[논문]다량치환된 플라이애시 콘크리트의 구조부재 적용성 평가

김경태; 유성원

doi:10.14190/jrcr.2015.3.2.109

초록
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최근 CCPs를 대량 활용하는 HVFA 콘크리트에 관한 연구가 활발히 이루어지고 있다. 초기에는 주로 재료적인 분야에 대해서만 수행되어지고 있는 실정이었으나 최근 들어 HVFA 시멘트 콘크리트의 구조재료로의 적용을 위한 탄성계수, 응력-변형률 관계 및 구조 부재 거동 등에 대한 연구가 수행되고 있다. 이러한 일련의 연구 결과를 바탕으로 실물 구조 부재로의 적용성 평가를 위하여 지간길이 7.5m의 50% 다량 첨가된 플라이애시 시멘트 철근콘크리트 보 2개를 제작한 후, 휨 및 전단에 대한 구조거동 실험을 수행하여 HVFA 콘크리트의 실 구조물로의 적용성을 확인하고자 하였다. 실험결과에 의하면, HVFA 콘크리트의 응력-변형률 관계는 기존 연구 결과와 실험결과와의 다소 차이가 있지만 설계에 적용하기에는 큰 무리가 없는 것으로 나타났으며, 처짐, 변형률 등의 양상이 플라이애시를 첨가하지 않는 일반 콘크리트와 유사하게 나타나, 50% 플라이애시 시멘트 콘크리트 부재 부재의 휨 거동은 크게 차이나지 않는 것으로 나타났다. 또한 실험에서 구해진 콘크리트의 전단강도는 설계 식에서 구해진 콘크리트의 전단강도와 유사하게 나타나, 기존 설계식을 준용하여도 큰 무리가 없을 것으로 예상된다.

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Recently, numerous studies were dedicated on the HVFA concrete using high volume CCPs. In initial studies, main topics are dependent on material properties of HVFA concrete, but several studies were dedicated on the structural behavior of HVFA concrete such as elasticity modulus, stress-strain relat...

Recently, numerous studies were dedicated on the HVFA concrete using high volume CCPs. In initial studies, main topics are dependent on material properties of HVFA concrete, but several studies were dedicated on the structural behavior of HVFA concrete such as elasticity modulus, stress-strain relationship and structural behavior nowadays. Therefore, in this paper, on the basis of recent studies on the structural behavior, 2 large-scale test members were manufactured with 7.5m span length and fly ash replacement ratio 50%, concrete compressive strength 50MPa in order to apply to the practical structure and evaluate possibility of application. From the test results, although there were small differences between test results and existing research results on the stress-strain relationship, the application to practical structure is not hard. In flexural test, as the produced pattern of displacement and strain were similar to those of general concrete without fly ash, the difference between 50% fly ash concrete and general concrete is very small. And the concrete shear strength obtained by test was similar to that of design code, so existing design code will be also able to apply.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 압축강도 50MPa 급의 플라이애시가 50% 다량 첨가된 플라이애시 시멘트 철근콘크리트 보 2개를 실물규모로 제작하여 휨 거동과 전단 거동을 실험적으로 평가하였다. 본 연구의 결론을 요약하면 다음과 같다.
이러한 일련의 연구 결과를 바탕으로 실물 구조 부재에 적용하기 위하여 본 논문에서는 지간길이 7.5m 수준의 실물 구조 부재규모의 플라이애시를 50% 치환한 철근콘크리트 보 2개를 제작한 후, 휨 및 전단에 대한 구조거동을 실험적으로 평가하여 HVFA 콘크리트의 실 구조물로의 적용성을 확인하고자 하였다.

