KR100977811B1 - 판상-링형 구속시험방법에 의한 콘크리트의 수축균열평가방법 - Google Patents

Abstract

균열에 의한 콘크리트 구조물의 내구성 저하 및 유지, 보수비용 증가 등의 문제가 발생함에 따라 대학, 연구기관 등에서 균열을 저감시키기 위한 연구가 활발히 이루어지고 있다. 또한 이러한 연구에 의해 현재 혼화재료, 섬유 등을 사용하여 콘크리트의 수축을 저감시킴으로서 균열을 제어하는 여러 가지 방법들이 도출되어 있다.

이에 본 발명은 다양한 방식으로 배합된 콘크리트의 균열특성을 비교, 평가하여 균열에 대한 최적 배합조건을 도출해 내기 위해, (a) 평판 위에서 동심원을 이루도록 외부링과 내부링을 배치하는 단계; (b) 상기 외부링과 내부링 사이에 콘크리트를 타설, 양생하여 시험체를 제작하는 단계; 및 (c) 상기 콘크리트 시험체의 구속수축응력 및 균열발생량을 측정하는 단계; 로 이루어지는 판상-링형 구속시험방법에 의한 콘크리트의 수축균열 평가방법을 제공한다.

판상-링형 구속시험방법, 소성수축, 건조수축, 구속수축균열, 구속수축응력

Description

판상-링형 구속시험방법에 의한 콘크리트의 수축균열 평가방법{Evaluation Method for Properies of Concrete Shrinkage Crack by Slat-Ring Type Restrained Test}

본 발명은 콘크리트의 수축균열특성에 대한 평가방법에 관한 것이다.

현재, 균열에 의한 콘크리트 구조물의 내구성 저하 및 유지, 보수비용 증가 등의 문제가 발생함에 따라 대학, 연구기관 등에서 균열을 저감시키기 위한 연구가 활발히 이루어지고 있다. 또한 이러한 연구에 의해 현재 혼화재료, 섬유 등을 사용하여 콘크리트의 수축을 저감시킴으로서 균열을 제어하는 여러 가지 방법들이 도출되어 있다.

그러나 초기재령에 있어서 콘크리트의 수축균열 특성 그 자체에 대한 연구는 미흡한 실정이며, 이는 콘크리트의 수축균열특성에 대한 적당한 평가방법이 없었기 때문인 것으로 파악된다.

본 발명은 콘크리트에 PVA 및 나일론 섬유를 혼입한 섬유보강 콘크리트와 일반 콘크리트와의 수축균열특성, 콘크리트의 슬럼프, 공기량, 블리딩 및 중량감소량 등의 조건에 따른 수축균열특성 등에 대한 데이터 수집과 축적을 위해 판상-링형 구속시험방법을 이용한 콘크리트의 수축균열 평가방법을 제시하고자 하는 것이다.

콘크리트는 수화반응에 의한 수분의 증발 및 물의 이동으로 소성, 건조수축 등의 수축현상이 발생한다. 이러한 콘크리트의 수축현상은 콘크리트의 수축균열을 유발시키며, 수축균열은 콘크리트의 내구성을 저하시키는 원인이 된다. 이러한 콘크리트 수축균열은 콘크리트의 인장응력 저항성이 충분하지 않은 재령 초기에 많이 발생하고 있으며, 이는 슬래브 부재와 같이 부재면적이 넓고 두께가 얇은 경우에 발생 빈도가 높다.

콘크리트의 소성 및 건조수축과 관련된 콘크리트 수축균열 시험방법은 국내외의 연구논문에서 다양하게 소개된 바 있다.

이하에서는 ASTM(American Society for Testing and Materials, 미국재료시험협회), AASHTO(American Association of State Highway and Transportation Officials, 미국도로교통협회), JIS(Japanese Industrial Standards, 일본공업규격) 및 KS(Korean (Industrial) Standards, 한국공업규격)에서 콘크리트의 수축균열과 관련하여 규격화된 시험방법들을 소개한다.

