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문제 정의
- 본 논문에서는 정량화를 목표로 하기보다는 장기간에 측정된 건조수축변형률이 형상비나 골재에 따라 어떻게 변화는 지를 파악하는데 중점을 두었다.
- 본 연구에서는 위에서 제기된 문제점을 감안하여 다양한 골재의 종류 및 시편의 형상비를 감안한 콘크리트 시편의 건조수축을 측정하였고 측정된 결과를 분석하여 기존에 주로 사용된 골재 이외에 새로운 골재가 포장용 콘크리트 배합에 사용될 수 있는지에 대한 가이드라인으로 제시하였다. 본 실험에서 사용된 변수로서 굵은골재는 화강암, 편마암, 안산암, 사암, 석회암이 잔골재로는 자연사와 부순모래가 사용되었고 일반배합과 고강도 배합의 시멘트량이 사용되었다.
제안 방법
- LS, SN, GR 배합에 대해서는 표준시편을 사용하여 V/S=40mm가 되도록 하였고, 100×300×400 공시체를 사용하여 V/S=80mm가 되도록 제작하였다.
- V/S의 변화에 따라 굵은골재별로 건조수축 변형률을 비교 분석하였다. V/S가 22.
- 건조수축 실험변수는 먼저 굵은골재의 종류(석회암, 사암, 화강암, 안산암, 편마암)와 잔골재의 종류(자연사, 부순모래) 및 콘크리트의 배합강도(보통강도, 고강도)를 달리하였다. 그리고 형상비가 22.
- 그리고 형상비가 22.2, 40, 85.7, 150, 200, 300을 갖도록 시편의 크기를 달리하였으며 코팅제(U&V-H(A,B))를 활용하였다.
- 다양한 골재의 종류, 시멘트량 및 시편의 형상비를 감안한 콘크리트 시편의 건조수축변형률을 길게는 1,014일까지 측정하였고 그 결과는 다음과 같다. 일반적으로 시편의 개수는 3개 이상이 사용되지만 본 연구에서는 형상비의 특성 및 오측을 감안하여 변수당 최종 1~2개의 시편의 결과만 사용되었다.
- 또한 100×100×100mm의 작은 큐브를 제작한 후 수분 증발 면은 6, 4, 0면으로 하여, 수분 증발을 막기 위한 코팅제(U&V-H(A,B))의 실질적인 효과를 검증하고자 하였다.
- 본 실험에서는 KS규준에 따른 표준막대(V/S=22.2)는 물론 형상비(V/S)를 변화시켜 시편을 제작하였다. 다음 그림 1은 시편 형상비의 예를 보여준다.
- 포장용 콘크리트 슬래브의 형상비(V/S)를 모사하기 위해서 원하는 표면만으로 수분이 발산되도록 코팅재로 도포하여 다른 면에서의 수분발산을 방지하였다. 슬래브 판에서 수분방지 코팅의 실질적인 효과를 알아보기 위하여 작은 큐브에 에폭시로 도포면적을 달리하여 무게를 측정 비교하여 실험의 정확성을 알아보았다. 또한 기본적인 콘크리트의 역학적 특성에 관한 실험을 수행하였으며 시편의 준비 및 실험결과는 기존 자료에 수록되었다(김연복 등, 2004; 김연복 등, 2006; 김연복 등, 2010).
- 그리고 본 실험의 시편과 동일한 환경에서 보관하였다. 실험에 임할 때에 각 큐브의 무게를 측정한 후, 20일이 지난 후에 다시 무게를 측정해 보았다. 그림 4(a)에서 보는 바와 같이 예상한 결과대로 전면을 모두 코팅 처리한 Type 2의 경우 전혀 줄어들지 않았음을 알 수 있었다.
- 그리고 형상비가 300mm인 시편은 100×400면 1면만 노출시켰다. 이렇게 준비된 슬래브를 항온항습실에 보관하여 1/1000mm 정밀도까지 측정할 수 있는 다이얼 게이지를 이용하여 길이 변화를 측정하였다.
