[국내논문]순환골재 및 강섬유를 혼입한 콘크리트의 역학적 특성 및 변형 거동에 관한 실험적 연구 Experimental Study on Mechanical Properties and Deformation Behavior of Concrete with Recycled Aggregates and Steel Fiber원문보기
순환골재는 천연골재의 고갈문제를 해결하고 고부가가치를 창출할 수 있는 등 건설, 환경산업 부분에서 상당한 효용성을 갖고 있다. 그러나 순환골재의 활용을 위한 사회적 기반이 정립되고 다양한 연구가 진행되었음에도 불구하고, 천연골재에 비해 품질이 떨어지는 문제 때문에 이를 사용한 콘크리트 구조물은 매우 적은 실정이다. 본 연구에서는 순환골재에 의한 콘크리트 성능저하를 보완하기 위한 방안으로서 강섬유를 혼입한 콘크리트의 역학적 특성 및 변형 특성을 검토하였다. 그 결과, 순환골재를 혼입한 콘크리트는 천연골재만을 사용한 콘크리트(plain)에 비해 낮은 압축강도 및 탄성계수를 나타내었으나, 강섬유의 혼입에 의해 plain과 동등 수준의 성능을 확보할 수 있었다. 또한, 건조수축 및 크리프계수에 있어서도 강섬유의 내부구속효과, 수분 이동 구속효과 및 강도의 증진 등에 기인하여 혼입률 0.5 Vol.%의 범위에서 plain과 유사한 거동을 나타낼 수 있었다. 따라서 순환골재 콘크리트를 적극적으로 활용하기 위한 방안으로서 강섬유의 혼입은 매우 효과적일 것으로 판단된다.
순환골재는 천연골재의 고갈문제를 해결하고 고부가가치를 창출할 수 있는 등 건설, 환경산업 부분에서 상당한 효용성을 갖고 있다. 그러나 순환골재의 활용을 위한 사회적 기반이 정립되고 다양한 연구가 진행되었음에도 불구하고, 천연골재에 비해 품질이 떨어지는 문제 때문에 이를 사용한 콘크리트 구조물은 매우 적은 실정이다. 본 연구에서는 순환골재에 의한 콘크리트 성능저하를 보완하기 위한 방안으로서 강섬유를 혼입한 콘크리트의 역학적 특성 및 변형 특성을 검토하였다. 그 결과, 순환골재를 혼입한 콘크리트는 천연골재만을 사용한 콘크리트(plain)에 비해 낮은 압축강도 및 탄성계수를 나타내었으나, 강섬유의 혼입에 의해 plain과 동등 수준의 성능을 확보할 수 있었다. 또한, 건조수축 및 크리프계수에 있어서도 강섬유의 내부구속효과, 수분 이동 구속효과 및 강도의 증진 등에 기인하여 혼입률 0.5 Vol.%의 범위에서 plain과 유사한 거동을 나타낼 수 있었다. 따라서 순환골재 콘크리트를 적극적으로 활용하기 위한 방안으로서 강섬유의 혼입은 매우 효과적일 것으로 판단된다.
To solve the exhaustion problem of natural aggregate which were create the high value in construction and environmental industry, recycled aggregates have considerable benefits than other materials. However, even though many researches have been conducted with recycled aggregates, building structure...
To solve the exhaustion problem of natural aggregate which were create the high value in construction and environmental industry, recycled aggregates have considerable benefits than other materials. However, even though many researches have been conducted with recycled aggregates, building structures with recycled aggregated are rarely constructed because it has lower quality than natural aggregates have. In this study, mechanical and strain properties of recycled aggregates concrete containing steel fibers have been reviewed in order to complement performance of recycled aggregates concrete. As results, recycled aggregates concrete showed lower compressive strength and elastic modulus than plain concrete. But, recycled aggregates concrete containing steel fibers showed equivalent performance with plain concrete. In review of drying shrinkage and creep coefficient, recycled aggregates concrete containing steel fibers showed similar behavior with plain concrete in the range of 0.5 Vol.% fiber content rate by internal restraint effect, moisture transport restraint effect and strength enhancement effect of steel fiber. Therefore, it is considered that mixing steel fibers with concrete is the effective method as a active application plan for recycled aggregates.
