Correlation between the Ultrasonic Pulse Velocity and Elastic Modulus for Concrete Considering the Influence of Coarse Aggregates at High Temperatures

원창 김; 기신 정; 승구 강; 형길 최; 태규 이

doi:10.7731/KIFSE.6456575a

요 약

본 연구에서는 고온 노출 후 콘크리트에 혼합된 굵은 골재의 강성이 초음파 펄스 속도(ultrasonic pulse velocity, UPV) 및 탄성계수에 미치는 영향을 분석하였다. 시험체는 보통골재를 혼합한 보통골재 콘크리트와 경량골재를 혼합한 경량골재 콘크리트로 분류하였으며, 여러 강도 범위에서의 특성을 파악하기 위하여 W/B를 0.41, 0.33 및 0.28로 설정하였다. 측정 항목을 중량 손실, UPV 및 탄성계수로 설정하였으며, 목표 온도는 20, 100, 200, 300, 500, 700 °C로 설정하였다. 또한, UPV와 탄성계수의 상관관계를 W/B에 따라 분석하였다. 고온 노출 후, NC 대비 LC에서의 잔존 역학적 특성이 개선되었으며, UPV와 탄성계수의 상관관계 분석 결과 NC 대비 LC의 그래프가 상회하였다. 최종적으로, 고온 노출 후 UPV 분석을 통해 탄성계수 추정식을 제안하였다.

ABSTRACT

This study analyzed the effect of the hardness of coarse aggregates mixed in concrete on the ultrasonic pulse velocity (UPV) and elastic modulus after high temperature exposure. Specimens were classified into normal concrete (NC) mixed with normal aggregates and lightweight aggregate concrete (LC) mixed with lightweight aggregates, and the water-to-binder ratios (W/B) were set to 0.41, 0.33, and 0.28 to determine the characteristics at various strengths. The mass loss, UPV, and elastic modulus were investigated, and the target temperatures were set to 23, 100, 200, 300, 500, and 700 °C. In addition, the correlation between the UPV and elastic modulus was analyzed according to the W/B. After high temperature exposure, the residual mechanical properties for LC improved compared to those for NC, and the LC graph exceeded the NC graph owing to the correlation analysis between the UPV and elastic modulus. Finally, an equation for predicting the elastic modulus based on the UPV after high temperature exposure was proposed.

KeyWords: High temperature, Ultrasonic pulse velocity, Elastic modulus, Normal aggregate, Lightweight aggregate

1. 서 론

화재에 의해 콘크리트 열화는 몇 가지 주요 원인에 의해 발생한다. 약 100 °C 이후의 온도에서 시멘트 페이스트는 수축을 하며 골재는 팽창하게 된다. 이러한 열팽창 차이는 미세균열을 발생시키고 역학적 특성을 저하시킨다. 또한, 시멘트 경화체의 주요 생성물인 수산화칼슘(CaOH₂)등의 탈수 및 분해에 의해 콘크리트의 중성화 등의 열화를 촉진시켜 내구성에 손상을 준다. 또한, 고온에 장시간 노출된 콘크리트의 내부 매트릭스 붕괴는 다공성 및 상당한 균열을 초래하며 구조체로서의 역할을 수행할 수 없게 된다(1-3).

이러한 열화에 따른 콘크리트의 잔존 역학적 특성을 평가하는데 가장 정확한 방법은 직접 측정하고자 하는 구조물 부재의 코어(core)를 추출하여 파괴시험을 수행하는 것이다. 그러나 이러한 방법의 문제점은 먼저 코어를 추출한 부분의 단편적인 정보만을 얻을 수 있다. 또한, 코어 채취 과정에서 소요되는 장비, 인력, 시간 및 보수 작업은 경제적인 손실을 발생시킨다. 가장 중요한 문제점은 코어 채취 시 천공에 의한 건축물 부재의 국부적 손상으로서, 화재에 의해 열화된 콘크리트의 손상을 가하는 것은 안전성 측면에서 문제가 발생 될 것으로 판단된다. 이런 문제점 때문에 비파괴 공법이 대두되고 있으며, 비파괴 공법 중 ultrasonic pulse velocity (UPV) 공법은 장비의 휴대성 및 사용의 간편성에 따라 기존 연구자들에 의해 연구가 수행되었다(4,5).

