This thesis mainly dealt with the prediction of the thermal stress and autogenous shrinkage (AS) in early-age concrete. The main purpose of the present work is to improve and extend the existing knowledge of crack-inducing forces.
The occurrence of restraint stress due to restrained thermal and autogenous deformations has been known as one of the major cause of early-age cracking in concrete. It is thus of utmost importance, to further study and improve the existing knowledge of material behavior in order to accurately predict the crack inducing forces subjected to in-situ temperature variations and restrained conditions.
In the early hardening phase, thermal and autogenous deformations occurred simultaneously. This is because concrete goes through natural heating and cooling cycle due to hydration reaction between cement and water, which causes the temperature of concrete getting rise. In traditional massive concrete structures, thermal deformations (TD) will be dominant that would induce restraint thermal stresses due to restraining actions, where as in high strength or newly developing high performance concrete both thermal and autogenous deformations simultaneously occurred, which results in combined thermal and shrinkage induced stresses. This is because of high binder contents of high strength and high performance concretes (HSC/HPC) which increases not only shrinkage but also causes very high temperature rises in large cross-sectional members (such as HSC columns and shear wall in high rise buildings which are normally 0.6m thick or more) due to enormous amount of heat accumulation in the center that usually takes much longer time in dissipating depending on various influencing factors (i.e., size of member, distance of studied location from exposed surface, type of form work, its thickness and removal time, and ambient conditions).
To improve the cracking resistance at early-age stage, an accurate assessment of the relevant property is indispensible. This is necessary to improve the reliability of the stress analysis as it depends mainly on how accurately materials model describes the actual behavior of young concrete. Relating to early-age behavior of concrete, a series of comprehensive tests were performed to independently investigate:
· Early-age AS where improvements are proposed in existing test methods to enhance the measurement accuracy
· Early-age AS where improvements are proposed in existing test methods to enhance the measurement accuracy
· Thermal dilation coefficient (TDC) to separate AS from total measured deformations. This is required to accurately predict early-age AS during realistic temperature conditions
· The effect of restraint on generation of restraint thermal stress by thermal stress device (TSD). Then, the applicability of TSD was investigated to accurately predict in-situ value of stress at the design stage. This is necessary for the sake of effective prevention against thermal cracking
First, an attempt was made to improve the testing methods to accurately measure early-age AS in concrete, particularly within first 24 hours after casting. As mentioned before, the temperature of concrete rises due to hydration heat and causes the simultaneous development of TD and AS. Since there is no general agreement on evolution of TDC in the literature, the most commonly adopted approach of subtracting the TD based on an assumed value of TDC results in incorrect values of AS. Therefore, to avoid such errors, an improvement is proposed concerning the control of hydration-induced temperature, which serves as an aide in achieving isothermal conditions (ITC) in concrete specimens right after casting. The validity of the proposed improvement was investigated by performing a series of tests using existing (including TD) as well as improved methods (excluding TD). The results indicated that the AS calculated by the existing approach is significantly underestimated at early ages, which might be due to over compensation of TD when an assumed values of TDC is considered. It is, therefore, recommended to incorporate proposed improvements into existing test methods or that an appropriate method of determining TDC over time be considered.
