2.1 사용재료 및 배합

ECC에는 밀도 3.15 g/cm$^{3}$의 1종 보통 포틀랜드 시멘트(OPC)를 사용하였고, 매트릭스의 파괴인성을 낮춰 다중 미세균열을 발생시키기 위해 굵은골재를 사용하지 않았다. 혼화재료로는 F급 플라이애시(FA)를 사용하였다. 보강용 섬유로 사용한 PVA(Polyvinyl-alcohol) 섬유의 물성은 Table 1과 같고, 시멘트 페이스트와 과도한 화학적 부착을 방지하기 위하여 표면처리가 되어 있다. Table 2는 ECC 배합을 나타낸다. 시멘트 매트릭스에 플라이애시의 치환율을 높임으로서 매트릭스의 강도 감소로 인한 파괴인성을 낮추어 다중균열 특성이 나타나도록 하였고, 결합재와 충전재의 역할을 할 수 있도록 하였다. 또한, 시멘트 매트릭스에 혼입되는 PVA 섬유가 고루 분산되도록 시멘트 페이스트의 점성을 조절하기 위하여 감수제(SP)와 셀룰로스 계열의 분리저감제(HPMC)를 혼화제로 첨가하였고, 공기량 조절을 위한 소포제(defoamer)를 사용하였다.

2.2 고인성 섬유복합체의 인장성능

철근콘크리트 보 실험체에 적용할 ECC의 재령 28일 압축강도는 21 MPa로 나타났다. 1축 인장성능을 평가하기 위하여 Fig. 1과 같이 1축 인장실험을 수행하였다. 실험체는 단부의 파괴를 방지하면서 직접인장 실험체에 균일한 1축 인장하중이 가해지도록 아령 형상을 갖고 있다. 실험체는 탈형 후 재령 28일까지 수중양생을 실시하였다. 이후, 250 kN 용량의 UTM을 활용하여 1축 인장하중을 가력하였고, 0.2 mm/min 속도로 재하하였다. 실험체 중양부 80 mm 좌우 대칭인 구간에 10 mm변위계(LVDT)를 설치하여 하중과 함께 실험체에 발생한 변위를 데이터 로거를 이용하여 실시간으로 측정하였다. 실시간 하중과 변위는 인장응력과 변형률로 각각 환산하였고 그 결과를 인장응력-변형률 관계로 나타내어 Table 3 및 Fig. 2에 나타내었다. 또한, 초기 균열강도와 최대 인장변형률을 측정하여 인장 변형률 경화거동과 함께 실험체에 발생되는 균열 형태를 관찰하였다. ECC 실험체는 1축 인장조건 하에서 변형률의 증가와 함께 인장강도가 증가하는 뚜렷한 변형률 경화거동을 나타내었으며, 100 μm 이하 균열폭을 가진 다수의 미세균열이 관찰되었다. 실험체의 최대 변형률은 ECC1, ECC2, ECC3 실험체가 각각 2.9 %, 3.0 %, 3.1 %로 측정되었고 평균 3.0 %의 최대 인장변형률로 측정되었다.

실험체의 파괴형태는 1축 인장응력이 증가함에 따라 각 실험체의 균열강도에 도달하면서 첫 균열이 발생하였다. 이때의 균열강도는 ECC1, ECC2, ECC3 실험체가 각각 2.2 MPa, 2.3 MPa, 2.5 MPa로 측정되었다. 인장강도가 증가하는 변형구간에서는 안정상태의 미세균열이 실험편 중앙부 전체에 골고루 분산되면서 변형률 경화거동이 관찰되었다. 이후, 응력이 실험체의 최대 인장강도를 초과될 때 발생된 균열에 응력이 집중되어 균열의 폭이 점차 증가하면서 실험체가 파단되어 실험을 종료하였다.

Fig. 1. Specimen dimension and setup for uniaxial tension test

Fig. 2. Tensile stress and strain curves of ECC

3.1 Mechanical properties of rebar

실험체 제작을 위하여 사용된 콘크리트는 슬럼프 150 mm, 공기량 4.5 %, 압축강도 21 MPa의 물성을 나타내었다. ECC는 2.2절에 기술된 성능을 갖는 것을 사용하였다. 보강 철근으로 사용된 재료의 물리적 특성은 Table 5와 같다. 철근콘크리트 보는 연성거동을 할 수 있도록 저보강으로 설계하였다.

3.2 실험체 제작

철근콘크리트 보 실험체 형상 및 단면 상세를 Fig. 3에 나타내었다. 실험체의 총 길이는 2,200 mm이며, 단면치수는 110 mm × 180 mm의 직사각형 형상이다. 압축부에는 D13의 이형 철근 두개, 인장부에는 세 개의 D13의 이형철근을 배근하였으며 띠철근은 길이방향 전 구간에 100 mm 간격으로 균일하게 배근하였다. 또한, 실험 중 변화하는 철근 변형률을 측정하기 위하여 압축부에 26개소, 인장부에 26개소 총 52개소에 변형률 게이지를 부착하여 각 지점의 곡률을 분석하였다. RC 실험체와 ECC_Full 실험체의 경우 전단면을 각각 일반 콘크리트와 ECC로 타설하였고, ECC_5d 실험체의 경우 중앙부 800 mm에 ECC를, 나머지 구간에 일반 콘크리트로 타설하였다. 실험체 제작과정은 Fig. 4에 도시하였다.

