본 연구에서는 다공성 블록의 내구성 향상을 위해 압축강도 3MPa 및 공극률 30%를 만족하는 배합설계를 확인하였으며, 선정된 배합에서 GFRP 보강 방법에 따른 보의 내력 및 인성 증가를 평가하였다. 다공성 콘크리트의 목표성능 만족을 위해서는 골재입도 15~20mm에서 물-시멘트 비 및 시멘트-골재 비가 각각 25% 및 15%로 추천될 수 있었다. GFRP로 보강된 다공성 콘크리트 보의 거동은 전단파괴에 의해 지배되었다. 이에 따라 GFRP의 휨 저항 발휘는 매우 적었으며, GFRP 보강근의 장부작용에 의한 전단내력상승은 결과적으로 다공성 콘크리트 보의 하중 저항성과 인성을 향상시켰다. GFRP 보강근을 압축과 인장측에 각각 1본(D9)씩 배근한 경우 내력은 무보강 보에 비해 약 2.1배 증가하였으며, 인성지수 $I_{30}$값은 43.4를 보임으로서 인성지수 값을 측정할 수 없었던 무보강 보에 비해 상당히 향상되었다.
본 연구에서는 다공성 블록의 내구성 향상을 위해 압축강도 3MPa 및 공극률 30%를 만족하는 배합설계를 확인하였으며, 선정된 배합에서 GFRP 보강 방법에 따른 보의 내력 및 인성 증가를 평가하였다. 다공성 콘크리트의 목표성능 만족을 위해서는 골재입도 15~20mm에서 물-시멘트 비 및 시멘트-골재 비가 각각 25% 및 15%로 추천될 수 있었다. GFRP로 보강된 다공성 콘크리트 보의 거동은 전단파괴에 의해 지배되었다. 이에 따라 GFRP의 휨 저항 발휘는 매우 적었으며, GFRP 보강근의 장부작용에 의한 전단내력상승은 결과적으로 다공성 콘크리트 보의 하중 저항성과 인성을 향상시켰다. GFRP 보강근을 압축과 인장측에 각각 1본(D9)씩 배근한 경우 내력은 무보강 보에 비해 약 2.1배 증가하였으며, 인성지수 $I_{30}$값은 43.4를 보임으로서 인성지수 값을 측정할 수 없었던 무보강 보에 비해 상당히 향상되었다.
In this study, mix proportioning of porous concrete with compressive strength and porosity exceeding 3MPa and 30%, respectively, was examined and then load capacity and flexural toughness of the porous concrete block were evaluated according to the different arrangements of the GFRP bars. To achieve...
In this study, mix proportioning of porous concrete with compressive strength and porosity exceeding 3MPa and 30%, respectively, was examined and then load capacity and flexural toughness of the porous concrete block were evaluated according to the different arrangements of the GFRP bars. To achieve the designed requirements of porous concrete, it can be recommended that water-to-cement ratio and cement-to-coarse aggregate ratio are 25% and 20%, respectively, under the aggregate particle distribution of 15~20mm. The failure mode of porous concrete blocks reinforced with GFRP bars was governed by shear cracks. As a result, very few flexural resistance of the GFRP was expected. However, the enhanced shear strength of porous concrete due to the dowel action of the GFRP bars increased the load capacity and toughness of the blocks. The porous concrete blocks reinforced with one GFRP bar at each compressive and tensile regions had 2.1 times higher load capacity than the companion non-reinforced block and exhibited a high ductile behavior with the ultimate toughness index ($I_{30}$) of 43.4.
In this study, mix proportioning of porous concrete with compressive strength and porosity exceeding 3MPa and 30%, respectively, was examined and then load capacity and flexural toughness of the porous concrete block were evaluated according to the different arrangements of the GFRP bars. To achieve the designed requirements of porous concrete, it can be recommended that water-to-cement ratio and cement-to-coarse aggregate ratio are 25% and 20%, respectively, under the aggregate particle distribution of 15~20mm. The failure mode of porous concrete blocks reinforced with GFRP bars was governed by shear cracks. As a result, very few flexural resistance of the GFRP was expected. However, the enhanced shear strength of porous concrete due to the dowel action of the GFRP bars increased the load capacity and toughness of the blocks. The porous concrete blocks reinforced with one GFRP bar at each compressive and tensile regions had 2.1 times higher load capacity than the companion non-reinforced block and exhibited a high ductile behavior with the ultimate toughness index ($I_{30}$) of 43.4.
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문제 정의
본 연구에서는 다공성 블록의 투수 기능 및 내력 증진을 위해 배합설계비 제시 및 GFRP(Glass fiber reinforced plastics)를 활용한 보강 방법을 검토하였다. 습기에 노출되는 다공성 콘크리트 특성을 고려하여 부식저항성이 높은 GFRP 보강근을 보강재로 선택하였다[9].
