토목 기술정보Ⅱ 2 양생조건에따른콘크리트의장기거동특성연구 글김재연 \ 토목기술팀사원 \ 전화 2-3433-7776 \ E-mail jaeyeon.kim@ssyenc.com 글이타 \ 토목기술팀차장 \ 공학박사 \ 토목구조기술사 \ 전화 2-3433-7773 \ E-mail yita@ssyenc.com 1. 머리말콘크리트는현대사회의인프라를구축한주된건설재료로서사회기반시설물및민간구조물의근간을이룬최대의건설재료이다. 그러나타설직후부터수반되는물리적 화학적반응으로인해양질의콘크리트시공을위한많은연구가활발히진행중이다. 특히콘크리트구조물의장기거동은사용성, 내구성, 안전성등에직접적으로영향을미치고있어그중요성이대두되고있다. 현재까지여러예측모델식이제시되고있으며, 콘크리트의장기거동을정확히파악하기위한많은노력을기울이고있다. 본고에서는콘크리트구조물장기거동예측모델식의현황을알아보고, 콘크리트양생중외기상대습도의중요성, 구조물의장기거동에미치는영향등을소개하고자한다. 2. 콘크리트장기거동예측모델식현황콘크리트장기거동예측모델식은많은나라에서제시하고있으며, 대표적으로우리나라설계기준의모델식 (KCI 모델식 ), 미국의 ACI 모델식, 유럽의모델식 (CEB-FIP 199 모델식, fib 21 모델식 ) 및 BP 모델식 (BP-KX 모델식, B3 모델식 ) 등이있다. 이가운데가장많이이용되고있는모델식으로는크게 ACI, fib 21, B3 모델식이있다. 1) KCI 모델식우리나라콘크리트구조설계기준은잘알려져있듯이미국 ACI 설 계기준을모델로한강도설계법에근거하여규정되어있다. 또한 1998년까지토목분야와건축분야의기준이서로달랐으나 1999년통합되었다. 콘크리트장기거동에대한예측모델식은통합되기이전에는토목, 건축양분야모두규정되어있지않았으며, 1999년통합콘크리트구조설계기준이제정됨에따라장기거동에대한모델식을규정하고있다. 대부분의우리나라설계기준규정이 ACI 설계기준의규정을따랐으나, 이장기거동예측모델식은 ACI 초기모델식에의해건조수축을예측할때문제가있는것으로판단하여, CEB-FIP 199 모델기준의규정을따라작성되었다. 2) ACI 모델식 ACI committee 29에제시된 ACI 모델식은이위원회의연구보고서인 Prediction of Creep, Shrinkage and Temperature Effects in Concrete Structures 에수록되어있다. 주된내용은 197년대초 Branson교수에의해제시된방법이며, 이에대한상세한내용은 Deformation of Concrete Structures(Mcgraw hill 출판사 ) 에기술되어있다. ACI 모델식은일반적인환경에놓인철근콘크리트구조물에적용할수있으며, 특수한환경, 예를들면매스콘크리트구조물에는적용할수없다. 3) fib 21 모델식 fib Model Code 21은 CEB와 FIP가 1998년 fib로통합되고난후 CEB-FIP Model Code 199을 21년에개정하여출판한것으로 36 건설기술 / 쌍용
서, CEB-FIP 199 모델식을따른다. fib Model Code 21의장기거동에적용할수있는콘크리트는일반적으로사용되는콘크리트로서, 최소한 1) 콘크리트의평균압축강도또는설계기준압축강도, 2) 부재의크기, 3) 주위공기의평균상대습도, 4) 재하때의재령, 5) 건조가일어나기시작하는재령, 6) 재하기간등이필요하다. 더불어 1) 시멘트의종류, 2) 양생온도, 3) 온도변화등의조항이주어지면보다정확하게보정된모델식을이용할수있다. 시간이있는데콘크리트내의수분조절에영향을미치는것중의하나가바로외기의상대습도이다. 