기 술 정 보 우 승 민 기술연구소 토목연구담당 선임연구원 (laputa@lottenc.com) 1. 머 리 말 포틀랜트 시멘트가 출현한 이래, 현재에 이르기까지 콘크리트의 고강도화에 대한 연구, 발전은 멈추지 않고 계속되어, 최근에는 100N/mm 2 을 넘는 콘크리트도 현장시공이 가능하게 되었 다. 본문에서는 먼저, 일본의 고강도 콘크리트의 개발의 역사를 알아보고, 계속해서 고강도 콘크리트의 기본 적인 성질을 서술함과 함께 구조물에 이용할 경우의 포인트에 대해서 서술한다. 마지막으로 최근 실용화된 초고강도 섬유보강 콘크리트를 소개한다. 2. 일본의 고강도 콘크리트의 역사 고강도 콘크리트가 실용화되기 시작한 것은 1960년대에 일본과 독일에서 고성 능 감수제가 개발되면서부터이다. 1973년에는 설계기준강도 800kgf/cm 2 의 프리캐스트 부재를 이용한 PC 트러스교가 완성되었고, 1980년에는 일본 토목학회에서 설계기준강도 600~800kgf/cm 2 의 콘크리트를 대상 으로 한 고강도 콘크리트 설계시공지침(안) 이 발간되었다. 또 1982년에는 고강도 프리스트레스 콘크리트 말 뚝(PHC 말뚝)의 JIS화도 수행되었다. 그러나 당시의 고성능 감수제는 사용으로 인한 슬럼프 손실이 크기 때문에 굳지 않은 콘크리트로 사용하기에는 곤란하였기 때문에, 그 후에는 프리캐스트 제품을 제외하고는, 고강도 콘크리 트는 현장에서는 그렇게 사용되지는 않았다. 그런데 80년대 후반이 되어 고성능 AE감수제가 개발되어 현장 본 고는 橋 梁 と 基 礎 에 기재된 高 强 度 コンクリ-ト(2005.08), 內 田 裕 市 를 번역한 내용임. 95
타설 고강도 콘크리트가 가능하게 되어 상황은 많 이 바뀌었다. 또, 실리카 퓸과 같은 반응성 미분말 이 사용 가능하게 되어, 일반화와 고강도화가 진행 되게 되었다. 이에 따라 1995년에는 일본 토목학회 에서 실리카 퓸을 이용한 콘크리트의 설계, 시공지 침(안) 이 발간되어 설계기준강도 60~100N/mm 2 의 콘크리트를 이용한 구조물의 설계에 관한 일반 사항이 제시되었다. 최근부터는 PC교와 아치교의 장대화와 대형화에 따라 고강도 콘크리트가 다시 주목받고 있다. 3. 고강도 콘크리트의 기본적인 특성 3.2.2 역학적 성질 일반적으로 압축강도가 크게 됨에 따라, 압축응 력-변형률 곡선의 최고점 이후의 경사가 급하게 되 어, 보다 취성적이게 된다. 이것을 고려하여 현행 콘크리트 표준시방서에서는 그림 1에서 제시한 것 과 같이 고강도가 되면 최종 변형률을 저감하도록 명시하고 있다. 인장강도와 파괴에너지는 압축강도의 증가와 함 께 증가하는 경향이 있지만, 증가 비율은 작은 편이 다. 이것이 후술할 전단보강철근이 없는 철근콘크리 트교의 전단내력의 한계점 현상의 이유 중 하나로 서 생각되고 있다. 3.1 경화 전 성질 고강도 콘크리트는 부배합이며, 물-시멘트비가 작기 때문에, 점성이 크다. 또 고강도 콘크리트가 사용된 부재에서는 철근간격이 작은 경우가 많아 슬럼프가 작으면 시공성이 나빠서, 일반적으로는 유 동성이 높은 콘크리트가 사용되는 경우가 많다. 또 고강도 콘크리트에서는 일반적으로 블리딩이 σ c k1f cd k1=1-0.003 f ck 0.85 ε 155-f cu = ck 0.0025 ε cu 30000 0.0035 작고, 소성수축균열이 발생하기 쉽기 때문에 시공 시에는 주의가 필요하다. 또한 사용하는 감수제의 종류에 따라서는 유동성의 경시변화가 크게 달라지 거나, 온도에 따라 감수제의 효과가 변화하는 경우 0 0.002 ε cu ε c 그림 1. 콘크리트의 압축응력-변형률 곡선 가 있기 때문에, 품질 관리에 주의가 필요하다. 3.2.3 내구성 3.2 경화 후 성질 3.2.1 체적 변화 고강도 콘크리트는 시멘트량이 많기 때문에, 수화 열이 크다. 또 물-시멘트(분체)비가 작기 때문에, 자 기수축도 크다. 따라서 고강도 콘크리트를 사용할 경우에는 시공단계에 있어서 균열의 발생 가능성을 충분히 검토해 두는 것이 필요하다. 고강도 콘크리트는 물-시멘트비가 작고, 시멘트 페이스트 부분이 치밀해지기 때문에 열화인자인 염 화물 이온과 CO2 등의 침입에 대해 저항성이 높다. 또 일정량의 공기를 도입하면 내동해성도 우수해진 다. 즉, 고강도 콘크리트의 이용은 콘크리트 구조물 의 역학성능을 향상시킬 뿐만 아니라, 동시에 내구 성의 향상에도 기여한다는 것에 주목할 만하다. 96 롯데건설
