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문제 정의
- 따라서 이 연구에서는 순환골재와 고로슬래그를 치환한 콘크리트에 내력과 연성능력을 향상시키기 위하여 인장강도, 균열에 대한 저항성 등의 개선효과 특성을 지닌 강섬유를 활용하여 사용성, 안정성, 신뢰성이 우수한 재료를 개발하고자 한다. 그리고 이를 철근콘크리트 보 부재에 적용하여 파괴양상, 연성능력 등을 고찰하여 구조 성능을 개선하고 철근콘크리트 구조물의 설계시 기초자료를 제시하고자 한다.
- 따라서 이 연구에서는 순환골재와 고로슬래그를 치환한 콘크리트에 내력과 연성능력을 향상시키기 위하여 인장강도, 균열에 대한 저항성 등의 개선효과 특성을 지닌 강섬유를 활용하여 사용성, 안정성, 신뢰성이 우수한 재료를 개발하고자 한다. 그리고 이를 철근콘크리트 보 부재에 적용하여 파괴양상, 연성능력 등을 고찰하여 구조 성능을 개선하고 철근콘크리트 구조물의 설계시 기초자료를 제시하고자 한다.
- 75%로 선정하였다. 순환 굵은골재와 고로슬래그 미분말의 치환율에 따른 강섬유 보강 철근콘크리트 보를 제작하여 하중-변위곡선, 파괴형태, 최대내력, 연성능력 등의 구조성능을 평가하고자 한다.
- 이 연구에서는 콘크리트의 결합재인 굵은골재와 시멘트를 천연골재 자원의 고갈 및 건자재 부족 등의 문제점을 개선하고 대체할 수 있는 산업부산물인 순환골재 및 고로슬래그로 치환하여 철근콘크리트 보 실험체를 제작하였다.
제안 방법
- )는 27 MPa이며 콘크리트의 배합표는 Table 3과 같다. 각 실험체는 콘크리트 타설과 함께 압축강도용 공시체를 제작하였다. 압축강도 실험용 원주형 공시체는 Φ100×200 mm 몰드를 사용하여 KS F 2405에 따라 몰드를 3개 층으로 나누어 각 층을 25회씩 봉다짐하여 제작하였다.
- 각 실험체의 경간 중앙의 실험체 하단면에서 각 하중 단계별 하중-처짐량을 측정하였다. 인장철근의 변형은 변형률 게이지 5 mm를 각 하부 주근의 중앙부에 2개씩 부착하여 하중단계에 따라 측정하였다.
- 설계강도는 24 MPa이며, 인장철근은 1-HD13, 2-HD16, 스터럽은 HD10@125 mm, 압축철근 2-HD13로 제작하였다. 거푸집은 내수 합판과 각재를 사용하여 제작하였으며, 철근조립 시에는 스페이서를 이용하여 피복두께를 확보 하였다.
- 건설 ‧ 산업부산물인 순환골재 및 고로슬래그 미분말을 치환한 콘크리트와 이에 강섬유를 보강한 철근콘크리트 보의 역학적 거동특성을 규명하기 위해 시멘트에 대한고로슬래그 치환율(30%), 굵은골재에 대한 순환 굵은골재의 치환율(0%, 20%, 30%, 40%, 50%), 강섬유 혼입률(0.75%)을 변수로 실험체를 제작하였다. 또한, 각각의 변수에 따른 구조성능을 평가하기 위하여 실물크기의 1/2정도인 11개의 축소모델 실험체를 제작하였으며, 실험체의 변수 및 설계상세는 Table 1, Fig.
- 고로슬래그의 치환율은 30%로 정하고 순환 굵은골재의 치환율은 0%, 20%, 30%, 40%, 50%를 변화시켜 배합하였다. 순환골재 및 고로슬래그 치환에 따른 구조성능 저하의 문제점을 개선하고자 강섬유를 혼입하였으며, 이 연구에서는 시공성, 구조성능 및 경제성을 고려하여 강섬유 혼입률을 0.