ASTM C 1581-04 및 AASHTO PP-034는 링 형상의 구속수축균열 시험방법으로 서, 콘크리트의 소성 및 건조수축으로 인한 균열발생시점 및 구속응력의 측정이 가능하지만 균열발생량에 대한 평가는 어려운 점이 있다.

ASTM C 1579-06은 슬래브 부재를 상정한 정방형 구속수축균열 시험방법을 사용하여 콘크리트 시험체에 발생한 균열의 폭 및 길이를 측정하고 이미지 스캐닝을 하는 방식으로서, 균열발생량에 관한 비교는 가능하지만 균열발생과 관련한 구속응력의 산출은 어려운 면이 있다.

JIS A 1151 및 KS F 2595는 아령형의 구속수축균열 시험방법으로, 몰드 양 끝단에 설치된 봉강으로 콘크리트 시험체를 구속하여 응력을 집중시키고, 오목하게 들어간 시험체 중앙부에서 균열을 유도하여 균열이 발생하는 시점과 그에 따른 구속응력의 측정이 가능하게 되어 있으나 균열발생량의 측정은 불가능하며, 또한 측정재령에 있어서 균열발생을 유도하기 위한 시간이 필요하여 시험시간의 단축이 어려우며, 초기 수축균열에 대한 측정이 불가능하다.

이와 같이 국내외에서 규격화된 콘크리트 수축균열 평가를 위한 시험방법들은 시험체 각각의 균열발생시점 및 구속응력을 평가하기 위한 것이므로, 시험체 상호간의 균열발생량에 대한 비교, 검토를 위한 새로운 평가방법이 요구된다. 또한, 시험방법의 간소화 및 초기재령으로부터의 콘크리트 균열발생정도에 대한 정량적인 평가방법이 필요하다.

본 발명은 콘크리트 초기재령의 균열특성을 파악할 수 있고, 균열발생량, 구속수축응력, 균열발생시점, 균열포인트 등 균열특성 파악을 위해 필요한 데이터를 모두 추출해 낼 수 있으며, 단기간 내에 다양한 방식으로 배합된 시험체들의 균열특성을 상호 비교할 수 있도록 하기 위한 간편하고 신뢰성 있는 콘크리트의 수축균열 평가방법을 제공함을 그 목적으로 한다.

본 발명에서는 상기한 과제 해결을 위해 다음의 수단을 도입하였다.

1. 링형 구속시험방법의 응용

본 발명에서는 초기재령에서부터의 콘크리트 소성 및 건조수축으로 인한 균열발생정도를 비교하기 위해 기존 ASTM 1581-04 규격에서 제시하고 있는 시험방법을 응용하고자 하였다. ASTM 1581-04 규격에 제시된 콘크리트 균열특성 시험방법은 직경이 406±3, 높이가 150±6mm인 외부링과, 직경이 330±3mm, 높이가 150±6mm인 내부링을 평판 위에 배치하여 동심원을 이루도록 하고, 상기 외부링과 내부링 사이에 콘크리트를 타설, 양생하여 그 폭이 64±6mm로 구성되는 시험체를 제작한다. ASTM 1581-04 규격에 제시된 콘크리트 균열특성 시험방법에서는 이후 상기 외부링을 탈형하고, 시험체 상면을 실링처리한 후 시험체 측면만을 외기에 노출시킨 채로 건조시키면서 내부링 방향으로 작용하는 구속응력과 균열발생시점을 측정한다. 그러나, 이러한 방식에 의해서는 균열발생량 측정이 어렵고, 초기재령에서의 수축균열 평가가 곤란하다.