4. 고강도 콘크리트의 구조 이용 일반적으로 휨 모멘트만이 작용하는 철근 콘크리 트 부재에 고강도 콘크리트를 사용해도 장점은 별 로 없다. 즉, 휨 모멘트에 대해서는 휨 인장파괴가 일어나도록 설계되기 때문에 단면이 동일하면 인장 철근의 허용응력도, 혹은 항복강도에서 저항모멘트 가 거의 결정되어 버리고, 콘크리트 강도의 영향은 적다. 물론 콘크리트 강도를 높이면 균형철근비가 커져, 철근량을 증가시키는 것이 가능하게 되어 저 항모멘트를 크게 하는 것이 가능하다. 그러나, 철근 이 조밀하게 배근되면 시공상의 문제가 발생하기 때문에 과도한 철근량의 증가는 불가하다. 또, 고강 도철근의 사용도 고려할 수 있지만, 사용시 균열 폭의 제한 때문에 철근의 응력을 높이는 것은 불가 하고, 결국 철근의 강도 성능을 다 발휘할 수 없게 된다. 한편, 휨과 축력이 작용하고, 특히 축력이 큰 경 우에는 부재단면을 결정하고 난 후에 고강도 콘크 리트를 사용하였을 경우에는 장점이 많다. 그 전형 적인 예가 초고층 빌딩의 저층계단 기둥과 LNG 지 하탱크의 지하 연속벽체의 고강도 콘크리트의 적용 이다. 전단력에 대해서는 콘크리트의 고강도화는 별로 장점이 없다. 그림 2는 전단보강철근이 없는 철근 콘크리트 교량의 전단강도와 콘크리트 강도의 관계 를 표시한 것이다. 압축강도가 60N/mm 2 를 넘으면, 전단강도는 한 계점에 도달하게 되는 것을 알 수 있다. 이것은 앞 에서도 기술했지만, 교량의 전단강도는 기본적으로 콘크리트의 인장특성에 의존하고 있어, 콘크리트의 압축강도를 높이더라도, 그에 비해서 인장강도와 파 괴에너지가 증가하는 것이 아니라는 사실이 원인의 하나인 것으로 생각되고 있다. 또 고강도가 되면 균 열 면에서 굵은 골재가 분리되고, 전단면이 평활하 게 되어 골재의 맞물림 작용이 발휘되지 않는 것도 원인의 하나이다. 1.2 f vcd (N/mm 2 ) fvcd, cal ( 0.72,γb 1.0 =1.0) 0.8 0.6 0.4 fvcd, cal ( 0.72,γb =1.3) 0.2 실험 0.0 0 20 40 60 80 100 120 140 f c (N/mm 2 ) 그림 2. 전단강도에 대한 콘크리트 압축강도의 영향 철근 콘크리트 부재에 고강도 콘크리트를 적용하 는 것은 축력이 큰 경우를 제외하면 그렇게 장점이 있는 것이 아니라고 여겨진다. 그에 대해서 프리스 트레스 콘크리트 구조는 확실히 콘크리트의 압축강 도를 이용하는 구조이고, 고강도 콘크리트를 이용하 는 것의 효과는 프리스트레스를 크게 떨어뜨린다는 점에서 이유는 명쾌하다. 다음은 현재 실용화 단계에 도달해 있는 콘크리 트 중에서 가장 강도가 크다고 생각되는 초고강도 섬유보강 콘크리트와 그 구조 이용에 대해서 간단 하게 소개한다. 5. 초고강도 섬유보강 콘크리트 5.1 초고강도 섬유보강 콘크리트의 특징 여기서 서술하는 초고강도 섬유보강 콘크리트(이 하, UFC : Ultra high strength fiber reinforced 97