그러나 기존 수행된 UPV 공법을 활용한 고온 이력을 받은 콘크리트에서의 연구는 강도 예측에 대한 연구가 대부분으로 탄성계수 예측을 위한 연구는 다소 미흡한 실정이다. 탄성계수는 굵은 골재의 성분, 공극, 강성 등에 영향을 받으며, Figure 1과 같이 온도 상승에 따른 굵은 골재 종류별 상이한 잔존 탄성계수를 보인다(6). 따라서, UPV 분석을 통해 정확한 탄성계수를 예측하기 위해서는 골재 종류를 고려하여 수행되어야 할 필요가 있다고 판단된다. 또한, 기존 UPV 분석을 통한 역학적 특성 추정식의 분석 결과, 고온 이력을 받기 전⋅후 콘크리트 상태에 따른 차이 때문에 결과가 다소 상이하다. 따라서, UPV 분석을 통해 기존의 탄성계수 추정식의 활용은 다소 부정확한 결과가 나타날 것으로 판단된다.

Figure 1

Effect of temperature on elastic modulus.

따라서, 본 연구에서는 고온 이력을 받은 콘크리트의 굵은 골재가 UPV 및 탄성계수에 미치는 영향을 평가하였으며, 최종적으로, 탄성계수와 UPV의 상관관계를 분석하여 UPV 분석을 통한 고온 이력을 받은 콘크리트의 탄성계수 추정식을 제안하였다. 일반적인 콘크리트에 사용되는 화강암 골재와 Coal-ash 계 경량골재를 혼합하였으며, 다양한 강도에서의 UPV 및 탄성계수의 경향을 확인하기 위하여 W/B를 0.41, 0.33 및 0.28로 분류하였다.

2. 실험 계획 및 방법

2.1 콘크리트 배합 및 실험 계획

Table 1에 본 연구의 콘크리트 배합 및 실험 계획을 나타냈다. 굵은 골재가 UPV 및 탄성계수에 미치는 영향을 분석하기 위해 보통골재를 혼합한 보통 콘크리트(normal concrete, NC) 및 경량골재를 혼합한 경량골재 콘크리트(light-weight concrete, LC)로 분류하였으며, 다양한 강도 범위에서의 영향 요인을 검토하기 위하여 W/B를 각각 0.41, 0.33 및 0.28로 설정하였다. 또한 굵은 골재가 UPV 및 탄성계수에 미치는 영향만을 분석하기 위해 단위시멘트량, 단위수량 및 잔골재를 동일하게 설정하였다.

Table 1

Mix Proportions of the NC and LC and Experimental Plan

MIX ID	f_ck (MPa)	W/B¹⁾	S/a²⁾ (%)	Unit Weight (kg/m³)				Heating Method		Test Item
MIX ID	f_ck (MPa)	W/B¹⁾	S/a²⁾ (%)	W³⁾	C⁴⁾	S⁵⁾	G⁶⁾	Temperature (°C)	Heating Rate (°C/min)	Test Item
NC41	30	0.41	46.0	165	400	799	956	20 100 200 300 500 700	1 (Maintain for 60 min)	• Mass Loss (%) • Ultrasonic Pulse Velocity (km/s) • Elastic Modulus (GPa)
LC41	30	0.41	46.0		400	799	758
NC33	45	0.33	43.0		500	711	961
LC33	45	0.33	43.0		500	711	762
NC28	60	0.28	43.0		600	676	913
LC28	60	0.28	43.0		600	676	724

1) W/B: Water/Binder; 2) S/a: Sand/aggregate; 3) W: Water; 4) C: Cement; 5) S: Sand; 6) G: Gravel

목표 가열 온도는 23, 100, 200, 300, 500 및 700 °C로 설정하였으며, 가열 속도는 1 °C/min 으로 설정하였다. 평가 항목으로 콘크리트의 중량 변화, UPV 및 탄성계수로 설정하였다.

2.2 사용재료

본 연구에서 혼합된 재료 및 재료의 물리적 특성을 Table 2에 나타냈다. 시멘트는 밀도 3.15 g/cm³, 분말도 3,200 cm²/g의 1종 포틀랜드 시멘트를 혼합하였다. 굵은 골재는 NC의 경우 밀도 2.68 g/cm³, 조립률 7.03, 흡수율 0.68% 및 최대 골재 크기 20 mm의 화강암 쇄석 골재를 혼합하였으며, LC의 경우 밀도 1.47 g/cm³, 조립률 6.39, 흡수율 8.68% 및 최대 골재 크기 20 mm의 Coal-ash 계 골재를 혼합하였다. 잔골재는 밀도 2.54 g/cm³, 조립률 2.54 및 흡수율 1.6%의 강모래를 혼합하였다.

