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문제 정의
- 이 연구에서는 피로하중 하에서 균열의 진전 및 응력-변형률 거동의 측정을 통하여 혼화재 다량 치환된 보통중량 및 경량 콘크리트의 피로수명을 평가하였다. 콘크리트의 설계 압축강도는 40MPa이다.
제안 방법
- 이에 따라 배합에 사용된 경량골재는 24시간 침수 후 표건상태로 사용되었다. 경량골재는 콘크리트 배합 시 함수율을 측정하여 단위수량에서 보정하였다.
- 압축피로 특성을 평가하기 위한 High volume SCM 경량 및 보통중량 콘크리트에 대한 배합은 Table 1에 나타내었다. 배합설계는 해양 콘크리트와 프리캐스트 콘크리트를 고려하여 목표 압축강도 40MPa로 설정 하였다. 슬럼프는 타설을 고려하여 200±10mm으로 설정하였으며, 공기량은 3±0.
- 피로강도는 응력비와 가력속도에 따라 가장 큰 영향을 받는다. 수행된 실험의 최대 응력비(Smax)는 정적 실험으로 측정된 응력의 0.9, 0.8, 0.75로 수행되었으며, 최소 응력비(Smin)는 정적 압축강도의 0.1로 설정하였다(Fig. 1). 응력의 가력 이력은 동일한 응력폭을 모사한 sine파를 기본으로 설정하였으며, 가력속도는 1Hz로 수행되었다(Fig.
- 슬럼프는 타설을 고려하여 200±10mm으로 설정하였으며, 공기량은 3±0.5%로 하였다.
- 콘크리트의 설계 압축강도는 40MPa이다. 압축피로 실험은 최대응력 비(0.75fck, 0.80fck, 0.9fck) 및 최소응력 비(0.1fck) 사이에서 1Hz의 속도로 수행하였다.
- 2). 압축피로의 평가는 피로 수명과 정적 및 피로 응력-변형률 관계 그리고 피로 및 잔존 변형률이 측정되었다.
- 1). 응력의 가력 이력은 동일한 응력폭을 모사한 sine파를 기본으로 설정하였으며, 가력속도는 1Hz로 수행되었다(Fig. 2). 압축피로의 평가는 피로 수명과 정적 및 피로 응력-변형률 관계 그리고 피로 및 잔존 변형률이 측정되었다.
- 혼화재 다량 치환 경량 및 보통중량 콘크리트의 응력비에 따른 압축피로 특성을 평가하였다. 본 연구에서 측정한 압축 피로 응력-변형률 관계는 시멘트 콘크리트의 특성과 비교함으로서 결합재의 특성이 압축피로에 미치는 영향을 평가할 수 있는데, 이는 추후 연구에서 제시될 것이다.
대상 데이터
- 보통중량콘크리트를 위한 굵은골재와 잔골재의 최대크기는 각각 19mm와 5mm이다. 경량골재는 국내산 팽창점토 구조용 골재를 사용하였으며, KS 기준에 준하여 체가름 실험을 실시하였다. 인공경량 굵은골재 및 잔골재의 최대크기는 각각 19mm와 4mm이다.
- 압축피로의 실험은 ∅100×200mm의 원주형 공시체를 91일간 20±2℃, 상대습도 60%에서 기건양생을 실시한 실험체를 사용하였다.
이론/모형
- High volume SCM 경량 및 보통중량 콘크리트의 배합은 80ℓ강제식 믹서기로 결합재와 골재를 1분간 건비빔 후 물을 혼입하여 1분간 습비빔을 실시하였다. 굳기 전 콘크리트에서는 KS 기준(2006)에 준하여 슬럼프와 공기량 실험을 실시하였다.
성능/효과
- 1) 압축피로에 의한 균열전진은 경량 콘크리트에서는 골재의 관통 파괴에 의한 균열전진을 보였으며, 보통중량 콘크리트의 경우는 골재와 페이스트 계면에서 균열의 전진이 있었다.
- 2) 압축피로에 의한 피로 수명은 응력비가 감소함에 따라 증가하였으며, 상용로그 함수에 대하여 반비례 하였다.
- 3) 동일한 응력비에서 경량 콘크리트가 보통중량 콘크리트와 비교하여 낮은 피로 수명을 보였다.
- 4) 피로 응력-변형률 관계에서 압축피로에 의하여 파괴되는 변형률의 위치는 콘크리트 종류에 관계없이 정적 하중하의 응력-변형률 관계의 하강곡선 기울기와 교차하였다.
- 5) 피로 응력-변형률 관계에서 상승 가력 하중 곡선과 하강 가력 곡선의 폭은 보통중량 콘크리트보다 경량콘크리트에서 적었다.
