경량골재 콘크리트의 압축강도에 대한 크기 및 형상효과를 평가하기 위하여 9 배합의 실내 실험과 3 배합의 레미콘 배합을 수행하였다. 콘크리트 배합은 보통중량, 전경량 및 모래경량의 3그룹으로 분류되었다. 각 콘크리트 배합에서 원형 또는 사각형 단면을 갖는 시험체의 형상비는 1.0과 2.0이었다. 시험체의 단면 크기는 각 실내배합에서는 50~150mm, 각 레미콘 배합에서는 50~400mm 범위에 있었다. 실험 결과 경량골재 콘크리트의 균열진전과 국부 파괴영역은 보통중량 콘크리트와 상당히 달랐다. 경량골재 콘크리트에서 균열은 골재를 관통하였으며, 균열의 분포영역은 매우 국부적이었다. 이로 인해, 경량골재 콘크리트의 크기효과는 보통중량 콘크리트에 비해 더 크게 나타났으며, 이 현상은 형상비 1.0보다는 2.0인 시험체에서 더 뚜렷하게 나타났다. 김진근 등의 크기효과 예측모델은 경량골재 콘크리트에서 시험체 단면크기가 150mm 이상일 때 과대 평가하였다. 반면, 압축강도에 대한 시험체 형상의 영향을 보정하기 위해 ASTM 및 CEB-FIP에서 제시한 수정계수는 경량골재 콘크리트에서도 안전측에 있었다.
경량골재 콘크리트의 압축강도에 대한 크기 및 형상효과를 평가하기 위하여 9 배합의 실내 실험과 3 배합의 레미콘 배합을 수행하였다. 콘크리트 배합은 보통중량, 전경량 및 모래경량의 3그룹으로 분류되었다. 각 콘크리트 배합에서 원형 또는 사각형 단면을 갖는 시험체의 형상비는 1.0과 2.0이었다. 시험체의 단면 크기는 각 실내배합에서는 50~150mm, 각 레미콘 배합에서는 50~400mm 범위에 있었다. 실험 결과 경량골재 콘크리트의 균열진전과 국부 파괴영역은 보통중량 콘크리트와 상당히 달랐다. 경량골재 콘크리트에서 균열은 골재를 관통하였으며, 균열의 분포영역은 매우 국부적이었다. 이로 인해, 경량골재 콘크리트의 크기효과는 보통중량 콘크리트에 비해 더 크게 나타났으며, 이 현상은 형상비 1.0보다는 2.0인 시험체에서 더 뚜렷하게 나타났다. 김진근 등의 크기효과 예측모델은 경량골재 콘크리트에서 시험체 단면크기가 150mm 이상일 때 과대 평가하였다. 반면, 압축강도에 대한 시험체 형상의 영향을 보정하기 위해 ASTM 및 CEB-FIP에서 제시한 수정계수는 경량골재 콘크리트에서도 안전측에 있었다.
The current study prepared 9 laboratorial concrete mixes and 3 ready-mixed concrete batches to examine the size and shape effects in compression failure of lightweight aggregate concrete (LWC). The concrete mixes were classified into three groups: normal-weight, all-lightweight and sand-lightweight ...
The current study prepared 9 laboratorial concrete mixes and 3 ready-mixed concrete batches to examine the size and shape effects in compression failure of lightweight aggregate concrete (LWC). The concrete mixes were classified into three groups: normal-weight, all-lightweight and sand-lightweight concrete groups. For each concrete mix, the aspect ratio of circular or square specimens was 1.0 and 2.0. The lateral dimension of specimens varied between 50 and 150 mm for each laboratorial concrete mix, whereas it ranged from 50 to 400 mm with an incremental variation of 50 mm for each ready-mixed concrete batch. Test observations revealed that the crack propagation and width of the localized failure zone developed in lightweight concrete specimens were considerably different than those of normal-weight concrete (NWC). In LWC specimens, the cracks mainly passed through the coarse aggregate particles and the crack distribution performance was very poor. As a result, a stronger size effect was developed in LWC than in NWC. Especially, this trend was more notable in specimens with aspect ratio of 2.0 than in specimens with that of 1.0. The prediction model derived by Kim et al. overestimated the size effect of LWC when lateral dimension of specimen is above 150 mm. On the other hand, the modification factors specified in ASTM and CEB-FIP provisions, which are used to compensate for the shape effect of specimen on compressive strength, were still conservative in LWC.
