2.1 실험계획

바이오차로 치환된 콘크리트에 대하여 바이오차 치환율과 철근의 정착길이 변화가 철근 정착강도에 미치는 영향을 평가하기 위하여 총 9개의 실험체를 제작하였다. 실험 변수는 바이오차 치환율과 정착길이로서 Table 1과 같이 치환율은 0%, 5%, 7%, 정착길이는 치환율별로 각각 90mm, 160mm, 230mm로 설정하였다.

실험체의 규격은 Fig. 1과 같이 200×200×400mm이며 실험에 사용된 철근은 HD13을 사용하였다. 철근의 항복강도와 인장강도는 각각 평균 429.9MPa과 553.27MPa로 측정되었다. 바이오차 치환 콘크리트 내부에 정착된 철근의 정착길이는 PVC파이프를 이용하여 조절하였다. 바이오차 치환 콘크리트의 목표 강도는 24MPa로 설정이며 실험에 사용된 콘크리트의 배합은 Table 2와 같다. 시멘트의 양은 바이오차 치환율에 따라 감소시켰으며 물-결합재비는 50%, 잔골재율은 40%로 일정하게 유지하였다.

Fig. 1 Detail of specimen

목질계 바이오차 치환 시 콘크리트의 워커빌리티가 감소하기 때문에 바이오차가 치환된 배합에는 고성능 유동화제(SP)를 배합에 추가하였다(Hong et al., 2025).

2.2 실험방법

실험체 내에 정착된 철근의 변형률과 미끄러짐을 측정하기 위해 변형률 게이지와 LVDT를 설치하였다. Fig. 2에 실험체의 셋팅 및 변형률 게이지와 LVDT 설치 위치를 나타내었다.

Fig. 2 Test setup and gauge locations

각 실험체의 가력은 2000kN 용량의 만능 시험기(UTM) 상부 지그에 돌출된 철근을 고정하고 하부 프레임에 콘크리트 블록이 고정되도록 한 뒤, 철근의 수직방향으로 점진적인 인장하중을 1.5mm/min의 속도로 가력 하여 최종파괴에 이를 때까지 하중을 가력 하였다. 실험 과정 중 철근과 콘크리트 블록의 상대 미끄러짐을 측정하기 위하여 실험체 하부에 콘크리트 블록의 변위 (LC)와 콘크리트 블록 내에서 철근의 변위 (LS)를 계측하도록 변위계 (LVDT)를 설치하고 두 값의 차를 이용하여 상대 미끄러짐을 측정하였다. 돌출된 철근 300mm 지점에 변형률게이지 (ESG)를 부착하여 인발하중에 따른 철근의 변형률 변화를 실시간으로 측정하였다. 이러한 계측 데이터를 이용하여 하중-미끄러짐 곡선과 응력-변형률 관계를 도출하여 바이오차 치환 콘크리트에서 철근의 인발특성을 분석하였다.

3.1 재료시험

실험체 제작 시 함께 만든 콘크리트 실린더공시체에 대하여 KS F 2405에 따라 각 치환율별로 3개씩 압축강도시험을 실시하였다. 그 결과 바이오차 치환율이 증가할수록 콘크리트의 압축강도는 감소하는 경향을 보였다. 이는 바이오차의 다공성 특성이 콘크리트 내부의 공극을 증가시켜 강도를 저하시켰기 때문이다. 바이오차 치환율에 따른 평균 압축강도는 치환율 0%, 5%, 7%인 경우 각각 30.2MPa, 25.8MPa, 19.5MPa로서 7%인 경우에는 목표강도에 미치지 못하는 것으로 나타났다. 0%인 경우에 비하여 치환율 5%에서는 압축강도가 14.57%가 감소하였고 7%에서는 35.43%가 감소하였다. 바이오차 치환 콘크리트의 탄성계수는 KDS 14 20 01에 따라 본 실험에서 콘크리트의 압축강도 실험 시 측정한 변형률을 사용하여 탄성계수를 구하였다. 탄성계수의 감소폭은 5%는 0% 대비 약 16.8%가 감소하였고 7%는 35.58%로 압축강도의 감소폭과 거의 유사하게 나오는 것을 확인 하였다. Fig. 3은 공시체의 응력-변형률 곡선 이며 Table 3 압축강도 및 탄성계수를 정리하였다.

Fig. 3 Stress-strain curve of concrete

3.2 실험체 최대하중 및 파괴 양상

각 실험체의 미끄러짐 발생 하중 및 최대하중, 그리고 파괴양상을 정리하면 Table 4와 같다. 정착 길이가 90mm인 실험체들은 철근이 항복하기 전에 인발파괴가 발생한 반면에 정착 길이 160mm인 실험체들은 치환율 0%와 5% 모두 철근 항복이 발생한 이후 인발파괴가 발생 하였다.