- 압축강도 실험용 원주형 공시체는 Φ100×200 mm 몰드를 사용하여 KS F 2405에 따라 몰드를 3개 층으로 나누어 각 층을 25회씩 봉다짐하여 제작하였다. 공시체는 제작 후 즉시 비닐을 덮어 수분 증발을 방지하였으며, 재령 28일까지 수중양생을 실시하였다. 그리고 1000 kN용량의 U.
- 공시체는 제작 후 즉시 비닐을 덮어 수분 증발을 방지하였으며, 재령 28일까지 수중양생을 실시하였다. 그리고 1000 kN용량의 U.T.M으로 일방향 압축강도 시험을 하였다. Table 4에 나타난 콘크리트 압축강도는 각각 3개의 공시체의 시험 결과에 대한 평균값이다.
- 또한, 부재 항복변위(δy)는 극한강도점을 지나는 수평선과 극한강도의 75%점을 지나는 할선강선과의 교점으로 정하였다.
- 부재항복시의 처짐량인 δy를 기준으로 하여 부재 최대하중시의 변위와 최대하중 이후의 최대하중의 80%에서의 변위인 δu를 이용하여 평가하였다.
- 고로슬래그의 치환율은 30%로 정하고 순환 굵은골재의 치환율은 0%, 20%, 30%, 40%, 50%를 변화시켜 배합하였다. 순환골재 및 고로슬래그 치환에 따른 구조성능 저하의 문제점을 개선하고자 강섬유를 혼입하였으며, 이 연구에서는 시공성, 구조성능 및 경제성을 고려하여 강섬유 혼입률을 0.75%로 선정하였다. 순환 굵은골재와 고로슬래그 미분말의 치환율에 따른 강섬유 보강 철근콘크리트 보를 제작하여 하중-변위곡선, 파괴형태, 최대내력, 연성능력 등의 구조성능을 평가하고자 한다.
- 순환골재와 고로슬래그를 치환한 실험체와 이를 강섬유로 보강한 실험변수들의 효과를 규명하기 위하여 표준 실험체(BSS)를 파괴될 때까지 가력하여 보의 거동을 관찰 하였으며 표준실험체의 하중-변위 관계는 Fig. 5와 같다. 초기균열은 하중 53 kN, 변위 1.
- 순환골재와 고로슬래그를 치환한 실험체와 이를 강섬유로 보강한 실험체의 파괴형태를 파악하기 위하여 표준 실험체를 파괴시까지 가력하여 각 하중단계에 따른 균열 진전 상황을 고찰하였다. 표준실험체는 Fig.
- 각 실험체의 경간 중앙의 실험체 하단면에서 각 하중 단계별 하중-처짐량을 측정하였다. 인장철근의 변형은 변형률 게이지 5 mm를 각 하부 주근의 중앙부에 2개씩 부착하여 하중단계에 따라 측정하였다. 콘크리트의 변형은 변형률 게이지 60 mm를 사용하여 경간 중앙위치의 콘크리트 상하단면으로부터 50 mm, 상단면에서 150 mm, 하단면에서 100 mm 위치에 변형률 게이지를 부착하였다.
- 측정기기는 변위계(LVDT)를 사용하여 각 실험체의 경간 중앙과 우측 1/4지점에 실험체 하단면에서 각 하중 단계별 하중-처짐량을 측정하였다. 철근과 콘크리트의 변형은 변형률 게이지(strain gauge : 5 mm, 60 mm)를 인장철근의 하부면(2개), 콘크리트 경간 연단 상면(4개)에서 측정하였다.
- 하중재하는 2점 재하로 극한하중에 도달 후 80%가 될 때까지 2 kN간격으로 변위를 제어하며 가력하였다. 측정기기는 변위계(LVDT)를 사용하여 각 실험체의 경간 중앙과 우측 1/4지점에 실험체 하단면에서 각 하중 단계별 하중-처짐량을 측정하였다. 철근과 콘크리트의 변형은 변형률 게이지(strain gauge : 5 mm, 60 mm)를 인장철근의 하부면(2개), 콘크리트 경간 연단 상면(4개)에서 측정하였다.
