현대 교량이 연속화, 장대화되어 가는 추세에 따라 강-콘크리트 합성거더교의 내구성 및 안전성 확보를 위해 콘크리트의 건조수축과 크리프 등 장기거동에 의한 영향이 정확히 평가 산정되어야 한다. 그러나, 현 도로교 설계기준에 주어진 최종 건조수축 변형률은 $180^{1\;2}$인데 이는 실험적 연구 등을 통해서 밝혀진 값보다 현저히 작은 값으로 여러 시공사례에서 문제점이 발견되고 있는 등 건조수축에 의한 영향이 과소평가 되고 있어 이에 대한 수정이 필요한 시점에 있다. 이에 본 논문에서는 바닥판으로 콘크리트 슬래브를 적용한 플레이트 거더교 박스 거더교, 플리플렉스빔교를 대상으로 콘크리트 구조설계기준에 제시된 건조수축 및 크리프에 대한 규정을 적용하여 시간단계별 비선형 해석을 수행하였고, 얻어진 결과를 도로교 설계기준에 따라 산정된 값들과 비교 분석하여, 최종적으로 비선형 해석의 결과와 동일한 응력을 발생시키는 선형등가 건조수축 변형률을 산정하였다. 그 결과 도로교 설계기준에서 제시한 $180^{1\;2}$ 보다 대략 2배의 값을 적용하는 것이 실제의 건조수축의 영향을 반영하는 것으로 나타났다.
유동화 콘크리트의 건조수축 및 크리프 특성을 검토하기 위하여 유동화제 2종류와 일반감수제 1종류를 사용하여 재하 하중조건(압축강도의 15% 및 30%)별, 양생조건별로 압축강도 및 건조수축을 측정하고 기건상태하의 크리프 및 크리프변형을 측정하여 유동화 콘크리트의 장기 변형특성을 검토하였다. 그 결과, 유동화 콘크리트는 보통 콘크리트에 비하여 재령 28일의 압축강도는 약 22% 증가하였고, 건조수축은 15% 감소하였으며, 크리프변형은 약 11% 감소하였고 28일간의 크리프회복은 보통 콘크리트에 비하여 작음을 알 수 있었다. 따라서 사용목적에 따른 적절한 유동화제의 선택과 적정량의 유동화제 사용은 건조수축 및 크리프변형에 효과적인 것으로 판단된다.
물-결합재비 0.4이하의 고성능 콘크리트 수축 변형을 파악하기 위해 전체 수축을 수분의 외부이동에 의한 건조수축과 수분의 내부소모에 의한 자기수축으로 분리한 후, 자기건조에 의한 상대습도 변화와 변형률의 관계를 묘사하기 위하여 계면역학적 접근법에 의한 습도-변형률 관계를 설정하였다. 이에 대한 검증을 위해 자기수축 시험체에서의 습도-수축 측정을 수행하였으며, 기존 연구 모델인 Tazawa, CEB-FIP 모델에 비하여 측정값과 가장 유사한 결과를 나타내어 본 연구에서의 자기수축모델은 자기건조에 따른 자기수축은 선형성을 나타내는 수분의 외부이동에 의한 수축과는 달리 지수적 관계를 갖는 특성과 초기재령에서의 급속한 자기수축 발현 특성을 적절히 묘사하고 있음을 알 수 있었다. 이 후 본 연구의 수분이동-수축 모델을 반영하여 온도, 수분이동, 변형률 해석의 다중물리 모델 해석과 모형시험체 측정을 수행한 결과 매우 유사한 값을 나타내어 본 연구를 통해 측정된 수분의 내부소모에 의한 습도와 수축변형률을 고려한 다중물리모델은 타당할 것으로 판단된다.