따라서, 본 발명에서는 상기 링형 구속시험방법을 응용하여, 구속응력을 측정할 수 있도록 하면서, 외부링과 내부링의 높이를 대폭 낮추어, 시험체를 슬래브 같은 수평부재 형상으로 제작하고, 초기재령에서의 균열특성 평가를 위해 급속 건조환경을 조성하여 시험체 상면에 발생하는 균열발생량을 측정하고 균열포인트를 산정할 수 있도록 하였다.

2. 슬래브 부재에 대한 구속수축균열 시험방법을 도입

상기한 바와 같이 본 발명에서는 시험체를 슬래브 같은 수평부재 형상으로 제작하여 콘크리트의 구속응력과 함께 균열발생량 등을 함께 측정할 수 있도록 한 것에 특징이 있다. 그렇다면 굳이 링형 구속방법을 응용하지 않고도 ASTM C 1579-06에 제시된 바와 같은 정방형 구속시험방법을 사용해도 괜찮지 않을까 하는 의문이 제기된다. 이에 본 발명의 발명자들이 ASTM C 1579-06에 제시된 시험방법을 적용해본 결과, 상기 링형 구속시험방법에서는 내부링쪽으로 구속력이 작용하여 좁은 콘크리트 타설 면적에서도 균열발생이 쉽게 유도되는데 반해, 상기 정방형 구속시험방법에서는 정방형의 테두리쪽으로 균열발생이 유도되는 것으로서, 변별력 있는 균열특성 평가를 위해서는 넓은 콘크리트 타설 면적이 필요하므로 시험예산이 과다지출되고 구속응력 산출도 어려운 문제가 있음을 파악할 수 있었다.

따라서 본 발명에서는 전술한 링형 구속시험방법을 응용하되, 시험체를 슬래브 형태로 제작하여 내부링쪽과 외부링쪽의 양방향으로 구속력이 작용되도록 하는 판상-링형 구속시험방법을 채택하게 된 것이다.

3. 시험체 치수의 최적화

본 발명의 발명자들은 시험체 높이를 50mm로 하고, 외부링 직경은 ASTM 규격과 유사유사한 400mm로 설정한 상태에서 내부링 직경 변화가 콘크리트 시험체의 구속응력분포에 미치는 영향을 고려하기 위해 내부링 직경을 100mm, 150mm, 200mm로 설정하여 DIANA 유한요소해석(Finite element analysis) 프로그램을 활용하였다. 유한요소 모델링시 요소는 2D 솔리드 요소를 적용하였으며, 간단히 응력분포정도에 대한 사전검토를 실시한 결과, 아래의 [표 1]에서 보이는 바와 같이 내부링 직경의 변화에 따라 콘크리트 시험체에 미치는 응력분포가 다르게 나타나, 실제 콘크리트 수축균열실험결과에 영향을 미칠 것으로 판단하였다.

[표 1] 내부링 직경 변화가 콘크리트 시험체의 구속응력분포에 미치는 영향

내부링 직경 (mm)	100	150	200
시험체 평면
응력	0.528×10-9 ~ 0.2×10-7	0.537×10-6 ~ 0.33×10-5	0.905×10-6 ~ 0.316×10-5

위 표에서 보이는 바와 같이, 내부링 직경이 100mm, 150mm 및 200mm인 경우 각각의 응력분포범위는 0.528×10^-9~0.2×10^-7 , 0.537×10^-6~0.33×10^-5 및 0.905×10^-6 ~ 0.316×10^{- 5} 으로 나타났으며, 내부링 직경이 150mm인 경우와 200mm인 경우의 최대최소 응력분포는 각각 유사한 수준인 것으로 확인되었다. 내부링 직경이 100mm인 경우에는 응력이 작아 균열 발생량이 미미할 것이므로, 시험체 상호간의 수축균열에 대한 정량적 비교 검토를 위해서는 직경이 150mm 또는 200mm인 내부링을 적용하는 것이 적합하다는 결론을 얻었으며, 시험체의 표면적을 넓히기 위해서는 직경 150mm인 내부링을 적용하는 것을 가장 바람직한 실시예로 볼 수 있을 것이다.

