2.1 실험 계획

Table 2에 본 연구의 실험 계획을 나타내었다. 콘크리트는 보통골재를 사용한 normal aggregate concrete (NC)와 경량골재를 사용한 lightweight aggregate concrete (LC)로 설정하였다. 실험에 사용된 굵은 골재 중 보통골재는 부순 화강암계 골재를 사용하였고, 경량골재는 석탄재를 인공적으로 가공하여 제조한 석탄계 인공 경량골재를 사용하였다. 또한 설계압축강도는 30, 60 MPa로 설정하였으며 평가는 단위중량, 압축 강도 및 초음파 속도로 분류하였다. 온도 조건으로는 상온(23 ℃)를 포함하여 100, 200, 300, 500, 700 ℃까지 설정하였고, 가열 속도는 1 ℃/min로 설정하였다.

Table 2

Experimental Plan

2.2 사용 재료

Table 3에 실험에 사용된 재료들의 특성을 나타내었다. 시멘트는 일반적으로 사용되는 1종 보통 포틀랜드 시멘트(Type 1 ordinary portland cement)로 밀도 3.15 g/cm³ 및 분말도 3,200 cm²/g의 특성이 있다. NC에 사용된 굵은 골재는 밀도 2.68 g/cm³, 조립률 7.03 및 흡수율 0.68%의 화강암계(granite) 골재, LC에 사용된 굵은 골재는 밀도 1.47 g/cm³, 조립률 6.39 및 흡수율 8.68%의 석탄계(coal-based) 인공 경량골재를 사용했다. 실험에 사용된 잔골재는 강모래(river sand)로 밀도 2.54 g/cm³, 조립률 2.54, 흡수율 1.6%의 특성이 있다. 또한 폴리카르복실계 고성능 감수제를 사용하여 고강도 콘크리트의 유동성 및 작업성을 개선하였다.

Table 3

Mechanical Properties of Materials

2.3 콘크리트 배합 및 실험방법

Table 4에 본 연구의 콘크리트 배합을 나타내었다. W/B는 목표 강도(30, 60 MPa)를 발현시키기 위해 각각 41.3, 28.0%로 설정하였다. 잔골재율의 경우 46, 43%로 설정하였고, 굵은 골재의 영향성 평가를 위해 동일 W/B에서 단위 수량, 단위 시멘트량 및 단위 잔골재량은 동일하게 설정하였다.

Table 4

Concrete Mix Design

실험 방법의 경우 고온 콘크리트의 역학적 특성 시험 방법인 RILEM TC 129-MHT에 준하여 실험을 진행하였다(8). 목표 가열 온도의 경우 100, 200, 300, 500 및 700 ℃로 설정하였으며, 제작된 콘크리트 공시체를 1 ℃/min로 저속 가열 후 외부⋅내부의 균일한 온도를 위하여 가열로의 덮개를 닫은채 60 min 유지하였다. 이후 가열로 덮개 개방 후 상온에서 24 h 냉각시킨 후 시험체의 역학적 특성을 측정하였다.

압축강도의 경우 KS F 2405 (콘크리트 압축 강도 시험방법)에 준하여 측정하였으며, 초음파 속도의 경우 KS F 2731 (콘크리트 압축강도 추정을 위한 초음파 펄스 속도 시험방법)에 준하여 측정하였다(9,10). 모든 역학적 특성 측정 시 시험체 3개를 측정하여 평균값을 산출하였다.

3.1 콘크리트 단위 중량

Figure 1에 보통골재 및 경량골재 콘크리트의 1일 및 91일에서의 단위 중량을 나타냈다. NC 41의 경우 재령 1일에서 2,256 kg/m³, 재령 91일에서 2,301 kg/m³의 단위 중량이 나타났다. NC 28의 경우 각각 2,417, 2454 kg/m³의 단위 중량이 나타났다. LC는 배합에 사용된 굵은 골재인 경량골재의 영향으로 인해 NC 대비 낮은 밀도가 나타났다. LC 41의 경우 재령 1일에서 1,889 kg/m³, 재령 91일에서 1,921 kg/m³의 단위 중량이 나타났고, LC 28의 경우 각각 2,000, 2,050 kg/m³의 단위 중량이 나타났다. 모든 시험체에서 91일까지 양생 후 소폭의 단위 중량 상승이 나타났다.

Figure 1

Unit weight of concrete at age.

Figure 2는 재령 91일 콘크리트의 온도에 따른 단위 중량 변화를 나타내었다. high temperature heated normal aggregate concrete (HNC)의 경우 100 ℃에서 모든 수준 평균 1% 미만의 매우 작은 단위 중량 손실률이 나타났으며, 이후 온도에서는 손실률이 지속적 증가하는 경향을 보였다. high temperature heated light weight aggregate concrete (HLC)도 HNC와 마찬가지로 100 ℃에서 약 1% 가량 작은 단위 중량 손실이 나타났으나, HNC와 달리 700 ℃ 구간에서 0.85%의 가장 작은 단위 중량 손실률이 나타났다. 최종 온도에서 HLC는 HNC를 상회하는 단위 중량 손실을 보였다.

Figure 2

Unit weight of 91 aged concrete by temperature.

