Abstract
In Concrete, shrinkages occur like plastic shrinkage and drying shrinkage in the early age because of evaporation and transfer of moisture. Within the country, the crack test standardized by KS is used to test the drying shrinkage of the concrete by using the restricted drying shrinkage of Dumbbell type mold, but this test is for the cracking-point and the restricted shrinkage stress. Thus it is difficult to valuate the crack quantitative test. In this study, it is intended to develop the Flat-ring type restrained test method for the shrinkage deformation movement of the concrete and to provide the quantitative data for evaluating the cracks in concrete. And it suggest the proper specimen diameter and quantitative test method about shrinkage crack properties on Flat-ring type restrained test method. And Verified the suitability.
요 지
콘크리트는 초기재령에 있어서 수분의 증발 및 이동으로 소성 및 건조수축 등의 수축현상이 발생한 다. 국내에서는 아령형 구속건조수축몰드를 활용한 콘크리트의 건조수축 균열 평가방법을 KS에서 규격 화하여 활용하고 있으나 이는 균열발생시점 및 구속수축응력을 평가하는 방법으로 균열발생량에 관한 정 량적 평가는 어려운 실정이다. 이에 본 연구에서는 콘크리트의 수축변형거동 및 균열발생량에 대한 정량 적 데이터를 확보하기 위하여 판상-링형 구속시험방법을 개발하고 시험체 치수가 콘크리트의 수축균열에 미치는 영향을 검토하여 판상-링형 구속시험방법의 최적 시험체 치수 도출 및 수축균열특성에 관한 정량 적 평가방법을 제안하고 그 적용성을 검증하고자 한다.
Keywords : Flat-ring type restrained test method, Numerical analysis, Restrained shrinkage crack 핵심 용어 : 판상-링형 구속시험방법, 수치해석, 구속수축균열
콘크리트 초기 수축균열특성 평가를 위한 판상-링형 구속시험방법의 성능평가에 관한 연구
A Study on the Development of Flat-Ring Type Restrained Test Method and Performance Evaluation for Evaluating Shrinkage Cracking Properties of Concrete in Early Age
김 규 용 * 최 형 길 ** 이 의 배 ** 남 정 수 ** 한 민 기 ***
Kim, Gyu-Yong Choi, Hyeong-Gil Lee, Eui-Bae Nam, Jeong-Soo Han, Min-Ki
1)
* 정회원, 충남대학교 공과대학 건축공학과 조교수, 공학박사 ** 정회원, 충남대학교 대학원 건축공학과 박사과정
*** 정회원, 주) 마이다스아이티 건축엔지니어링팀, 공학석사
E-mail : [email protected] 042-821-7731
•본 논문에 대한 토의를 2009년 6월 30일까지 학회로 보내
주시면 2009년 9월호에 토론결과를 게재하겠습니다.
Table 1 Feature of Flat-ring type restrained test method Evaluatin
g method Flat-ring type mold
Outline of evaluating method
․Doughnut type by inside ring and outside ring
․Occurrence of restricted crack by inside ring
Test molds schematic
Target point (Measuri ng item)
Plastic / Drying shrinkage (Crack Area, Crack Point, restricted Shrinkage Deformation and restricted
Shrinkage Stress)
1. 서 론
콘크리트는 타설되는 시점부터 응결과정을 거쳐 종 결에 이르기까지 소성 및 건조수축으로 인한 균열이 크고 작게 발생하게 된다. 이러한 균열을 저감시키기 위한 연구가 활발히 이루어지고 있으나 콘크리트의 소 성 및 건조수축으로 인한 균열의 평가방법이 국내․외 에서 정량적으로 구축되어 있지 않은 실정이다.
국내에서는 이러한 콘크리트의 수축균열평가를 위한 시험방법으로 일본의 JIS에서 규격화하고 있는 콘크 리트의 건조수축 균열 평가방법과 유사한 시험방법으 로 아령형 구속건조수축몰드를 활용한 콘크리트의 건 조수축균열 평가방법을 KS에서 규격화하여 활용하고 있으며, 또한, 국제적으로도 링 시험방법을 통한 콘크 리트의 균열발생시점과 그에 따른 구속응력에 관한 연 구 및 규격화가 이루어지고 있지만, 이러한 방법은 소 성 및 건조수축에 의해 발생되는 균열정도에 대한 정 량적 평가가 어려운 문제점을 가지고 있다.
