조골재에 의한 콘크리트 강도 연구

各種 粗骨材 粒徑 및 혼합비율에 의한 콘크리트 강도의 影響에 관한 硏究

Ⅰ. 序言

콘크리트를 기계적 성질은 콘크리트를 MORTAR 母體와 粗骨材 粒子로 구성된 二相材料로서 Mortar Matrix 의 성질에 粗骨材 粒子의 영향을 고려하여 그 역학적 모든 특성을 추정할 수 있다는 기본적인 입장에서 수많은 연구가 진행되어 왔다. 특히 壓縮强度에 대해서는 單一粒徑粗骨材 콘크리트의 압축강도를 기본으로 하고 連續粒徑粗骨材 콘크리트에서 이속에 들어가 있는 각 粒徑의 포함량에 따른 콘크리트의 압축 강도의 추정이 가능한지의 여부를 검토하고 고강도콘크리트인 경우 강도에 영향을 미치는 粗骨材 에 관하여 지역에 따른 각종 粗骨材의 粒徑 및 혼합비율에 관한 자료를 수집하고 있으면 單一粒徑粗骨材 콘크리트의 應力一變刑曲線을 합성하므로 連續粒徑粗骨材콘크리트의 應力一變刑曲線을 추정할 수 있다. 따라서 본 연구는 앞으로 사용량이 증대될 뿐 아니라 필연적으로 요구되는 고강도 콘크리트의 배합설계법을 확립할 뿐 아니라 강도 추정이 가능하므로 안전하고 경제적인 설계에 크게 도움을 주게될 것이다.
 

Ⅱ. 粗骨材 粒徑이 强度에 미치는 影響

多質體로서의 콘크리트는 高强度일 때 Particle의 특성에 의하여 영향을 받게 되며 이와 같은 현상을 검토하기 위하여 보통 강도인 W/C= 65%에서 고강도인 W/C = 35%까지 변화시켜서 粗骨材의 粒徑의 대소에 따른 콘크리트 壓縮强度의 상황을 관찰하기로 한다.

1. 實驗的 硏究

(1) 使用 材料

시멘트는 보통 포틀랜드 시멘트를 사용하였고 骨材는 漢江産으로서 細骨材의 비중은 2.56, 細骨材의 標準粒度와 체가름 시험 결과는 <그림 1>과 같다.

細骨材는 체를 사용하여 5~10㎜, 10~15㎜, 18~20㎜, 그리고 20~25㎜의 크기로 분류하였다.

(2) 實驗 方法

細骨材는 물로 씻은 후 數日間 수중에 넣었다가 사용시 헝겊으로 닦고 표면 건조 내부 飽水狀態로 하여 사용하였다. 細骨材는 될 수 있는대로 表乾에 가까운 상태인 것을 사용하였고 매회 함수량을 측정하여 첨가 수량을 補正하였다. 각 실험시의 배합은 絶乾 配合이다.

비빔은 용량 0.1㎥인 중력식 콘크리트 믹서로 제조하였고 양생은 표준수중양생, 材令은 28일로서 10φ×20㎝의 강도 측정용 실린더 3개를 사용하였다. 압축시험은 Amsler 型 200ton 만능 시험기를 사용하였고, 載荷速度는 매초 3㎏/㎠로 하였다. 변형도는 <그림 2>에서와 같이 Dial Gage 또는 Linear Transformer로서 縱 변형도를 측정하는 한편 68㎜ Wire Strain Meter로 측정하였다.

(3) 實驗結果

물ㆍ시멘트比ㆍ骨材量,細骨材率등 배합 조건을 같이 하고 細骨材 粒徑 만을 변화시켜 비교 실험하였다. 이 실험은 4종의 물ㆍ시멘트 비에 대하여 각각 행하여졌으며 細骨材 粒徑과 콘크리트 강도와의 관계를 W/C 比와 어떤 관계를 가지고 있는지를 겸하여 검토하였다. 그리고 콘크리트의 배합과 압축강도와의 관계를 <표1>에 표시하였다. 그리고 콘크리트의 압축강도와 細骨材 粒徑 과의 관계를 <그림 3>에 나타냈다.

