J Rec Const Resources 2(4)354-359(2014) http://dx.doi.org/10.14190/jrcr.2014.2.4.354 Print ISSN : 2288-3320 Online ISSN : 2288-369X 혼화재를다량치환한경량및보통중량콘크리트의압축피로특성평가 Evaluation on Fatigue Performance in Compression of Normaland Light-weight Concrete Mixtures with High Volume SCM 문재성 1 * 양근혁 2 Jae-Sung Mun 1 * Keun-Hyeok Yang 2 (Received December 20, 2014 / Revised December 24, 2014 / Accepted December 25, 2014) The objective of this study is to examine the fatigue behavior in compression of normal-weight and lightweight concrete mixtures with high volume supplementary cementitious material(scm). The selected binder composition was 30% ordinary portland cement, 20% fly-ash, and 50% ground granulated blast-furnace slag. The targeted compressive strength of concrete was 40 MPa. For the cyclic loading, the constant maximum stress level varied to be 75%, 80%, and 90% of the static uniaxial compressive strength, whereas the constant minimum stress level was fixed at 10% of the static strength. The test results showed that fatigue life of high volume SCM lightweight concrete was lower than the companion normalweight concrete. The value of the fatigue strain at the maximum stress level intersected the descending branch of the monotonic stress-strain curve after approximately 90% of the fatigue life. 키워드 : 다량치환혼화재, 경량콘크리트, 압축피로, 응력 - 변형률관계 Keywords : High volume SCM, Lightweight concrete, Fatigue in compression, stress-strain relationship 1. 서론 최근전세계적으로 CO 2 의증가로대변되는환경문제와자원고갈의문제가대두되고있다. 이에따라콘크리트산업분야에서도산업부산물인고로슬래그 (Ground granulated blast-furnace slag, GGBS) 와플라이애쉬 (Fly-ash, FA) 를기존에결합재로사용되는보통포틀랜드시멘트 (Odinary portlad cement, OPC) 를대체및치환하여사용하는것에대한연구및적용사례가증가하고있다. GGBS 와 FA 의사용은장기재령에서높은압축강도, 및수화열저감등의장점을갖는다. 바텀애쉬와같은산업부산물로부터생산되는경량골재콘크리트역시자원의재활용측면에서친환경성을갖는것으로보고되고있다 (Neville 1995). 경량콘크리트는일반적으로 1400~2000kg/m 3 의낮은비중을갖는다. 이러한장점을통하여최근에는자중을감소시키기위하여건축물에적용하는경우가증가하고있다. 플라이애쉬및고로슬래그는콘크리트의염화물확산계수를저하시키는데유리하다고보고되고있다 (Shi et al. 2006; Duxson et al. 2007; Pacheco et al. 2008). 이에따라해양콘크리트구조부재에서 FA 또는 GGBS 와같은혼화재 (supplementary cementitious materials, SCMs) 의다량치환이점차시도되고있다. 또한일반적으로프리캐스트로제작되는해양콘크리트부재들은운반및시공에서의경제성을고려하여경량콘크리트의적용이관심을끌고있다. 부유시설을포함한해양콘크리트구조부재는파도및조류에의한피로하중의영향을받는다. 