반면에 치환율 7%인 실험체들은 정착길이가 160mm임에도 불구하고 인발파괴가 발생하였다. 정착길이 230mm의 경우 치환율 5% 실험체와 7% 실험체는 철근 항복이 발생한 후 인발 파괴가 발생하였지만 0%의 경우 인발파괴가 발생하지 않고 철근이 파단되었다. 실험 종료 후 실험체 파괴사진은 Fig. 4와 같다.

Fig. 4 Failure shapes

3.3 하중-미끄러짐 곡선

Fig. 5와 Fig. 6은 각각 정착 길이별 하중-미끄러짐 곡선과 바이오차 치환율에 따른 하중-미끄러짐 곡선을 나타낸다. 가로축은 미끄러짐을 나타내고 좌측 세로축은 하중, 우측 세로축은 하중을 철근단면적으로 나눈 응력값을 나타낸다.

Fig. 5 Load-displacement with development length

Fig. 6 Load-displacement with biochar ratio

정착 길이 90mm인 Fig. 5(a)로부터, 미끄러짐 발생하중은 콘크리트 압축강도가 가장 높은 P-D13-L90-0이 가장 크고 P-D13-L90-5와 P-D13-L90-7은 유사한 미끄러짐 발생하중을 보임을 알 수 있다. 치환율 0%에 비하여 치환율 5%가 약 16%의 낮은 최대하중을 보였지만 미끄러짐 발생 이후 그래프의 기울기는 유사하다. 모두 철근 항복강도인 429.9MPa에 도달하지 못하였다. 콘크리트 압축강도가 가장 낮은 치환율 7%는 0% 대비 약 45.45% 낮은 최대하중을 보였다.

정착길이 160mm인 경우, P-D13-L160-0과 P-D13-L160-5의 미끄러짐 발생 하중 및 최대하중이 거의 유사하게 측정되었다. 그래프의 기울기 또한 비슷한 양상인 것을 확인할 수 있다. 치환율 7%를 제외하고 모두 최대응력이 철근항복강도 429.9MPa를 초과하지만, 철근 최대인장강도인 553.27MPa에는 미치지 못한다. 즉, 이 정착길이는 철근항복을 유도할 수 있지만, 최대인장강도에 도달하기전에 인발파괴가 발생함을 의미한다. 치환율 7%의 경우에는 최대응력이 442.15MPa로서 철근항복강도를 초과하였지만 철근 최대인장강도에는 도달하지 못하였다. 치환율 0% 인 경우에 비하여 미끄럼발생하중은 34.35%, 최대하중은 19.82% 낮게 나타났다.

정착길이 230mm인 경우에는 0%와 5% 치환율 모두 철근 최대인장강도에 도달하였다. 치환율 7%의 경우에는 최대응력이 488.24MPa로서 철근 항복강도인 429.9MPa보다 높지만, 최대인장강도에는 도달하지 못하였다. 치환율 0%에 비하여 미끄러짐 발생 하중은 46.1%, 최대하중은 17% 낮게 나타났다.

따라서 본 연구의 실험 범위에서는 HD13 철근이 무횡보강 상태로 직접인발되는 조건에서 바이오차 치환율 5% 및 정착길이 160mm 이상을 확보한 경우 치환율 0% 실험체와 유사한 최대하중 및 부착거동을 보이는 것으로 판단된다. 다만 이러한 결과는 본 연구에서 사용한 실험체 형상, 철근 직경, 피복두께, 정착길이 및 바이오차 치환율 범위에 한정되며 다양한 구조 조건에 대한 적용성은 추가적인 검토가 필요하다. Fig. 7은 각 정착길이별로, 바이오차 치환율에 따른 미끄러짐 발생하중과 최대하중을 비교하여 나타낸 그림이다.

Fig. 7 Comparison of resistance corresponding to the biochar ratio

3.4 철근 변형률 분포

Fig. 8은 바이오차 치환율 5%이고 정착길이가 230mm인 P-D13-L230-5 실험체에서 매립된 철근에 부착한 변형률게이지의 하중-변형률을 나타낸 그래프이다. 비정착부인 ESG0와 거의 유사한 변형률이 응력도입부인 ESG1에서 발생하였으며 거리가 멀어질수록 점진적으로 변형률이 작아짐을 알 수 있다. 정착길이 230mm인 실험체들에 대해서 매립된 철근에 부착한 게이지로부터 측정한 하중 단계별, 위치별 변형률 분포를 나타내면 Fig. 9와 같다. 인장응력이 작용하는 응력도입부에서 가장 큰 변형률을 보이고, 거리가 멀어질수록 철근의 변형률이 선형적으로 낮아지는 양상을 보인다. 이는 응력 도입부에서 가장 높은 응력이 작용하고 거리 증가에 따라 선형적으로 감소함을 의미한다. 이와 같은 변형률분포는 정착길이 90mm와 160mm에서도 거의 유사하게 나타났다.

