Performance Evaluation of a Connection Joint using a High-Ductility Concrete

(1)

J. Korea Inst. Build. Const., Vol. 15, No. 2

http://dx.doi.org/10.5345/JKIBC.2015.15.2.185 www.jkibc.org

고인성 콘크리트를 사용한 연결조인트의 성능평가

Performance Evaluation of a Connection Joint using a High-Ductility Concrete

1)김 병 기¹ 김 재 환¹ 양 일 승^2* 이 상 수³

Kim, Byeong-Ki¹ Kim, Jae Hwan¹ Yang, Il-Seung^2* Lee, Sang-Soo³ AMS Engineering Co., Ltd, Yuseong-Gu, Daejeon, 305-330, Korea ¹

Department of Architectural Engineering, Dongshin University, Naju, Jeollanam-do, 520-714, Korea ² Department of Architectural Engineering, Hanbat National University, Yuseong-Gu, Daejeon, 305-719, Korea ³

Abstract

Expansion joint is the essential element of the bridge in many cases. When the bridge faces chloride of preventing freezing on the surface of the bridge, the expansion joints is damaged significantly, thus this reduces service life and increases maintenance cost of the bridge. As a solution of this problem, new technology using high ductile materials for the joint without expansion joint was developed and in this research, crack control performance, preventing leaking after the cracking, and chloride resistance were experimentally evaluated. As a result of the experiment, with PCM and FRC materials, the connecting joint suffered poor crack dispersion and severe damage by the chloride penetration while with high-ductile material, the connecting joint dispersed the tensile deformation to microcracks stably up to 7.5mm. Furthermore, under the sever conditions, the leaking was prevented and penetration of chloride ions was prevented after the crack occurred.

Keywords : connection joint, non-joint, high-ductile concrete, crack control, leakage protect

1. 서 론

1.1 연구의 배경

신축이음장치(Expansion Joint)는 교량의 교대 위에 위치하는 상부구조물의 온도변화, 하중에 의한 탄성 변형 등의 신축량을 조절하고 차량이 안전하게 지나갈 수 있도 록 해주는 장치를 의미한다. 교량에서의 신축은 온도, 차량 의 이동, 건조수축 및 크리프 등을 말하며, 건조수축과 크 리프 등은 공용시점으로부터 약 2년 이상이 경과하게 되면 영향을 미치지 않게 된다. 그러나 최근 도로에 결빙을 방지 하기 위하여 염화물계 제설제를 많이 사용하고 있는데, 이

Received : December 16, 2014 Revision received : January 26, 2015 Accepted : March 9, 2015

* Corresponding author : Yang, Il-Seung

[Tel: 82-61-330-3129, E-mail: [email protected]]

로 인한 염해, 동결융해 등 각종 성능저하현상이 복합적으 로 작용하여 내구성이 급격하게 저하된다.(Figure 1 참조) 성능이 저하된 신축이음장치는 차량 주행시 충격이나 진동 이 발생되어 주행성이나 주변의 소음 및 진동문제를 발생 시키고 있으며, 여기서 발생한 균열로 인한 염화물이 교대 나 교좌장치에 침투해 2차적 피해가 발생하게 된다. 현재 까지 소규모 교량(100m 이하)에 사용된 신축이음 장치는 모노셀형식과 뉴모노셀형식이 약 60%로 대다수를 차지하 고 있다[1]. 내구성이나 하자에 따른 교체주기가 강재 타입 종류인 레일식이나 강핑거 형식보다 상대적으로 다소 떨어 지지만 경제성이 우수하여 많이 사용되고 있으나, 내구성 이 저하된 신축이음장치를 제거하고 재설치 하는 유지보수 공사비용이 반복적으로 발생하게 된다. 따라서, 반복적인 하자요인과 유지보수에 용이한 신축이음공법을 개발하기 위한 연구가 필요한 실정이다.