Table 2

Physical Properties of the Materials

Materials		Properties
Cement		Type I Ordinary Portland Cement Density: 3.15 g/cm², Fineness 3,200 cm²/g
Coarse Aggregate	Crushed Granite Aggregate	Density: 2.68 g/cm², Fineness Modulus: 7.03 Absorption: 0.68%, Maximum size: 20 mm
Coarse Aggregate	Coal-ash Aggregate	Density: 1.47 g/cm², Fineness modulus: 6.39 Absorption: 8.68%, Maximum Size: 20 mm
Fine Aggregate	River Sand	Density: 2.54 g/cm², Fineness Modulus: 2.54 Absorption: 1.6%
Super Plasticizer		Polycarboxylic-based Acid

2.3 시험체 제작 및 양생 방법

콘크리트의 역학적 특성을 평가하기 위한 시험체는 KS F 2403에 따라 φ100 × 200mm 크기로 제작하였다. 시험체의 양생은 28일간 수중 양생을 실시하였으며, 이후 재령 91일까지 20 ± 2 °C, RH 60 ± 5% 항온⋅항습 상태에서 양생을 실시하였다.

2.4 고온 가열 후 역학적 특성 평가 방법

Figure 2에 본 연구에서 사용된 전기 가열로를 나타냈다. 가열 속도는 1 °C/min으로 저속 가열을 하였으며, 목표 온도 도달 후 시험체의 내⋅외부의 균등한 온도를 위해 60 min 동안 유지시켰다. 이후 24 h 동안 상온에서 가열된 시험체를 냉각시켰다.

Figure 2

Electric furnace.

시험체의 UPV는 KS F 2731 기준에 따라 재령 91일에 측정하였다. Figure 3은 UPV 측정 전경을 나타낸 것으로 콘크리트의 단면과 송신 및 수신 탐촉자와 완전한 접촉을 위하여 vacuum grease를 탐촉자 양단에 바른 후 측정하였다. UPV 계산은 가열 전 시험체의 크기, 초음파 통과 시간을 측정하여 수행하였다. 탄성계수는 KS F 2438의 기준에 따라 측정하였다.

Figure 3

Ultrasonic pulse velocity test.

3. 실험 결과

3.1 고온 전⋅후의 콘크리트의 중량 변화

Figure 4에 고온 노출 후 NC 및 LC의 중량 손실을 나타냈다. 모든 수준에서 온도가 증가함에 따라 지속적으로 중량 손실이 증가하는 경향을 보였다. 300 °C에서, NC는 약 5.22%, LC는 약 9.52%의 중량 손실을 보였다. 100∼300 °C 온도 범위에서 단위 중량이 가장 크게 감소하였으며, 약 300 °C 까지 온도 범위에서 콘크리트 내부의 자유수 및 모세관수의 탈수와, 석고, 에트링자이트 및 C-S-H의 상당한 탈수 반응의 영향으로 판단된다(7).

Figure 4

Mass loss after exposure high temperature.

이후 온도 범위에서는 콘크리트의 화학 성분 내 탈수 및 분해 단계이며, 이전 온도 범위 대비 큰 중량 손실을 보이지 않는다(8). 700 °C에서, NC는 약 9.44%, LC는 약 13.09%의 중량 감소를 보였다. NC 대비 LC의 중량 감소가 더 크게 나타났으며, 이는 시험체 내부의 골재 흡수율 차이의 영향으로 판단된다(Table 2 참조).

3.2 고온 전⋅후의 콘크리트의 UPV 변화

Figure 5에 고온 노출 후 NC 및 LC의 UPV를 나타냈으며, 상온(20 °C)에서 W/B가 감소할수록 높은 UPV를 보였다. NC41을 제외하고 4 km/s 이상을 보였으며, 동일 W/B에서 NC 대비 LC의 UPV가 약 10% 낮게 나타났다. 이는 혼합된 골재의 밀도와 다공성에 따른 흡수율 차이로 판단된다(9).

Figure 5

Ultrasonic pulse velocity after exposure high temperature.