(1)(2)(3)이에 본 연구에서는 콘크리트의 수축변형거동 및 균 열 발생량에 대한 정량적 데이터를 확보하기 위한 초 기연구단계로 본 연구에서 제안하고자 하는 판상-링형 구속시험방법을 개발하고, 시험체의 치수가 콘크리트 의 수축균열에 미치는 영향을 검토하여 판상-링형 구 속시험방법의 최적 시험체 치수 도출 및 콘크리트 수 축균열특성에 관한 정량적 평가 방법을 제안하고, 그 적용성을 검증하고자 한다.
2. 판상-링형 구속시헙방법의 개요 2.1 판상-링형 구속시험방법 치수 및 개요
본 연구에서는 초기재령에서부터의 콘크리트 소성 및 건조수축으로 인한 균열발생정도를 비교하기 위해 기존의 ASTM 1581-04 규격에서 제시하고 있는 시 험방법을 응용하고자 하였다. ASTM 1581-04 규격 에 제시된 시험방법은 콘크리트 시험체 외부 링 직경 이 406±3mm, 내부 링 직경이 330±3mm에 높이가 약150±6mm로 타설되는 콘크리트 시험체의 폭이 64±6mm로 구속수축현상에 의하여 발생되는 얇은 폭
의 시험체에 관통균열을 유도하여 콘크리트의 균열발 생시점을 평가하는 특징을 가지고 있다.
(3)반면, 본 연구에서 제시하는 판상-링형 구속시험방법은 Table 1에서 나타낸 바와 같이 콘크리트 소성 및 건조수축으 로 인한 콘크리트 표면의 균열발생량, 균열포인트의 평가 및 구속수축변형, 구속수축응력의 측정이 가능한 것으로 타설 직후부터 초기재령에서의 수분의 증발 및 건조가 쉽고, 강도발현이 충분하지 못하여 균열발생 위험에 노출된 면적이 넓고 두께가 얇은 슬래브 부재 를 상정하기 위해 ASTM 1581-04 시험 방법에 제시 된 시험체 높이를 30mm 및 50mm로 감소시켜 판상 형의 시험체가 되도록 설정하였으며, Fig. 1에서 나타 낸 바와 같이 시험체 내부 링의 구속과 수분증발에 의 한 모세관 장력 및 내부인장력, 표면장력 증가 등에 의해 콘크리트 시험체 표면에 수축균열을 유도하였다.
또한, 내부 링 직경 및 외부 링 직경 변화에 따른 콘크리트 수축균열특성을 평가하기 위하여 몰드는 두 께 3mm의 KS D 3530 일반구조용 경량형강을 사용 하여 제작하였으며, 사용된 몰드의 치수 및 재원은 Fig. 2에서 나타낸 바와 같다.