(2)

Performance Evaluation of a Connection Joint using a High-Ductility Concrete

Type Factor Level Remark

Material

Material types PCM, FRC, HPB Repair Material

Compressive strength 4hr, 1, 7, 28days KS F 2459

Tensile strength and Strain 28days JSCE-HPFRCC

Bending strength 28days KS F 2408

Connecting joint member

Under tensile load Crack control performance 1.2, 1.5, 3.0, 4.5mm PCM

1.2, 1.5, 3.0, 4.5, 6.0mm FRC

3.0, 4.5, 6.0, 7.5, 8.4mm HPB

Leakage protecting performance 2.5, 5.0, 25.0cm Water level

Under bending

load Crack control performance 1, 2, 3, 4mm Point displacement middle

Chloride resistance after crack 28days at NaCl 10% solution Penetration pattern of chloride ion Table 1. Experimental factors and levels

Figure 1. Bridges damaged joints leaks case

1.2 연구의 목적

상기 문제점을 해결하기 위해 고인성 연결조인트 공법 을 개발하고자 하였다. 일례로 일본의 연결조인트의 연구 결과, 조인트 변형량에 미치는 영향은 활하중과 온도변화 에 의한 변형량이 있으며, 활하중에 의한 변형보다 온도변 화에 의한 변형이 더 큰 것으로 나타났다. 온도에 의한 변 형량을 측정하기 위해 공용시점으로부터 2년 이상 경과된 연장 약 32M의 RC교량에 연결철근의 변형량을 계측한 결 과 Figure 2에서와 같이 온도변화에 의한 연결철근의 변 형은 ±150㎛ (응력값 30N/㎟) 정도의 변형량으로 나타 났다. 이러한 신축변형량이 적은 신축이음장치를 대체 할 수 있는 공법으로 Figure 3은 새로 개발하고자 하는 공법 의 모식도이며, 기존 신축이음 장치를 제거한 위치에 설치 하게 되고 시공순서는 Figure 4에서 보는바와 같이 이루 어진다. 새로 개발하고자 하는 HPEJ(High performance expansion joint)의 공법은 타설한 후 4시간 뒤에 신속한 교통개방을 할 수 있는 공법으로 50M이하 교량의 신축이 음 장치를 대체하는 공법으로 차량의 안정적인 주행성과 시공 및 유지관리가 용이하고 공사비용을 대폭 줄일 수 있 는 반영구적으로 사용이 가능한 공법으로 균열제어 성능 과 제설제의 피해를 막기 위한 누수방지성능 및 균열도입

후 염해저항성을 검토하고자 하였다.

Figure 2. RC Bridge strain Figure 3. Process schematic

⒜ Existing joint demolish ⒝ Rebar corporation

⒞ Placement ⒟ After construction

Figure 4. Construction method

2. 실험계획 및 방법

2.1 실험계획

본 연구에서는 일반적으로 보수·보강 재료로 사용하고 있는 PCM(Polymer cement mortar), FRC(Fiber rein-

(3)

Materials premixed dry

mortar (kg) Water

(kg) Vf(vol.%) Binder Ultra rapid harding cement Filler Sand Admixtures

PCM 44 - - 55 1 25 4 0

FRC 44 - - 55 1 25 4 1.2

HPB 15 35 30 19 1 25 4 2.01

forced composite), 본 연구기술인 HPEJ의 소재인 HPB(High performance binder)에 대한 기초물성 및 균열 제어성능과 균열도입 시험체를 이용한 누수방지성능, 염해저 항성 등을 비교 평가 하기 위하여 Table 1과 같이 실험 요인 및 수준을 나타내었다.

2.2 사용재료

본 연구에 사용된 비교제품은 Table 2에 나타난 바와 같이 PCM과 FRC(PCM에 PVA섬유를 일부 혼입한 모르 타르)이며, 본 연구기술인 HPB는 모체에 유해한 매크로 크랙(약 0.3mm 이하)이 발생하여도 이를 무해한 마이크 로크랙(약 100㎛ 이하)으로 균열을 분산시키고 PVA 혼입 율을 증가시킬 수 있는 배합기술로 만들어진 특수 시멘트 복합체를 사용하였다. 본 실험에서 사용된 PVA섬유의 일 반적인 성질은 Table 3과 같다.

