6.1 실험 결과
6.1.5 균열의 크기분석
그림 6.43 파괴모드
구조 요소내에 존재하는 균열은 그림과 같이 기본적으로 세 가지 형태로 발생한다. 균열 면에 대하여 수직인 인장응력을 받으면 개구모드(Opening mode)가 된다. 이때 균열 면에 대하여 수직방향 으로 나타낸다.(ModeⅠ) 면내 전단인 경우 활동모드(Sliding mode) 의 변형이 일어나는데 균열면의 변이는 균열면 내에서 일어나며, 응 력이 작용하는 면에 대하여는 직각방향이 된다.(ModeⅡ) 면외 전단 에 의해서 일어나는 Tearing mode는 ModeⅢ인 경우이다. 일반적인 경우의 균열진전은 이 세 가지 모드가 단독으로 작용하거나 복합적 으로 작용하며 일어나며, 이 세 가지 모드 중 모드Ⅰ의 경우가 실제 적으로 중요하며 대부분의 재료는 전단응력보다 수직인장응력에 의 해 파괴가 된다. 모드Ⅱ,Ⅲ 하중은 보통 파괴를 일으키지 않는다. 그 러므로 파괴역학에서 실제적은 응용은 대부분 모드Ⅰ 하중에 대한 것이다.
파괴가 일어날 때 균열은 작용된 수직응력에 직각인 방향으 로 성장하려는 경향이 있다. 즉 혼합 모드 균열은 모드Ⅰ 균열이 된 다. 균열은 저항이 가장 적은 통로를 찾아 초기 균열 면에 제한을
받지 않고 전파된다. 그러나 재료가 등방성이고 균질이라면 균열은 에너지 해방률이 최대인 통로를 따라 전파한다.
실험과 연관시켜 파괴 모드를 적용시켜보겠다.
1) ln14-2(석회석 보통강도 3,6,8LOAD 이미지)< 2 microns/line >
x방향 변화 y방향 변화
그림 6.44 3 LOAD 그림 6.45 3 LOAD
그림 6.46 6 LOAD 그림 6.47 6 LOAD
그림 6.48 8 LOAD 그림 6.49 8 LOAD
2) lh5-1(석회석 고강도,3-5LOAD 이미지)< 2 microns/line >
x방향변화 y방향 변화
그림 6.50 3 LOAD 그림 6.51 3 LOAD
그림 6.52 4 LOAD 그림 6.53 4 LOAD
그림 6.54 5 LOAD 그림 6.55 5 LOAD
그림은 인위적인 좌표 x , y 에 대한 변형진전 그림이다. 재 하방향이 y방향인 압축 상태이므로 x방향의 변형은 바로 ModeⅠ에 대한 파괴모드이다.(Opening mode) y방향의 변형는 modeⅡ에 관한 파괴모드이다.(Sliding mode) 주로 골재 주변에 나타나고 있고, 매트 릭스에서의 파괴는 완전한 파괴형태를 이루었을 때 나타난다. 이것 은 주로 파괴의 형태가 ModeⅠ에 지배적이라는 것을 실험적으로
확인 할 수 있다. ModeⅠ의 경우 변형의 방향이 하중방향과 직각방 향으로 이루어지는 것을 확인할 수 있으며 y축 변형 그래프인 경우 하중 방향과 같은 방향으로 주로 골재주위에서 일어나는 것을 확인 할 수 있다. 하지만 실제적으로는 ModeⅠ과 ModeⅡ의 혼합적인 거 동이 주로 균열을 발생시키는 것을 그림을 통해 관찰할 수 있다. 변 형을 이루는 x, y상의 한 점을 기준으로 단면에 대한 그래프를 그려 보면
lh5-1 5 LOAD y = -3060 X(㎛), Y(시편의 좌표)
그림 6.56 보정 전 그래프 그림 6.57 보정 후 그래프와 비교 Stage 이동편차 보정 전 그래프
Stage 이동편차 보정 후 그래프
앞에서의 설명과 마찬가지로 이미지에 표시된 상하의 굵은 선들은 오차이다. 때문에 각 축에 대한 그래프를 그리게 되면 그래프는 오 차에 대서 급격히 변화하는 형태를 보인다. 이 값은 오차에 의한 것 이므로 이 값을 제외하고 나머지 변화량을 이용하여 폭 및 길이를 측정할 수 있게 된다. 값을 수정하여 이어 붙이게 되면 그림6.14와 같다. 그래프상에서 ↗ 방향의 진행은 균열에서 Opening을 의미하
며 ↘의 경우는 Closing을 의미한다. 수정 후 급격한 차이를 보이는 부분이 바로 이미지 상의 균열의 크기를 나타낸다. 그리고 첫 부분 의 값과 마지막 부분의 값 차이가 시편내의 전체변형을 의미한다.