The current study prepared 9 laboratorial concrete mixes and 3 ready-mixed concrete batches to examine the size and shape effects in compression failure of lightweight aggregate concrete (LWC). The concrete mixes were classified into three groups: normal-weight, all-lightweight and sand-lightweight concrete groups. For each concrete mix, the aspect ratio of circular or square specimens was 1.0 and 2.0. The lateral dimension of specimens varied between 50 and 150 mm for each laboratorial concrete mix, whereas it ranged from 50 to 400 mm with an incremental variation of 50 mm for each ready-mixed concrete batch. Test observations revealed that the crack propagation and width of the localized failure zone developed in lightweight concrete specimens were considerably different than those of normal-weight concrete (NWC). In LWC specimens, the cracks mainly passed through the coarse aggregate particles and the crack distribution performance was very poor. As a result, a stronger size effect was developed in LWC than in NWC. Especially, this trend was more notable in specimens with aspect ratio of 2.0 than in specimens with that of 1.0. The prediction model derived by Kim et al. overestimated the size effect of LWC when lateral dimension of specimen is above 150 mm. On the other hand, the modification factors specified in ASTM and CEB-FIP provisions, which are used to compensate for the shape effect of specimen on compressive strength, were still conservative in LWC.
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문제 정의
이 연구의 목적은 시험체 기하학적 형상이 경량골재 콘크리트의 압축강도에 미치는 영향을 평가하는 데 있다. 이를 위해 실내 9 배합과 레미콘 3 배합을 공시체의 단면형상, 단면크기 및 형상비에 따라 압축강도를 평가하였다.
제안 방법
7) 압축강도 크기효과에 대한 김진근 등의 제안모델은 보통중량 콘크리트에서는 실험결과를 안전측에서 평가하고 있었지만 경량골재 콘크리트에서는 시험체 단면크기가 150 mm 이상에서 실험 결과를 과대평가하였다.
Part1은 실험실에서 300 l 용량의 강제식 믹서기(forced mixingtype mixer)를 이용하여 배합되었다. Part 1에서는 압축강도와 경량골재 콘크리트의 종류에 따른 주요변수의 영향을 평가하기 위해 물-시멘트비(W/C)와 천연모래 치환율(Rs)을 조절하여 9 배합의 실험이 진행되었다. Part 2는 레미콘 배합현장에서 배치플랜트(batch plant)를 이용하여 진행되었다.
만능재료시험기는 압축강도를 평가하기 전에 동일한 로드셀(load cell)에 의해 교정(correction)되었다. 모든 시험체는 편심의 영향을 최소화하기 위해 양단부를 연마하였으며, 시험체 양변에 설치된 LVDT를 이용하여 균열 전까지 동일한 변위에서 실험을 진행하였다.
이후 보통 중량 콘크리트의 압축강도에 대한 크기효과에 대해서는 많은 연구들8-11)이 진행되었다. 이 결과를 바탕으로 ASTM2)은 압축강도 14~42MPa 범위에서 콘크리트 공시체의 형상비가 2.0 이하인 시험체의 압축강도 수정계수를 제시하였다. 또한 CEBFIP3)에서는 150 mm의 정육면체 콘크리트의 압축강도에 대한 φ150 × 300 mm의 원주형 공시체의 압축강도비를 제시하였다.
이 연구의 목적은 시험체 기하학적 형상이 경량골재 콘크리트의 압축강도에 미치는 영향을 평가하는 데 있다. 이를 위해 실내 9 배합과 레미콘 3 배합을 공시체의 단면형상, 단면크기 및 형상비에 따라 압축강도를 평가하였다. 실험 결과는 기존 연구자들의 연구 결과6,7,15-21)와 함께 압축강도에 대한 시험체 형상의 영향을 보정하는 설계기준2,3)의 수정계수 및 보통중량 콘크리트에 기반하여 제시된 김진근 등11)의 크기효과 제안모델과 비교하였다.