2.2 건조수축 예측 이론에 의한 판상-링형 구속시험방법의 수치해석
건조수축현상을 해석하기 위한 예측 이론은 몇 가지
(a) Occurrence shrinkage crack by capillary tension and inside tensile stress according to moisture evaporation
(b) Occurrence shrinkage crack by increasing of surface tension according to moisture evaporation
Fig. 1 Mimetic diagram shrinkage crack of Flat-ring type restrained test method
Fig. 2 Schematic of Flat-ring type restrained test mold
(a) Change of inside ring diameter(Series Ⅰ)
(b) Change of outside ring diameter(Series Ⅱ)
(c) Change of height(Series Ⅲ)
Fig. 3 Experimental program of Flat-ring type restrained test Table 2 Experimental program
Series
Experimental primary factors
Property Outside
ring (mm)
Inside ring (mm)
Height (mm)
Ⅰ 400
100
50 ㆍNumerical analysis
ㆍRestrained drying shrinkage ㆍRestrained stress (MPa)
ㆍCrack area(mm
2) ㆍCrack point 150
200
Ⅱ 400
200 50
600 800
600 400 50
800
Ⅲ 400 150 30
400 150 50
모델이 제안되고 있으며, 그 중에서 ACI Committe 209 보고서에서 제안된 ACI모델과 유럽 코드인 CEB- FIP모델이 가장 널리 알려져 있다. 우리나라는 1999 년 이전에는 ACI모델을 적용하여 사용하였으나, 이후 제정된 한국 콘크리트구조 설계기준에서 CEB-FIP모 델이 채택 되어 사용되고 있다. 특히, CEB-FIP모델 의 경우, 시간함수에 부재의 크기를 고려하여 보다 합 리적으로 건조수축량을 예측할 수 있는 특징을 가지고
있으며, 본 연구에서는 CEB-FIP모델에 의한 예측식 을 사용, 마이다스 프로그램을 활용하여 수치해석을 실시하였다.
3. 실험계획 및 콘크리트배합
Fig. 3 및 Table 2는 콘크리트의 수축균열에 미치
는 판상-링형 구속시험방법의 시험체 치수영향을 검토
하기 위한 실험계획을 나타낸 것으로 내부 링 직경 변
화, 외부 링 직경 변화 및 높이 변화 등의 3수준으로
설정하고, 마이다스 수치해석 프로그램인 MIDAS
Gen을 이용, 3D Solid 요소를 적용하여 시리즈별
Table 3 Concrete mixture proportions W/C
(%)
S/a (%)
Unit water content (kg/m
3)
Unit weight (kg/m
3)
C S G
50 47 175 350 805 946
0.0 1.0 2.0 3.0
0.0 1.0 2.0 3.0
-300.0 -200.0 -100.0 0.0
1 3 5 7 9 11
-300.0 -200.0 -100.0 0.0
1 3 5 7 9 11
Da y -300
-200 -100 0
1 3 5 7 9 11
건조수축 (×10-6)
Ex p. da ta CEB-FIP 0
1 2 3
건조수축응력 (MPa)
400X 100X 50 400X 150X 50 400X 200X 50
Drying shinkage deformation (x10-6)Drying shinkage stress (MPa)
Fig. 6 Drying shrinkage stress and deformation by numerical analysis (Series Ⅰ)
0 1 2 3
건조수축응력 (MPa)
1 3 5 7 9 11 -300.0
-200.0 -100.0 0.0
1 3 5 7 9 11 1 3 5 7 9 11
Day 건조수축 (×10-6) -300.0 -200.0 -100.0 0.0
1 3 5 7 9 11 건조수축 (×10-6)
-300 -200 -100 0
1 3 5 7 9 11 건조수축 (×10-6)
Exp. data CEB-FIP
400X200X50 600X200X50 800X200X50 600X400X50 800X400X50
Drying shinkage deformation(x10-6)Drying shinkage stress (MPa)
Fig. 7 Drying shrinkage stress and deformation by numerical analysis (Series Ⅱ)
Da y 0
1 2 3
Drying shrinkage stress (MPa)
-300 -200 -100 0
1 3 5 7 9 11
Drying shrinkage deformation (×10-6)
Ex p. da ta CEB-FIP
1 3 5 7 9 11
400X 150X 30 400X 150X 50
Drying shinkage deformation (x10-6)Drying shinkage stress (MPa)
Fig. 8 Drying shrinkage stress and deformation by numerical analysis (SeriesⅢ)
Photo 1 Measurement of crack diameter and length
Fig. 4 Measurement of crack points
Fig. 5 Measurement of restrained drying shrinkage 시험체의 응력분포 차이를 비교하고자 하였으며, 각각 의 시험체 치수별 콘크리트의 수축균열특성으로 균열 면적, 균열 포인트, 수축변형량 및 구속수축응력을 평가하고자 하였다. 실험환경조건은 온도 20±3℃, 습 도 60±5%의 항온항습조건에서 실험을 실시하였으며, Table 3은 판상-링형 구속시험방법의 콘크리트 배합 을 나타낸 것이다. 또한, 균열의 평가는 Photo 1에서 보는 바와 같이 Crack Scale을 이용하여 콘크리트의 균열폭 및 균열길이를 측정하고 균열면적 및 형상을 평 가하였다. 균열포인트의 측정은 Fig. 4와 같이 ASTM C 457『Microscopical Determination of Parameters of the Air-Void System in Hardened Concrete 1』의 Procedure A—Linear Traverse Method를 참고하여 내․외부 링 사이의 콘크리트 표면에 일정한 간격으로 4구역의 그리드라인을 정하고 이와 균열이 접하는 부분을 균열 포인트로 산정하여 측정하였다.