이 연구의 목적은 중량 자철석 콘크리트의 건조수축 및 자기건조수축의 평가이다. 이를 위한 주요변수는 결합재 대비 플라이애쉬의 치환률 5~35% 총 5배합이 수행되었다. 측정된 건조수축 변형률은 CEB-FIP와 Yang et al.의 제안모델과 비교 분석하였다. 실험결과, 건조수축 변형률 및 자기 건조수축 변형률은 플라이애쉬의 치환율이 15% 이상에서 그 치환율이 증가함에 따라 감소하였다. CEB-FIP 제안모델과 실험값의 비교는 CEB-FIP의 예측값이 약 1.2배 이상 높게 나타났으며, 이러한 경향은 재령이 증가함에 따라 현저하였다. 반면, Yang et al.의 모델은 자철석 중량콘크리트의 건조수축 변형률을 잘 예측하였다.
고층건물 콘크리트 슬래브에 발생하는 건조수축변형은 기둥이나 벽체 등의 구조부재에 의해 변형발생이 제한되고 이로 인한 인장응력이 부재의 인장강도를 초과하게 되면 균열이 발생한다. 이 논문에서는 건조수축과 크리프, 철근효과 등 콘크리트의 재료특성과 시공단계에 따른 건조수축을 고려하여 슬래브에 발생하는 응력을 산정하는 실용적인 해석방법을 제안하였다. 건조수축으로 인해 부재에 작용하는 인장응력은 건조수축변형을 등가온도하중으로 치환하여 계산할 수 있으며, 건조수축과는 달리 응력을 이완시켜 주는 크리프의 영향은 콘크리트의 탄성계수 Ec 대신에 크리프를 고려한 콘크리트의 유효탄성계수 E eff를 사용하고, 배근된 철근은 등가의 보요소로 모델링하여 해석에 반영할 수 있다. 또한 고층건물 슬래브에서 발생하는 건조수축응력은 그 층에서 발생한 건조수축량과 하부 층의 건조수축량의 차이인 유효건조수축에 의한 응력임을 고려하여 각 시공단계마다 발생하는 응력을 단계별 해석을 수행하여 구하고 이를 합산함으로서 슬래브에 최종적으로 발생하는 응력을 산정한다. 10층 규모에 예제건물을 대상으로 해석한 결과, 상부 층으로 갈수록 점차 건조수축응력이 줄어들며 전체 구조물에 발생한 응력은 저층부(1~2층)에서는 기준강도를 초과하나 3층 이상의 고층부에서는 기준강도의 27.9~92.8% 수준으로 나타났다.
최근에는 공사기간을 단축하기 위해서 데크플레이트 외에 half PC 슬래브의 사용도 점차적으로 증가하고 있는 실정이다. PC 슬래브 위에 후타설되는 topping concrete 의 건조수축 변형이 PC 슬래브에 의해 구속을 받게 되므로 topping concrete 에 건조수축에 의한 균열이 발생할 수 있다. 따라서 half PC 슬래브의 품질을 향상시키고 내구성능을 증가시키기 위해서 건조수축에 의한 half PC 슬래브의 거동을 사전에 정확히 예측하는 것이 중요하다. 하지만 아직까지 half PC 슬래브의 수축거동 예측에 관한 연구결과가 없는 실정이므로 본 연구에서는 half PC 슬래브를 대상으로 건조수축거동을 관찰하였으며, 크리프특성을 고려한 증분법에 의한 수축거동을 예측한 후 실측값과 비교하여 그 타당성을 검토하였다. 그 결과 건조수축의 구속작용에 의해 half PC 슬래브에 발생하는 인장변형률은 구속률 개념과 증분법을 적용하여 예측이 가능한 것으로 확인되었다.
알칼리활성(alkali-activated, AA) 슬래그 콘크리트의 건조수축 변형률을 평가하고 설계기준 및 제안모델의 적용성을 확인하기 위하여 단위수량, 물-결합재비 및 잔골재율을 변수로 17배합의 콘크리트를 준비하였다. 측정된 시간함수 및 건조수축 변형률은 ACI 209 및 CEB-FIP 기준식과 Yang 등의 제안모델과 비교하였다. 실험 결과 AA 슬래그 콘크리트의 건조수축 변형률은 물-결합재비에 현저히 영향을 받았지만 물-결합재비에 대한 시간함수의 영향은 비교적 작았다. AA 슬래그 콘크리트의 건조수축 변형률은 단위수량 $185kg/m^3$이상일 때 급격히 증가하였다. 반면, 잔골재율이 AA 슬래그 콘크리트 건조수축에 미치는 영향은 미미했다. 실험 결과와 평가모델의 비교에서 ACI 209 식은 AA슬래그 콘크리트의 건조수축을 상당히 과대평가하였으며, CEB-FIP 기준식은 재령 28일 이후 과소평가 정도가 증가하는 경향이 있었다. 반면 Yang 등의 모델의 오차계수의 평균과 표준편차가 0.16과 0.07로서 실험 결과와 잘 일치하였다.
