석 시 경량 골재 내부의 공극도 공극 면적에 포함하였다. 분석된 기술통계량은 각 시험체별로 평균하였으며, 분석 이미지 및 기술통계량은 컴퓨터를 통해 저장하였다.
이를 위해 콘크리트의 재령별 압축강도와 기건 단위 질량, 쪼갬 인장강도, 직접 인장강도, 파괴계수, 탄성계수 및 응력-변형률 관계를 측정 하였다. 측정된 역학적 특성들은 설계기준11-14) 또는 제안 모델들4,5,15)과 비교하였다. 또한 이미지분석기법(image analysis mothed)16)을 이용하여 콘크리트의 내부 공극률 및 공극 분포 특성을 평가하였다.
이론/모형
경량 골재 콘크리트의 내부 공극 구조를 평가하기 위해 이미지 분석 프로그램(i-Solution)을 이용하였다.16) 이미지분석 프로그램은 이미지의 밝기 또는 색상의 차이로 이미지의 원하는 객체를 이치화(threshoding)하여 면적, 모양 및 크기 등의 형상변수와 밝기, 색상 채널 및 광학 밀도 등의 광학변수를 측정하여 각각의 변수들의 기술통계를 나타낸다.
시험체 명은 두 부분으로 구성되며 첫번째 부분의 문자와 숫자는 굵은 골재 최대 크기를, 두번째 부분의 숫자는 천연모래 치환율을 각각 나타낸다. 경량 골재 콘크리트의 배합표는 ACI 21110)에 따라 작성되었다. 천연모래의 치환율은 0~100% 까지 25% 단위로총 5 수준으로 나누었으며, 경량 굵은 골재 최대 크기는 8, 13 및 19 mm의 3 수준으로 설정하였다.
경량 골재 콘크리트의 압축강도는 KS F 240517)의 기준에 따라 재령 1, 3, 7, 28, 56 및 91일에서 Φ100 × 200 mm 실린더를 이용하여 측정하였다.
ACI 21110)에서는 경량 골재 콘크리트 1m3에 사용된 경량 굵은 골재의 양을 경량 굵은 골재의 단위 용적 중량의 비로써 결정하고 있다. 이에 이 연구에서도 ACI 21110)에 따라 경량 굵은 골재의 량을 경량 굵은 골재 단위 용적 중량의 55%로 고정하였다. 이를 잔골재율로 환산해 보면 경량 굵은 골재 최대 크기가 8, 13 및 19 mm 일때 각각 47, 49 및 48% 수준이었다.
성능/효과
1) 경량 골재 콘크리트 단면에는 약 3.8~6.76%의 공극률이 측정되었는데 이는 천연모래 치환율이 증가할수록 감소하였다.
또한 경량 골재 콘크리트의 공극률은 굳지 않는 경량 골재 콘크리트의 공기량과 비슷한 수준에 있었다.1)경량 골재 콘크리트의 공극의 평균 직경(Pd)은 경량 굵은 골재 최대 크기와 천연모래 치환율에 관계없이 약 0.24~0.28 mm 범위에 있었다.
8 수준으로 나타났다.19) 경량 골재 콘크리트의 ft/fsp는 천연모래 치환율이 증가할수록 증가하였다. 모래 경량 콘크리트의 ft/fsp는 평균 0.
2) 경량 골재 콘크리트의 기건 단위질량은 경량 굵은 골재 최대 크기에 관계없이 천연모래 치환율이 증가할수록 증가하였으며, ACI 318 및 CEB-FIP 설계 기준들에 의한 예측값과 잘 일치하였다.
3) 경량 골재 콘크리트의 압축강도는 천연모래 치환율이 감소할수록, 굵은 골재 최대 크기가 클수록 감소하였다. 한편 경량 골재 콘크리트의 압축강도 발현을 예측하기 위한 상수들은 굵은 골재의 비중과 천연모래 치환율의 함수로서 제시될 수 있었다.
4) 측정된 경량 골재 콘크리트의 파괴계수는 ACI 기준, Slate 등의 제안모델에 의한 예측값보다 낮았다.
5) 경량 골재 콘크리트의 인장강도는 천연모래 치환율이 증가할수록 증가하였으며, EC 2와 Slate 등의 예측값은 실험 결과를 과대평가하였다. 한편 경량 골재 콘크리트의 직접인강강도는 쪼갬인장강도의 약 30~60% 수준이었다.