- 인장철근의 변형은 변형률 게이지 5 mm를 각 하부 주근의 중앙부에 2개씩 부착하여 하중단계에 따라 측정하였다. 콘크리트의 변형은 변형률 게이지 60 mm를 사용하여 경간 중앙위치의 콘크리트 상하단면으로부터 50 mm, 상단면에서 150 mm, 하단면에서 100 mm 위치에 변형률 게이지를 부착하였다.
- 재하 하중량을 측정하기 위하여 유압잭에 하중계를 설치하였다. 하중재하는 2점 재하로 극한하중에 도달 후 80%가 될 때까지 2 kN간격으로 변위를 제어하며 가력하였다. 측정기기는 변위계(LVDT)를 사용하여 각 실험체의 경간 중앙과 우측 1/4지점에 실험체 하단면에서 각 하중 단계별 하중-처짐량을 측정하였다.
대상 데이터
- 이 연구에서는 양질의 건자재 부족 및 천연골재 자원의 고갈 등으로 인하여 양질의 원자재를 대체할 수 있는 건설 및 산업부산물인 순환골재, 고로슬래그 미분말을 이용하였다. 그리고 순환골재와 고로슬래그 미분말의 치환율에 따른 강섬유 보강 철근콘크리트 보의 성능을 평가하기 위하여 총 11개의 실험체를 제작하였다. 실험을 수행하여 구조성능 평가를 실시한 결과 다음과 같은 결론을 얻었다.
- 75%)을 변수로 실험체를 제작하였다. 또한, 각각의 변수에 따른 구조성능을 평가하기 위하여 실물크기의 1/2정도인 11개의 축소모델 실험체를 제작하였으며, 실험체의 변수 및 설계상세는 Table 1, Fig. 1과 같다.
- 01이다. 설계강도는 24 MPa이며, 인장철근은 1-HD13, 2-HD16, 스터럽은 HD10@125 mm, 압축철근 2-HD13로 제작하였다. 거푸집은 내수 합판과 각재를 사용하여 제작하였으며, 철근조립 시에는 스페이서를 이용하여 피복두께를 확보 하였다.
- 순환 굵은골재는 폐콘크리트를 파쇄하여 생산된 최대 치수 25 mm의 굵은골재를 사용하였다. 물리적 성질은 Table 6와 같으며, KS F 2573 콘크리트용 순환골재에서 제한하고 있는 순환 굵은골재의 흡수율 3%이하를 만족하고 있다.
- 시멘트를 대체하는 고로슬래그 미분말은 철강 산업부산물로서 KS F 2563의 콘크리트용 고로슬래그 미분말 규정을 만족하는 국내 H사의 고로슬래그 미분말 3종을사용하였으며, 분말도는 4000 cm2/g이고, 성분은 보통 포틀랜드 시멘트(OPC)와 같이 주로 SiO2, Al2O3, CaO이 주성분으로 구성되어 있다. 이외에 소량의 MnO, FeO, S, Na2O, K2O 등을 함유하고 있으며, 화학성분은 철광석의 품질에 따라 차이가 있다.
- 실험체에 사용된 콘크리트의 설계기준강도(fck)는 27 MPa이며 콘크리트의 배합표는 Table 3과 같다. 각 실험체는 콘크리트 타설과 함께 압축강도용 공시체를 제작하였다.
- 압축강도 실험용 원주형 공시체는 Φ100×200 mm 몰드를 사용하여 KS F 2405에 따라 몰드를 3개 층으로 나누어 각 층을 25회씩 봉다짐하여 제작하였다.
- 이 실험체 제작에 사용된 강섬유는 국내 C사에서 생산된 단면이 원형으로 양끝이 갈고리(hook)형의 치수가 ø0.8×50 mm로 강섬유가 각각 분리된 것을 사용하였다.
- 이 연구에서 제작된 철근콘크리트 보는 단면치수 150 mm ×300 mm, 유효 높이 250 mm, 전체길이 2200 mm, 순수팬 길이 2000 mm, 인장철근비는 0.01이다.