Fig. 3. Configuration and dimension of the beam specimen

Fig. 4. Manufacturing process of beam specimen

3.3 실험방법

Fig. 5는 휨 실험을 위한 실험체 설치 전경을 보여주고 있다. 실험은 250 kN 용량의 UTM을 사용하여 4점재하 방식으로 수행하였다. 실험체의 양 끝단으로부터 100 mm 위치에 회전단을 설치하여 순 지간이 2,000 mm가 되도록 단순지지 하였다. 하중은 UTM에 프레임을 연결하여 2점 가력을 하였고, 가력점의 간격은 400 mm로서 이 영역에서는 순수 휨이 작용하도록 하였다. 실험체의 처짐은 보의 중심부에서 레이져 변위측정기를 이용하였고, 압축철근 및 인장철근에 부착된 철근게이지를 분석하여 휨하중에 따른 실험체의 거동을 평가하였다. 하중 가력 시 콘크리트의 국부파괴를 방지하기 위하여 각부 콘크리트에 균일한 하중이 가력될 수 있도록 가력판을 설치하여 실험을 수행하였다.

Fig. 5. Set-up for beam bending test

4.1 균열 및 파괴양상

Fig. 6은 각 실험체의 실험종료 후 균열패턴을 나타낸다. 모든 단면을 일반 콘크리트로 사용한 RC-1과 RC-2 실험체의 초기 균열은 9.6 mm, 8.4 mm에서 각각 발생하였다. 또한, ECC_5d-1, ECC_5d-2 실험체는 10.9 mm, 10.3 mm, ECC_Full-1, ECC_Full-2 실험체의 경우 11.2 mm, 10.1 mm에서 각각 초기 균열이 발생하였다.

RC-1과 RC-2 실험체는 최대 내력에 도달 한 후, 인장부에서 발생한 균열이 압축부까지 도달하여 압축부 콘크리트가 압축파괴 되는 전형적인 휨 파괴 형태를 나타내었다. ECC를 중앙부에 800 mm 치환한 ECC_5d-1, ECC_5d-2 실험체와 ECC를 전단면에 적용한 ECC_Full-1, ECC_Full-2 실험체는 최대내력 이후 ECC가 적용된 인장단면에 다중 미세균열이 증가하는 경향을 나타내었다. 또한, ECC의 치환길이가 증가할수록 최대내력에서 인장부의 미세균열 발생과 함께 처짐이 증가하는 연성적인 거동을 보였으며, ECC의 치환율이 증가할수록 보의 중앙점을 중심으로 휨균열이 분산되는 범위가 증가한 것을 확인하였다.

Fig. 6. Typical crack patterns of specimens

4.2 하중-변위 특성

Fig. 7은 각 실험체의 하중과 처짐 곡선을 나타내며, 특징이 되는 수치는 Table 6에 정리하였다. RC 시리즈 실험체의 경우 평균 21.5 mm의 처짐에서 인장철근이 항복한 이후 인장부에서 발생한 균열폭이 집중되었고 최대하중 이후 급격히 내력이 감소하였다. ECC를 중앙부에 800 mm 치환한 ECC_5d 시리즈 실험체의 경우 인장철근의 항복은 평균 23.0 mm에서 발생하였고, ECC를 전단면에 적용한 ECC_Full 시리즈 실험체는 평균 23.3 mm의 처짐에서 인장철근이 항복하였다.

인장철근 항복 시 RC 실험체의 하중은 평균 62.7 kN으로 측정되었다. 인장철근 항복 시 ECC_5d시리즈 실험체의 하중 평균은 67.4 kN로 측정되었고 ECC_Full 시리즈 실험체는 평균 68.8 kN으로 나타나 RC 시리즈 실험체 대비 각각 평균 7.5 %, 9.7 % 향상되었다. RC 시리즈 실험체의 최대내력은 평균 67.2 kN(최대변위 평균 80.2 mm)으로 측정되었다. ECC_5d 시리즈 실험체의 최대내력은 평균 74.0 kN(최대변위 평균 93.9 mm), ECC_Full시리즈 실험체의 최대내력은 평균 75.9 kN(최대변위 평균 120.3 mm)으로 측정되어 RC 시리즈 실험체와 비교할 경우 각각 10.0 %, 12.9 % 최대내력이 향상된 것으로 나타났다. 이 결과를 통해 ECC 치환길이가 증가할수록 ECC의 변형률 경화거동 특성이 반영되어 변위의 증가와 함께 최대내력이 향상되는 것으로 판단된다.

