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문제 정의
- 최근 고강도 콘크리트의 사용량이 증가함에 따라 콘크리트의 품질상태 및 간접적인 강도 추정을 위한 보조 기법의 필요성이 대두되고 있으나, 국내 조건을 고려한 추정식 개발은 아직 부족한 상태이다. 본 연구에서는 고강도 콘크리트 영역의 강도를 추정하기 위하여 기존에 제안된 반발경도법과 초음파 속도법에 의한 추정식의 신뢰성을 실험을 통하여 분석하고자 하였다.
제안 방법
- Φ100×200 mm의 콘크리트 공시체를 재령 1, 3, 5, 7, 14, 28, 150, 180, 240과 300일별로 최소 5개씩 제작하였으며, 재령에 따라 압축강도 실험을 실시하였다.
- Breysse(2012)의 연구에 의하면 콘크리트 재료에서 반발경도와 초음파 속도에 가장 중요하게 영향을 미치는 요인은 재령, 골재의 형태, 골재량, 물-바인더비 및 공극의 유무이며, 혼화재의 종류 및 양 또는 골재의 크기 등은 크게 영향을 미치지 않는 것으로 분석되었다. 따라서 본 연구에서는 골재량과 물 바인더비만을 변화시켰으며, 시멘트와 혼화재의 종류 등에 대해서는 고려하지 않았다.
- 압축공시체에 대하여 반발경도법(KS F 2730, 2008)과 초음파속도법(KS F 2731, 2008)을 적용하여 비파괴시험을 실시하였다. 압축공시체에 대한 반발경도 측정은 압축시험기에 공시체를 거치시킨후 압축강도의 10% 내외의 하중을 가력한 후 측면에서 반발경도를 20회 측정하여 평균치를 사용하였으며, 초음파 속도는 공시체 길이방향에 대하여 직접법으로 3회 측정후 평균값을 사용하였다.
대상 데이터
- 고강도 콘크리트영역에서의 비파괴강도 추정식을 분석하고 제안하기 위하여 강도 40 MPa~80 MPa 이상의 콘크리트를 Table 3에 나타낸 배합으로 실험편을 제작하였다. Φ100×200 mm의 콘크리트 공시체를 재령 1, 3, 5, 7, 14, 28, 150, 180, 240과 300일별로 최소 5개씩 제작하였으며, 재령에 따라 압축강도 실험을 실시하였다.
- 69 t/m3인 천연모래와 쇄석을 이용하였으며 굵은골재 최대치수는 20 mm이다. 또한 강도발현을 위해 단위중량이 각각 2.22 t/m3와 2.2 t/m3인 플라이애쉬와 실리카흄을 사용하였다.
- 콘크리트는 국내 현장에서 사용되는 콘크리트 특성을 반영할 수 있도록 부산지역의 OO레미콘을 사용하여 타설하였으며, 사용재료는 단위중량 3.15 t/m3의 보통 포틀랜드 시멘트를 사용하였고 골재는 부산광역시에서 입수된 단위중량이 각각 2.61 t/m3과 2.69 t/m3인 천연모래와 쇄석을 이용하였으며 굵은골재 최대치수는 20 mm이다. 또한 강도발현을 위해 단위중량이 각각 2.
데이터처리
- 고강도 콘크리트에 적합한 비파괴강도 예측식을 제안하기 위하여 반발경도법 및 초음파 속도법을 실시하여 기존의 제안식들과 비교 분석하였다.
이론/모형
- 압축강도 시험은 KS F 2405(2010)에 따라 1일 이후에 실시하였으며, Fig. 1에는 각 재령별 압축강도 측정결과를 정리하였다. 28일 이후의 실험결과에서는 배합(Mix)별로 압축강도 최대치와 최소치의 범위를 표시하였으며, 전체적으로 재령28일과 180일 측정값을 제외하고 편차는 크지 않은 것으로 나타났다.
- 압축공시체에 대하여 반발경도법(KS F 2730, 2008)과 초음파속도법(KS F 2731, 2008)을 적용하여 비파괴시험을 실시하였다. 압축공시체에 대한 반발경도 측정은 압축시험기에 공시체를 거치시킨후 압축강도의 10% 내외의 하중을 가력한 후 측면에서 반발경도를 20회 측정하여 평균치를 사용하였으며, 초음파 속도는 공시체 길이방향에 대하여 직접법으로 3회 측정후 평균값을 사용하였다.
성능/효과
- 1에는 각 재령별 압축강도 측정결과를 정리하였다. 28일 이후의 실험결과에서는 배합(Mix)별로 압축강도 최대치와 최소치의 범위를 표시하였으며, 전체적으로 재령28일과 180일 측정값을 제외하고 편차는 크지 않은 것으로 나타났다. Mix3의 경우에는 설계배합강도보다 낮게 관찰되어 실리카흄의 배합량 또는 수화반응이 충분히 이루어지지 않은 것으로 판단된다.
