This thesis reviews the cause of plastic cracking, proposes analytical models for prediction of plastic cracking in early-age concrete slab, and provides several case studies. Among plastic cracking caused by various causes, this study focuses on two most commonly occurring plastic cracks; plastic settlement cracking and plastic shrinkage cracking.
Considering the fact that the settlement of fresh concrete is caused by consolidation and not sedimentation, a numerical approach based on the small strain consolidation theory is introduced for the analysis of plastic settlement in concrete slabs and the validity of the approach is verified through experiments. An experiment using a non-contact laser measurement device is performed to measure the amount of settlement due to self-weight for bulk mortar; material parameters related to the settlement of mortar are estimated based on the measurement results. It is concluded that the laser measurement system suggested in this study can be utilized as an accurate and automated method for measuring bleeding, which is identical to the settlement due to self-weight. Another experiment is then performed on rebar-embedded mortar to measure the settlement distribution by location, and the influences of mixture proportions and cover depth on differential settlement are analyzed. Through correlation studies between experimental data and settlement distributions obtained by self-weight consolidation analysis, the validity of applying the consolidation theory to the analysis of plastic settlement of mortar is verified.
Since plastic shrinkage cracking is basically induced from the drying surface condition of freshly placed concrete, a precise estimation for plastic shrinkage cracking is possible with an accurate calculation of the evaporation of bleed water. Accordingly, an analytical model that can predict the occurrence of plastic shrinkage cracking in concrete slabs is introduced on the basis of the balance between the amounts of bleeding and evaporation. The one-dimensional large strain consolidation theory is adopted to simulate the normal bleeding phenomenon. Contrary to previous evaporation formulas, a numerical model for the evaporation of bleeding water is proposed. The model considers hydration heat because temperature changes in the surface of concrete, namely a rapid rise in temperature at the initial stage after concreting, have a dominant effect on the evaporation of water. The time at which the concrete surface begins to dry, which is obtained by the bleed water evaporation analysis, is compared with the time at which plastic shrinkage cracking occurs in the experiment of other researchers. This correlation study allows us to conclude that the proposed analytical model for the analysis of bleed water evaporation can be effectively used to predict the occurrence of plastic shrinkage cracking.
The influence on bleeding water evaporation by many factors related to concrete mixture properties and weather conditions is also analyzed through parametric studies using the proposed numerical model. Regression formulas for each influencing factor are designed, and two equations to predict the drying time and the corresponding amount of evaporation are derived from a combination of each regression formula. Furthermore, the regression equation for drying time is modified to take into account the influence of sequential placing method, including such factors as the number of placement steps and the time interval between layers.
Since plastic cracking of concrete slab depends on many parameters, such as the mixture proportions, design parameters, and construction conditions, the analytical models introduced in this study can be effectively used to estimate the cracking potential. This is possible because the analytical models take changes in these parameters, as mentioned above, into consideration. Moreover, safe construction strategies against plastic cracking can be planned using the proposed analytical models whenever site conditions suddenly change.
콘크리트의 소성균열은 굳지 않은 콘크리트의 재료적 특성에 의해 발생하는 비구조균열로 이 논문에서는 초기재령 콘크리트 슬래브에서 가장 빈번하게 일어나는 소성균열인 소성침하균열과 소성수축균열의 발생을 예측하기 위한 해석모델을 제안하였고 소성균열에 대한 여러 가지 영향인자의 영향을 수치해석을 통해 분석하였다.
굳지 않은 콘크리트의 구성 성분 간에 존재하는 힘은 토질역학에서의 유효응력과 유사한 개념으로 간주할 수 있다는 전제 하에 모르타르의 소성침하 현상을 자중압밀 이론을 적용해 해석하였고 실험을 통해 그 타당성을 검증하였다. 먼저 레이저 거리측정기를 이용해 방해물이 없는 모르타르의 자중압밀 침하량을 측정하였으며 측정결과를 토대로 모르타르의 압밀과 관련된 재료상수를 산정하였다. 또한 이와 같은 레이저 거리측정 실험 기법은 모르타르의 블리딩, 즉 자중압밀에 의한 침하량을 측정하는 하나의 자동화된 기법으로 활용될 수 있음을 확인하였다. 다음으로 철근이 매입된 모르타르에 대한 침하실험을 수행하여 위치에 따른 침하량 분포를 측정하였으며 배합 및 피복두께가 모르타르의 부등침하에 미치는 영향을 분석하였다. 나아가 모르타르의 자중압밀 해석으로부터 산정된 침하량 분포를 실험결과와 비교·분석하여 모르타르의 소성침하 해석에 압밀이론을 적용하는 것이 타당함을 확인하였고 이를 통해 콘크리트 배합 및 부재 형상에 따라 소성침하균열의 발생 가능성을 검토할 수 있는 기반을 마련하였다.
한편 소성수축균열의 주된 원인은 콘크리트의 표면건조라는 사실에 착안하여 콘크리트의 블리딩수가 완전히 증발하는 시기를 수치적으로 해석함으로써 소성수축균열의 발생 가능성을 판단할 수 있는 해석모델을 제안하였다. 콘크리트의 블리딩은 일차원 대변형률 압밀이론을 적용해 해석하였으며 영향인자에 따른 콘크리트의 블리딩 변화를 해석할 수 있도록 타연구자의 블리딩 실험결과를 토대로 블리딩 해석상수 모델식을 제안하였다. 콘크리트 타설 초기에는 수화열에 의해 콘크리트 표면온도가 급격히 상승하므로 수화열에 의한 콘크리트 표면온도의 변화를 고려하여 수분증발을 해석할 수 있는 해석모델을 제안하였고 타연구자가 수행한 콘크리트의 수분증발 실험과의 비교연구를 통해 이 해석모델의 타당성을 검증하였다. 나아가 블리딩수가 완전히 증발하는 시기를 수치적으로 해석한 후 타연구자의 실험에서 측정된 소성수축균열 발생 시기와 비교함으로써 이 논문에서 제안된 소성수축균열 해석모델의 타당성을 검증하였다. 제안된 해석모델을 이용해 콘크리트의 배합과 외기조건이 콘크리트 슬래브의 표면건조에 미치는 상대적인 영향을 비교·분석하였으며 해석결과를 바탕으로 콘크리트 슬래브의 표면건조 시기에 대한 모델식을 제안하였다. 이와 같이 제안된 블리딩수의 증발해석 모델과 표면건조 시기 모델식을 시공 현장에서 이용한다면 현장의 콘크리트 배합, 외기조건 및 시공조건에 따라 소성수축균열 발생 가능성을 예측하고 이에 대한 대비를 하는데 많은 도움이 될 것으로 생각된다.
