KS기준 및 콘크리트표준시방서에는 순환골재를 사용한 콘크리트의 압축강도를 27 MPa 이하로 제한하고 있으며, 이에 따라 27 MPa를 초과하는 순환골재 콘크리트에 대한 역학적 특성에 대한 연구결과는 부족한 상황이다. 따라서, 이 연구에서는 순환굵은골재 사용의 확대를 위해 압축강도 30~60 MPa 범주의 굵은순환골재를 사용한 콘크리트의 압축강도를 포함한 역학적 특성을 연구하였다. 실험변수로써 물-시멘트 비와 굵은순환골재의 치환율을 고려하였다. 고려된 물-시멘트 비는 0.36, 0.46 및 0.53 이고, 순환굵은골재의 치환율은 30, 50, 70 및 100%이다. 실험변수에 따른 순환골재 콘크리트의 7일 및 28일 압축강도, 탄성계수, 인장강도 및 파괴계수 특성을 분석하였다. 물-시멘트 비가 0.36일 때의 탄성계수에 비해 0.53일 때의 탄성계수는 10% 이상 감소하였다. 탄성계수 실험결과와 기존설계코드에 의한 탄성계수 예측결과를 비교하였으며, 설계코드에 의한 탄성계수 예측결과는 실험결과를 과다평가하고 있다. 반면에 설계코드에 의한 파괴계수 예측결과는 압축강도 40 MPa 이상의 콘크리트의 파괴계수 실험결과를 과소평가하고 있다.
KS기준 및 콘크리트표준시방서에는 순환골재를 사용한 콘크리트의 압축강도를 27 MPa 이하로 제한하고 있으며, 이에 따라 27 MPa를 초과하는 순환골재 콘크리트에 대한 역학적 특성에 대한 연구결과는 부족한 상황이다. 따라서, 이 연구에서는 순환굵은골재 사용의 확대를 위해 압축강도 30~60 MPa 범주의 굵은순환골재를 사용한 콘크리트의 압축강도를 포함한 역학적 특성을 연구하였다. 실험변수로써 물-시멘트 비와 굵은순환골재의 치환율을 고려하였다. 고려된 물-시멘트 비는 0.36, 0.46 및 0.53 이고, 순환굵은골재의 치환율은 30, 50, 70 및 100%이다. 실험변수에 따른 순환골재 콘크리트의 7일 및 28일 압축강도, 탄성계수, 인장강도 및 파괴계수 특성을 분석하였다. 물-시멘트 비가 0.36일 때의 탄성계수에 비해 0.53일 때의 탄성계수는 10% 이상 감소하였다. 탄성계수 실험결과와 기존설계코드에 의한 탄성계수 예측결과를 비교하였으며, 설계코드에 의한 탄성계수 예측결과는 실험결과를 과다평가하고 있다. 반면에 설계코드에 의한 파괴계수 예측결과는 압축강도 40 MPa 이상의 콘크리트의 파괴계수 실험결과를 과소평가하고 있다.
According to KS and Standard Specifications for Concrete, the compressive strength of concrete containing recycled aggregate is limited to 27 MPa and thereafter there are little research on concrete containing recycled aggregate of its compressive strength of greater than 27 MPa. Therefore, to expan...
According to KS and Standard Specifications for Concrete, the compressive strength of concrete containing recycled aggregate is limited to 27 MPa and thereafter there are little research on concrete containing recycled aggregate of its compressive strength of greater than 27 MPa. Therefore, to expand the applicability of concrete recycled coarse aggregate(RCA), this paper concerns the mechanical properties of concrete containing RCA with compressive strength ranging from 30 to 60 MPa. The experimental parameters were water-cement ratio and replacement ratio of RCA. Water-cement ratio(w/c) was 0.36, 0.46 and 0.53, and replacement ratio of RCA was 30, 50, 70 and 100%. The experimental results were discussed about compressive strength, elastic modulus, split tensile strength and modulus of rupture. Test results of elastic modulus were compared to the design code predictions. Experimental elastic modulus for concrete with w/c=0.53 decreased by greater than 10% compared with that for concrete with w/c=0.36. The design code predictions for elastic modulus overestimated the experimental results. Whereas, the design code predictions for modulus of rupture underestimated the measured values.
