비파괴검사와 수치해석을 이용한 순환골재 고강도 콘크리트의 압축강도 추정에 관한 연구

Abstract

콘크리트 구조물의 노후화와 각종 기능저하 현상이 증대되고 또한 지구온난화 및 기상이변에 의한 자연재해의 빈도가 해를 거듭할수록 잦아지고 그 규모 또한 커져 감에 따라 콘크리트 구조물에 대한 국민의 안전 욕구와 더불어 공공의 안전성과 구조물의 신뢰성에 대한 중요성이 부각되고 있다. 이에 정부는 2005년 3월 ‘비파괴검사 기술의 진흥 및 관리에 관한 법률’을 제정 하였고 2008년 2월에는 비파괴검사기술 시행계획을 확정 하여 총 63억 5700만원 을 투자할 계획을 발표하였다.1) 그리고 구조물 유지 관리 측면에서 손상을 주지 않는 비파괴검사의 중요성이 부각 되고 있고 활용도 또한 높아지고 있다.2)3) 또한 경제 발전으로 인하여 건축물이 점차 고층화 및 대형화가 되고 있다. 그로 인해 천연골재의 수요는 점점 증가하게 되어 국내의 천연골재 부존량은 감소하고 있는 추세이며 건물 철거 시 발생하는 건설 폐기물도 기존 건물의 수명이 다함에 따라 매년 증가하고 있다. 이러한 문제로 인해 환경부는 『건설폐기물 재활용 기본계획(‘07∼‘11)』에 따라 나날이 순환골재의 의무사용량을 확대하도록 하고 있지만, 아직까지 순환골재에 대한 인식 부족과 순환골재 및 순환골재를 사용한 콘크리트에 대한 다각적인 연구부족으로 인해 대부분의 순환골재를 주로 성토, 복토용으로 사용되고 있으며, 고부가가치의 순환골재로 활용된 실적은 10%를 밑돌고 있는 실정이다. 더욱이 현재 사용되고 있는 대부분의 콘크리트 강도가 30MPa 이상이고, 50MPa 이상의 고강도콘크리트의 사용이 날로 증가되어 보편화되고 있는 상황에서 현행과 같은 규정의 제한조건으로 순환골재의 사용량이 크게 한정되면 콘크리트용 골재 공급으로 인한 환경파괴 문제와 심각한 폐콘크리트 처리 문제가 해결될 수가 없다는 것은 자명하다. 따라서, 본 연구에서는 이이에 대한 대책으로서 고로슬래그 미분말을 혼합한 40MPa, 50MPa, 60MPa의 고강도 콘크리트에 천연골재 총사용량 대비 0%, 30%, 50%, 100%를 KS F 2573(콘크리트용 순환골재)에서 규정하고 있는 순환골재로 치환하여 이에 따른 압축 강도의 변화에 대해 분석하였다. 또한 압축강도 실험에서 더 나아가 현재 콘크리트 품질평가의 대표적 지표인 비파괴검사법 가운데 초음파 속도법과 충격 반향기법을 통해 취득한 데이터를 분석하여 압축강도를 추정하여 실험값과 비교 하였고 더 나아가 유한요소 프로그램을 통하여 취득한 압축강도 값과 실험값과의 오차율을 비교․ 분석하여 수치해석의 적용성에 대하여 제안하여 순환골재 콘크리트에 대한 인식전환과 사용성 증대를 유도하고자 한다.

본 논문은 총 5장으로 구성되어 있으며, 다음과 같이 구성된다.

제 1장에서는 연구의 배경 및 목적과 그에 따른 연구내용 및 범위를 명시하였다.

제 2장에서는 순환골재 콘크리트의 필요성 및 특성, 비파괴검사법 등 일반적인 이론에 대하여 설명하였다.

제 3장에서는 사용재료의 물리적 성질과 실험체 계획을 명시하고 고품질 순환 굵은골재 콘크리트를 이용하여 구조적 물성에 관한 시험과 비파괴검사법, 수치해석을 실시하기 위한 시험방법과 범위를 서술하였다.

제 4장에서는 취득된 데이터를 바탕으로 천연골재 콘크리트와 순환골재 콘크리트의 압축강도에 대하여 비교․ 분석하고 기존 연구를 통하여 제안된 강도 추정식을 바탕으로 실제 압축강도와의 상관관계를 분석하였다. 또한 수치해석시, 실험을 통해 얻은 물성치를 입력하여 시간영역 데이터를 측정하고 FFT(Fast Fourier Transform, 고속퓨리에변환)를 통해 주파수 영역데이터를 도출하여 파속도를 실제 실험값과 비교․ 분석하였다.