- 반발경도 및 초음파 속도 측정결과 강도등급별 측정결과의 분포도에 따른 변화는 거의 없는 것으로 분석되었다. 기존의 강도예측식들의 경우 고강도 영역에서의 신뢰도가 크게 떨어지는 것으로 나타났으며, 현재 많이 사용되고 있는 일본건축학회 및 재료학회식은 기존에 국내에서 제안된 식들에 비해서도 신뢰도가 현저히 낮은 것으로 분석되었다.
- KRISS(1999)의 제안식의 경우에도 본 연구의 실험결과와 비교하면 강도가 증가할수록 저평가되는 것으로 나타났다. 반발경도 30~35내외에서 강도가 최저 20 MPa에서 최대 70 MPa까지 변화하는 것으로 나타났으며, 이는 보통강도콘크리트와 고강도 콘크리트영역에서 표면 수화 생성물의 경도차이에서 기인한 것으로 판단된다.
- 반발경도 및 초음파 속도 측정결과 강도등급별 측정결과의 분포도에 따른 변화는 거의 없는 것으로 분석되었다. 기존의 강도예측식들의 경우 고강도 영역에서의 신뢰도가 크게 떨어지는 것으로 나타났으며, 현재 많이 사용되고 있는 일본건축학회 및 재료학회식은 기존에 국내에서 제안된 식들에 비해서도 신뢰도가 현저히 낮은 것으로 분석되었다.
- 3에는 각각 표준공시체의 반발경도와 초음파 속도별 압축강도 분포를 나타내었다. 반발경도(R)의 도수분포는 반발경도 10간격으로 분석하였으며, 불확실도가 높았던 초기재령을 제외하고, 30 MPa 이상의 경우에 강도별 표준편차는 9.7~11.3 MPa내외로 강도수준에 관계없이 거의 유사하게 분석되었다.
- 압축강도 50~70 MPa의 범위의 콘크리트에서 반발경도 R=35~45 정도의 반발경도가 관측되었으나, 이 범위의 콘크리트에서 강도 증가에 비하여 강성변화 정도가 둔화되기 때문에 계측치의 분산이 높고 신뢰도가 낮아지는 것으로 나타났다.
- 5 m/s 이상의 속도에서는 기존의 일본재료학회(MRSJ, 1958)와 일본건축학회(AIJ, 1983) 식의 경우에는 Atici(2011)와 Im(2007)을 제외한 다른 제안식들보다 정확도가 떨어지는 것으로 분석되었다. 전체적으로 고강도영역에서 예측강도가 실제강도보다 낮게 나타나는 것으로 분석되었으며, 이는 기존 예측식들이 표면강성 및 내부 공극율과 압축강도의 변화가 비례하는 압축강도 50 MPa 이하의 콘크리트를 대상으로 하였기 때문인 것으로 판단된다. 그러나 고강도 콘크리트 영역에서의 강도변화는 미세 수화생성물의 조직 치밀성 및 골재의 강도 등에 영향을 받고, 강성증대 또는 내부공극의 감소에 따라 강도가 증가하는 것은 아니기 때문에 기존의 식으로는 정확도가 떨어지는 것으로 판단된다.
- 8에는 RILEM과 AIJ에서 제안한 복합법에 의한 예측결과와 본 연구의 실험결과를 나타내었다. 전체적으로 반발경도법와 초음파법만을 적용한 경우에 비해서는 적합도가 높아지는 것으로 나타났으나, 예측강도가 과소평가되는 것으로 분석되어 이에 대한 보정이 필요한 것으로 분석되었다.
- 제안된 예측식은 전체 강도영역에서 다른 예측식들에 비하여 정확도가 높게 나타났으며, 신뢰도가 충분히 있는 것으로 판단된다. 그러나 제안식의 경우에는 압축공시체에 대한 실험 결과로서 제시된 것으로 실제 콘크리트 코아공시체와의 비교 및 재령에 대한 분석이 필요할 것으로 판단된다.
- 초음파 속도는 0.25 km/s의 간격으로 분포도를 예측하였으며, 초음파 속도 4.24 km/s이하(평균강도 30 MPa) 이하에서는 5.5 MPa 정도의 표준편차가 발생하였으나, 초음파 속도 4.50~4.74 km/s(평균강도 51 MPa)구간에서 표준편차가 11.4 MPa 정도로 상당히 크게 분석되었으나, 다른 구간의 경우에는 9 MPa 내외로 분석되어 강도에 따른 분산의 변화는 거의 없는 것으로 나타났다.
후속연구
- 제안된 예측식은 전체 강도영역에서 다른 예측식들에 비하여 정확도가 높게 나타났으며, 신뢰도가 충분히 있는 것으로 판단된다. 그러나 제안식의 경우에는 압축공시체에 대한 실험 결과로서 제시된 것으로 실제 콘크리트 코아공시체와의 비교 및 재령에 대한 분석이 필요할 것으로 판단된다.
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