- 이 연구에서는 양질의 건자재 부족 및 천연골재 자원의 고갈 등으로 인하여 양질의 원자재를 대체할 수 있는 건설 및 산업부산물인 순환골재, 고로슬래그 미분말을 이용하였다. 그리고 순환골재와 고로슬래그 미분말의 치환율에 따른 강섬유 보강 철근콘크리트 보의 성능을 평가하기 위하여 총 11개의 실험체를 제작하였다.
- 이 연구의 실험체에 사용된 철근은 국내에서 생산된 SD400의 철근이 사용되었으며, 보의 주철근 HD13, HD16등이 배근되었고 스터럽은 HD10이 배근되었다. 그리고 이 실험에 사용된 철근의 재료 특성을 파악하기 위하여 KS B 0801(금속재료 인장시험편 규정)에 따라 시험편을 제작하였으며 KS B 0802의 금속재료 인장 시험방법에 따라 시험을 하였고, 시험결과는 Table 2와 같다.
이론/모형
- 이 연구의 실험체에 사용된 철근은 국내에서 생산된 SD400의 철근이 사용되었으며, 보의 주철근 HD13, HD16등이 배근되었고 스터럽은 HD10이 배근되었다. 그리고 이 실험에 사용된 철근의 재료 특성을 파악하기 위하여 KS B 0801(금속재료 인장시험편 규정)에 따라 시험편을 제작하였으며 KS B 0802의 금속재료 인장 시험방법에 따라 시험을 하였고, 시험결과는 Table 2와 같다.
성능/효과
- 1) 표준실험체(BSS)는 인장철근 항복에 의한 전형적인 휨인장 파괴를 나타내었고, 순환골재와 고로슬래그를 치환한 실험체(BRS시리즈)는 순환골재의 치환율이 증가 할수록 균열의 폭이 크게 나타나고, 전형적인 휨인장 파괴가 일어났다. 순환골재와 고로슬래그를 치환한 콘크리트에 강섬유를 보강한 실험체(BSRS시리즈)는 충분한 연성을 확보하며 안정적인 휨인장 파괴를 나타내었다.
- 2) 순환골재와 고로슬래그를 치환한 실험체(BRS시리즈)의 경우 표준실험체(BSS)에 비하여 2~5% 감소되는 내력을 나타내었고, 순환골재와 고로슬래그의 치환율에 강섬유를 보강한 실험체(BSRS시리즈)의 경우는 최대내력이 1~6% 증진되었다.
- 3) 순환골재와 고로슬래그를 치환한 콘크리트에 강섬유를 보강한 실험체(BSRS시리즈)는 강섬유의 가교역할에 의해 인장력 전달 능력이 지속되면서 연성 능력이 표준실험체(BSS)에 비하여 1.02배~1.13배 증진되어 콘크리트의 취성적인 성능을 연성적으로 유도할 것으로 판단된다.
- 4) 순환골재와 고로슬래그를 치환한 실험체(BRS시리즈)의 경우 표준실험체(BSS)보다 내력 및 연성능력 등이 저하되었다. 이러한 문제점을 보완하고자 강섬유를 보강하였으며, 그 결과 순환골재와 고로슬래그를 치환한 콘크리트에 강섬유를 보강한 실험체(BSRS시리즈)는 표준실험체(BSS)보다 높은 내력 및 연성능력 등을 나타내었다.
- 이러한 문제점을 보완하고자 강섬유를 보강하였으며, 그 결과 순환골재와 고로슬래그를 치환한 콘크리트에 강섬유를 보강한 실험체(BSRS시리즈)는 표준실험체(BSS)보다 높은 내력 및 연성능력 등을 나타내었다.5) 순환골재와 고로슬래그로 치환한 콘크리트에 강섬유를 혼입함으로써 최대내력과 연성능력이 증대되었고, 순환골재를 30%정도로 치환하였을 때는 일반적으로 사용되는 쇄석 콘크리트와 유사한 거동을 나타냄으로써 적정한 치환율인 것으로 판단된다.