Fiber type _

(mm) _

(mm) Density (g/cm³)

Tensile strength (MPa)

Elastic modulus

(GPa)

PVA 12 0.039 1.3 1,600 25-40

Table 3. Physical properties of PVA fiber

2.3 실험방법 1) 압축강도 시험

압축강도 시험은 KS F 2459에 의거하여 지름100㎜×

높이200㎜의 원기둥형으로 제작하고 이를 재령 4시간, 1 일, 7일, 28일 후의 압축강도 특성을 평가하였다.

2) 휨강도 시험

휨강도 시험은 KS F 2408에 의거하여 100×100×

400mm 의 시험체를 제작하고 재령 28일 후 가력시 휨강도 및 휨응력-변형곡선을 각각 측정하였다.

3) 직접인장강도 시험

직접인장강도 시험은 JSCE-HPFRCC(일본토목학회) 의 기준에 의거하여 Dog born type 시험체(Figure 5 참 조)를 제작하고 재령 28일 후 직접인장강도 및 인장변형률 을 측정하였다.

Figure 5. Direct tensile test

Figure 6. Pull-out test of rebar in connecting joint member

Figure 7. Schematic drawing of water leakage test

4) 인장균열도입을 위한 연결조인트 부재의 풀아웃 (Pull-out)시험

인장균열 도입시험의 시험체(Figure 6 참조)는 300×

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150×50mm의 시험체를 제작하여 중앙에 D16철근을 삽 입 후 각 해당 모르타르를 타설하고 재령 28일 후 인장가 력 UTM을 이용하여 인장 균열 제어 성능을 평가하였다.

5) 연결조인트 부재의 누수시험

풀아웃 시험으로 인장균열을 도입한 시험체를 활용하여 다음 Figure 7과 같이 시험체 위에 150×300×50mm의 수조를 접착한 후 누수되지 않도록 실링처리를 하고 수조 내부를 제외한 모든 면에 우레탄을 도포 하고 중심 균열부 를 제외한 균열에서는 누수가 되지 않도록 하여 정수위를 유지한 2.5cm, 5.0cm, 25cm로 각각 누수시험과 유량을 체크하였다.

6) 휨균열 도입시험 및 균열도입 후 내염해성 시험 교량의 수축과 인장하중 작용 하에서 균열제어 성능 및 변형성능과 염해저항성을 검증하기 위해 KS F 2566의 기 준에 의거하여 100×100×400mm의 휨 시험체를 제작하 고(Figure 8 참조) 휨 시험시 최대 처짐량 및 균열패턴과 균 열부를 제외한 모든 면에 우레탄을 도포 하여 Figure 9와 같이 NaCl 10% 용액에서 28일 침지 이후에 측정하였다.

3. 실험결과 및 분석

3.1 압축강도 평가

Figure 10은 PCM, FRC, HPB의 압축강도를 나타낸 것으로서, 초속경시멘트복합체로 목표 강도 4시간 후 21MPa 이상을 만족시켜야 하므로 시험체 제작 4시간 이 후부터 압축강도를 측정하였다 그 결과, PCM, FRC의 경 우 종결이 발현하지 못하여 측정이 불가한 반면, HPB의 경우 30분 이후 초결과 종결이 급격하게 발현하며 4시간 이후 21.9MPa로 나타났으며 재령 28일 이후에는 PCM, FRC, HPB 각각 38.9, 40.2, 42.1MPa로 나타나 거의 유 사한 것으로 나타났다.

3.2 휨강도 및 휨변형성능 평가

Figure 11은 휨강도 및 휨응력-변위곡선을 나타낸 것 으로서, PCM은 최대 응력시 초기균열 발생 이후에 응력 이 급격히 저하되어 휨강도는 6.32MPa로 나타났다. FRC 의 경우 초기균열 발생 이후에도 응력과 처짐량이 다소 증 대되는 성상을 나타냈으며, 최종 파괴시 까지 휨강도 9.03MPa, 처짐량 0.38mm로 나타났다. 반면, HPB의 경

우 휨강도 15.62MPa로 나타나 비교제품에 비해 강도가 확연히 증가되는 성상과 처짐량이 3.0~3.9mm의 수준으 로 나타났으며, 이는 섬유의 가교작용에 의한 미세균열 (Multiful Crack)의 효과로 판단된다.