The proposed approach of controlling hydration temperature was then extended to investigate the influence of temperature on AS. This is to investigate how temperatures (i.e., ambient temperature or temperature within concrete mass) may affect development of early-age AS, and long-term AS and drying shrinkage (DS). Controlling hydration temperature to conduct test under various ITCs has been a big challenge in the past due to its severe effects on measurement accuracy. Moreover, predicting TDC over time and applicability of maturity still remained as a matter of serious concerns while working to predict shrinkage during realistic temperatures. A series of AS tests were conducted considering normal and high strength concrete under various isothermal temperatures (20, 30, and $40\deg C$) and realistic temperature. It was found that the early-age AS is extremely temperature dependant and that the effect of high early temperature is generally to increase the rate and the amplitude of AS due to accelerated hydration under higher curing or in-situ temperatures. A monotonous effect of temperature was noticed on early-age AS especially for low w/cm concretes which however tends non-monotonous as time elapses. Moreover, high early curing temperatures significantly reduce total deformation (i.e., a sum of AS and DS) monotonously for all the mixture proportions. Like temperature effects on mechanical properties of concrete, a cross-over effect (i.e., the final value of shrinkage cured under high temperature reduces and remains lower as compared to same concrete which is cured under low temperature) is also observed for shrinkage of concrete. However, unlike mechanical properties, AS obtained under isothermal temperatures cannot be used to predict shrinkage during realistic temperature conditions. This raised question on the applicability of maturity in case of shrinkage and therefore, demands for individual tests of AS for each particular situation. This is required to maintain a certain level of accuracy to avoid erroneous calculations while predicting shrinkage-inducing cracking risk.
Due to uncertainty related to early-age behavior of material as have been discussed before, predicting restraint thermal stress by analysis seems quite difficult particularly at very early ages. Therefore, to avoid complicated analysis, an experimental approach is followed to measure the restraint thermal stress directly by experiments using a TSD. A series of tests was conducted in which the amount of restraint in a TSD was varied. The effect of temperature and aging on uncertain early-age properties of concrete (i.e., elastic modulus, thermal dilation, autogenous deformation and transitional thermal creep), were incorporated itself using a TSD due to the simultaneous development of temperature and the corresponding stress in a restrained specimen from the very beginning of the process. The effect of restraint on the generation of thermal stress was found as profound. It indicated that the stress level can significantly increase with increasing degree of restraint. Furthermore, numerical simulations of the thermal stress setup were performed using the finite element code DIANA (DIsplacement ANAlysis). This was done to reproduce and extend the experimental interpretation so as to predict the maximum value of restrained stress which could have occurred under highest level of restraint in TSD. It is expected that proposed methodology may simplify the complexity of thermal stress analyses (i.e., more precise 3-D thermal stress analysis can be performed using material properties achieved from 1-D uniaxial tests) due to the difficulty of accurately determining the early-age properties of concrete.
Finally, the applicability of the TSD was investigated to predict restraint thermal stress at the design stage. This was done by performing tests in the laboratory and comparing results with those of obtained from the field. The mix proportion and the materials used in the laboratory were obtained directly from actual site. For the analysis of results, finite element analyses were also performed using finite element code CONSA/HS (CONcrete Stress Analyzer/ Hydration and Shrinkage) and DIANA. Despite of similar trends of stress developments observed between laboratory and field results, difference still exists between corresponding values of compressive and tensile stresses. The possible reasons of such differences and the important limitations of field and TSD test are discussed in this thesis as a part of future study. It is recommended that further suggestions included in this thesis be considered to improve the current state of TSD. This is in fact necessary to extend its applicability in the field.
이 논문은 초기 콘크리트의 온도응력과 자기수축을 예측하는 것을 주로 다루고 있으며, 기존에 알려진 균열유발응력에 대한 연구를 개선하는 것이 이 논문의 주된 목적이다.
열과 자기수축으로 인해 발생된 구속응력은 콘크리트의 초기균열을 일으키는 주된 원인으로 알려져 있으며, 온도변화와 구속조건에 따라서 균열유발응력을 정확히 예측하기 위해서는 콘크리트의 재료거동에 관한 연구가 더 수행되어야 한다.
