2.1 적층 슬래브 실험체의 설계

실험체는 1방향 표준 RC 슬래브로서 슬래브 내부 층상화 조건을 실험변수로 설정하였다. 각 실험변수로 RC 슬래브와(RC), HDCC로 제작된 슬래브(HDCC), HDCC 슬래브 내부에 Fig. 3 과 같은 체눈크기 7 mm의 PE-mesh를 20 mm 간격으로 삽입하여 패류 껍질층 경계면 형상을 모방한 슬래브(HDCC-M)로 실험변수를 설정하였다. HDCC 및 철근콘크리트 슬래브 실험체 설계를 위해 본 연구에서는 총 두께 120 mm, 폭 300 mm, 길이 2,000 mm인 슬래브 실험체를 제작하였다. 설계된 실험체의 배근상세 및 각 실험체의 단면은 Fig. 4 및 Fig. 5 와 같다. 모든 실험체는 동일한 철근비인 $\rho_{s}=0.84%$를 가지도록 설계하였으며, 변수 별로 3개의 실험체를 제작하였다.

Fig. 4 Details of rebar placement of slab

Fig. 5 Section details of test specimens

2.2 사용재료의 특성

본 연구에서 패류 껍칠층의 경계면 형상을 모방한 슬래브 실험체를 제작하기 위해 활용한 HDCC 배합 및 일반 콘크리트 배합은 각각 Table 2 및 Table 3 과 같다. 재료의 목표 배합강도는 교량의 연결슬래브, 접속슬래브 등에 일반적으로 적용하는 배합강도인 35 MPa이다. 각 배합은 3성분계 결합재를 활용하였으며, 주결합재로 1종 보통 포틀랜드 시멘트(OPC)를 사용하였고, 유동성 및 작업성능 확보를 위하여 고로 슬래그미분말(BFS)와 플라이애시(FA)를 혼입하였다. 각 결합재의 물리적 특성은 Table 4와 같다. HDCC의 사용섬유로 Table 5 와 같은 물리적 특성을 지닌 PVA섬유를 활용하였으며, 시멘트 매트릭스 체적의 2 %를 혼입하였다. 또한, HDCC에 활용된 잔골재로 섬유의 분산성능 및 시멘트 매트릭스의 충전률을 높여 수축을 저감시키기 위하여 규사를 활용하였다. 혼화제로는 셀롤로스계 분리저감제와 폴리카본산 감수제를 사용하였다. 일반 콘크리트 배합의 경우 골재는 최대치수 13 mm 굵은골재와 잔골재를 사용하였으며, 유동성 확보를 위해 카르복실계 감수제를 사용하였다.

이상의 배합 조건에 따라서 제조된 HDCC의 1축인장거동특성을 평가하기 위해 Fig. 6과 같은 1축인장 실험 시편을 제작하여, 28일 습윤양생 후 1축인장실험을 수행하였으며 그 결과는 Fig. 7에 나타내었다. 여기서, 초기균열강도는 그래프의 첫 번째 응력저하가 발생된 시점으로 정의하였으며, 최대 인장응력을 인장강도로 정의하였다. 또한, 최대 인장응력시의 변형률 값을 인장변형성능으로 정의하였다. 실험결과 평균 3.5 MPa에서 초기균열이 발생하였고, 초기균열 이후 응력이 증가함에 따라 변형률 경화거동을 나타내었다.

또한, 변형률 경화거동 과정에서 다량의 미세균열이 발생되었으며, 미세균열의 발생과 함께 응력저하 현상이 발생되었다. 이는 미세균열이 발생함에 따라 응력이완이 발생되었기 때문이라 판단된다. 인장강도 및 인장변형성능은 각각 평균 4..4 MPa. 5.3 %로 나타났다.