또한 그래프 상에서도 급격하게 변화하는 곳이 바로 균열지점이다.
그래프와 이미지를 연관시켜 균열의 위치를 알아낼 수 있고 이 위 치에서의 값 차이로 균열의 크기를 계산할 수 있다. 최종단계의 이 미지에 해당하는 균열의 크기를 계산해보고 하중 단계별로 균열의 진전 양상과 그 크기를 계산해 보겠다.
3) lh5-1인 경우 (최종 단계의 이미지) < 2 microns/line >
이미지 좌표 y=-3060 인 경우 x=5024인 경우
그림 6.58 x 방향그래프의 균열위치 그림 6.59 y 방향그래프의 균열위치
Y
X
Y
X
그림 6.60 균열 위치 확대 모습
그림 6.61 lh5-1 응력-시간그래프
0.0 50.0 100.0 150.0 200.0 250.0 300.0
00:00.0 00:33.1 00:51.3 01:09.3 01:27.5 01:45.9 02:04.1 02:22.4 02:40.8 02:58.8 03:16.8 03:35.0 03:52.6 12:22.0 20:52.7 21:10.1 29:45.7 31:24.9 41:30.4 41:48.7 45:21.0 55:24.4
시간 강도(kgf/㎠)
1 LO A D 2 LO A D
3 LO A D 4 LO A D
5 LO A D
그림 6.63 x=-5024 균열의 진전 (X=㎛,Y=좌표)
그림 6.62 과 그림 6.63은 단계별 균열의 진전 그래프이다.
표 6.6 lh5-1 5LOAD에서의 x방향 균열크기
ModeⅠ의 균열에 의해 발생되어 진다는 것을 그래프로 알 수 있다.
A(㎛) 0.001425 0.001056 0.002744 0.005422 0.017993 B(㎛) 0.002278 0.001266 0.003158 0.003893 0.010815 C(㎛) 0.00316 0.000964 0.000876 0.002299 0.00799 D(㎛) 0.003512 0.003391 0.004007 0.004179 0.012039 E(㎛) 0.001861 0.001823 0.00279 0.007704 0.041656 F(㎛) 0.002514 0.002725 0.002536 0.004901 0.020946
하중단계의 균열 진전모습을 살펴보겠다. 표 6.8와 그림 6.64
0:00:00.0 0:00:07.2 0:00:14.4 0:00:21.5 0:00:28.7 0:00:35.8 0:00:42.7 0:00:50.0 0:00:56.8 0:01:03.5 0:01:10.2 0:01:17.3 0:01:24.5 0:01:31.6 0:01:38.5 0:01:45.6 0:01:52.5 0:01:59.3 0:02:06.5 0:02:13.3 0:02:20.0 0:02:26.9 0:02:33.7 0:02:40.8 0:02:48.1 0:05:04.6 0:05:11.8 0:14:00.3 0:14:23.2 0:25:05.3 0:25:51.8 0:35:01.4 0:35:38.8 0:51:05.6 1:00:55.5 시간
mn5-2 (y방향 변위 그림) < 2 microns/line >
그림 6.66 1 LOAD 최대하중의 65.6 % 그림 6.67 2 LOAD(80.4%)
그림 6.68 3 LOAD(88.3%) 그림 6.69 4 LOAD(96.1%)
그림 6.70 5 LOAD(96.6%) 그림 6.71 6 LOAD(97.5%)
표 6.9 mn5-2 각 LOAD별 x방향 균열의 크기변화
균열
위치 1 LAOD 2 LOAD 3 LOAD 4 LOAD 5 LOAD 6 LOAD A (㎛) -2.61085 -5.46893 -7.62917 -11.2497 -13.3787 -86.7372 B (㎛) 0.21488 -0.49546 -0.73538 -1.03996 -0.23053 -1.55838 C (㎛) 0.28216 -0.32284 -0.87776 -14.2283 -36.8498 -406.363 D (㎛) -5.7756 -10.2964 -13.4507 -19.1272 -20.746 -23.6573 E (㎛) -1.31065 -2.09766 -3.58772 -7.21766 -8.50901 -10.5347
표 6.10 mn5-2 각 LOAD별 y방향 균열의 크기변화
균열
위치 1 LAOD 2 LOAD 3 LOAD 4 LOAD 5 LOAD 6 LOAD A (㎛) 5.09119 8.23555 9.28754 10.40199 9.80243 63.30889 B (㎛) -5.20443 -7.59683 -10.1295 0 -13.7575 -13.4871 C (㎛) 0.59638 1.28378 1.37903 7.62858 14.6809 208.1078 D (㎛) 1.10862 2.43949 2.39399 3.34597 3.56029 1.19064 E (㎛) -2.6083 -4.47364 -5.70344 -6.80413 -6.88033 -13.449
그림 6.72 mn5-2 x방향 균열의 진전양상
그림 6.74 mn5-2 y방향 균열의 진전양상
경우는 보통강도의 시편으로 lh5-1의 고강도와 비교할 때 연성적으 로 거동하는 모습을 보이고 있다. 고강도의 경우는 파괴하중에 가까 울수록 급진적으로 진행하는 취성적인 양상을 보이고 있지만 보통 강도의 경우 단계적으로 진행하는 모습이다.