To solve the exhaustion problem of natural aggregate which were create the high value in construction and environmental industry, recycled aggregates have considerable benefits than other materials. However, even though many researches have been conducted with recycled aggregates, building structures with recycled aggregated are rarely constructed because it has lower quality than natural aggregates have. In this study, mechanical and strain properties of recycled aggregates concrete containing steel fibers have been reviewed in order to complement performance of recycled aggregates concrete. As results, recycled aggregates concrete showed lower compressive strength and elastic modulus than plain concrete. But, recycled aggregates concrete containing steel fibers showed equivalent performance with plain concrete. In review of drying shrinkage and creep coefficient, recycled aggregates concrete containing steel fibers showed similar behavior with plain concrete in the range of 0.5 Vol.% fiber content rate by internal restraint effect, moisture transport restraint effect and strength enhancement effect of steel fiber. Therefore, it is considered that mixing steel fibers with concrete is the effective method as a active application plan for recycled aggregates.
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문제 정의
따라서 본 연구에서는 순환골재를 혼입한 콘크리트에 강섬유가 적용되었을 때, 역학적 특성과 변형특성으로서 압축강도, 탄성계수, 건조수축 및 크리프의 특성을 검토하고자 한다. 이를 바탕으로 순환골재 및 강섬유를 혼입한 콘크리트가 구조재료로서의 활용 가능한지에 관한 기초적 자료를 제시하고자 한다.
본 연구에서는 순환골재를 혼입한 콘크리트의 역학적 특성 및 변형 거동에서 확인되는 성능저하에 대해, 이를 보완하기 위한 방안으로써 강섬유 혼입에 따른 콘크리트의 성능보완 가능성을 검토하였으며, 그 결과를 정리하면 다음과 같다.
따라서 본 연구에서는 순환골재를 혼입한 콘크리트에 강섬유가 적용되었을 때, 역학적 특성과 변형특성으로서 압축강도, 탄성계수, 건조수축 및 크리프의 특성을 검토하고자 한다. 이를 바탕으로 순환골재 및 강섬유를 혼입한 콘크리트가 구조재료로서의 활용 가능한지에 관한 기초적 자료를 제시하고자 한다.
제안 방법
Table 1에 본 연구를 진행하기 위한 시험계획을 나타내었다. W/C 55% 콘크리트를 대상으로 순환굵은골재 치환율 0, 30%와 강섬유 혼입율 0, 0.5 및 1.0%를 시험의 변수로 설정하였다.
또한 강섬유의 혼입률은 기존연구에서 0.5~1.5%의 강섬유를 콘크리트에 혼입할 시에 내력 및 연성 등의 성능이 향상된다고 보고되어 있어, 이를 바탕으로 혼입률을 선정하였다.
콘크리트의 평가항목은 굳지 않은 성상으로서 슬럼프, 공기량을 평가하였으며, 이에 대한 목표값은 각각 고성능감수제(HRWR) 및 AE제로 조절하여 만족시켰다. 또한 콘크리트의 역학적 특성은 압축강도 뿐 아니라 압축응력에 의한 변형거동을 전반적으로 검토하기 위해 탄성계수 및 크리프를 평가하였다.
또한, 탄성계수는 압축강도 시험과 별도로 재령 7, 14 및 28일을 대상으로 하였으며, KS F 2438 ｢콘크리트 원주 공시체의 정탄성 계수 및 포아송비 시험 방법｣에 준하여 0.25±0.035 MPa/s의 속도로 가력하여 평가했다.
시험 수행 중에 발생하는 총 변형률 중에 순수 크리프 변형률을 구하기 위하여 하중이 재하되지 않은 동일한 시험체(φ150×300 mm의 원주형 공시체)에 대한 건조수축 변형률을 측정하여 빼주었다. 본 연구에서는 크리프계수만을 제시하였으며, 이러한 계수는 최초 재하에 의해 발생되는 변형률(탄성변형률)에 대한 순수 크리프 변형률의 비율로 도출하였다(Fig. 4 참조).