Fig. 6 Uniaxial tensile test specimen and test set-up

Fig. 7 Stress-strain curves in uniaxial tension of HDCC

2.3 적층슬래브 실험체의 제작

패류 껍질층의 경계면 형상을 모방한 적층형 RC 슬래브 실험체 제작방법은 Fig. 8과 같다. 내면 치수가 300×120×2,000 mm인 거푸집에 직경 13 mm 의 종방향 철근 직경 6 mm 철선을 용접하여 조립된 철근을 배치하였다. 하중 재하시 변형률을 측정하기 위해 종방향 철근의 중앙부 4개소에 변형률 게이지를 부착하였다. HDCC 배합은 분체재료를 건비빔 한 뒤 배합수를 첨가하여 시멘트 매트릭스의 유동성을 확보한 이후 섬유를 투입하여 섬유가 고르게 분산되도록 하였다. 배합시간은 총 8분으로 건비빔 2분, 습비빔 2분, 섬유 투입 후 4분으로 비빔하였다. RC 및 HDCC 실험체는 각각 일반콘크리트와 HDCC를 일체 타설하여 제작하였다. HDCC-M 실험체는 Fig. 8(e)와 같이 거푸집에 HDCC 타설시 높이 20 mm 마다 길이 1800 mm, 폭 300 mm의 PE-mesh 망을 삽입하는 방법으로 제작하였다.

Fig. 8 Manufacturing process of specimens

4.1 균열 및 파괴양상

휨 실험 결과 관찰된 균열패턴을 Fig. 10에 나타내었다. 일반 철근콘크리트 슬래브인 RC 기준실험체는 재하 하중 6.5 kN 일 때 중앙부 인장연단에서 초기균열이 발생하였다. 이후 균열이 더 진전되면서 추가 휨균열이 발생하였다. 하중이 증가함에 따라 기존에 발생한 균열이 슬래브 상부로 진전하는동시에 균열폭도 증가하였으며, 철근의 항복 이후에 그 속도가 급격히 증가하였다. 항복 이후 처짐 32 mm 내외까지 안정적인 거동을 보이다 슬래브 상부 중앙 콘크리트의 압축 영역이 파쇄되면서 최종 휨파괴에 도달하였다. HDCC로 제작된 HDCC 실험체의 경우 초기 선형구간에서 하중이 증가하다가 재하하중이 7.2 kN 일 때 중앙부 인장연단에서 초기균열이 관찰되었다. 이후 하중이 증가함에 따라 실험체 인장부 전단면에 걸쳐 많은 수의 미세균열이 관찰되었다. 철근의 항복 이후, 변형률의 급격한 증가와 함께 처짐량도 크게 증가하였으며, 다수의 미세균열이 압축부로 진전하였다. 이후 하나의 균열에 응력이 집중되어 균열폭이 증가하였다. 균열이 압축연단에 도달함과 동시에 하중이 급격히 감소하여 실험을 종료하였다.

HDCC-M 실험체는 재하하중 7.6 kN 에서 초기균열이 관찰되었다. 이후 하중이 증가함에 따라 HDCC 실험체와 동일하게 인장부에 다량의 미세균열이 관찰되었다. 하중이 더욱 증가하면서 인장부에 발생된 미세균열이 PE-Mesh를 삽입한 위치에 도달하였을 때, 적층 경계면의 수평균열이 발생하였다. 수평균열의 발생 이후 인장부 균열이 수평균열에 도달시 압축부로의 진전이 지연되는 현상이 관찰되었으며, 경계면의 수평균열이 파괴로 이어지지 않고, 다수의 반사균열과 함께 새로운 미세 수평균열이 추가로 관찰되면서 처짐이 증가하였다. 철근의 항복 이후 다수의 미세균열은 인장부 전단면에 걸쳐 더욱 증가하였으며, 수직 처짐 64.9 mm까지 안정적인 연성거동을 나타내었다. 이후 HDCC 실험체와 유사하게 압축부의 균열발생 이후 하중이 급격히 감소하여 실험을 종료하였다. HDCC-M 실험체는 실험종료시 까지 순수 휨구간에 발생된 균열이 압축부까지 일정하게 증가하는 것으로 나타났으며, 하중전달능력 및 처짐량이 가장 우수하였다.