콘크리트내의 물의 흐름의 양과 방향을 결정하는 수리에너지의 분포는 그양의 변화에 따라 콘크리트의 수축과 팽창을 지배하는 응력의 일종이다. 따라서 이 수리에너지와 건조수축 변형율 사이에는 직접적인 연관관계가 있다. 본 논문에서는 건조수축과 수리에너지 사이의 이론적인 관계를 논리적으로 유도하여 두 개의 변수사이의 상관관계를 밝히는 이론식을 유도하였다. 본 논문에서는 세 개의 건조수축 작동구조(메카니즘)중 평상적인 상대습도하에서, 즉 50%이상에서, 작용하는 작동구조만을 고려하였다. 열전 쌍 싸이크로미터를 콘크리트 슬라브에 매설하여 수리에너지를 측정하고 동시에 건조수축량을 측정하여 두 측정값사이의 상관관계를 밝힘으로서 유도된 이론을 증명하고자 하였다. 측정결과는 본 이론의 타당성을 증명하는 동시에 본 이론이 실제 구조물의 건조수축량의 측정에 이용될수 있는 방법도 동시에 보여 주었다.
시멘트 모르터의 소성수축에 의한 균열을 방지하기 위해 소성수축 특성에 관한 연구를 수행하였다. 우리나라 봄철의 대표적인 기후인 온도 20$\pm$3$^{\circ}C$, 상대습도 55%, 풍속 3.5m/s의 기후조건으로 하였으며, 모르터의 물 시멘트 비, 시멘트 골재 비, 팽창재 사용, 플라이 애쉬 치환, 수분증발을 억제하기 위한 중점제 등을 사용하여 소성수축의 특성을 검토하였다. 연구 결과 소성수축 변형은 응결시간과 밀접한 관계가 있으며 응결시간이 빠를수록 변형은 크게 나타났다. 또한 물시멘트 비에 의해서도 소성수축 변형은 큰 것으로 나타났다. 모르터에서의 골재 비율이 작거나, 플라이 애쉬의 치환율이 클수록 소성수축 변형은 매우 크게 나타났다. 중점제의 사용은 소성수축 변형을 줄이는데 효과가 있었으며, 건조수축 보상용 팽창재의 사용은 소성수축 변형율을 크게 하는데 이는 ettringite 생성에 의한 물 시멘트 비의 감소효과를 가져오기 때문이다.
본 연구에서는 다양한 포장용 콘크리트 배합의 건조수축 특성에 관한 실험결과를 분석하였다. 실험변수는 굵은골재의 종류(석회암, 사암, 화강암, 안산암, 편마암)와 잔골재의 종류(자연사, 부순모래) 및 콘크리트의 배합강도(보통강도, 고강도)를 달리하였다. 그리고 형상비가 22.2, 40, 85.7, 150, 200, 300을 갖도록 시편의 크기를 달리하였으며 코팅제(U&V-H(A,B))를 활용하였다. 다이얼게이지를 이용하여 항온($20^{\circ}C$) 항습(60%)에서 수행된 건조수축 실험은 길게는 1,014일 동안 측정하였다. KS에서 제시하는 표준시편에 비해 도로포장 모사용 슬래브 시편의 건조수축 변형률은 약 39% 감소되는 것으로 나타났다. 또한 동일한 형상비에 대해 굵은골재의 변화에 따른 건조수축 실험결과 석회암이 배합된 시편의 변형률이 사암대비 형상비별로 56~76% 범위에서 가장 낮게 측정되어 포장용 콘크리트로 사용되는데 유리할 것으로 판단된다.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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