Figure 8. Flexural cracks mimetic diagram

Figure 9. Chloride ion penetration test

Figure 10. Compressive strength

Figure 11. Bending stress - strain curve

(5)

Table 5. Tensile crack patterns after pull-out test

Tensile strain PCM FRC HPB

1.2mm Not carried out

(non-cracking)

1.5mm “

3.0mm

4.5mm

6.0mm Not carry out

(exfoliation)

7.5mm “ Not carry out

(exfoliation)

8.5mm “ “

Figure 12. Tensile stress-strain curve of specimens

Table 4. Tensile test results of materials

Items PCM FRC HPB

Tensile strain(%) 0.03 0.76 4.32

Tensile strength (MPa) 3.84 4.26 4.58

Cracks number (EA) 1 3~5 16~20

Crack pattern Macro Crack Macro Crack Multiple Creaking

Table 4는 직접인장응력-변형곡선의 측정결과를 나타 낸 것으로, Figure 12에서 보듯이 PCM은 직접인장 하중 작용시에 초기균열의 발생과 동시에 응력이 급격히 저하 되어 파괴되는 취성적 성질을 나타내고 있으며, 최대 인장 응력은 3.84MPa인 것으로 나타났다. 반면 FRC의 경우 초기균열이 발생한 이후에 응력과 변형이 다소 증가하다 가 응력의 저하와 함께 변형이 크게 증대되는 준 취성적 파괴거동을 보였으며 최대인장응력은 4.26MPa인 것으로 나타났다. HPB의 경우 초기균열이 발생된 후에도 응력의 저하 없이 변형의 증대와 함께 응력이 다시 증대되는 변형 경화거동이 뚜렷하게 나타났으며, 이 과정에서 미세균열 인 멀티플크랙이 안정적으로 발생하였다. 또한, HPB의 인장응력은 4.58MPa 최대 변형량은 4.32%로 나타났다.

3.4 인장균열도입 후 균열제어성능 및 균열패턴 평가 Table 5는 각각 PCM, FRC, HPB의 인장균열을 도입

(6)

한 인장응력-변위 시험체로 심각한 손상(박락, 박리)이 발 생하기 까지 인장시킨 결과로 실험을 중단하였으며, PCM 의 경우 Figure 13 에서 보는 바와 같이 최대 변형률이 4.5mm로 나타났으며, 초기 균열이 발생 후 균열이 확장 되는 현상을 나타냈다.

Table 6. Test results of crack patterns after tensile test Charact

eristics Materials 1.2 mm 1.5

mm 3.0 mm 4.5

mm 6.0 mm 7.5

mm 8.5 mm Crack

number (EA)

PCM 7 7 8 11 - - -

FRC 8 9 10 11 14 - -

HPB - - 27 53 69 82 83

Average crack width (㎛)