6) 측정된 경량 골재 콘크리트의 탄성계수는 ACI 318의 예측값과 잘 일치하였지만 EC 2의 예측값보다는 평균 10% 낮았다.
전경량 콘크리트의 ft/fsp는 모래 경량 콘크리트의 약 57% 수준에 있었다. 경량 골재 콘크리트는 Table 3에 나타낸 바와 같이 인장에 저항하는 단면 내에 약 3~6%의 공극이 포함되어 있으며, 인공경량 골재의 낮은 강도 및 경량 골재와 페이스트 사이의 낮은 접착강도로 인해 동일강도의 보통 중량 콘크리트보다 더 취성적인 파괴모드를 보였다고 판단된다.
천연모래 치환율에 따른 경량 골재 콘크리트의 이미지 분석 결과를 Table 3에 나타내었다. 경량 골재 콘크리트의 공극률(Pr)은 경량 굵은 골재 최대 크기에 관계없이 3.8~6.76% 범위에 있었으며, 천연모래 치환율이 증가할수록 감소하였다. 또한 경량 골재 콘크리트의 공극률은 굳지 않는 경량 골재 콘크리트의 공기량과 비슷한 수준에 있었다.
3(fck)2/3로 제시하고 있으며, Slate 등4)은 모래 경량 콘크리트의 회귀분석을 통해 대기양생 한 경량 골재 콘크리트의 쪼갬인장강도를 #로 제시하고 있다. 경량 골재 콘크리트의 는 경량 굵은 골재 최대 크기에 관계없이 천연모래 치환율이 증가할수록 증가하였다. #는 전경량 콘크리트에서 0.
8)동일한 그래프에 경량 골재 콘크리트의 파괴계수에 대한 ACI 318-0811)기준과 Slate 등4)의 제안모델을 같이 나타내었다. 경량 골재 콘크리트의 는 천연모래 치환율이 증가할수록 증가하였으며 그 증가 기울기는 경량 굵은 골재 최대 크기가 클수록 크게 나타냈다. 또한 ACI318-0811)의 설계기준은 경량 골재 콘크리트의 파괴계수를 평균 75% 과대평가하고 있었으며, 모래 경량 콘크리트의 기반한 Slate 등4)의 제안모델은 모래경량 콘크리트에서는 비슷한 범위에 있었지만 전경량 콘크리트의 파괴계수를 과대평가 하였다.
경량 골재 콘크리트의 응력-변형률의 관계는 취성파괴 특성으로 인해 최대응력 시까지만 측정되었다. 경량 골재 콘크리트의 응력-변형률 곡선은 초기 접선탄성계수는 천연모래 치환율이 증가할수록 크게 나타났다. 또한 경량 골재 콘크리트의 최대응력시 변형률(ε0)는 경량 골재 최대 크기와 관계없이 천연모래 치환율이 증가할수록 감소하였다.
모든 경량 골재 콘크리트에서 경량 골재를 관통하는 균열로 인해 파괴가 발생하였다. 경량 골재 콘크리트의 재령 28일 압축강도는 천연모래 치환율이 감소할수록, 경량 굵은 골재 최대 크기가 클수록 감소하였다. 전경량 콘크리트의 재령 28일 압축강도는 모래 경량 콘크리트의 70~80% 수준에 있었으며, 그 수준은 경량 굵은 골재 최대 크기가 클수록 작았다.
동일한 그림에 이 연구의 압축강도 범위에 따라 ACI 318-08,11) EC 214) 및 Slate 등4)의 제안모델을 함께 나타내었다. 경량 골재 콘크리트의 탄성계수는 경량 굵은 골재 최대 크기에 관계없이 경량잔 골재 치환율이 증가할수록 증가하였다. ACI 318-0811)과 Slate 등4)의 예측모델은 경량 골재 콘크리트의 탄성계수를 안전측에서 잘 평가하고 있었지만 EC 214)기준은 천연모래가 치환된 경량 골재 콘크리트의 탄성계수를 약 10% 과대평가 하였다.