<그림 3> 細骨材 粒徑과 콘크리트 壓縮强度

同 도표의 橫軸은 對數 눈으로 표시하였고 細骨材 粒徑은 채눈의 크기 범위의 中央置를 가지고 표시하였다. 시험결과에 의하면 W/C比가 동일하여도 細骨材 粒徑이 커지면 압축강도는 감소한다. 그 감소의 비율은 W/C 比가 적을수록 커진다. 즉 5~10㎜와 20~25㎜의 경우 콘크리트 강도를 비교하면 W/C= 100%에서는 거의 같지만 W/C= 35%에서는 약 1:⅔의 비로 된다.

2. 理論的 考察

앞에서 시험결과에 의하면 파괴면에 나타난 골재의 태반은 그 표면이 떨어져 나가서 파쇄된 경우는 드물다. 이것은 파괴가 그 경계층에서의 附着破壞임을 보여준다고 생각된다. 이와같이 되어 얻어진 압축강도는 細骨材가 강 자갈, 유리알, 잡석 어느 경우라도 粒徑에 의하여 차이가 보여진다. 이런 경우 압축강도는 細骨材 粒徑과 본질적으로 관련이 있다고 생각된다.

<표1> 콘크리트 配合 및 壓縮强度
 

이점 K.M ALEXANDER의 보고의 결과에 의하면 콘크리트 속에 埋立된 細骨材가 MORTAR 속에 들어가 있다고 하였을 때, 압축 강도는 MORTAR 강도보다 훨씬 적은 값을 보여지고 있음을 알 수 있고 이들 관계는 다음 식에 의한다.

또한 細骨材 粒徑을 적게하면 Mortar강도와 같은 강도를 나타내는 점이 존재한다. 즉 , 細骨材 混入으로 인한 강도 감소가 0이 되는 점이 있다. 이와 같은 점에서의 粒徑을 粗骨材와 細骨材의 경계라고 생각된다.

이와 같은 粒徑 은 실험에 의하면 細骨材의 경계를 5㎜라고 칭하는 것이 강도면에서 고강도 콘크리트에서 강도 저하를 초래하지 않는 방법으로 細骨材만을 골재로 사용하는 것이다.
 

Ⅲ. 粗骨材量이 强度에 미치는 影響

粗骨材와 母體와의 경계층이 약점으로서 약화의 정도는 W/C比, 骨材 SIZE에 따라 다르다는 것을 알 수 있다. 따라서 경계층이 많으면 많을수록 즉 粗骨材量이 많을수록 약점이 많아져서 콘크리트의 강도는 저하된다. 여기서는 콘크리트 속의 粗骨材量과 압축강도와의 관계를 검토하였다. 그리고 粗骨材量과 강도와의 관계에 대한 연구로는 若林, P.N. CHRISTENSEN등이 한정된 범위의 골재에 관하여 실험을 하였고, 大井는 혼합 粒徑 細骨材에 관한 실험적 연구에서 粗骨材量이 많을수록 강도가 저하된다고 보고하고 있다.

1. 使用 材料

시멘트는 보통 포틀랜드 시멘트를 사용하였고 W/C= 30%인 경우로서 한강산 粗骨材의 粒徑은 5~10㎜, 10~15㎜, 15~20㎜의 3종으로 하였다. 또한 粗骨材量은 S/A= 35%, 40%, 그리고 45%를 선택하였다.

2. 實驗方法

압축시험은 AMSLER型 200ton만능 시험기를 사용하였고 供式體는 10φ

20㎝ Cylinder를 사용하여 mortar 및 콘크리트 압축강도를 시험하였고 그 결과는 <표 2>에 표시하였다.
 

<표 2> 粗骨材量, 配合 및 壓縮强度
 

3. 實驗結果

콘크리트의 압축강도의 값을 일괄정리한 <표2>에서 보면 W/C=30% 이며 粗骨材 함유율 V=0.4038와 V= 0.3092일 때의 강도 저하율은 粗骨材 粒徑이 5~10㎜ 일 때는 5.41%, 10~15㎜일 때의 10.11%, 15~20㎜ 일 때는 16.37%임을 알 수 있다. 이것을 도표로 나타낸 것이 <그림 7>이다. 그리고 이 결과에서 粗骨材 粒徑 및 粗骨材量과 콘크리트 강도와의 관계를 <그림 8>에 표시하였다.