concrete)는 원래 프랑스에서 개발된 Reactive Powder Concrete(반응성 분체 콘크리트)이고, 2004년에 일본 토목학회에서 그 종류의 재료를 대 상으로 한 설계, 시공 지침(안)이 발간되었다. UFC 의 특징은 문자 그대로 초고강도이며, 시판되는 프 리믹스트재를 사용하는 경우에는 평균적으로 190N/mm 2 의 압축강도가 얻어진다. 또 인장하중 하 에서는 대략 11N/mm 2 정도에서 모르타르 부분에 균열이 발생하고, 그 후 그림 3에서 나타난 것과 같 이 균열이 열리기 시작하여도 잠깐 동안은 균열부 의 섬유의 가교 효과로 하중을 지지, 혹은 더욱더 하중이 증가한다. 그 후는 일반적인 섬유보강 콘크 리트와 마찬가지로, 대변형을 동반하면서 서서히 연 화된다. 15 실험결과의 평균치 인장응력(N/mm 2 ) 10 5 설계용 모델 ω 1k =0.5 0 0 1.0 2.0 3.0 4.0 ω 2k =4.3 균열개구부 변위(mm) 고압축강도로 인해 보다 큰 프리스트레스를 도입 하는 것이 가능하다는 것은 당연하다. 일반적인 철근 콘크리트의 설계에서는 콘크리트 의 인장은 직접적으로는 고려하지 않지만, UFC의 경우에는 앞 절에서 서술한 것과 같이, 인장강도가 높고, 게다가 섬유로 인해 연성적인 성질을 나타내 기 때문에 콘크리트의 인장을 고려하는 것이 합리 적이다. 지침안에서는 UFC의 인장응력-변형률 곡 선으로서 그림 4가 제시되어 있고, UFC 부재의 휨 내력을 산정하는 예가 제시되어 있다. 또 기둥 부재 의 전단력에 관해서는 전단보강철근은 사용하지 않 고, 전단력은 모두 UFC에서 부담하는 것으로 설계 되어 있다. UFC의 전단내력의 산정할 때에는 섬유 의 가교효과에 의해 사인장 균열의 발생 후에도 균 열면에서 인장응력이 전달됨으로써, 전단내력이 증 가하고, 또 프리스트레스에 의해 사인장 균열의 각 도가 줄어들어 전단내력이 증가한다는 두 개의 효 과를 얻을 수 있다. UFC의 설계에 있어서 이형철근을 사용하지 않는 것은 자기수축의 문제를 피하기 위함이다. 즉, UFC 는 물-시멘트 비가 작고, 분체량이 많기 때문에 자 기수축이 크다. 그 때문에 UFC를 일반적인 철근 콘 크리트처럼 철근으로 보강하려고 하면, 철근에 의해 그림 3. UFC의 인장연화곡선 f tk/y c Leq : 등가경간장 5.2 UFC를 이용한 구조물의 설계 UFC을 이용한 경우의 구조 설계의 중점사항으로 서는 아래의 4가지가 있다. - 고압축강도를 이용한다. - 인장특성을 이용한다. - 이형철근을 사용하지 않는다. - 사용시 균열을 허용하지 않는다. 인장응력 Ec ε 1 =ε cr + ω 1k /Leq 0 ε cr ε 1 ε 2 = f tk/y c/ec = ω 2k /Leq 인장변형율 그림 4. UFC의 인장응력-변형률 곡선 98 롯데건설
(a) UFC 거더의 운반 (b) UFC 거더의 가설 사진 1. 프리텐션 UFC 거더의 시공 현황 자기 수축이 구속되어 부재 내에 인장응력이 발생 6. 맺음말 하고, 균열발생내력이 저하되거나, 경우에 따라서는 균열이 발생할 가능성이 있다. 사용시에 균열을 허 일반적으로 콘크리트를 고강도화하면 재료 단가 용하지 않는 이유는 균열이 존재하는 경우에는 균 자체는 증가하지만, 고강도화에 의해 단면의 축소, 열을 통해 부식의 원인이 되는 물질이 침투하고, 강 경량화, 장경간화가 가능하다면 재료비 전체, 혹은 섬유가 부식될 가능성이 있기 때문이다. 가설비까지 포함한 공사비에서는 그렇게 증가되지 는 않을 것이라고 생각된다. 또, 상부공이 경량화되 5.3 적용 예 면 기초공을 간략화할 수 있는 가능성도 있다. 보다 UFC를 이용한 교량으로서는 일본 내에 있어서는 더 고강도화로 인해 내구성의 향상도 고려한다면 두 개의 보도교가 공용되고 있고, 최근에는 도로교 LCC(Life Cycle Cost)의 저감도 기대할 수 있다. 에 적용되기 시작하고 있다. 사진 1은 동규슈의 도 즉 고강도 콘크리트를 이용하는 경우에는 단순히 로교에 채용된 UFC를 이용한 프리텐션 PC 단순합 재료단가만을 고려할 것이 아니라, 구조물 전체로 성형교의 시공 현황이며, 당초 프리텐션 PC 단순 서, 혹은 Life Cycle까지 고려하는 것이 중요하다고 중공 상판형교로 계획되어 있던 것을 설계 변경하였 생각한다. 다. UFC 프리텐션 합성형을 이용함으로써, 거더의 중량과 본 수는 당초 설계의 절반 이하가 되었으며, 가설 공사비가 대폭 절감됨과 함께 상부공의 중량도 10% 정도 저감됨으로써 UFC가 채용된 예이다. 99