재생 PET 섬유로 보강된 친환경 황토 콘크리트의 역학적 특성과 휨 거동
Mechanical Properties and Flexural Behavior of
Recycled PET Fiber Reinforced Eco-Friendly Hwang-toh Concrete
김 성 배1) 이 나 현2) 김 현 영3) 김 장 호4)*
Kim, Sung Bae Yi, Na Hyun Kim, Hyun Young Kim, Jang Ho Jay
Abstract
Recently, the public interest in eco-friendly material and structure has been increasing and many Hwang-toh researches are being actively performed. Hwang-toh is one of the traditional environment friendly construction materials used as a construction and plastering material. Hwang-toh has many advantages as construction material due to its high heat storage capacity, auto-purification, antibiotic ability, and infrared ray emission characteristics. But, currently it has not been developed into construction material and used in modern construction due to its low strength and dry shrinkage cracking prone characteristics. According to the recent researches and study results, Hwang-toh can be used as a natural pozzolanic material like fly-ash or pozzolan. In this study, mechanical properties and structural flexure behavior experiments of slag, recycled PET fiber, and Hwang-toh added concrete are carried out. The test results showed that drying shrinkage of concrete mixed with Hwang-toh has lower compressive strength and elastic modulus than those of control cement concrete specimen, but it has the similar flexural behavior in reinforced concrete beams.
Keywords : Eco-friendly, Hwang-toh, Pozzolan, Mechanical property, flexural behavior
1) 정회원, 연세대학교 토목공학과 BK 박사후 연구원 2) 정회원, 연세대학교 토목공학과 박사과정 3) 정회원, (주) 다산컨설턴트 구조부
4) 정회원, 연세대학교 사회환경시스템 공학부 부교수
* Corresponding author : [email protected] 02-2123-5802
• 본 논문에 대한 토의를 2010년 6월 30일까지 학회로 보내주시면 2010년 9 월호에 토론결과를 게재하겠습니다.
1. 서 론
현대 건축재료 중 가장 큰 비중을 차지하고 있는 콘크 리트의 주요 재료인 시멘트는 건축물 구조체 형성을 위한 품질의 우수성, 경제성, 시공성 등의 제반 장점으로 인해 건설분야에서 가장 광범위하게 사용되고 있다. 하지만 시 멘트 생산에 따른 많은 에너지 사용과 발생되는 CO2 및 분진, 폐기물 등은 대기오염 및 오존층의 파괴, 지구 온난 화 등의 지구환경을 위협하는 요인으로 작용하고, 무분별 하게 천연자원을 개발하여 자원의 고갈로 인한 대체 재료 가 시급한 실정이다. 또한 인간의 거주환경 측면에 있어 서는 각종 피부염, 알레르기성 질환 및 아토피 질환 등의 새집증후군(Sick Building Syndrome)과 같은 인체에 대 한 유해성 측면의 부각으로 인해 미국 ․ 일본 등 선진국에 서는 친환경 측면에서의 그 사용량을 줄이는 방안이 제기 되고 있다(양근혁 등, 2006; 황혜주, 1997; Yang et al, 2007). 특히, 건설 산업에서 대표적인 건설재료로 널리 이용되고 있는 콘크리트는 수화반응으로 생성되는 수화물
의 영향으로 pH가 약 12~13의 범위의 강알칼리성으로 식물의 생장이 어렵고 인체에도 좋지 않은 영향을 끼친 다고 알려져 있어 콘크리트의 사용에 대한 논란이 제기되 고 있다(박찬규 등, 2001; 조용국, 2008). 이러한 추세에 맞추어 전 세계적으로 인류의 생활 터전인 지구환경 문제 를 의식하여 친환경 건설재료의 개발 및 적용에 많은 연 구가 진행되고 있다(玉井元治 등, 1996; 水口裕之, 1998;
Mehta, 2002). 최근, 국내외에서는 환경 친화적인 콘크 리트의 개발을 위하여 산업부산물인 플라이 애쉬, 고로슬 래그, 실리카 흄 등을 시멘트를 대체하기 위한 혼화재료 로 활용하는 연구가 진행되고 있으며(박승범 등, 2002;
Mehta, 2002), 이외에도 패류를 이용한 콘크리트 등도 연구 ․ 개발되고 있는 추세이다(어석홍 등, 2002).