Fig. 8 Load- strain curves of strain gauges attached on the rebar (P-D13-L230-5)

Fig. 9 Strain distribution along with embedded rebar

3.5 최대하중 및 기준식 비교

바이오차 치환 콘크리트내에 매립된 철근의 인발강도 평가를 위하여, 횡구속보강이 없는 보통 콘크리트에 대하여 제안된 다음과 같은 기존의 부착강도 예측식을 검토하였다.

Eq. (1)은 Darwin 등 (1992)이 실험결과들을 취합하여 분석한 뒤 제안한 철근 부착강도 예측식이며, Eq. (2)는 Darwin 등 (1996)이 보다 많은 데이터를 기반으로 Eq. (1)을 수정보완한 식이다. Eq. (3)은 Zuo & Darwin(1998, 2000)이 데이터 수를 더 증가시키고 특히 고강도콘크리트의 비율을 높여 재분석하여 제시한 식이며 Eq. (4)는 Esfahani & Rangan(1998)이 국부 부착응력 이론을 확장하여 제시한 식이다. ACI 408 위원회 (2003) 에서는 ACI 데이터 베이스 10-2001을 이용하여 Eq. (3)을 소폭 수정한 Eq. (5)를 제시하였다.

$T_c$ : 횡보강근이 없는 콘크리트에 발현되는 부착력 (kN), $A_b$ : 철근 단면적 (mm²), $f_c'$ : 콘크리트 압축강도 (MPa), $d_b$ : 철근 직경 (mm), $l_d$ : 철근의 정착길이 (mm), $c_{\min}, c_{\max}$ : 부착강도 산정시 사용되는 최대 및 최소 피복 두께 (mm), $c_{med}$ : $c_{so}, c_b, c_{si} + d_b/2$ 중 중간값 (mm), $c_{so}$ : 철근 측면 콘크리트 피복두께 (mm), $c_b$ : 철근 하부 콘크리트 피복두께 (mm), $c_{si}$ : 철근 사이 순 간격의 1/2 (mm), $M$ : 부착응력 분포를 고려한 계수로써 이 논문에서는 1을 사용함.

상기 식들에 의한 부착력과 실험을 통해 측정된 각 실험체의 하중을 비교하여 Table 5에 정리하였다. 철근의 최대인장력은 재료시험 결과 70.10kN이며, 각 계산식으로 산정된 부착강도는 이 값을 초과할 수 없다. 이에 따라 계산된 부착강도가 철근인장력을 초과할 경우에는 철근인장력인 70.10kN을 표에 나타내었다.

기존식들 사이에서의 계산결과를 보면, 본 연구에서 고려한 정착길이에 대한 기존식들간의 계산값 차이는 크지 않다. 가장 높은 값은 Eq. (3), 가장 낮은 값은 Eq. (4)에 의한 것으로 나타났다.

모든 식들에서 공통적으로 나타나는 것은 부착강도를 전체적으로 과대평가하는 경향을 보이고 있다. 특히 모두 부착파괴한 정착길이 90mm인 경우에는 이 현상이 확연하다. 치환율 7%인 실험체들에서 보면, 실험값/계산값의 비는 정착길이 90mm에서 0.54∼0.69, 정착길이 160mm에서 0.88∼1.06의 분포를 보인다. 특히 정착길이가 230mm로서 철근의 인장파단이 예상되는 P-D13-L230-7에서도 부착파괴되어 계산값인 철근파단하중 70.1kN보다 낮은 61.86kN을 보인다. 이는 기존식들을 사용할 경우, 바이오차 치환율 7%인 콘크리트 내에 정착된 철근의 부착강도가 과대평가됨을 의미한다.

치환율 5%인 경우, 실험값/계산값의 비는 정착길이 90mm에서 0.77∼0.92의 분포로서 과대평가의 양상을 보이지만, 정착길이 160mm에서는 1.05∼1.18로서 실험값과 계산값이 근사한 경향을 보인다. 정착길이 230mm인 경우에는 계산결과와 같이 철근파단강도로 내력이 결정되어 실험결과와 계산결과가 거의 일치되는 것으로 나타났다.

다만, 본 연구에서 검토한 기존 부착강도 예측식들은 주로 보 부재의 정착 또는 겹침이음 실험 결과를 기반으로 제안된 반 경험식으로 실제 구조부재 내의 균열 발생, 피복두께, 횡방향 구속 및 응력분포의 영향을 포함하고 있다. 반면에 본 연구에서 수행한 직접 인발실험은 철근과 콘크리트 계면의 기본적인 부착저항을 평가하기 위한 실험으로 보 부재의 정착 및 이음 실험과는 응력상태와 구속조건에 차이가 있다. 따라서 본 연구에서의 비교는 기존식의 직접적인 설계 검증을 목적으로 하기보다는 바이오차 치환 콘크리트에 정착된 철근의 부착성능이 보통 콘크리트 기반의 기존 예측식과 어느 정도 부합하는지를 상대적으로 검토하기 위한 것이다.