이를 달성하기 위한 배합변수는 골재입경, W/C 및 시멘트-골재비(C/G)를 변화하였으며, 최소한의 내구성 확보를 위해 압축강도가 3MPa 이상인 배합에서 공극률이 가장 높은 배합설계비를 선정하였다. 다공성 콘크리트의 압축강도는 공극률에 중요한 영향을 받으므로 가능하면 공극률을 높이면서 최대 압축강도를 갖는 목표를 설정하였다. 선정된 최적의 배합에서 블록의 내력 및 인성 증대를 위해 GFRP 보강근을 배근하였다.
제안 방법
배합실험에서 다공성 콘크리트의 골재입도에 따른 변화를 평가하고자 입도를 10∼15mm, 15∼20mm 및 20∼25mm로 변화하였으며, W/C와 C/G를 각각 25% 및 15%로 고정하였다.
습기에 노출되는 다공성 콘크리트 특성을 고려하여 부식저항성이 높은 GFRP 보강근을 보강재로 선택하였다[9]. 다공성 블록의 적절한 투수성능과 GFRP 보강을 고려하여 목표를 휨 강도 3MPa 및 공극률 30%를 각각 설정하였다. 이를 달성하기 위한 배합변수는 골재입경, W/C 및 시멘트-골재비(C/G)를 변화하였으며, 최소한의 내구성 확보를 위해 압축강도가 3MPa 이상인 배합에서 공극률이 가장 높은 배합설계비를 선정하였다.
다공성 블록의 적절한 투수성능과 GFRP 보강을 고려하여 목표를 휨 강도 3MPa 및 공극률 30%를 각각 설정하였다. 이를 달성하기 위한 배합변수는 골재입경, W/C 및 시멘트-골재비(C/G)를 변화하였으며, 최소한의 내구성 확보를 위해 압축강도가 3MPa 이상인 배합에서 공극률이 가장 높은 배합설계비를 선정하였다. 다공성 콘크리트의 압축강도는 공극률에 중요한 영향을 받으므로 가능하면 공극률을 높이면서 최대 압축강도를 갖는 목표를 설정하였다.
다공성 콘크리트의 압축강도는 공극률에 중요한 영향을 받으므로 가능하면 공극률을 높이면서 최대 압축강도를 갖는 목표를 설정하였다. 선정된 최적의 배합에서 블록의 내력 및 인성 증대를 위해 GFRP 보강근을 배근하였다. GFRP 보강 방법에 따른 다공성 콘크리트 블록의 하중-변위 관계 및 인성을 평가하였다.
선정된 최적의 배합에서 블록의 내력 및 인성 증대를 위해 GFRP 보강근을 배근하였다. GFRP 보강 방법에 따른 다공성 콘크리트 블록의 하중-변위 관계 및 인성을 평가하였다.
다공성 콘크리트의 경우 휨 내력을 확보하기 위해서는 콘크리트 전단전달 능력에 대한 검토도 필요하다. 이를 고려하여 GFRP의 장부작용에 의한 전단저항 향상을 통해 결과적으로 다공성 콘크리트의 휨 내력을 높이기 위하여 GFRP 보강근의 배근위치를 변화시켰다. GFRP 보강에 따른 다공성 콘크리트에서 배합은 압축강도 발현을 고려하여 최적배합 설계에서 결정된 15∼20mm의 골재를 사용한 배합을 이용하였다(3.
GFRP 보강위치는 Figure 3에 나타낸 바와 같이 배근 하였다. 또한, 비교를 위해 무보강 시험체도 제작하였다. Figure 3에 나타낸 바와 같이 B1 시험체는 인장 측에 GFRP를 1개 보강하였으며, B2 시험체는 인장 및 압축 측에 1개씩 보강하였다.
대상 데이터
본 연구에서는 다공성 블록의 투수 기능 및 내력 증진을 위해 배합설계비 제시 및 GFRP(Glass fiber reinforced plastics)를 활용한 보강 방법을 검토하였다. 습기에 노출되는 다공성 콘크리트 특성을 고려하여 부식저항성이 높은 GFRP 보강근을 보강재로 선택하였다[9]. 다공성 블록의 적절한 투수성능과 GFRP 보강을 고려하여 목표를 휨 강도 3MPa 및 공극률 30%를 각각 설정하였다.
콘크리트 배합에서 사용된 시멘트는 제 1종 보통 포틀랜드 시멘트를 사용하였다. 골재는 5mm 이상 25mm 이하의 부순골재를 사용하였다.
콘크리트 배합에서 사용된 시멘트는 제 1종 보통 포틀랜드 시멘트를 사용하였다. 골재는 5mm 이상 25mm 이하의 부순골재를 사용하였다. 각 골재 직경에 따른 골재의 물리적 성질은 Table 1에 나타내었으며, Figure 1에 조립률 그래프를 나타내었다.