4.3 모멘트-곡률 특성

Fig. 8과 Table 7에는 각 실험체의 모멘트와 곡률 관계를 나타내고 있다. 초기균열 모멘트($M_{i}$)는 RC 시리즈의 경우 평균 9.8 kN·m, ECC_5d 시리즈의 경우 평균 10.7 kN·m, ECC_Full 시리즈의 경우 평균 11.2kN·m로 측정되어 철근콘크리트 보에 ECC의 치환길이가 증가할수록 초기균열 모멘트가 증가하는 것으로 나타났으며, 항복 모멘트($M_{y}$) 에서도 동일한 경향을 보였다. RC 시리즈 실험체의 극한 모멘트($M_{u}$)는 평균 26.9 kN·m로 측정되었고, ECC_5d 시리즈와 ECC_Full 시리즈는 각각 평균 29.6 kN·m, 30.4 kN·m로 측정되었다. 초기균열 모멘트와 항복 모멘트는 ECC의 치환길이가 증가할수록 향상되는 경향을 나타내었다. 극한 모멘트의 경우 ECC_5d 시리즈와 ECC_Full 시리즈는 평균 10.0%, 13.0% 향상되어 ECC 치환길이 증가에 따라 비례하는 경향은 뚜렷하게 보이지 않았고, 인장부에 동일하게 배근된 인장철근의 영향인 것으로 판단된다. 다만, 치환길이가 순수모멘트 구간의 길이보다 작다면 차이가 나타날 것으로 판단된다.

극한곡률($\phi_{u}$)을 비교할 경우, ECC 시리즈(ECC_5d, ECC_Full) 실험체는 RC 시리즈 실험체와 뚜렷한 차이를 보였다. 극한곡률에 있어서 ECC_5d 시리즈의 경우 RC보다 17.8 % 증가하였고, ECC_Full 시리즈의 경우 28.3 % 증가하였다. 이 결과는 ECC 매트릭스 내부에 혼입된 보강섬유가 인장하중 조건에서 다중 미세균열을 발생시켜 균열폭 제어를 통한 변형률 경화거동 (strain-hardening behavior)을 보였고, 우수한 연성능력을 발휘하였기 때문으로 사료된다.

4.4 소성힌지 특성

횡하중을 받는 철근콘크리트 부재는 휨에 의해 지배될 경우 위험단면에서 소성힌지가 발생하고 비탄성 변형이 집중된다. 항복곡률을 초과하는 비탄성 영역의 곡률 분포는 등가소성힌지 길이 구간의 면적과 동일하다는 가정하에 등가 소성힌지 개념을 도입하였다(Park et al, 1975)⁽¹⁴⁾.

Table 8에는 등가소성힌지 길이($L_{P}$) 및 곡률연성계수($\phi_{u}$/$\phi_{y}$)를 산정한 결과를 나타내었고 Fig. 9에는 각 지점에서 측정된 곡률을 등가면적으로 환산하여 소성힌지 길이를 산정하였다. 여기서 가로축 h는 보의 중앙부에서 단부까지의 길이를 나타내며 세로축은 각 지점에서의 곡률 분포를 나타낸다.

Fig. 9. Estimated plastic hinge length of the specimens

RC 보 실험체의 소성힌지 길이는 RC-1, RC-2가 각각 1.31$d$(210 mm), 1.46$d$(234 mm)로 측정되어 평균 222 mm의 소성힌지 길이로 계산되었다. ECC를 800 mm 치환한 ECC_5d-1, ECC_5d-2의 소성힌지 길이는 각각 2.14$d$(342 mm), 2.04$d$(326 mm)로서 평균 334 mm의 소성힌지 길이가 측정되었다. ECC를 전체 적용한 ECC_Full-1, ECC_Full -2 실험체는 평균 446 mm의 소성힌지 길이를 보여 ECC의 치환길이 증가와 함께 소성힌지 길이도 함께 증가함을 확인하였고, 이에 따른 에너지 흡수능력 또한 증가할 것으로 판단된다. RC 실험체와 소성힌지 길이를 비교할 경우 ECC_5d 시리즈는 평균 50 % 증가하였고, ECC_Full 시리즈 실험체의 경우 101 % 향상되었다.

측정된 곡률연성계수는 RC 시리즈 실험체가 평균 2.41로 측정되었다. ECC_5d 시리즈의 곡률연성계수는 평균 2.57이며, ECC_Full 시리즈는 2.75로 측정되어 ECC 보강 길이가 증가할수록 곡률연성계수는 점진적으로 증가하는 것을 확인하였다. 따라서 ECC를 소성힌지부에 적용할 경우, 소성힌지의 길이가 길어져서 연결부에 곡률이 집중되는 현상이 기존의 철근콘크리트에 비하여 줄어들게 되므로 이를 고려하여 부재 설계가 이루어 져야 할 것이다.