2.1. 초고강도 섬유보강 콘크리트 배합 및 압축강도

초고강도 섬유보강 콘크리트 배합은 시멘트 중량을 기준 으로 하여 실리카흄 0.25, 실리카플로우 0.3, 잔골재 1.1, 감 수제 0.05, 배합수 0.24로 Table 1과 같다. 강섬유 혼입률이 1%인 공시체와 혼입률이 2%인 공시체의 압축강도는 각각 155MPa, 162MPa로서 전형적인 UHPC의 압축강도를 보여 주고 있다.

2.2. 시험 부재 제작

보는 정사각형 단면으로 크기는 200mm×200mm이며, 보 의 길이는 2.4m, 순경간은 2.1m이다. 강섬유의 함유율은 각 각 0%, 0.7%, 1%, 1.5%, 2%로 5종류이며 F0, F0.7, F1, F1.5, F2로 나타내었다. 연성보강을 위한 작은 직경의 종방 향 철근의 직경은 D10이며, 2×1, 3×3, 4×4, 4×5 형태로 2 개, 9개, 16개, 20개로 배근되었으며 Fig. 1과 같이 각각 S1, S2, S3, S4로 나타내었다. 연성보강 철근 집합체의 배근형태 가 S2 이고, 강섬유 혼입률이 2%인 경우 F2S2로 표기하였 으며 Table 2와 같이 총 15가지 보 시험 부재를 제작하였다. 주 인장철근은 D25로 3개가 하부에 배치되었으며, 양 단부 에서 중앙부로 1m 구간에 D10 스트럽을 70mm 간격으로 총 24개의 스터럽이 배근되었다.

연성보강을 위한 작은 직경의 종방향 철근 집합체의 종류 S1, S2, S3, S4의 철근비는 각각 0.0036, 0.016, 0.028, 0.036 이며, 철근의 배치는 보의 전 단면에 균등하게 배근하였다.

연성보강 철근집합체의 단면을 Fig. 1에 도시하였다.

Fig. 1.

S1, S2, S3, S4 Section Shape

S4의 경우 철근 수평 순간격은 23mm로서 보통 철근콘크 리트 부재에서는 허용할 수 없는 철근 간격이나 UHPC의 경 우 분체콘크리트이므로 타설 및 보의 형성에 문제가 없으며 이렇게 치밀한 간격을 가진 철근 집합체가 강섬유를 대체할 수 있는 거동을 보여주고 있다. UHPC 보는 타설 완료 후, 24시간의 대기양생 이후 90℃ 증기양생을 48시간동안 수행 하여 서서히 온도강하를 시켜 양생을 완료했다.

2.3. 시험 방법

Table 2의 15개보에 대해 Figs. 2 및 3과 같은 방법으로 3 점 재하 휨 실험을 수행하였다. 총 길이 2.4m로 제작된 보의 양 끝단 150mm 안쪽에 지점을 설치하여 순 경간 2.1m를 형 성시켰으며, 양쪽의 지점은 힌지와 롤러로 경계조건을 형성 하였다. 액츄에이터를 통한 하중의 재하 속도는 1.5cm/min 로 변위제어하였으며, 실험데이터는 중앙단면에 설치한 콘크 리트 게이지 3개와 지점에서 내부로 150mm 들어온 위치에 45°방향으로 설치된 콘크리트 게이지 2개로 변형률 데이터 가 관측되었으며, 중앙하부에 LVDT를 사용하여 처짐량을 측정하였다. 하중 재하 시 균열 양상에 대한 도시하였으며, 데이터 관측은 최대변형 50cm 이상까지 진행하여 항복파괴 이후 소성영역까지 관측하였다.Fig. 3

Fig. 2.

3 Point Loading Flexural Bending Test

Fig. 3.

