150MPa 초고강도 콘크리트의 최적배합과 RC보 휨거동 평가

Abstract

국내외 초고강도콘크리트 연구동향, 특히 국내의 경우를 종합하여 정리하면, 2000년대 초반까지는 설계기준 압축강도 80MPa, B/P 배합강도 100MPa급의 초고강도콘크리트가 실제 건물의 설계에 반영되어 시공되는 단계였으며, 2006년 이후는 배합강도 120MPa급의 시험시공, 2008년 이후는 150MPa급 초고강도콘크리트의 개발단계임을 알 수 있으며, 최근 200MPa 이상의 초고강도콘크리트가 개발되고 있음을 확인할 수 있다. 그러나 현재 200MPa급 초고강도콘크리트는 보통시멘트가 아닌 특수시멘트 즉 RPC를 사용한다거나 일반양생이 아닌 증기양생방법 사용 그리고 특수골재 및 섬유혼입 등 특수한 제조방법을 적용하여야 하는 상황이다. 따라서 보통포틀랜드시멘트에 실리카퓸 등의 혼합재를 사용하고 일반골재를 사용하고 상온양생을 통하여 국내 배치플랜트에서 제조가능한 콘크리트 강도범위의 상한은 150MPa 정도인 것으로 요약될 수 있으며, 150MPa급의 초고강도콘크리트는 대부분 실험실단계의 연구인 상황에서 배치플랜트 생산을 통한 현장실용화 연구는 매우 중요하다 할 수 있다. 또한 초고층구조물의 수직부재에 초고강도콘크리트를 적용할 경우 수직부재의 초고강도화로 인한 수평부재의 상대적인 강도증대가 매우 중요한데, 이와 관련하여 우리나라 콘크리트구조설계기준에서는 수직부재와 수평수재의 강도차이를 1.4배 이내가 되도록 정하고 있다. 이것은 수평부재보다 월등히 높은 수직부재의 강도는 수직부재에 대한 응력집중을 초래하여 구조물의 안전에 매우 불리한 영향을 끼칠 수 있기 때문인데, 예를 들어 기둥에 200MPa의 초고강도콘크리트를 사용하면 수직하중의 원활한 전달을 위하여 보에는 140MPa 이상의 초고강도콘크리트를 사용하여야 하는 조건이 되므로 향후 수직부재 뿐만 아니라 수평부재에 대한 초고강도콘크리트 사용 요구도 증대할 것으로 보여진다. 또한, 최근 70~80층 규모의 초고층 건물의 아웃리거층에 80MPa정도의 콘크리트가 설계에 반영되고 있는 상황에서 이보다 월등히 높은 건물의 횡하중저항을 위해 아웃리거층에 100MPa 이상의 초고강도콘크리트 사용은 필연적이라 판단되며, 최근 건설기술연구원에서 수행한 장스팬 교량을 위한 200MPa급의 초고강도콘크리트 개발사례와 같이 건축구조물 및 토목구조물에서 장스팬 부재 즉 휨부재의 단면크기 및 강성증대를 위한 초고강도콘크리트 사용 요구도 크게 증가할 것으로 예상된다. 따라서 국내외 초고강도콘크리트 개발 및 적용 필요성을 고려할 때 특수한 재료를 사용한 제조방법이 아닌 일반재료 중에서 품질이 우수한 몇 가지 선별재료를 사용하고, 기존 배치플랜트 설비를 이용하는 방법으로 150MPa 초고강도콘크리트의 배합설계 및 현장실용화연구를 수행하고 이러한 초고강도콘크리트의 기본적인 재료역학특성을 평가하고 구조안전성을 고려한 기본적인 설계방안을 도출하는 연구를 진행하는 것은 매우 중요하다고 판단된다.

따라서 본 연구에서는 첫째, 실내 배합 실험과 레미콘B/P 생산실험 및 Mock-up 실험을 통하여 초고강도콘크리트의 제반 물성을 평가한 후 150MPa 초고강도콘크리트 제조를 위한 최적 배합 조건을 제시하고자 하며, 둘째, 압축강도, 응력-변형률 관계, 탄성계수와 인장강도, 휨강도 등을 평가하여 초고강도콘크리트의 기본적인 재료역학 특성을 평가하며, 셋째, 초고강도콘크리트를 사용한 단근보의 휨성능 평가 실험을 실시하여 현재 사용되고 있는 휨부재에 대한 최소 및 최대 철근비, 압축응력 블럭, 연성 등을 평가하고자 한다. 이와 같은 목적을 달성하기 위하여 기존 연구현황 및 국내외 관련기준을 비교 분석하여 본 연구의 내용 및 방향을 설정하였으며, 이에 따라 실험실에서 150MPa 초고강도콘크리트의 최적배합실험을 실시하고 선정된 최적배합을 적용하여 레미콘 배치플랜트에서의 생산성을 검증한 후 압축강도, 탄성계수 등의 재료역학특성을 평가하였으며, 최종적으로 철근콘크리트 단근보의 휨거동을 평가함으로써 150MPa 초고강도콘크리트의 현장실용화를 위한 연구를 진행한다.