GFRP 보강에 따른 다공성 콘크리트에서 배합은 압축강도 발현을 고려하여 최적배합 설계에서 결정된 15∼20mm의 골재를 사용한 배합을 이용하였다(3.3 참고).
다공성 콘크리트의 압축강도 및 공극률 평가를 위해 KS F 2403[12]에 따라 원주형 공시체(Φ100×200mm)를 제작하였다.
이론/모형
GFRP 보강 방법에 따른 휨 강도 및 인성지수 평가를 위해 KS F 2403[12]에 따라 100×100×400mm의 시험체를 제작하였으며, KS F 2408[15]에 의해 3등분점 재하 방법으로 28일에서 하중-변위 관계를 측정하였다.
공극률(At) 측정은 일본 에코 콘크리트연구위원회에서 제안한 “포러스 콘크리트의 공극률 시험방법(안)”의 용적법[14]으로 측정하였는데, 그 평가식은 다음과 같다.
다공성 콘크리트의 압축강도 및 공극률 평가를 위해 KS F 2403[12]에 따라 원주형 공시체(Φ100×200mm)를 제작하였다. 압축강도는 재령 1, 3, 7일 및 28일에서 KS F2405[13]에 따라 측정하였다. 공극률(At) 측정은 일본 에코 콘크리트연구위원회에서 제안한 “포러스 콘크리트의 공극률 시험방법(안)”의 용적법[14]으로 측정하였는데, 그 평가식은 다음과 같다.
GFRP 보강 방법에 따른 휨 강도 및 인성지수 평가를 위해 KS F 2403[12]에 따라 100×100×400mm의 시험체를 제작하였으며, KS F 2408[15]에 의해 3등분점 재하 방법으로 28일에서 하중-변위 관계를 측정하였다. 보 중앙 경간에서 처짐은 KS F 2566[16]에 따라 측정하였다(Figure 4). 인성지수는 ASTM C 1018[17]에 따라 산정하였다.
보 중앙 경간에서 처짐은 KS F 2566[16]에 따라 측정하였다(Figure 4). 인성지수는 ASTM C 1018[17]에 따라 산정하였다. 인성지수 I5, I10, I20및 I30은 최초균열 발생 시 처짐(δ)의 3배, 5.
성능/효과
각 골재 직경에 따른 골재의 물리적 성질은 Table 1에 나타내었으며, Figure 1에 조립률 그래프를 나타내었다. 골재의 입도가 감소할수록 조립률은 감소하였으며, 밀도는 차이가 나타나지 않았다. 사용된 이형 GFRP 보강근의 직경은 9mm이며, 응력-변형률 관계는 Figure 2에 나타내었다.
사용된 이형 GFRP 보강근의 직경은 9mm이며, 응력-변형률 관계는 Figure 2에 나타내었다. 이형 GFRP 보강근의 단면적, 인장강도 및 탄성계수는 각각 63.59mm2, 918.4MPa 및 32,900MPa이며, 최대 응력 이후 급격히 파단하는 취성모드를 보였다.
측정결과 동일한 배합에서의 골재입도가 커질수록 공극률은 약 13∼15% 증가하는 하였으며, W/C 및 C/G가 증가할수록 공극률은 감소하는 경향을 나타내었다.
골재입도가 20∼25mm인 배합이 재령 28일 기준 43.45%로 가장 높은 공극률을 나타내었으며, 골재입도가 10∼20mm인 배합에서 20∼25mm골재를 사용한 배합에 비해 약 40% 낮은 30.88%로 가장 낮은 공극률을 나타내었다.
동일한 W/C와 C/G를 사용한 배합의 경우 압축강도가 재령 3일까지 선형적으로 증가하였으며, 재령 3일에서의 압축강도는 28일 압축강도 대비 78∼95% 수준으로 재령 3일에서 높은 압축강도발현 특성을 나타내었다.
무보강 시험체 B0의 휨 응력은 ACI 318-14[20]의 예측값보다 약 1.4배 높았으며, GFRP 보강 시험체들에서 측정된 휨 응력도 기준 예측값보다 약 2.2∼3.1배 높았다.
이와 같은 이유로 GFRP 보강 다공성 콘크리트 보의 하중-변위 관계는 전형적인 거동보다는 초기 강성 및 최대내력 이후의 하중저하 기울기도 상당한 편차를 보였다. 결과적으로 다공성 콘크리트 보의 하중-변위 관계는 공극분포, 균열진전 및 파괴모드에 의해 중요한 영향을 받았다.