온도가 증가할수록 UPV는 선형으로 감소하는 경향을 보였다. 300 °C 이전의 온도 범위에서는 약 21%의 작은 감소가 나타났으며, 이는 콘크리트 내부의 자유수 증발 후 남은 공극의 영향에 의한 감소로 판단된다. 300 °C 이후의 온도에서는 UPV가 크게 감소하는 경향을 보였다. 해당 온도 범위에서는 경화체의 주성분인 C-S-H 겔의 화학적 분해 및 페이스트와 골재 계면의 저하된 응력에 의한 미세균열의 영향으로 판단된다(8). 700 °C에서, NC41, NC33 및 NC28의 UPV는 약 68% 감소하였으며, LC41, LC33 및 LC28은 약 51% 감소하였다. NC 대비 LC의 UPV는 고온에서 낮은 감소율이 나타났으며, LC에 혼합된 골재의 다공성에 의한 상대적으로 작은 열팽창이 페이스트와 골재 계면의 변형이 제한시켜 응력과 균열이 저감되었을 것으로 판단된다(10).

3.4 고온 전⋅후의 콘크리트의 탄성계수 변화

Figure 6에 고온 노출 후 NC 및 LC의 탄성계수를 나타냈으며, 상온(20 °C)에서 W/B가 감소할수록 높은 탄성계수가 나타났다. NC41, NC33 및 NC28은 약 29.49, 31.97 및 38.12 GPa를 보였으며, LC41, LC33 및 LC28은 약 19.8, 23.59 및 26.72 GPa를 보였다. 다른 역학적 특성 대비, 탄성계수는 동일 W/B에서 NC와 LC의 큰 차이를 보였으며, 다른 역학적 특성 대비 골재의 강성에 큰 영향을 받는 것으로 판단된다. 탄성계수는 UPV와 유사하게 온도가 증가할수록 선형적인 감소를 보였다(11).

Figure 6

Elastic modulus after exposure high temperature.

300 °C에서, 탄성계수는 LC41 및 NC28을 제외하고 나머지 수준에서 약 17.7 GPa를 보였다. 500 °C에서 NC28을 제외하고 나머지 수준 에서 약 6.66 GPa로 유사한 값을 보였다. 700 °C에서, NC는 약 94%, LC는 약 83%의 탄성계수 감소율이 나타났으며, 동일 W/B에서 NC 대비 LC의 탄성계수가 작은 감소율을 보였다. 그러나, LC28을 제외하고 5 GPa 이하의 탄성계수가 나타났으며, 고온에서 모든 시험체는 탄성체로서의 역할을 수행하기 어렵다고 판단된다.

3.5 고온 노출 후 탄성계수 및 UPV의 상관관계

Figure 7에 고온 노출 후 탄성계수 및 UPV의 상관관계를 W/B에 따라 나타냈으며, 기존 암석 및 지질 공학에서 제안된 UPV 분석을 통한 정탄성계수 추정식과 비교하였다. UPV를 통한 콘크리트 정탄성계수의 제안된 추정식은 다소 미흡하여, 상대적으로 연구가 진행되었던 암석 및 지질 공학에서의 추정식을 비교하였다. Table 3에 기존 UPV를 통한 정탄성계수 예측식을 정리하였다(12-16). UPV 및 탄성계수의 상관관계 분석 결과, 선형 형태가 적합하였으며 온도 증가에 따라 UPV 및 탄성계수는 선형으로 감소하는 경향에 의한 것으로 판단된다.

Figure 7

Correlation between ultrasonic pulse velocity and elastic modulus.

Table 3

Estimation Equation of Static Elastic Modulus on Rock Previously Proposed

Researchers	Equation	Rock Type
Christaras et al.	E = 3.02 × e^{0.55 × Vp}	Various
Najibi et al.	E = 0.169 × V_p^3.324	Limestone
Brotons et al.	E = 0.679 × V_p^2.664	Various
Verma et al.	E = 0.565 × V_p + 1.343	Coal Layer
Lee et al.	E = 5.79 × e^(Vp/2.80)- 5.96	Granite

Figures 7(a) 및 7(b)에 W/B 41 및 33에서 상관관계 결과를 나타냈다. W/B 41 및 W/B 33에서는 유사한 경향을 보였으며, LC 대비 NC의 결과가 상회하는 경향을 보였다. 이는 NC의 굵은 골재의 영향으로 높은 UPV 및 탄성계수의 영향으로 판단된다. 또한, 기존 연구자들이 제안한 추정식과의 분석 결과 NC는 상대적으로 Christars 및 Brotons 외 연구진들의 추정식과 높은 UPV 범위에서 유사한 경향을 보였다. Christars 및 은 단일 암석이 아닌 다양한 암석에서의 UPV 분석을 수행하였다. 콘크리트는 시멘트, 잔골재 및 굵은 골재 등을 포함한 복합재료로서, 다양한 암석 및 재료의 분석에따른 유사한 경향이 나타났다고 판단된다. LC는 Christars 및 Brotons 외 연구진들의 추정식 대비 하회하는 경향을 보였으나, 나머지 단일 암석의 분석을 통한 제안된 추정식 대비 상회하였다.

