초고강도콘크리트의 재료역학적 특성에 관한 연구

Abstract

최근 우리나라를 비롯한 세계 각국에서는 50층 이상의 초고층 철근콘크리트(R/C) 구조물의 건설이 급속히 증가하고 있으며, 중, 저층의 경우에도 장지간 스팬을 가지는 건축 및 토목 구조물에 대한 요구가 급증하고 있다. 이때 사용되는 콘크리트강도(설계기준강도 f_(ck))는 50층 규모의 경우 대개 45~50MPa 정도를, 100층 건물의 경우는 70~100MPa의 사용이 보편화되어 있으며 이에 관한 연구 및 시공지침 그리고 구조설계법 등이 발간되고 있다. 그러나 현재 적용되고 있는 세계 각국의 기준에서는 고강도 콘크리트의 사용에 대하여 많은 제한을 두고 있지는 않으나 대략 70MPa를 초과하는 초고강도 콘크리트를 적용할 경우에는 실험에 의한 검증을 실시하고 구조물에 적용할 것을 권고하거나, 부재의 특성에 따라 강도의 상한선을 정하고 있는 상황이다. 본 연구에서는 fck = 27~90MPa 범위의 (초)고강도 콘크리트에 대한 재료역학실험을 실시하고 기존에 수행된 국내·외의 실험 자료를 비교분석하여 초고강도 콘크리트의 응력-변형률 관계 및 압축강도에 따른 탄성계수와 인장강도를 평가하고 압축강도 시험재령, 양생 조건, 그리고 공시체의 크기에 따른 강도 발현 특성의 비교를 통해 기본적인 재료의 역학적 특성을 평가함으로써 초고강도 콘크리트의 활발한 사용을 위한 기초연구자료를 제공하고자 하며, 이를 위하여 실험실 콘크리트 배합에 의한 각종 강도평가 실험을 실시하고 그 결과를 기존에 수행된 국내·외의 실험자료와 비교 분석하여 결론을 도출하였다. 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 실험계획 및 재료실험방법에 대해 기술하였다. 제 4 장에서는 재료실험 결과와 국내·외의 규준별 관계를 비교분석하였다. 제5 장에서는 본 논문의 결론부분으로서 제 1 장에서부터 제 4 장까지의 연구를 통하여 얻은 결과들과 향후 연구방향을 제시하고자 하였다. 초고강도 콘크리트의 역학 특성을 평가하기 위해 콘크리트 압축강도 27~90MPa 범위의 400여개 콘크리트 공시체에 대한 강도시험결과와 기존 문헌을 비교하여 다음과 같은 결론을 도출하였다. 1) 콘크리트가 고강도화 될수록 재령 28일을 기준으로 3일 압축강도는 28일 압축강도의 70%, 7일 압축강도는 82%, 56일 강도는 109%, 그리고 91일 강도는 120% 정도를 발현하였으며, 수중양생한 경우가 기건양생의 경우보다 약 1.05배 정도 높게 측정되었으며, 보통강도에서는 수중양생이 기건양생보다 20%정도 크게 나타났으나 고강도 영역으로 갈수록 양생조건의 차이에 따른 강도편차는 감소하였다. 2) 콘크리트 표면을 연마한 경우가 시멘트 캐핑한 경우보다 약 4%정도 크게 측정되었으나 이 경우도 콘크리트 강도가 증가함에 따라 표면마감방법 차이에 의한 콘크리트 강도의 편차는 감소하였다. 3) 공시체의 크기가 Ø 10×20인 경우가 Ø 15×30에 비해서 평균적으로 약 1.8% 정도 큰 값을 갖는 것으로 나타났으며, 90MPa 이상의 초고강도에서는 7%정도까지 크게 측정되었다. 4) 초고강도 콘크리트의 응력-변형률 곡선의 상향곡선부분은 직선에 가깝게 상승한 후 급격하게 감소하였으며, 초고강도 콘크리트에 있어서 최대 응력은 압축변형률이 약 0.002에서 0.003쪽으로 증가하고 있음을 알 수 있으며, 극한 변형률(Ε_(cu))도 0.003이상으로 증가하고 있음을 알 수 있다. 5) EC2-02식이 탄성계수를 적절히 예측하고 있음을 알 수 있으며, KCI 및 CSA A23.3-94와 NZS 3101-95 식은 저평가되고 있다. ACI 식의 경우는 각국의 규준식의 중간정도 값을 예측하고 있어 초고강도 영역에서의 일부 수정이 필요한 것으로 판단된다.; Current structure is showing the tendency that is high rising which it follows in overpopulation and concentration of city, large and speciality of building. Therefore it demands improvement of the structure materials and construction capacity, development of structure and design technology. Studies of construction technology, design and analysis method that is used Ultra High Strength Concrete(UHSC) have been researched positively according to the structural merits as the precast concrete, increase of structural durability, possibility of long span and high rising in addition to the economic effect of saving resources and cost according to shortening of member size through the increase of strength of concrete which is basic structural materials. Ultra High Strength Concrete is necessary a clear presentation about mechanical property that is different from normal strength concrete and an evaluation of serviceability of high rise building which is used ultra high strength concrete. The system which is applied to structure that is used ultra high strength concrete will be constructed with comparison of existing equations that were applied to normal strength concrete through the relation of stress-strain, proposal equations of each codes. The major variables of this study are follow as: ■ Material experiment - Compression strength of concrete : 27∼90㎫ - Compression strength of test specimen about curing period : 3 day, 7 day, 28 day, 56 day, 91 day - Compression strength of test specimen about curing condition : ponding curing, atmospheric curing - Compression strength about size effect : Ø 10×20, Ø 15×30 This Paper is consist of Six Chapters as following. ◁표 삽입▷ (원문을 참조하세요) The following conclusions are obtained from result of test for Strength Evaluation of Mechanical Properties of Ultra High Strength Concrete(UHSC) and existing researches and result tested. 1) Concrete Compressive Strength attained at 3 days is 70%, Concrete Compressive Strength attained at 7 days is 82%, Concrete Compressive Strength attained at 56 days is 109% and Concrete Compressive Strength attained at 90 days is 120% against 28-day's in Ultra High Strength Concrete. The Ø 10×20 Cylinder has averagely a compressive strength of about 1.02 times the Ø 15×30 cylinder strength. Ascending branch rises up to the peak load like a straight line and fails explosively without increasing of strain. 2) The Splitting tensile Strength of UHSC has relatively lower rate of 6∼7% than normal strength concrete(NSC) against the Compressive strength. ACI 318-02 can predict more correctly the Modulus of Rupture than other Provisions over 80㎫. 3) The Modulus of Elasticity for UHSC E_(c) usually ranges between 32,000 and 46,000㎫, EC2-02 provide more accurate prediction of the Modulus of Elasticity for concrete in the range of ultra high strength.