외기의상대습도는콘크리트의건조와관련이되므로초기강도발현에가장큰영향을미치는요인이다. 콘크리트타설시시멘트의수화반응이일어나는데이반응은물로차있는모세관내에서만발생한다. 시멘트의수화반응을위해서시멘트풀내의가까운곳에있는수분을사용하며, 수화반응이빠르게일어나는부분에서는수분이부족하게되어콘크리 트내부에서없어진물은수화반응을위해외부로부터공급이되 4) B3 모델식 B3 모델식은 BP 모델식과 BP-KX 모델식을제시한 Northwestern 대학의 Bazant교수에의해 1995년에수정하여제시된모델식이다. 이모델식의사용가능한범위로는 1) 포틀랜드시멘트를사용한경우, 2) 콘크리트압축강도가 17 f c 7MPa, 3) 물시멘트비가.3 w/c.85, 4) 단위시멘트량이 16 c 72kg/m 3, 5) 골재시멘트중량비가 2.5 a/c 13.5로정하고있다. 어야한다. 즉, 물은시멘트의수화반응에필수불가결한요소인것이다. 그런데밀봉양생된콘크리트는물이밀봉된콘크리트안으로들어가지못하므로, 수화반응으로수분이소모됨에따라내부의상대습도가낮아지고수화속도가느려지게되어수중양생한콘크리트보다수화및강도발현이느려지게된다. 외기의상대습도가낮은경우에는콘크리트의수분손실이커수화가완전히멈추는현상이발생하게되고, 콘크리트는목표강도를 발현하지못하게된다. 3. 콘크리트양생의중요성 3-1. 개요양생이란콘크리트의강도, 내구성, 수밀성등의소요품질을확보 125 모든재령습윤양생 하기위해시멘트의수화반응을촉진시키기위한것으로, 좋은콘크리트를얻기위해서는알맞게배합된콘크리트를친후경화의초기단계에서적절한양생이필요하다. 양생조건중외부의상대습도에따른콘크리트의강도발현과장기거동을알아보면다음과같다. 재령 28 일습윤양생콘크리트에대한압축강도의비율 (%) 1 75 5 재령 7일이후기건양생재령 3일이후기건양생모든재령기건양생 25 3-2. 콘크리트의강도발현 3 7 28 9 18 콘크리트의강도에영향을미치는요인 재령 ( 일 ) 구성재료 다루기, 치기 양생 시험조건 [ 그림 2] 강도에대한양생조건의영향 물 시멘트 골재 혼합재료 재료준비 수분온도시간 수질 비비기 콘크리트의압축강도에대한습윤양생의영향을살펴보면 [ 그림 2] 물-시멘트비 분말도 화학성분 양 화학작용 치기 시험체의모양. 치수 시험체함수량 시험체온도 압축면상태 재해방법 와같다. 동일한물 - 시멘트비에서 18 일간습윤양생한콘크리트의 굵은골재 잔골재 다지기 압축강도는모든재령을기건양생한경우보다약 2.5 배정도높게 골재 / 시멘트골재강도모양및치수표면조직온도품질화학반응온도특성 나타난다. [ 그림 1] 압축강도에영향을미치는요인 3-3. 콘크리트의장기거동 건조수축 콘크리트의압축강도에영향을미치는요인으로는여러가지가있 으나, 주요요인은 [ 그림 1] 과같다. 콘크리트의강도에영향을미치 는여러요인중에서양생과관련된요인으로는크게수분, 온도, 건조수축은굳은콘크리트의시멘트수화물내에존재하는수분이 장기간에걸쳐외기로증발하면서발생하는수축현상으로발생기 간이가장길며상대적인수축량또한가장크다. 따라서실제구조 217 37
물에서건조수축에의한영향력이상당하기때문에구조물의사용 성및내구성에많은문제를발생시킨다. 양생후외기에노출된콘 증가하고, 이에따라건조수축증가속도와최종수축량이증대되 는것이다. 크리트는수분의증발에따라건조수축이진행되는데, 임의의시점 에서외부로부터수분을공급받게되면, 팽창이발생하기도한다. [ 그림 3] 은건조중인콘크리트에수분을공급하였을때팽창하는성질을보여주는데, 나중에수분이공급되더라도콘크리트를원래의크기로되돌아갈정도로팽창시키지는못한다. 4. 양생조건이구조물에미치는영향 4-1. 