1. 서    론

화력발전소에서 발생되는 플라이애쉬는 콘크리트의 첨가재로 사용되는 것이 석탄회 재활용 방안 중 최선으로 알려져 있다. 이러한 석탄회는 더 이상 매립이 불가능하여 최근에는 콘크리트에 다량 첨가시키는 방안이 시도되고 있다.¹⁾

또한, 향후 온실가스 감축이 시멘트 업계의 가장 큰 현안으로 될 것이며 세계의 시멘트 수요량은 21세기 초반까지 매년 2.5～5.8% 정도 증가로 이어지고 있어 새로운 시멘트 관련 기술의 개발이 필요한 실정이다. 이러한 문제점의 대안으로 클링커를 사용하지 않고 플라이애쉬와 같은 산업 부산물을 콘크리트에 다량 첨가하면 생산원가 절감과 천연자원 및 에너지 고갈 문제와 이산화탄소 배출에 의한 환경오염을 동시에 해결 할 수 있을 것으로 판단된다.²⁾ 현재 국내의 경우, 약 25%까지의 플라이애쉬 첨가가 일반적인데 반해서 하이 볼륨 플라이애쉬의 개념은 30～50%의 플라이애쉬 첨가를 의미한다.

그럼에도 불구하고 현재까지 하이볼륨 플라이애쉬(high volume fly ash: HVFA) 시멘트 콘크리트의 연구분야는 주로 재료적인 차원 즉, 압축강도, 탄성계수, 건조수축 및 내구성 분야 등에 대해서만 수행되어지고 있는 실정이다.^3-5) 그러나 하이볼륨 플라이애쉬 시멘트 콘크리트의 구조재료로의 적용을 위해서는 탄성계수, 응력-변형률 관계 및 구조 부재 거동 등에 대한 연구가 필수적이다.^6,7)

이를 위하여 이 논문에서는 0, 35% 및 50% 까지 다량 첨가된 플라이애쉬 시멘트 철근콘크리트 보 27개를 제작한 후, 이들의 전단거동을 실험적으로 평가하고자 하였다.

2. 실험계획

2.1 실험변수 및 부재 형상

실험변수로는 플라이애쉬 치환율 0, 35% 및 50% 3수준, 콘크리트 압축강도 20, 40 및 60MPa 3수준과 철근비 3수준(설계기준에서 요구하는 최소 배근, 설계기준에서 요구하는 적정 배근 및 이들의 중간값)이다. 이러한 실험변수를 가진 실험부재는 총 27개이며, 실험 변수들은 Table 1에 나타내었으며, 제작 완료된 부재와 하중 재하장치 형상은 Fig. 1에, 실험 부재들의 철근 배근 형상은 Fig. 2에 나타내었다.

2.2 콘크리트 및 철근

실험 부재에 사용된 콘크리트의 배합 및 압축강도 실험 결과는 Table 2, 3에 나타냈으며, 콘크리트 배합에 사용된 혼화제는 폴리카르본산계 고성능 감수제로 바인더 중량의 1%를 첨가하였다. 또한 실험 부재에 사용된 철근은 Fig. 1에 나타낸 바와 같으며, 지나친 휨파괴가 발생하지 않도록 인장철근을 배근하였다. 철근은 SD400으로, 직접인장실험 결과, 항복강도는 평균 412MPa이었다.

3. 실험 결과 및 분석

3.1 균열, 철근 항복 및 극한 하중

제작된 실험 부재에 대해 전단 파괴 실험을 수행하였다. 이 실험 결과에서 균열 하중, 인장 철근의 항복하중 및 극한하중을 구하여 다음 Table 4에 나타냈으며, 전단철근량이 설계기준보다 적은 부재 모두에서 전단 혹은 휨전단파괴가 발생했으며, 인장철근 항복하중과 극한하중의 비는 1.03～1.35 정도로 나타났다. 또한 균열하중은 콘크리트 압축강도에 거의 비례하여 발생하는 것으로 나타났다.

한편 전반적으로 전단철근량이 많은 H-series보다는 전단철근량이 적은 L-series는 인장철근의 항복하중과 극한하중의 비가 상대적으로 작게 나타나, 전단파괴로 인한 연성거동이 거의 없이 급격한 파괴가 발생되었으며, 콘크리트 강도 역시 미세하지만 고강도일수록 이러한 급격한 파괴현상이 나타남을 알 수 있었다. 대표적인 전단파괴 형상을 Fig. 3에 나타내었다.

3.2 하중-변위 관계

구조 시험체의 전단거동 평가 결과, 하중-처짐 관계는 Fig. 4～12에 나타내었다. Fig. 4～12를 분석해보면, 모든 실험 부재는 하중-처짐 관계에 있어서 초기균열 단계까지 선형으로 증가하며, 초기균열 이후 처짐량은 비선형으로 증가하며, 이후 하중은 극한하중까지 증가한다. 또한 전반적인 거동은 콘크리트 압축강도에도 영향을 받지만 그 크기차이는 상대적으로 작게 나타났으며, 전단철근량의 영향이 구조 거동에 절대적으로 영향을 미치는 것으로 나타났다. 즉, 전단철근량이 적은 L-series는 전단파괴가 발생된 이유로 최종 처짐량이 작게 나타났으며, 극한하중 이후에 하중이 감소하면서 처짐이 증가하는 현상이 나타났다. 한편, 전단철근량이 적정하게 배근된 H- series는 L-series와 반대의 경향으로 거동함을 알 수 있었다. 또한 플라이애쉬 첨가율에 따른 전단 거동 차이는 거의 없는 것으로 나타났다.