제안 방법

실험변수는 플라이애시 치환율은 50%, 콘크리트 설계기준강도(f_ck)는 50MPa로 고정하였으며, 철근비는 휨 실험체의 경우 설계기준에서 요구하는 (최소+최대)철근비의 약27%로 일반적으로 사용되는 범위의 값이며 전단 실험체의 경우 설계기준에서 제시하는 전단철근의 50%를 배근하여 전단파괴를 유도하였다. 이 실험 변수들은 Table 1에 나타내었으며, 실험 부재들의 철근 배근 형상 및 시험 전경은 Photo 1 및 Fig.
제작된 실험 부재제작 시 같은 콘크리트배합을 이용하여 지름 100mm, 높이 200mm의 원주형 공시체를 제작하여 재령 28일에 대한 압축강도 실험을 수행하였다. 압축강도 실험 시 구해지는 응력-변형률 곡선에서 압축강도 및 탄성계수를 산정하였다.
제작된 실험 부재제작 시 같은 콘크리트배합을 이용하여 지름 100mm, 높이 200mm의 원주형 공시체를 제작하여 재령 28일에 대한 압축강도 실험을 수행하였다. 압축강도 실험 시 구해지는 응력-변형률 곡선에서 압축강도 및 탄성계수를 산정하였다.

대상 데이터

휨 실험 부재는 초기균열 단계까지 선형으로 증가하며, 초기균열 이후 처짐량은 비선형으로 증가하며, 이후 하중은 극한하중까지 증가한다. 전단 실험 부재는 인장철근 항복근처에서 전단파괴로 급작스러운 하중 저하가 발생하며, 전반적인 거동은 인장철근 항복 근처까지는 유사 거동을 보이는 것으로 나타났다.

이론/모형

탄성계수의 산정에는 ACI 318-08(ACI 2008)에서 제안한 콘크리트의 탄성계수 식을 사용하였으며, 식은 다음과 같다.

성능/효과

1. HVFA 콘크리트의 응력-변형률 관계는 기존 연구 결과와 실험 결과와의 다소 차이가 있지만 설계에 적용하기에는 큰 무리가 없는 것으로 나타났다.
2. 처짐, 변형률 등의 발생 양상 및 크기가 플라이애시를 첨가하지 않는 일반 콘크리트와 유사하게 나타나, 50% 플라이애시 시멘트 콘크리트 부재 부재의 휨 거동은 크게 차이나지 않음을 판단된다.
3. 실험에서 구해진 콘크리트의 전단강도는 설계 식에서 구해진 콘크리트의 전단강도와 유사하게 나타났으며, 기존 설계식을 준용하여도 큰 무리가 없을 것으로 판단된다.
0010수준으로 발생하였다. 또한 인장철근의 항복 현상이 발생되지 않았으며, 전단부재의 하중-전단철근 변형률 관계는 Fig. 6에 나타내었으며, 전단균열 발생 전까지는 전단철근의 기여도가 거의 없으며, 전단균열 발생 후 작은 하중증가에서 급격하게 전단철근의 변형률이 증가하는 것으로 나타났다.
또한, 설계기준에 의해서 계산된 값과 실험 결과 값은 15%정도 오차를 보이므로 현행설계기준을 어느 정도 만족하는 것으로 판단되는 바, 이러한 것으로 미뤄 볼 때 전단 구조거동에서도 문제가 없을 것으로 추정된다.
실험결과와 예측결과를 비교해 보면 탄성계수(Ec)와 최대 응력에서의 변형률(ε0)은 약 25% 정도의 차이가 나타났다.
)은 약 25% 정도의 차이가 나타났다. 한편, 실험 결과의 응력-변형률 곡선 역시 예측값보다 25% 정도 완만하게 나타나, 실험결과와 예측식과의 어느 정도 차이가 있는 것으로 나타났다. 이는 기존 연구결과를 참고해 보면 HVFAC의 작은 단위중량으로 인한 결과로 추정된다(Yoo and Kwon 2014).

