2.1. 실험계획 및 콘크리트 배합

본 연구의 실험 계획을 Table 1에, 사용 재료의 물리적 특성 을 Table 2에, 콘크리트의 배합을 Table 3에 나타냈다. 실험은 W/B 20.0, 14.5, 12.5%의 초고강도 콘크리트를 사용하였고, 가열 시의 하중 재하 조건은 비 재하 및 콘크리트의 최대 압축 응력의 0.25배(0.25 fcu) 및 최대 압축 응력의 0.40배(0.40 fcu) 의 3가지로 설정했다. 목표 가열 온도는 20, 100, 200, 300, 500, 700°C로 설정했다. 평가 항목은 열팽창 변형, 응력-변형, 크리프 변형, 과도 변형 및 전체 변형이며, 측정된 값을 Table 4의 콘크리트 변형 모델과 비교․검토했다.

2.2. 시험체의 제작 및 양생방법

고온 변형 특성을 평가한 시험체는^「KS F 2403 콘크리트의 강 도 시험용 시험체 제작 방법_」에 준하여 ∅100 × 200mm의 원주형 시험체로 제작했다. 시험체의 양생은 콘크리트 재령 24시간에서 탈 형하고 28일 표준 수중 양생을 실시한 후, 온도 20 ± 2°C, 상대 습도 60 ± 5%의 항온 항습실에서 재령 300일까지 기건 양생을 실시했다. 가열 전의 콘크리트 시험체의 함수율은 2.5~3.0% 수준이었다.

2.3. 실험방법

2.1.1. 가열장치 및 방법

본 실험에서 사용한 시험 장치를 Fig. 1에 나타냈다. 시험 장 치는 2000 kN 급 재하 장치에 전기 가열로를 설치하여 재하 및 가열을 동시에 진행할 수 있도록 하였다. 또한 가열 중 시험체의 변형은 위․ 아래 가력 지그의 중심에 설치 한 ∅10 mm의 석영관 과 외부에 설치한 변위계를 이용하여 측정했다.

Fig. 1

Heating machine and method of strain measurement

가열 방법은 Fig. 2에 나타낸 것처럼 위․아래의 가력 지그 를 RILEM에서 제안하고 있는 1°C/min의 속도로 가열하여 시 험체에 열을 전달하는 간접 가열 방식을 채용했다. 이는 가열 중 시험체 내․외부의 온도차를 5°C이하로 유지시키며 시험 체의 온도를 상승시키기 위함이다.

Fig. 2

Heating method and temperature of concrete

2.1.2. 변형평가방법

Fig. 3에 가열․재하 시 콘크리트의 변형 거동의 개요도를 나타냈다. 열팽창 변형은 비 재하․ 가열 상태에서 발생하는 변형, 전체 변형은 재하․가열 상태에서 발생하는 변형, 크리 프 변형은 하중 재하 후 목표 온도까지 가열하고, 목표 온도 도 달 시간부터 300분 동안의 변형이라고 평가했다 .

Fig. 3

Evaluation method of strain properties of concrete

3.1. 열팽창 변형

Fig. 4에 초고강도 콘크리트의 열팽창 변형을 나타냈다. 콘 크리트의 압축 강도에 관계없이 650°C까지 가열 온도가 높아 질수록 열팽창 변형이 증가하는 경향이 나타났다. 가열 온도 650°C이상에서 팽창 변형하는 경향이 작아졌으며, 700°C에 서 열팽창 변형은 0.0097을 나타냈다.

Fig. 4

Thermal strain of Ultra high strength concrete

이러한 경향은 ECCS(^{ECCS-Technical Committee 3, 2001}) 의 결과와 유사한 경 향이지만, 본 실험에서 얻어진 값은 ECCS 에서 나타내는 700°C의 변형인 0.014의 값보다 작은 결과를 나타냈다. 이는 초고강도 콘크리트의 경우 고온에서 수축하는 결합재의 양이 매우 많기 때문에 열팽창 변형이 작게 발생하는 것으로 생각된다.

또한, 본 실험에서 검토 한 초고강도 콘크리트의 경우 압축 강 도에 관계없이 동일한 열팽창 변형 거동을 나타내며, 이는 콘크 리트의 열팽창 변형에 가장 큰 영향을 미치는 굵은 골재를 모두 같은 것을 사용 한 것이 원인으로 생각된다. 한편, 180MPa의 초고강도 콘크리트는 가열 온도 280°C에서 시험체가 폭렬 파 괴되어 이후 열팽창 변형을 측정 할 수 없었다.

열팽창 변형 모델은 ECCS의 보통 강도 콘크리트의 모델인 식 (2)를 이용하여 초고강도 콘크리트의 열팽창 변형 거동을 반영하고 상수를 수정했다. ECCS 모델의 상수와 본 실험에서 수정 된 상수를 Table 5에 나타냈다.

3.2. 응력-변형

초고강도 콘크리트의 응력-변형 곡선을 Fig. 5에 나타냈다. 80, 130 MPa의 초고강도 콘크리트 시험체는 상온~300°C의 온도 범위에서 응력-변형 곡선 기울기가 크고 파괴 시 취성적 인 거동을 나타냈다. 또한 500°C에서 기울기는 작아지며, 700°C에서 파괴 시 변형이 크게 증가하고 있음을 확인할 수 있었다.