즉, 이들해양콘크리트구조부재들은내염해와같은내구성과함께피로거동에대해세심하게평가되어야만한다. 하지만혼화재다량치환콘크리트및경량콘크리트에서피로거동에대한유용한자료는매우적은상황이다. 콘크리트의피로거동은사용재료, 공기량, 물-시멘트비등의배합조건, 양생온도및습도등에따른환경요인그리고하중이력, 하중폭및가력속도등의하중재하요인등과같은다양한조건에 * Corresponding author E-mail: whenwhere@kgu.ac.kr 1 경기대학교일반대학원건축공학과 (Department of Architectural Engineering, Kyonggi University Graduate School, Kyonggi-do, 443-760, Korea) 2 경기대학교플랜트 건축공학과 (Department of Plant Architectural Engineering, Kyonggi University, Kyonggi-do, 443-760, Korea) Copyright c 2014 by Korean Recycled Construction Resources Institute This is an Open-Access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution Non-Commercial License (http://creativecommons.org/licenses/by-nc/3.0) which permits unrestricted non-commercial use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited
혼화재를다량치환한경량및보통중량콘크리트의압축피로특성평가 따라서영향을받는다 (Sparks and Menzies 1973; Tepfers and Kutti 1979; Maekawa and Okamura 1983; Lee and Barr 2004). 일반적으로콘크리트의피로한계는 10 10 6 으로높은반복횟수의피로강도를갖는것으로알려져있다 (ACI 215, 1997). 이러한이유로대부분콘크리트구조물의설계는피로를고려하고있지않다. 하지만, 피로거동은반복하중으로인하여내부균열이발생하여영구적인손상이일어나구조물이사용하중에도달하기전에피로하중으로인하여급작스러운파괴가발생할수있다. 특히, 파도및조류에의한영향을받는해양구조물과자동차의통행에따른반복하중을받는도로및교량의슬래브등은피로거동에의한파괴에매우취약하여피로에대한설계가필요하다 (Xiao and Yang 2013). 이연구에서는피로하중하에서균열의진전및응력-변형률거동의측정을통하여혼화재다량치환된보통중량및경량콘크리트의피로수명을평가하였다. 콘크리트의설계압축강도는 40MPa 이다. 압축피로실험은최대응력비 (0.75f ck, 0.80f ck, 0.9f ck) 및최소응력비 (0.1f ck) 사이에서 1Hz의속도로수행하였다. 2. 실험 2.1 배합설계 압축피로특성을평가하기위한 High volume SCM 경량및보통중량콘크리트에대한배합은 Table 1에나타내었다. 배합설계는해양콘크리트와프리캐스트콘크리트를고려하여목표압축강도 40MPa 로설정하였다. 슬럼프는타설을고려하여 200±10mm 으로설정하였으며, 공기량은 3±0.5% 로하였다. 사용된결합재의비율은 OPC : FA : GGBS 는 30 : 20 : 50 로하였다. 경량콘크리트는골재의낮은강성을고려하여보통중량콘크리트보다 5% 낮은물-결합재비 (W/B) 로설정하였다. 또한경량콘크리트의단위용적중량은 1,700kg/m 3 으로하였다. Table 1. Mixture proportions of each concrete specimen Speci Concrete W/B S/a Unit weight (kg/m 3 ) -men type (%) (%) OPC FA GGBS F C HL LWC 25 42 186 310 124 518 570 HN NWC 30 45 155 258 103 772 943 *W, OPC, FA, GGBS, F, anc C indicate water, ordinary portland cement, fly-ash, ground granulated blast-furnace slag, and fine and coarse aggregates, respectively. 