[논문]초고강도 콘크리트의 수축 및 균열 특성에 관한 연구

김지원; 손유신; 이주하; 윤영수

초고강도 콘크리트의 수축 및 균열 특성에 관한 연구
Shrinkage and Cracking Behavior of Ultra High Strength Concrete 원문보기

김지원 (삼성물산(주)건설부문) , 손유신 (삼성물산(주)건설부문 기술연구소) , 이주하 (고려대학교 사회환경시스템공학과) , 윤영수 (고려대학교 사회환경시스템공학과)

In this study, to investigate shrinkage and cracking behavior of 120MPa UHSC, free and restrained drying shrinkage test were performed. Three strength levels(50MPa, 80MPa, 120MPa) were used and the effect of mineral admixtures(fly ash, slag) on free and restrained shrinkage was investigated. From comparing the result of pin -penetration test with the result of ring test, Time-Zero was determined as initial set. Shrinkage test results show that autogenous shrinkage of UHSC was much higher than that of HSC, VHSC and fly ash delayed cracking age in UHSC by decreasing autogenous shrinkage. Additional free concrete rings(with restraint removed) were also tested to check the influence of the geometry of the specimens on free shrinkage. And then the relationship between free shrinkage and restrained shrinkage was investigated.

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문제 정의

4일까지의 자유건조수축과 링테스트의 구속건조수축 결과를 나타낸 것이며, 그림에서 보는 바와 같이 UHSC의 경우 초기에 매우 급격한 수축을 겪지만 초기 14시간 이전의 약 600糸m에 이르는 수죽량은 steel ring을 수축시키지 못하며 응력 유발에 크게 영향을 미치지 않는다고 볼 수 있다. 표 2에서와 같이 steel ring strain이 증가하기 시작하는 시점은 초결 시점보다 1~2시간 정도 늦지만 거의 유사한 경향을 보이며, 이에 따라 본 연구에서는 초결 시점을 Tme-Zero로 보고 분석을 진행하였다.

제안 방법

자기수축과 강도는 직접적인 관련은 없으나 특정 요 소에 의한 국부적인 영향 분석에 앞서 UHSC의 수축 거동에 대한 개괄적인 경향 파악을 위해, 실제 시공사례가 있었던 배합 중 두 종류를 선정하여 HSCCHigh Strength Concrete)와 VHSCCVery High Strength Concrete)로 각각 표현하고 비교군으로 정하였다. 또한, 설계강도 120MPa의 UHSC 에 대헤서는 플라이애쉬 10, 2。%와 고로 슬래그 15, 30%를 치환하여 수축 및 균열 시기 변화를 검 토하였다.
링테스트는 AASHTO PP34-98의 방법을 이용하였으 며 콘크리트 링의 내부지름은 305mm로 일정하고, 외부지름이 457mm(두께 = 76mm), 375mm(두께 = 35mm)인 두 종류의 시험체를 제작하였다. 건조수축 시험 결과와 링테스트와의 비교를 위해 geometry의 영향을 고려하기 위한 추가적인 free ring test가 수행되었다.
수축의 시작 시점(Tme-Zero)을 결정하는데 있어 관입저항침 시험으로 측정한 초결 시점은 해석 이 다소 주관적이고 모호하므로 링테스트에서 실제 콘크리트가 강성을 나타내며 steel ring을 수축시 키기 시작하는 시점과 비교함으로써 정확도를 확인하였다. 그림 1은 타설 직후부터 재령 1.
이에 따라 본 연구에서는 w/b비 0.16, 설계강도 120MPa의 초고강도 콘크리트를 제작하여 자기수 축, 건조수축, 링테스트를 각각 수행하고 기존 고강도 콘크리트와의 비교, 혼화재가 자기 및 건조수축 에 미치는 영향 등을 분석하였다.
실험 변수는 강도 및 혼화재이며 표 1과 같다. 자기수축과 강도는 직접적인 관련은 없으나 특정 요 소에 의한 국부적인 영향 분석에 앞서 UHSC의 수축 거동에 대한 개괄적인 경향 파악을 위해, 실제 시공사례가 있었던 배합 중 두 종류를 선정하여 HSCCHigh Strength Concrete)와 VHSCCVery High Strength Concrete)로 각각 표현하고 비교군으로 정하였다. 또한, 설계강도 120MPa의 UHSC 에 대헤서는 플라이애쉬 10, 2。%와 고로 슬래그 15, 30%를 치환하여 수축 및 균열 시기 변화를 검 토하였다.