제 5장에서는 본 연구로부터 얻어진 결과를 기술하고, 앞으로 수행되어야 할 연구방향에 대하여 제시하였다.

본 연구에서는 고강도 순환골재 콘크리트의 사용성 및 비파괴검사와 수치해석을 통한 압축강도 추정에 대한 적용성 평가를 위해 재령 28일 설계기준강도를 목표로 40MPa, 50MPa, 60MPa에 대한 실험체를 제작하였으며, 각각의 배합에 순환 굵은골재를 0%, 30%, 50%, 100%를 치환·혼합하여 총 12배합을 설정하였다. 그리고 재령 1일, 3일, 7일, 28일에 대한 압축강도시험, 초음파속도법, 충격반향기법, 수치해석을 통해 다음과 같은 결과를 도출하였다.

1) 재령 28일의 압축 강도 시험에서 순환골재가 혼입된 콘크리트는 천연골재만 사용한 콘크리트와 비교했을 때 거의 동등하거나 약간 낮은 강도를 발현 한 것을 알 수 있었다. 순환골재를 공시체에 치환한 경우 천연골재만을 사용한 공시체보다 40MPa의 공시체에서는 강도가 평균 0.93% 감소, 50MPa의 공시체에서는 강도가 평균 3.16% 감소, 60MPa의 공시체에서는 강도가 평균 1.78% 감소하였다.

2) 콘크리트의 프아송비는 KS F 2438(콘크리트 공시체의 탄성계수 및 프아송비 시험 방법)에 준하여 0.7의 강도에 대해 강도별, 치환율별로 측정된 프아송비를 산정하였으며 대략적으로 0.15 근처에 분포되어 있으므로 이는 천연골재 콘크리트와 거의 동등한 성능을 확보하고 있다고 판단된다.

3) 치환율에 따라 강도가 감소한 것처럼 전체적으로 파속도는 1∼3%감소하였으며, 모의부재별 초음파 속도의 변화 추이를 살펴 보면, 재령초기에는 파속도의 범위가 약 3,500∼4,100m/sec에 걸쳐서 광범위하게 나타나지만, 재령 28일에는 파속도 범위가 약 4,100∼4,400m/sec에 걸쳐서 다소 밀집하게 나타났다. 그리고 재령일이 지날 때 마다 파속도가 증가한다는 것을 알 수 있었다. 이는 고체물질 내부를 통과하는 초음파는 그 물질의 밀도가 증가될수록 그 물질을 빠르게 통과하는데, 시간이 경과될수록 콘크리트의 경화가 지속되고 그에 따라 콘크리트의 밀도가 증가하게 되었기 때문으로 판단된다.

4) 재령일 28일 기준으로 측정된 응력파속도의 평균값은 40MPa는 3931m/sec, 50MPa는 4319m/sec, 60MPa는 4584m/sec로 대체로 강도가 증가함에 따라 파속도가 증가하는 경향을 보였으나 각 설계 강도에 준하는 정확한 파속도가 구분되지 않는 바, 파속도에 영향을 미치는 양생조건 및 콘크리트 수분함유량 등의 인자들이 고려된 다양한 변수의 실험을 통해 더 많은 데이터를 취득하여야 할 것으로 판단된다.

5) 최적화된 접촉시간, 요소크기, 해석시간 간격의 변수를 사용하여 콘크리트 배합강도 40MPa, 50MPa, 60MPa에 대한 충격반향기법을 통한 파속도 값과 수치해석을 통해 얻은 결과 값에서 도출한 압축파 속도를 비교한 결과 실험결과와의 오차율은 평균 12%, 이론값과의 오차율은 평균 3%로 시뮬레이션을 통하여 도출된 압축파의 속도는 비파괴시험 신뢰성 판단 및 적용에 적용성 평가를 위한 지표가 될 것으로 사료된다.

6) 비파괴검사의 수치해석 적용 시 도출된 문제점으로 경계면에서의 반사파와 회절파에 대한 연구가 미흡하며, 실제 비파괴 실험에서 나타날 수 있는 변수들에 대한 고려가 부족하였다. 또한 수치해석결과에 대한 시간영역의 가속도 데이터를 제 3의 프로그램을 이용하여 주파수 영역데이터로 변환해야하는 비효율성을 나타내었다. 이를 개선하기 위하여 비파괴검사 시뮬레이션을 위한 전용 유한요소 프로그램의 개발이 필요하다.