고강도 프리스트레스트 콘크리트 거더(high-strength prestressed concrete girders)와 고성능 교량 상판(high-performance bridge decks)을 사용하는 것은, 기술적 그리고 경제적 이익으로 인해 여러 많은 주의 고속도로 유관기관들에 의해 받아들여지고 있는 시공사례가 되었음. 이러한 거더와 상판은 일반적으로 자연적이고 보통의 중량을 가진 골재로 만들어진 콘크리트로 건설됨. 경량 콘크리트를 만들기 위해 제조된 경량 조골재(예를 들어, 확대된 셰일, 슬레이트, 그리고 점토)를 사용하는 것은 상부구조의 무게를 줄여주는 혜택을 가져와, 거더, 하부구조 및 기초의 크기를 줄일 수 있도록 해줌. 이렇게 크기 및 무게를 줄이는 것은 교량 부재의 운반 및 처리, 건설 및 교체를 용이하게 하여 결국 경제적 혜택을 가져옴.

고성능/고강도 경량 콘크리트에서 최근의 진보는 교량 건설에서 활용이 제한적이었는데, 왜냐하면 설계 및 시공 안내서의 부족, 물질의 특성 및 이것이 성능에 미치는 영향에 대한 우려 때문임. 고강도 프리스트레스트 콘크리트 교량 거더와 고성능 교량 상판의 설계, 시공성 및 성능에 상당히 영향을 미치는 인자들을 다루고, AASHTO의 LRFD 교량 시방서에 대한 변화를 제안하기 위해 연구가 필요함. 이렇게 수정된 시방서는 고속도로 유관기관로 하여금 경제적 편익을 만들어낼 것으로 예상되는 경량 콘크리트 배합을 고려하도록 하는데 더 나은 안내를 제공할 것임.
 

이 연구는 고강도 경량 콘크리트 거더와 고성능 경량 콘크리트 상판과 관련된 AASHTO의 LRFD 교량 설계 시방서(Bridge Design Specifications, 2010)와 AASHTO의 LRFD 교량 시공 시방서(Bridge Construction Specification, 2010)에 중점을 두었음.

이 연구는 ASTM C567에 따라 결정되는 것처럼, 균형 밀도(equilibrium density) -- 입방피트 당 125 파운드가 넘지 않음 -- 를 가진 콘크리트를 만들기 위해 보통 중량의 세골재와 제조된 경량 셰일, 점토 또는 슬레이트 조골재로 만들어진 배합을 다루었음. 이러한 목표를 달성하기 위해, 이 연구는 다음의 내용을 포함함:

1. 교량 상판에서 사용되는 경량 콘크리트와 프리캐스트, 프리스트레스트 교량 부재에 대한 배합설계와 물질의 특성을 개발
2. 경량 콘크리트를 위한 핵심적인 설계 인자를 평가
3. AASHTO LRFD 시방서와 관련된 변경을 제안
4. 설계 사례에 제안된 변화의 영향을 보여주는 설계 예제를 수행
 

이 프로젝트에서 수행된 연구는 1단계에서 광범위한 문헌 검토와 실무자에 대한 설문조사와 함께 시작되었음. 문헌 검토와 실무자에 대한 설문조사의 결과는 이 보고서의 부록에서 제공됨. 문헌 검토와 실무자에 대한 설문조사는 연구자들에게 연구 분야에 대한 통찰력을 제공함. 이 프로젝트의 결과는 AASHTO LRFD의 교량설계 시방서와 건설 시방서에 대한 변경을 제안함.

2단계 계획에는 물성 파악과 구조적 성능 시험이 포함됨. 이 프로젝트의 물성 파악 단계에서 경량 골재원이 선정되었고, 이는 지역적 차이와 골재의 성질을 나타냄. 이러한 골재원은 여러 범위의 압축 및 인장 특성을 보여주는 배합을 개발하기 위해 사용되었음. 비교 목적으로 보통의 중량 배합이 선정되었음. 이 프로젝트에서 사용된 모든 경량 콘크리트 배합에 대해 압축시험, 분리 인장시험, 탄성계수 시험이 수행되었음. 이러한 시험 결과에 근거하여, 여러 배합설계가 선정되었음. 추가적으로, 구조적 시험이 수행되는 동안 경량 콘크리트 배합설계의 물성 -- 예를 들어, 열 팽창과 투수성 계수 -- 과 시간 의존적인 물성 -- 예를 들어, 크리프(creep)와 수축 -- 이 연구되었음.

이 프로젝트의 구조적 시험에는 다음이 포함됨:
1. 경량 콘크리트 교량 상판과 거더에서 접촉 전단강도를 연구하기 위해 프리스트레스가 되지 않은 시험편
2. 프리스트레스 손실, 전이 길이, 개발 길이, 변형 및 캠버(camber)를 연구하기 위해 실험실에서 제작된 프리스트레스트 보
3. 전단 강도, 프리스트레스 손실, 캠버 및 변형을 연구하기 위한 실제 크기의 프리스트레스트 거더

보통의 중량 콘크리트를 포함한 시험편이 제작되어 통제군으로 사용되었음. 구조적 설계에서 변경을 연구하기 위해 비교적인 상판 및 거더 설계가 수행되었음.
 

이 연구의 주요 결과가 아래에 요약되어 있음. 이러한 결과는 이 프로젝트에서 사용된 물질에만 적용가능함.

