150MPa 초고강도콘크리트의배합 및 재료역학특성 평가 연구

Abstract

건축 구조물의 초고층화, 대형화, 다양화에 따라 합리적이며 경제적인 구조시스템이 요구되고 있는 추세에 따라 고강도 콘크리트의 장점인 조기 강도의 증대, 콘크리트 부재의 단면 감소, 블리딩의 감소, 수밀성 및 기밀성 향상을 통한 내구성 증진 등으로 인해 고강도 및 초고강도 콘크리트에 대한 높은 관심과 연구가 이루어지고 있다. 일본의 경우 이미 130~150MPa급 초고강도 콘크리트의 제조 및 실용화 연구가 이어 실제 구조물에 적용되고 있으며, 국내 경우도 150MPa의 초고강도 콘크리트의 실용화와 180~200MPa 초고강도 콘크리트의 개발이 진행되고 있는 상황이다. 따라서 60~70층 규모의 초고층 구조물의 건설이 활발하게 추진되고 있고 향후 5년 이내에 100층 이상의 초고층 구조물이 다수 건설될 것으로 예상되는 상황에서 이러한 구조물에 적용이 요구될 것으로 판단되는 100~150MPa 수준의 초고강도 콘크리트 설계 제조 시공 및 구조성능에 이르기까지의 제반 역학특성에 대한 연구가 요구 된다. 따라서 본 연구에서는 150 MPa 범위의 초고강도 콘크리트에 대한 최적 배합 및 구조역학 성능 실험과 기존에 수형된 국내․ Because of the need of rational and economical structure system in line with the tendency for the building to become higher and larger, the study on high-strength or ultra high-strength concrete has been increasingly developing to deal with the increase in early strength, which is the benefit of high-strength concrete, reduction in section of concrete member, decrease in bleeding and improvement in water tightness and air tightness. In Japan, ultra high-strength concrete with the strength of 130 ~ 150MPa has been successfully produced and in fact applied to the structure at the jobsite, and in Korea, ultra high-strength concrete with 150MPa has been in process for practical use, while the concrete of 180 ~ 200MPa has been in development process. Thus construction of 60 to 70-story high-rise buildings have been in underway recently and the buildings of which height is more than 100 stories are expected to be built within 5 years, and under such circumstance, the study on ultra high-strength concrete with the strength reaching to 100 ~ 150MPa in terms of dynamic characteristics in the area of design, construction and structural performance is more than important.

Thus the study, through the comparison and analysis of optimum mixing ratio, structural performance of ultra high-strength concrete with a strength range of 150MPa and the existing test data at home and abroad, is intended to perform the followings:

First, physical properties of ultra high-strength concrete were evaluated through the lab mixing test, ready-mixed concrete batch plant test and mock-up test so as to propose the optimum mixing ratio in manufacturing the ultra high-strength concrete. Second, compressive strength, stress-strain ratio, modulus of elasticity, tensile strength and bending strength were evaluated in an attempt to identify the basic dynamic characteristics of ultra high-strength concrete.

The study contains the five chapters described below. Chapter 1 includes the background, purpose, scope and contents of the study. Chapter 2 includes theoretical evaluation of high-strength and ultra high-strength concrete such as dynamic characteristics of material, relationship between the stresses by type applied at home and abroad and the standard for structure design. Chapter 3 includes mixing test plan and material test method of ultra high-strength concrete. Chapter 4 includes dynamic performance of material of ultra high-strength concrete. Chapter 5 includes the conclusion as a result of study in Chapter 1 through 5.

Among the mixing characteristics of ultra high-strength concrete are; 1) It took 6 to 7 minutes for mixing the ultra high-strength concrete with 150MPa, from measuring the material till discharging after mixing, indicating 2 to 3 minutes more than normal concrete. 2) Given the higher viscosity of ultra high-strength concrete compared to normal concrete and the interrelations among such viscosity, concrete pouring and workability, 700 ~ 800mm flow needs to be secured in manufacturing. 3) A unit cement required for producing the ultra high-strength concrete of 150MPa was about 1,030 ~ 11,50kg/㎥ and optimal water-cement ratio was around 12 ~ 14% and fine aggregate ratio was 30 ~ 35% range, considering the viscosity and workability.

When it comes to characteristics of material strength of ultra high-strength concrete, on assumption that the 56-day compressive strength is 100%, 3-day compressive strength was 64%, 7-day strength was 70% and 28-day strength was 95%. For compressive strength depending on curing condition, water curing appeared to be slightly higher than air curing, though there were some deviations, as appeared with normal concrete. No significant difference appeared, depending on size of specimen. When it comes to the stress-strain curve, accurate data for long-tail of descending curve was not obtained due to brittle fracture but the maximum stress of ultra high-strength concrete was occurred when a compressive strain was 0.0032.

