2.1. 콘크리트 배합

본 연구에서 사용한 굵은골재는 밀도 2.65 g/cm³, 최대치수 19 mm인 쇄석 골재이고, 잔골재는 강모래를 사용하였다. 사 용된 시멘트는 보통포틀랜드시멘트(OPC)이다. 목표강도 90 MPa를 확보하기 위한 고강도 콘크리트의 배합표를 Table 1에 나타내었으며, 30 MPa급의 보통강도 콘크리트도 비교용으로 제작하였다.

2.2. 양생

본 실험에서는 고강도 콘크리트 양생 온도 효과를 보기 위 하여 28일간의 25°C 습윤양생과 저온 대기양생(1일 2°C, 6일 -1°C, 6일 -5°C, 9일 -10°C 및 6일 -2°C) 두 가지로 구분하여 양 생을 실시하였다.

2.3. 재료특성실험 결과

Table 1의 배합에 의한 측정된 콘크리트 슬럼프의 평균값 은 184 mm이며, 공기량은 2.9%이다. 보 부재 제작 시 콘크리 트 원주형공시체(100×200 mm)를 제작하여 KS F 2438에 따 라 원주형 공시체의 탄성계수를 측정하였다. 공시체 중앙 100 mm구간에 등간격으로 3개의 LVDT를 설치하여, 하중재하 시 변위를 측정한 후, 측정된 변위를 게이지 길이 100 mm로 나누어 응력-변형률 곡선을 구하였다. 탄성계수의 경우 응력- 변형률 곡선에서 변형률이 0.00005인 점과 최대 하중의 40% 에 해당하는 점의 선분의 기울기를 이용하여 탄성계수를 산 정하였다.

측정된 콘크리트의 평균 압축강도와 탄성계수의 평균 값 및 표준편차를 Table 2에 나타내었다. 저온 양생된 콘크리트 의 평균 압축강도는 보통강도 콘크리트의 경우 20.21 MPa, 고 강도 콘크리트의 경우 63.48 MPa로 측정되었다. 일반 온도에 서 양생된 콘크리트의 평균 압축강도는 보통강도 콘크리트의 경우 32.80 MPa, 고강도 콘크리트의 경우 95.00 MPa로 측정 되었다. 또한, 저온 양생된 콘크리트의 탄성계수 평균값은 보 통강도 콘크리트의 경우 17.32 GPa, 고강도 콘크리트의 경우 32.26 GPa로 측정되었다. 일반 온도에서 양생된 탄성계수의 평균값은 보통강도 콘크리트의 경우 26.96 GPa, 고강도 콘크 리트의 경우 42.25 GPa로 측정되었다. 이러한 결과로 볼 때, 보통강도 콘크리트의 압축강도는 저온 양생으로 인하여 38%, 고강도 콘크리트는 33% 정도 저하되는 것으로 나타났다. Fig. 1은 양생 조건에 따른 보통강도, 고강도 콘크리트 시험체에서 측정된 응력-변형률관계를 나타내고 있다.Table 3

Fig. 1

Compressive stress-strain curve

2.4. 성숙도 모델을 이용한 압축강도 예측

실험에서 구해진 재령별 압축강도 결과와 식 (1)에 나타낸 ^{Mun et al. (2014)}과 ^{Yang et al. (2016)} 이 제안한 성숙도를 이 용한 압축강도 예측 모델을 비교하여 Fig. 2에 나타내었다. 기 존의 연구에 의한 예측모델은 저강도 콘크리트일수록 실험결 과와 더 잘 일치하는 것으로 나타났으나, 고강도 콘크리트도 유사한 정확도를 나타냈다.

Fig. 2

Comparison between tests and maturity model

여기서, f_ck : 양생온도별 28일 압축강도, f_cu : 표준양생 시 재령 28일에서 압축강도, M₂₈ : 양생온도별 28일 성숙도, M₈ : 표준양생 시 재령 28일에서 성숙도이다.

3.1. 휨부재 설계

철근콘크리트 휨부재는 폭 200 mm, 높이 300 mm크기의 직사각형 단면으로 지간 길이 3,000 mm로 제작하였다. 실험 변수는 휨철근 량, 콘크리트 압축강도 및 양생조건으로 하여 총 8개의 휨 부재를 제작하였다. 사용된 철근은 SD400으로 직 접 인장실험 결과 항복강도는 475 MPa, 탄성계수는 198,140 MPa로 나타났다. Fig. 3에 실험부재들의 철근배근도를 나타 내었다.

Fig. 3

Dimension of test beam

3.2. 휨 실험방법

연직 액츄에이터를 통해 3점 하중재하방식으로 하중을 단 계별로 재하하였다. 시편의 양쪽 단부로부터 150 mm 씩 띄어 단순지지점으로 하였으며, 지점 사이의 거리는 3,000 mm로 구성하였다. 하중 가력점은 부재의 중앙에 위치하였으며, 하 중재하속도는 변위제어로서 1.5 mm/min의 속도로 재하하였 다. Fig. 4에 하중가력 형상 및 센서 부착 상세를 나타내었다. 하중이 재하되는 동안 처짐을 측정하기 위하여 부재 중앙에 LVDT를 설치하였으며, 지간 중앙점에서의 철근변형률을 측 정하였다. 또한, 하중이 가력됨에 따라 발생되는 단면의 종방 향 변형률을 측정하기 위하여 콘크리트 변형률 게이지를 4개 부착하였다.