4. 理論的 考察

粗骨材 콘크리트 강도에 대한 粗骨材 粒徑 및 量을 座標軸으로 한 W/C比에 대한 강도 곡면을 그린 것이 <그림 9>이다. 일반적으로 이와 같은 강도 곡면은 粗骨材의 암질, 표면, 粗骨度, 모양의 IRREGULARITH에 따라 다른 모양이 만들어진다. 앞서의 실험결과에서 粗骨材量과 콘크리트 강도와의 관계는 <그림 10>과 같을 경우, 粗骨材 體積이 및 일 때의 콘크리트 강도를 및, Mortar 강도를 라면 다음과 같은 식을 얻는다.

여기서, 

F_v : 粒徑 φ₁인 粗骨材 v를 가진 콘크리트 강도
φ_1, V₁ : K를 결정하였을 때의 粗骨材의 粒徑, 體積 在來 언급한 바와 같이 콘크리트 강도가 W/C 比에 의하여 정해진다는 것은 불충분하며 고강도콘크리트의 경우에는 粗骨材의 크기와 양에 의하여서도 강도에 영향을 미친다는 것을 알 수 있다.
 

Ⅳ. 任意 粗度 粗骨材의 强度에 미치는 影響

1. 使用 材料

콘크리트 제조에 사용된 시멘트는 보통 포틀랜드 시멘트로서 材令 7일 및 28일의 압축강도 270㎏/㎠ 및 460㎏/㎠이다. 5~10㎜, 10~15㎜, 그리고 15~20㎜인 단일 粒徑과 그들의 혼합비율 1:2:1인 연속 粒度 細骨材를 사용하였다. 콘크리트의 배합은 <표3>과 같고 細骨材率은 35, 40, 그리고 45%, 물-시멘트 比를 같고 細骨材率 30,35,40% 그리고 45%로 변화시키고 고성능 減水劑(MIGHTY 150)을 시멘트 중량의 1.8% 혼입하였다. 공시체는 φ10 ×20㎝ cylinder를 사용하였고 20℃수중양생을 하였다. 압축강도시에 시공체의 종방향의 변형도를 實測하기 위하여 GL = 68㎜인 wire strain gage 두 장을 붙이고 변형 軟化域까지의 응력일변형도 곡선의 측정을 耐壓板 사이를 鋼性이 큰 4개의 PC剛棒의 기둥으로 견고한 특수 장치를 사용하였다.

2. 應力一變度曲線의 實測結果

<그림 11>은 連續粒徑 粗骨材 콘크리트의 응력일변형도 곡선과 5~10㎜, 10~15㎜ 및 15~20㎜ 인 3종의 단입일경 粗骨材 콘크리트의 응력일변형도곡선 그리고 혼합비 1:2:1인 3종의 단일입경 粗骨材 콘크리트의 응력일변형도 곡선을 합성한 합성곡선을 표시한 것이다.

<그림 11> 單一粒徑, 連續粒徑 및 合成粒徑 콘크리트의 응력일변형도곡선

<표3> 콘크리트 배합표
 

<표4> 壓縮强度 實驗 結果(㎏/㎠)
 

<표5> 최대응력시에 있어서의 압축변형도(×10^-6)

<표6> K₁, K₃ 最大置에 있어서의 압축변형도 (×10^-6)

도표에서도 알 수 있듯이 實測한 연속입도곡선과 합성한 곡선과는 대단히 잘 일치됨을 알 수 있다. 이것은 여러 가지 단일입경 조골재 콘크리트의 응력일변형도곡선을 기본으로 해 이를 합성하면 연속입경을 가진 강 자갈 콘크리트의 응력일변형도곡선을 추정할 수 있다. <표 4> 는 각종 콘크리트의 단일입경 5~10㎜, 10~15㎜, 15~20㎜와 연속입도와 압축강도 및 합성된 압축강도를 나타내고 이 표에서 각종 콘크리트의 어느 경우에도 압축강도는 5~10㎜, 10~15㎜ 및 15~20㎜의 순으로 저하하고 있으며 연속입도의 압축강도와 합성한 것의 압축강도는 거의 같으며 다음과 같은 식이 성립한다.