- 순환골재와 고로슬래그를 치환한 콘크리트에 강섬유를 보강한 실험체(BSRS시리즈)는 전 구간을 통하여 안정적인 거동을 나타내었고, 표준실험체보다 최대내력과 연성능력이 향상되었음을 알 수 있었다. Fig. 6과 같이 순환골재의 치환율이 감소함에 따라 최대내력과 연성능력이 향상되었으며, 충분한 연성능력을 확보하면서 거동하는 것을 알 수 있다. 그리고 순환골재와 고로슬래그를 치환한 실험체와 이를 강섬유로 보강한 실험체의 경우 시공성, 경제성, 구조성능 개선의 측면에서 순환골재 치환율이 30%일 때 가장 효과적인 성능을 발휘하였다.
- 7(b)~(f)에 나타내였다. Fig. 7에서와 같이 실험체 BRS시리즈는 순환골재의 치환율이 증가할수록 균열의 폭이 크게 나타났으며, 균열형태나 최종 파괴형태는 표준실험체와 같은 전형적인 휨인장 파괴가 일어났다.
- 각 실험체의 압축강도 실험 결과 순환골재 치환율이 증가 할수록 순환골재의 미립분 등으로 강도는 감소하는 양상을 보인 것으로 판단된다. 그러나 순환골재 치환율이 30%일 때는 20%일 때 보다도 증가하였다.
- 5에서 보는 것과 같이 표준실험체와 유사한 거동을 하였으나, 순환골재의 미립분으로 인하여 계면 접착강도가 감소되어 순환골재의 치환율이 증가함에 따라 최대내력과 연성능력이 감소한 것으로 판단된다. 그러나 실험체 BRS30은 실험체 BRS20, BRS40, BRS50보다는 최대내력과 연성능력이 우수한 것으로 나타났으며, BRS30은 순환골재 치환율이 0%인 실험체 BRS0과 유사한 최대 내력을 나타냈다.
- 6과 같이 순환골재의 치환율이 감소함에 따라 최대내력과 연성능력이 향상되었으며, 충분한 연성능력을 확보하면서 거동하는 것을 알 수 있다. 그리고 순환골재와 고로슬래그를 치환한 실험체와 이를 강섬유로 보강한 실험체의 경우 시공성, 경제성, 구조성능 개선의 측면에서 순환골재 치환율이 30%일 때 가장 효과적인 성능을 발휘하였다.
- 이는 강섬유가 콘크리리트내에서 균열성장 억제작용으로 인하여 부재의 유효단면적이 증가한 것으로 판단된다. 그리고 순환골재의 치환율이 증가할수록 최대내력은 감소하는 양상을 보였다. 그러나 치환율이 30%일 때는 내력이 증가하였으며, 적정한 치환율인 것으로 판단된다.
- 78 mm에서 인장철근의 항복이 발생하였다. 그리고 최대하중 183.2 kN에서 콘크리트가 파괴되면서 변형이 크게 증가하였으며, 균열폭이 확장됨에 따라 실험체는 파괴되었고 전형적인 휨인장 파괴거동을 하였다.
- 그러나 순환골재 치환율이 30%일 때는 20%일 때 보다도 증가하였다. 또한, 강섬유가 포함된 실험체 BSRS시리즈는 표준실험체 BSS보다 압축강도가 높게 나타났다.
- 순환골재와 고로슬래그를 치환한 콘크리트에 강섬유를 보강한 실험체(BSRS시리즈)의 경우 표준실험체에 비하여 최대내력 비율이 1~6% 정도 증가하였다. 또한, 순환골재 치환율이 30%인 실험체 BSRS30이 실험체 BSRS20, BSRS40, BSRS50에 비하여 2~4% 정도 내력이 증가하였다. 이는 강섬유가 콘크리리트내에서 균열성장 억제작용으로 인하여 부재의 유효단면적이 증가한 것으로 판단된다.
- 각 실험체의 내력 비교를 통하여 순환골재와 고로슬래그를 치환한 실험체(BRS시리즈)의 경우 표준실험체에 비하여 2~5% 정도 내력이 감소하였다. 순환골재 치환율이 30%인 실험체 BRS30은 실험체 BRS0과 비슷한 내력을 보였고 실험체 BRS20, 실험체 BRS40보다는 2% 증가한 내력을 나타내었다.