1 m3의 강재식 팬 믹서를 사용하였으며, 강섬유를 혼입한 콘크리트를 제작할 때에는 재료의 투입순서 및 비빔시간이 섬유의 뭉침 현상 등에 영향을 미치기 때문에 모든 배합에서 동일한 방법을 사용하였다. 시멘트, 잔골재 및 굵은 골재를 1분간 건비빔하였으며, 이후 배합수 및 혼화제를 투입하였다. 강섬유는 섬유의 뭉침 현상을 방지하기 위해 0.
시험 수행 중에 발생하는 총 변형률 중에 순수 크리프 변형률을 구하기 위하여 하중이 재하되지 않은 동일한 시험체(φ150×300 mm의 원주형 공시체)에 대한 건조수축 변형률을 측정하여 빼주었다.
일반적으로 순환골재의 사용과 관련하여 ｢콘크리트 표준시방서｣에서는 “순환골재를 사용하여 설계기준압축강도 21 MPa이상 27 MPa이하의 콘크리트를 제조할 경우, 순환굵은골재의 최대 치환량은 총 굵은 골재 용적의 30%로 한다”라고 제시되어 있으며, 이에 본 연구에서도 이를 반영하여 순환굵은골재의 치환율을 설정하였다.
본 연구에서 사용된 콘크리트의 설계기준강도(fck)는 24 MPa이며, 이에 대한 콘크리트 배합은 Table 2와 같다. 콘크리트의 비빔은 0.1 m3의 강재식 팬 믹서를 사용하였으며, 강섬유를 혼입한 콘크리트를 제작할 때에는 재료의 투입순서 및 비빔시간이 섬유의 뭉침 현상 등에 영향을 미치기 때문에 모든 배합에서 동일한 방법을 사용하였다. 시멘트, 잔골재 및 굵은 골재를 1분간 건비빔하였으며, 이후 배합수 및 혼화제를 투입하였다.
콘크리트의 평가항목은 굳지 않은 성상으로서 슬럼프, 공기량을 평가하였으며, 이에 대한 목표값은 각각 고성능감수제(HRWR) 및 AE제로 조절하여 만족시켰다. 또한 콘크리트의 역학적 특성은 압축강도 뿐 아니라 압축응력에 의한 변형거동을 전반적으로 검토하기 위해 탄성계수 및 크리프를 평가하였다.
콘크리트 건조수축 시험은 KS F 2424 ｢모르타르 및 콘크리트의 길이 변화 시험 방법｣에 준하여 100×100×400mm 시험체를 사용하여 실시하였다. 타설 후 재령 1일간 기건양생하고, 재령 7일까지 수중양생 후 이를 시점으로 길이 변화율을 평가했다. 측정은 부착형 스트레인게이지와 데이터로거를 활용하였다.
대상 데이터
본 연구에서 사용한 재료의 물리적 성질을 Table 3에 나타내었다. 결합재는 밀도 3.15 g/cm3 , 분말도 3770 cm2/g인 1종 포틀랜드시멘트만을 사용하였고, 순환굵은 골재는 천연굵은골재에 비해 밀도가 낮고 흡수율이 높은 것이 특징이다. 이는 순환골재에 포함된 다량의 모르타르와 시멘트 페이스트의 영향인 것으로 볼 수 있다.
2 참조). 또한 밀도 2.54 g/cm3의 세척사를 사용하였으며, 유동성 확보를 위한 고성능감수제는 Polycarboxylate계를 사용하였다.
본 연구에서 사용된 콘크리트의 설계기준강도(fck)는 24 MPa이며, 이에 대한 콘크리트 배합은 Table 2와 같다. 콘크리트의 비빔은 0.