F_c = Σ(F_i ×K_i)

다만,

F_c : 임의의 粗骨材 함유율을 가진 連續粒度인 콘크리트의 압축강도

F_i : 임의의 粗骨材 함유율을 가진 單一粒經 I의 콘크리트의 압축강도

K_i : 임의의 粗骨材 함유율을 가진 連續粒經 콘크리트에 포함된 單一粒經 i의 혼합비율

<그림 12> 단일입경골재 콘크리트의 압축강도와 조골재입경관게의 일례

다음 <그림12>는 각종 콘크리트의 MORTAR 및 單一粒經 5~10㎜, 10~15㎜, 15~20㎜인 압축강도를 PLOT 하고 그 사이를 最小 自乘法으로 연결한 GRAPH의 한 예이다. 이 도표에서 모든 콘크리트에서 Mortar의 압축 강도가 최대이며 粗骨材의 입경이 커짐에 따라 5~10㎜, 10~15㎜, 15~20㎜ 의 순으로 압축강도의 값이 저하된다. 고강도 콘크리트에서의 粗骨材는 콘크리트에 缺陷의 정도가 커져서 강도의 저하가 빨리 일어나는 것으로 최대응력시 압축변형도가 粗骨材 입경이 커질수록 적어진다고 생각된다. 물론 단일입경 콘크리트의 최대 응력시 압축변형도에서 합성되는 것은 前述한 바와 같다. <표 6>은 각종 콘크리트의 K₁, K₃ 최대시의 압축 변형도를 표시한 것이다. 단일입경, 연속입경에 관계없이 동일배합 콘크리트에서의 변형도는 거의 같은 값을 나타내고 있다. 즉, 변형도의 경우에는 조골재 입경에는 거의 영향을 받지 않는다. 따라서 단일입경 조골재 콘크리트 값에서 합성한 연속입경 조골재 콘크리트의 변형도는 실험치와 잘 일치함을 알 수 있다. 본 실험내에 있어서의 K₁, K₃ 최대시 압축변형도는 3~3.5%의 범위내에 있다.

<표7> 彈性係數(㎏/㎠)
 

<표7> 은 각종 콘크리트의 탄성계수의 값으로서 단일입경의 경우에서나 연속입경 콘크리트 압축강도 F_c에 따라 F_c/3 의 압축응력에 대한 SECANT MODULUS의 값을 구하였다. 이 표에서도 탄성계수의 경우도 조골재 입경에 관계없이 동일 배합 콘크리트일 경우에는 거의 같은 값을 나타내고 있다.

 

Ⅴ. 結論

1. 고강도 콘크리트에서의 조골재는 콘크리트에서의 결함으로서 조골재량이 같을 경우라도 조골재 입경이 클수록 결함의 정도가 크다.

2. 압축 강도와 최대 응력시 압축변형도는 조골재 입경의 영향을 받고 조골재 입경이 커질수록 압축강도는 저하되며 최대응력시 압축변형도도 적다.

3. 탄성계수와 K₁, K₃ 최대시 압축변형도는 동일배합 콘크리트일 때 조골재 입경의 영향을 거의 받지 않는다.

4. 연속입경 조골재 콘크리트의 응력변형도곡선은 대단히 잘 일치되고 있다. 따라서 연속입경 조골재 콘크리트의 응력일변형도곡선은 단일입경 조골재 콘크리트의 응력일변형도곡선을 바탕으로 하였을 때 연속입경 조골재의 혼합비율로서 추정할 수 있다.

5. 연속입경 조골재 콘크리트의 압축강도 및 최대응력시 압축변형도는 단일입경 조골재 콘크리트를 바탕으로 하여 연속입경의 조골재의 혼합비율로서 콘크리트의압축강도를 추정할 수 있다.