초기 경화단계에서, 온도변화와 자기수축은 동시에 일어나며, 시멘트와 물의 수화 반응으로 인하여 콘크리트의 온도는 올라가게 된다. 일반적으로 콘크리트의 균열 발생은 매스콘크리트 온도 변형(thermal deformation)에 의해 유발된 온도응력에 의하여 좌우되며, 고강도나 고성능 콘크리트에서도 온도 변형과 자기수축으로 인한 복학적인 응력에 좌우된다. 이는 고강도나 고성능 콘크리트에서 자기수축이 증가할 뿐만 아니라, 중심부에 축적된 열로 인하여 큰 단면부재(초고층 빌딩에서 고강도 콘크리트 기둥과 전단벽의 두께는 보통 0.6m 이상)내에서 온도증가가 높게 일어나며, 발생된 열이 소산되는 데는 많은 시간이 필요하기 때문이다.
초기재령에서 콘크리트의 균열 유발을 제어하기 위해서는, 초기재령 콘크리트에 대하여 정밀한 평가가 이루어져야 한다. 이는 초기재령 콘크리트의 재료모델을 얼마나 정확히 묘사하는지에 달려있으며, 응력 해석의 신뢰성 향상을 위해서도 초기재령 콘크리트의 재료모델을 정확히 묘사하는 것이 필요하다. 이 논문에서는 콘크리트 초기거동을 평가하기 위하여 다음의 연구가 수행되었다:
· 기존 실험방법보다 측정 정밀도가 높아진 개선된 자기수축 측정법을 제안하였다.
· 수축에서 온도의 영향은 초기재령에서 주로 일어나므로, 초기재령에서 어떠한 조건이 수축에 영향을 미치는지를 연구하였다.
· 열팽창계수(thermal dilation coefficient)는 온도 변형과 자기수축의 측정에 쓰이며, 열팽창계수는 초기재령의 자기수축을 정확히 예측하는데 필수적이므로 이에 대한 연구를 수행했다.
· 온도응력시험장치(thermal stress device)로 구속응력을 측정할 수 있으므로 이를 이용하여 설계단계에서 정확한 응력을 예측하는데 활용방법에 대하여 연구하였다.
먼저 콘크리트 초기재령의 자기수축, 특히 타설 후 24시간 이내의 정확한 자기수축 측정을 위하여 실험 방법을 개선하였다. 앞에서 언급한 바와 같이, 콘크리트의 온도는 수화열에 의하여 증가하며, 이로 인하여 온도 변형과 자기수축이 동시에 발생한다. 기존 연구에서는 보통 열팽창계수의 추측값을 기반으로 열에 의한 변형을 계산하였기 때문에 결과적으로 자기수축을 잘못 구하는 오류를 범했다. 기존의 온도 변형을 포함시키는 실험방법과 온도 변형을 제외시킨 개선된 실험방법을 사용하여 일련의 실험들을 수행함으로서 제안된 실험방법의 타당성을 검증하였다. 그 결과, 기존의 실험방법으로 수행된 자기수축은 가정된 열팽창계수에 의하여 온도 변형값이 차이가 나기 때문에 자기수축량이 상당히 과소평가되어 나타났다. 따라서 초기재령에서 자기수축을 정확히 측정하기 위해서는 기존 실험방법 대신에 제안된 실험방법을 사용하거나, 시간에 따른 열팽창계수를 정확히 결정할 수 있는 방법이 필요하다.