콘크리트의 압축강도는 재령 28일에 KS F 240524)에 따라 평가되었다. 측정은 시험체의 파괴하중을 고려하여 200, 500, 3,000 및 5,000 kN 용량의 만능재료시험기(universal testing machine)를 이용하였다. 만능재료시험기는 압축강도를 평가하기 전에 동일한 로드셀(load cell)에 의해 교정(correction)되었다.
콘크리트 배합은 Table 1에 나타낸 바와 같이 실내배합(part 1)과 현장배합(part 2)으로 나누어 진행되었다. Part1은 실험실에서 300 l 용량의 강제식 믹서기(forced mixingtype mixer)를 이용하여 배합되었다.
대상 데이터
8에 나타내었다. Fig. 8에 나타낸 실험 결과는 기존 연구자들에 의해발표된 1,014개(보통중량 콘크리트 888개, 경량골재 콘크리트 126개)와 이 연구를 통해 얻은 271개(보통중량 콘크리트 42개, 경량골재 콘크리트 229개)를 사용하였다. 보통중량 콘크리트에 대한 김진근 등11)의 제안모델은 일반적으로 안전측에서 실험 결과를 잘 예측하고 있었다.
Part 1에서는 압축강도와 경량골재 콘크리트의 종류에 따른 주요변수의 영향을 평가하기 위해 물-시멘트비(W/C)와 천연모래 치환율(Rs)을 조절하여 9 배합의 실험이 진행되었다. Part 2는 레미콘 배합현장에서 배치플랜트(batch plant)를 이용하여 진행되었다. Part 2에서는 콘크리트 종류에 따른 주요변수의 영향을 평가하기 위해 전경량 및 모래경량 콘크리트와 보통중량 콘크리트가 배합되었다.
사용골재의 물리적 특성을 Table 3에 나타내었다. 시멘트는 밀도가 3.15 g/m3이고, 분말도가 3,800 cm2/g인 보통포틀랜드 시멘트(ordinary portland cement)가 사용되었다. 인공경량골재는 팽창점토와 혈암을 주요성분으로 하여 팽창소성한 것으로 미끈한 구형이었다.
Table 2에는 각 콘크리트 배합에서 이용된 시험체의 형상, 단면크기 및 형상비를 나타내었다. 시험체의 형상은 각국의 기준 시험체을 고려하여 원주형(cylinder), 정육면체(cube) 및 직육면체(prism)로 결정하였다. 시험체의 형상비는 시험기의 높이를 고려하여 1.
데이터처리
이를 위해 실내 9 배합과 레미콘 3 배합을 공시체의 단면형상, 단면크기 및 형상비에 따라 압축강도를 평가하였다. 실험 결과는 기존 연구자들의 연구 결과6,7,15-21)와 함께 압축강도에 대한 시험체 형상의 영향을 보정하는 설계기준2,3)의 수정계수 및 보통중량 콘크리트에 기반하여 제시된 김진근 등11)의 크기효과 제안모델과 비교하였다.
이론/모형
콘크리트 배합설계는 경량골재 콘크리트의 배합설계지침인 ACI 21122)에 따라 작성되었으며, 그 배합상세를 Table 1에 나타내었다. 굵은골재 최대크기는 공시체의 크기를 고려하여 ACI 21122)에 제시된 최대크기인 19 mm로 고정하였다.
콘크리트의 압축강도는 재령 28일에 KS F 240524)에 따라 평가되었다. 측정은 시험체의 파괴하중을 고려하여 200, 500, 3,000 및 5,000 kN 용량의 만능재료시험기(universal testing machine)를 이용하였다.
성능/효과
1) 보통중량 콘크리트는 골재와 페이스트 계면을 따라 분산된 미세균열들의 성장으로 파괴되었지만, 경량골재 콘크리트는 강도가 낮은 경량골재를 관통하는 소수의 큰 균열들로 인해 파괴되었다.
