2.2.1. 기본물성시험 항목

본 절에서는 강섬유 CSA 콘크리트의 기본물성시험과 균 열저항성 평가에 대한 시험항목을 요약하였다. 기본물성시험 에서는 자유팽창률, 압축강도, 쪼갬인장강도, 탄성계수, 포아 송비 등이 측정되었다. 또한 강섬유 CSA 콘크리트의 파괴특 성을 분석하기 위하여 초기 균열하중 및 노치를 가진 휨부재 의 파괴에너지가 평가되었다.

2.2.2. 역학적 성능시험 방법

자유 팽창률을 측정하기 위해 75×100×410mm 크기의 보 시편이 제작되었으며 내부 중앙에 매립게이지가 설치되었다. Table 1의 6가지 배합을 가진 시편이 각각 2개씩 제작되었 다. 재령 2일에 탈형을 하였으며, 20±2°C의 양생온도를 유지 하면서 내부에 매립된 게이지를 이용하여 자유팽창률을 측 정하였다. 바닥면은 비닐을 깔아 구속이 없도록 하였고 각 시편은 습윤포로 덮여져서 충분한 수분공급을 위한 습윤양 생을 수행하였다.

압축강도 평가를 위해 JIS A 6202에 따라 구속몰드를 체 결한 상태로 양생 및 시험을 수행하였는데, 팽창이 지나치게 되면 과팽창에 의해 강도저하가 발생할 수 있으므로 이를 대 비하기 위해 구속몰드를 사용하였다. 시험 직전까지 양생온 도를 20±2°C의 양생온도를 유지하여 습윤양생을 수행하였 다. KS F 2483에 따라 탄성계수 및 포아송비를 측정하였으 며, 동일 양생조건을 거친 시편을 대상으로 KS F 2423에 따 라 쪼갬인장강도 시험을 수행하였다. Fig. 2에서는 압축강도 시험 및 제조된 시편의 형상을 나타내고 있다.

Fig 2.

Test setup of compressive strength and samples of expansion

2.2.3. 균열진전 및 파괴특성을 위한 시험

파괴특성 시험용 시편은 강섬유를 혼입한 콘크리트, 강섬 유와 CSA 팽창재를 혼입한 콘크리트로 분류하였으며, 각각 의 경우에 대해 3개씩의 시편을 제작하였다. 시편의 제원은 100×100×400mm으며 지간은 300mm로 하였고, 노치 깊이 는 시편 높이의 1/4인 25mm로 하였다. 강섬유는 Fig. 1과 같은 훅타입을 사용하였으며, 전체 체적비 1.0% 및 2.0%를 혼입하였다. 재령 2일째에 탈형하였는데 양생온도는 20±2°C 를 유지시키면서 재령 28일까지 습윤양생 후 시험을 수행하 였다. Fig. 3에서는 시험에 사용된 시편의 형상 및 제원을 나 타내고 있으며 Fig. 4에서는 실험장비의 개요도를 나타내고 있다.

Fig 3.

Geometry of concrete sample with notch

Fig 4.

Schematic diagram for 3-point bending test

Fig. 4와 같이 JCI TC-992에서 제안한 방법에 의거하여 파괴 시험을 수행하였다. 노치를 준 보부재에 대해서 3점 휨 시험을 수행하였으며 하중 재하 단계에 따라 클립게이지를 이용하여 균열개구변위 (CMOD: Crack Mouth Opening Displacement) 를 측정하였다. 또한 섬유보강이 이루어진 경우에는 변형량 이 커지기 때문에 클립게이지 만으로는 그 측정이 곤란하여 LVDT를 통해 처짐도 같이 측정하였다. 재하 속도는 안정적인 파괴를 유도하기 위해 하중점의 처짐 속도가 0.001mm/min가 되도록 제어하였으며, 하중-CMOD 관계를 통해 파괴에너지 를 도출하였다.

Fig. 5에서는 시편의 실험사진 및 균열 진전모습을 나타내 고 있다.

Fig 5.

Fracture test for concrete with notch

3.1.1. 자유 팽창률 시험결과

Fig. 6에서는 강섬유 보통콘크리트와 강섬유 CSA 콘크리 트의 자유팽창률 시험결과를 나타내었다. 섬유 혼입량이 증 가할수록 팽창률이 다소 감소하였으나, CSA 콘크리트의 경 우 일반 콘크리트에 비하여 2배 수준의 높은 팽창률을 나타 내었다. 기존의 연구에 의하면 (^{Ahn, 2003}; ^{Kim, 2003}), 강 섬유를 혼입하지 않은 경우 팽창량이 더욱 증가하는데, 이는 강섬유 혼입량이 증가할수록 내부구속이 커지고 자중이 증 가하기 때문이다. 보통 5일 정도까지 빠른 팽창률을 보이고 있으므로, 실제 구조물에 사용할 경우, 강섬유 혼입량 및 양 생조건에 따라 팽창재를 적절하게 사용해야 한다. 보통 콘크 리트는 일반적으로 일정한 건조상태에서는 수축하지만, 습윤 포로 덮혀지고 지속적으로 수분이 공급되었으므로 전체적으 로 약간 팽창이 발생하였다.