- 경량콘크리트의 압축피로 응력-변형률 관계는 보통중량 콘크리트와 비교하여 상승 가력 곡선과 하강 가력 곡선의 폭이 적게 나타났다. 이는 경량콘크리트의 경우 골재의 관통 파괴가 일어나서 가력되는 하중에서 벌어졌던 균열이 하강 가력 곡선에서 빠르게 닫히는 것이 원인으로 판단된다.
- 경량 골재는 보통중량 골재와 비교하여 높은 흡수율을 갖는다. 사용된 경량 굵은 골재와 잔골재의 흡수율은 각각 18.96, 13.68%였다(Table 3). 이에 따라 배합에 사용된 경량골재는 24시간 침수 후 표건상태로 사용되었다.
- 일반적으로 피로 거동은 내부 균열의 생성되고 반복하중에 의하여 내부 균열이 파괴시 까지 진전되는 특성을 갖는다. 실험결과, 피로 거동에 따른 내부 균열은 정적 하중으로 가력한 실험체와 같은 균열 전진을 보였다. 즉, 경량콘크리트의 경우 페이스트와 골재 계면의 점착력보다 낮은 골재의 강도로 인하여 골재를 관통하는 균열이 생성되었으며, 보통중량 콘크리트의 경우 페이스트와 골재의 계면에서 균열이 전진되는 결과를 갖는 것으로 평가되었다.
- 특히 피로 변형률의 증가는 잔존 변형률의 증가와 비교하여 증가폭이 크게 평가 되었다. 이에 따라서 피로 응력-변형률 관계는 반복 가력 횟수가 증가함에 따라 그래프의 기울기가 작아지는 경향을 보였다.
- 압축 피로 응력-변형률 관계는 경량 및 보통중량 콘크리트와 관계없이 같은 경향성을 보였다. 즉 응력비가 감소할수록 반복 가력 횟수는 증가하였지만, 정적응력-변형률 관계의 최대 응력 이후 곡선의 범위에서 파괴되는 것으로 평가되었다. 또한 반복횟수가 증가함에 따라서 피로 변형률과 잔존 변형률이 증가하였다.
- 실험결과, 피로 거동에 따른 내부 균열은 정적 하중으로 가력한 실험체와 같은 균열 전진을 보였다. 즉, 경량콘크리트의 경우 페이스트와 골재 계면의 점착력보다 낮은 골재의 강도로 인하여 골재를 관통하는 균열이 생성되었으며, 보통중량 콘크리트의 경우 페이스트와 골재의 계면에서 균열이 전진되는 결과를 갖는 것으로 평가되었다. 경량콘크리트에서 관찰된 균열의 골재관통은 취성적 피로거동으로 연결되었다.
- 최대 응력비와 피로 수명의 관계는 상용로그에 대하여 선형 반비례 관계를 보이는 것을 나타났다. 즉, 단위용적중량과 상관없이 응력비가 감소함에 따라서 피로수명이 증가하는 경향을 보였다. 이는 콘크리트 뿐만아니라 모든 재료적 특성으로 평가된다.
- 4). 최대 응력비와 피로 수명의 관계는 상용로그에 대하여 선형 반비례 관계를 보이는 것을 나타났다. 즉, 단위용적중량과 상관없이 응력비가 감소함에 따라서 피로수명이 증가하는 경향을 보였다.
- 일반적으로 압축강도가 낮을수록 피로 수명이 증가하는 경향을 나타낸다. 하지만, 경량콘크리트가 보통중량 콘크리트 보다 낮은 압축강도를 갖음에도 불구하고 경량콘크리트가 보통중량 콘크리트와 비교하여 낮은 피로수명을 갖는 것으로 평가되었다. 이러한 결과는 균열전진 평가에서와 같이 경량골재의 낮은 강도로 생기는 관통균열이 원인으로 판단된다.
- 혼화재 다량 치환 경량 및 보통중량 콘크리트의 피로 파괴횟수는 최대 응력비에 따른 결과를 나타내었다(Table 5, Fig. 4). 최대 응력비와 피로 수명의 관계는 상용로그에 대하여 선형 반비례 관계를 보이는 것을 나타났다.
후속연구
- 혼화재 다량 치환 경량 및 보통중량 콘크리트의 응력비에 따른 압축피로 특성을 평가하였다. 본 연구에서 측정한 압축 피로 응력-변형률 관계는 시멘트 콘크리트의 특성과 비교함으로서 결합재의 특성이 압축피로에 미치는 영향을 평가할 수 있는데, 이는 추후 연구에서 제시될 것이다. 본 실험으로부터 다음과 같은 결론을 얻었다.
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