3.2 콘크리트 압축강도

Figure 3은 보통골재 및 경량골재 콘크리트의 재령에 따른 압축강도를 나타냈다. NC의 경우 재령 28일 기준 NC 41은 35.0 MPa, NC 28은 71.1 MPa인 목표 강도(30, 60 MPa) 이상의 압축강도가 발현되었다. 반면 LC의 경우 재령 28일에서 목표 강도를 하회하는 강도(LC 41: 36.9 MPa, LC 28: 60.9 MPa)가 발현되었다. 이는 배합에 사용된 굵은 골재인 보통골재와 경량골재의 영향으로 판단된다.

Figure 3

Compressive strength of concrete at age.

Figure 4는 재령 91일 콘크리트의 고온 가열 후 온도에 따른 압축강도를 나타내었다. 모든 시험체에서 온도가 증가함에 따라 압축강도는 감소하였다. 가열 전, 동일 목표 강도에서 NC의 경우 굵은 골재의 영향으로 LC 대비 매우 높은 압축강도(NC 28: 95.7 MPa, LC 28: 60.9 MPa)를 보였다. 그러나 700 ℃에서 HNC 28은 40.4 MPa, HLC 28은 34.0 MPa가 나타나며 상온 대비 작은 차이를 보였다. 최종 온도 가열 후 압축강도 감소율은 상온 대비(HNC 41: 84.5%, HNC 28: 57.8%, HLC 41: 63.1%, HLC 28: 44.2%)과 같이 나타났다. 기존 고온 특성 연구에서도 이와 같은 경향을 보였으며, 콘크리트 내부 수분 증발에 따른 수증기압 및 골재의 팽창으로 보고되었다. 또한 300 ℃ 구간에서의 압축강도 상승은 미수화물의 재수화 반응 등의 영향으로 보고하였다(11-21).

Figure 4

Compressive strength of concrete by temperature.

3.3 콘크리트 초음파 속도

Figure 5는 콘크리트의 재령에 따른 초음파 속도를 나타냈다. 콘크리트의 압축강도와 마찬가지로 모든 시험체에서 재령에 따라 증가하는 초음파 속도가 나타났다. NC의 경우 3.60∼4.65 km/s의 초음파 속도가 나타났고, LC의 경우 3.10∼4.07 km/s의 초음파 속도가 나타났다.

Figure 5

Ultrasonic pulse velocity of concrete at age.

Figure 6은 재령 91일 콘크리트의 온도에 따른 초음파 속도를 나타냈다. 모든 시험체에서 온도가 증가함에 따라 초음파 속도는 감소하였다. HNC 41의 경우 최종 온도 가열 이후 상온 대비 74%, HNC 28의 경우 70% 감소된 초음파 속도가 나타났다. 또한 경량골재 콘크리트는 상온 대비 최종 온도 가열 후 HLC 41: 53%, HLC 28: 50% 감소된 초음파 속도가 나타나며 HNC의 감소율을 하회하는 것으로 나타났다.

Figure 6

Ultrasonic pulse velocity of concrete at temperature.

3.4 콘크리트 초음파 속도-압축강도 상관관계 및 오차율 검증

Figure 7에 보통골재 및 경량골재 콘크리트의 초음파 속도 및 압축강도 상관관계(강도 예측 모델)를 나타냈다. 본 연구의 강도 예측식은 지수 함수 형태가 가장 높은 상관계수(R2)를 보이며 다른 형태 대비 가장 적합했다. 함수의 형태는 동일한 형태가 나타났는데, 낮은 초음파 속도 구간에서는 적은 압축강도 증가율을 보였으나 이후 초음파 속도가 증가할수록 압축강도의 급격한 상승이 나타났다.

Figure 7

Correlation between compressive strength and ultrasonic pulse velocity of concrete.

Figure 8에는 고온 이력을 받은 콘크리트의 초음파 속도 및 압축강도 상관관계를 나타내었다. 고온 이력을 받은 콘크리트의 예측식의 경우 HNC 41: y=5.75e^0.52x, HNC 28: y=30.79e^0.24x, HLC 41: y=9.00e^0.44x, HLC 28: y=21.68e^0.25x과 같이 나타나며, 상온에서의 예측식과 같이 지수 함수 형태가 가장 적합하였으나, 해당 모델은 비교적 낮은 기울기의 그래프가 나타나며 선형적인 형태를 보였다. 이는 온도 증가에 따른 초음파 속도의 선형적인 감소에 영향을 받았을 것으로 판단된다.

Figure 8

Correlation between compressive strength and ultrasonic pulse velocity of concrete after high temperature heating.

Figure 9에는 해당 연구에서 계산된 예측 식에 대한 오차율 검증을 나타내었다. 각 데이터의 추세선은 일차함수 형태로 표현하였고, 중심선을 기준으로 바깥으로 갈수록 10%씩 증가하는 오차율을 나타냈다. HNC의 경우 예측식이 낮은 신뢰도가 나타났는데 이는 HNC 41 및 HNC 28의 데이터 차이에 비롯된 것으로 보인다. 또한 HNC를 제외한 나머지 예측식은 비교적 적은 오차를 보이는 경향이 나타났다.

Figure 9

Error test of compressive strength prediction model.