본 논문은 총 6장으로 구성되어 있으며, 각 장별 주요 내용은 다음과 같다. 제 1 장 : 서론 - 연구배경 및 목적, 연구범위 및 방법 제 2 장 : 고강도 및 초고강도콘크리트의 배합, 재료역학특성, 구조설계 방안 등에 대한 기존 연구 고찰 제 3 장 : 150MPa 초고강도콘크리트의 최적배합도출을 위한 실험실 및 레미콘 배치플랜트에서의 콘크리트 배합실험 제 4 장 : 재료역학 성능평가 – 압축강도, 응력-변형률관계, 쪼갬인장강도, 휨인장강도, 탄성계수 등을 평가 제 5 장 : 150MPa 초고강도콘크리트를 사용한 철근콘크리트보의 휨거동을 평가하기 위한 단근보의 휨실험 제 6 장 : 결론

고강도콘크리트의 사용현황과 제조, 시공 및 역학특성, 그리고 휨부재의 구조성능평가에 관한 기존 연구자의 실험 및 이론연구결과 그리고 연구자의 실험결과를 종합하여 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.

1. 초고강도콘크리트 배합특성 및 역학성능

1) 150MPa 초고강도콘크리트의 배합에 소요되는 시간은 재료계량에서부터 믹싱한 후 배출까지 약 5∼7분이 소요되어 일반적인 고강도콘크리트 보다 2∼3분정도 배합시간이 더 요구되는 것으로 나타났다.

2) 초고강도콘크리트는 보통의 고강도콘크리트보다 매우 큰 점성을 가지므로 이러한 점성과 콘크리트 타설 및 작업성의 상관성을 고려하여 700∼800mm 정도의 플로값을 확보하여야 할 것으로 판단된다.

3) 150MPa 정도의 초고강도콘크리트 제조를 위한 단위 시멘트량은 대략 1,100∼1,150㎏/m3 정도이며, 물-결합재비는 12∼14%의 범위 내에서 적당하며, 잔골재율은 점성 및 작업성을 고려하여 30∼35% 범위 내에서 결정될 수 있음을 확인하였다.

4) 배치플랜트에서의 콘크리트 생산과 60분 경과이후의 성능 및 재령별 콘크리트 강도시험결과 150MPa 초고강도콘크리트의 생산과 시공성능이 확보된 것으로 판단된다.

5) 재령 56일 압축강도를 100%로 할 때 3일은 64%, 7일은 70%, 28일은 약 95% 발현하였다. 양생조건에 따른 압축강도는 배합별로 다소 편차가 있지만 수중양생이 기중양생보다 약간 높은 압축강도를 나타내었고, 공시체 크기에 따른 차이는 크지 않았다.

6) 초고강도콘크리트의 응력-변형률 곡선은 최대응력까지 직선적인 분포를 보이다 최대하중 이후 급격한 취성파괴함으로 하강곡선을 정확하게 얻을 수는 없었으며 압축변형률이 약 0.0032인 점에서 최대 응력이 발생하였다.

7) 압축강도에 대한 쪼갬 인장강도의 비율은 약 5.2%로써 보통강도 콘크리트보다 다소 작은 값을 보이고 압축강도의 제곱근에 비례하는 것으로 나타났으며, ACI 318-02와 KCI에서 예측하는 값보다 다소 높은 경향을 나타내었다.

2. 철근콘크리트 단근보의 휨거동

1) 모든 실험체는 최대하중이후 급격한 하중의 저하와 함께 압축콘크리트가 취성파괴되는 양상을 나타내었으나 인장철근비가 낮을수록, 철근의 항복강도가 증가할수록 압괴현상은 적게 발생하였으며, 균열의 발생개수도 적고 균열폭도 적게 나타났다.

2) 최대하중까지는 거의 선형적인 탄성거동을 보이나 최대하중 이후 갑작스런 압축콘크리트의 취성파괴가 나타나 초고강도콘크리트를 사용한 휨설계시 이를 방지하기 위한 고려가 필요함을 알 수 있다.

3) 압축철근이 배근되지 않은 100MPa 이상 초고강도콘크리트의 연성능력은 콘크리트 강도가 증가함에 따라 급격히 감소하며 압축철근이 없는 150MPa 초고강도콘크리트 휨부재는 약 1.30∼2.56 정도의 변위연성지수()를 나타내었다.

4) 150MPa 초고강도콘크리트와 400~500MPa의 항복강도를 가지는 인장철근이 배근된 철근콘크리트 휨부재는 최대하중 이후 급격한 취성파괴가 예상되므로 이를 방지하기 위한 최소연성비를 복근보에서는 3.0 이상, 단근보에서는 2.0 이상 확보하기 위해서는 최외단 인장철근의 순인장변형률을 현재 기준에서 정하고 있는 0.005를 초과하여 0.006 이상을 확보할 수 있도록 한계변형률을 설정하여야 하며, 이를 위한 인장철근비는 최대 0.55 이하는 되어야 할 것으로 판단된다.