이는 순환골재에 포함된 다량의 모르타르와 시멘트 페이스트의 영향인 것으로 볼 수 있다. 시험에 사용한 순환골재는 KS F 2573 ｢콘크리트용 순환골재｣에서 제시하는 품질기준의 흡수율(3% 이하)은 만족하였지만절건 밀도는 2.5 g/cm3에 미달하였다. 이는 구조용 순환골재의 품질이 확보되는 생산업체가 많지 않으며 수요가 적음에 기인한 것으로, 본 연구에서는 현실적인 조건을 고려하여 교체 없이 사용하였다(Fig.
시험체 규격은 φ150×300 mm의 원주형 공시체를 사용하였으며, 재하하중은 재하재령 28일 평균 압축강도의40%로 하였다.
타설 후 재령 1일간 기건양생하고, 재령 7일까지 수중양생 후 이를 시점으로 길이 변화율을 평가했다. 측정은 부착형 스트레인게이지와 데이터로거를 활용하였다.
혼입 섬유는 국내에서 생산되는 인장강도 1,140 MPa급, 지름 0.5 mm, 길이 30 mm의 후크형 강섬유를 사용하였으며, 그 형상을 Fig. 3에 나타내었다.
이론/모형
압축강도시험은 국내 KS F 2405 ｢콘크리트의 압축강도 시험방법｣에 준하여 콘크리트의 압축시험 시 하중 제어 방식으로서 0.6±0.4 MPa/s의 속도로 가력하여 평가하였다.
콘크리트 건조수축 시험은 KS F 2424 ｢모르타르 및 콘크리트의 길이 변화 시험 방법｣에 준하여 100×100×400mm 시험체를 사용하여 실시하였다.
콘크리트 크리프시험은 KS F 2453에 준하여 진행하였다. 시험체 규격은 φ150×300 mm의 원주형 공시체를 사용하였으며, 재하하중은 재하재령 28일 평균 압축강도의40%로 하였다.
콘크리트의 굳지 않은 성상으로서 슬럼프와 공기량은 KS F 2402 ｢포틀랜드시멘트 콘크리트의 슬럼프 시험방법｣ 및 KS F 2421 ｢압력법에 의한 굳지 않은 콘크리트의 공기량 시험방법｣에 준하여 실시하였다.
성능/효과
0 Vol.% 혼입한 경우에 있어서도 약 15% 증가하는 효과를 확인하였다. 이러한 결과는 Williamson 등의 연구(1974)에와 같이, 강섬유를 약 1~2% 혼입함에 따라 압축강도가 증가한다는 연구결과와 유사하다.
0 Vol.% 혼입함에 따라 약 14 및 18% 탄성계수가 증가되는 현상을 확인하였다.
1) 순환골재의 높은 흡수율에 기인하여 콘크리트의 유동성을 증가시키지만, 강섬유를 혼입하는 경우 굵은골재와의 마찰력 등에 의해 유동성을 감소시켰다.
이에 건설산업도 “건설→운용→해체→재생”이라는 순환고리로 연결되는 체계를 형성하였으며, 특히 건설구조물의 해체를 통해 발생하는 폐콘크리트는 분리, 선별, 파쇄에 의하여 골재로서 사용될 수 있게 되었다.1) 이러한 순환골재는 천연골재의 고갈문제를 해결하고 고부가가치를 창출할 수 있는 등 건설, 환경산업 부분에서 상당한 효용성을 갖고 있다. 2003년 “건설폐기물의 재활용 촉진에 관한 법률”이 제정된 이후, 상기 법률의 시행을 위한 구체적인 시행규칙이 제정, 공포되었고, 2006년에는 순환골재 품질기준과 부합하기 위하여 “KSF 2573(콘크리트용 순환골재)”가 개정되는 등 순환골재의 적극적인 활용을 위한 사회적 기반도 마련되었다.
이러한 결과는 Williamson 등의 연구(1974)에와 같이, 강섬유를 약 1~2% 혼입함에 따라 압축강도가 증가한다는 연구결과와 유사하다.17) 이를 통해 순환골재에 의한 콘크리트의 압축강도 저하현상은 강섬유를 약 0.5~1.0% 범위에서 혼입함으로써 천연골재와 동등이상의 발현율을 확보할 수 있음을 확인하였다.