According to KS and Standard Specifications for Concrete, the compressive strength of concrete containing recycled aggregate is limited to 27 MPa and thereafter there are little research on concrete containing recycled aggregate of its compressive strength of greater than 27 MPa. Therefore, to expand the applicability of concrete recycled coarse aggregate(RCA), this paper concerns the mechanical properties of concrete containing RCA with compressive strength ranging from 30 to 60 MPa. The experimental parameters were water-cement ratio and replacement ratio of RCA. Water-cement ratio(w/c) was 0.36, 0.46 and 0.53, and replacement ratio of RCA was 30, 50, 70 and 100%. The experimental results were discussed about compressive strength, elastic modulus, split tensile strength and modulus of rupture. Test results of elastic modulus were compared to the design code predictions. Experimental elastic modulus for concrete with w/c=0.53 decreased by greater than 10% compared with that for concrete with w/c=0.36. The design code predictions for elastic modulus overestimated the experimental results. Whereas, the design code predictions for modulus of rupture underestimated the measured values.
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문제 정의
따라서 이 연구에서는 굵은순환골재를 사용하는 콘크리트의 사용 범위를 확대하기 위해 압축강도 30∼65 MPa 수준의 굵은순환골재를 사용한 콘크리트의 압축강도, 탄성계수, 인장강도 및 파괴계수 등의 기본적인 역학적 특성을 평가하기 위한 실험연구를 수행하였다.
순환골재 치환률과 콘크리트의 압축강도는 서로 독립관계가 아니므로 이러한 두 개의 변수를 종속변수로 사용하여 콘크리트 탄성계수를 예측하는 것은 다소 한계가 있다. 따라서, 이 연구에서는 순환골재 콘크리트의 압축강도만을 탄성계수의 종속변수로 이용하여 탄성계수를 예측하고자 하였다(Yang and Jeong 2016).
또한, 그림에서 보는 바와 같이 기존 다수의 연구는 압축강도 20∼ 40 MPa 범주의 순환골재 콘크리트의 탄성계수에 대해 수행 되었으며, 이 연구에서는 압축강도 30∼65 MPa 범주의 탄성 계수 측정값을 제시하여 순환골재 적용의 확대 가능성을 제시하였다.
반면에, 이 연구에서는 압축강도 30∼65 MPa 범주에서의 파괴계수 측정값을 나타내어 순환골재 적용의 확대 가능성을 제시하였다.
이 연구에서는 압축강도 30 MPa 이상의 순환골재콘크리트 의 기본적인 역학특성을 파악하기 위한 실험연구를 수행하였으며, 주요결론은 다음과 같다.
제안 방법
굵은골재 및 잔골재의 밀도와 흡수율을 KS F 2503(2007) 및 KS F 2504(2007)를 이용하여 측정 하였으며, Table 1에 실험에 사용된 골재의 밀도 및 흡수율 실험결과를 나타내었다. 이 실험에서는 굵은골재를 순환굵은골 재로 각각 30, 50, 70 및 100%로 치환하여 물성을 평가하였으며, 굵은순환골재(RCA, recycled coarse aggregate) 치환율에 따른 입도분포곡선을 Fig. 2에 나타내었다. 순환골재 치환율이 30%인 굵은골재의 입도분포는 KS기준의 범위 이내에 분포하고, 순환골재 치환율이 50%인 굵은골재의 입도분포는 KS기준의 상한값에 근접한다.
이 연구에서는 콘크리트의 역학적 특성을 파악하는데 주안점을 두었으며, 이에 따라 골재의 밀도, 흡수율 및 입도분포를 파악하였다. 한편, 순환골재의 알칼리 골재반응, 유해물질 함유량 등은 순환골재 콘크리트의 물성 특히, 내구성능에 영향을 미치므로 추후 연구에서 이에 대한 평가가 필요하다고 판단된다.
타설 후 시편을 2일 동안 기건양생한 후에 몰드를 탈형하고 수조에서 20±3°C의 온도 조건에서 재령 28일까지 양생을 수행하였다.