황토를 시멘트 치환재료로 사용하기 위한 기존 연구자들 (최희용 등, 2001; 최희용 등, 2000; 황혜주, 1997)의 보 고에 의하면 천연상태의 황토는 반응성이 매우 낮아 사용 이 어려우나 활성화시킨 활성황토는 포졸란 반응의 활성 도가 높아져 친환경 콘크리트를 위한 혼화재로 활용 가능
하다고 보고하였다. 하지만 황토의 치환률이 15~20% 이 상을 넘을 경우에는 여러 가지 역학적 성능이 저하하기 때 문에 그 이상의 치환은 제한하고 있으며(최희용 등, 2001;
최희용 등, 2000), 이러한 제한적인 활성황토의 성능을 증진시키고 시멘트의 치환율을 높이기 위해 슬래그를 추 가로 혼입한 3성분계 황토 콘크리트에 대한 연구가 진행 되고 있다(정연백 등, 2006; 최희용 등, 2001). 뿐만 아 니라 콘크리트의 취성적인 성질을 개선하기 위하여 연성 이 큰 보강섬유를 콘크리트에 추가하여 사용하는 연구가 진행중이다(Banthia and Sheng, 1996; Dwarakanath and Nagaraj, 1992). 이러한 보강섬유 분야에서도 환경 문제를 의식하여 재활용 섬유에 대한 연구가 진행중에 있 다(김성배 등, 2009b; 원종필 등, 2007). 따라서, 본 연 구에서는 이와 같은 다양한 친환경 콘크리트의 접근 방법 중 콘크리트 제조시 환경부하를 저감시킬 수 있고 인체에 이로운 친환경적인 자원을 사용한다는 측면에서 환경친화 적인 혼화재료인 황토와 슬래그, 재생 PET 섬유를 사용 한 친환경 콘크리트를 개발하고자 한다. 그러나 현재 황토 를 혼화재로 활용하기 위한 기존연구들(양근혁 등, 2006;
정연백 등, 2006; 최희용 등, 2001)은 제조기술 및 압축 강도와 같은 기초물성과 시공성 평가에 중점을 두고 진행 되었다. 따라서, 황토를 친환경재료로 사용하기 위해서는 구조부재의 내력, 변위 및 균열 등과 같은 구조물의 안전 성과 사용성에 대한 역학적 검토가 반드시 병행되어야 한 다. 이에 본 연구에서는 국내에 풍부하게 매장되어 있는 황토를 활용한 황토 콘크리트의 역학적 성질을 고찰하여 황토 콘크리트 개발에 관한 기초자료를 제시하고자 한다.
또한, 철근 콘크리트 보의 실험을 수행하여 실제 구조부 재에 적용하기위한 기초자료를 제시하는 것을 목표로 하 였다.
2. 재료 특성 및 배합설계
2.1 활성 황토어떤 물질에 에너지를 가한 후 냉각시키면 그 물질은 높은 결정화 에너지를 내부에 보존하여 언제든지 외부의 자극으로 인하여 화학결합 할 가능성을 가진 유리상태가 되는 것을 광물의 활성화라 한다. 일반적으로 가공되지 않은 천연상태의 황토는 그 상태 그대로는 반응을 하지 않으나 열을 가하여 고온 ․ 소성 후 급랭시키면 활성화 되 어 결정화 에너지를 내부에 보존하여 유리상태가 되며 특 정한 조건에서 물에 의해 굳게 되는 성질인 잠재 수경성 을 가지게 된다. 천연 황토를 열처리에 의해 활성화 상태 로 만들면 황토의 에너지 상태가 높아져 반응성은 커지나 그 분말을 그대로 물과 접촉시켜도 수화반응은 거의 진행 되지 않는다. 하지만, 알칼리 조건하에 놓이면 아주 현저
(a) KH(Korea Hwang-toh) (b) CH(China Hwang-toh) Fig. 1 Aactivated Hwang-toh
한 수경성을 가지게 된다. 콘크리트 내부는 알칼리성을 나 타내기 때문에 활성황토가 콘크리트의 혼화재료로 사용 되면 수화반응 및 포졸란 반응을 일으키게 된다. 따라서 활성화된 황토는 시멘트의 수화생성물인 Ca(OH)2와 포 졸란 반응을 일으켜 잠재 수경성에 의해 천연상태의 황토 에 비해 콘크리트의 강도를 향상시키고 수밀성이 높아지 는 등의 효과를 나타낸다. 또한 콘크리트에 활성황토를 혼 화재로 첨가하게 되면 활성황토는 결합재 입자 사이의 공 극을 채워 미세하게 형성된 관을 막거나 미세관의 크기를 감소시키는 효과가 있어 결합재와 골재사이의 접촉면을 증 가시켜 전체적으로 콘크리트의 블리딩과 재료분리를 감소 시키는 역할을 하게 된다. 활성황토 속에 함유되어 있는 SiO2는 시멘트의 수화생성물인 Ca(OH)2와 상온에서 결합 하여 안정된 포졸란 생성물을 생성하게 되어 고로 슬래그 나 플라이 애쉬, 실리카 흄과 같은 포졸란 재료들과 같은 역할을 하게 된다(황혜주, 1997). Fig. 1은 본 논문에 사 용된 활성황토의 사진이다.