개요 콘크리트의강도발현과장기거동에관한이론적배경을바탕으로 하여양생조건중외기의상대습도에따른콘크리트물성과거동 1 건조 가습 의변화를실험수행사례를통해알아보고자한다. 8 수축변형률 ( 1-6 ) 6 4 2 가역성수축 비가역성수축 총수축 4-2. 강도발현실험 1) 공시체제작원주형몰드 φ1 x 2mm를사용하여 KS F 243( 콘크리트의강도시험용공시체제작방법 ) 에따라제작하였으며, 양생 1일이후 1 2 3 4 5 6 7 8 시간 ( 일 ) [ 그림 3] 건조와가습과정에서의콘크리트거동 에탈형을수행, 최장 9 일동안양생하였다. 콘크리트배합표는 < 표 1> 과같으며, < 표 2> 는공시체양생시외기상대습도조건을나 타낸것이다. 콘크리트의건조수축은부재가노출된환경요인중에서상대습도 에직접적인영향을받는다. 건조한상대습도는건조속도와건조수축량을증가시키기때문이다. [ 그림 4] 는외기상대습도에따른건조수축량을나타낸것으로, 외기상대습도가낮아짐에따라건조수축량과속도가증가하는것을알수있다. 표 1 콘크리트배합표 W/C S/a (%) 단위질량 (kg/ m3 ) W C S G SP.45 43 168 373 76 12 1.9 표 2 공시체의양생조건 12 탈형후양생시외기상대습도조건 상대습도 5% 수중밀봉상대습도 8% 상대습도 3% 8 수축률 ( 1-6 ) 4 7% 2) 압축강도실험 1% -4 1 28 9( 일 ) 1 2 5 1 2 3 [ 그림 4] 상대습도에따른콘크리트의건조수축 1퍼센트의상대습도에노출 ( 수중양생 ) 된콘크리트의경우에는지속적인수분의흡수로인해오히려팽창하는현상이발생한다. Neville의연구에따르면상대습도 1퍼센트환경에서의콘크리트는상대습도 7퍼센트환경에서의콘크리트에비해 6배, 상대습도 5 퍼센트에노출된콘크리트에비해 8 배작은수축량을보인다고 한다. 즉, 상대습도가낮으면수분의증발속도가빨라져증발량이 [ 그림 5] 압축강도측정실험 38 건설기술 / 쌍용
KS F 245( 콘크리트의강도시험용공시체제작방법 ) 에따라진행하였으며, 각양생조건에따른 3개의공시체를기본으로실시하였다. 압축시험기는 25톤용량의 Closed-loop dynamic material testing system이며, 하중재하시 [ 그림 5] 와같이 LVDT를사용하여변형률을측정하였다. 압축강도측정은재령 4, 28, 9일에실시하였고, 각조건에해당하는 3개의공시체의평균값으로분석을수행하였다. 부의상대습도에따라서내부의수분이비교적빠르게빠져나가지 만, 실험결과를통해양생시외기상대습도가강도발현에얼마나 많은영향을미치는지알수있다. 표 4 재령 28 일상대압축강도비 재령 양생조건 수중 밀봉 상대습도 8% 상대습도 3% 28 일 1..76.7.43 3) 실험결과및분석 측정된압축강도결과는 < 표 3> 과같으며, [ 그림 6] 에서보는것처 럼압축강도실험결과양생시외기상대습도조건이강도의발현 에상당한영향을미치는것을알수있다. 표 3 압축강도측정결과 양생조건 재령 4 일 28 일 9 일 수중 (CS-UW) 27.7 44.4 5.7 밀봉 (CS-SE) 22.5 33.6 38. 상대습도 8% (CS-RH8) 상대습도 3% (CS-RH3) 6 5 21.8 31.1 34.8 16.4 18.9 2.1 ( 단위 : MPa) 4-3. 장기거동실험 1) 공시체제작 KS F 2595( 콘크리트의건조수축균열시험방법 ) 에따라진행하였으며, 직육면체몰드 1 x 1 x 4mm를사용하여공시체를제작하였다. 변형률은공시체제작시내부에미리설치한콘크리트매립게이지를통해서측정되며, 공시체의양쪽끝부분은알루미늄테이프로밀봉하여수분이빠져나오지못하도록처리하였다. 