1. 머리말
고인성시멘트복합체(DFRCC)는 압축강도 50MPa 이상, 직접인장변형율 3.5% 이상을 발현하며, 휨 및 인 장하중 작용 초기균열이 발생된 후에도 응력의 저하없 이 변형이 지속적으로 증대되는 변형경화거동(Strain- hardening behavior)을 보여 에너지흡수능 및 인성능이 매우 풍부한 시멘트 베이스의 특수 무기계 재료이다 ([그림 1] 참조). 더욱이, 상기의 변형경화 과정에서 100
㎛ 이하의 미세균열이 무수히 발생되는 멀티플크랙 (Multiple-cracking) 특성을 보이고 당해 균열폭이 매우
미세하여 균열발생 후에도 열화인자의 침투를 억제하 여 내구성능을 유지하며, 화재시에는 급격한 온도상승 에도 폭렬(Explosive spalling)현상을 방지하고 차열성 능이 우수하여 내부 보강재의 손상을 방지할 수 있다.
상기와 같이 고인성시멘트복합체는 기설 철근콘크리트 구조물의 내진성능과 더불어 내구성능 및 내화성능을 동시에 향상시킬 수 있는 기술이다. 여기서는 고인성시 멘트복합체로 단면보수된 RC 휨부재의 균열제어성능 과 휨내력의 증가 여부를 소개하고자 한다.
그림 1. 고인성시멘트복합체(DFRCC)의 인장거동 및 휨변형성능의 일례
고인성시멘트복합체로 단면보수된 RC부재의 휨성능
Flexural Performance of RC Beam repaired using Ductile Fiber Reinforced Cementitious Composites
양일승 (Il-seungYang)｜동신대학교 조교수｜ [email protected]
김재환 (Jaeh-wan Kim)｜(주)AMS엔지니어링 대표이사｜
김준석 (Jun-seok Kim)｜(주)함주건설 대표이사｜ [email protected]
2. 고인성시멘트복합체로 단면보수된 RC휨부재 실험
2.1 실험계획 및 방법
무보수시험체와 DFRCC에 의해 단면보수 된 RC 휨 부재를 대상으로 휨재하시험을 실시하여 균열제어성
능과 휨내력의 증가 여부를 평가하고자 하였으며, 이 를 위한 실험계획 및 방법은 [표 1]과 같고, 휨부재의 단면개요는 [그림 2]에 나타낸 바와 같다. 그림에 나타 낸 것과 같이 시험체 크기는 200x200x3,000(mm)이며, 주근은 상단에 D16(SD345) 2본, 하단에 D16(SD345) 3본을 설치하고, 스트럽은 D10@150mm간격으로 배 근하였다. 무보수시험체는 표 2와 같은 콘크리트만으 로 구성된 반면, 단면보수된 시험체는 콘크리트
구 분 단면구성 시험체 크기 주근 스트럽 시험방법 비 고
무보수
(Plain) Con’c 단독 200×
300×
3,000 mm
D16(SD345) 상단 : 2본 하단 : 3본
D10(SD345)
@150mm
<단, 중앙부 800mm는 제외)
3등분점 휨재하시험 (등가모멘트 구간 :
800mm)
-재령 12일에 워터젯에 의해 표면처리 실시 -ECC는 뿜칠시공 신청기술
(HPFRCC)
Con’c(200mm) + HPFRCC (100mm)
표 1. RC 휨부재의 역학성능 검증을 위한 실험계획 및 방법
W/C (wt.%)
S/a (vol.%)
Gmax (mm)
단 위 중 량 (kg/m3) 슬럼프 (cm)
공기량 (%)
압축강도 (MPa)
W C S G Ad
49.5 40.0 20 153 309 748 1082 0.966 7.5 4.0 24.6
표 2. 모체 콘크리트의 배합사항 및 물성
사진 1. 워터젯 표면처리 후 전경 사진 2. 타설시공 장면 그림 2. 휨부재의 단면개요
200(mm)에 하부면 100(mm)는 고인성시멘트복합체를 사용하고 있다. 가력은 3등분점 휨재하를 실시하였다.
워터젯 표면처리 후 시험체 전경과 고인성시멘트복합 체의 타설시공 장면을 [사진 1], [사진 2]에 나타내고 있다.
