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문제 정의
- 본 연구에서는 공시체 내에 내장된 실린더를 이용하여 공시체 내부에서 직접 인장력을 가하여 파괴시키는 인장시험법을 개발하였다. 인장력을 가하는데 사용된 유압 실린더는 Fig.
- 본 연구에서는 시멘트 고결토의 인장강도를 평가하기 위해 내장형 실린더를 이용하여 공시체에 직접적으로 인장력을 가하여 파괴시키는 내장형 실린더 인장시험법을 제안하였다. 한편, 제안된 방법의 적용성을 검토하기 위해 기존 쪼갬인장시험과 아령모양 직접인장시험을 실시하여 다음과 같은 결론을 얻었다.
- 본 연구에서는 시멘트 혼합토의 인장강도를 좀 더 정확하게 평가하기 위해 내장형 실린더를 이용한 새로운 인장시험법을 개발하였다. 기존에 사용되고 있는 아령모양의 공시체를 사용한 직접인장시험과 쪼갬인장시험을 실시하여 제안된 실험방법의 적용성을 검토하였다.
- 기존에 사용되고 있는 아령모양의 공시체를 사용한 직접인장시험과 쪼갬인장시험을 실시하여 제안된 실험방법의 적용성을 검토하였다. 한편 일축압축시험을 실시하여 동일한 공시체에 대한 일축압축강도와 인장강도의 상관관계에 대해서도 연구하였다.
제안 방법
- Fig. 1과 같은 아령모양의 공시체를 제작한 다음 연결장치가 설치되어 있는 일축압축시험기에 공시체를 설치한 후 직접적으로 인장력을 가하여 인장강도를 측정하였으며, 실험결과는 Table 3과 같다. Figs.
- 공시체를 제작하기 전 먼저 유압 실린더를 유압 잭(jack)과 연결된 황동관과 체결하여 유압의 유동성과 실린더의 작동 유무를 확인한다. 실린더의 이상 유무가 확인되면 유압 실린더를 Fig.
- 본 연구에서는 시멘트 혼합토의 인장강도를 좀 더 정확하게 평가하기 위해 내장형 실린더를 이용한 새로운 인장시험법을 개발하였다. 기존에 사용되고 있는 아령모양의 공시체를 사용한 직접인장시험과 쪼갬인장시험을 실시하여 제안된 실험방법의 적용성을 검토하였다. 한편 일축압축시험을 실시하여 동일한 공시체에 대한 일축압축강도와 인장강도의 상관관계에 대해서도 연구하였다.
- 65이고 통일분류법상 빈입도 모래(SP)로 분류된다. 다양한 고결도를 가진 시멘트 고결토에 대한 적용성을 검토하기 위해 공시체의 모래/시멘트비는 3:1 또는 1:1 그리고 물/시멘트 비는 50%로 배합하였으며, 제작된 공시체는 대기 중에서 7일 또는 28일 동안 양생하였다.
- 일축압축시험은 콘크리트의 압축강도시험법(KS F 2405)을 기준으로 실시하였으며, 양생기간은 인장시험과 동일하게 7일 또는 28일로 하였다. 또한 시멘트 혼합토 내에 존재하는 기포를 제거하여 공극이 강도에 미치는 영향을 최소화하도록 몰드에 충격을 가하여 공극을 최소화하였다. 몰드는 직경 대 길이 비가 1:2로 성형하였으며, 가압면의 편평도는 0.
- 3절에서 언급한 기존의 직접인장시험 및 간접인장시험을 실시하여 시멘트 고결토에 대한 인장강도를 평가하였다. 또한 일축압축시험을 실시하여 시멘트 고결토의 일축압축강도와 인장강도의 상관관계를 분석하였다. 인장시험에는 동일한 공시체를 10개, 압축시험에는 5개를 제작하여 각각의 평균강도와 표준편차를 평가하였다.
- 본 연구에서 개발한 내장형 실린더를 이용한 직접인장시험과 2.2절과 2.3절에서 언급한 기존의 직접인장시험 및 간접인장시험을 실시하여 시멘트 고결토에 대한 인장강도를 평가하였다. 또한 일축압축시험을 실시하여 시멘트 고결토의 일축압축강도와 인장강도의 상관관계를 분석하였다.