2.2 재생 PET 섬유
PET병의 원료인 폴리에틸렌 테레프탈레이트(Polyethylene Terephthalate)는 에틸렌그리클과 테레프탈산 또는 디메 틸 테레프탈레이트를 중합시켜서 만든다. 강도와 강성은 일반 플라스틱 중에서 가장 크며 열변형 온도가 240℃로 내열성이 양호하다. 또한 역학적 특성과 전기특성, 내약 품성, 치수 안정성, 착색성이 뛰어나며 스트레스 크랙이 없으며 도장성이 뛰어난 특징을 가지고 있다. PET는 섬
Table 1 Chemical composition of Hwang-toh
CompositionType SiO2 Al2O3 Fe2O3 MgO CaO K2O TiO2 Na2O KH 42.5 36.6 4.05 0.69 0.57 0.41 0.23 0.18 CH 57.0 18.0 6.15 0.32 8.91 0.2 0.25 0.20
Table 2 Properties of recycled PET fiber
Confi-guration Dimen-
sion (mm)
Length (mm)
Density (g/cm3)
Elastic modulus
(MPa) Tensile strength (MPa)
Ultimate elongation
(%) Bond strength
(MPa) Embossed 0.2×1.3 50 1.38 10,175.4 420.7 11.2 2.54
Table 3 Mix proportion of concrete
Specimens W/B (%)
S/A (%)
Replacement ratio of Hwang-toh
(%)
Unit weight (kg/m3) Recycled PET fiber
(%)
SP
W C Hwang-toh Slag S G (%)
Control
55 44.75
-
186.7
339.4 - -
746.7 958.1 -
0.7
SC 237.6 - 101.8
KH
20
271.5 67.9 -
CH 271.5 67.9 -
KHS 169.7 67.9 101.8
CHS 169.7 67.9 101.8
KHSP 169.7 67.9 101.8
0.5
CHSP 169.7 67.9 101.8
PET - 339.4 - -
유나 필름, 청량음료수의 병으로 제작되어 사용되고 있다.
이러한 특성을 가지고 있는 PET로 만들어진 폐 PET병 을 재활용하여 콘크리트의 건조수축균열 제어 및 구조 보 강용 보강섬유로 만든 것이 재생 PET 섬유이다.
2.3 배합설계
활성 황토와 재생 PET 섬유를 혼입한 콘크리트 거동 특성 분석을 위한 콘크리트의 배합에 사용된 시멘트는 1 종 보통 포틀랜드시멘트로 비중 3.15이고 분말도는 3,450 cm2/g이다. 굵은 골재는 최대 입경 25mm인 부순 골재를 사용하였으며, 잔골재는 청주 인근의 강모래를 사용하였다.
또한, 슬래그는 비중 3.05, 분말도 0.34m2/g의 E사의 슬 래그를 사용하였다. 황토는 천연황토를 850℃로 소성시 킨 비중이 2.72인 국내산 활성황토(전남 고창)와 중국산 활성황토(중국 덕무)를 사용하였으며, 황토의 화학조성은 Table 1과 같다. 또한 재생 PET 섬유가 황토 콘크리트 거동에 미치는 영향을 살펴보기 위하여 폐 PET병을 재활 용하여 만든 재생 PET 섬유를 혼입하였다. 기존 연구 결 과(김성배 등, 2009b)에 의하면 콘크리트 부피의 0.5%
를 혼입하였을 때 균열제어 성능과 경제성 측면에서 가장 우수한 것으로 나타났다. 따라서 본 연구에서는 콘크리트 부피의 0.5%에 해당하는 재생 PET 섬유를 혼입하였다.