Flexural Bending Test Beam

3.1. 하중-처짐 관계

Fig. 4는 강섬유가 혼입되지 않은 F0 시리즈 시험 부재의 하중-처짐 관계를 나타낸 것이다. 강섬유 혼입률이 0%인 경 우 최대하중 이후 처짐이 수반되면서 하중내하력이 급격하 게 감소했다. F0S1의 경우 보의 중앙단면에서 50mm 처짐이 진행되는 동안 최대하중 대비 내하력이 47% 감소하였으나, F0S2와 F0S3는 각각 29.8%, 21.6%로 철근 집합체의 효과 로 인해 감소하였다. Fig. 5와 같이 강섬유 혼입률이 0.7%인 경우 연성보강 철근을 4×4, 4×5로 배근한 F0.7S3, F0.7S4는 최대하중 대비 내하력 감소가 13.3%, 10.8%로서 강섬유와 연성보강 철근 집합체를 병용할 경우 보의 연성거동 효과가 더 있다는 것을 알 수 있다. Fig. 5와 같이 강섬유 혼입률이 1%이고 연성보강 철근이 없는 F1S1은 최대하중 대비 내하 력 감소율이 8.4% 인데 비해 연성보강 철근을 배근한 F1S2, F1S3의 내하력 감소율이 5.2%, 6.4%로서 F0.7보다 더 연성 거동 효과가 있었다. Figs. 6~7과 같이 강섬유 혼입률이 1.5%, 2%인 F1.5보와 F2보는 철근 집합체의 방식에 따라 최대하 중 대비 5.4%~12.8% 내하력 감소율을 보이고 있다. 즉, 강 섬유를 혼입하지 않은 초고강도 철근 콘크리트보는 취성파 괴의 특성이 강하나, 최소 0.7% 이상의 강섬유 혼입률과 연 성보강 철근집합체를 사용하는 경우 연성파괴 거동으로 변 화시킬 수 있는 가능성을 보이고 있다. 강섬유 혼입률이 높 을수록 최대하중이 커지며, 연성보강 철근 집합체 배근량이 많을수록 역시 최대하중이 커지는 경향이 있으나, F1.5S4, F2S3, F2S4는 비슷한 하중-처짐을 관계를 보여주고 있어 제 한적인 증진관계를 가지고 있음을 알 수 있다. 이와 같은 실 험결과를 근거로 할 때, 최대하중 대비 내하력 감소비가 15% 내의 연성거동을 하려면 적어도 0.7%의 강섬유 혼입률을 가 져야하며, 연성보강 철근 집합체는 3×3, 4×4, 4×5로 배근하 는 등 0.016 이상의 철근비를 확보하여야 할 것으로 판단된 다. 따라서 연성거동 보강을 위한 가장 경제적인 조합은 강 섬유 혼입률 0.7%와 4×4 이상의 연성철근 집합체 배근을 가 진 F0.7S3 또는 F0.7S4로 판단된다.

Fig. 4.

Load-Deformation of F0

Fig. 5.

Load-Deformation of F0.7&F1

Fig. 6.

Load-Deformation of F1.5

Fig. 7.

Load-Deformation of F2

3.2. 중앙단면의 변형률

변형률 값이 zero인 절편을 통해서 중립축의 상승을 볼 수 있으며, 상부의 압축변형률과 하부의 인장변형률을 통해서 보의 거동 상황을 파악할 수 있다. 보 중앙단면의 상부,중립 부, 하부에 스트레인 게이지를 부착하여 변형률을 측정하였 다. 상부 스트레인 게이지는 중앙단면 상단에서 30mm 아래 에 부착되었고, 하부 스트레인 게이지는 중앙단면 하부에서 30mm 상향 부착되었으며, 중립부 스트레인 게이지는 중앙 단면 중립축 즉 상단에서 100mm지점 아래에 부착되었다. 하중 증가에 따른 중립축의 변동과 상하부 변형률을 Fig. 8~Fig. 11에 도시하였다.

Fig. 8.

(a) Load-Strain of F0S1 (b) Load-Strain of F0S4

강섬유를 혼입하지 않고 철근집합체를 배근하지 않은 F0S1의 경우 Fig. 8(a)와 같이 중앙단면의 집중하중이 25kN 일 때 중립축이 보 단면 연직축의 중심에 있으며, 하중이 증 가함에 따라 비례적으로 중립축이 상승하여 하중 150kN 일 때 중립축은 35mm정도 상승하였다가 하중 175kN 일 때 하 부에 균열이 발생하며 중립축이 갑자기 상승함을 볼 수 있 다. 강섬유를 혼입하지 않고 철근집합체를 4×5로 배근한 F0S4의 경우 Fig. 8(b)와 같이 중립축이 하중 50kN에서 하 중 200kN까지 연직축 상향 20mm에 머물러 있다가 하중 225kN에 보의 중앙단면 하부에 균열이 발생하면서 중립축 이 큰 폭으로 상승함을 볼 수 있다. 보의 전단면을 철근 집 합체로 보강하였다 하더라도 인장력이 약한 콘크리트 특성 상 강섬유를 혼입한 다른 보보다 급격한 중립축 상승이 일어 나며 이로 인해 최대하중 이 후 보의 거동이 취성적임을 알 수 있다.