2) 건조수축실험건조수축실험은 < 표 5> 와같이공시체제작후 1일간상대습도 6% 의양생실에서양생을하고탈형을한후에수중, 밀봉, 상대습도 8%, 상대습도 3% 의양생조건에서양생을하였다. 재령 28일에다시상대습도 6% 조건으로외기습도조건를변화시켜건조수축량을측정하였다. 건조수축실험중인장면은 [ 그림 7] 과같다. Compressive Strength (MPa) 4 3 2 1 CS-UW CS-SE CS-RH8 CS-RH3 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1 Age (days) [ 그림 6] 양생조건에따른압축강도 표 5 건조수축실험공시체제작 재령 1 일이전재령 1~28 일재령 28 일이후 상대습도 6% ( 양생실 ) 수중양생 (DS-UW) 밀봉양생 (DS-SE) 상대습도 8% (DS-RH8) 상대습도 3% (DS-RH3) 상대습도 6% ( 양생실 ) 강도가가장크게발현되는수중양생의경우를기준 1로정하여비교해보면, < 표 4> 와같이양생시외기의상대습도가낮아질수록, 즉밀봉 (.76), 상대습도 8%(.7), 상대습도 3%(.43) 의순으로강도가발현됨을확인하였다. 이것은외부에서수분을공급받는수중양생의경우지속적인화학반응이이루어지고, 콘크리트에서이루어질수있는수화작용이최대한발생하는데에반하여, 상대습도 3% 로양생한경우자체수화작용이발생해야하는수분까지도외부로빠져나가서정상적인강도발현이어려운것으로판단된다. 실제구조물의단면에비해공시체의크기가작기때문에외 [ 그림 7] 건조수축실험 3) 실험결과및분석 [ 그림 8] 은탈형후재령 1일부터재령 9일까지측정한건조수축량결과를나타낸것이다. [ 그림 8] 에서보듯이재령 28일 (t-t : ) 이후상대 217 39
습도 6% 의조건으로외부환경을변화시켜건조수축실험을수행함에따라건조수축량의확연한변화가발생하는것을확인할수있다. Drying Shrinkage ( 1-6 ) 1 8 6 DS-UW-1 4 DS-UW-2 DS-SE-1 2 DS-SE-2 DS-RH8-1 DS-RH8-2 DS-RH3-1 DS-RH3-2 -2-2 -1 1 2 3 4 5 6 7 Exposed Duration, t-t (day) [ 그림 8] 양생습도변화에따른건조수축량수중조건 (DS-UW) 에서양생한공시체는재령 1일부터초반 28일동안외부로부터수분이공급됨에따라팽창현상이발생하였다. 그러나재령 28일이후양생할때보다상대적으로낮은상대습도조건에노출되면서콘크리트공시체내부의수분이빠르게증발하고건조수축량이증가하게되었다. 밀봉 (DS-SE), 상대습도 8%(DS-RH8), 상대습도 3%(DS-RH3) 의조건에서양생한공시체는초반재령 28일간건조수축이발생함을확인하였다. 그러나재령 28일이후외기습도의변화에따라서로상이한양상을보이고있다. 밀봉과상대습도 8% 의조건에서양생한공시체는양생시에비해상대적으로낮은습도조건에노출됨에따라건조수축이계속진행되었으며, 양생시습도와변화된습도조건 ( 상대습도 6%) 간의차가클수록재령 28일이후의건조수축이더많이발생하였다. 반면에상대습도 3% 의조건에서양생한공시체는재령초기가장빠르고많은양의건조수축을보였으나, 재령 28일이후외기상대습도가 6% 로양생시에비해높아져오히려수분이외부로부터공급받아팽창하는현상이일어났다. 이는설사수분이외부로부터공급되더라도콘크리트를원래의크기로되돌아갈정도의팽창이일어나지않는다는결론을도출할수있다 ([ 그림 3] 가습구간참조 ). 5. 장기거동예측비교 5-1. 개요 2장에서대표적으로사용되는콘크리트장기거동예측모델식으로 KCI, ACI, fib 21, B3에대해살펴본바있다. 