재생 PET 섬유의 물성치는 Table 2에 나타내었다. 실험 에 사용된 배합표와 활성황토의 적정 치환률(20%)은 기 존 연구자들의 연구결과(김성배 등, 2009a; 최희용 등, 2001)와 예비 실험을 바탕으로 도출하였으며 Table 3에 배합표를 나타내었다.
3. 황토 콘크리트의 기초물성 실험
3.1 pH값 측정3.1.1 실험방법
황토의 pH 측정을 위해 W/C 비가 55%인 페이스트 시
편을 배합별로 제작하였으며, 황토 자체의 순수한 pH를 측정하기 위해서 Table 3에 나타낸 콘크리트의 배합표와 달리 KH100, CH100을 추가로 제작하였다. 제작된 pH 페이스트 시편은 24h 후에 탈형하였으며, 수산화 이온의 침출을 막기 위하여 폴리에틸렌 필름으로 밀봉하여 200 일 동안 양생실에서 20±2℃에서 양생시켰다. 양생 후 실 험 전 공극수 내의 알칼리 잔여물의 손실을 최소화하기 위해 24시간 동안 건조로에 시편을 넣어 건조시켰다. 시 편은 분말로 만들어 300μm 체로 거른 후 체에 거르고 남은 분말 시편을 3.0g씩 개량하여 증류수와 혼합하였으 며, 각 시료에 들어가는 총 용액의 양은 40㎖로 하였다.
시편과 혼합된 용액은 10분간 교반을 한 후 pH를 측정하 였으며, 측정은 pH 측정기를 이용하여 용액의 pH값이 변 하지 않을 때까지 측정하였다. 측정 전 표준 용액 pH 4.01, 7.00, 10.01을 이용하여 보정 한 후 수행하였다(송 하원 등, 2009; Arya and Xu, 1995).
3.1.2 실험결과 및 분석
Fig. 2는 pH 측정실험 결과를 나타내고 있다. Fig. 2에 나타난 것과 같이 Control 시편의 pH는 약 12.5로 측정 되었으며, PET 섬유가 혼입된 시편을 제외한 다른 시편 들은 Control 시편보다 낮게 측정되었다. 실험 결과에 따 르면 슬래그와 황토의 혼입량에 따라 시멘트량이 줄어들 수록 pH는 낮아지는 것으로 나타났으며, 재생 PET은 pH 에 영향을 미치지 않는 것으로 나타났다. 특히, 시멘트와 슬래그가 혼합되지 않은 순수 황토만으로 만든 KH100, CH100 시편의 경우 pH 값이 각각 8.9와 9.3으로 나타 나 황토가 콘크리트의 pH를 저감시키는 것을 알 수 있다.
기존 연구결과(Gonzalez et al, 1998)에 따르면 수산화 칼슘(Ca(OH)2)의 pH는 12.5로 보고되고 있어, Control 시편은 물(H2O)과 탄산칼슘(CaO)의 수화생성물인 수산 화칼슘에 의해 pH가 결정되는 것으로 보인다. 따라서, 황 토는 수산화칼슘을 생성하는 탄산칼슘의 함량이 시멘트 에 비해 상대적으로 매우 적어 Control 시편에 비해 황토 가 혼입된 시편의 pH가 낮게 평가되는 것으로 판단된다.
Fig. 2 pH results of paste
Fig. 3 Compressive strength specimens
또한, 슬래그와 황토는 잠재 수경성을 갖기 때문에 수화 과정에서 수산화칼슘의 생성이 그만큼 감소하여 pH가 낮 게 측정된 것으로 판단된다.
3.2 압축강도와 탄성계수
3.2.1 실험방법
황토의 혼입에 따른 콘크리트의 물성변화를 확인하기 위하여 Fig. 3과 같이 압축강도와 탄성계수를 KS F 2405 와 KS F 2438에 의해 각각 수행하였다. 콘크리트의 기 초물성 실험에 사용된 시편은 100×200mm의 원주 공 시체로 배합별로 3개씩 제작하여 사용되었으며, 모든 시 험은 재령 28일에 수행되었다.