후속연구

이는 기존 연구결과를 참고해 보면 HVFAC의 작은 단위중량으로 인한 결과로 추정된다(Yoo and Kwon 2014). 향후 탄성계수 및 응력-변형률 관계 실험자료가 축적되어진다면 이에 대한 적정한 모델을 제시할 수 있을 것으로 사료된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	압축강도 50MPa 급의 플라이애시가 50% 다량 첨가된 플라이애시 시멘트 철근 콘크리트 보 2개를 이용한 휨 거동과 전단 거동의 실험적 평가는 어떤 결과를 이루었는가?	1. HVFA 콘크리트의 응력-변형률 관계는 기존 연구 결과와 실험 결과와의 다소 차이가 있지만 설계에 적용하기에는 큰 무리가 없는 것으로 나타났다. 2. 처짐, 변형률 등의 발생 양상 및 크기가 플라이애시를 첨가하지 않는 일반 콘크리트와 유사하게 나타나, 50% 플라이애시 시멘트 콘크리트 부재 부재의 휨 거동은 크게 차이나지 않음을 판단된다. 3. 실험에서 구해진 콘크리트의 전단강도는 설계 식에서 구해진 콘크리트의 전단강도와 유사하게 나타났으며, 기존 설계식을 준용하여도 큰 무리가 없을 것으로 판단된다.
	기존에 플라이애시가 지닌 문제점은 무엇인가?	그동안 플라이애시는 콘크리트의 성능개선을 위한 혼화재료로 대부분 사용하고 있으며, 조기강도의 발현, 품질의 불균일 등과 같은 문제점으로 그 사용량이 제한적이었으나, 최근 연구되어지는 플라이애시 대량 사용 콘크리트(HVFA Concrete)는 강도발현 및 품질문제 개선을 통하여 현재 레미콘에서의 플라이애시 사용량을 35~50% 수준으로 확대 적용이 가능한 수준에 이르고 있다(Choi et al. 2014).
	CCPs란?	CCPs(Coal Combustion Products)는 화력발전소에서 석탄이 연소되고 남는 석탄회를 총칭하는 말로 플라이애시의 넓은 의미이다. 최근 이러한 CCPs를 대량 활용하는 HVFA 콘크리트(High Volume Fly Ash)에 관한 연구가 활발히 이루어지고 있다(Ahn and Cha 2014).

참고문헌 (9)

ACI Committee 318. (2008). Building Code Requirements for Structural Concrete (ACI 318-08) and Commentary, American Concrete Institute, Farmington Hills, MI, 473.
Ahn Y.S., Cha Y.D. (2004). Flexural Behavior of RC Beam Using High Volume Fly-Ash Cement, Journal of Korean Recycled Construction Resources Institute, 2(2), 128-136 [in Korean].
Bilodeau. A, Sivasundaram. V, Painter. K, Malhotra. V. (1994). Durability of concrete incorporating high volumes of fly ash from sources in the USA, American Concrete Institute Material Journal, 91(1), 13-20.
Choi Y.W., Park M.S., Choi B.K., Oh S.R. (2014). The Properties of Strength Development of High Volume Fly Ash Concrete with Reduction of Unit Water Content, Journal of Korean Recycled Construction Resources Institute, 2(1), 46-51 [in Korean].

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Fedaral highway administration, Material property characterization of ultra-high performance concrete 1st ed., Washington D.C: FHA, 2006, 23-49.
Hognestad. E. (1951). A Study of Combined Bending and Axial Load in Reinforced Concrete Members, Bulletin 399, University of Illinois Engineering Experiment Station, Urbana, IL, 128.
Jung S.H., Kwon S.J. (2004). Engineering properties of cement mortar with pond ash in South Korea as construction materials: from waste to concrete, Central European Journal of Engineering, VERSITA, 3(3), 522-533.
Muller U., Rubner K. (2006). The microstructure of concrete made with municipal waste incinerator bottom ash as an aggregate component, Cement and Concrete Research, 36(10), 1434-1443.

상세보기
Yoo S.W., Kwon S.J. (2014). An Evaluation of Basic Mechanical Performance for High Volume Fly Ash Concrete, Journal of Korean Recycled Construction Resources Institute, 2(3), 202-208 [in Korean].

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