Fig. 10 Typical Crack patterns of specimens

4.2 하중-처짐 관계 특성

실험체의 하중 재하에 따른 초기균열, 철근항복 및 극한하중 단계에 따른 각 측정값을 Table 6 에 나타내었고, 하중-처짐 관계의 결과를 Fig. 11에 나타내었다. 모든 실험체의 초기 휨 강성은 2.5∼2.6 kN/mm로 유사한 값을 나타내었다. 앞 절에서 언급한 바와 같이, PE-mesh를 활용하여 단면을 층상화한 HDCC-M 슬래브 실험체가 가장 우수한 하중전달능력 및 처짐량을 나타내었다.

이러한 결과는 재료 단계의 연구를 수행한 선행 논문^{(Kwon et al., 2020)}에서도 유사한 경향이 나타난 바 있다. 이와 같이 우수한 변형성능과 함께 높은 하중 전달 능력이 나타난 것은 층간 경계면에 삽입한 mesh로 인하여 층 분리가 발생하면서 다수의 반사균열과 함께 처짐이 증가하면서 mesh 체눈 사이를 관통하는 다각형의 HDCC가 부착력을 확보하면서 각 층의 단면력 손실을 억제하였기 때문인 것으로 판단된다. 이에 대한 면밀한 연구가 추후에 이루어져야 할 것으로 생각된다.

Fig. 11 Typical load vs. mid-span deflection curves

4.3 극한 내력 및 연성 평가

Table 6 에서 극한상태에서의 실험체 내력 및 최대 처짐을살펴 보면, RC 실험체에 비해 HDCC 실험체는 약 1.5배 우수한 최대 처짐을 나타냈으며, HDCC-M 실험체의 경우 약 2.0배 높은 변형 능력을 보였다. 또한 최대내력은 RC 실험체에 비하여 HDCC 실험체와 HDCC-M 실험체는 각각 1.2배, 1.4배 높은 최대 내력을 나타내었다. 이와 같이 HDCC-M 실험체가 우수한 변형성능과 함께 높은 하중 전달 능력은 보인 것은 4.2절에서 언급한 바와 같이 층간 경계면에 삽입한 mesh의 역할인 것으로 생각된다. 다시 말해서 적층 경계면의 분리와 함께 다수의 반사균열이 발생하여 변형이 증가하였고, mesh의 체눈을 관통하는 HDCC가 층간의 부착력을 증진하였기 때문인 것으로 판단한다. 이는 다각형 모양의 판형무기물이 단백질로 수직 연결된 패류 껍질층의 특성 및 거동과 유사하다고 판단된다.

실험체의 연성을 평가하기 위하여 변위 연성비를 식 (1)과 같이 계산하였다. 식에서 $\mu$는 변위 연성비, $\delta_{u}$는 최대변위, $\delta_{y}$는 항복 변위를 의미한다. 계산 결과는 Table 7과 같다.

Table 7에 정리한 바와 같이, HDCC-M 실험체의 변위 연성비는 5.1로 가장 높은 값을 나타내어 RC 실험체에 비하여 1.7배 높은 결과를 보여주었다. 한편 HDCC 실험체의 경우, RC 실험체 대비 1.4배 높은 값을 나타내었다. HDCC로 제작된 실험체들은 HDCC 재료의 높은 연성과 다중미세균열이 슬래브 실험체의 처짐량을 증가시켜 RC 실험체에 비하여 우수한 연성을 나타낸 것으로 판단된다. HDCC-M 실험체의 경우 층간 경계면에 삽입한 mesh의 역할로 가장 우수한 변형성능을 나타낸 것으로 판단된다.