이는 내부에 다량의 공극을 포함하고 있는 경량골재의 낮은 강도 때문으로 판단된다.14) 형상비가1.0인 경량골재 콘크리트는 최대내력의 약 60~70% 수준에서 시험체 표면에 초기균열이 발생하였으며, 표면 균열의 수가 증가하면서 최종적으로 표면 콘크리트의 탈락에 의해 쐐기모양으로 파괴되었다. 이는 보통중량 콘크리트에서도 비슷한 경향을 보였다.
2) 경량골재 콘크리트의 압축강도에 대한 크기효과는 보통중량 콘크리트에 비해 크게 나타났으며, 그 경향은 형상비 1.0보다는 형상비 2.0에서 뚜렷했다.
3) 각형 시험체의 (fcu(d))n1 = 2.0/(fcu(d))n1 = 1.0는 단면크기가 150 mm 이하에서는 원형 시험체보다 높지만, 그 이상에서는 원형단면이 각형단면보다 높았다.
4) 전경량 콘크리트가 보통중량 콘크리트보다 압축강도에 대한 크기효과의 영향이 더 뚜렷하지만, 콘크리트의 기건단위질량에 따른 (fcu(d))/fcu의 증가비에 대한 시험체 단면형상의 영향은 매우 미미하였다.
5) 콘크리트 압축강도에 대한 시험체 형상을 고려하는ASTM 및 CEB-FIP의 수정계수는 경량골재 콘크리트에서도 안전측에 있었다.
6) 경량골재 콘크리트의 각형 시험체의 압축강도에 대한 원주형 시험체의 압축강도 비는 압축강도 30과50 MPa 사이에서 보통중량 콘크리트와 유사한 수준에 있었다.
반면에 보통중량 콘크리트의 α는 시험체의 단면크기가 150 mm 이상에서는 시험체의 단면형상에 관계없이 시험체의 단면크기가 증가할수록 증가하였다. 결과적으로 시험체의 단면크기가 150 mm를 초과하면 콘크리트의 압축강도에 대한 단면의 형상과 형상비의 효과가 나타난다고 판단된다.
보통중량 콘크리트에 기반한 실험 결과는 ASTM2)과 유사한 곡선을 보였다. 또한 경량골재 콘크리트의 압축강도 수정계수는 ASTM2)과 보통중량 콘크리트의 데이터베이스에 기반한 실험결과보다 높았다. 이로보아 기건단위질량이 1,600 kg/m3 이상인 경량골재 콘크리트에서도 ASTM2)에서 제시하는 기준은 안전측에 있었다.
콘크리트의 압축강도는 시험체의 단면크기가 증가할수록 감소하였으며, 그 감소기울기는 시험체의 단면크기가 증가할수록 감소하였다. 또한 압축강도의 감소기울기는 보통중량 콘크리트보다 경량골재 콘크리트에서, 형상비 1.0보다는 형상비 2.0에서 더 증가하였다. 그리고 시험체의 단면크기가 300 mm 이상에서는 압축강도의 감소기울기가 확연히 감소하였다.
4배 컸다. 모든 골재는 KS 기준의 표준입도분포 곡선을 만족하였다.24)
단위수량(W)은 슬럼프와 굵은골재 최대크기를 고려하여 ACI 21122)에서 제시하는 200 kg/m3으로 고정하였다. 모든 배합에서 단위굵은골재량은 굵은골재단위용적중량의 55%로 고정되었으며, 천연모래 치환율은 전체 잔골재용적에 대한 비율로 치환하였다. Table 1에 나타낸 시험체 명은 세 부분으로 구성되며, 첫 번째문자는 콘크리트의 종류로써 “L”은 경량골재 콘크리트를, “N”은 보통중량 콘크리트를 나타낸다.
콘크리트의 기건단위질량에 따른 fcu(d)/fcu의 증가비는 시험체의 단면크기가 증가할수록 증가하였다. 이로 보아 Fig. 3에 나타낸 바와 같이 전경량 콘크리트가 보통중량 콘크리트보다 압축강도에 대한 크기효과의 영향이 뚜렸함을 알 수 있었다. 반면에 콘크리트의 기건단위질량에 따른 fcu(d)/fcu의 증가비에 대한 시험체 단면형상의 영향은 매우 미미하였다.