자기수축에 미치는 수화온도의 영향을 알아보기 위해 제안된 실험방법을 통하여 이 논문에서는 실험을 수행하였다. 온도(주위 온도 또는 콘크리트 내부온도)가 어떻게 초기 자기수축, 장기 자기수축과 건조수축에 영향을 주는지를 연구하였다. 등온상태에서 수화온도제어는 정확히 제어하는 것이 어렵기 때문에 과거에는 하나의 큰 도전이었다. 더욱이 시간에 대한 숙성도 개념을 적용하여 예측한 열팽창계수는 여전히 실제 온도에서 수축을 예측하는데 큰 문제점을 가지고 있었다. 이 논문에서는 보통콘크리트와 고강도 콘크리트를 다양한 등온(20, 30, $40\deg C$)과 상온에서 자기수축실험이 수행되었고, 이 실험에서 초기 자기수축은 온도에 크게 좌우되며, 초기재령에서 높은 온도에 의하여 수화가 가속되어서 자기수축의 크기와 속도가 증가하는 경향을 알았다. 낮은 물/시멘트비들의 경우에 초기재령에서 온도에 따른 자기수축의 영향은 온도가 높아짐에 따라서 자기수축이 증가하는 경향을 보이지만, 시간의 지남에 따라서 온도에 따른 경향성은 변한다. 게다가 초기에 양생온도가 높을수록 어떠한 배합비에서도 전체변형(자기수축과 건조수축의 합)을 크게 낮춘다. 콘크리트의 역학적 특성에서 이러한 온도의 효과는 콘크리트 수축에 대하여 크로스오버현상(cross over, 고온에서 양생된 수축값이 저온양생된 같은 콘크리트와 비교해서 더 낮다)을 보여준다. 그러나 역학적 특성과는 다르게, 등온 상태에서 측정된 자기수축은 변화하는 온도에 대한 수축예측에 사용하기 힘들다. 이 문제는 해당 응력에 도달하는 적산날짜(maturity) 때문이며, 특정 조건에서 각각의 자기수축 실험이 필요하다. 이는 수축으로 생기는 균열예측에 있어 정확도를 유지하고 에러를 피하기 위하여 필요한 과정이다.
이전에 언급한 바와 같이, 초기재령에서 재료의 거동은 불확실하기 때문에 온도응력을 정확히 해석 및 예측하는 것은 매우 어렵다. 이러한 이유로 온도응력의 측정에는 온도응력시험 장치를 이용하여 실험을 수행하였으며, 온도응력시험 장치의 구속조건을 달리하였다. 콘크리트 초기특성(탄성 계수, 열팽창, 자기수축, 열 크리프)이 온도와 재령의 영향을 받아 불확실하다는 점을 고려하여 초기재령 구속 상황에서 변화온도와 그때의 응력상태를 온도응력시험 장치를 이용하여 측정하였다. 온도응력에 의해 발생되는 구속의 영향은 구속력의 정도에 따라서 응력에 확연한 차이를 가져왔다. 이에 온도응력의 수치적인 시뮬레이션은 DIANA(DIsplacement ANAlysis) 프로그램을 이용하였으며, 실험해석을 재현하고 확장하면서 온도응력시험 장치에서 가장 높은 레벨인 완전구속조건에서 일어날 수 있는 구속응력의 최대값을 예측하였다. 콘크리트의 초기 특성을 정확히 결정할 수 없기 때문에 온도응력시험 장치를 이용하는 방법은 복잡한 온도응력 해석(3차원 온도응력해석은 1차원 일축시험에서 얻은 재료특성을 사용하여서 보다 정확히 수행할 수 있다)을 단순화시킬 수 있는 좋은 방법으로 기대된다.
마지막으로, 온도응력시험 장치를 이용하여 설계단계에서 온도응력을 예측하는 연구를 수행하였다. 실험실에서 실험을 수행하고, 현장에서 계측한 결과와 비교하였다. 실험실에서의 배합비과 재료는 실제 현장의 것을 사용하였으며, 해석에는 CONSA/HS(CONcrete Stress Analyzer/Hydration and Shrinkage)프로그램과 DIANA프로그램이 사용되었다. 실험실의 결과와 현장의 결과 사이에 비슷한 응력 진전의 경향을 보였지만, 압축과 인장응력의 값에서 다소 차이를 보였다. 이러한 차이가 나는 이유와 현장과 실험실에서 온도응력시험 장치 실험의 한계에 관하여 추가로 연구해야 할 내용들을 제시하였고, 추후 연구에서 현재 상태의 온도응력시험 장치의 개선사항을 제안하였다. 또한, 온도응력시험 장치의 개선에 대한 연구는 현장에서 활용성을 높이기 위해 필요하다.
