1. 소개

？ 콘크리트는 세상에서 가장 널리 사용되고 있는 건설자재이며, 보통 포틀랜드시멘트

    (OPC) 는 콘크리트를 결합시키는데 가장 널리 쓰이는 재료로 사용되어 왔음

？ OPC의 제조에는 석회석을 분쇄해야 하며 많은 양의 화석연료를 태우기 때문에 대기 중에

   많은 양의 이산화탄소를 배출시킴

？ 이산화탄소의 배출은 주요 관심사가 된 지구온난화의 주범임

？ 그런 이유로 콘크리트 내 OPC의 사용을 줄이려고 하는 많은 노력을 기울여 왔음

？ 지오폴리머 콘크리트에는 OPC 대신에 기본재료로서 플라이애시(Fly Ash)가 사용되는데 플

   라이애시는 폐기물 활용 및 배출 감소를 가능하게 하는 친환경 재료임

？ 지오폴리머 콘크리트의 인장강도는 OPC를 사용하는 콘크리트의 강도와 유사하며, 또한 휨

   강도는 OPC를 사용하는 콘크리트 표준강도보다 일반적으로 높음

？ 이와 같은 유리한 결과는 지오콘크리트의 배합유형에 따른 것이라고 말할 수 있으며, 플라

    이애시를 기반으로 하는 지오폴리머 콘크리트의 응력변형은 OPC 콘크리트와 거의 유사함

    (Hardjito, D. and Rangan, B.V. 2006)

？ 지오폴리머는 OPC콘크리트보다 수축성이 덜하며 지속적으로 우수한 내화성 및 내산성을

    나타냄 (Rangan, B. V., Hardjto, D. 2005).

？ 지오폴리머는 지질학적 기원의 원료와 함께 알칼리용액의 고분자 반응 또는 플라이애시와

   같은 부산물에 의해 생산됨

？ 지구온난화를 감소시키는 측면에서, 지오폴리머 기술은 시멘트와 골재 생산으로 유발되는

   대기 중의 이산화탄소 배출물의 약 80%를 감소시킬 수 있음 (Rangan, B.V., Wallah, S.E.

   2006).

？ 본고에서 다양한 등급(M20, M25, M30, M35)의 보강지오폴리머 콘크리트(RGPC) 빔에 관

   한 조사는 상온에서 양생하여 생산되었음

？ 채택된 인장력 보강철근비율은 0.87%와 1.75%였음

？ 다양한 조건 하에서의 하중재하, 처짐 및 응력에 대한 성능결과가 연구되었음

？ 또한 RGPC 빔의 분석에 대해 유한요소법이 사용되었고, 그 결과는 실험값과 비교되었음

2. 실험 프로그램

2.1 재료

？ 플라이애쉬는 ASTM F급, 조립률 7.86, 비중 2.3으로 메투(Mettur)발전소에서 채취되었음

？ 잔골재(FA)는 IS 383-1970(ZONE II)에 일치하는 비중 2.64와 조립률 2.15

？ 굵은골재(CA)는 IS 2386-1968에 일치하는 비중 2.83, 조립률 6.4 : 인근에서 채취하였으며 IS 20MM체를 통과하고 10MM체에 잔류

？ 수산화나트륨(NaOH) 고형물(순도 98~100%)과 규산나트륨 (Na2SiO3) 용액(12% Na2O and 30% SiO2)과 같은 알칼리성 경화제가 사용되었음

？ 수산화나트륨 고형물은 요구되는 농도에 맞게 물이 첨가되었음

2.2 혼합비

？ 지오폴리머 콘크리트의 압축강도와 시공연도는 구성 재료의 비율과 특성에 영향을 받음. 표 1은 지오폴리머 콘크리트의 혼합비를 나타냄.

<표 1 : 혼합비>

2.3 혼합

？ 모든 재료는 실험실 상온에서 수작업으로 혼합되었음

？ 수산화나트륨용액과 규산나트륨용액과 같은 알칼리성 용액은 타설 1일 전에 각각 준비되었음

？ 수산화나트륨 고형물이 물과 반응을 일으켜 열이 발생하기 때문에 수산화 나트륨용액은 타설 1일 전에 준비되었음. 플라이애시와 골재를 먼저 혼합한 다음 알칼리용액이 추가 혼합되었음

？ 혼합된 물질은 같은 색을 낼 수 있을 정도로 충분히 혼합하였음

2.4 타설

2.4.1 실린더

？ 150mm x 300mm 크기 12개의 실린더가 타설되었고, 응력변형값을 알아보기 위해 실험이 이루어졌음

？ 각각의 실린더는 다섯 번에 나누어 타설되었고 표준 다짐봉으로 60회 다짐했음

？ 실험체는 상온에서 28일 동안 양생되었음

2.4.2 빔

？ 모든 빔은 철제형틀에서 타설되었으며 빔의 크기는 100mmx200mmx2000mm 이었음. 빔의 철근 보강은 아래 그림 1에 표시함.