0인 경량골재 콘크리트는 최대내력의 약 50~60% 수준에서 시험체 중앙에서 초기 균열이 발생하였다. 이후 균열은 시험체의 양단부를 향해 진전하였으며, 최종적으로 수직균열의 폭이 증가하면서 파괴되었다. 동일한 형상비의 보통중량 콘크리트는 최대내력의 약 60~80% 수준에서 시험체 중앙에서 초기 균열이 발생하였으며, 이후 초기 균열은 양단부를 향하여 진전하였다.
동일한 형상비의 보통중량 콘크리트는 최대내력의 약 60~80% 수준에서 시험체 중앙에서 초기 균열이 발생하였으며, 이후 초기 균열은 양단부를 향하여 진전하였다. 초기 균열 이후 수직균열의 폭이 증가하기 보다는 넓은 영역에 다수의 수직균열이 형성되었으며 최종 파괴되었다. Fig.
407를 보였다. 콘크리트의 기건단위질량에 따른 fcu(d)/fcu의 증가비는 시험체의 단면크기가 증가할수록 증가하였다. 이로 보아 Fig.
fcu는 직경 150 mm,높이 300 mm의 원주형 표준 공시체의 압축강도를, fcu(d)는 단면크기가 d인 공시체의 압축강도를 의미한다. 콘크리트의 압축강도는 시험체의 단면크기가 증가할수록 감소하였으며, 그 감소기울기는 시험체의 단면크기가 증가할수록 감소하였다. 또한 압축강도의 감소기울기는 보통중량 콘크리트보다 경량골재 콘크리트에서, 형상비 1.
형상비가 2.0인 직경 400 mm의 원주형 공시체의 평균fcu(d)/fcu는 전경량, 모래경량 및 보통중량 콘크리트에서 각각 0.747, 0.820 및 0.864로써 콘크리트 단위용적질량이 감소할수록 압축강도의 크기효과가 더 확연하였다. 이는 Fig.
후속연구
이로보아 기건단위질량이 1,600 kg/m3 이상인 경량골재 콘크리트에서도 ASTM2)에서 제시하는 기준은 안전측에 있었다. 그러나 콘크리트의 기건단위질량에 따른 압축강도 수정계수의 안전성과 신뢰도를 높이기 위해서는 더 많은 실험적인 자료를 수집할 필요가 있다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
콘크리트는 무엇에 따라 압축강도가 다르게 나타나는가?
콘크리트의 압축강도는 공시체의 단면적을 파괴 시 하중으로 나누어나타낸다. 그러나 콘크리트는 공시체의 단면적, 단면의 형상 및 형상비에 따라서 압축강도가 다르게 나타난다. 즉, 공시체의 단면크기가 증가함에 따라 강도가 감소하는 크기효과를 보인다.
경량골재 콘크리트가 취성적인 이유는 무엇인가?
경량골재 콘크리트는 양근혁 등12) 및 Neville13)이 지적한 바와 같이 보통 중량 콘크리트에 비해 골재와 페이스트 사이의 계면에서 미세공극과 균열들이 더욱 많이 형성된다. 특히, 파괴면은 골재를 관통하여 형성되기 때문에 더욱 취성적이다. 재료강도에 대한 크기효과는 재료의 취성 특성과 내부 미세균열들의 진전속도에 의해 중요한 영향을 받기 때문에 경량골재 콘크리트에서의 크기효과는 보통중량 콘크리트에 비해 더욱 현저하게 나타날 수 있다.
콘크리트의 크기효과와 관련하여 Gonnerman은 어떤 연구결과를 도출하였는가?
콘크리트의 크기효과는 1925년 Gonnerman6)의 연구에 의해 최초로 논의되었다. Gonnerman6)은 크기, 형상 및 형상비를 달리한 공시체의 압축강도를 평가하여 크기가 증가함에 따라 압축강도가 감소함을 보였다. 1935년에 Blanks와 Mc Namara7)는 50~914 mm 크기의 원주형 공시체의 압축강도를 평가하여 600 mm 이상에서는 기준 공시체의84% 수준으로 수렴하며 더 이상 압축강도의 감소효과는 나타나지 않음을 밝혔다.
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