장기거동예측모델식중 KCI와 B3 모델식으로산정한이론값과 4장에서수행한실험결과값간의비교를통해콘크리트장기거동예측모델식보정의필요성을제기하고자한다. 5-2. 건조수축결과비교 [ 그림 8] 을바탕으로하여재령 28 일이후발생한각양생조건별 건조수축량과 KCI, B3 모델식에의해도출된이론값을비교하면다 음과같다. 1) KCI 모델식과의비교 KCI 모델식에서규정한건조수축량산정은대기의평균상대습도 (β RH ), 재령 28 일부재의압축강도 (f cu ) 등을고려하여다음 ( 식 1) 에의해구 할수있다. ε sh (t,t s ) = ε sho β s (t-t s ) ( 식 1) ε sho = ε s (f cu )β RH ( 식 1.1) ε s (f cu ) = [16+1β sc (9-f cu /1)]x1-6 ( 식 1.2) β RH = -1.55[1-(RH/1) 3 ] (4% RH 99%) β s (t-t s ) =.25 (99% RH) ( 식 1.3) β sc = 시멘트종류 : 4(2 종 ) / 5(1 종, 5 종 ) / 8(3 종 ) ( 식 1.4) 각양생조건에따른재령 28 일의압축강도 (f cu ) 는수행한실험결과 값을대입하였으며, 이에따라총 4 가지의그래프가산정되었다. 실 제수행한건조수축결과값과 KCI 모델식으로산정한건조수축이 론값을비교하면 [ 그림 9] 와같다. Drying Shrinkage ( 1-6 ) (t-t s ).35h 2 +(t-t s ) 6 5 4 3 2 1 DS-UW-KCI DS-SE-KCI DS-RH8-KCI DS-RH3-KCI DS-UW-EXP DS-SE-EXP DS-RH8-EXP DS-RH3-EXP 1 2 3 4 5 6 7 Exposed Duration, t-t (day) [ 그림 9] 건조수축실험값과비교 (KCI 모델식 ) 모델식으로산정된이론값 (DS-KCI) 과실제실험값 (DS-EXP) 이상 이한양상을보이는것을알수있다. 이는변화하는외기상대습도 조건에대한고려여부가가장큰영향을미친것으로판단된다. 실험결과값을통해재령 28 일이후건조수축량이수중, 밀봉, 상대 4 건설기술 / 쌍용
습도 8%, 상대습도 3% 의조건에서양생한순서대로많은것을 확인할수있다. 그러나모델식에의해도출된이론값은실험결과 값과다르게역순으로건조수축량이크게나타나는것을알수있 다. 이는 KCI 모델식에서 ( 식 1.2) 에서보듯이, 재령 28 일의압축강도 가작을수록 ε s (f cu ) 값이커짐으로써건조수축량또한크게산정되 는것이라유추할수있다. 2) B3 모델식과의비교 B3 모델식에서제시한건조수축변형률은 ( 식 2) 에의해구할수있 으며, 외기의상대습도에따른함수 (k h ), 시간에따른건조수축증가 량을나타내는함수 (S(t-t )) 에의해산정이된다. ε sh (t,t ) = ε sh k h S(t-t ) E c (7+6) ε sh = -ε s E c (t +τ sh ) ε s = -α 1 α 2 α 1 = 시멘트종류 : 1.(1 종 ) /.85(2 종 ) / 1.1(3 종 ) α 2 = 양생방법 :.75( 증기 ) / 1.( 수중 ) / 1.2( 밀봉 ) 재령 28 일압축강도 (f cu ) 는실험에의한결과값을대입하였으며, 각 양생조건에따른건조수축량을산정하여건조수축실험결과와비 교해보면 [ 그림 1] 과같이나타난다. Drying Shrinkage ( 1-6 ) 6 5 4 3 2 1 DS-UW-B3 DS-SE-B3 DS-RH8-B3 DS-RH3-B3 DS-UW-EXP DS-SE-EXP DS-RH8-EXP DS-RH3-EXP S(t-t ) = tanh.19ω 2.1 + 27 1-6 f.28 cu 1 2 3 4 5 6 7 Exposed Duration, t-t (day) t-t τsh [ 그림 1] 건조수축실험값과비교 (B3 모델식 ) ( 식 2) ( 식 2.1) ( 식 2.2) 과값 (DS-RH3-EXP) 과이론값 (DS-RH3-KCI, DS-RH3-B3) 의차이를주목해야한다. 