Table 2에 배합설계를 나타내었다. 배합 설계 시에 물-시멘트 비와 굵은순환골재 치환율을 실험변수로 고려하였다. 실험변수로써 고려된 물-시멘트 비는 0.
배합 설계 시에 물-시멘트 비와 굵은순환골재 치환율을 실험변수로 고려하였다. 실험변수로써 고려된 물-시멘트 비는 0.36, 0.46 및 0.53이고, 기본배합을 기준으로 굵은골재를 30, 50, 70 및 100%의 순환굵은골재로 용적치환을 하였다. 골재의 표면상태는 표면건조내 부포화상태(saturated surface-dried)로 배합에 사용하였다.
물-시멘트 비 및 순환굵은골재 치환율에 따른 각 배합별로 실험시편을 3개씩 제작하여 콘크리트의 재령 7일 압축강도, 재령 28일 압축강도, 탄성계수, 쪼갬인장강도 및 파괴계수를 측정하였다.
원형 치구 사이에 실린더 공시체 원주방향으로 120° 간격으로 3개의 LVDT를 설치하였으며, 하중재하 시에 변위를 측정하였다 (Fig. 5).
압축강도 실험 시에 탄성계수를 측정하기 위하여 두 개의 원형 치구를 공시체중앙100 mm 구간에 설치하였다. 원형 치구 사이에 실린더 공시체 원주방향으로 120° 간격으로 3개의 LVDT를 설치하였으며, 하중재하 시에 변위를 측정하였다 (Fig.
5). 하중재하는 2000 kN 용량의 만능시험기(UTM)를 사용하여 변위제어 방식으로 하중을 재하하였으며, 0.025 mm/s 의 변위제어속도를 사용하였다.
압축강도 실험에서 측정한 하중과 변위를 이용하여 압축강도-변형률 곡선을 측정하였으며, 대표적으로 순환골재 치환율이 50%인 A50, B50 및 C50 배합의 압축응력-변형률 관계 곡선을 Fig. 6에 나타내었다. 압축응력-변형률 곡선에서 변형률이 0.
6에 나타내었다. 압축응력-변형률 곡선에서 변형률이 0.00005인 점과 최대 하중의 40%에 해당하는 점의 선분의 기울기를 이용하여 탄성계수를 산정하였다.
측정결과의 분석을 토대로 식 (6)의 탄성계수 예측식을 제안하였다. 제안식은 식 (2)에서 A=7300, B=1/3일 때의 예측식 이다.
단면크기가 100×100 mm이고 길이가 400 mm의 프리즘형상 시편의 4점하중재하실험을 통하여 순환골재 콘크리트의 파괴계수를 측정하였다.
단면크기가 100×100 mm이고 길이가 400 mm의 프리즘형상 시편의 4점하중재하실험을 통하여 순환골재 콘크리트의 파괴계수를 측정하였다. 실험은 만능재료시험기(UTM)을 사용하여 변위제어방식으로 하중을 재하하였으며, 0.025 mm/s 의 변위제어속도를 사용하였다(Fig. 11). 측정파괴계수 실험 결과를 Fig.
3) 기존의 설계코드 제안식에 의한 탄성계수 예측결과는 순환 골재콘크리트의 탄성계수 측정값을 과다평가한다. 이 연구의 제안식에 의한 예측결과는 실험결과와 잘 일치한다.
대상 데이터
시멘트는 보통포틀랜드시멘트를 사용하였다. 천연굵은골재는 부순자갈로써 최대직경 25 mm, 최소직경 5 mm의 골재를 사용하였고, 순환굵은골재는 최대직경 20 mm, 최소직경 5 mm의 골재를 사용하였다.
시멘트는 보통포틀랜드시멘트를 사용하였다. 천연굵은골재는 부순자갈로써 최대직경 25 mm, 최소직경 5 mm의 골재를 사용하였고, 순환굵은골재는 최대직경 20 mm, 최소직경 5 mm의 골재를 사용하였다. 잔골재는 부순모래와 해사를 7:3 의 비율로 섞은 혼합잔골재를 사용하였다.