본 발명에 따르면 다음과 같은 효과가 있다.

1. 판상-링형 구속시험방법에 의해 콘크리트 초기재령(2~3일 이내)에서의 시험체간 균열 발생정도를 변별력 있게 정량적으로 비교할 수 있다.

2. 콘크리트의 구속수축응력 측정이 가능하다.

3. 콘크리트의 표면균열발생정도를 영역별 균열포인트로 측정할 수 있다.

4. 타 시험방법에 비하여 시험체 크기를 작게 하더라도 슬래부부재를 상정한 구속시험방법의 도입이 가능하다.

5. 타 시험방법에 비하여 간편하게 콘크리트 균열발생시점, 구속수축응력, 균열발생량을 측정할 수 있다.

본 발명은 (a) 평판 위에서 동심원을 이루도록 외부링과 내부링을 배치하는 단계; (b) 상기 외부링과 내부링 사이에 콘크리트를 타설, 양생하는 단계; 및 (c) 상기 콘크리트의 구속수축응력 및 균열발생량을 측정하는 단계; 로 이루어지는 판상-링형 구속시험방법에 의한 콘크리트의 수축균열 평가방법을 제공한다.

도 1은 본 발명에 따른 판상-링형 구속시험방법에 의한 콘크리트의 수축균열 평가방법의 순서도이며, 이하에서는 본 발명을 각 단계별로 상세히 설명하기로 한다.

1. (a)단계

본 단계는 평판(30) 위에서 동심원을 이루도록 외부링(10)과 내부링(20)을 배치하는, 콘크리트의 수축균열 평가를 위한 시험도구를 셋팅하는 단계이다.(도 2 참조)

본 단계에서 셋팅하는 외부링(10), 내부링(20) 및 평판(30)은 콘크리트 시험체 제작을 위한 거푸집 역할을 하는 것이며, 상기 평판 위에 바로 콘크리트가 타설되는 경우에는 상기 평판은 반드시 수밀성이 있을 것이 요구된다. 한편, 상기 내부 링(20)은 하면 바깥쪽으로 콘크리트를 떠받치는 플랜지가 형성된 몰드형태로 구성된 것을 사용할 수도 있다.

상기 외부링(10)과 내부링(20)은 콘크리트 시험체를 양방향에서 구속하는 부재이며 이에 따라 콘크리트 시험체에는 양방향의 구속응력이 작용하게 된다. 상기 내부링(20)과 외부링(10)은 그 높이를 낮춤으로서 콘크리트 시험체를 슬래브형태(판상)으로 제작하여 균열의 조기발생을 유도할 수 있다.

상기 외부링(10)의 사이즈는 ASTM 규격에서 그 높이만을 대폭 낮춰, 직경을 400mm로, 높이를 50mm로 제작하여 본 발명에 적용할 수 있다. 상기 외부링(10)의 높이가 상기 내부링(20)의 높이보다 크기 않은 이상, 상기 외부링(10)의 높이는 곧 콘크리트 시험체의 높이가 되는 것이다.

상기 내부링(20)의 사이즈는 균열수축응력 및 균열발생량 산정을 위해 직경이 150mm인 것을 사용함이 바람직하며, 그 높이는 상기 외부링(10)의 높이와 같거나 크면 된다. 단, 상기 내부링(20)의 높이를 상기 외부링(10)의 높이와 맞춰 50mm로 제작하면 콘크리트 타설시의 실수로 상기 내부링(20) 안쪽으로 콘크리트가 흘러들어갈 수가 있고, 상기 내부링(20)의 높이를 외부링(10)의 높이보다 너무 크게 제작하하는 것도 경제성 측면에서 부적절하므로 상기 내부링(20)의 높이는 70mm로 하는 것이 합리적이다.