PCM 171 214 375 409 - - -

FRC 150 166 300 409 428 - -

HPB - - 81 84 86 91 102

Figure 13. Tensile load-stain curve of rebar in connecting joint member

Table 7. Test results of water leakage content Water

level Materials

Water leakage content (g/sec) mm1.2 1.5

mm 3.0

mm 4.5

mm 6.0

mm 7.5

mm 8.5

mm

2.5cm

PCM 0.13 0.38 2.30 10.4 - - -

FRC 0.03 0.15 2.10 7.6 18.9 - -

HPB 0 0 0 0 0 0 0

5.0cm

PCM 0.40 0.68 3.97 13.9 - - -

FRC 0.09 0.43 4.13 9.38 23.9 - -

HPB 0 0 0 0 0 0 1.44

25cm

PCM 1.02 3.71 10.6 36.2 - - -

FRC 0.37 1.35 9.51 27.3 59.9 - -

HPB 0 0 0 0 0 0 2.41

FRC의 경우 최대 변형률 6.0mm까지 나타나며 PCM과 유사한 성상과 균열이 확장되어 방수에 치명적으로 나타 났다. 반면, HPB의 경우 미세한 멀티플크랙으로 변형률 을 전반적인 미세균열로 분산시켜 최대 변형률은 8.5mm 까지 균열을 제어 할 수 있는 것으로 나타났다. Table 6은 인장률에 따른 균열을 분석한 것으로 PCM, FRC의 경우 균열의 개수가 증가하지 않고 초기균열이 확장되는 취성 적 경향을 나타내며 평균 균열의 폭이 증가하는 것으로 나 타났다. 반면 HPB의 경우 초기균열 발생이후 균열이 분 산되어 발생되며 평균 균열 폭의 증가가 미세하게 나타나 고 일정한 폭으로 균열개수가 증가하는 것으로 나타났다.

3.5 인장균열 도입 후 연결조인트 부재의 누수방지성능 평가

Table 7은 수위에 따른 연결조인트의 누수량 측정결과 를 나타낸 것이다. PCM의 경우 Figure 14~15의 (a)에서 보는바와 같이 수위 2.5cm에서 변형률 1.2mm부터 미량 으로 누수가 발생하여 변형률이 증가할수록 4.5mm에서 급격히 유량이 증가되는 경향을 나타내며 방수성을 상실 하고 수위가 증가할수록 누수량이 증가되는 경향을 나타 냈다. FRC의 경우 Figure 14~15의 (b)에서 보는바와 같 이1.2mm에서 PCM에 비해 비교적 적은 누수량이 측정되 었으나 PCM과 비슷한 경향을 보이며 6mm에서 급격하게 유량이 증가되었다. 또한 수압이 증가할수록 PCM과 유사 하게 유량이 급격히 증가되는 경향을 나타냈다. 반면, HPB의 경우 Figure 14~15의 (c)에서 보는바와 같이 PCM, FRC에 비하여 수위 2.5cm에서 변형률 8.5mm까 지 누수량이 나타나지 않았다. 수위 5.0cm에서 2.5cm와 비슷한 경향을 나타내며 7.5mm 까지 누수량이 측정되지 않았으나 변형률 8.5mm에서 1.44g/sec 누수량이 측정되 었고 수위 25cm에서도 수위 5cm와 비슷한 경향을 나타 내며 변형률 8.5mm에서만 누수가 발생하였다. HPB의 경우 평균 균열폭이 100㎛이하에서 멀티플크랙으로 미세 한 균열로 분산시켜 균열을 통한 누수가 발생하지 않은 것 으로 나타났다.

3.6 연결조인트부재의 휨균열 패턴 및 균열도입 후 내염해성 평가

Table 8은 휨 변형에 대해 균열을 제어할 수 있는 성능 을 나타낸 결과로 PCM의 경우 1mm 변형에 균열이 발생

(7)

Materials Displacement 1mm Displacement 2mm Displacement 3mm Displacement 4mm

PCM

FRC

HPB

Table 9. Diffusion patterns of chloride ion after salt water soakage test (4 weeks)

Materials Displacement 1mm Displacement 2mm Displacement 3mm Displacement 4mm

PCM

FRC

HPB

하고 균열이 확장되며 이후 변형률이 증가 하는 과정에서 좌측에서 균열이 생기며 응력이 급격히 저하되어 취성적 파괴거동을 보였다. FRC의 경우 PCM과 유사한 균열패턴 이 나타나며 3mm이후에도 파괴되지 않고 균열을 분산시 켰으나 4mm에서 응력이 저하되며 균열이 확장되었다. 반 면, HPB의 경우 변형률이 증가함에 따라 미세균열을 통 한 변형률이 증가 되는 성상을 나타내고 있었으며, 초기 균열발생 이후에도 응력의 저하 없이 변형의 증가와 함께 응력이 지속적으로 증가되면서 최대 휨 응력에 도달하였 다. 이때 균열이 20개 이상의 추가 균열이 발생하면서 섬 유의 가교작용에 의한 미세균열(Multiful crack)의 효과 를 나타냈다. 이 결과를 바탕으로 염해저항성을 평가한 결 과 다음과 같은 결과를 도출하였다.