천연굵은골재는 부순자갈로써 최대직경 25 mm, 최소직경 5 mm의 골재를 사용하였고, 순환굵은골재는 최대직경 20 mm, 최소직경 5 mm의 골재를 사용하였다. 잔골재는 부순모래와 해사를 7:3 의 비율로 섞은 혼합잔골재를 사용하였다. Fig.
압축강도실험은 직경 100 mm이고 높이가 200 mm인 실린더 공시체를 이용하여 측정하였으며, Fig. 3과 Fig. 4에 7일 압축강도 측정결과와 28일 압축강도 측정결과를 나타내었다.
8에 이 연구에서의 탄성계수 측정결과와 콘크리트구조기준, ACI 318-11 및 fib Model Code 2010의 탄성계수 예측 결과를 비교하여 나타내었다. 또한, 문헌분석(Chung et al., 2006; Jeon et al., 2009; Kim et al., 1996; Sim et al., 2006; Choi et al., 2005; Kim et al., 1993; Kim et al., 1996)을 통해 국내연구에서 168개의 굵은순환골재 콘크리트의 탄성계수 측정값을 획득하였으며, 획득한 실험결과를 같이 나타내었다.
지름이 100 mm이고 높이가 200 mm인 원주형 시편을 이용하여 쪼갬인장강도시험을 수행하였다. 쪼갬인장강도 시험결과를 Fig.
기존 연구결과분석(Chung et al., 2006; Jeon et al., 2009; Kim et al., 1996; Choi et al., 2005; Lee et al., 1999; Lee et al., 2005)을 통하여 104개의 파괴계수 실험결과를 획득하였다. 이 연구에서의 파괴계수 측정결과 뿐만 아니라 문헌분석을 통한 파괴계수 실험결과와 식 (7)에 의한 예측결과를 비교하여 Fig.
데이터처리
따라서 이 연구에서는 굵은순환골재를 사용하는 콘크리트의 사용 범위를 확대하기 위해 압축강도 30∼65 MPa 수준의 굵은순환골재를 사용한 콘크리트의 압축강도, 탄성계수, 인장강도 및 파괴계수 등의 기본적인 역학적 특성을 평가하기 위한 실험연구를 수행하였다. 또한, 기존 코드에서의 탄성계수 및 파괴계수 예측결과를 실험결과와 비교분석하였다. 이 연구의 실험결과는 현행 콘크리트표준시방서에서 제한하고 있는 순환골재 용적 사용량을 초과하는 순환골재 콘크리트의 성능 평가와 구조물 적용을 위한 유용한 기초자료로 활용될 수 있다.
이론/모형
1에 실험에 사용된 골재를 나타내었다. 굵은골재 및 잔골재의 밀도와 흡수율을 KS F 2503(2007) 및 KS F 2504(2007)를 이용하여 측정 하였으며, Table 1에 실험에 사용된 골재의 밀도 및 흡수율 실험결과를 나타내었다. 이 실험에서는 굵은골재를 순환굵은골 재로 각각 30, 50, 70 및 100%로 치환하여 물성을 평가하였으며, 굵은순환골재(RCA, recycled coarse aggregate) 치환율에 따른 입도분포곡선을 Fig.
성능/효과
6% 감소하였다. 또한, w/c=0.36일 때의 7일 압축강도에 비해 w/c=0.53일 때의 7일 압축강도는 순환골재 치환율이 30, 50, 70 및 100%일 때 각각 40.6, 38.4, 37.4 및 38.9% 감소하였다.
실험결과는 물-시멘트 비의 증가에 따른 7일 압축강도 감소율은 순환골재 치환율이 30%일 때 23.7 및 40.6%로서 가장 크게 감소하는 것을 나타낸다.
8% 감소하였다. 또한, w/c=0.36일 때의 7일 압축강도에 비해 w/c=0.53일 때의 28일 압축강도는 순환골재 치환율이 30, 50, 70 및 100%일 때 각각 41.4, 37.1, 36.8 및 38.9% 감소하였다.
실험결과는 물-시멘트 비의 증가에 따른 28일 압축강도 감소율은 순환골재 치환율이 30%일 때 22.2 및 41.4%로서 가장 크게 감소하는 것을 나타낸다. 이는 물-시멘트 비의 증가에 따른 7일 압축강도 감소율은 순환골재 치환율이 30%일 때 가장 크게 감소한 것과 상응하는 결과이다.
