In this dissertation, the mechanical properties such as compressive strength, splitting tensile strength, and elastic modulus were investigated experimentally according to temperature and aging, and the new prediction model about mechanical properties were proposed improving the shortcomings of previous models.
Concrete is an aging material, and the mechanical properties of concrete change with time. Meanwhile, the heat of hydration in mass concrete structures makes the temperature gradient between inner and outer surface, and the temperature gradient affects the mechanical properties of concrete. The temperature variations by the cold-weather and hot-weather conditions also have the same influence on the concrete. Therefore, it is very important to estimate the mechanical properties of concrete according to temperature and aging.
In order to estimate the characteristics of mechanical properties with temperature and aging, 528 cylinders were tested. Concretes were cured at variable curing temperature as well as isothermal curing temperature. Based on the experimental results, new relationships between compressive strength and splitting tensile strength or elastic modulus are proposed. According to the review of previous models by other researchers, the defects of the models were pointed out. Based on this examination, the new prediction model was proposed reducing the shortcomings of previous models. The validity of proposed model was also evaluated comparing the experimental results with the estimated values by new prediction model.
The concrete subjected to high temperature at early ages attains higher early-age compressive strength but eventually lower later-age compressive strength. That is to say, the crossover effect is presented in the experimental results of compressive strength. Also, splitting tensile strength and elastic modulus has the same crossover effect as compressive strength. But the crossover effect of elastic modulus is not so obvious as that of compressive strength. Also, the crossover effect of type V cement and type V cement + fly ash concrete is not so manifest compared with type I cement concretes. It is assumed that the reason is due to the difference of hydration rate with cement type. According to the experimental results, temperature and age have no large effect on the relationships between compressive strength and elastic modulus or splitting tensile strength. So, the equations proposed by codes can estimate the splitting tensile strength and elastic modulus regardless of temperature and aging.
Based on the investigation of previous models, the prediction model including new apparent activation energy concept is proposed. The new prediction model, in which the apparent activation energy is a function of age and temperature, can reduce the shortcomings of previous models. And, the general equations of $E_o$, α, $R_u$ and $t_o$ used in the new prediction model are proposed analyzing the experimental results of compressive strength of other researchers. Comparing the experimental results by this dissertation with the estimated values, it is shown that the new prediction model well estimates the variation of compressive strength with temperature and aging, and the model can estimate the splitting tensile strength and elastic modulus as well as compressive strength. Also, the new prediction model well estimates the mechanical properties of concrete cured at variable curing temperature, and the model can predict the mechanical properties of in-place concrete.
콘크리트는 재령에 따라서 그 성질이 변화하는 재료이다. 또한, 매스 콘크리트 구조물(원자력발전소의 격납건물, 장대교량의 기초, 댐 구조물 등)의 수화열은 구조물의 내·외부에 온도차를 발생시키고 이러한 온도차이는 콘크리트의 역학적인 성질을 변화시킨다. 계절적 요인에 의한 구조물 주위의 온도변화 또한 같은 영향을 콘크리트에 미친다. 따라서, 온도와 재령에 따른 콘크리트의 역학적 변화를 파악하는 것은 매우 중요한 연구분야이다.
재령과 온도의 변화가 콘크리트에 미치는 영향은 1900년대 초반부터 많은 연구자들에 의해서 연구되어 왔다. 1940년대까지는 주로 실험적인 연구에 치중하여 이론적인 가정이나 예측모델식을 제시하지는 못하였다. 1950년대에 처음으로 숙성도(maturity)라는 개념이 제시되었고 이것을 재령과 온도의 곱으로 나타내었다. 이 때의 가정은 재령과 온도의 곱으로 나타낸 숙성도와 콘크리트의 압축강도는 일대일 선형관계를 나타낸다는 것이다. 그러나 1950년대 후반부터 이러한 가정의 오류를 지적하는 연구결과가 발표되어 새로운 모델식이 필요하게 되었다. 이 때에 제안된 것이 Arrhenius 함수를 사용한 비선형 온도함수이다. Arrhenius 함수에 의한 모델식은 초기재령에서 기존의 모델식보다 개선된 예측결과를 주는 것으로 여러 연구자들에 의해 발표되었다. 1980년대 들어서 장기재령에서의 콘크리트의 강도에 대한 연구가 활발히 이루어지면서 Arrhenius 함수를 사용한 비선형 온도함수가 장기재령의 콘크리트 강도에 대한 온도의 영향을 과대평가한다는 연구결과가 발표되기 시작하였다. 따라서 이러한 단점을 보완하는 새로운 예측모델식이 필요한데 아직은 만족할만한 결과를 제시하는 모델식이 제시되지 못하였다. 이에 본 논문에서는 재령과 온도의 콘크리트에 대한 영향을 모델링하는 새로운 예측식을 제시하고 그 모델식의 유효성을 평가하였다.