Fig 6.

Expansion strain in CSA concrete with different steel fiber ratio

3.1.2. 역학적 성능 시험결과

강섬유 혼입에 따른 보통 콘크리트와 CSA 콘크리트의 압 축강도 및 쪼갬인장강도 결과를 Table 4에 나타내었으며 Fig. 7에는 기준 시편과의 상대비율을 도시하였다. 압축강도 평가에서 강섬유가 없는 경우, CSA 콘크리트는 보통콘크리 트에 비해 6.5% 정도 증가하였지만 큰 증가라고 할 수는 없 다. 강섬유 혼입 콘크리트의 압축강도 증진에 대해 많은 연 구가 있으나 설계시에는 압축강도의 증가는 고려하지 않는 것으로 알려져 있다 (^{ACI, 1999}). CSA 콘크리트에 강섬유 를 혼입한 경우 1%에서 최대강도가 평가되었는데, 보통 체 적비 1.0~1.5% 수준에서 최적 혼입량비가 (^{Adebar et al., 1997}; ^{Lee and Lee, 2004}), 고강도 콘크리트인 경우는 0.5% 수준에서 최적 배합비가 도출되는 것으로 알려져 있다 (^{Adebar et al., 1997}). 기존의 연구에서도 강도 30MPa수준에서는 0.69~0.84 수준의 강도감소를 나타내었으며 고강도 일 경우 압축강도가 일부 개선된다고 보고되었다 (^{Kim et al., 2008}). 쪼갬 인장강도에서는 강섬유 혼입에 따른 브리징 효과로 인해 인장강도가 개선됨을 알 수 있다. 강섬유가 없는 CSA 콘크리트의 경우 10% 정도 일반콘크리트에 비해 인장강도 가 개선되었으며, 강섬유 혼입이 증가될수록 쪼갬 인장강도 가 증가하였다. 보통 콘크리트에서 강섬유를 1%, 2%를 혼입 한 경우 36.7%, 72.5%로 인장강도가 증가하였으며, CSA 콘 크리트의 경우 40.0%, 51.6%로 인장강도가 증가하였다. 인 장강도는 팽창재의 효과보다는 강섬유에 의한 효과가 지배 적이었는데, 이는 원주형 시편의 체적이 비교적 작아서 화학 적 프리스트레싱이 효과적으로 도입 못하였으며, 강섬유 혼 입이 균등하지 않은 원인도 있는 것으로 예상된다.

탄성계수 및 포아송비의 변화는 Table 5에 나타내었으며, 기 준 (Plain)과의 변화비를 Fig. 8에 도시하였다. 강섬유를 혼입한 보통콘크리트의 경우 탄성계수는 혼입량에 따라 95.2~110.2% 수준으로 변화하였으며, CSA 콘크리트의 경우는 강섬유 혼 입에 따라 98.9~95.3% 수준으로 감소하였다. 포아송비의 경 우 강섬유 혼입량이 많을수록 증가하였는데, 보통콘크리트의 경우 100.9~128.0% 까지, CSA 콘크리트에서는 109.1~112.2% 정도 증가하였다.

CSA 콘크리트에 강섬유를 혼입할 경우, 탄성계수는 약간 감소되고 포아송비가 증가하는 경향이 발생하였는데, 이러한 특성은 콘크리트 연성증대에 영향을 줄 수 있다고 여겨진다. 횡방향 팽창이 증가하여 파괴시까지 내부에 에너지를 계속 축적할 수 있기 때문인데, 내부 강섬유의 브리징 효과가 주 된 원인이며, 강섬유가 프리스트레싱 되었을 때, 더육 효과 적으로 발현될 수 있다. 또한 본 연구에서는 습윤양생을 수 행하였는데, 기건양생보다는 충분한 수분공급을 통하여 CSA 팽창재의 팽창효과가 증가되고 이로 인해 화학적 프리스트 레싱이 커질 것으로 예상된다. 만일 수중양생을 수행하였다 면, 팽창률은 더욱 증가하고 이로 인해 강도 및 탄성계수도 증가할 것으로 예상되지만, 강섬유의 부식우려가 있으므로 본 연구에서는 습윤양생을 수행하였다.

3.2.1. 하중에 따른 균열개구 (CMOD)와 변위

본 절에서는 2절에서 언급한 강섬유 혼입유무에 따른 CSA 콘크리트 및 보통 콘크리트의 균열진전특성 및 파괴에 너지를 평가하도록 한다. Fig. 79에서는 노치를 가진 보통 콘 크리트와 CSA 콘크리트의 하중-처짐-균열개구변위 관계를 강섬유 혼입량에 따라 나타낸 것이다. 보통콘크리트의 경우 최대하중은 6.05KN을 보이면서 최대 변위 0.072mm를, 균 열폭은 0.074mm를 나타내었다 반면 CSA 콘크리트의 경우 최대하중 7.21KN, 최대변위 0.085mm를, 균열폭은 0.082mm 를 나타내었다. CSA 콘크리트는 강섬유를 혼입하지 않아도 보통콘크리트에 비해 더 큰 연성과 높은 휨강도를 확보하고 있었다.