- 표준공시체의 건조수축과 포장용 콘크리트 슬래브의 건조수축을 비교하기 위해, 시편의 형상비(Volume to Surface Ratio: V/S)를 달리하여 실험을 실시하였다. 포장용 콘크리트 슬래브의 형상비(V/S)를 모사하기 위해서 원하는 표면만으로 수분이 발산되도록 코팅재로 도포하여 다른 면에서의 수분발산을 방지하였다. 슬래브 판에서 수분방지 코팅의 실질적인 효과를 알아보기 위하여 작은 큐브에 에폭시로 도포면적을 달리하여 무게를 측정 비교하여 실험의 정확성을 알아보았다.
- 표준공시체의 건조수축과 포장용 콘크리트 슬래브의 건조수축을 비교하기 위해, 시편의 형상비(Volume to Surface Ratio: V/S)를 달리하여 실험을 실시하였다. 포장용 콘크리트 슬래브의 형상비(V/S)를 모사하기 위해서 원하는 표면만으로 수분이 발산되도록 코팅재로 도포하여 다른 면에서의 수분발산을 방지하였다.
- 형상비가 150mm와 300mm인 시편은 100×300×400의 동일한 시편을 사용하되, 형상비가 150mm인 시편은 100×400면 좌우면이 노출되어 있고 나머지 면은 코팅제를 3회 도포하였고 랩을 이용하여 3겹으로 막았다.
대상 데이터
- V/S=150mm인 AN, GN 시편에 대해서는 100×300×400 공시체가 사용되었다.
- V/S=22.2mm인 모든 배합별 시편에 대해서는 KS 표준시편인 100×100×400 공시체가 사용되었다.
- V/S=300mm인 GR 시편은 250×300×400 공시체가 사용되었고 나머지 배합에 대해서는 모두 100×300×400 공시체를 사용하여 형상비를 모사하였다.
- 굵은골재로는 석회암, 사암, 화강암, 안산암, 편마암이 사용되었고 표 1에 비중과 흡수율을 표기하였다. 굵은골재는 대부분 고속도로 건설공사에 사용되는 골재를 사용하였다. 잔골재와 굵은골재 모두 고속도로 전문시방서에서 요구되는 입도범위, 비중, 흡수율 등을 만족시켰다.
- 자연사는 금강산 잔골재(잔골재1), 전북 남원의 강모래(잔골재2), 그리고 잔골재3이 사용되었다. 굵은골재로는 석회암, 사암, 화강암, 안산암, 편마암이 사용되었고 표 1에 비중과 흡수율을 표기하였다. 굵은골재는 대부분 고속도로 건설공사에 사용되는 골재를 사용하였다.
- 그리고 V/S=200mm인 LS, SN에 대해서는 100×400×600 공시체가 사용되었다.
- 잔골재와 굵은골재 모두 고속도로 전문시방서에서 요구되는 입도범위, 비중, 흡수율 등을 만족시켰다. 그리고 혼화제로서 AE 감수제 등이 사용되었다.
- 건조수축 시험에 사용된 모든 콘크리트 배합에 대한 재령 28일 압축강도 및 탄성계수 측정결과는 표 4와 같다. 모든 시편은 지름 150mm 원주형 공시체를 사용하였다. 압축강도는 AN 배합과 고강도 콘크리트 배합인 GR-H 배합을 제외하고는 약 34.
- 본 연구에서는 위에서 제기된 문제점을 감안하여 다양한 골재의 종류 및 시편의 형상비를 감안한 콘크리트 시편의 건조수축을 측정하였고 측정된 결과를 분석하여 기존에 주로 사용된 골재 이외에 새로운 골재가 포장용 콘크리트 배합에 사용될 수 있는지에 대한 가이드라인으로 제시하였다. 본 실험에서 사용된 변수로서 굵은골재는 화강암, 편마암, 안산암, 사암, 석회암이 잔골재로는 자연사와 부순모래가 사용되었고 일반배합과 고강도 배합의 시멘트량이 사용되었다.
- 수분증발을 방지하기 위한 방편인 3중 코팅제와 랩으로 둘러싼 처리가 얼마만큼의 신뢰성을 기여할 수 있는 지를 알아보기 위해 LS, SN, GR 배합에 대해서 100×100×100mm의 작은 큐브 3개씩을 준비하였다.