- 순환골재와 고로슬래그를 치환한 콘크리트에 강섬유를 보강한 실험체(BSRS시리즈)는 강섬유의 가교 역할에 의해 인장력 전달 능력이 지속되면서 연성능력이 표준실험체(BSS)에 비하여 1.02배~1.13배 증진하였으며, 실험체 BSRS30이 순환골재 치환율이 0%일 때를 제외하고는 가장 우수한 연성능력을 보였다. 이와 같이 실험체 BSRS시리즈의 연성능력이 향상된 것은 일반적으로 콘크리트는 균열이 발생하고 난 후에는 더 이상 인장력을 전달하지 못하고 파괴되는 반면에 순환골재와 고로슬래그를 치환한 콘크리트에 강섬유를 보강한 실험체는 강섬유가 인장력의 전달 능력을 지속시켜 연성능력이 증가한 것으로 판단된다.
- 순환골재와 고로슬래그를 치환한 콘크리트에 강섬유를 보강한 실험체(BSRS시리즈)는 전 구간을 통하여 안정적인 거동을 나타내었고, 표준실험체보다 최대내력과 연성능력이 향상되었음을 알 수 있었다. Fig.
- 1) 표준실험체(BSS)는 인장철근 항복에 의한 전형적인 휨인장 파괴를 나타내었고, 순환골재와 고로슬래그를 치환한 실험체(BRS시리즈)는 순환골재의 치환율이 증가 할수록 균열의 폭이 크게 나타나고, 전형적인 휨인장 파괴가 일어났다. 순환골재와 고로슬래그를 치환한 콘크리트에 강섬유를 보강한 실험체(BSRS시리즈)는 충분한 연성을 확보하며 안정적인 휨인장 파괴를 나타내었다.
- 7(g)~(k)와 같다. 실험체 BSRS시리즈의 파괴형태는 표준실험체 및 순환골재와 고로슬래그를 치환한 실험체 BRS시리즈와는 달리 충분한 연성을 확보하며 안정적인 휨인장 파괴를 나타내었다. 이는 보강된 강섬유가 인장력의 전달능력을 지속시켜 균열폭이 증가하지 않는 특성을 나타내었다.
- 4) 순환골재와 고로슬래그를 치환한 실험체(BRS시리즈)의 경우 표준실험체(BSS)보다 내력 및 연성능력 등이 저하되었다. 이러한 문제점을 보완하고자 강섬유를 보강하였으며, 그 결과 순환골재와 고로슬래그를 치환한 콘크리트에 강섬유를 보강한 실험체(BSRS시리즈)는 표준실험체(BSS)보다 높은 내력 및 연성능력 등을 나타내었다.5) 순환골재와 고로슬래그로 치환한 콘크리트에 강섬유를 혼입함으로써 최대내력과 연성능력이 증대되었고, 순환골재를 30%정도로 치환하였을 때는 일반적으로 사용되는 쇄석 콘크리트와 유사한 거동을 나타냄으로써 적정한 치환율인 것으로 판단된다.
후속연구
- 제철산업의 용광로에서 철광석으로부터 선철을 만들때 부산물로 생기는 고로슬래그와 건설산업에서 건축물의 해체로 생성되는 폐콘크리트 발생량이 지속적으로 증가되고 있다. 특히, 1970년대 이후 고도성장시기에 건설된 많은 공동주택과 업무용 건물 등이 노후화되기 시작하여 현재 재건축 및 재개발 단계에 이르렀으며 도시개발의 가속화와 재개발 사업의 급속한 팽창으로 인해 건설부산물은 급격히 증가할 것으로 예상되며, 향후 건설 부산물 처리에 대한 중요성이 더욱 증대될 것이다. 따라서 노후건축물의 해체시 발생할 막대한 양의 건설 부산물을 그대로 폐기하는 것은 국가적 낭비가 될 것으로 판단된다.
- 향후 건설 및 산업부산물의 적극적인 활용과 철근콘크리트 구조물에 적용 가능할 것이며, 경제적으로 많은 편익이 발생될 것으로 판단된다.
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