2.2 재료특성 사용된결합재의화학적조성 Table 2에나타내었다. OPC 는 CaO와 SiO 2 가주요성분으로그성분비는각각 62% 와 21.3% 이었으며, 비중과분말도는각각 3.15, 3,800cm 2 /g이였다. GGBS는 CaO와 SiO 2 가주요성분으로그성분비는각각 44.38% 와 31.55% 이었으며, 비중과분말도는각각 2.95, 4,000 cm 2 /g이다. FA는 SiO 2 와 Al 2O 3 가주요성분으로그성분비는각각 57.0%, 29.3% 이며, CaO 가 0.4% 인 F급으로 KS 규격 2종을만족하였다. FA 의비중과분말도는각각 2.2와 4,200cm 2 /g이다. 보통중량콘크리트를위한굵은골재와잔골재의최대크기는각각 19mm 와 5mm 이다. 경량골재는국내산팽창점토구조용골재를사용하였으며, KS 기준에준하여체가름실험을실시하였다. 인공경량굵은골재및잔골재의최대크기는각각 19mm와 4mm이다. 경량골재는보통중량골재와비교하여높은흡수율을갖는다. 사용된경량굵은골재와잔골재의흡수율은각각 18.96, 13.68% 였다 (Table 3). 이에따라배합에사용된경량골재는 24시간침수후표건상태로사용되었다. 경량골재는콘크리트배합시함수율을측정하여단위수량에서보정하였다. Table 2. Chemical composition of cementitious materials (% by volume) Materials SiO 2 Al 2O 3 Fe 2O 3 CaO MgO K 2O TiO 2 OPC 22.1 5.0 3.0 64.8 1.6 0.54 0.3 GGBS 31.55 13.79 0.53 44.38 5.2 0.4 0.98 FA 53.3 279 7.8 6.79 1.11 0.84 - Table 3. Physical properties of aggregates used Coarse aggregate Fine aggregate Type Expanded clay granule G max (mm) Density Water absorption (%) FM Unit weight (kg/m 3 ) 19 1.21 18.96 6.56 729 Granite 19 2.65 0.62 6.05 1700 Expanded clay 4 1.65 13.68 4.34 832 granule Natural sand 5 2.60 1.85 2.51 1750 G max is the maximum size of aggregates and FM is the fineness modulus of aggregates. 2.3 실험방법및측정 High volume SCM 경량및보통중량콘크리트의배합은 80l 강 한국건설순환자원학회논문집 2014 년 12 월 355
문재성 양근혁 응력폭을모사한 sine 파를기본으로설정하였으며, 가력속도는 1Hz로수행되었다 (Fig. 2). 압축피로의평가는피로수명과정적및피로응력-변형률관계그리고피로및잔존변형률이측정되었다. 3. 실험결과및분석 Fig. 1. Range of maximum and minimum stress for fatigue. 이연구에서수행된정적압축실험에대한결과는 Table 4에피로압축실험결과는 Table 5에요약하였다. 굳지않은콘크리트에서슬럼프및공기량은목표값을만족하였다. 즉공기량은보통중량콘크리트와경량콘크리트에서각각 3.1% 와 2.6% 로측정되었다. 보통중량콘크리트는압축강도 39.82MPa 로목표압축강도를만족한반면, 경량콘크리트는 35.29MPa 로약 10% 낮은압축강도를보였다. 피로특성평가를위한하중가력은정적압축거동의특성들을고려하였다. 3.1 균열진전 Fig. 2. Loading history. 제식믹서기로결합재와골재를 1분간건비빔후물을혼입하여 1분간습비빔을실시하였다. 굳기전콘크리트에서는 KS 기준 (2006) 에준하여슬럼프와공기량실험을실시하였다. 압축피로의실험은 100 200mm의원주형공시체를 91일간 20±2, 상대습도 60% 에서기건양생을실시한실험체를사용하였다. 피로강도는응력비와가력속도에따라가장큰영향을받는다. 수행된실험의최대응력비 ( ) 는정적실험으로측정된응력의 0.9, 0.8, 0.75로수행되었으며, 최소응력비 ( min ) 는정적압축강도의 0.1로설정하였다 (Fig. 1). 응력의가력이력은동일한 압축피로에따른경량및보통중량콘크리트내부의균열진전은 Fig. 3에나타내었다. 일반적으로피로거동은내부균열의생성되고반복하중에의하여내부균열이파괴시까지진전되는특성을갖는다. 실험결과, 피로거동에따른내부균열은정적하중으로가력한실험체와같은균열전진을보였다. 