6 범위에 있는 보통 중량 골재 비중9)의 약 50% 수준이었다. 경량 골재의 흡수율은 13.68~18.96% 범위에 있었으며, 경량 잔골재의 흡수율이 경량 굵은 골재의 흡수율보다 약 28% 정도 낮았다. 경량 골재의 흡수율은 일반적으로 0.
5~38배 수준이었다. 경량 굵은 골재의 조립률은 5.86~6.56으로 일반적으로 5.45~6.6 범위에 있는 천연골재와 비슷한 수준에 있었으며, 경량 잔골재의 조립률은 4.35로 천연모래보다 1.73 배 높았다. 이는 경량 잔골재의 입도불량에 기인한 것으로 경량 잔골재는 1.
경화된 경량 골재 콘크리트의 기건 단위 질량은 재령 1일에 재령 28일의 약 104~110% 수준에 있었으며, 재령이 증가함에 따라 기건 단위 질량은 감소하였다. 그러나 재령 28일 이후에는 경량 골재 콘크리트의 기건 단위 질량의 변화가 거의 없었다.
또한 경량 골재 콘크리트의 최대응력시 변형률(ε0)는 경량 골재 최대 크기와 관계없이 천연모래 치환율이 증가할수록 감소하였다.
이에 이 연구에서도 ACI 21110)에 따라 경량 굵은 골재의 량을 경량 굵은 골재 단위 용적 중량의 55%로 고정하였다. 이를 잔골재율로 환산해 보면 경량 굵은 골재 최대 크기가 8, 13 및 19 mm 일때 각각 47, 49 및 48% 수준이었다. 배합된 경량 골재 콘크리트는 항온항습실에서 온도 20 ± 1oC, 상대습도 60 ± 5%로 양생하였다.
경량 골재 콘크리트의 재령 28일 압축강도는 천연모래 치환율이 감소할수록, 경량 굵은 골재 최대 크기가 클수록 감소하였다. 전경량 콘크리트의 재령 28일 압축강도는 모래 경량 콘크리트의 70~80% 수준에 있었으며, 그 수준은 경량 굵은 골재 최대 크기가 클수록 작았다. 이는 Table 3에 나타낸 바와 같이 동일한 천연모래 치환율에서 경량굵은 골재 최대 크기가 클수록 내부 공극률이 증가하기 때문으로 판단된다.
천연모래 치환율의 증가는 강성이 낮은 경량 골재의 함유량을 줄이게 되며 이는 결과적으로 콘크리트의 ε0를 감소시켰다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
인공 경량 골재는 어떻게 만들어지는가?
인공 경량 골재(artificial lightweight aggregate)는 점토, 혈암 및 산업부산물 등을 미분 상태로 가공하고 보조 재료를 넣어 성형·소성하여 만든다.1)이로 인해 인공 경량 골재는 천연골재의 채취에 따른 환경파괴 방지와 산업폐기물의 재활용 측면에서 지속가능한 재료로 부각되고 있다.
경량 골재 콘크리트의 구조체 적용을 위한 대부분의 연구의 문제점은 무엇인가?
경량 골재 콘크리트의 구조체 적용에 대한 가장 큰 장점은 고정하중의 감소이다. 하지만 구조체 적용을 위한 대부분의 연구3-5)는 기건 단위 질량이 보통 중량 콘크리트의 80% 이상의 수준에 있는 모래 경량 콘크리트(sand lightweight concrete, SLWC)에서 이루어지고 있어 부재의 자중 감소 효과 측면에서 효율성이 낮다. 이를 위해 전경량 콘크리트(all lightweight concrete, ALWC)에 대한 연구6,7)가 점차 관심을 끌고 있지만 경량 잔골재의 입도 불량, 낮은 압축강도와 강성 및 수밀성의 저하 등으로 실용화에 어려움을 겪고 있다.
경량 골재 콘크리트의 구조체 적용에 대한 가장 큰 장점은 무엇인가?
경량 골재 콘크리트의 구조체 적용에 대한 가장 큰 장점은 고정하중의 감소이다. 하지만 구조체 적용을 위한 대부분의 연구3-5)는 기건 단위 질량이 보통 중량 콘크리트의 80% 이상의 수준에 있는 모래 경량 콘크리트(sand lightweight concrete, SLWC)에서 이루어지고 있어 부재의 자중 감소 효과 측면에서 효율성이 낮다.
참고문헌 (19)
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