온도와 재령이 콘크리트의 재료역학적 성질에 미치는 영향을 파악하기 위해 먼저 실험을 실시하였다. 시멘트는 가장 널리 쓰이는 1종 시멘트와 원자력 발전소의 격납건물과 해안 장대교량의 기초와 같은 매스 콘크리트 구조물에 많이 사용되는 5종시멘트를 선택하였다. 또한 수화열 저감을 위해 사용되는 혼화재인 플라이애쉬를 혼합한 콘크리트에 대해서도 같은 실험을 실시하였다. 양생온도는 10, 23, 35, 50 ℃의 4종류를, 물/시멘트비는 0.40와 0.50의 2종류를 선택하여 압축강도, 쪼갬인장강도, 탄성계수에 대한 실험을 실시하였다. 또한 현장과 유사한 조건을 모델링하기 위해 원자력발전소의 격납건물에 대한 온도해석을 바탕으로 구한 온도변화에 따라 콘크리트를 양생하여 실험을 실시하였다. 실험을 통하여 다음의 경향들을 관찰할 수 있었다. 첫째, 초기재령에서 고온으로 양생한 콘크리트는 저온으로 양생한 콘크리트보다 초기재령에서의 압축강도는 작지만 장기재령에서는 그 경향이 역전되어 고온으로 양생한 콘크리트의 압축강도가 저온으로 양생한 콘크리트의 압축강도보다 커지게 된다(이러한 현상을 cross over 효과라고 부른다). 둘째, 쪼갬인장강도는 재령과 온도에 대해 압축강도와 유사한 경향을 나타내었고 탄성계수는 압축강도만큼 cross over 효과가 뚜렷하지 않았다. 셋째, 5종 시멘트 콘크리트와 플라이애쉬를 혼합한 콘크리트는 1종 시멘트 콘크리트보다 cross over 효과가 뚜렷하지 못하고 이러한 경향은 시멘트의 강도발현 차이에서 기인한 것으로 예측된다. 넷째, 압축강도와 탄성계수 또는 압축강도와 쪼갬인장강도의 상관관계식은 온도와 재령에 큰 영향을 받지 않는 것으로 관찰되었다. 따라서 기존의 여러 설계기준에서 제안된 상관관계식을 재령과 온도에 관계없이 사용할 수 있을 것으로 사료된다.
기존의 온도와 재령의 콘크리트에 대한 영향을 모델링하는 식들의 단점을 보완하기 위해 새로운 예측모델식을 제시하였다. 기존의 모델식들은 초기재령이나 장기재령에서 온도의 콘크리트에 대한 영향을 과소평가하거나 과대평가하는 문제점들이 있는데 이러한 문제를 겉보기 활성에너지에 대한 새로운 개념을 제안하여 해결하고자 하였다. 새로운 모델식 개발을 통하여 얻은 결론은 다음과 같다. 첫째, 새로운 겉보기 활성에너지 개념을 바탕으로 예측 모델식을 제시하였고 이 모델식은 기존 모델식들의 단점을 개선하였다. 둘째, 제안된 모델식을 여러 연구자들의 실험결과에 적용하여 예측 모델식의 변수에 대한 일반식을 제안하였다. 셋째, 제안된 모델식과 변수들에 대한 일반식들을 바탕으로한 예측값과 본 논문의 실험값을 비교하여 제안식들의 유효성을 증명하였다. 넷째, 실험값과 예측값의 비교에 의하면 기존의 모델식들이 압축강도 예측에만 적용이 가능하였던 반면에 본 모델식은 쪼갬인장강도와 탄성계수에도 적용이 가능하였다. 다섯째, 모델식의 현장적용가능성을 평가하기 위해 변온양생조건으로 양생한 콘크리트의 실험값과 모델식에 의한 예측값도 비교하였는데 모델식은 실험값을 잘 모델링하였다.
본 논문은 온도와 재령이 콘크리트의 재료역학적 성질에 미치는 영향을 파악하기 위해 여러 실험을 실시하였다. 또한 여러 연구자들이 제안한 모델식들을 분석하여 기존 모델식의 단점을 개선하고 그 적용범위를 확장한 새로운 모델식을 제시하였다. 따라서, 본 연구에서 제안한 식들을 사용하여 수화열에 의한 온도변화나 계절적 요인에 의한 온도증감에 의한 콘크리트의 재료역학적 성질의 변화를 정확히 예측할 수 있을 것으로 사료된다.