대상 데이터

건조수축 시험체는 자기수축 시험체와 동일하며 24시간 후 탈형하여 항온항습실(온도 23±1℃, 습도 60±3%)에서 건조시켰다. 링테스트는 AASHTO PP34-98의 방법을 이용하였으 며 콘크리트 링의 내부지름은 305mm로 일정하고, 외부지름이 457mm(두께 = 76mm), 375mm(두께 = 35mm)인 두 종류의 시험체를 제작하였다. 건조수축 시험 결과와 링테스트와의 비교를 위해 geometry의 영향을 고려하기 위한 추가적인 free ring test가 수행되었다.
본 인구에 사용된 재료로서 시멘트는 국내 A사의 1종 보통포틀랜드 시멘트, 플라이애쉬는 보령산, 잔골재는 세척사(조립률 2.8), 굵은골재는 성윤골재(13mm)가 사용되었다.
실험 변수는 강도 및 혼화재이며 표 1과 같다. 자기수축과 강도는 직접적인 관련은 없으나 특정 요 소에 의한 국부적인 영향 분석에 앞서 UHSC의 수축 거동에 대한 개괄적인 경향 파악을 위해, 실제 시공사례가 있었던 배합 중 두 종류를 선정하여 HSCCHigh Strength Concrete)와 VHSCCVery High Strength Concrete)로 각각 표현하고 비교군으로 정하였다.

이론/모형

표 3은 링테스트 결과를 정리한 것으로 균열 발생 시기와 그 시점에서의 구속 응력, 인장강도 및 자유수축량을 나타낸다. 링에서의 자유수축량은 free ring test를 통해 얻은 관계식을 이용하여 계산 하였다. UHSC의 경우, 얇은 링은 1.
자기수축시험은 JCI에서 제안하고 있는 방법을 따랐으며 시험체 치수는 100x100x400mm의 각 형을 사용하였다. 건조수축 시험체는 자기수축 시험체와 동일하며 24시간 후 탈형하여 항온항습실(온도 23±1℃, 습도 60±3%)에서 건조시켰다.

성능/효과

1) 초고강도 콘크리트의 건조수축은 초결 이전에 약 600〃m이 발생하나 구속 시 응력 유발에는 큰 영향을 미치지 않으며 자기수축이 전체건조수축의 대부분을 차지한다.
2) 초고강도 콘크리트의 경우 초기재령의 급격한 자기수축 발생으로 기존 고강도 콘크리트에 비해 더 빨리 균열이 발생하였으며 그 경향이 '매우 취성적이다.
3) 플라이애쉬 20% 치환 시 균열 지연 효과가 뚜렷했으며 초고강도일수록 구속도가 낮을수록 균열 응력과 인장강도의 비가 1에 가까웠다.
그림 2는 강도별 자기수축 변형률을 나타낸 것으로 UHSC에서는 기존 고강도 콘크리트에 비해 초 기에 자기수축이 월등히 크게 발생함을 보여준다. HSC, VHSC의 경우에는 약 7일 이후부터 자기수 축이 더 이상 증가하지 않는 데 반해 UHSC는 일정한 비율로 꾸준히 증가하는 것을 알 수 있다. 그림 2는 강도에 따른 건조수축을 나타내며 UHSC는 건조수축의 70~80%가 자기수축에 의한 것이다.

후속연구

그림 3은 플라이애쉬 치환에 따른 UHSC의 자기수축 저감효과를 나타낸 것으로 재령 14일에서 자기수 축은 FA10, FA20 각각 8%, 31%감소했다. 기존 연구 결과 슬래그는 자기수축을 증가시키는 것으로 나와 있으나 본 연구에서는 오히려 약간 감소시키는 경향을 보였으며 이에 대한 추가적인 검토가 요 구된다.

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