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문제 정의
- 본 연구의 목표는 다양한 혼화재가 치환된 콘크리트의 압축강도 발현을 합리적으로 예측하기 위한 성숙도 함수 기반의 단순모델을 제시하는 것이다. 평가 모델식은 ACI 209 식을 기반으로 하였으며, 실험상수를 결정하기 위하여 기존 실험데이터 (압축강도 : 10~100 MPa, 양생온도 : -5~50℃)를 이용하였다.
제안 방법
- 각 시험체의 압축강도는 재령 1, 3, 7, 28, 56 및 91일에서 Φ100×200 mm 실린더를 사용하여 측정하였다.
- 제안된 압축강도 발현 예측 모델의 검증을 위한 배합은 Table 2에 나타내었다. 그룹 I은 혼화재 치환율에 따른 압축 강도 발현을 검증하기 위한 시험체 (설계기준강도 30 MPa)로서 OPC 대비 FA와 GGBS를 각각 25%와 15% 치환하였다. 그룹 II는 고강도 콘크리트에서 등온양생온도에 따른 검증을 위한 시험체로서 SF를 5% 치환하였다.
- 이 연구에서는 ACI 209에서 제시하는 포물선 형태의 압축강도 발현식을 성숙도 함수로 수정하였으며, 264개의 기존 실험데이터를 이용하여 실험상수를 결정하였다. 또한 양생온도와 혼화재 치환율을 고려하여 재령 28일 압축강도 모델을 제시하였다. 제시된 모델의 검증을 위하여 혼화재 치환율과 양생온도를 변수로 하는 실험을 수행하였다.
- 배합된 콘크리트의 양생은 재령과 온도의 영향 즉, 성숙도의 영향을 분석하기 위하여 등온양생 (그룹 I, II)과 가변양생 (그룹 III)으로 나누어 실험이 진행되었다 (Table 3). 등온양생은 한랭, 온대 및 열대 기후를 고려하여 5, 20 및 40℃로 설정하여 초기 재령에서부터 압축강도 측정일까지 양생온도를 유지하였다.
- 콘크리트의 초기 압축강도는 혼화제의 특성에 영향을 받는다 (Bellmann, 2009). 이 연구에서 사용된 혼화제는 점성의 제어와 초기압축강도 발현을 위하여 폴리카르본산계를 개량하였다. 사용된 혼화제의 특성변화로 인해 본 제안모델에 의해 예측된 콘크리트의 초기강도는 실험결과와 다소 차이를 보일 수 있다.
- 이 연구에서는 ACI 209에서 제시하는 포물선 형태의 압축강도 발현식을 성숙도 함수로 수정하였으며, 264개의 기존 실험데이터를 이용하여 실험상수를 결정하였다. 또한 양생온도와 혼화재 치환율을 고려하여 재령 28일 압축강도 모델을 제시하였다.
- GGBS, FA, SF 등 혼화재의 치환은 점성 제어에 따른 작업성 확보와 조기강도의 확보가 중요한 요소가 된다. 이를 위하여 사용된 혼화제는 폴리카르본산계를 기반으로 초기 강도에 영향을 미치는 칼슘 및 수산기의 용출속도를 높여 그 성분을 수정하였다. 사용된 결합재인 OPC, GGBS, FA 및 SF의 비중은 각각 3.
- 또한 양생온도와 혼화재 치환율을 고려하여 재령 28일 압축강도 모델을 제시하였다. 제시된 모델의 검증을 위하여 혼화재 치환율과 양생온도를 변수로 하는 실험을 수행하였다. 모델제시 및 실험결과와의 비교로부터 다음과 같은 결론을 얻었다.
- 평가 모델식은 ACI 209 식을 기반으로 하였으며, 실험상수를 결정하기 위하여 기존 실험데이터 (압축강도 : 10~100 MPa, 양생온도 : -5~50℃)를 이용하였다. 제시된 모델의 검증을 위해 혼화재 치환율과 양생온도를 변수로 한 실험을 수행하였다.
대상 데이터
- 이를 위하여 사용된 혼화제는 폴리카르본산계를 기반으로 초기 강도에 영향을 미치는 칼슘 및 수산기의 용출속도를 높여 그 성분을 수정하였다. 사용된 결합재인 OPC, GGBS, FA 및 SF의 비중은 각각 3.15, 2.89, 2.21 및 2.20 g/cm3이였으며, 분말도는 3,420, 4,461, 3,517 및 265,000 cm2/g이였다. 사용된 골재롤 잔골재와 굵은골재로 강모래와 화강석이 사용되었으며, 각각의 최대 직경은 5 mm, 20 mm였으며, 비중은 2.