한편, 위의 [과제 해결 수단]에 제시된 [표 1]에서 파악되듯이 내부링(20)의 직경 변화는 콘크리트 시험체의 구속응력분포에 영향을 미치므로 판상-링형 구속시험방법의 대상이 되는 시험체의 적정 치수를 검토하기 위하여 내부링의 직경을 100mm, 150mm 및 200mm로 하고 콘크리트 배합비, 양생온도 등 다른 조건은 모두 동일하게 한 후 콘크리트 구속수축균열특성을 각각 평가하였다.

상기 내부링(20)의 직경이 100mm인 경우에는 균열발생량이 적어 시험체별 변별력 있는 균열특성 평가를 내리기 곤란하였고, 내부링(20)의 직경이 150mm 와 200mm인 경우에는 시험체간 변별력 있는 균열특성 평가를 내릴 수 있을 정도의 균열이 발생하였으며, 양 시험결과 균열발생량도 유사하였다. 다만, 내부링의 직경이 200mm인 경우에는 시험대상 콘크리트의 면적이 좁아지므로 구속수축응력을 산정과 균열포인트 산정의 난이도가 높아진다. 따라서, 내부링의 직경은 150mm로 하는 것이 바람직하다는 결론을 도출하였다.

2. (b)단계

본 단계는 상기 외부링(10)과 내부링(20) 사이에 콘크리트를 타설, 양생하는 콘크리트 시험체 제작단계이다.

본 단계에서는 콘크리트 양생과정에서 고온 건조기를 사용하여 강제적인 급 속 건조환경을 조성하여 초기재령에 콘크리트 표면균열이 유발되도록 할 수 있다.

본 단계에서는 섬유혼입여부, 섬유혼입량, 섬유혼입종류 등을 달리한 콘크리트 시험체들을 제작하여 이하의 (c)단계에 의해 시험체들간의 균열성상을 평가할 수 있게 된다.

3. (c)단계

본 단계는 상기 콘크리트의 구속수축응력 및 균열발생량을 측정하는, 콘크리트의 균열수축 평가단계이다.

본 단계에서는 육안 또는 센서에 의해 콘크리트의 균열발생시점을 측정하는 과정을 더 포함시킬 수 있으며, 상기 구속수축응력은 다음의 식에 의해 산정할 수 있다.

MPa = ε×E×A

MPa : 구속수축응력

ε : 콘크리트의 변형(mm)

E : 콘크리트의 탄성계수(N/㎟)

A : 콘크리트의 노출 면적(㎟)

상기 콘크리트의 변형(ε)은 내부링에 변형게이지를 부착하여 측정할 수 있 다.

상기 균열발생량은 크랙스케일(Crack Scale)로 균열선의 폭과 길이를 재어 콘크리트의 균열면적을 계산함으로서 측정할 수 있다. (도 3 참조)

한편, 본 단계에서는 상기 양생된 콘크리트 시험체 상면에 등간격의 동심원 4개를 긋고 상기 동심원들과 균열선이 만나는 점을 균열포인트로 정하여 상기 균열포인트의 갯수를 산정하는 과정을 더 포함시킬 수 있다. (도 4 참조)

이하에서는 위와 같은 「판상-링형 구속시험방법에 의한 콘크리트 수축균열 평가방법」을 통해 PVA섬유 혼입 유(0.1%), 무의 조건에서 콘크리트의 구속수축균열특성을 평가한 결과를 제시하고자 한다.

아래의 [그래프 1] 및 [표 2]에 의하면 PVA 섬유를 0.1% 혼입한 시험체와 PVA 섬유를 혼입하지 않은 시험체간에 발생한 균열발생량 및 균열 포인트의 차가 매우 큰 것으로 나타나 본 발명은 실험요인에 따른 변별력을 갖춘 시험방법임을 확인할 수 있었다.