체적대비 0.7%의 강섬유를 혼입하고 4×4 철근집합체를 배근한 F0.7S3는 Fig. 9(a)와 같이 철근집합체의 압축 측의 3차원 구속효과와 인장 측의 인장보강 효과로 인해 하중이 증가함에 따라 중립축이 변동이 크지 않아 하중 175kN까지 5mm정도로 상승하였으며 200kN에 중립축이 상승하며 처짐 이 발생하였지만 최대하중 대비 13.3%의 감소하였다. 최대 하중 이후 변형이 증가해도 내하력이 크게 감소하지 않은 이 유는 압축 측의 철근집합체에 의한 구속효과와 강섬유 혼입 으로 인한 인장력 증진에 기인한 것으로 판단된다. F0.7S4는 Fig. 9(b)와 같이 하중이 증가함에 따라 중립축이 점진적으 로 상승하여 하중 250kN에 중립축이 20mm 상승하였으며 압축 측 스트레인은 2500μm, 인장 측 스트레인은 3000μm 로 변형률이 발생하였다. 하중 275kN에 하부 스트레인 게이 지가 절단되어 변형이 증가하였다. 체적대비 1%의 강섬유를 혼입하고 철근집합체를 배근하지 않은 F1S1은 F0S1과 달리 강섬유 보강효과로 인해 최대하중 이후 취성적 거동을 보이 지 않았다. Fig. 10(a)와 같이 하중 175kN까지 중립축이 10mm 이내로 상승하였다가 하중 200kN에 중립축이 30mm 정도 상승하였다. 철근집합체 S3로 배근한 F1S3는 하중 225kN 까지 중립축 상승이 거의 발생하지 않다가 하중 250kN에 10mm, 하중 275kN에 15mm 정도 상승하였다. 강섬유 보강 효과와 종방향 철근의 보강효과로 내하력이 증진되어 최대 하중 이후에도 중앙단면의 처짐이 50mm 발생하는 동안 최 대하중 대비 내하력 감소율이 6.4%임을 볼 수 있다.

Fig. 9.

(a)Load-Strain of F0.7S3 (b) Load-Strain of F0.7S4

Fig. 10.

(a)Load-Strain of F1S1 (b)Load-Strain of F1S3

강섬유를 혼입하지 않은 보는 하중이 증가함에 따라 중립 축의 상승속도가 빠르고, 압축구역에서 콘크리트를 3차원으 로 구속하는 역학적 상태가 아니므로 최대하중 이후 급격한 내하력 감소 현상을 보인다. 반면 강섬유를 혼입하고, 작은 직경의 종방향 철근 집합체를 배근하는 경우 콘크리트의 인 장응력이 증대되고, 압축구역에서 콘크리트가 3차원으로 구 속됨으로써 하중 증가에 따른 중립축의 상승폭이 작아 압축 및 인장 변형률이 증가하다가 최대하중에 근접하여 인장측 변형률이 증가하면서 중립축이 상승하고 내하력이 감소하지 만 감소폭이 작아 최대하중 이후 연성적 파괴거동을 한다고 볼 수 있다.

3.3. 보의 파괴형태

초고강도 콘크리트에 혼입된 강섬유가 압축구역에서 콘크 리트를 3차원으로 구속하여 취성파괴 상태를 연성파괴형태 로 변화시키는 현상을 Fig. 11에서 Fig. 15에 나타내었다. Fig. 11과 Fig. 12는 강섬유가 혼입되지 않은 부재로서 철근 집합체가 없는 F0S2는 압축구역에서 콘크리트가 취성적 파 괴현상을 보여주고 있다. 철근집합체가 설치된 강섬유가 혼 입되지 않은 F0S4는 취성적 파괴이긴하나 콘크리트가 철근 에 의해 큰 조각형태로 구속되어 있다. 강섬유 혼입률이 0.7%인 Fig. 13의 F0.7S4는 압축파괴 시 압축연단에서 콘크 리트가 조밀하게 구속되어 있다. 강섬유 혼입률이 1.5%인 Fig. 14의 F1.5S3와 강섬유 혼입률이 2%인 Fig. 15의 F2S3 는 압축파괴 시 콘크리트가 파편형태로 튀어나가지 않고 더 조밀한 형태로 형태를 유지하면서 압축파괴 현상을 보여주 고 있다.