3% 감소하였다. 또한, w/c=0.36일 때의 파괴계수에 비해 w/c=0.53일 때의 파괴계수는 순환골재 치환율이 30, 50, 70 및 100%일 때 각각 23.2, 22.7, 21.9 및 23.0% 감소하였다. 실험결과는 물-시멘트 비가 증가할수록 파괴계수가 감소하는 것을 나타낸다.
1% (C100 배합) 감소하였다. 실험결과는 순환골재를 70% 이상으로 치환할 때, 탄성계수는 10% 이상 감소할 수도 있음을 나타낸다.
4%(B100 배합) 감소하였다. 또한, w/c=0.36일 때의 탄성계수에 비해 w/c=0.53 일 때의 탄성계수는 순환골재 치환율 별로 각각 8.6%(C30 배 합), 11.4%(C50 배합), 16.7%(C70 배합) 및 13.0%(C100 배합) 감소하였다. 물-시멘트 비가 0.
순환골재 콘크리트의 탄성계수 예측식은 순환골재 콘크리트의 압축강도 한 개만을 종속변수로 사용하는 방법과 순환 골재 치환률 및 압축강도를 두 개의 종속변수로 함께 사용하는 방법으로 대별된다. 실험결과는 순환골재의 치환률이 증가할수록 콘크리트의 압축강도는 감소하고, 또한 탄성계수도 감소한다. 순환골재 치환률과 콘크리트의 압축강도는 서로 독립관계가 아니므로 이러한 두 개의 변수를 종속변수로 사용하여 콘크리트 탄성계수를 예측하는 것은 다소 한계가 있다.
9에 이 연구에서 뿐만 아니라 다른 연구자의 탄성계수 측정결과와 함께 설계코드 제안식에 의한 탄성계수 예측결과를 비교하여 나타내었다. 이 연구에서의 제안식에 의한 탄성 계수 예측결과는 설계코드 식에 의한 예측결과 보다 순환골재 콘크리트의 탄성계수를 더욱 합리적으로 예측하고 있다. 또한, 그림에서 보는 바와 같이 기존 다수의 연구는 압축강도 20∼ 40 MPa 범주의 순환골재 콘크리트의 탄성계수에 대해 수행 되었으며, 이 연구에서는 압축강도 30∼65 MPa 범주의 탄성 계수 측정값을 제시하여 순환골재 적용의 확대 가능성을 제시하였다.
순환골재 치환율이 증가할수록 압축강도 및 탄성계수처럼 쪼갬인장강도 역시 감소한다. A, B, C 시리즈 별로 기본 배합의 쪼갬인장강도에 대해 순환골재 치환율이 30% 일때의 쪼갬 인장강도는 각각 2.8, 2.5 및 2.1%, 치환율이 50% 일때의 쪼갬 인장강도는 각각 5.6, 7.5 및 6.4%, 치환율이 70% 일때의 쪼갬인장강도는 각각 8.3, 12.5 및 10.6% 감소한다. 또한 순환골재 치환율이 100% 일때의 쪼갬인장강도는 각각 11.
이 연구에서의 실험결과는 콘크리트표준시방서(KCI, 2009) 에서 제한하고 있는 30% 이내의 순환골재 치환율 범위에서 쪼갬인장강도의 감소율은 3% 이하로써 감소량이 미미한 것을 나타낸다. 반면에, 순환골재 치환율이 100%일 때 모든 배합 시리즈의 쪼갬인장강도 감소율은 10%를 초과한다.
순환골재 치환율이 증가함에 따라 파괴계수는 감소한다. A, B, C 시리즈 별로 기본 배합의 파괴계수에 대해 순환골재 치환율이 30%일 때의 파괴계수는 각각 3.6, 1.5 및 1.4%, 치환율이 50%일 때의 쪼갬인장강도는 각각 7.3, 3.0 및 5.7%, 치환율이 70%일 때의 쪼갬인장강도는 각각 9.1, 6.1 및 8.6% 감소한다. 또한 순환골재 치환율이 100%일 때의 쪼갬인장강도는 각각 14.