3.2.2 압축강도와 탄성계수 실험 결과 및 분석 황토 콘크리트의 압축강도 결과는 Fig. 4와 같으며, Control 시편의 압축강도가 30MPa로 가장 높게 나타났 다. 반면 슬래그를 혼입한 SC 시편과 황토를 혼입한 KH, CH 시편, 그리고 황토와 슬래그를 사용한 KHS, CHS 시 편은 Control 시편에 비해 상대적으로 낮은 강도를 보였 다. 이러한 결과는 황토와 슬래그의 수화반응이 시멘트에
Fig. 4 Compressive strength results of Hwang-toh concrete
Fig. 5 Elastic modulus results of Hwang-toh concrete
비해 활발하지 못하기 때문에 수화생성물이 적게 생성되 어 내부구조가 치밀해지지 못해서 강도가 감소한 것으로 생각된다. 국내산 황토(KH)와 중국산 황토(CH)의 경우 에는 전반적으로 매우 유사한 성능을 보이는 것으로 나타 났다. 그러나, 황토는 지역, 지질구조 등에 의한 조성성분 의 구성에 따라 조금씩 차이를 보일 수 있으며, 이러한 지 역에 따른 조성성분과 성능의 차이는 기존 연구자들의 결 과에서도 확인할 수 있다(이현철 등, 2007; 정연백 등, 2006; 황혜주 등, 2007). 또한, 황토의 취성적인 성질을 개선하기 위해 재생 PET 섬유를 혼입한 KHSP, CHSP 시편은 가장 낮은 압축강도를 나타내고 있다. 특히, CHSP 시편의 압축강도는 27MPa로 가장 낮게 나타났다. 이는 황토와 슬래그에 의한 낮은 수화반응과 균열 및 연성을 증진시키기 위해 혼입한 재생 PET 섬유가 콘크리트 내부 에서 압축력에 저항하지 못하고 콘크리트 내부 공극으로 존재하여 콘크리트의 유효 단면적을 감소시켜 압축강도 가 저하된 것으로 판단된다. 그러나 Control 콘크리트와 황토 콘크리트의 압축강도 결과를 비교했을 때 전체적인 강도 감소량은 약 2~6% 정도로 매우 작아 황토를 구조
(a) (b)
Fig. 6 Fracture shape of Hwang-toh concrete (a) Hwang-toh specimen (b) Hwang-toh specimen with recycled PET fiber
재료로 사용하는 데에는 큰 문제가 없을 것으로 판단되며 시멘트 치환을 위한 혼화재료로 충분히 활용 가능할 것으 로 예상된다.
황토 콘크리트의 탄성계수도 Fig. 5에 나타낸 것과 같 이 압축강도와 마찬가지로 Control 시편의 탄성계수가 25 GPa로 가장 높게 나타났다. 전체적으로 25~23GPa의 범 위에 탄성계수 값이 분포하고 있으며, 이는 콘크리트의 압 축 강도와 매우 유사한 경향을 보이고 있다. 즉, 황토 콘 크리트의 압축강도와 탄성계수는 황토와 재생 PET 섬유 의 혼입에 따라 유사하게 감소하는 것을 알 수 있는데 이 는 탄성계수와 압축강도 사이의 상관관계를 나타내는 것 이다.
3.2.3 압축하중 하에서의 파괴 거동
Fig. 6은 원형공시체의 압축파괴 형상을 나타내고 있다.
Fig. 6(a)은 황토를 혼입한 황토 콘크리트의 파괴 형상으 로 전형적인 보통 콘크리트의 파괴 형상인 콘 파괴 거동 보 였으나, 재생 PET 섬유가 혼입된 황토 콘크리트는 Fig.
6(b)와 같이 다수의 수직균열과 함께 중앙부가 팽창된 형상을 보였다. 이러한 결과는 재생 PET 섬유가 콘크리 트 내부에서 콘크리트 파편이 박락되는 것을 방지하고 균 열의 성장을 억제하였기 때문이다. 또한 콘크리트에 작용 하는 응력을 전체적으로 분산시켜 국부적인 파괴를 예방 한 것으로 판단된다. 따라서, 재생 PET 섬유는 콘크리트 의 파괴거동에 효과적으로 작용하는 것을 알 수 있으며, 황토 콘크리트의 취성적인 성질을 개선하는 보강 재료로 우수한 성능을 갖는 것을 알 수 있다.
4. 황토가 혼입된 RC 보의 휨성능
4.1 시험체 제작 및 실험방법RC 보 시편은 총 9개로 모든 시편은 타설 후 28일 후에 실험을 수행하였다. 시험체는 200×300mm의 단면을 갖
Fig. 7 Dimensions and details of test beam (unit: mm)
Fig. 8 Photograph of test set-up
는 직사각형 보로 주철근은 D13 철근을 사용하였고, 전 단보강철근 D10 철근으로 150mm 간격으로 제작하였다.