Fig. 11.

Failure Pattern of F0S2

Fig. 12.

Failure Pattern of F0S4

Fig. 13.

Failure Pattern of F0.7S4

Fig. 14.

Failure Pattern of F1.5S3

Fig. 15.

Failure Pattern of F2S3

상대적으로 작은 직경의 종방향 철근집합체를 배근하더라 도 최소한 0.7%의 강섬유가 혼입되어야 압축파괴 시 최대하 중 이후 내하력을 안정적으로 유지하면서 연성특성을 보일 수 있을 것으로 판단된다.

3.4. 최대하중 이후 하중 감소율

보통 또는 고강도 콘크리트 보는 인장철근 항복 이후 최대 하중까지 비선형 관계를 가져 인장철근이 항복한 이후 최대 하중에 대한 연성도가 초고강도 콘크리트 보보다 크다고 볼 수 있다. 그러나 초고강도 콘크리트 보는 수밀한 콘크리트 조직으로 인해 Figs. 4~7에서 볼 수 있듯이 하중-처짐 관계 기울기가 최대하중까지 선형을 유지하고 있는 관계로 항복 하중 대비 최대하중에 대한 연성도가 작다. 따라서 초고강도 콘크리트 보에서 강섬유 또는 작은 직경의 종방향 철근집합 체를 사용하여 최대하중 이후 내하력의 급속한 감소를 방지 하는 것이 중요하며, 이에 대한 유효성을 검토하는 방법으로 서 최대하중 이후의 하중 감소율 개념을 도입한다.

최대하중 이후 하중 감소율은 식 (1)과 같이 최대하중시의 처짐에서 지간의 1/100 (20mm)만큼 처짐이 발생하였을 때 감소된 하중을 최대하중 시의 처짐에서 지간의 1/100만큼 진 행된 처짐으로 나눈 기울기로 정의한다.

Table 3에 의하면 강섬유를 혼입하지 않은 초고강도 콘크 리트보는 철근집합체를 배근하지 않은 경우 감소율은 3.55이 고, 철근집합체를 배근한 경우 감소율은 2.9~2.2로 감소하였 다. 0.7%의 강섬유를 혼입한 F0.7 계열의 보는 1.2~0.9로 감 소했으며, 1%의 강섬유를 혼입하고 철근집합체를 병용한 F1 계열의 보는 0.65~0.25로 감소하였고, 1.5%와 2%의 강섬유 를 혼입한 F1.5, F2계열의 보는 감소율은 1.45~0.15로서 최 대하중 이후 연성적 거동을 한다. 강섬유 혼입률을 0.7%~1% 인 경우 철근집합체를 병용할 경우 유효한 연성거동을 한다 고 볼 수 있다.

3.5. 균열 진행 양상과 파괴 형태

Fig. 16과 같이 강섬유 혼입률이 0%인 F0계열의 보에 있 어서 철근의 배치가 3×3인 F0S2인 보는 휨균열을 보이는데 4×4, 4×5 철근 집합체를 배근한 F0S3, F0S4는 휨균열과 휨 전단균열을 보이고 있다. 이는 중립축 아래 인장응력이 증가 되어 단부부분에 사인장 균열이 발생하는 역학적 상태로 변 화한 것으로 보인다.

Fig. 16.

Crack pattern

강섬유 혼입률이 0.7%, 1%, 1.5%인 F0.7, F1 및 F1.5계 열의 보에 있어서 2×1, 3×3 철근집합체를 배근한 S2, S3계 열의 보는 휨균열을 보이지만, 철근집합체가 4×4, 4×5처럼 조밀한 S3, S4계열의 보는 휨균열과 휨전단균열을 보이고 있으며, 이는 다중 균열이 보 길이에 전체적으로 균질하게 분포되고 있음을 나타낸다. 조밀한 철근집합체에 의한 콘크 리트의 3축 구속과 응력 분배로 최대하중 이후 중립축이 점 진적으로 상승하여 하중 감소폭이 적고 연성거동 특성이 나 타내게 된다.

강섬유 혼입률이 2%이면서 철근집합체를 배근하지 않은 F2S1은 휨균열 양상을 보이면서, 균열의 수가 많지 않고 균 열이 집중되는 현상을 보이고 있다.