- 이와 같이 일축압축강도와 인장강도 사이에는 일정한 상관관계가 존재하는 것으로 알려져 있다. 본 연구에서도 다양한 방법으로 구한 인장강도로부터 일축압축강도와의 상관관계를 분석하였다. 일축압축시험은 콘크리트의 압축강도시험법(KS F 2405)을 기준으로 실시하였으며, 양생기간은 인장시험과 동일하게 7일 또는 28일로 하였다.
- 공시체를 제작하기 전 먼저 유압 실린더를 유압 잭(jack)과 연결된 황동관과 체결하여 유압의 유동성과 실린더의 작동 유무를 확인한다. 실린더의 이상 유무가 확인되면 유압 실린더를 Fig. 2와 같이 직경 15cm, 높이 30cm인 몰드 내 정확한 위치에 설치하기 위해 아래쪽에 직경 5cm, 높이 10cm의 원통과 함께 설치하였으며, 원통 내부로 유압 연결관이 통과하도록 하였다. 이렇게 준비가 완료되면 몰드를 체결한 다음 상부에서 시멘트 고결토를 넣어 공시체를 제작하였다.
- 이렇게 준비가 완료되면 몰드를 체결한 다음 상부에서 시멘트 고결토를 넣어 공시체를 제작하였다. 유압 잭과 연결된 실린더는 작동유체의 유압에 의해 실린더의 판이 인장강도 측정 방향으로 이동할 수 있도록 하였다. 내장형 실린더와 연결된 잭을 이용하여 실린더 내부로 전달되는 전달유체의 압력을 높이면 잭에 연결된 계측장치에서 압력 확인이 가능하다.
- 또한 일축압축시험을 실시하여 시멘트 고결토의 일축압축강도와 인장강도의 상관관계를 분석하였다. 인장시험에는 동일한 공시체를 10개, 압축시험에는 5개를 제작하여 각각의 평균강도와 표준편차를 평가하였다.
- 본 연구에서는 시멘트 고결토의 인장강도를 평가하기 위해 내장형 실린더를 이용하여 공시체에 직접적으로 인장력을 가하여 파괴시키는 내장형 실린더 인장시험법을 제안하였다. 한편, 제안된 방법의 적용성을 검토하기 위해 기존 쪼갬인장시험과 아령모양 직접인장시험을 실시하여 다음과 같은 결론을 얻었다.
대상 데이터
- 내장형 실린더와 연결된 잭을 이용하여 실린더 내부로 전달되는 전달유체의 압력을 높이면 잭에 연결된 계측장치에서 압력 확인이 가능하다. 계측장치는 국내 K사에서 제작되었으며 압력범위 0-70MPa, 감도 0.961mV/V의 계측장치를 사용하였다. 잭으로 계속해서 압력을 증가시킴으로써 공시체를 Fig.
- 본 연구에서는 시멘트 고결토를 제작하기 위해 주문진 표준사와 보통 포틀랜드 시멘트를 사용하였다. Table 1은 주문진 표준사의 공학적 특성을 나타내고 있으며, 비중은 2.
- 본 연구에서는 공시체 내에 내장된 실린더를 이용하여 공시체 내부에서 직접 인장력을 가하여 파괴시키는 인장시험법을 개발하였다. 인장력을 가하는데 사용된 유압 실린더는 Fig. 2와 같이 가로 4cm, 세로 4cm, 높이 5cm로 국내 M사에서 합성강을 소재로 제작되었으며, 최대압력 12.8MPa까지 가할 수 있는 실린더를 사용하였다. 실린더 상·하부에는 Fig.
- 쪼갬인장시험 공시체는 직경 5cm, 높이 10cm로 제작하였으며, 공시체에 간접적으로 인장하중을 가하여 실험하였다. Table 2는 모래/시멘트비 3:1과 1:1 그리고 7일 및 28일 동안 양생한 공시체에 대한 쪼갬인장시험 결과이다.
이론/모형
- 본 연구에서도 다양한 방법으로 구한 인장강도로부터 일축압축강도와의 상관관계를 분석하였다. 일축압축시험은 콘크리트의 압축강도시험법(KS F 2405)을 기준으로 실시하였으며, 양생기간은 인장시험과 동일하게 7일 또는 28일로 하였다. 또한 시멘트 혼합토 내에 존재하는 기포를 제거하여 공극이 강도에 미치는 영향을 최소화하도록 몰드에 충격을 가하여 공극을 최소화하였다.