- 20 g/cm3이였으며, 분말도는 3,420, 4,461, 3,517 및 265,000 cm2/g이였다. 사용된 골재롤 잔골재와 굵은골재로 강모래와 화강석이 사용되었으며, 각각의 최대 직경은 5 mm, 20 mm였으며, 비중은 2.56, 2.59 g/cm3로 측정되었다. 각 시험체의 압축강도는 재령 1, 3, 7, 28, 56 및 91일에서 Φ100×200 mm 실린더를 사용하여 측정하였다.
- 콘크리트 압축강도 평가 모델에서 실험상수를 결정하기 위한 실험데이터는 총 265개를 수집하였다. 실험데이터는 재령별 압축강도를 기준으로 수집되었으며, 그 변수분포는 Fig. 1에 나타내었다. 기존 실험체의 대부분 (약 54%)은 현장에 가장 많이 사용되는 압축강도 범위 (20~40 MPa)에 있다.
- 콘크리트 압축강도 평가 모델에서 실험상수를 결정하기 위한 실험데이터는 총 265개를 수집하였다. 실험데이터는 재령별 압축강도를 기준으로 수집되었으며, 그 변수분포는 Fig.
데이터처리
- 제안된 압축강도 예측 모델의 강도발현상수는 식 (1)을 기본으로 기존 실험데이터를 통하여 회귀 분석을 실시하였다. 분석결과, 상수 A는 물-결합재 비에 반비례 관계인 반면 혼화재 치환율의 증가와 함께 다소 증가하였다 (Fig.
이론/모형
- 즉, GGBS가 콘크리트의 28일 압축강도에 미치는 영향은 양생온도가 높을수록 컸다. 이러한 이유로 GGBS의 치환여부를 고려하면 콘크리트 성숙도에 따른 28일 압축강도 예측 모델은 Carreira(1985)에 의해 제시된 종모양의 포물선 식을 기본으로 다음 식 (2)과 (3)로 나타낼 수 있다.
- 즉, 콘크리트 압축강도 발현은 28일 압축강도 및 성숙도를 기준으로 하는 포물선의 형태로 나타낼 수 있다. 이를 고려하여 ACI 209 (1997)의 포물선 식을 다음 식과 같이 수정하였다 (Fig. 2).
- 본 연구의 목표는 다양한 혼화재가 치환된 콘크리트의 압축강도 발현을 합리적으로 예측하기 위한 성숙도 함수 기반의 단순모델을 제시하는 것이다. 평가 모델식은 ACI 209 식을 기반으로 하였으며, 실험상수를 결정하기 위하여 기존 실험데이터 (압축강도 : 10~100 MPa, 양생온도 : -5~50℃)를 이용하였다. 제시된 모델의 검증을 위해 혼화재 치환율과 양생온도를 변수로 한 실험을 수행하였다.
성능/효과
- (1) 콘크리트 28일 압축강도는 양생온도가 표준양생온도보다 높을수록 또는 낮을수록 감소하였다. 따라서 콘크리트 28일 압축강도 예측모델은 무차원한 성숙도 값이 ‘1’이 되는 점을 기준으로 하는 종모양의 포물선 형태로 제시될 수 있었다.
- (2) 고로슬래그가 콘크리트 28일 압축강도에 미치는 영향은 양생온도가 높을수록 컸다.
- (3) 제시된 모델에서 압축강도 발현 상수 A와 B는 각각 초기 압축강도 발현률과 전 재령의 절편값에 영향을 미치는데, 이들 값은 혼화재 치환율과 성숙도의 함수로 제시될 수 있었다. 하지만, 보다 정확한 콘크리트의 압축강도 발현 예측을 위하여 상대 습도, 양생방법에 대한 연구가 필요하다.
- (4) 등온양생한 콘크리트의 압축강도는 초기 재령에서는 양생온도가 증가할수록 증가하지만 재령 28일 이후에는 양생온도에 의한 영향은 미미하였다.
- (5) 초기 재령3일동안 표준온도에서 양생을 한 콘크리트의 압축강도 발현은 그 이후 양생온도 변화에 따른 영향을 받지 않았다.
- (6) 제안된 모델은 양생온도와 혼화재 치환율의 영향을 합리적으로 반영하면서 콘크리트의 압축강도 발현을 잘 예측하였다 (실험결과와의 비교에서 평균 1.00, 표준 편차 0.08).