또한, 판상-링형 시험체의 구속건조수축량은 Fig. 5 에서 보는 바와 같이 내부 링 안쪽에 스트레인 게이지
(KS)
(KS)
(KS)
400×100×50
0.0 0.3 0.6 0.9 1.2 1.5 1.8
Inside Ring Outside Ring
0.08MPa
1.22MP a
0.35MPa
EX P. Data on Ins ide ring
Restrained stress (MPa)
CEB-FIP(KS)
0.0 0.3 0.6 0.9 1.2 1.5 1.8
Inside Ring Outside Ring
0.19MPa
1.33MPa 400×150×50
1.28MPa
EX P . Data on Ins ide ring
Restrained stress (MPa)
CEB-FIP(KS)
0.0 0.3 0.6 0.9 1.2 1.5 1.8
Inside Ring Outside Ring
0.37MPa
1.43MPa 400×200×50
1.12MPa
EX P . Data on Ins ide ring
Restrained stress (MPa)
CEB-FIP(KS)
Fig. 9 Extent of restrained stress distribution by numerical analysis (Series Ⅰ)
0.0 0.3 0.6 0.9 1.2 1.5 1.8
Inside Ring Outside Ring
0.37MPa
1.43MPa 400×200×50
1.12MPa
EX P . Data on Ins ide ring
Restrained stress (MPa)
CEB-FIP(KS)
0.0 0.3 0.6 0.9 1.2 1.5 1.8
Inside Ring Outside Ring
0.10MPa
0.87MPa 600×200×50
1.13MPa
EX P. Data on Ins ide ring
Restrained stress (MPa)
CEB-FIP(KS)
0.0 0.3 0.6 0.9 1.2 1.5 1.8
Inside Ring Outside Ring
0.04MPa
0.64MPa 800×200×50
1.15MPa
EX P . Data on Ins ide ring
Restrained stress (MPa)
CEB-FIP(KS)
Fig. 10(a) Extent of restrained stress distribution by numerical analysis (Series Ⅱ-1) 를 부착하여 데이터로거에 연결함으로서 구속수축변형
을 측정하였고, 구속수축응력을 다음 식을 이용하여 산정하였다.
여기서,
: 탄성계수 (N/mm
2)
: 스틸내경 (mm)
: 스틸외경 (mm)
: 콘크리트내경 (mm)
: 콘크리트외경 (mm)
4. 실험결과 및 고찰
4.1 수치해석에 의한 건조수축변형 및 건 조수축응력 비교ㆍ평가
수치해석에 의한 건조수축변형 및 건조수축응력 해 석 결과, 시리즈 Ⅰ의 경우 Fig. 6에서 나타낸 바와 같이 건조수축변형 및 건조수축응력은 내부 링 직경과 관계없이 시간의 지남에 따라 점차적으로 증가하는 경 향을 보였다. 또한, 내부 링 직경 100mm 경우,
150mm 및 200mm보다 해석값이 다소 낮은 경향을 보였으며, 실측값에 있어서도 상대적으로 가장 낮은 수치를 나타내었다. 시리즈 Ⅱ의 경우, Fig. 7에서 보 는 바와 같이 외부 링 직경이 증가함에 따라 건조수축 변형 및 건조수축응력의 해석값은 점차 줄어드는 경향 을 보였으며, 외부 링 직경 800mm인 시험체에서 건 조수축변형 및 건조수축응력 해석값과 실측값이 다른 시험체에 비해 다소 낮은 경향을 보였다. 시리즈 Ⅲ의 경우, Fig. 8과 같이 시험체 높이에 관계없이 건조수 축변형 및 건조수축응력의 해석값은 유사한 수준을 보 였으나 실측값에 있어서는 시험체 높이 30mm인 시험 체보다 50mm인 시험체에서 건조수축변형 및 건조수 축응력이 높은 경향을 나타냈다.