즉, 경량콘크리트의경우페이스트와골재계면의점착력보다낮은골재의강도로인 Table 4. Properties of fresh concrete and monolithic compressive test results Speci -men (mm) (%) (MPa) (MPa) HL 206 2.6 35.29 13254 0.00256 HN 200 3.1 39.82 26911 0.00257 *,,, and are initial slump, air conctent, compressive strength at 28 days, elasticity and strain at peak stress Table 5. Summary of fatigue test results Speci -mens Number of failure ( ) Maximum fatigue Maximum residual strain strain at failure ( ) at failure ( ) Normalized maximum fatigue strain ( ) Normalized maximum residual strain ( ) 0.9 0.8 0.75 0.9 0.8 0.75 0.9 0.8 0.75 0.9 0.8 0.75 0.9 0.8 0.75 HL 43 2121 22522 0.0043 0.0043 0.0043 0.0015 0.0020 0.0021 1.678 1.682 1.689 0.581 0.808 0.813 HN 154 8500 63248 0.0046 0.0048 0.0051 0.0024 0.0025 0.0025 1.794 1.887 1.966 0.966 0.972 0.974 356 Vol. 2, No. 4 (2014)
혼화재를다량치환한경량및보통중량콘크리트의압축피로특성평가 나타낸다. 하지만, 경량콘크리트가보통중량콘크리트보다낮은압축강도를갖음에도불구하고경량콘크리트가보통중량콘크리트와비교하여낮은피로수명을갖는것으로평가되었다. 이러한결과는균열전진평가에서와같이경량골재의낮은강도로생기는관통균열이원인으로판단된다. 3.3 피로응력 - 변형률관계 (a) LWC (b) NWC Fig. 3. Typical crack propagation at failure surface 하여골재를관통하는균열이생성되었으며, 보통중량콘크리트의경우페이스트와골재의계면에서균열이전진되는결과를갖는것으로평가되었다. 경량콘크리트에서관찰된균열의골재관통은취성적피로거동으로연결되었다. 3.2 피로수명 (S-Nf 관계 ) 혼화재다량치환경량및보통중량콘크리트의피로파괴횟수는최대응력비에따른결과를나타내었다 (Table 5, Fig. 4). 최대응력비와피로수명의관계는상용로그에대하여선형반비례관계를보이는것을나타났다. 즉, 단위용적중량과상관없이응력비가감소함에따라서피로수명이증가하는경향을보였다. 이는콘크리트뿐만아니라모든재료적특성으로평가된다. 일반적으로압축강도가낮을수록피로수명이증가하는경향을 혼화재다량치환경량및보통중량콘크리트의피로응력-변형률관계는동일한응력비의영향으로분석하기위하여응력비와변형률의관계로 Fig. 5, 6에나타내었으며, 동일한그림에정적응력-변형률관계를같이나타내었다. 압축피로응력-변형률관계는경량및보통중량콘크리트와관계없이같은경향성을보였다. 즉응력비가감소할수록반복가력횟수는증가하였지만, 정적응력-변형률관계의최대응력이후곡선의범위에서파괴되는것으로평가되었다. 또한반복횟수가증가함에따라서피로변형률과잔존변형률이증가하였다. 특히피로변형률의증가는잔존변형률의증가와비교하여증가폭이크게평가되었다. 이에따라서피로응력-변형률관계는반복가력횟수가증가함에따라그래프의기울기가작아지는경향을보였다. 경량콘크리트의압축피로응력-변형률관계는보통중량콘크리트와비교하여상승가력곡선과하강가력곡선의폭이적게나타났다. 이는경량콘크리트의경우골재의관통파괴가일어나서가력되는하중에서벌어졌던균열이하강가력곡선에서빠르게닫히는것이원인으로판단된다. 4. 결론 혼화재다량치환경량및보통중량콘크리트의응력비에따른압축피로특성을평가하였다. 본연구에서측정한압축피로응력 - 변형률관계는시멘트콘크리트의특성과비교함으로서결합재의특성이압축피로에미치는영향을평가할수있는데, 이는추후연구에서제시될것이다. 본실험으로부터다음과같은결론을얻었다. Fig. 4. S-N f relationships of concrete specimens 1) 압축피로에의한균열전진은경량콘크리트에서는골재의관통파괴에의한균열전진을보였으며, 보통중량콘크리트의경우는골재와페이스트계면에서균열의전진이있었다. 2) 압축피로에의한피로수명은응력비가감소함에따라증가하였으며, 상용로그함수에대하여반비례하였다. 한국건설순환자원학회논문집 2014 년 12 월 357