Fig. 4

Instrumentation used for the beam flexural test(unit: mm)

4.1. 균열거동 특성

부재의 균열 및 파괴양상을 파악하기 위하여 최종 파괴 시 까지 하중을 재하하였다. 과소철근으로 배근된 부재들인 이 유로 모든 부재들의 초기 휨 균열은 극한하중의 대략 10% 내 외에서 발생하였다. 실험 부재들의 균열발생 형상을 Fig. 5에 나타내었으며, 균열개수는 철근량이 많은 1-시리즈가 철근량 이 적은 2-시리즈보다 많이 발생하는 것으로 나타났다. 또한 콘크리트 강도가 높을수록 균열개수가 줄어들며, 양생조건도 유사하게 나타났지만 그 효과는 철근량보다는 상당히 작은 것을 알 수 있었다.

Fig. 5

Crack patterns

4.2. 균열간격 특성

^{CEB-FIP Model Code(1978)}에서는 OPC콘크리트에 대해 서 다음 식 (2)와 같은 평균 균열 간격을 제안하고 있다.

여기서, c : 콘크리트 순덮개, s : 종방향 철근의 간격, k₁ : 철 근과 콘크리트간의 부착계수(= 0.4), k₂ : 단면 내에서 응력분 포계수( = 0.125), ϕ : 종방향 철근 직경(mm), ρ_eff : 유효철근 비이다.

실험과 식 (2)에서 구해진 균열 개수, 간격을 Table 4에 나타 내었다. 모든 부재에 발생된 균열간격은 식 (2)에서 구해진 값 보다는 실험에서 얻어진 결과가 더 크게 나타났으나, 식 (2)는 콘크리트 강도 및 양생조건 등을 반영하지 못하는 문제점이 있다.

4.3. 하중-처짐 곡선

하중 단계별로 부재의 중앙 단면위치에 설치된 변위계를 이용하여 처짐 값을 측정하였다. Fig. 6은 실험에서 구해진 하 중-처짐 곡선을 나타내고 있다. 균열하중은 하중-처짐 곡선에 서 초기 선형구간 종점에서의 하중 값으로, 항복하중은 철근 이 항복할 때의 하중으로, 극한하중은 하중-처짐곡선의 최대 하중으로 산정하였다. Table 5에 균열하중, 항복하중 및 극한 하중 상태의 하중, 처짐 및 연성지수 값을 나타내었다. 일반적 으로 콘크리트 구조물의 연성은 연성지수(ductility index)로 정량화할 수 있으며, 변형 특성 중에서 구조물의 처짐 등을 바 탕으로 식 (3)과 같이 표현할 수 있다(^{FHA, 2006}; ^{Jang 2008}).

Fig. 6

Load-deflection relationship

여기서 μ : 부재의 연성지수, Δ_u(y) : 부재의 극한(항복)하 중에서의 처짐이다.

Fig. 6에서 처럼 철근량이 많은 1시리즈 부재들의 극한강도 가 철근량이 적은 2시리즈보다 명확하게 크게 나타났다. 또한 정상 온도에서 양생된 콘크리트 휨부재들이 저온 양생된 콘 크리트 부재들보다 변위량이 크며, 연성거동을 하고 있음을 알 수 있다. 다만, 콘크리트 압축강도의 영향은 이론적인 예상 보다 크지 않음을 알 수 있었으며, 고강도일수록 저온 양생으 로 인한 구조 성능 감소가 더 큼을 알 수 있었다.

식 (3)에 의해 계산된 연성지수를 Table 5에 나타내었다. 정 상 양생된 부재들의 연성지수는 3.36～6.74이며, 저온 양생된 부재들의 연성지수는 1.51～2.82이다. 앞의 하중-처짐관계에 서 언급한 바와 같이 저온양생된 부재들의 거동은 정상 양생 된 부재들에 비해서 연성도지수가 저감됨을 재확인할 수 있 다. 한편, 이 부재들과 유사한 철근비를 갖는 기존연구(^{Hong, 2011})에서 항복강도가 400 MPa인 철근과 압축강도가 24, 30 및 50 MPa의 콘크리트를 적용한 부재의 연성지수는 1.09, 1.85 및 1.46으로 나타난다. 따라서 본 연구에서 고강도 콘크 리트 부재의 연성지수 는 선행연구(^{Hong, 2011})의 보통강도 콘크리트의 연성지수 보다 크게 나타남을 알 수 있다. 다만, 더 구체적인 결과를 파악하기 위해서는 추가적인 상세 실험 연구가 필요하다고 판단된다.

4.4. 하중-변형률 관계

실험부재에 부착된 변형률게이지를 이용하여 하중-변형률 관계를 파악하여 Figs. 7, 8에 하중-변형률관계 곡선을 나타내 었다. 콘크리트 압축연단의 극한 변형률은 0.0037～0.0050 정 도 발생되었으며, 콘크리트의 압축강도가 낮을수록 극한 변 형률 값이 크게 나타났으며, 고강도일수록 초기 기울기가 커 서 탄성계수 역시 큼을 알 수 있다. 철근이 항복할 때의 변형률 은 약 0.0025 근처로 나타나, 철근의 직접인장실험 결과인 항 복강도 475 MPa보다는 약간 크게 나타났다.

Fig. 7

Load-concrete strain relationship

Fig. 8

Load-rebar strain relationship