성능/효과
- (1) 쪼갬인장시험의 경우, 모래/시멘트비가 3:1 및 1:1인 공시체는 7일과 28일의 양생기간에 따라 평균 348kPa와 616kPa 및 2,132kPa와 3,245kPa의 인장강도를 보였으며, 다른 인장시험법에 비해 10개의 공시체에 대한 표준편차가 가장 높았다. 쪼갬인장시험은 압축력과 인장력이 동시에 작용하는 상태에서 인장파괴를 일으키는 방법으로 콘크리트나 암석에 비해 강도가 약한 시멘트 고결토에 적용하였을 경우 점진적인 파괴로 인한 재하면적의 증가와 불균등한 휨 응력으로 인하여 정확한 인장강도를 평가하는 것이 어려웠다.
- (2) 아령모양 인장시험의 경우, 모래/시멘트가 3:1 및 1:1인 공시체는 7일과 28일의 양생기간에 따라 평균 345kPa와 504kPa 및 783kPa와 1,748kPa의 인장강도를 보였다. 아령모양의 공시체를 시험기 상하부 연결장치와 결합 시 절점부에서 균열 및 파괴가 생겨 실패하는 공시체의 개수가 많아 공시체 제작에 상당한 시간과 어려움이 있었다.
- (3) 내장형 실린더 인장시험의 경우, 모래/시멘트비가 3:1 및 1:1인공시체는 7일과 28일의 양생기간에 따라 평균 759kPa와 858kPa 및 1,217kPa와 1,811kPa의 인장강도를 보였다. 한편, 직접인장시험인 아령모양 인장시험보다는 약간 높은 인장강도를 발휘하였으며, 표준편차도 약간 높게 나타났다.
- (4) 일축압축강도와 인장강도의 비는 인장강도시험 방법에 따라 뚜렷한 경향이 나타나지 않았으나, 28일 양생한 공시체의 경우에 비는 10-20배 사이 값을 보였다.
- (1)은 탄성재료에 적용할 수 있지만 탄소성파괴를 일으키는 시멘트 고결토에는 부적합하다고 언급하였다. 내장형 실린더를 이용한 인장시험방법은 아령모양 직접인장시험에 비해 공시체 제작이 간편할 뿐 아니라 비교적 간편한 시험방법인 쪼갬인장시험으로 부터 얻은 인장강도 보다 표준편차가 낮았다. 또한 공시체 제작 및 실험에서 실패하는 경우가 적으며, 공시체의 편심이나 휨 응력이 발생하지 않아 상대적으로 일관된 결과를 얻을 수 있었다.
- 모래/시멘트비가 3:1인 경우 양생기간에 따라 각각 평균 348kPa와 616kPa의 인장강도를 나타냈으며, 인장파괴가 발생한 후 추가적인 강도 증가가 일부 발생하였다. 모래/시멘트비가 1:1인 경우 양생기간에 따라 각각 평균 2,132kPa와 3,245kPa의 인장강도를 보였으며, 모래/시멘트비 3:1인 공시체와 유사하게 인장균열이 발생한 후에 강도가 감소하다가 면하중으로 인해 다시 강도가 증가하는 경향을 보였다. 양생기간이 동일한 경우, 모래/시멘트비가 3:1에서 1:1로 증가함에 따라 인장강도는 각각 513% (1,784kPa) 및 427% (2,629kPa) 증가하였다.
- 11은 모래/시멘트비가 3:1인 공시체에서 세 가지 인장시험 방법에 따른 평균값(AVG)과 표준편차(SD)를 비교하고 있으며, 각각은 양생기간에 따른 차이를 비교하고 있다. 모래/시멘트비가 3:1인 경우, 내장형 실린더 인장시험으로부터 얻은 인장강도의 평균 값은 양생기간에 관계없이 759kPa (7일 양생한 경우)와 858kPa (28일 양생한 경우)로 가장 높았으며, 아령모양 인장시험과 쪼갬인장시험으로 부터 얻은 인장강도의 평균값은 7일 양생한 경우 345kPa와 348kPa 그리고 504kPa와 616kPa로 서로 비슷한 인장강도를 보였다. 쪼갬인장시험 결과는 직접인장시험 결과에 비해 높은 표준편차를 보였으며, 이것은 공시체의 강도가 낮아서 상·하부에서 압축력이 작용할 경우 여러 방향으로 균열이 발생할 뿐 아니라 길이 방향으로 불균등한 휨 응력이 발생하여 원기둥 모양의 공시체에서 불규칙한 파괴형태를 보였기 때문으로 판단된다.