ln14-2는 골재를 맞닿게 배치한 시편으로 골재와 매트릭스 사이의 균열 진전모습을 잘 관찰 할 수 있는 시편이다. 시편의 균열 진전 모습으로 보면 처음에는 골재 주변의 ModeⅡ 균열이 진전되 면서 ModeⅠ의 균열도 발생하게 된다. 그 후 매트릭스로 균열이 진 전되다가 골재의 균열과 만나면서 부재는 파괴된다. <p40 참조>
5) ln14-2(석회석 보통강도,9LOAD 이미지)< 2micros/line>
그림 6.76 x방향 그래프의 균열위치
그림 6.77 y 방향 그래프의 균열위치
그림 6.78 ln14-2 응력-시간 그래프
0 20 40 60 80 100 120 140 160
0:00:00.0 0:00:08.2 0:00:16.3 0:00:24.1 0:00:32.2 0:00:40.6 0:00:49.1 0:00:57.4 0:01:05.8 0:01:14.0 0:01:22.2 0:01:30.6 0:01:38.8 0:01:47.0 0:01:54.8 0:02:03.1 0:02:11.3 0:02:19.6 0:02:27.8 0:02:36.0 0:02:44.3 0:02:52.7 0:03:01.1 0:03:09.6 0:03:17.7 0:03:25.9 0:03:34.3 0:13:44.7 0:33:40.8 0:58:24.5 1:10:07.3 1:26:43.4 1:37:40.3 1:48:58.4 1:51:07.0 시간
응력(kgf/㎠)
1 L AOD 2 L OAD
3 L OAD 4 L OAD 5 L OAD 6 LOAD
7 LOAD 8 L OAD
9 L OAD
표 6.11 ln14-2 x방향의 균열 변화 하중
재하단계 A B C D E F
1 LOAD 0.22948 0.51111 -0.42193 2.32504 -0.12934 1.62044 2 LOAD 0.81152 4.11708 -0.35361 6.27837 -0.22635 4.0545 3 LOAD 1.22877 6.41813 -0.26129 8.78179 -0.13247 5.98891 4 LOAD 1.52917 11.04633 -0.30875 12.88426 -2.13572 9.62147 5 LOAD 2.3965 15.77362 -0.38908 15.98119 -2.98532 13.17268 6 LOAD 2.59 19.1209 -0.35048 18.91436 -0.34265 15.3058 7 LOAD 3.53816 29.82197 -0.46209 23.11072 -0.1914 18.5545 8 LOAD 5.00945 53.38539 -0.61333 30.86193 -0.46469 26.03763 9 LOAD -0.47461 176.3243 33.8749 93.8448 157.6423 11.23044
그림 6.79 ln14-2 x방향 균열의 진전양상
그림 6.80 ln14-2 x방향 균열의 진전양상(1-6LOAD)
-5 0 5 10 15 20 25
A B C D E F
위치 균열크기(㎛)
1 LOAD 2 LOAD 3 LOAD 4 LOAD 5 LOAD 6 LOAD
ln14-2 골재가 맞닿은 경우< 2 microns/line > (y방향 변위그림)
그림 6.81 1 LOAD(63.5%) 그림 6.82 2 LOAD(64.3%)
그림 6.83 3 LOAD(68.9%) 그림 6.84 4 LOAD(72.6%)
그림 6.85 5 LOAD(77.6%) 그림 6.86 6 LOAD(81.5%)
그림 6.87 7 LOAD(82.5%) 그림 6.88 8 LOAD(87.9%)
그림 6.89 9 LOAD(93.3%)
표 6.12 ln14-2 y방향의 균열 변화 하중
재하단계 B C D E F
1 LOAD -0.11774 -0.22913 1.52111 -1.13429 0.95674 2 LOAD 2.83346 -1.87962 4.22255 -3.58781 3.00624 3 LOAD 7.61641 -1.24858 6.58108 -10.0144 4.99858 4 LOAD 12.87192 -2.7189 10.64064 -7.67118 3.28777 5 LOAD 17.59983 -4.01829 13.28599 -9.69739 10.92085 6 LOAD 21.24795 -4.76945 15.75671 -11.1034 12.343 7 LOAD 30.30532 -6.5242 20.19913 -14.8021 15.26458 8 LOAD 49.06218 -9.65453 28.49289 -20.7934 20.27639 9 LOAD 320.8017 -2.96179 98.27781 -5.56163 17.47229
그림 6.90 ln14-2 y방향 균열의 진전양상
그림 6.91 ln14-2 y방향 균열의 진전양상(1-6LOAD)
제 7 장 결 론
1. 미세균열은 작용하는 응력 하에서 비균질한 재료의 강성차이로 국부적 인 영역에서 응력집중이 생기게 된다. 따라서 콘크리트의 비균질적이고 비 선형적인 파괴거동을 확인 할 수 있었다.