Table 9는 휨균열 시험후 PCM, FRC, HPB의 각각 1~4mm 의 균열을 통한 염화물 침투저항성을 나타낸 것 으로서 PCM, FRC의 경우 각각 1mm 균열에서 유해균열 을 통해 염화이온이 침투하였으며, 특히 PCM, FRC의 경 우 3~4mm 변형률에서 큰 균열을 통해서 높은 염화이온 침투 성상을 나타냈다. HPB의 경우 그 보다 월등히 낮은 침투 성상을 나타냈다. HPB 3mm 변형률에서는 멀티플

크랙으로 인해 균열이 발생한 하부에 미세한 침투 성상을 확인 할 수 있었다. HPB 4mm 균열에서 이온침투 성상이 육안 확인 가능하였으며 침투 면적이 상대적으로 PCM, FRC보다는 현저히 낮게 나타났다.

4. 결 론

개발하고자 하는 연결조인트 공법에 대하여 균열제어성 능과 균열 후 누수방지 및 염해저항성을 평가한 결과, 다 음과 같은 결론을 얻었다.

1) 소재에 대한 기초물성 평가 결과, PCM과 FRC에 비 하여 HPB가 4시간 압축강도 21.9MPa, 휨강도 및 변형률은 15.62MPa 3.0~3.9mm 인장응력 및 변 형률은 4.58MPa 4.32%로 월등히 우수한 성능을 나 타냈다.

2) 인장부재의 균열제어 성능 결과 PCM과 FRC의 경우 초기균열 발생이후 응력이 집중되어 균열이 확장되 는 성상을 나타냈다. 반면 HPB의 경우 초기균열 이 후에도 멀티플크랙으로 균열을 분산시켜 변형률이 최대 8.5mm까지로 나타나며 평균 100㎛ 이하로 균

(8)

열 상태를 유지하였다.

3) 균열도입 후 누수방지성능 평가 결과, PCM, FRC는 초기 1.2mm에서 누수가 발생하여 변형률이 증가할 수록 누수량이 증가하는 경향을 나타내며 수위가 증 가 할수록 누수량은 급격히 증가하는 성상을 나타냈 다. 반면, HPB의 경우 변형률 8.5mm에서 수위 2.5cm 까지 누수가 되지 않았으며, 수위 5.0cm, 25cm에서도 7.5mm까지 방수성을 유지하는 것으로 나타났다.

4) 휨 균열을 통한 염해저항성을 평가한 결과, PCM, FRC의 경우 단면 깊은 부분까지 균열울 통해 Cl^-가 침투하는 것으로 나타났으며, HPB의 경우 동일한 변형률에도 안정적인 균열제어성능을 나타내어 PCM과 FRC보다 현저히 낮은 침투 성상을 알 수 있 었다.

요 약

기존 교량의 신축이음장치는 각종 노후화로 인해 제설 제를 포함한 노면수의 누수사례가 빈번히 발생하여 교량 의 수명을 감소시켜 유지관리 비용을 가중시킨다. 이러한 문제점을 해결하기 위해 신축이음장치를 사용하지 않는 고인성 연결조인트 공법을 개발하였으며, 본 연구에서는 개발된 고인성 연결조인트공법의 균열제어성능 균열 후 누수방지성능 및 염해저항성을 실험적으로 검토하였다.

그 결과, 연결조인트 소재에서 PCM, FRC를 사용한 경우 에는 균열 분산성이 불량해서 누수 및 염해가 쉽게 발생하 였다. 반면, 고인성 콘크리트를 사용한 연결조인트는 인장 변형량이 최대 7.5mm까지 균열을 무해한 마이크로 크랙 으로 안정적으로 분산시켰으며, 가혹한 조건에서도 누수 를 방지할 수 있었다. 또한, 균열 후에도 염화물 이온의 침 투를 방지하여 염해저항성을 확보할 수 있었다.

키워드 : 연결조인트, 무조인트, 고인성콘크리트, 균열제어, 누수방지

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