<그림 1 : 철근 보강 상세도>

？ 콘크리트는 같은 방법으로 세 번에 나누어 잘 다짐을 하여 타설되었음

？ GPC 빔은 상온에서 타설 후 28일 동안 실험실에서 양생되었음

？ 총 4개의 실험체는 표 2와 같이 타설되었음

<표 2 : 빔 상세>

？ 0.87%의 철근비를 갖는 실험체는 B1으로 표기하였고 1.75%의 철근비를 갖는 실험체는 RB1으로 표기하였음

3. 실험내용

3.1 실린더 시험

？ 실린더는 탄성계수와 프와송비를 알아보기 위해 “유니버설 시험기계”를 사용함

？ 3개의 선형가변차동변환기(Linear Variable Differential Transducer - LVDTs)가 그림 2와 같이 실린더 높이의 중간 위치에 설치되었음

<그림 2 : 실린더 실험>

3.2 빔 실험

？ 실험체에는 1,500kN의 하중이 가해지도록 장착되었음

？ 하중이 가해지는 위치는 빔의 중앙에서 335mm씩 떨어진 두 지점이었음

？ 선형가변차동변환기(LVDT)가 스팬의 중앙부와 하중이 가해지는 위치의 휨을 측정하기 위해 사용되었으며, LVDT 측정값은 다양한 하중에 따라 기록되었음

？ 첫 번째 균열이 관찰될 때까지 2.5kN씩, 이후 붕괴시 까지 5kN씩 하중을 추가함

？ 휨 및 변형값은 파괴될 때까지 하중 증가에 따라 각각 기록되었음

？ 빔의 파괴값도 기록되었으며 휨강도실험에 대한 실험 장치는 그림 3에 표시함

<그림 3 : 빔의 크랙발생 양상>

4. 조사 분석

4.1 콘크리트

？ 솔리드 65(Solid 65) 요소는 인장력에 균열과 압축력에 파쇄가 일어나기 때문에 콘크리트 재료 모델링에 사용되었음

？ 솔리드 65 요소는 x, y, z 방향의 8개의 노드를 가지고 있음 (그림 4)

(그림 4 참조)

？ 콘크리트용으로 ANSYS는 표 3에 표시된 바와 같이 재료특성을 위한 입력자료가 필요함

<표 3 : ANSYS 12.0을 위한 재료 특성>

4.2 철근

？ 유한요소 모델을 위한 철근은 탄성-완전소성재료(elastic-perfectly plastic material)이며 인장강도와 압축강도가 동일한 것으로 가정되었음

？ LINK 8(spar element)은 보강철근을 나타내기 위해 사용되었음. 스파요소(spar element)는 소성변형이 일어날 수 있음.(그림 5 참조)

(그림 5)

5. 결과

5.1 실린더 실험결과

？ 응력변형곡선은 실린더 표본 실험을 통해 그림 9와 같으며, 지오폴리머 콘크리트의 응력변형은 OPC 콘크리트의 값과 유사한 것으로 나타났음

<그림 9 응력변형곡선>

？ 표 4에서 지오폴리머 콘크리트의 프와송 비는 0.2~0.25 사이이다.

<표 4 : 프와송 비>

？ 포틀랜드 시멘트 콘크리트의 프와송비는 0.11~0.21로서 보통 0.15이며, 저강도 콘크리트는 0.22 정도로 지오폴리머 콘크리트의 값과 유사하다.

5.2 빔의 실험결과

？ 실험결과는 그림 10과 표 5에 표시하였음

(a) M20 등급 (b) M25 등급

<그림 10 : 철근비 0.87% 빔의 크랙 발생도>

<표 5 : 빔 실험 결과>

5.3 처짐 변형

？ 실험결과 하중처짐곡선은 그림 11과 같이 나타났음

<그림 11 : 철근비 0.87% 빔의 하중처짐곡선>

5.4 크랙 발생 패턴

？ 각각의 단계별 하중에 따른 크랙 발생 패턴은 ANSYS 프로그램을 사용하여 작성되었음

<그림 12 : 철근비 0.87%, M20 등급 빔에 대한 크랙 패턴 비교>

5.5 결론

1. 다양한 혼합비의 지오폴리머 콘크리트에 대한 실험 결과, 응력변형곡선들이 작성되었음

2. 다양한 혼합비의 지오폴리머 콘크리트에 대해 작성된 응력변형모델은 IS 456 -2000과 밀접한 연관이 있는 것으로 확인되었음

3. 압축강도 20~35MPa를 발현하는 플라이애시를 기반으로 한 지오폴리머 콘크리트의 프와송 비는 0.12~0.25 사이임

4. 유한요소모델은 ANSYS 12.0을 사용하여 작성되었고 변형연구가 이루어졌음

5. 철근비 0.87%와 1.75% 빔에 대한 유한요소하중 처짐과 실험하중 처짐값의 차이는 메싱(meshing)에 기인하였음. 이들 값은 메싱할 때 요소의 규격을 수정함으로서 최소화 할 수 있음

6. ANSYS 12.0을 사용한 RGPC(보강지오폴리머 콘크리트) 빔의 하중처짐 특성은 실험결과와 비교하여 조금 낮은 것으로 나타났음

7. ANSYS 12.0을 사용하여 측정한 빔의 처짐과 예상 처짐은 일정한 값을 나타냄

8. 총 하중은 완만한 하중처짐곡선이 얻어질 때 까지 몇 번의 시험분석을 통하여 많은 단계별 하중을 가하여 분류되어짐

9. 실험을 통하여 얻어진 결과는 ANSYS 12.0 소프트웨어에 의한 것보다 보수적 결과를 나타냄

10. 결과의 정확도는 유한요소 모델의 메싱에 따라 달라짐

11. 보다 정확한 작업결과를 얻기 위해서 인장 철근은 개별모델링 기법(discrete modelling technique)을 사용하여 정확한 위치에 설치되어야 함