- 시멘트는 1종 보통 시멘트로 국내 S사에서 제공하는 비표면적 3,310cm2/g의 비중 3.15인 시멘트를 사용하였다. 잔골재는 표 1과 같은 비중과 흡수율의 특성을 갖는 다양한 종류의 자연사와 부순모래가 사용되었다.
- 실험에 사용된 배합은 고강도 콘크리트 배합인 GRH를 제외하고는 전문시방서 규준(슬럼프값 25mm 이하, 공기량 4-7%)를 만족시키는 범위 내에서 포장용 콘크리트 배합을 기준으로 하였으며 표 2와 같다. 표 2의 모든 배합의 굵은골재 최대치수는 32mm이며 일반 포장용 콘크리트의 시멘트량은 315~340kg/㎥의 범위를 보이며 고강도 콘크리트의 경우 375kg/㎥이 사용되었다.
- 잔골재는 표 1과 같은 비중과 흡수율의 특성을 갖는 다양한 종류의 자연사와 부순모래가 사용되었다. 자연사는 금강산 잔골재(잔골재1), 전북 남원의 강모래(잔골재2), 그리고 잔골재3이 사용되었다. 굵은골재로는 석회암, 사암, 화강암, 안산암, 편마암이 사용되었고 표 1에 비중과 흡수율을 표기하였다.
- 그림 2는 항온실 내의 디지털 다이얼 게이지를 설치한 모습을 보여준다. 항온실의 온도는 20℃와 상대습도 60%를 목표로 항온, 항습의 시설을 사용하였다. 그림 3은 항온실 내의 재령별 온도 또는 습도 변화의 일부를 나타낸다.
성능/효과
- 1. 큐브 시편에 수분증발을 방지하기 위해 3회의 코팅제 처리 및 랩 처리 280일 경과 후에 시편의 무게를 측정한 결과 표준시편은 평균 2.9%의 무게변화에 비해 평균 0.25%에 그쳐 본 실험에서 모사한 형상비 실험이 타당함을 보여준다.
- 187일에서의 변형률을 비교해보면 SN의 값 488μ에 비해 GR은 520μ로서 7% 증가되었으며, LS는 333μ로서 68% 수준을 나타내었다.
- 187일에서의 변형률을 비교해보면 SN의 값 753μ에 비해 GR은 570μ로서 76%, LS는 415μ로서 55% 수준을 나타내어 굵은골재별로 변형률의 차이가 매우 큼을 알 수 있다.
- 2. 표준시편(100×100×400, V/S=22.2) 대비 도로포장 모사용 슬래브 시편(V/S=300 또는 200)의 건조 수축변형률은 약 39% 감소되는 것으로 나타났다.
- 3. 동일한 형상비에 대해 굵은골재의 변화에 따른 건조 수축 실험 결과 사암이 배합된 시편의 변형률이 다른 골재보다 현격하게 높게 측정되었다. 또한 석회암이 배합된 시편의 변형률이 사암대비 형상비별로 56~76% 범위에서 가장 낮게 측정되었다.
- 4. 본 실험조건에서는 단위 시멘트량(331kg/m3 ,375kg/m3)의 차이는 골재 종류 등 다른 변수에 비해 영향이 작은 것을 확인하였다.
- GR 시편은 LS, SN 시편과 비교해보면 형상비에 따른 결과의 대비가 뚜렷하지 못한 것으로 나타났다. 시편도 V/S=300을 제외하고는 LS나 SN 시편과 동일한 형상비의 시편을 통해 측정한 결과이다.
- 표 5에는 표준시편과 V/S=200 또는 300인 경우의 건조수축 변형률의 결과를 재구성하였다. 각각의 데이터가 비교된 재령은 앞서 언급한 바와 같이 서로 다르지만 표 5의 변형률의 비로 보아 KS 표준시편을 사용한 건조수축 측정방법은 콘크리트 포장의 건조수축량을 과대평가하는 것으로 나타났다. 표 5의 결과에서 GR의 경우 계측상의 오차를 포함하고 있을 가능성을 앞서 언급하였고 이를 제외한 나머지 7개 배합의 건조수축 변형률 비의 측정 결과 표준시편 대비 61% 수준(즉 39% 감소됨)으로 나타나 형상비에 따른 건조수축 변형률의 차이를 입증해 준다.