1. 압축강도가 7000 psi이고 단위중량이 입방피트 당 125 파운드 이하인 경량 콘크리트는, 확대된 셰일과 슬레이트 골재와 시멘트 물질의 0.30 w/cm와 800 파운드로 제작될 수 있음. 슬레이트 골재를 포함하는 콘크리트 배합은, 다른 경량 골재로 만들어진 배합보다 더 높은 압축강도의 콘크리트를 만들어냈음.

2. 탄성계수(K = 1.0)에 대한 AASHTO LRFD 방정식은 경량 골재에 적합함. 각 골재의 타입에 대한 K값을 검정함으로써 계수에 대한 예측이 향상될 수 있음.

3. 평균적으로, 경량 콘크리트의 파괴계수(modulus of rupture)는 0.26*(f의 제곱근)에서 0.36*(f의 제곱근) 범위에 있으며, 그 평균은 0.31*(f의 제곱근)임.

4. 모래 경량 콘크리트에 대한 전단강도 계산에서 AASHTO LRFD에서 요구되는 0.85*(f의 제곱근)보다 (f의 제곱근)이 더 적합함.

5. 접촉 및 보 전단에 대한 신뢰성 분석에 근거할 때, 파이 계수(phi factor) 0.85는 모래 경량 콘크리트의 전단 설계에 적합함.

6. 전이 길이와 개발 길이에 대한 AASHTO 방정식과 라미레즈와 러셀 방정식(Ramirez and Russell equation)은 경량 및 보통 중량의 거더에서 전이 길이에 대한 상한치를 제시함.

7. 프리스트레스 손실을 계산하기 위한 현재의 AASHTO 방법은 경량 상판을 가진 경량 거더에 적합함.

8. 크리프와 추숙에 대한 AASHTO 모델은 프리스트레스 손실에 대한 양호한 추정치로 나타나며, 경량 프리스트레스트 콘크리트 거더의 사용에 적합함.

9. PCI 교량 설계 매뉴얼은 AASHTO 크리프 및 수축 모델을 사용하여 다중계수방법(multiplier method)을 개선하였고, 캠버에 대한 양호한 추정치를 제공함.
 

경량 콘크리트에 대한 95개의 실험실 시험 배치와 15개의 제작 배치가 다양한 물성에 대해 시험되었음. 이러한 시험에 근거하여, 다음과 같은 결론이 내려졌음:

1. 대규모 시험편을 위해 콘크리트 배합에서 사용된 2개의 경량 골재는 구조적 콘크리트에 필요한 것과 일관적인 시험 결과를 만들어냈음.
2. 압축강도가 7000 psi이고 단위중량이 입방피트 당 125 파운드 이하인 경량 콘크리트는, 확대된 셰일과 슬레이트 골재와 시멘트 물질의 0.30 w/cm와 800 파운드로 제작될 수 있음. 슬레이트 골재를 포함하는 콘크리트 배합은, 다른 경량 골재로 만들어진 배합보다 더 높은 압축강도의 콘크리트를 만들어냈음.
3. 탄성계수(K = 1.0)에 대한 AASHTO LRFD 방정식은 경량 골재에 적합함. 각 골재의 타입에 대한 K값을 검정함으로써 계수에 대한 예측이 향상될 수 있음.
4. 경량 콘크리트 배합의 평균적인 분리 인장강도는 0.25*(f의 제곱근)으로, (f의 제곱근)/4.7을 초과하였음.
5. 평균적으로, 경량 콘크리트의 파괴계수는 0.26*(f의 제곱근)에서 0.36*(f의 제곱근) 범위에 있으며, 그 평균은 0.31*(f의 제곱근)임.
6. 저투수성 경량 콘크리트는 보완적인 시멘트 물질을 사용함으로써 만들어졌음. 가장 낮은 투수성값은 실리카퓸(silica fume)과 함께 달성되었음.
7. 수축에 대한 AASHTO 모델은 ACI 209나 CEB MC90보다 경량 콘크리트의 수축을 더 잘 예측하였음.
8. 크리프에 대한 AASHTO모델은 ACI 209나 CEB MC90보다 경량 콘크리트의 크리프 계수를 더 잘 예측하였음. 상판 콘크리트 배합의 크리프 계수는 AASHTO 모델에 의해 예측된 것보다 상당히 더 높았고, ACI 209 모델에 의해 더 잘 예측되었음.
 

세 개의 시험편의 9개 셋에 대해 각각이 접촉 전단강도를 평가하기 위해 시험되었음. 시험편에 대한 콘크리트 강도는 상판 콘크리트의 경우 5.73 ksi에서 6.25 ksi 사이였고, 거더 콘크리트의 경우 7.78 ksi에서 11.1 ksi 사이였음. 시험 결과는 아래와 같음:

1. 공칭 전단강도에 대한 전단강도 측정치의 편차는 AASHTO 방정식을 사용하여 계산하였는데, 콘크리트 상판이 의도적으로 거칠게 된 -- N-N에 대해서는 1.16, L-N에 대해서는 1.29, L-L에 대해서는 1.26 -- 거더의 플랜지에 놓여졌음.
2. AASHTO 방정식은 보강비율이 증가함에 따라 덜 보수적인데, 이는 마찰계수가 매우 높을 수 있다는 것을 나타냄.
3. 신뢰성 분석에 근거하여, 보통 중량과 경량 콘크리트는 접촉 전단에 대해 똑같은 강도 감소계수(strength reduction factor)를 가져야 함.