실제실험에서는양생하는외기습도조건이 3% 에서 6% 로변화함에따라오히려수분을흡수하여콘크리트의팽창현상이발생하나장기거동예측모델식에서는변화한외기의상대습도조건에대한보정식이존재하지않는다. 따라서양생시외기의환경 ( 습도 ) 이일정하게유지되지않는다면실제와다른경향의결과를보인다판단할수있다. 6. 맺음말경제적이고다양한형상으로시공이가능한콘크리트는건조수축이라는강재와구별되는독특한특성을가지고있다. 건조수축은콘크리트구조물의시간에따른변형증가, 강도의변화, 균열발생, 장기열화등구조물의성능및장기거동에영향을미치므로정확한예측이필요하다. 압축강도실험을수행함으로써양생시외기상대습도가높을수록강도가크게발현되었으며, 더불어건조수축실험을통해양생시외기습도가낮을수록콘크리트의건조수축량은크게발생하지만, 재령 28일이후외부환경조건에따라건조수축량이변화함을확인하였다. 두실험은양생시외부환경 ( 습도 ) 이콘크리트강도발현과건조수축에상당한영향을미치는것을보여주는실험이었다. 그러나실제수행한건조수축실험결과값과콘크리트장기거동예측모델식인 KCI, B3 모델식으로산정한이론값간의서로다른경향을보이고있었으며, 이것은현재널리이용되고있는여러콘크리트장기거동모델식에서양생시변화되는환경조건 ( 습도 ) 에따른보정식의부재에의해정확성이확보된콘크리트구조물의장기거동예측이어렵다는한계를보여주고있다. 상대적으로양생시습도조건은온도조건에비해콘크리트구조물에미치는영향이크다고할수는없다. 그러나콘크리트품질에영향을주는주요인자임을고려해볼때양생시변화되는온도및습도조건을모두반영함으로써정확한장기거동예측과최적의시공이가능하기를기대해본다. B3모델식을이용한이론값 (DS-B3) 산정은양생방법에따라 ( 식 2.2) 에상이한계수를입력하도록설계되어있다. 상대습도 3%, 상대습도 8%, 밀봉, 수중조건에서양생한순으로건조수축량이크게나타나며, 앞서설명한 KCI모델식으로산정된이론값 (DS-KCI) 과유사한경향을보이고있다. 그러나실제수행한실험결과값 (DS-EXP) 과는정반대순으로나타난것이며, 특히상대습도 3% 에서 28일간양생을한후상대습도 6% 에노출시킨실험체의결 참고문헌 ❶ 김재연 (215), 양생조건에따른콘크리트의장기거동특성연구, 석사학위논문, KAIST ❷ CEB (1993), CEB-FIP Model Code 199 ❸ ACI Committee 29 (1992), Prediction of Creep, Shrinkage, and Temperature Effects in Concrete Structures (Reapproved 28) ❹ International Federation for Structural Concrete (21), fib Model Code for Concrete Structures 21 ❺ Z.P. Bazant and S. Baweja (1995), Creep and Shrinkage Prediction Model for Analysis and Design of Concrete Structures-Model B3 ❻ A.M.Neville (22) Properties of Concrete, Final Edition 217 41