- 그림 4(a)에서 보는 바와 같이 예상한 결과대로 전면을 모두 코팅 처리한 Type 2의 경우 전혀 줄어들지 않았음을 알 수 있었다. 그리고 코팅 처리를 전혀 하지 않은 큐브의 측정 결과 평균 1.7% 정도의 무게 감소를 보였다. 약 280일 경과한 후의 큐브의 무게를 측정한 결과 Standard는 평균 2.
- 그림 15의 5종류의 골재를 사용한 콘크리트 배합조건의 경우를 169일 재령에서 비교하면, SN의 값 373μ에 비해 AN은 400μ, 7% 상회, GN은 310μ, 83% 수준, GR(300ave)은 348μ, 93% 수준, LS는 283μ, 76% 수준으로 평가되었다.
- 동일한 조건에서 측정한 SN 시편의 576일 재령에서의 변형률이 520μ에 비해 LS의 변형률은 395μ로서 76% 수준으로 나타났다.
- 동일한 형상비에 대해 굵은골재의 변화에 따른 건조 수축 실험 결과 사암이 배합된 시편의 변형률이 다른 골재보다 현격하게 높게 측정되었다. 또한 석회암이 배합된 시편의 변형률이 사암대비 형상비별로 56~76% 범위에서 가장 낮게 측정되었다.
- 7% 정도의 무게 감소를 보였다. 약 280일 경과한 후의 큐브의 무게를 측정한 결과 Standard는 평균 2.9%의 변화에 비해 Type 2는 약 0.2~0.3% 정도의 무게변화만을 보여 본 실험에서 채택한 수분방지 코팅 처리는 9개월 까지는 수분증발이 억제되어 신뢰성이 있음을 알 수 있다.
- 전체적으로 석회암(LS)의 건조수축이 제일 작게 측정되었다. 사암(SN)의 경우 표 4의 강도나 탄성계수가 다른 시편과 별 차이가 없고 표 1의 골재특성 평가 결과 비중 2.
- 실험에 사용된 배합은 고강도 콘크리트 배합인 GRH를 제외하고는 전문시방서 규준(슬럼프값 25mm 이하, 공기량 4-7%)를 만족시키는 범위 내에서 포장용 콘크리트 배합을 기준으로 하였으며 표 2와 같다. 표 2의 모든 배합의 굵은골재 최대치수는 32mm이며 일반 포장용 콘크리트의 시멘트량은 315~340kg/㎥의 범위를 보이며 고강도 콘크리트의 경우 375kg/㎥이 사용되었다.
- 각각의 데이터가 비교된 재령은 앞서 언급한 바와 같이 서로 다르지만 표 5의 변형률의 비로 보아 KS 표준시편을 사용한 건조수축 측정방법은 콘크리트 포장의 건조수축량을 과대평가하는 것으로 나타났다. 표 5의 결과에서 GR의 경우 계측상의 오차를 포함하고 있을 가능성을 앞서 언급하였고 이를 제외한 나머지 7개 배합의 건조수축 변형률 비의 측정 결과 표준시편 대비 61% 수준(즉 39% 감소됨)으로 나타나 형상비에 따른 건조수축 변형률의 차이를 입증해 준다.
후속연구
- 특히 재료 수급 문제는 양질의 골재가 부족한 실정이다. 따라서 굵은골재로서 국내 도로포장에 주로 이용되는 화강암, 편마암, 안산암, 석회암, 사암을 안전하게 사용할 수 있는 지에 대한 연구가 필요한 시점이다. 잔골재로서 자연사에 해당되는 강사와 양질의 세척사, 개답사와 산사 이외에도 부순모래가 도로포장에 안전하게 사용될 수 있는 지에 대한 검토가 필요하다.
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