- 12는 모래/시멘트비가 1:1인 공시체에서 세 가지 인장시험 방법에 따른 평균값(AVG)과 표준편차(SD)를 비교하고 있다. 모래/시멘트비가 3:1인 공시체와 달리 쪼갬인장시험으로 부터 얻은 인장강도의 평균값이 양생기간에 관계없이 2,132kPa (7일 양생한 경우)와 3,245kPa (28일 양생한 경우)로 가장 높은 값을 보였다. 이것은 공시체의 강도가 상대적으로 높아 상·하부에서 지속적으로 압축력이 작용하면서 인장파괴가 발생한 것으로 판단된다.
- 이것은 공시체의 강도가 상대적으로 높아 상·하부에서 지속적으로 압축력이 작용하면서 인장파괴가 발생한 것으로 판단된다. 아령모양 인장시험과 내장형 실린더 인장시험으로부터 얻은 인장강도의 평균값은 양생기간에 관계없이 유사한 인장강도를 보였으며, 양생기간에 따른 인장강도 증가 또한 비슷한 경향을 보였다.
- 모래/시멘트비가 1:1인 경우에는 각각 평균 22,211kPa와 34,082kPa로 나타났다. 일축압축강도는 모래/시멘트비 1:1일 때의 강도가 3:1 보다 양생기간에 따라 각각 평균 19,167kPa와 25,352kPa 높게 나타났다. 1:1의 경우 공시체의 파괴면이 대각선으로 발생하면서 급격한 취성파괴가 생겼다.
- 따라서 본 연구에서 개발한 내장형 실린더를 이용한 인장시험법은 현장 적용이 가능할 것으로 판단된다. 하지만 본 연구에서는 시험방법에 따른 공시체의 유효면적이나 재하 단면 형상의 차이 또는 재하속도가 강도에 미치는 영향에 대해서는 충분히 고찰되지 않았으며, 공시체의 균질성에 따른 차이도 실험 결과에 일부 영향을 미친 것으로 판단된다.
- 한편, 직접인장시험인 아령모양 인장시험보다는 약간 높은 인장강도를 발휘하였으며, 표준편차도 약간 높게 나타났다. 하지만 아령모양 인장시험에 비해 공시체 제작이 상대적 간단하며 편심으로 인한 파괴나 시험과정 중 균열의 발생 빈도가 낮아 시멘트 고결토의 인장강도를 측정하는 인장시험법으로 타당하다고 판단되었다.
- (3) 내장형 실린더 인장시험의 경우, 모래/시멘트비가 3:1 및 1:1인공시체는 7일과 28일의 양생기간에 따라 평균 759kPa와 858kPa 및 1,217kPa와 1,811kPa의 인장강도를 보였다. 한편, 직접인장시험인 아령모양 인장시험보다는 약간 높은 인장강도를 발휘하였으며, 표준편차도 약간 높게 나타났다. 하지만 아령모양 인장시험에 비해 공시체 제작이 상대적 간단하며 편심으로 인한 파괴나 시험과정 중 균열의 발생 빈도가 낮아 시멘트 고결토의 인장강도를 측정하는 인장시험법으로 타당하다고 판단되었다.
후속연구
- 또한 공시체 제작 및 실험에서 실패하는 경우가 적으며, 공시체의 편심이나 휨 응력이 발생하지 않아 상대적으로 일관된 결과를 얻을 수 있었다. 따라서 본 연구에서 개발한 내장형 실린더를 이용한 인장시험법은 현장 적용이 가능할 것으로 판단된다. 하지만 본 연구에서는 시험방법에 따른 공시체의 유효면적이나 재하 단면 형상의 차이 또는 재하속도가 강도에 미치는 영향에 대해서는 충분히 고찰되지 않았으며, 공시체의 균질성에 따른 차이도 실험 결과에 일부 영향을 미친 것으로 판단된다.
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