- 그룹 I의 시험체는 GGBS와 FA의 일반적인 치환율을 갖음으로서 시멘트 콘크리트에서 관찰되는 일반적인 강도발현 특성을 보였다. 그룹 II 시험체들의 압축강도는 초기 양생온도에 큰 영향을 받았다. 저온 양생된 II-C 시험체는 재령 1일에서 압축강도 측정이 불가능하였으며, 초기 재령 3일에서의 압축강도는 표준온도에서 양생된 II-R과 비교하여 50% 이상 낮은 값을 나타내었다.
- 그룹 I에서의 예측값은 초기 및 장기재령에서 실험결과와 잘 일치하였다. 등온양생이 수행된 그룹II의 시험체에 대한 예측값은 5℃와 20℃의 양생의 경우 실험결과와 잘 일치하며, 양생온도 40℃에서는 초기재령에서 약 10~15% 낮은 값을 보였다. 가변양생온도에 대한 그룹III 시험체들에 대한 예측값은 비록 재령 1일에서는 다소 편차를 보이지만 그 이후에는 실험결과와 잘 일치하였다.
- 또한 결합재의 종류에 대해서는 기준점 ‘1’을 지나는 후반기 곡선에서 FA와 SF 보다 GGBS의 치환율이 주요 영향인자로 나타났다.
- 이는 낮은 양생온도 하에서 종결시간이 지연되어 압축강도의 발현이 늦어졌기 때문으로 판단된다. 반면, II-H 배합은 재령 1일의 압축강도가 II-R에 비해 50% 이상 높은 값을 보였으며, 재령 3일에는 한계 압축강도에 약 90% 값을 보였다. 한편 그룹 II의 시험체들은 재령 28일 이후에는 비슷한 압축강도를 보였다 (Fig.
- 제안된 압축강도 예측 모델의 강도발현상수는 식 (1)을 기본으로 기존 실험데이터를 통하여 회귀 분석을 실시하였다. 분석결과, 상수 A는 물-결합재 비에 반비례 관계인 반면 혼화재 치환율의 증가와 함께 다소 증가하였다 (Fig. 4(a)).
- 4(a)). 상수 B도 상수 A와 같이 물-결합재 비와 혼화재 종류 및 치환율에 대하여 영향을 받았으며, 특히 성숙도 값에 의해 그 값의 변화가 컸다 (Fig. 4(b)).
- 그룹 II 시험체들의 압축강도는 초기 양생온도에 큰 영향을 받았다. 저온 양생된 II-C 시험체는 재령 1일에서 압축강도 측정이 불가능하였으며, 초기 재령 3일에서의 압축강도는 표준온도에서 양생된 II-R과 비교하여 50% 이상 낮은 값을 나타내었다. 이는 낮은 양생온도 하에서 종결시간이 지연되어 압축강도의 발현이 늦어졌기 때문으로 판단된다.
- 사용된 혼화제의 특성변화로 인해 본 제안모델에 의해 예측된 콘크리트의 초기강도는 실험결과와 다소 차이를 보일 수 있다. 전반적으로 본 제안모델에 의한 예측값은 초기 재령 3일까지는 다소 편차가 있지만 양생온도와 혼화재 치환율의 영향을 합리적으로 반영하면서 콘크리트의 압축강도 발현을 잘 예측하였다.
- 또한 결합재의 종류에 대해서는 기준점 ‘1’을 지나는 후반기 곡선에서 FA와 SF 보다 GGBS의 치환율이 주요 영향인자로 나타났다. 즉, GGBS가 콘크리트의 28일 압축강도에 미치는 영향은 양생온도가 높을수록 컸다. 이러한 이유로 GGBS의 치환여부를 고려하면 콘크리트 성숙도에 따른 28일 압축강도 예측 모델은 Carreira(1985)에 의해 제시된 종모양의 포물선 식을 기본으로 다음 식 (2)과 (3)로 나타낼 수 있다.
- 콘크리트의 28일 압축강도는 재령 28일에서의 무차원한 성숙도 값이 ‘1’이 되는 점을 기준으로 종 모양의 포물선 형태의 경향을 나타내었다. 즉, 콘크리트의 28일 압축강도는 양생온도가 표준양생온도보다 높을수록 또는 낮을수록 감소함을 의미한다. 또한 결합재의 종류에 대해서는 기준점 ‘1’을 지나는 후반기 곡선에서 FA와 SF 보다 GGBS의 치환율이 주요 영향인자로 나타났다.
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