Fig. 5

Stress-strain curve of Ultra high strength concrete

180 MPa의 초고강도 콘크리트 시험체는 200°C이하의 온 도 범위에서 상온의 응력-변형 곡선과 유사한 거동을 나타냈 지만, 280°C에서 폭렬 파괴되어 300°C이상의 온도 범위에서 는 응력 - 변형 곡선을 평가 할 수 없었다.

한편, Castillo들의 연구에서는(^{Castillo et al., 1990}) 고강도 콘크리트의 응력-변형 곡선은 보통강도 콘크리트에 비해 급 격히 최대 응력에 도달 한 후, 취성적인 파괴 거동을 나타낸다 고 보고하고 있다. 특히, 보통강도 콘크리트의 경우 100°C까 지 탄성 재료 특성을, 200°C에서 소성 재료 특성을 보이지만, 고강도 콘크리트의 경우 200°C까지 탄성 재료 특성을 나타낸 다고 보고하고 있다.

반면에, 본 실험의 범위에서 검토 한 초고강도 콘크리트는 300°C까지 탄성 재료 특성을 나타내는 것을 확인할 수 있었 다. 본 실험에서 사용한 초고강도 콘크리트의 응력-변형 곡선 의 모델은 Eurocode에서도 채용되고 있는 Popovics의 식 (3) 을 적용하여(^{Koji et al., 2010}) 응력-변형 곡선에서의 최대 응 력 값을 압축 강도로 하여, 상온에 대한 고온 압축 강도 비 및 압축 강도 실험시의 변형 값을 사용하여 계산했다. 실험값과 계산 값의 누적 오차가 가장 작아지도록 n 값을 도출하여 Table 6에 나타냈다.

3.3. 크리프 변형

초고강도 콘크리트의 크리프 변형을 Fig. 6에 나타냈다. 초 고강도 콘크리트의 크리프 변형은 압축강도에 관계없이 가열 온도가 높아질수록 증가하는 경향을 보였다.

Fig. 6

Creep strain of Ultra high strength concrete

가열 온도 500°C까지의 크리프 변형은 0.002 이하의 값을 나타냈지만, 700°C에서는 크게 증가하여 500°C 크리프 변형 의 3배 이상의 값을 나타냈다. 크리프 변형 거동은 하중 재하 량이 커질수록 비례적으로 증가하는 경향을 나타냈다.

한편, 130 MPa의 초고강도 콘크리트 시험체의 경우에는 0.40 fcu의 하중재하 시 가열 온도 500°C이상, 180MPa의 초 고강도 콘크리트 시험체의 경우 0.25 fcu의 하중재하 시 가열 온도 500°C 이상의 범위에서 크리프 시험 중 파괴가 발생했 다. 따라서, 초고강도 콘크리트의 경우 고온 및 지속 하중에 의한 파괴 현상에 대해 검토가 필요하다고 판단된다.

초고강도 콘크리트의 크리프 변형 모델은 본 실험에서 얻 어진 크리프 변형 값과 시간에 의한 경화 법칙을 적용하여 Anderberg가 제시한 식 (4)를 이용 하였다. 상수 a, b의 값은 Table 7에 나타내었다.

3.4. 과도 변형

압축 응력 하에서 온도가 상승 할 때 발생하는 콘크리트의 변 형은 열팽창 변형 및 응력에 의한 탄성 변형, 크리프 변형으로 구별된다. 그러나 실제로 하중과 고온을 동시에 받은 콘크리트 의 변형은 전술 한 변형 성분보다 큰 변형을 보이게 되며, 이를 과도 변형이라고 정의한다. Fig. 7의 전체 변형에서 열팽창 변형, 응력-변형 관계, 크리프 변형을 제외하고 계산하는 식 (6)을 이 용하여 과도 변형을 산출하고, 그 결과를 Fig. 8에 나타냈다.

Fig. 7

Total strain of Ultra high strength concrete

Fig. 8

Transient strain of Ultra high strength concrete

초고강도 콘크리트의 과도 변형은 크리프 변형과 유사한 경 향으로 가열 온도가 높아질수록 커졌다. 또한, 같은 압축 강 도 수준에서는 재하 하중이 클수록 과도 변형이 커지고, 같은 재하 하중 수준에서는 압축 강도가 클수록 과도 변형이 커지 는 경향을 보였다.

일반적으로 콘크리트의 과도 변형은 500°C이상의 온도 범 위에서 급격히 증가한다. 이는 Ca(OH)₂의 분해에 의해 시멘트 페이스트의 붕괴와 굵은 골재의 팽창 변형에 의해 콘크리트 내 부에 균열이 발생하기 때문이다. 따라서, 700°C이상의 온도 조 건에서 재하 하중을 받는 콘크리트의 경우 골재 종류에 관계없 이 파괴의 위험성이 큰 것으로 보고되고 있다(^{Tao et al., 2013}).

본 실험의 범위에서 검토한 초고강도 콘크리트는 일반강도 및 고강도 콘크리트에 비해 비교적 낮은 온도인 300°C이상에 서도 수축 파괴 현상이 보였다. 이것은 굵은 골재의 최대 치수 가 작고, 결합재량이 많은 초고강도 콘크리트가 재하 하중과 고온을 동시에 받는 경우, 콘크리트 매트릭스의 결속력이 약 해져 수축 변형이 갑자기 증가하기 때문인 것으로 생각된다.

초고강도 콘크리트의 과도 변형 모델은 Anderberg가 제시 한 식 (5)를 이용하여 콘크리트의 압축 강도와 하중 재하 조건 에 따른 상수 k값을 Table 8에 나타냈다.