2) 순환골재 표면에 존재하는 시멘트 페이스트 공극과 강섬유 혼입 비빔시 발생되는 발생되는 공기는 콘크리트의 공기량을 증가시키는 요인이 되었다.
3) 초기재령에 있어 순환골재를 혼입한 콘크리트의 압축강도는 천연골재를 사용한 콘크리트에 비해 낮은 압축강도를 나타내었으나, 순환골재 내부의 물이 비교적 장기간 시멘트 수화작용을 돕는 내부양생효과에 기인하여, 장기재령으로 갈수록 천연골재 콘크리트와의 압축강도의 차이는 감소하는 경향을 나타내었고, 이러한 압축강도의 차이는 강섬유를 혼입함으로서 천연골재 콘크리트와 동등수준의 압축강도를 확보할 수 있었다.
4) 순환골재를 혼입한 콘크리트의 탄성계수는 천연골재를 사용한 콘크리트에 비해 낮은 값을 나타내었으나, 콘크리트보다 높은 탄성계수를 갖는 강섬유를 혼입함으로써, 천연골재 콘크리트와 동등수준의 성능을 확보할 수 있었다.
5) 순환골재를 혼입한 콘크리트는 천연골재 콘크리트에 비해 높은 건조수축 변형률을 나타었으나, 강섬유를 혼입하여 내부구속효과 및 수분 이동 구속효과 등에 기인하여 건조수축 변형률이 감소할 수 있었다.
강섬유를 혼입한 콘크리트의 경우 목표 슬럼프를 만족하기 위한 고성능감수제의 혼입률이 증가하고, 강섬유의 혼입률이 증가함에 따라 슬럼프 값은 감소하는 경향을 나타내었다. 강섬유의 경우 페이스트 또는 모르타르의 상태에서 혼입되었을 때, 슬럼프 및 플로우의 큰 저하를 발생하지 않지만(fiber ball 제외), 콘크리트에 혼입되는 경우 굵은 골재와의 마찰력이 증가되어 유동성이 저하된다고 판단된다.
강섬유의 혼입은 건조수축 변형률이 감소시키는데 효과적인 것으로 나타났다. 순환골재를 혼입한 콘크리트에 강섬유를 0.
또한 강섬유를 혼입한 콘크리트 무혼입 콘크리트에 비해 공기량이 증가하며, 강섬유의 혼입률이 증가함에 따라 공기량은 비례적으로 증가되는 경향을 보였다. 이는 콘크리트 내에 강섬유가 분산되면서 갇힌 공기를 증가시켜 공극을 형성하기 때문이라고 판단된다.
이는 순환골재 표면에 존재하는 흡수율 높은 시멘트 페이스트의 공극에 포함된 수분이 단위수량을 증가시켜 발생한 것으로 추정될 수 있다. 또한 본 연구에서 사용된 천연 굵은 골재의 경우, 다소 각진 형상이고, 순환골재의 표면은 시멘트 페이스트에 의해 상대적으로 둥근 형상을 지니고 있어, 유동성에 영향을 미쳤을 것으로 판단된다.13)
6은 순환골재 및 강섬유 혼입에 따른 콘크리트의 공기량을 나타낸 것이다. 순환골재를 혼입한 콘크리트는 천연골재만을 사용한 콘크리트에 비해 공기량이 다소 증가 되는 현상을 보였다. Lotfi 등의 연구(2015) 에 의하면 순환골재 표면에 존재하는 시멘트 페이스트의 공극은 공기량을 증가시키고, 공기량과 콘크리트의 밀도는 반비례의 관계가 있다고 보고되어 있다.
5는 순환골재 및 강섬유 혼입에 따른 콘크리트의 슬럼프를 나타낸 것이다. 순환골재를 혼입한 콘크리트는 천연골재만을 사용한 콘크리트에 비해 슬럼프가 다소 증가 되는 현상을 보였다. 이는 순환골재 표면에 존재하는 흡수율 높은 시멘트 페이스트의 공극에 포함된 수분이 단위수량을 증가시켜 발생한 것으로 추정될 수 있다.