4.2 수치해석에 의한 시험체 치수별 응력분포
수치해석 프로그램을 활용한 판상-링형 구속시험방 법의 응력분포정도에 대한 해석을 실시한 결과, Fig.
9～11에서 보는 바와 같이 콘크리트 시험체에 미치는
응력분포가 다르게 나타나 실제 콘크리트 수축균열실
험결과에 영향을 미칠 것으로 판단된다.
0.0 0.3 0.6 0.9 1.2 1.5 1.8
Inside Ring Outside Ring
0.52MPa
1.23MPa 600×400×50
1.04MPa
EX P . Data on Ins ide ring
Restrained stress (MPa)
CEB-FIP(KS)
0.0 0.3 0.6 0.9 1.2 1.5 1.8
Inside Ring Outside Ring
0.18MPa
0.75MPa 800×400×50
0.75MPa
EX P. Data on Ins ide ring
Restrained stress (MPa)
CEB-FIP(KS)
Fig 10(b). Extent of restrained stress distribution by numerical analysis (Series Ⅱ-2)
0.0 0.3 0.6 0.9 1.2 1.5 1.8
Inside Ring Outside Ring
0.19MPa
1.32MPa 400×150×30
0.79MPa
EX P. Data on Ins ide ring
Restrained stress (MPa)
CEB-FIP(KS)
0.0 0.3 0.6 0.9 1.2 1.5 1.8
Inside Ring Outside Ring
0.19MP a
1.33MP a 400×150× 50
1.28MP a
EX P . Data on Ins ide ring
Restrained stress (MPa)
CEB-FIP(KS)
Fig. 11 Extent of restrained stress distribution by numerical analysis (Series Ⅲ)
시리즈 Ⅰ의 경우, 내부 링 직경이 100mm, 150mm 및 200mm로 증가함에 따라 각각의 콘크리트 시험체 에 대한 최대 및 최소 응력분포범위는 점차적으로 증 가하는 것으로 나타났으며, 특히, 내부 링 150mm의 경우, 수치해석에 의한 내부 링에서의 최대 구속수축 응력값과 실측값이 각각 1.33MPa 및 1.28MPa로 매우 유사한 수준을 보였으며, 내부 링 100mm의 경 우에는 각각 1.22MPa 및 0.35MPa로 실측값과 큰 차이를 보였다. 시리즈 Ⅱ의 경우, 외부 링 직경이 400, 600 및 800mm로 증가할수록 콘크리트 시험체 에 작용하는 응력은 점차 감소하는 경향을 보였으며, 외부 링 800mm인 시험체에서 응력분포의 범위가 가 장 작은 것으로 나타났다. 특히, 내부 링 400mm의 수 준에서 외부 링 800mm인 시험체의 경우, 수치해석에 의한 해석값과 실측값이 동일하게 나타났으나, 구속수 축응력값이 0.75MPa의 낮은 수준을 보였다.
또한, 시리즈 Ⅲ의 시험체 높이에 따른 최대 및 최 소 응력분포범위는 시험체 높이 30mm 및 50mm로 변화함에 따라 각각 콘크리트 시험체에 작용하는 응력 분포의 범위는 유사한 수준을 보였으나, 내부 링의 구
속수축응력 실측값과의 비교에 있어서는 시험체 높이 30mm의 경우 50mm보다 큰 차이를 보였다.