문재성 양근혁 (a) S max = 0.9 (a) S max = 0.9 (b) S max = 0.8 (b) S max = 0.8 (c) S max = 0.75 Fig. 5. Fatigue stress-strain curve of high volume SCM lightweight concrete (c) S max = 0.75 Fig. 6. Fatigue stress-strain curve of high volume SCM normalweight concrete 3) 동일한응력비에서경량콘크리트가보통중량콘크리트와비교하여낮은피로수명을보였다. 4) 피로응력 -변형률관계에서압축피로에의하여파괴되는변형률의위치는콘크리트종류에관계없이정적하중하의응력- 변 형률관계의하강곡선기울기와교차하였다. 5) 피로응력-변형률관계에서상승가력하중곡선과하강가력곡선의폭은보통중량콘크리트보다경량콘크리트에서적었다. 358 Vol. 2, No. 4 (2014)
혼화재를다량치환한경량및보통중량콘크리트의압축피로특성평가 감사의글 본연구는 2013 년도미래창조과학부의재원으로한국연구재단 -공공복지안전연구사업의지원을받아수행되었습니다.(No. 2013067519). References ACI Committee 215.R-92.(1997), Considerations for Design of Concrete Structures Subjected to Fatigue Loading (Reapproved 1997), ACI Manual of Concrete, 24. Duxson P, Fernández-Jimánez, Provis JL, Lukey GC, Palomo A, van Deventer JSJ. (2007). Geopolymer technology: the current state of the art. Journal of Materials Science, 42(9), 2917-2933. Korea Industrial Standard. (2006). Koean Strandards Information Center. Lee, M. K., and Barr, B. I. G.(2004) An overview of the fatigue behavior of plain and fibre reinforced concrete, Cement and Concrete Composites, 26, 299-305. Maekawa K, Okamura H. (1983). The deformational behavior and constitutive equation of concrete using the elastoplastic and fracture model. Journal of Faculty Engineering, University of Tokyo, 37(2), 253-328. Neville AM. (1995). Properties of concrete, Longman, England. Pacheco-Torgal F, Castro-Gomes J, Jalali, S. (2008). Alkaliactivated binders: a review. Construction and Building Materials, 22(7), 1305-1322. Shi C, Krivenko PV, Roy D. (2006). Alkali-activated cements and concretes. Taylor and Francis. Sparks, P.R. and Menzies, J.B. (1973). The effect of the rate of loading upon the static and fatigue strengths of plain concrete in compression. Magazine of Concrete Research, 75(83), 73-80. Tepfers, R., and Kutti, T. (1979). Fatigue Strength of Plain, Ordinary, and Lightweight Concrete, ACI Journal Proceedings 76(5), 635-652. 혼화재를다량치환한경량및보통중량콘크리트의압축피로특성평가이연구의목적은혼화재다량치환경량및보통중량콘크리트의압축피로특성평가이다. 사용된결합재는시멘트 30%, 플라이애쉬 20%, 고로슬래그 50% 이다. 콘크리트의설계압축강도는 40MPa 이다. 반복하중은최대응력비가정적콘크리트압축강도의 75%, 80% 및 90% 와최소응력비가정적강도의 10% 범위에서 1Hz의속도로가력하였다. 실험결과혼화재다량치환경량콘크리트의피로수명은혼화재다량치환보통중량콘크리트에비해다소낮았다. 최대응력에서의피로변형률값은피로수명의약 90% 이후부터정정응력-변형률곡선의하강부와교차하였다. 한국건설순환자원학회논문집 2014 년 12 월 359