When it comes to splitting tensile strength, splitting tensile strength of ultra high-strength concrete against the compressive strength was about 5.2%, while normal concrete was about 8%, indicating a less value than normal concrete and it was proportional to square root of compressive strength, and the value between ACI 318-02 and KCI appeared to be slightly higher than predicted value. And with regard to flexural tensile strength, the ratio of flexural tensile strength against compressive strength was evaluated as about 8%, and it appeared that the higher the age and compressive strength, the lower the flexural strength ratio.; 외의 실험 자료를 비교 분석하여 첫째 실내 배합 실험과 레미콘B/P 생산실험 및 Mock-up 실험을 통하여 초고강도 콘크리트의 제반 물성을 평가 한 후 150 MPa 초고강도 콘크리트 제조를 위한 최적 배합 조건을 제시하고자 하며 둘째, 압축강도, 응력-변형률 관계, 탄성계수와 인장강도, 휨강도 등을 평가하여 초고강도 콘크리트의 기본적인 재료 역학 특성을 평가 하고자 한다.

본 논문의 구성은 다음과 같이 5장으로 구성되어 있다.

제 1 장에서는 연구의 배경 및 목적, 연구범위 및 내용에 대하여 기술하였다. 제2 장에서는 고강도 및 초고강도 콘크리트의 이론적 고찰로써 콘크리트의 재료역학적 특성 및 국내규준 및 국외에서 사용되는 규준별로 각 응력 관계 및 구조설계기준에 대해 기술하였다. 제 3 장에서는 초고강도 콘크리트 배합 실험계획 및 재료실험방법에 대해 기술하였다. 제 4 장에서는 초고강도 콘크리트 재료 역학성능을 평가하였다. 제5 장에서는 본 논문의 결론부분으로서 제 1 장에서부터 제 4 장까지의 연구를 통하여 얻은 결과들을 제시하였다.

초고강도 콘크리트 배합 특성은 1) 150MPa 초고강도 콘크리트의 배합에 소요되는 시간은 재료계량에서부터 믹싱한 후 배출까지 약 6∼7분이 소요되어 일반적인 고강도 콘크리트 보다 2∼3분정도 배합시간이 더 요구되는 것으로 나타났다. 2) 초고강도 콘크리트는 보통의 고강도 콘크리트보다 매우 큰 점성을 가지므로 이러한 점성과 콘크리트 타설 및 작업성의 상관성을 고려하여 생산 시 700∼800mm 정도의 플로우를 확보하여야 할 것으로 판단된다. 3) 150Mpa 정도의 초고강도 콘크리트 제조를 위한 단위 시멘트량은 대략 1030∼1150㎏/㎥ 정도 이며, 물-결합재비는 12∼14%의 범위 내에서 적당하며, 잔골재율은 점성 및 작업성을 고려하여 30∼35% 범위 내에서 결정 될수 있음을 확인하였다. 초고강도 콘크리트 재료역학특성은 압축강도의 경우 재령에 따라 56일 압축 강도를 100% 기준으로 하여 3일 압축강도는 64% 발현을 하고 7일 압축강도는 70%를 발현 하고 28일은 95% 발현 하였다. 양생조건에 따른 압축강도의 경우 실험 결과에 다소 편차가 있지만 보통강도 콘크리트와 같이 수중양생이 기중양생보다 약간의 높은 압축강도를 나타내는 경향이 있다. 공시체크기에 따라서는 큰 비교는 나타나지 않았다. 응력변형률 곡선은 초고강도 콘크리트에 있어서는 급격한 취성파괴로 인해 변곡부 이후의 하강곡선의 긴꼬리 부분을 정확하게 시험으로부터 데이터를 얻을 수는 없었으나 초고강도 콘크리트에 있어서 최대 응력은 압축변형률이 약 0.0032인 점에서 발생하였다. 쪼갬 인장강도는 압축강도에 대한 쪼갬 인장강도의 비율은 보통강도 콘크리트가 약 8%인데 비하여 초고강도 콘크리트에 있어서는 약 5.2%로써 보통강도 콘크리트보다 다소 작은 값을 보이고 압축강도의 제곱근에 비례하는 것으로 나타났으며, 또한 ACI 318-02와 KCI에서 예측하는 값 보다 다소 높은 경향을 나타내었다. 휨 인장강도는 초고강도 콘크리트에 있어서 압축강도에 대한 휨인장강도의 비율은 약 8%정도로 평가되었고 재령이 증가할수록, 압축강도가 높아질수록 상대적으로 휨강도의 비는 낮아지는 추세이다.