2.2 단면보수용 고인성시멘트복합체의 특성
철근콘크리트 휨부재의 보수재료로 사용한 고인성시 멘트복합체의 역학성능에 대한 평가한 결과, 다음과 같
은 결과를 얻었다.
2.2.1 압축강도와 탄성계수
압축강도를 측정한 결과, 재령 28일에 50MPa를 상 회하였으며, 강도발현율은 [그림 3]과 같다. 또한, 압축 응력과 변형율의 관계는 [그림 4]에 나타내고 있다. 또 한, 탄성계수를 측정한 결과, [그림 5]에 나타낸 것과 같이 약 19∼21GPa로 New RC기준선보다 다소 낮은 경향을 나타내었다.
그림 3. 재령별 압축강도 그림 4. DFRCC의 압축강도-변형율 관계(28일)
그림 5. 탄성계수(재령 28일)
2.2.2 휨성능
고인성시멘트복합체의 휨강도 및 휨변위를 측정한 결 과, [그림 6]에 나타난 바와 같이 재령 28일 기준으로 약 22.8MPa의 휨강도를 발현하였으며, 휨변위는 약 4.1∼
5.2%의 수준으로 나타났으며, 휨강도 측정시 균열패턴 은 미세균열(Micro Crack)로 매우 안정적인 형상을 나 타내 휨응력변형성능이 우수한 것으로 판단된다.
그림 7. 가력방법 및 측정위치
사진 3. 휨시험장면
그림 6. 휨강도 및 휨변위(재령 28일)
2.3 가력방법 및 측정위치
고인성시멘트복합체에 의해 단면보수된 철근콘크리 트 휨부재의 구조성능을 평가하기 위해서 [그림 7]과 같이 고인성시멘트복합체의 단면보수된 부분이 인장측 이 되도록 실험체를 설치하고, 3등분점 휨재하시험을 실시하였다.
실험체 중앙부와 가력부위의 변위계(LVDTs)을 설치 하여 수직변위를 측정하였으며, 인장측에는 파이형 변 위계를 설치하여 모멘트-곡률 관계를 측정하였다. 또한, 콘크리트와 철근 주근에 변형게이지(strain gauge)를 부 착하여 변형률을 측정하였다. [사진 3]에는 실험체 설 치상황을 보여주고 있다.
3. 실험결과 및 분석
3.1 모멘트-곡률 관계
고인성시멘트복합체로 단면보수된 휨부재의 실험결 과는 [표 3]에 나타낸 것과 같이 고인성시멘트복합체 (DFRCC)로 단면보수된 시험체는 무보수시험체에 비해 초기균열하중은 약 34%, 항복하중 및 극한하중은 약 28%, 곡률연성은 약 53% 향상되었다. 또한, DFRCC에 의한 단면복구만으로도 휨부재의 내력이 크게 향상됨 을 검증할 수 있다. [그림 8]은 휨시험체의 등가모멘트 구간에 있어서 모멘트-곡률의 관계를 나타낸 것으로, 고인성시멘트복합체로 단면보수된 실험체가 높은 내력 과 변형성능을 발휘한 것을 알 수가 있었다.
(a) 항복 전 (b) 최종파괴
그림 8. 모멘트-곡률과의 관계
구분
초기균열모멘트 항복모멘트 극한모멘트 곡률연성
모멘트 (kN×m)
비율 (%)
모멘트 (kN×m)
비율 (%)
모멘트 (kN×m)
비율
(%) 곡률연성 비율
(%)
Plain 10.41 100 50.58 100 53.93 100 6.40 100
DFRCC 13.94 134 64.56 128 68.93 128 9.78 153
표 3. 휨성능 실험결과
3.2 휨시험 후 균열패턴
무보수시험체 (Plain)는 [표 4]에 나타낸 것과 같이 인장측에 약 15∼20cm 간격으로 매크로크랙이 발생하 였으며, 하중이 증가됨에 따라 균열폭도 점점 증대되는 경향을 보인 반면, 개발기술인 HPFRCC에 의해 단면복 구된 시험체는 하중의 증가와 함께 인장측에 먼저 미세 균열이 분산 발생하였으며, 그 후 모체콘크리트에 균열
이 발생하면서 그 위치에서 HPFRCC의 균열수는 집중 적으로 증대하였지만 균열폭은 집중되지 않았다.