1) 굵은순환골재 치환율이 증가할수록 7일 및 28일 압축강도는 감소한다. 또한, 물-시멘트 비가 0.
2) 순환골재 치환율이 증가할수록 탄성계수는 감소한다. 또 한, 물-시멘트 비가 0.
4) 30% 이내의 순환골재 치환율 범위 내에서 순환골재 콘크리트의 쪼갬인장강도는 뚜렷한 감소를 나타내지 않는다. 반면에 순환골재 치환율이 100%일 때 모든 배합 시리즈의 쪼갬인장강도 감소율은 10%를 초과한다.
5) 콘크리트구조기준 및 ACI 318의 파괴계수 산정식은 압축 강도 40 MPa 이상의 순환골재 콘크리트의 파괴계수를 과소평가하고 있다.
또한, 순환골재 치환율이 70%일 때의 탄성계수 감소율은 각각 10.0%(A70 배합), 10.5%(B70 배합) 및 6.0%(C70 배합) 감소하였으며, 순환골재 치환율이 100%일 때의 탄성계수 감소율은 각각 10.2%(A100 배합), 12.4%(B100 배합) 및 10.1% (C100 배합) 감소하였다. 실험결과는 순환골재를 70% 이상으로 치환할 때, 탄성계수는 10% 이상 감소할 수도 있음을 나타낸다.
0% 감소하였다. 실험결과는 물-시멘트 비가 증가할수록 파괴계수가 감소하는 것을 나타낸다. 또한, w/c=0.
후속연구
또한, 기존 코드에서의 탄성계수 및 파괴계수 예측결과를 실험결과와 비교분석하였다. 이 연구의 실험결과는 현행 콘크리트표준시방서에서 제한하고 있는 순환골재 용적 사용량을 초과하는 순환골재 콘크리트의 성능 평가와 구조물 적용을 위한 유용한 기초자료로 활용될 수 있다.
이 연구에서는 콘크리트의 역학적 특성을 파악하는데 주안점을 두었으며, 이에 따라 골재의 밀도, 흡수율 및 입도분포를 파악하였다. 한편, 순환골재의 알칼리 골재반응, 유해물질 함유량 등은 순환골재 콘크리트의 물성 특히, 내구성능에 영향을 미치므로 추후 연구에서 이에 대한 평가가 필요하다고 판단된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
국내에서 도로용, 성토 및 복토 등의 비구조용 콘크리트에 순환골재의 사용이 많은 부분을 차지하고 있는 이유는 무엇인가?
그러나, 아직까지 국내에서는 순환골재에 대한 긍정적인 인식의 부족과 심도있는 연구결과의 한계로서 도로용, 성토 및 복토 등의 비구조용 콘크리트에 순환골재의 사용이 많은 부분을 차지하고 있다. 또한 콘크리트표준시방서(KCI, 2009) 와 KS F 2573(2011)에서는 27 MPa 이하의 설계압축강도 조건에서 구조용 콘크리트의 순환골재 함유량을 총용적량의 30% 이하로 제한하고 있는 실정이다.
건설폐기물의 증가에 대한 바람직한 해결방안은 어떤것이 있는가?
, 2007). 이러한 문제를 해결하기 위한 대안의 하나로서 건설폐기물에서 생산한 순환골재의 재활용 확대가 바람직하며, 이에 대한 다양한 연구가 필요한 상황이다(Lee et al., 2009; Jang et al.
건설폐기물의 증가가 미친 현 상황은 어떠한가?
또한, 우리나라는 과거 1970∼80 년대부터 급격한 산업발전과 경제성장으로 인해 콘크리트 구조물의 건설이 급격하게 증가하였으며, 이때부터 건설된 콘 크리트 구조물은 노후화되어 폐기과정에서 발생하는 건설폐기물의 비율이 점차 증가하고 있다. 이러한 건설폐기물의 증가는 최종 매립장의 증설 부담을 가중시키는 원인으로 작용하고 있으며, 기존 매립지는 포화상태가 되어 신규 매립지를 부설하기 위해서는 매립지 선정에 있어 사회적인 문제가 발생하는 상황까지 도달하였다(Kim et al., 2013; Kim et al.
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