2. 미세균열은 하중이 작용하면서 경계면을 따라 성장하여 부착균열 을 형성하고 점차 경계면을 벗어나 시멘트 메트릭스로 진입하게 되 며 이후 이 메트릭스 균열이 서로 연결되면서 연속적인 균열을 형 성하게 되어 파괴에 이르게 된다. 이것으로 실제 콘크리트의 균열진 전과 파괴에 이르는 과정을 미루어 짐작할 수 있겠다.
3. 골재량이 많을수록 존재하는 미세균열의 진전으로 균열의 밀도가 높아지게 되고 균열간의 상호작용으로 응력이 파괴 강도에 가까워 질수록 작은 균열들이 서로 연결되어 긴 균열이 형성되며 더욱 큰 균열을 형성하게 된다. 따라서 적절한 골재량은 보통강도 콘크리트 의 강도에 미치는 영향이 크다고 생각할 수 있겠다.
4. 압축균열은 재하방향과 같은 방향으로 발생하며 골재주변에서 시 작된 균열은 결국 골재주위의 인장과 전단에 의한 영향으로 메트릭 스 균열에서는 약45°방향으로 이어져 파괴되는 모습을 실험으로 확 인할 수 있었고 압축균열의 정확한 관찰을 위해 전단구속을 제거해 야 됨은 물론 적절한 재하장비의 선택이 필요하다고 할 수 있겠다.
5. 보통강도의 경우 골재와 시멘트 메트릭스 사이의 계면이 완만할 수록 마찰계수가 상대적으로 작게 되어 접착균열에서 메트릭스 균 열로의 전파가 용이하게 된다. 하지만 고강도의 경우 골재의 강성이 메트릭스의 강도보다 작으므로 골재의 마찰계수와는 상관없이 골재
가 먼저 깨지는 형상이 일어난다. 따라서 상대적으로 쇄석골재를 사 용한 경우가 자연골재를 사용한 경우보다 강도가 높게 나타나는 이 유를 실험으로 확인할 수 있었다.
6. 보통강도의 경우 여러 개의 작은 균열들이 점진적으로 진전되고 서로 연결되면서 서서히 파괴가 일어나는 반면에 고강도의 경우는 보통강도에 비해 균열의 진전이 더디며 서서히 파괴가 일어나기 보 다는 응력이 어느 점에 이르렀을 때 소수 균열의 길이가 급격히 증 가하면서 취성적인 파괴가 일어났다. 보통강도보다 고강도가 상대적 으로 변형을 잘 흡수하기 때문으로 사료된다.
7. 본 실험은 미세한 균열을 측정하는 실험인 만큼 이미지를 얻기 위한 장치의 자동화는 반드시 필요하며 측정 시스템의 성능이 높아 야 한다.
8. 완벽한 파괴거동을 관찰하려면 재하 장비의 완벽한 Feedback구 현을 해야만 하며 편심과 시편의 이동을 방지하여야 한다.
9. 디지털 화상연관기법을 이용한 표면 변위 측정으로 콘크리트의 응력집중 모습과 균열의 형성 모습, 각 하중 재하상태에서의 응력 모습 등을 다양한 방법으로 관찰할 수 있었다.
10. 디지털 화상연관기법은 콘크리트의 미세한 균열진전을 보다 효 과적으로 관찰할 수 있으며 다양한 방법으로의 해석이 가능한 큰 장점을 지니고 있다. 특히 인장 균열의 관찰보다 상대적으로 어려웠 던 압축균열의 연구에 보다 탁월하여 보다 복잡한 콘크리트 압축파 괴거동에 자세한 연구가 가능할 것으로 보인다.
참 고 문 헌
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20. S. Choi, K.-C. Thienel, S. P. Shah(1996), "Strain softening of concrete in compression under different end constraints", Magazine of Concrete Research No. 96-06 p.103∼115.
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"Stability and Sensitivity of Fracture in Experiments with Concrete", KSCE Journal of Civil Engineering No. 98-09 p.253∼
"Stability and Sensitivity of Fracture in Experiments with Concrete", KSCE Journal of Civil Engineering No. 98-09 p.253∼