Fig. 7은 RC 보 시험체의 철근 상세도이며. Fig. 8은 실 험 전경을 보여주고 있다. 철근 콘크리트 보의 경계조건은 한쪽은 힌지이고 다른 한쪽은 롤러를 사용하였으며, 최대 용량 2000kN을 갖는 UTM을 사용하여 4점 휨 실험을 하 였다. 시험체의 가력은 초기 균열 발생 전까지는 하중 제 어법을 사용하여 가력 하였으며, 초기 균열 발생 후에는 변위 제어법을 사용하여 0.02mm/sec의 재하속도로 가력 하였다. 시험체의 처짐은 Fig. 8에 보이는 것과 같이 전기 식 변위계(LVDT)를 이용하여 측정하였으며, 시험체가 완 전히 파괴될 때까지 실험을 수행하였다.
4.2 하중-변위
Fig. 9는 혼화재 종류에 따른 철근 콘크리트 보 시험체 의 하중-변위 관계를 나타내고 있으며, Table 4에 결과 를 정리하였다. Fig. 9에서 알 수 있듯이 모든 시편은 균 열이 발생하기 전의 초기 선형 구간에서는 거의 유사한 거 동을 보이고 있다. 초기 균열은 Control 콘크리트 시편이 황토와 슬래그가 혼입된 콘크리트 시편보다 먼저 발생하
Table 4 Flexural strength test results of Hwang-toh concrete beam
Specimen Pcr (kN) △cr (mm) Py (kN) △y (mm) Pu (kN) △u (mm) Ductility index (△u/△y)
Control 42.5 0.84 112.1 4.09 129.56 29.6 7.23
SC 50.8 0.94 121.1 4.03 129.95 26.1 6.47
KH 45.5 0.82 120.2 4.29 130.54 26.4 6.15
CH 46.8 0.77 117.6 4.16 129.16 38.6 9.28
KHS 43.9 1.02 118.2 4.35 131.52 27.1 6.23
CHS 45.3 1.18 112.5 4.17 126.62 31.5 7.55
KHSP 42.9 0.76 117.2 4.29 140.00 59.8 13.94
CHSP 49.4 0.79 118.8 4.27 146.60 63.4 14.85
PET 49.0 0.74 117.0 4.11 152.39 59.8 14.55
였으며, 철근 항복이후의 거동은 시험체별 다소의 차이를 보이고 있으나, 전체적인 거동은 Control 시험체와 매우 유사한 것으로 나타났다.
Fig. 10은 황토의 휨 성능을 증대시키기 위해 재생 PET 섬유를 혼입한 시편의 실험 결과이다. Fig. 10에서 Control
Fig. 9 Load-deflection curve of Hwang-toh and slag added specimens
Fig. 10 Load-deflection curve of recycled PET fiber reinforced specimens
시편과 비교하여 재생 PET 섬유가 혼입된 시편은 매우 높은 휨 성능을 발휘하는 것으로 나타났다. 또한, 취성적 인 콘크리트의 성질이 개선되어 연성거동을 하는 것으로 나타나고 있다. 이는 재생 PET 섬유를 혼입한 황토 보에 균열이 발생할 경우 재생 PET 섬유가 시멘트 복합체 내 에서 균열을 가로지르는 가교작용을 하여 휨 균열이 제어 되어 휨 내력이 증가한 것이다. 따라서, 취성적인 성질을 갖는 황토 콘크리트의 성질을 개선시킬 수 있을 것으로 보인다.
4.3 연성지수
연성은 철근콘크리트 부재의 에너지 흡수 능력을 평가 하는데 사용되며, 강도와 함께 구조물의 안전도를 평가함 에 있어 중요한 요소 중 하나이다. 본 연구에서는 단면의 인장철근이 항복할 때의 변위()와 최대하중시의 변위 ()의 비로 표현되는 연성지수를 사용하여 부재의 안 전성을 평가하였으며, Table 4에 나타내었다. 실험결과 재생 PET 섬유가 혼입되지 않은 시편들은 다소 차이를 보이고 있으나 매우 유사한 연성지수를 갖는 것으로 평가 되었다. 이러한 결과는 Fig. 9의 하중-변위 관계에서도 잘 나타났듯이 황토의 시멘트 대체 재료로써의 가능성을 확인할 수 있다. 반면, 재생 PET 섬유가 혼입된 시편들 (KHSP, CHSP, PET)은 매우 높은 연성지수를 갖는 것 으로 평가되었다. 이러한 결과는 균열이 발생하였을 때 재생 PET 섬유가 인발되지 않고 파단 되면서 하중에 저 항하며 지속적으로 인장응력을 전달하기 때문에 균열의 성장을 억제하여 높은 연성지수를 나타낸 것으로 판단된 다.