[그래프 1]

[표 2]

위의 [그래프 1] 및 [표 2]에서 보이는 바와 같이 바와 같이 재령 48시간까지 최종적으로 발생된 균열면적은 PVA섬유를 혼입하지 않은 시험체의 경우 19.9㎟의 균열면적이 발생하였으며, PVA섬유를 0.1% 혼입한 시험체에는 균열면적이 1.2㎟ 로 나타났다. 또한, PVA섬유를 0.1% 혼입한 시험체는 균열포인트가 5개 이하로 나타났으며, PVA섬유를 혼입하지 않은 시험체에서는 60개 이상의 균열포인트가 관찰되었다.

위와 같이, 본 발명을 통해 초기재령에서부터 콘크리트의 균열발생량 및 구속수축응력에 대한 유효한 평가를 실시할 수 있었으며, 향후 본 발명에 의해 온도, 풍속 등의 환경요인과 사용골재, 결합재 등의 배합요인이 균열특성에 미치는 영향에 대한 데이터를 지속적으로 축적해 나갈 수 있을 것으로 사료된다.

도 1은 본 발명에 따른 판상-링형 구속시험방법에 의한 콘크리트 수축균열 평가방법의 순서도이다.

도 2는 외부링, 내부링 및 평판의 셋팅 상태를 도시한 것이다.

도 3은 균열스케일로 균열면적을 측정하는 과정을 도시한 것이다.

도 4는 균열포인트를 산정하는 방법을 설명하는 모식도이다.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

10 : 외부링 20 : 내부링

30 : 평판

Claims (9)

1. 다음의 각 단계로 이루어지는 판상-링형 구속시험방법에 의한 콘크리트의 수축균열 평가방법.

   (a) 평판 위에서 동심원을 이루도록 외부링과 내부링을 배치하는 단계;

   (b) 상기 외부링과 내부링 사이에 콘크리트를 타설, 양생하여 시험체를 제작하는 단계; 및

   (c) 육안 또는 센서에 의해 상기 시험체 상면의 균열발생시점을 측정하고, 크랙스케일(Crack Scale)로 상기 시험체 상면에 발생한 균열선의 폭과 길이를 재어 균열면적을 계산함으로서 균열발생량을 측정하고, 다음의 식에 의해 구속수축응력을 산정하는 단계;

   MPa = ε×E×A

   MPa : 구속수축응력

   ε : 콘크리트의 변형(mm)

   E : 콘크리트의 탄성계수(N/㎟)

   A : 콘크리트의 노출 면적(㎟)
2. 제1항에서,

   상기 (b)단계는 고온 건조기를 사용하여 강제적인 급속 건조환경을 조성하여 초기재령에 콘크리트 표면균열이 유발되도록 양생함을 특징으로 하는 판상-링형 구속시험방법에 의한 콘크리트 수축균열 평가방법.
3. 삭제
4. 삭제
5. 삭제
6. 제1항에서,

   상기 (c)단계는, 상기 콘크리트 시험체 상면에 등간격의 동심원 4개를 긋고 상기 동심원들과 균열선이 만나는 점을 균열포인트로 정하여 상기 균열포인트의 갯수를 산정하는 과정; 을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 판상-링형 구속시험방법에 의한 콘크리트 수축균열 평가방법.
7. 제1항 또는 제2항 또는 제6항에서,

   상기 외부링은 직경이 400mm이고, 높이가 50mm인 것을 특징으로 하는 판상-링형 구속시험방법에 의한 콘크리트 수축균열 평가방법.
8. 제1항 또는 제2항 또는 제6항에서,

   상기 내부링은 직경이 150mm이고, 높이가 70mm인 것을 특징으로 하는 판상-링형 구속시험방법에 의한 콘크리트 수축균열 평가방법.
9. 제7항에서,

   상기 내부링은 하면 바깥쪽으로 콘크리트를 떠받치는 플랜지가 형성된 몰드형태로 구성된 것을 사용함을 특징으로 하는 판상-링형 구속시험방법에 의한 콘크리트 수축균열 평가방법.

Images