Fig 7.

Strength ratio to control case

Fig 8.

Ratio of Elasticity and Poisson’s ratio

강섬유를 혼입한 경우 보통콘크리트와 CSA 콘크리트의 균열개구 및 처짐량의 변화는 Fig. 10에 나타내었다. 강섬유 혼입량의 증가에 따라 최대하중이 증가하였으며, 최대 변위 도 따라서 증가하였다. 각 경우는 3개의 시편이 제조되었는 데, Fig. 10에서는 대표적인 하중-CMOD-변위곡선의 관계를 도시한 것이다. 각 경우에 대하여 시편번호를 기입하였으며, 여기에 해당하는 초기균열하중은 Table 6에 나타내었다.

Fig 9.

CMOD and displacement in normal and CSA concrete without steel fiber

Fig 10.

CMOD and displacement in normal and CSA concrete with steel fiber

Fig. 11에서는 보통 콘크리트의 하중-CMOD-변위곡선과 강섬유를 혼입한 경우 (CF-1, CF-2, SC-1, SC-2)의 결과를 비교하였다. 변형에 대한 스케일이 큰 차이가 나므로 0.5mm 까지의 변위만을 도시하였다. 강섬유 혼입이 증가함에 따라 최대하중이 증가하고 있으며, 특히 2% 강섬유 혼입시 SC-2 계열이 높은 값을 보이고 있다.

Fig 11.

Comparison of CMOD and displacement of normal concrete and concrete with steel fiber

Fig 12.

Initial cracking load in normal and CSA concrete with steel fiber

3.2.2. 초기균열하중 검토

객관적인 연성효과 증진을 평가하기 위해, 3개 보시편에 대한 초기 균열하중을 비교하였다. Table 6에서는 각 경우에 대한 초기균열하중의 크기를 나타내었으며, 그 평균값을 Fig. 12에 도시하였다. Table 6에서 나타낸 초기균열하중에 대해 Fig. 10에 해당하는 시편의 경우는 굵은 글씨로 표기하였다.

Table 6의 결과에서 알 수 있듯이, 2%의 강섬유를 함유한 CSA 콘크리트에서는 최대 균열하중이 평가되었는데, 이는 CSA 팽창재에 의한 내부 강섬유의 화학적 프리스트레싱이 유효하다는 것을 의미한다. 강섬유 1%를 혼입한 경우는 보 통 콘크리트에 비해 CSA 콘크리트가 109.7%의 증가를, 2% 혼입시 136.0%의 증가를 나타내었다.

3.2.3. 파괴에너지 평가 (Gf)

TC-992 (^{Yoshinori and Yuichi, 2002}) 기준을 참고하여 부재의 높이 변화에 따른 파괴에너지를 각각 도출하였다. 식 (1) 및 식 (2)에서는 파괴에너지와 공시체의 자중과 제어장 치가 하는 일을 나타낸다.

여기서, G_f는 파괴에너지 (N/mm), W₀ 는 공시체 파단까 지의 하중-CMOD 곡선의 아래면적 (N∙mm), W₁ 은 공시 체의 자중 및 재하제어장치가 하는 일 (N∙mm), A_lig 는 결 속장치 (ligament)의 면적 (mm²), m₁ 은 공시체의 질량 (kg), S 는 재하스팬 (mm), L 은 공시체의 전길이 (mm), m₂ 는 시 험기에 부착되지 않고 파단될 때까지 공시체에 부착된 제어 장치의 질량 (kg), CMOD_C는 파단시의 균열개구변위 (mm) 를 나타낸다. 부재의 높이를 D라고 할 때 0.02D, 0.04D, 그 리고 최종 파단시에 해당하는 파괴에너지를 산출하였다.

Table 7에서는 파괴에너지 결과를 도시하였으며, Fig. 13 에서는 강섬유 함유량에 따른 파괴에너지를 도시하였다.

Fig 13.

Fracture energy in normal and CSA concrete with steel fiber

SC-1에서는 CF-1에 비해 약간 감소하였으나, 2% 강섬유 혼입인 경우 CF-2에 비해 130.9%의 파괴에너지 증가를 나 타내었다. CSA 팽장재를 사용한 콘크리트의 경우 혼입된 강 섬유에 프리스트레싱을 인가하여 보통 강섬유 콘크리트에 비해 뛰어난 연성효과를 나타내고 있다. 팽창재와 강섬유를 시공조건에 따라 적절히 사용하면 보통 강섬유 콘크리트에 비 해 우수한 역학적인 성능을 확보할 수 있을 것으로 판단된다.