GFRP 보강 다공성 콘크리트 보의 거동은 전단균열 및 전단파괴에 의해 지배되었다. 하지만 GFRP 보강근의 장부작용에 의한 전단내력 향상을 통하여 결과적으로 보의 내력은 향상되는 결과를 보였다. GFRP 보강근의 최대내력은 B4 시험체가 가장 높았는데, 무보강 보인 B0에 비해 약 2.
하지만 GFRP 보강근의 장부작용에 의한 전단내력 향상을 통하여 결과적으로 보의 내력은 향상되는 결과를 보였다. GFRP 보강근의 최대내력은 B4 시험체가 가장 높았는데, 무보강 보인 B0에 비해 약 2.25배 높았다. GFRP 보강근을 압축과 인장 측에 각각 1본씩 배근한 B2 시험체도 무보강 보에 비해 약 2배 높은 내력을 보였다.
25배 높았다. GFRP 보강근을 압축과 인장 측에 각각 1본씩 배근한 B2 시험체도 무보강 보에 비해 약 2배 높은 내력을 보였다. 비록 전단파괴에 의해 지배되었지만 파괴 시 내력에 대해 무보강단면에 대한 휨 응력으로 산정한 결과도 ACI 318-14 [20]에서 제시하는 파괴계수 식을 이용한 예측값보다 높았다.
GFRP 보강근을 압축과 인장 측에 각각 1본씩 배근한 B2 시험체도 무보강 보에 비해 약 2배 높은 내력을 보였다. 비록 전단파괴에 의해 지배되었지만 파괴 시 내력에 대해 무보강단면에 대한 휨 응력으로 산정한 결과도 ACI 318-14 [20]에서 제시하는 파괴계수 식을 이용한 예측값보다 높았다. 무보강 시험체 B0의 휨 응력은 ACI 318-14[20]의 예측값보다 약 1.
1) 골재입도가 15∼20mm인 다공성 콘크리트에서 압축강도 3MPa, 공극률 30%를 달성하기 위해서는 W/C와 C/G가 각각 25% 및 15%를 추천될 수 있었다.
2) GFRP 보강 보의 최대 내력은 무보강 시험체에 비해 약 10∼55% 증가 하였다.
3) GFRP 보강 다공성 콘크리트 보의 하중-변위 관계는 전형적인 거동보다는 초기 강성 및 최대내력 이후의 하중저하 기울기도 상당한 편차를 보였다. 결과적으로 다공성 콘크리트 보의 하중-변위 관계는 공극분포, 균열진전 및 파괴모드에 의해 중요한 영향을 받았다.
4) GFRP 보강 콘크리트 보들은 비록 전단파괴에 의해 지배되었지만 인성지수도 다소 향상되었다. I20을 기준으로 평가하면, GFRP 보강근의 증가와 함께 인성지수는 다소 증가하였다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
골재의 입도 증가로 인한 강도감소가 다공성 콘크리트 블록에 미치는 영향은?
골재의 입도가 증가할수록 골재와 골재의 접점수 감소로 인해 골재의 맞물림 작용이 저하되며, 이는 강도감소의 원인이 된다[7]. 이러한 강도감소는 다공성 콘크리트 블록에서 골재 탈락 및 균열을 유발하며, 장기적으로 인성저하와 함께 내구성능을 감소시킨다. 특히 다공성 블록의 낮은 휨 강도는 보·차도용 투수 블록의 기준인 4MPa 및 5MPa에 만족하지 못하며 침하 및 파괴 등의 주요 원인으로 지적되고 있다.
우리나라 도로는 대부분 시멘트 콘크리트 및 아스팔트 포장이 되어 있는데, 이로 인한 문제점은?
우리나라 도로 포장의 경우 불투수성 재료인 시멘트 콘크리트 및 아스팔트 포장이 대부분을 차지하고 있다. 이로 인해 빗물이 배수되지 못하여 교통장애 및 사고의 원인이 되며, 지하수 고갈로 인한 도시의 사막화 등 여러 환경문제의 원인이 되고 있다[1]. 이에 따라 각 지차제에는 일반 블록에 대해 열섬저감, 오염물질 차단을 통한 수질 개선 및 생물서식 기능을 가지는 다공성 투수블럭으로 교체를 진행하고 있다[2].
포러스 콘크리트의 강도가 약한 이유는?
도로포장의 투수성을 높이면서 여러 환경문제를 개선하기 위하여 연속공극 구조로 투수 및 투기 기능을 향상시키는 포러스 콘크리트(Porous concrete) 연구가 다양하게 진행되고 있다[3]. 포러스 콘크리트의 경우 시멘트 페이스트를 골재에 코팅하여 부착시킨 것으로 보통 콘크리트에 비해 단위 시멘트량이 적기 때문에 강도가 매우 저하된다[4]. 포러스 콘크리트 강도는 물-시멘트비(W/C)에 의한 영향보다는 주로 공극률 및 시멘트 페이스트 양에 따라 변화한다.
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