The experiment was performed to investigate the influences of specimen size and initial notch length on tensile strength, fracture toughness $K_IC$, fracture energy G$_f$, and notch sensitivity of concrete.
The splitting tensile test for cylindrical specimen was employed because the splitting test is simple to perform and gives more uniform results than direct tensile or flexural tensile test. The specimens were tested for diameters of 10, 20, 40, and 80 cm with the same length 18.8 cm. The ASTM standard test method (C496), ""splitting tensile strength of cylindrical concrete specimens"", was followed as closely as possible.
The results show that size effect appears conspicuously. As the specimen sizes increase, the splitting tensile strength of the specimen, regardless of initial notch length ratio, was shown to decrease. But the decreasing rate of strength is gradually reduced after an obvious strength drop. The fracture energy and the fracture toughness, which are very important parameter in fracture mechanics, were calculated with several methods. The change of notch sensivity, along to the increase of specimen size, was obtained.
1. 서론 Kaplan(1963)이후 파괴역학을 콘크리트에 적용하려는 많은 연구가 행해져왔다. 1984년 Z.P. Bazant는 파괴역학을 사용하여 콘크리트의 크기효과를 설명하였다. 그의 기본적 가정은 명쾌하였지만 구조물의 크기가 커질 경우 실험결과와 다른 경향을 나타내는 것으로 나타났다. 본 논문에서는 Z.P. Bazant의 Size Effect Law의 실험상수 $Bf_t'$, $d_o$와 공시체 크기의 관계를 알아보고 실제 실험결과에 맞도록 개선된 식을 제안하였다.
공시체 크기 및 초기 노치길이가 콘크리트의 인장강도, 파괴인성, 파괴 에너지 및 노치민감도 등에 미치는 영향에 관한 실험을 행하였다.
2. 크기효과식의 이론적 고찰
Z.P. Bazant의 크기효과식은 다음과 같다.
$\sigma_N = \frac{Bf_t'}{\sqrt{1+d/d_o}}\qquad \qquad(1.1}$
윗 식의 유도과정에서, 균열이 진전할때 소요되는 총에너지 제공량(strain energy release) W는 균열길이 a와 균열진행영역(fracture process zone)의 면적 $nd_aa$의 함수로 나타내진다. 이 함수의 각 부분은 윗 식의 실험상수 $Bf_t'$, $d_o$를 결정하는 중요한 변수로 작용한다. 즉, $Bf_t'$, $d_o$는 고정된 상수가 아니고 공시체 크기및 균열 크기의 영향을 받는 변수 이다. 이러한 점을 고려하면 $Bf_t'$와 $d_o$ 값이 각각 공시체크기와 균열크기가 커짐에 따라 작아지고 따라서 공시체 크기가 커짐에 따라 콘크리트 강도가 작아지는 비율이 점차 완화됨을 알 수 있다. 이를 보완하기 위하여 다음과 같이 개선된 식을 제안하였다.
$\sigma_N = \frac{Af_t'}{\sqrt{1+d/d_o}} + \alpha f_t' \qquad(2.7)$
3. 실험절차
할렬 인장실험이 실시하기 용이하고 직접 인장실험 이나 휨 인장실험 보다 균일한 결과를 얻을 수 있기 때문에 원형 공시체를 사용한 할렬 인장실험 방법이 사용되었다. 공시체 폭을 18.8 cm 로 일정하게 유지하고 지름을 10, 20, 40, 80 cm 로 변화시키며 모르타르와 콘크리트에 대하여 다음과 같이 세가지 실험이 행해졌다.
1. 노치크기와 공시체크기의 비가 일정한 경우
2. 노치크기가 일정한 경우
3. 노치가 없는 경우.
실험방법은 ASTM C496 에 규정된 표준 할렬 인장강도 실험방법을 따랐다.
4. 실험결과및 분석
실험 결과 콘크리트 인장강도의 크기효과가 명확하게 나타났다. 공시체의 크기가 커짐에 따라 초기 노치길이에 관계없이 콘크리트 할렬 인장강도는 줄어드는 것으로 나타났다. 그러나 일정 구간에서의 뚜렷한 인장강도 감소 후에는 감소율이 점차 작아지는 것으로 나타났다.
실험결과를 이용해서 파괴인성 을 여러가지 방법으로 구하였다. B.K.P.방법에 의한 값이 다른 방법들(Rooke and Cartwright 방법과 F.E.M.방법)에 의한 값들 보다 약간 크게나왔지만 공시체의 크기가 커짐에 따라 어떤 한 값으로 수렴되어가는 것으로 나타났다. 또 공시체 크기의 변화에 따른 노치민감도의 변화를 구하였다.
5. 결론 제안된 식이 실험결과와 잘 일치하는 것으로 나타났다. 그러나 실용적으로 쓰이기 위해서는 실험상수 $\alpha$를 결정할때 더 합리적인 근거가 주어져야할 것이다.
골재 크기가 작을 수록 강도저하가 더 빨리 나타났다.