4.4 파괴 형상
Fig. 11에 시험체의 파괴모드를 나타내었다. 시험체는 a/d=2.6을 갖는 보로 모든 시험체는 경간 중앙 하부에서 초기 균열이 발생하였고, 철근 항복점까지는 탄성 거동을 하면서 중앙부 휨 균열이 진전을 하였다. Control 시편은
Fig. 11 Crack patterns at the failure of RC beams
철근의 항복(yielding)이후 최대 하중에 도달한 후 급격 히 하중이 감소하면서 파괴되었다. 황토가 혼입된 시편은 하중-변위 관계에서와 마찬가지로 파괴 형상도 Control 시편과 거의 유사한 휨-전단 파괴 현상을 보였다. 하지만 재생 PET이 혼입된 보 시편들(KHSP, CHSP, PET)은 거의 휨 파괴에 가까운 형상을 나타내고 있으며, 철근의 항복이후 하중의 증가와 함께 수직변위가 증가할 때 상부 에서 부분적인 압축파괴가 발생하는 것을 확인할 수 있 다. 이러한 압축파괴는 섬유가 혼입되지 않은 시편과 달 리 섬유가 지속적으로 인장응력에 저항을 하여 인장측보 다 압축측에서 먼저 파괴가 발생한 것에 기인한 것으로 판단된다. 또한, 재생 PET 섬유가 혼입된 황토 보 시편 (KHSP, CHSP)은 섬유가 혼입되지 않은 황토 보 시편 (KH, CH, KHS, CHS) 시편에 비해 파괴 형상에서 뚜렷 하게 구분이 될 정도로 큰 변형을 보이고 있다. 즉, 재생 PET 섬유의 혼입에 의해 황토 콘크리트의 휨 성능이 향 상된 것을 알 수 있다.
5. 결 론
본 연구에서는 황토를 구조재료로 사용하기위한 성능 검증 연구로써 국내산 황토와 중국산 황토, 재생 PET 섬 유를 사용한 콘크리트의 기초물성 실험과 RC 보 휨 성능 을 수행하였으며, 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
1) 황토는 수산화칼슘을 생성하는 탄산칼슘의 함량이 시멘트에 비해 상대적으로 매우 적고, 잠재수경성을 갖기 때문에 수화과정에서 수산화칼슘의 생성이 그만큼 감소 하여 콘크리트의 pH를 감소시키는 것으로 나타났다. 따 라서, 시멘트를 사용한 보통 콘크리트보다 인체에 이로울 것으로 판단된다.
2) 황토 콘크리트는 보통 콘크리트에 비해 낮은 압축강 도와 탄성계수를 갖는 것으로 나타났다. 그러나, 보통 콘 크리트와 황토 콘크리트의 압축강도 결과를 비교했을 때 전체적인 강도 감소량은 약 2~6% 정도로 매우 작아 황 토를 구조재료로 사용하는 데에는 큰 문제가 없을 것으로 판단되며 시멘트 치환 재료로 충분히 활용 가능할 것으로 예상된다. 또한, 황토의 취성적인 성질은 재생 PET 섬유 를 혼입함으로써 충분히 개선되는 것을 확인할 수 있었 다.
3) 황토 RC 보의 전체적인 휨 거동과 파괴형상은 Control 시험체와 매우 유사한 것으로 나타났으며, 재생 PET 섬 유를 혼입할 경우 섬유의 가교작용에 의해 휨 성능이 증 가하는 것으로 나타나 취성적인 성질을 갖는 황토 콘크리 트의 성질을 개선시킬 수 있을 것으로 보인다.
감사의 글
이 논문은 한국과학재단(R01-2008-000-1117601) 과 국토해양부 건설핵심기술연구개발사업(콘크리트코리 아 연구단)의 재정적 지원에 의해 수행되었으며, 이에 감 사드립니다.