일반적으로 콘크리트 구조물의 연성은 연성지수(ductility index)로 정량화할 수 있으며, 변형 특성 중에서 구조물의 처짐, 회전각, 또는 곡률을 바탕으로 표현할 수 있다.^8,9)

이 연구에서는 식 (1)와 같이 처짐에 근거하여 연성지수를 정의하여 각 부재의 연성 특성을 고찰하였다.

여기서, µ: 부재의 연성지수, Δ_u(y): 부재의 극한(항복)하중에서의 처짐

실험에서 얻어진 부재의 연성지수는 Table 4에 나타내었다. 고강도 콘크리트의 연성지수에 관한 기존 연구 결과는 고강도 콘크리트의 취성파괴를 방지하기 위한 최소 연성지수로써 4.0 이상의 값을 제안하고 있다.¹⁰⁾ 실험 결과에 의하면, 전단철근량이 적은 L-series의 경우, 연성지수는 항상 4.0 보다 훨씬 작은 값을 나타내어 전단에 의한 취성파괴가 발생하는 것으로 나타났다. 전단철근량이 상대적으로 큰 H-series의 경우, 일부에서 연성지수가 4.0 이하가 나타나기도 했지만 대부분의 경우 4.0을 상회하는 것으로 나타나, 연성파괴가 발생되는 것을 나타내고 있다. 또한 콘크리트 압축강도가 클수록 연성지수는 감소하는 것으로 나타났다. 이러한 현상들은 플라이애쉬 첨가량에 관계없이 동일하게 나타났다.

3.3 하중-인장철근, 하중-콘크리트 변형률 관계

실험 결과에서 얻어진 대표적인 하중-인장철근 변형률 관계를 Fig. 13～16에, 하중-콘크리트 변형률 관계를 Fig. 17～20에 나타내었다. 인장철근의 경우, 전단철근량이 적을수록 인장 철근항복 이후에 갑작스러운 파괴가 발생되는 것으로 나타났으며, 이러한 현상들은 플라이애쉬 첨가율에 관계없이 나타나고 있고 35%, 50% 플라이애쉬 시멘트 콘크리트의 부재거동 경향은 일반 콘크리트 부재와 유사함을 알 수 있다.

콘크리트 변형률의 경우, 모든 부재들에서 콘크리트 극한변형률이 0.0035～0.0055로 나타났으며, 플라이애쉬 첨가율에 관계없이 유사하게 나타나고 있음을 알 수 있다.

3.4 하중-전단 변형률 관계

전단거동 평가 결과, 전단철근 및 로제트게이지에서 구해진 대표적 하중-전단변형률 관계는 Fig. 21～28과 같다.

콘크리트 및 철근의 전단변형률들은 전단철근량이 적을수록 작은 변형률이 발생된 후 갑작스러운 파괴가 발생되는 것으로 나타났으며, 반면에 전단철근량이 많을수록 변형률 경화 현상이 발생된 후 파괴되는 것으로 나타났으며, 이러한 현상들은 플라이애쉬 첨가율에 관계없이 나타나고 있음을 알 수 있다.

 3.5 향후 연구 내용

플라이애쉬가 다량첨가된 콘크리트는 시멘트와 플라이애쉬의 비중 차이로 탄성계수의 감소 및 부재 처짐의 증가를 유발하는 것으로 알려져 있다.¹¹⁾

그러나 실험 결과에서는 플라이애쉬 첨가율에 관계없이 전단거동이 유사하게 나타나고 있으나, 실험은 필연적으로 오차를 수반할 수 밖에 없는 이유로 향후에는 이 연구진의 결과 및 기존 연구 결과 등을 이용하여 다량 첨가된 플라이애쉬 콘크리트의 전단거동에 관한 해석적 추가 연구를 수행하여 하이볼륨 플라이애쉬 콘크리트의 전단거동을 좀 더 정량적으로 분석할 예정이다.

4. 결    론

이 논문에서는 0, 35% 및 50% 까지 다량 첨가된 플라이애쉬 시멘트 철근콘크리트 보 27개를 제작한 후, 이들의 전단거동을 실험적으로 평가하고자 하였다. 이 연구의 범위 내에서 결과를 요약하면 다음과 같다.

1)전단철근량이 설계기준보다 적은 부재 모두에서 전단 혹은 휨전단파괴가 발생했으며, 인장철근 항복하중과 극한하중의 비는 1.03～1.35 정도로 나타났다.

2)전단철근량이 적을수록 전단파괴가 발생된 이유로 최종 처짐량이 작게 나타났으며, 극한하중 이후에 하중이 감소하면서 처짐이 증가하는 현상이 나타났다.

3)전단철근량이 적은 경우, 연성지수는 항상 4.0 보다 훨씬 작은 값을 나타내어 전단에 의한 취성파괴가 발생하는 것으로 나타났다. 전단철근량이 상대적으로 큰 경우, 대부분의 경우 4.0을 상회하는 것으로 나타나, 연성파괴가 발생되는 것을 나타내고 있다.

4)콘크리트 및 철근의 전단변형률들은 전단철근량이 적을수록 작은 변형률이 발생된 후 갑작스러운 파괴가 발생되는 것으로 나타났으며, 반면에 전단철근량이 많을수록 변형률 경화 현상이 발생된 후 파괴되는 것으로 나타났다.

5)처짐, 변형률 등의 발생 양상 및 크기가 플라이애쉬 첨가량에 거의 영향을 받지 않는 것으로 나타나서 플라이애쉬를 첨가하지 않은 일반 콘크리트(FA= 0%)와 35, 50% 플라이애쉬 시멘트 콘크리트 부재의 전단거동은 크게 차이나지 않음을 알 수 있었다.

6)향후에는 이 연구진의 결과 및 기존 연구 결과 등을 이용하여 해석적 추가 연구를 수행하여 하이볼륨 플라이애쉬 콘크리트의 전단거동을 좀 더 정량적으로 분석할 예정이다.