7은 순환골재 및 강섬유 혼입에 따른 콘크리트의 재령 7, 14 및 28일의 압축강도를 나타낸 것이다. 시험결과, 천연골재를 사용한 콘크리트(Plain)는 재령 7, 14 및 28일에 각각 21.2, 26.4 및 28.1 MPa로 나타났으며, 순환 골재를 혼입한 콘크리트는 Plain에 비해 각 재령별로 82.1, 84.5 및 89.7%의 발현율을 나타내었다. 이와 같이 순환골재를 혼입한 콘크리트는 천연골재만을 사용한 콘크리트와 비교하여 장기재령으로 갈수록 그 차이가 감소되는 경향을 보였다.
Table 4는 순환골재 및 강섬유 혼입에 따른 콘크리트의 재령 7, 14 및 28일의 탄성계수를 나타낸 것이다. 탄성계수는 압축강도 결과와 유사하게 순환골재를 혼입한 콘크리트가 천연골재만을 사용한 콘크리트에 비해 약 12% 감소되는 경향을 나타내었다. 또한 순환골재를 혼입한 콘크리트에 강섬유를 0.
후속연구
이러한 현상은 흡수율이 높은 순환골재의 특성에 비추어 볼 때, 골재 내부의 물이 비교적 장기간 시멘트 수화작용을 돕는 내부양생 효과에 기인한 것이라고 할 수 있다.16) 그렇지만 제한된 시험결과에 기인한 것으로 보다 심층적인 연구가 필요한 것으로 판단된다.
따라서 순환골재를 적극적으로 활용하기 위한 방안으로서 일정량의 강섬유 혼입은 콘크리트의 성능향상에 매우 효과적일 것으로 판단되며, 향후 보완연구가 필요한 것으로 판단된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
순환골재의 단점은 무엇인가?
순환골재는 천연골재의 고갈문제를 해결하고 고부가가치를 창출할 수 있는 등 건설, 환경산업 부분에서 상당한 효용성을 갖고 있다. 그러나 순환골재의 활용을 위한 사회적 기반이 정립되고 다양한 연구가 진행되었음에도 불구하고, 천연골재에 비해 품질이 떨어지는 문제 때문에 이를 사용한 콘크리트 구조물은 매우 적은 실정이다. 본 연구에서는 순환골재에 의한 콘크리트 성능저하를 보완하기 위한 방안으로서 강섬유를 혼입한 콘크리트의 역학적 특성 및 변형 특성을 검토하였다.
순환골재 콘크리트에 강섬유를 혼입시 어떤 이점들이 나타나는가?
본 연구에서는 순환골재에 의한 콘크리트 성능저하를 보완하기 위한 방안으로서 강섬유를 혼입한 콘크리트의 역학적 특성 및 변형 특성을 검토하였다. 그 결과, 순환골재를 혼입한 콘크리트는 천연골재만을 사용한 콘크리트(plain)에 비해 낮은 압축강도 및 탄성계수를 나타내었으나, 강섬유의 혼입에 의해 plain과 동등 수준의 성능을 확보할 수 있었다. 또한, 건조수축 및 크리프계수에 있어서도 강섬유의 내부구속효과, 수분 이동 구속효과 및 강도의 증진 등에 기인하여 혼입률 0.5 Vol.%의 범위에서 plain과 유사한 거동을 나타낼 수 있었다. 따라서 순환골재 콘크리트를 적극적으로 활용하기 위한 방안으로서 강섬유의 혼입은 매우 효과적일 것으로 판단된다.
순환골재의 특징은 무엇인가?
순환골재는 천연골재의 고갈문제를 해결하고 고부가가치를 창출할 수 있는 등 건설, 환경산업 부분에서 상당한 효용성을 갖고 있다. 그러나 순환골재의 활용을 위한 사회적 기반이 정립되고 다양한 연구가 진행되었음에도 불구하고, 천연골재에 비해 품질이 떨어지는 문제 때문에 이를 사용한 콘크리트 구조물은 매우 적은 실정이다.
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