4.3 수축변형 및 구속수축응력
판상-링형 구속시험방법의 내․외부 링 직경 및 시
험체 높이에 따른 콘크리트의 수축변형 및 건조수축응
력에 미치는 영향을 검토한 결과, 시리즈Ⅰ의 경우
Fig. 12에서 나타낸 바와 같이 내부 링 직경 100mm
의 시험체는 재령 7일 이후에는 수축변형량의 증가폭
이 매우 감소하는 경향이 나타났으며, 내부 링 직경
150mm가 내부 링 직경 200mm에 비하여 약 0.1MPa
높은 구속수축응력값을 보였으나 내부 링 직경 150
및 200mm의 시험체는 재령 7일 이후에도 계속해서
유사한 기울기로 수축변형이 발생되는 경향이 나타났
다. 또한, 구속수축응력의 경우에 있어서도 내부 링
직경 100mm의 시험체는 재령 7일까지 0.5MPa이하
로 나타났으며, 내부 링 직경 150 및 200mm의 시험
체는 내부 링 직경 150mm에서 구속수축응력이 다소
높은 경향으로 나타났으나 유사한 수준으로 판단된다.
-250 -200 -150 -100 -50 0
0 2 4 6 8 10 12 14
Da y 건조수축 (×10-6)
400* 100* 50 400* 150* 50 400* 200* 50 0.0
0.5 1.0 1.5 2.0 2.5
건조수축응력 (MPa) S e re i s ⅠW/ C : 0.50 w a te r : 175kg/ m3
Drying shinkage deformation (x10 -6)Drying shinkage stress (MPa) Di a m e te r of ins ide ri ng Φ100m m
Φ100m m
Φ200m m Φ150m m
Dia m e ter of outs ide ri ng : 400m m Hei gh of ri ng : 50m m
Di a m e te r of ins ide ri ng Φ150m m Φ200m m
Fig. 12 Drying shrinkage and drying shrinkage stress (SeriesⅠ)
-250 -200 -150 -100 -50 0
0 2 4 6 8 10 12 14
Da y 건조수축 (×10-6)
400* 200* 50 600* 200* 50 800* 200* 50 0.0
0.5 1.0 1.5 2.0 2.5
건조수축응력 (MPa) S e re is Ⅱ-1W/ C : 0.50 w a te r : 175kg/ m3
Drying shinkage deformation (x10-6)Drying shinkage stress (MPa)
Dia m e te r of ou ts ide ring
Φ800m m Φ400m m Φ600m m
Dia m e te r of ou ts ide ring
Φ400m m Φ800m m Φ600m m
Dia m e te r of ins ide ring : 200m m He igh of rin g : 50m m
Fig. 13(a) Drying shrinkage and drying shrinkage stress (SeriesⅡ-1)
-250 -200 -150 -100 -50 0
0 2 4 6 8 10 12 14
Da y 건조수축 (×10-6)
600* 400* 50 800* 400* 50 0.0
0.5 1.0 1.5 2.0 2.5
건조수축응력 (MPa) S e re i s Ⅱ-2W/ C : 0. 50 w a te r : 175kg/ m3
Drying shinkage deformation (x10 -6)Drying shinkage stress (MPa)
Dia m e te r of ou ts i de rin g
Φ800m m Φ600m m
Di a m e te r of ou ts i de rin g Φ800m m Φ600m m
Dia m e te r of in s ide r ing : 400m m He igh of rin g : 50m m
Fig. 13(b) Drying shrinkage and drying shrinkage stress (SeriesⅡ-2)
-250 -200 -150 -100 -50 0
0 2 4 6 8 10 12 14
Da y 건조수축 (×10-6)
400* 150* 30 400* 150* 50 0.0
0.5 1.0 1.5 2.0 2.5
건조수축응력 (MPa) S e re is Ⅲ
Drying shinkage deformation (x10 -6)Drying shinkage stress (MPa)
W/ C : 0.50 w a te r : 175kg/ m3
Dia m e te r of i ns ide rin g : 150m m Dia m e te r of outs ide r ing : 400m m
He igh of rin g 50m m
30m m
He igh of rin g 30m m
50m m