[그림 9]에는 휨시험시 인장측 파이형 변위계로 계측 된 대표적 개소의 균열폭과 철근변형의 관계를 나타낸 것으로, 무보수시험체(Plain)의 균열폭은 철근변형에 거의 비례하여 증대되었으며, DPFRCC시험체도 철근 변형량의 증대와 함께 균열폭이 증대되지만 그 경향은 매우 작게 되었다. 더욱이, 그림 중 수치는 1개의 파이
구분 시험체 측면의 균열상황 상세사진 비 고
Plain
◦인장측에 약 1520cm의 간 격으로 매크로크랙 발생
◦하중증대와 함께 균열폭이 계속적으로 확장
DFRCC
◦모체콘크리트에 약 10cm 간격으로 매크로크랙 발생
◦HPFRCC층에서 매크로크랙 을 마이크로크랙으로 분산 시킴
표 4. 휨시험 후 균열패턴
그림 9. 휨시험시 균열폭과 철근변형량의 관계
형 변형게이지 범위에서 발생된 균열수를 나타낸 것이 고 ●는 균열폭을 균열수로 나눈 값(즉, 평균 균열폭)을 나타낸 것으로, 개발기술인 DFRCC로 단면보수 된 시 험체는 균열폭 약 0.08mm까지는 철근변형의 증가와 함 께 증대되지만, 이후에는 거의 증대되지 않고 있어 부재 크기에서의 균열제어성능이 우수함을 확인하였다.
4. 맺음말
다수균열 특성과 변형경화특성을 갖는 고인성시멘트 복합체에 의해 단면보수된 휨부재는 휨하중 및 철근변 형량의 증대와 함께 인장측의 균열폭이 증대되었지만, 그 균열폭은 최고 0.08mm까지만 증대하였다. 또한, 철 근의 인장변형량이 증대하여도 균열수는 증대하지만 평균 균열폭은 증대되지 않아 우수한 균열제어성능을 확인하였다. 더욱이, 모멘트-곡률 관계에 있어서도 고 인성시멘트복합체에 의해 단면보수된 휨부재는 DFRCC가 인장력을 명확히 부담함으로서 무보수 시험 체에 비해 초기균열하중, 항복하중, 극한하중 및 곡률 연성 등 내력 및 휨성능이 크게 증대됨을 검증할 수 있 었다.
참고문헌
1. 양일승, 박완신, 한병찬, 윤현도, 신홍철, 김선우 (2005), “시험체 형상이 고인성시멘트복합체 인장 거동에 미치는 영향”, 한국콘크리트학회 2005년 도 봄 학술발표회 논문집, V.17 No.2,, pp.65-68.
2. 윤현도, 양일승, 한병찬, 전에스더, 김선우(2005),
“고인성섬유보강시멘트복합체의 인장강성 특성 에 관한 실험적 연구”, 대한건축학회논문집(구조 계), 21(10), pp.27-36.
3. 안현진, 박창진, 장동혁, 양일승, 김순철, 문연준 (2007), “고인성시멘트복합체와 재생콘크리트로 구성된 하이브리드 보부재의 휨성능” 한국콘크리 트학회 2007년도 가을 학술발표회 논문집, V.19 No.2,, pp.25-28.
4. 안현진, 양일승, 문연준, 김순철(2007), “고인성 시멘트복합체로 제작된 하프 프리캐스트를 이용 한 철근콘크리트 보의 휨거동에 관한 실험적 연 구”, 대한건축학회 춘계 우수졸업논문전 수상논 문 개요집, pp.23-26.
5. 김광윤, 한병찬, 유석형, 권영진, 신성우 (2008),
“ECC를 활용한 고강도콘크리트 기둥의 폭렬 저 감 방안에 대한 실험적 연구”, 대한건축학회 구 조계 논문집, V.24 No.9, pp.105-112.
6. Li, V.C., Horikoshi, T., Ogawa, A., Torigoe S, Saito, T.(2003), “Micromechanics-based durability study of polyvinyl alcohol-engineered cementitious composite (PVA-ECC),” ACI Materials Journal.