Figure 7(c)는 W/B 28에서의 상관관계 결과를 나타냈다. W/B 41 및 33 대비 높은 경향을 보였으며, 이는 단위시멘트량 증가에 따른 높은 UPV 및 탄성계수의 영향으로 판단된다. NC28은 기존의 모든 추정식 대비 상회하는 결과를 보였으며, LC28은 LC41 및 LC33과 동일한 경향을 보였다. 또한, 공통적으로 낮은 UPV 범위에서 Christaras 및 Brotons 외 연구진들의 추정식 대비 낮은 탄성계수를 보였으며, 이는 고온에서의 콘크리트의 매우 낮은 탄성계수의 영향으로 판단된다(14,15).

Figure 8에 본 연구에서 제안한 UPV 분석을 통한 고온 이력을 받은 NC 및 LC의 탄성계수 추정식을 나타냈으며, Table 4에 정리하였다. 선형 형태의 추정식을 제안 하였으며, NC는 약 1∼39 GPa 범위, LC는 약 2∼27 GPa의 범위의 데이터를 포함한다. NC의 R²는 0.92, LC의 R²는 0.96으로서, NC 대비 LC에서 높은 상관 관계를 보였다. NC의 그래프가 LC의 그래프를 상회하며, UPV 2∼2.5 km/s 범위에서 약 36% 차이가 나타나며, 2.5∼3 km/s 범위에서는 약 25%, 3∼3.5 km/s의 범위에서는 약 20%, 3.5∼4 km/s의 범위에서는 약 18%, 4 km/s 이후의 범위에서는 약 16%의 차이를 보였다. UPV가 낮은 범위일수록 NC와 LC는 큰 차이가 나타났다.

Figure 8

Proposal estimation equation of elastic modulus by ultrasonic pulse velocity.

Table 4

Proposal Equation using Ultrasonic Pulse Velocity on NC and LC in Elevated Temperature

ID.	Equation	Correlation Coefficient
NC	E = 10.006 × V_p - 13.641	R² = 0.92
LC	E = 9.2129 × V_p - 14.932	R² = 0.96

고온에 노출된 콘크리트는 낮은 탄성계수를 나타내기 때문에 정확한 예측이 요구되며, 고온 이력을 받은 콘크리트에서는 낮은 UPV 범위에서의 분석을 통한 탄성계수 예측이 이루어지기 때문에 골재 종류에 따라 상이한 추정식을 통한 분석이 필요하다고 판단된다.

4. 결 론

본 연구에서는, 고온 노출 후 NC 및 LC의 W/B에 따른 물성 및 역학적 특성을 분석하였으며, 실험결과를 정리하면 다음과 같다.

(1) 고온 노출 후, 단위 중량은 100∼300 °C 범위에서 가장 큰 중량 감소가 나타났으며, 700 °C에서 NC의 경우 약 9.44%, LC의 경우 약 13.09%의 중량 감소를 보였다.
(2) UPV는 온도 상승에 따라 지속적으로 감소하는 경향을 보였으며, 700 °C에서 NC41, NC33 및 NC28은 약 68%, LC41, LC33 및 LC28은 약 51% 감소를 보였다.
(3) 탄성계수는 온도 상승에 따라 지속적으로 감소 경향을 보였으며, 700 °C에서 NC41, NC33 및 NC28은 약 94%, LC41, LC33 및 LC28은 약 83% 감소를 보였으며 구조적 매트릭스 붕괴에 의한 영향으로 판단된다.
(4) 고온 노출 후, NC 및 LC의 UPV와 탄성계수의 상관관계는 모든 수준에서 높은 상관계수(R2)를 보였으며, 굵은 골재 종류에 따른 탄성계수와의 관계성을 바탕으로 추정식을 제안하였다.